Aplicaciones de la biotecnología amarilla en la industria alimentaria: enzimas, aditivos, aromas, ácidos orgánicos y aminoácidos.

Después de la reciente entrada sobre la celebración del blog, tocaba retomar la idea inicialmente programada para ese día pero que por cuestiones técnicas fue imposible de llevar acabo. Pero aquí está, o al menos se intenta. En mi último proceso formativo, se puso de manifiesto un hecho del que, aunque parezca mentira, desconocía en profundidad su importancia. Esto es, la generación vía procesos biotecnológicos de enzimas, proteínas, aromas o ácidos orgánicos necesarios como ingredientes habituales en muchos alimentos más o menos procesados y que solemos leer en su etiquetado. Y pum! Me pareció un tema importante para traerlo al blog y que como tantos otros, quede ahí para quien quiera o le interese conocer un poco más sobre ello, así que sin más… Sigue leyendo! La biotecnología (bio=vida; tecne= destreza; logía= ciencia) es definida según el Convenio sobre la Diversidad Biológica, CDB, firmada por más de 200 países desde 1992 como “toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos“. Debido a la gran variedad de aplicaciones que pueden acogerse a esta definición, se buscó ubicar las diferentes aplicaciones como biotecnologías con apellidos propios. Las primeras en surgir fueron la biotecnología azul, la biotecnología roja, la biotecnología verde y la biotecnología blanca, que se centrarían en el ámbito de la industria pesquera y la acuicultura, la industria farmacéutica y/o del ámbito biomédico, la industria agroforestal y finalmente la industria de biorrectores. Sería a partir de esta última como irían apareciendo otros “colores” para identificar la biotecnología: la gris, la morada o directamente la que nos interesa, la biotecnología amarilla destinada a las aplicaciones con uso específico para la industria alimentaria. 

En tema de la producción por medio de microorganismo de enzimas, aditivos, aminóacidos y/o proteínas no es algo nuevo ya que viene realizándose desde hace más de tres décadas. Gracias a ello, se lograban solventar algunos problemas tales como: dificultad a la hora de sintetizar o cultivar “in vitro” estos compuesto, generar residuos poco biodegradables y ser un proceso con una eficacia limitada y un coste elevado. Para ello se parte generalmente de cepas industriales, tanto de origen bacteriano como fúngico, que deben reunir una serie de características: todos los individuos que componen la cepa son idénticos genéticamente y estables; esto es, deben tener una baja ratio de mutación y deben sufrir pocas modificaciones en su desarrollo según las condiciones de su procesamiento industrial. Por regla general, dichas cepas industriales se desarrollan en lo que se conocen como “biorreactores” (para las de origen fúngico, vegetal o animal) y/o “fermentadores” (para las de origen bacteriano).

Un fermentador o biorreactor es un recipiente o tanque que mantiene ciertas condiciones ambientales (temperatura, pH, concentración de oxígeno, concentración de sustrato, etc) necesarias para que ocurran las reacciones químicas necesarias para que de una materiia o sustancia, se obtenga un producto o metabolito de interés. En función de los flujos de entrada y salida de los mismos, los fermentadores o biorreactores pueden clasificarse en : continuo (quimiostato), semicontinuo (fed-batch) o discontinuo (batch). Según sea el sistema de cultivo, tendremos que añadirle al continuo, discontinuo o semicontinuo, los términos de anaérobico, facultativo y aérobico. Los fermentadores o biorreactores más conocidos son los continuos de tanque agitado (para células y cultivos aérobicos), los “airlift”, los de lecho fluidizado y los de lecho empaquetado (para enzimas). 

