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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO SUDOESTE DA BAHIA

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO SUDOESTE DA BAHIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA E SOLOS

TECNOLOGIA DE PRODUTOS DE TECNOLOGIA DE PRODUTOS DE ORIGEM VEGETALORIGEM VEGETAL

Prof.: Daniel M. Tapia T.Eng. Agrônomo MSc

2006

CRESCIMENTO MICROBIANO EM ALIMENTOS

Quais são as possíveis causas das alterações nos alimentos?

Enzimas presentes nos alimentos

Reações Químicas

Enzimáticas Compostos Fenólicos

Enzym atic Brown ing

Involves Enzym es Called Involves Enzym es Called Polyphenol OxidasesPolyphenol OxidasesRelatively Fast ReactionRelatively Fast ReactionSubstrates ofSubstrates of Phenolic Phenolic com pound com pound

O HO H

O HO H

O HO HHH 33CCO HO HR-C HR-C H22

TyrosineTyrosine CatecholCatechol CresolCresol

Enzymatic Browning

O HO H

O HO H

H OH O

OO

OO

OO

OO

OO

OOMelaninMelanin

HH 22OO

Q uinonesQ uinones are uns table - proceed to Melanin are uns table - proceed to Melanin

Enzym es are normally Enzym es are normally compartmentizedcompartmentizedCutting/Bruising releases enzym es - leads to discolorationCutting/Bruising releases enzym es - leads to discoloration

–– banana, apple, potato, etc.banana, apple, potato, etc.

Reações químicas não enzimáticas

Oxidação de ácidos graxos

insaturados por causa do O2atmosférico

RancidezOxidativa

Peróxidos

• Escurecimento químico não enzimático

Reação de Maillard

Louis Camille Maillard4 fevereiro 1878 / 16 maio 1936

CaramelizaçãoCompostos polidroxicarbonilados

(açucares, certos ácidos).

Aquecimento

Desidratação dos açucares

Aldeídos ativos

5-Hydroxymethylfurfural

HMF – Produto intermediário da reação da caramelização

• Mecanismo do Ácido Ascórbico

Responsável pelo escurecimento de sucos cítricos concentrados

(limão, tangerina)

Quando aquecido em meio forma furfural, podendo sofrer polimerização e originar

compostos de coloração escura

FURFURAL

Mudanças físicas causadas por processos:

Congelamento

Desidratação

Manuseio Deficiente

Queimaduras

• Pragas, insetos e roedores

Crescimento e Atividade dos Microrganismos

Os microrganismos como qualquer outro ser precisam de boas condições

para crescer

A capacidade de sobrevivência ou de

multiplicação dos microrganismos

que estão presentes num alimento

depende de uma série de fatores

Crescimento Associativo

• Simbiose

• Sinergismo

• Metabiose

Microrganismos

Microrganismos

Microrganismos

Microrganismos

Estrutura BiológicaEh

pH Alimento awAntimicrobianos

Nutrientes

Temperatura

Gases

Umidade Relativa

Fatores IntrínsecosRelacionados com as própias

características do alimento

Atividade de água (aw)

pH

Potencial Oxido-redução (Eh)

Composição Química do Alimento

Atividade de Água (aw)

O crescimento e o metabolismo microbiano exigem a presença de água numa forma disponível (água livre)

aw é um índice desta disponibilidade para utilização em reações químicas e crescimento microbiano

21

2

0 nnn

PP

+==Wa

PoPaw =

P = pressão parcial de vapor da água no alimentoP0 = pressão parcial de vapor da água pura

aw varia de 0 a 1

aw = mede a quantidade de água

livre ou seja a água disponível para

que ocorram as reações químicas e

crescimento microbiano

Valores mínimos de aw para o crescimento de microrganismos

Grupo aw

Bactérias deterioradoras 0,9

Leveduras deterioradoras 0,88

Bolores 0,8Bactérias halofílicas 0,75

Bolores xerofílicos 0,65

Leveduras osmofílicas 0,61

aw dos alimentosAlimento aw

Frutas frescas e vegetais > 0,97Aves e pescado frescos > 0,98Carnes frescas > 0,95Ovos 0,97Pão 0,95 a 0,96Queijos (maioria) 0,91 a 0,99Queijo parmesão 0,68 a 0,76Geléia 0,75 a 0,80Frutas secas 0,51 a 0,89Cereais 0,10 a 0,20

