Articulo De Microbiologia

Revista de la Sociedad Venezolana de Microbiología

versión impresa ISSN 1315-2556

Rev. Soc. Ven. Microbiol. v.26 n.1 Caracas jun. 2006

Efecto de la concentración inicial del lactosuero sobre la fermentación alcohólica con Kluyveromyces fragilis

Carmiña Padín Gonzáleza,*, Mario Díaz Fernándezb

aLaboratorio Botánica I y Laboratorio LIADSA/CIB. Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda, Coro Estado Falcón, Venezuela

bLaboratorio de Biotecnología de la Universidad de Oviedo, Asturias, España

* Correspondencia: E-mail: cpadin@cantv.net

Resumen: El lactosuero es un subproducto de la separación de la cuajada de la leche durante el proceso de fabricación del queso y es considerado un problema para la industria quesera por su alto poder contaminante ya que contiene de 42 -52 g/l de lactosa. En este trabajo se plantea al aprovechamiento de lactosuero como substrato para llevar a cabo un proceso de fermentación alcohólica utilizando Kluyveromyces fragilis. Se estudió el efecto de la concentración inicial del lactosuero, (7, 10, 15, 20 % p/p.), sobre la fermentación alcohólica por K. fragilis, Se determinó la biomasa, consumo de azúcar, producción de etanol y rendimientos globales del proceso. Se encontró que la velocidad especifica de crecimiento disminuyó, mientras que la concentración máxima de biomasa (fase estacionaria) fue la misma, y el tiempo de duplicación celular (td ) se incrementó, al aumentar la concentración inicial de lactosuero [S]o. El consumo de lactosa aumentó cuando la concentración inicial de lactosuero era más alta, [S]o, pero, la lactosa residual fue mayor. La levadura dio lugar a mayor cantidad de etanol cuando la [S]o fue mayor, sin embargo un aumento en la [S]o no reflejó un aumento en el rendimiento y productividad del proceso. En cada uno de los ensayos se utilizó la misma concentración celular inicial (inóculo) alcanzando un mismo aumento en la fase estacionaria independientemente de la creciente concentración de lactosa en el medio, evidenciándose una inhibición debido probablemente a la concentración máxima de etanol tolerado. Se recomienda que las fermentaciones sean llevadas a cabo en concentraciones de lactosuero menores de 15% (96 g/l de lactosa) bajo las mismas condiciones experimentales ó la utilización de técnicas de ingeniería de separación, que permita eliminar la inhibición por producto metabólico y mantener alta productividad de etanol.

Palabras clave: Lactosuero, fermentación alcohólica, Kluyveromyces fragilis

Effect of the initial concentration of whey on the alcoholic fermentation by Kluyveromyces fragilis

Abstract: Whey is a subproduct of the separation of curd during cheese fabrication and is considered a problem for the cheese industry because of its highly contaminating power since it contains from 42 to 52 grams of lactose per litter. This study proposes the use of whey as a substratum to carry out an alcoholic fermentation process using Kluyveromyces fragilis. The effect of the initial whey concentration (7, 10, 15, 20% p/p), on the K. fragilis alcoholic fermentation was studied, and biomass, sugar consumption, ethanol production and global yielding of the process was determined. It was found that the specific growth rate decreased while the maximum biomass concentration (the stationary phase) did not vary and the cellular duplication time (td) increased as the initial whey concentration [S]0 did The consumption of lactose was higher when the initial whey concentration[S]0 was greater, but the residual lactose increased as well. The yeast generated a greater amount of ethanol when [S]0 was higher. However, a rise in [S]0 did not reflect a yielding and productivity increase of the process. In each test, the same initial cellular concentration (inoculum) was used, reaching the same increase in the stationary phase regardless of the increasing environmental lactose concentration. This was an evidence of an inhibition probably due to the maximum tolerated ethanol concentration, It is recommended to carry out fermentations at concentrations below 15 ( 96 grams per litter of lactose) under the same experimental conditions or use engineering separation techniques that prevent metabolic product inhibition and allow preservation of high ethanol productivity.

Keywords: Whey, alcoholic fermetation, Kluyveromyces fragilis

Recibido 14 de octubre de 2005; aceptado 15 de noviembre de 2005

Introducción

El lactosuero es la fase acuosa separada de la cuajada en el proceso de elaboración del queso y representa el 80 - 90 % del volumen total de la leche que entra en el proceso y contiene alrededor de 50% de los nutrientes de la leche original: proteínas solubles, lactosa, grasa, vitaminas y sales minerales El contenido en lactosa está entre 42 y 52 g/l, representando este el 70% del contenido total del conjunto sólidos presentes [1]. El lactosuero es, uno de los desechos más contaminantes de la industria de alimentos ya que por cada Kg. de queso elaborado se crean 9 litros de suero, estimando que anualmente a nivel mundial se generan 110 millones de toneladas [2]. Cada 1.000 litros de lactosuero generan cerca de 35 Kg. de demanda biológica de oxígeno (DBO) y cerca de 68 Kg. de demanda química de oxígeno (DQO). Esta fuerza contaminante es equivalente a la de las aguas negras producidas en un día por 450 personas [3].

