Suero de leche: Residuo o recurso?

Transcripción

1 Suero de leche: Residuo o recurso? Universidade de Vigo Lorenzo Miguel Pastrana Castro Facultade de Ciencias de Ourense

2 Valorización de subproductos de industrias alimentarias. Aprovechamiento del suero de leche Universidade de Vigo Lorenzo Miguel Pastrana Castro Facultade de Ciencias de Ourense

3 La cadena alimentaria Producciones agrícolas Fabricación de piensos compuestos Producciones ganaderas Industrias de transformación Distribución Subproductos Efluentes Materiales residuales Consumo

4 Características de los materiales Alta carga orgánica, DBO, DQO, COT (DBO>20 g/l) Impacto contaminante Recogida diferencial Recuperación Transformación

5 La cadena alimentaria Producciones agrícolas Fabricación de piensos compuestos Producciones ganaderas Demografía Falta de fuentes proteicas Precio Industrias de transformación Distribución Consumo Crisis alimentarias Bienestar animal Consumo de productos elaborados

6 La valorización de subproductos Producciones agrícolas Fabricación de piensos compuestos Alimentación - salud Origen natural Producciones ganaderas Industrias de transformación Alimentos e ingredientes funcionales Distribución Consumo Falsas alegaciones

7 La alternativa biotecnológica Microorganismos Sustratos Enzimas Células Productos

8 La alternativa biotecnológica Melazas Lactosueros Despojos Alcoholes Grasas y aceites Amiláceos Lignocelulósicos Pulpas Selección microbiana Diseño metabólico Ingeniería de fermentación Recuperación de proteínas, grasas, aminoácidos Producción de enzimas, ácidos orgánicos hormonas, aditivos Nuevos productos

9 Algunos retos actuales Obtención de moléculas funcionales a partir de materias primas y por síntesis Enzimas inmovilizadas Procesos de membranas Modificación química péptidos bioactivos nuevos carbohidratos fitoquímicos antioxidantes minerales

10 Algunos retos actuales Incrementar el contenido en funcionales de materias primas y alimentos tecnologías de fermentación y enzimáticas Procesos no térmicos (altas presiones) antioxidantes minerales

11 Algunos retos actuales Modificación de compuestos para incrementar su funcionalidad procesos enzimáticos ad hoc oligosacáridos (sustitutos de grasas)

12 Algunos retos actuales Incremento de la biodisponibilidad de compuestos funcionales tecnologías de fermentación y enzimáticas Procesos de membrana pulsos eléctricos microorganismos minerales vitaminas

13 Algunos retos actuales Disminución de la degradación o pérdida de compuestos funcionales tecnologías enzimáticas Procesos de encapsulación microorganismos minerales péptidos bioactivos antioxidantes

14 Criterios para propuestas Adecuación a la industria alimentaria local Industria transformadora de productos del mar Industria láctea Productos agrícolas autóctonos o estratégicos Diversificar con nuevos productos derivados en el mismo ciclo productivo Probióticos en la industria láctea Valorizar generando nuevos ciclos productivos Ácidos grasos ω3 en la industria conservera

15 El suero lácteo Ácido, Ca +2 Quimosina Leche Cuajada Suero lácteo Queso

16 El suero lácteo En medianas y pequeñas industrias queseras se producen ~ L/día Representa entre el 85-95% del volumen de la leche Retiene el 55% de los nutrientes de la leche Aprox. 145 millones de toneladas de suero/año Quesería de 100 Tm/día = ciudad de habitantes Sólo el 50% de la producción mundial de queso se aprovecha En Europa el 45% se usa en forma líquida, el 30% en suro en polvo y el 15% en productos deslactosados

17 El suero lácteo DBO 5 : ppm DQO: ppm Producto de desecho Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales Encarece enormemente Revalorización el proceso de depuración del suero y lo hace inviable en medianas y pequeñas industrias

18 Composición % p/v Lactosa 4-5 Proteínas solubles 0,6-0,8 Lípidos 0,4-0,5 Sales 8-10 (del extracto seco)

19 El suero lácteo SUERO LÁCTEO Desmineralizac ión o no Ultrafiltración Suero condensado o en polvo Hidrólis is de la lactosa EDULCORANTE LACTOSA Lactosa purificada, Lactitol, Lactosilurea Permeado Hidrólisi s de la lactosa Concentrado proteico Fermentació n BIOGÁS SCP, β-galactosidasa, etanol, bebidas, ácidos orgánicos, galactosa, glicerol, carotenoides, ácido giberélico, bacteriocinas

