10ª Parte: La Biomasa Microbiana como Ingrediente en la Nutrición Acuícola
Resumen
Los productos derivados de la pesca y la acuicultura tendrán un papel primordial en la satisfacción de las necesidades alimentarias de la creciente población humana. La harina de pescado utilizada para la manufactura de alimentos acuícolas representa un recurso limitado que experimenta alta demanda y una serie de debates ambientales. Entre las diversas fuentes alternativas de nutrientes, la biomasa microbiana producida a partir de organismos heterótrofos y autótrofos ha sido considerada como un sustituto prometedor para reemplazar ingredientes derivados de animales y plantas.
Diversos estudios han demostrado que algunas especies de levaduras, bacterias y microalgas son candidatos viables para ser cultivados y que además muestran excelentes características nutricionales. Aunque los costos de producción para generar biomasa microbiana aún siguen siendo altos, nuevos métodos se han centrado en la utilización de substratos alternativos para su producción. Las características nutricionales de los microorganismos y las tecnologías emergentes para su producción, permiten pronosticar un mayor uso en la fabricación de alimentos. El presente manuscrito revisa el estado actual del uso de microorganismos como ingredientes en la nutrición acuícola, enfatizando aquellos que muestran un sólido potencial como aditivos funcionales y/o ingredientes para remplazar la harina de pescado. Se presenta una síntesis de técnicas de evaluación nutricional aplicadas para evaluar el desempeño de la biomasa microbiana, así como resultados recientes sobre los efectos de su incorporación en dietas formuladas. La capacidad fisiológica que presentan diversas especies de organismos acuáticos para utilizar este tipo de insumos alternativos es discutida.
Palabras clave: biomasa microbiana, nutrición acuícola, levaduras, microalgas, bacterias.
Introducción
El rápido crecimiento de la industria acuícola puede ser atribuido en gran parte al mejoramiento y diversificación de las técnicas de producción; sin embargo, los parámetros de producción superiores e intrínsecos de los animales acuáticos también han jugado un papel importante en el desarrollo de esta actividad. Diversas especies de crustáceos y peces convierten el alimento suministrado en proteínas de manera mucho más eficiente que otros animales, tales como las aves de corral, el ganado vacuno y el porcino. Por esta razón se pronostica que diferentes especies de peces, moluscos y crustáceos representarán fuentes predominantes de alimento en el futuro cercano (Béné et al. 2015). Conforme la industria acuícola se desarrolla y los métodos de producción se intensifican y diversifican simultáneamente, la demanda de alimentos para dicha industria aumentará aún más. A su vez, ocurrirá un concomitante aumento en la demanda de ingredientes. Pronósticos confiables indican que el aspecto más crítico que puede frenar o incluso detener el actual crecimiento de la industria acuícola es la restricción de los ingredientes requeridos para la manufactura de alimentos (Tacon & Metian 2008, Olsen & Hasan 2012). Entre estos ingredientes, la harina de pescado ha sido el componente preferido al formular alimentos balanceados gracias a sus propiedades nutricionales para los organismos acuáticos. Sin embargo, la producción de harina de pescado trae consigo preocupaciones económicas y ambientales. En consecuencia, esfuerzos para reemplazar, total o parcialmente este insumo en las dietas acuícolas, se desarrollan actualmente y constituyen pasos importantes hacia el uso de fuentes de proteínas sustentables y alternativas. Ingredientes alternativos son cada vez más solicitados en respuesta al crecimiento en la demanda de alimentos acuícolas. Una gran cantidad de estudios nutricionales se han enfocado en probar fuentes de proteínas alternativas poco convencionales y entre las últimas, las proteínas de origen vegetal han sido usadas tradicionalmente para reemplazar la harina de pescado. Sin embargo, las proteínas vegetales pueden no ser totalmente adecuadas para algunas especies acuáticas depredadoras (Kumar et al. 2012), además de que pueden existir conflictos respecto a los usos finales de los productos agrícolas. Estas restricciones, junto con los rápidos avances en diferentes áreas de la biotecnología, permiten suponer que la próxima generación de proteínas útiles para dietas animales estará significativamente representada por proteínas e ingredientes derivados de microorganismos
El término “proteína unicelular” (single cell protein, SCP, por sus siglas en inglés) fue acuñado en 1966 por C. L. Wilson en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (Doelle 1944). SCP se refiere colectivamente a la biomasa procesada o extraída de cultivos de microorganismos que tienen un alto potencial para ser utilizados como ingredientes para alimento humano o alimento animal. Las sobresalientes ventajas de los microorganismos para la producción de SCP, en comparación con fuentes convencionales de nutrientes, han sido ampliamente demostradas (Becker 2007; Øverland et al. 2010; Dewapriya & Kim 2014). Los microorganismos crecen rápidamente y tienen un alto rendimiento. Por ejemplo, se ha estimado que se puede obtener una ganancia de 1 kg de proteína en 1 día de crecimiento de un bovino de 500 kg, mientras que 500 kg de levadura producirían varias toneladas de proteína en un día. Microalgas cultivadas en estanques pueden producir más de 20 toneladas de proteína por acre al año (Weyer et al. 2010). En comparación, este rendimiento es de 10 a 15 veces más alto que la producción estándar de soya, y 25 a 50 veces más alto que la producción de maíz (Pelczar & Chan 2010). Los microorganismos tienen un alto contenido proteico y son altamente eficientes al convertir una gran variedad de substratos, lo que conduce a la rápida producción de biomasa. Por otro lado, los microorganismos pueden también clasificarse de acuerdo a las fuentes de carbono y energía que son capaces de utilizar. Dicha diversidad metabólica microbiana es clave y ha permitido la producción de biomasa usando una amplia gama de fuentes de energía disponibles (luz solar o luz artificial) y sustratos de carbono, que van desde monosacáridos de grado analítico hasta residuos generados por las industrias agrícolas y relacionadas a la producción de alimentos, así como también a partir de gas metano. Las técnicas de producción se pueden adaptar a esta diversa variedad metabólica microbiana, y gracias a la ingeniería genética, también es posible lograr lo contrario, es decir, adaptar estos microorganismos a las técnicas de producción actuales y disponibles (Gómez-Pastor et al. 2011). Aunque no específicamente producidas para la acuicultura, la generación continua de biomasa microbiana en fermentadores (levaduras) y foto-biorreactores, (microalgas) ha alcanzado una escala industrial. Una serie de metodologías estandarizadas (Fig. 1) permiten predecir un significativo incremento en el número de aplicaciones en la nutrición acuícola.
Una serie de nuevos métodos de producción, independientes de las condiciones estacionales ya han sido patentados y pueden generar biomasa microbiana a partir de substratos alternativos (Glencross et al. 2014; Goodall et al. 2016). Algunos de estos métodos alternativos han sido capaces de mantener una producción continua y bromatológicamente consistente de biomasa microbiana a partir de microalgas, levaduras y bacterias. La biomasa que se genera puede llegar a representar el producto final de un proceso específicamente establecido, o bien, esta biomasa puede conformar un sub-producto de un proceso primario, como lo es el caso de la producción de biocombustibles o pigmentos a partir de microalgas.
