Producción de carotenoides a partir de las microalgas Dra. Rosa Olivia Cañizares-Villanueva,
[email protected] Dr.Hugo Virgilio Perales Vela,
[email protected] I. Introducción Las algas han sido utilizadas por la humanidad desde antes de Cristo, sin embargo, es en los últimos 50 años que se ha desarrollado la biotecnología aplicada a las microalgas. A grandes rasgos, la biotecnología de las microalgas consta de dos fases: producción controlada de la biomasa algal y aprovechamiento de ésta1. Los comienzos de la Biotecnología de las Algas se remontan a la II Guerra Mundial, cuando científicos alemanes empezaron a cultivar masivamente microalgas para obtener lípidos y proteínas para la alimentación humana1. Las investigaciones sobre producción de microalgas se iniciaron después de terminada la guerra, con proyectos en Estados Unidos, Japón y Alemania. Se pensó que las microalgas eran mucho más productivas que las plantas superiores y se esperaba que su cultivo pudiera proveer de alimentos alternativos de bajo costo, necesarios para la población mundial que aumentaba con rapidez2. II. Principales bioproductos de origen algal Las microalgas y las cianobacterias, han sido catalogadas como un prometedor grupo de organismos de los cuales se pueden aislar compuestos naturales secundarios de utilidad alimenticia y médica. En el aspecto médico, las algas se pueden comparar con el grupo de los actinomicetos, de los cuales en el pasado se aislaron una inmensidad de compuestos bioactivos de importancia médica. Los principales bioproductos de las microalgas y cianobacterias obtenidos hasta el momento, son: 1-7 Proteínas: La obtención de proteína unicelular a partir de microalgas para alimentación humana, fue uno de los primeros motivos por los cuales se inició la investigación biotecnológica en microalgas. Actualmente, los productos microalgales más vendidos con valor alimenticio en proteínas, son los derivados de la cianobacteria Spirulina sp. El contenido de proteínas de Arthrospira en base seca, es de 65%. En el año 2000, la producción de Spirulina sp. fue de 2000 toneladas. Toxinas: Ciertas cianobacterias y microalgas causan dermatitis en el hombre y animales; sustancias como dibromoaplisiatoxina y su análogo bromoaplisiatoxina y lyngbyatoxina A, han sido reportadas como promotoras de tumores. Tubercidina es una toxina de cianobacterias que tiene una actividad significativa en contra de tumores. Lípidos y ácidos grasos: El ácido eicosapentaenoico (EPA) es un ácido graso insaturado, importante como precursor en la biosíntesis de prostaglandina en mamíferos. El EPA es capaz de disminuir el colesterol en la sangre y es posible obtenerlo de especies de microalgas marinas como Chlorella sp. La demanda anual mundial de EPA es de 300 toneladas. Este producto puede también extraerse del aceite de pescado, sin embargo, el producto de las Su concentración de lípidos es elevada. ya que son de considerable interés debido a las propiedades antioxidantes y la capacidad de aliviar enfermedades crónicas 8. para consumo de aves. el ácido arquidónico. Cholorophyceae. entre ellos pentosas que están ausentes en los polisacáridos de origen bacteriano. Beta Carotenos. peces y crustáceos. Astaxantina y Zeaxantina. bacterias y hongos. otro ácido graso esencial producido en cantidades significativas por microalgas. Eustigmatophyceae y Prasinophyceae. Carotenoides: Los carotenoides obtenidos a partir de cultivos de microalgas son útiles para la industria cosmética. que es también precursor de prostaglandinas y es el principal componente de ácidos grasos en algunas microalgas.8. olor y su costo de producción es bajo. se cultiva comercialmente por su capacidad de sintetizar polisacáridos de interés comercial. el β1. degeneración de la mácula. esclerosis múltiple y. quizás la más importante.3-glucano. en productos farmacéuticos. necesitan una fuente de estos compuestos en su dieta. concentración de colesterol. Ejemplos de estas enfermedades son: arteriosclerosis. Puesto que los animales no pueden sintetizar carotenoides de novo. Chlorella produce un polisacárido muy importante para la salud humana. Los carotenoides son los pigmentos de tipo terpenoide con mayor distribución en la naturaleza.algas es superior en pureza. cataratas. alimentaria. además de reducir la concentración de lípidos en sangre. Por otro lado.7. En el año de 2005 se tuvo un mercado estimado de 935 millones de dólares 8.9. III. Estudios epidemiológicos han demostrado que una dieta rica en carotenoides puede disminuir