VALORES APROXIMADOS DE aw MÍNIMA PARA ALGUNS MICRORGANISMOS ESPECÍFICOS

MICRORGANISMO aw

Clostridium botulinum Tipo E 0,97Scherichia coli 0,96Bacillus subtilis 0,95

Staphyloccocus aureus 0,86Penicillium patulum 0,81Aspergillus glaucus 0,70

Zygosaccharomyces rouxii 0,62

Xeromyces bisporus 0,61

O comportamento dos microrganismo frente á atividade de água é

extremamente variável

0,60- valor limite de aw para multiplicação de qualquer

microrganismo

aw Phenomenon Examples

1.00 Highly perishable foods

0.95 Pseudomonas, Bacillus, Clostridium perfringens and some yeasts inhibited

Foods with 40% sucrose or 7% salt

0.90 Lower limit for bacterial growth. Salmonella, Vibrio parahaemolyticus, Clostridium botulinum, Lactobacillus and some yeasts and fungi inhibited

Foods with 55% sucrose, 12% salt.Intermediate-moisture foods (aw = 0.90-0.55)

Aw Phenomenon Examples

0.85 Many yeasts inhibited Foods with 65% sucrose, 15% salt

0.80 Lower limit for most enzyme activity and growth of most fungi. Staphylococcus aureusinhibited

Fruit syrups

0.75 Lower limit for halophilicbacteria

Fruit jams

0.70 Lower limit for growth of most xerophilic fungi

0.65 Maximum velocity of Maillard reactions

0.60 Lower limit for growth of osmophilic or xerophilicyeasts and fungi

Dried fruits (15-20% water)

0.55 Deoxyribose nucleic acid (DNA) becomes disordered (lower limit for life to continue)

0.50 Dried foods (aw=0-0.55)

0.40 Maximum oxidationvelocity

0.25 Maximum heat resistance of bacterial spores

Aw Phenomenon Examples

Potencial Hidrogeniônico - pH

• pH = - log { H+ } ; Quanto > H+ <pH, e consequentemente mais ácido o

alimento

Os diferentes ácidos podem exercer um

efeito inibitório ou letal sobre a célula

microbiana, pela concentração

hidrogeniônica (nível de H+ livre) ou

pela toxicidade do ácido não

dissociado

• A maioria dos microrganismos

crescem melhor em pH próximo da

neutralidade (6,5 a 7,5)

• Os microrganismos apresentam

valores de pH, mínimo, ótimo e

máximo para multiplicação.

Maior tolerância a valores baixos de pH

Bolores > leveduras > bactérias

FAIXA DE CRESCIMENTO DE ALGUNS MICRORGANISMOS

MICRORGANISMO pH ÓTIMO

pH MÁXIMO

pH MÍNIMO

BACTÉRIAS (A MAIORIA)

6,5 A 7,5 9,0 4,5

LEVEDURAS 4 A 6,5 8,0 A 9,0 1,5 A 3,5

BOLORES 4,5 A 7,0 8,0 A 11,0 1,5 A 3,5

pH > 4.5 Alimentos de baixa acidez)

• predominância de crescimento

bacteriano - em face do menor tempo

de geração (patôgenos, esporângicas

ou não, aeróbios ou anaeróbios,

mesófilos ou termófilos

pH entre 4.5 e 4.0Alimentos ácidos

• predominância de leveduras

oxidativas ou fermentativas e de

bolores (em aerobiose). Algumas

bactérias esporogênicas e não

esporogênicas

pH < 4.0 Alimentos muito ácidos

• fica restrito a quase que

exclusivamente às leveduras e

bolores. Bactérias acéticas, e

Zymomonas (esta até pH 3.7)

Potencial de Oxido-Redução - Eh

• É uma medida da tendência de um sistema reversível de doar e receber elétrons

• Mede a facilidade com que o substrato capta ou cede elétrons

oxidação - liberação ou perda de elétronsredução - o composto recebe elétrons

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+

=

redoxn

EoEhlog

06.0Equação de Nernst :

Onde: Eo = padrão redox (pH=0)n = número de elétrons envolvidos no processo(ox)(red) = concentração no estado oxidado e reduzido

• Transferência de elétrons de um

composto para outro gera

diferença de potencial (mV)

Eh dos alimentos

Alimento Eh (mV)

Frutas frescas e vegetais 300 a 400

Carnes em grandes pedaços - 200

Carne moída 200Queijos -20 a -200

• Quanto mais oxidado (a) mais positivo seráseu Eh

• Eh = mede a facilidade que um substrato tem de ceder ou receber elétrons.É a capacidade que um alimento tem ou

não de captar elétrons

Está relacionado com a seleção de microrganismos

Todas as reações metabólicas dos microrganismos para a produção de energia são do tipo Óxido-Redução

