Funcionales de origen mexicano: Productos tradicionales con base probiótica y su aplicación en la industria

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2 Funcionales de origen mexicano: Productos tradicionales con base probiótica y su aplicación en la industria Dr. Adelfo Escalante a MB Martha Giles Gómez b a Departamento de Ingeniería Celular y Biocatálisis, Instituto de Biotecnología, UNAM b Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

3 Qué es un alimento Alimento funcional funcional alimento funcional? Alimentos funcionales son aquellos que poseen efectos promotores de la salud, y que son distintos a las propiedades nutricionales de éstos. (Griffiths et al., Journal of Functional Foods : )

4 Probióticos como alimentos funcionales Los probióticos se definen como bacterias vivas que cuando son administradas en cantidades adecuadas confieren un beneficio a la salud del hospedero (FAO/WHO, 2001) (Tripathi and Giry, Journal of Functional Foods 9: )

5 Probióticos (alimento funciona Lactobacilos Nutrientes Balance de la microbiota Bifidobacterias Efecto de barrera Alteración de la homeostasis del G.I. Promoción de una respuesta inmune: rotavirus a nivel local y sistémico Disminución de infecciones gastrointestinales y prevención (diarrea) Efecto inmunorpomotor y antitumoral Fermentación de prebióticos

6 Bacterias probióticas utilizadas en productos comerciales Fuente/producto Cepa Fuente/producto Cepa Chr. Hansen Danisco DSM Food Specialties Lactobacillus acidophilus LA1/LA5 L. delbrueckii ssp. bulgaricus Lb12 L. paracasei CRL431 Bifidobacterium animalis ssp. lactis Bb12 L. acidophilus NCFMs L. acidophilus La L. paracasei Lpc B. lactis HOWARUTM/Bl L. aidophilus LAFTIs L10 B. lactis LAFTIs B94 L. paracasei LAFTIs L26 Essum AB Biogaia Morinaga Milk Industry Co. Ltd. Lacteol Laboratory Medipharm L. rhamnosus LB21 Lactococcus lactis L1A L. reuteri SD2112 B. Longum BB536 L. acidophilus LB L. paracasei F19 Nestlé L. johnsonii La1 Snow Brand Milk Institute Rosell Yakult Foneterra Probi AB Danone L. acidophilus SBT Products Co. Ltd. B. longum SBT L. rhamnosus R0011 L. acidophilus R0052 L. casei Shirota B. breve cepa Yakult B. lactis HN019 (DR10) L. rhamnosus HN001 (DR20) L. plantarum 299V L. rhamnosus 271 L. casei Immunitas B. animalis DN (Bioactiva) Bacterias pertenecientes a dos grupos: Lactobacillus spp Bifidobacterium spp (Tripathi and Giry, Journal of Functional Foods 9: )

7 Mercado de productos probóticos De forma generalizada el consumo de bacterias probióticos se realiza a través de alimentos y bebidas Muchos de los alimentos probióticos se ubican como una categoría de alimentos funcionales y representan una parte muy importante de este grupo de productos. Sector de rápido crecimiento: El mercado global de alimentos funcionales y bebidas ha crecido de USD $33 billones de dólares (2000) a USD $176.7 billion en 2013: 5% del mercado total de alimentos. Se ha estimado que el mercado de probióticos comprende 60% - 70% del total del mercado de alimentos funcionales. (Tripathi and Giry, Journal of Functional Foods 9: )

8 Prebióticos como alimentos funcionales Los prebióticos son carbohidratos de cadena pequeña, no digeribles por las enzimas digestivas del humano y que mejoran de forma selectiva la actividad de algunos grupos de bacterias benéficas (Tripathi and Giry, Journal of Functional Foods 9: )

