producción de proteínas unicelulares (puc)
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I. PRODUCCIÓN DE PROTEÍNAS UNICELULARES (PUC)
El término proteína unicelular (PUC) se emplea para
referirse a microorganismos tales como bacterias,
levaduras, algas y hongos lamentosos, ue son
empleados para alimentaci!n humana o animal,
principalmente por su alto contenido en proteínas" El
hombre ha consumido microorganismos presentes en
alimentos fermentados desde hace siglos y m#s
recientemente empleo para consumo animal
microorganismos derivados de la producci!n de cerve$a y
de bebidas alcoh!licas"
Pero el alto costo de su producci!n s!lo es competitivo en
ciertas circunstancias con respecto de las proteínas de
origen vegetal" %os microorganismos crecen r#pidamente,
lo cual es una de las ra$ones m#s importantes para su
interés en su producci!n industrial"
&acterias de los géneros 'ethilomonas, Pseudomonas,
&acillus y erobacter tuvieron en los * gran interés
debido a su alta velocidad de duplicaci!n y alto contenido
proteico pero el incremento del costo de los sustratos
(metano, metanol, hidrocarburos""") han limitado su
aplicaci!n"
+in embargo ciertas especies de levaduras, como Candida
utilis, +accharomyces cerevisiae y luyveromycees fragilis
( -"mar.ianus ) han sido aceptadas para alimentaci!n
humana y producidas continuamente desde la +egunda
/uerra 'undial"
%os hongos lamentosos y las algas tienen la desventa0a
de crecer m#s lentamente" En la actualidad se producen
comercialmente los hongos /liocladium deliuescens,
Paecilomyces varioti y 1usarium graminearum y las algas
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+pirulina y Chlorella" En el caso de las algas su producci!n
es similar a la de la agricultura convencional"
En cuanto al sustrato, aunue la atenci!n inicial se centr!
en hidrocarburos y derivados del petr!leo recientementese ha derivado hacia recursos renovables como residuos
agrícolas y subproductos industriales" En muchos casos
los sustratos reuieren de un pretratamiento sico,
uímico o en$im#tico previo a la fermentaci!n" %os
residuos agrícolas forestales, por e0emplo deben ser
hidroli$ados a a$2cares simples o sometidos a una
deslignicaci!n parcial para ue puedan ser f#cilmenteaccesibles a los microorganismos"
I.1. BIOQUÍMICA BÁSICA Y PROCESO DE OBTENCIÓN DE
LA PUC.
El proceso de obtenci!n de proteína unicelular puede
involucrar una gran variedad de procesos biouímicos, en
concordancia con la amplia gama de microorganismos ue
pueden ser utili$ados" /enéricamente, la producci!n de
biomasa (PUC), pueden e.presarse a través de la siguiente
ecuaci!n (3o0as, 4556)7
C (H20) (Fue!e "#$%&#'#) H20 NH* (#+&,&)
Su-!$#!&M,e$# (P/ / S/ N#/ C#/ Fe)
CHNO (%,&+#-#/ PUC) CO2 H20 (Ee$34# 'e
#"!,5#",6)
El proceso biouímico anterior, como es l!gico, reuiere de
una fuente de carbono a fermentar, la cual debe ser cualuiera
de los substratos ya mencionados en la secci!n de
microorganismos y materias primas" lgunas de estas fuentes
suelen ser pobres en nitr!geno y minerales, por lo ue esnecesario un suplemento con sales de amonio u otras fuentes
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de nitr!geno" Como productos de la fermentaci!n, se obtiene
la biomasa y se liberan energía y gases, como C89"
%os microorganismos deben ser inoculados en un medio
particularmente favorable, tanto en condiciones decompetencia (medio previamente esterili$ado) como en
condiciones nutricionales" Por ello se reuiere un
pretratamiento inicial ue no altere indeseablemente substrato
y ue garantice ue favore$ca el desarrollo de la PUC"
El proceso de producci!n de PUC debe tener en cuenta las
siguientes pautas7
3educci!n del tama:o y homogenei$ado mec#nico, de
modo ue sea m#s accesible al microorganismo y m#s
f#cil de manipular en la fermentaci!n" Eliminado de agentes inhibidores del crecimiento
microbiano, tales como to.inas y tra$as de residuos
uímicos" simismo, debe garanti$arse la ine.istencia de
substancias ue puedan causar efectos t!.icos en la PUCobtenida posteriormente"
En algunos casos, cuando el microorganismo a emplear
necesita metaboli$ar formas org#nicas m#s simples, el
substrato debe hidroli$arse en$im#tica o uímicamente
empleando #cidos, #lcalis o en$imas, tales como
amilasas o diastasas" +uplementaci!n del medio con nutrientes como f!sforo y
sales nitrogenadas ue sirvan de fuente mineral a la
PUC" 0uste del p; y de la humedad del substrato, de modo
ue favore$can el crecimiento de los microorganismos
involucrados" /eneralmente se reuiere regular
constantemente las condiciones de p; empleando
bu<ers (amortiguadores)" El a0uste del p; se mantiene a
lo largo del proceso fermentativo y no solo durante elpretratamiento del substrato" En la mayoría de los casos,
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el p; suele ser #cido y ronda valores de = ! 6 a lo largo
del proceso" >ratamiento térmico del substrato para eliminar la ?ora
bacteriana pat!gena y@o competitiva de la matri$" El
tratamiento puede ser7 i) pasteuri$ado en matrices
