Microorganismos y Procesos Biotecnológicos Clave en la Industria Alimentaria

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Clasificación de Microorganismos de Interés

Se identifican varios grupos de microorganismos relevantes en procesos biotecnológicos:

  • Levaduras apiculadas: Ejemplos incluyen Kloeckera, Hanseniaspora, y Candida.
  • Bacterias lácticas: Ejemplos incluyen Lactobacillus, Oenococcus, y Pediococcus.
  • Bacterias acéticas: Ejemplos incluyen Acetobacter y Gluconobacter.
  • Bacterias Malolácticas: Géneros principales: Lactobacillus, Oenococcus, Pediococcus.

Rutas Metabólicas en la Producción de Queso

Rutas de las Bacterias Lácticas en Queso

Las bacterias lácticas emplean diferentes vías para metabolizar la glucosa:

Ruta Homofermentativa

Secuencia enzimática:

  1. Glucoquinasa
  2. Fosfoglucosa isomerasa
  3. Fosfofructoquinasa
  4. Fructosa-1,6-P aldolasa
  5. Triosa fosfato isomerasa
  6. 1,3-P-glicerato
  7. Fosfoglicerato quinasa
  8. Fosfoglicerato mutasa
  9. Enolasa
  10. Piruvato quinasa
  11. Lactato deshidrogenasa.

Ruta Heterofermentativa

Secuencia enzimática:

  1. Hexoquinasa
  2. Glucosa-6-P deshidrogenasa
  3. 6-fosfoglucanato deshidrogenasa
  4. Ribulosa 5-P 3-espimerasa
  5. Xiblulosa- 5-P fosfocetolasa
  6. Fosfotranscetilasa
  7. Acetaldehído deshidrogenasa
  8. Alcohol deshidrogenasa
  9. Pentosa quinasa
  10. Pentosa fosfato epimerasa o isomerasa
  11. Acetato quinasa.

Reacción general: Glucosa + ADP + Pi → Ácido láctico + etanol

Elaboración del Queso de Pasta Azul (Queso Azul)

El desarrollo de las características únicas de este queso implica la interacción de varios microorganismos:

  • Junto con las bacterias lácticas (estreptococos mesófilos + Leuconostoc), se adicionan esporas del hongo Penicillium roquefortii.
  • El desarrollo de Leuconostoc (bacteria láctica heterofermentativa que produce CO2) genera fisuras en la cuajada.
  • Estas fisuras son colonizadas por el hongo, desarrollando el interior del queso.
  • La cuajada se perfora intencionalmente para facilitar la entrada de oxígeno, ya que P. roquefortii es aerobio estricto.

Producción de Proteínas Lácteas Mediante Biotecnología

Desafíos en la Producción de Proteínas de Leche

La leche de vaca contiene cientos de proteínas, siendo las más abundantes:

Caseínas (aproximadamente 80%)

  • Alfa-s1-caseína
  • Alfa-s2-caseína
  • Beta-caseína
  • K-caseína

Proteínas de Suero (aproximadamente 16%)

Consideraciones estructurales y de producción:

  • Las caseínas están fosforiladas y/o glicosiladas.
  • Las caseínas se ensamblan en estructuras supramoleculares denominadas “micelas”.
  • Muchas de estas proteínas se han expresado de forma heteróloga.
  • La mayoría de los estudios previos (hace 10-30 años) tuvieron objetivos académicos, no de producción industrial.
  • RETO: Optimizar los procesos de expresión heteróloga para la producción industrial con los avances científicos actuales.

Producción de Ovoalbúmina

Se han logrado avances significativos en la producción de clara de huevo sin necesidad de huevos:

  • El grupo Future Sustainable Food Systems de la Universidad de Helsinki (Finlandia), junto al Centro de Investigación Técnica VTT, produjeron ovoalbúmina utilizando una cepa recombinante del hongo Trichoderma reesei que expresa esta proteína.
  • La empresa Every Company la produce a partir de una levadura.

Producción Industrial de Enzimas por Microorganismos

Amilasas

Alfa-amilasas

  • Bacterias: Géneros como Bacillus (ej. B. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. licheniformis).
  • Hongos: Géneros como Aspergillus, Penicillium, Mucor.

Beta-amilasas

  • Generalmente de origen vegetal, aunque también producidas por microorganismos como Bacillus polymyxa y Streptomyces sp.

Glucoamilasas

  • Hongos: Preferentemente especies de los géneros Aspergillus (ej. A. niger, A. oryzae) y Rhizopus (ej. R. niveus).
  • Producción: Inducible por sustrato y sometida a represión catabólica.

Otras Enzimas Relevantes

  • Proteasas:
    • Alcalinas: Bacillus, Aspergillus.
    • Ácidas: Hongos como Rhizomucor y Cryphonectria parasita.
  • L-asparaginasa: Producida por E. coli, Serratia, Erwinia.
  • Pectinasas: Producidas por Erwinia carotovora, Aspergillus niger.
  • Lactasas:
    • Bacterias: Acumulación intracelular de la enzima.
    • Hongos: Se prefiere la secreción extracelular (ej. Aspergillus oryzae y A. niger).

Regulación de la Expresión Enzimática

Se observan patrones de inducción y represión:

  • Inducción: Con lactosa (lac-si), sin lactosa (lac-no).
  • Represión catabólica: Con glucosa (gluc-no), sin glucosa (gluc-si).
  • Regulación final (Finla): Con producto (prod:no), sin producto (prod:si).

Metodología de Metagenómica

Pasos generales para el estudio metagenómico:

  1. Muestreo natural.
  2. Fragmentación del ADN.
  3. Clonación en vector.
  4. Creación de biblioteca metagenómica.
  5. Secuenciación.
  6. Análisis bioinformático.

