Bioamassa unicel.lular

Definició

� Material cel.lular microbià produit per a la seva utilització com aaliment humà o animal.

� Single Cell Protein (SCP) --> Proteïna unicel.lular� Terme poc apropiat. Apart de proteïnes hi han altres components (entre un

20 i un 70 % pot ser material no proteic)

� Single Cell Biomass (SCB) --> Biomassa unicel.lular� Terme recomanat per la IUPAC

� S’eviten termes com Biomassa Microbiana o BiomassaBacteriana. Disminuirien l’acceptació pùblica.

Història i ambit d’aplicació

� Alemania� Consum durant la 1ª Guerra Mundial.� Disminueix l’interès� Cap a 1930 es reactiva l’interès� Durant la 2ª Guerra Mundial es consumeixen unes 15.000 tones de SCB en

forma de llevat que s’incorporava a sopes i salsitxes.

� GB i EEUU� Es desenvolupa la producció de SCB com a complement dietetic per

animals

� Després de la 2ª Guerra Mundial l’interès disminueix.

� Torna a posarse de moda cap els anys 50 degut a estudis iprevisions publicats per diverses agencies internacionals.

Dèficit de proteïnes

� A la dècada dels 50 diverses agències internacionals preveienun dèficit de 70x106 tones de soja cap a principis del segle XXI

� Causes del dèficit:� Increment de la població mundial

� Pinsos compostos� En països desenvolupats la producció animal requereix pinsos compostos amb

un contingut protèic elevat (entre el 10 i el 30% del pes sec en proteïna)

� Per augmentar el contingut protèic s’afegeixen suplements com farina de soja,farina de peix o farines animals.

� Si s’utilitzés SCB, aquests recursos es podrien dedicar a l’alimentació humana.

Interès estratègic

� Molts països (Europa, ex USSR, Japó) són deficitaris enproducció de proteïna per alimentació animal i depenen deimportacions de soja procedents d’altres països.

� La producció de SCB disminueix la dependència de laimportació.� 1979 USSR produïa 1.1x106 tones/any de SCP en un total de 86 plantes

� 1981 - 1985 ampliació de la producció en 1.2x106 tones/any adicionals

� Entre 10 i 12x106 tones de SCB per any permeterien ser independent deles importacions.

Avantatges de laproteina unicel.lular

� Creixement ràpid --> Productivitat elevada� 1000 kg de vaca produeixen 1 kg en 24 h

� 1000 kg de llevat produeixen 4000 kg en 24 h dels quals 2000 son proteinacomestible

� Contingut proteic elevat (30-80% del pes sec)

� Utilització de fonts de carboni molt diverses que sovint sonconsiderades com a residus

� Es relativament fàcil seleccionar soques amb un bon rendimentde conversió i una composició adequada

� Es poden obtenir produccions elevades amb instal.lacionspetites

� La producció és independent del clima (excepte en el cas deles algues) --> Fàcil de controlar i planificar.

Consideracionssobre el consum de SCB

� L’any 1976 el Protein Advisory Group (FAO/WHO) avisa del’existència de diversos inconvenients d’utilitzar proteïnad’origen microbià en l’alimentació humana:� Problemes de seguretat

� El consum de proteïna unicel.lular pot tenir efectes perjudicials sobre la salut delconsumidor

� Problemes nutricionals� El consum de proteïna unicel.lular pot no ser tan beneficiós com el consum de

proteina convencional

Aspectes de Seguretat

� Els possibles problemes sanitaris del consum de proteïnaunicel.lular tenen que veure amb:� Concentració elevada d’àcids nuclèics ≈ 6 - 16% (sobre tot de RNA que és

el més abundant)

� Reaccions cutànies al consum de proteïnes extranyes

� Reaccions gastrointestinals (mareig i vòmit)

� Presència de productes cancerígens procedents del substrat

� Aquests problemes es poden intentar superar:� El contingut d’àcids nuclèics es pot reduir en el processat del material

cel.lular

� Les reaccions alèrgiques depenen del tipus de microorganisme utilitzat. Calfer una bona tria i demostrar que no i ha problemes mitjançant provestoxicològiques

� És necessari utilitzar substrats que no presentin tòxics en la sevacomposició

Contingut de RNA en SCB

� Consum excessiu d’àcids nuclèics --> Pedres al ronyó i gota a lesarticulacions

� Limit diari recomenat < 2g per persona i dia

� Aixó equival a que la dosi diaria de proteïna consumida tingui uncontingu de RNA associat menor al 1-2% del Pes Sec

Exemples: Spirulina 3.6% PS Bacteris 15-20% PS Llevats i Fongs 15% PS

� En general els continguts són molt elevats perque els microorganismescreixen molt ràpidament i necessiten molts ribosomes per sintetitzarproteïnes a gran velocitat.

