La producción de alimentos ha dependido hasta ahora de la fotosíntesis
Los microorganismos representan una alternativa como biocatalizadores para convertir formas inorgánicas de carbono, nitrógeno y azufre en biomasa nutritiva
Beatriz Riverón,
Bioquímico farmacéutica
INFORMACIÓN
El sistema mundial de producción de alimentos, hasta ahora, ha dependido absolutamente de la fotosíntesis. El uso de biomasa microbiana como fuente de alimento en lugar de biomasa derivada de plantas o animales evita muchas de las limitaciones y vulnerabilidades biofísicas del sistema alimentario mundial. Los alimentos microbianos en forma de biomasa celular a granel o proteínas alimentarias recombinantes (típicamente de origen animal) se pueden producir en ausencia de luz solar, suelo, condiciones climáticas favorables y, en algunos casos, sin agua dulce.
El desarrollo de la agricultura hace unos 12.000 a 8.000 años, conocido como la Revolución Neolítica, tuvo un efecto transformador en la especie humana, lo que permitió el surgimiento de sociedades complejas, así como un aumento estimado de mil veces en el tamaño de la población mundial durante los milenios siguientes.
Esta transición del forrajeo a la agricultura fue posible gracias a la relativa estabilidad climática de la época del Holoceno. Sin embargo, las consecuencias ambientales subsiguientes de una población humana en crecimiento que extrae recursos naturales para obtener alimentos, combustible y materiales ahora ha llevado al planeta en su conjunto a una nueva época geológica: el Antropoceno.
En la actualidad, se cree que el sistema mundial de producción de alimentos es responsable de aproximadamente un tercio de las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero. Estas emisiones relacionadas con los alimentos en un escenario sin cambios, probablemente sean suficientes para aumentar la temperatura para fines de este siglo, lo que corre el riesgo de comprometer significativamente la producción agrícola mundial futura.
El consumo de alimentos derivados de animales, como carne, huevos y productos lácteos, es uno de los principales factores que contribuyen a los impactos relacionados con la agricultura en el medio ambiente en términos de emisiones de gas, eutrofización y destrucción del hábitat natural. Una transición global a una dieta predominantemente basada en plantas reduciría significativamente la huella ambiental de la producción de alimentos, pero la tendencia predominante es la contraria: el consumo absoluto y per cápita de alimentos derivados de animales, especialmente carne, ha aumentado de manera constante durante los últimos años.
El potencial de los microorganismos
Los microorganismos como las levaduras, los hongos filamentosos y las bacterias del ácido láctico se han utilizado durante milenios para mejorar las propiedades sensoriales y prolongar la vida útil de los alimentos derivados de plantas y animales. Más recientemente, los microorganismos han recibido un interés creciente como fuente directa de alimento en sí mismos.
Las iniciativas actuales para comercializar alimentos de origen microbiano tienen como objetivo principal desarrollar productos que imiten las propiedades sensoriales de los alimentos ricos en proteínas de origen animal, como la carne, los huevos y los productos lácteos. Sin embargo, el potencial transformador completo de los alimentos microbianos para mejorar la capacidad, la sostenibilidad y la resiliencia del sistema mundial de producción de alimentos aún no se aprecia bien.
«Una dieta predominantemente basada en plantas reduciría significativamente la huella ambiental de la producción de alimentos, pero la tendencia predominante es la contraria: el consumo absoluto y per cápita de alimentos derivados de animales, especialmente carne, ha aumentado de manera constante durante los últimos años»
Los alimentos microbianos son diferentes de los probióticos. Los probióticos consisten en células microbianas vivas destinadas a conferir beneficios para la salud cuando se consumen, mientras que los alimentos microbianos consisten en derivados o fracciones específicas que se han extraído y purificado, como por ejemplo, proteínas.
Los seres humanos y todos los demás animales son incapaces de asimilar directamente las formas más comunes de los tres elementos esenciales para la vida: carbono (en forma de dióxido de carbono), nitrógeno (en forma de nitrógeno gas) y azufre (en forma de ion sulfato).
Por lo tanto, el sistema alimentario global emplea otros organismos, predominantemente plantas terrestres, como biocatalizadores para convertir formas inorgánicas de carbono, nitrógeno y azufre en biomasa nutritiva, digerible y no tóxica que puede ser consumida por los humanos .Aunque las plantas son incapaces de asimilar gas nitrógeno directamente, tienen la capacidad (de la que carecen los animales) de asimilar formas inorgánicas como el amoníaco, que puede ser proporcionada por la acción de bacterias simbióticas fijadoras de nitrógeno (diazatrofos).
Los microorganismos, biocatalizadores alternativos
Microorganismos como hongos, bacterias, arqueas y microalgas ofrecen una alternativa de este tipo a un sistema mundial de producción de alimentos que depende de la conversión biocatalítica mediada por plantas de carbono inorgánico, nitrógeno y azufre, en alimentos y piensos para animales. Al igual que las plantas, la mayoría de los microorganismos pueden asimilar formas inorgánicas de nitrógeno y azufre.
Los microorganismos también pueden utilizar una amplia variedad de materias primas de carbono que van desde carbohidratos hasta lípidos, alcoholes, ácidos orgánicos e hidrocarburos. Además, algunos tienen la capacidad de asimilar CO2 directamente a través de la fotosíntesis o la quimiosíntesis (bacterias cianofíceas).
