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Potencialidad de las algas en la Industria Agroalimentaria

10 Diciembre 2018

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Índice

1. Contexto actual para la innovación en nuevos ingredientes

2. Pasos claves para el desarrollo de nuevos ingredientes

3. CASO PRÁCTICO: Algas pardas como ingrediente alimentario

innovador.

4. Biotecnología Industrial

5. CASO PRÁCTICO: Microalgas autotróficas

6. CASO PRÁCTICO: Microalgas heterotróficas

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Contexto actual para la innovación en nuevos ingredientes

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Contexto actual para la innovación en nuevos ingredientes

Retos actuales para la Industria : dar respuesta a las necesidades globales

principalmente en lo referente a SALUD, HEDONISMO y a conservación del MEDIO

AMBIENTE.

RETO 1:

SALUD

RETO 2:

MEDIO AMBIENTERETO 3:

HEDONISMO

INGREDIENTES

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SALUD

▪ Demanda de productosmás naturales

o Eliminación de nº E(conservantes, antioxidantes,colorantes, etc.)

▪ Reducción delcontenido de azúcaren los alimentos

o Fuentes de EdulcorantesNaturales

▪ Auge de nuevasdietas (vegetarianos,veganos…)

o Obtención de nuevasproteínas vegetales

Contexto actual para la innovación en nuevos ingredientes

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MEDIO AMBIENTE

▪ Aprovechamientos desubproductos

o Obtención de ingredientesde valor

▪ Búsqueda de nuevasfuentes másecoeficientes

o Algas / Microalgas / Insectos

HEDONISMOSALUD ~ NATURAL HEDONISMO

o Nuevos agentes detextura, aromas, etc.

Contexto actual para la innovación en nuevos ingredientes

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Pasos clave para el desarrollo de nuevos ingredientes

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IDENTIFICACIÓN

Y SELECCIÓN

• Fuentes

potenciales.

• Identificaciónde principiosactivos.

• Prospectiva demercado.

• Encuadrecientífico –técnico ylegislativo.

MÉTODOS DE

OBTENCIÓN

• Extracción con

FSC.

• Extracción

sólido-líquido.

• Procesos

biotecnológi-

cos.

ADECUACIÓN

• Técnicas de

microencapsula

-ción.

• Estabilización

mediante

alternativas de

deshidratación.

• Texturización

mediante

extrusión.

• Purificación.

CARACTERIZACIÓN FUNCIONALIDAD

IN VITRO

VALIDACIÓN EN

ALIMENTO

• Caracterización

físico-química.

• Caracterización

sensorial.

• Funcionalidad

tecnológica:

capacidad

gelificante,

emulsionante,

de retención de

agua.

• Propiedades

antimicrobianas.

• Bioaccesibiliad.

• Bioactividad.

• Biodisponibilidad

• Incorporación

en matriz

alimentaria.

• Caracterización

química y

nutricional.

• Caracterización

organoléptica.

• Interacción

ingrediente con

matriz.

• Funcionalidad

dentro de la

matriz.

Pasos clave para el desarrollo de nuevos ingredientes

ESCALADO INDUSTRIAL:

Formulación +Equipamiento

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MACROALGAS: Estudio de algas pardas como ingrediente alimentario innovador

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MACROALGAS: ESTUDIO DE ALGAS PARDAS COMO INGREDIENTE ALIMENTARIO INNOVADOR

CASO PRÁCTICO: A partir de dos especias de algas pardas (Saccharina latissima y Alariaesculenta) se plantea desarrollar tecnologías de procesado y adecuación con el fin de optimizar lacalidad nutricional y las propiedades sensoriales de las algas marinas y, de ese modo, ampliar suuso como ingrediente alimentario.

