De la celulosa a los lípidos

Capitulo 8 libro

8 De la celulosa a los lípidos

Resumen: El interés en la producción de lípidos microbianos está aumentando con las primeras aplicaciones comerciales recientemente instaladas en las industrias de alimentos y piensos. Paralelamente, el la presión para aumentar la sostenibilidad de los procesos de bioproducción está impulsando la motivación para una mayor investigación y desarrollo en esta área. Aún quedan sin resolver interrogantes sobre el aumento de los rendimientos y el uso de materias primas que aún competir con otros procesos hasta ahora. Biomasa celulósica, incluida la materia prima a partir de materiales residuales, puede representar una alternativa a los cultivos forrajeros. Juntos con nuevas posibilidades que surgen de la ingeniería genética y el acoplamiento de bioprocesos, se puede aumentar la flexibilidad del sustrato y la integración en los ciclos de materiales regionales es simplificado.

Este capítulo tiene como objetivo resumir los esfuerzos recientes en la optimización de procesos y cepas y describe las oportunidades que existen hoy en día para utilizar competitivamente la biomasa celulósica para la producción biotecnológica de lípidos con el enfoque en oleaginosas. levaduras y microalgas heterótrofas.

8.1 Introducción

Los lípidos de fuentes microbianas, derivados de la biotransformación de células enteras, se aplican como aditivos para alimentos y piensos, pero también se consideran productos químicos finos y básicos. para diversas aplicaciones materiales y biocombustibles, en particular biodiesel. Lo natural potencial de la síntesis de lípidos son amplios ya que se utilizan como carbono y energía compuestos de almacenamiento en las células, mientras que también tienen varios roles funcionales como en la célula pared y mitocondrias. La fracción lipídica de las células consta de varios compuestos. como fosfolípidos, ácidos grasos, triacilgliceroles, esteroles y otros. todos tienen en común que se acumulan intracelularmente, mientras que por lo general no hay excreción a el entorno ocurre en células viables. En muchos organismos, los lípidos se acumulan con mayor fuerza bajo la limitación de ciertos nutrientes como el nitrógeno y el fosfato o otros estreses, pero los factores desencadenantes varían fuertemente entre los lípidos que acumulanorganismos Muy a menudo, el carbono que normalmente se consumiría y convertiría en múltiples síntesis que acompañan el crecimiento se redirige hacia la síntesis de lípidos. Entre los organismos acumuladores de lípidos más destacados se encuentran generalmente los eucariotas. organismos, especialmente las denominadas levaduras y algas oleaginosas. Mientras que los rendimientos y rendimientos de procesos basados ​​en azúcares C-5 y C-6 de recursos renovables ya permitieron la comercialización de la producción de ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) para la aplicación de alimentos y piensos durante los últimos años, se presta cada vez más atención a materia prima alternativa como la celulosa para reducir la competencia con la agricultura producción de alimentos y piensos. Para hacer que la celulosa sea convertible por microorganismos oleaginosos, sin embargo, la modificación genética o el acoplamiento de procesos con químicos, bioquímicos o es necesario un pretratamiento térmico. Los productos degradados como glucosa y xilosa, o Los ácidos carboxílicos de cadena corta como productos de la digestión anaeróbica se alimentan luego a los microorganismos acumuladores de lípidos. El último caso también permite el uso de residuos complejos mezclas de materias primas y ofrece la posibilidad de agregar valor a través de la producción de lípidos, en comparación con otros productos finales potenciales como el metano. Sin embargo, varios se deben superar desafíos al implementar tales procesos para una circular economía para alcanzar un grado suficiente de competitividad económica y sustentabilidad.

Este capítulo tiene como objetivo proporcionar una descripción general de los productores microbianos que acumulan lípidos, incluidos los aspectos principales del metabolismo, los parámetros y los rendimientos de los bioprocesos, el posible acoplamiento del proceso con los modos de operación descritos en otros capítulos. de este libro, y la investigación reciente en el campo correspondiente.

8.2 Microorganismos acumuladores de lípidos

Microorganismos que acumulan más del 20% p/p de triacilglicéridos (TAG) o otros lípidos generalmente se consideran microorganismos oleaginosos en la literatura, por ejemplo, [1, 2], aunque no existe una definición oficialmente autorizada. Estos organismos suelen acumular ácidos carboxílicos de cadena corta (C-6) a cadena larga (C-36), saturados, monoinsaturados o poliinsaturados. Estos últimos suelen abreviarse como PUFA, que denotan moléculas con múltiples dobles enlaces en la cadena principal de carbono. Principalmente se aplican levaduras y microalgas para producir PUFA, aunque Los productores también se encuentran dentro de las bacterias y los hongos filamentosos. Estos PUFA, también conocidos como ácidos grasos omega-3, son de particular interés para la nutrición, tanto en piensos y alimentos para animales, debido a sus efectos sobre la salud [3]. Esto permite una comparativamente alto valor añadido que se puede lograr con estos productos en comparación con su uso como productos químicos básicos, que también es un área de aplicación interesante desde el punto de vista de la sostenibilidad [4]. Como uno de los principales biocombustibles para reemplazar los combustibles fósiles, el biodiesel ha ganado mucho atención en investigación y desarrollo debido a su alta densidad de energía y potencial a ser producido con energías renovables [5]. El biodiésel consiste en ésteres alquílicos de ácidos grasos y se produce por transesterificación de lípidos catalizada química o enzimáticamente, que puede derivar, además de la biotransformación de células enteras, de cultivos oleaginosos o grasas Actualmente, los aceites vegetales o los aceites de cocina usados ​​siguen siendo la principal fuente de biodiésel. producción con enzimas, pero la sostenibilidad es cuestionable debido a la intensiva uso de aceite de palma. Por lo tanto, las rutas de producción alternativas son cada vez más interesantes. El aceite de microalgas, sintetizado a partir de CO2 a través de la fotosíntesis, se encuentra entre los procesos potenciales que podrían reducir la cantidad de recursos derivados de plantas que se necesitan para ser utilizado, pero los costos de producción siguen siendo demasiado altos debido a la lenta tasa de crecimiento de microalgas sobre el CO2 y la falta de métodos de control de la contaminación. Por lo tanto, muchos microorganismos oleaginosos han sido investigados por su potencial para producir lípidos comercialmente interesantes a través de la vía de síntesis de ácidos grasos. Entre ellos está la levadura no convencional Yarrowia lipolytica, que es capaz de producir ácidos grasos de azúcares C-6 y C-5 en cantidades elevadas. Esta especie se usa actualmente de forma intensiva para la ingeniería de cepas con el fin de elevar aún más los rendimientos de lípidos, pero también para mejorar la flexibilidad de la materia prima, la solidez del proceso y una separación de lípidos más sencilla. y extracción. Los productos finales habituales de Y. lipolytica son los ácidos grasos C-16 y C-18, que podría convertirse aún más antes de cualquier aplicación comercial.

