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Las microalgas y su potencial en alimentación

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Aunque en otras culturas las algas forman parte de la alimentación humana desde hace siglos, es en los últimos años cuando la investigación está avanzando hacia el conocimiento y aprovechamiento de estos organismos con fines alimentarios, de forma viable. En este sentido,  Ainia protagoniza un ambicioso estudio en colaboración con los centros vascos Azti Tecnalia y la Fundación Leia así como el Centro Inbiotec de Castilla y León

Durante siglos, en algunas partes del mundo se han utilizado microalgas como alimento humano, producidas por una tecnología primitiva. Por ejemplo, Spirulina maxima era empleada por los aztecas y los nativos del Chad en alimentación, en forma de unos bizcochos de alto contenido proteico que denominaban “tecuitlatt” y “dihé”, respectivamente. El género Nostoc (pruriforme, commune y verrucosum) ha sido consumido y comercializado en Asia central y oriental, en el Ecuador y en los Andes. La especie Phylloderma sacrum, es considerada un manjar en Japón y Oedogonium y Spirogyra son dos especies de algas filamentosas que se consumen en el sur asiático y otras dos especies microalgales,  Prasiola yunnanica y Prasiola japónica, con un contenido proteico apreciablemente alto, se consumen en China y Japón, respectivamente.

Los orígenes
El estudio científico de las microalgas comienza en 1890 con cultivos de Chlorella vulgaris. El concepto de producción masiva de microalgas se llevó a cabo por primera vez en Alemania durante la II Guerra Mundial, dirigido a la producción de lípidos, para lo que se utilizaron las especies  Chlorella pyrenoidosa y Nitzschia palea, y ciertas diatomeas. Posteriormente, la masa microalgal comenzó a utilizarse como suplemento alimenticio. Con este propósito, a partir de 1948, un grupo de científicos de la Carnegie Instution de Washington establecieron los fundamentos científicos del cultivo masivo de microalgas. El objetivo de este proyecto era utilizar especies del género Chlorella, para la producción a gran escala del alimento. El trabajo de Spoehr y Millner (1949), también en el Carnegie Institute, mostró que la composición de Chlorella podía ser manipulada variando las condiciones del medio. Desde aquel momento, distintas microalgas de agua dulce pertenecientes a los géneros Chlorella, Scenedesmus, Coelastrum y Spirulina fueron propuestas como fuentes de proteínas. Esto impulsó el interés mundial del cultivo microalgal a gran escala.
A partir de los años 50 se comenzaron a establecer los fundamentos del cultivo de microalgas a través de los trabajos realizados en Japón y Estados Unidos, que dieron gran ímpetu al desarrollo de la tecnología de producción microalgal de especies de agua dulce. También a comienzos de los años 50, Oswald y colaboradores, de la Universidad de California, sugirieron la utilización de cultivos masivos de microalgas para el tratamiento de aguas residuales y producción de proteína. Posteriormente, los mismos autores, Oswald y Gloueke (1960), desarrollaron asimismo sistemas de producción masiva de algas para la bioconversión de la energía solar en metano.
En los años 60 son de destacar los trabajos realizados sobre producción masiva de microalgas en Trebon (República Checa). En esta década se desarrollaron también sistemas cerrados de cultivo para utilizarlos en misiones espaciales, en los que se obtuvieron altísimos rendimientos con cultivos del género Chlorella. En estos años también, promovido por los trabajos del Institut Francais du Petrole comienza la producción comercial de otro género importante dentro de las microalgas: el género Spirulina procedente del  lago Texcoco, en México. Paralelamente, en esta década se realizaron las primeras pruebas utilizando diversas especies del género Chlorella en la dieta humana. Otros estudios mostraron que ciertas microalgas pertenecientes al género Scenedesmus, eran una excelente fuente de proteína para el hombre.
En los años 70, debido a la crisis del petróleo, se hizo necesario buscar fuentes alternativas de energía. Como las microalgas constituyen por su metabolismo fotosintético, un eficiente sistema de utilización de energía solar, surgió un interés continuo en la tecnología de la producción microalgal. Unido a este desarrollo estaba el creciente interés en los problemas de contaminación ambiental y reciclaje de residuos, donde varios estudios revelaron que las microalgas pueden jugar un papel importante en la transformación de los residuos y aguas residuales en biomasa y agua tratada que puede utilizarse para el riego. Conviene decir que el desarrollo de cultivos de microalgas para el suficiente abastecimiento de la acuicultura, suponía  un cuello de botella del desarrollo de este sector.
En los años 80, se establecieron ya numerosas industrias para la producción de microalgas, sobre todo las referidas a los géneros Spirulina y Dunaliella en Taiwán, Tailandia, California, Australia, Hawai e Israel. La producción de especies pertenecientes al género Dunaliella  aparece como una de las más prometedoras, por sus contenidos en caroteno y sus propiedades terapéuticas. El auge tecnológico en los últimos años, en el contexto de producción para la alimentación, ha causado una floreciente industria, relativa a especies del género Chlorella en Japón y Taiwán. En Asia, pudo observarse que la capacidad de producción de Chlorella spp. excedía los 1.000 k. de alga seca por mes. Esta microalga se utiliza para la manufacturación de tabletas, extractos y otros alimentos dietéticos. En Taiwán por ejemplo, se utilizaron las especies  Chlorella ellipsoidea y Chlorella pyrenoidosa con un rendimiento de 25-39 g/m2/d. En Sausal (Perú) existe una planta de producción relativa al género Scenedesmus para su utilización en alimentación. Asimismo, en México ha habido un desarrollo importante de esta industria, citando como ejemplo la Compañía Sosa Texcoco para la producción de Spirulina (Ciferri, 1983).

