ES2230270T3 - Metodo para la extraccion de proteinas de una celula sencilla. - Google Patents

Metodo para la extraccion de proteinas de una celula sencilla.

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ES2230270T3 ES01904208T ES01904208T ES2230270T3 ES 2230270 T3 ES2230270 T3 ES 2230270T3 ES 01904208 T ES01904208 T ES 01904208T ES 01904208 T ES01904208 T ES 01904208T ES 2230270 T3 ES2230270 T3 ES 2230270T3
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Abstract

Un proceso para homogeneizar un material de proteína de célula sencilla, comprendiendo dicho proceso la etapa de homogeneizar una mezcla acuosa de la proteína de célula sencilla sometiéndola a una caída de presión total en el intervalo que va de 40 MPa a 120 MPa (de 400 a 1200 bares), en el que dicho material de proteína de célula sencilla es un cultivo microbiano que comprende bacterias metanotróficas opcionalmente en combinación con una o más especies de bacterias heterotróficas.

Description

Método para la extracción de proteínas de una célula sencilla.
La presente invención se refiere a un método para tratar un material de célula sencilla para producir un producto que presenta propiedades funcionales mejoradas. En particular, la invención se refiere a un método para homogeneizar un material de célula sencilla, por ejemplo un fango bacteriano acuoso, en el que el material es sometido a una caída de presión bajo condiciones de temperatura controlada.
Recientemente se ha dirigido mucha atención hacia el desarrollo de nuevas fuentes de proteínas que pueden ser incorporadas en alimentos para el consumo humano y/o animal. Se ha propuesto una serie de diferentes materiales que contienen proteínas como sustitutos de las fuentes de proteínas más tradicionales, tales como el pescado, los productos de soja y el plasma sanguíneo, en alimentos humanos y como piensos para animales. Estos materiales incluyen microorganismos de célula sencilla tales como los hongos, las levaduras y las bacterias que contienen elevadas proporciones de proteínas. Éstos pueden ser cultivados mediante reproducción de célula sencilla y se han desarrollado diversos procesos sintéticos de producción de proteínas mediante el crecimiento de microorganismos de célula sencilla sobre hidrocarburos o sobre otros sustratos.
Hoy día, los microorganismos que contienen proteínas (también denominados aquí "proteínas de célula sencilla") más comúnmente usados son los derivados de hongos o de levaduras.
Los materiales de proteína de célula sencilla pueden ser utilizados directamente en alimentos, por ejemplo en la forma de producto secado por pulverización. Sin embargo, su uso extendido tanto en productos alimenticios para humanos como para animales está limitado por sus propiedades funcionales. Por ejemplo, presentan pobres propiedades de gelificación y emulsión, así como una capacidad de unión a aceite limitada.
Se han propuesto diversos métodos para mejorar las propiedades de materiales de proteína de célula sencilla, particularmente para el uso en productos alimenticios para humanos. Por ejemplo, el documento US-A-3843807 (Standard Oil Company) describe un método para texturizar microorganismos de célula sencilla que contienen proteínas, en el que se extruye una pasta acuosa de levadura que contiene una mezcla de células tanto rotas como completas. Las etapas posteriores de calefacción y de secado dan como resultado un producto que presenta las propiedades deseadas tales como la masticabilidad, la crujibilidad y la resistencia a la dispersión en agua, haciéndolo particularmente adecuado para el uso como aditivo en alimentos para humanos, por ejemplo en mezclas de salchicha y
hamburguesa.
Las proteínas de célula sencilla que presentan propiedades funcionales mejoradas también han sido obtenidas por tratamiento térmico de una mezcla de levadura acuosa (véase el documento US-A-4192897 a nombre de Standard Oil Company). El producto tratado térmicamente potencia el sabor y aumenta la textura suave en la boca en alimentos para humanos tales como aliños para ensalada, mezclas de salsa para tacos, salsa stroganoff y salsa para
pizza.
Con el uso creciente de microorganismos que contienen proteínas como sustituto para la fuente de proteínas tradicionales, existe una necesidad continua de métodos alternativos para mejorar o para variar las propiedades funcionales de dichos materiales para hacerlos más aceptables en diversas aplicaciones para alimentos.
Se ha descubierto ahora que las propiedades funcionales de proteínas de célula sencilla pueden ser variadas y/o mejoradas sometiendo a dichas materias a un proceso de homogeneización, en particular a un proceso mecánico capaz de provocar la rotura o la desintegración celular, por ejemplo un proceso de homogeneización a elevada presión en el que la materia que contiene proteína de célula sencilla es sometida a una caída de presión. El producto homogeneizado resultante presenta propiedades funcionales mejoradas, tales como la formación de gel, la unión a agua, la unión a aceite y las propiedades de emulsión, cuando es usado como una proteína nutricional tanto en alimentos para humanos como en alimentos para animales.
Por tanto, de acuerdo con un aspecto, la presente invención proporciona un proceso para conferir propiedades funcionales mejoradas a una materia de proteína de célula sencilla, comprendiendo dicho proceso la etapa de homogeneizar una mezcla acuosa de la proteína de célula sencilla. El material de proteína homogeneizado producido mediante dicho método constituye un aspecto adicional de la invención.
La homogeneización se puede llevar a cabo mediante cualquier medio convencional. Preferiblemente, la homogeneización es llevada a cabo usando un homogeneizador de alta presión, por ejemplo sometiendo al material de célula sencilla a un cambio de presión, preferiblemente una caída de presión, capaz de provocar la desintegración celular. Típicamente, el material puede ser sometido a una caída de presión en el intervalo de entre 40 MPa y 120 MPa (de 400 a 1200 bares), más preferiblemente de entre 50 MPa y 110 MPa (de 500 a 1100 bares), por ejemplo de entre 60 MPa y 100 MPa (de 600 a 1000 bares). Generalmente, la caída de presión será instantánea.
Más específicamente, la invención proporciona un proceso para conferir propiedades funcionales mejoradas a un material de proteína de célula sencilla, comprendiendo dicho proceso las siguientes etapas:
(a)
preparar una mezcla acuosa de un material de célula sencilla;
(b)
someter la mezcla a una caída de presión capaz de provocar la desintegración celular, por ejemplo una caída de presión en el intervalo de entre 40 MPa y 120 MPa, preferiblemente de entre 50 MPa y 110 MPa, por ejemplo de entre 60 MPa y 100 MPa, mediante la cual se produce un producto homogeneizado; y
(c)
opcionalmente secar el producto homogeneizado.
