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Capítulo 8
Producción de levadura de panificación | Introducción | Cepas | Medios de mantenimiento | Requerimientos nutricionales | Cinética del crecimiento y rendimiento | Producción comercial de levadura prensada | Medios de producción | Proceso de producción a múltiple etapa | Control de calidad | Lecturas recomendadas
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PRODUCCION DE LEVADURA DE PANIFICACION
IntroducciónExiste la evidencia de que el pan era conocido alrededor del año 2600 a.C. en Babilonia, y ya en el siglo 12 a.C. era producido normalmente con una tecnología establecida. Lógicamente esto implica que el hombre dominaba ya el uso de a levadura para levar la masa preparada con harina y producir así el pan. En las primeras épocas se utilizaba la levadura obtenida de la fabricación de cerveza primero y de las destilerías después, hasta que finalmente se establecieron las plantas de producción de levadura durante el siglo 19. Es posible que la primera planta de producción comenzó a operar en Holanda en 1780 con el llamado proceso Dutch que era anaerobio y que tenía sólo rendimiento del 4 al 6% con respecto a la materia prima usada. Posteriormente se mejoró el rendimiento, que pasó a ser del 12-22% con el proceso Vienna, también conducido sin aire, en 1846. Con la introducción de la aireación en el proceso de producción, que tiene lugar en 1879, se aumentan considerablemente los rendimientos, que pasan a ser del 50 al 60% del teórico. La última etapa importante de modificación de la tecnología tiene lugar con la alimentación controlada de azúcar a los mostos en fermentación, cambio introducido por un científico danés, Sak, y un alemán, Hayduck, en 1919. Este proceso conocido como "Zulaufverfahren" es la base de todas las tecnologías posteriores que se basan en los principios de los procesos "batch" alimentado ya considerados. Los procesos de producción utilizaban granos como materia prima, hasta que el elevado costo de éstos produjo el reemplazo por las melazas de remolacha o de caña con las cuales pueden alcanzarse rendimientos cercanos al 100% del teórico. Actualmente se está tratando de encontrar otras fuentes de materias primas alternativas a las melazas, como el suero de leche hidrolizado. La producción mundial de levadura prensada (27-30% de materia seca) es considerable ya que en 1983 estaba en el orden de 1,763,000 toneladas, con un valor de 473,000, 363,000 y 83,000 toneladas correspondiente a Europa occidental, Norte y Centro América, y Sud América respectivamente. Con respecto al consumo anual per capita de levadura prensada (27-30% de materia seca) está en el rango de 1.5 a 2.1 Kg para los paises europeos, mientras que en paises de Sud América como Chile es de 1 Kg y en Argentina 0.6 Kg. Cepas y medios de mantenimiento empleados
Inicialmente fue la levadura de cerveza, el Saccharomyces uvarum, syn S. carlsbergensis, el empleado con fines de panificación. Posteriormente se la reemplazó por la levadura de las destilerías, y por la llamada levadura de panificación, que es el Saccharomyces cerevisiae. Se han ensayado también muchas otras cepas, no sólo del mismo género sino también las pertenecientes a distintas especies de Candida, Hansenula y Zygosaccharomyces, aunque ninguna de ellas demostró poseer ventajas sobre el Saccharomyces cerevisiae. El mejoramiento genético de cepas de S. cerevisiae de interés industrial para la producción de levadura prensada es dificultoso, porque no existe un conocimiento detallado de los genes comprendidos en las propiedades o características deseadas de dichas cepas. Las propiedades fundamentales son aquellas relacionadas con la producción, que resultan en un crecimiento rápido y altos rendimientos a partir de las melazas con el mantenimiento de las propiedades de panificación exigidas, que son el poder fermentativo y la estabilidad del producto. Estas propiedades dependen de muchos genes que intervienen en los ciclos de la glicolisis y de los ácidos tricarboxilicos, como así también en el metabolismo del nitrógeno y en la síntesis de hidratos de carbono de reserva. Algunas cepas de interés industrial se han obtenido utilizando técnicas de hibridación que incluyen la fusión de protoplastos, ya explicada en el capítulo 3. La obtención de híbridos para mejorar una cepa no es siempre exitosa, ya que los productos de fusión (híbridos) tienen que cumplir con todas las características exigidas por las levaduras comerciales, ya comentadas. Es conveniente mencionar finalmente que el advenimiento de las técnicas de ingeniería genética ha abierto una nueva área de interés industrial en el campo de las levaduras. Sin embargo, hasta el presente esas técnicas no han sido de utilidad en la industria de la levadura de panificación, porque los logros alcanzados incluyen solamente propiedades bioquímicas relacionadas con pocos genes. Las cepas de levadura que han sido desarrolladas en los últimos años, permiten la producción de productos de interés farmacológico como la insulina, hormona de crecimiento bovina, interferón, vacuna contra la hepatitis B, se han originado en cepas de laboratorio definidas genéticamente y no en cepas de levaduras industriales. Los medios de mantenimiento empleados por la industria son los siguientes:
Tal vez el método más satisfactorio sea el de la liofilización, aunque pueden emplearse con éxito cualquier otro método que asegure la estabilidad, o sea que no se produzcan cambios en las propiedades bioquímicas de microorganismo.
