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INTRODUCCIÓN

Los pigmentos se definen como sustancias químicas que imparten color a otros materiales por el efecto óptico de la refracción de la luz del sol (Wani et al., 2004). Los colorantes naturales fueron una parte esencial dentro de diversas industrias en el siglo XIX (Bechtold et al., 2006); sin embargo, debido a la gran demanda de estas moléculas a nivel industrial, los colorantes de origen natural fueron reemplazados por los sintetizados vía química. Los colorantes sintéticos han suplido casi por completo a los naturales, debido a la amplia gama de colores disponibles y a la alta eficiencia de producción a bajo costo, principalmente. Sin embargo, ha sido bien documentado que los colorantes químicamente sintetizados han presentado efectos negativos en la salud humana, tales como alergias, hiperactividad en infantes y en algunos casos se han asociado con cáncer (Hsu y Pan, 2012). Por tanto, hoy día diversas empresas se han enfocado en la búsqueda de alternativas a estos colorantes, siendo los de origen natural una potencial fuente de sustitución en la coloración de una amplia gama de productos.

Las fuentes originales de tintes naturales han sido las plantas y tejidos de insectos; sin embargo, también es factible producir pigmentos a través de microorganismos tales como bacterias, levaduras, hongos y microalgas (Celestino et al., 2014; Zang et al., 2014; Morales Oyervides et al., 2015; Streit et al., 2015; Benavente Valdés et al., 2016; Dursun y Dalgiç, 2016). Dentro de la producción microbiana de pigmentos, el hongo Monascus spp. es uno de los microorganismos fúngicos ampliamente reconocidos por su capacidad de producción de los mismos (Babitha et al., 2007; Velmurugan et al., 2011; Yang et al., 2015).

El género Monascus pertenece a la clase Ascomycetos y a la familia Monascaceae. Este hongo es fuente de varios metabolitos secundarios, tales como monacolina, ácido gama-aminobutírico y pigmentos policétidos del tipo azafilonas (Wang et al., 2015). Dentro de los pigmentos producidos por Monascus se han reportado monascina y ankaflavina, correspondientes a colores amarillos; rubropunctatina y monascurubrina, correspondientes a tonalidades naranjas y rubropuctamina y monascurubramina, correspondientes a la gama de los rojos (Carvalho et al., 2003). Dentro de estos colorantes con perspectiva industrial, los rojos han tenido mayor demanda, especialmente en la industria de los alimentos (Li et al., 2014). Por otro lado, los pigmentos amarillos y naranjas han sido ampliamente estudiados debido a sus propiedades biológicas (Cheng et al., 2012; Nam et al., 2014).

La obtención de pigmentos de Monascus es llevada a cabo principalmente en cultivo en estado sólido, ya que el proceso tiene las siguientes ventajas: i) proceso simple de implementar, ii) menor inversión de capital, iii) bajos niveles de inhibición del producto final y represión catabólica, iv) menor cantidad de residuos líquidos generados, v) mayor rendimiento en general (Babitha et al., 2007; Lian et al., 2007; Pongrawee y Lumyong, 2011; Velmurugan et al., 2011; General et al., 2014).

Desde una perspectiva industrial existe la necesidad de desarrollar sistemas de bajo costo para la producción de colorantes y hacer factible su producción masiva, ya que la principal limitante son los altos costos asociados al sustrato. Una alternativa interesante a escala industrial es el empleo de residuos agroindustriales para la biosíntesis de pigmentos fúngicos, así como la exploración de residuos no convencionales generados regionalmente, con lo cual se impulsará el desarrollo de empresas biotecnológicas en el país.

Con base en lo anterior, el objetivo de esta contribución es presentar un panorama general de la información reportada referente a los principales factores involucrados en la producción de pigmentos por Monascus en cultivos en estado sólido; además de presentar las áreas de oportunidad con base en los subproductos agrícolas generados en el norte de México y pueden ser empleados en la producción de tintes.

Fermentación en estado sólido

La fermentación en medio sólido (FMS) se define como el crecimiento de microorganismos sobre un sustrato sólido húmedo, donde los niveles de humedad son suficientes para mantener el crecimiento microbiano y llevar a cabo su metabolismo; sin embargo, no hay agua libre en movimiento (Rahardjo et al., 2006). En estos procesos, los sustratos no solo suministran los nutrientes al microorganismo, sino que sirven como medio para la inmovilización de las células (Pandey, S. et al., 2007). Por tanto, en FMS se presenta un hábitat más adecuado para el crecimiento de los hongos, lo que permite altas productividades del metabolito de interés (Pandey, A. et al., 2000; Pandey, S. et al., 2007).

En países orientales como China, el cultivo de Monascus en sistemas sólidos con arroz como sustrato es utilizado para la elaboración de Anka (Figura 1), un arroz fermentado altamente demandado (Dufossé et al., 2005). Sin embargo, se han utilizado diversas materias primas como sustrato para fermentación con cepas de Monascus spp.