• ½ O2 + 2H+ + 2e H2O + Energia

Do ponto de vista da capacidade ou não de usarem oxigênio como receptor final de elétrons no metabolismo respiratório, os microrganismos são classificados como:

Aeróbios restritos

Anaeróbios facultativos

Anaeróbios restritos Microaerófilos

Fonte Brock - 2003

MicrorganismosMicrorganismos Eh de Eh de crescimentocrescimento(em mV)(em mV)

AerAeróóbiosbios + 350 a + 500+ 350 a + 500

AnaerAnaeróóbiosbios

+ 30 a + 30 a -- 250 (250 (melhormelhor = = --150)150)••nana ausênciaausência de Ode O22 toleramtoleramsubstratosubstrato com Eh com Eh elevadoelevado (+ (+ 370)370)••nana presenpresenççaa de Ode O22 esteestelimitelimite caicai parapara + 100+ 100

AnaerAnaeróóbiosbiosFacultativosFacultativos + 100 a + 350+ 100 a + 350

Aeróbios estritos

• Metabolismo estritamente respiratório para produção de energia

• Desenvolvem-se em substratos com elevado Eh, em contato intimo com o oxigênio atmosférico

• Sensíveis ao CO2

• Exemplos de microrganismos:

Bolores; Leveduras oxidativas; muitos

gêneros de bactérias: Pseudomonas,

bactérias acéticas (Acetobacter,

Gluconobacter), Micrococcus, Bacillus

cereus

Anaeróbios facultativos

• Na ausência de oxigênio como receptor de elétrons, desenvolvem processo fermentativo.

• Metabolismo : Respiratório fermentativo

• Não são afetados pelo CO2

• Exemplos:

Leveduras fermentativas,

Família Enterobacteriacea,

Bacillus

Staphilococcus aureus

Microaerófilos

• Preferem baixa concentração de O2, embora não

cresçam na ausência de O2.

• Toleram elevadas [CO2]

• Exemplos:

Campilobacter, bactérias láticas (Lactobacillus,

Streptococcus, Pediococccus)

Anaeróbios Estritos

• Requerem valores baixos de Eh para multiplicação, ou seja, desenvolvem-se em substratos sem a presença de oxigênio atmosférico (são opostos aos aeróbicos)

• Exemplos: Clostridium botulinum, deteriorantes como Dessulfotomaculumnigrificans (NO3 ou SO3 como receptor final de elétrons), alguns Bacillus

• A presença de O2 para os anaeróbios émais letal do que o potencial positivo de Òxido-ReduçãoEste grupo não é capaz de produzir a

enzima catalase, que decompõe a água oxigenada (H2O2) em H2O e O2; e o acúmulo deste composto intoxica a

célula.

H2O2 H2 + O2

Composição do alimento

Presença de nutrientes necessários para a

multiplicação microbiana

ÁguaFonte de energia

(carbono)Fonte de nitrogênioVitaminasSais minerais

Energia açúcar, álcool, aminoácido, amido, celulose, gordura

Nitrogênio aminoácidos, peptídeos, proteínas

Vitaminas complexo B, biotina, ácido pantotênico

Carne muita vitamina BFrutas pouca vitamina B

• Bactérias Gram positivas:não sintetizam

Bactérias Gram negativasLevedurasBolores

sintetizam

sódio, potássio,cálcio, magnésio, Minerais ferro, cobre, manganês, fósforo,

zinco, enxofre, cobalto e molibidênio.

• Microrganismos mais exigentes:

Bactérias Gram positivas

Bactérias Gram negativas

Leveduras

Bolores

FATORES EXTRÍNSECOS

• Temperatura

• O crescimento microbiano apresenta uma

faixa muito ampla de temperaturas (- 8o a

90oC).

FATORES EXTRÍNSECOS

• A temperatura exerce uma influência marcante nas características :

(1) duração da fase lag

(2) velocidade de crescimento

(3) o número final de células de uma população

(4) na composição química e enzimática da célula

MinimumMinimum MaximaMaxima OptimaOptima

ThermophilesThermophiles 40 / 45 40 / 45 ooCC 60 / 90 60 / 90 ooCC 55 / 75 55 / 75 ooCC

MesophilicMesophilic 5 / 15 5 / 15 ooCC 35 / 47 35 / 47 ooCC 30 / 45 30 / 45 ooCC

PsycrophilesPsycrophiles --5 / +5 5 / +5 ooCC 15 / 20 15 / 20 ooCC 12 / 15 12 / 15 ooCC

PsycrotropicPsycrotropic --5 / +5 5 / +5 ooCC 30 / 35 30 / 35 ooCC 25 / 30 25 / 30 ooCC

Fonte: Microbial Ecology of Foods – ICMSF – Vol. 1

TERMÓFILOS

Aeróbicos Anaeróbicos

C. thermosaccharoliticum (gás)Bacillusstearothermophilus

Bacillus coagulans Dessulfotomatolumnigrificans (H2S)Alimentos de baixa acidez

Flat sour

Mesófilas :bactérias deteriorantes, patogênicas

Psicrófilos :

Microrganismos de ambientes

marinhos e regiões polares.