Reducció delcontingut de RNA

� Hidròlisi alcalina i neutralització amb àcid� El RNA es solubilitza amb un tractament amb NaOH 0.125 N a 50º durant 1

hora

� Si al neutralitzar amb àcid es disminueix per sota de pH 6, el RNA torna aprecipitar

� Amb aquest tractament s'obté un material amb un 45% de proteina i un 1%de àcid nucleic

� Degradació amb RNAses endògenes� Procediment difícil

� Separació de la biomassa del medi

� Rentat i resuspensió en H2O a pH 7.5-7.8 amb NH4OH durant 4 h a 65 ºC

� Contingut d'AN baixa fins al 2% del Pes Sec

� Procediment senzill� Escalfar directament el cultiu a 64 ºC

� S'inactiven les proteases

� Les RNAses es mantene actives

� Després de 20-30 minuts el contingut de RNA ha disminuit a < 2% del Pes Sec

Comercialització denoves fonts de proteïna

� Els requeriments establerts per el Protein Advisory Group(FAO/WHO) i per la IUPAC respecte a noves fonts de proteïnasón molt estrictes� No s'haurien d'admetre noves fonts de proteïna com a ingredients en

l'alimentació animal a menys que s'hagin avaluat a fons respecte aseguretat i manca de toxicitat

� Avaluació� S'ha de portar a terme en mostres de processos ben estabilitzats i

estandaritzats que permetin tenir garanties de reprodubilitat del producte.

� Normalment cal utilitzar el producte d'una planta pilot

� Si l'avaluació és favorable i s'inicia la producció a gran escala, caldemostrar que el producte obtingut és identic al de la planta pilot

� Respecte als microorganismes responsables del procés:� Es pot utilitzar qualsevol microorganisme

� Pero cal demostrar:� Que no és patogen per l'home, ni per animals o plantes.

� Que no produeix compostos tòxics que no puguin ser reduïts per sota dels limitsacceptables

� Cal declarar tota la informació referent al microorganisme i a lescaracterístiques del procés

� Matèries primeres (substrats)

� Productes afegits (antiespumants, antiemulsionants, etc.)

� Solvents utilitzats en l'extracció

� Tipus de secat

� Precaucions sanitàries

� En el fons, el risc que presenta la SCB és molt baix, però elprocés d'aprovació és molt llarg

Aspectes Nutricionals

� Encara que els productes siguin segurs, cal que siguin tambénutricionalment correctes.

� Com a índex d'adequació nutricional s'utilitzen diversosparàmetres:� PER Protein Efficiency Ratio

� BV Biological Value

� NPU Net Protein Utilization

� PD Protein Digestibility

� FCR Feed Conversion Rate

� Valor biològic (BV) de diferents fonts de proteïna

62Brevibacterium

67Acinetobacter

84MYCOPROTEIN

59Aspergillus oryzae

90Ou

54-61TOPRINA

75Caseïna

Composició amino acids

� En general s'observa que les proteïnes d'origen microbià sóndeficitaries en aminoàcids sulfurats.

� Aquest dèficit es pot corretgir suplementant amb metionina.

� En definitiva, el que conta és que la proteïna consumida resultien un increment de massa corporal. Ex. Mucor i Alternariatenen un perfil d'aminoàcids adequat però tenen un valornutricional pobre. Alternaria causa la mort de les rates.