La biomasa bacteriana ha sido dirigida a una amplia variedad de propósitos. Por ejemplo, en el caso de la nutrición humana, el hongo unicelular Fusarium venenatum ha sido producido durante cuatro décadas para manufacturar un amplio rango de productos comerciales (Quorn®) a partir de una micoproteína. Por otro lado, diversas microalgas tales como Spirulina y Chlorella tienen actualmente un nicho de mercado establecido como suplementos dietarios. En la alimentación animal, productos microbianos, principalmente derivados de levaduras, son suministrados en dietas formuladas como fuente de vitaminas, pigmentos, proteínas y aminoácidos específicos. También se ha demostrado su rol como agentes mejoradores de la palatabilidad y potenciadores de la respuesta inmune.
Recientemente se ha demostrado que la biomasa bacteriana derivada de la fermentación de gas natural (cultivos bacterianos de Methylococcus capsulatus) es una fuente prometedora de proteína debido a su composición de aminoácidos, alta digestibilidad y efectos promotores de crecimiento y mejoramiento del estado salud en animales acuáticos y terrestres (Øverland et al. 2010; Romarheim et al. 2011). El conocimiento generado por estos y otros estudios sobre esta especie de bacteria (Aas et al. 2006) ha promovido el desarrollo de una biomasa microbiana comercial registrada como Bioprotein® (Dansk Bioprotein).
Figura. 1. Principales etapas en la producción de microorganismos que presentan potencial para generar biomasa microbiana o compuestos específicos útiles en la nutrición animal.
HP: Harina de pescado, TC: Tasas de crecimiento, TCA: Tasas de conversión alimenticia, AA: Aminoácidos.
Eventualmente, la compañía Calysta (Menlo Park, CA, USA) adquirió la tecnología de producción y desarrolló una biomasa bacteriana que ha sido considerada como una fuente sostenible de proteínas de alta calidad (FeedKind®).Existen otras fuentes de biomasa bacteriana que han sido exploradas recientemente en la nutrición animal. Por ejemplo, Zhao et al. (2012) reportan que un 25% de reemplazo de proteína de soya por harina de origen bacteriano no afectó el metabolismo del nitrógeno en cerdos. Zhang et al. (2013) demostraron que una SCP (obtenida a partir de Corynebacterium glutamicum) fue capaz de reemplazar el 50% de la harina de pescado en dietas para cerdos y generó un crecimiento, digestibilidad de nutrientes y morfología intestinal similares a aquellos registrados en animales alimentados con una dieta que contenía sólo harina de pescado como fuente de proteína. De manera similar, empresas recientemente establecidas se han centrado en producir biomasa bacteriana a partir de sustratos alternativos y económicos (algunos sin costo), empleando métodos innovadores de producción de biomasa microbiana tales como el uso de metano y desechos derivados de las actividades agrícolas y de las industrias de los alimentos (Glencross et al. 2014, WEF 2015, BFD 2015). Estas investigaciones y sus procesos patentados subsiguientes, han establecido la base de productos comerciales como Profloc® (Nutrinsic) y FeedKind® (Calysta), los cuales han sido dirigidos al sector de la nutrición animal como ingredientes para reemplazar la harina de pescado.
La producción intensiva de diferentes especies de microalgas marinas ha sido una actividad intrínseca de varias operaciones acuícolas. Por ejemplo, la alimentación larval y el enriquecimiento del alimento vivo con microorganismos son fuertemente dependientes del abasto de microalgas; sin embargo, en las últimas décadas, varias empresas se han orientado a producir biomasa de microalgas para la producción de biocombustibles. La demanda de fuentes alternativas de energía ha llevado al desarrollo de bio-refinerías, las cuales se definen como instalaciones en las que se integran procesos y equipos con el propósito de convertir biomasa orgánica en biocombustibles, energía y productos químicos específicos (Cherubini 2010; Singh & Gu 2010). Otros sectores industriales han desarrollado tecnologías para generar biomasa de microalgas para la generación de productos funcionales específicos como carotenoides y ácidos grasos poli-insaturados. Por ejemplo, la microalga Haematococcus pluvialis se ha producido intensivamente en fotobiorreactores para generar biomasa y extraer astaxantina bajo métodos comercialmente viables (Olaizola 2000, 2003). El subproducto principal de los procesos de extracción de biocombustibles y pigmentos es una biomasa de microalgas de la cual se extrajeron los lípidos. Biomasa secundaria de este tipo ha sido probada con éxito como una fuente adecuada de proteína en dietas para crustáceos y peces (Ju et al. 2012; Kissinger et al. 2016). En el caso de productos comerciales derivados de levaduras y destinados a la alimentación animal (Phileo®, NuPro®), estudios han demostrado que incluso una baja inclusión de estas fracciones de levadura (mezclas de péptidos, nucleótidos y otros componentes citoplasmáticos) en las dietas, promueven un mejor crecimiento y un aumento en los indicadores inmunológicos en peces (Lunger et al. 2006, Berto et al. 2015). Dado que la industria de la acuicultura es una actividad relativamente reciente, existe un conocimiento incompleto acerca de los efectos fisiológicos que estos nuevos ingredientes derivados de microbios promueven en los organismos acuáticos.
Fuentes de proteína animal, vegetal y microbiana para la acuicultura Las harinas derivadas de productos animales como la harina de pescado y las harinas de subproductos avícolas y bovinos mantienen una disponibilidad continua y ofrecen buenos perfiles nutricionales para la mayoría de especies acuáticas cultivables. Las proteínas marinas obtenidas a partir de calamar, camarón y pescado presentan características nutricionales superiores, pero la manufactura de harinas de origen marino ha generado preocupaciones en relación a la conservación ecológica y en relación a aspectos económicos (Phillips 2005). Las harinas de origen vegetal son las fuentes de proteína más utilizadas para sustituir harinas de origen animal en alimentos acuícolas y su inclusión es cada vez mayor debido a su disponibilidad, costo y a la calidad de los perfiles de aminoácidos (de Francesco et al. 2004; Kaushik et al. 2004; Cruz-Suárez et al. 2009).
Además de promover altas tasas de supervivencia y crecimiento, ha sido demostrado que el nitrógeno dietario suministrado por ingredientes derivados de plantas, es fisiológicamente incorporado en altas proporciones en el tejido muscular de camarones (Martínez-Rocha et al. 2012; Gamboa-Delgado et al. 2013). Las proteínas vegetales, por lo tanto, presentan ventajas nutricionales para los organismos acuáticos; sin embargo, predicciones generadas a partir de la reducción de tierra cultivable, y una creciente demanda de productos agrícolas por la creciente población humana, indican un límite o conflicto en la producción agrícola que es exclusivamente orientada a la producción animal. Adicionalmente, algunas especies acuáticas son menos tolerantes que otras a la presencia de altas proporciones de harinas vegetales en sus respectivas dietas (Francis et al. 2001). Entre algunas de las características negativas de las harinas de origen vegetal, se incluye la presencia de anti-nutrientes, algunas restricciones en ciertos aminoácidos y generación de enteritis en peces carnívoros.