Tal como se trató en el capítulo 4, los requerimientos nutricionales de los macroelementos más significativos pueden deducirse del conocimiento de la composición centesimal de las células. En el capítulo mencionado se estableció también la ecuación de formación de 100 g de levadura seca a partir de 200 g de sacarosa. De las fuentes de carbono y energía que pueden emplear el Saccharomyces cerevisiae figuran en primer lugar la glucosa y la sacarosa, aunque también pueden emplearse fructuosa, galactosa, maltosa y suero hidrolizado, ya que la levadura de cerveza no puede asimilar lactosa. También puede utilizarse etanol como fuente de carbono. El nitrógeno asimilable debe administrarse en forma de amoníaco, urea o sales de amonio, aunque también se pueden emplear mezclas de aminoácidos. Ni el nitrato ni el nitrito pueden ser asimilados. Aparte de carbono y el nitrógeno los macroelementos indispensables son el fósforo que se emplea comunmente en forma de ácido fosfórico y el Mg como sulfato de magnesio, que también provee S. Finalmente son también necesarios el Ca, Fe, Cu y Zn como elementos menores. Por ejemplo, se ha establecido que S. cerevisiae requiere 200 mg de Zn, 75 mg de Fe y 12-15 mg de Cu por litro de medio para crecimiento óptimo. Un requerimiento esencial está constituido por las vitaminas del grupo B como biotina, ácido pantoténico, inositol, tiamina, pyridoxina y niacina. Existen sin embargo algunas diferencias entre las distintas cepas. Entre las vitaminas mencionadas la biotina es requerida por la casi totalidad de las mismas. Los requerimientos cambian según las condiciones de cultivo, ya que el aumento de la aerobiosis disminuye los requerimientos de esa vitamina y el uso de urea como fuente de nitrógeno los aumenta por la necesidad de biosíntesis de 3 sistemas enzimáticos que contienen biotina. Se ha estimado que los requerimientos de la biotina son de 100 mg de biotina por 100 g de azúcar suministrados para el crecimiento de la levadura. El ácido pantoténico, que es un componente de la coenzima A, es también requerido por muchas especies, mientras pocas especies requieren inositol. Con respecto a la tiamina se ha demostrado que aumenta la actividad fermentativa de la levadura. Finalmente debe mencionarse al 02 como otro requerimiento nutricional para la producción de levadura. Como se estableció anteriormente se necesita 1 g de 02 para la producción de 1g de levadura seca en el caso de crecimiento en condiciones óptimas. El 02 se suministra con el aire que se inyecta en los medios durante la fermentación. Si existe limitación de 02 no se puede alcanzar los rendimientos óptimos que como vimos deben estar cercanos al 100% del teórico.La velocidad de transferencia de 02 requerida depende del proceso empleado. Si la máxima velocidad de alimentación es de 10 g de azúcar l -1 h-1 se puede lograr una productividad de 5 g l-1 h-1 de materia seca, y para la cual se requiere una velocidad de transferencia de 5 g de 02 1-1 h-1 que debe ser suministrada por el equipo. Tal como se mencionó en el capítulo 7 se debe asegurar por lo tanto un valor de coeficiente KLa que asegure esa valor de transferencia de oxígeno para que no exista limitación por el oxígeno. En el ejemplo citado el valor de KLa necesario es de 685 h -1. Cinética de crecimiento y rendimientos
Los valores normales de la velocidad específica de crecimiento para levaduras están en el orden de 0,45 a 0,6 h -1 como máximo. Como en realidad se utilizan para la producción de procesos tipo batch alimentado la cinética del proceso, ya considerada, predice un aumento de XV igual a
