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REVISTA CON-CIENCIA N°2/VOL. 4 (NOVIEMBRE 2016) Pag. 83-91 ISSN: 2310-0265
Producción de ésteres volátiles a través de tecnología de fermentaciones utilizando residuos cítricos
Volatile ester production using citrus waste through fermentation technology
SALCEDO POMARI, SANDRA ISABEL1
CARITA CALLA, ARTURO1
ÁLVAREZ ALIAGA, MARÍA TERESA1
CRESPO MELGAR, CARLA FABIANA1
CORRESPONDENCIA: SANDRITA_ISA28@HOTMAIL.COM
FECHA DE RECEPCIÓN:. 23/09/2016 FECHA DE ACEPTACIÓN: 4/11/2016
Abstract
The accumulation of wastes from food processing industries, among them the cit- rus residues from the juice-processing in- dustry becomes an issue due to its unfavor- able impact for the environment. Several countries including Bolivia do not have al- ternatives for waste management. The citrus waste accounts 50% of the fruit. Therefore, an integrated procedure under the con- cept to reduce-reuse-recycling is needed. An alternative for management and reuse of citric waste is planned at the Microbial Biotechnology Area of Instituto de Inves- tigaciones Fármaco Bioquímicas. Moreover, the utilization of citrus waste as feedstock for the production of volatile esters, with flavoring properties, is being researched. The conversion of citrus waste to biofla- vors can be carried out by sugars-ferment- ing yeast through biotechnology. Therefore,
Área de Biotecnología Industrial. Instituto de Investigaciones Fármaco Bioquímicas. Facultad de Ciencias Farmacéuticas y Bioquímicas. Correspondencia: Sandra Isabel Salcedo Pomari.
Instituto de Investigaciones Fármaco Bioquímicas, Facultad de Ciencias Farmacéuticas y Bioquímicas, Universidad Mayor de San Andrés.
Av. Saavedra 2224, La Paz, Bolivia. 83
studies involving the kinetic behaviour of Candida maltosa associated to volatile ester production are planned. This yeast is able to form biofilm as a protection skill against inhibitory compounds from the feedstock.
KEY WORDS
Citrus waste, volatile esters, Bioflavors
Los cítricos como las naranjas, mandarinas, limones, toronjas y demás son considerados frutas universales de mayor producción en más de 100 países a nivel mundial, donde su cultivo está por encima de la mayoría de las frutas ha- ciendo que esta tenga una importancia industrial que contribuye enormemente a la economía mundial. En cuanto a la producción mundial de cítricos, la FAO reportó en su último informe una producción total de cítricos de aproximada- mente 78 millones de toneladas, de las cuales 66 % son naranjas, 16 % manda- rinas, 11 % limones y limas y el 7 % pomelos (ComeNaranjas, 2011; FAO, 2014).
Las plantas procesadoras de cítricos simplemente aprovechan el 50 % de la materia prima para obtención de jugos y derivados (néctar, mermeladas, aceites esenciales), el resto sea corteza, semillas y pulpas se convierten en re- siduos (Mantzouridou, et al, 2013), los cuales representan una problemática para el medio ambiente si no se encuentran soluciones alternativas para evi- tar su acumulación. Por varios años se consideró como alternativa adecuada y extendida, el de procesamiento de estos residuos como alimento para ga- nado; pero debido a su rápida fermentación se convierten en un agente con- taminante (Fundación Vida Sostenible, 2014).
Bolivia, un país con una economía dependiente de la agricultura, el gas na- tural y los minerales, inauguró dos plantas procesadoras de cítricos, ambas ad- ministradas por la empresa estatal LACTEOSBOL (Lácteos Bolivia), el producto de las mismas será destinado para el mercado interno del país (desayuno esco- lar, subsidio prenatal y lactancia, etc). La primera planta procesadora de cítricos localizada en el trópico de Cochabamba fue inaugurada en marzo de 2010, se contempla que ésta procesa aproximadamente 5 toneladas de cítricos por hora. Debido a la cantidad de residuos generados, la empresa encargada afirma que parte de estos residuos servirán como alimento balanceado para ganado vacu- no y porcino (Vicepresidencia del Estado Plurinacional de Bolivia, 2014), pero
esta alternativa soluciona sólo parcialmente la problemática actual de acumu- lación de residuos cítricos. De igual manera, la planta procesadora de cítricos ubicada en el municipio de Caranavi del Departamento de La Paz inaugurada en octubre de 2014 procesará alrededor de 8 toneladas por turno, no contem- pla entre sus actividades otra alternativa del manejo de estos residuos sólidos.