Las principales enzimas que se producen a nivel biotecnológico son las amilasas, proteasas (como la quimosina u otras reninas), enzimas pectolíticas, invertasas, lipasas y lactasas a partir de cultivos de bacterias modificadas genéticamente  del género Bacillus spp. o Escherichia coli (35%) o de hongos y levaduras del género Aspergillus spp. , Saccharomyces spp.,  Penicillium spp. o  Kluyveromyces spp (50%). No debemos olvidar a la papaína, ficina y bromelina, obtenidas ambas a partir de cultivos de células de origen vegetal (papaya, higo y piña, respectivamente) (15%).  En concreto las amilasas se puede obtener tanto por cultivo de las bacterias Bacillus subtilus, B. stearothermophilus, B. amyloliquefaciens como de los hongos Aspergillus oryzae o Penicillium expansum. En el caso de proteasas, sobre todo de cultivos modificados genéticamente de E.coli pero también de Aspergillus niger, Rhizopus oryzae,  Kluyveromyces lactis o K. marxianus (a partir de productos derivados lácteos) . Para las enzimas pectolíticas, encontramos que los principales cultivos implicados son los de hongos del género Penicillium spp. En el caso de las invertasas, predominan los cultivos modificados de la levadura Sacchraomyces cerevisiae. Por parte de las lipasas, generalmente predominan los cultivos de Bacillus spp. y Pichia pastoris, fundamentalmente, existiendo otras cepas bacterias productoras tales como Acinetobacter spp., Rhodococcus spp. Achromobacter lipolyticum, Aeromonas hydrophila, Bacillus sphaericus, Photobacterium lipolyticum, Morexella spp., Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas fragi, Psychrobacter okhotskensis, Serratia marcescens y Staphylococcus epidermidis. Entre las lipasas de origen fúngico encontramos las que provienen de cepas industriales de Aspergillus spp. y Penicillium spp. con las siguientes especies: A. alliaceus, A. candidus, A. carneus, A. fischeri, A. niger, A. ochraceus, A. parasiticus, A. sundarbanii, A. terreus, A. versicolor, P. aurantiogriseum, P. brevicompactum, P. camemberti, P. chrysogenum I, P. coryrnbiferum I, P. crustosum, P. egyptiacum, P. expansum y P. spiculisporum. Finalmente en el caso de las lactasas, en ellas predominan los cultivos modificados de E.coli, K. lactis  y Rhizomucor miehei.

A partir de los caldos de cultivo del tanque, se procede a la purificación de las enzimas mediante técnicas cromatográficas y posteriormente, técnicas de concentración. Hecha la purificación, se procede a su caracterización estructural (técnicas electroforéticas y de espectrometría de masas por MALDI-TOF (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionizatio Time-Of-Flight), ultracentrifugación analítica, estudios de espectroscopía) y funcional (estudios de estabilidad y actividad frente al pH y la temperatura, de especificidad de sustrato, de los mecanismos cinético y químico y de estabilidad en las condiciones del tanque). El ciclo, termina con su inmovilización para reducir los costes y generación de contaminantes. Siguiendo este proceso, las enzimas microbianas son más estables y su producción, más conveniente y segura. Dicha seguridad, se encuentra controlada por el Reglamento (CE) nº1332/2008 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de diciembre de 2008, sobre enzimas alimentarias. 

En el caso de aditivos, entendiendo estes como aquellos especificados como E-XXX, encontramos que aquellos más producidos por medio de procesos biotecnológicos son: la goma xantana (E415), la nisina (E234), el glutamato monosódico (E621), la vitamina B2 o riboflavina (E-101) o el ácido ascórbico (E300). En el caso de la goma xantana, esta se obtiene por medio de fermentadores continuos aeróbicos con cultivos de la cepa industrial de la bacteria Xanthomonas campestris B-1459. La nisina, una bacteriocina que sirve como conservante en muchos alimentos, se obtiene por medio del cultivo de varias cepas industriales de Lactococcus lactis en tanques en continuo y descontinuo (UQ2 y CECT 539) a partir de productos y/o subproductos de la industria láctea (lactosueros y similares). Por su parte el glutamato monosódico o GMS, responsable de que detectemos el sabor “umami“, puede obtenerse por medio del cultivo de cepas industriales de la bacteria Corynebacterium glutamicum. Al igual que la nisina, la vitamina B2 o riboflavina también se produce por medio del cultivo de un tipo de bacterias del ácido láctico (BAL), como son las cepas industriales Lactobacillus plantarum UNIFG1 y UNIFG2 pero también a través de levaduras, en fermentadores aérobicos, como la Ashbya gossypii. Finalmente el ácido ascórbico, se obtienen mediante el cultivo de bacterias como Acetobacter suboxidans mediante el proceso Reichstein, ideado por el médico polaco, Tadeus Reichstein, Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1950. 

