La levadura, un microorganismo unicelular de gran importancia biotecnológica, requiere una nutrición adecuada para su crecimiento y multiplicación. Entre los elementos esenciales, el fósforo (P) desempeña un papel crucial en diversos procesos celulares. Sin embargo, la disponibilidad de fósforo en los sustratos de cultivo puede ser un factor limitante, especialmente en la producción biológica. La presente invención se refiere a un procedimiento de producción de levadura biológica que aborda esta limitación mediante el uso de sustratos de origen biológico que permiten completar las necesidades nutricionales de fósforo de la levadura.
Nutrientes Indispensables para la Levadura
Para que la levadura se multiplique se requieren fuentes de carbono y de energía, como una mezcla de azúcares: glucosa, fructosa y sacarosa. También se requiere nitrógeno, fósforo, oxígeno y otros oligoelementos entre otros magnesio, sodio, potasio, cinc, cobre o incluso manganeso y factores de crecimiento como biotina, inositol, ácido pantoténico, tiamina, piridoxina, ácido nicotínico o incluso ácido para-aminobenzoico. La tasa de nitrógeno de la levadura es del 6 % al 9 % de la materia seca de la levadura, es decir, del 37 % al 56 % de proteínas. La composición de fósforo de la levadura expresada en P2O5 es, de manera general, un tercio de la del nitrógeno, es decir, del 2 % al 3 % de la materia seca.
Desafíos en la Producción Clásica de Levadura
En el ámbito de la producción clásica de levaduras, se utilizan, en general, melazas de caña de azúcar o de remolacha como fuente combinada de carbono y energía. Sin embargo, el aporte de nitrógeno de las melazas es totalmente insuficiente. Además, la melaza carece de fósforo. El fósforo se añade, en general, en forma de ácido fosfórico o de sus sales. Así, solo son utilizables los sustratos producidos según el modo biológico (reglamento (CE) n.° 834/2007). Por el contrario, la necesidad de fósforo no está satisfecha. En este caso, la utilización de autolisado de levadura permite cubrirla.
La Solución Innovadora: Sustratos Ricos en Fósforo Asimilable
La solicitante ha encontrado que ciertos productos de origen biológico ricos en ácido fítico son, después de la solubilización y la hidrólisis, una fuente de fósforo eficazmente asimilable por la levadura. En la invención se describe una solución purificada de origen biológico rica en fósforo asimilable por la levadura. Estos sustratos son, de manera preferible, de melaza como fuente de azúcares, una fuente de proteínas biológicas hidrolizadas como fuente de nitrógeno y al menos una solución purificada rica en fósforo como fuente de fósforo.
En el procedimiento de la invención se emplea la melaza de origen biológico como fuente de azúcar. Según una forma de la invención, la melaza utilizada se elige entre melaza de caña y melaza de remolacha. A fin de aprovechar sus composiciones diferentes en términos de minerales y vitaminas, es preferible según la invención utilizar conjuntamente las melazas de caña y de remolacha en una relación comprendida entre 50/50 y 80/20. La hidrólisis de la fuente biológica de nitrógeno puede efectuarse mediante un coctel enzimático que permita tener una tasa de solubilización de materia seca próxima al 80 % y un rendimiento de nitrógeno del 80 % al 85 %. Este cóctel enzimático comprende una mezcla de endoproteasas y exopeptidasas, preferiblemente todo o parte de la mezcla neutrasa, alcalasa, cristalasa y flavourzima. Según la invención, el aporte de fósforo está cubierto por la utilización de una solución, de origen biológico, purificada y rica en fósforo.
