sábado, 18 de febrero de 2012

PRODUCCION INDUSTRIAL DE VITAMINAS



Dr. Pedro F. Mateos



I. INTRODUCCION

Los microorganismos pueden ser utilizados en la producción comercial de ciertas vitaminas como la tiamina (B1), la riboflavina (B2), el ácido fólico, el ácido pantoténico, el piridoxal, la vitamina B12 y la biotina. También sintetizan ß-caroteno, que es la provitamina A. El ergosterol (provitamina D2) puede existir en ciertas cepas de Saccharomyces a concentraciones tan altas como 0,1-10% del peso celular. Recientemente (1998) la empresa farmacéutica Roche ha desarrollado una patente para producir vitamina B6 mediante el cultivo de la bacteria Rhizobium. Sin embargo, a nivel mundial solamente tienen un valor económico importante la producción de vitamina B12, riboflavina, ácido ascórbico y ß-caroteno.



II. PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE VITAMINA B12

En 1926, Minot y Murphy determinaron que la anemia perniciosa humana se curaba con extractos de hígado, un descubrimiento por el que recibieron el premio Nobel de medicina en 1934. Ricke y Smith aislaron vitamina B12 cristalina de extractos de hígado en 1948. La vitamina B12 (cianocobalamina) es una vitamina que es sintetizada en la Naturaleza exclusivamente por los microorganismos. Es necesaria para los animales y está presente en cada tejido animal a concentraciones muy bajas (1ppm en el hígado). Su deficiencia produce la anemia perniciosa. Las necesidades en vitamina B12 de los animales quedan cubiertas por los alimentos que toman o por absorción de la vitamina B12 producida por los microorganismos del intestino. Sin embargo, el hombre obtiene la vitamina B12 solamente de los alimentos, ya que la vitamina B12 sintetizada por los microorganismos en el intestino grueso no puede ser asimilada.

Las concentraciones de vitamina B12 que están presentes en los tejidos animales son demasiado bajas para su uso en la producción comercial. La síntesis química tampoco es práctica ya que requiere 70 etapas de reacción. La producción comercial se lleva a cabo en la actualidad enteramente por fermentación. La vitamina B12 fué obtenida comercialmente al principio como un subproducto de las fermentaciones de estreptomicetos para la producción de los antibióticos estreptomicina, cloranfenicol o neomicina, con un rendimiento de aproximadamente 1 mg/l. A medida que la demanda de vitamina B12 aumentó, se desarrollaron procesos de fermentación con cepas de mayor rendimiento. La producción mundial anual de vitamina B12 se estima en unos 12000 kg de los cuales unos 7000 kg son para la industria farmacéutica y el resto va a la industria de alimentación animal. En el caso de los piensos de cerdos y pollos, se añaden 10-15 mg de vitamina B12 por tonelada de pienso si se utiliza proteína vegetal que es más barata que la animal.

Se conocen varias cepas productoras. Los rendimientos más altos se han obtenido a partir de Propionibacterium fredenreichii (19 mg/l), Propionibacterium shermani (23 mg/l) y Pseudomonas denitrificans (60 mg/l). Se ha encontrado que Pseudomonas denitrificans es la especie más productiva entre las diferentes Pseudomonas que producen vitamina B12. En este proceso de una sóla etapa, la vitamina B12 se produce durante toda la fermentación. Deben añadirse como suplemento cobalto y 5,6-dimetil benzimidazol. Se ha encontrado también que la adición del compuesto betaína, (CH3)3NCH2COO-, da lugar a un aumento del rendimiento; la melaza de remolacha se utiliza como una fuente de betaína de bajo precio. Aunque su modo de acción no es conocido, la betaína se asume que causa una activación de la biosíntesis o un aumento de la permeabilidad de la membrana. Después de 12 años de desarrollo de la cepa, el rendimiento de este proceso se ha aumentado desde 0,6 mg/l a 60 mg/l.



III. PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE RIBOFLAVINA

La riboflavina o vitamina B2 fué aislada por primera vez en 1933 por Kuhn, György y Wagner-Jauregg. La riboflavina está presente en la leche como riboflavina libre, aunque se encuentra en otros alimentos (hígado, corazón, riñón o huevos) como parte de las flavoproteínas que contienen los grupos prostéticos FMN (flavín mononucleótido) o FAD (flavín adenín dinucleótido).

La riboflavinosis es una enfermedad humana causada por la deficiencia de riboflavina. Esta enfermedad, que aparece como un tipo de dermatitis, puede ser combatida administrando riboflavina en una dosis diaria de 1 mg. Además, se suele añadir junto con la tiamina y el ácido nicotínico a la harina que se utiliza en la producción de pan enriquecido en vitaminas.