La versatilidad metabólica de los microorganismos también significa que la producción de alimentos microbianos no se restringe solo a aquellos microorganismos fotosintéticos o quimiosintéticos que pueden asimilar CO2 directamente, los llamados autótrofos.
Los microorganismos que solo pueden asimilar carbono orgánico, los llamados heterótrofos, se pueden cultivar con materias primas orgánicas simples y se pueden también utilizar para convertir la biomasa vegetal no digerible (lignocelulosa) en fuente de carbono, que consiste en despolimerizar la lignocelulosa en azúcares de fácil asimilación mediante la acción enzimática, con celulasas y otros tipos de enzimas glucósidos-hidrolasas.
Biorreactores o fermentadores para obviar limitantes
El otro factor que permite que los alimentos microbianos eludan muchas de las limitaciones de la producción de alimentos convencional es el uso de biorreactores para el cultivo de microorganismos heterótrofos y quimiosintéticos.
Los biorreactores, también conocidos como “fermentadores”, son grandes recipientes de cultivo de metal (10–1000 m3) que permiten un control preciso de las condiciones de cultivo (temperatura, pH, suministro de nutrientes, oxigenación etc.) y, al mismo tiempo, minimizan la fuga de nutrientes y la introducción de contaminantes indeseables.
Si bien su construcción y operación requieren mucho capital y recursos, los biorreactores permiten el cultivo de microorganismos en prácticamente cualquier ubicación geográfica que tenga acceso a materia prima, electricidad, agua, aire y mano de obra calificada. El rápido crecimiento de los microorganismos también significa una alta productividad.
Cultivo de microorganismos fotosintéticos
El cultivo de microorganismos fotosintéticos es algo más complicado debido al requerimiento de luz y asegurar que cada célula reciba suficiente iluminación, por lo que los microorganismos fotosintéticos generalmente se cultivan utilizando sistemas de estanques abiertos o dentro de sistemas tubulares de vidrio cerrados.
Riqueza nutricional
La biomasa microbiana tiende a ser rica en proteínas y también contiene muchas de las vitaminas del complejo B. Algunos microorganismos producen β-caroteno, que es el precursor metabólico de la vitamina A, así como otros pigmentos carotenoides beneficiosos. Los denominados microorganismos “oleaginosos” tienen la capacidad de acumular lípidos dentro de la célula en determinadas condiciones de cultivo.
En cuanto a la calidad de la proteína, en términos de composición de aminoácidos esenciales es equivalente a la proteína de la carne vacuna y comparable a otras fuentes óptimas de proteína como huevos y leche de vaca.
La tolerancia a la sal es otra propiedad beneficiosa y bastante común de los microorganismos que aún no ha sido explotada para la producción de alimentos microbianos. El uso de agua de mar o agua salobre para el cultivo microbiano podría reducir radicalmente el gasto hídrico de los alimentos de origen animal en su conjunto.
Los alimentos microbianos pueden ser la próxima revolución en la producción de alimentos a la par de la Revolución Neolítica, siempre que se tenga cuidado en cómo se aplica esta tecnología. Varios estudios ya han demostrado que el uso de la tierra para los alimentos proteicos podría reducirse drásticamente mediante el uso de procesos de cultivo microbiano quimiosintético en lugar de cultivares tradicionales.
Observación
Una característica distintiva de la biomasa microbiana cruda es su alto contenido de purinas debido a los altos niveles de ARN intracelular, que son una consecuencia directa del rápido crecimiento de los microorganismos. En personas que no pueden metabolizar completamente las purinas, puede generar niveles de ácido úrico potencialmente peligrosos tras la ingestión de un exceso de biomasa microbiana cruda.
Por lo tanto, la biomasa microbiana bruta debe procesarse adecuadamente para reducir el contenido de ARN. Aun así, los niveles de purina residual aún pueden ser problemáticos para las personas predispuestas a la gota y, en tales casos, los alimentos derivados de la biomasa microbiana deben consumirse con moderación. Las purinas no son motivo de preocupación para las proteínas alimentarias recombinantes producidas por microorganismos transgénicos, ya que las proteínas se separan de la biomasa celular.
Fuentes
Eibl , R.; Senn , Y.; Gubser , G.; Jossen , V.; van den Bos , C.; Eibl, D. (2021).
Cellular Agriculture: Opportunities and Challenges
Annu Rev Food Sci Technol, 12:51-73.
Fasolin , L.H.; Pereira , R. N.; Pinheiro, A. C.; Martins , J. T.; Andrade , C. C.; P.; Ramos , O. L.; Vicente, A. A. (2019).
Emergent food proteins – Towards sustainability, health and innovation
Food Res Int, 125:108586.
Cho , H. U.; Park, J. M. (2018).
Biodiesel production by various oleaginous microorganisms from organic wastes
Bioresour Technol, 256:502-508.
Linder, T. (2023).
Beyond Agriculture-How Microorganisms Can Revolutionize Global Food Production
ACS Food Sci. Technol
Imagen: ICIA.es Jornadas Plagas Plataneras. Acceso el 21/07/2023.
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