Lo anterior ha limitado ligeramente su uso y se han incrementado los costos debido al procesado adicional para neutralizar los compuestos anti nutricionales o bien para mejorar los perfiles nutricionales. En este contexto, las características nutricionales de varios tipos de microorganismos han generado interés para implementar su uso como ingredientes en dietas balanceadas. La biomasa microbiana generada a partir de diferentes fuentes puede usarse como aditivo (atractante o suplemento) o como ingrediente para sustituir parcialmente otras fuentes de proteína en dietas balanceadas, por ejemplo, en el caso de la acuicultura, la harina de pescado y la harina de soya. Estudios relativamente recientes han demostrado que la biomasa microbiana intacta, procesada, o los productos específicos extraídos de levaduras, bacterias y microalgas, promueven efectos importantes sobre el crecimiento y generan una modulación inmunológica en larvas y juveniles de organismos acuáticos (Daniels et al. 2010; Biswas et al. 2012; Macias-Sancho et al. 2012; Vidakovic et al. 2016). Por otro lado, también se ha reportado que las levaduras y las bacterias fotosintéticas pueden ser exitosamente producidas y usadas para el cultivo de zooplancton y para reemplazar la harina de pescado (Kim & Lee 2000; Olvera et al. 2002; Loo et al. 2013; Gamboa-Delgado et al. 2016). Las tecnologías asociadas a la acuicultura están evidentemente intensificándose y por lo tanto, promoviendo mayores densidades de siembra. Una eficiente respuesta inmune en los animales cultivados representa un aspecto crucial para mantener y mejorar las tasas de crecimiento y la resistencia al estrés en tales sistemas de producción intensiva. En este contexto, el uso de la biomasa microbiana como un agente promotor del crecimiento y salud animal ha generado mayor interés respecto a sus efectos adicionales.
Valor nutricional de los microorganismos y sus componentes celulares
En general, las células completas de microalgas, levaduras y bacterias contienen un alto contenido de proteína en base seca (Tabla 1). El contenido proteico y los perfiles de aminoácidos de muchos microorganismos han sido reportados y algunos de estos son considerados como portadores de un alto valor biológico (Loosli & McDonald 1968, FAO/WHO 1973, Becker 2007). El contenido de lípidos tiende a ser significativamente mayor en la biomasa derivada de microalgas que en la biomasa de bacterias y levaduras.
Mientras que las dos últimas son ricas en proteína, pigmentos, co-factores biológicos y vitaminas. Adicionalmente, un aspecto muy importante que ha sido reportado consiste en que el perfil nutricional de bacterias y microalgas puede ser significativamente modificado al usar medios de cultivo específicos y condiciones particulares de crecimiento (Loo et al. 2013; Huang & Su 2014). La pared celular de las levaduras está constituida por 25 a 32% del peso celular (Ferreira et al. 2010) y algunos tipos de bacterias tienen paredes celulares que resultan más digeribles que aquellas encontradas en las microalgas y levaduras (Kobayashi & Kurata 1978). A pesar de que las paredes celulares pueden resultar indigeribles para algunos organismos consumidores (Skrede et al. 1998; Liu et al. 2016), estas también representan una importante fuente de nutrientes debido a que se componen principalmente de polisacáridos (85-88%) y proteína (13%) (Nguyen et al. 1998).
Compuestos lipídicos tales como lipoglicanos también están presentes en las paredes celulares microbianas, aunque en menores cantidades (Ginsberg et al. 2008). Cuando se compara con otros ingredientes disponibles, la biomasa microbiana representa una fuente insuperable de ácidos nucleicos. Por ejemplo, Rumsey et al. (1992) reportaron que del 12 al 20% del nitrógeno en la levadura de cerveza Saccharomyces cerevisiae (una fuente microbiana ya utilizada en algunas dietas animales), puede estar constituido por nitrógeno derivado de su ácido ribonucléico (ARN).
Los efectos de la suplementación de nucleótidos sobre el crecimiento, las respuestas al estrés e inmunológicas,
Tabla 1. Características nutricionales generales de microalgas, bacterias, levaduras y harina de pescado. Rangos de composición reportados en base seca.
y la palatabilidad de las dietas han sido escasamente estudiadas durante los últimos 30 años (Oliva-Teles 2012; Li & Gatlin 2006 y referencias en citado artículo). Las ventajas y desventajas nutricionales de los nucleótidos son abordadas en las siguientes secciones.
Biomasa microbiana como aditivo y como sustituto de la harina de pescado
Microalgas
Microalgas marinas y dulceacuícolas han sido extensivamente producidas como parte de las operaciones de larvicultivo de peces, crustáceos y moluscos. Métodos específicos y bien establecidos han permitido la producción continua de varias especies de microalgas en salas de eclosión y en salas de larvicultivo. Sin embargo, la aplicación de las microalgas como ingredientes en acuicultura no es aún extensiva en parte debido a que la intención de estas técnicas de producción es generar biomasa microalgal sin tratar, es decir, no existe el objetivo de extraer y aislar las proteína de las microalgas (Becker 2007). En contraste, la producción de SCP a partir de varios microorganismos, en particular bacterias y microalgas ha recibido mayor atención y esfuerzos en cuanto a su procesado. Las razones principales que han conllevado a esto son de naturaleza económica dado que la mayoría de los métodos de producción de microalgas todavía demandan un alto número de recursos. Por otro lado, varias dificultades técnicas (inconsistencia en la cantidad y calidad nutricional, alta demanda de energía eléctrica) asociadas a los procedimientos de producción de biomasa de microalgas todavía esperan solución (Nasseri et al. 2011). Estudios sobre la factibilidad de aplicación de la SCP derivada a partir de microalgas en nutrición animal y estudios sobre el cultivo de microalgas exclusivamente como fuente de proteína, son muy escasos (Fábregas et al. 1985; Mahasneh 1997). No obstante, y en vista de que las proteínas derivadas de las microalgas presentan alta digestibilidad, altos valores biológicos y son comparables a las proteínas vegetales usadas convencionalmente (Becker 2007; Teimouri et al. 2013), es posible predecir que en algún punto se iniciará la inclusión dietaria de biomasa de microalgas en los alimentos balanceados. Muchos de estos productos provendrán de biorefinierías y de industrias que generan microalgas para aislar pigmentos y compuestos específicos, produciendo de esta forma, sub-productos valiosos para la nutrición animal.
Especies de microalgas frecuentemente probadas en bioensayos en los cuales se han incluido como aditivos están representadas por Haematococcus pluvialis, Spirulina, Chlorella y Schizochytrium. Las especies que pertenecen al último género, son microalgas bien conocidas y explotadas como una fuente renovable de ácidos grasos altamente insaturados. Métodos de producción alternativos muestran un gran potencial para apoyar futuros incrementos en la producción de biomasa microalgal. Por ejemplo, varias especies de microalgas (Schizochytrium, Chlorella, Pavlova) comparten la habilidad fisiológica para reproducirse bajo condiciones de oscuridad, pero requieren el soporte de una fuente de carbono (crecimiento heterotrófico), situación que reemplaza el uso tradicional de un suministro de luz natural o artificial (crecimiento autotrófico). Perez-Garcia et al. (2011) han reportado que bajo ciertas condiciones de crecimiento heterotrófico, la cantidad de biomasa microalgal producida es consistente y reproducible, alcanzando densidades celulares de 50 a 100 gramos de biomasa seca por litro de medio de cultivo. En comparación, este rango de producción es mucho mayor que el máximo posible alcanzado en cultivos autotróficos (30 gramos por litro) y es similar a la producción de biomasa seca de levadura actualmente utilizada en fermentadores comerciales (130 gramos por litro).