Actualmente en Bolivia no existen el manejo o utilización de residuos cí- tricos por parte de las empresas. Sin embargo, en otros países se desarrollan diversos proyectos de investigación para encontrar alternativas de uso de los mismos, reduciendo así su impacto medioambiental, a través de su conver- sión a productos de valor agregado. Hoy en día, varios son los usos alternati- vos que se dan a este tipo de residuo, entre ellos algunas involucran procesos biotecnológicos para obtener diferentes compuestos biológicos, tales como el bioetanol de segunda generación como biocombustible, pellets cítricos con destino a la alimentación animal por su alto valor nutricional, obtención de D-limoneno un aceite esencial con amplio uso en industria farmacéutica, alimentaria e insecticida, producción de agua purificada por procesos de eva- poración y condensación (Fundación Vida Sostenible, 2014), fertilizantes or- gánicos, biogás, etc (Sinc, 2008). Una alternativa biotecnológica innovadora desarrollada recientemente sugiere que estos residuos pueden ser utilizados como materia prima para la producción de ésteres volátiles con propiedades saborizantes, a través de la fermentación de azúcares (glucosa, fructosa) y po- lisacáridos insolubles (celulosa, hemicelulosa) (Rossi, et al, 2009). Los ésteres volátiles pueden ser utilizados como aditivos en alimentos pudiendo reem- plazar el uso de aditivos artificiales, los cuales son comúnmente producidos por procesos químicos a base de petróleo que inclusive se ha reportado pue- den causar problemas a la salud del consumidor (Vandamme, 2002).
En el Área de Biotecnología del Instituto de Investigaciones Fármaco Bio- químicas se viene desarrollando diversos proyectos de investigación que res- ponden a problemáticas nacionales; en este sentido se desarrolla el Proyecto Biosabores con el objetivo de estudiar la factibilidad de utilizar residuos cí- tricos para producción de ésteres volátiles, a través de tecnología de fermen- taciones con microorganismos, entre ellos bacterias y levaduras propias de nuestra región. La producción de biosabores a partir de residuos del proce- samiento de cítricos, podría causar un impacto en el desarrollo productivo, económico, tecnológico y social de nuestro país; además, de constituir una alternativa de manejo de residuos cítricos.
En general los cítricos se componen por agua, proteínas, lípidos carbo- hidratos, cenizas, minerales, vitaminas y otros compuestos como terpenos. Morfológicamente están constituidos por epicarpio que es la porción externa
de la cáscara llamada también flavedo; mesocarpio conocido también como albedo que es la capa blanca esponjosa del fruto y finalmente el endocarpio que es la parte comestible de estas frutas (Escobar, 2010). Los residuos cítri- cos están constituidos por el flavedo y albedo, partes restantes de la pulpa y semillas después del procesamiento de estos cítricos. El flavedo está consti- tuido por compuestos carotenoides y aceites esenciales como el limoneno en mayor proporción respecto a otros. Por otra parte, el albedo en conjunto es rico en carbohidratos como la celulosa, hemicelulosa, y otros componentes como la lignina, sustancias pécticas y compuestos fenólicos (Escobar, 2010). Estos carbohidratos presentes en los residuos cítricos son sustratos potencia- les para fermentación por distintos microorganismos, un ejemplo es el caso de Saccharomyces cerevisiae ésta levadura puede utilizar azúcares fermenta- bles y convertirlos a productos como los ésteres volátiles, los cuales tienen propiedades saborizantes (Mantzouridou, et al, 2015).
Existe un gran número de microorganismos capaces de producir ésteres volátiles utilizando sustratos (Park, et al, 2009) como bagazo de yuca, ba- gazo de caña, pulpa de manzana, salvado de soja, cascarilla de café, entre otros, debido a su composición de azúcares fermentables (Mantzouridou, et al, 2015). Microorganismos capaces de producir distintos ésteres volátiles por procesos metabólicos de síntesis de novo o biotransformaciones se detallan en la tabla 1. Los ésteres volátiles normalmente son producidos por biotrans- fomación a través de fermentaciones en estado sumergido y sólido (Akacha, et al, 2015), logrando elevados rendimientos de producción de ésteres de- pendiendo de la maquinaria metabólica de los microorganismos utilizados (Park, et al, 2009; Mantzouridou, et al, 2015; Akacha, et al, 2015).