Nuevos avances
Es en  los últimos años, cuando ha surgido un creciente interés en la investigación de microalgas, debido a su alto valor nutritivo y a las propiedades beneficiosas que algunas de ellas poseen. Desde un punto de vista de su aplicativo industrial, se ha ido observando que, a partir de las mismas, se pueden producir una gran variedad de compuestos de valor en el mercado, como polisacáridos, lípidos, proteínas, espesantes, carotenoides, pigmentos, vitaminas, esteroles, enzimas, antibióticos, cosméticos, productos farmacéuticos y otros productos químicos, algunos con propiedades antioxidantes o biocidas. Además, también han aparecido muchos trabajos donde se muestra que ciertas especies microalgales son fuentes potenciales de energía renovable, puesto que son capaces de transformar sustancias residuales en biomasa útil.
La idea inicial del empleo de microalgas como fuente dietética para suplir las carencias globales de proteínas no ha logrado el éxito de implantación empresarial esperado a priori,  puesto que contaba desde el principio con el hándicap de la competencia con los alimentos tradicionales. Esto fue debido, principalmente, a los elevados costes de producción microalgal asociados al empleo de técnicas de foto-bioproducción controlada (empleo de luz que repercute en un alto coste energético),  a pesar de que a partir de las microalgas producidas mediante estas técnicas, se conseguían mayores rendimientos  en proteína. Pese a este “eventual fracaso”, durante las dos últimas décadas se han desarrollado prometedoras aplicaciones en biotecnología utilizando a las microalgas, como biofertilizantes, en la purificación de aguas residuales, como acondicionadores de suelo o como alimento en acuicultura. Asimismo, se ha puesto de manifiesto la potencialidad de las microalgas para la producción de gran variedad de sustancias, algunas de elevado precio, como ácidos grasos, pigmentos, vitaminas, antibióticos, productos farmacéuticos y otros productos químicos de interés, así como hidrógeno, hidrocarburos y otros combustibles biológicos. Además, en los últimos años se han utilizado cultivos de microalgas para ensayos biológicos y fisiológicos.
En adición, se reconoce actualmente la importancia de distintas especies de microalgas; sin embargo, el desarrollo industrial en la biotecnología microalgal es escaso, debido fundamentalmente a los elevados costes de producción asociados a las técnicas de foto-bioproducción.
Por su inocuidad, su adaptabilidad a distintas condiciones de crecimiento, y sus propiedades nutritivas, ciertas especies de microalgas son particularmente aprovechables en el sector agroalimentario. En este sentido las microalgas tienen aplicación por ejemplo como: alimento para el consumo humano y para el ganado,  en acuicultura para alimentar los estadíos larvales de organismos destinados a la engorda, fertilizantes nitrogenados en la agricultura,  productoras de espesantes (agar), en la industria de helados y repostería,  productoras de colorantes de uso alimentario, con propiedades funcionales y antioxidantes, suplemento alimenticio; adicionándose a fórmulas para lactantes ácidos grasos poli-insaturados (PUFAs) extraídos de microalgas.