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MACROALGAS: ESTUDIO DE ALGAS PARDAS COMO INGREDIENTE ALIMENTARIO INNOVADOR

• Desde el punto de vista nutricional, las algas son bajas en calorías, presentanconcentración destaca en proteínas, Fibra dietética, minerales y vitaminas. Las algaspardas contienen niveles en proteína entorno a 3% - 15%. Y en cuanto a niveles deaminoácidos esenciales entre el 22 y el 44% del total. Las algas pardas contienen los mayoresvalores de fibra dietética total e insoluble, frente a las rojas y las verdes

• Son además fuente natural de yodo. Según la OMS el aporte de yodo al día no debe sersuperior a 120 microgramos.

•Las algas también contienen polifenoles, compuestos bioactivos con alta capacidadantioxidante. Las algas pardas contienen concentraciones más altas de polifenoles que algasrojas y verdes. Existe gran interés científico por las propiedades de los polifenoles en laprevención de enfermedades relacionadas con el envejecimiento, enfermedadescardiovasculares y cáncer.

La calidad nutritiva de algas marinas junto al alto contenido de compuestos bioactivos conefecto saludable, son dos razones importantes para aumentar su consumo. Además, lasalgas poseen propiedades tecnológicas lo que permite su incorporación en alimentos,manteniendo o mejorando su calidad sensorial, nutritiva y saludable.

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PROCESOS TERMOMECÁNICOS:. Se evalúa la aplicación de procesos termomecánicos dirigidosa reducir el contenido en sal, yodo, metales pesados o otros potenciales compuestosantinutrientes.

PROCESOS ENZIMÁTICOS: Dirigidos a mejorar la digestibilidad y biodisponibilidad proteicamediante hidrólisis enzimática de las paredes celulares y estructura de los polisacáridos, así comoreducir el contenido en antinutrientes.

PROCESOS DE FERMENTACIÓN: Aplicación de procesos fermentativos capaces de conferir a labiomasa nuevos aromas y texturas. Un segundo objetivo planteado con la aplicación de dichosprocesos es actuar como método de conservación en sí mismo, así como generar compuestossimbióticos de interés.

MACROALGAS: ESTUDIO DE ALGAS PARDAS COMO INGREDIENTE ALIMENTARIO INNOVADOR

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A partir de los ingredientes de base algal obtenidos, se plantea una caracterización de los mismos quepermita validar analíticamente las mejoras alcanzadas.

Dentro de dicha caracterización también se contempla una caracterización física que permita precedirsu comportamiento tras la incorporación en una matriz alimentaria: WHC (Capacidad de retención deagua)/ OHC (Capacidad de retención de aceite)/ SC (Capacidad de hinchamiento)/ Capacidadgelificante/ Solubilidad/ Densidad/ Distribución del tamaño de partícula/ Color/ Etc.

Esta información nos permite comprender cómo los procesos aplicados a las algas afectarántambién el comportamiento físico durante su incorporación a los productos alimenticios.

Saccharina Air dried y Freeze dried (1 y 2) y Alaria Freeze dried.

MACROALGAS: ESTUDIO DE ALGAS PARDAS COMO INGREDIENTE ALIMENTARIO INNOVADOR

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Puesta a punto de metodología analítica específica

MACROALGAS: ESTUDIO DE ALGAS PARDAS COMO INGREDIENTE ALIMENTARIO INNOVADOR

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MACROALGAS: ESTUDIO DE ALGAS PARDAS COMO INGREDIENTE ALIMENTARIO INNOVADOR

Antes del tratamiento HPP

Tras del tratamiento HPP

PRODUCTOS VEGETALES PRODUCTOS PANADERÍA

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Métodos in vitro para la validación funcional de ingredientes

Sistema integrado Digestores Dinámicos in vitro/cultivo celular

+

Digestor Dinámico in vitro

Destor in vitro de Fermentación Colónica

Modulación de la microbiota Intestinal

BioaccesibilidadBiodisponibilidad/ Funcionalidad

(órgano diana)

MACROALGAS: ESTUDIO DE ALGAS PARDAS COMO INGREDIENTE ALIMENTARIO INNOVADOR

Reproduce las condiciones

naturales del tracto

gastrointestinal humano

(estómago e intestino

delgado) y sus características

principales

Fermentación por acción de la

microbiota intestinal que tiene lugar

en el intestino grueso (colon

ascendente, transversal y

descendente)

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Biotecnología Industrial:

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La Biotecnología Industrial integra un conjunto de técnicas que emplean enzimasy microorganismos para obtener productos en los sectores químico, agrícola,alimentación humana, alimentación animal y cosmética.

