Las proteínas unicelulares ( SCP ) o proteínas microbianas [1] se refieren a microorganismos unicelulares comestibles . El extracto de biomasa o proteína de cultivos puros o mixtos de algas , levaduras , hongos o bacterias puede usarse como ingrediente o sustituto de alimentos ricos en proteínas, y es adecuado para el consumo humano o como alimento para animales. La agricultura industrial está marcada por una alta huella hídrica , [2] alto uso de la tierra, [3] destrucción de la biodiversidad, [3] degradación ambiental general [3]y contribuye a cambio climático por la emisión de un tercio de todos los gases de efecto invernadero , [4] producción de SCP no necesariamente exhiben cualquiera de estos inconvenientes graves. En la actualidad, el SCP se cultiva comúnmente en productos de desecho agrícola y, como tal, hereda la huella ecológica y la huella hídrica de la agricultura industrial. Sin embargo, el SCP también puede producirse de forma totalmente independiente de los productos de desecho agrícolas mediante el crecimiento autótrofo . [5] Gracias a la alta diversidad del metabolismo microbiano, el SCP autótrofo proporciona varios modos diferentes de crecimiento, opciones versátiles de reciclaje de nutrientes y una eficiencia sustancialmente mayor en comparación con los cultivos. [5]
Con una población mundial que alcanzará los 9 000 millones en 2050, existen pruebas sólidas de que la agricultura no podrá satisfacer la demanda [6] y de que existe un grave riesgo de escasez de alimentos. [7] [8] El SCP autótrofo representa opciones de producción masiva de alimentos a prueba de fallas que pueden producir alimentos de manera confiable incluso en condiciones climáticas adversas. [5]
Historia
En 1781, se establecieron procesos para preparar formas altamente concentradas de levadura. La investigación sobre la tecnología de proteínas unicelulares comenzó hace un siglo cuando Max Delbrück y sus colegas descubrieron el alto valor del excedente de levadura de cerveza como suplemento alimenticio para animales. [9] Durante la Primera Guerra Mundial y la Segunda Guerra Mundial, la levadura-SCP se empleó a gran escala en Alemania para contrarrestar la escasez de alimentos durante la guerra. Las invenciones para la producción de SCP a menudo representaron hitos para la biotecnología en general: por ejemplo, en 1919, Sak en Dinamarca y Hayduck en Alemania inventaron un método llamado "Zulaufverfahren", ( lote alimentado ) en el que la solución de azúcar se alimentaba continuamente a una suspensión aireada. de levadura en lugar de agregar levadura a la solución de azúcar diluida una vez ( lote ). [9] En el período de posguerra, la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) hizo hincapié en los problemas de hambre y desnutrición del mundo en 1960 e introdujo el concepto de brecha de proteínas, mostrando que el 25% de la población mundial tenía una deficiencia. de la ingesta de proteínas en su dieta. [9] También se temía que la producción agrícola no pudiera satisfacer las crecientes demandas de alimentos de la humanidad. A mediados de los años sesenta, se producían casi un cuarto de millón de toneladas de levadura alimentaria en diferentes partes del mundo y la Unión Soviética producía en 1970 unas 900.000 toneladas de levadura alimentaria y forrajera. [9]
En la década de 1960, los investigadores de British Petroleum desarrollaron lo que llamaron "proceso de proteínas a partir del aceite": una tecnología para producir proteína unicelular mediante levadura alimentada con n-parafinas cerosas, un subproducto de las refinerías de petróleo. El trabajo de investigación inicial fue realizado por Alfred Champagnat en la refinería de petróleo Lavera de BP en Francia; una pequeña planta piloto allí comenzó a operar en marzo de 1963, y se autorizó la misma construcción de la segunda planta piloto, en Grangemouth Oil Refinery en Gran Bretaña. [10]
El término SCP fue acuñado en 1966 por Carroll L. Wilson del MIT . [11]
La idea de "alimentos a partir de aceite" se hizo muy popular en la década de 1970, y Champagnat fue galardonado con el Premio de Ciencias de la UNESCO en 1976 [12] y se construyeron instalaciones de levadura alimentadas con parafina en varios países. El uso principal del producto fue como alimento para ganado y aves de corral. [13]
Los soviéticos se mostraron particularmente entusiasmados y abrieron grandes plantas "BVK" ( belkovo-vitaminny kontsentrat , es decir, "concentrado de proteína-vitamina") junto a sus refinerías de petróleo en Kstovo (1973) [14] [15] [16] y Kirishi (1974 ). [17] El Ministerio de Industria Microbiológica soviético tenía ocho plantas de este tipo en 1989. Sin embargo, debido a preocupaciones sobre la toxicidad de los alcanos en SCP y presionado por los movimientos ambientalistas, el gobierno decidió cerrarlas o convertirlas a otras plantas microbiológicas. Procesos. [17]
Quorn es una gama de sustitutos de la carne vegetarianos y veganos elaborados a partir de la micoproteína Fusarium venenatum , que se vende en Europa y América del Norte.