destinadas a fermentaci!n en substrato líuido, o ii)
esterili$aci!n en substratos s!lidos" En general, los
par#metros del proceso térmico rondan los 4999A49B C
por un tiempo de B*A=6 minutos"
I.2. MICROOR7ANISMOS Y MATERIAS PRIMAS
%as bacterias, principalmente los géneros 'ethylomonas,Pseudomonas, &acillus y erobacter, recibieron en la década
de 45* un interés especial como fuentes potenciales de PUC,
debido a ue son capaces de duplicarse en un periodo de 9* a
B* minutos y a su alto contenido de proteínas, ue puede
llegar hasta D6 en base seca" Fo obstante estas cualidades,
el incremento en el costo durante las 2ltimas dos décadas de
algunos sustratos considerados para su propagaci!n, talescomo metano, metanol, etanol o hidrocarburos, ha limitado su
aplicaci!n"
En contraste, ciertas especies de levaduras como Candida
utilis, +accharomyces cerevisiae y luyveromyces fragilis
(ahora conocida como " mar.ianus) han sido aceptadas
durante largo tiempo, tanto en alimentaci!n animal como
humana, y se han producido continuamente a partir de la
+egunda /uerra 'undial" %os hongos lamentosos y las algas
tienen la desventa0a de crecer m#s lentamente ue las
bacterias y levadurasG sin embargo, en la actualidad se
producen comercialmente los hongos /liocladium
deliuescens, Paecilomyces varioti y 1usarium graminearum, y
las algas +pirulina y Chlorella"
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En el caso de las algas, su producci!n es en algunos aspectos
similar a la agricultura convencional, en donde no se aplican
las características de alta productividad, tiene pocos
reuerimientos de terreno, y no hay una dependencia de
condiciones clim#ticas ue prevalecen en procesos de
producci!n de PUC a partir de bacterias, levaduras y hongos"
H"9"4" MICROOR7ANISMOS EMPLEADOS COMO FUENTE DE
PROT8INA UNICELULAR (SCP). ELECCIÓN DEL MICROOR7ANISMO
+e deben tener en cuenta criterios como el sustrato
necesario y los posibles suplementos del mismo, la
velocidad de crecimiento, productividad y rendimiento del
sustrato, el P; y la temperatura, la aireaci!n, morfología
del crecimiento en el fermentador, seguridad y no
patogenicidad, ausencia de productos t!.icos, facilidad de
recuperaci!n de las proteínas de organismos unicelulares,
la composici!n proteíca, el contenido de 3F (indeseable
para la utili$aci!n humana)
%os primeros microorganismos empleados como fuente de
proteína fueron las levaduras, especialmente
Saccharomyces cerevisiae, ue a2n hoy día es la principal
fuente de +CP con una producci!n de 9**"*** toneladas
anuales en peso seco (&iocity 9**B, Chicas 9**B)"
+on también de uso amplio Spirulina máxima (Pedra$a
9**B), Aspergillus niger (rias 9**4), Kluyveromyces
fragilis (;ern#nde$ et al" 45I5) y Candida utilis
(Phetteplace et al" 9**B)"%a >abla 4 muestra la lista de muchos de los organismos
de interés en la obtenci!n se biomasa
T#%# 1. Microorganismos más importantes en la producción
de proteína celular.
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I.9. DISE:O DEL FERMENTADOR.
Econ!micamente el proceso debe reali$arse en el mínimo
de fermentadores posibles a gran escala" Con ob0eto de
ma.imi$ar la productividad es esencial operar en procesos
continuos, manteniendo velocidades de crecimiento
microbiano elevadas y minimi$ando el tiempo de
residencia en el reactor" Un par#metro de vital
importancia es una elevada velocidad de transferencia de
o.ígeno ue implica una elevada productividad y gran
desprendimiento de calor metab!lico ue debe ser
refrigerado eca$mente"
a) &ioreactor de &P en su plantas de Escocia y Cerde:a
(4D**mB) agitado mec#nicamente con de?ectores
con me$cladores de turbina y aireaci!n mediante
difusores"
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b) Con el gasAoil &P utili$a un dise:o con tubo de
retorno agitado por aire"c) 1ermentador agitado por aire de anegufuchi en el
ue el medio de fermentaci!n es conducido por un
bucle giratorio e.terno por la fuer$a del aire"d) 1ermentador piloto de HCH con presuri$aci!n
combinaci!n de reactor agitado por aire y otro de
bucle, es una columna agitada por aire con un tubo
de retorno donde se elimina el calor"e) El fermentador de producci!n del dise:o piloto de
HCH en cambio no tiene tubo de retorno e.terno"f) 1ermentador con dos agitadores con e0es separados
funcionando a sus respectivas velocidades !ptimas
para optimi$ar la transferencia de masa en las
fermentaciones de biomasa f2ngica"
1ig4" 1ermentadores utili$ados en la producci!n de proteínas de
organismos unicelulares
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%a proteína unicelular encuentra adem#s aplicaciones a2n
e.perimentales en el campo de la salud" 3ecientes
investigaciones eval2an el papel de la PUC como un nutriente
de control inmunitario en pacientes uir2rgicos con
hipoproteinemia, hiperglucemia, anemia e
hipercolesterolemia (EJK, 9**B)"
T#%# 2. Aprovechamiento industrial de los principales
componentes de la biomasa bacteriana.
I.<. SUBSTRATOS PARA LA PRODUCCIÓN DE PROTEÍNA
UNICELULAR (SPC).
