Las microalgas son un recurso renovable que no es muy conocido. Estos microorganismos fotosintéticos, como la espirulina, se utilizan actualmente principalmente como complementos alimenticios, para alimentación o piensos (acuicultura). Su potencial es mucho mayor, pero su uso está limitado por los altos costos de producción, mientras que la calidad de los productos comerciales es variable y está mal documentada.
Con el fin de desarrollar sistemas de producción eficientes y aprovechar al máximo el increíble potencial de estos organismos, necesitamos comprender las interacciones entre la composición de las microalgas y su entorno de crecimiento.
Las microalgas, al igual que las plantas, son capaces de fijar CO2 a través de la fotosíntesis, y también de utilizar una amplia variedad de fuentes de carbono orgánico. Dependiendo de la especie y de las condiciones elegidas para cultivarlas, almacenan carbono en diferentes formas (lípidos, hidratos de carbono) y sintetizan moléculas como carotenoides (antioxidantes) o fitoesteroles con efectos antienvejecimiento, para aplicaciones de alto valor añadido, en salud, cosmética, química fina.
Las especies del género Chlorella se encuentran entre las microalgas más utilizadas y estudiadas. Ricas en proteínas, lípidos, vitaminas y minerales, son una de las pocas especies autorizadas en Europa para el consumo humano. Dentro de nuestro equipo, nos interesaba su composición lipídica. De hecho, estas microalgas son productoras primarias de ácidos grasos poliinsaturados esenciales, como el ácido linoleico (LA: omega 6) y el ácido alfa-linolénico (ALA: omega-3), que también se encuentran en los productos cárnicos (pescado azul, pero también, en menor medida, en los huevos, la carne y los productos lácteos) y en ciertos aceites vegetales (nueces, linaza, colza, etc.).
En el caso de la alimentación humana, los niveles y las proporciones entre omega 6 y omega 3 son importantes desde el punto de vista nutricional, ya que la ingesta diaria total suele ser insuficiente y desequilibrada en las dietas occidentales (recomendaciones de la ANSES: 4% de la ingesta diaria para LA, 1% para ALA, y una relación LA/ALA inferior a 4). El alto consumo de productos cárnicos terrestres contribuye a este desequilibrio hacia el omega 6, mientras que es el omega-3 el que es necesario para el desarrollo y la función de la retina, el cerebro y el sistema nervioso.
Las microalgas son capaces de vivir en una amplia variedad de ambientes
Para comprender y controlar mejor la producción de lípidos de chlorella, nos interesamos en el impacto de las condiciones de cultivo en las cantidades y cualidades de los lípidos. Gracias a sus versátiles capacidades metabólicas, la chlorella, al igual que otras microalgas, es capaz de crecer y multiplicarse en diversos ambientes. Las especies de Chlorella se han cultivado en el laboratorio en diferentes condiciones: en un medio nutritivo mínimo (que contiene todos los nutrientes básicos necesarios para el crecimiento, en este caso elementos minerales en pequeñas cantidades) en presencia de aire y luz (fotoautótrofia), y en medios enriquecidos con carbono orgánico en diferentes dosis (azúcares o ácidos orgánicos), en presencia o ausencia de luz (mixotrofia o heterotrofia).
En la fotoautótrofia, las microalgas crecen mediante el uso de la luz como fuente de energía y elCO2 del aire disuelto en el agua como fuente de carbono. En estas condiciones, además del beneficio de la fijación de carbono y el aprovechamiento de la energía lumínica, el principal interés es que los lípidos de chlorella están compuestos principalmente por ácidos grasos insaturados y poliinsaturados, entre los que se encuentran el omega 6 (LA) y el omega-3 (ALA), con, en nuestro estudio, una relación LA/ALA de 1,5. Por lo tanto, los sistemas de fotoautótrofia parecen ser adecuados para producir chlorella para el consumo humano. Sin embargo, son poco productivas (crecimiento lento y densidad celular final de menos de 10 gramos de biomasa por litro de cultivo), y su rendimiento depende en gran medida de la eficiencia de la luz y las transferencias deCO2, que son difíciles de optimizar en grandes volúmenes de cultivos como estanques.