Otro tipo de análogo de la carne a base de proteínas unicelulares (que, sin embargo, no utiliza hongos sino bacterias [18] ) es Calysta .
Proceso de producción
Las proteínas unicelulares se desarrollan cuando los microbios fermentan materiales de desecho (incluida la madera, la paja, las conservas y los desechos del procesamiento de alimentos, los residuos de la producción de alcohol, los hidrocarburos o las excretas humanas y animales). [19] Con los procesos de 'alimentos eléctricos' los insumos son electricidad, CO2 y oligoelementos y productos químicos como fertilizantes. [20]
El problema con la extracción de proteínas unicelulares de los desechos es la dilución y el costo. Se encuentran en concentraciones muy bajas, generalmente menos del 5%. Los ingenieros han desarrollado formas de aumentar las concentraciones, incluida la centrifugación, la flotación, la precipitación, la coagulación y la filtración, o el uso de membranas semipermeables.
La proteína unicelular debe deshidratarse hasta aproximadamente un 10% de contenido de humedad y / o acidificarse para ayudar en el almacenamiento y evitar el deterioro. Los métodos para aumentar las concentraciones a niveles adecuados y el proceso de deshidratación requieren equipos que son costosos y no siempre adecuados para operaciones a pequeña escala. Es económicamente prudente alimentar el producto localmente y poco después de su producción.
Microorganismos
Los microbios empleados incluyen:
- Levadura
- Saccharomyces cerevisiae
- Pichia pastoris
- Candida utilis
- Torulopsis corallina
- Geotrichum candidum
- Hongos ( micoproteína )
- Aspergillus oryzae
- Fusarium venenatum
- Sclerotium rolfsii
- Polyporus
- Trichoderma
- Scytalidium acidophilum [21]
- Bacterias
- Rhodobacter capsulatus [19]
- Algas
- espirulina (suplemento dietético)
- Clorella [22]
Propiedades
La producción a gran escala de biomasa microbiana tiene muchas ventajas sobre los métodos tradicionales para producir proteínas para alimentos o piensos.
- Los microorganismos tienen una tasa de crecimiento mucho más alta (algas: 2 a 6 horas, levadura: 1 a 3 horas, bacterias: 0,5 a 2 horas). Esto también permite seleccionar cepas con alto rendimiento y buena composición nutricional de forma rápida y sencilla en comparación con la cría.
- Mientras que una gran parte del cultivo, como los tallos, las hojas y las raíces, no son comestibles, los microorganismos unicelulares se pueden utilizar por completo. Mientras que partes de la fracción comestible de los cultivos que contienen no son digeribles, muchos microorganismos son digeribles en una fracción mucho mayor. [5]
- Los microorganismos suelen tener un contenido de proteínas mucho más alto de 30 a 70% en la masa seca que las verduras o los cereales. [ cita requerida ] Los perfiles de aminoácidos de muchos microorganismos SCP a menudo tienen una excelente calidad nutricional, comparable a un huevo de gallina.
- Algunos microorganismos pueden producir vitaminas y nutrientes que los organismos eucariotas, como las plantas, no pueden producir o no producen en cantidades significativas, incluida la vitamina B12.
- Los microorganismos pueden utilizar un amplio espectro de materias primas como fuentes de carbono, incluidos alcanos, metanol, metano, etanol y azúcares. Lo que se consideró "producto de desecho" a menudo se puede recuperar como nutrientes y favorecer el crecimiento de microorganismos comestibles.
- Como las plantas, los microorganismos autótrofos son capaces de crecer en CO 2 . Algunas de ellas, como las bacterias con la vía Wood-Ljungdahl o el TCA reductor pueden fijar CO2 entre 2-3, [23] hasta 10 veces más eficientemente que las plantas [24] cuando se consideran también los efectos de la fotoinhibición .