Una serie de resultados generados a partir de diversos estudios que han utilizado biomasa derivada de microalgas como ingrediente en dietas acuícolas, indican una mayor cantidad de efectos positivos que negativos sobre el crecimiento, la supervivencia, la pigmentación y la respuesta inmune de los organismos acuáticos (Tabla 2).
Levaduras
Las levaduras representan el primer grupo de microorganismos reconocidos como importantes al ser usados como suplementos en dietas para animales (Nasseri et al. 2011).
Las levaduras y otros hongos unicelulares contienen altos niveles de proteína y han sido tradicionalmente incluidos en varias formulaciones para animales terrestres. La biomasa de diferentes levaduras ha sido también experimentalmente probada en un amplio rango de animales acuáticos. La principal especie utilizada en la fabricación de levaduras comprimidas es la levadura de panificación Saccharomyces cerevisiae, cuya producción depende de cultivos puros y melazas. La primera etapa de producción incluye fermentación en serie en confinamiento. La biomasa obtenida es recuperada del fermentador final por centrifugación y un subsecuente filtrado para concentrar las células. La levadura es mezclada con otros ingredientes y después de una extrusión se comercializa en paquetes compactados o como polvo (EPA 1995). Recientes procesos de post-producción se han enfocado en la remoción de las paredes celulares, para así producir un extracto de levadura con propiedades nutricionales mejoradas para peces y crustáceos (Vidakovic et al. 2016; Zhao et al. 2017). La levadura de panificación es comúnmente adicionada a las dietas compuestas para animales como una fuente adicional de aminoácidos, vitaminas y para promover efectos positivos sobre la palatabilidad de las dietas, lo cual puede ser atribuído al alto contenido de nucleótidos en las células individuales de levadura. Previamente se ha reportado que hasta el 20% del nitrógeno total en Saccharomyces cerevisiae, puede estar compuesto de bases púricas y pirimidínicas de las nucleoproteínas (Rumsey et al. 1992).
Aunque una alta digestibilidad de las levaduras ha sido demostrada, las levaduras no pueden ser utilizadas para reemplazar toda la proteína disponible en las dietas para organismos acuáticos. Los niveles de inclusión inicialmente recomendados oscilaban entre 5 y 10% para peces y de 2 a 5 % para camarones (Hertrampf & Piedad-Pascual 2000).
Mayores porcentajes de inclusión han sido probados con éxito, pero en niveles cercanos a la sustitución completa de la harina de pescado, se genera menor palatabilidad y menor crecimiento en peces. Rumsey et al. (1991) reportaron una disminución en el consumo de alimento en trucha arcoíris alimentada con dietas formuladas con altos niveles de levadura; dietas con contenidos mayores a 50% no fueron aceptadas. Sin embargo, varios estudios recientes han mostrado que los niveles dietarios de levadura pueden incrementarse sustancialmente después de provocar el rompimiento de la pared celular de las levaduras y al garantizar que las dietas se encuentren nutricionalmente bien balanceadas (Tabla 3).
Bacterias y material biofloculado seco
Varias especies de bacterias han generado interés debido a su gran adaptabilidad para ser cultivadas masivamente y también debido a su potencial de uso en acuicultura. Estudios preliminares han reportado acerca de la producción y aplicación exitosa de la bacteria fotosintética Rhodopseudomonas palustris, aunque otras especies han sido también investigadas en cuanto a su producción y desempeño nutricional (Kim & Lee 2000; Loo et al. 2013).
Por otro lado, bacterias metanótrofas producidas con gas natural como fuente de carbono, han sido también investigadas como fuentes alternativas de nutrientes para animales terrestres y acuáticos. Entre estas bacterias, Methylococcus capsulatus ha sido probada en diferentes animales monogástricos terrestres y acuáticos (Øverland et al. 2010).
Bioensayos realizados en peces han demostrado que la calidad nutricional de una harina derivada de esta especie de bacteria se desempeña bien como fuente alternativa de proteína para reemplazar la harina de pescado en dietas formuladas para salmón del Atlántico (Aas et al. 2006). Varias iniciativas comerciales se han orientado a la producción de biomasa bacteriana a partir de desechos generados por las industrias de los alimentos y agrícolas.
Uno de los principales cuellos de botella para estas iniciativas comerciales ha sido la dificultad para estandarizar un producto final nutricionalmente consistente que pueda ser ofrecido como un reemplazo de la harina de pescado o como aditivos dietarios.
Sin embargo, ensayos preliminares han demostrado que la inclusión dietaria de esta biomasamicrobiana se ha usado exitosamente para promover un mejor crecimiento, supervivencia y respuesta inmune en peces y crustáceos (Tabla 4). Por otro lado, la diversificación de las tecnologías orientadas a la producción de organismos acuáticos ha conllevado al desarrollo de nuevas metodologías encaminadas a promover una mayor producción en menores áreas.
Entre estos métodos de producción alternativos, los sistemas basados en el fomento de comunidades microbianas (bioflóculos o biofloc) han sido aplicados para el cultivo de camarón y otros organismos. El principio nutricional de estos sistemas se basa en la formación de material biofloculado, principalmente conformado por agregados bacterianos.
Investigaciones recientes sobre este tópico han sido reportadas en varios artículos de revisión e investigación (De Schryver et al. 2008; Avnimelech 2009; Emerenciano et al. 2012). Los sistemas basados en biofloc pueden ser de naturaleza autotrófica o heterotrófica, dependiendo de la presencia dominante de microalgas, bacterias, o ambas. Una diversa comunidad de microorganismos es frecuentemente fomentada por medio de inóculos y sustratos específicos. El material biofloculado, a su vez, provee sustrato para otros organismos y consiste en una nutritiva fuente adicional de alimento para los organismos en cultivo. Además de tratarse de un alimento de buena calidad y con disponibilidad continua, esta biomasa también ejerce un impacto positivo en la calidad del agua de los entornos de cultivo. Al final de los ciclos de producción en estos sistemas, el material biofloculado remanente puede representar un subproducto útil. De forma similar, las plantas de tratamiento para efluentes de algunas industrias, puede generar importantes cantidades de material biofloculado. Algunos estudios se han dirigido a investigar los efectos de la inclusión de material biofloculado seco en dietas para organismos acuáticos. Tales estudios proponen aplicaciones nutricionales interesantes para un amplio rango de sub-productos generados por las industrias de los alimentos y bebidas, las cuales generan material microbiano biofloculado durante sus procesos de producción.
Tabla 3. Diferentes tipos de biomasa de levaduras y sus efectos como ingredientes alternativos en alimentos acuícolas experimentales para peces y crustáceos
HP: Harina de pescado, TC: Tasas de crecimiento, TCA: Tasa de conversión alimenticia, TEP: Tasas de eficiencia proteica, AGAI: Ácidos grasos altamente insaturados, N: Nitrógeno.
