PROCESAMIENTO DE LEVADURA. OBTENCION DE DERIVADOS
La biomasa de levadura como materia prima en la industria • Suplemento nutricional o saborizante • Las levaduras contienen alrededor de 50% de proteínas susceptibles de obtener como concentrados o aislados de proteínas. • La levadura Saccharomyces cerevisiae es la fuente tradicional de invertasa,. • Los ácidos nucleicos son también un producto importante. El RNA aislado puede ser transformado en nucleótidos saborizantes (5’-mononucleótidos) a partir de 5’fosfodiesterasas (raicillas de la cebada germinada) • Los polisacáridos de las paredes celulares (glucanos) han sido probados frente una serie de estados patológicos mostrando un significativo efecto inmunomodulador • Los lípidos (triacilglicéridos, fosfolípidos y esteroles). En esta fracción se encuentran también cantidades importantes de ergosterol, precursor del ergocalciferol (vitamina D2).
Uso de las levaduras como fuente de proteínas en la alimentación humana • Contienen entre 5 y 13% de ácidos nucleicos en dependencia de su tasa de crecimiento y la fase de éste que se esté analizando. •Deseables las elevadas productividades (Kg/m3-hora) •En tanto que la proteína de levadura se emplee como enriquecedor o aditivo en los alimentos, el contenido de ácidos nucleicos no conforma ningún problema serio salvo los relacionados con la pérdida de funcionalidad de ésta. Al aumentar su inclusión en la dieta, comenzarán a aparecer síntomas de hiperuricemia y eventualmente gota artrítica
¿QUÉ HACER, ENTONCES?
•El RNA puede extraerse de las células microbianas por diferentes métodos.
Propagación
Secado
ARN Amorfo
Fracción soluble
Precipitación ARN Centrifugación
Residual
Biomasa I Alto ARN
Tratamiento Extracción ARN
Centrifugación
Biomasa II Bajo ARN
Biomasa II Bajo ARN
80% de la biomasa total
Opción I: Alimento animal 280-300 U$D/t
Opción II: Conversión en extracto de levadura
4,0-6,0 U$D/Kg
Composición del residuo de extracción de ARN en células de Candida utilis y de levadura de cerveza comercial
Componente, % Humedad Nitrógeno orgánico Proteína Kjeldahl (Nx6.25) Proteína verdadera Ácidos nucleicos Cenizas
Residuo Extracc.
5, 0 ± 0.5 8.02 ± 0.46 51.3 ± 0.97 40.0 ± 1.12
< 2,0 4.25 ± 0.33
Levadura cerveza
8,0 6,9-8,0 45-51 36-41 4,9-6,3 7,3-8,1
Solubilización MSG, %
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
5
10
15
20
25
Tiempo, horas
RLFS
RLFSA
Comparación entre la solubilización del residuo de extracción de ARN en presencia de sal y levadura panadera fresca (Saccharomyces cerevisiae) con (RLFSA) y sin Alcalasa (RLFS)
La literatura sobre el desarrollo de procesos de autólisis de materiales, utilizando las enzimas autolíticas de levadura como catalizador son muy escasos (Hobson y col, 1995; Nakajo y Sano, 2002). Las condiciones del procesamiento son similares en relación con la temperatura, tiempo de residencia etc., a la desarrollada en nuestros laboratorios, el proceso propuesto solo emplea 5% de la biomasa total como levadura fresca, especialmente Saccharomyces cerevisiae, en tanto que los mencionados anteriormente, parten de suspensiones entre 10 y 14% de levaduras vivas.
Hobson, J.C., Anderson, D.A.G. Method of preparing yeast extract containing hydrolyzed non-yeast protein with yeast autolytic enzymes United States Patent 5427921. 1995 Nakajo, Y., Sano, H. Yeast extract composition, yeast for obtaining the same, and process for producing yeast extract composition. United States Patent 6344231. 2002
Extractos de levadura • Son concentrados de los componentes solubles de las células obtenidos de forma predominante a partir de la autólisis. •Su uso principal es en la industria alimenticia como saborizantes y en la industria microbiológica en procesos que requieren de formas complejas de nitrógeno para su propagación y síntesis de metabolitos secundarios. •Se obtiene fundamentalmente de levaduras de crecimiento primario o subproducto de otros procesos fermentativos (cerveza) de las especies: Saccharomyces cerevisiae , Kluyveromyces fragilis o Candida utilis.
