Monografias | Biotecnología de alimentos

en términos generales, la biotecnología se puede definir como un conjunto de técnicas en que se utilizan organismos vivos, partes de ellos o moléculas derivadas de organismos vivos para fabricar o modificar productos. además, comprende aquellas técnicas de modificación genética de variedades de plantas, animales o microorganismos para su utilización con un propósito específico.
las principales disciplinas que se aplican en el ámbito de la biotecnología son la microbiología, la bioquímica y la ingeniería genética.

la biotecnología posee la capacidad de cambiar la comunidad industrial del siglo xxi debido a su potencial para producir cantidades prácticamente ilimitadas de:

· sustancias de las que nunca se había dispuesto antes
· productos que se obtienen normalmente en cantidades pequeñas
· productos con costo de producción mucho menor que el de los fabricados por medios convencionales
· productos que ofrecen mayor seguridad que los hasta ahora disponibles
· productos obtenidos a partir de nuevas materias primas más abundantes y baratas

el objetivo fundamental de la biotecnología de alimentos es la investigación acerca de los procesos de elaboración de productos alimenticios mediante la utilización de organismos vivos o procesos biológicos o enzimáticos, así como la obtención de alimentos genéticamente modificados mediante técnicas biotecnológicas.

los aportes de la biotecnología para apoyar los procesos productivos de la industria alimentaria y agroalimentaria se enfocan a dos grandes líneas prioritarias de investigación:

1. tecnología enzimática y biocatálisis

2. alimentos genéticamente modificados

1. tecnología enzimática y biocatálisis

el área de tecnología enzimática y biocatálisis incluye el extenso campo de las fermentaciones en procesamiento de alimentos, así como la mejora genética de microorganismos de aplicación en tecnología de alimentos y la producción de proteínas y enzimas de uso alimentario.

la fermentación es la transformación de una sustancia orgánica (generalmente un carbohidrato) en otra utilizable, producida mediante un proceso metabólico por microorganismos o por enzimas que provocan reacciones de oxidación-reducción, de las cuales el organismo productor deriva la energía suficiente para su metabolismo. las fermentaciones pueden ser anaeróbicas, si se producen fuera del contacto con el aire, o aeróbicas, que sólo tienen lugar en presencia de oxígeno.
las fermentaciones más comunes en la industria de alimentos son la del azúcar, con formación de alcohol etílico, en la elaboración de vino, cerveza, sidra; la del alcohol, con formación de ácido acético, en la elaboración del vinagre; y la fermentación láctica, en la elaboración de quesos y yogures.
actualmente en la industria fermentativa se utilizan tanques de fermentación en los que ésta se realiza en condiciones controladas de temperatura y presión y que permiten regular constantemente la entrada y salida de productos.

los diversos tipos de fermentaciones en la industria de alimentos se pueden clasificar de la siguiente manera:

- fermentaciones no alcohólicas

· panadería (fermentación por levaduras de panadería)
· vegetales fermentados (encurtidos en general)
· ensilado (fermentación de forraje)

- fermentaciones alcohólicas

· vino (fermentación alcohólica y maloláctica)
· cerveza
· sidra
· destilados
· vinagre (transformación de alcohol en ácido acético por fermentación con acetobacter)

- fermentaciones cárnicas

· embutidos crudos curados (salame, chorizo español, etc.)
· jamón serrano (producto curado)
· productos de pescado fermentado (fermentación en filetes de pescado ahumado)

- fermentaciones lácticas

· leches fermentadas en general
· yogur (fermentación de leche con microorganismos acidificantes, como lactobacillus)
· quesos (fermentación con determinados cultivos bacterianos inoculados)
· bebidas lácticas alcohólicas (kefir)

- fermentaciones locales especiales

· salsa de soya
· miso
· tofu
· otros productos

- mejora genética de microorganismos

obtención de cepas recombinantes de microorganismos de utilidad en tecnología de alimentos, mediante técnicas de ingeniería genética. se obtienen así microorganismos como levaduras industriales que poseen una mayor adaptación y eficacia en los procesos fermentativos, o bacterias capaces de producir determinadas enzimas de utilidad en procesamiento de alimentos.

- producción de proteínas y enzimas de uso alimentario

producción de enzimas con una actividad enzimática dada, a partir de células microbianas. esta actividad se vale de varias disciplinas, como la microbiología, la ingeniería genética, ingeniería de proteínas e ingeniería bioquímica. se obtienen así enzimas que transforman el azúcar en polímeros, enzimas que hidrolizan la lactosa de la leche para hacerla más digerible, enzimas que se utilizan en enología, etc.