Tabla 2. Géneros y especies de microalgas usadas en algunos estudios nutricionales, niveles de inclusión de biomasa y principales efectos reportados en peces y crustáceos.
HP: Harina de pescado, TC: Tasas de crecimiento, TCA: Tasas de conversión alimenticia, AA: Aminoácidos, N: Nitrógeno
Metodologías para evaluar el desempeño nutricional de la biomasa microbiana
Atractabilidad y palatabilidad
Una buena atractabilidad y palatabilidad dietaria son dos características organolépticas que conducen al inicio y continuación de la respuesta alimenticia en la mayoría de los animales acuáticos. La aguda quimo-recepción de peces y crustáceos permite una rápida detección de sustancias de bajo peso molecular, tales como aminoácidos y ácidos nucleicos (Grasso & Basil 2002; Hara 2005; Rønnestad et al. 2013). La mayoría de las sustancias que estimulan a las células sensoriales olfativas y gustativas de peces, se caracterizan por tener bajo peso molecular (<1000 Da) y por tener características nitrogenadas y anfóteras (Hara 1993).
Todas estas características químicas aplican a los aminoácidos, betaínas y nucleótidos. El alto contenido de nucleótidos en los microorganismos los convierte en agentes eficientes para mejorar la palatabilidad de una dieta. Los extractos de levadura son frecuentemente utilizados en la industria de los alimentos como mejoradores del sabor, en particular debido al alto contenido de ácido glutámico y nucleótidos (e.g. guanosin-monofosfato) conocidos por sus propiedades estimulantes ejercidas sobre peces (Ferreira et al. 2010; Berto et al. 2015; Li & Gatlin 2006); sin embargo, altas concentraciones dietarias de ácidos nucleicos pueden afectar negativamente la palatabilidad de las dietas. Lunger et al. (2006) reportaron que juveniles de cobia alimentados con dietas en las cuales la harina de pescado se reemplazó por completo por una proteína de levadura, presentaron bajas tasas de ingestión y bajas tasas de crecimiento.
Digestibilidad
La estimación de los coeficientes de digestibilidad aparente provee un indicador acerca de la disponibilidad de los nutrientes contenidos en un ingrediente específico y por lo tanto puede utilizarse como parte de los criterios de selección de ingredientes alternativos y tradicionales. La información generada a partir de estos coeficientes facilita la selección de ingredientes para mejorar el valor nutricional de los alimentos, así como para disminuir los costos de producción. La digestibilidad de un ingrediente o insumo depende principalmente de su composición química y de la fisiología digestiva de la especie a la cual se alimenta (Brunson et al. 1997).
Varios estudios han sido desarrollados para explorar la digestibilidad de diferentes fuentes de biomasa microbiana seca en varias especies de animales acuáticos.
En general, estos estudios han demostrado que la biomasa microbiana tiende a mostrar altos coeficientes aparentes de digestibilidad para la materia seca y para la proteína. Por ejemplo, en bioensayos realizados con camarón blanco, se ha demostrado que algunos tipos de levaduras generan coeficientes de digestibilidad aparentes que resultan similares a aquellos obtenidos para la harina de pescado (82 a 86%, para la proteína cruda) (Cruz-Suárez et al. 2009; Villarreal-Cavazos 2011). En peces, Oliva-Teles & Goncalves (2001) reportaron que juveniles de lobina marina (Dicentrarchus labrax) alimentados con dietas formuladas con levadura Saccaromyces cerevisae, mostraron coeficientes de digestibilidad altos para la materia seca (72 a 86%), proteína (87 a 93 %) y energía (82 a 95%); sin embargo, los coeficientes para materia seca y energía disminuyeron significativamente al aumentar los niveles dietarios de levadura.
Tabla 4. Diferentes fuentes de biomasa bacteriana y mezclas complejas microbianas de material seco biofloculado y sus efectos nutricionales al ser incluidos como ingredientes en dietas experimentales para peces y crustáceos.
La fragmentación de la pared celular microbiana incrementa significativamente el valor nutricional de las levaduras en peces y crustáceos. Zhao et al. (2017) demostraron recientemente que al reemplazar toda la harina de pescado por un extracto de levadura en dietas para camarón, fue todavía posible mantener altos coeficientes de digestibilidad para la materia seca (81%) y la proteína cruda (93%), tal efecto puede ser atribuido a la remoción de las paredes celulares. Rumsey et al. (1991) previamente reportaron un efecto similar en truchas, en donde la digestibilidad del nitrógeno se incrementó al remover todo el material derivado de la pared celular y al aplicar una subsecuente separación del nitrógeno en fracciones de aminoácidos y ácidos nucleicos. En el caso de la biomasa derivada de bacterias y microalgas, Skrede et al. (1998) reemplazaron 25 y 50% de los aminoácidos dietarios de un alimento, con proteína derivada de bacterias (Methylococcus capsulatus, Alcaligenes acidovorans, Bacillus brevis y B. firmus). Estas bacterias fueron cultivadas usando gas natural como fuente de carbono, para posteriormente evaluar su digestibilidad en salmón del Atlántico. La digestibilidad de los aminoácidos estuvo en un rango de 52 a 92%, y ésta disminuyó consistentemente al aumentar los niveles dietarios de proteína bacteriana, excepto para el aminoácido arginina. En un estudio reciente, Sarker et al. (2016) desarrollaron un experimento con tilapia del Nilo y reportaron una alta digestibilidad de los ácidos grasos (57-95%) y los aminoácidos (86-94%), respectivamente suministrados por biomasa de microalgas Schizochytrium y Spirulina.
Asimilación y contribución al crecimiento
El origen de los nutrientes suministrados por diferentes ingredientes y su incorporación final en el tejido de los animales en crecimiento pueden ser evaluados mediante varias metodologías analíticas. Aunque algunos métodos aplicados en crustáceos se han basado en la estimación de las eficiencias de asimilación de la materia orgánica (Condrey et al. 1972), las técnicas más frecuentemente aplicadas para estimar la asimilación de nutrientes están representadas por metodologías que utilizan mediciones de radio-isótopos o isótopos estables. Tales técnicas isotópicas surgieron en las ciencias geológicas y son ahora utilizadas ampliamente en estudios de ecología y nutrición. En nutrición acuícola, las metodologías isotópicas han permitido elucidar la utilización fisiológica de nutrientes derivados de ingredientes alternativos a la harina de pescado y derivados de fuentes alternativas de proteína para organismos acuáticos (Conceição et al. 2007; Le Vay & Gamboa-Delgado 2011). La aplicación de isótopos estables se basa en la determinación de las abundancias naturales de isótopos de carbono y nitrógeno (por ejemplo, 12C y 13C para carbono, 14N y 15N para nitrógeno), entre varios otros elementos. Tales abundancias naturales tienden a ser consistentes en diversos tipos de alimento o ingredientes y estas firmas isotópicas específicas son transferidas a los tejidos de los organismos consumidores.