En otro aspecto adicional, la invención proporciona un material de proteína de célula sencilla o un homogenato que contiene proteína derivado de un material de célula sencilla, preferiblemente una biomasa bacteriana homogénea.
Tal como se usa aquí, los términos "homogeneizado" u "homogenato", etc., pretenden referirse a cualquier producto que ha sido fabricado o se ha vuelto homogéneo, preferiblemente un producto que ha sido sometido a un proceso de homogeneización. El término "homogéneo" pretende abarcar cualquier dispersión, suspensión o emulsión sustancialmente uniforme de componentes celulares. En términos generales, cualquier producto que presente un grado de homogeneidad de al menos el 60% o, más preferiblemente, de al menos el 70 ó el 80%, puede ser considerada sustancialmente homogénea. Una dispersión, suspensión o emulsión sustancialmente homogénea puede presentar, por ejemplo, un grado de homogeneidad por encima del 90%, preferiblemente por encima del 95%.
Típicamente, el proceso de homogeneización de acuerdo con la invención incluirá el tratamiento del material de microbiano de célula sencilla en la forma de una pasta o mezcla acuosa fluida. Generalmente consistirá esencialmente en material celular entero, aunque también puede haber presente una proporción de material celular roto.
Los organismos unicelulares tales como las bacterias consisten en un elevado número de células extremadamente pequeñas que contienen cada una proteína encapsulada dentro de la estructura de la pared celular. Las paredes celulares son relativamente rígidas y sirven para proporcionar soporte mecánico. Durante el proceso de homogeneización de la invención, las paredes de las células microbianas son rotas por lo que se libera una porción de proteína procedente del interior de la estructura celular. Esto se puede lograr, por ejemplo, mediante una secuencia de presurización y despresurización del material de célula sencilla. La homogeneización puede ser llevada a cabo mediante la presurización del material hasta una presión de 150 MPa (1500 bares), preferiblemente hasta 140 MPa (1400 bares), por ejemplo hasta 120 MPa (1200 bares). Sin embargo, se cree que es realmente la caída de presión la que determina la eficacia del proceso, y las caídas presión típicas caen dentro del intervalo de 40 MPa a 120 MPa, más preferiblemente de 50 MPa a 110 MPa, por ejemplo de 60 MPa a 100 MPa.
Típicamente el proceso será llevado a cabo en un homogeneizador industrial, disponible por ejemplo en APV Rannie, Dinamarca, en condiciones de temperatura controlada, preferiblemente a una temperatura de menos de 50ºC, particularmente de forma preferible entre 25 y 50ºC, por ejemplo entre 25 y 35ºC.
Otros métodos usados en la técnica pueden ser usados para llevar a cabo la homogeneización de acuerdo con la invención. Por ejemplo, la homogeneización puede ser llevada a cabo sometiendo al material de célula sencilla a fuerzas de cizalla capaces de romper las paredes celulares. Esto se puede lograr usando un mezclador en el que se hace pasar el material a través de una zona en la que se ejercen fuerzas de cizalla sobre él mediante el uso de superficies que se mueven unas respecto a otras. Generalmente, se crearán fuerzas de cizalla entre una superficie en movimiento, por ejemplo una superficie rotatoria, y una superficie estática, es decir, como en un rotor-estátor tal como el descrito en el documente WO99/08782.
Se pueden usar otras técnicas conocidas para el uso en métodos de desintegración celular mecánica, por ejemplo el molino de bolas a alta velocidad, para llevar a cabo la homogeneización. También se pueden usar métodos de ultrasonidos.
Cualquier material de proteína de célula sencilla puede ser tratado de acuerdo con el proceso de la invención. Sin embargo, los microorganismos preferidos incluyen bacterias y levaduras. Se puede usar cualquier bacteria o levadura aprobada para su uso en productos alimenticios, y las especies adecuadas pueden ser seleccionadas fácilmente por aquellos con conocimientos en la técnica. Particularmente de forma preferible, el material de proteína de célula sencilla para su uso en la invención será un cultivo microbiano que consiste en bacterias metanotróficas opcionalmente en combinación con una o más especies de bacterias heterotróficas, especialmente de forma de preferible una combinación de bacterias metanotróficas y heterotróficas. Tal como se usa aquí, el término "metanotrófica" abarca cualquier bacteria que utiliza metano o metanol para su crecimiento. El término "heterotrófica" se usa para bacterias que utilizan para su crecimiento sustratos orgánicos distintos del metano o del
metanol.
De forma conveniente, el material de célula sencilla puede ser producido mediante un proceso de fermentación en el que se alimenta oxígeno y un sustrato adecuado tal como un hidrocarburo, un alcohol o carbohidrato líquido o gaseoso, por ejemplo metano, metanol o gas natural, junto con una disolución mineral nutriente, a un reactor tubular que contiene microorganismos. En la técnica se conocen bien y se han descrito una serie de procesos como
éste.
Para su uso en la invención son particularmente preferidos los materiales de célula sencilla derivados de la fermentación de fracciones de hidrocarburos o de gas natural. Son especialmente preferidas las proteínas de célula sencilla derivadas de la fermentación de gas natural. Según aumenta la concentración de microorganismos dentro del fermentados, una porción del contenido o del caldo del reactor es retirada y los microorganismos pueden ser separados mediante técnicas bien conocidas en la técnica, por ejemplo mediante centrifugación y/o ultrafiltración. De forma conveniente, en dicho proceso de fermentación, el caldo será retirado de forma continua del fermentador y tendrá una concentración de células de entre el 1 y el 5% en peso, por ejemplo de aproximadamente el 3% en
peso.
Los materiales de célula sencilla producidos a partir de dos o más microorganismos pueden ser tratados de acuerdo con la invención. Aunque estos pueden ser producidos en el mismo o en distintos fermentadores, generalmente serán producidos en el mismo fermentador bajo condiciones de fermentación idénticas. Los materiales producidos a partir de procesos de fermentación separados pueden ser mezclados antes de la homogeneización de acuerdo con el proceso de la invención.
