Aplicación de la biotecnología en la industria agroalimentaria

Aplicación de la biotecnología en

la industria agroalimentaria

“La biotecnología no es una disciplina nueva

sino que existe casi desde que existe el

hombre”

BIOTECNOLOGIA

“La aplicación de organismos, sistemas y

procesos biológicos en las industrias

BIOTECNOLOGIA

• CLASICA: Fermentaciones tradicionales

(Pan, vino, cerveza, lácteos...)

• MODERNA: Tecnología del ADN

ALIMENTOS OBTENIDOS POR NUEVAS TECNICAS

BIOTECNOLOGICAS

Levadura panadera

Reducción tiempo fermentación

Levadura cervecera

Producción cervezas “light”

Levadura vínica

Incremento aroma frutal del vino

Tomate

Mayor periodo de conservación

Tolerancia al frío

Maíz

Mejora características nutricionales

Patata

Menor contenido en azúcar

Cerdos

Aumento peso, disminución grasa dorsal

Salmón

Resistencia al frío

Trucha

Aumento de tamaño

Quimosina

Formación de cuajadas en quesería

Kits diagnóstico

Detección de patógenos en alimentos

Microorganismos involucrados y exigencias

• Bacterias

- Fácil manejo

• Mohos

- Baratos de cultivar

• Levaduras

- No patógenos

• Células animales y vegetales

E. coli

Bacillus subtillis

Saccharomyces cerevisiae

Ventajas

• Facilidad de cultivo en masa

• Velocidad de crecimiento

• Bajo coste del medio de crecimiento (desechos agrícolas)

• Diversidad de rutas metabólicas (diversidad de productos finales)

• Manipulación genética

Cultivos y mejora

• Aislamiento selectivo de microorganismos y

crecimiento en medios de laboratorio

• Cultivos del-los microorganismo-s en caldos de

cultivo

– Puros

– Mixto

• Mejora

– Programas de mutación y selección/rastreo (∆

Rtº

α-amilasa producida por B. subtilis)

CLONACION DE GENES

FASES

1. Preparación del gen

2. Inserción en el vector

3. Transformación de la

célula hospedadora

4. Detección de genes

clonados

5. Optimización de la

expresión de los genes

clonados

ALIMENTOS TRADICIONALES ELABORADOS EN LOS

QUE SE UTILIZA LA BIOTECNOLOGIA

Bebidas alcohólicas: vino, cerveza

Queso

Pan

Vinagre

Yoghurt

Fruta y productos vegetales

• Conservas (encurtidos en vinagre)

• Salsa de soja

• Chucrut (col fermentada)

Derivados por fermentación

• Enzimas

• Sabores

• Aditivos

Suplementos dietéticos

• Aminoácidos

• Vitaminas

FERMENTACION ALCOHOLICA

∼96% de la fermentación del etanol se realiza con

cepas de:

Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces uvarum

GLUCOSA + 2ADP→2 ETANOL + 2CO

+ 2ATP + 2H

O

Rtº

1 g 0,51 g 0,49 g

FERMENTACION ALCOHOLICA

Substratos

¾ Azúcar proveniente de caña azúcar o remolacha

¾ Uva (vino)

¾ Cebada (cerveza)

¾ Trigo y en general cereales (pan)

¾ Almidones (patata, arroz,...)

¾ Subproductos industria alimentaria, suero de lechería

(lactosa) y papelera.

LEVADURAS TRANSGENICAS

9 Ventaja ecológica (toxina killer)

9 Mejora de la filtración

9 Inhibición de bacterias alterantes

9 Aumento o disminución de la acidez del vino

9 Incremento del aroma

9 Incremento del glicerol

9 Aumento de resveratrol

AROMA DEL VINO

UVA PROCESO ENVEJECIMIENTO

ESTERES

TERPENOS

_{AROMA AFRUTADO}

ALCOHOLES SUPERIORES

Terpenos unidos (sin aroma)

G A

MEZCLAS ENZIMATICAS COMERCIALES

ENZIMAS

• Ramnosidasas

•

α-L-Arabinofuranosidasas

•

β-Glucosidasas

• Xilanasas

•

β-Xilosidasas

CARACTERISTICAS

• Faltas de especificidad

• Actividades contaminantes

• Poco repetitivas lote a lote

• Poco activas en vinificación

CONSTRUCCION DE LEVADURAS VINICAS

TRANSGENICAS

Aspergillus niger ABF

Candida molischiana BGL

+

+

Terpenos

unidos

Terpenos

libres

CERVEZA. DESCRIPCION DEL PROCESO

PRODUCCION DE CERVEZA

9 Introducción de un gen que codifica la β-glucanasa

(Producción de cerveza libre de β-glucanos)