Estas características permiten diseñar estudios orientados a la determinación del origen y destino de nutrientes. Al integrar los valores isotópicos de los animales consumidores y sus dietas en modelos de mezclado isotópico (modelos de balance de masa), es posible obtener un indicador de las proporciones relativas de nutrientes aportadas al crecimiento de un organismo (Phillips & Gregg 2001; Phillips 2012). En una serie de estudios realizados en nuestro laboratorio, se han aplicado análisis isotópicos de nitrógeno (δ15N), con el objetivo de evaluar en camarón blanco del Pacífico las contribuciones proporcionales de nitrógeno dietario aportado por diversos tipos de proteína microbiana, la cual ha sido suministrada en forma de biomasa de microalgas, levadura y harina de bioflóculos (Tabla 5). En estos bioensayos, los animales son alimentados con dietas formuladas con diferentes proporciones de una harina de pescado de referencia y diferentes proporciones de ingredientes derivados de biomasa microbiana. Los ingredientes son seleccionados en función de sus propiedades nutricionales, pero también tomando en cuenta sus valores isotópicos naturales de nitrógeno, los cuales deben de ser diferentes a los de la harina de pescado para facilitar subsecuentes estimaciones.
Tabla 5. Eficiencias de asimilación relativas del nitrógeno dietario aportado por diferentes tipos de biomasa microbiana (BM) y aportado por harina de pescado (HP). Valores porcentuales estimados a partir de análisis isotópicos de nitrógeno (δ¹⁵N).
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Superíndices indican diferencias significativas (pruebas de bondad de ajuste Chi-cuadrada) entre las contribuciones esperadas (dietas) y observadas (tejido muscular) de nitrógeno dietario incorporado desde los diferentes ingredientes de origen microbiano.
Eventualmente, análisis isotópicos de nitrógeno (δ¹⁵N) son aplicados a ingredientes y tejido muscular para estimar las contribuciones proporcionales de nitrógeno dietario suministrado por los ingredientes al crecimiento del camarón. En general, los resultados generados a partir de estos bioensayos indican que las proteínas de origen microbiano son asimiladas rápidamente y además son incorporadas en el tejido muscular en proporciones que son frecuentemente similares a las proporciones de biomasa microbiana incluidas en las dietas experimentales (Tabla 5). La biomasa producida a partir de las microalgas Spirulina y Nannochloropsis contiene altos niveles de proteína cruda (59 y 43%); sin embargo, solamente el nitrógeno dietario aportado por Spirulina contribuyó al crecimiento en una magnitud mayor que la harina de pescado. Lo anterior se debe posiblemente a que el perfil de aminoácidos de la Spirulina es más apropiado para el camarón que el perfil de la biomasa de Nannochloropsis. Resultados obtenidos de estos y otros estudios han indicado que al sustituir la harina de pescado en altos niveles ó incluso completamente por algún tipo de biomasa microbiana, se genera una disminución en las proporciones de nitrógeno microbiano contribuyente al crecimiento, así como una disminución en las tasas de crecimiento de los animales consumidores. Dietas formuladas con diferentes niveles de levadura Torula (7.5, 15, 30, 60%) sustituyendo a la harina de pescado, generaron crecimiento similar o mayor al promovido por una dieta control conteniendo solamente harina de pescado como fuente de proteína. Las proporciones de aporte de nitrógeno dietario al crecimiento muscular fueron similares a las proporciones establecidas en las dietas, excepto para la sustitución de 60% de harina de pescado, en donde la mayor contribución provino de este ingrediente y no de la levadura. La sustitución total de harina de pescado por Torula, generó una ganancia de peso significativamente menor que el resto de las dietas. En el caso de la harina obtenida a partir de bioflóculos bacterianos, ésta presentó un nivel de proteína cruda de 24%, el cual es relativamente bajo comparado con la biomasa de levadura Torula, pero mayor al estimado en algunas microalgas (Schizochytrium).
El material biofloculado proveniente de diferentes fuentes (granjas acuícolas, plantas de tratamiento) puede ser extremadamente variable en cuanto a sus propiedades bromatológicas.
Inmuno-estimulación
El efecto inmuno-estimulante que muchos aditivos dietarios confieren a los animales consumidores encaja bien en la definición de alimentos funcionales, los cuales se definen como alimentos que generan beneficios fisiológicos adicionales al cubrimiento de los requerimientos nutricionales básicos (Newaj-Fyzul &Austin 2015). Por ejemplo, un alimento funcional puede mejorar el estado de salud y resistencia y por lo tanto reducir la incidencia de una enfermedad. Es ampliamente conocido el hecho de que algunos alimentos presentan propiedades profilácticas y/o inmuno-estimulantes. Como se mencionó antes, la intensificación de las prácticas acuícolas implica incrementos significativos en las densidades de siembra de los organismos. Tales ambientes estresantes requieren soluciones prácticas para reducir los riesgos de enfermedades infecciosas o aquellas asociadas a la producción de hormonas de respuesta al estrés. Adicionalmente, debido a que existe una creciente preocupación relacionada al excesivo uso de antibióticos, se han impuesto prohibiciones al uso de estos en la mayoría de los países europeos en donde se desarrollan actividades acuícolas. En vista de esto, se ha fomentado la investigación sobre los efectos inmuno-nutricionales de varios ingredientes sobre los organismos acuáticos y reviste una gran importancia actual (Ringo et al. 2012). Los efectos inmuno-estimulantes (innato y adaptativo) promovidos por nucleótidos derivados de microorganismos han sido ampliamente demostrados en animales acuáticos (Li & Gatlin 2006; Daniels et al. 2010; Biswas et al. 2012). Devresse (2000) y Li et al. (2007) consideran que los nucleótidos son nutrientes clave para el sistema inmune de los camarones. Por lo tanto, la suplementación de estos, o de sustratos que contienen alta cantidad de nucleótidos, tales como las levaduras y sus derivados, pueden mejorar la resistencia a las enfermedades y mejorar las tasas de crecimiento. Li & Gatlin (2006) han realizado una síntesis acerca de los avances de investigación sobre los nucleótidos en la nutrición de peces. Los autores declaran que aunque diversos productos derivados de levaduras se han utilizado en formulaciones nutricionales para camarones, el papel de los nucleótidos derivados de levaduras (y otros microorganismos) permanece ampliamente sin descifrar.
También existe evidencia que indica que algunos ácidos grasos (DHA, EPA, ARA) derivados de microalgas pueden ejercer efectos inmuno-estimulantes sobre los organismos acuáticos (Carton-Kawagoshi & Caipang 2015). Similarmente, se ha reportado que diversos componentes de las células microbianas presentan propiedades inmuno-estimulantes. Entre estos se encuentran los lipopolisacáridos, β-glucanos, dipéptidos de muramil y preparaciones bacterianas tratadas con calor (Sakai, 1999). Se requiere investigación adicional sobre el papel nutricional de los nucleótidos y también sobre la gran cantidad de componentes derivados de las paredes y citoplasmas microbianos. El desarrollo de inmuno-estimulantes mejorados dependerá de un mejor conocimiento de los mecanismos de acción de estos componentes microbianos sobre las respuestas fisiológicas promovidas en los animales acuáticos.
