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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