Biotecnología

La inmovilización de un biocatalizador consiste en la localización de una célula o enzima en una región definida de espacio, manteniendo al mismo tiempo una actividad catalítica deseada. Además, en el caso concreto de las células, esto involucra a su viabilidad.¹

Uno de los principales principios de cualquier sistema con biocatalizadores inmovilizados data en el transporte de substratos y productos producidos por mecanismos difusionales. El uso de biocatalizadores para llevar a cabo biotransformaciones es un área de la biotecnología en continua expansión.- ......................................................:http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Especial:Libro&bookcmd=download&collection_id=66bedd992dd88a2557c72ca5e9194d07f7c28110&writer=rdf2latex&return_to=Biocatalizadores+inmovilizados

La inmovilización de biocatalizadores, ya sean enzimas o células, consiste en la obtención de dichos biocatalizadores fijados a un soporte generalmente sólido mediante una reacción química. Estos derivados inmovilizados presentan mejores propiedades operacionales y de estabilidad, lo que lleva implícito el consiguiente abaratamiento de los costes en los procesos en los que participen.

Fig. 1: Retención de los productos resultantes de la degradación enzimática de compuestos fenólicos en quitina.

¿Cómo funciona?:

Una vez obtenido el biocatalizador inmovilizado via reacción covalente, su funcionamiento es más ventajoso y más económico, pudiendose reutilizar un mayor número de ciclos, o más tiempo que el biocatalizador en estado libre.

La reacción de inmovilización es una reacción entre el biocatalizador (enzima, sistema multienzimático o célula) y el soporte (quitina, quitosán u otro material) que permite al cabo de 10 horas de reacción la obtención del biocatalizador inmovilizado listo para trabajar en el biorreactor.

Ventajas:

Las ventajas más destacadas de trabajar son biocatalizadores inmovilizados son:

• El abaratamiento de los costes de la reacción en que intervienen puesto que se puede recuperar el biocatalizador después de cada ciclo, (especialmente ventajoso resulta si el soporte elegido y la reacción de inmovilización son de costes mínimos: tal es el caso de la inmovilización en quitina).
• Mejora operacional al tratarse de un derivado inmovilizado y por lo tanto sólido lo que permite el uso de bioreactores de flujo y batch.

¿Dónde se ha desarrollado?:

Esta técnica ha sido desarrollada por el Grupo de Inmovilización de Biocatalizadores de la Unidad de RMN (dpto. de Química Física) quien tiene descrito y en funcionamiento a nivel de laboratorio la inmovilización de 5 biocatalizadores distintos en quitina procedente de residuos de crustáceos via covalente. Dos de ellos están optimizandose conjuntamente con la empresa DSMDERETIL, para la síntesis de productos intermedios en la producción de antibióticos.

La propiedad de los biocatalizadores obtenidos está regulada por el contrato firmado entre dicha empresa y la UCM.

Y además:

El Grupo de Inmovilización puede dar servicio en cuanto a la inmovilización de enzimas y células inmovilizadas en quitinas u otros soporte sólidos, para obtener biocatalizadores inmovilizados de utilización en bioprocesos de industrias alimentarias, farmaceúticas, biotecnológicas, etc. Esta utilización vendrá impuesta por el tipo de enzima o célula a inmovilizar.

• Adaptar la tecnología a los problemas concretos del cliente.
• Realizar estudios de viabilidad técnica para una aplicación concreta.
• Posibilidades de asistencia técnica después de la compra.
• Formación para la utilización de la tecnología en cuestión.

Usando biocatalizadores como enzimas o células enteras actives es de gran ayuda para llevar a cabo muchas síntesis químicas comerciales y conversiones, tales como el uso de enzimas para la conversión de glucosa a fructosa, el uso de células enteras para la conversión de almidón en etanol, y la producción continua de yogur, etc. Para llevar a cabo estos procesos en una moderada a gran escala, los biocatalizadores debe ser concentrada y recuperable para su reutilización.