97 %90 %Ou sec

91 - 96 %54 - 61 %TOPRINA

BV+ 0.3% Met

BV ControlProducte

Composició SCB

,

TOPRINA™ Part 1

� A finals dels 50 British Petroleum desenvolupa un procés basaten llevats (C lipolytica i C tropicalis) creixent en alcans C12-C20

� Estandarització en planta pilot� Planta pilot a Grangemouth (GB). 1500 tones per any durant 7 anys, entre

1971 i 1978� Planta pilot a Cap Lavera (F). 16000 tones per any

� Proves de Toxicitat i Carcinogenicitat (12 anys)� Proves Toxicitat Aguda (Rates alimentades amb un 40% de TOPRINA

durant 6 setmanes)� Proves de Toxicitat Subcrònica --> 3 mesos� Proves de Toxicitat Crònica --> 2 anys� Proves Multigeneracionals --> 15 generacions en rates� Resultats excel.lents

� Producció a gran escala� Construcció d'una planta a Cerdenya (BP-ENI) amb 3 fermentadors de

1000 m3 i una produció de 100.000 tones/any

TOPRINA™ Part 2

� Es va intentar comercialitzar com a substitut de la farina depeix en pinsos d'alt contingut protèic i com a substitut de la lleten pols descremada en substituts de la llet

� Tot i que no hi havien indicis de toxicitat ni de carcinogenicitat,es temia la presència de hidrocarburs aromàtics en el producte.

� La principal oposició va apareixer a Japó de part de grupsecologistes i professors d'universitat. El tema es va acabarpolititzant i l'any 1972 el Japó va ser el primer país en prohibirla proteïna microbiana obtinguda a partir d'hidrocarburs.

� Com a consequència, el govern Italià va demanar que esportessin a terme estudis adicionals per demostrar que la SCPestava exenta de risc.

� Els porcs alimentats amb 30% de TOPRINA tenien menyshidrocarburs en els seus teixits que els porcs alimentatspasturant de forma natural.

� Davant d'aquests resultats, el govern Italià va autoritzar l’ús deTOPRINA en quantitats limitades i únicament per exportació.

� L'any 1977 la producció es va aturar degut a l'augment del preudels hidrocarburs.

MYCOPROTEIN™

� Producte desenvolupat per Ranks Hovis McDougall

� Utilitza un fong (Fusarium graminearum) crescut en melasses oen glucosa procedent de midó com a font de carboni, i NH3com a font de nitrogen i control de pH

� El producte és sotmés a un tractament tèrmic per reduir elcontingut de RNA. El miceli es separa per filtració al buit i se limodifica la textura per aproximar-la a la dels alimentsconvencionals.

� Adició d'un "binder" que aglutina les hifes del miceli per donar-les una consistència semblant a la de la carn.

� Després de 10 anys d'estudis toxicològics és la única proteïnafúngica (apart de la dels bolets) aprovada per alimentacióhumana (inicialment a GB i posteriorment a altres països)

MYCOPROTEIN™(Producció)

� Reactors de cicle pressuritzat de 45 m d'alçada.

� Al arribar a una certa concentració de biomassa s'inicia elprocessat del miceli. El material és extret del reactor a lamateixa velocitat a la qual creix. El sistema funciona encontinu.

� L'efluent és bombejat a través d'una unitat de tractamenttèrmic:� Inactivació del fong� Degradació endògena del RNA

� Centrífugues� Separen el miceli del medi

� Refrigeradors� Refrigeren la pasta de miceli

� Magatzem

MYCOPROTEIN™(Texturitzat)

� El material purificat és texturitzat per facilitar elconsum i la comercialització. Es simulen lesestructures dels productes càrnics (interacció fibramuscular-teixit conectiu) lligant les hifes de lamycoproteïna amb altres ingredients.� Barreja de la mycoproteina amb un binder i amb la resta dels

ingredients� Premsat per donar-li la forma desitjada� Escalfament per coagular el binder� Refrigeració� Empaquetat� Comercialització

Pekilo

� Procés desenvolupat a Finlàndia que utilitza fongs perdegradar els carbohidrats residuals dels efluents de la indústriapaperera

� Aprovat a Finlàndia per alimentació animal

� Utilitza plantes petites de 10.000 tones/any que processen 100m3/h d'efluent de paperera