Producción Microbiana de Vitaminas Esenciales

Vitamina B12 (Cobalamina)

Características Generales

  • Sintetizada en la naturaleza exclusivamente por microorganismos.
  • Necesaria para los animales.
  • Presente en tejidos animales en concentraciones muy bajas (aprox. 1 ppm en el hígado).
  • Su deficiencia causa anemia perniciosa.
  • Los animales obtienen una pequeña parte de los alimentos, pero la mayor parte proviene de la absorción de la producida por los microorganismos intestinales.

Usos y Fuentes Industriales

  • Usos: Industria farmacéutica (60% de la producción) y alimentación animal (40%, ej. piensos para pollos y cerdos suplementados con 10-15 mg de B12/tonelada).
  • Fuentes para producción industrial:
    • Tejidos animales: concentraciones muy bajas.
    • Síntesis química: Muy cara, requiere 70 etapas de reacción.
    • Fermentación microbiana: Única fuente actual y proceso viable.
      • Subproducto de fermentaciones con estreptomicetos (para antibióticos como estreptomicina, cloranfenicol, neomicina): se purifica del medio a 1 mg/L.
      • Fermentación con Pseudomonas denitrificans: alcanza 60 mg/L.

Vitamina B2 (Riboflavina)

Historia y Características

  • Descubierta en 1933 por Kuhn, György y Wagner-Jauregg.
  • Presente en la leche como riboflavina libre o en otros alimentos (hígado, corazón, riñón, huevos) como parte de flavoproteínas.
  • Su deficiencia provoca arriboflavinosis.

Usos y Producción Industrial

  • Usos: Tratamiento de arriboflavinosis (1 mg/día) y suplemento de alimentos y dietas.
  • Métodos de Producción Industrial:
    • Síntesis química: 20%.
    • Biotransformación (proceso mixto): 50%.
      • Bacillus pumilus transforma la glucosa en ribosa, y la ribosa se transforma químicamente en riboflavina.
      • La síntesis química es asequible debido a la estructura sencilla de la molécula.
    • Fermentación directa: 30%.
      • Mycobacterium smegmatis: 58 mg/L.
      • Clostridium acetobutylicum: 97 mg/L.
      • Candida flareri: 567 mg/L.
      • Eremothecium ashbyii: 2480 mg/L.
      • Ashbya gossypii: 6420 mg/L (las cepas actuales superan estas cantidades).
  • Condiciones de Fermentación (Ejemplo con A. gossypii):
    • Medio de cultivo: líquido de maceración del maíz (2,25%), peptona (3,5%), aceite de soja (4,5%).
    • Proceso: 7 días a 28ºC; aireación a 0,3 vvm.
    • Rendimiento: 10-15 g/L con la cepa A. gossypii NRRLY-1056.

Vitamina C (Ácido Ascórbico)

Usos y Producción

  • Usos: Industria farmacéutica e industria alimentaria (como vitamina y antioxidante).
  • Producción Industrial:
    • Síntesis química: Produce 2 enantiómeros; solo el L-enantiómero es activo biológicamente, requiriendo separación posterior.
    • Síntesis con microorganismos mejorados.
    • Bioconversión (Proceso Preferible):
      • Proceso antiguo (5 pasos, 1 microorganismo):
        1. D-glucosa $\xrightarrow{\text{Reducción catalítica (químico)}}$ D-sorbitol.
        2. D-sorbitol $\xrightarrow{\text{Fermentación por Acetobacter suboxidans (biológico)}}$ L-sorbosa.
        3. L-sorbosa $\xrightarrow{\text{Oxidación (químico)}}$ Ácido 2-ceto L-gulónico (2KLG).
        4. 2KLG $\xrightarrow{\text{Químico}}$ 2-ceto-L-gluconato (sal sódica de la forma enólica).
        5. 2-ceto-L-gluconato $\xrightarrow{\text{Químico}}$ Ácido ascórbico.
      • Proceso posterior (2 microorganismos):
        1. D-glucosa $\xrightarrow{\text{Erwinia herbicola}}$ Ácido 2,5-diceto D-glucónico (2,5 DKG).
        2. 2,5 DKG $\xrightarrow{\text{Corynebacterium sp. (2,5 DKG-reductasa)}}$ Ácido 2-ceto-gulónico (2KLG).
        3. 2KLG $\xrightarrow{\text{Químico}}$ 2-ceto-L-gluconato.
        4. 2-ceto-L-gluconato $\xrightarrow{\text{Químico}}$ Ácido ascórbico.
      • Proceso de Genentech (3 pasos): El gen de la 2,5 DKG-reductasa de Corynebacterium se clona en Erwinia, permitiendo que esta realice ambos pasos de reducción. La reducción de pasos de síntesis química es crucial para la reducción de costos.

Beta-caroteno (Provitamina A)

Características y Usos

  • Fuente de Vitamina A: El $\beta$-caroteno se obtiene por escisión, dando lugar a dos moléculas de retinol (vitamina A).
  • Se transforma en vitamina A en la mucosa intestinal y se almacena en el hígado.
  • Su deficiencia causa ceguera nocturna. Su exceso provoca hipervitaminosis A.
  • Usos: Industria farmacéutica y cosmética (retinol para arrugas, acné, deficiencias) e industria alimentaria ($\beta$-caroteno como colorante).

Obtención Industrial

  • A partir de plantas.
  • Por microorganismos: El hongo Blakeslea trispora presenta un buen rendimiento, aunque la obtención a partir de plantas suele ser más económica, limitando la necesidad de producción microbiana.
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