20 Suero líquido Uso directo en alimentación animal líquida Fertilizante agrícola (problema de la salinidad) Altos costes de transporte

21 Suero concentrado y en polvo Uso en alimentación animal en formulaciones con melazas y harina de soja Uso en alimentación humana (pequeñas cantidades) Productos de pañadería Helados Salsas Su alta salinidad limita su uso en humanos

22 Concentrado de proteína de suero Se obtiene por ultrafiltración Uso en alimentación humana (bajo contenido en sales) PER (protein efficient ratio): 3,4 (estandar de caseina: 2.8) Valor biológico a la proteína del huevo (se reduce por calentamiento) Los hidrolizados de proteína de suero tienen mayor solubilidad No resuelve el problema de la DBO debido a la lactosa

23 Principales proteínas séricas Ácido, Ca +2 Quimosina Leche Cuajada Suero lácteo Ultrafiltración Queso Lactosa Proteínas séricas β-lg (56%) α-la (21%) BSA (7%) Ig (14%) Lf (2%)

24 Propiedades de las proteínas séricas Solubles al ph del estómago Tránsito estomacal rápido Llegan intactas al intestino Alta absorción e interacción con la microbiota intestinal Composición aminoacídica característica Alto contenido en: Azufrados (favorece función inmune) Cadena lateral larga (función energética) Contienen factores estimuladores del crecimiento Lactoferrina, IGF, TGF

25 β-lactoglobulina Fijación de minerales Abundancia de regiones cargadas Absorción de vitaminas liposolubles Dominio hidrofóbico contenido en: Azufrados (favorece función inmune) Cadena lateral larga (función energética)

26 α-lactoalbumina Fijación de minerales Abundancia de regiones cargadas Previene el daño muscular y el cáncer Induce la apoptosis

27 Lactoferrina Posee propiedades antibacterianas y antioxidantes Secuestra el Fe del suero sanguíneo impidiendo el desarrollo bacteriano Favorece la respuesta inmune Induce el desarrollo de linfocitos Previene el cáncer Propiedades antioxidantes

28 Lactosa Principales aplicaciones tradicionales Suplemento en leches infantiles Excipiente farmacéutico (plasticidad, poco dulce) 5% de la producción mundial de lactosa Búsqueda de alternativas: fermentación y enzimas

29 Transformación enzimática de lactosa Reducción a lactitol Edulcorante no cariogénico Esterificación a palmitato de lactitol: emulgente Isomerización a lactulosa Poder edulcorante mitad de la sacarosa Factor bífidus (fibra soluble) Producción de lactosilurea Fuente de nitrógeno no proteico en rumiantes

30 Hidrólisis de la lactosa Ventajas Aumenta el número de microorganismos que pueden utilizarla como fuente de carbono Aumenta su poder edulcorante Incremento de solubilidad Permite producir alimentos bajos en lactosa (intolerantes) Hidrólisis química (inconvenientes) Condiciones extremas (ph 1,2 150ºC) Desnaturalización de proteínas y reacción de Maillard

31 Hidrólisis de la lactosa Hidrólisis enzimática Lactasa microbiana de K. Lactis, A. Niger y A. oryzae Libre e inmovilizada Inconveniente de polimerización de la lactosa Producción de leche sin lactosa

32 Hidrólisis de la lactosa Hidrólisis enzimática Lactasa microbiana de K. Lactis, A. Niger y A. oryzae Libre e inmovilizada Inconveniente de polimerización de la lactosa Producción de leche sin lactosa

33 Producción de etanol El 50% de la producción de suero se convierte a etanol en Nueva Zelanda Existen plantas en comerciales en el mundo Carbery Milk Products Ir (1978) Fermentadores cilindrocónicos Proceso batch (20h) con 2,5-4,2% (v/v) Etanol para mezclas E5 y potable Tm/año Anchor Ethanol NZ 11 millones de litros 8 tipos de etanol Proceso batch (20h) con 2,5-4,2% (v/v) Milbrew EEUU (1972) Gaerings DK Proceso en continuo Teo Muller GER 10 millones de litros

34 Producción de etanol Kluveromyces fragilis es el microorganismo más utilizado Utiliza el 95% de la lactosa de suero no concentrado Eficiencia de conversión del 80-85% La producción de etanol no es rentable en suero no concentrado Altos costes de destilación

