Tradicionalmente, para la producción de alimentos de origen vegetal y animal se han utilizado grandes áreas de terreno para la ganadería y la agricultura.
La búsqueda de fuentes de alimentos más sostenibles ha dado lugar a un creciente interés en la producción de productos celulares (por ejemplo, carne in vitro) y el uso de microorganismos como huéspedes para la producción de ingredientes alimentarios.
La fermentación, que incluye la fermentación tradicional, la fermentación de biomasa y la fermentación de precisión, desempeña un papel muy importante actualmente en la creación de ingredientes y productos alimentarios de nueva generación. Los productos elaborados mediante fermentación dependen menos del terreno, emiten menos gases de efecto invernadero y utilizan menos agua que la agricultura tradicional.
La fermentación tradicional se ha utilizado durante siglos como medio para conservar los alimentos y aumentar su valor nutritivo. El pescado, la carne, la leche, las verduras, las legumbres, los cereales y las frutas se utilizaban como materia prima para la fermentación de los alimentos. Entre los alimentos y las bebidas fermentados más conocidos se encuentran los yogures, la col ácida, el kimchi, el kéfir, el queso, la salsa de soya, la masa madre, el vino y la cerveza.
En la fermentación de la biomasa, los microorganismos comestibles (por ejemplo, levaduras, bacterias, hongos filamentosos o algas) se utilizan como alternativas a las fuentes de alimentos convencionales producidos por la agricultura tradicional, tanto como fuente de biomasa comestible como de ingredientes funcionales (polisacáridos, proteínas, lípidos/ácidos grasos omega-3, vitaminas, minerales y fibra dietética).
Se crea la fermentación de precisión
La fermentación de precisión se define como el uso de la biología y, concretamente, la ingeniería genética para insertar genes específicos en la columna vertebral del ADN de organismos unicelulares y microorganismos para producir características y productos de fermentación deseados.
Se ha identificado como una tendencia alimentaria emergente de la industria alimentaria. Los rápidos avances en biología de precisión han permitido programar microorganismos para producir moléculas orgánicas complejas. Sin embargo, la comercialización de tecnología de organismos modificados genéticamente (OGM) para los alimentos ha sido un reto debido a las percepciones del público sobre su seguridad, riesgos, etiquetado y regulación.
El uso de la fermentación de precisión para la producción de los principales componentes de los alimentos (proteínas, lípidos e hidratos de carbono) se perfila como una opción atractiva para la transformación de los sistemas alimentarios. Esta tendencia viene impulsada por la necesidad mundial de producir alimentos de forma más sostenible.
Las empresas de carne, mariscos, huevo y lácteos derivados de la fermentación recaudaron 515 millones de dólares (mdd) a nivel mundial en 2023, lo que eleva el total (desde 2013) a 4,100 mdd. De este total, el 72% del capital de inversión en fermentación se produjo sólo en los últimos tres años.
Los costos de la fermentación de precisión han descendido exponencialmente desde que se produjeron las primeras moléculas. Por ejemplo, se espera que las proteínas por fermentación de precisión se sitúen en 10 dólares por kilogramo para 2025. Las perspectivas de crecimiento de los mercados de ingredientes alimentarios alternativos más sostenibles y libres de animales están impulsando el interés por el uso de esta tecnología.
Principios básicos de la fermentación de precisión
Selección del Microorganismo: se elige un microorganismo adecuado que tenga la capacidad de ser modificado genéticamente y que pueda crecer en condiciones controladas.
Ingeniería genética: se inserta el gen de interés en el microorganismo. Este gen codifica para la proteína o biomolécula deseada.
Fermentación: los microorganismos modificados se cultivan en biorreactores, donde se les proporcionan los nutrientes y las condiciones necesarias para su crecimiento y producción.
Recuperación y Purificación: después de la fermentación, el producto deseado se extrae y se purifica para su uso comercial.
Tecnología de fermentación de precisión: producción de ingredientes alimentarios
La elección del microorganismo huésped recombinante y la ingeniería de cepas presentan el desafío inicial que determina las posibilidades de construir microorganismos que expresen y produzcan las moléculas objetivo en cantidad suficiente utilizando condiciones de fermentación adecuadas para aumentar la eficiencia de la producción.
Para las aplicaciones alimentarias se prefieren los microorganismos generalmente considerados seguros (GRAS) o que no sean nocivos, por lo que la ingeniería de cepas suele utilizar bacterias benignas (como Bacillus spp.), levaduras como Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris (ahora Komagaetella phaffii), Kluyveromyces spp.) u hongos filamentosos (como Trichoderma spp, en particular las populares cepas de T. reesei).
