Ernesto José Aguirre Ezkauriatza
Mario Moisés Álvarez

“Productos de valor agregado a partir de suero de leche de cabra: Producción de proteína liofilizada por ultrafiltración y producción de biomasa probiótica de Lactobacillus casei Liofilizada”

Tecnológico de Monterrey, Centro de Biotecnología

El suero de leche es un subproducto de alto potencial, poco aprovechado en México (inclusive considerado como un problema ambiental). Por otro lado, los suplementos nutricionales y los probióticos han encontrado nichos importantes en la industria de alimentos y la industria farmacéutica. En este trabajo se analiza la factibilidad técnica de obtención de dos productos de valor agregado a partir de suero de leche de cabra? (a) proteína liofilizada y (b) biomasa probiótica liofilizada de Lactobacillus casei BPG4. Se presentan resultados de experimentos de ultrafiltración de suero de leche de cabra, del cual se retiene proteína de alta calidad. En su forma liofilizada, esta proteína presenta características de solubilidad superiores a productos comerciales similares. El permeado resultante del ultrafiltrado de suero es utilizado como medio de cultivo para el crecimiento del microorganismo prebiótico L. casei BPG4. Se reportan resultados de experimentos batch, continuo y fed-batch de fermentación de suero de leche para la producción de biomasa. La cinética de crecimiento de la bacteria Lactobacillus casei BPG4 en suero de leche de cabra (SLC) deproteinizado es analizada. A partir de experimentos en cultivo batch, se derivan los parámetros cinéticos, por un modelo que considera la inhibición por producto, mantenimiento del metabolismo y el crecimiento asociado a la formación de producto. El modelo puede ser utilizado para predecir resultados de cultivo batch, del estado estable a diferentes concentraciones y tasas de dilución en cultivo continuo y de experimentos correspondientes a diferentes protocolos de cultivo fed-batch. Basados en nuestros resultados, el cultivo fed-batch es el recomendado para la producción comercial de biomasa de Lactobacillus casei BPG4 con un bajo costo de producción. El proceso aquí propuesto aprovecha un subproducto contaminante, y posibilita obtener a partir de él, cuatro productos de valor (se documentan técnicamente dos de ellos). El primero de estos productos, proteína liofilizada, posee un nicho en el mercado de los deportistas de alto rendimiento (posee una relación proteína/carbohidrato de 7:1), y como suplemento para bebidas (al poseer mejoradas características de dispersión-solubilización en medios acuosos). El segundo, biomasa liofilizada de L. casei, es un prebiótico que pudiera utilizarse como suplemento alimentario-funcional (como aditivo o administrado independientemente), o en el mercado farmacéutico (para tratamientos de restablecimiento de flora intestinal benéfica).

La leche de cabra y sus derivados son recursos alimenticios que han recibido en los últimos años mayor atención mundial. En algunas regiones, la leche de cabra se consume directamente en forma líquida, aunque también se procesa obteniéndose derivados de la leche, principalmente queso. La caprinocultura es una actividad económica muy importante en el estado de Nuevo León. De hecho, el “cabrito” es una especialidad culinaria del Estado. En esta contribución, se propone un proceso simple, escalable, y de bajo costo, para el aprovechamiento integral del suero de leche de cabra (SLC), subproducto de la elaboración de queso de cabra. Actualmente no solamente subproducto de bajo valor, sino inclusive problema ambiental si se dispone de el indebidamente, el SLC es aún rico en proteína, grasas y lactosa. Dado que los alimentos funcionales, particularmente el de los prebióticos y los suplementos nutricionales, ha visto incrementado sustancialmente su mercado en los últimos años, resulta atractivo dirigir hacia esos nichos los esfuerzos por conferir valor a subproductos como el SLC. Esta investigación propone separar la grasa por descremado, retener la mayor parte de la proteína por ultrafiltración (para después liofilizarla) y utilizar el permeado de lactosa (con suficiente proteína residual para aún ser un adecuado medio de cultivo) para producir biomasa probiótica de Lactobacillus casei. L. casei es un, microorganismo anaeróbico, habitante común en el intestino y en la boca de los humanos. Es una bacteria productora de ácido láctico, que se emplea también en la industria láctea en la elaboración de alimentos lácteos probióticos. Esta especie particular de lactobacilo es particularmente muy resistente a rangos muy amplios de pH (Yuki et al., 1999; Brink et al., 2006). Adicionalmente, es una bacteria “complemento” al crecimiento de la L. acidophilus, un productor de amilasa (un enzima-digestiva de carbohidratos en la leche). Se ha referido que Lactobacillus casei mejora la capacidad de digestión, la tolerancia a la leche y evita la diarrea (Isolaria et al., 1991). Una larga lista de contribuciones han documentado propiedades funcionales probióticas de L. casei: efecto antimicrobiano (Brink et al., 2006; Nemeth et al., 2006); disminución de los niveles de colesterol (Liong et al., 2006; Park et al., 2008); disminución de diarreas por infecciones gastrointestinales (Isolauria et al., 1993; Srinivasan et al., 2006); coadyuvante en la digestión de la lactosa (Gaon et al., 1995); estimulador del sistema inmune (Matsuzaki et al., 2008; Ortiz-Andrellucchi et al., 2008); regulador de las funciones intestinales (Brink et al., 2006; Kinoshita et al., 2007); competidor o bacteriostático de flora patógena a nivel intestinal (Ingrassia et al; 2005; Parasol et al; 2005).