- Algunas bacterias, como varios clostridios homoacetogénicos, son capaces de realizar la fermentación del gas de síntesis . Esto significa que pueden metabolizar el gas de síntesis , una mezcla gaseosa de CO, H 2 y CO 2 que se puede producir mediante la gasificación de residuos biológicos intratables residuales como la lignocelulosa.
- Algunas bacterias son diazotróficas, es decir, pueden fijar N 2 del aire y, por lo tanto, son independientes de los fertilizantes nitrogenados químicos, cuya producción, utilización y degradación causa un daño tremendo al medio ambiente, deteriora la salud pública y fomenta el cambio climático. [25]
- Muchas bacterias pueden utilizar H 2 para suministro de energía, utilizando enzimas llamadas hidrogenasas . Considerando hidrogenasas son normalmente altamente O 2 -sensible, algunas bacterias son capaces de realizar O 2 dependiente de la respiración de H 2 . Esta característica permite que las bacterias autótrofas crezcan en CO 2 sin luz a una tasa de crecimiento rápida. Dado que el H 2 se puede producir de manera eficiente mediante la electrólisis del agua , por así decirlo, esas bacterias pueden "alimentarse con electricidad". [5]
- La producción de biomasa microbiana es independiente de las variaciones climáticas y estacionales, y puede protegerse fácilmente de los fenómenos meteorológicos extremos que se espera que provoquen malas cosechas con el cambio climático en curso . Los microorganismos independientes de la luz, como las levaduras, pueden seguir creciendo durante la noche.
- El cultivo de microorganismos generalmente tiene una huella hídrica mucho menor que la producción de alimentos agrícolas. Mientras que la huella hídrica azul-verde promedio mundial (riego, superficie, suelo y agua de lluvia) de los cultivos alcanza aproximadamente 1800 litros por kg de cultivo [2] debido a la evaporación, transpiración, drenaje y escorrentía, los biorreactores cerrados que producen SCP no presentan ninguna de estas causas. .
- El cultivo de microorganismos no requiere suelo fértil y, por tanto, no compite con la agricultura. Gracias a los bajos requisitos de agua, el cultivo de SCP incluso se puede realizar en climas secos con suelo infértil y puede proporcionar un medio de suministro de alimentos a prueba de fallas en países áridos.
- Los microorganismos fotosintéticos pueden alcanzar una mayor eficiencia de conversión de energía solar que las plantas, porque en los fotobiorreactores el suministro de agua, el CO 2 y una distribución equilibrada de la luz pueden controlarse estrictamente.
- A diferencia de los productos agrícolas que se procesan hacia la calidad deseada, con los microorganismos es más fácil dirigir la producción hacia la calidad deseada. En lugar de extraer aminoácidos de las semillas de soja y desechar la mitad del cuerpo de la planta en el proceso, los microorganismos pueden modificarse genéticamente para producir en exceso o incluso secretar un aminoácido en particular. Sin embargo, para mantener una buena aceptación por parte de los consumidores, suele ser más fácil obtener resultados similares mediante el cribado de microorganismos que ya tienen el rasgo deseado o entrenarlos mediante una adaptación selectiva.
Aunque el SCP muestra características muy atractivas como nutriente para los humanos, existen algunos problemas que impiden su adopción a nivel mundial:
- Los microorganismos de crecimiento rápido, como las bacterias y las levaduras, tienen una alta concentración de ácido nucleico , en particular ARN. Los niveles deben limitarse en las dietas de animales monogástricos a <50 g por día. La ingestión de compuestos de purina que surgen de la descomposición del ARN conduce a un aumento de los niveles plasmáticos de ácido úrico , que puede causar gota y cálculos renales . El ácido úrico se puede convertir en alantoína , que se excreta en la orina. La eliminación de ácidos nucleicos no es necesaria de los alimentos para animales, sino de los alimentos para humanos. Una temperatura mantenida a 64 ° C inactiva las proteasas fúngicas y lo permite. Sin embargo, este problema puede solucionarse. [ cita requerida ] Un método común consiste en un tratamiento térmico que mata las células, inactiva las proteasas y permite que las ARNasas endógenas hidrolicen el ARN con liberación de nucleótidos de la célula al caldo de cultivo. [26]
- Al igual que las células vegetales, la pared celular de algunos microorganismos como las algas y las levaduras contiene componentes no digeribles, como la celulosa. Las células de algún tipo de SCP deben romperse para liberar el interior de la célula y permitir una digestión completa. [ cita requerida ]
- Algún tipo de SCP exhibe colores y sabores desagradables.