el inicio de muchas enfermedades causadas por la acumulación de radicales libres. farmacéutica y acuícola. llegando a ser hasta del 11% en el caso de algunas cianobacterias como la Spirulina. En la última década. plantas y. se ha incrementado el estudio de estos pigmentos por su diversidad de funciones en los animales. Importancia de los carotenoides en la industria y la salud humana Los carotenoides son usados como colorantes de alimentos para consumo humano. alguicida producido por la cianobacteria Scytonema hofmanii. Chrysophyceae. en la salud humana. Otros ejemplos de ácidos grasos importantes son: el ácido gama linoleico. sobre todo. Antibióticos: Se han extraído numerosos compuestos de microalgas que sirven como antibióticos para otras algas. Polisacáridos: Las cianobacterias producen exopolisacáridos de hasta 10 monosacáridos diferentes. . entre ellas Porphyridium cruentum 22. además de la médica por tener actividad biológica. La microalga Porphyridium sp. el cáncer 6. cosméticos y como suplementos nutricionales. el cual tiene activa la respuesta inmunológica. En las microalgas se ha encontrado en el grupo de las Bacillariophyceae. Un ejemplo es la Cianobacterina. Se trata de Ficobilinas (ficoeritrina y ficocianina). donde se construyen lagunas poco profundas (30 a 60 cm) para cultivarlas con agua salobre.18. En el año 2004.000 dólares el kg. No está completamente claro el beneficio de los β-carotenos en la salud humana. Estas condiciones extremas impiden que otros organismos contaminen el cultivo.20. las microalgas (cianobacterias y algas verdes) son una fuente alternativa para la producción de carotenoides para la industria alimentaria. al oeste y sur del país.11. en la industria alimentaria como colorante natural no . estos carotenos son conocidos como provitamina A carotenos. Figura 1. tallos. cáncer y artritis.se encuentra en la dieta humana a través del consumo de productos vegetales como raíces. Biotecnología de carotenoides de origen algal 1. Durante los años 70. Actualmente. Los β-carotenos (α-carotenos. Biotecnológicamente hablando. carne de ave y de pescado. indiscutiblemente. a excepción de ser precursores de la vitamina A y de la salud ocular. IV. hojas. acuícola. los investigadores encontraron que en condiciones de estrés nutricional y alta salinidad. Estructura del β – Caroteno. estudios epidemiológicos han encontrado una correlación entre una dieta rica en β-carotenos y una disminución en padecimientos relacionados con estrés oxidativo. β-carotenos β-criptoxantina) son considerados esenciales en la nutrición cuando se tiene un bajo consumo de retinol (Vitamina A). entre otras. En conjunto. cosmética e. donde comúnmente se han incluido productos de plantas y algas en su alimentación 9.5-1 M NaCl) y altas temperaturas (hasta 40oC). farmacéutica. y en menor cantidad pueden ser ingeridos en huevo. de manera que se mantiene prácticamente axénico.12.22 La producción de beta carotenos (figura 1) era de manera sintética hasta 1980. Alrededor del 60% de ellos se han identificado en las frutas y vegetales consumidos por humanos. Otros países que han desarrollado plantas de producción de beta carotenos son Israel y Estados Unidos. la microalga Dunaliella salina acumulaba β-carotenos hasta en un 12% en biomasa seca.La fuente de muchos de estos pigmentos -principalmente carotenoides. Su gran capacidad de crecimiento en altas concentraciones de sal (0. Los beta carotenos están teniendo una gran aceptación en la industria de productos farmacéuticos como antioxidantes. permiten su cultivo en zonas costeras donde se utiliza agua de mar o en zonas de extracción de sal. el cultivo de Dunaliella salina ofrece muchas ventajas. flores y frutos. Sin embargo. β-Caroteno 10. En Australia se construyeron dos plantas de producción de beta carotenos en el Lago Hutt y Whyalla. los precios del beta caroteno fluctuaron de 300 a 3. para aplicaciones en medicina. la cual . bacteriano. ciertos tipos de cáncer. 3) Facilidad de cosecha de la biomasa al ser filamentosas. truchas). teniendo en este mismo año ventas por 200 millones de dólares. fijadoras de nitrógeno con alta acumulación de β-carotenos.19 La astaxantina (figura 2) es un carotenoide de elevado valor nutracéutico. en las granjas acuícolas para la pigmentación de crustáceos y peces.3’-dihidroxy-4.13. Las ventajas que ofrece este tipo de cultivo son varias: 1) Reducción en los costos de cultivo. cantaxantina. 