- diseño de procesos enzimáticos

con los catalizadores disponibles o desarrollados, enzimas o células, libres o inmovilizadas, se pueden llevar a cabo procesos enzimáticos o fermentativos en reactores de diversas características, las que se determinarán para cada proceso específico. así, se ha desarrollado, por ejemplo, una línea de procesos de extracción enzimática de principios activos vegetales para la transformación de materias primas. tal es el caso de un proceso biológico para la extracción de aceite de coco, sin usar solventes ni extractores mecánicos.

en la actualidad se están llevando a cabo diversos avances en los campos de investigación referentes a tecnología enzimática y biocatálisis, en particular el estudio del metabolismo y mejoramiento genético de levaduras industriales, así como la expresión de enzimas específicas mediante cepas microbianas recombinantes.

algunas de las líneas de investigación en desarrollo actual son las que se describen a continuación:

- bacterias lácticas

· utilización de técnicas y desarrollo de métodos para la detección e identificación de bacterias lácticas, utilizadas como cultivos iniciadores de fermentaciones alimentarias.
· estudios sobre el metabolismo de bacterias lácticas, incluyendo metabolismo de azúcares, regulación de la glucólisis e incidencia en la producción de volátiles y la calidad de productos lácteos.

- biología molecular de levaduras industriales

· estudio de mecanismos moleculares implicados en la fisiología de levaduras industriales durante los procesos fermentativos que llevan a cabo.
· estudio de los mecanismos moleculares de la respuesta a estrés osmótico en levaduras industriales.
· modificación genética de cepas de levaduras industriales para conseguir una mayor adaptación y eficacia en los procesos fermentativos.

- enzimas y levaduras vínicas

· utilización de técnicas de selección e identificación de levaduras vínicas.
· estudios de la fisiología de levaduras vínicas durante los procesos de fermentación.
· modificación genética de levaduras vínicas.
· estudios sobre la aplicación de enzimas en enología.
· producción de enzimas de interés enológico.

- estructura y función de enzimas

· estudios de la relación entre estructura y función de proteínas.
· producción heteróloga de enzimas por cepas microbianas.

- levaduras de panadería

· aislamiento y caracterización de microorganismos con aplicación potencial en la industria de panadería.
· estudios sobre el metabolismo de levaduras de panadería.
· expresión heteróloga de genes que codifican enzimas de interés en los procesos de panificación.

- taxonomía molecular

· aplicación de técnicas moleculares para la detección e identificación de bacterias en alimentos. detección e identificación de bacterias patógenas por pcr.

la demanda de alimento global ha aumentado la necesidad de cultivos mejorados. la biotecnología ofrece la tecnología necesaria para producir alimentos más nutritivos y de mejor sabor, rendimientos más altos de cosecha y plantas que se protegen naturalmente contra enfermedades, insectos y condiciones adversas.
la tecnología de alimentos genéticamente modificados (también llamados alimentos transgénicos) permite efectuar la selección de un rasgo genético específico de un organismo e introducir ese rasgo en el código genético del organismo fuente del alimento, por medio de técnicas de ingeniería genética. esto ha hecho posible que se desarrollen cultivos para alimentación con rasgos ventajosos específicos u otros sin rasgos indeseables.
en lugar de pasar 10 o 12 años desarrollando plantas a través de métodos de hibridación tradicional, mezclando millares de genes para mejorar un cultivo determinado, la biotecnología actual permite la transferencia de solamente uno o pocos genes deseables, obteniendo cultivos con las características deseadas en tiempos muy cortos.

las ventajas ofrecidas por la biotecnología de modificación genética se aplican fundamentalmente en el mejoramiento de cultivos agrícolas.
las principales aplicaciones se ven en cultivos con las siguientes características:

· resistencia a enfermedades y plagas
· resistencia a sequías y temperaturas extremas
· aumentos en la fijación de nitrógeno (permitiendo reducir el uso de fertilizantes)
· resistencia a suelos ácidos y/o salinos
· resistencia a herbicidas (permitiendo eliminar malezas sin afectar el cultivo)
· mejoramientos en la calidad nutricional
· modificaciones para obtener cosechas más tempranas
· mejor manejo de postcosecha
· otras características de valor agregado

las ventajas ofrecidas por los alimentos gm pueden resumirse en los siguientes aspectos principales:

- mejoras nutricionales
se pueden efectuar modificaciones genéticas para obtener alimentos enriquecidos en aminoácidos esenciales, alimentos con contenido modificado de ácidos grasos, alimentos con alto contenido de sólidos, o alimentos enriquecidos en contenido de determinadas vitaminas o minerales, entre otras características de calidad nutricional.