9 Introducción de un gen que codifica la α-glucoamilasa

(Disminución del contenido calórico de la cerveza)

9 Introducción de un gen que codifica una descarboxilasa

(Disminución del sabor dulce de la cerveza)

9 Inactivación del gen MET incrementado la producción

de sulfitos (Incremento y estabilidad de los sabores y

aromas de la cerveza durante el almacenamiento)

HIDROLISIS DEL ALMIDON

α-amilasa

β-amilasa

CERVEZA DE USO CIENTIFICO

Glucoamilasa

Saccharomyces

diastaticus

• Cerveza de alta graduación (fuerte) • Cerveza dietética con bajo contenido en carbohidratos

• No se necesita añadir enzimas durante

el proceso _{Brewing Research Foundation}Cerveza light “Nutfield Lyte” International (UK). 1994.

PRODUCCION DE ENZIMAS

Distribución de los enzimas industriales

Proteasas

Carbohidrasas

Lipasas

Otros

59% 28%

3% 10%

Alcalinas 28% α-Amilasas 13% Analíticas

(detergentes)

Neutras 12% Isomerasas 6% Farmacéuticas Acidas 10% β-Amilasas 5% Desarrollo

(cuajos) Alcalinas 6% Pectinasas 3% (otras) Tripsinas 3% Celulasas 0.5% Acidas 3% Lactasa 0.5% (otras)

PRODUCCION DE ENZIMAS

1.

FUENTES

1. Animales (tripsina, lipasas, cuajos)

2. Vegetales (papaína, bromelaína, ficina, amilasas,

lipooxigenas soja, enzimas cítricos)

3. Microbianas (resto)

2.

VENTAJAS ENZIMAS MICROBIANOS

1. Económicas (producción a gran escala)

2. Técnicas

1. Gran variedad de vías metabólica

2. Crecen en un ámplio intervalo de condiciones ambientales 3. Gran flexibilidad genética y facilidad de manipulación 4. Corto tiempo de generación

PRODUCCION DE ENZIMAS

Preparaciones enzimáticas procedentes de microorganismos modificados genéticamente aprobados en la UE

Enzima Fuente Uso

α-Amilasa Bacillus subtilis conteniendo el

gen de B. stearothermophilus

Licua el almidón y lo convierte en dextrina antes de la adición de amiloglucosidasas en la

producción de jarabes; cervecería, favorece la retención de humedad en productos de bollería

Quimosina B Kluyveromyces lactis

conteniendo el gen del ternero

Coagulación enzimática. Producción de queso

Pectinesterasa Aspergillus oryzae conteniendo

el gen de A. aculeatus

Facilita clarificación y filtración de zumos de frutas y vinos

Glucosa oxidasa Catalasa

A. niger conteniendo el gen de Aspergillus spp

Elimina azúcares de los huevos evitando pardeamiento no enzimático y aparición de aromas anormales durante y tras la deshidratación

Lipasa A. oryzae conteniendo el gen de Rhizomucor

Hidrólisis de lípidos (ej. concen-trados de aceite de pescado)

Glucosa isomerasa Streptomyces lividens

conteniendo el gen de

Actinoplanes

Obtención a partir de la glucosa de jarabes ricos en fructosa

PRODUCCION DE ENZIMAS

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

“Explotación biotecnológica de las plantas superiores que se

centra en las técnicas de cultivo de tejidos vegetales para

la producción de metabolitos secundarios a partir de

cultivos en masa y la utilización de técnicas de ADN

recombinante para modificación genética de plantas, en

particular en cultivos agrícolas”

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

Industria Producto Planta Uso industrial

Alimentos y Bebidas Agroquímica Farmacéutica Cosmética Quinina (alcaloide) Taumatina Piretrina Codeína (alcaloide) Quinina (alcaloide) Digoxina (glicósido cardíaco) Jazmín Cinchona ledgeriana Thaumatococcus danielli Crysanthemum cineraviaefolium Papaver somniferum Cinchona ledgeriana Digitalis lanata Jasminium sp. Agente amargante Edulcorante no nutritivo Insecticida Analgésico Antimalárico Cardiotónico Perfume

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

¿Cómo se modifica genéticamente

un vegetal?