Generalmente se obtienen longitudes de cadena más largas en varias microalgas que son capaces de producir ácido eicosapentaenoico (EPA, C-20:5) y ácido docosahexaenoico (DHAω3, C-22:6). Estos PUFA juegan un papel importante en la salud humana. Por ejemplo, ambos la retina y la materia gris del cerebro consisten en grandes cantidades de DHAω3 [6]. Se informaron influencias positivas para el sistema cardiovascular y el cerebro. El humano el cuerpo puede almacenar DHAω3 por sí mismo. Ácido α-linolénico de origen vegetal, como se encuentra en nueces y los aceites vegetales, por ejemplo, pueden convertirse en EPA y luego en DHAω3 [7]. Sin embargo, esta tasa de conversión es relativamente baja, 0,1% para hombres y hasta 9% para mujeres. Los una tasa de conversión más alta en los cuerpos de las mujeres probablemente ayuda a proporcionar suficiente DHAω3 para el niño en desarrollo [8]. Sin embargo, puede ser beneficioso aumentar también la capacidad humana Ingesta de DHAω3 para compensar la baja tasa de su formación: Estudios en recién nacidos alimentados con DHAω3 adicional de la leche materna muestran una mejor función retinal y salud visual [9]. Varios estudios informan mejores características de desarrollo de los niños, por ejemplo, un mayor coordinación de ojos y manos cuando las madres habían tomado suplementos de DHAω3 durante el embarazo [10]. No solo se benefician los más jóvenes sino también los adultos y las personas mayores de DHAω3, ya que muestra efectos positivos en el rendimiento cognitivo de las personas mayores. Especialmente en casos de pérdida de memoria leve y enfermedad de Alzheimer leve, un aumento La ingesta de DHAω3 muestra efectos positivos sobre la capacidad de aprendizaje y la función de la memoria [11–13]. Otros estudios demostraron que DHAω3 tiene efectos antitrombóticos y antiarrítmicos y que la frecuencia cardíaca se puede reducir en personas sanas [13, 14]. Otra aplicación ya comercializada de PUFA, en particular DHAω3, es el uso en alimentos para peces. Desde la década de 1990, la pesca en los océanos ha sido constante, y en algunos lugares ya está disminuyendo, nivel de aproximadamente 90 millones de toneladas por año. Los los océanos del mundo simplemente han alcanzado sus límites de capacidad. Sin embargo, como el mundo 8 De la celulosa a los lípidos 231 la población y la demanda general de pescado continúa creciendo, el mercado de la acuicultura aún se está expandiendo. Desde el año 2000, el sector de la acuicultura ha crecido hasta 5,8% anual. Como resultado de este desarrollo, hoy más de la mitad del pescado producido para consumo humano consumo se origina en la acuicultura. En total, la acuicultura las empresas produjeron 80 millones de toneladas por año en 2016 [15]. En particular, carnívoros. y las especies cinegéticas como el salmón requieren proteína animal para un crecimiento óptimo y desarrollo. Un total del 70% de las granjas acuícolas cultivan especies de alimentación directa, que significa que dependen de alimentos producidos industrialmente [16]. Los PUFA son componentes esenciales en varios procedimientos de alimentación. Suelen encontrarse en la harina de pescado y aceite de pescado de peces oceánicos capturados, principalmente de caballa y sardinas. Sin embargo, como estas poblaciones de peces se ven limitadas debido a una demanda creciente, los precios de las acciones aumentan [17] mientras que el la captura es insostenible. En consecuencia, en los últimos años se han hecho intentos de reducir la cantidad de harina y aceite de pescado en los alimentos para peces. Esta sustitución provoca, sin embargo, un problema fundamental, ya que las porciones de ácidos grasos en la carne de pescado están cambiando a través de la nutrición vegetal. Especialmente la concentración de DHA en el pescado es decreciente. Por ejemplo, las concentraciones de DHA y EPA en Escocia y Noruega salmón se redujo de 2,7 a 1,4 g por 100 g de carne de salmón entre 2006 y 2015, debido a cambios en los métodos de alimentación que tienen una base más terrestre [18]. Esto lleva a la cuestión de un valor nutricional más bajo para los humanos, ya que el DHA solo lo producen en grandes cantidades los microorganismos marinos y se acumula en los peces a través de los alimentos cadena antes de su consumo [19]. Producción biotecnológica de DHA y otros Por lo tanto, los PUFA son atractivos para asegurar el suministro de alimentos saludables, mientras que la primera escala industrial La producción se ha implementado en los últimos años.

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