9 Tipos y fuentes de prebióticos Tipo de prebiótico Fructo oligosacáridos (inulina) Isomaltulosa Xilo oligosaccharides Galacto oligosacáridos Ciclodextrinas Oligosacáridos de la rafinosa Oligosacárdios de la soja Fuentes Espárragos, remolacha, ajo, achicoria, cebolla, alcachofa de Jerusalén, trigo, miel, plátano, cebada, tomate, centeno y agave azul Miel, jugo de la caña de azúcar Brotes de bambú, frutas, verduras, leche, miel y salvado de trigo Leche humana y la leche de vaca Glucanas solubles Semillas de legumbres, lentejas, guisantes, habas, garbanzos, compuesta malva, y mostaza Soja Lactulosa Lactose (Milk) Lactosacarosa Isomaltulosa, palatinosa Malto oligosacáridos, isomalto oligosacáridos Arabino xilo oligosacáridos Dextrinas resistentes a hidrólisis enzimática Lactosa (leche) Lactosa Sacarosa Almidón Salvado de trigo Almidón de papa Al-Sheraji et al., Journal of Functional Foods 5:

10 Efecto estimulante de probióticos sobre el crecimiento de bacterias próbióticas Prebiótico Microorganismo estimulado Efecto Oligosacáridos Bifidobacterium spp. Incrementa el número de bifidobacterias, supresión de bacterias putrefactivas, prevención de constipación y diarrea Fructo-oligosacáridos, inulina, oligofructosa Bifidobacterium spp. Lactobacillus acidophilus, L. casei, L. plantarum Crecimiento de bifidobacterias Fructanas Bifidobacterium spp. Crecimiento de bifidobacterias Caseína kappa humana y derivados Bifidobacterium bifidum Crecimiento de bifidobacterias Estaquiosa y rafinosa Bifidobacterium spp. Factor de crecimiento Macropéptidos de caseína Bifidobacterium spp. Promoción de crecimiento Lactitol (4-Ο-β-D-galactopiranosil)-Dglucitol Lactulosa (4-Ο-β-D-galactopiranosil)- D-fructosa Bifidobacterium spp. Bifidobacterium spp. Promoción de crecimiento Promoción de crecimiento

11 Evolución del desarrollo de las tecnologías en probióticos y prebióticos Probióticos + Prebióticos Simbióticos Sinergia entre el efecto de pro- y prebióticos en tracto GI Especificidad limitada del prebiótico por la cepa probiótica Simbióticos integrados Amplio efecto sobre probiótico en el tracto GI Prebióticos que adicionalmente protejan al probiótico durante la manufactura, almacenamiento, formulación y tránsito intestinal (acarreador/encapsulación) Prebióticos más grandes, más lentamente fermentables con la producción de AGCC en el colón más distante

12 Tipos y fuentes de prebióticos origen microbiano? Los polisacáridos extracelulares (EPS) producidos por bacterias ácido lácticas (Leuconostoc spp.) han recibido particular atención debido a sus posibles aplicaciones comerciales como son: -Aditivos naturales, -Reemplazar o disminuir el uso de hidrocoloides -Seguros para su uso en alimentos -Productos funcionales: fibra soluble y prebióticos (Giraffa 2004; Tieking et al. 2005; Vu et al. 2009; Leemhuis et al. 2013) en Torres Rodríguez et al., Aceptado. SpringerPlus Tipo de prebiótico Fructo oligosacáridos Dextranas Fuentes Bacterias lácticas del género Leuconostoc Bacterias lácticas del género Leuconostoc

13 Alimentos y bebidas lácteas tradicionales Bacterias lácticas + levaduras + otros microorganismos Búsqueda de probióticos y prebióticos (cultivos mixtos) Productos comerciales Origen intestinal humano cultivos puros

14 Funcionalidad de bebidas lácteas fermentadas Ellie Metchnikoff, 1900 s. Instituto Pasteur, París. Promovió el uso de lactobacilos (Thermobacterium bulgaricum), en la dieta humana: promoviendo la teoría de la longevidad humana asociada a la bacterioterapia a través del consumo de yogurt de Bulgaria. Simultáneamente, Tissier aisló las bifodobacterias (Lactobacillus bifidus) y especuló sobre su papel en la salud de infantes.

