Suero de leche:Suero de leche:

¿Residuo o recurso?¿Residuo o recurso?

Lorenzo Miguel Pastrana Castro

Facultade de Ciencias de OurenseUniversidade

de Vigo

Valorización de Valorización de subproductos de subproductos de industrias industrias alimentarias.alimentarias.

Aprovechamiento Aprovechamiento del suero de del suero de lecheleche

Lorenzo Miguel Pastrana Castro

Facultade de Ciencias de OurenseUniversidade

de Vigo

La cadena alimentaria

Producciones agrícolas

Fabricación de piensos compuestos

Producciones ganaderas

Industrias de transformación

Distribución

Consumo

Subproductos

Efluentes

Materiales residuales

Características de los materiales

• Alta carga orgánica, DBO, DQO, COT (DBO>20 g/L)

• Impacto contaminante• Recogida diferencial• Recuperación• Transformación

La cadena alimentaria

Producciones agrícolas

Producciones ganaderas

Fabricación de piensos compuestos

Industrias de transformación

Distribución

Consumo

Falta de fuentes proteicas

Demografía

Precio

Bienestar animalCrisis alimentarias

Consumo de productos elaborados

La valorización de subproductos

Producciones agrícolas

Producciones ganaderas

Fabricación de piensos compuestos

Industrias de transformación

Distribución

Consumo

Origen natural

Alimentación - salud

Alimentos e ingredientes funcionales

Falsasalegaciones

La alternativa biotecnológica

ProductosMicroorganismos

EnzimasCélulasSustratos

La alternativa biotecnológica

Recuperación de proteínas,

grasas, aminoácidos

Producción de enzimas,

ácidos orgánicoshormonas,

aditivosNuevos productos

Selección microbianaDiseño metabólico

Ingeniería de fermentación

MelazasLactosueros

DespojosAlcoholes

Grasas y aceitesAmiláceos

LignocelulósicosPulpas

Algunos retos actuales

EnzimasinmovilizadasProcesos demembranasModificación

química

péptidos bioactivosnuevos carbohidratos

fitoquímicosantioxidantes

minerales

Obtención de moléculas funcionales a partir de materias primas y por síntesis

tecnologías defermentacióny enzimáticas

Procesosno térmicos

(altas presiones)

antioxidantesminerales

Incrementar el contenido en funcionales de materias primas y alimentos

Algunos retos actuales

procesosenzimáticos

ad hoc

oligosacáridos(sustitutos de grasas)

Modificación de compuestos para incrementar su funcionalidad

Algunos retos actuales

Algunos retos actuales

tecnologías defermentacióny enzimáticas

Procesosde membrana

pulsos eléctricos

microorganismosmineralesvitaminas

Incremento de la biodisponibilidad de compuestos funcionales

tecnologíasenzimáticas

Procesos de encapsulación

microorganismosminerales

péptidos bioactivosantioxidantes

Disminución de la degradación o pérdida de compuestos funcionales

Algunos retos actuales

Criterios para propuestas

• Adecuación a la industria alimentaria local– Industria transformadora de productos del mar– Industria láctea– Productos agrícolas autóctonos o estratégicos

• Diversificar con nuevos productos derivados en el mismo ciclo productivo

– Probióticos en la industria láctea• Valorizar generando nuevos ciclos

productivos– Ácidos grasos ω3 en la industria conservera

Leche

Cuajada Suero lácteo

Queso

Ácido, Ca+2

Quimosina

El suero lácteo

En medianas y pequeñas industrias queseras se producen ~50.000 L/día

Representa entre el 85-95% del volumen de la leche Retiene el 55% de los nutrientes de la leche

Aprox. 145 millones de toneladas de suero/año Quesería de 100 Tm/día = ciudad de 55.000 habitantes

Sólo el 50% de la producción mundial de queso se aprovecha En Europa el 45% se usa en forma líquida, el 30% en suro en polvo y el