- Dependiendo del tipo de SCP y las condiciones de cultivo, se debe tener cuidado para prevenir y controlar la contaminación por otros microorganismos porque los contaminantes pueden producir toxinas como micotoxinas o cianotoxinas. Se propuso un enfoque interesante para abordar este problema con el hongo Scytalidium acidophilum que crece a un pH tan bajo como 1. Esto permite hidrolizar los desechos de papel a un medio de azúcar y crea condiciones asépticas a bajo costo. [21]
- Algunas proteínas de levadura y hongos tienden a ser deficientes en metionina .
Ver también
- Solein : una proteína unicelular fabricada por Solar Foods Ltd.
- Kiverdi, Inc. [27] [28] [29] [30]
- Bacterias violetas : un tipo de proteína unicelular [31]
- Kyanos [32]
- NovoNutrients [33] [34] [28]
- Biotecnología de ramas profundas [28] [35] [36]
- Producción de hidrógeno fermentativo
- Hidrogenótrofos [29]
Referencias
- ^ Proteína microbiana como término diferente para SCP
- ↑ a b Mekonnen, Mesfin M .; Hoekstra, Arjen Y. (1 de noviembre de 2014). "Puntos de referencia de la huella hídrica para la producción de cultivos160X14002660" . Indicadores ecológicos . 46 : 214-223. doi : 10.1016 / j.ecolind.2014.06.013 .
- ^ a b c Tilman, David (25 de mayo de 1999). "Impactos ambientales globales de la expansión agrícola: la necesidad de prácticas sostenibles y eficientes" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 96 (11): 5995–6000. doi : 10.1073 / pnas.96.11.5995 . ISSN 0027-8424 . PMC 34218 . PMID 10339530 .
- ^ Vermeulen, Sonja J .; Campbell, Bruce M .; Ingram, John SI (1 de enero de 2012). "Cambio climático y sistemas alimentarios" . Revisión anual de medio ambiente y recursos . 37 (1): 195-222. doi : 10.1146 / annurev-environment-020411-130608 .
- ^ a b c d e Bogdahn, Ingvar (17 de septiembre de 2015). "Producción de alimentos independiente de la agricultura, sostenible, a prueba de fallos y eficiente mediante proteína unicelular autótrofa" . doi : 10.7287 / peerj.preprints.1279 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Challinor, AJ; Watson, J .; Lobell, DB; Howden, SM; Smith, DR; Chhetri, N. (1 de enero de 2014). "Un metaanálisis del rendimiento de los cultivos bajo el cambio climático y la adaptación" (PDF) . Naturaleza Cambio Climático . 4 (4): 287-291. doi : 10.1038 / nclimate2153 .
- ^ Godfray, H. Charles J .; Beddington, John R .; Crudo, Ian R .; Haddad, Lawrence; Lawrence, David; Muir, James F .; Bonita, Jules; Robinson, Sherman; Thomas, Sandy M. (12 de febrero de 2010). "Seguridad alimentaria: el desafío de alimentar a 9 mil millones de personas" . Ciencia . 327 (5967): 812–818. doi : 10.1126 / science.1185383 . ISSN 0036-8075 . PMID 20110467 .
- ^ Wheeler, Tim; Braun, Joachim von (2 de agosto de 2013). "Impactos del cambio climático en la seguridad alimentaria mundial". Ciencia . 341 (6145): 508–513. doi : 10.1126 / science.1239402 . ISSN 0036-8075 . PMID 23908229 . S2CID 8429917 .
- ^ a b c d Ugalde, UO; Castrillo, JI (2002). Micología aplicada y biotecnología. Volumen 2: agricultura y producción de alimentos . págs. 123-149. ISBN 978-0-444-51030-3.
- ^ Bamberg, JH (2000). British Petroleum y el petróleo global, 1950-1975: el desafío del nacionalismo. Volumen 3 de British Petroleum y Global Oil 1950-1975: El desafío del nacionalismo, serie de JH Bamberg British Petroleum . Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 426–428. ISBN 978-0-521-78515-0.
- ^ HW Doelle (1994). Desarrollo de procesos microbianos . World Scientific. pag. 205. ISBN 9789810215156.
- ^ "Premio UNESCO de Ciencias: Lista de ganadores del premio" . UNESCO. 2001. Archivado desde el original el 10 de febrero de 2009 . Consultado el 7 de julio de 2009 .(Es posible que se haya trasladado a http://unesdoc.unesco.org/images/0011/001111/111158E.pdf )
- ^ Consejo Nacional de Investigaciones (EE. UU.). Junta de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo Internacional (1983). Taller sobre proteínas unicelulares: informe resumido, Yakarta, Indonesia, 1 al 5 de febrero de 1983 . Prensa de la Academia Nacional. pag. 40.