TABLA 1. Microorganismos productores de ésteres volátiles
Microorganismo | Ésteres | Bioproceso | Sustrato | Ref. |
Acetaldehído, | Fermentación en | Bagazo de yuca, | Mantzouridou, et | |
3-metil butanol, | estado sólido | salvado de trigo, | al, 2015 | |
3-metilbutil | bagazo de caña de | |||
acetato, acetato | azúcar. | |||
Ceratocystis | de etilo, | |||
fimbriata | propionato de | |||
etilo, isobutirato | ||||
de etilo, acetato | ||||
de isoamilo, | ||||
citronelol. | ||||
Acetaldehído, | Fermentación en | Bagazo de | Mantzouridou, et | |
3-metil butanol, | estado sólido | yuca, harina de | al, 2015 | |
1-propanol, | soja, pulpa de | |||
Rhizopus oryzae | acetato de etilo, | manzana. | ||
propionato de | ||||
etilo, butirato de | ||||
etilo. |
Kluyveromyces marxianus | Acetato de etilo, acetato de propilo, acetato de butilo, propionato de etilo, isobutirato de etilo, acetato de isoamilo. | Fermentación en estado sólido | Bagazo de yuca, salvado gigante de palma. | Mantzouridou, et al, 2015 |
Saccharomyces cerevisiae | Acetato de etilo, acetato de isoamilo. 2-fenil etanol | Fermentación en estado sólido Síntesis de novo | Melaza, bagazo de cerveza, pulpa de naranja, bagazo de caña de azúcar | Mantzouridou, et al, 2015 Akacha, et al, 2015 |
Geotricum sp. | Isovalerato de etilo, hexanoato de etilo, butirato de etilo. | No especifica | No especifica | Park, et al, 2009 |
Kluyveromyces fragilis | Acetato de etilo. | No especifica | No especifica | Park, et al, 2009 |
Neurospora sp. | Hexanoato de etilo, caproato de etilo, 3-metil-1- butanolacetato de etilo. | Fermentación en estado sólido | Arroz pregelatinizado | Akacha, et al, 2015 |
Saccharomyces uvarum | Acetato de butilo, butirato de butilo, acetato de etilo, butirato e etilo, acetato de isoamilo. | Biotransformación | ND | Park, et al, 2009 |
Williopsis saturnus | Acetato de etilo, acetato de isoamilo. | No especifica | ND | Park, et al, 2009 |
Ceratocystis moniliformis | Citronelol, geraniol | Síntesis de novo | ND | Akacha, et al, 2015 |
Fusarium solani | Butirato de etilo, valerato de etilo | Biotransformación | ND | Akacha, et al, 2015 |
Cándida cylindracea | Butirato de butilo | Biotransformación | ND | Akacha, et al, 2015 |
Cándida antarctica | Acetato de isoamilo, acetato de 3-hexenil | Biotransformación | ND | Akacha, et al, 2015 |
Cándida rugosa | Valerato de etilo, acetato de isoamilo, acetato de butilo, butirato de etilo | Biotransformacion | ND | Akacha, et al, 2015 |
Staphylococcus simulans | Acetato de hexilo | Biotransformación | ND | Akacha, et al, 2015 |
ND: No definido
Adaptado de Mantzouridou, et al, 2015; Park, et al, 2009 y Akacha, et al, 2015.
En el Instituto de Investigaciones Fármaco Bioquímicas se estudia una alternativa biotecnológica de biorremediación de residuos cítricos para la producción de biosabores estudiando el potencial metabólico de Cándida maltosa. Se ha reportado que esta levadura tiene la capacidad de formar bio- películas (Romero, 2014) con una alta eficacia ante factores estresantes (Eche- nique, 2013). La producción de biofilms por Cándida maltosa puede consti- tuir una ventaja durante la conversión de sustratos recalcitrantes propios de los residuos cítricos.
En general los sabores desempeñan un papel muy importante en la cali- dad y aceptación del consumidor teniendo una amplia aplicación en muchos sectores como la industria alimenticia, farmacéutica, etc. Un gran número de compuestos químicos están involucrados en el desarrollo de estos sabores como por ejemplo alcoholes, ésteres, aldehídos, ácidos orgánicos, etc (Mant- zouridou, et al, 2013). La mayoría son sintetizados por procesos químicos o por extracción de compuestos de origen vegetal o animal. Sin embargo, estos procesos tienen grandes desventajas, entre ellas, se obtienen mezclas racé- micas reduciendo el rendimiento e incrementando las etapas del purificación para la obtención del producto final elevando así los costos de producción (Bicas, et al, 2010). Otra desventaja del uso de sabores artificiales repercute en la salud del consumidor y su aversión “fobia” hacia lo químico o sintético, referido a la alimentación y productos utilizados en casa (Vandamme, 2002). Debido a lo anteriormente mencionado, se impulsa el interés por compues- tos saborizantes de origen biológico llamados sabores naturales o “biosabo- res” (Mantzouridou, et al, 2013; Bicas, et al, 2010) a través de bioprocesos ba- sados en síntesis microbiana “de novo” o bioconversión/biotransformación de precursores naturales con el uso de células microbianas o sus enzimas (Vandamme, 2002). Los biosabores más comunes son los ésteres volátiles de acetato como el acetato de isoamilo (sabor a banana), acetato de isobutilo, acetato de etilo, acetato de propilo, isobutirato de etilo (sabor afrutado), y el acetato de feniletilo (sabor afrutado) (Mantzouridou, et al, 2013), y otros éste- res de acetato de ácidos grasos de cadena media como el hexanoato de etilo (sabor fresa), octanoato de etilo (sabor manzana agria, piña) y el decanoato de etilo (sabor uva) (Lalou, et al, 2013).