Las bacterias preferidas para su uso en la invención incluyen la Methylococcus capsulatus (Bath), una bacteria termófila originalmente aislada de manantiales de agua caliente en Bath, Inglaterra, y depositada como NCIMB 11132 en The National Collections of Industrial and Marine Bacteria, Aberdeen, Escocia. La M. capsulatus (Bath) presenta un crecimiento óptimo a aproximadamente 45ºC, aunque el crecimiento se puede producir entre 37 y 52ºC. Es una célula gram-negativa esférica, que se presenta normalmente por pares. Las membranas intracelulares están dispuestas como agrupaciones de discos vesiculares características de metanotrofos de Tipo I. La M. capsulatus (Bath) es genéticamente un organismo muy estable sin plásmidos conocidos. Puede utilizar metano o metanol para el crecimiento, y amoníaco, nitrato o nitrógeno molecular como fuente de nitrógeno para la síntesis de proteínas.
Otras bacterias adecuadas para el uso en la invención incluyen las bacterias heterotróficas Alcaligenes acidovorans DB3 (cepa NCIMB 12387), Bacillus firmus DB5 (cepa NCIMB 13280) y Bacillus brevis DB4 (cepa NCIMB 13288) que tiene cada una un crecimiento óptimo a la temperatura aproximada de 45ºC.
La A. acidovorans DB3 es una bacteria gram negativa, aeróbica, de vara, que pertenece a la familia Pseudomonadaceae que puede usar etanol, acetato, propionato y butirato para el crecimiento. La B. brevis DB4 es una bacteria gram negativa, formadora de endosporas, aeróbica, de vara, que pertenece al género Bacillus que puede utilizar acetato, D-fructosa, D-manosa, ribosa y D-tagatosa. La B. firmus DB5 es una bacteria gram negativa, formadora de endosporas, aeróbica, de vara, del género Bacillus que puede utilizar acetato, N-acetil-glucosamina, citrato, gluconato, D-glucosa, glicerol y manitol.
Las levaduras adecuadas para el uso en el proceso de la invención pueden ser seleccionadas del grupo que consiste en Saccharomyces y Candida.
Un ejemplo de un proceso de fermentación que usa gas natural como única fuente de carbono y de energía es el descrito en el documento EP-A-306466 (Dansk Bioprotein). Este proceso se basa en la fermentación continua de la bacteria metanotrófica M. capsulatus cultivada en metano. Se usa aire puro u oxígeno para la oxigenación, y se usa amoníaco como fuente de nitrógeno. Además de estos sustratos, el cultivo bacteriano normalmente requerirá agua, fosfato (por ejemplo, en forma de ácido fosfórico) y diversos minerales que pueden incluir magnesio, calcio, potasio, hierro, cobre, cinc, manganeso, níquel, cobalto y molibdeno, usados típicamente en la forma de sulfatos, cloruros o nitratos. Todos los minerales usados en la producción del material de célula sencilla deberían presentar calidades de grado alimenticio.
El gas natural consiste principalmente en metano, aunque su composición variará entre diferentes campos gasísticos. Típicamente, se puede esperar que el gas natural contenga aproximadamente un 90% en metano, aproximadamente un 5% de etano, aproximadamente un 2% de propano y algunos hidrocarburos superiores. Durante la fermentación del gas natural, el metano es oxidado mediante bacterias metanotróficas para dar lugar a biomasa y a dióxido de carbono. El metanol, el formaldehído y el ácido fórmico son intermedios metabólicos. El formaldehído y en determinado grado el dióxido de carbono son asimilados por la biomasa. Sin embargo, las bacterias metanotróficas son incapaces de usar sustratos que comprendan enlaces carbono-carbono para el crecimiento, y los demás componentes del gas natural, esto es, el etano, el propano y las pequeñas cantidades de hidrocarburos superiores, son oxidados por las bacterias metanotróficas para producir los correspondientes ácidos carboxílicos (por ejemplo, el etano es oxidado a ácido acético). Dichos productos pueden ser inhibidores de las bacterias metanotróficas y, por lo tanto, es importante que sus concentraciones permanezcan bajas, preferiblemente por debajo de 50 mg/l, durante la producción de la biomasa. Una solución para este problema es el uso combinado de una o más bacterias heterotróficas que sean capaces de utilizar los metabolitos producidos por las bacterias metanotróficas. Dichas bacterias también son capaces de utilizar materia orgánica liberada al caldo de fermentación durante la lisis celular. Esto es importante con el fin de evitar la formación de espuma, y también sirve para minimizar el riesgo de que el cultivo sea contaminado con bacterias no deseadas. Una combinación de bacterias metanotróficas y heterotróficas da como resultado un cultivo estable y de alto
rendimiento.
Durante la producción del material de célula sencilla, el pH de la mezcla de fermentación estará regulado generalmente entre aproximadamente 6 y 7, por ejemplo en 6,5 \pm 0,3. Los ácidos/bases adecuados para la regulación del pH pueden ser seleccionados fácilmente por aquellos con conocimientos en la técnica. Particularmente adecuado para el uso a este respecto son el hidróxido sódico y el ácido sulfúrico. Durante la fermentación, preferiblemente la temperatura dentro del fermentador debería ser mantenida en el intervalo entre 40ºC y 50ºC, más preferiblemente en 45ºC \pm 2ºC.
Especialmente preferido para el uso en la invención es un cultivo microbiano que comprende una combinación de la bacteria metanotrófica Methylococus capsulatus (Bath) (cepa NCIMB 11132), y la bacteria heterotrófica Alcaligenes acidovorans DB3 (cepa NCIMB 12387) y la Bacillus firmus DB 5 (cepa NCIMB 13280), opcionalmente en combinación con Bacillus brevis DB4 (cepa NCIMB 13288). El papel de la A. acidovorans DB3 es utilizar el acetato y el propionato producidos por la M. capsulatus (Bath) a partir del etano y del propano del gas natural. La A. acidovorans DB3 puede constituir hasta el 10%, por ejemplo aproximadamente del 6 al 8%, de la cantidad total de células de la biomasa resultante. El papel del B. brevis DB4 y del B. firmus DB5 es el de utilizar los productos de lisis y los metabolitos del medio. Típicamente, el B. brevis DB4 y el B. firmus DB5 constituirán cada uno menos del 1% del total de células durante la fermentación continua.