Desempeño reproductivo
Existe una información muy escasa acerca de los efectos de la adición dietaria de biomasa microbiana sobre el desempeño reproductivo de peces y crustáceos. Goodall et al. (2016) reportaron recientemente que la inclusión de biomasa microbiana en dietas para reproductores de camarón tigre (P. monodon) no mejoró el desempeño de los reproductores domesticados en términos de madurez gonadal y producción de huevecillos y nauplios. Es bien conocido que los reproductores de peces y crustáceos requieren dietas frescas de alta calidad nutricional, con altos contenidos de proteína y lípidos, en particular ácidos grasos poli-instaurados. Es por lo tanto razonable asumir que varios tipos de microorganismos pueden ser empleados para suministrar estos componentes; sin embargo, esto posiblemente requerirá una combinación de especies microbianas. Por ejemplo, las microalgas pertenecientes a los géneros Schizochytrium y Haematococcus presentan un alto contenido de lípidos, mientras que las microalgas Spirulina y Scenedesmus pueden contener un alto contenido de proteína en base seca (Duong et al. 2015; Kissinger et al. 2016).
Las levaduras también pueden representar una fuente de nutrientes específicos para organismos reproductores. Koch et al. (2011) reportaron que al adicionar 2% de levadura de cerveza a dietas para reproductores de tilapia se obtuvo una mejora significativa en la supervivencia de los alevines en relación a los efectos promovidos por una dieta de referencia conteniendo solamente proteínas de origen vegetal. En el cultivo de moluscos y equinodermos, el uso de especies específicas de microalgas (algunas de estas concentradas como pasta o polvo) es actualmente una práctica común. Esto se debe a que mediante estas, se promueve el desarrollo gonadal y la salud de los reproductores. Chen et al. (2012) usaron una mezcla de pescado macerado, yema de huevo, levadura y Spirulina para promover exitosamente la maduración gonadal del pepino marino Apostichopus japonicas.
Efectos prebióticos y probióticos
La biomasa microbiana derivada de diferentes microorganismos ha sido también extensivamente probada respecto a sus efectos prebióticos y probióticos. Los prebióticos pueden definirse como elementos de la dieta que no son digeribles pero en cambio estimulan el crecimiento o la actividad de uno o más tipos de bacterias en el tracto digestivo. Los probióticos, en cambio, son microorganismos vivos que al ser agregados como suplemento en la dieta, favorecen el desarrollo de flora microbiana. Los entornos de cultivo y el alimento formulado pueden usarse como vehículos para proveer prebióticos y probióticos; en particular, las esporas derivadas de bacterias benéficas son muy viables para ser administradas como suplementos en alimentos formulados. Ha sido reportado que los organismos cultivados en sistemas intensivos muestran un estado de salud y un nivel de supervivencia significativamente mejorado cuando se manipula la microflora del tracto (e incluso la flora microbiana ambiental) con organismos probióticos o mediante el uso de prebióticos (Olafsen 2001; Rengpipat et al. 2000). Aunque falta mucha investigación sobre el modo de acción de los probióticos, se cree que sus efectos se deben a interacciones inhibitorias, competencia por sitios de adhesión y estimulación inmunológica, entre otros.
El uso de probióticos ha tomado auge en acuicultura debido a sus efectos sobre la prevención de enfermedades y por la evidente mejora en el estado nutricional de los animales en cultivo. Similarmente, el interés por su uso aumentó como consecuencia de la presión ejercida por desarrollar un tipo de acuicultura libre de terapéuticos y más amigable ambientalmente. Aunque ha sido demostrado que los probióticos viables vivos son mejores que los no no-viables inactivados por calor (Panigrahi et al. 2005), es muy posible que los ingredientes de origen microbiano incluidos en alimentos acuícolas también ejerzan un efecto atenuado pero positivo como probióticos y prebióticos.
Aspectos económicos de la producción de biomasa microbiana
El incremento en la demanda de productos acuícolas y pesqueras ha ejercido una fuerte presión sobre los recursos marinos (McClanahan et al. 2015). Esto se ha visto reflejado en incrementos constantes de precio. Por ejemplo, el precio de la harina de pescado se ha incrementado de $ 600 USD por tonelada en 1995 a $ 1700 USD por tonelada en 2015 (IM 2016). Claramente se requieren fuentes alternativas de proteína, y esta necesidad ha conllevado a la investigación intensiva. Existe una tendencia a histórica a la reducción de la harina de pescado incluida en dietas para acuicultura, mientras que también las tasas de conversión alimenticia han tendido a reducirse (Olsen & Hasan 2012). Los costos estimados de producción para generar un kilogramo de biomasa microbiana son altamente variables, pero en general también se ha experimentado una reducción progresiva tanto en los costos de producción como en los precios de venta gracias a nuevas tecnologías implementadas. Loo et al. (2013) han reportado que los costos estimados de producción de microalgas y levaduras para operaciones de larvicultivo se encontraban previamente en un amplio rango de 46 a 600 USD por kilogramo de biomasa seca. Sin embargo, métodos recientes de producción para bacterias y levaduras han disminuido significativamente estos números y se encuentran actualmente en un rango de 1 a 79 USD por kilogramo de biomasa seca (Rosenberry 2011; Pongpet et al. 2015). Los principales costos de producción están representados por la obtención de sustratos de cultivo y la energía requerida para las operaciones de cultivo, cosecha, secado, etc. Por lo tanto, técnicas de producción menos onerosas se han enfocado en el uso de sustratos no convencionales para producir biomasa microbiana en una forma sustentable y económica. Por ejemplo, Lee & Kim (2001) demostraron que los costos de producción de la levadura torula Candida utilis puede reducirse hasta 1.08 - 2.76 USD kg usando melaza en lugar de medios de cultivo complejos.
Métodos alternativos para la producción de levaduras y bacterias a partir del uso de sustratos representados por desechos de las industrias agrícolas y de los alimentos, se encuentran actualmente en etapa experimental o piloto comercial (Dantas et al. 2016; Nouska et al. 2015). No obstante, otros procesos ya han sido estandarizados, escalados y patentados. Algunos de estos productos serán exclusivamente orientados al sector de la nutrición animal y la acuicultura (Glencross et al. 2014; WEF 2015; BFD 2015).
Frecuentemente, el uso de la biomasa microbiana recién cosechada requiere tratamientos post-cosecha aplicados para concentrar la cantidad de proteína, para mejorar la digestibilidad o para satisfacer aspectos de inocuidad. Todos estos procesos tienden a aumentar el precio por unidad de biomasa microbiana producida. Vizcaíno et al. (2014) realizaron un estudio para utilizar la microalga Scenedesmus almeriensis como un ingrediente de reemplazo de harina de pescado en dietas para dorada, pero se considera que los precios de producción deben disminuir ya que, por ahora, el precio (7 a 14 USD Kg) limita el uso de esta biomasa a gran escala. Acién et al. (2012) demostraron que los costos de producción de una instalación real para la producción de microalgas de esta misma especie pueden reducirse de 75 a 14 USD kg mediante la simplificación de las tecnologías de producción y el escalamiento de la producción (en particular los foto-biorreactores). De la misma forma, Norsker et al. (2011) calcularon los costos de producción para generar biomasa de microalgas en tres diferentes sistemas operando a escala comercial: estanques abiertos, foto-biorreactores tubulars horizontales y foto-biorreactores en panel. Para los tres sistemas, los costos de producción para un kilogramo fueron 5.50, 4.45 y 6.62 USD, respectivamente. Los elementos más costosos en el proceso de producción estuvieron representados por el establecimiento de condiciones de irradiación óptima, el mezclado de fluídos, la procuración de alta eficiencia fotosintética, los medios de cultivo y el dióxido de carbono suplementario. Después de optimizar la producción respecto a cada uno de estos factores, el precio resultante de la biomasa microalgal fue de 0.77 USD kg. Los autores declaran que a este nivel de precio, las microalgas denotarían ser un insumo promisorio como alimento o suplemento nutricional, así como una fuente rentable de biocombustibles y de compuestos orgánicos específicos.