2) La segunda etapa se conoce como inducción.4’-diceto-β-caroteno). incrementa los niveles de las lipoproteínas de alta densidad y fortalece el sistema inmunológico. medicina y cosméticos. luz y niveles de nutrientes (fósforo y nitrógeno). El cultivo comercial de Haematoccocus pluvialis se realiza en dos etapas: 1) La primera es la producción de biomasa a través de un cuidadoso control de la temperatura. fúngico y por parásitos. Por otro lado. zeaxantina. Figura 2. Estudios con animales han probado que la astaxantina protege contra la radiación ultravioleta. Estructura de la astaxantina (3. Por otro lado. se han incrementado los reportes que mencionan que la astaxantina supera el valor antioxidante (diez veces más) de compuestos como los β-carotenos. cosmético. estudios epidemiológicos han demostrado una correlación entre una dieta rica en astaxantina y la reducción de infartos cardiacos. 2. en las granjas avícolas para la pigmentación de la carne de las aves y el huevo.500 dólares por kilogramo.14. la astaxantina de origen natural es la opción para la industria. ya que se eliminaría la necesidad de una fuente nitrogenada para el cultivo de las algas. disminuye la degeneración ocular de la mácula. y en la industria cosmética. sin embargo. alimenticio y médico. Astaxantina 12. El mercado más importante para la astaxantina es para la pigmentación de organismos en la acuacultura (camarones. degeneración ocular de la mácula y un incremento de la resistencia a infecciones de origen viral. vitamina C y vitamina E. salmones. El valor de astaxantina en el 2005 fue de 2. protege contra el cáncer inducido por compuestos químicos. Las fuentes naturales más prometedoras para su explotación comercial son la levadura Phaffia rhodozyma y el alga Haematoccocus pluvialis. debido a las legislaciones actuales en materia de alimentos.tóxico. En la actualidad. 2) Baja contaminación por otras algas y bacterias al usar un medio de cultivo sin nitrógeno. como colorante natural dermatológicamente no tóxico. actualmente las investigaciones biotecnológicas para la producción de los β carotenos están siendo enfocadas en el uso de cianobacterias filamentosas. El mercado actual está dominado por la astaxantina sintética. pH. a pesar de haber requerido un tiempo mayor para alcanzar dicho contenido. cuyo contenido de ficobiliproteínas es de 17% en base seca. pero al mismo tiempo estimularon la síntesis y acumulación de astaxanthina.97 y 7.17. temperatura o limitando el cultivo en su fuente de nitrógeno y fósforo. la cual acumula astaxantina hasta en un 3% en biomasa seca 16. la cianobacteria más utilizada para la obtención de ficocianina (figura 3) es la Arthrospira (Spirulina) sp. y ficoreritrinas (pigmentos fotosintéticos accesorios. El cultivo mixotrófico causó el crecimiento de células microzoides.18 gL-1. Estos pigmentos tienen el potencial para ser usados como colorantes en la industria alimenticia. estrés salino. En un período de 2 a 3 días. . y logró prolongar la fase de crecimiento celular vegetativo. Comercialmente.4 Las microalgas rojas se caracterizan por contener clorofila.8×105 cél mL-1). hasta el extremo de la formación de quistes y lisis celular.puede establecerse incrementando la luz. llamados ficobiliproteínas -son rojos y azules-). la productividad del pigmento fue menor en cultivo por lote alimentado que por lote. 2. al variar la concentración de N. 3.17×106 cél mL-1) que en cultivo por lote (2.71gL-1. En experiencias en nuestro laboratorio (Cañizares.21 . cosmética y farmacéutica como substitutos de los compuestos sintéticos. Los resultados de este trabajo demostraron que la deficiencia de N y P. carotenoides y ficocianinas. el incremento de C inorgánico y la adición de NaCl de manera independiente. inhibieron el crecimiento de las células vegetativas. el contenido específico de astaxantina fue similar en ambos sistemas de cultivo e igual a 7. Ficobilinas (Ficoeritrina y Ficocianina) 3. sin embargo. con esto se obtuvo mayor concentración de biomasa (2.38 mg g-1 de biomasa respectivamente. López (2009) 24 estudió las condiciones de crecimiento y de producción de astaxanthina en condiciones de autotrofía con la microalga de agua dulce Haematococcus pluvialis en cultivo por lote alimentado. los organismos forman una estructura de resistencia llamada aplanospora. intensidad luminosa y condiciones de mixotrofía en el cultivo. Cualquiera de estas condiciones favoreció la aparición de células palmela en los casos menos severos. Contreras (2004) 23 estudió los cambios en el ciclo de vida de Haematococcus pluvialis causados por cambios nutricionales y ambientales. datos no publicados) sobre la producción de astaxantina. P y C inorgánico. la síntesis de proteína y clorofila a. Se han hecho muchas investigaciones sobre la producción y aislamiento de ficocianinas utilizando cianobacterias. las cuales tuvieron menor cantidad de astaxantina que las células palmela y quistes. Por ello. Se confirmó que la producción de astaxantina puede ocurrir independientemente de la interrupción de la división celular y del enquistamiento.. 