donde los diferentes términos tienen el significado ya visto en el capítulo 7. En la práctica comercial de la producción de levadura, la alimentación no es constante sino que se realiza según programas propios de cada industria. La aplicación de la ecuación logarítmica para calcular p debe hacerse con precaución, ya que m no es constante sino que va disminuyendo en función del tiempo, salvo en casos de alimentación programada para mantenerla constante durante intervalos cortos con una finalidad específica de calidad. La relación entre la velocidad específica de crecimiento y la concentración de sustrato puede ser representada por la ecuación de Monod. Para S. cerevisiae se ha establecido un valor de Ks igual a 25 mg glucosa l-1 , siendo m dependiente de la concentración de sustrato por debajo de S = 10 Ks, o sea 250 mg l-1 . La eficiencia de un proceso industrial de producción de biomasa como es el caso de la levadura se mide fundamentalmente en base al valor Y x/s, ya discutido con anterioridad en esta monografía. Los valores óptimos a partir de azúcares están alrededor de 0.5 g de biomasa seca por g de azúcar asimilada. En el caso de emplearse etanol, Yx/s puede alcanzar valores de 0.78 a 0.80. Con el aumento de la concentración del sustrato puede aumentarse m pero disminuye Yx/s porque se favorece la fermentación alcohólica, aún en exceso de 02 según el fenómeno Crabtree ya mencionado anteriormente. Debido al mismo rendimiento celular es función de m , y cuando esta es superior a 0.2 el rendimiento celular baja. Es por ello que ese valor es raramente excedido en la práctica industrial. La temperatura óptima del proceso se ha establecido en 28.5 °C; a mayores temperaturas disminuye el rendimiento, probablemente debido al aumento de energía de mantenimiento. El rendimiento celular puede también afectarse por la presencia de inhibidores como S02, ácido aconítico y metales pesados o restos de herbicidas o bactericidas que pueden estar presentes en las melazas. Producción comercial de levadura prensada
La producción comercial de levadura de panificación es llevada a cabo en un proceso a múltiple etapa, de las cuales las primeras se realizan en batch, y las últimas en batch alimentado. Se han mencionado prácticas comerciales de procesos de 8 etapas que conducen a una producción final de 100 toneladas de levadura prensada en 2 semanas y otra en 5 etapas con una producción comercial de 125 ton. en 65 h. Como aspectos esenciales de la producción comercial, se deben considerar el medio, el proceso de producción y las etapas de separación, lavado y empaquetado.
Como ya se mencionó la materia prima elemental de elección es la melaza de remolacha o de caña o ambas en conjunto, cuando se las dispone. Los aspectos fundamentales a considerar son la disponibilidad y la composición de la melaza incluyendo la presencia de inhibidores o substancias extrañas que pueden contener. En la tabla 5 figura la composición media de las melazas de caña y remolacha. La sacarosa es el azúcar predominante en ambas melazas. La materia orgánica no azúcares en la melaza de caña está compuesta fundamentalmente por gomas solubles y ácidos orgánicos sobre todo aconítico y compuestos nitrogenados. En el caso de la melaza de remolacha los no azúcares están constituidos por un mayor porcentaje de compuestos nitrogenados como betaína y ácido glutámico y algunos ácidos orgánicos como láctico, málico, acético y oxálico. En las cenizas
predomina en ambas melazas el K, teniendo mayor porcentaje de fósforo la melaza de caña que la de remolacha. Es interesante comparar el contenido de las vitaminas de ambas melazas por la importancia que tienen estos compuestos en la producción de levadura. Como puede verse el contenido de biotina es superior en la melaza de caña y el de pantotenato de Ca en la remolacha. La melaza de remolacha tiene mayor cantidad de compuestos nitrogenados asimilables. Es por ello que los fabricantes prefieren, si tienen disponibilidad suficiente, utilizar mezclas de ambas melazas. Con respecto a componentes extraños (que pueden afectar el rendimiento) se han detectado en las melazas algunos pesticidas en el caso de melazas de caña como lindane, aldrin, heptaclor, dieldrin, etc. en cantidades variables desde trazas hasta 0.21 