Suero de leche: ¿Residuo o...
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Suero de leche:Suero de leche:
¿Residuo o recurso?¿Residuo o recurso?
Lorenzo Miguel Pastrana Castro
Facultade de Ciencias de OurenseUniversidade
de Vigo
Valorización de Valorización de subproductos de subproductos de industrias industrias alimentarias.alimentarias.
Aprovechamiento Aprovechamiento del suero de del suero de lecheleche
Lorenzo Miguel Pastrana Castro
Facultade de Ciencias de OurenseUniversidade
de Vigo
La cadena alimentaria
Producciones agrícolas
Fabricación de piensos compuestos
Producciones ganaderas
Industrias de transformación
Distribución
Consumo
Subproductos
Efluentes
Materiales residuales
Características de los materiales
• Alta carga orgánica, DBO, DQO, COT (DBO>20 g/L)
• Impacto contaminante• Recogida diferencial• Recuperación• Transformación
La cadena alimentaria
Producciones agrícolas
Producciones ganaderas
Fabricación de piensos compuestos
Industrias de transformación
Distribución
Consumo
Falta de fuentes proteicas
Demografía
Precio
Bienestar animalCrisis alimentarias
Consumo de productos elaborados
La valorización de subproductos
Producciones agrícolas
Producciones ganaderas
Fabricación de piensos compuestos
Industrias de transformación
Distribución
Consumo
Origen natural
Alimentación - salud
Alimentos e ingredientes funcionales
Falsasalegaciones
La alternativa biotecnológica
ProductosMicroorganismos
EnzimasCélulasSustratos
La alternativa biotecnológica
Recuperación de proteínas,
grasas, aminoácidos
Producción de enzimas,
ácidos orgánicoshormonas,
aditivosNuevos productos
Selección microbianaDiseño metabólico
Ingeniería de fermentación
MelazasLactosueros
DespojosAlcoholes
Grasas y aceitesAmiláceos
LignocelulósicosPulpas
Algunos retos actuales
EnzimasinmovilizadasProcesos demembranasModificación
química
péptidos bioactivosnuevos carbohidratos
fitoquímicosantioxidantes
minerales
Obtención de moléculas funcionales a partir de materias primas y por síntesis
tecnologías defermentacióny enzimáticas
Procesosno térmicos
(altas presiones)
antioxidantesminerales
Incrementar el contenido en funcionales de materias primas y alimentos
Algunos retos actuales
procesosenzimáticos
ad hoc
oligosacáridos(sustitutos de grasas)
Modificación de compuestos para incrementar su funcionalidad
Algunos retos actuales
Algunos retos actuales
tecnologías defermentacióny enzimáticas
Procesosde membrana
pulsos eléctricos
microorganismosmineralesvitaminas
Incremento de la biodisponibilidad de compuestos funcionales
tecnologíasenzimáticas
Procesos de encapsulación
microorganismosminerales
péptidos bioactivosantioxidantes
Disminución de la degradación o pérdida de compuestos funcionales
Algunos retos actuales
Criterios para propuestas
• Adecuación a la industria alimentaria local– Industria transformadora de productos del mar– Industria láctea– Productos agrícolas autóctonos o estratégicos
• Diversificar con nuevos productos derivados en el mismo ciclo productivo
– Probióticos en la industria láctea• Valorizar generando nuevos ciclos
productivos– Ácidos grasos ω3 en la industria conservera
Leche
Cuajada Suero lácteo
Queso
Ácido, Ca+2
Quimosina
El suero lácteo
En medianas y pequeñas industrias queseras se producen ~50.000 L/día
Representa entre el 85-95% del volumen de la leche Retiene el 55% de los nutrientes de la leche
Aprox. 145 millones de toneladas de suero/año Quesería de 100 Tm/día = ciudad de 55.000 habitantes
Sólo el 50% de la producción mundial de queso se aprovecha En Europa el 45% se usa en forma líquida, el 30% en suro en polvo y el
15% en productos deslactosados
El suero lácteo
Producto de desecho
DBO5 : 30.000−50.000 ppm