En la mixotrofia, para satisfacer las necesidades nutricionales de las microalgas, un suministro de carbono orgánico (carbohidratos o ácidos orgánicos) complementa elCO2 y la luz. En estas condiciones, las microalgas utilizan simultáneamenteel CO2, la luz y el carbono orgánico disponible. Su crecimiento es generalmente mayor en comparación con la fotoautotrofia, y nuestro estudio mostró que en presencia de glucosa, Chlorella sorokinana acumuló ácidos grasos poliinsaturados con relaciones intermedias LA/ALA, entre 3,5 y 4,5 (en el límite del umbral recomendado por ANSES).
En la heterotrofia, las microalgas utilizan únicamente moléculas orgánicas como sustrato de energía y carbono para su crecimiento, y esto en ausencia total de luz. Para abastecer las células, ya no hay ningún problema de transferencia de gas o luz: se facilita el acceso al sustrato de energía y carbono disuelto en el medio y la producción de biomasa se puede multiplicar por diez. Estos sistemas de cultivo heterótrofo son, por tanto, más eficientes en la producción de biomasa, pero requieren recursos orgánicos y no permiten la fijación deCO2 ni el aprovechamiento de la energía lumínica. En estas condiciones, la chlorella acumula lípidos de reserva (aceite) que a menudo consisten en menos ácidos grasos poliinsaturados, con una relación LA/ALA superior a 4, lo que es menos favorable para el consumo humano.
Sin embargo, las grasas producidas en estas condiciones son más cercanas a las de los recursos vegetales y pueden sustituirlas. Esto permite que se utilicen en otros sectores industriales, para producir biodiésel o biomateriales. Por ejemplo, la Universidad de California en San Diego desarrolló poliuretanos a partir de aceites vegetales y microalgas, que sirvieron como materiales básicos para la producción de tablas de surf y chanclas.
Las microalgas también pueden acumular reservas de grasa
Por lo tanto, para producir microalgas de calidad controlada, el control de su entorno de cultivo es esencial. Otros parámetros de cultivo pueden ser muy importantes para la acumulación de lípidos en las microalgas. Por ejemplo, la relación entre el sustrato carbonoso y el nitrógeno juega un papel importante. En caso de deficiencia de nitrógeno y exceso de carbono, la chlorella almacenará carbono en forma de lípidos, aumentando así la proporción de aceite en las células. Sin embargo, esta «ganancia de grasa» de las células va en detrimento de su multiplicación, que está, de hecho, limitada por la falta de nitrógeno. Además, la composición de las células, en particular las cantidades y proporciones de ácidos grasos, no solo depende de las condiciones de cultivo, sino también de las cepas de microalgas dentro de la misma especie. Además, la temperatura tiene un impacto significativo en los perfiles de ácidos grasos: las altas temperaturas promueven la acumulación de ácidos grasos saturados y aumentan la proporción de omega 6 y omega 3 en general. Esto también plantea preocupaciones sobre el calentamiento global de los océanos y su impacto en la composición de lípidos en la cadena alimentaria.
Por lo tanto, para el desarrollo del sector, la elección de los sistemas de producción debe considerarse sobre la base del conocimiento de las interacciones entre las cepas y las condiciones de cultivo, y de acuerdo con su impacto económico (cantidades de microalgas producidas, contenido de moléculas de interés) y ambiental (fijación de CO2, uso de recursos orgánicos, etc.). Este enfoque permitirá racionalizar el uso de las diferentes especies de microalgas en función de sus capacidades y maximizar así su valorización.
Por: El Subileau. Profesor de Biotecnología Microbiana, Montpellier SupAgro.
Fuente: theconversation.com