mgKg 1 en el caso del lindane en melazas de cañas de Honolulu. Las melazas se utilizan generalmente diluídas al 50%. Como los compuestos coloidales de la melaza de caña pueden causar problemas en las varias etapas del proceso de fermentación, el mosto es casi siempre clarificado. La clarificación puede hacerse antes o después de la esterilización, que se realiza en la última etapa por inyección de vapor directa, a la presión atmosférica en la mayor parte de los casos. La clarificación se realiza fundamentalmente con la ayuda de centrífugas intermitentes.Se han mencionado como ventajas de utilizar mostos clarificados que la levadura es más fácil para prensar y secar y que además, la clarificación probablemente facilita la transferencia de O2 y reduce la formación de espuma. La melaza es deficiente en algunos macroelementos como N, P, S, Mg, y también Zn en la mayoría de los casos, por lo cual es necesario su agregado a los mostos. La cantidad de nitrógeno y fósforo a ser agregado depende de las prácticas comerciales. El nitrógeno puede representar entre el 6.5 y el 10% de la levadura seca y el P expresado como P2O5 varía entre 1.5 y 3.5%. Ambos valores, sobre todo el contenido de nitrógeno, están relacionado con el poder fermentativo y la estabilidad de la levadura en el almacenamiento. El nitrógeno que se suministra generalmente como agua amoniacal y el P como ácido fosfórico, son alimentados durante el proceso de acuerdo a programas de alimentación que dependen de las prácticas comerciales. El Mg, S, y Zn son incorporados en forma de sulfatos. El MgS04 se suele incorporar a razón de 1 g de la sal heptahidratada y el Zn en una proporción de 10 mg del sulfato tetrahidratado por Kg de melaza a fermentar. Si se utiliza melaza de remolacha es indispensable agregar biotina, lo que se hace adicionando la droga pura o preferentemente, como es más económica, en forma de destiobiotina. Es a menudo indispensable agregar tiamina y ácido pantoténico.
Proceso de producción a múltiple etapa (Figura 21)
Un proceso típico de producción comprende una primera etapa (E1 ) que se realiza en frascos conteniendo medios de melaza o, de malta con un 5% de azúcares durante 2-4 días. A continuación siguen 3 etapas consecutivas (E 2 , E3 y E 4) realizadas en "batch" en condiciones estériles en fermentadores en escala creciente hasta 30 m 3. El tiempo de la etapa E2 es normalmente 24 y las etapas siguientes 9 -11h. El número de etapas a emplear depende de la cantidad de levadura a emplear en las etapas siguientes. La concentración del sustrato inicial está entre 5-7.5% azúcares. El factor crítico en esta etapa reside en la necesidad de emplear medios estériles para evitar contaminaciones prematuras que pueden perjudicar las etapas posteriores. Las etapas siguientes E5 y E6 se realizan empleando el sistema de "batch" alimentado y en condiciones de alta aireación y con el mosto de melaza que ha sido sometido a un cocimiento a 100 °C. Algunos fabricantes utilizan el inóculo proveniente de la E4 para sembrar un único fermentador, realizando así solamente una etapa (E5 ), siendo la razón principal de este procedimiento la necesidad de limitar al máximo la contaminación que se puede producir en la etapa final. También por ese motivo cuando se realiza la etapa E6, la anterior (E5) suele realizarse a menor pH, en tiempos cortos y altos valores de velocidad de crecimiento a expensas del rendimiento. La etapa final, que es la llamada comercial se conduce para aumetar la capacidad leudante, la estabilidad en el almacenamiento y maximizar también el rendimiento. Todo esto se logra manipulando algunos parámetros como el pH, aireación y velocidad de alimentación del medio. Esta última es particularmente importante, existiendo varios programas de alimentación que tienen que considerar además de maximizar el rendimiento, la calidad de la levadura a obtener relacionada con el poder fermentativo y la estabilidad.