Otros métodos utilizados en la producción de extractos son: •termólisis (calentamiento a 100 °C) •plasmólisis (altas concentraciones de sales a temperaturas moderadas) •desintegración mecánica La duración de la autólisis depende de muchos factores pero en general varía desde 15 horas hasta más de 60 horas. Los compuestos solubles a final del proceso se separan de las paredes celulares insolubles y se concentran en evaporadores de película descendente u otro tipo de evaporador disponible. Para aplicaciones fermentativas el concentrado puede ser sometido a procesos de filtrado nuevamente. Una posterior concentración a vacío y una corta esterilización conducen a los productos típicos siguientes. •extractos líquidos (con sólidos entre 50 y 65 %) •pastas altamente viscosas (70 a 80 %) •polvos secos obtenidos por atomización, en secadores de diseño especial.
AROMA/SABOR OBTENIDOS AL CALENTAR AMINOÁCIDOS PUROS Y GLUCOSA A 180 °C:
Aminoácido
Aroma/sabor
Aminoácido
Aroma/sabor
Glicina Alanina Valina Leucina Isoleucina Prolina
Caramelo Caramelo Chocolate Queso horneado Queso horneado Tortas y pasteles
Metionina Fenilalanina
Tirosina Asparagina Acido glutámico Histidina
Patatas asadas Violetas Caramelo Caramelo Café
Pan de maíz
Hidroxiprolina Arginina
Galletas Azúcar quemada
Lisina
Pan fresco
AMINOÁCIDOS. EFECTOS Y APLICACIONES
Aminoácido
Efecto y aplicación
Alanina y ácido asparagínico
Triptófano y metionina Triptófano e histidina
Enmascaramiento de sabores ácidos (jugos de frutas etc)
Propiedades antioxidantes (grasas)
Propiedades antioxidantes (leche en polvo)
Histidina
Cisteína Metionina
Lisina Glicina
Antioxidante (salsas congeladas). Inhibición de la rancidez (bizcochos) en combinación con glucosa
Antioxidante (mejoramiento de la calidad del pan)
Aumento de la calidad nutricional (alimento animal)
Suplemento a proteínas de cereal (en combinación con treonina y triptófano)
Enmascaramiento causados por Bacteriostático
de sabores pungentes endulzantes artificiales.
OTRAS APLICACIONES DE LA LEVADURA Y SUS DERIVADOS
Obtención de Glutatión Es un tripéptido de glutamato, cisteína y glicina. La levadura fresca contiene aproximadamente 0.65 % (base seca). Algunas propiedades del glutatión son: •Promueve la destoxificación de agentes xenobióticos •Juega un papel importante en la eliminación de radicales libres. •Anticarcinogénico. Inhibe las mutaciones •Potencia la respuesta inmune. Promueve la proliferación de linfocitos.
Enriquecimiento nutricional •Elevado contenido de proteínas de una excelente calidad que contiene cantidades importantes de todos los aminoácidos excepto los sulfurados metionina y cisteína. •Fuente principal de vitaminas del complejo B en la naturaleza (levadura de cerveza) •Contienen minerales de importancia metabólica como el Ca, Mg, Mn etc, por lo que pueden ser incorporadas a los sistemas de alimentos para su fortalecimiento nutricional. •Contienen también polisacáridos de alto peso molecular como los ß(1,3) glucanos que son comprobados potenciadores del sistema inmunológico. •Los comprimidos de levadura de cerveza han sido consumidos tradicionalmente para el tratamiento de algunas enfermedades cutáneas como el acné, trastornos gastrointestinales y fuente de vitaminas, carbohidratos complejos etc. •La levadura de cerveza seca se produce por lavado y deshidratación de las células recuperadas de la etapa de fermentación cuando se ha considerado que no es ya posible reciclarlas al proceso. Puede resultar necesario el proceso de desamargado (consecuencia del lúpulo) para evitar sabores indeseables
Composición en aminoácidos de la levadura de cerveza desamargada
%
Aminoácido
%
Aminoácido
Alanina
6.0
Arginina
4.3
Aspartato
8.4
Cisteína
0.2
Glutamato
11.3
Glicina
4.1
Histidina
2.2
Isoleucina
3.9
Leucina
6.3
Lisina
6.5
Metionina
1.2
Fenilalanina
3.9
Prolina
3.9
Serina
4.3
Treonina
4.1
Triptófano
1.4
Tirosina
2.4
Valina
5.1
Aislamiento de productos A partir de una suspensión de células de levadura, no es posible aislar productos de interés de forma individual, sino se elabora previamente un tratamiento adecuado de la biomasa. El tratamiento estará determinado en primera instancia, por la localización celular del producto de interés, es decir, si es un compuesto intracelular o por el contrario es un compuesto excretado de forma espontánea o inducida por la célula.
