Aplicaciones de la Fermentación en la Biotecnología: De los Métodos Ancestrales a la Innovación de Precisión

La biotecnología tradicional se define como el empleo de microorganismos para la obtención de un producto útil para la industria. El término “microorganismos” incluye a un grupo variado de organismos, relacionados entre sí por su tamaño microscópico. La gran mayoría son unicelulares, y viven en forma solitaria o formando colonias, aunque hay otros que son pluricelulares. A los microbios se los conoce sobre todo por las enfermedades que causan a las personas, animales y plantas. Sin embargo, son esenciales para la elaboración de alimentos, medicamentos y otros productos de interés industrial.

La fermentación es un proceso biológico que se utiliza en diversas industrias. Permite producir una amplia gama de productos, desde alimentos hasta biocombustibles, y comprender los diferentes tipos de fermentación que existen es esencial para aprovecharlo al máximo en todas sus áreas de aplicación.

Historia y Descubrimiento de la Fermentación

Los hombres utilizan las fermentaciones para su provecho desde la prehistoria. El pan fermentado se conoce desde hace varios miles de años. Los jeroglíficos y otras representaciones gráficas demuestran que el hombre fabricaba bebidas alcohólicas ya varios milenios antes de Cristo. Al preparar el pan, vino o la cerveza, los hombres empleaban, sin saberlo, unos microorganismos muy útiles: las levaduras.

No fue sino hasta el siglo XVIII que Antonie van Leewenhoek desarrolló los lentes que más tarde dieron lugar al microscopio, instrumento que permitió a los seres humanos adentrarse en el mundo invisible que nos rodea, mundo en el que los microorganismos son los habitantes centrales. Un siglo después, Pasteur relacionó los microorganismos con la descomposición y con la fermentación, y Koch, con las enfermedades.

En la época de Luis Pasteur, las teorías científicas reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, pero estas levaduras eran consideradas como un producto de la fermentación. Luis Pasteur demostró que las células viables de levaduras causan fermentación en condiciones anaeróbicas (baja concentración de oxígeno); durante dicha fermentación el azúcar de la uva es convertido en etanol y CO2.

El descubrimiento de la fermentación por Luis Pasteur representó un paso gigante para la ciencia. En esa época, la ciencia estaba dominada por las leyes de los químicos, quienes suponían que el alcohol se producía por vibraciones que hacían inestables a los azúcares al punto de degradarlos a moléculas más pequeñas. Aunque reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, las consideraban productos o catalizadores de la fermentación.

Tipos de Fermentación y sus Aplicaciones Tradicionales

Existen varios tipos de fermentación que se utilizan en la industria alimentaria. Entre los microbios útiles se destacan las levaduras, que producen el alcohol para la elaboración del vino y el dióxido de carbono para “levantar” la masa del pan, y las bacterias ácido lácticas, que aportan el ácido láctico en los productos lácteos, cárnicos y vegetales fermentados.

Fermentación Alcohólica

Se realiza principalmente por levaduras, como Saccharomyces cerevisiae, que convierten los azúcares en alcohol etílico y dióxido de carbono. Este proceso es fundamental en la producción de bebidas alcohólicas como la cerveza, el vino y el whisky, así como en la fabricación de biocombustibles como el etanol.

Las bebidas alcohólicas se producen a partir de diferentes sustratos, dependiendo de la región geográfica. Las materias primas de partida pueden ser azúcares simples, como los presentes en el jugo de uva (para el vino) o de alto peso molecular, como el almidón de los granos de cebada (para la cerveza). Para la obtención de las bebidas se emplean levaduras del género Saccharomyces, las que en condiciones anaeróbicas metabolizan estos azúcares convirtiéndolos en etanol.

Actualmente el alcohol se produce principalmente a partir de caña de azúcar o a partir de maíz, cuyos hidratos de carbono son fermentados a etanol por las levaduras del género Saccharomyces. Los principales productores de alcohol como combustible son Brasil, Estados Unidos y Canadá. Brasil lo produce a partir de la caña de azúcar y lo emplea como “hidro-alcohol” (95% etanol) o como aditivo de la gasolina (24% de etanol).