• Microinyección de ADN

• Bombardeo o Cañón de genes

• Protoplastos

• Agrobacterium

• Otros

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

9 Resistencia de las plantas a plagas y enfermedades

9 Resistencia de las plantas a los herbicidas (soja

tolerante al herbicida glifosato “Roundup Ready”)

9 Desarrollo de plantas que soporten condiciones más

extremas (sequía, heladas y salinidad)

9 Desarrollo de alimentos de mayor calidad

9 Incremento de productividad (mayor eficiencia

fotosintética, fijación de nitrógeno)

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

Producto/Alimento

Acción/Aplicación

Manzanas Resitencia a los insectos

Plátanos Control integrado contra plagas de virus, hongos y nematodos Brécol Maduración más lenta para que se conserven frescos más

tiempo

Apio/Zanahoria Retención de sus consistencia crujiente

Café Mejor sabor, mayores producciones y menos cafeína

Maíz Resitencia a los insectos. Bajo contenido en saturados

Uva Nuevas variedades sin semillas

Lechuga Menor tamaño y resistencia a los insectos. Baja NO₂ -Patata Resistencia a varias enfermedades. Alto almidón

Fresas Resistencia a las heladas. Agente natural anticancerígeno

Girasol Contenido menor de ácidos grasos saturados

Tomates Mejora sabor y color. Retardamiento del reblandecimiento

BIOTECNOLOGIA VEGETAL

Incremento en el área cultivada de cultivos GMO en América del Norte

1,6 12,5 37,5 66 0 10 20 30 40 50 60 70 1996 1997 2000 2005

Calgene Mayo 1994 FDA

para USA

Tomates GMO (“Flavr Savr”)

ADN ARNm POLIGALACTURONASA Ablandamiento Senescencia “GEN ANTISENTIDO”

PECTINA

EL 5 FEBRERO DE 1996 LOS SUPERMERCADOS

“SAFEWAY” Y “SAINSBURY’S” COMERCIALIZAN EN

UK PURE DE TOMATE GMO

SOJA Y MAIZ TRANSGÉNICOS

Soja resistente al herbicida GLIFOSATO

Soja que contiene un gen bacteriano que codifica el

enzima 5-enolpiruvil-shikimato-3-fosfato sintetasa

El enzima participa en la síntesis de los aminoácidos

aromáticos, y el nativo vegetal es inhibido por el

glifosato, no así el bacteriano

SOJA “Roundup Ready”

Maíz resistente al ataque de insectos (taladro)

Contiene un gen que codifica una proteína de Bacillus

thuringiensis con acción insecticida al ser capaz de unirse

a receptores específicos del tubo digestivo de

determinados insectos interfiriendo en el proceso de

alimentación y causando la muerte

BIOTECNOLOGIA ANIMAL

Posibilidades

1.

Cultivo de células animales (vacunas)

2.

Síntesis de productos específicos como los anticuerpos

monoclonales

3.

Animales transgénicos

Introducción de ADN exógeno en ovocitos

•

Microinyección de ADN

•

Retrovirus

BIOTECNOLOGIA ANIMAL

ANIMALES TRANSGENICOS

9 Animales con múltiples copias de la hormona de

crecimiento (cerdos, salmón, carpas,...)

9 Cerdos con baja grasa dorsal y alta eficacia de

transformación de alimentos

9 Aves resistentes a diferentes bacterias y virus

9 Rumiantes (vaca, oveja, cabra) con composición

de leche alterada

BIOTECNOLOGIA ANIMAL

Propuestas de modificación de los constituyentes de la leche

Incrementar α_s- y β-CN Mejora de la dureza de la cuajada en la fabricación del queso, estabilidad térmica y contenido en calcio Incremento fosforilación CN Incremento del contenido en calcio y de las

propiedades de emulsión

Introducción puntos de corte en CN Madurado acelerado del queso

Incremento κ-CN Mejora estabilidad de los agregados de CN, tamaño menor de micela de caseína, y mejora de los tiempos de gelación y coagulación

Eliminación β-Lg Mejora de digestibilidad, descenso de la respuesta alergénica

Adición de lactoferrina humana Mejora de la absorción de Fe y protección hacia infecciones diversas

Expresión genes Igs Protección hacia patógenos como Salmonella y Listeria

Reemplazar los genes de las Leche maternizada proteínas lácteas con los equivalentes

PERCEPCION PUBLICA DE LA BIOTECNOLOGIA

BIOTECNOLOGIA

ACTIVA

PASIVA

PERCEPCION PUBLICA DE LA BIOTECNOLOGIA

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Drogas para curar humanos Hormonas como la insulina Producción a menor coste Plantas/resistencia pesticidas Producción/mejor sabor Hormona/menos grasa Hormona/más leche Hormona/más carne

Lo apruevan fuertemente Lo apruevan medianamente

Lo desapruevan medianamente Lo desapruevan fuertemente