En la actualidad se estudian un número limitado de microorganismos con capacidad de producir biosabores por diferentes mecanismos. La producción de ésteres con propiedades saborizantes ocurre utilizando sustratos como azúcares, alcoholes, etc. Las levaduras son un tipo de microorganismos con capacidad metabólica de convertir estos sustratos a ésteres volátiles, debido a que poseen 3 rutas metabólicas que direccionan a esta formación, las cua- les se muestran en la figura 1 (Park, et al, 2009).
Figura 1. Mecanismos de producción de ésteres de carboxilato por tres rutas metabólicas, a. Alcohol Acetiltransferasa (AATasa), b. Alcohol deshidrogenasa (ADH), y c. Baeyer – Villeger Monooxigenasa (Park, et al, 2009).
En las rutas b y c que se muestran en la Fig. 1, se detalla para ambos casos la utilización de cofactores, NADPH2/NADP+, necesarios para que se lleve a cabo la síntesis de ésteres, los cuales deberán ser regenerados por rutas me- tabólicas alternas pudiendo generar desequilibrio en el potencial reductor intracelular y conduciendo a un bloqueo metabólico en el que la célula per- manece viable pero inactiva, esto conlleva a la dificultad del manejo de bio- procesos basados en la explotación de estas rutas metabólicas dando como consecuencia un rendimiento limitado de producción de ésteres (Park, et al, 2009).La ruta metabólica a, posee claramente una ventaja ante las demás ru- tas mencionadas debido a que en esta, se requiere la acción de enzimas como la Alcohol Acetiltransferasa (AATasa) que conlleva a la producción de ésteres a partir de ácidos grasos provenientes del glicerol como sustrato y alcoholes proveniente de la fermentación, para así por transferencia de grupos funcio- nales llevar a cabo la síntesis de ésteres aromáticos por procesos de fermen- tación (Amaretti, et al, 2012), además es necesaria la adición de ácido pan- toténico como micronutriente para la generación de coenzima A, necesaria para la reacción de transferencia durante la formación de ésteres aromáticos.
Actualmente, se ha considerado que los aditivos alimentarios deben tener no sólo propiedades nutricionales en el producto final, sino que estos deben ser deseables considerando muchos aspectos como, si el producto es de origen natural, otorga funcionalidad a los alimentos, contribuye favorablemente a la promoción de la salud y bienestar de los consumidores (Bicas, et al, 2010) debi- do a consecuencias del consumo de saborizantes artificiales, que como se men- cionó anteriormente repercuten en la salud del consumidor (Vandamme, 2002).
Además de ser un aditivo alimenticio como saborizante, se ha demostra- do también que los biosabores tienen otras ventajas favorables. Por ejemplo,
tienen actividad biológica in vitro e in vivo contra ciertos tipos de tumor. Al- gunos de ellos también se pueden utilizar como agentes antioxidantes ya que estos inducen a la expresión de la enzima glutatión transferasa (Bicas, et al, 2011), asimismo útil como agentes antimicrobianos, repelentes de insectos, entre otros usos (Bicas, et al, 2010).
Los residuos cítricos generados por industrias procesadoras, constituyen un factor que causa impacto medioambiental desfavorable. De acuerdo al concepto de reducir, reutilizar y reciclar, otros países desarrollan distintas al- ternativas de uso de estos residuos, siendo las mismas amigables con el me- dio ambiente. En el IIFB se pretende utilizar estos residuos como materia prima en la producción de biosabores como aditivos alimentarios naturales. Estos procesos se pretenden realizar mediante tecnología de fermentaciones utilizando la levadura Cándida maltosa, que tiene capacidad de formar bio- películas, lo cual puede ser utilizado para evitar la inhibición por sustratos tóxicos propios de los residuos cítricos y conduciendo así a la producción de ésteres volátiles.
Al Instituto de Investigaciones Fármaco Bioquímicas por abrirme las puer- tas para realizar este trabajo investigativo. A la Fundación Internacional para la Ciencia (IFS) por el apoyo financiero para el inicio de este proyecto.