- ^ Planta soviética para convertir aceite en proteína para piensos; Uso de levadura involucrada , por THEODORE SHABAD. The New York Times, 10 de noviembre de 1973.
- ^ RusVinyl - Resumen de problemas sociales [ enlace muerto permanente ] (BERD)
- ^ Первенец микробиологической промышленности (microbiológico primera planta de la industria), en: Станислав Марков (Stanislav Markov) «Кстово - молодой город России» ( Kstovo, de la ciudad de Rusia Joven )
- ^ a b KIRISHI: ¿UNA HISTORIA DE ÉXITO VERDE? Archivado el 7 de agosto de 2009 en la Wayback Machine (Lista de Johnson en Rusia, 19 de diciembre de 2002)
- ^ EOS, abril de 2019, página 52
- ^ a b S. Vrati (1983). "Producción de proteína unicelular por bacterias fotosintéticas cultivadas en los efluentes clarificados de la planta de biogás". Microbiología y Biotecnología Aplicadas . 19 (3): 199–202. doi : 10.1007 / BF00256454 . S2CID 36659986 .
- ^ Boffey, Daniel (29 de junio de 2019). "Planea vender 50 millones de comidas hechas con electricidad, agua y aire" .
- ^ a b Ivarson KC, Morita H (1982). "Producción de proteína unicelular por el hongo tolerante al ácido Scytalidium acidophilum a partir de hidrolizados ácidos de papel usado" . Appl Environ Microbiol . 43 (3): 643–647. doi : 10.1128 / aem.43.3.643-647.1982 . PMC 241888 . PMID 16345970 .
- ^ Jean Marx (ed.). Una revolución en biotecnología (ver capítulo 6 Litchfield) . Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 1–227.
- ^ Boyle, Nanette R .; Morgan, John A. (1 de marzo de 2011). "Cálculo de flujos metabólicos y eficiencias para la fijación biológica de dióxido de carbono". Ingeniería metabólica . 13 (2): 150-158. doi : 10.1016 / j.ymben.2011.01.005 . PMID 21276868 .
- ^ Bar-Even, Arren; Noor, Elad; Lewis, Nathan E .; Milo, Ron (11 de mayo de 2010). "Diseño y análisis de vías de fijación de carbono sintético" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 107 (19): 8889–8894. doi : 10.1073 / pnas.0907176107 . ISSN 0027-8424 . PMC 2889323 . PMID 20410460 .
- ^ Galloway, James N .; Aber, John D .; Erisman, Jan Willem; Seitzinger, Sybil P .; Howarth, Robert W .; Carenado, Ellis B .; Cosby, B. Jack (1 de abril de 2003). "La cascada del nitrógeno". BioScience . 53 (4): 341–356. doi : 10.1641 / 0006-3568 (2003) 053 [0341: TNC] 2.0.CO; 2 . ISSN 0006-3568 .
- ^ Halasz, Anna; Lasztity, Radomir (7 de diciembre de 1990). Uso de biomasa de levadura en la producción de alimentos . Prensa CRC. ISBN 9780849358661.
- ^ El proceso de captura de carbono hace que el petróleo sea sostenible
- ^ a b c Kiverdi utiliza tecnología de la NASA para producir proteínas, alimentos para peces y aceite de palma a partir de CO2
- ^ a b Kiverdi: acerca de
- ^ Proteína de aire de Kiverdi
- ^ Bacterias púrpuras como un tipo de SCP
- ^ Frost, Rosie (30 de julio de 2020). "¿Comerías algas azules para salvar el planeta?" . Euronews .
- ^ Un nuevo nutriente para la acuicultura, a partir de microbios que consumen desechos de carbono.
- ^ Jones, Shawn W; Karpol, Alon; Friedman, Sivan; Maru, Biniam T; Tracy, Bryan P (2020). "Avances recientes en el uso de proteínas unicelulares como ingrediente alimentario en acuicultura" . Opinión Actual en Biotecnología . 61 : 189-197. doi : 10.1016 / j.copbio.2019.12.026 . PMID 31991311 .
- ^ "Peter Rowe de Deep Branch Bio quiere salvar el planeta" .
- ^ "BioCity invierte en la puesta en marcha de reciclaje de carbono, Deep Branch Biotechnology" .