15 Funcionalidad de bebidas lácteas fermentadas Rahe en 1915, demostró que los lactobacilos del yogurt no sobreviven el paso a través del estómago y del intestino. M. Shirota, aisló el Lactobacillus casei Shirota (lactobacilo Yakult) e inicia (1935) la comercialización de Yakult. Gurr, 1984: los microorganismos endógenos del tracto intestinal humano son aquellos con la mejor posibilidad de pasar a través del estómago, del intestino delgado y colonizarlo. Investigación sobre Bifidobacterium Búsqueda, aislamiento y caracterización de lactobacilos y bifidobacterias nativas de humanos y de otros ambientes? Uso en la elaboración de nuevos productos probióticos.

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17 Probióticos potenciales detectados/aislados en algunas bebidas tradicionales fermentadas no destiladas no lácteas Producto Microorganismo Substrato Boza tradicional (bebida popular fermentada de los Balcanes) Bushera (bebida fermentada tradicional de Uganda) Hardaliye (bebida fermentada tradicional de Tracia) Lactobacillus, Lactococcus, Pediococcus, Leuconostoc, levaduras Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc, Enterococcus, Streptococcus, Weissella Lactobacillus, levaduras yeast, mohos Cereales Sorgo y mijo Uvas rojas y semillas de mostaza Kombucha (China, Rusia) Acetobacter, Gluconobacter, Lactobacillus, levaduras Mahewu (Sudáfrica) Lactobacillus, Lactococcus Maíz Té verde o negro Pozol (México) Pulque (México) Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc, Pediococcus, levaduras, mohos Lactobacillus, Leuconostoc, Citrobacter, Zymomonas mobilis, levaduras Maíz y cacao Savia de maguey (aguamiel) Soccol et al Probiotic nondairy beverages. In: Handbook of Plant-Based Fermented Food and Beverage Technology. CRC Press.

18 Bebidas probióticas alternativas Existe una gran diversidad de productos comerciales con diferentes presentaciones preparados con microorganismos probióticos, sin embargo y a pesar de una mayor conciencia y evidencias sobre el efectos de éstos sobre la salud humana, existen sectores muy amplios de la población (zonas rurales), que no tiene acceso a estos productos, pero que hace uso de (posibles) fuentes naturales de bacterias probióticas: Alimentos y bebidas fermentados tradicionales mexicanos. Pulque/aguamiel: Presencia de bacterias naturalmente tolerantes a acidez, consumo arraigado, farmacopea tradicional: diversos beneficios

19 Pulque como alimento funcional?

20 Oliver G Los Dioses ebrios del México antiguo. De la transgresión a la inmortalidad. Arqueología Mexicana. 19 (114):26-33

21 La afrenta de Quetzalcóatl Pulque Tezcatlipoca Quetzalcóatl Oliver G Los Dioses ebrios del México antiguo. De la transgresión a la inmortalidad. Arqueología Mexicana. 19 (114):26-33

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25 Pulque: Bebida fermentada alcohólica no destilada elaborada a partir de a savia del maguey (aguamiel). Recolección del aguamiel fresco Fermentación: Acelerada por la adición de semilla (tiempo variable, temperatura ambiente) Proceso espontáneo. Microorganismos naturalmente asociados al aguamiel, Incorporados durante el proceso de manipulación, semilla, contenedores. Producto final: Bebida alcohólica, ácida y viscosa

26 Fermentación del pulque: Ambiente naturalmente enriquecido Fermentación alcohólica: Saccharomyces cerevisiae y Zymomonas mobilis Fermentación Ácida: Bacterias ácido lácticas y acéticas PULQUE Fermentación viscosa (polisacáridos extrcelulares): Leuconostoc mesenteroides

27 Estudio de la diversidad bacteriana en el pulque 1. No había estudios recientes sobre la diversidad bacteriana del pulque: Microorganismos no reportados previamente? 2. La diversidad bacteriana es la misma entre muestras de diferente origen geográfico 3. Cambios en la diversidad bacteriana durante la fermentación del pulque 4. Diversidad de polisacáridos extracelulares: Solo dextrana = glucana?

