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BACTERIOCINAS Y SU USO EN LA CONSERVACION DE PRODUCTOS LACTEOS:

REVISION

BACTERIOCINS AND THEIR USE IN THE CONSERVATION OF DAIRY PRODUCTS: REVIEW

Alvaro J. Padilla1, Rodrigo F. Ricardo1*, Stefany Zapa1, Erika Coronado1

RESUMEN

La elaboración de productos alimentarios aptos para el consumo implica que estos sean inocuos y

que no representen riesgos a la salud de los consumidores. En busca de esto, a lo largo de la

historia se han aplicado métodos de conservación con la utilización de algunos productos

químicos que podrían ser nocivos a largo plazo, por tal motivo la tendencia es ir reemplazando

estos productos por otros más naturales. Las bacteriocinas se han venido empleando hace años,

sin embargo es un campo que se encuentra en estudio, pues para la aprobación de estas como

aditivos se deben cumplir una serie de requisitos, no obstante existe una bacteriocina aprobada

como lo es la nisina. Existen otras bacteriocinas que pueden ser empleadas de otros modos

diferentes a la adición directa como la pediocina PA-1.

Palabras clave: bacteriocinas, conservación de alimentos, nisina, pediocina.

ABSTRACT

The development of food products unfit for consumption implies that these are safe and do not

pose risks to the health of consumers. In search of this, throughout history have applied

conservation methods with the use of some chemicals that could be harmful in the long term, for

this reason the trend is to replace these with more natural products. Bacteriocins have been using

for years, but it is a field that is being studied, as for the adoption of these additives must meet

1 Universidad de Córdoba, Departamento de Ingeniería de Alimentos, Berástegui-Colombia, Tel.: 3107105976. *Email:

rfrc_1990@hotmail.com

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certain requirements, however there is an approved bacteriocin such as nisin. There are other

bacteriocins that can be employed in other ways than as direct addition of pediocin PA-1.

Key words: bacteriocins, food preservation, nisin, pediocin.

INTRODUCCION

Hoy día gran parte de la población mundial presenta la necesidad de consumir alimentos que

además de ser aceptables sensorialmente también posean un alto valor nutricional, que al mismo

tiempo sean sanos y ofrezca una alternativa a la prevención de enfermedades.

Por lo general las principales causas del deterioro de los alimentos es debida al ataque de

bacterias, hongos o levaduras, y estas alteraciones producen una cantidad considerable de

pérdidas económicas, tanto para los productores como para comerciantes y lo más importante,

ocasionan el deterioro de la salud de los consumidores que han confiado en la calidad

microbiológica de los productos que han adquirido (Martínez, 1996).

Una alternativa que se ha encontrado es la utilización de conservadores, que no inhiben pero si

logran retardar el crecimiento de microorganismos y por consecuencia el deterioro de los

alimentos. Los conservadores aplicados son de naturaleza química o física, pero además, se han

encontrado conservadores naturales como los péptidos antimicrobianos que son sintetizados por

las bacterias ácido-lácticas, las bacteriocinas, que presentan la capacidad de inhibir el crecimiento

de microorganismos relacionados o no filogenéticamente. La actividad antimicrobiana de las

bacteriocinas representa un gran potencial para la industria alimenticia ya que se pueden utilizar

como conservadores biológicos puros y al ser de naturaleza peptídica, al biodegradarse no

forman compuestos secundarios y su aplicación puede contrarrestar el uso de conservadores

químicos que llegan a perjudicar la salud de los consumidores.

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Las bacteriocinas son péptidos con actividad antimicrobiana producidos por síntesis ribosomal y

son segregadas por un gran número de bacterias para inhibir el crecimiento de otros

microorganismos competidores (Papagianni 2003; Joerger 2003; Katikou 2005; Motta 2008). Estas

sustancias con frecuencia actúan frente a las bacterias más estrechamente relacionadas. Sin

embargo estudios recientes afirman que también pueden actuar frente a otras especies

bacterianas, hongos y algunos parásitos (Cotter et al. 2005; Svetoch et al. 2008).