La riboflavina se produce industrialmente por varios procesos:

1.- Síntesis química, primariamente para uso farmacéutico (20% de la producción mundial).

2.- Biotransformación de glucosa a D-ribosa por mutantes de Bacillus pumilus y subsecuente conversión química de la ribosa a riboflavina (50% de la producción mundial)

3.- Fermentación directa (30% de la producción mundial).

La producción total de riboflavina a escala mundial es de aproximadamente 2000 toneladas por año.

La riboflavina es sintetizada por muchos microorganismos incluyendo bacterias, levaduras y hongos filamentosos. Originalmente se utilizó en la producción comercial de riboflavina Emerothecium ashbyii pero desde 1946 se utiliza Ashbya gossypii. La producción por fermentación se lleva a cabo normalmente con Ashbya gossypii NRRLY-1056, obteniéndose un alto rendimiento, más de 10-15 g/l, mediante el desarrollo de cepas, optimización de la solución de nutrientes, cultivo del inóculo y condiciones de fermentación.

Originalmente la fermentación utilizaba un medio con glucosa y líquido de maceración de maiz. Cuando se utilizaron lípidos como fuente de energía, el rendimiento aumentó marcadamente. Actualmente se utiliza el siguiente medio:

· Líquido de maceración de maiz al 2,25%

· Peptona al 3,5%

· Aceite de soja al 4,5%

Así mismo para obtener altos rendimientos es crítico el uso de inóculos pequeños (0,75-2%) de un cultivo de 24-48h que crezca activamente. La fermentación dura 7 días con una velocidad de aireación de 0,3 vvm a 28°C.

La riboflavina está presente en el caldo de fermentación tanto en solución como unida al micelio. La vitamina unida al micelio se libera de las células por tratamiento con calor (1 hora, 120°C) y el micelio se separa y se elimina.



IV. PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE ß-CAROTENO

Los carotenoides se encuentran en muchos tejidos de animales y plantas, pero se producen exclusivamente a partir de plantas o de microorganismos. El ß-caroteno (provitamina A) se convierte en vitamina A en la membrana de la mucosa intestinal y se almacena en el hígado como éster palmítico. En el hombre, una deficiencia de vitamina A (requerimiento diario 1,5-2 mg) causa ceguera nocturna y cambios en la piel y en las membranas de las mucosas; es particularmente necesaria para la biosíntesis normal de polisacáridos.

La demanda de ß-caroteno es de aproximadamente unas 27 toneladas por año, fundamentalmente para uso como colorante de alimentos (margarina, queso, derivados del huevo, salmón).

Los carotenoides son derivados altamente insaturados del isopreno. Se conocen en la Naturaleza actualmente más de 400 compuestos carotenoides. Solamente los compuestos con la estructura ß-ionona (la estructura del anillo encontrada en cada extremo de la molécula de los ß-carotenos) son efectivos como provitamina A. Por lo tanto, se pueden formar 2 moléculas de vitamina A a partir del ß-caroteno, solamente se forma una molécula de vitamina A a partir del a y g caroteno ya que sólo tienen un anillo ß-ionona.

Los rendimientos más altos se han obtenido con el proceso del hongo Blakeslea trispora. Cuando se mezclan cultivos de ambas formas sexuales, cepas (+) y (-), se consigue un aumento significativo en la producción de caroteno por la cepa (-). Esta producción se induce por los ácidos trispóricos que derivan biosintéticamente del ß-caroteno. Si bien tienen una estructura parecida, no actúan como precursores sino más bien como hormonas sexuales.

La producción de ß-caroteno se lleva a cabo en una fermentación sumergida utilizando un cultivo mixto de las cepas (+) y (-). Las proporciones de las dos cepas no necesitan ser iguales y puesto que es la cepa (-) la que produce el ß-caroteno, esta cepa debe estar en exceso. Otro activador de la síntesis de ß-carotenos es la ß-ionona. Sola es tóxica para el organismo productor, pero en presencia de aceites vegetales estimula la producción de carotenos. Las ß-iononas por sí mismas no son incorporadas en carotenos pero afectan la síntesis de varias de las enzimas implicadas en la ruta biosintética. Debido a la baja estabilidad del ß-caroteno dentro de las células, es necesaria la adición de un antioxidante en los procesos de fermentación.

El micelio, rico en carotenoides, puede ser utilizado directamente como aditivo para piensos. Para obtener ß-caroteno puro, el micelio es separado, deshidratado (con metanol), extraído con cloruro de metileno (75-92% rendimiento) y el producto crudo se purifica (patente Upjohn).

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