Aplicación de la biotecnología en la industria agroalimentaria

“La biotecnología no es una disciplina nueva sino que existe casi desde que existe el hombre”

“Flavr Savr”

BIOTECNOLOGIA

“La aplicación de organismos, sistemas y procesos biológicos en las industrias manufactureras y de servicios”

Areas de interés

BIOTECNOLOGIA

• CLASICA: Fermentaciones tradicionales(Pan, vino, cerveza, lácteos...)

• MODERNA: Tecnología del ADN recombinante y clonación de genes

ALIMENTOS OBTENIDOS POR NUEVAS TECNICAS BIOTECNOLOGICAS

Levadura panadera Reducción tiempo fermentaciónLevadura cervecera Producción cervezas “light”Levadura vínica Incremento aroma frutal del vinoTomate Mayor periodo de conservación

Tolerancia al fríoMaíz Mejora características nutricionalesPatata Menor contenido en azúcarCerdos Aumento peso, disminución grasa dorsalSalmón Resistencia al fríoTrucha Aumento de tamañoQuimosina Formación de cuajadas en queseríaKits diagnóstico Detección de patógenos en alimentosBiosensores Detección de compuesto en alimentos

Microorganismos involucrados y exigencias• Bacterias - Fácil manejo• Mohos - Baratos de cultivar• Levaduras - No patógenos

• Células animales y vegetales E. coliBacillus subtillisSaccharomyces cerevisiae

Ventajas• Facilidad de cultivo en masa• Velocidad de crecimiento• Bajo coste del medio de crecimiento (desechos agrícolas)• Diversidad de rutas metabólicas (diversidad de productos finales)• Manipulación genética

Cultivos y mejora

• Aislamiento selectivo de microorganismos y crecimiento en medios de laboratorio

• Cultivos del-los microorganismo-s en caldos de cultivo– Puros– Mixto

• Mejora– Programas de mutación y selección/rastreo (∆

Rtº α-amilasa producida por B. subtilis)– Técnicas de clonación de genes

CLONACION DE GENES

FASES

1. Preparación del gen2. Inserción en el vector3. Transformación de la

célula hospedadora4. Detección de genes

clonados5. Optimización de la

expresión de los genesclonados

ALIMENTOS TRADICIONALES ELABORADOS EN LOS QUE SE UTILIZA LA BIOTECNOLOGIA

Bebidas alcohólicas: vino, cervezaQuesoPanVinagreYoghurtFruta y productos vegetales• Conservas (encurtidos en vinagre)• Salsa de soja• Chucrut (col fermentada)Derivados por fermentación• Enzimas• Sabores• AditivosSuplementos dietéticos• Aminoácidos• Vitaminas

FERMENTACION ALCOHOLICA

∼96% de la fermentación del etanol se realiza con cepas de:

Saccharomyces cerevisiaeSaccharomyces uvarum

GLUCOSA + 2ADP→2 ETANOL + 2CO2 + 2ATP + 2H2ORtº 1 g 0,51 g 0,49 g

FERMENTACION ALCOHOLICA

Substratos

Azúcar proveniente de caña azúcar o remolachaUva (vino)Cebada (cerveza)Trigo y en general cereales (pan)Almidones (patata, arroz,...)Subproductos industria alimentaria, suero de lechería(lactosa) y papelera.

LEVADURAS TRANSGENICAS

Ventaja ecológica (toxina killer)Mejora de la filtraciónInhibición de bacterias alterantesAumento o disminución de la acidez del vinoIncremento del aromaIncremento del glicerolAumento de resveratrol

AROMA DEL VINO

UVA PROCESO ENVEJECIMIENTO

ESTERES

TERPENOS AROMA AFRUTADO

ALCOHOLESSUPERIORES

Terpenos unidos (sin aroma)G A

Terpenos libres (aroma)

MEZCLAS ENZIMATICAS COMERCIALES

ENZIMAS

• Ramnosidasas• α-L-Arabinofuranosidasas• β-Glucosidasas• Xilanasas• β-Xilosidasas

CARACTERISTICAS

• Faltas de especificidad• Actividades contaminantes• Poco repetitivas lote a lote• Poco activas en vinificación

Legislación vigente: sólo pectinasas para el proceso de clarificación

CONSTRUCCION DE LEVADURAS VINICAS TRANSGENICAS

Aspergillus niger ABF

Candida molischiana BGL

G A G G++

ATerpenosunidos Terpenos

libres

CERVEZA. DESCRIPCION DEL PROCESO

Fermentación• Principal

•Baja (4-8ºC→10ºC ↓ 4-5ºC; 8-20 días)•Alta (13-15ºC en 3-4 días)

• Secundaria o de “atenuación”

•Baja (2-3ºC, 6-10 semanas)•Alta (8-15ºC, 1-2 semanas)