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32 Características del aguamiel Aguamiel es la savia de diversas especies de agave pulquero. Líquido blanco, lechoso, ligeramente turbio, espeso, dulce, sabor fresco y ligeramente ácido. Contiene agua, gomas, proteínas y sales minerales (Ramírez et al. 2004; Ortiz-Basurto et al. 2008; Escalante et al. 2008).

33 Importancia del aguamiel Constituye un sustituto de agua o una alternativa alimenticia en lugares donde existe agua potable o es de mala calidad y donde no hay una gran disponibilidad de proteína. (Sánchez-Marroquín and Hope 1953; Ortiz-Basurto et al. 2008; García- Garibay and López-Munguía 1993; Steinkraus 1996; Lappe-Oliveras et al. 2008).

34 Importancia del aguamiel La composición del aguamiel varía dependiendo de las especies de Agave, condiciones de cultivo, estación del año, humedad relativa, propiedades del suelo (Sánchez- Marroquín 1970). Sin embargo, el análisis FQ del aguamiel de A. mapisaga cosechado durante 5 meses (Ortiz-Basurto et al. 2008), no mostró cambios significativos en la acidez titulable, ph (> 4.5) y contenido de materia seca, aunque se observó una disminución en el contenido de fructosa después de 3.5 meses. La calidad del aguamiel permanece constante durante todo el período de obtención de aguamiel.

35 Pulque: aspectos nutricionales Considerado tradicionalmente como una bebida saludable por su contenido nutricional. Con base en su consumo es considerado como una fuente importante de E, vitaminas, aminoácidos esenciales (aportando el contenido de Lys y Trp, deficientes en la dieta basada en maíz) Sustituto de agua debido a su bajo contenido de alcohol y disponibilidad (Vargas 1999).

36 Pulque: aspectos nutricionales Parte de la dieta básica de Otomíes (Valle del Mezquital): representa la segunda fuente de E (después de la tortilla) y la tercera fuente de proteína, fuente de vitamina C, tiamina, riboflavina, Ca y Fe (Vargas et al. 1998). En comunidades montañosas del Estado de México, se estableció que un consumo diario de 500 ml aporta 215 kcal, 45% of vitamina C, 10% of niacina, 7% of tiamina, 6% riboflavina, 15% de Fe y proteína unicelular (c/ adecuada proporción de Lys y Trp) (Backstrand et al. 2002)

37 Aguamiel y pulque como un agente probiótico y prebiótico (simbiótico)? Probiótico: Presencia de LAB, como L. acidophilus y L. mesenteroides (Escalante et al. 2004, 2008, Campos 2010). Z. mobilis, el cual presenta actividad antagónica vs bacterias patógenicas y algunas especies de hongos y levaduras (Wuanick 1970; Gonçalves de Lima 1978; Steinkraus 1996). Prebiótico: Contenido de fructanos y oligofructanos (Ortiz-Basurto et al. 2008; Ramírez-Higuera 2009).

38 Aguamiel y pulque como un agente probiótico y prebiótico (simbiótico) Aislamiento de diversas especies de Leuconostoc de pulque con actividades probióticas potenciales: resistencia a ph ácido y sales biliares y actividad antimicrobiana in vitro e in vivo vs bacterias patogénicas. Actividad prebiótica de inulina presente en aguamiel al incrementar el crecimiento de LAB (Mancilla-Margalli and López, 2006; Ramírez- Higuera, 2009).