I.<.1.HIDROCARBUROS Y COMBUSTIBLES
#. Pe!$&=u4+,"&- (*#"#&-)En un principio los substratos principales fueron de
naturale$a f!sil, es decir hidrocarburos siendo este
campo el de mayores inversiones en investigaci!n y
desarrollo (&iocity 9**B)" El principal problema de los
hidrocarburos como sustrato es su naturale$a no
renovable, a lo cual se suma un costo econ!mico a
veces mayor" 'uchos de los hidrocarburos ue se
destinan a la producci!n de +CP son alcanos de cadena
carbonada de 49 a 9* #tomos de carbono f#cilmente
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utili$ables como sustituto de carbohidratos como fuente
nutricional de la biomasa (&iocity 9**B)"
Productos derivados de la actividad petrolera son
también metaboli$ables, emple#ndose incluso laparana como substrato (&utolo et al" 9**B)" %os nA
alcanos pueden obtenerse a partir del mismo petr!leo
crudo (;ern#nde$ 45I5, eil 4556) y constituyen la
fracci!n de ceras del gasoil ue debe ser removida pues
aumenta la viscosidad y tiende a causar precipitaciones
a ba0a temperatura" %a principal desventa0a de los nA
alcanos es su ba0a solubilidad (4*A= A 4*A5 v@v) lo cualdiculta el proceso de suspensi!n ue muchas veces
reuiere de for$amiento mec#nico" Je hecho las
especies seleccionadas para el crecimiento en estos
medios probablemente tiene la capacidad de secretar
sustancias emulsicantes ue conviertan los nAalcanos
insolubles en gotas de *,*4 A *,6 mm de di#metro, de
modo ue las mismas puedan difundir pasivamente através de la membrana lipídica (Crueger y Crueger
45D5)"%a proteína unicelular derivada de los nAalcanos se
denomina genéricamente L>oprinaM (eil 4556, Hsraelidis
9**B), y se obtiene principalmente por crecimiento de
Candidor lipolytica, C. tropicalis, Candida oleophila y
Saccharomycopsis lipolytica (Crueger y Crueger 45D5),
así como de bacterias o.idativas" El medio suele ser
enriuecido con F;B como fuente de nitr!geno y 'g
como suplemento mineral"%a L>oprinaM cuenta con una ba0a popularidad debido a
los cuestionamientos generados en los a:os setenta por
los 0aponeses, en cuanto a ue hidrocarburos aroA
m#ticos pudiesen ser transportados por la +CP ue
creciere en substratos derivados del petr!leo, y ue por
consiguiente e.istiere un riesgo carcinogénico en la inA
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gesta" Hnvestigaciones posteriores del gobierno Htaliano
parecen demostrar ue el temor es infundado
(Hsraelidis9**B)" Fo obstante el estigma resultante de la
fero$ controversia, en con0unci!n con los siempre
inestables precios del petr!leo, han hecho ue los
hidrocarburos caigan en un segundo plano como
substratos para la +CP"
%. Me!#&>%os estudios con metano para su uso como sustrato
para la +CP inician en los a:os I* en Hnglaterra por
iniciativa de la compa:ía +hell" El metano es un
sustrato barato y abundante, el cual de hecho e.iste en
e.ceso en muchas partes del mundo, donde es f#cil de
conseguir con muy alto grado de pure$a (Crueger y
Crueger 45D5)"
Nui$#s, su mayor venta0a es ue no presenta los
cuestionamientos de to.icidad ue se argumentan en
contra de los nAalcanos (Hsraelidis 9**B)" Jada suestructura uímica (C;=), el metano presenta la forma
carbonílica m#s reducida, lo cual permite a las células
microbianas obtener el mayor rendimiento por volumen
de gas consumido El principal problema ue presenta el
metano es ue este no se lic2a con facilidad, por lo cual
se pueden implicar muy altos costos por concepto de
licuado y posterior transporte al lugar de proceso(Crueger yCrueger 45D5)"
%as bacterias ue o.idan el metano son denominadas
metil!foros obligados y solo metaboli$an substratos de
un solo carbono" Entre ellas est#n Methylomonas
methanica, Methylococcus capsulatus
Methyvibriosoehngenii Methanomonas margaritae así
como los géneros Acinetobacter y !lavobacterium"
Puesto ue el metanol es de mane0o m#s simple y de
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m#s f#cil transporte, y el metano puede ser
transformado en metanol, se preere utili$ar este
2ltimo como sustrato para los sistemas ue utili$an
materiales de un solo carbono"
". Me!#&>El metanol fue en determinado momento el substrato
m#s importante y barato para la producci!n de +CP
(Crueger y Crueger 45D5, &iocity 9**B)" Entre las
principales venta0as del metanol, est# el hecho de ue
puede ser obtenido a partir de una amplia gama de
fuentes como el gas natural, la gasolina, la hulla y hasta
desechos agroindustriales"
En la fermentaci!n del metanol se emplean m#s las
bacterias como por e0emplo Methyluphilus
methylotropha, dado su m#s r#pido crecimiento, su
mayor conAtenido de proteína, su mayor rendimiento y
reuerimientos m#s sencillos de cultivo (Crueger y
Crueger45D5)"/eneralmente estos reuerimientos implican la
suplementaci!n con amonio del medio (&iocity 9**B)"
%a proteína obtenida a partir del metanol se conoce
genéricamente como LPruteenM (Hsraelidis 9**B)"
ctualmente la producci!n de Pruteen no es
econ!micamente rentable debido a las condiciones de
mercado (Crueger y Crueger 45D5, Hsraelidis 9**B)"
'. E!#&
En comparaci!n con el metano y el metanol, el etanol
cae en un tercer lugar dado su costo comparativaA
mente m#s elevado" /eneralmente el proceso
fermentativo se hace por medio de levaduras grado
alimenticio ! OtorulaO" %a +CP obtenida por este medio
se denomina pues genéricamente como O>oruteinO
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(Hsraelidis9**B) y suele caracteri$arse por su ba0o
contenido de methionina" %a >orutein suele presentar
valores de PE3 cercanos a 4,I" El PE3 (Protein Eciency
3atio) es una forma de medir la calidad de una proteína
y corresponde al peso ue gana una rata en
crecimiento dividido entre la ingesta de proteína
necesaria para generar ese aumento de peso en el
período de estudio (+8%E 9**B, Qhey Protein Hnstitute
9**B)"
medida ue el valor del PE3 se incrementa, así
aumenta también la calidad dietaria de la proteína(Qhey ProteinHnstitute 9**B)" El valor biol!gico es otra
unidad alterAnativa de medici!n para la calidad de
proteína ue corresponde a la fracci!n del nitr!geno en
la dieta ue permanece en el organismo después de la
digesti!n, a diferencia del nitr!geno ue se pierde en
las heces (Qhey Protein Hnstitute 9**B)"
I.<.2.DESECHOS INDUSTRIALES.