Objetivo general.
El propósito central de este trabajo es diseñar un proceso técnicamente factible para la obtención de dos productos de alto valor agregado a partir de suero de leche de cabra. Específicamente, estos productos de alto valor son
(a) proteína liofilizada con baja cantidad de lactosa;
(b) biomasa liofilizada de un microorganismo prebiótico para aplicaciones farmacéuticas o de suplementación de alimentos. En ese tenor, el proceso propuesto debe reunir los requisitos básicos de
(a) sencilla implementación,
(b) sencilla operación,
(c) escalabilidad y
(d) alta eficiencia. En particular, el suero de leche de cabra tiene dos componentes mayoritarios que aspiraríamos aprovechar? proteínas y lactosa.

Objetivos específicos.
Los objetivos específicos directriz de esta investigación fueron:
(a) Caracterizar el suero de leche de cabra, como materia prima;
(b) demostrar la factibilidad técnica de separación por ultrafiltración y posterior liofilización de proteína de suero de leche de cabra;
(c) comparar la solubilidad/dispersividad de esta proteína contra productos comerciales anáogos,
(d) demostrar la factibilidad técnica de la fermentación de la fracción filtrada del suero de leche de cabra para producir biomasa de alto valor (Lactobacillus casei BPG4),
(e) caracterizar cinéticamente el proceso de fermentación de la fracción filtrada del suero en reactores batch, fed batch y continuos y;
(f) validar la identidad molecular del producto liofilizado (determinación de L. casei por PCR) y evaluar su potencial probiótico (en términos de cuenta viable de L. casei por gramo de biomasa liofilizada).

Recientemente, la apertura comercial de la Integradora de Producción Caprina de Nuevo León S.A. de C.V (Caprico®), augura un resurgimiento para la industria de la leche caprina y sus derivados en Nuevo León. Un reto importante para la empresa es el volumen de suero de leche que resulta del proceso de producción de queso. La disposición del SLC representa un gasto significativo. Caprico® genera actualmente 224,400 litros de SLC al año. Estos volúmenes son una preocupación importante si este subproducto se concibe como un residuo (v.gr. 1000 litros de suero generan 35 Kg de demanda biológica de oxígeno (DBO) y 68 Kg de demanda química de oxígeno (DQO), lo que equivale en impacto ambiental a las aguas negras producidas en un día por 450 personas). Alternativamente, visualizado como una posible materia prima, el SLC representa una gran oportunidad dada su gran cantidad de nutrientes: v.gr. 1000 litros de suero (resultado de la producción de 100 kg de queso) representarían 9 Kg de proteína, 50 Kg de lactosa y 3 Kg de grasa de leche, equivalentes a los requerimientos diarios de proteína de aproximadamente 130 personas y de energía de mas de 100 personas (Lomas de León y Rojas de Gante., 2005)