DESINTEGRACIÓN CELULAR El método más simple y antiguo es el secado a temperatura ambiente por 2-3 días. Métodos más elaborados parten del empleo de secadores tipo tambor, atomización, lecho fluidizado etc. La obtención de polvos de acetona es un método muy empleado a nivel de laboratorio y posee como gran ventaja, que la actividad de muchas enzimas se conserva casi intacta y se pueden almacenar para ser recuperadas posteriormente. La lisis celular puede ser inducida por medios físicos, químicos y enzimáticos. (ciclos alternados de congelación-descongelación, el choque osmótico que consiste en sumergir las células en una solución de alta presión osmótica como NaCl, urea, sacarosa). La lisis química más utilizada es la que emplea tolueno. Las sustancias tensoactivas como los detergentes, la glicina etc., son altamente eficientes para estos propósitos. La glicina por ejemplo, libera el 80% de la proteína de E. coli.
Fraccionamiento de levaduras •Se han propuesto esquemas de fraccionamiento de levaduras a partir de autolizados frescos, sin embargo, la práctica común en la industria desarrolla procesos de obtención de los diferentes compuestos de forma aislada : glutatión, factor de tolerancia a la glucosa, NADH, FMN, FADH2, enzimas como alcohol deshidrogenasa (ADH), glucosa isomerasa etc. •Otras tendencias se encaminan en la obtención simultánea de aditivos para alimentos sin implicar elevados grados de pureza como concentrados de proteínas, extractos de levadura y concentrados de polisacáridos de pared celular, buscando esencialmente funcionalidad en la integración a los alimentos como: retención de agua, actividad emulsionante, formación de espumas, etc., y •Obtención simultánea de tantos productos como sea posible, por ej. invertasa, extracto de levadura, ergosterol, polisacáridos, fosfolípidos etc.
ESTUDIO DE CASO Producción de derivados funcionales
REQUERIMIENTOS PARA PRODUCTOS DE CONSUMO HUMANO Todo alimento tiene que cumplir con un grupo de requisitos para que se autorice su producción en forma industrial. • Inocuidad para la salud humana, tanto a corto como a largo plazo. • Ausencia de organismos patógenos. La contaminación total debe estar dentro de ciertos límites permisibles. • Valor nutricional -en muchos países es obligatorio declarar la composición del producto en la etiqueta. • Funcionalidad de los ingredientes - posibilidades de combinarlos con otros alimentos o ingredientes para lograr producto final más nutritivo, apetitoso o manejable en las condiciones de mercado y de vida doméstica.
Niveles permisibles de contaminación microbiana en alimentos
Microorganismo* Bacterias viables Levaduras y mohos totales Enterobacteriaceae Staphylococcus aureus Clostridium totales Clostridium perfringens Streptococcus Grupo D Lancefield
Cantidad/g 105 100 10 1 1000 100 105
* Hernández, F (1984) Acta Microbiologica Hungarica 31 159.
Valor nutricional
Levadura
Panadera Destilería Forrajera Forrajera + 0.5% met Alimento seco
Sistema
rata rata rata rata
hombre
DC, %
81 80-90 85-88
90
70-90
BV, %
59 58-69 32-48
88
52-87
PER
1.4 1.7 0.9-1.4 2.0-2.3
----
PROPIEDADES FUNCIONALES
• Organolépticas: color, aroma, sabor y otros factores que son evaluados en la cavidad bucal como textura, cremosidad, dureza, tamaño de partícula, jugosidad etc. Todas estas propiedades están relacionadas entre sí. En general, los aspectos de color, aroma y sabor son fácilmente asimilables, si se parte de un producto de baja intensidad en estos indicadores, mediante el uso de colorantes, fragancias naturales o sintéticas y saborizantes disponibles en el mercado. La levadura es una materia prima adecuada en este sentido. Funcionales como tal: capacidad del ingrediente o materia prima de asociarse con los otros componentes del sistema de forma estable para formar emulsiones, geles, espumas etc.
CONCEPCIÓN MODULAR
Módulo A • Levadura seca en hojuelas • Levadura en tabletas • Salsa tipo soja
Módulo B • Extracto de levadura • Salsa tipo barbacoa
Módulo C • Concentrados de proteínas • Extracto de levadura (base nucleotídica principalmente) • Fibra dietética (polisacáridos complejos insolubles)
Levadura en hojuelas o tabletas
Análisis medio Humedad Color Densidad volumétrica Valor energético Proteínas Hidratos de carbono totales Lípidos totales Lípidos saturados Lípidos insaturados Minerales Calcio Fósforo Magnesio Vitaminas Tiamina (B 1) Riboflavina (B 2) Nicotinamida (B 3) Ácido pantoténico (B 5) Piridoxina (B 6) Ácido fólico
100 g de producto 5-8 %
Crema claro 200-250 g/dm3 320-355 Kcal
50-52 g 12-14 g 1-1.5 g 0.2-0.3 g 0.8-1.2 g
6-7 g 150-170 mg 1200-1300 mg 150-160 mg
40 mg 5 mg 30 mg 10 mg 3 mg 2 mg
Componente Sólidos totales Sal común (NaCl) Azúcares reductores Proteína hidrolizada Nitrógeno amínico pH Color Olor Sabor
Salsa tipo soja
% 23-25 12-14 5-6 7-8 0.5-0.8 4.3-4.5 Típico Característico Salsa soja
Extracto de levadura Dentro de los productos a ser producidos en la instalación, el extracto de levadura es el que posee el mercado más tradicional, utilizándose como saborizante. Se emplea también en la industria de cosméticos como nutriente y la industria fermentativa como componente del medio de cultivo.