Los fermentadores adecuados para su uso en la preparación del material de célula sencilla son los de tipo lazo, tales como los descritos en los documentos DK 1404/92, EP-A-418187 y EP-A-306466 de Dansk Bioprotein, o los reactores neumáticos. Un fermentador de tipo lazo que presenta mezcladores estáticos da como resultado una elevada utilización de los gases (por ejemplo, de hasta el 95%) debido a las características de flujo pistón del fermentador. Los gases son introducidos en diferentes posiciones a lo largo del lazo y permanecen en contacto con el líquido hasta que son separados en la zona de cabeza al final del lazo. La fermentación continua puede ser alcanzada usando un 2-3% de biomasa (en base a peso seco) y una velocidad de dilución de 0,02 a 0,50 h^{-1}, por ejemplo de 0,05-
0,25 h^{-1}.
Se pueden usar otros fermentadores para preparar el material de célula sencilla, que incluyen los fermentadores tubulares y los de tanque agitado.
Idealmente, la biomasa producida a partir de la fermentación de gas natural comprenderá entre un 60 y un 80% en peso de proteína cruda; entre un 5 y un 20% en peso de grasa cruda; entre un 3 y un 10% en peso de ceniza; entre un 3 y un 15% en peso de ácidos nucleicos (ARN y ADN); entre 10 y 30 g/kg de fósforo; hasta 350 mg/kg de hierro; y hasta 120 mg/kg de cobre. De forma particularmente preferible, la biomasa comprenderá entre 68 y 73%, por ejemplo aproximadamente 70% en peso, de proteína cruda; entre 9 y 11%, por ejemplo aproximadamente 10% en peso, de grasa cruda; entre 5 y 10%, por ejemplo 7% en peso, de ceniza; entre 8 y 12%, por ejemplo aproximadamente 10% en peso, de ácidos nucleicos (ARN y ADN); entre 10 y 25 g/kg de fósforo; hasta 310 mg/kg de hierro; y hasta 110 mg/kg de cobre. El perfil de aminoácidos del contenido de proteína debería ser nutricionalmente favorable, con una elevada proporción de los aminoácidos más importantes, cisteína, metionina, treonina, lisina, triptófano y arginina. Normalmente éstos pueden estar presentes en cantidades de aproximadamente 0,7%, 3,1%, 5,2%, 7,2%, 2,5% y 6,9%, respectivamente (expresado como tanto por ciento de la cantidad total de aminoácidos). Generalmente, los ácidos grasos comprenderán principalmente el ácido palmítico saturado (aproximadamente 50%) y el ácido palmitoleico monoinsaturado (aproximadamente 36%). El contenido mineral del producto comprenderá típicamente grandes cantidades de fósforo (aproximadamente 1,5% en peso), potasio (aproximadamente 0,8% en peso) y magnesio (aproximadamente 0,2% en peso).
Generalmente, los materiales de proteína de célula sencilla obtenidos a partir de un proceso de fermentación continua serán sometidos a centrifugación y a filtración, por ejemplo a ultrafiltración, procesos destinados a eliminar la mayor parte del agua presente y a formar una pasta o mezcla acuosa antes de la homogeneización. Durante la centrifugación el contenido en materia seca de la biomasa normalmente aumenta desde aproximadamente el 2 hasta aproximadamente el 15% en peso, por ejemplo hasta aproximadamente el 12% en peso.
La ultrafiltración, que puede ser llevada a cabo a una temperatura de entre 40 y 50ºC, por ejemplo entre 42 y 46ºC, concentra aún más la biomasa para formar un producto que contiene entre el 10 y el 30%, preferiblemente entre el 15 y el 25%, por ejemplo entre el 15 y el 22% en peso de material de célula sencilla. La exclusión por tamaños usada durante la ultrafiltración generalmente será en el intervalo de aproximadamente 100.000 Daltons.
Después de la ultrafiltración, la biomasa puede ser enfriada, preferiblemente hasta una temperatura de entre 10 y 30ºC, por ejemplo a aproximadamente 15ºC, por ejemplo haciendo pasar la mezcla de proteína concentrada procedente de la unidad de ultrafiltración a través de un cambiador de calor que puede estar colocado en un tanque a temperatura constante, por ejemplo durante un periodo de entre 1 y 24 horas, preferiblemente entre 5 y 15 horas, por ejemplo de 5 a 12 horas, a una temperatura de entre 10 y 20ºC, más preferiblemente entre 5 y 15ºC, a un pH en el intervalo de entre 5,5 y 6,5.
La homogeneización puede ser llevada a cabo en un homogeneizador convencional de alta presión en el que las células pueden ser desintegradas en primer lugar presurizando, por ejemplo hasta una presión de 150 MPa (1500 bares), y a continuación despresurizando el interior del homogeneizador. Preferiblemente, la caída de presión total aplicada a la biomasa estará en el intervalo de 40 MPa a 120 MPa (de 400 a 1200 bares), por ejemplo aproximadamente 80 MPa (800 bares). La caída de presión puede realizarse de forma escalonada, es decir puede comprender una o más etapas, aunque generalmente comprenderá una o dos etapas, preferiblemente una única etapa. En los casos en los que la homogeneización se lleva a cabo como un proceso de dos etapas es preferible que la caída de presión de la segunda etapa represente menos de 1/5, preferiblemente menos de 1/10, por ejemplo aproximadamente 1/20 de la caída total de presión en el homogeneizador. La temperatura del material durante la homogeneización preferiblemente no debería exceder los 50ºC.
El proceso de homogeneización descrito aquí da como resultado la producción de un producto que comprende, preferiblemente que consiste esencialmente en, material celular desintegrado. Por ejemplo, el material celular desintegrado estará presente en una cantidad de al menos el 80%, preferiblemente de al menos el 90% en peso. Normalmente, el producto será una mezcla de proteínas relativamente viscosa que contiene componentes celulares particulados y solubles. Aunque puede ser usada directamente como aditivo en productos alimenticios, normalmente será procesada aún más para eliminar el exceso de agua del agua. La elección de cualquier etapa o etapas de secado adicionales dependerá del contenido de agua del producto después de la homogeneización y del contenido de humedad deseado en el producto final.
