Grupo de Biopolímeros y Biofuncionales

Los biopolímeros, compuestos que mejoran la salud

Olga Cobos de Rangel 1 ,4, Gustavo Buitrago 2, 4, Sonia Ospina 3, 4

1 Nut., M. Sc., Departamento de Nutrición, Facultad de Medicina, Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, Colombia. opcobosr@unal.edu.co.

2 Ing. Quim., M. Sc., Instituto de Biotecnología (IBUN), Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, Colombia. gbuitragoh@unal.edu.co.

3 QF, Ph. D., Departamento de Farmacia, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, Colombia. saospinas@unal.edu.co.

4 Grupo en Colciencias:

http://scienti.colciencias.gov.co:8080/gruplac/jsp/visualiza/visualizagr.jsp?nro=00000000008312

Un biopolímero se puede definir como un compuesto de alto peso molecular, conformado por unidades repetitivas (monómeros). Entre los biopolímeros de interés por sus amplios campos de aplicación, se encuentran aquellos producidos a partir de azúcar, los cuales son muy variados y tienen diferentes tamaños; desde bajo hasta alto peso molecular. Para el grupo de investigación son de interés los que pueden formar parte de la fibra dietaria, los cuales, por sus características, no son aportantes calóricos y producen efectos benéficos sobre el índice glucémico y el perfil lipídico de quienes los consumen.

Por ello, el principal objetivo es producir estos biopolímeros para poder utilizarlos en productos que formen parte de una alimentación saludable. Pero la aplicación no solo se queda ahí, también pueden formar parte del recubrimiento del producto y se pueden usar para producir los llamados empaques comestibles, cumpliendo varias funciones en los alimentos. Por ejemplo, en barras de fruta, además de incrementar el contenido de fibra, el biopolímero favorece la consistencia de la barra, evitando que esta se adhiera a su empaque secundario.

Estos compuestos pueden ser producidos por microorganismos, razón por la cual se han realizado procesos de bioprospección para la búsqueda y selección de cepas, y, adicionalmente, el estudio de las moléculas encargadas de esta producción: las enzimas y las proteínas encargadas de su síntesis. Con esta mirada se conformó el Grupo de Biopolímeros y Biofuncionales, que está integrado por profesores y estudiantes de diferentes disciplinas, entre los que figuran la profesora Olga Cobos, con maestría en Ciencia de Alimentos, nutricionista con experiencia en el desarrollo de productos alimenticios; el profesor Gustavo Buitrago, con maestría en Ingeniería Química, ingeniero químico con más de 20 años de experiencia en tecnología de fermentaciones microbianas, y Sonia Ospina, con doctorado en Biotecnología, química farmacéutica con experiencia en tecnología de enzimas.

Inicialmente, se abordó el problema de buscar microorganismos productores de biopolímeros, para lo cual se realizó el aislamiento e identificación de microorganismos con esas características. Como producto de este trabajo se encontró una cepa muy interesante, que producía un biopolímero del tipo dextrano a partir de azúcar de caña. Se comenzó el estudio de este microorganismo y la producción de la enzima, así como su uso para la elaboración del polímero, y el desarrollo de productos alimenticios en los que fuera posible la inclusión del compuesto (figura 1).

Paralelamente, se desarrolló el proceso de fermentación y la reacción enzimática, se estudió la producción y purificación de la enzima y, junto con la empresa colombiana Procaps, se realizó el escalamiento del proceso hasta planta piloto, es decir, en reactores hasta de 2500 litros. Esta investigación fue liderada por el ingeniero Gustavo Buitrago, quien coordinó todo el proyecto, y Yhon Flórez, estudiante del doctorado en Biotecnología y quien estuvo en la puesta en marcha de la planta piloto (figura 2).

En la línea de tecnología de enzimas se desarrolló un proceso para la purificación y caracterización de la enzima, así como la optimización del proceso de fermentación para su producción. Por otro lado, en alianza con la empresa Procaps se evaluó la posibilidad de utilizar el biopolímero en la producción de cápsulas diferentes a las de gelatina, a fin de ser empleadas en la industria farmacéutica; para esto, se desarrolló un proceso para producir láminas que lo contenían (Vogelsang, Perilla, Buitrago, & Algecira, 2014). En esta parte de la investigación también participaron estudiantes de la maestría en Ingeniería Química.

