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Proteína unicelular

Las proteínas unicelulares ( SCP ) o proteínas microbianas [1] se refieren a microorganismos unicelulares comestibles . La biomasa o extracto proteico procedente de cultivos puros o mixtos de algas , levaduras , hongos o bacterias puede utilizarse como ingrediente o sustituto de alimentos ricos en proteínas, y es apto para el consumo humano o como alimento para animales. La agricultura industrial está marcada por una elevada huella hídrica , [2] elevado uso de la tierra, [3] destrucción de la biodiversidad, [3] degradación ambiental general [3] y contribuye al cambio climático mediante la emisión de un tercio de todos los gases de efecto invernadero ; [4] la producción de SCP no necesariamente presenta ninguno de estos graves inconvenientes. A día de hoy, el CPS 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 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] Una publicación de 2021 mostró que la producción de proteínas microbianas impulsada por energía fotovoltaica podría utilizar 10 veces menos tierra para una cantidad equivalente de proteína en comparación con el cultivo de soja. [1]

Dado que la población mundial alcanzará los 9.000 millones de personas en 2050, hay pruebas contundentes 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 de levadura altamente concentradas. La investigación sobre la tecnología de proteínas unicelulares comenzó hace un siglo, cuando Max Delbrück y sus colegas descubrieron el alto valor de los excedentes de levadura de cerveza como complemento alimenticio para los 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 CPS a menudo representaban hitos para la biotecnología en general: por ejemplo, en 1919, Sak en Dinamarca y Hayduck en Alemania inventaron un método llamado "Zulaufverfahren" ( batch alimentado ) en el que se alimentaba continuamente una solución de azúcar 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 proteica, demostrando 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 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. [9]

En la década de 1960, investigadores de British Petroleum desarrollaron lo que llamaron "proceso de proteínas a partir del petróleo": 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 comenzó a operar allí en marzo de 1963, y se autorizó la misma construcción de la segunda planta piloto, en la refinería de petróleo de Grangemouth en Gran Bretaña. [10]

El término SCP fue acuñado en 1966 por Carroll L. Wilson del MIT . [11]

La idea de "alimento a partir del petróleo" se hizo bastante popular en la década de 1970, cuando Champagnat recibió 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 aves y ganado. [13]

Los soviéticos se mostraron particularmente entusiastas y abrieron grandes plantas "BVK" ( belkovo-vitaminny kontsentrat , es decir, "concentrado de proteínas y vitaminas") junto a sus refinerías de petróleo en Kstovo (1973) [14] [15] [16] y Kirishi (1974). ). [17] El Ministerio soviético de Industria Microbiológica tenía ocho plantas de este tipo en 1989. Sin embargo, debido a la preocupación por la toxicidad de los alcanos en el 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 de 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 . Otros productores son Unibio (Dinamarca), Circe Biotechnologie (Austria) y String Bio (India).

Se ha argumentado que el CPS es una fuente de alimento alternativo o resiliente. [19] [20]

Proceso de producción

Las proteínas unicelulares se desarrollan cuando los microbios fermentan materiales de desecho (incluidos desechos de madera, paja, enlatados y de procesamiento de alimentos, residuos de la producción de alcohol, hidrocarburos o excrementos humanos y animales). [21] En los procesos de "alimentos eléctricos", los insumos son electricidad, CO 2 y oligoelementos y productos químicos como fertilizantes. [22] También es posible obtener SCP del gas natural para utilizarlo como alimento resiliente. [23] De manera similar, el SCP se puede obtener a partir de residuos de plástico mediante el reciclaje . [24]

El problema de extraer proteínas unicelulares de los desechos es la dilución y el costo. Se encuentran en concentraciones muy bajas, normalmente inferiores al 5%. Los ingenieros han desarrollado formas de aumentar las concentraciones, incluida la centrifugación, flotación, precipitación, coagulación y 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 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 de producción de proteínas para alimentos o piensos.

  1. Los microorganismos tienen una tasa de crecimiento mucho mayor (algas: 2 a 6 horas, levaduras: 1 a 3 horas, bacterias: 0,5 a 2 horas). Esto también permite la selección de cepas con alto rendimiento y buena composición nutricional de manera más rápida y sencilla en comparación con el mejoramiento.
  2. Mientras que gran parte de los cultivos, como tallos, hojas y raíces, no son comestibles, se pueden utilizar microorganismos unicelulares en su totalidad. Mientras que partes de la fracción comestible de los cultivos no son digeribles, muchos microorganismos lo son en una fracción mucho mayor. [5]
  3. Los microorganismos suelen tener un contenido de proteínas mucho mayor, del 30 al 70% en la masa seca, que las verduras o los cereales. [27] Los perfiles de aminoácidos de muchos microorganismos SCP a menudo tienen una calidad nutricional excelente, comparable a la de los huevos 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 consideraba "producto de desecho" a menudo puede recuperarse como nutrientes y favorecer el crecimiento de microorganismos comestibles.
  6. Al igual que las plantas, los microorganismos autótrofos son capaces de crecer sobre el CO 2 . Algunas de ellas, como las bacterias con la vía Wood-Ljungdahl o el TCA reductor, pueden fijar CO 2 con eficiencias que van desde 2-3 veces [28] hasta 10 veces más eficientemente que las plantas, [29] 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 de gases 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 tanto, son independientes de los fertilizantes N químico, cuya producción, utilización y degradación causan enormes daños al medio ambiente, deterioran la salud pública y fomentan el cambio climático. [30]
  9. Muchas bacterias pueden utilizar H2 para el suministro de energía, utilizando enzimas llamadas hidrogenasas . Mientras que las hidrogenasas normalmente son muy sensibles al O 2 , algunas bacterias son capaces de realizar una respiración de H 2 dependiente de O 2 . Esta característica permite que las bacterias autótrofas crezcan en CO 2 sin luz a un ritmo de crecimiento rápido. Dado que el H 2 se puede producir de manera eficiente mediante electrólisis del agua , por así decirlo, esas bacterias pueden ser "alimentadas por electricidad". [5]
  10. La producción de biomasa microbiana es independiente de las variaciones climáticas y estacionales, y puede protegerse fácilmente de fenómenos climáticos extremos que se espera que causen pérdidas de 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 agrícola de alimentos. Mientras que la huella hídrica global promedio azul-verde (riego, superficie, suelo y lluvia) de los cultivos alcanza aproximadamente 1800 litros por kg de cultivo [2] debido a la evaporación, la transpiración, el drenaje y la escorrentía, los biorreactores cerrados que producen SCP no presentan 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 se puede realizar incluso en climas secos con suelos infértiles y puede proporcionar un medio de suministro de alimentos a prueba de fallos en países áridos.
  13. Los microorganismos fotosintéticos pueden alcanzar una mayor eficiencia de conversión de energía solar que las plantas, porque en los fotobiorreactores se puede controlar estrictamente el suministro de agua, CO 2 y una distribución equilibrada de la luz.
  14. A diferencia de los productos agrícolas que se procesan para obtener la calidad deseada, con los microorganismos es más fácil dirigir la producción hacia la calidad deseada. En lugar de extraer aminoácidos de la soja y desechar la mitad del cuerpo de la planta en el proceso, se pueden modificar genéticamente microorganismos 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 buscando microorganismos que ya tengan el rasgo deseado o entrenándolos 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:

Ver también

Referencias

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enlaces externos