Sensíveis a temperaturas maiores 20ºC).

Menos importantes que os em Psicrotrófico

processamento de alimentos

• Psicrotróficos:

• Bolores, leveduras e muitas bactérias

Atmosfera envolvendo o alimento

Presença e concentração de gases no meio ambiente

O uso de atmosfera controlada envolvendo os alimentos poderá modificar a natureza do processo de deterioração

presença de O2 para os anaeróbios

CO2 é o gás mais utilizado para retardar a

deterioração de alimentos (frutas, produtos cárneos)

Bactérias, bolores e leveduras são inibidos, mas não destruídos em atmosfera contendo 5 e 50 % de CO2 (v/v).

Uma concentração de 10%, reduz em até 50% nas contagens totais

Eficiente contra microrganismos psicrotrófilos -bolores e leveduras oxidativas e bactérias Gram-negativas.

O emprego de 15% de CO2 na atmosfera praticamente dobra o espaço de tempo para estas bactérias se multiplicarem a 0oC.

Bactérias Gram-Positivas, principalmente as lácticas, são resistentes ao CO2

Umidade Relativa de Equilíbrio (U.R.E) do Ambiente

• Envolvida na maior ou menor perecibilidadede um alimento.

• Há uma estreita relação entre a U.R.E e aw

aw = % U.R.E = aw x 100

A URE do ambiente em que o alimento estiver armazenado deverá ser bem controlado evitando variações na aw

ABSORÇÃO DA UMIDADE DO AMBIENTE

ALIMENTO

(DESIDRATADO)

aw Baixa

AMBIENTE COM UREURE ELEVADA

ALIMENTO

FORMA UMA ESTRUTURA GRANULOSA (DETERIORAÇÃO

MICROBIANA DE ORIGEM FUNGICA)

ALIMENTO

aW Elevada

URE REDUZIDA

DESIDRATAÇÃO SUPERFICIAL PREJUÍZO NAS CARACTERÍSTICAS ORGANOLÉPTICAS DO ALIMENTO

Classificação dos Alimentos pela facilidade com que se alteram

• Alimentos estáveis ou não perecíveis - não são alterados facilmente (açúcar, farinha)

• Alimentos semiperecíveis - conservado e manipulado de forma apropriada permanecem sem alteração (batatas, maças, nabos, nozes sem casca)

• Alimentos perecíveis - incluem os alimentos mais importantes do consumo cotidiano, os quais se alteram com facilidade (carnes, pescados, a maioria das frutas, hortaliças, ovos, leite)

Modificações químicas causadas pelos microrganismos

Dos compostos Nitrogenados :

• a maior parte do N contido nos alimentos se encontram

formando parte das proteínas, e estas para serem

usadas como fonte de Nitrogênio pelos microrganismos

deverá ser quebrada (pelas enzimas microbianas, ou

aquelas contidas no próprio alimento) a substâncias

mais simples como peptídeos e aminoácidos

• os peptídeos tem sabor amargo (mais não

desagradável) que modifica o sabor do alimento

Dos compostos Nitrogenados :

• a decomposição de polipeptídeos e aminoácidos (em

anaerobiose) forma compostos sulfurados de odor

desagradável (putrefação), como sulfetos de hidrogênio,

metil, etil mercaptano, além de amoníaco e aminas.

Quando os microrganismos atuam sobre os

aminoácidos podem desaminá-los e/ou descarboxilá-los

Reações Químicas Produtos Formados

Desaminação Oxidativa cetoácidos + NH3

Desaminação Hidrolítica hidroxiácido + NH3

Desaminação Redutora ácido graxo saturado + NH3

Desnaturação e Desaminação ácido graxo não saturado + NH3

Oxidação-Redução cetoácido + ácido graxo + NH3

Descarboxilação amida + CO2

Desaminação Hidrolítica + Descarboxilação álcool primário + NH3 + CO2

Desaminação Redutora + Descarboxilação hidrocarbono + NH3 + CO2

Desaminação Oxidativa + Descarboxilação ácido graxo + NH3 + CO2

Dos compostos não Nitrogenados

• Usados pelos microrganismos

principalmente para obter energia -

hidratos de carbono, ácidos orgânicos,

aldeídos, cetonas, álcoois, glicosídeos,

compostos cíclicos e lipídeos

• Hidratos de Carbono• são os preferidos dos microrganismos caso o

alimento os contém. Os poli, tri, e dissacarídeos devem ser hidrolisados (por enzimas) a substâncias mais simples (monossacarídeos)