- mayor productividad de cosechas
se pueden obtener cultivos para alimentación genéticamente modificados que presenten resistencia natural a enfermedades o plagas, condiciones climáticas adversas o suelos ácidos o salinos, aumento en la fijación de nitrógeno de las plantas, resistencia a herbicidas. todo esto permite reducir notablemente el daño a los cultivos y aumentar la productividad agrícola en cifras cercanas al 25%.

- protección del medioambiente
los cultivos biotecnológicos que son resistentes a enfermedades e insectos reducen la necesidad del uso de pesticidas agroquímicos, lo que se traduce en una mucho menor exposición de aguas subterráneas, personas y ambiente en general a residuos químicos.

- alimentos más frescos
cultivos a los cuales se ha modificado los genes que regulan la velocidad de maduración de frutos permiten obtener variedades de maduración lenta, de modo de permitir manejos de postcosecha o transportes de más larga duración sin que los alimentos lleguen al consumidor en estados avanzados de madurez.

los principales cultivos genéticamente modificados para alimentación que se utilizan hoy en día son soya, maíz, canola, tomate, papas y calabaza; considerándose los tres principales soya, canola y maíz.
por su repercusión en europa, los casos de la soya y el maíz transgénicos resultan de especial relevancia. la soya se utiliza en un 40-60% de los alimentos procesados: aceite, margarina, alimentos dietéticos e infantiles, cerveza, etc. el 2% de la soya producida en estados unidos es transgénica, de la que un 40% se exporta a europa.
la utilización de plantas transgénicas en programas de mejora se va incrementando día a día. algunos expertos han llegado incluso a predecir que hacia el año 2005, el 25% de la producción agrícola en europa lo será de plantas transgénicas.
nota: "canola" es una combinación de dos palabras: canadiense y aceite (oil). la canola fue desarrollada por cultivadores canadienses con técnicas tradicionales de cultivo, específicamente por sus cualidades nutricionales. las semillas se prensan, obteniéndose el aceite de canola para consumo humano, y el resto se procesa para obtener alimento para ganado. reconocida ya por sus beneficios para la salud, la investigación ahora se está llevando a cabo para mejorar aun más el perfil nutricional de la canola.

- soya resistente a glifosato
es una variedad de soya transgénica obtenida por la compañía estadounidense monsanto, a la que se le ha transferido un gen que produce resistencia al glifosato, componente activo del herbicida "roundup". esto permite la utilización del herbicida sin afectar el cultivo, permitiendo que se alcancen mayores niveles de productividad.

- maíz resistente a glufosinato y a ostrinia nubilabis
maíz transgénico producido por la multinacional ciba-geigy (hoy novartis), resistente al glufosinato de amonio (componente activo del herbicida "basta"), y resistente además al ostrinia nubilabis, un insecto que horada el tallo de la planta destruyéndola.

- tomate de maduración lenta
se han obtenido plantas transgénicas de tomate con genes que alargan el período de conservación y almacenamiento evitando la síntesis de la poligalacturonasa que produce el reblandecimiento del fruto. así, se tienen ventajas en cuanto al manejo postcosecha de tomates, que pueden soportar períodos más largos de almacenamiento o transporte y llegar en buenas condiciones al consumidor final.

- arroz dorado
es una variedad de arroz obtenida por modificación genética para contener betacaroteno, una pro-vitamina que en el organismo se transforma en vitamina a. esto puede significar una gran ayuda para países en vías de desarrollo en los que se sufre masivamente de deficiencia de vitamina a, condición que puede llevar a muchos casos de ceguera. muchos de estos países, además, tienen justamente al arroz como la base de su alimentación.