Desde el Departamento de Bioensayos de AINIA, la I+D+i que se realiza en el áreade se centra en el diseño, optimización e implementación de procesos de basebiológica, aunando el Know How existente en las áreas de microbiología,biotecnología, ingeniería de procesos y diseño de equipos y siempre orientando losprocesos desde el inicio a buscar la mayor viabilidad industrial.

Bioproducción: Producción de Microorganismos con distintasfuncionalidades, starters industriales y probióticos.

Biosíntesis: Síntesis de compuestos de alto valor añadido a partir demicroorganismos seleccionados.

Biocatálisis: Transformaciones biológicas de productos mediante el empleoEnzimas y de Microorganismos seleccionados.

> Biotecnología Industrial

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BIOPRODUCCIÓN BIOSINTESIS BIOCATÁLISIS

✓Levaduras vínicas,

cerveceras, panaderas.

✓ Bacterias ácido-

lácticas: probióticos.

✓Cultivos iniciadores

para alimentos cárnico-

curados, encurtidos,

industria lácteas:

Starters.

✓Microorganismos de

aplicación en agricultura:

biocontrol,

bioestimulantes del

crecimiento,

antagonistas.

✓ Aminoácidos potenciadores

del sabor (glutámico,

aspártico) y antioxidantes

(triptófano, histidina).

✓ Antibióticos y péptidos

antimicrobianos

(bacteriocinas).

✓ Ácidos grasos

poliinsaturados (EPA,

Omega-3, DHA, etc.)

✓ Pigmentos naturales

(β-caroteno, Astaxantina)

✓ Producción de enzimas

(Proteasas, amilasas,

quitinasas endolisinas)

✓ Producción de hidrolizados

de proteínas ricos en

aminoácidos libres y

péptidos bioactivos.

✓ Hidrolisis de hidratos de

carbono no solubles

(Celulosas y

hemicelulosas) para

obtención de azucares

fermentables (azúcares de

segunda generación).

✓ Síntesis enzimática de

oligosacáridos.

> Biotecnología Industrial – Aplicaciones

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BIOPRODUCCIÓN BIOSINTESIS BIOCATÁLISIS

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0,8

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L04-1

L04-2

L04-3

L06-1

L06-2

L06-3

L08-2

L08-3

L10-1

L10-2

L10-3

Starters y probióticos

Bioestimulantes y Biocontrol

Pigmentos Producción de enzimas

Hidrólisis enzimáticas

Bioplásticos

PUFAs

> Biotecnología Industrial – Aplicaciones

Bacteriófagos

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

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0,900

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0

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0

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0

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:00

27

:00

t (hh:mm)

O.D

.

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Microorganismo

•Aislamiento de Microorganismos

•Evaluación de Funcionalidad: Screening y selección

• Ingeniería Genética: Diseño de Microorganismos Superproductores

•Cell Factories: Modificación de Organismos Eucariotas

Bioproceso

•Escala de Laboratorio: Variables Intensivas

•Optimización y Escalado: Variables Extensivas y productividad

Downstream

•Separación física

•Purificación de metabolitos

Estabilización

•Liofilización

•Microencapsulación

Via

bil

idad

técn

ico

-eco

nó

mic

a

>Esquema general: Desarrollo de Principios Activos

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Caso Práctico: Microalgas autotróficas

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Refuerzo del sistema inmune mediante compuestosinmunoestimulantes a partir de microalgas

Selección y adecuación de microalgas para alimentación

Desarrollo de proceso productivo

Procesado de cultivos de microalgas:

Extracción Microencapsulación

Evaluación in vitro de la bioactividad:

Selección de fracciones

inmunoestimulantes

Incorporación en matrices alimentarias

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Refuerzo del sistema inmune mediante compuestosinmunoestimulantes a partir de microalgas

Objective: Achieve the bioproduction of microalgae and evaluate of bioactivity of compounds, with inmuno-stimulating activity, suitable for food fortification and the development of new food formats of specific functionality of strengthening the immune system.