Esto se puede lograr por “inmovilizar” las enzimas o células mediante el atrapa miento en un material que todavía permita la penetración de la sustancia a ser convertido o cambiado. Originalmente las enzimas individuales fueron aislados y usados para una conversión especifica, pero ahora resultados similares o mejores se puede conseguir mediante el uso de células entras, y esto resulta más económico. Una ventaja añadida de inmovilización es que las células duran más. Ordinaria células suspendidas pueden tener una buena actividad para solo 1-2 días, mientras que las células inmovilizadas pueden durar hasta 30 días. Uno de los primeros materiales para ser utilizados para la inmovilización es granos hechos con alginato de calcio. Las células enteras se suspendieron en solución de alginato sódico y esto se añadió gota a gota a una solución de cloruro de calcio. Las perlas se forman en la misma manera como se describe para las cerezas artificiales. En uso, se empaqueta en una columna y una solución de la sustancia a ser convertido se alimenta en la parte superior de la columna y se dejo fluir a través del lecho de perlas que contienen el biocatalizador inmovilizado en las células. La conversión se realiza y el producto sale de la parte inferior. Un ejemplo sencillo es para inmovilizar células de levadura, el flujo de una solución de azúcar a través de las perlas, y el azúcar se convierte en alcohol.

La bioconservación es la extensión de la vida útil de los alimentos empleando conservantes que empleen la microbiota natural, o sus metabolitos.¹ Es por lo tanto la bioconservación, una aplicación específica de la biotecnología a la conservación, procesado y seguridad de los alimentos. Estas técnicas tienen como objetivo ser más eficientes y más naturales que las empleadas por conservantes sintéticos de origen industrial.² Para ello se investiga, se desarrolla y se procesan sustancias naturales (no-sintéticas), se emplean microorganismos que ayuden en las propiedades de procesado y conservación de alimentos. A tales agentes se les denomina biopreservantes, o también bioconservantes.De especial interés en la bioconservación resulta ser la aplicación de las bacterias lácticas (LAB). Este tipo de conservantes se ha empleado ya desde la antiguedad. Estas bacterias emiten entre sus metabolitos ácido láctico que posee propiedades antagonistas que pueden ser conideradas útiles como biopreservantes. Cuando estas bacterías lácticas ingieren los nutrientes, sus metabolitos actúan como substancias antimicrobianas (ácido láctico, peróxido de hidrógeno, y péptidos con propiedades bacteriocinaceas. Algunas de las bacterías lácticas producen antimicrobianos naturales como la nisina que es particularmente efectivo contra algunas bacterias tóxicas.^2 3

La investigación en bacteriófagos (generalmente virus que matan bacterias) como agente anti-microbiano que cese la actividad selectiva de algunas bacterias es interesante. Por regla general la investigación en bacteriocinas, como pueden ser la producción de lantibióticos. De la misma forma se investiga la acción de péptidos estables al calor que no posean lantionina, como son la pediocina, la lactococcina (producida por cepas del género Pediococcus), la sakacina (producida por la lactobacillus sake) y la nisina(producida por las cepas de Lactococcus lactis). Algunos de estos péptidos se aplican a la conservación de carnes, lácteos y verduras con un nivel bajo de procesado.

Resulta un campo de investigación las sustancias químicas con propiedades biocidas que, bien sean naturales o sintéticas permiten el control de organismos nocivos.

La creciente demanda de alimentos de IV Gama, junto con el aumento de la preocupación del consumidor por obtener alimentos seguros, pero a la vez libres de conservantes químicos, ha conducido a la búsqueda de métodos más naturales y biológicos para la conservación de los alimentos. La bioconservación o control biológico es un método que puede alargar la vida útil y mejorar la seguridad de los alimentos a través del uso de la microbiota natural o de las sustancias bactericidas antimicrobianas que algunos producen. En este trabajo se pretende dar una visión general sobre el uso de bioconservación en productos de IV Gama.