� S'elimina el SO2 fent un stripping amb vapor

� Redueixen la DBO en un 80%

Valoració de fontsde proteina

� Digestibility (D)� D is the percentage of total nitrogen consumed that is

absorbed from the alimentary tract. The total quantity ofmicrobial protein ingested by animals is measured and thenitrogen content (I ) is analysed. Over the same period, faecesand urine are collected, and faecal nitrogen content (F ) andurinary nitrogen content (U ) are measured. Thus:

� Biological Value (BV)� BV is the percentage of total nitrogen assimilated that is

retained by the body, taking into account the simultaneousloss of endogenous nitrogen through urinary excretion. Thus:

� Protein Efficiency Ratio (PER)� PER is the proportion of nitrogen retained by animals fed the

test protein compared with that retained when a referenceprotein, such as egg albumin, is fed.

Esquema del procés

� Barreja components del medi

� Esterilització

� Fermentació� Aireació. Difícil de transferir oxigen en volums grans. S'utilitzen dissenys air

lift en lloc d’agitació amb turbines.

� Refrigeració. En reactors de volum gran es genera calor més rapidamentdel que es pot dissipar per la superfície del fermentador. Cal refrigerar deforma activa.

� RecuperacióSCB� L'objectiu és obtenir material sec

� Assecat Directe� 10 vegades més car que el procediment mecànic més sofisticat

� No separa la SCB dels components del medi

� Separació� Centrifugació. Útil en llevats però poc pràctic en bacteris (mida petita i densitat

propera a la del aigua fan que calguin temps llargs i velocitats molt elevades).

� Filtració. Molt utilitzat en fongs filamentosos. En bacteris es produeixenproblemes de colmatació difícils de resoldre.

� Aglomeració i floculació. Útil en bacteris. Augment de temperatura opolielectrolits catiònics.

� Eliminació aigua� Mecànica (premsat)

� Assecat� Temperatures inferiors a 75 ºC

� Tractament efluent líquid� DBO molt elevada. Reciclar a menys que tingui tòxics difícils d'eliminar

Substrats per laobtenció de SCP

La font de carboni constitueix aproximadament el 60% dels costos d’operació delprocés. Per reduir costos es important tenir un bon rendiment i utilitzar dins elpossible fonts de carboni de baix cost.

� Combustibles fossils� Hidrocarburs gasosos (metà, età, propà, butà)

� Hidrocarburs liquids (n-alkans) (TOPRINA - BP)

� Metanol

� Etanol (PRUTEEN - ICI)

� Gasoil

� Fonts de carboni renovables� CO2

� Melasses i xarops (remolatxa, canya de sucre)

� Serum lacti

� Hidrolitzat de polisacarids. Cel.lulosa, Midó (MYCOPROTEIN - RHM)

� Efluents industrials� Cerveseria

� Destileries

� Pastisseries

� Patata

� Conserves

� Papereres (PEKILO)

� Substrats sòlids� Fusta

� Palla

� Serradures

Combustibles fossils

� 1960’s >> Preu del petroli molt baix >> bon substrat per SCB

� n-alkans� hidrocarburs saturats lineals

� C5-C8 son aparentment tòxics

� C9-C18 substrats per SCP (es poden extreure de kerosé o de gasoil)

� S’utilitzen llevats degradadors d’hidrocarburs (Yarrowia lipolytica ,Candida tropicalis , C. rugosa and C. Guilliermondii)

� C10-C18 són insolubles en aigua i s’han de dispersar

� El creixement només es dona a la interfase amb la gotad’hidrocarbur

� 1973 >> 1ª crisi del petroli >> augment de preus inecessitat de substrats alternatius

� Metà� Molt abundant i economic pero:

� És poc soluble en aigua� El primer pas de la seva degradació és la oxidació fins a metanol

que és un procés lent i costós

� Metanol� Hi ha pocs llevats que el degradin. En la majoria dels cassos s’utilitzen

bacteris metilotròfics

Pruteen - ICI

� ICI va desenvolupar un procés de producció de 50.000tones/any

� Reactor de 1000 m3 de cicle pressuritzat

� Methylophilus methylotrophus

� El bacteri està manipulat geneticament de manera queincorpora NH3 per una via poc eficient (requereixconcentracions elevades de NH3 ), consumeix menys ATP >>augmenta el rendiment

� Separació per floculació i flotació seguits de centrifugació isecat.