• o monossacarídeo glicose quando usado em anaerobiose - diferentes produtos podem ser formados dependendo da via seguida :

• Fermentação alcóolica (por leveduras) -álcool + CO2

• Fermentação láctica (por bactérias láticas homofermentativas) - ácido lático

• Fermentação lática mista (por bactérias láticas heterofermentativas) - ácido lático, ácido acético, etanol, gicerol e água

• Fermentação do tipo coliforme (bactérias coliformes) - ácido láctico, ácido acético, ácido fórmico, etanol, acetoína, butanodiol, H2, CO2

• Fermentação propiônica (bactérias propiônicas) - ácidos propiônico, succínico, e acético; e CO2

• Fermentação butírica-butil-iso-propílica(bactérias anaeróbicas) - ácidos butírico e acético, hidrogênio, acetona, butilenoglicol, butanol, propanol-2, CO2

Quando se encontram em atividade diferentes microrganismos, a partir dos

açucares, pode originar outros compostos distintos, como ácidos graxos superiores, outros ácidos

orgânicos, aldeídos, cetonas, estéres, etc.

CONCEITO DOS OBSTÁCULOS DE LEISTNER

HurdleHurdle TechnologyTechnology

TECNOLOGIA DOS OBSTÁCULOS

INTERAÇÕES

FATORES FATORES EXTREXTRÍÍNSECOSNSECOS

FATORES FATORES INTRINTRÍÍNSECOSNSECOS

AFETAM A CAPACIDADE DE AFETAM A CAPACIDADE DE SOBREVIVÊNCIA DOS SOBREVIVÊNCIA DOS

MICRORGANISMOSMICRORGANISMOS

EXEMPLO 1

TT aaww pHpH EhEh

Con

sC

ons

T= Temperatura aw= atividade de água

pH= acidificação Eh = potencial oxi-redução

Cons.= Conservador químico

Cada um dos fatores (ph, T, Eh, aw, Conservador químico) contribui com parcela igual no retardamento do crescimento microbiano

Alimento estAlimento estáávelvel

EXEMPLO 2

aaww pHpH EhEh Con

sC

ons

Os quatro fatores são suficientes para garantir a estabilidade microbiana

EXEMPLO 3

aaww pHpH EhEh Con

sC

ons

Se a carga microbiana for baixa, um único fator pode ser suficiente para garantir a estabilidade de um alimento

EXEMPLO 4

aaww pHpH EhEh Con

sC

ons

Se a carga microbiana inicial for elevada os quatro fatores são insuficientes para controlar o crescimento microbiano

EXEMPLO 5

aaww pHpH EhEh Con

sC

ons

N

O produto é enriquecido com mais nutrientes o que provoca um efeito trampolim no crescimento microbiano

EXEMPLO 6

aaww pHpH EhEh Con

sC

ons

Comportamento de microrganismos injuriados em alimentos.

Menos obstáculos podem ser necessários.

Metabolismo afetado.

EXEMPLO 7

aaww pHpH

Con

sC

ons

Produto no qual a estabilidade é garantida por obstáculos, que agem sinergisticamente

Efeito final mais eficiente do que seria obtido se os obstáculos agissem individualmente

BYE , BYE

BibliografiaADAMS, M.R.; MOSS, M.O. Microbiologia de los

Alimentos. 1ed. Zaragoza: Acribia, 1997. 464 p.CARY, J.W.; LINZ, J.E.; BHATNAGAR, D. Microbial

foodborne diseases. Lancaster, Technomic, 576 p., 2000.

FRAZIER, W.C.; WEESTHOFF, D.C. Microbiologia de los alimentos. 4 ed. Zaragoza: Acribia, 1993. 522 p.

HOBBS, B.C.; ROBERTS, D. Food poisoning and food hygiene. 6 ed. London: Edward Arnold, 1993. 391 p.

ICMSF (International Commission on Microbiological Specifications for Foods) Microorganisms in foods, their significance and methods of enumeration. 2.ed. Toronto: University of Toronto Press, Toronto, 1978.

JAY, J.M. Microbiologia moderna de los alimentos. 3 ed. Zaragoza: Acribia, 1993. 804 p.

FRANCO, B.D.G.; LANDGRAF, M. Microbiologia dos Alimentos. S. Paulo: Atheneu 1996. 182 p.