el uso de procesos biotecnológicos, particularmente modificación genética, es extremadamente importante al idear nuevas maneras de aumentar la producción de alimentos, mejorar la calidad nutricional y proporcionar mejores características de proceso o almacenaje. cuando se desarrollan nuevos alimentos o componentes de alimentos usando biotecnología, hay requisitos legales nacionales y expectativas del consumidor para que existan sistemas y procedimientos eficaces de evaluación de la seguridad de los alimentos para el consumo. las técnicas tradicionales de evaluación de la seguridad de los alimentos, basadas en pruebas toxicológicas (según lo utilizado para los aditivos alimentarios, por ejemplo), pueden no aplicarse siempre a los alimentos o componentes de alimentos obtenidos por biotecnología.
de acuerdo a una reunión de consulta conjunta de la fao y la oms en 1996, las consideraciones de seguridad de alimentos con respecto a los organismos producidos por las técnicas que cambian los rasgos hereditarios, como la tecnología de dna recombinante, son básicamente las mismas que se relacionan con otras maneras de alterar el genoma de un organismo, tal como la hibridación convencional. éstas incluyen:

· las consecuencias directas (nutricionales, tóxicas o alergénicas) de la presencia en los alimentos de nuevos productos genéticos codificados por los genes introducidos durante la modificación genética.
· las consecuencias de los niveles alterados de productos genéticos existentes codificados por los genes introducidos o modificados durante la modificación genética.
· las consecuencias indirectas de los efectos de cualquier nuevo producto genético, o de niveles alterados del producto genético existente, en el metabolismo del organismo fuente del alimento, que conduzca a la presencia de nuevos componentes o de niveles alterados de componentes existentes.
· las consecuencias de las mutaciones causadas por el proceso de modificación genética del organismo fuente del alimento, como interrupción de secuencias de codificación o control, o la activación de genes latentes, conduciendo a la presencia de nuevos componentes o de niveles alterados de componentes existentes.
· las consecuencias de la transferencia genética a la microflora gastrointestinal desde organismos genéticamente modificados o alimentos o componentes alimenticios derivados de ellos.
· el potencial de efectos adversos para la salud asociados a los microorganismos genéticamente modificados de los alimentos.

la presencia en alimentos de genes nuevos o introducidos per se no es considerada como un riesgo a la seguridad de los alimentos, puesto que todo el dna se compone de los mismos elementos.

en muchos países en vías de desarrollo existen graves de problemas de hambre, subalimentación, enfermedades y problemas de salud pública en general. las causas del hambre y malnutrición en el mundo en desarrollo son variadas y sistémicas, y hay pocas soluciones inmediatas y sostenibles. sin embargo, en las próximas décadas, la biotecnología ayudará a encontrar soluciones, y por lo tanto proporcionará opciones realistas para las naciones del mundo subdesarrollado.
naciones unidas estima que más de 100 millones de niños en todo el mundo tienen deficiencia de vitamina a, lo que puede conducir a tanto como 250.000 casos de ceguera infantil. el arroz dorado, que fue creado por biotecnología para producir betacaroteno, una pro-vitamina que se transforma en vitamina a, fue desarrollado específicamente para tratar esta crisis de salud. para las poblaciones cuya fuente de alimentación primaria es el arroz, este avance nutricional puede significar una mejora enorme en salud pública.
la deficiencia de hierro afecta a 400 millones de mujeres en edad de maternidad, lo que conduce a niveles más altos de nacimiento prematuro, mortalidad perinatal y retraso mental y de crecimiento. para dar solución a este problema, investigadores en biotecnología están intentando producir un arroz con niveles más altos de hierro. los científicos también están intentando mejorar el perfil nutricional de muchos de los alimentos del mundo, desde aceite de canola con niveles más altos de betacaroteno, a frutas y hortalizas que contengan más vitaminas c y e.
los cultivos generados por biotecnología también poseen el potencial de transformar la productividad en el mundo en vías de desarrollo. cultivos que son típicamente dañados por enfermedades, parásitos, malezas y sequías pueden causar la ruina de las economías de subsistencia. nuevos cultivos genéticamente modificados, que pueden resistir estas amenazas, están siendo creados. según el banco mundial, la biotecnología podría elevar la productividad alimentaria del mundo hasta en un 25%, alimentando a más gente mientras se consumen menos recursos. un ejemplo sobresaliente del impacto potencial de la biotecnología agrícola se da en africa, donde los trabajos de desmalezamiento de cultivos prácticamente esclavizan a grandes cantidades de personas, impidiendo muchas veces que los niños asistan a la escuela. una solución la constituirían los cultivos resistentes a los herbicidas, que permitirían la eliminación de malezas sólo por rociamiento con estos agroquímicos.
quizás la más significativa ventaja potencial de la biotecnología para el mundo en desarrollo se presenta en la forma de alimentos capaces de vacunar contra enfermedades. los científicos ya han demostrado que un alimento se puede utilizar para administrar vacunas contra enfermedades específicas. el virus norwalk provoca una enfermedad poco conocida que afecta a niños y ancianos con gastroenteritis a veces mortales. investigadores de la universidad de cornell desarrollaron recientemente una variedad de papa que inmuniza contra el virus norwalk. además, ya se está anticipando la producción de una variedad de plátano que puede entregar una vacuna contra la hepatitis b.
incluso en el mundo desarrollado, no todos los niños reciben las inmunizaciones necesarias. en las regiones del mundo donde la inmunización es prácticamente inexistente y el conocimiento de los conceptos de salud pública es limitado, el desarrollo de estos nuevos alimentos podría combatir la significativa desnutrición y paliar las deficiencias en salud.