%os desechos agroindustriales son las materias primas
m#s baratas y diversas, especialmente si se
aprovechan en el lugar donde son producidos, con lo
ue pueden eliminarse los costos de transporte y
minimi$ar la contaminaci!n ambiental"
continuaci!n se citan algunos de los residuos m#srepresentativos como fuente de carbono7
guas residuales de las industrias de la celulosa,
del café, de almid!n, de procesamiento de
alimentos y del papel (aguas sulfíticas), empleando
Candida utilis, C" tropicales, Chaetomium
cellulolyticum y Paecilomyces varioti (Crueger y
Crueger, 45D5)"
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3esiduos de c#scaras de cítricos con 1usarium
culmorum (Juran, 45D5) o 3esiduos de la industria
vinícola o vina$as con Chaetomiun cellulolycum
(3o0as, 4556)" ;idroli$ados de cuernos y pe$u:as sobrantes de la
industria c#rnica con &acillos subtillis (urbanoglu
y lgur, 9**9)" &aga$o de banano y ca:a empleando
+accharomyces cerevisiae, spergillus nigis y
spergillus foetidus" E.cretas de animales de gran0a"
Cada residuo reuiere de un tratamiento de
pasteuri$aci!n previo y de unas condiciones de
incubaci!n posteriores favorables al microorganismo
especíco ue en ellos se hace prosperar"
I.<.9.SUBSTRATOS DE ORI7EN ?E7ETAL NO
CONSIDERADOS COMO DESECHOS>%os substratos de origen vegetal como la madera y
carbohidratos han estado muy en boga desde los
a:osI* en la producci!n de +CP" Estos materiales
vegetales, fuente de celulosa, lignocelulosa y de
lignina, se tratan preliminarmente hidroli$ando en
medio #cido (;9+8=) o por medios en$im#ticos (Crueger
y Crueger 45D5)" Esta 2ltima hidr!lisis se logra con un
comple0o de celulasas e.traAcelulares (endoARA4,=A
glucanasaG e.oARA4,=Aglucanasa y RA4,=Aglucosidasa)ue son e.cretadas por bacterias (Cellulomonas) o por
hongos (>richoderma, PeniciAllum, >hermoascus,
+porotrichum, ;umicola)" 8tros autore (Hsraelidis 9**B),
reportan ue la hidr!lisis previa puede lograrse por
métodos alcalinos y hasta por e.posici!n a radiaciones
S" %a hidr!lisis garanti$a ue todos los polisac#ridos
comple0os e.istentes en la matri$ pasen a formar
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a$2cares simples fermentables m#s asimilables
metab!licamente para los microorganismos"
%os hidroli$ados de madera se han ensayado con
Candida utilis, mientras ue los de pa0a con"richosporonsp obteniendo rendimientos de =9 y B*
respectivamente" ;idroli$ados del grano de sorgo
también has ido ob0eto de estudio empleando Candida
crusei y Saccharomyces sp" %os rendimientos a partir de
materiales con celulosa, lignocelulosa y lignina aun no
son lo sucientemente buenos como para lograr
procesos industriales de ata escala ue sean rentables"Esto no tanto por el crecimiento en sí de la +CP, si no
por lo poco ecientes ue pueden resultar los procesos
previos de hidr!lisis (Crueger y Crueger 45D5)"
I.@. OBTENCIÓN DE PUC A PARTIR DE AL7UNOS
DESECHOS A7ROINDUSTRIALES.
%a variedad de procesos para obtener PUC es tan grande
como la cantidad misma de microorganismos ue puede ser
empleada" Por ello, lo ue a continuaci!n se e.pondr# no
debe considerarse como procesos generali$ados, sino m#s
bien como casos particulares ilustrativos"
[email protected]%!e",6 'e %,&$&!e4# # #$!,$ 'e %#3#& 'e
#$## (Citrus sinensis) "& A-e$3,u- ,3e$
(Bu-!#+#!e e! #./ 2009).
En las diferentes industrias frutales y como productos
domésticos, se tiene una gran cantidad de residuos de
frutas ue no tienen ninguna utilidad y son desechos
ue se encuentran en los basurales, siguiendo un
proceso normal de descomposici!n"
%a biotecnología ha desarrollado una serie de
procedimientos ue permiten reali$ar un tratamiento
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biol!gico a los residuos con microorganismos
adecuados, con el n de producir la denominada
bioproteína o enriuecer los alimentos, incrementando
el nivel de proteína con los mismos"
%a materia prima utili$ada es el residuo ue ueda
después de la e.presi!n del 0ugo, a la cual se le reali$an
los an#lisis previos tales como7 de humedad,
ceni$a total, bra total, nitr!geno total, nitr!geno
amoniacal, nitr!geno org#nico, y la medici!n de p;"El baga$o de naran0a enriuecido por spergillus niger
se convierte en un alimento altamente nutritivo para el
uso como alimento balanceado, pues contiene diversos
amino#cidos esenciales, pudiendo reempla$ar a la
proteína proveniente de la soya o el maí$"
[email protected]$&'u"",6 'e PUC # #$!,$ 'e 'e-e"&- 'e
5,## "& C','# u!,,- (D4# e! #./ 200@).