Las industrias alimentarias, granjas de giro agrícola y forestal generan grandes volúmenes de desechos, los cuales pueden ser utilizados como materia prima para los procesos de FMS. Algunos ejemplos de ellos son residuos olote de maíz, bagazo de yuca, bagazo de caña, salvado de trigo, salvado de arroz, vaina de algarroba, residuos de la industria cervecera, entre otros (Rodríguez Couto, 2008). Previo a la utilización de material en FMS es de gran importancia determinar las características microbiológicas y fisicoquímicas de los materiales a ser empleados como sustratos. Dentro de estos

existen dos parámetros fisicoquímicos de suma importancia para la selección de un sustrato, índice de absorción de agua (IAA) y el punto crítico de humedad (PCH), que representa la cantidad de agua ligada al soporte que no puede ser empleada por el microorganismo y se encuentra fuertemente relacionado con la actividad de agua (aw). Los valores superiores a 40% de PCH indican que el agua no se encuentra ligada al soporte, sino en solución y, por tanto, afecta el crecimiento fúngico, en cultivos sólidos se requiere que los PCH sean bajos para poder modificar el valor de la humedad en función del contenido del medio absorbido (Robledo et al., 2008).

Diversos autores han reportado el uso de residuos agroindustriales para la producción de colorantes de Monascus en FMS, los cuales se describen en la Tabla 1.

Dentro del proceso de biosíntesis de tintes en FMS, algunos autores han reportado que son varios los factores que afectan el rendimiento de producción, dentro de los cuales han mencionado la temperatura, pH, humedad relativa, tamaño de partícula y flujo de aireación (Han y Mudgett, 1992; Carvalho et al., 2003; Dufossé et al., 2005; Babitha et al., 2007; Velmurugan et al., 2011).

Factores físicos que influyen en la producción de pigmentos en medio sólido

Temperatura y pH. La temperatura es un factor determinante para el crecimiento y metabolismo de las células. La mayoría de los cultivos fúngicos en FMS han sido llevados a cabo en rangos de temperatura de 10 a 35 °C, con un óptimo entre 20 y 30 °C. Diversos estudios con Monascus spp. para la producción de

pigmentos han reportado una temperatura óptima de 30 °C (Babitha et al., 2007; Lian et al., 2007; Velmurugan et al., 2011; Priatni et al., 2014). Por otro lado, Carvalho et al. (2006) obtuvieron la mayor producción de pigmento en FMS por Monascus spp. a una temperatura de 32 °C.

Por otro lado, el pH del sustrato, al igual que la temperatura del sistema, es uno de los factores más importantes para determinar el crecimiento microbiano y la actividad metabólica en FMS. El rendimiento de producción de tintes por Monascus ha sido estudiado por algunos autores empleando diferentes niveles iniciales de pH. Yongsmith et al. (2000) reportó que la mayor producción de pigmentos amarillos por Monascus se encontró en niveles de pH entre 5.0 y 6.0, mientras que la máxima producción de tintes rojos se observó a valores de pH de 5.0. Por otro lado, se ha reportado que a valores de rango de pH ácido (1.0 2.0) y neutro-básico (7.0-8.0) la producción de pigmentos disminuye (Velmurugan et al., 2011).

Humedad relativa. La humedad relativa en procesos de FMS es un parámetro clave para controlar el crecimiento de microorganismos y biosíntesis de los metabolitos de interés (Pandey, A., 2003). Se ha reportado que cada cepa de Monascus necesita su propio contenido de humedad inicial en el sustrato, óptima para la producción de pigmento (Lotong y Suwanarit, 1990). Diversos estudios indican que un contenido de humedad en el sustrato menor a 40% (v/p) conduce a menor producción de pigmento, se mostró la mayor producción para humedades mayores a 50% (v/p) (Johns y Stuart, 1991; Babitha et al., 2007). En este sentido, Velmurugan et al. (2011) reportaron la mayor producción de pigmentos (amarillo y rojo de 18.92 DO412nm y 14.26 DO500nm, respectivamente) con un nivel de humedad de 60%. De igual forma, Yongsmith et al. (2000) obtuvieron la mayor producción de pigmento con humedades de 60% con una cepa de Monascus spp. Cabe destacar que ambos estudios concordaron en que la baja productividad registrada en los sistemas en que la humedad relativa fue superior a 65% se debió a la aglomeración del sustrato causada por la formación de lodos disminuyendo la oxigenación en el medio y, por tanto, inhibiendo el crecimiento del microorganismo. En contraste, Srianta y Harijono (2015) y Said et al. (2010) reportaron el uso de una humedad óptima de 70% para la producción de pigmentos por Monascus purpureus y Monascus ruber, respectivamente, en sistemas empacados, lo que muestra que el empleo de un sistema aireado puede mantener condiciones de humedad alta favoreciendo la de oxigenación del microorganismo, lo que evita la formación de lodos, mejora la transferencia de masa y permite el crecimiento y producción de colorantes por parte del microorganismo.

