Cartenoides de origen microbiano: Un bioproducto prometedor para el sector alimentario
La búsqueda de ingredientes naturales, sostenibles y funcionales ha supuesto una auténtica revolución para la industria alimentaria en los últimos años. Los consumidores demandan productos más saludables, libres de aditivos sintéticos y con beneficios nutricionales añadidos. Un ejemplo de ello son los carotenoides, pigmentos naturales ampliamente distribuidos en la naturaleza y que se han convertido en una de las moléculas más atractivas para el sector de la alimentación. Los carotenoides son una familia de pigmentos liposolubles con una amplia tonalidad de colores entre los que destacan los amarillos, anaranjados y rojos. Desde el punto de vista químico, los carotenoides son terpenos cuya estructura conjugada les otorga propiedades antioxidantes y la capacidad de absorber luz visible (uso como colorantes, precursores de vitaminas, o moléculas protectoras en enfermedades neurodegenerativas). Existen más de 700 carotenoides identificados, entre los cuales destacan el β-caroteno, la luteína, la zeaxantina, el licopeno, la astaxantina y el cantaxantina.
Los carotenoides no sólo están presentes en multitud de frutas, verduras o algas, sino que también los podemos encontrar en células microbianas como bacterias, levaduras y microalgas. En la actualidad, los carotenoides se obtienen por extracción de plantas o algas, siendo procesos de baja productividad y alto costo además de tener un alto impacto medioambiental. Asimismo, los carotenoides también se pueden obtener mediante síntesis química, lo que permite una producción más abundante y barata, aunque puede generar el rechazo del consumidor y enfrentar diversas restricciones regulatorias debido a la necesidad de usar componentes de naturaleza petroquímica. En este sentido, los carotenoides de origen microbiano representan una alternativa sostenible y eficiente para abastecer no sólo al sector alimentario, sino también al nutracéutico y al cosmético y ofrecen diversas ventajas frente a la extracción vegetal o a la síntesis química, tanto en términos medioambientales como económicos.
Existen numerosos microorganismos capaces de sintetizar y acumular carotenoides de manera intrínseca, incluyendo diferentes bacterias, levaduras y microalgas. Estos microorganismos han desarrollado la capacidad para producir este tipo de pigmentos como mecanismo de protección, para hacer frente por ejemplo al estrés oxidativo o a la radiación solar. Los principales géneros bacterianos productores de carotenoides como el β-caroteno, la zeaxantina y la canthaxantina incluyen a Rhodobacter, Paracoccus, Sphingomonas o Dietzia. Por otro lado, especies de levadura como Rhodotorula glutinis, Sporidiobolus salmonicolor, el hongo Blakeslea trispora, o microalgas como Dunaliella salina o Haematococcus pluvialis también son productores naturales de carotenoides.
Entre las diferentes ventajas de la producción microbiana de carotenoides se encuentran:
- La posibilidad de cultivarse en condiciones controladas bajo biorreactores utilizando recursos de bajo coste como los residuos agroindustriales, minimizando de esta manera la economía del proceso y el impacto ambiental.
- Se reduce la dependencia de cultivos agrícolas y el uso de tierras fértiles y agua potable, mejorando la sostenibilidad ambiental.
- Los procesos de producción pueden llevarse a cabo en condiciones controladas bajo una configuración de proceso en continuo, garantizando un suministro estable.
- La integración de estos cultivos con procesos agroindustriales garantiza un mejor aprovechamiento de residuos, permitiendo valorizar cualquier subproducto y avanzar hacia una bioeconomía circular.
En el marco del proyecto BIVALIA, la Unidad de Biocarburantes Avanzados y Bioproductos del CIEMAT se centra en el uso de sustratos alternativos para la producción microbiana de carotenoides. En este sentido, se están investigando diferentes fuentes alternativas ricas en azúcares que puedan utilizarse como fuente de carbono para el crecimiento de especies microbianas productoras de carotenoides. En particular, se están evaluando diferentes residuos procedentes de diversos sectores de la industria agroalimentaria de la Comunidad de Madrid, incluyendo actividades como la cervecera, la producción de vino o la industria láctea. Además de la utilización de residuos locales, también se está estudiando la optimización de los procesos de producción con el objetivo de determinar las mejores condiciones que permitan maximizar los rendimientos de conversión de azúcar en carotenoides. Factores como el pH, la concentración de oxígeno disuelto y/o el uso de factores externos como el estrés celular por limitación de nutrientes o por una alta osmolaridad de los medios de cultivo, pueden desencadenar una producción óptima de carotenoides.
Además del uso de materias primas de bajo costo, otro de los aspectos de mayor relevancia durante la producción de carotenoides mediante procesos microbianos es el desarrollo de procesos de extracción más sostenibles y económicamente competitivos. Por ejemplo, el uso de los conocidos como solventes verdes o tecnologías de separación como los fluidos supercríticos, permiten la extracción de carotenoides de forma que se obtenga un producto con alto valor añadido sin la generación de subproductos de carácter tóxicos, permitiendo además preservar su actividad biológica.
En resumen, la producción industrial de carotenoides microbianos aún enfrenta ciertos desafíos, como los altos costes de fermentación y purificación o la estabilidad de los pigmentos durante el procesamiento y almacenamiento. Sin embargo, el desarrollo y optimización de los procesos de cultivo mediante la integración de procesos biotecnológicos en esquemas de biorrefinerías, así como los avances en ingeniería genética y biología sintética que permiten diseñar cepas hiperproductoras más eficientes, permitirán reducir costos mediante y minimizar el impacto mediambiental.
Contacto: María José Negro (mariajose.negro@ciemat.es); Antonio David Moreno (david.moreno@ciemat.es)