El uso de estos péptidos contribuye con la conservación de productos lácteos fermentados como

el caso de los quesos, yogures y en general a cualquier proceso que utilice bacterias lácticas

aumentando de este modo la seguridad alimentaria, lo que nos permitiría minimizar los

tratamientos que se le aplican a los productos lácteos que, de manera que pierdan menos

propiedades, pero sin dejar a un lado los protocolos de seguridad que normalmente se realizan.

Como por ejemplo con la presencia de nisina, el proceso térmico como la pasteurización al que

debe someterse un producto puede ser un poco más bajo de temperatura, lo que redundaría en

una menor pérdida de propiedades nutritivas (Martínez, 1996).

Las bacteriocinas aparecen como una alternativa para disminuir las pérdidas totales y las

propiedades en algunos productos lácteos producidos por contaminación con microorganismos

que afectan directamente la economía de productores, comercializadores, sin dejar a un lado la

protección de la salud de los consumidores.

El objetivo del siguiente trabajo es hacer una investigación profunda acerca de las bateriocinas y

sus principales usos en la industria alimentaria, especialmente en la conservación de productos

lácteos.

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BIOCONSERVACION DE PRODUCTOS LACTEOS

La primera descripción de actividades relacionadas con las bacteriocinas se publicó hace más de

ochenta años, cuando se descubrió un antagonismo entre cepas de Escherichia coli,

originalmente, estas sustancias fueron llamadas colicinas (Riley y Wertz 2002).

Sin embargo las primeras observaciones en BAL comenzaron en 1928, cuando se describió cómo

ciertas cepas de Lactococcus empleadas en la fabricación de quesos producían un efecto

inhibidor del crecimiento de otras BAL (Rogers y Whittier 1928) y potencialmente podían inhibir el

crecimiento de bacterias patógenas y nocivas para la conservación del queso.

Nisina

La nisina es un péptido de 34 aminó ácidos, de bajo peso molecular menor a 5 kDa. La síntesis de

la nisina es compleja, requiere de procesos de transcripción, traducción, modificaciones post-

traduccionales, secreción, procesamiento, y señales de transducción. Existen dos variantes de

esta bacteriocina, la nisina A y la nisina Z, que difieren solamente en el amino ácido de la posición

27, la histidina en la nisina A cambia por asparagina en la nisina Z (Sangronis y García, 2007).

La nisina es acida por naturaleza por lo que es estable en condiciones acidas; su solubilidad

aumenta al aumentar la temperatura y disminuir el pH. Se demostró que la nisina es rápidamente

inactivada en el intestino por las enzimas digestivas y no puede detectarse en la saliva de

humanos diez minutos después de haber consumido un líquido que la contenga (Simova et

al.,2006).

La nisina, descrita en 1928, fue la primer bacteriocina aislada a partir de la bacteria ácido láctica

Lactococcus lactis Subs. Lactis. Es la bacteriocina mejor caracterizada y es utilizada como

conservador de alimentos; es la única reconocida por la FDA con la categoría GRAS (Generally

Recognized As Safe) (Maldonado y Llancas, 2007). Contrariamente, Mattick y Hirsch (1947)

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afirmaron que en 1933 se describió por primera vez esa sustancia de naturaleza peptídica con

actividad antimicrobiana producida por cepas de la especie Lactococcus lactis subsp. Lactis, que

posteriormente se denominó nisina. La bacteriocina nisina en su presentación comercial ha

demostrado ser efectiva en el control de Cl. tyrobutyricum (Fleming et al. 1985). Se produce de

forma natural en algunos productos lácteos y se utiliza en la producción de alimentos y como un

aditivo en productos lácteos para prevenir la descomposición ocasionada por bacterias Gram

positivas, especialmente de los géneros Clostridium, Staphylococcus, Bacillus y Lysteria

(Maldonado y Llancas, 2007).