39 Aislamiento de bacterias lácticas del pulque productoras de EPS Leuconostoc kimchii Torres-Rodríguez et al. Screening and characterization of extracellular polysaccharides produced by Leuconostoc kimchii isolated from traditional fermented pulque beverage. Aceptado para publicación en SpringerPlus

40 Dextrana Cadena lineal conformada por D-Glcp en α-(1 6) con ramificaciones en α-(1 2) y α-(1 3). Fracción soluble y asociada a células de EPSA Dextrana Dextrana tipo I con enlaces α-(1 6) D-Glcp y con pocas ramificaciones en α-(1 3) Fracción soluble de células de EPSB Mezcla de levana y dextrana Mezcla de polímeros compuesta por una fructana conformada por cadenas lineales de residuos β-d-fructofuranosil con enlaces (2 6) con conexiones β-(2 6) (79 %), y una dextrana Tipo I (21 %). Fracción asociada a células de EPSB Dextrana Dextrana lineal conformada por D-Glcp en α-(1 6) con ramificaciones en α-(1 3). Producida por una la fracción asociada a células de L. mesenteroides cepa IBT-PQ, Chellapandian et al., 1986.

41 EPSA EPSB 5 000X LAB del pulque: Simbióticos integrados (LAB productora de EPS) X Prebióticos que adicionalmente protejan al probiótico durante la manufactura, almacenamiento, formulación y tránsito intestinal (acarreador/encapsulación) X X

42 Sin embargo Considerando que el pulque es una bebida alcohólica, su consumo prebiótico y como posible fuente de bacterias con potencial probiótico conlleva los mismos problemas asociados a un consumo excesivo de una bebida alcohólica. Beneficios a la salud asociados a su consumo ampliamente arraigados (farmacopea tradicional)

43 Conclusiones Aislamiento de LAB con potencial actividad probiótica (Leuconostoc mesenteroides P45). Posible capacidad de producción de EPS: impacto positivo en capacidades probióticas, auto-encapsulación y simbiótico. Estamos convencidos que si bien el pulque/aguamiel no pueden ser considerados como un producto simbiótico, SÍ lo son diversas especies de bacterias lácticas: L. mesenteroides P45 y Lactobacillus spp. (próximamente )

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45 Gracias por su atención!!! Dr. Adelfo Escalante M en B Martha Giles Gómez

46 Efectos benéficos asociados al consumo de probióticos Supresión de patógenos endógenos Control de síndrome de intestino irritable Control de enfermedades inflamatorias intestinales Disminuye los síntomas de alergias a alimentos en infantes Resistencia a la colonización de patógenos Balance de la microbiota intestinal Mejora de la inmunidad innata Supresión de patógenos exógenos Probióticos Disminución de colesterol en suero Reducción de cáncer de colon Efectos sobre diversos procesos metabólicos Mejora de la intolerancia a lactosa (Tripathi and Giry, Journal of Functional Foods 9: )

47 Tratamiento de encefalopatía hepática Reducción de infecciones intestinales por patógenos exógenos Mecanismos propuestos de la acción de prebióticos para mejorar la salud humana Reducción de amonio intestinal Síntesis de proteínas bacterianas Proliferación de bacterias probióticas Resistencia a la colonización Reducción de infecciones de oportunistas comensales Reducción de proteínas y metabolismo de aminoácidos Fuentes de C y E selectivas Prebióticos Competencia Reducción de organismos putrefactivos y patogénicos Fermentación Baja concentración de metabolitos tóxicos (aminas, indoles, escatoles, etc) Butirato Producción de AGCC Inhibición Baja concentración de enzimas y metabolitos tóxicos Sustrato para colonocitos Diferenciación celular Disminución de ph intestinal Regulación de la lipogénesis hepática Incremento en la solubilidad de minerales Reducción formación de ácidos biliares secundarios Disminución en el reciclaje de ácidos biliares Mejora en la absorción de minerales Reducción de riesgo de cáncer de colon Reducción de lípidos y colesterol en suero

48 Sin embargo Evidencia limitada sugiere que el consumo elevado de pulque durante la lactación (mes 1 al 57) esta asociada con una alteración del crecimiento postnatal, patrones de sueño y psicomotores alterados Correlación entre niños con una mayor talla y peso nacidos de madres que consumen bajas cantidades o no consumen pulque (50 a 500 ml) durante la lactación temprana y durante el embarazo. El consumo elevado de pulque durante la lactación esta asociado a individuos con pesos bajos. (

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