En el proceso de la destilería para producir alcohol
etílico, se produce un residuo líuido nal llamado
vina$a, el cual se ha reconocido como un compuesto
rico en sales minerales y materia org#nica, ue ha sido
usado principalmente como fertili$ante en los campos
de los cultivos"
%a vina$a constituye el residuo de mayor importancia
en las destilerías de alcohol, debido al gran volumen de
producci!n" %a vina$a representa apro.imadamente el
5* del volumen de fermentaci!n originalG es un
líuido de color de café con ba0o p;, olor dulce y alto
contenido de materia org#nica disuelta y en
suspensi!n"
En el caso de las industrias licoreras, la vina$a ha sido
normalmente vertida a las corrientes de agua sin
tratamiento alguno, causando una gran contaminaci!n
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ambiental (la demanda biol!gica de o.ígeno oscila
entre I*** y 9**** mg@litro)" Por poseer altos valores
de JN8 (Jemanda Nuímica de 8.ígeno) y J&8
(Jemanda &iouímica de 8.ígeno), un ba0o valor de p;,
taninos y otras sustancias podrían provocar disminuci!n
en el o.ígeno disuelto en el medio ambiente,
favoreciendo la proliferaci!n de organismos pat!genos
y la muerte de animales benignos para el ecosistema"
El aprovechamiento de las vina$as recolectadas de la
planta de tratamiento de una industria alcoh!lica para
la producci!n de proteína unicelular mediantefermentaci!n aer!bica con Cándida utilis determin! la
concentraci!n m#s apropiada de una me$cla de
nutrientes conformada por sulfato de amonio, urea y
e.tracto de malta, ue se agreg! al desecho líuido de
vina$a, para obtener el m#.imo crecimiento en el
menor tiempo posible" dicionalmente, se determin! la
concentraci!n de proteína ue posee la biomasa delevadura cultivada, con el n de conocer si es posible su
producci!n como suplemento en f!rmulas para
alimentaci!n animal" %a levadura Candida utilis puede
crecer, reproducirse y adaptarse en el desecho de
vina$a, obteniéndose un producto con alto contenido de
proteína"
[email protected]$&'u"",6 'e $&!e4# u,"eu#$ 'e e5#'u$#-"$e",'#- e 'e-e"&- 'e #$,# 'e +#4 $e"&",'#
( Zea mays) (7u#!,e$, e! #./ 200@).
El procesamiento industrial de la harina de maí$
precocida genera apro.imadamente toneladas por día
de desechos s!lidos org#nicos, volumen ue
generalmente las empresas depositan en rellenos
sanitarios, con el ob0etivo de promover una putrefacci!n
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r#pida, me$clando los desechos con lodos provenientes
de la planta de tratamiento de aguas residuales" %a
enorme cantidad de desecho produce problemas de
costosa deposici!n y difícil soluci!n" En un estudio
preliminar ue se reali$! sobre la composici!n
biouímica de esos desechos, se determin! ue poseen
un alto contenido de materia org#nica (I5"=6),
formada principalmente por almid!n" Esta circunstancia
condu0o a proponer una soluci!n biotecnol!gica,
aprovechando la capacidad de las levaduras para
metaboli$ar, mediante procesos fermentativos, materia
org#nica y generar proteína unicelular con alto valor
proteico similar a la de origen vegetal"
+accharomyces cerevisiae representa una de las
levaduras de primera elecci!n para la producci!n
industrial de biomasa y etanol, y ue careciendo de
actividad bAgalactosidasa, amilasa y glucoamilasa, las
levaduras en gemaci!n son incapaces de fermentar elalmid!n" Sch#anniomyces castelli es una levadura
amilolítica, capa$ de degradar el almid!n por dos
amilasas secretadas, una TAamilasa y una glucoamilasaG
la producci!n de estas en$imas es inducida por la
ausencia de glucosa, por la presencia de maltosa o
almid!n" Cándida utilis es una levadura ue tiene una
alta tasa de crecimiento ue ninguna especie halogrado superar, y ue reuiere de un sustrato rico en
a$2cares o fuentes de carbono, para su crecimiento o
cultivo"
'ediante fermentaciones aer!bicas de los desechos de
harina de maí$ precocida con levaduras, se pueden
enriuecer en proteína unicelular" los residuos de
harina de maí$ precocida se les aplican tratamientos
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uímicos y en$im#ticos con la nalidad de obtener
a$2cares fermentables por las levaduras"
8btener biomasa a partir de las tres levaduras
mencionadas permite ofrecer una tecnología paradisponer de un desecho agroindustrial contaminante y
proporcionar una soluci!n ecol!gica con un benecio
econ!mico, 2til como aporte proteico para dietas de
animales"
%os desechos generados durante el empacado de
harina de maí$ precocida pueden enriuecerse en
proteínas microbianas por procesos de fermentaci!n
liuida, los cuales poseen ID"66 de almid!n y I"D de
proteína" %os desechos son sometidos a hidr!lisis por
tratamientos uímicos y en$im#ticos"En general, los desechos de harina de maí$ precocida
constituyen un substrato adecuado para obtener
biomasa o proteína unicelular, ue podría ser destinada
como suplemento en formulaciones para alimentaci!nanimal"
[email protected]!e$+,#",6 'e $&!e4# !&!# 'e C#','# u!,,-
S#""#$&+"e- "e$e5,-,#e e %#3#& 'e "#G#
(7u!,$$e 76+e/ 200).
Jentro de los desechos agroindustriales se encuentra el
baga$o de ca:a, producido en grandes cantidades en
las centrales a$ucareras" nte esta situaci!n, la
biotecnología ha desarrollado una serie de
procedimientos ue permiten reali$ar un tratamiento
biol!gico a estos residuos, con el n de producir PUC
con microorganismos adecuados ue aumentan el valor
nutricional de los mismos"
En la investigaci!n de /utiérre$ y /!me$ (9**D) se
produ0eron concentrados proteicos de las levaduras C.
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utilis y S. cerevisiae, como suplementos de
alimentaci!n animal mediante el aprovechamiento
biotecnol!gico del desecho generado en el
procesamiento industrial de la ca:a de a$2car" El
baga$o de ca:a previamente hidroli$ado sirvi! como
sustrato para el crecimiento de las dos levaduras,
evalu#ndose la composici!n de las levaduras y proteína
total producida" mbos microorganismos presentaron
un contenido balanceado de amino#cidos, sugiriendo su
empleo potencial como concentrados proteicos"
I.@.;.P$&'u"",6 'e %,&+#-# 'e S#""#$&+"e-"e$e5,-,#e C#','# u!,,- u-#'& $e-,'u&- 'e
u# 'e C&Je# #$#%,"# L.