Cuando se habla de aromas obtenidos por biotecnología alimentaria, tanto se habla de compuestos específicos como de compuestos encapsulados. En el primer caso, destacan las metilcetonas producidas por cultivos de hongos del género Penicillium spp. o de la especie Schizophyllum commune (presentes en derivados lácteos como el queso de Cabrales, Roquefort o Camembert, junto con la 2-heptanona producida por cepas industriales de Trichoderma viride) y los ésteres frutales producidos por bacterias anaérobicas como la Clostridium butyricum, C. tyrobutiricum y C. acetobutyricium, de las especies Ceratosystis fiambra oSaccharomyces cerevisiae (de la fermentación alcohólica, fundamentalmente)o del género Neurospora spp; en otros casos se pueden obtener estos ésteres frutales a partir de cepas industriales de hongos como las de la especie Rhizopus oryzae. así como diacetilos a partir de cepas industriales de bacterias del ácido láctico, destacando entre ellas L. lactis biovar. diacetylactis, L. rhamnosus H3-213 y H3F-210 y Leuconostoc mesenteroides, procedentes de residuos frutales. En el caso del mentol, se ha observado una buena tasa de producción a partir de cepas industriales de de Rhodotorula minuta. Para otros compuestos aromáticos como el acetato de etilo o el alcohol isoamílico, se ha observado que son las cepas industriales de Ceratocystis moniliformis y C. fimbriata las que más aromas de este tipo producen. 

En cuanto a la encapsulación de aromas, muchos estudios y tesis doctorales (como la que puedes leer aquí), van encaminadas al empleo de ciclodextrinas como medios de estabillización de esos aromas en los diferentes productos alimenticios que nos ofrece la industria alimentaria, destacando el chicle “Flavono“. Todo ello se encuentra legislado por el Reglamento (CE) nº 1334/2008 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de diciembre de 2008 , sobre los aromas y determinados ingredientes alimentarios con propiedades aromatizantes utilizados en los alimentos y por el que se modifican el Reglamento (CEE) nº 1601/91 del Consejo, los Reglamentos (CE) nº 2232/96 y (CE) nº 110/2008 y la Directiva 2000/13/CE

Los siguientes productos que puede obtenerse en la biotecnología amarilla, son los ácidos orgánicos. Destacan entre ellos el ácido láctico, producido sobre todo por bacterias como Bacillus coagulans y otras del grupo de las bacterias BAL, destacando entre ellas Lactobacillus delbrueckii (de otros derivados lácticos y agroforestales, predominarían en los cultivos las bacterias Enterococcus faecalis, Pseudomonas teatrolens, L. bulgaricus y L. brevis). En el caso del ácido butírico, típico reforzador del sabor en quesos y productos lácteos, destacan los cultivos de cepas industriales de Clostridium butyricttrii o C. butyricum. Otro de los grandes ácidos orgánicos producidos por medio de la biotecnología, es el ácido cítrico o E-330, producido fundamentalmente por cultivos de hongos como el Aspergillus niger y otros del género Penicillium spp (ej: P. glaucum), ya que a través de levaduras como las del género Candida spp (ej: C. guilliermondii), Pichia spp. o Saccharomyces spp. Otro de los grandes ácidos orgánicos producidos por biotecnología es el ácido acético, producido esencialmente por cultivos de bacterias del género Acetobacter spp. como A. pasteurianus o del género Gluconacetobacter spp., destacando Ga. europaeus. En menor medida, encontramos la producción de ácido málico por cepas industriales del género Aspergillus spp. y Rhizopus spp, siendo este género también, en concreto las cepas R. stolonifer, R. nigricans y/o R. formosa el que produce el ácido fumárico (utilizado como regulador de acidez también como E297) a través de residuos agroforestales y finalmente, de la producción de ácido tartárico por cepas del género Acetobacter spp o del ácido cafeico (presente en el aceite de Argán) por cepas industriales de A. niger AKU 3302