Comprendiendo el Ácido Fítico y la Fitasa
El ácido fítico, de fórmula general C6H18O24P6, está constituido por un núcleo de inositol y 6 agrupaciones fosfato (InsP6). Bajo la acción de una fitasa, el ácido fítico se hidroliza en forma de monofosfato inorgánico y de mioinositoles fosfato de grado de fosforilación inferior (InsP5 a InsP1) y de mioinositol libre en ciertos casos como se describe en la Patente Europea EP 1910531 B1. Hay que indicar que el salvado de trigo no requiere el empleo de fitasa exógena. La puesta en suspensión en agua se efectúa a razón de 100 a 250 gramos y preferiblemente de 160 a 180 gramos de producto triturado por kilogramo de suspensión final. A veces es necesario añadir a la suspensión una fitasa exógena para reforzar o para completar la actividad fitásica endógena. En este caso, la fitasa exógena se utiliza a razón de 15 a 25 gramos por kilogramo de producto triturado.
La Importancia del Fósforo en la Agricultura
El fósforo (P) es uno de los elementos esenciales más abundantes en el suelo, pero a menudo es poco disponible para la absorción por las plantas. El 85-90% de la adquisición de nutrientes de la planta es mediada por microorganismos que viven junto con ella en el suelo. El microbioma de la planta determina su salud y productividad. El trabajo conjunto entre plantas y microorganismos puede generar suelos fértiles y bien estructurados. Los exudados de raíz son fundamentales para la comunicación planta-microbio, y la base para activar mecanismos de movilización de nutrientes en el suelo. Cuando se fertiliza externamente a las plantas con fósforo, estas alteran sus exudados, dejando de enviar la señal para que los microorganismos solubilizadores de fósforo aumenten la disponibilidad del fósforo ya existente.
Las plantas absorben P como iones ortofosfato primario (H2PO4-) y secundario (HPO42-), cuya disponibilidad depende del pH. En suelos ácidos, el fósforo se combina rápidamente con metales, formando fosfato de aluminio, hierro o manganeso, y con calcio en suelos alcalinos, muchas de estas moléculas insolubles. Los microorganismos, por medio de la solubilización y/o mineralización del fósforo inorgánico y orgánico, ponen a disposición de la planta el elemento. El principal mecanismo para la solubilización es la producción de ácidos orgánicos y la mineralización de P orgánico por medio de la acción enzimática.
Microorganismos Solubilizadores de Fósforo (MSP) y su Rol
Existe un interés creciente en el uso de inoculantes biológicos, que son productos elaborados con microorganismos benéficos que promueven el crecimiento vegetal o favorecen el aprovechamiento de los nutrientes. El uso de inoculantes biológicos en sistemas agrícolas favorece el desarrollo de las plantas mediante diferentes mecanismos, como la fijación de nitrógeno, inducción de resistencia frente a patógenos, promoción de rizogénesis y síntesis de fitohormonas estimuladoras del crecimiento vegetal. Otros tipos de actividades promotoras del crecimiento vegetal, asociadas a la disponibilidad de P en el suelo, son la solubilización ácida del P inorgánico y la mineralización del P orgánico.
La solubilización de los compuestos inorgánicos insolubles como los fosfatos de calcio, se llevan a cabo por la producción de ácidos orgánicos (ácido glucónico, ácido 2-cetoglucónico, ácido glicólico, oxálico, malónico y succínico), productos del catabolismo microbiano, y la consecuente sustitución del Ca++ por iones H+. Por su parte, el proceso de mineralización se lleva a cabo mediante la acción de fosfatasas ácidas y alcalinas. Con el fin de potenciar la actividad microbiana en suelos, se producen inoculantes microbianos con base en bacterias u hongos con capacidad fosfato solubilizadora.
Diseño de Medios de Cultivo para la Producción de MSP
Para lograr alta producción de biomasa microbiana y de metabolitos específicos, a un costo razonable, es necesario diseñar medios de cultivo, bien sean definidos o complejos. El manejo de variables independientes como concentración de nutrientes, agitación, pH, temperatura o inyección de oxígeno, va a tener un efecto sobre variables dependientes o de respuesta como producción de biomasa, enzimas o determinado metabolito. Los diseños estadísticos con base en modelos matemáticos de superficie de respuesta, como el diseño Box-Behnken, permiten valorar las interacciones entre las variables y optimizar el proceso.