Fermentación Láctica

En la fermentación láctica, los microorganismos, como ciertas bacterias del género Lactobacillus, convierten los azúcares en ácido láctico. Este proceso es común en la fabricación de productos lácteos como el yogur, el queso y la leche fermentada. Las bacterias ácido lácticas se vienen empleando para fabricar alimentos desde hace al menos 4 mil años. Su uso más corriente se relaciona con la producción de productos lácteos fermentados, como el yogurt, el queso, la manteca, la crema de leche, el kéfir y el kumis.

Constituyen un gran grupo de microorganismos benignos que producen ácido láctico como producto final del proceso de fermentación. Las bacterias ácido lácticas transforman la lactosa de la leche en ácido láctico, el que modifica la estructura de las proteínas de la leche (cuajan). De esta manera se modifica la textura del producto, aunque existen otras variables, como la temperatura y la composición de la leche, que influyen en las cualidades de los distintos productos resultantes.

El ácido láctico le confiere a la leche fermentada ese sabor ligeramente acidulado, y otros derivados de la fermentación producen a menudo otros sabores o aromas. El acetaldehído, por ejemplo, da al yogur su aroma característico, mientras que el diacetilo confiere un sabor de manteca a la leche fermentada.

Con respecto al yogur, en su elaboración se emplean dos bacterias: Streptococcus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus, que se caracterizan porque cada una estimula el desarrollo de la otra. Además de su empleo en la elaboración del yogur y otros productos, las bacterias ácido lácticas son explotadas como cultivos probióticos, ya que se complementan con las bacterias presentes en nuestra flora intestinal y contribuyen al buen funcionamiento del aparato digestivo.

Fermentación Acética

En la fermentación acética, las bacterias del género Acetobacter oxidan el alcohol producido por la fermentación alcohólica en ácido acético. Este proceso es utilizado en la producción de vinagre, donde el ácido acético es el componente principal.

Fermentación Butírica

La fermentación butírica se realiza por bacterias del género Clostridium, las cuales convierten los azúcares en ácido butírico y otros ácidos grasos de cadena corta. Este proceso se utiliza en la fermentación de ciertos alimentos, como la mantequilla, o la formación de ciertos aromas y sabores en quesos.

La Fermentación en la Industria Alimentaria: Más Allá de lo Básico

En muchos productos de la industria alimenticia, los microorganismos están presentes durante el proceso de producción, pero ausentes como células viables en el producto final. En otros, los microorganismos vivos están en el producto final, como en el caso de los microorganismos probióticos, y su presencia en los alimentos estaría asociada con efectos beneficiosos para la salud.

La fermentación es una de las técnicas ancestrales más usadas para conservar, producir o transformar alimentos y bebidas, no solo en Mesoamérica sino en todo el mundo. Esta práctica consiste en la modificación de la estructura de las materias primas como frutas, cereales, vegetales o carnes, entre otras, mediante la acción de diversos microorganismos que, a través de reacciones metabólicas, principalmente de los azúcares de estos alimentos, permiten la formación de ácidos orgánicos como: acético, láctico, butírico y propiónico, y de algunos alcoholes como el etanol y el láctico, así como la liberación de algunos aminoácidos.

Es un hecho que existe aún un enorme potencial por explotar, derivado del conocimiento de la actividad microbiológica que beneficia la salud y nivel nutricional del consumidor de productos fermentados tradicionales. También es posible pensar en que dichas actividades microbianas podrían promoverse en el mismo alimento, o bien, en el caso de algunos de sus componentes, adicionarlos a otros alimentos.

Ejemplos de Productos Fermentados Tradicionales en México

Dentro de los productos fermentados destacan singularmente los derivados de maíz, tanto alcohólicos (tesgüino) como no alcohólicos (pozol), los fermentados de miel y de otras frutas con azúcar, y, muy particularmente, los fermentados de aguamiel extraído de agaves.