Normalmente, el producto será procesado aún más de acuerdo con técnicas de secado por pulverización bien conocidas en la técnica. Se puede usar cualquier secador por pulverización con o sin unidades de lecho fluido, por ejemplo el secador por pulverización Tipo 3-SPD disponible en APV Anhydro, Dinamarca. Preferiblemente, la temperatura de entrada del aire al secador por pulverización puede ser de aproximadamente 300ºC y la temperatura de salida puede ser de aproximadamente 90ºC. Preferiblemente, el producto resultante tendrá un contenido en agua de entre aproximadamente el 2 y el 10% en peso, por ejemplo entre el 6 y el 8% en peso. El producto resultante normalmente tendrá un tamaño de partícula de entre 0,1 y 0,5 mm.
De forma particularmente preferible, la etapa de homogeneización vendrá seguida inmediatamente de un secado por pulverización. De forma alternativa, puede ser necesario, o incluso deseable, almacenar o mantener el producto homogeneizado, por ejemplo en un tanque de almacenamiento, antes de continuar con el procesado. En ese caso, se ha descubierto que las condiciones bajo las cuales el producto es almacenado pueden reducir las propiedades de gelificación del producto final después del secado por pulverización. Las propiedades de gelificación del material homogeneizado pueden mantenerse almacenándolo a una temperatura inferior a los 20ºC y a un pH < 7, preferiblemente < 6,5, de forma particularmente preferible a un pH en el intervalo entre 5,5 y 6,5, por ejemplo entre 5,8 y 6,5. En estas condiciones, el producto puede ser almacenado por hasta 24 horas sin ninguna pérdida sustancial de las propiedades de gelificación.
En otro aspecto adicional, la invención proporciona por tanto un método para mantener las propiedades funcionales de un material de proteína de célula sencilla homogeneizado, comprendiendo dicho método la etapa de almacenar dicho material a una temperatura inferior a los 20ºC y a un pH inferior a aproximadamente 6,5.
Los productos producidos mediante el proceso de la invención presentan propiedades altamente deseables, que los hacen particularmente adecuados para el uso en productos alimenticios tanto para humanos como para animales, tanto por sí solos como combinados con otras fuentes de proteínas. En particular, al contrario que el material de proteína de célula sencilla original, el producto homogeneizado presenta propiedades funcionales mejoradas tales como la formación de gel, la unión a agua, la unión a aceite y las propiedades de emulsión. Por ejemplo, el producto de la invención presenta una formación de gel mejorada cuando se mezcla con productos de calidad alimenticia convencionales, en particular con polisacáridos tales como alginatos y/o carragenatos. Además, se observa una capacidad de unión a aceite mejorada al mezclar el producto con aceites tales como el aceite de soja o el aceite de pescado. Típicamente, una disolución al 15% (p/p) de un producto homogeneizado producido de acuerdo con la invención puede presentar una fuerza de gel (módulo elástico) en el intervalo de entre 1000 y 2000 Pa, por ejemplo de aproximadamente 1500 Pa.
En otro aspecto más, la invención proporciona el uso de un material de proteína de célula sencilla homogeneizado como el descrito aquí como agente de gelificación, como emulgente o como ligante de aceite o de agua en la preparación de un producto alimenticio para humanos o para animales.
El producto de la invención es especialmente útil como proteína funcional en productos alimenticios, particularmente cuando es usado como sustituto del plasma natural en piensos para animales y en comida para mascotas. Cuando se usa en comida para mascotas, se pueden añadir ingredientes adicionales al producto tales como grasas, azúcares, sales, aromatizantes, minerales, etc. El producto puede ser conformado a continuación en trozos que simulen la apariencia y la textura de los trozos de carne natural. El producto de la invención además presenta las ventajas de que es fácilmente formulado para que contenga los nutrientes necesarios, es fácilmente digerible por animales y es sabroso para los animales.
El producto de la invención puede encontrar un uso adicional como texturizante de productos cárnicos (por ejemplo, en bolas de carne), como sustituto de proteínas de plasma usadas convencionalmente como extensores en la carne fresca para aumentar el peso y el volumen, como emulgente (por ejemplo, en aliños, etc.), y en productos de bollería para potenciar las propiedades de la masa.
Cuando se usa en productos alimenticios, el material homogeneizado será usado típicamente en una cantidad de entre 1 y 10% en peso, preferiblemente hasta 5% en peso. La proporción exacta dependerá de la función deseada del material y puede ser determinada fácilmente por aquellos con conocimientos en la técnica. Típicamente, cuando se usa como agente de gelificación puede estar presente en una cantidad de hasta el 20% en peso, por ejemplo del 5 al 10% en peso (en base al contenido de materia seca del producto).
En un aspecto adicional, la invención proporciona un producto o aditivo de grado alimenticio, por ejemplo un pienso para animales o para mascotas, que comprende un material de célula sencilla homogeneizado como el descrito aquí.
En otro aspecto adicional, la invención proporciona un alimento para mascotas que comprende trozos de un material de célula sencilla homogeneizado como el descrito aquí.
Ahora se describirá una realización preferida de la invención en referencia a la Figura 1 adjunta que ilustra de forma esquemática un aparato para su uso en la preparación de un material de célula sencilla homogeneizado de acuerdo con la invención.
En referencia a la Figura 1, la Methylococcus capsulatus (Bath) NCIMB 11132 es producida en el fermentador 1 mediante una fermentación continua de gas natural en un medio de sales minerales y de amonio (AMS) a 45ºC, pH 6,5, y a una velocidad de dilución de 0,15 h^{-1}. El medio AMS contiene las siguientes cantidades por litro: 10 mg de NH_{3}, 75 mg de H_{3}PO_{4}\cdot2H_{2}O, 380 mg de MgSO_{4}\cdot7H_{2}O, 100 mg de CaCl_{2}\cdot2H_{2}O, 200 mg de K_{2}SO_{4}, 75 mg de FeSO_{4}\cdot7H_{2}O, 1,0 mg de CuSO_{4}\cdot5H_{2}O, 0,96 mg de ZnSO_{4}\cdot7H_{2}O, 120 \mug de CoCl_{2}\cdot6H_{2}O, 48 \mug de MnCl_{2}\cdot4H_{2}O, 36 \mug de H_{3}BO_{3}, 24 \mug de NiCl_{2}\cdot6H_{2}O y 1,20 \mug de NaMoO_{4}\cdot2H_{2}O. El factor limitante es el oxígeno.