Retos actuales y futuros
Las técnicas de producción mejoradas y la aplicación de nuevos métodos para aumentar el valor nutricional de los productos microbianos finales son dos de los aspectos que determinarán que tan rápido la biomasa microbiana será usada de forma común como parte de los alimentos acuícolas. Los métodos industriales más avanzados para generar biomasa microbiana corresponden a aquellos aplicados a la producción de levaduras. Sin embargo,
aún hay varios puntos que mejorar; por ejemplo, los aspectos moleculares relacionados a la adaptación de las levaduras a las adversas condiciones de cultivo, se encuentran poco explorados (Gómez-Pastor et al. 2011). El mejoramiento de cada una de las etapas de producción aportará una mayor producción de biomasa y productos finales derivados de ésta. Básicamente, cualquier modificación de la biomasa microbiana en las etapas de postproducción, tiende a incrementar los costos de producción; por lo tanto, es requerida investigación adicional para evaluar las características nutricionales de la biomasa microbiana tratada bajo diversos métodos y comparada contra la biomasa intacta.
Actualmente se aplican diversos métodos para mejorar las propiedades nutricionales de los productos finales destinados a ciertos organismos consumidores. La pared celular de los microorganismos puede imponer restricciones para estos animales. Por ejemplo, la pared celular representa 10% de la biomasa microalgal en peso seco y representa un problema para la completa digestión o utilización de esta biomasa para humanos y para organismos no-rumiantes. Procedimientos innovadores orientados a romper la pared celular de los microorganismos son actualmente necesarios para incrementar la biodisponibilidad de los nutrientes. Resultados de varios estudios indican que al remover las paredes celulares o al extraer productos específicos, se obtienen claros beneficios nutricionales e inmunológicos, al comparar los efectos con la biomasa microbiana sin tratar. Rumsey et al. (1991) han reportado que después de romper las paredes celulares de las levaduras, se obtuvo un incremento de 20% en la absorción de nitrógeno en trucha arcoiris (Oncorhynchus mykiss).
Estudios recientes realizados en peces y crustáceos han demostrado que el crecimiento, la utilización de nutrientes, la digestibilidad de las dietas y las respuestas inmunológicas se han mejorado significativamente mediante la inclusión dietaria de extractos de levaduras (Biswas et al. 2012; Berto et al. 2015; Zhao et al. 2017).
Además de las diversas técnicas empleadas para romper las paredes celulares, existe otro rango de metodologías aplicadas para remover el típicamente alto contenido de ácidos nucleicos presentes en la biomasa microbiana (Skrede et al. 2009; Oliveira & Oliva-Neto 2011). Por ejemplo, la levadura contiene entre 6 y 15% de ácidos nucleicos comparado al 2% en los productos cárnicos (Arora et al. 1991). Los animales terrestres monogástricos son incapaces de tolerar altos niveles de nucleótidos dietarios (>4 g de purinas y pirimidinas por día) debido a que se producen altas concentraciones de ácido úrico en plasma, además de la generación de gota a partir del metabolismo de las purinas.
Adicionalmente, existen estudios que reportan efectos adversos de los nucleótidos sobre el metabolismo de otros nutrientes (Rumsey et al. 1992; Devresse 2000). En nutrición humana, un contenido de ácidos nucleicos de 1% en los alimentos ingeridos es considerado como el límite superior (Weissermel & Arpe 2003). De forma interesante, los peces parecen capaces de tolerar niveles de ácidos nucleicos dietarios significativamente mayores gracias a la presencia de la enzima hepática uricasa (urato oxidasa) (Kinsella et al. 1985; Oliva-Teles & Goncalves 2001). Do Huu et al. (2012) determinaron la semi-escencialidad de los nucleótidos en la dieta del camarón tigre y definieron un rango dietario óptimo de entre 0.48 y 0.56 %. Estudios adicionales en crustáceos y en otros organismos acuáticos son actualmente requeridos para definir los efectos de diferentes niveles de inclusión dietaria de los nucleótidos al ser administrados como inmuno-estimulantes. Tales estudios también arrojarían nueva información sobre los límites superiores de inclusión. Existen otras aproximaciones para manipular el valor nutricional de la biomasa microbiana. Becker (2007) reportó en un estudio sobre biomasa de microalgas, el efecto de diferentes métodos de tratamiento post-cosecha (secado por aire, secado en tambor, secado al sol) sobre diferentes cualidades nutricionales de la biomasa obtenida. En el caso de la producción de biomasa bacteriana, Loo et al. (2013) indican en un estudio que el perfil nutricional de una biomasa bacteriana deficiente en lípidos puede ser mejorado al cultivar las bacterias en sustratos alternativos derivados de las industrias de los alimentos. Sustratos alternativos y sustentables que también han sido probados para generar biomasa bacteriana, incluyen el uso de desechos agrícolas, efluentes de procesadores de aceite de palma y los lodos activados de las plantas de tratamiento de agua.
Conclusiones
La producción futura de biomasa microbiana y los diversos ingredientes derivados de ésta, se incrementará significativamente no solo debido al desarrollo de técnicas mejoradas de producción, sino también en respuesta a una creciente demanda y a una diversificación de las aplicaciones en la nutrición acuícola. Como se ha observado frecuentemente con otros insumos, altas producciones pueden conllevar a menores precios. Sin embargo, el precio de la biomasa microbiana será significativamente dependiente de la reducción de los costos de producción. En este contexto, el uso de sustratos alternativos y menos onerosos, representa uno de los principales aspectos que conllevaran a precios más competitivos. Por ejemplo, Gómez-Pastor et al. (2011) consideran que la producción industrial de levadura se beneficiaría a partir de nueva investigación orientada a las eficiencias fermentativas y a la identificación de elementos causantes de estrés en la producción de levadura, algunos de estos aspectos también aplican a la producción de microalgas bajo condiciones heterotróficas. El futuro de la producción de biomasa microbiana para su uso en alimentos acuícolas también dependerá del mejoramiento de las técnicas de producción para lograr un mejor valor nutricional de los productos finales, todo esto a través de innovaciones creativas. La aplicación de técnicas genéticas convencionales y tecnologías de ADN, permitirán la continuación del desarrollo adaptativo de los microorganismos cultivados (Poulose & Bright Singh 2014). Por otro lado, diversas técnicas de evaluación nutricional y la disponibilidad de instrumentación analítica más sensible, facilitarán la investigación nutricional acerca de los efectos de la biomasa microbiana sobre la fisiología de los organismos acuáticos.