Entre las bebidas y los alimentos fermentados autóctonos de México se encuentra el pozol, bebida de maíz de origen maya que forma parte de la alimentación básica de muchos grupos étnicos del sur y el sureste de México. Se prepara con bolas de masa de maíz nixtamalizado envueltas en hojas de plátano que se dejan fermentar por tiempos que varían considerablemente. Las bolas de maíz fermentado se consumen disueltas en agua durante la comida, el trabajo o a cualquier hora del día como una bebida refrescante.

Los estudios microbiológicos de estas bebidas indican que contienen gran cantidad de microorganismos benéficos como las bacterias lácticas, que son las primeras en desarrollarse y que están presentes durante todo el proceso. Éstas son las responsables de la acidificación de la masa, ya que producen ácido láctico, que imparte un sabor fresco y agradable al producto. El pozol contiene además bacterias como Achromobacter pozolis o Agrobacterium azotophilum y Aerobacter aerogenes, que tienen la particularidad de fijar el nitrógeno atmosférico, pudiendo ser las responsables del alto contenido de proteína del pozol, que resulta mayor al que se encuentra en la masa del maíz sin fermentar.

Avances Biotecnológicos y Fermentación de Precisión

La fermentación de precisión se está perfilando como una de las tecnologías más prometedoras en la industria agroalimentaria y una de las tendencias para este 2024. Este proceso biotecnológico, que permite la producción de ingredientes alimentarios mediante la utilización de microorganismos específicos, ofrece una alternativa sostenible y eficiente a los métodos de producción tradicionales.

¿Qué es la Fermentación de Precisión?

La fermentación de precisión es una técnica avanzada de ingeniería genética y biotecnología que, mediante la programación de microorganismos como levaduras, bacterias o microalgas, consigue producir ingredientes alimentarios, como proteínas, grasa, vitaminas y aromas. Con esta fermentación controlada, se pueden conseguir productos idénticos a los que estamos acostumbrados, como leche y huevos, pero sin intervención animal.

A diferencia de la fermentación tradicional, la fermentación de precisión se caracteriza por su capacidad para dirigir el proceso hacia la producción de componentes alimenticios específicos, con un control exacto sobre el producto final. El proceso se lleva a cabo en un entorno controlado para optimizar la producción de los compuestos deseados con precisión a nivel molecular.

Proceso de la Fermentación de Precisión

1. Diseño y selección: Se identifica el producto objetivo y se selecciona un microorganismo adecuado para modificarlo genéticamente.
2. Ingeniería genética: Los microorganismos se modifican genéticamente para optimizar su capacidad de producir el compuesto objetivo.
3. Fermentación: El microorganismo modificado se desarrolla en un medio de cultivo controlado que proporciona todos los nutrientes necesarios.
4. Purificación: Se separa y se purifica el ingrediente objetivo del resto de componentes del medio de cultivo para obtener un compuesto de alta pureza.
5. Formulación y pruebas: Se formula el compuesto en el producto final y se realizan pruebas de calidad y seguridad.

Aplicaciones de la Fermentación de Precisión

La fermentación de precisión, con su capacidad para producir ingredientes específicos a través de microorganismos programados genéticamente, tiene aplicaciones revolucionarias en diversas industrias como la farmacéutica, la cosmética y la biotecnológica, además de la industria agroalimentaria. En materia de alimentación, la fermentación de precisión tiene un amplio rango de aplicaciones, ofreciendo soluciones innovadoras y sostenibles para la producción de alimentos.