PRODUCCION DE CERVEZA

Introducción de un gen que codifica la β-glucanasa(Producción de cerveza libre de β-glucanos)Introducción de un gen que codifica la α-glucoamilasa(Disminución del contenido calórico de la cerveza)Introducción de un gen que codifica una descarboxilasa(Disminución del sabor dulce de la cerveza) Inactivación del gen MET incrementado la producciónde sulfitos (Incremento y estabilidad de los sabores y aromas de la cerveza durante el almacenamiento)

HIDROLISIS DEL ALMIDON

Almidón

Amilasas

alfa beta

Dextrina Maltosaα-amilasa

Maltasa

Glucosa

Zimasaβ-amilasa

CO2+ ALCOHOL

CERVEZA DE USO CIENTIFICO

Glucoamilasa

SaccharomycesdiastaticusS. cerevesiae S. cerevesiae

transformado

• Incremento del rendimiento de alcohol

• Cerveza de alta graduación (fuerte)

• Cerveza dietética con bajo contenidoen carbohidratos

• No se necesita añadir enzimas duranteel proceso

Cerveza light “Nutfield Lyte”Brewing Research Foundation

International (UK). 1994.(No se comercializa. De uso científico)

PRODUCCION DE ENZIMAS

Distribución de los enzimas industriales

Proteasas Carbohidrasas Lipasas Otros59% 28% 3% 10%

Alcalinas 28% α-Amilasas 13% Analíticas(detergentes)

Neutras 12% Isomerasas 6% FarmacéuticasAcidas 10% β-Amilasas 5% Desarrollo(cuajos)

Alcalinas 6% Pectinasas 3%(otras)

Tripsinas 3% Celulasas 0.5%Acidas 3% Lactasa 0.5%(otras)

PRODUCCION DE ENZIMAS

1. FUENTES1. Animales (tripsina, lipasas, cuajos)2. Vegetales (papaína, bromelaína, ficina, amilasas,

lipooxigenas soja, enzimas cítricos)3. Microbianas (resto)

2. VENTAJAS ENZIMAS MICROBIANOS1. Económicas (producción a gran escala)2. Técnicas

1. Gran variedad de vías metabólica2. Crecen en un ámplio intervalo de condiciones ambientales3. Gran flexibilidad genética y facilidad de manipulación4. Corto tiempo de generación

PRODUCCION DE ENZIMASPreparaciones enzimáticas procedentes de microorganismos modificados

genéticamente aprobados en la UEEnzima Fuente Uso

α-Amilasa Bacillus subtilis conteniendo el gen de B. stearothermophilus

Licua el almidón y lo convierte en dextrina antes de la adición de amiloglucosidasas en la producción de jarabes; cervecería, favorece la retención de humedaden productos de bollería

Quimosina B Kluyveromyces lactisconteniendo el gen del ternero

Coagulación enzimática. Producción de queso

Pectinesterasa Aspergillus oryzae conteniendoel gen de A. aculeatus

Facilita clarificación y filtraciónde zumos de frutas y vinos

Glucosa oxidasaCatalasa

A. niger conteniendo el gen de Aspergillus spp

Elimina azúcares de los huevosevitando pardeamiento no enzimático y aparición de aromas anormales durante y tras la deshidratación

Lipasa A. oryzae conteniendo el gen de Rhizomucor

Hidrólisis de lípidos (ej. concen-trados de aceite de pescado)

Glucosa isomerasa Streptomyces lividensconteniendo el gen de Actinoplanes

Obtención a partir de la glucosade jarabes ricos en fructosa

PRODUCCION DE ENZIMAS

QUIMOSINA GMOs

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

“Explotación biotecnológica de las plantas superiores que se centra en las técnicas de cultivo de tejidos vegetales para la producción de metabolitos secundarios a partir de cultivos en masa y la utilización de técnicas de ADN recombinante para modificación genética de plantas, en particular en cultivos agrícolas”

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

Industria Producto Planta Uso industrial

Alimentos yBebidas

Agroquímica

Farmacéutica

Cosmética

Quinina (alcaloide)Taumatina

Piretrina

Codeína (alcaloide)Quinina (alcaloide)Digoxina (glicósidocardíaco)

Jazmín

Cinchona ledgerianaThaumatococcus danielli

Crysanthemum cineraviaefolium

Papaver somniferumCinchona ledgerianaDigitalis lanata

Jasminium sp.

Agente amarganteEdulcorante no nutritivo

Insecticida

AnalgésicoAntimaláricoCardiotónico

Perfume

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

¿Cómo se modifica genéticamenteun vegetal?