En el caso de aminoácidos, las mayores producciones para la industria alimentaria a partir de la biotecnología amarilla son: el ácido glutámico, la metionina, la lisina, la cisteína, la fenilalanina y el aspartato. En el primer caso, al ser aminoácido origen del aditivo GMS, comparten las mismas cepas industriales productoras de la especie Corynebacterium glutamicum fundamentalmente, pero también puede obtenerse a partir de cepas industriales del género Brevibacterium spp (ej: B. divaricatum) o de la especie Arthrobacter paraffineus. A través de las mismas cepas pueden obtenerse indirectamente la lisina, a partir del ácido glutámico. En el caso de la metionina, se requieren cultivos de células vegetales en biorreactores, sobre todo de microalgas verdes. En el caso de la cisteína se obtiene por fermentación  mientras que en el caso de la fenilalanina o del aspartato, por  purificación de hidrolizados de proteínas a a partir de la acción previa sobre las mismas de B. megaterium en el caso de la fenilalanina o de A. oryzae.

No quería terminar este artículo, sin indicaros que la biotecnología amarilla a partir de los diferentes tipos de “fermentadores” y/o “biorreactores”, son de gran aplicación para la elaboración de productos orientales, como el Kimchi (LAB), el Miso (A. niger Lactobacillus ssp. ), Tempeh (Rhizopus spp.), o Torani (Candida spp., Saccharomyces
spp.). Sin olvidar por supuesto,  la producción de algunos colorantes (ej: compuestos rosas con levaduras como Rodothorula spp. o Paffia spp. (astaxantina) o hongos como Monascus spp. o Blakeslea trispora, capaz de producir beta-carotenos) edulcorantes como el xilitol a partir de diferente cepas industriales del género Candida spp. como C. milleri, C. guilliermondii, C. tropicalis, C. albicans y C. parapsilosis , los PUFAs o ácidos grasos poliinsaturados o compuestos probióticos.

Y hasta aquí la entrada por hoy. Espero que aprendierais tanto como lo he hecho yo y que si en algún momento, al leer una etiqueta os aparece alguno de estos aditivos o os nombran alguno de estos compuestos en el marketing de los envases, sepáis cuál fue su origen. 

¡Nos “leemos” en la próxima entrada!                                                                                TatianaDC 