El futuro
Se resalta fundamentalmente el futuro de las microalgas como “fuente natural, sostenible e inagotable” de compuestos de interés entre cuyas aplicaciones futuras están la alimentación y la bioenergía (producción de biocombustibles), ya que a partir de una determinada cantidad de las mismas y a través del empleo adecuado de determinadas técnicas de bioproducción como el cultivo mixotrófico (ciclos de ausencia/presencia de luz o cultivo heterotrófico ausencia de luz)  pueden llegar a convertirse en una fuente perdurable y sostenible con el medio ambiente.
Se ha comprobado que ciertas microalgas son una fuente de sustancias con alto valor nutritivo como vitaminas, ácidos grasos, polisacáridos inmunoestimulantes o aminoácidos esenciales, que son complementos excepcionales para la alimentación y pueden aportar efectos beneficiosos para las personas. Los CAVA son todos esos  Compuestos Activos de Alto Valor Añadido (CAVA) con propiedades beneficiosas para la salud, que pueden ser obtenidos a partir de distintas matrices naturales y de microorganismos, como por ejemplo, las microalgas, aplicando e integrando distintas tecnologías como la bioproducción o la extracción.
En cuanto a la actividad relacionada con investigación en microalgas, desde el año 2003, Ainia ha realizado varios proyectos relacionados específicamente con la producción de microalgas. Cabe enumerar las principales temáticas en las que se ha profundizado a este respecto: desarrollo de  procesos de producción de microalgas en condiciones heterótroficas-mixotróficas para obtención de compuestos de interés, desarrollo y validación de nuevas tecnologías extractivas de compuestos bioactivos obtenidos a partir de microalgas,  desarrollo e integración de tecnologías para el aprovechamiento integral de microalgas, desarrollo de nuevos formatos alimentarios a partir de microalgas y refuerzo del sistema inmune mediante compuestos inmunoestimulantes a partir de microalgas. Todas las investigaciones han revelado la necesidad de desarrollar nuevos procesos de bioproducción, haciendo equilibrios entre dos aspectos clave: la utilización de las microalgas como biofactorias y los aspectos relacionads con la viabilidad técnico económica de los procesos.
Las tecnologías de bioproducción son el conjunto integrado de tecnologías que combinan los principios y técnicas de la ingeniería tradicional con la biología aplicada. Así, la bioproducción  permite obtener productos de alto valor añadido y con alta actividad biológica a partir del uso y explotación en condiciones adecuadas de microorganismos vivos. Dichos productos pueden tener posteriores aplicaciones industriales en sectores tan diversos como el alimentario, bioenergético, farmacéutico, químico, etc.
Las infraestructuras asociadas a estas tecnologías requieren de una serie de  elementos que posibilite el desarrollo de  estudios de escalado  progresivo de los procesos bajo las normas de buenas prácticas de producción (Good Manufacture Production), que asegure la calidad de los productos obtenidos para su aplicación en sectores como el alimentario o biomédico.  Un ejemplo de esas infraestructuras es la Planta Piloto de Bioproducción que posee   Ainia centro tecnológico.  En ella, se trabaja en el desarrollo de  la ingeniería de procesos biotecnológicos. Dicha planta es de acceso restringido, se trabaja bajo las normas GMP y actualmente se encuentra en proceso de acreditación.
Dicha planta está orientada a explorar y desarrollar nuevas habilidades tecnológicas, reforzando los servicios que Ainia presta al tejido industrial en el ámbito de biotecnología alimentaria, pero también posibilitando el desarrollo de proyectos y actuaciones en otros sectores afines como el farmacéutico, cosmético, químico e incluso la biomedicina. Además, cuenta con 200 m2 distribuidos en dos alturas, y está diseñada con el objetivo de ser polivalente en cuanto a su funcionalidad y utilidades, de cara a dar servicio al mayor número de empresas posibles, en temas como la bioproducción y recuperación de microorganismos y/o compuestos activos de interés industrial. En adición, se está adecuando un sistema integrado de bioproducción que nos permite trabajar a volúmenes de producción de mayor escala y podemos producir por ejemplo, inóculos para realizar fermentaciones a escala industrial. Dicho sistema implica a equipos de última generación como un fermentador de 300L (sistema integrado de cultivo de microorganismos), sistema de concentración de células y/o CAVA mediante filtración tangencial, tanques de cosecha y recogida de productos CAVA finales, unidad de limpieza móvil, equipo de esterilización de volúmenes de hasta 10L, así como resto de accesorios (sistemas de bombeo, agitación, válvulas, electrodos…) que nos permitan realizar un adecuado control y seguimiento de los procesos biotecnológicos a acometer.

El proyecto Inmunogal
Actualmente, a modo de ejemplo, podemos destacar el proyecto Inmugal, orientado a generar alimentos con funciones inmuno-estimuladoras para el organismo, a través de la incorporación en alimentos de compuestos con propiedades beneficiosas para la salud obtenidos a partir de microalgas. Esta investigación cuenta con apoyo del Ministerio de Ciencia e Innovación.
Inmugal trabaja en varias líneas, entre otras: el marco legal de aplicación de microalgas en alimentos, el desarrollo del proceso productivo de las microalgas, la extracción de los CAVA mediante tecnologías GRAS de polisacáridos, evaluación de la bioactividad en modelos in vitro (líneas celulares) e in vivo (pez cebra), estudio de estabilidad por microencapsulación, diseño de prototipos alimentarios y estudio de biodisponibilidad de los ingredientes incorporados.
En este proyecto,  Ainia como líder cuenta con la participación  de los centros tecnológicos vascos Azti Tecnalia y la Fundación Leia y el centro Inbiotec de Castilla y León. La intención de realizar un trabajo de investigación conjunto tiene como objeto estratégico la aplicación y el desarrollo de los conocimientos y la tecnología más avanzada de cada uno de los centros en una línea común, que permita avanzar en la obtención de compuestos activos potenciales, CAVA (Compuestos Activos de Alto Valor Añadido) para su aplicación en alimentación y la transferencia de los productos al sector industrial alimentario, para conseguir la comercialización y la acogida de los mismos por el consumidor.

Bibliografía
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Ainia Centro Tecnológico

Publicado en el número 70 de la revista Tecnifood

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