En la Figura 22 se observan algunos programas de alimentación de la melaza utilizados en la industria-. Para alcanzar rendimientos aceptables, que pueden ser cercanos al 0.5 g por g de azúcar, la concentración de la fuente de carbondebe mantenerse debajo de ciertos límites (menor a 0.16 gl-1 ) para evitar la producción de alcohol. El tiempo de proceso para la última etapa puede variar entre 10 y 20 h durante el cual la población de levadura puede multiplicarse entre 6 y 7 veces. Un proceso correctamente conducido debe facilitar lo que se denomina "maduración" de la levadura, que se logra manteniendo el mosto fermentado una hora más después del agregado de nutrientes con una aireación muy suave. Durante este período, los sustratos no empleados hasta ese momento son asimilados, y las células con brotes completan su desarrollo. Separación, lavado y empaquetado Al final de la etapa de producción comercial las células de levaduras son separadas por centrifugación y lavadas en una o más etapas. Las operaciones de lavado son realizadas para reducir los sólidos no debidos a levaduras que pueden dificultar la filtración y oscurecer el color de la levadura prensada. La eficiencia del sistema de lavado está determinada por la concentración de los sólidos de levadura, la cantidad del agua usada y el contenido de sólidos del agua de dilución que tiene importancia cuando el agua de lavado se utiliza en contracorriente a la crema de levadura. El proceso de separación produce una crema de levadura ligeramente coloreada conteniendo hasta 22% de sólidos debidos a células y prácticamente libres de otros materiales. La crema es almacenada en tanque agitados a 2-4 °C con ajuste de pH a 2.5-3.5. Como la mayor parte de la levadura se vende como levadura prensada conteniendo entre 27 y 30% de materia seca, es necesario realizar una etapa de deshidratación de la crema (que contiene un 18-22% de sólido) hasta esos valores, lo que se efectúa con filtros prensas o filtros rotatorios. Finalmente la levadura es extrudada en forma de panes de peso variable según las exigencias del mercado, que son envueltos en papel celofán o en otro tipo adecuado de papel. Otra forma de terminar el proceso de producción es someter la crema de levadura a un filtrado y extrudado para producir partículas de 0.5 a 2 mm que son secadas en equipos de lecho fluidizado, lo que da origen a las llamadas levaduras secas activas o levaduras instantáneas con bajo contenido de humedad, que se envasan al vacío o en atmósfera de nitrógeno y que pueden conservarse por períodos prolongados a temperatura ambiente.
La levadura prensada producida por el proceso descripto debe cumplir con las exigencias impuestas al cual está destinada, o sea para la panificación. La función fundamental que debe cumplir es levar las masas preparadas con harina y conservar esas cualidades durante un tiempo adecuado. Existen diversas técnicas de control que se utilizan para verificar la calidad de la levadura comercial. Todas se basan en la preparación de una masa con harina, agua y sal, además de levadura. En algunos casos se mide el tiempo en minutos que tarda en levar una masa preparada en una mezcladora en condiciones estandarizadas, que es colocada en un molde a temperatura de 30 °C tomando como referencia un tope que esta conectado a una alarma que suena cuando es alcanzado por la masa. En otro tipo de técnica mejor cuantificada se mide el volumen de C02 desprendido en condiciones controladas, a 120 y 165 minutos después de colocar la masa en un balón conectado a una bureta donde se va almacenando el C02 desprendido. Para evitar las diferencias entre las distintas harinas y tratar de lograr resultados más reproducibles la IUPAC sugirió un método basado en la utilización de una mezcla de almidón y goma garrofin (proveniente del fruto de la Seratonia siliqua) en lugar de harina. Otro ensayo importante está relacionado con el tiempo que la levadura conserva sus características, que se mide manteniendo el pan de levadura en estufa a 30 °C.
1. Comprehensive Biotechnology. The practice of Biotechnology: Current Commodity Products. Volume 3. Ed. Harvey W. Blanch, Stephen Drew and Daniel Wang. Pergamon Press (1985) 2. Progress in Industrial Microbiology. Vol 23. Ed. M.R.Adams. Elsevier (1986). 3.Microbial Technology. Vol. I, 2da. Ed. H.J.Pepple r y D. Perlman. Academic Press (1979). |