El fermentador se rellena con agua que ha sido esterilizada térmicamente a 125ºC durante 10 segundos. La adición de los distintos componentes es regulada de acuerdo a su consumo. La fermentación continua se lleva a cabo con un 2-3% de biomasa (en una base de peso seco).
El material de célula sencilla resultante es extraído continuamente. A continuación es sometido a centrifugación en una centrífuga 2 en la que el contenido en materia seca aumenta desde aproximadamente 2 hasta 15% en peso. La biomasa acuosa resultante es transferida a un tanque de almacenamiento (no mostrado) donde es mantenida, por ejemplo, a una temperatura de entre 5 y 15ºC.
La biomasa bacteriana es concentrada aún más hasta un producto que contiene entre 15 y 22% en peso de biomasa, usando una unidad de ultrafiltración 3 que tiene un tamaño de exclusión de 100.000 Daltons. La temperatura durante la ultrafiltración normalmente es mantenida entre 40 y 50ºC. Después de la ultrafiltración la biomasa es enfriada, por ejemplo, hasta una temperatura de entre 10 y 30ºC, haciendo pasar la mezcla de proteína concentrada procedente de la unidad de ultrafiltración a través de un cambiador de calor (no mostrado). Después de eso, la mezcla de proteínas puede ser mantenida en un tanque de almacenamiento (no mostrado) a una temperatura constante. El producto resultante es un cultivo estable libre de contaminación por bacterias no deseadas.
Con el fin de minimizar el uso de agua y de minimizar la cantidad de agua residual, el agua procedente de la centrífuga 2 y/o de la unidad de ultrafiltración 3 es recirculada al fermentador después de un pequeño tratamiento térmico.
La homogeneización de la biomasa bacteriana es llevada a cabo en un homogeneizador industrial de alta presión 4. La mezcla de proteínas procedente del tanque de almacenamiento es bombeada continuamente a través del homogeneizador en el que las células son desintegradas mediante la presurización y el inmediato descenso de la presión dentro del homogeneizador. La caída de presión total dentro del homogeneizador variará típicamente entre 60 MPa y 100 MPa (de 600 a 1000 bares). Durante la homogeneización se mantiene la temperatura preferiblemente por debajo de 50ºC.
Después de la homogeneización, la mezcla de proteínas relativamente viscosa que contiene los componentes celulares particulados y solubles es secada por pulverización en el secador por pulverización 5. El secado por pulverización con una temperatura de entrada del aire de aproximadamente 300ºC y con una temperatura de salida de aproximadamente 90ºC da como resultado un producto final que presenta un contenido en agua de entre 6 y 8% en peso.
La proteína homogeneizada resultante forma distintos geles después de ser calentada hasta temperaturas por encima de 60ºC y se ser enfriada a continuación hasta temperatura ambiente con concentraciones de proteínas que oscilan entre 7,5 y 15% en peso. Las condiciones adecuadas para la formación de gel incluyen un intervalo de pH entre 5,7 y 7,0 en el que el pH es controlado usando una disolución tampón tal como un tampón de fosfato o de citrato en concentraciones que oscilan entre 50 y 200 mmol.
La formación mejorada de gel se observa cuando el producto homogeneizado es mezclado con polisacáridos tales como el almidón, el alginato y el carrageno iota y kappa. La adición de entre un 0,5 y un 1,0% en peso de carragenano al producto (de 7,5 a 15%) en una disolución acuosa de cloruro potásico a entre el 0,1 y el 2,0%, a un pH que oscila entre 5 y 7,5, potencia enormemente la resistencia del gel, lo que indica una interacción sinérgica entre el producto y los polisacáridos. También se han observados efectos sinérgicos similares en la reología y en la formación del gen cuando se mezcla el producto con diversas fuentes de almidón (en cantidades de entre 3 y 10% de concentración final de almidón) tales como almidón purificado y almidón modificado químicamente que contienen diversas cantidades de amilosa y de amilopectina.
Las propiedades de emulsión del producto homogeneizado se demuestran mezclando la proteína (entre el 2 y el 4%) en una disolución de cloruro sódico a un pH de entre 5 y 7 con aceite de soja (concentración final del 20 al 40%). Esta disolución es mezclada en mezclador thurrax durante 20 segundos antes de la preparación de la emulsión en un microfluidizador a una presión de 70 MPa (700 bares) siendo recirculada la emulsión a través del microfluidizador cuatro veces. Las emulsiones producidas a partir del producto homogeneizado pueden ser estabilizadas aún más mediante la adición de xantano (por ejemplo, en una cantidad de entre 0,1 y 0,5% en peso) antes de mezclar las materias de partida.
La capacidad de unirse a aceite del material homogeneizado se demuestra mezclando el producto con aceites tales como el aceite de soja o el aceite de pescado en una mezcla, por ejemplo mezclando 0,5 g del producto homogeneizado en 3 ml de aceite de soja seguido de la incubación durante 30 minutos a temperatura ambiente. Debido a la adsorción de aceite, se puede esperar que el peso del producto aumente entre un 50 y un 80%.
Los siguientes ejemplos, no limitantes, sirven para ilustrar en mayor profundidad la invención.
Ejemplo 1 Preparación de biomasa homogeneizada
Se produce un cultivo microbiano que comprende Methylococcus capsulatus (Bath) (cepa NCIMB 11132), Alcaligenes acidovorans DB3 (cepa NCIMB 12387) y Bacillus firmus DB 5 (cepa NCIMB 13280), en un fermentador de tipo lazo mediante la fermentación aeróbica continua de gas natural en un medio de sales de amonio y minerales (AMS) a 45ºC, pH 6,5, y con una velocidad de dilución de 0,15 h^{-1}. El medio AMS contiene las siguientes cantidades por litro: 10 mg de NH_{3}, 75 mg de H_{3}PO_{4}\cdot2H_{2}O, 380 mg de MgSO_{4}\cdot7H_{2}O, 100 mg de CaCl_{2}\cdot2H_{2}O, 200 mg de K_{2}SO_{4}, 75 mg de FeSO_{4}\cdot7H_{2}O, 1,0 mg de CuSO_{4}\cdot5H_{2}O, 0,96 mg de ZnSO_{4}\cdot7H_{2}O, 120 \mug de CoCl_{2}\cdot6H_{2}O, 48 \mug de MnCl_{2}\cdot4H_{2}O, 36 \mug de H_{3}BO_{3}, 24 \mug de NiCl_{2}\cdot6H_{2}O y 1,20 \mug de NaMoO_{4}\cdot2H_{2}O.