Las frutas y hortalizas forman parte de una dieta equilibrada ya que, no sólo contribuyen a prevenir trastornos ocasionados por la falta de nutrientes, sino que también reducen el peligro de padecer enfermedades cardiovasculares y distintos tipos de cáncer. Además del aspecto de la salud, otros factores sociales y demográficos, como el cambio del estilo de vida de los consumidores y la incorporación de la mujer al mundo laboral están influyendo positivamente en la popularidad de los productos de IV Gama. Por lo tanto, en los últimos años se ha producido un rápido aumento de su producción y consumo. La IV Gama incluye vegetales, frutas y hortalizas frescas, sin tratamiento térmico, preparados, lavados y envasados que han podido ser objeto de pelado, troceado, corte o cualquier otra operación relativa a la integridad del producto, y que están listos para consumir o cocinar y destinados al consumo humano. La vida útil comercial de estos productos viene determinada principalmente por la temperatura de conservación. Para obtener la frescura, calidad y seguridad óptima, la cadena de frío (entre 0 y 4 °C) debe mantenerse a lo largo de toda la vida útil, ya que son productos frescos que continúan respirando y son altamente susceptibles a la alteración microbiológica. La vida útil depende también del producto y generalmente no excede los 10-12 días.

El consumo de los productos de IV Gama es más elevado en los países desarrollados, y son principales consumidores Estados Unidos, Reino Unido, Francia e Italia. En España, su consumo medio en el año 2011 fue menor que en estos países (6,1 kg por persona). Sin embargo, sus ventas siguen creciendo y en 2011 el volumen de frutas y hortalizas de IV Gama comercializadas en España fue de 74,1 millones de kilos, un 4,9% más que en el mismo periodo de 2010.

Bioconservación

Como se ha mencionado anteriormente, los productos de IV Gama no sufren ningún tratamiento térmico que garantice la eliminación de todos los microorganismos presentes. Por lo tanto, el empleo de agentes desinfectantes en la etapa de lavado es de gran importancia ya que es la única etapa donde se puede reducir la carga microbiana. Además, el uso de desinfectantes previene contaminaciones cruzadas. El hipoclorito es actualmente el desinfectante más utilizado en la industria de frutas y hortalizas frescas a unas concentraciones de 50-200 ppm con un tiempo de contacto de 1-2 minutos (Beuchat, 1998). Es un método de bajo coste, fácil de preparar, aplicar y monitorizar. No obstante, es poco efectivo, muy corrosivo, irritante para el manipulador y prejudicial para el medio ambiente. Otro inconveniente es su rápida descomposición en contacto con materia orgánica y la formación de productos potencialmente carcinogénicos y mutagénicos para el consumidor. Su uso está prohibido en países como Alemania, Holanda, Dinamarca, Suiza y Bélgica. Por lo tanto, se requieren alternativas más efectivas, más seguras para el consumidor y más respetuosas con el medioambiente.

Hay que tener en cuenta que si los microorganismos patógenos sobreviven al proceso de lavado y desinfección, pueden multiplicarse durante la conservación del producto. Es por ello que hay que añadir barreras para el control de su crecimiento hasta su consumo, entre las que destacan el uso de bajas temperaturas y atmósferas modificadas. La bioconservación también se está estudiando como posible barrera adicional para frenar el crecimiento de éstos patógenos.

La bioconservación o control biológico alarga la vida útil y mejora la calidad microbiológica de los alimentos mediante el uso de la microbiota natural o de las sustancias bactericidas que algunos producen, sin alterar las propiedades organolépticas de los productos en que se aplican (Stiles, 1996). El control biológico presenta una serie de ventajas frente a otros sistemas de control: (i) el uso de antagonistas es más seguro en comparación a los principales productos químicos utilizados actualmente ya que no se acumulan en los alimentos; (ii) pueden ser más persistentes en el tiempo que los tratamientos químicos ya que es difícil que los patógenos puedan desarrollar resistencia a ellos; (iii) tienen un efecto insignificante en el balance ecológico ya que no destruyen los enemigos naturales de las especies patógenas como ocurre con los tratamientos químicos; (iv) pueden ser compatibles con otros sistemas de control y por tanto pueden ser aplicados juntos (Deacon, 1983). Los microorganismos utilizados como agentes de biocontrol deben poseer una elevada actividad antagónica, ser seguros para la salud humana y no tener ningún efecto adverso sobre la calidad sensorial y nutricional del producto (Rodov, 2007). La bioconservación se consigue añadiendo directamente el cultivo bioconservante (microorganismos epifitos, bacterias acido-lácticas, bacteriófagos, …) o bien aplicando los metabolitos antimicrobianos purificados que producen.

