Proteína unicelular - Single-cell protein

Las proteínas unicelulares ( SCP ) o proteínas microbianas 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 se caracteriza por una alta huella hídrica , alto uso de la tierra, destrucción de la biodiversidad, degradación ambiental general y contribuye al cambio climático mediante la emisión de un tercio de todos los gases de efecto invernadero , la producción de SCP no necesariamente presenta ninguno de estos graves inconvenientes. 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 . 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. Una publicación de 2021 mostró que la producción de proteína microbiana impulsada por energía fotovoltaica podría usar 10 veces menos tierra para una cantidad equivalente de proteína en comparación con el cultivo de soja.

Con una población mundial que alcanzará los 9.000 millones para 2050, existen pruebas sólidas de que la agricultura no podrá satisfacer la demanda y de que existe un grave riesgo de escasez de alimentos. El SCP autótrofo representa opciones de producción de alimentos en masa a prueba de fallas que pueden producir alimentos de manera confiable incluso en condiciones climáticas adversas.

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. 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 ). En el período de la 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 ingesta de proteínas. en su dieta. También se temía que la producción agrícola no pudiera satisfacer las crecientes demandas de alimentos de la humanidad. A mediados de la década de los 60, se producían casi un cuarto de millón de toneladas de levadura alimentaria en diferentes partes del mundo y sólo la Unión Soviética producía unas 900.000 toneladas en 1970 de levadura alimentaria y forrajera.

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.

El término SCP fue acuñado en 1966 por Carroll L. Wilson del MIT .

La idea de "alimentos a base de aceite" se hizo bastante popular en la década de 1970, y Champagnat recibió el Premio de Ciencias de la UNESCO en 1976 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.

Los soviéticos se mostraron particularmente entusiasmados y abrieron grandes plantas de "BVK" ( belkovo-vitaminny kontsentrat , es decir, "concentrado de proteína-vitamina") junto a sus refinerías de petróleo en Kstovo (1973) y Kirishi (1974). 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 otros procesos microbiológicos.

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 carne a base de proteínas unicelulares (que no utiliza hongos sino bacterias) 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). Con los procesos de 'alimentación eléctrica' los insumos son electricidad, CO
2 y oligoelementos y productos químicos como fertilizantes.

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 su 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:

Propiedades

La producción a gran escala de biomasa microbiana tiene muchas ventajas sobre los métodos tradicionales para producir proteínas para alimentos o piensos.

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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. Los perfiles de aminoácidos de muchos microorganismos SCP a menudo tienen una excelente calidad nutricional, comparable a la del huevo de gallina.
  4. 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.
  5. 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.
  6. Como las plantas, los microorganismos autótrofos son capaces de crecer en CO 2 . Algunos de ellos, como las bacterias con la vía Wood-Ljungdahl o el TCA reductor pueden fijar el CO
    2    entre 2-3, hasta 10 veces más eficiente que las plantas si se consideran también los efectos de la fotoinhibición .
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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".
  10. 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.
  11. 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 global (riego, superficie, suelo y agua de lluvia) de los cultivos alcanza alrededor de 1800 litros por kg de cultivo debido a la evaporación, transpiración, drenaje y escorrentía, los biorreactores cerrados que producen SCP no exhiben ninguna de estas causas.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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. Un método común consiste en un tratamiento térmico que mata las células, inactiva las proteasas y permite que las ARNasas endógenas hidrolicen el ARN liberando nucleótidos de la célula al caldo de cultivo.
  • 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.
  • 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.
  • Algunas proteínas de levadura y hongos tienden a ser deficientes en metionina .

Ver también

Referencias