%a pulpa de café es el residuo s!lido principal del
benecio h2medo del grano de café, y constituye
apro.imadamente el =4 del peso h2medo del grano
de café" Para 455, la producci!n mundial de residuos
de café se estim! en cerca de 99 millones de toneladas
métricas (>') de pulpa de café, 9,= millones >' de
mucílago y D, de pergamino" Estas cantidades
?uct2an cada a:o de acuerdo a las variaciones en las
técnicas usadas en el procesamiento y producci!n del
café" El problema de disposici!n de los residuos del
café, sin embargo, es enorme y representa una
contaminaci!n potencial en los países productores"%os esfuer$os para reciclar los residuos de café
comprenden actividades tales como7 composta0e,
alimentos para animales, producci!n de fertili$antes
org#nicos, proteína unicelular y biogas" El
me0oramiento de los valores nutricionales de la pulpa
de café por tratamientos biol!gicos incluye procesos
aer!bicos y anaer!bicos, empleando microorganismos
tales como levaduras, bacterias y mohos" +e conocen
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alternativas bien estudiadas en el tratamiento
combinado con hongos lamentosos y levaduras" El
proceso involucra un consorcio de microorganismos ue
son típicamente usados para la bioconversi!n de
residuos lignocelul!sicos (>hrichoderma viride y
spergillus niger), y levaduras como Saccharomyces
cerevisiae y Candida utilis, en diferentes
combinaciones"Hnicialmente, los hongos lamentosos degradan la
celulosa y hemicelulosa presente en la bra y,
subsecuentemente, las levaduras fermentan los
a$2cares libres producidos" Jichos hongos pueden
también me0orar los valores alimentarios de otros
residuos agroindustriales" Jentro de los cultivos no
convencionales, el café es uno de los m#s
prometedores para la obtenci!n de proteína unicelular o
biomasa en Colombia, debido a su alto contenido de
hidratos de carbono f#cilmente hidroli$ables"
Puede decirse ue la pulpa de café constituye un
sustrato adecuado para obtener biomasa o proteína
unicelular, ue podría ser destinada como suplemento
en formulaciones para alimentaci!n animal (/ualtieri et
al", 9**I)"
I.. ASPECTOS NUTRICIONALES DE LA PROTEÍNA
UNICELULAR.I..1.COMPOSICIÓN 7ENERAL Y ?ALOR NUTRICIONAL DE
LA PROTEÍNA UNICELULAR.
%a proteína unicelular como ya se estudi!, puede
generarse a través del crecimiento de muchísimas
especies diferentes de hongos, algas, levaduras y
bacterias" Caracteri$ar la composici!n particular de cada
uno de estos microorganismos resultaría una tarea muy
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amplia" Fo obstante, dadas las similitudes es posible
e.presar en términos m#s generales la composici!n de
estos microorganismos seg2n su tipo (>abla B)"
T#%# 9. Composición porcentual promedio en base seca
de los principales microorganismos empleados
Puede denotarse ue el principal valor de la biomasa
microbiana es su aporte de proteína" +eg2n la >abla B,
los contenidos de proteína alcan$an un m#.imo para las
bacterias y un mínimo para hongos lamentosos,
uedando las levaduras y algas en una posici!n interA
media" Esta proteína bacteriana es nutricionalmente
similar a la proteína del pescado, mientras ue la de
levadura mantiene similitudes con la de soya
(Hsraelidis9**B)"
En cuanto a minerales, la +CP destaca como fuente de
f!sforo, aunue suelen ser pobre en calcio, así como no
es buena fuente tampoco de lípidos dietarios (18 9**B)"
Es posible establecer un perl general y apro.imado de
amino#cidos para la proteína unicelular, el cual se
denota en el perl de amino#cidos esenciales es uno de
los factores b#sicos a la hora de evaluar la calidad de un
substrato proteico como alimento"
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Por lo general los amino#cidos limitantes son la lisina,
metionina y el triptofano" partir de la >abla = puede
verse ue la proteína microbiana, anteriormente citada
como la de mayor rendimiento, es deciente en
amino#cidos sulfurados como la cisteína y la metionina
mientras ue e.hibe me0ores niveles de lisina" Este
problema hace necesaria la suplementaci!n (n!nimo
9**B)" El perl de amino#cidos de las levaduras es
favorable, con niveles satisfactorios de la mayoría de los
amino#cidos esenciales, manteniéndose eso si las ba0as
proporciones de amino#cidos sulfurados como factor
limitante y alcan$#ndose de hecho niveles críticos en la
metionina" %as deciencias en determinados
amino#cidos esenciales no descalican en lo m#s
mínimo a la +CP" limentos tan comunes como la leche o
las leguminosas son también decitarios, así como varios
cereales ba0os en lisina"
T#%# . $er%l de aminoácidos esenciales promedio en
g&'((gde proteína de los principales grupos de
microorga)nismos empleados como SC$.
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El secreto est# en la suplementaci!n y en la
incorporaci!n dentro de dietas balanceadas" Je0ando de
lado los décits y considerando las >ablas antes
e.puestos, las +CP pueden considerarse como un
e.celente concentrado proteico" Ellos hacen de la +CP un
e.celente suplemento de dietas para animales, d!nde se
han obtenido e.celentes resultados en rumiantes
(Phetteplace, et al"9**B, &eruist y urgenson 9**B)"
%a >abla 6 muestra como la +CP puede ser utili$ada en
la sustituci!n de varias fuentes tradicionales de proteína
para dietas animales"
T#%# ;" Ahorros en piensos animales por sustitución
parcial con SC$.