El fermentador se llena con agua que ha sido esterilizada térmicamente a 125ºC durante 10 segundos. La adición de los distintos nutrientes es regulada de acuerdo a su consumo. La fermentación continua se lleva a cabo con un 2-3% de biomasa (en base al peso seco).
Se recoge de forma continua un material de célula sencilla que presenta las siguientes características:
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(Tabla pasa a página siguiente)
1
La biomasa es sometida a centrifugación en una centrífuga industrial continua a 3.000 rpm, seguido de ultrafiltración usando membranas que tienen un tamaño de exclusión de 100.000 Daltons. El producto resultante es sometido a continuación a homogeneización en un homogeneizador industrial (caída de presión: 1000 bares (100 MPa); temperatura de entrada: 15ºC) para producir una biomasa homogeneizada de acuerdo con la invención.
Ejemplo 2 Propiedades de biomasa homogeneizada 2.1 Coagulación/Gelificación
La coagulación puede medirse como un incremento en el módulo elástico (G') ya que la proteína se desnaturaliza por acción del calor. Esto puede ser llevado a cabo en un reómetro Paar Physica UDS200 usando un disolución al 15% (p/p) de la biomasa homogeneizada en Na-fosfato 0,2 M, pH 7,2. El instrumento mide G' a una tensión constante (1 x 10^{-3} Pa) y a una frecuencia constante (1 Hz) mientras que la temperatura es variada como se indica a continuación:
De 20 a 90ºC 10 minutos
90ºC 5 minutos
de 90 a 20ºC 5 minutos
20ºC 2 minutos
Los resultados correspondientes al producto producido en el Ejemplo 1 se muestran en la Figura adjunta número 2. La coagulación de la biomasa homogeneizada comienza a una temperatura entre 60 y 70ºC. Se observa un incremento en el módulo elástico de entre 10 y 20 veces su valor al aumentar la temperatura hasta 90ºC. Cuando la temperatura se mantiene a 90ºC sólo se observa un pequeño incremento en el módulo elástico. El enfriamiento hasta 20ºC da como resultado un nuevo incremento del módulo elástico en otras 10 veces su valor.
2.2 Emulsificación 2.2.1 Sin estabilización
La biomasa homogeneizada preparada en el Ejemplo 1 fue suspendida en NaCl al 1,5% y fue mezclada vigorosamente para romper las partículas. El pH fue ajustado a voluntad (por ejemplo a 6,5) y la disolución fue agitada durante 1 hora. La disolución fue combinada con aceite de soja y se fabricó una emulsión usando un mezclador Ytron-MS tipo MSU.G.C.AA a máxima velocidad durante 3 minutos. La emulsión fue transferida a un tubo de ensayo y se registró la separación de aceite o de agua. Para las emulsiones que fueron calentadas, los tubos de ensayo fueron sumergidos en un baño de agua hirviendo durante 30 minutos.
La biomasa homogeneizada del Ejemplo 1 da como resultado emulsiones estables que no producen la separación de una fase de aceite. Sin embargo, se puede formar nata en algunos sistemas de baja viscosidad.
2.2.2 Con estabilización
Se usó xantano como agente estabilizador. El xantano fue disuelto en NaCl al 1,5% mediante agitación a temperatura ambiente a lo largo de la noche. A continuación, las emulsiones de biomasa homogeneizada fueron preparadas con xantano tanto al 0,5% como al 0,25% como se ha descrito en el punto 2.2.1.
El aumento de la viscosidad usando goma de xantano da como resultado emulsiones sin nata y que pueden permanecer estables durante varias semanas. El aumento de temperatura no provoca la ruptura de la emulsión. Sin embargo, se produce la coagulación de la biomasa homogeneizada y se puede observar la separación de agua entre las partículas coaguladas. La estructura de coagulación puede ser desintegrada en la mayoría de las emulsiones mediante una agitación moderada, manteniendo con ello una emulsión estable.
Las emulsiones de biomasa homogeneizada estables pueden ser producidas a diferentes pHs. Un pH ácido combinado con calor da lugar a la formación de nata, debido probablemente a la hidrólisis del xantano, y por tanto, a una viscosidad disminuida.
La biomasa homogeneizada de acuerdo con la invención puede producir emulsiones aceite-en-agua que contienen hasta un 80% de aceite. El aumento de la concentración de aceite hasta el 85% invierte la emulsión dando lugar a emulsiones de agua-en-aceite.
2.3 Absorción de Grasa/Aceite
La absorción de grasa fue medida suspendiendo 0,5 g de la biomasa homogeneizada del Ejemplo 1 en 3 ml de aceite de soja seguido de la incubación durante > 30 minutos a temperatura ambiente. Las suspensiones fueron filtradas con un filtro de < 10 \mum y se midió la cantidad de aceite absorbida (en gramos) por el material insoluble en aceite.
La absorción de Grasa/Aceite medida para la biomasa homogeneizada del Ejemplo 1 y para diversas proteínas disponibles comercialmente* se muestra en la Figura adjunta número 3. Como puede observarse, el producto de acuerdo con la invención se une a grasa de forma más eficiente que las demás proteínas comerciales ensayadas.
(* "Plasma" = plasma animal secado por pulverización AP 820 de APC Europe; {}\hskip0.5cm "Fish Meal" = Comida de pescado LT 3012 de Nordsildmel A/S; y {}\hskip0.5cm "Soya Kons Danpro A" y "Soya Kons Danpro A-02" = concentrados de soja de Central Soya Aarhus A/S).
2.4 Absorción de agua
Se fabricó una suspensión al 2,5% del producto homogeneizado del Ejemplo 1 y fue mezclada vigorosamente para desintegrar las partículas. Se ajustó el pH a 4, 6 y 8 usando NaOH 1M ó HCl 1M y la suspensión fue agitada durante otros 60 minutos a temperatura ambiente. Las suspensiones resultantes fueron centrifugadas a continuación en un rotor SS-34 a 10.000 x g durante 30 minutos.