La innovación surge del uso de nuevas especies o cepas, o de la utilización de técnicas de ingeniería genética y biología para optimizar el rendimiento del producto deseado, mediante mejoras en la expresión, secreción, conversión de substratos.
Enfoque de las actividades actuales de la fermentación de precisión
La mayoría de las patentes de la fermentación muestran que la actividad reciente se sitúa en el área de las proteínas alternativas.
Ha habido un interés significativo en el desarrollo de proteínas recombinantes de huevo, lácteos y carne, y cierta actividad en ingredientes funcionales especializados (enzimas y moléculas de color y de sabor).
Se han producido sustitutos del huevo sin animales, caseínas y proteínas de suero. Las proteínas lácteas recombinantes pueden combinarse con otros ingredientes no recombinantes para la producción de una gama de productos lácteos como leche, helado, yogur y queso. Las proteínas lácteas recombinantes también tienen aplicaciones como sustituto del huevo.
Hay posibilidades también para alterar las proteínas, es decir, modificar el grado de glicosilación, disminuir la alergenicidad o producir polipéptidos no naturales que comprenden un fragmento de una proteína alimentaria.
Otros ingredientes derivados de la fermentación de precisión incluyen proteínas alternativas en análogos cárnicos de origen no animal, colágeno recombinante y proteína muscular. Además, las proteínas hemo recombinantes de origen no animal se utilizan para dar color, así como precursores del sabor a los análogos de la carne al cocinarlos.
Producción de lípidos derivados de la fermentación
Algunos microorganismos oleaginosos, como ciertas levaduras, hongos y microalgas, acumulan lípidos y producen ácidos grasos poliinsaturados benéficos para la salud humana.
La mayor parte de las patentes están relacionadas con la producción de ácidos grasos poliinsaturados, incluyendo ácido eicosapentaenoico (EPA) y ácido docosahexaenoico (DHA) a partir de algas marinas. Los beneficios para la salud de los ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga (EPA y DHA) han impulsado el interés por estos ácidos grasos.
La ingeniería de precisión también se ha utilizado para la producción de triacilgliceroles con ácidos grasos de cadena corta en las posiciones sn-1 y sn-3. Esto proporciona un medio para desarrollar lípidos no animales que tengan un perfil de ácidos grasos similar al de la grasa butírica. Se ha desarrollado un método para producir una alternativa al aceite de palma con >40% de ácido palmítico.
También se han producido aceites pigmentados utilizando levaduras y microalgas. Por ejemplo, la levadura Phaffia rhodozyma es capaz de sintetizar astaxantina como pigmento principal y puede utilizarse para la producción comercial como fuente biológica de carotenoides. Las cepas de algas Heamatococcus pluvialis y Chlorella zofingiensis se consideran cepas ideales para la producción comercial de astaxantina. Las fuentes algales (por ejemplo, algas rojas, verdes, pardas, doradas, amarillo-verdosas, y diatomeas) también son productoras de carotenoides.
Producción de carbohidratos derivados de la fermentación
En el campo de los carbohidratos, ha habido mayor interés en el uso de fermentación de precisión para la producción de oligosacáridos.
La leche humana y los oligosacáridos relacionados para su aplicación en fórmulas y suplementos infantiles han sido un objetivo principal de interés. Estos oligosacáridos proporcionan al bebé propiedades biológicas más allá de la nutrición, incluida la promoción de la salud intestinal y el crecimiento de la microflora benéfica en el intestino.
Otros ingredientes derivados de la fermentación de precisión
Desde hace algún tiempo, las empresas de fermentación producen aditivos alimentarios recombinantes y auxiliares tecnológicos para su uso comercial en la industria alimentaria. Entre ellos se encuentran las enzimas, por ejemplo, la quimosina pura que es utilizada como cuajo para la fabricación de queso y las vitaminas para el enriquecimiento de alimentos como la vitamina E.
En la actualidad, algunas de las mayores empresas de ingredientes alimentarios y ciencias de la vida, como DSM-Firmenich, IFF (antes DuPont), Novozymes y JBS, están invirtiendo en líneas de productos basados en la fermentación para la industria de proteínas alternativas.