Methodology: Development of process technologies of bioproduction and cultivation of the microalgae. Recovery compounds with potential functionalities. Microencapsulation of the compounds. Identification of the bioactivity of fractions through the evaluation of the inmunoestimulant properties. Assessment of the bioavailability of the cells and the microcapsules through an automated Digestion Simulator. Design of food prototypes to evaluate the implementation in real product.

Funding: Spanish Ministry of Industry, Energy and Tourism (MINETUR),

Consortium: Coordinated by AINIA, with 3 other RTD

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Refuerzo del sistema inmune mediante compuestosinmunoestimulantes a partir de microalgas

1.

AC

TU

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2. SELECCIÓN, ADQUISICIÓN Y MANTENIMIENTO DE MICROALGAS APLICABLES A ALIMENTACIÓN HUMANA

3. DESARROLLO DEL PROCESO PRODUCTIVO DE LAS MICROALGAS

4. EXTRACCIÓN MEDIANTE TECNOLOGÍAS GRAS DE POLISACÁRIDOS

6. MICROENCAPSULACIÓN5. EVALUACIÓN DE LA

BIOACTIVIDAD

7. INCORPORACIÓN EN MATRICES ALIMENTARIAS

8.

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Refuerzo del sistema inmune mediante compuestosinmunoestimulantes a partir de microalgas

Selección y adecuación de microalgas para alimentación

Desarrollo de proceso productivo

Procesado de cultivos de microalgas:

Extracción Microencapsulación

Evaluación in vitro de la bioactividad:

Selección de fracciones

inmunoestimulantes

Incorporación en matrices alimentarias

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Refuerzo del sistema inmune mediante compuestosinmunoestimulantes a partir de microalgas

Microalgas seleccionadas: género Chlorella y Spirulina.

- Ricas en compuestos con capacidad inmunoestimulante

- Usadas como suplementos alimentarios en la actualidad

- No interfieren mucho en el aroma a dosis reducidas

- Catalogadas por la FDA como GRAS

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Refuerzo del sistema inmune mediante compuestosinmunoestimulantes a partir de microalgas

• Ajuste de condiciones a pequeña escala

(nutrientes, pH, luz, T, agitación)

• Definición de metodologías y parámetros de seguimiento

• Desarrollo en biorreactor

• Caracterización

• Producción de cantidades requeridas

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Refuerzo del sistema inmune mediante compuestosinmunoestimulantes a partir de microalgas

Ensayos citotoxicidad

Ensayos capacidad inmunoestimulante (“screening” de potencial actividad)

- Biomasa sin tratamiento

- Biomasa con tratamientos downstream

- Caldo de fermentación

Identificación y selección biomasa y caldo de cultivo

(y condiciones de cultivo)

Estudio de resistencia gastrointestinal

Evaluación % actividad de NFkb

Mejores resultados:

Chlorella vulgaris

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Refuerzo del sistema inmune mediante compuestosinmunoestimulantes a partir de microalgas

El tratamiento gástrico intestinal afecta de forma distinta en función de la especie demicroalga y del tipo de muestra (biomasa / sobrenadante), disminuyendo en todos loscasos la bioactividad

Selección: Chlorella vulgaris

Digestor dinámico in vitro para simular lascondiciones de la digestión:

Estómago + Intestino delgado

Se plantea el estudio de la microencapsulación como alternativa para la disminución de lapérdida de bioactividad

• Simulación movimientos peristálticos

• Curvas ajuste pH

• Cinéticas regulables de paso y de adición

enzimas

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Refuerzo del sistema inmune mediante compuestosinmunoestimulantes a partir de microalgas

2 estrategias de proceso

a) Atomización directa de Chlorella vulgaris

Pared celular dura, rica en celulosa

b) Atomización de Chlorella vulgaris + recubrimiento adicional

Materiales empleados para recubrimiento de microorganismos

➢Alginato: polímero natural. Rápida gelificación.