15% en productos deslactosados

El suero lácteo

Producto de desecho

DBO5 : 30.000−50.000 ppm

DQO: 60.000−80.000 ppm

Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales

Encarece enormemente el proceso de depuración y lo hace inviable en medianas y pequeñas industrias

El suero lácteo

Revalorización del suero

Composición

% p/v

Lactosa 4-5

Proteínas solubles 0,6-0,8

Lípidos 0,4-0,5

Sales 8-10 (del extracto seco)

El suero lácteo

Desmineralización o no

SUERO LÁCTEO

Suero condensado o en polvo

Hidrólisis de

la lactosa

EDULCORANTE

LACTOSA

Ultrafiltración

BIOGÁS

Permeado Concentradoproteico

Hidrólisis de la lactosa

Fermentación

Lactosa purificada,Lactitol,

Lactosilurea

SCP, β-Galactosidasa, etanol,bebidas, ácidos orgánicos,

galactosa, glicerol, carotenoides,ácido giberélico, bacteriocinas

Suero líquido

Uso directo en alimentación animal líquida Fertilizante agrícola (problema de la salinidad) Altos costes de transporte

Suero concentrado y en polvo

Uso en alimentación animal en formulaciones con melazas y harina de soja

Uso en alimentación humana (pequeñas cantidades) Productos de pañadería Helados Salsas …

Su alta salinidad limita su uso en humanos

Concentrado de proteína de suero

Se obtiene por ultrafiltración

Uso en alimentación humana (bajo contenido en sales)

PER (protein efficient ratio): 3,4 (estandar de caseina: 2.8)

Valor biológico a la proteína del huevo (se reduce por calentamiento)

Los hidrolizados de proteína de suero tienen mayor solubilidad

No resuelve el problema de la DBO debido a la lactosa

Principales proteínas séricas

β-Lg (56%)α-La (21%)BSA (7%)Ig (14%)Lf (2%)

Leche

Cuajada

Ultrafiltración

Suero lácteo

Queso

Lactosa

Ácido, Ca+2

Quimosina

Proteínas séricas

Propiedades de las proteínas séricas

• Solubles al pH del estómago – Tránsito estomacal rápido– Llegan intactas al intestino– Alta absorción e interacción con la microbiota

intestinal • Composición aminoacídica característica

– Alto contenido en:– Azufrados (favorece función inmune)– Cadena lateral larga (función energética)

• Contienen factores estimuladores del crecimiento

– Lactoferrina, IGF, TGF

β-lactoglobulina

• Fijación de minerales– Abundancia de regiones cargadas

• Absorción de vitaminas liposolubles– Dominio hidrofóbico– contenido en:

– Azufrados (favorece función inmune)– Cadena lateral larga (función energética)

α-lactoalbumina

• Fijación de minerales– Abundancia de regiones cargadas

• Previene el daño muscular y el cáncer– Induce la apoptosis

Lactoferrina

• Posee propiedades antibacterianas y antioxidantes

– Secuestra el Fe del suero sanguíneo impidiendo el desarrollo bacteriano

• Favorece la respuesta inmune– Induce el desarrollo de linfocitos

• Previene el cáncer– Propiedades antioxidantes

Lactosa

• Principales aplicaciones tradicionales– Suplemento en leches infantiles– Excipiente farmacéutico (plasticidad, poco

dulce)

5% de la producción mundial de lactosa

Búsqueda de alternativas: fermentación y enzimas

Transformación enzimática de lactosa

• Reducción a lactitol– Edulcorante no cariogénico– Esterificación a palmitato de lactitol:

emulgente• Isomerización a lactulosa

– Poder edulcorante mitad de la sacarosa– Factor bífidus (fibra soluble)

• Producción de lactosilurea– Fuente de nitrógeno no proteico en rumiantes

Hidrólisis de la lactosa

• Ventajas– Aumenta el número de microorganismos que

pueden utilizarla como fuente de carbono– Aumenta su poder edulcorante– Incremento de solubilidad– Permite producir alimentos bajos en lactosa

(intolerantes)