%a calidad nutricional de la +CP no s!lo depende del
perl de amino#cidos" spectos tan importantes como la
digestibilidad, el valor biol!gico, la utili$aci!n neta de
proteína y el PE3 deben tomarse en cuenta (Hsraelidis
9**B)" %a digestibilidad es uno de los problemas ue
eventualmente puede presentar la +CP, especialmente
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con levaduras" Esto se da pues ciertas especies presenA
tan paredes celulares indigestibles para el ser humano y
hasta para ciertos animales, lo cual puede ser causa de
alergias (Hsraelidis 9**B, &utolo, et al" 9**B)" Fo
obstante esta limitante, la digestibilidad no de0a en
muchos casos de considerarse como buena (an!nimo
9**B)" %a palatabilidad y la aceptabilidad son otro
problema de interés, pues muchos de los resultados
sensoriaAles obtenidos en los estudios no suelen ser muy
halagVe:os tanto en humanos como animales
(Hsraelidis9**B)En términos muy generales se ha estimado ue la
proteína unicelular cuenta con un PE3 ue ronda valores
de 9,*9 en comparaci!n con el de 9,6 para la caseína
(&eruist y urgenson 9**B) y una digestibilidad mayor o
igual a D9 (EJK9**B)"
En la >abla se muestran los valores de digestibilidad,
utili$aci!n neta de proteína y valor biol!gico de
diferentes fuentes de proteína unicelular"
T#%# <. $arámetros nutricionales de la SC$.
%a +CP se caracteri$a por ser una fuente alimenticia de
ba0as calorías (BDD c@4** g en promedio)" Fo se han
detectado pruebas contundentes ue denoten problemas
to.ol!gicos causados por la ingesta de +CP" Estudios
efectuados con ratas alimentadas con dietas de B* de+CP pura no reportaron efectos sobre el crecimiento
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sobre la ingesta de otros alimentos, o sobre valores heA
m#ticos (n!nimo, 9**B)" %a biomasa microbiana conA
tiene también toda una serie de compuestos
nutricionales tales como vitaminas, en$imas, carotenos,
tocoferoles y dem#s"
lgunas de las vitaminas m#s importantes presentes en
algunos microorganismos empleados como fuente de
+CP se citan a modo de ilustraci!n en la >abla I"
T#%# @" Contenido aproximado de vitaminas en
mg&'((g *base seca+ de algunos microorganismosempleados como fuente de SC$.
En la +CP, las vitaminas presentes son primordialAmente
del comple0o &" %a vitamina &49 se encuentra
primordialmente en bacterias, mientras ue la vitamina
se encuentra generalmente en algas" %a +CP suele
encontrarse signicativamente desAprovista de colesterol
y grasas" sí mismo, la +CP en su forma íntegra podría
cumplir funciones similares a la bra dietética
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contribuyendo a ba0ar la incidencia de la diabetes y la
arteriosclerosis (EJK9**B)" ctualmente se estudia el
papel de ciertos antígenos recticadores de la actividad
de los linfocitos > presentes en las +CP y ue son
promotores de una me0or respuesta inmune en las
enfermedades (EJK, 9**B)
%imitaciones nutricionales asociadas con los #cidos
nucleicos%a fracci!n m#s importante del nitr!geno no proteico de
la +CP, alrededor de un B* o 9* de la proAteína total,
se encuentra en forma de #cidos nucleicos altamente
polimeri$ados y de sus productos de descomposici!n
(Hsraelidis 9**B, 18 9**B)" El alto contenido de #cidos
nucleicos es normal y característico de toAdo organismo
ue presente altas tasas de crecimiento, como es el caso
de la proteína unicelular, y puede ser un serio
inconveniente si esta se piensa destinar para el consumo
de seres humanos (n!nimo 9**B)"l momento de
calcular una dieta mi.ta es muy importante no de0ar de
tomar en cuenta ue adem#s del contenido de #cidos
nucleicos (F) propios de la fuente de +CP, la matri$
donde se incluir# esta también puede tener F" Una
forma de controlar el contenido de #cidos nucleicos es no
mane0ando tasas de crecimiento demasiado aceleradas"
8tra forma es tratando la +CP de modo ue el contenido
de F ba0e por deba0o de 9 tal y como recomienda la
18" Con este n se aplican diferentes tratamientos ue
se describen m#s adelante en esta revisi!n"
I.K. IMPORTANCIA DE LA PROTEÍNA UNICELULAR.
El crecimiento de la poblaci!n, especialmente en las naciones
en vía de desarrollo, es abrumador" +e espera ue, para la
primera década del siglo SSH, la poblaci!n mundial alcance
entre cinco y seis billones de personas"
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Es muy probable ue la agricultura y ganadería
convencionales no sean capaces de suplir la demanda proteica
para esta poblaci!n emergente, proyect#ndose ue necesitar#
producir entre los a:os 45D*A9*46 una cantidad de productos
agrícolas igual a los generados a través de la historia antes de
este periodo"El problema no s!lo involucra a seres humanos, sino en
especial a sus animales" El animal puede presentar una
marcada escase$ futura, dado ue se necesitar# m#s ganado
para suplir la abrumadora demanda" dem#s, la adecuada
alimentaci!n animal es un ítem de elevado costo, algo muy
determinante en la producci!n" +olucionar el problema de la
alimentaci!n humana implica, en primer lugar, solucionar el
problema de las fuentes de proteína para alimentaci!n animal"
+e est# pues ante una demanda en constante incremento de
fuentes proteínicas de alto valor nutritivo, la cual empie$a ser
insuciente"%a biomasa puede ofrecer una gran alternativa para
reempla$ar algunas fuentes tradicionales de proteína (soya,harina de pescado, suero descremado de leche) en piensos
para el consumo animal, e incluso en porciones para humanos
después de ser tratada adecuadamente" Por ello, el desarrollo
e implementaci!n de técnicas de producci!n industrial de PUC
ayudaría a solventar el problema de la cada ve$ m#s limitada
disponibilidad e ingesta de proteína (Chac!n, 9**=)"
T#%# . $arámetros nutricionales de la $,C *S$C+.