DQO: 60.000−80.000 ppm
Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales
Encarece enormemente el proceso de depuración y lo hace inviable en medianas y pequeñas industrias
El suero lácteo
Revalorización del suero
Composición
% p/v
Lactosa 4-5
Proteínas solubles 0,6-0,8
Lípidos 0,4-0,5
Sales 8-10 (del extracto seco)
El suero lácteo
Desmineralización o no
SUERO LÁCTEO
Suero condensado o en polvo
Hidrólisis de
la lactosa
EDULCORANTE
LACTOSA
Ultrafiltración
BIOGÁS
Permeado Concentradoproteico
Hidrólisis de la lactosa
Fermentación
Lactosa purificada,Lactitol,
Lactosilurea
SCP, β-Galactosidasa, etanol,bebidas, ácidos orgánicos,
galactosa, glicerol, carotenoides,ácido giberélico, bacteriocinas
Suero líquido
Uso directo en alimentación animal líquida Fertilizante agrícola (problema de la salinidad) Altos costes de transporte
Suero concentrado y en polvo
Uso en alimentación animal en formulaciones con melazas y harina de soja
Uso en alimentación humana (pequeñas cantidades) Productos de pañadería Helados Salsas …
Su alta salinidad limita su uso en humanos
Concentrado de proteína de suero
Se obtiene por ultrafiltración
Uso en alimentación humana (bajo contenido en sales)
PER (protein efficient ratio): 3,4 (estandar de caseina: 2.8)
Valor biológico a la proteína del huevo (se reduce por calentamiento)
Los hidrolizados de proteína de suero tienen mayor solubilidad
No resuelve el problema de la DBO debido a la lactosa
Principales proteínas séricas
β-Lg (56%)α-La (21%)BSA (7%)Ig (14%)Lf (2%)
Leche
Cuajada
Ultrafiltración
Suero lácteo
Queso
Lactosa
Ácido, Ca+2
Quimosina
Proteínas séricas
Propiedades de las proteínas séricas
• Solubles al pH del estómago – Tránsito estomacal rápido– Llegan intactas al intestino– Alta absorción e interacción con la microbiota
intestinal • Composición aminoacídica característica
– Alto contenido en:– Azufrados (favorece función inmune)– Cadena lateral larga (función energética)
• Contienen factores estimuladores del crecimiento
– Lactoferrina, IGF, TGF
β-lactoglobulina
• Fijación de minerales– Abundancia de regiones cargadas
• Absorción de vitaminas liposolubles– Dominio hidrofóbico– contenido en:
– Azufrados (favorece función inmune)– Cadena lateral larga (función energética)
α-lactoalbumina
• Fijación de minerales– Abundancia de regiones cargadas
• Previene el daño muscular y el cáncer– Induce la apoptosis
Lactoferrina
• Posee propiedades antibacterianas y antioxidantes
– Secuestra el Fe del suero sanguíneo impidiendo el desarrollo bacteriano
• Favorece la respuesta inmune– Induce el desarrollo de linfocitos
• Previene el cáncer– Propiedades antioxidantes
Lactosa
• Principales aplicaciones tradicionales– Suplemento en leches infantiles– Excipiente farmacéutico (plasticidad, poco
dulce)
5% de la producción mundial de lactosa
Búsqueda de alternativas: fermentación y enzimas
Transformación enzimática de lactosa
• Reducción a lactitol– Edulcorante no cariogénico– Esterificación a palmitato de lactitol:
emulgente• Isomerización a lactulosa
– Poder edulcorante mitad de la sacarosa– Factor bífidus (fibra soluble)
• Producción de lactosilurea– Fuente de nitrógeno no proteico en rumiantes
Hidrólisis de la lactosa
• Ventajas– Aumenta el número de microorganismos que
pueden utilizarla como fuente de carbono– Aumenta su poder edulcorante– Incremento de solubilidad– Permite producir alimentos bajos en lactosa
(intolerantes)
• Hidrólisis química (inconvenientes)– Condiciones extremas (pH 1,2 150ºC) – Desnaturalización de proteínas y reacción de
Maillard– Necesidad de desmineralización previa
Hidrólisis de la lactosa
• Hidrólisis enzimática– Lactasa microbiana de K. Lactis, A. Niger y A.