• Microinyección de ADN• Bombardeo o Cañón de genes• Protoplastos• Agrobacterium• Otros

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

Hibridación somática

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

Resistencia de las plantas a plagas y enfermedadesResistencia de las plantas a los herbicidas (soja tolerante al herbicida glifosato “Roundup Ready”)Desarrollo de plantas que soporten condiciones másextremas (sequía, heladas y salinidad)Desarrollo de alimentos de mayor calidadIncremento de productividad (mayor eficienciafotosintética, fijación de nitrógeno)

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

Producto/Alimento Acción/AplicaciónManzanas Resitencia a los insectosPlátanos Control integrado contra plagas de virus, hongos y nematodosBrécol Maduración más lenta para que se conserven frescos más

tiempoApio/Zanahoria Retención de sus consistencia crujienteCafé Mejor sabor, mayores producciones y menos cafeínaMaíz Resitencia a los insectos. Bajo contenido en saturadosUva Nuevas variedades sin semillasLechuga Menor tamaño y resistencia a los insectos. Baja NO2

-

Patata Resistencia a varias enfermedades. Alto almidónFresas Resistencia a las heladas. Agente natural anticancerígenoGirasol Contenido menor de ácidos grasos saturadosTomates Mejora sabor y color. Retardamiento del reblandecimientoTrigo Resistencia a los herbicidas

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

Incremento en el área cultivada de cultivos GMO en América del Norte

1,6

12,5

37,5

66

0

10

20

30

40

50

60

70

1996 1997 2000 2005

Area (mill. Ha)

CalgeneMayo 1994 FDA

para USATomates GMO (“Flavr Savr”)

ADN

ARNm

POLIGALACTURONASA AblandamientoSenescencia

“GEN ANTISENTIDO”

PECTINA

ADNoriginal ADNantisentido

complementarioARNm ARNm

Tomates con < 1% poligalacturonasa

EL 5 FEBRERO DE 1996 LOS SUPERMERCADOS “SAFEWAY” Y “SAINSBURY’S” COMERCIALIZAN EN

UK PURE DE TOMATE GMO

SOJA Y MAIZ TRANSGÉNICOS

Soja resistente al herbicida GLIFOSATOSoja que contiene un gen bacteriano que codifica el enzima 5-enolpiruvil-shikimato-3-fosfato sintetasa

El enzima participa en la síntesis de los aminoácidosaromáticos, y el nativo vegetal es inhibido por el

glifosato, no así el bacteriano

SOJA “Roundup Ready”Maíz resistente al ataque de insectos (taladro)

Contiene un gen que codifica una proteína de Bacillusthuringiensis con acción insecticida al ser capaz de unirse

a receptores específicos del tubo digestivo de determinados insectos interfiriendo en el proceso de

alimentación y causando la muerteLa toxina no tiene efecto sobre los humanos

BIOTECNOLOGIA ANIMAL

Posibilidades1. Cultivo de células animales (vacunas)2. Síntesis de productos específicos como los anticuerpos

monoclonales3. Animales transgénicos

Introducción de ADN exógeno en ovocitos• Microinyección de ADN• Retrovirus• Ovulo + Esperma + ADN

BIOTECNOLOGIA ANIMAL

ANIMALES TRANSGENICOSAnimales con múltiples copias de la hormona de crecimiento (cerdos, salmón, carpas,...)Cerdos con baja grasa dorsal y alta eficacia de transformación de alimentosAves resistentes a diferentes bacterias y virusRumiantes (vaca, oveja, cabra) con composiciónde leche alterada

BIOTECNOLOGIA ANIMAL

Propuestas de modificación de los constituyentes de la leche

Incrementar αs- y β-CN Mejora de la dureza de la cuajada en la fabricacióndel queso, estabilidad térmica y contenido en calcio

Incremento fosforilación CN Incremento del contenido en calcio y de las propiedades de emulsión

Introducción puntos de corte en CN Madurado acelerado del quesoIncremento κ-CN Mejora estabilidad de los agregados de CN, tamaño

menor de micela de caseína, y mejora de los tiemposde gelación y coagulación

Eliminación β-Lg Mejora de digestibilidad, descenso de la respuestaalergénica

Adición de lactoferrina humana Mejora de la absorción de Fe y protección haciainfecciones diversas

Expresión genes Igs Protección hacia patógenos como Salmonella y Listeria

Reemplazar los genes de las Leche maternizadaproteínas lácteas con los equivalenteshumanos

PERCEPCION PUBLICA DE LA BIOTECNOLOGIA

BIOTECNOLOGIA

ACTIVA PASIVA

Cuestionada Aceptada

PERCEPCION PUBLICA DE LA BIOTECNOLOGIA

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Drogas para curar humanos

Hormonas como la insulina

Producción a menor coste

Plantas/resistencia pesticidas

Producción/mejor sabor

Hormona/menos grasa

Hormona/más leche

Hormona/más carne

Lo apruevan fuertemente Lo apruevan medianamente

Lo desapruevan medianamente Lo desapruevan fuertemente

No sabe