1uente7 Jur#n (45D5)
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I.10. ?ENTAAS Y DES?ENTAAS DE PRODUCIR
PROTEÍNA UNICELULAR.
H"4*"4" ?ENTAAS
%os microorganismos se multiplican con rapide$" 3euerimientos de crecimiento f#ciles de
implementar, ue originan altas tasas de
crecimiento y alta productividad (University of
Hndiana, 9**B)" El tiempo de duplicaci!n puede ser
de *"B a 9 h para bacterias, 4AB h para levaduras,
9A h para algas y =A4= horas para hongos
lamentosos celul!ticos (18, 9**B) Poseen un alto contenido de proteína (66A*) y
hasta un 46 de #cidos nucleicos en base seca" Pueden utili$ar un gran n2mero de fuentes de
carbono diferentes" 1actibilidad de seleccionar o producir con facilidad
cepas con alta producci!n y buena composici!n" %as instalaciones de producci!n ocupan #reas
limitadas y dan producciones elevadas" %a
producci!n microbiana es independiente de
variaciones clim#ticas o estacionales, y por
consiguiente es m#s f#cil de planear"
I.10.2. DES?ENTAAS.
Fo obstante a las mencionadas venta0as, también se
presentan desventa0as inherentes a la producci!n de
PUC7 Por ra$ones culturales, muchas personas en
8ccidente recha$an la idea de emplear
microorganismos como fuente de alimento" (/oel,
455=) En varias ocasiones, la PUC no presenta las
características de olor, te.tura, color y sabor
necesarios para garanti$ar una buena aceptaci!n
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(Hsraelidis, 9**B)" %as algas suelen ser las m#s
problem#ticas respecto a color y sabor" Pueden presentarse en la PUC sustancias t!.icas o
carcinogénicas ue fuesen adsorbidas previamente
en los sustratos utili$ados como fuente de carbono,
importante para asegurar la seguridad y hasta la
pure$a del medio de cultivo (University of Hndiana,
9**B)" %a digesti!n lenta o nula de la pared celular en el
tracto digestivo del ser humano y otros animales,
especialmente en cuanto a las algas, puede ser
causa de indigesti!n y reacciones alérgicas
(University of Hndiana, 9**B)"
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II. PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS Y BEBIDAS FERMENTADAS
Desde hace miles de años los seres humanos han utilizado los hongos, bacterias y
enzimas para la producción de alimentos y bebidas fermentadas de gran importancia
alimenticia e incluso social y cultural, tales como la leche, quesos, vinos, panes,
cervezas y otros.
En la actualidad, la aplicación de la biotecnología ha producido un alto desarrollo en
este tema, sobre todo en alimentos y bebidas fermentados. Muchos de los
microorganismos utilizados se han meorado gen!ticamente y tambi!n se ha obtenido
una gran gama de enzimas recombinantes de gran utilidad para este sector" esto por
medio de la introducción de nuevos genes, o bien, a trav!s de la modificación de sus
funciones metabólicas.
#ales modificaciones son beneficiosas para la industria alimentaria, pues esto permitiría
utilizar microorganismos que se austan meor a los procesos tecnológicos, optimización
de los resultados, disminución de los tiempos de producción, o bien, se podría meorar
características organol!pticas de los productos elaborados.
MICROORGANISMOS
$e ha hecho uso de algunas bacterias y levaduras para la obtención de alimentos a
escala industrial %vino, cerveza, pan&, siendo esta una de las aplicaciones m's antiguas
de la biotecnología. En las (ltimas d!cadas, se ha llevado a cabo procesos de selección
de las meores cepas y se han desarrollado grandes industrias y economías con base en
ellas.
)a biotecnología microbiana provee los m!todos para manipular gen!ticamente a los
microorganismos cultivados a gran escala cuya meora de características da lugar a
nuevos productos microbianos.
$eg(n el *nstituto *nternacional de +iencias de la ida %*)$* Europa&, al año -/, no se
había aprobado el uso de microorganismos modificados gen!ticamente para su
utilización en productos alimentarios %Eemplo0 yogures y queso& en los cuales se
encontrarían como organismos viables. )a mayoría de estas cepas se inactivan durante
el proceso de producción del alimento y no suelen estar presentes como organismos
viables en el producto final. 1or eemplo, las cepas de levadura $accharomyces
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cerevisiae se utilizan tradicionalmente de una forma amplia en la producción de pan,
cervezas, vinos y sa2e.
$in embargo, desde el año 344 se aprobó en el 5eino 6nido el uso y el meoramiento
de las características de cepas usadas tanto en fermentación de bebidas como en la
producción de pan, favoreciendo la industria alimenticia. $e han modificado bacterias
l'cticas que portan genes de otros organismos, de forma que mediante su uso es posible
controlar, e incluso acortar, los tiempos de maduración de los quesos sin p!rdida de
calidad. En el caso de las levaduras, se han generado levaduras panaderas modificadas
gen!ticamente que incrementan el volumen y la vida (til del pan que producen, e
incluso algunas de ellas evitan problemas de salud laboral ligadas al uso de enzimas
durante la panificación.
En vinos se han construido levaduras vínicas modificadas gen!ticamente que al
fermentar rinden caldos con aroma m's afrutado, una característica organol!ptica
muy apreciada por el consumidor, o que incrementan la concentración de compuestos
como el resveratrol %polifenol&, supuestamente implicados en la meora de la circulación
sanguínea/.
7dem's del campo de los alimentos y bebidas fermentadas, e8iste una amplia categoría
en la industria alimentaria en que se utilizan los microorganismos o productos de ellos.