Un estudio buscó diseñar un medio de cultivo a partir de fuentes nutricionales económicas, mediante el modelo estadístico Box Behnken, para la producción de un co-cultivo de microorganismos solubilizadores de P y productores de fosfatasas. Se evaluó el efecto de la roca fosfórica como fuente inorgánica de fósforo, hidrolizado de Saccharomyces cerevisiae como fuente compleja de macronutrientes y micronutrientes, y sacarosa como fuente de carbono, sobre la producción de biomasa y actividad fosfatasa. Los resultados indicaron que el hidrolizado de levadura fue un factor significativo sobre la actividad fosfatasa, y la formulación que generó la mayor concentración de biomasa y actividad fosfatasa contenía roca fosfórica, sacarosa e hidrolizado de levadura. Se determinó que un medio con 10gL-1 de roca fosfórica, 2,5gL-1 de hidrolizado de levadura y 15gL-1 de sacarosa comercial fue ideal para la producción de biomasa y enzimas fosfatasas a partir de las cepas evaluadas.
Microorganismos de Montaña (MM) y sus Funciones
El uso de insumos biológicos artesanales se ha popularizado, especialmente en la producción orgánica y ecológica. Los microorganismos de montaña (MM), tanto en versión sólida como líquida (bioles de MM), funcionan como mejorador de la biología del suelo, supresor de enfermedades, facilitador de la disponibilidad de elementos esenciales, descomponedor de materia orgánica, entre otros. Las poblaciones microbianas benéficas presentes en los activados líquidos de MM se pueden clasificar principalmente en 4 grupos funcionales: fijadores de nitrógeno (FN), solubilizadores de fósforo (SP), lactobacilos (Lac) y levaduras (Lev). El rol de estos microorganismos es clave para la productividad de los suelos y las plantas, promoviendo la síntesis de sustancias benéficas, facilitando la absorción de nutrientes y fomentando la protección contra enfermedades.
Los SP son de gran importancia para el crecimiento vegetal, ya que ponen a disposición de la planta el fósforo que, a pesar de estar en grandes cantidades en los suelos, a menudo no se encuentra disponible para ser absorbido. Otros grupos funcionales de importancia son los lactobacilos, que producen sustancias antimicrobianas supresoras de microorganismos con potencial fitopatogénico, y las levaduras. El uso de MM se ha generalizado en la producción orgánica/ecológica y también ha mostrado tener un impacto positivo en la agricultura convencional.
Evaluación de la Producción de Bioles de MM
Se ha evaluado la influencia de factores claves sobre las características del MM activado (bioles de MM), incluyendo el pH y las poblaciones de los grupos funcionales a través del tiempo. Se observó que el pH se incrementa con el tiempo, mientras que la población de lactobacilos tiende a disminuir. Las levaduras presentan mayores valores en periodos intermedios, y las bacterias muestran un crecimiento más errático. Bajo condiciones aeróbicas sin aire forzado, los bioles de MM pueden ser utilizados hasta por 40 días después de su elaboración, con su aporte microbiano mayor antes de los 25 días.
Se evaluó el efecto de la aireación, observando que la inyección de aire forzado acelera el aumento del pH y reduce las poblaciones de lactobacilos y levaduras, mientras que aumenta las de FN y SP. La anaerobiosis completa afecta negativamente las poblaciones de FN. Se ha investigado la posibilidad de reducir la cantidad utilizada de MM sólido en las activaciones líquidas, encontrando que utilizar la mitad de la cantidad recomendada puede incluso aumentar las poblaciones de SP.
La Levadura como Fuente de Fósforo Asimilable
La presente invención permite el desacoplamiento de los aportes de ingredientes principales necesarios para el crecimiento de la levadura que son el azúcar, la fuente de nitrógeno, la fuente de fósforo y el aire. En la invención se describe igualmente la levadura biológica como la producida por el procedimiento de la invención. Las levaduras de la invención son particularmente útiles para la producción de extractos de levaduras biológicas. Se sabe que la hidrólisis de proteínas vegetales por una proteasa purificada puede mejorarse por adición de levadura en autolisis.