La nisina es por tanto la bacteriocina que tiene un historial más largo de uso seguro en

alimentación y la que ha sido más estudiada. En 1953 se comercializó por primera vez en

Inglaterra, en 1969 se aprobó su uso en alimentación por la OMS (Joint Food and Agriculture

Organization/World Health Organization Expert Committee on Food Additives) y en 1983 se

incluyó en la lista de aditivos de la U.E. con el número E234; poco después, en 1988, fue

aprobada por la FDA (Food and Drug Administration) norteamericana (Cotter et al., 2005). La

nisina se puede adquirir en grado alimentario bajo el nombre de NisaplinR (Danisco) y consiste

básicamente en un preparado que contiene un 2,5 % de nisina, con NaCl (77,5 %) y leche

descremada en polvo (12 % proteína y 6 % carbohidratos). El producto Nisaplin ND (nondairy

nisin) no contiene las proteínas lácteas, lo cual favorece su solubilidad en medio acuoso, contiene

un 6,25 % de nisina, NaCl (90 %), carbohidratos (2 %) y proteína (aproximadamente un 3 %). Se

utiliza en la reparación de productos lácteos (especialmente quesos), embutidos, huevo líquido,

zumos y alimentos enlatados. Su actividad cubre un espectro amplio de bacterias Gram positivas,

entre las que cabe destacar Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes (Cintas et al., 2001)

y Clostridium sp. (O'Sullivan et al. 2002).

Los principales patógenos relacionados con la industria de productos lácteos son Listeria

monocytogenes, Staphylococcus aureus y Escherichia coli (De Buyser et al. 2001), además el

deterioro en quesos como el Kasseri, Emmental, Gruyére, Grana, Edam, Gouda se debe a la

formación de gas a partir del Clostridium tyrobutyricum (Bergére y Lenoir 2000).

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Como aditivo, industrialmente únicamente se emplea la nisina (Medina 2006). Algunos productos

en los cuales se ha implementado el uso de bacteriocinas, específicamente la nisina, son

especialmente productos lácteos como el queso Gouda y queso Emmenthal donde la nisina inhibe

el crecimiento de Cl. Butyricum y Cl. Tyrobutyricum. En el yogurt se da una inhibición del cultivo

iniciador Lactobacillus delbrueckii, bulgaricus y Streptococcus thermophilus por la nisina (Delves-

Broughton 1991), por lo cual se demuestra que no es aplicable a este tipo de productos lácteos.

Algunos autores han descrito los efectos del uso de la nisina en productos lácteos, especialmente

en quesos, donde al parecer es más utilizada esta bacteriocina.

Un estudio reciente realizado con ratas colonizadas con microflora intestinal humana ha

demostrado que la ingestión de nisina no altera de forma indeseable el perfil de la microbiota

intestinal. Además, la nisina administrada por vía oral se degradaba o inactivaba durante su

tránsito por el intestino (Bernbom et al., 2006).

Maldonado y Llanca (2007) observaron el efecto de la incorporación de nisina sobre la

supervivencia del Staphylococcus aureus en queso de mano, siendo este un producto del tipo

pasta hilada, por lo que presenta altos contenidos de humedad. Los investigadores obtuvieron

resultados contundentes, donde se demostró que la bacteriocina ya mencionada inhibía al

microorganismo, mientras que en las muestras de control inoculadas con la misma población

inicial de S. aureus y sin la adición de la nisina el crecimiento del microorganismo fue notable

hasta el punto de quintuplicarse. Además de esto se ha logrado comprobar que la adición de

nisina en estos productos no afecta las características sensoriales y fisicoquímicas de estos

(Sangronis y García 2007).

En 2010, en la 42ª reunión del Comité del Codex Alimentarius y el Programa conjunto FAO/OMS

sobre normas alimentarias se destacó lo siguiente acerca del uso de nisina en productos lácteos.