• Hidrólisis química (inconvenientes)– Condiciones extremas (pH 1,2 150ºC) – Desnaturalización de proteínas y reacción de

Maillard– Necesidad de desmineralización previa

Hidrólisis de la lactosa

• Hidrólisis enzimática– Lactasa microbiana de K. Lactis, A. Niger y A.

oryzae– Libre e inmovilizada– Inconveniente de polimerización de la lactosa– Producción de leche sin lactosa

Hidrólisis de la lactosa

• Hidrólisis enzimática– Lactasa microbiana de K. Lactis, A. Niger y A.

oryzae– Libre e inmovilizada– Inconveniente de polimerización de la lactosa– Producción de leche sin lactosa

Producción de etanol

• El 50% de la producción de suero se convierte a etanol en Nueva Zelanda

• Existen plantas en comerciales en el mundo

• Carbery Milk Products Ir (1978)• Fermentadores cilindrocónicos• Proceso batch (20h) con 2,5-4,2% (v/v)• Etanol para mezclas E5 y potable• 11000 Tm/año

• Anchor Ethanol NZ• 11 millones de litros• 8 tipos de etanol• Proceso batch (20h) con 2,5-4,2% (v/v)

• Milbrew EEUU (1972)• Gaerings DK

• Proceso en continuo• Teo Muller GER

• 10 millones de litros

Producción de etanol

• Kluveromyces fragilis es el microorganismo más utilizado

– Utiliza el 95% de la lactosa de suero no concentrado

– Eficiencia de conversión del 80-85%• La producción de etanol no es rentable en

suero no concentrado– Altos costes de destilación

Producción de etanol

• Saccharomyces cerevisiae no posee:– sistema lactosa permeasa�β-galactosidasa

• Construcción de Saccharomyces cerevisiae recombinante

– Fermenta directamente lactosa a etanol– Se elimina el fenómeno de diauxia

Producción de biogas

• Aproximación de depuración de aguas residuales:

• Eficiencias de conversión del 95%

¿Qué son los probióticos?Suplementos alimentarios consistentes en microorganismos vivos con efectos beneficiosos en el organismo hospedador, debidos bien a la mejora en su balance microbiano intestinal, bien a la producción o estimulación de sustancias activas, o a ambos

• Tener, de acuerdo con el hospedador, origen humano o animal con capacidad de adhesión en su mucosa intestinal y persistencia en el tiempo

• Producir sustancias antimicrobianas y tener capacidad de modular la respuesta inmunológica

• Influir en las actividades metabólicas del hospedador u otro probionte

• Capacidad para ser cultivado a altas concentraciones

• No ser patógeno y resistir a tratamientos tecnológicos y ambientes digestivos (sales biliares, ácidos).

Características:

Producción de probióticos

Ventajas del suero de leche como sustrato para la producción de probióticos

•Amplia disponibilidad

•Naturaleza barata

•Experimentos con ratones indican que una fracción proteica del suero tiene propiedades antitumorales.

•Contenido de nutrientes adecuada para un crecimiento conveniente de bacterias lácticas

Producción de probióticos

¿Cuáles son los microorganismos probióticos?

• Entre las levaduras el género Saccharomyces con las especies S. cerevisiae y S. boulardii

• Entre las bacterias, los géneros más estudiados son: Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptococcus y Enterococcus.

• Destacan las especies: Lactobacillus acidophilus, L. casei, L. fermentum, L. plantarum, L. reuteri, Bifidobacterium bifidum, B. longum y Enterococcus faecium.

Producción de probióticos

Fundamento: Incorporación a los piensos/alimentos

Cultivos microbianos probióticos

• Actividad de sustancias antimicrobianas (ácidos orgánicos y bacteriocinas)• Desarrollo de actividades enzimáticas

Introducción

Efectos beneficiososEntidades microbianas

Entidad hospedadora

• Estimulación del sistema inmune

• Competencia con patógenos en la colonización del tracto intestinal

Se relacionan con:

Producción de probióticos

¿Cuál es el mecanismo de acción?

