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Producción de proteína destinada a alimentación animal a partir de microorganismos

31/08/2018UAB Prof. Dra. Mª de Àngels Calvo Torras
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Dra. Mª de Àngels Calvo Torras

Licenciada y Doctor en Farmacia por la UB (Universidad de Barcelona). Premio extraordinario de Licenciatura. Licenciada y Doctor en Veterinaria por la UCM (Universidad Complutense de Madrid). Diplomada en Sanidad y Especialista en Microbiología y Parasitología. Prof. Adjunto Numerario en el año 1980 y Catedrático de Sanidad Animal desde 1985, desarrollando actualmente, su actividad docente en la Facultad de Veterinaria de la UAB (Universidad Autónoma de Barcelona).

 

Este artículo recoge la conferencia titulada “Producción de proteína destinada a alimentación animal a partir de microorganismos”, impartida por la Prof. Dra. Mª de Àngels Calvo Torras, de la Facultad de Veterinaria, de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) en la ceremonia de fin de curso académico de 2017.

Actualmente, uno de los mayores problemas con que se enfrenta el mundo es la tasa de crecimiento demográfico y en consecuencia es muy difícil que la agricultura convencional aporte la cantidad de alimento suficiente para una población tan numerosa. Por este motivo, la investigación de fuentes de proteínas ha motivado el desarrollo de nuevas técnicas agrícolas, para obtener cereales con elevado contenido proteico, e incluso la extracción de proteínas a partir de abocamientos líquidos mediante ultrafiltración.

Otra importante línea de investigación se basa en la producción y obtención del alto contenido de proteico, que puede aportar la biomasa microbiana. La capacidad de los microorganismos de crecer en varios sustratos ayuda a producir estabiomasa microbiana, conocida como proteína unicelular, con el desarrollo de microorganismos como bacterias, levaduras, algas y hongos, para la producción de alimentos para animales y para el hombre. El nombre de esta técnica hace referencia al estado unicelular o filamentoso de los microorganismos empleados para su producción, a diferencia de las proteínas obtenidas a partir de seres vivos pluricelulares, cómo son las plantas y los animales.

Desde hace mucho tiempo, el hombre ya había reconocido el valor nutritivo de determinados microorganismos, como son las levaduras y determinados hongos filamentosos.

A pesar de que la ingestión de proteínas procedentes de microorganismos no está aceptada por determinados consumidores debido a su sabor, no hay que olvidar que es una gran fuente de proteínas: mientras que a partir de 1.000Kg de soja, se producen diariamente 10Kg de proteína, la producción de proteína de 1.000Kg de bacterias llega hasta 100.000 millones de kilos. Esto es consecuencia principalmente del tiempo requerido para duplicar la masa de los microorganismos. Así, podemos decir que las bacterias y levaduras doblan su masa en un plazo de 20 a 120 minutos, a diferencia de las plantas de cultivo que tardan entre 1 a 2 semanas y, por ejemplo, de un cerdo que lo logra entre 4 y 6 semanas.

VENTAJAS 
La producción de proteínas por microorganismos tiene muchas ventajas, que podemos resumir, teniendo en cuenta que:

  • En condiciones óptimas su tasa de crecimiento es muy rápida, pero son sensibles a los cambios de pH.
  • La modificación genética de los microorganismos, en su caso, es más fácil que en el caso de plantas y animales.
  • Las proteínas obtenidas a partir de microorganismos presentan un elevado valor nutritivo.
  • Los microorganismos se pueden desarrollar en masa, es decir en grandes cantidades en contenedores relativamente pequeños.
  • Los microorganismos son capaces de alimentarse de una amplia gama de productos de rechazo, y algunos son capaces de degradar incluso la celulosa de plantas.

Un aspecto fundamental es la selección y control de los microorganismos, puesto que no tienen que ser patógenos ni producir ni acumular compuestos tóxicos.

Entre los géneros de bacterias, más utilizadas para la producción de proteína podemos nombrar: Methylomonas, Pseudomonas, Bacillus y Aerobacter, por el hecho que son capaces de duplicarse en un periodo de 20 a 30 min y para tener un alto contenido de proteínas que puede llegar a un 85%. Entre las levaduras mencionaremos: Candida utilis, Saccharomyces cerevisiae y Kluyveromyces fragilis, empleadas tanto en la alimentación humana como animal. En relación a los hongos miceliales mencionaremos que crecen más lentamente que las bacterias y levaduras y entre las especies de elección podemos mencionar a: Paecilomyces variotii, Gliocladium deliquescens y Fusarium graminearum.

Los microorganismos utilizados en la producción de biomasa tienen que ser inoculados en medios favorables (esterilizado) y en condiciones nutricionales, que incluyen:
- Homogeneizar la materia delgada, de forma que le sea fácil al microorganismo metabolizarla o eliminar agentes inhibidores de crecimiento microbiano.
- Enriquecer el medio con nutrientes como sales nitrogenadas y fósforo, para que sirvan de fuente mineral.
- Ajustar el pH y la humedad del sustrato para favorecer el crecimiento de microorganismos involucrados.
- Aplicar tratamientos térmicos para eliminar los microorganismos patógenos de la matriz o materia prima.