Composición Sólidos totales Nitrógeno orgánico (Kjeldahl) Nitrógeno amínico Fosfatos pH
% > 70 > 4.8 2.8-3.0 > 9.0 6.0
Salsa barbacoa
Es un producto elaborado a partir del extracto que permite una mayor flexibilidad para su introducción en el mercado.
Composición Sólidos totales Extracto de levadura Aditivos naturales Color Olor Sabor
% 40-45 26.9 27.3 Marrón Característico Cárnico robusto, asado
Concentrados de proteínas
COMPOSICIÓN Sólidos totales Proteínas Lípidos Cenizas Hidratos de carbono pH (solución 1%) Consistencia Color Olor Sabor Propiedades funcionales Retención de agua Enlace de aceite Capacidad emulsionante
% 92-95 70-85 0-1 2-4 6-8 6-6.5 Polvo fino Crema muy claro Inodoro Neutro
350-400 700-900 140-150 g de aceite/g proteína
Fibra dietética (concentrado de polisacáridos de pared celular)
Composición Humedad Hidratos de carbono Proteínas Lípidos Cenizas Valor energético Color Olor Sabor
% 5-10 65-85 3-10 0-1
2200-250 kcal Crema claro-blanco
Inodoro neutro
A partir de lo visto hasta aquí, las levaduras
¿PUEDEN SER LA BASE
DE UN NEGOCIO?
Alcohol (potable y carburante) Saccharomyces cerevisiae es la especie más explotada al efecto. El etanol es el más importante producto básico de la industria fermentativa. La levadura y las vinazas se colectan después de la destilación. La primera es un excelente suplemento en la alimentación animal. Las segundas son un serio problema ecológico.
Producción de enzimas Se producen cantidades de enzimas importantes a apartir de la levadura e.g. alcohol deshidrogenasa, hexokinasa, lactato deshidrogenasa, glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, etc. Invertasa Degrada la sacarosa en glucosa y fructosa. Se usa en la industria de repostería para poducir chocolates blandos. Lactasa La enzima ß-galactosidasa (lactasa) se usa ampliamente en la industria láctea. Se aisla de la levadura Kluyveromyces lactis, K. marxianus, o K. fragilis.
Levaduras especiales La biomasa de levadura acumula cantidades variables de minerales presentes en su medio de crecimiento, aún cuando no los necesite metabólicamente. Algunas plantas también lo hacen. Así, la levadura puede acumular cationes de importancia fisiológica como Se, Cr, Fe, Zn, etc, si estos se encuentran en el medio de propagación. Esto puede ser usado en la suplementación de cationes deficitarios en la dieta humana y animal.
Selenio. Es muy deficiente en numerosos países como China, Nueva Zelandia y Finlandia. , El contenido de Se en las cosechas y los piensos producidos en la mayor parte del mundo están por debajo de los niveles óptimos. Históricamente se ha suministrado como selenito de sodio. La absorción del selenio inorgánico es inferior al natural. Las levaduras son capaces de asimilar Se y si este se administra en modo fed batch, las concentraciones del catión jamás son tóxicas (para la célula microbiana) y pueden incorporarse hasta 1000 µg/g (se acumula como seleniometionina, seleniodiglutatión y seleniocisteíne; por tanto podremos hablar de selenioproteínas). Cromo. El Cr trivalente es un componente del Factor de Tolerancia a la Glucosa (GTF). Puede actuar como cofactor para potenciar la actividad insulínica. La habilidad del hombre para sintetizar GTF disminuye con la edad. El GTF de levadura es capaz de revertir esta deficiencia.
Volvamos a la pregunta inicial ¿Puede basarse una industria en este microorganismo? Parece ser que la respuesta es definitivamente SI. ¿Estamos en condiciones de desarrollarla por medios propios?, también parece positiva la respuesta, pero: ¿Qué necesitamos para ello? •Una puerta abierta hacia la agricultura y la visión de salir hacia ella •Un equipo de investigación poderoso (en fisiología de levaduras, cinética de bioprorcesos y biología molecular), así como una interfase en fisiología y nutrición animal. •Un equipo de comercialización internacional, y por supuesto • ………. financiamiento
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