Tamaño de partícula. El tamaño de partícula es uno de los parámetros relacionados con la transferencia de masa entre el microorganismo-sustrato en FMS (Díaz Sánchez, 2009). En tamaños de partícula pequeños el área de contacto entre el micelio del microorganismo y sustrato se incrementa, a su vez limita el intercambio de gases al reducirse el espacio entre partículas. Por el contrario, a mayor tamaño de partícula el área de contacto se reduce e incrementa el intercambio de gases al generarse mayor espacio entre las partículas del sustrato (Srianta y Harijono, 2015). Estos dos efectos opuestos pueden influir en los niveles de producción de metabolitos de interés, por lo que es necesario seleccionar el tamaño de partícula adecuado para la producción del metabolito de interés (Botella et al., 2007). Babitha et al. (2006) evaluó la producción de colorantes por Monascus en FMS empleando semillas de la fruta jaca y observó que la máxima producción de pigmentos se obtuvó empleando tamaños de partícula entre 0.4 y 0.6 mm. En contraste, Velmurugan et al. (2011) obtuvieron el mayor rendimiento del tinte por Monascus en FMS con olote de maíz a un tamaño de partícula 2.0 mm. Es importante observar los diferentes rangos de tamaño de partícula empleados, por lo que es recomendable que para cada sustrato a emplear en FMS se lleve a cabo un estudio preliminar del impacto del tamaño de partícula del sustrato sobre el rendimiento del proceso.

Aireación. La aireación en las fermentaciones en medio sólido es más fácil de controlar que en fermentaciones sumergidas, porque la superficie de contacto es mayor entre el aire y el líquido que está absorbido en las partículas (Viniegra González et al., 2003). Said et al. (2010) reportaron que para una fermentación sólida en camas empaquetadas con Monascus ruber, una velocidad de aireación forzada mayor a 0.5 l/min redujo la producción de pigmentos y biomasa como consecuencia de la pérdida de agua, mientras que los niveles más altos de colorantes se obtuvieron a tasas de aireación forzada de entre 0.05 y 0.2 l/min, en donde se alcanzó un contenido de pigmentos de 98.0 DO/g de materia seca en la cama.

Residuos agroindustriales

Los residuos generados tienen alta demanda biológica de oxígeno y pueden causar problemas de diferentes aspectos, incluso costos de recolección, eliminación, tratamiento y pérdida de materias primas valiosas (Kasinski y Wojnowska Baryla, 2014). El interés científico sobre el cuidado del medio ambiente con disminuir los niveles de contaminación se está viendo favorable con la recuperación de una extensa gama de subproductos industriales (Saval, 2012). En el caso particular de los pigmentos microbianos, que presentan grandes ventajas en términos de producción en comparación con

tintes similares extraídos de vegetales o animales, estrategias de producción empleando bioprocesos que utilicen residuos agroindustriales serán de gran importancia en desarrollo de la industria alimentaria, por mencionar algunas. Actualmente, diversos residuos derivados de agroindustrias ya están siendo utilizados para producción de pigmentos naturales. En la Figura 2 se muestran los residuos agroindustriales que han sido empleados en procesos biotecnológicos para la obtención de pigmentos, enzimas y otros metabolitos de interés comercial (Panesar et al., 2015).

Actualmente, en el norte de México se generan gran cantidad de residuos agroindustriales que pueden ser aprovechados en la producción de pigmentos vía FMS. Dentro de los principales productos que se encuentran en la región semidesértica y con potencial se pueden mencionar residuos del proceso de extracción de cera de candelilla, residuos del proceso de extracción de fibra de lechuguilla (Agave lechuguilla), orégano (Origanum vulgare L.), maguey (Agave americana L.), jojoba (Simmonsdia chinensis), sábila (Aloe vera), nopal (Opuntia spp.) y damiana (Turnera afrodisiaca), entre otros. Por tanto, con base en el potencial de los resiudos antes mencionados, se abre un área de oportunidad para el desarrollo de bioprocesos para la bioproducción de pigmentos en FMS.

CONCLUSIONES

La producción de pigmentos naturales de origen fúngico como los de las cepas de Monascus representan una fuente prometedora y sustentable para cubrir las necesidades comerciales de estos compuestos de interés. Además, la producción de estos metabolitos posee la ventaja de su biosintetización mediante fermentación sólida, lo que abre la posibilidad de emplear residuos agroindustriales de fácil acceso con base en las industrias establecidas en la región.

Agradecimientos

La autora agradece al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) por el apoyo financiero brindado para la realización de estudios de Maestría (559147).

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Notas de autor

mvelazquez@uadec.edu.mx

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