35 Producción de etanol Saccharomyces cerevisiae no posee: sistema lactosa permeasa β-galactosidasa Construcción de Saccharomyces cerevisiae recombinante Fermenta directamente lactosa a etanol Se elimina el fenómeno de diauxia

36 Producción de biogas Aproximación de depuración de aguas residuales: Eficiencias de conversión del 95%

37 Producción de probióticos Qué son los probióticos? Suplementos alimentarios consistentes en microorganismos vivos con efectos beneficiosos en el organismo hospedador, debidos bien a la mejora en su balance microbiano intestinal, bien a la producción o estimulación de sustancias activas, o a ambos Características: No ser patógeno y resistir a tratamientos tecnológicos y ambientes digestivos (sales biliares, ácidos). Tener, de acuerdo con el hospedador, origen humano o animal con capacidad de adhesión en su mucosa intestinal y persistencia en el tiempo Producir sustancias antimicrobianas y tener capacidad de modular la respuesta inmunológica Influir en las actividades metabólicas del hospedador u otro probionte Capacidad para ser cultivado a altas concentraciones

38 Producción de probióticos Ventajas del suero de leche como sustrato para la producción de probióticos Amplia disponibilidad Naturaleza barata Experimentos con ratones indican que una fracción proteica del suero tiene propiedades antitumorales. Contenido de nutrientes adecuada para un crecimiento conveniente de bacterias lácticas

39 Producción de probióticos Cuáles son los microorganismos probióticos? Entre las bacterias, los géneros más estudiados son: Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptococcus y Enterococcus. Destacan las especies: Lactobacillus acidophilus, L. casei, L. fermentum, L. plantarum, L. reuteri, Bifidobacterium bifidum, B. longum y Enterococcus faecium. Entre las levaduras el género Saccharomyces con las especies S. cerevisiae y S. boulardii

40 Producción de probióticos Introducción Fundamento: Incorporación a los piensos/alimentos Cultivos microbianos probióticos Efectos beneficiosos Entidades microbianas Entidad hospedadora Se relacionan con: Competencia con patógenos en la colonización del tracto intestinal Estimulación del sistema inmune Actividad de sustancias antimicrobianas (ácidos orgánicos y bacteriocinas) Desarrollo de actividades enzimáticas

41 Producción de probióticos Cuál es el mecanismo de acción? Producción de ácidos orgánicos de cadena corta, Reducción del ph intestinal, Competición por nutrientes y por sitios de adhesión a la mucosa, Modulación del sistema inmune, Modulación de la microbiota intestinal, Modulación de las actividades enzimáticas intestinales Producción de sustancias antimicrobianas como las bacteriocinas Limitaciones al uso de probióticos Los probióticos se instalan con dificultad en el tracto intestinal por lo que es necesario una ingesta diaria de preparados con no menos de 10 millones de células viables por gramo o ml. El ambiente nutricional y las condiciones extremas de transporte (en el estómago) reducen la viabilidad y dificultan la implantación

42 Antecedentes: Gránulos de kéfir de leche. Composición química Los gránulos de kéfir (2-3 cm) son originarios de Rusia, Yugoslavia y Bulgaria. Son una combinación de bacterias y levaduras probióticas embebidas en una matriz de proteínas y polisacáridos insoluble en agua. Su aspecto es similar al de la coliflor pero es más blando. Composición química (AGK1, CIDCA): Agua (83%), Proteínas (4.5%), Polisacáridos (9-10%, 1 mol glucosa/1.14 moles galactosa), Lípidos, Cenizas y sustancias solubles no nitrogenadas (2.5%) Propiedades funcionales: Probióticas, debidas a la acción antagónica frente a patógenos y a su capacidad de colonización del epitelio intestinal de parte de su microbiota, y Prebióticas, debidas a la acción antimicrobiana de varios de los metabolitos de fermentación (ácidos orgánicos pero, sobre todo, bacteriocinas) y anticancerígena de los kefiranos (polisacáridos producidos por ciertas bacterias lácticas del consorcio) entre otras posibles (péptidos antihipertensivos).