• Proteínas alternativas: Producción de proteínas idénticas a las de origen animal, como la caseína, la albúmina o la lactosa, sin necesidad de criar animales.
• Ingredientes funcionales: Creación de prebióticos, probióticos y enzimas digestivas que pueden mejorar la salud intestinal y general.
• Vitaminas y nutrientes: Se pueden sintetizar vitaminas y nutrientes esenciales, como la vitamina B12 y los ácidos grasos omega-3.
• Sabores y aromas: Producción de compuestos aromáticos y sabores específicos que son difíciles de extraer de fuentes naturales.
• Colorantes alimentarios: Generación de colorantes naturales, como el carotenoide y la clorofila.

Beneficios de la Fermentación de Precisión

La fermentación de precisión ofrece numerosos beneficios que la posicionan como una tecnología clave para el futuro de la producción sostenible de alimentos y otros productos de la industria, como:

• Sostenibilidad ambiental: Minimiza el consumo de recursos naturales y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero.
• Eficiencia productiva: Permite la producción eficiente y controlada de ingredientes, mejorando la calidad y consistencia del producto final.
• Innovación en alimentos: Facilita la creación de nuevas alternativas alimentarias y la producción de ingredientes complejos.
• Beneficios nutricionales: Ofrece la posibilidad de enriquecer los alimentos con nutrientes esenciales de manera eficiente.
• Contribución a la seguridad alimentaria: Representa una solución prometedora para aumentar la disponibilidad de alimentos nutritivos.

Fermentación en la Industria Farmacéutica y Otros Sectores

Además de la industria alimenticia, la industria farmacéutica también se beneficia de los productos de los microorganismos. La simplicidad de manipulación genética de la levadura permite que sea utilizada convenientemente para analizar la función de los productos génicos de organismos eucariontes superiores. En cuanto a su utilización biotecnológica como fábrica de moléculas recombinantes, la levadura es de gran utilización para la preparación de proteínas recombinantes de uso comercial. La importancia de esta levadura en la producción de productos por ingeniería genética puede verse en la primera vacuna recombinante aprobada para humanos (contra la hepatitis B), y el primer producto alimenticio recombinante aprobado, la renina (o quimosina) utilizada en la fabricación de queso, que fueron producidos en sistemas de levaduras.

Los productos de la biotecnología se aplican hoy a un gran número de industrias entre las que cabe mencionar no sólo la alimenticia, sino también la farmacéutica, textil, del papel, de detergentes, etc. Prácticamente todas las enzimas que se emplean en la industria son recombinantes. Muchas de ellas son microbianas, pero resulta más fácil y reproducible su obtención a partir de microbios bien conocidos y fácilmente cultivables.

Enzimas Extremófilas en la Industria

Hasta hace no mucho se pensaba que la vida era incompatible con los ambientes extremos tales como la oscuridad absoluta, concentraciones salinas tan altas como la de la salsa de soja, lagos helados o aguas termales. Pero hoy sabemos que existen una gran cantidad de microorganismos que viven y prefieren estos ambientes, y por eso reciben el nombre de “extremófilos”.

Así descubrieron que los extremófilos tienen enzimas y compuestos diferentes al resto de los organismos vivos, que justamente les permiten hacer lo mismo que hacen todos, pero en condiciones extremas. Esto resultó muy interesante para la industria, ya que hay procesos industriales que ocurren a altísimas temperaturas, o muy bajas, o a altas concentraciones salinas o alta alcalinidad. Por ejemplo, los detergentes en polvo tienen biocatalizadores (enzimas) que quitan las manchas en agua fría. Por su parte, la industria del cuero usa enzimas que degraden proteínas de la piel de los animales en condiciones de alta salinidad.

Otra aplicación de las enzimas obtenidas de los extremófilos es la investigación científica. Por ejemplo, en laboratorios de biología molecular se utilizan técnicas que requieren de enzimas estables a altas o bajas temperaturas. Un caso puntual es la técnica conocida como Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR por sus siglas en inglés), en la cual se requiere una enzima (ADN polimerasa) que tolere temperaturas tan altas como 94 ºC. Las enzimas resistentes a bajas o altas temperaturas, que se emplean en las diferentes industrias, provienen de microorganismos de laboratorio transformados con genes de extremófilos.

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