El sobrenadante fue vertido y el exceso de agua fue eliminado dándole la vuelta al tubo durante 10 minutos. Se midió el peso de la partícula húmeda y a continuación fue secada a lo largo de la noche a 105ºC. A continuación se midió el peso de la partícula seca.
Se midió la absorción de agua tanto como la cantidad de agua (en gramos) absorbida por la partícula insoluble en agua (unión de agua) o como el agua absorbida (en gramos) a la proteína total (embebimiento de agua). Los resultados se muestran en la Tabla 1 mostrada a continuación:
TABLA 1 Absorción de agua
2
En la Tabla 1 se puede observar que la parte insoluble de la biomasa homogeneizada de acuerdo con la invención absorbe aproximadamente de 4 a 6 veces su peso en agua y la parte de proteína aproximadamente de 2 a 2,5 veces su peso en agua.
2.5 Solubilidad
La solubilidad de la proteína puede ser determinada con experimentos similares a los de la absorción de agua, pero midiendo la proteína soluble en el sobrenadante. Los resultados para la biomasa homogeneizada del Ejemplo 1 así como los de varias proteínas disponibles comercialmente* se muestran en la Figura adjunta número 4.
(* "Plasma" = plasma animal secado por pulverización AP 820 de APC Europe; {}\hskip0.5cm "Fish Meal" = Comida de pescado LT 3012 de Nordsildmel A/S).
Los resultados muestran que la solubilidad del producto de acuerdo con la invención depende del pH: un pH ácido da como resultado una baja solubilidad; y un pH alcalino da como resultado una elevada solubilidad. En disoluciones débilmente ácidas, el producto de la invención se comporta como una partícula coloidal y son estas propiedades coloidales las que predominan.

Claims (17)

1. Un proceso para homogeneizar un material de proteína de célula sencilla, comprendiendo dicho proceso la etapa de homogeneizar una mezcla acuosa de la proteína de célula sencilla sometiéndola a una caída de presión total en el intervalo que va de 40 MPa a 120 MPa (de 400 a 1200 bares), en el que dicho material de proteína de célula sencilla es un cultivo microbiano que comprende bacterias metanotróficas opcionalmente en combinación con una o más especies de bacterias heterotróficas.
2. Un proceso como el reivindicado en la reivindicación 1, que además comprende la etapa de secar el producto homogeneizado resultante.
3. Un proceso como el reivindicado en la reivindicación 1 para conferir propiedades funcionales mejoradas a un material de proteína de célula sencilla, comprendiendo dicho proceso las siguientes etapas:
a)
preparar una mezcla acuosa de un material de célula sencilla que es un cultivo microbiano que comprende bacterias metanotróficas opcionalmente en combinación con una o más especies de bacterias heterotróficas;
b)
someter la mezcla a una caída de presión total de entre 40 MPa y 120 MPa (de 400 a 1200 bares), mediante la cual se obtiene un producto homogeneizado; y
c)
opcionalmente, secar el producto homogeneizado.
4. Un proceso como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la homogeneización se lleva a cabo a una temperatura inferior a 50ºC, preferiblemente entre 25 y 50ºC, por ejemplo de 25 a 35ºC.
5. Un proceso como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicha caída de presión es escalonada.
6. Un proceso como el reivindicado en la reivindicación 5, en el que dicha caída de presión se lleva a cabo como un proceso de dos etapas que comprende una primera y una segunda etapa en las que la caída de presión en la segunda etapa representa menos de un quinto del total de la caída de presión.
7. Un proceso como el reivindicado en cualquier reivindicación precedente, en el que el producto homogeneizado resultante es secado mediante un secador por pulverización.
8. Un proceso como el reivindicado en cualquier reivindicación precedente, en el que antes del secado por pulverización el producto homogeneizado es mantenido en un tanque de almacenamiento a una temperatura inferior a 20ºC y a un pH inferior a aproximadamente 6,5.
9. Un proceso como el reivindicado en cualquier reivindicación precedente, en el que dicho cultivo microbiano comprende bacterias metanotróficas y heterotróficas.
10. Un proceso como el reivindicado en la reivindicación 9, en el que dicho cultivo microbiano comprende una combinación de la bacteria metanotrófica Methylococcus capsulatus (Bath) (cepa NCIMB 11132), y de las bacterias heterotróficas Alcaligenes acidovorans DB3 (cepa NCIMB 13287) y Bacillus firmus DB 5 (cepa NCIMB 13289), opcionalmente en combinación con Bacillus brevis DB4 (cepa NCIMB 13288).
11. Un proceso como el reivindicado en cualquier reivindicación precedente, en el que dicho material de célula sencilla deriva de la fermentación de fracciones de hidrocarburos o de gas natural.
12. Un material de proteína de célula sencilla homogeneizado que puede ser obtenido mediante un proceso como el reivindicado en la reivindicación 9 ó en la reivindicación 10.
13. Un material de proteína de célula sencilla homogeneizado que comprende una combinación de la bacteria metanotrófica Methylococcus capsulatus (Bath) (cepa NCIMB 11132), y de las bacterias heterotróficas Alcaligenes acidovorans DB3 (cepa NCIMB 13287) y Bacillus firmus DB 5 (cepa NCIMB 13289), opcionalmente en combinación con Bacillus brevis DB4 (cepa NCIMB 13288).
14. Un producto o aditivo de grado alimenticio, por ejemplo un pienso para animales o un alimento para mascotas, que comprende un material de célula sencilla como el reivindicado en la reivindicación 12 ó en la reivindicación 13.
15. Un alimento para mascotas que comprende pedazos de un material de célula sencilla como el reivindicado en la reivindicación 12 ó en la reivindicación 13.
16. Un producto o un aditivo de buena calidad, por ejemplo un pienso para animales o un alimento para mascotas, que comprende un material de proteína de célula sencilla homogeneizado que puede obtenerse mediante un proceso como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, junto con un producto de grado alimenticio.
17. El uso de un material de proteína de célula sencilla homogeneizado, que se obtiene mediante un proceso como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, como agente gelificante, como emulgente o como ligante de un aceite o de agua, en la preparación de un producto alimenticio o de un pienso.
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