•Producción de ácidos orgánicos de cadena corta,

•Reducción del pH intestinal,

•Competición por nutrientes y por sitios de adhesión a la mucosa,

•Modulación del sistema inmune,

•Modulación de la microbiota intestinal,

•Modulación de las actividades enzimáticas intestinales

•Producción de sustancias antimicrobianas como las bacteriocinas

• Los probióticos se instalan con dificultad en el tracto intestinal por lo que es necesario una ingesta diaria de preparados con no menos de 10 millones de células viables por gramo o mL.

•El ambiente nutricional y las condiciones extremas de transporte (en el estómago) reducen la viabilidad y dificultan la implantación

Limitaciones al uso de probióticos

Producción de probióticos

Antecedentes: Gránulos de kéfir de leche. Composición química

Prebióticas, debidas a la acción antimicrobiana de varios de los metabolitos de fermentación (ácidos orgánicos pero, sobre todo, bacteriocinas) y anticancerígena de los kefiranos (polisacáridos producidos por ciertas bacterias lácticas del consorcio) entre otras posibles (péptidos antihipertensivos).

Los gránulos de kéfir (2-3 cm) son originarios de Rusia, Yugoslavia y Bulgaria. Son una combinación de bacterias y levaduras probióticas embebidas en una matriz de proteínas y polisacáridos insoluble en agua. Su aspecto es similar al de la coliflor pero es más blando.

Composición química (AGK1, CIDCA): Agua (83%), Proteínas (4.5%), Polisacáridos (9-10%, 1 mol glucosa/1.14 moles galactosa), Lípidos, Cenizas y sustancias solubles no nitrogenadas (2.5%)

Propiedades funcionales:Probióticas, debidas a la acción antagónica frente a patógenos y a su capacidad de colonización del epitelio intestinal de parte de su microbiota, y

Microflora:

3. BAL (lactococci, lactobacilli y leuconostoc homo y heterofermentativos):

-Lactococcus: lactis subsp. lactis, lactis subsp. lactis biovar diacetylactis-Lactobacillus: kefir, parakefir, kefiranofaciens, plantarum, brevis,

viridescens, gasseri, fermentum, casei, acidophilus, helveticus-Leuconostoc mesenteroides -Streptococcus thermophilus

2. Levaduras:

-Kluyveromyces: marxianus, kefirSaccharomyces: cerevisiae, delbrueckii, unisporus, exiguusCandida kefir, holmii, friedricchii, pseudotropicalis, tenuis

3. Bacterias acéticas:

-Acetobacter aceti, pasteurianus

Antecedentes: Gránulos de kéfir de leche. Composición microbiológica

La composición microbiana depende del origen del gránulo, de las condiciones de cultivo así como de las condiciones de almacenamiento y el proceso de elaboración.

Antecedentes: Ventajas de la utilización de los gránulos de kéfir como entidad fermentativa

Composición microbiana mixta* Amplia variedad y cantidadde productos antimicrobianos.* Elevados niveles de biomasamicrobiana

• Bajo costo• Capacidad fermentativa• Disponibilidad• Experiencia acumulada

GRÁNULOS DE KEFIR

Exopolisacáridos: Exopolisacáridos: Kefiranos (glucosa-galactosa 1:1)Kefiranos (glucosa-galactosa 1:1)- Características organolépticas- Características organolépticas

Ácidos orgánicos (láctico y acético)Ácidos orgánicos (láctico y acético)etanoletanol

Consorcio microbianoConsorcio microbiano

BacteriocinasBacteriocinas

Proteinasas y peptidasas: Proteinasas y peptidasas:

- Péptidos bioactivos- Péptidos bioactivos

Antecedentes: Gránulos de kéfir de leche. Beneficios

IINNGGRREEDDIIEENNTTEESS

BBIIOOAACCTTIIVVOOSS

-Estimulación del sistema inmuneEstimulación del sistema inmune -Inhibición del crecimiento de células Inhibición del crecimiento de células tumoralestumorales