Microbiota natural (microorganismos epifitos)

La flora microbiana presente de forma natural en las frutas y hortalizas frescas puede jugar un papel importante para mantener la seguridad alimentaria de las frutas y hortalizas de IV Gama, compitiendo con los patógenos por espacio físico y nutrientes y/o produciendo compuestos antimicrobianos que afecten de forma negativa la viabilidad de los patógenos (Liao y Fett, 2001).

El uso de la microbiota natural como bioconservante se puede ver afectado por los procesos de desinfección, ya que éstos reducen su población y pueden favorecer el crecimiento de los patógenos de transmisión alimentaria. Carlin et al. (1996) observaron que al desinfectar las hojas de endivias se reducía la microbiota, permitiendo el crecimiento de L. monocytogenes. Por otro lado, la adición de 2 cepas representativas de la microbiota de endivias limitó el crecimiento del patógeno. Otros autores obtuvieron resultados similares cuando bañaron lechuga con cloro o ácido cítrico, permitiendo el crecimiento de L. innocua NCTC 11288 (Francis y O’Beirne, 1997). Posteriormente, Francis y O’Beirne (1998) y Oliveira et al. (2012) investigaron el efecto de diferentes poblaciones iniciales de microorganismos epifitos en lechuga cortada. Los autores no observaron diferencias en la población de los patógenos de transmisión alimentaria, lo que sugiere que el comportamiento de estos patógenos no está simplemente relacionado con la concentración de la microbiota del alimento, pudiendo ser la presencia de microorganismos ‘clave’ más importante que su concentración. Liao y Fett (2001) observaron que la coinoculación de una levadura y una cepa de Pseudomonas fluorescens con la microbiota natural en pimiento verde cortado, redujo el crecimiento de L. monocytogenes y Salmonella Chester. Wei et al. (2006) obtuvieron resultados similares frente a Salmonella Typhimurium y L. innocua, inoculando lechuga cortada con una cepa de Pseudomonas putida LTH 5878 (aislado de lechuga).

El primer estudio en fruta fue llevado a cabo por Janisiewicz et al. (1999) en el que se estudió la efectividad de la cepa L-59-66 de Pseudomonas syringae (comercializada bajo el nombre de BioSave11 o BioSave110 para el control de enfermedades de poscosecha de manzanas y peras) sobre el crecimiento de E. coliO157:H7 en heridas de manzana ‘Golden Delicious’. Los autores no observaron crecimiento de E. coliO157:H7 cuando se coinoculó con el antagonista. Leverentz et al. (2006) seleccionaron 7 antagonistas de la superficie de manzanas ‘Golden Delicious’ que fueron ensayados frente a L. monocytogenes y Salmonella enterica serovar Poona en cilindros de manzana. De estos 7 antagonistas, Gluconobacter asaii, Candida spp., Dicosphaerina fagi y Metschinikowia pulcherrima tuvieron actividad antagonista frente a uno o ambos patógenos. Posteriormente, Abadias et al. (2009) probaron la eficacia del antagonista Candida sake CPA-1 frente a una mezcla de 5 cepas de E. coli en manzana ‘Golden Delicious’. En este caso el antagonista redujo la población de E. coli en heridas de manzana, sin embargo no se observó ningún efecto en cilindros de manzana. Recientemente, Alegre et al. (2012, 2013) observaron que la cepa CPA-6 perteneciente a la familiaEnterobacteriaceae y la cepa Pseudomonas graminis CPA-7, aisladas de manzana, podrían reducir la población de los patógenos de transmisión alimentaria en manzanas y melocotones cortados.