La producción quesera industrial para el año de 2005 en Venezuela puede estimarse en unos 400 millones de kilos [4]; por lo que puede deducirse que el suero residual alcanza la cifra de 3.600 millones de litros.

La legislación venezolana vigente prohíbe la eliminación de suero en cursos de agua y estanques. También trae problemas encauzarlo en zanjas y lagunas construidas para tal fin pues el ácido láctico impermeabiliza el suelo, cuestión que impide la filtración, formándose así, espejos putrefactos que inciden negativamente en la conservación del ambiente [5].

La levadura Kluyveromyces fragilis, se utiliza ampliamente en el bioprocesamiento del lactosuero. Anteriormente conocida como Sacharomyces cerevisiae su nombre actual es K. marxianus var. marxianus [6]. Se encuentra en una gran variedad de frutas, es capaz de alterar la calidad de los quesos, el yogurt [7] y la leche [8], se ha aislado de lesiones humanas y animales [9], y además interviene en la fermentación natural de licores [10].

K. fragilis fermenta galactosa, sacarosa, rafinosa así como la lactosa, y asimila B-glucósidos, crece en un optimo de temperatura de 20 -30 ºC y un pH. entre 4,5 y 5,0. La presencia o ausencia de oxigeno en el medio determinará una oxidación completa (utilización aeróbica del sustrato) o una fermentación alcohólica (utilización anaerobia). De este hecho se deriva que en sistemas discontinuos para la producción de etanol se inician aeróbicamente para obtener la máxima biomasa, ya que si las condiciones anaeróbicas comienzan demasiado pronto la densidad de la población no será lo suficientemente alta para obtener una buena velocidad de conversión [11].

Se han reportado trabajos [12] con suero desproteinizado y S. fragilis observando, que la velocidad de fermentación alcohólica baja cuando el contenido inicial de lactosa es mayor del 5% y de etanol 10% v/v. Se ha logrado [13] producir vino con 12.2 % de alcohol a partir de permeados de lactosa, usando K fragilis adaptada a altas concentraciones de lactosa [14]. Otros investigadores [15], emplearon Candida pseudotropicales y dos especies de Kluyveromyces, reportando una completa conversión del suero permeado de 15% de lactosa suplementando con urea y extracto de levaduras. Similarmente se demostró, [16] la conversión del 70% del proceso después de 48 horas cuando se usaron permeados de suero con 24% de lactosa. Rajagopalan y col [17] reportaron, la fermentación de suero en polvo reconstituido al 36% de sólidos totales, sometido a una ultrafiltración para separar la proteína; el permeado final contenía 24% de lactosa y dio un alto rendimiento de etanol, en el proceso se utilizó K. fragilis NRRLy al 10%v/v produciendo 108.8 g de etanol por litro, obteniéndose un rendimiento del 84%. En un trabajo posterior [18], se estudió el efecto de la concentración de lactosa sobre la fermentación alcohólica del suero con la levadura C. pseudotropicalis concluyendo, que a medida que aumenta la concentración de lactosa en el medio de fermentación hay un descenso progresivo en el rendimiento y un aumento en la duración del proceso, por efecto de la inhibición de la levadura. Viejo y col (1996) [19], estudió de influencia de la concentración inicial de lactosa sobre la fermentación alcohólica por K. fragilis., y concluyeron que concentraciones iniciales de substrato por encima de 14% p/p, provoca inhibición de la levadura por altas concentraciones de etanol.

En procesos discontinuos el poder de inhibición aumenta a medida que aumenta la concentración del medio de fermentación, siendo mayor cuando se utilizan substratos con lactosa que cuando contienen glucosa.

El etanol es inhibitorio a altas concentraciones y la tolerancia al alcohol de las levaduras es crítica para obtener altos rendimientos. La tolerancia al etanol de diferentes cepas varía considerablemente. A medida que aumenta la concentración de etanol la velocidad de crecimiento es reducida, mientras que a concentraciones más altas la propia biosíntesis de etanol es inhibida. Sin embargo, la levadura es más sensible al etanol producido endógenamente que al que se le añade exteriormente al sistema de fermentación [12].

Jansens y col (1984) [20] plantean el aprovechamiento del suero con base a una fermentación alcohólica. Existen otras posibilidades

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