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Leche y bebidas lácteas: Los distintos estudios muestran que la adición de nisina

disminuye la resistencia térmica de las esporas bacterianas termofílicas que normalmente

se encuentran en la leche y facilita una reducción de los requisitos de tiempo y/o

temperatura necesarios para desactivar las esporas bacterianas y células vegetativas

(p.ej., Bacillus stearothermophilus, Bacillus spp., Lactobacillus spp.) durante el procesado

térmico.

Nata y productos análogos: Los estudios demuestran que la nisina inhibe el desarrollo de

esporas de Bacillus spp. y Bacillus cereus, ayuda a aumentar el período de validez del

producto y garantizar la inocuidad del alimento.

Queso no madurado: Informes publicados sobre las incidencias de inocuidad alimentaria

relacionadas con este tipo de productos han demostrado el riesgo que plantea la presencia

de Listeria monocytogenes, que es un agente patógeno ampliamente distribuido en el

medio ambiente, que puede desarrollarse a temperaturas de refrigeración. Estudios con

queso cottage, queso ricotta y el queso fresco mejicano muestran que la nisina inhibe el

desarrollo de Listeria monocytogenes y se puede utilizar para aumentar la inocuidad del

alimento y ampliar el período de validez de este tipo de productos.

Queso madurado: La nisina se utilizó primero en queso madurado, semiduro, Emmenthal y

Gouda, como medio para prevenir la formación de gas clostridial debido al desarrollo de

Clostridium butyricum y Clostridium tyrobutyricum. No obstante, se demostró que la adición

directa de nisina inhibía también los cultivos lácticos, produciendo retrasos en el

procedimiento de madurado. Por tanto, la concentración se desplazó a la viabilidad de

utilizar cultivos lácticos del queso que producen nisina de forma natural. Estudios

demuestran que el queso que contiene nisina producida durante el procedimiento de

madurado puede proporcionar protección contra el desarrollo de Clostridium spp., Listeria

innocua y Listeria monocytogenes.

Queso elaborado, fundido: Los estudios demuestran que se puede utilizar nisina para

controlar el desarrollo de esporas de Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum,

Clostridium sporogenes y Clostridium botulinum. No obstante, las dosis de aplicación

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necesarias para garantizar la inocuidad del producto dependen en gran medida de la

formulación del producto.

Postres lácteos: Los estudios demuestran que la nisina inhibe los formadores de esporas

resistentes al calor como Bacillus spp. y Clostridium spp. y evitan el crecimiento de

esporas; esto ayuda a aumentar el período de validez del producto y garantizar la

inocuidad del alimento. En algunos postres lácteos fermentados como el yogur, se añade

nisina después de la producción para inhibir los cultivos lácteos del yogur (Lactococcus

delbrueckii subsp bulgaricus y Streptococcus thermophilus). Esto evita la acidificación

excesiva del yogur y ayuda a aumentar el período de validez del producto. Mantiene

también su aroma y limita la sinéresis.

Pediocina y Pediocina PA-1

Es una bacteriocina producida por Pediococcus acidolactic es utilizada como conservador en

productos vegetales cárnicos y se ha observado una elevada actividad contra especies de Listeria.

Dada su alta actividad contra especies de Listeria esta bacteriocina tiene un alto potencial para ser

utilizado como conservador en alimentos lácteos (Fernández 2004; Wirawan et al. 2007)

La pediocina PA-1 es un péptido de 44 aminoácidos sin modificaciones postraduccionales la

cual es activa frente a un amplio espectro de bacterias Gram-positivas, muchas de ellas

alterantes de los alimentos o responsables de intoxicaciones o toxiinfecciones alimentarias,

se trata de una bacteriocina inactiva frente a diversas especies que frecuentemente forman

parte de cultivos iniciadores, como las del género Lactococcus. Por otra parte, la pediocina

PA-1 actúa sinérgicamente con bacteriocinas de la clase I, como lo son la nisina y la lacticina

481, de igual manera actúa con bacteriocinas de la subclase IIb, como la lactacina F y

también actúa con las de la clase III entre las que se encuentra la lactacina B (Fernández 2004).