➢Chitosan: obtenido a partir de quinina (exoesqueleto crustáceos).Económico

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Refuerzo del sistema inmune mediante compuestosinmunoestimulantes a partir de microalgas

Evaluación potencial estimulación sistema inmune

Mejores resultados en encapsulados con alginato y deshidrataciónpor atomización sin adición de encapsulante adicional

Concentración aplicada % (vol/vol)

muestramaterial

recubrimiento T aire IN (K) fracción 50% 20% 2% 1% 0,10%

Nivel basal celular CELS - -

Control positivo de inmunoestimulación CEL + LPS ++ ++

c. vulgaris chitosan 383 dializado ++ + n.d n.d n.d

c. vulgaris chitosan 383 dializado ++ + n.d n.d n.d

c. vulgaris alginato 383 dializado n.d ++ - - -

c. vulgaris alginato 383 dializado TX - - n.d n.d

c. vulgaris no 433 dializado n.d n.d n.d n.d

c. vulgaris chitosan 423 dializado ++ + n.d n.d n.d

c. vulgaris alginato 423 dializado - ++ + n.d n.d

c. vulgaris no 473 dializado - ++ + n.d n.d

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Refuerzo del sistema inmune mediante compuestosinmunoestimulantes a partir de microalgas

Generación de Prototipos y reevaluación de capacidadinmunoestimulante

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Caso Práctico: Microalgas heterotróficas

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Producción de PUFA’s mediante microalgas heterotrofas

Objetivo: Definición del proceso de biosíntesis de PUFA’s a partir de cepas de microalgas heterótrofas

Metodología: Desarrollo del proceso de biosíntesis empleando medios de cultivo de bajo coste (melazas) . Integración de los procesos, balances de materia, cálculo de rendimientos y escalado.

Financiación: Privada

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Production of PUFA’s through heterotrophic microalgae

FASE I

•Pre-selección de cepas

•Evaluación crecimiento en medio de referencia

FASE II

•Optimización del medio de cultivo - > Sustratos de bajo coste

•Definición del proceso de biosíntesis PUFA’s: Variables intensivas

FASE III•Definición del proceso de biosíntesis: Pruebas en biorreactor 200L

FASE IV•Producción de muestras para caracterización

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Production of PUFA’s through heterotrophic microalgae

FASE I

•Pre-selección de cepas

•Evaluación en medio sintético

Selección de tres posibles cepas productoras de PUFA’s: Dos procedentesde Colecciones de Cultivo Tipo Internacionales y dos aislados salvajes

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Áreas de Trabajo

Definición de bioprocesos

•Cinéticas de Crecimiento

•Selección y optimización de variables intensivas (medios de cultivo, temperatura, factor de inoculación)

•Selección de medio de cultivo de bajo coste

•Mejora resistencia a post-procesos (termorresistencia, esporulación)

•Definición de operaciones básicas de proceso (Upstream y Downstream)

•Puesta punto de sistemas de control de proceso

Production of PUFA’s through heterotrophic microalgae

FASE II

Optimización del medio de cultivo - > Sustratos de bajo costeDefinición del proceso de biosíntesis PUFA’s: Variables intensivas

Optimización del medio mediante SRM

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Optimización y escalado de bioprocesos

•Selección y optimización de variables extensivas (agitación, aeración)

•Sistemas de producción en batch, en fed-batch

•Monitorización de cultivos por métodos directos (turbidez, densidad óptica) e indirectos (pH, pO2)

•Balances de Materia y de energía.

•Modelización y escalado y predición de condiciones para producción a escala de 2000 litros

•Estudios de viabilidad técnica y económica

> Biotecnología Industrial – FASE II: El Bioproceso

FASE IIIDefinición del proceso de biosíntesis: Pruebas en biorreactor 200L

FASE IVProducción de muestras para caracterización

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Gracias por su atención