Posteriormente, el ingeniero Buitrago realizó contactos con profesores de diseño industrial y realizó varios proyectos con el objeto de ampliar el campo de aplicación del polímero y emplear el biopolímero en la obtención de diferentes formas de empaques comestibles (Moncayo, Buitrago, & Algecira, 2013). Asimismo, realizó varios estudios utilizando el biopolímero para recubrir barras de fruta, las cuales a la vez que mejoraban sus características físicas, incrementaban el contenido de fibra, mejorando su calidad nutricional. También se utilizó el biopolímero en el recubrimiento de frutas frescas, obteniendo un incremento en el tiempo de vida útil y conservando los atributos físicos de fresa, uchuva y mora. En la ejecución de estos proyectos participaron estudiantes de la maestría en Alimentos y de Diseño Industrial y varias empresas colombianas.

De otro lado, la profesora Olga Cobos desarrolló varios proyectos para incluir el biopolímero en productos alimenticios y convertirlos en una buena fuente de fibra soluble. Pero no solo había que desarrollar los productos, sino demostrar que tienen efecto benéfico sobre fermentación colónica (figura 3), constatando la producción de ácidos grasos, butírico, acético y propiónico, en distintas proporciones y sobre el índice glucémico. En este sentido, la profesora Cobos dirigió varias tesis de especialización y maestría en Ciencia y Tecnología de Alimentos para desarrollar formulaciones y sustituir algunos componentes de los alimentos por el biopolímero, logrando aumentar el contenido de fibra, pero también disminuir el de otros compuestos como azúcares y grasas de estos alimentos y realizar ensayos biológicos. Asimismo, estudió el comportamiento en bebidas y observó que la mejor forma de adicionarlo era en galletas, logrando productos altos en fibra, de gran aceptación sensorial. Este trabajo fue iniciado por estudiantes de pregrado de Nutrición.

En estas actividades investigativas participó Nancy Escobar (q. e. p. d.), estudiante de la maestría en Ciencia y Tecnología de Alimentos, quien no solo desarrolló estos productos, sino que en su tesis demostró mediante ensayo clínico (20 pacientes durante 7 semanas) que el polímero adicionado a estos productos produce una tendencia a la reducción del índice glucémico. Este trabajo se enmarcó dentro de un proyecto financiado por Colciencias y contó con la participación de siete estudiantes de posgrado. Otros estudios permitieron demostrar que el biopolímero acelera el tránsito intestinal, por lo que favorece la digestión; y su potencial efecto prebiótico, puesto que la ingesta diaria del biopolímero permite mejorar la microflora colónica al aumentar la viabilidad de Lactobacillus y Bifidobacterium, microflora altamente benéfica para el sistema gastrointestinal.

Ahora, el grupo quiere llevar este polímero a nivel industrial mediante una spin-off, para lo cual se han realizado conversaciones con varias empresas interesadas. Por otro lado, también se piensa en la forma de disminuir costos de producción del biopolímero para hacerlo más competitivo con otros productos, como la inulina, su principal competidor en el mercado, y con este propósito se continúa estudiando el proceso fermentativo y la inmovilización de la enzima, que consiste en unir la enzima purificada a un soporte con el fin de reutilizarla y así disminuir el costo involucrado por la enzima.

Además, el grupo desea continuar con la búsqueda de enzimas que produzcan biopolímeros con otras características, para ampliar así su rango de uso. También se proyecta el estudio molecular de la enzima con el fin de realizar modificaciones en ella, para optimizar su uso y analizar la posibilidad de inmovilizarla con el objeto de recuperarla.

Figura 1. Desarrollo de productos con biopolímero

Figura 2. Planta piloto para la producción de dextrano

Figura 3. Ensayo clínico de producto desarrollado

Referencias bibliográficas

Moncayo, D. Buitrago, G., & Algecira, N. (2013). Propiedades de superficie en frutas recubiertas con biopolímeros; revisión. Ingeniería e Investigación, 33(3), 11-16.

Vogelsang, D. F., Perilla, J. E., Buitrago, G., & Algecira, N. A. (2014). Preparation of biopolymer filings by aqueous tape casting processing. Journal of Plastic Film & Sheeting, 30(4), 435-448.

Lista de imágenes

Figura 2. Planta piloto para la producción de dextrano

Figura 1. Desarrollo de productos con biopolímero

Figura 3. Ensayo clínico de producto desarrollado