Las primeras referencias a la pediocina PA-1 se remontan a los años 80, cuando dos grupos de

investigadores describieron, por separado, la producción de una bacteriocina en dos pediococos

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de origen cárnico, Pediococcus acidilactici PAC1.0 y P. acidilactici H. Su caracterización confirmó

que se trataba de la misma molécula, que se denomina habitualmente como pediocina PA-1

(González y Kunka 1987, Bhunia et al. 1988).

La empresa canadiense Quest fue la primera en comercializar el ALTA 2341, un fermentado que

contenía pediocina PA-1. Actualmente los productos ALTA™ (ALTA 1701, 2351 y 2345),

comercializados por Kerry Bio-Sciences (Irlanda), consisten en fermentados de un cultivo iniciador

de un P. acidilactici productor de pediocina, y están recomendados especialmente para productos

cárnicos y lácteos (Reviriego 2009).

Pucci et al. (1988) fueron los primeros en comprobar la utilidad de la Pediocina PA-1 en un

producto lácteo (queso cottage, nata y crema de queso), motivados por el desarrollo de varios

brotes de listeriosis asociados al consumo de distintos tipos de quesos un tiempo atrás.

Comprobaron que la adición del fermentado que contenía la bacteriocina permitía controlar de una

manera eficaz el desarrollo de L. monocytogenes en alimentos ácidos mantenidos en

refrigeración, atribuyéndole a la Pediocina PA-1 un efecto bactericida rápido (< 24 h). Esta

rapidez de actuación de la Pediocina PA-1 frente a Listeria fue corroborada por diversos

investigadores en varios sustratos lácteos y cárnicos (carne de ternera, salchichas, queso

“Cottage”, helado y leche en polvo reconstituida) (Motlagh et al. 1992; Degnan et al. 1993).

En general los experimentos para comprobar la efectividad de esta bacteriocina se han llevado a

cabo más que todo en productos cárnicos.

Combinaciones entre bacteriocinas y otros tratamientos

Se ha estudiado los efectos que traen la combinación de bacteriocinas sobre la inhibición de

algunos microorganismos patógenos y alterantes, así por ejemplo, Hanlin et al. (1992) lograron

demostrar que la combinación de pediocina PA-1 y nisina aumentaba la capacidad de inhibición

sobre L. monocytogenes y Clostridum. El uso de curvaticina 13 y nisina mostró un efecto sinérgico

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al inhibir totalmente L. monocytogenes (Bouttefroy y Millière 2000). Y de esta misma forma se ha

observado que la combinación entre bacteriocinas con otros tratamientos conservantes es muy

útil. Así por ejemplo, en la primera aplicación de la pediocina PA-1 a sustratos alimentarios se

indicó que el ácido láctico, que se encontraba de forma natural en los productos lácteos que se

estaban ensayando, tenía un efecto sinérgico con la bacteriocina (Pucci et al., 1988). Se ha

podido observar que diversas bacterias patógenas Gram-negativas resistentes a pediocina y

nisina se convirtieron en sensibles después de tratarlas con ácido o someterlas a un proceso de

calentamiento suave, altas presiones hidrostáticas, electroporación o congelación (Kalchayanand

et al. 1992, 1994).

