Soluciones innovadoras basadas en la aplicación de pulsos eléctricos de alto voltaje para la mejora de la extracción y liberación de compuestos de interés producidos por microorganismos

Resumo

Los cultivos microbianos como las levaduras y las microalgas representan una fuente muy prometedora para obtener productos de alto valor como pigmentos. Además, algunos procesos de la industria alimentaria se basan en la liberación de ciertos componentes de microorganismos, como es el caso de la “crianza sobre lías” de los vinos, en el cuál las manoproteinas son liberadas de la pared celular de Saccharomyces cerevisiae. Aunque algunos de estos componentes de alto valor son liberados al medio durante el metabolismo normal, la mayoría permanecen dentro de las células. La recuperación de estos componentes que están encerrados intracelularmente debería ocurrir a través de un proceso de bio-refinería sostenible y verde en el que la técnica de desintegración celular usada para mejorar la eficiencia de la etapa de extracción juega un papel principal. Los Pulsos Eléctricos de Alto Voltaje (PEAV) es una tecnología no térmica que produce el incremento de la permeabilidad de la membrana citoplasmática al paso de iones y macromoléculas. Por lo tanto, el tratamiento de PEAV mejora el fenómeno de transferencia de masa a través de la membrana citoplasmática porque esta pierde su permeabilidad selectiva después del tratamiento. El objetivo de esta Tesis Doctoral fue evaluar el potencial de la tecnología de PEAV para mejorar la extracción de compuestos intracelulares de interés de levaduras y microalgas. Se estudió: la liberación de manoproteinas de la levadura S. cerevisiae, la extracción de carotenoides de la levadura Rhodotorula glutinis y la extracción de pigmentos como ficocianina, ficoeritrina y carotenoides de las microalgas: Artrosphira platensis, Porphyridium cruentum y Haematococcus pluvialis respectivamente. La electroporación de la membrana citoplasmática de S. cerevisiae desencadenó la autolisis y aceleró la liberación de manoproteinas de la pared celular de la levadura durante la incubación. La autolisis inducida por PEAV y la subsiguiente liberación de manoproteinas fue más rápida a altas temperaturas y pHs, y bajas concentraciones de etanol. La mejora de la liberación de manoproteinas por PEAV se asoció al hecho de que el tratamiento facilitó la liberación de enzimas de las vacuolas y el subsiguiente acceso de dichas enzimas a la pared celular. Se detectó una alta concentración de β-glucanasa y proteasa en el medio extracelular que contenía células de S. cerevisiae tratadas por PEAV en comparación con el control. Así mismo, los PEAV aceleraron la liberación de manoproteinas durante la “crianza sobre lías” del vino Chardonnay sin afectar negativamente a sus propiedades fisicoquímicas. Las manoproteinas liberadas de las células de S. cerevisiae tratadas por PEAV mostraron propiedades funcionales similares en el vino que las manoproteinas liberadas durante la autolisis natural. Por otro lado, la electroporación de biomasa fresca de levadura R. glutinis fue inefectiva para extraer carotenoides usando etanol como solvente. Sin embargo, la incubación durante 24 horas de las células electroporadas de R. glutinis en un medio acuoso permitió la extracción de carotenoides en etanol. Este efecto fue también observado cuando las células fueron liofilizadas después de la incubación en medio acuoso. La necesidad de la incubación en medio acuoso para la extracción de carotenoides fue atribuida a la acción de las esterasas que causarían la disociación de los carotenoides unidos a las estructuras celulares. Una alta concentración de esterasas, cuya actividad disminuyó en presencia de etanol, fue detectada en el medio extracelular que contenía células de R. glutinis tratadas por PEAV. Finalmente, los tratamientos de PEAV permitieron la recuperación de Cficocianina de biomasa fresca de la microalga A. platensis usando agua como solvente con mejor pureza que los extractos obtenidos usando molino de perlas. La eficacia de los tratamientos de PEAV en los rendimientos de extracción fue altamente dependiente de la temperatura de aplicación. Por otro lado, la electroporación de la microalga P. cruentum estuvo influenciada por la intensidad del campo eléctrico y el tiempo de tratamiento y permitió la extracción de ficoeritrina. La liberación de este pigmento de las células tratadas por PEAV al medio acuoso requirió en todos los casos un tiempo de demora que indicaría la necesidad de la disociación de la ficobiliproteina de las estructuras celulares, que se asumió que estaba relacionada con el efecto de la autolisis desencadenada por los PEAV. De forma similar a R. glutinis, la electroporación de la biomasa fresca de la microalga H. pluvialis fue inefectiva para extraer el carotenoide astaxantina usando etanol como solvente. Sin embargo, el tratamiento de PEAV de la biomasa fresca seguido de la incubación en el propio medio de crecimiento permitió la extracción de este compuesto en etanol. Como se detectó principalmente astaxantina en forma libre en los extractos en vez de formando ésteres, se pensó que también la actividad esterasa estaba involucrada en el efecto observado.