oryzae– Libre e inmovilizada– Inconveniente de polimerización de la lactosa– Producción de leche sin lactosa
Hidrólisis de la lactosa
• Hidrólisis enzimática– Lactasa microbiana de K. Lactis, A. Niger y A.
oryzae– Libre e inmovilizada– Inconveniente de polimerización de la lactosa– Producción de leche sin lactosa
Producción de etanol
• El 50% de la producción de suero se convierte a etanol en Nueva Zelanda
• Existen plantas en comerciales en el mundo
• Carbery Milk Products Ir (1978)• Fermentadores cilindrocónicos• Proceso batch (20h) con 2,5-4,2% (v/v)• Etanol para mezclas E5 y potable• 11000 Tm/año
• Anchor Ethanol NZ• 11 millones de litros• 8 tipos de etanol• Proceso batch (20h) con 2,5-4,2% (v/v)
• Milbrew EEUU (1972)• Gaerings DK
• Proceso en continuo• Teo Muller GER
• 10 millones de litros
Producción de etanol
• Kluveromyces fragilis es el microorganismo más utilizado
– Utiliza el 95% de la lactosa de suero no concentrado
– Eficiencia de conversión del 80-85%• La producción de etanol no es rentable en
suero no concentrado– Altos costes de destilación
Producción de etanol
• Saccharomyces cerevisiae no posee:– sistema lactosa permeasa�β-galactosidasa
• Construcción de Saccharomyces cerevisiae recombinante
– Fermenta directamente lactosa a etanol– Se elimina el fenómeno de diauxia
Producción de biogas
• Aproximación de depuración de aguas residuales:
• Eficiencias de conversión del 95%
¿Qué son los probióticos?Suplementos alimentarios consistentes en microorganismos vivos con efectos beneficiosos en el organismo hospedador, debidos bien a la mejora en su balance microbiano intestinal, bien a la producción o estimulación de sustancias activas, o a ambos
• Tener, de acuerdo con el hospedador, origen humano o animal con capacidad de adhesión en su mucosa intestinal y persistencia en el tiempo
• Producir sustancias antimicrobianas y tener capacidad de modular la respuesta inmunológica
• Influir en las actividades metabólicas del hospedador u otro probionte
• Capacidad para ser cultivado a altas concentraciones
• No ser patógeno y resistir a tratamientos tecnológicos y ambientes digestivos (sales biliares, ácidos).
Características:
Producción de probióticos
Ventajas del suero de leche como sustrato para la producción de probióticos
•Amplia disponibilidad
•Naturaleza barata
•Experimentos con ratones indican que una fracción proteica del suero tiene propiedades antitumorales.
•Contenido de nutrientes adecuada para un crecimiento conveniente de bacterias lácticas
Producción de probióticos
¿Cuáles son los microorganismos probióticos?
• Entre las levaduras el género Saccharomyces con las especies S. cerevisiae y S. boulardii
• Entre las bacterias, los géneros más estudiados son: Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptococcus y Enterococcus.
• Destacan las especies: Lactobacillus acidophilus, L. casei, L. fermentum, L. plantarum, L. reuteri, Bifidobacterium bifidum, B. longum y Enterococcus faecium.
Producción de probióticos
Fundamento: Incorporación a los piensos/alimentos
Cultivos microbianos probióticos
• Actividad de sustancias antimicrobianas (ácidos orgánicos y bacteriocinas)• Desarrollo de actividades enzimáticas
Introducción
Efectos beneficiososEntidades microbianas
Entidad hospedadora
• Estimulación del sistema inmune
• Competencia con patógenos en la colonización del tracto intestinal
Se relacionan con:
Producción de probióticos
¿Cuál es el mecanismo de acción?
•Producción de ácidos orgánicos de cadena corta,
•Reducción del pH intestinal,
•Competición por nutrientes y por sitios de adhesión a la mucosa,
•Modulación del sistema inmune,
•Modulación de la microbiota intestinal,
•Modulación de las actividades enzimáticas intestinales
•Producción de sustancias antimicrobianas como las bacteriocinas
• Los probióticos se instalan con dificultad en el tracto intestinal por lo que es necesario una ingesta diaria de preparados con no menos de 10 millones de células viables por gramo o mL.