Arqués (2003) estudió el efecto de la aplicación de tratamientos inhibitorios frente a bacterias

patógenas en leche y productos lácteos. En leche, combinó la acción de las bacteriocinas

(lacticina 481, enterocina I, enterocina AS-48 y bacteriocinas no caracterizadas) junto con el

sistema lactoperoxidasa (LP) para mirar su efecto sobre L. monocytogenes Ohio y S. aureus

CECT 976; el efecto sobre estos mismos microorganismos de la combinación de nisina y el

sistema LP en leche refrigerada; el efecto conjunto de la nisina, el sistema LP y citrato en

refrigeración; nisina y reuterina; nisina, reuterina y el sistema LP en refrigeración. Estos resultados

demostraron que existe un efecto sinérgico entre bacteriocinas y sistema LP que permitieron una

reducción de la carga microbiana de la leche, así mismo en refrigeración, la nisina y el sistema LP

actuaron de forma eficaz sobre los microorganismos mencionados, en general todos los

tratamiento aplicados mostraron buenos resultados.

En cuajadas se investigó el efecto de la combinación de nisina, reuterina y el sistema LP, sobre

bacterias patógenas gram-positivas. Los estudios demostraron que la aplicación en forma

individual no afectó el crecimiento de L. monocytogenes y S. aureus en la cuajada, más el efecto

conjunto de nisina, reuterina y sistema LP si logró inhibir los patógenos (Arqués 2003).

De igual manera se observó el efecto sobre la inhibición de patógenos como L. monocytogenes,

S. aureus, E. coli O157:H7 y B. cereus, durante la elaboración y maduración de queso tipo

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Hispánico fabricado a partir de leche cruda de vaca, del tratamiento con combinaciones de

bacterias lácticas productoras de bacteriocinas y a su vez de la combinación de estas con

tratamientos de alta presiones, presentando ambos tratamientos resultados favorables, debido a

que inhiben de manera significativa los microorganismos anteriormente mencionados (Arqués

2003).

CONCLUSIONES

Luego de haber llevado a cabo una revisión detallada correspondiente a las bacteriocinas utilizada

en lácteos y sus derivados se da a conocer la importancia que estas juegan en la conservación

de dichos productos las cuales se ven altamente influenciadas por diferentes factores como los

son composición de los alimentos, interacción con los componentes, estabilidad de la bacteriocina,

pH, temperatura de almacenamiento por ello es muy importante identificar la bacteriocina que

realmente puede ejercer un efecto preservante en un alimento y las condiciones bajo las cuales

puede tener actividad antimicrobiana. El tipo de microorganismo es un factor muy importante para

tener en cuenta ya que Algunos microorganismos pueden ser sensibles; mientras que, otros, son

resistentes a la acción de las bacteriocinas, inclusive una cepa que parece ser sensible puede

tener células que presenten resistencia a la acción de la bacteriocina,

De estos mismos microorganismos algunos pueden ser sensibles a una bacteriocina y resistentes

a otra, las mismas bacterias productoras de bacteriocinas pueden ser sensibles a la acción de otra

bacteriocina y por último, células de esporas que presentan resistencia a la bacteriocina, pueden

volverse sensibles después de la esporulación

Por otro lado es importante mencionar que las bacteriocinas ejercen su poder antimicrobiano ante

microorganismos relacionados o presentes en su ambiente esto hace que los microorganismos de

deterioro o patógenos puedan presentar distintos comportamientos ante la presencia de la

bacteriocina, el uso de mezclas de bacteriocinas reduce la frecuencia con la que los

microorganismos desarrollan resistencia. Esto evidencia la necesidad de realizar investigaciones

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sobre la acción y la mejor mezcla de bacteriocinas, con el mayor espectro de acción posible tanto

a nivel de variedad de microorganismos como a nivel de tipos de productos alimenticios.

A pesar de que todos los esfuerzos han sido hacia un grupo reducido de bacterias productoras de

bacteriocinas, se pueden reforzar investigaciones para demostrar que la producción de

bacteriocinas es una cualidad no solo de bacterias lácticas y que con estudio se puede determinar

los factores importantes en el producto alimenticio y en la bacteriocina para lograr la aplicación de

estas de manera exitosa y ser el sustituto de preservantes químicos a un futuro cercano.

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