Producción microbiana de ácidos orgánicos utilizados en la industria alimentaria

En la formulación de numerosos alimentos se emplean ciertos ácidos orgánicos con diversos fines. Estos ácidos, denominados de forma genérica “ácidos orgánicos” son intermediarios o productos terminales de ciclos metabólicos básicos, por lo cual ocurren en una gran variedad de organismos vivientes. Entre estos compuestos se incluyen los ácidos cítrico, málico, láctico, acético, tartárico, fumárico y glucónico. Su producción industrial, salvo en el caso del ácido tartárico, se realiza mayoritariamente por métodos biológicos, lo que los ubica como prototipo de biotecnología alimentaria.

La adición de ácidos orgánicos en los alimentos se hace para aprovechar a una o varias de sus propiedades: tienen poder acidulante, por lo que disminuyen el pH aumentando así la conservabilidad del alimento, tienen capacidad amortiguadora o reguladora del pH, actúan como agentes quelantes de iones metálicos, tienen propiedades emulsionantes, mejoran las características organolépticas de los alimentos.

Veamos brevemente cómo se obtiene cada uno de ellos.

Ácido cítrico

A diferencia de otros ácidos que eran elaborados por métodos microbiológicos y en la actualidad se sintetizan por vía química, el ácido cítrico se produce totalmente por fermentación. Los microorganismos que intervienen en el proceso son principalmente de los géneros Aspergillus y Penicillium.

El ácido cítrico es un intermediario en el ciclo de Krebs, ciclo que tiene la función de generar energía en forma de ATP en conjunción con la fosforilación oxidativa durante el metabolismo aeróbico de carbohidratos. Así pues, la producción de ácido cítrico requiere de una operación defectuosa del ciclo de Krebs que permita la acumulación de este compuesto.

Existen dos métodos principales para la obtención de ácido cítrico a nivel industrial, empleando en ambos casos cepas seleccionadas de Aspergillus niger.

• Cultivo superficial: es simple y menos sensible que el método de cultivo sumergido, pero es poco productivo, por lo que está en desuso. Se prepara un medio de melazas y se añade ferrocianuro de fósforo y un suplemento de fósforo. La inoculación se realiza con esporas que se depositan por aspersión en la superficie del medio. Es importante mantener un nivel adecuado de aireación para renovar el oxígeno necesario, eliminar el dióxido de carbono producido y controlar la temperatura de la cámara. El proceso de fermentación dura entre 9 y 12 días.
• Cultivo sumergido: se utilizan biorreactores agitados con turbinas o fermentadores tipo air-lift. Estos últimos mantienen una buena oxigenación y favorecen el crecimiento del microorganismo en una forma que favorece al desarrollo del proceso. La inoculación se hace con esporas o con cultivo vegetativo. La fermentación tiene una duración de 5 a 8 días. Este proceso es más eficiente y requiere menos mano de obra que el anterior, pero requiere un control del proceso más minucioso.

Ácido fumárico

Este ácido se utiliza como acidulante en alimentos, para mejorar así su conservación. También se emplea como materia prima en la producción de ácido aspártico (utilizado en la producción de aspartamo) a través de la enzima aspartasa y de ácido málico a partir de la enzima fumarasa.

El ácido fumárico se produce principalmente mediante síntesis química, aunque puede producirse también mediante métodos fermentativos. Varios hongos filamentosos acumulan ácido fumárico, principalmente especies de Rhizopus.

Ácido málico

El ácido málico se utiliza como acidulante en bebidas carbonatadas. Puede producirse por fermentación con variedades de Aspergillus y Rhizopus, aunque en la actualidad el método más empleado consiste en la transformación enzimática del ácido fumárico mediante la enzima furamasa.

Ácido tartárico

Este ácido se utiliza en bebidas carbonatadas, especialmente en aquellas con sabor a uva. Es un compuesto que produce como subproducto de la industria vitivinícola, ya que precipita en forma de tratrato potásico en los depósitos de fermentación. Este método satisface la demanda existente en la industria. Se trata de un método muy económico, que hace que la utilización de otros métodos biotecnológicos sea incosteable. Entre ellos se encuentra un método fermentativo que emplea Acetobacter con glucosa como sustrato, y un método enzimático, que convierte cis-epoxisuccinato, obtenido por síntesis química, en tartárico.

Ácido glucónico

Este ácido se utiliza en la industria láctea para retardar la sedimentación en leche. También se utiliza en forma de δ-glucono-lactona en la elaboración de pan y embutidos, ya que actúa como acidulante de efecto retardado.

La producción industrial de ácido glucónico se lleva a cabo utilizando un medio rico en glucosa y con elevados niveles de aireación. La oxidación de glucosa con oxígeno molecular para obtener δ-glucono-lactona es catalizada por la enzima glucosa oxidasa. Esta enzima, que normalmente es intracelular, es parcialmente excretada o mantenida extracelularmente asociada con la membrana de ciertos hongos filamentosos, especialmente en variedades de Aspergillus y Penicillium. La δ-glucono-lactona es hidrolizada de forma espontánea a gluconato, liberando peróxido de hidrógeno que es descompuesto por la acción de la enzima catalasa, que está presente en los hongos antes mencionados.

Ácido láctico

A diferencia del resto de los ácidos orgánicos de los que hemos hablado, el ácido láctico resulta como producto final del metabolismo anaerobio, principalmente en ciertas bacterias que se denominan bacterias ácido-lácticas. Este ácido se utiliza como saborizante en alimentos fermentados y bebidas. También se utiliza para ajustar el pH del vino, ya que durante la vinificación este compuesto se produce de forma natural como resultado de la fermentación maloláctica.

La bacteria que normalmente se utiliza en la producción industrial de ácido láctico es Lactobacillus delbrueckii ya que consume eficientemente la glucosa y es termófilo, lo que reduce costos de enfriamiento y esterilización, así como riesgos de contaminación microbiológica en el fermentador. En medios con lactosa, la bacteria que normalmente se emplea es Lactobacillus bulgaricus, que también es termófila. Como sustrato se utilizan solucione de sacarosa, glucosa o hidrolizados de almidón, ya que las impurezas presentes en las melazas y otros medios baratos dificultan la etapa de separación.

El medio se inocula y agita, sin aireación, para optimizar la neutralización del ácido formado. La fermentación dura entre 2 y 4 días y se termina cuando todo el azúcar es consumido.

La parte del proceso que presenta más dificultades es la separación y recuperación del producto. Esta se hace de la siguiente manera. Al final de la fermentación el pH del medio es ajustado a un valor de 10 y calentado para solubilizar el lactato de calcio formado. Posteriormente el medio se filtra para eliminar sustancias insolubles y la biomasa. Se concentra el filtrado por evaporación y se añade ácido sulfúrico. Así se forma el ácido libre y sulfato de calcio, que es eliminado por filtrado.

Ácido acético

Es el ácido de mayor importancia industrial. Existen dos formas: ácido acético glacial, que es ácido acético concentrado que se obtiene por vía química, y ácido acético de grado alimentario o vinagre, que es ácido acético en una concentración de alrededor de un 10%. Este ácido se obtiene por oxidación del etanol con variedades de la bacteria Acetobacter. Dedicaremos un artículo completo a la elaboración industrial de este producto.