•El ambiente nutricional y las condiciones extremas de transporte (en el estómago) reducen la viabilidad y dificultan la implantación
Limitaciones al uso de probióticos
Producción de probióticos
Antecedentes: Gránulos de kéfir de leche. Composición química
Prebióticas, debidas a la acción antimicrobiana de varios de los metabolitos de fermentación (ácidos orgánicos pero, sobre todo, bacteriocinas) y anticancerígena de los kefiranos (polisacáridos producidos por ciertas bacterias lácticas del consorcio) entre otras posibles (péptidos antihipertensivos).
Los gránulos de kéfir (2-3 cm) son originarios de Rusia, Yugoslavia y Bulgaria. Son una combinación de bacterias y levaduras probióticas embebidas en una matriz de proteínas y polisacáridos insoluble en agua. Su aspecto es similar al de la coliflor pero es más blando.
Composición química (AGK1, CIDCA): Agua (83%), Proteínas (4.5%), Polisacáridos (9-10%, 1 mol glucosa/1.14 moles galactosa), Lípidos, Cenizas y sustancias solubles no nitrogenadas (2.5%)
Propiedades funcionales:Probióticas, debidas a la acción antagónica frente a patógenos y a su capacidad de colonización del epitelio intestinal de parte de su microbiota, y
Microflora:
3. BAL (lactococci, lactobacilli y leuconostoc homo y heterofermentativos):
-Lactococcus: lactis subsp. lactis, lactis subsp. lactis biovar diacetylactis-Lactobacillus: kefir, parakefir, kefiranofaciens, plantarum, brevis,
viridescens, gasseri, fermentum, casei, acidophilus, helveticus-Leuconostoc mesenteroides -Streptococcus thermophilus
2. Levaduras:
-Kluyveromyces: marxianus, kefirSaccharomyces: cerevisiae, delbrueckii, unisporus, exiguusCandida kefir, holmii, friedricchii, pseudotropicalis, tenuis
3. Bacterias acéticas:
-Acetobacter aceti, pasteurianus
Antecedentes: Gránulos de kéfir de leche. Composición microbiológica
La composición microbiana depende del origen del gránulo, de las condiciones de cultivo así como de las condiciones de almacenamiento y el proceso de elaboración.
Antecedentes: Ventajas de la utilización de los gránulos de kéfir como entidad fermentativa
Composición microbiana mixta* Amplia variedad y cantidadde productos antimicrobianos.* Elevados niveles de biomasamicrobiana
• Bajo costo• Capacidad fermentativa• Disponibilidad• Experiencia acumulada
GRÁNULOS DE KEFIR
Exopolisacáridos: Exopolisacáridos: Kefiranos (glucosa-galactosa 1:1)Kefiranos (glucosa-galactosa 1:1)- Características organolépticas- Características organolépticas
Ácidos orgánicos (láctico y acético)Ácidos orgánicos (láctico y acético)etanoletanol
Consorcio microbianoConsorcio microbiano
BacteriocinasBacteriocinas
Proteinasas y peptidasas: Proteinasas y peptidasas:
- Péptidos bioactivos- Péptidos bioactivos
Antecedentes: Gránulos de kéfir de leche. Beneficios
IINNGGRREEDDIIEENNTTEESS
BBIIOOAACCTTIIVVOOSS
-Estimulación del sistema inmuneEstimulación del sistema inmune -Inhibición del crecimiento de células Inhibición del crecimiento de células tumoralestumorales
- Sustituto de la leche en pacientes - Sustituto de la leche en pacientes Intolerantes a la lactosaIntolerantes a la lactosa