DESVENTAJAS

  • En ocasiones, la proteína obtenida no presenta las características de olor, textura y color. 
  • Se puede producir una digestión lenta o nula en el tracto digestivo del ser humano y en animales, especialmente en cuanto a las algas y esto puede ser causa de indigestión y/o reacciones alérgicas.

Otros productos de interés alimentario obtenidos a partir de microorganismos son: carbohidratos, grasas, vitaminas y minerales, así como aditivos alimentarios del tipo de aminoácidos.

Fermentaciones de subproductos agrícolas y despojos de matadero para sustituir la soja

Equipo de Investigación
El equipo está constituido por miembros de los grupos de investigación de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB):

  • Grupo de Microbiología Aplicada y medioambiental del Departamento de Sanidad Anatomía Animales. Prof. Responsable Dra. M. Àngels Calvo.
  • Grupo de Investigación en Rumiantes del Departamento de Ciencia Animal y de Alimentos. Prof. Responsable Dr. Gerardo Caja.
  • Grupo de Compostaje de Residuos Sólidos Orgánicos del Departamento de Ingeniería Química. Prof. Responsable Dra. M. Teresa Gea.

MEMORIA
Antecedentes
El tratamiento de los residuos industriales representa un importante problema medioambiental debido a su volumen, y sus características físico-químicas. En los últimos años se han realizado un gran número de proyectos de investigación y publicaciones, que proponen dar un valor añadido a diferentes tipos de subproductos (Balandran-Quintana et. al., 2015; Jahurul et. al., 2015; Palumbo et. al., 2015). Se tiene que tener en cuenta que muchos de los residuos y subproductos industriales contienen hidratos de carbono (azúcares y fibra) y/o proteínas, que pueden ser aprovechados como sustratos, ya sea directamente o previas transformaciones biológicas, para obtener compuestos de alto valor en la alimentación animal (Bellaver et. al., 2005; Molina-Alcaide et. al., 2008; Molina-Alcaide y Yánez-Ruiz, 2008; Soto et. al., 2015).

A partir del estudio desarrollado el año anterior se pudieron seleccionar diferentes tipos de subproductos más adecuados para llevar a cabo la investigación que se plantea y también se han realizado estudios preliminares por la selección de grupos de microorganismos de interés en la consecución de las transformaciones deseadas.

La composición final de los productos obtenidos está condicionada al tipo de sustrato y a los inóculos utilizados, así como a las condiciones del proceso fermentativo, que está muy poco estudiado en el caso de los residuos agrícolas y agroalimentarios.

A partir de los primeros estudios realizados proponemos trabajar sobre residuos de frutas, residuos de la industria láctea, melazas y también sobre algas contaminados de canales de ríos y que dificultando el manejo del agua de los mismos de forma adecuada y su posterior eliminación cuando se retiran del curso de las aguas.

OBJETIVOS
El proyecto tiene como principales objetivos:

  • Estudiar las características fermentativas y factores de optimización del proceso fermentativo, incluyendo inóculos microbianos innovadores, por su rentabilidad y la calidad de los productos obtenidos.
  • Estudiar la composición y valoración nutritiva de los productos obtenidos para su utilización como suplementos proteicos destinados a la alimentación animal.

PLAN DE INVESTIGACIÓN

Actividad 1

Estudio de la Fermentación de los materiales seleccionados

En una primera fase se determinará el potencial de fermentación de los sustratos seleccionados, a escala de laboratorio y a temperatura controlada, en tubos de ensayo para hacer una primera selección, y posteriormente los que permitan obtener mejores resultados se desarrollarán sobre los sustratos seleccionados a diferente escala: matraz de 500ml y finalmente reactores de 1 L equipados con medida de presión para el cálculo del biogás producido (Ponsà et. al., 2011). 

Como inóculos innovadores se utilizarán bacterias lácteas, levaduras y una mezcla constituida por bacterias lácteas, levaduras y bacterias fotótrofas. Se evaluará la mejora de la digestibilidad de los residuos y su poder nutritivo y, paralelamente, la producción de biogás, fuente de energía renovable.
Se compararán los resultados obtenidos con los diferentes microorganismos al desarrollarse sobre sustratos como, por ejemplo:
- Residuos de frutas: manzanas y naranjas
- Algas procedentes de los canales del Ebro y que representan una grave fuente de residuos, cuando se quieren eliminar
- Melazas
- Residuos de productos lácteos
- Residuos de mataderos
Se utilizarán cepas microbianas aisladas de diferentes sustratos (Ávila et. al., 2014). A partir del potencial de fermentación y las características de los residuos, se realizará la selección de los materiales, incluyendo la formulación de posibles mezclas.

En la formulación se tendrá en cuenta también la cantidad y estacionalidad con la cual se generan estos residuos. Una vez definidos los sustratos óptimos, se evaluará la fermentación de los mejores sustratos potenciales en biorreactores de mayor volumen (Maulini-Duran et. al., 2015).
Las muestras finales obtenidas se conservarán para su análisis a la Actividad 2.

Actividad 2

Estudio de la composición y valoración nutritiva de los productos obtenidos para su utilización como suplementos proteicos en alimentación animal

Se propone la evaluación de la capacidad nutritiva de las muestras obtenidas a la actividad anterior. Se procederá a determinar la composición química de las muestras siguiendo los esquemas clásicos de Weende y Van Soest (AOAC, 2003).

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