7. Estructura de la zeaxantina. Figura 4. se encuentra en proceso. Estructura del complejo ficocianina-proteína. .Figura 3. siendo ésta la mayor causa de ceguera en los ancianos. Figura 5. Hay evidencias médicas de que una dieta rica en xantofilas puede aminorar o prevenir esta degeneración ocular 15. las xantofilas luteína y zeaxantina (figurA 4 y 5) están localizadas en lo que se conoce como “mancha” amarilla de la retina. Estos pigmentos disminuyen con la edad del individuo. y Chlamydomonas sp. dando como resultado la degeneración de la mácula. La investigación biotecnológica en microalgas para la producción de otros carotenoides como la luteína y la zeaxantina por medio de otras algas como Chlorella sp.. Estructura de la luteína. 4. Por ejemplo. Otros carotenoides: Luteína y Zeaxantina La importancia de otros carotenoides en la salud humana está siendo materia de estudio. En el mismo estudio se determinó que el carotenoide que se presentó en mayor cantidad fue la luteína. VI. profesor asociado de la Universidad Autónoma de México. su aplicación comercial es todavía limitada. Hugo Virgilio Perales Vela. Urbina (2010) 26 analizó la producción de carotenoides de Scenedesmus incrassatulus en autotrofía. investigadora titular del Departamento de Biotecnología y Bioingeniería del Cinvestav y Jefa del departamento. lípidos y pigmentos. 46% en autotrofía y 51% en mixotrofía. datos no publicados). su potencial es tan grande o más que el de la agricultura de plantas superiores. Zacatenco En experiencias de nuestro laboratorio (Cañizares. / Dr. 5. Departamento de Biotecnología y Bioingenería del CINVESTAV-IPN. que la luteína fue el pigmento predominante en cada condición de cultivo estudiada. Facultad de Estudios Superiores Iztacala. además.V.9 veces superior a otras cepas del género Scenedesmus. hemos encontrado que bajo condiciones específicas de crecimiento. . y representó alrededor del 42% de las xantofilas totales.5 veces a la microalga Muriellopsis sp. las microalgas se han utilizado en la nutrición humana y animal. y 100 veces al contenido de la flor de Cempasúchitl (Tagetes erecta). mismo que fue igual a 16. Relacionando el contenido de luteína con el de xantofilas totales. y encontró que el mayor contenido específico de carotenoides se obtuvo en el cultivo mixotrófico con nitrato de sodio como fuente de carbono. como por ejemplo proteínas. *Dra. Dada su composición química. El contenido máximo de luteína en Scenedesmus incrassatulus en cultivo por lote alimentado fue 5. Rosa Olivia Cañizares-Villanueva. astaxantina y zeaxantina. sin embargo.38% en peso en cultivo por lote. lo que significa un contenido específico de 13. Algunos de estos resultados se resumen a continuación: García (2009) 25 encontró que en condiciones autotróficas Scenedesmus incrassatulus puede producir carotenoides totales hasta una concentración de 1. y una de las ventajas de su cultivo como fuente de biomasa proteica es que muchas especies pueden ser inducidas para producir compuestos particulares de alto valor comercial en concentraciones elevadas. Unidad de Morfología y Función. Laboratorio de Bioquímica. dicho pigmento representó el 28% de ellas obtenidas en heterotrofía.8 mgg-1 de biomasa seca. carbohidratos. mientras que en lote alimentado la cantidad fue dos veces superior a otras cepas del género Scenedesmus reportadas como altas productoras de carotenoides totales. la microalga clorofícea de agua dulce Scenedesmus incrassatulus produce grandes cantidades de luteína. Comentario final Debido a que las microalgas pueden cultivarse en espacios más pequeños que los utilizados para crecer plantas y a que su tiempo de desarrollo es menor. heterotrofía y mixotrofía. Investigaciones en el Laboratorio de Biotecnología de Microalgas.53 mg g-1 de biomasa. Industrial production of microalgal cell-mass and secondary products-major industrial species: Arthrospira (Spirulina) platensis. J. Bioactive compounds from Cyanobacteria and Microalgae: An overview. R. 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