la próxima generación de productos obtenidos por biotecnología, muchos de los cuales ya han sido desarrollados pero no están todavía en el mercado, se concentran en una cantidad de características que subrayarán su uso en sistemas de producción de alimentos, como también mejorarán sus aspectos de calidad final.
estos alimentos posibles incluyen soya con cualidades nutricionales mejoradas mediante un incremento en el contenido de proteínas y aminoácidos; cultivos con aceites, grasas y almidones modificados para mejorar el procesamiento y la digestibilidad, tales como canola con alto contenido de estearato, maíz bajo en fitato o ácido fítico.
otros productos que están siendo desarrollados incluirán nuevas características de calidad para el consumidor, como los llamados alimentos funcionales, que son cultivos desarrollados para producir medicinas o suplementos alimentarios dentro de la planta. estos podrán proporcionar inmunidad contra enfermedades o mejorar características saludables de los alimentos tradicionales.
una investigación substancial también se ha dedicado al desarrollo de pescado genéticamente modificado, como el salmón.
algunos de estos productos ya están disponibles para el uso, no obstante la mayoría está a años de la producción comercial generalizada.

algunos ejemplos destacables de alimentos genéticamente modificados que podrían desarrollarse en el futuro son los siguientes:

· leche con biodisponibilidad de calcio mejorada
· huevos con menos colesterol
· papas y tomates con mayor contenido de sólidos
· maíz y soya con contenido aumentado de aminoácidos esenciales para ser utilizados en alimentación humana y animal.
· café descafeinado naturalmente
· cultivos con contenido modificado de ácidos grasos que permitan la producción de aceites más saludables.
· rasgos que controlan la maduración de pimientos y fruta tropical, permitiendo un aumento en los tiempos necesarios para transportes de larga distancia.

las ventajas generales que se visualizan en la agricultura de alimentos gm incluyen básicamente la protección de cultivos contra pérdida de productividad, reducción en el uso de pesticidas, mayor protección medioambiental, protección contra insectos por temporadas largas, y ahorros de trabajo y energía porque los agroquímicos serían aplicados con menor frecuencia.

Conclusiones
Resumiendo, se puede decir que la biotecnología tiene un amplísimo rango de aplicación en la industria de alimentos, ofreciendo los medios para producir alimentos de mejor calidad en forma más eficiente y segura para la salud y el medio ambiente.
una de las promesas de la biotecnología es generar innovaciones y mejoras en los alimentos conduciendo a prácticas agrícolas más ecológicas, contribuyendo a una agricultura sustentable que utiliza con respeto los recursos del medioambiente.
el área de mayor aplicación de la biotecnología en alimentos, y la más antigua, corresponde a las fermentaciones, de gran importancia dentro de la tecnología de alimentos y que abarca varios campos, como fermentaciones alcohólicas, fermentaciones cárnicas y fermentaciones lácticas.
el área más reciente y de mayor proyección dentro de la biotecnología de alimentos está en el desarrollo de alimentos genéticamente modificados o transgénicos, cuyas principales ventajas se ven en mejoras nutricionales, mayor productividad de cosechas y mayor protección medioambiental. además, los alimentos gm poseen hoy en día gran importancia en las soluciones de graves problemas de escasez de alimentos, desnutrición y problemas de salud pública en general del mundo en vías de desarrollo.

http://www.bioenlaces.com/alimentos.asp

http://www.bioenlaces.com/alimentos/enzimatica.asp

http://www.bioenlaces.com/alimentos/agmod.asp