Fuentes:                                                                                                                          Costas Malvido, M. “Producción de biomasa probiótica y nisina por Lactococcus lactis subsp. lactis CECT 539” Tesis Doctoral Universidad de Vigo (2019)  ;   Aguirre García, A. “Enzimas biotecnológicas y su aplicación a la industria alimentaria ” TFG Facultad de Farmacia UCM  (2019)  ;  Rosero Bernal, A. M. “Obtención y purificación de ácido glutámico a partir de hidrolizados de raquis de palma africana (Elaeis guineensis) por fermentación con la bacteria Corynebacterium glutamicum ATCC 13032″ Tesis doctoral Facultad de ciencias exactas y naturales. Universidad de Nariño (2017)  ;  Ruiz Domínguez, L.G. “Bacterias lácticas presentes en frutas regionales. Producción de metabolitos de interés”. Tesis Doctoral Facultad de Bioquímica, Química y Farmacia. Universidad Nacional de Tucumán (2017)   ;   Del Moral, S. et. al. “Aspectos relevantes del uso de enzimas en la industria de los alimentos” ReIbCi (2015)  ;  Rendueles, M. & Díaz, M. “Biotecnología industrial” ARBOR Ciencia, Pensamiento y Cultura  (2014)  ;  Alonso Tuero, S. “Obtención de ácidos orgánicos por fermentación de subproductos lácteos” Tesis Doctoral. Universidad de Oviedo (2013) ;  Romo Sánchez, Sheila ““Biotecnología microbiana: producción, caracterización e inmovilización de enzimas de interés industrial” Tesis doctoral. Facultad de Ciencias y Tecnologías Químicas.  Universidad Castilla la Mancha (2013)  ;  Chávez Galindo, G. V. “Producción de la Enzima Proteasa en Cultivo en Medio Sólido y Líquido Utilizando Rhizopus oryzae.” Tesis doctoral. Facultad de Ingeniería en Ciencia y Tecnología de los Alimentos. Universidad Autónoma Agraria “Antonio Narro”   ;   García Garibay et. al. “Biotecnología alimentaria” Editorial Limusa (2004) ; Martín Fernández, P. “Producción de ácido caféico y ácido quínico” Proyecto final de carrera. Facultad Regional de Avellaneda. Universidad Tecnológica Nacional                                          http://www.uaq.mx/investigacion/revista_ciencia@uaq/ArchivosPDF/v4-n2/t6.pdf http://www.madrimasd.org/blogs/alimentacion/2007/04/25/64351 http://www.sebbm.es/revista/articulo.php?id=216&url=el-vinagre-de-vino http://www.ucm.es/otri/complutransfer-biotecnologia-enzimatica-y-biotransformaciones-de-interes-industrial                                                                                                            http://fundacion-antama.org/claves-de-la-pasta-fermentada-biotecnologia-al-servicio-del-consumidor/                                                      http://argenbio.org/biotecnologia/aplicaciones-de-la-biotecnologia/168-las-enzimas-en-la-industria-alimenticia                                  https://core.ac.uk/download/pdf/268083217.pdf http://scielo.sld.cu/pdf/caz/v45n4/caz01418.pdf                              http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0121-40042012000300001 http://ve.scielo.org/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0254-07702008000400013 http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/18691/4/UPS-CT008745.pdf http://horizon.documentation.ird.fr/exl-doc/pleins_textes/pleins_textes_6/b_fdi_45-46/010006795.pdf http://idus.us.es/bitstream/handle/11441/24207/E_TD_417.pdf;jsessionid=D704A9D2A1FC55B52BD5990583A7C670?sequence=1&isAllowed=y http://repositorio.uca.edu.ar/bitstream/123456789/5871/1/produccion-proteasas-fungicas-hidrolisis.pdf http://www.academia.edu/2915868/PRODUCCI%C3%93N_BIOTECNOL%C3%93GICA_DE_SABORES_PIGMENTOS_Y_AROMAS_A_PARTIR_DE_HONGOS_MICELIALES_Y_LEVADURAS http://www.ugr.es/~iquimica/PROYECTO_FIN_DE_CARRERA/lista_proyectos/p236.htm                                                                                  http://www.ainia.es/tecnoalimentalia/tecnologia/tecnicas-biotecnologicas-para-conseguir-aditivos-naturales/                                      http://www.mariairanzobiotec.com/lisina/                    http://www.binasss.sa.cr/revistas/rmcc/600/art6.pdf http://www.foodnewslatam.com/sectores/34-l%C3%A1cteos/4767-%C2%BFc%C3%B3mo-se-forma-el-%C3%A1cido-but%C3%ADrico.html                        http://www.foodnewslatam.com/biotecnolog%C3%ADa/59-ingredientes/2815-la-producci%C3%B3n-de-enzimas-en-el-uso-de-la-biotecnolog%C3%ADa-blanca.html http://www.colvema.org/WV_descargas/3667PonenciaEnzimas.pdf http://www.actaquimicamexicana.uadec.mx/articulos/12-4%20citricos.pdf http://www.alimentosargentinos.gob.ar/contenido/sectores/tecnologia/Ficha_27_Fermentacion_en_sustrato_solido_para_el_aprovechamiento_de_subproductos_de_la_agroindustria.pdf                                                http://ri.conicet.gov.ar/bitstream/handle/11336/30434/CONICET_Digital_Nro.7d79e416-207d-439e-a3cd-87e3a0b8fa55_B.pdf.pdf?sequence=5&isAllowed=y http://www.reibci.org/publicados/2015/mayo/1000102.pdf http://recursostic.educacion.es/ciencias/biosfera/web/alumno/2bachillerato/biotec/contenidos8.htm                                                                        http://www.consumer.es/seguridad-alimentaria/enzimas-en-la-elaboracion-de-alimentos.html                                                                    http://naukas.com/2012/04/27/exitos-transgenicos-produccion-de-acido-ascorbico/ http://profissaobiotec.com.br/biotecnologia-producao-acidos-organicos/ http://www.lamolina.edu.pe/simbiosis/Proyecto.htm http://www.comunicabiotec.org/colores-biotecnologia/

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