- Sustituto de la leche en pacientes - Sustituto de la leche en pacientes Intolerantes a la lactosaIntolerantes a la lactosa

- Prevención y tratamiento de Prevención y tratamiento de desórdenes intestinales y vaginalesdesórdenes intestinales y vaginales

-Regeneración de la flora intestinalRegeneración de la flora intestinal

-Complemento alimenticio para Complemento alimenticio para regenerar la mucosa estomacalregenerar la mucosa estomacal

- Vía tópica: Para tratar problemas Vía tópica: Para tratar problemas cutáneos (eccemas)cutáneos (eccemas)

Alimento funcional-probiótico:Alimento funcional-probiótico:

Obtención de péptidos bioactivos

β-Lg (56%)

α-La (21%)

BSA (7%)

Ig (14%)

Lf (2%)

Proteínas séricas

Proteólisis in vitroFermentación

Microorganismos/

Enzimas proteolíticas

Enzimas digestivas: pepsina, tripsina, quimotripsina

Enzimas microbianas: proteinasa k, termolisina

Enzimas vegetales: papaína y la bromelaína

Péptidos bioactivos

Asp

Arg

CysLys

Val

Cys

IleVal

Thr

Gly

IlePro

Pro

Ala

Pro

Cys Ser

Ser

Ser

Phe

Gly

Val

Glu

Arg

Lys Gln

Pro

PheAsn

Gln

His

Gly

Glu

LeuSer

Phe

Pro

Pro

Gly

Cys

Gly

Cys

Leu

Gly

Ile

Met

Leu

Ile

Péptidosbioactivos Enzima

EnzimaAsp

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Cys

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Pro

IlePro

Pro

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Cys

Gly

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Leu

Gly

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Met

Leu

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Péptidosbioactivos Enzima

Enzima

Obtención de péptidos bioactivos

β-Lg (56%)

α-La (21%)

BSA (7%)

Ig (14%)

Lf (2%)

Proteínas séricas

Péptidos bioactivos

Asp

Arg

CysLys

Val

Cys

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Gly

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Pro

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Pro

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Ser

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Phe

Gly

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Pro

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Gly

Cys

Gly

Cys

Leu

Gly

Ile

Met

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Ile

Péptidosbioactivos Enzima

EnzimaAsp

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Gly

IlePro

Pro

IlePro

Pro

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Ser

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Phe

Gly

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Pro

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Gln

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Gly

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LeuSer

Phe

Pro

Pro

Gly

Cys

Gly

Cys

Leu

Gly

Ile

Met

Leu

Ile

Péptidosbioactivos Enzima

Enzima

Proteólisis in vitroFermentación

Microorganismos

Enzimas proteolíticas

Enzimas digestivas: pepsina, tripsina, quimotripsina

Enzimas microbianas: proteinasa k, termolisina

Enzimas vegetales: papaína y la bromelaína

Fragmentos de proteínas específicas que, en función de la secuencia activa (entre 3 y 20 aminoácidos), ejercen diversas actividades biológicas

AntimicrobianasOpiácea

Inmunomodulante Quelante de minerales

Antitrombótica

Antihipertensiva

Péptidos antihipertensivos

Fragmentos de proteínas específicas que, en función de la secuencia activa (entre 3 y 20 aminoácidos), ejercen diversas actividades biológicas

AntimicrobianasOpiácea

Inmunomodulante Quelante de minerales

Antitrombótica

Antihipertensiva

Sistema renina-angiotensina

Péptidos antihipertensivos

Péptidos antihipertensivos

Angiotensinógeno

Angiotensina I

Angiotensina II

Renina

ECA

Potente agente vasoconstrictor

-Sistema renina-angiotensina-

Enzima convertidora de

angiotensina

Péptidos antihipertensivos

InhibidoresECA

Descenso de la presión arterial

-Sistema renina-angiotensina-

Angiotensinógeno

Angiotensina I

Renina