producción de proteínas unicelulares (puc)

7/23/2019 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



+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



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,



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"



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.



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"



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



%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



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



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



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



(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)"



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



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



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



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



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



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.



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



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



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"



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$.



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



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



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



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"



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)



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



(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)"



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



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.

producción de proteínas unicelulares (puc)

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