- Prevención y tratamiento de Prevención y tratamiento de desórdenes intestinales y vaginalesdesórdenes intestinales y vaginales
-Regeneración de la flora intestinalRegeneración de la flora intestinal
-Complemento alimenticio para Complemento alimenticio para regenerar la mucosa estomacalregenerar la mucosa estomacal
- Vía tópica: Para tratar problemas Vía tópica: Para tratar problemas cutáneos (eccemas)cutáneos (eccemas)
Alimento funcional-probiótico:Alimento funcional-probiótico:
Obtención de péptidos bioactivos
β-Lg (56%)
α-La (21%)
BSA (7%)
Ig (14%)
Lf (2%)
Proteínas séricas
Proteólisis in vitroFermentación
Microorganismos/
Enzimas proteolíticas
Enzimas digestivas: pepsina, tripsina, quimotripsina
Enzimas microbianas: proteinasa k, termolisina
Enzimas vegetales: papaína y la bromelaína
Péptidos bioactivos
Asp
Arg
CysLys
Val
Cys
IleVal
Thr
Gly
IlePro
Pro
Ala
Pro
Cys Ser
Ser
Ser
Phe
Gly
Val
Glu
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Pro
PheAsn
Gln
His
Gly
Glu
LeuSer
Phe
Pro
Pro
Gly
Cys
Gly
Cys
Leu
Gly
Ile
Met
Leu
Ile
Péptidosbioactivos Enzima
EnzimaAsp
Arg
CysLys
Val
Cys
IleVal
Thr
Gly
IlePro
Pro
IlePro
Pro
Ala
Pro
Cys Ser
Ser
Ser
Phe
Gly
Val
Glu
Arg
Lys Gln
Pro
Ser
Phe
Gly
Val
Glu
Arg
Lys Gln
Pro
PheAsn
Gln
His
Gly
Glu
LeuSer
Phe
Pro
Pro
Gly
Cys
Gly
Cys
Leu
Gly
Ile
Met
Leu
Ile
Péptidosbioactivos Enzima
Enzima
Obtención de péptidos bioactivos
β-Lg (56%)
α-La (21%)
BSA (7%)
Ig (14%)
Lf (2%)
Proteínas séricas
Péptidos bioactivos
Asp
Arg
CysLys
Val
Cys
IleVal
Thr
Gly
IlePro
Pro
Ala
Pro
Cys Ser
Ser
Ser
Phe
Gly
Val
Glu
Arg
Lys Gln
Pro
PheAsn
Gln
His
Gly
Glu
LeuSer
Phe
Pro
Pro
Gly
Cys
Gly
Cys
Leu
Gly
Ile
Met
Leu
Ile
Péptidosbioactivos Enzima
EnzimaAsp
Arg
CysLys
Val
Cys
IleVal
Thr
Gly
IlePro
Pro
IlePro
Pro
Ala
Pro
Cys Ser
Ser
Ser
Phe
Gly
Val
Glu
Arg
Lys Gln
Pro
Ser
Phe
Gly
Val
Glu
Arg
Lys Gln
Pro
PheAsn
Gln
His
Gly
Glu
LeuSer
Phe
Pro
Pro
Gly
Cys
Gly
Cys
Leu
Gly
Ile
Met
Leu
Ile
Péptidosbioactivos Enzima
Enzima
Proteólisis in vitroFermentación
Microorganismos
Enzimas proteolíticas
Enzimas digestivas: pepsina, tripsina, quimotripsina
Enzimas microbianas: proteinasa k, termolisina
Enzimas vegetales: papaína y la bromelaína
Fragmentos de proteínas específicas que, en función de la secuencia activa (entre 3 y 20 aminoácidos), ejercen diversas actividades biológicas
AntimicrobianasOpiácea
Inmunomodulante Quelante de minerales
Antitrombótica
Antihipertensiva
Péptidos antihipertensivos
Fragmentos de proteínas específicas que, en función de la secuencia activa (entre 3 y 20 aminoácidos), ejercen diversas actividades biológicas
AntimicrobianasOpiácea
Inmunomodulante Quelante de minerales
Antitrombótica
Antihipertensiva
Sistema renina-angiotensina
Péptidos antihipertensivos
Péptidos antihipertensivos
Angiotensinógeno
Angiotensina I
Angiotensina II
Renina
ECA
Potente agente vasoconstrictor
-Sistema renina-angiotensina-
Enzima convertidora de
angiotensina
Péptidos antihipertensivos
InhibidoresECA
Descenso de la presión arterial
-Sistema renina-angiotensina-
Angiotensinógeno
Angiotensina I
Renina