El interés en emplear la fermentación de precisión comercialmente para elaborar ingredientes alimentarios recombinantes novedosos ha sido generalmente el dominio de empresas de nueva creación. La mayoría de las actividades de fermentación de precisión de las nuevas empresas en los últimos años se han dirigido al desarrollo de proteínas alternativas debido a los grandes mercados emergentes de proteínas alternativas origen no animal para análogos de la carne, lácteos y huevos. En la actualidad, estos mercados se abastecen principalmente de análogos de origen vegetal. Las proteínas y los lípidos derivados de la fermentación de precisión tienen potencial para captar una parte significativa de los mercados alternativos de la carne y los lácteos.
La leghemoglobulina de soya es producida por levadura de ingeniería (Pichia pastoris) para su uso como colorante y potenciador del sabor de la carne/aroma en hamburguesas de origen vegetal y productos análogos a la carne, sustitutos de huevo sin animales, y proteínas lácteas sin animales (proteínas de suero y caseínas) para la producción de productos lácteos alternativos.
Conservantes: los conservantes producidos mediante fermentación de precisión, como la nisina y la natamicina, son utilizados para prevenir el crecimiento de microorganismos en los alimentos, asegurando su seguridad y prolongando su vida útil.
Agentes 3spesantes: los polisacáridos como, por ejemplo, la goma xantana y la goma gelana, producidos a través de la fermentación de precisión, son utilizados para mejorar la textura y la estabilidad de productos alimenticios como salsas y postres.
Producción de edulcorantes novedosos: la fermentación de precisión permite la producción de edulcorantes novedosos. Ejemplos de edulcorantes producidos por fermentación de precisión.
- Rebaudiosido M: un glucósido de esteviol que se produce de manera más eficiente y sostenible mediante fermentación de precisión en comparación con la extracción tradicional de la planta de Stevia.
- Proteínas dulces: proteínas como la brazzeína, producidas por fermentación de precisión, ofrecen una dulzura intensa sin calorías, adecuada para una variedad de aplicaciones alimentarias.
Producción de moléculas aromáticas para saborizantes: la creación de saborizantes naturales y artificiales es una industria multimillonaria que se beneficia enormemente de la fermentación de precisión. Esta tecnología permite la producción de moléculas aromáticas de alta calidad que replican los sabores naturales sin necesidad de recursos vegetales limitados.
- Producción de moléculas aromáticas: la vainillina, el principal componente del sabor a vainilla. Es fabricada mediante fermentación de precisión a partir de precursores económicos y abundantes, ofreciendo una alternativa sostenible a la extracción de vainilla natural. Las cetonas de frambuesa, utilizadas para impartir un sabor y aroma de frambuesa, pueden ser producidas mediante la fermentación de precisión, mejorando la disponibilidad y reduciendo los costos..
Política y normativa
La tecnología para la producción de alimentos fermentados e ingredientes alimentarios novedosos está emergiendo y sigue evolucionando rápidamente. La comercialización de productos alimentarios que no tienen un historial de uso seguro debe regularse de forma transparente para garantizar la seguridad de estos alimentos cuando se consumen. Los riesgos y beneficios de los nuevos productos deben considerarse cuidadosamente. Se necesitan nuevas reglamentaciones sobre diferentes productos alimentarios fermentados, con mayores pruebas científicas de seguridad, calidad y transparencia.
La diversa gama de productos alimentarios que se están explorando y desarrollando puede utilizar nuevas fuentes de microorganismos/algas naturales y organismos modificados genéticamente, fuentes alternativas de materias primas para la fermentación (por ejemplo, residuos alimentarios), diferentes condiciones del proceso de fermentación y el procesamiento posterior de los productos derivados de la fermentación.
Las normativas sobre la seguridad de los cultivos alimentarios difieren entre los distintos países, aunque todas tienen por objeto garantizar la seguridad de los cultivos que también debe garantizar el proveedor de cultivos alimentarios.
Es necesario involucrar al público en el diálogo y abordar sus dudas sobre los OGM. Las actitudes negativas de los consumidores hacia los alimentos producidos con OGM para resolver la seguridad alimentaria y nutricional mundial pueden moderarse mediante la educación, la exposición a la información oficial y el desarrollo de la confianza social.
En conclusión, la fermentación de precisión se perfila como una herramienta poderosa para abordar algunos de los desafíos más apremiantes del mundo actual, como la seguridad alimentaria, la sostenibilidad y la salud. Su potencial para producir una amplia gama de compuestos de manera eficiente y sostenible la convierte en una tecnología clave para la bioeconomía del futuro.
Por: Eduardo I. Molina Cortina