43 Antecedentes: Gránulos de kéfir de leche. Composición microbiológica La composición microbiana depende del origen del gránulo, de las condiciones de cultivo así como de las condiciones de almacenamiento y el proceso de elaboración. Microflora: 3. BAL (lactococci, lactobacilli y leuconostoc homo y heterofermentativos): -Lactococcus: lactis subsp. lactis, lactis subsp. lactis biovar diacetylactis -Lactobacillus: kefir, parakefir, kefiranofaciens, plantarum, brevis, viridescens, gasseri, fermentum, casei, acidophilus, helveticus -Leuconostoc mesenteroides -Streptococcus thermophilus 2. Levaduras: -Kluyveromyces: marxianus, kefir Saccharomyces: cerevisiae, delbrueckii, unisporus, exiguus Candida kefir, holmii, friedricchii, pseudotropicalis, tenuis 3. Bacterias acéticas:

44 Antecedentes: Ventajas de la utilización de los gránulos de kéfir como entidad fermentativa GRÁNULOS DE KEFIR Bajo costo Capacidad fermentativa Disponibilidad Experiencia acumulada Composición microbiana mixta * Amplia variedad y cantidad de productos antimicrobianos. * Elevados niveles de biomasa microbiana

45 Antecedentes: Gránulos de kéfir de leche. Beneficios I N G R E D I E N T E S B I O A C T I V O Ácidos orgánicos (láctico y acético) etanol Exopolisacáridos: Kefiranos (glucosa-galactosa 1:1) - Características organolépticas Proteinasas y peptidasas: - Péptidos bioactivos Bacteriocinas Consorcio microbiano Alimento funcional-probiótico: -Estimulación del sistema inmune -Inhibición del crecimiento de células tumorales - Sustituto de la leche en pacientes Intolerantes a la lactosa - Prevención y tratamiento de desórdenes intestinales y vaginales -Regeneración de la flora intestinal -Complemento alimenticio para regenerar la mucosa estomacal - Vía tópica: Para tratar problemas cutáneos (eccemas)

46 Obtención de péptidos bioactivos Proteínas séricas β-lg (56%) α-la (21%) BSA (7%) Ig (14%) Lf (2%) Fermentación Microorganismos/ Enzimas proteolíticas Proteólisis in vitro Enzimas digestivas: pepsina, tripsina, quimotripsina Enzimas microbianas: proteinasa k, termolisina Enzimas vegetales: papaína y la bromelaína Lys Cys Ala Arg Val Phe Ile Thr Leu Péptidos bioactivos Glu Arg Lys Enzima Gly Ser Phe Gln Val Pro Péptidos bioactivos Pro Pro Cys Pro Asp Cys Ile Val Ile Enzima Pro Pro Gly Gly Met Leu Asn Phe Ser His Cys Gly Ser Gly Leu Glu Ser Gly Cys Ile Gln

47 Obtención de péptidos bioactivos Proteínas séricas β-lg (56%) α-la (21%) BSA (7%) Ig (14%) Lf (2%) Fermentación Microorganismos Enzimas proteolíticas Proteólisis in vitro Enzimas digestivas: pepsina, tripsina, quimotripsina Enzimas microbianas: proteinasa k, termolisina Enzimas vegetales: papaína y la bromelaína Lys Cys Ala Arg Val Phe Ile Thr Leu Péptidos bioactivos Glu Arg Lys Gln Enzima Gly Ser Phe Val Pro Péptidos bioactivos Pro Pro Cys Pro Asp Cys Ile Val Ile Enzima Pro Pro Gly Gly Met Leu Asn Phe Ser His Cys Gly Ser Gly Leu Glu Ser Gly Cys Ile Gln

48 Péptidos antihipertensivos Fragmentos de proteínas específicas que, en función de la secuencia activa (entre 3 y 20 aminoácidos), ejercen diversas actividades biológicas Opiácea Inmunomodulante Antimicrobianas Quelante de minerales Antitrombótica Antihipertensiva

49 Péptidos antihipertensivos Fragmentos de proteínas específicas que, en función de la secuencia activa (entre 3 y 20 aminoácidos), ejercen diversas actividades biológicas Opiácea Inmunomodulante Antimicrobianas Quelante de minerales Antitrombótica Antihipertensiva Sistema renina-angiotensina

50 Péptidos antihipertensivos -Sistema renina-angiotensina- Angiotensinógeno Renina Angiotensina I ECA Angiotensina II Enzima convertidora de angiotensina Potente agente vasoconstrictor

51 Péptidos antihipertensivos -Sistema renina-angiotensina- Angiotensinógeno Renina Angiotensina I ECA Inhibidores Descenso de la presión arterial