¹Ingeniero, especialista. Programa Ingeniería de Alimentos. Grupo Investigación Procesos y Agro Industria de Vegetales.Universidad de Córdoba.

²Ingeniero, Ph.D.. Programa Ingeniería de Alimentos. Grupo Investigación Procesos y Agro Industria de Vegetales.Universidad de Córdoba.

³Ingeniera, MSc. Programa Ingeniería de Alimentos. Grupo Investigación Procesos y Agro Industria de Vegetales.Universidad de Córdoba.

Correspondencia:  guillermo.arrazola@ua.es ]]> Recibido para evaluación: 01/06/2012 Aprobado para publicación: 06/03/2013

RESUMEN

El lactosuero se aprovechó como materia prima para la obtención de ácido láctico, previa pasteurización a 92ºC  durante 15min y desproteinización por filtración, mediante la fermentación batch a 37 ºC y pH 6,5 con Lactobacillus casei  durante 21 h.  Se estudió el efecto de las variables concentración inicial de lactosa y sulfato de amonio como suplementos del lactosuero en la producción del ácido láctico.  Se obtuvo una productividad máxima  de 1,1 g.L-1 h-1 en ácido láctico. El coeficiente de rendimiento Yp/s  varió de 0,5306 - 0,2488 g. g -1 para 47,9 g.L-1 y 87,72g.L-1 de lactosa inicial. La producción se asoció con el crecimiento del L. casei durante sus fases,  donde utilizó entre el 84,0 al 77,4% de lactosa después de 21h de fermentación.

PALABRAS CLAVE:Coeficiente de rendimiento Yp/s, Lactosa, Fermentación, Subproducto.

ABSTRACT

The whey was used as raw material  for production of lactic acid, after pasteurization at 92° C for 15 min and desproteinization by filtration, through fermentation batch to 37 ° C and pH 6.5 with Lactobacillus casei  for 21 hours.  The effect of initial concentration of lactose and sulfate of ammonium as supplements of whey in the production of lactic acid was studied.  We collected a maximum production of 1.1 g. L-1 h-1of  lactic acid. The coefficient of performance Yp/s ranged from 0,5306 - 0,2488 g. g- 1 for 47,9 g. L-1 and 87,7 g. L-1 initial lactose. Production was associated with the growth of  L. casei during their stages, where used between the 84,0 to 77.4% lactose after 21 hours of fermentation.

KEYWORDS: EfficiencyYp/s, Lactose, Fermentation, By-products.

RESUMO

O soro foi utilizada como matéria-prima para a produção de ácido láctico,depois da pasteurização a 92 ° C durante 15 min e desproteinização por filtração, através de fermentaçãoem lotes, a 37 ° C e pH 6,5, comLactobacillus casei  durante 21 h. O efeito da variação da concentração inicial de lactose e sulfato de amónio como suplementos de soro de leitenaprodução de ácido láctico. Máxima produtividadefoiobtido 1,1 g. L-1 h-1, em ácido láctico. O rácio de desempenhoYp/s variou 0,5306-0,2488 g. g-1 a 47,9 g. L-1 e 87,72 g. L-1 de lactose inicial. A produçãofoiassociadacom o crescimento de L. casei durante as suas fases, em que utilizado entre 84,0-77,4% de lactoseapós 21h de fermentação.

PALAVRAS-CHAVE: EficiênciaYp/s, fermentação de lactose, Subproduto.

El lactosuero es un líquido claro de color amarillo verdoso subproducto del procesamiento de leche en la  elaboración de quesos, con una producción mundial de 82 millones de Tm[1]. Se ha constituido en el principal residuo de la industria láctea, donde una parte de éste es usado para alimentación animal, y el resto tratado como un desecho vertido directamente en los cursos de agua naturales.  El vertimiento directo del lactosuero a fuentes de agua, sin un tratamiento previo, genera un problema de contaminación ambiental; debido a la materia orgánica constituida por 4,8% de lactosa, 0,75% de proteínas y 6,2% de materia seca[1],nutrientes valiosos al momento de aprovecharlos como alimento y medio de cultivo para fermentaciones industriales. La aplicación de procesos biotecnológicos permite obtener sustancias con interesantes aplicaciones en la industria de alimentos, química  y farmacéutica;  como es el caso del ácido L(+) láctico cuyo mercado mundial ascendió en el 2006 a 68.000 ton/año y se espera un crecimiento del 10 al 15% anual.

En Colombia todo el producto se importa y equivale a mil millones de pesos anuales [2].  La producción de leche en Colombia, para el año 2008 fue de 13,3millones de litros [3], de los cuales un 18%  se destinó a la producción de quesos y un 9% a leches fermentadas [3],lo que quiere decir que la producción nacional de suero de queso, correspondió a 2,08 millones de litros [4].En el departamento de Córdoba la producción industrial de la leche y los derivados generó cerca de 300 empleos y una producción bruta industrial de $ 109.000 millones, equivalente al 25% de la producción láctea de la región Caribe y al 5,58% del total nacional.

El objetivo de este estudio fue la producción de ácido láctico a partir de lactosuero utilizando Lactobacillus casei   en cultivo batch,  suplementando el medio con lactosa  y sulfato de amonio como fuente de carbono y nitrógeno respectivamente

MÉTODO

Se utilizó lactosuero fresco, de empresas de Ciénaga de Oro, Córdoba, Colombia.  El Lactosuero fue pasteurizado a 90ºC por 15min y desproteínizado por filtración. Se suplementó con Lactosa y Sulfato de amonio (Lo:So) 1,28:2,62; 9,38:5; 21,25:8,5; 33,13:11,99 y 41,22:14,37 g L-1, ajustando el pH a 6,5 utilizando carbonato de sodio 2,5 N y  adicionando  5 g L-1 de hexametafosfato para 500 mL de lactosuero.

Activación del Lactobacillus casei  ATCC 393

Se activó el Lactobacillus casei  ATCC 393 en 10 mL de caldo MRS incubando a 37°C durante 24 h, periodo después del cual se tomó 1 mL y se agregó a 9 mL de caldo MRS  e incubó a 37°C durante 6 h.  Del caldo se tomó 1 mL y se realizaron siembras en profundidad en Agar MRS  y se incubaron a 37°C durante 48 h. Se realizaron 3 repeticiones en cada etapa.

Adaptación del microorganismo

Se adaptó inoculando con 10 mL de Lactobacillus casei  activado en 500 mL de lactosuero e incubando a 37°C durante 12 h.

Se llevó a cabo en un Fermentador Tecferm 1L con un volumen de trabajo de 500 mL. Se inoculó  un 10% del cultivo con el microorganismo adaptado, garantizando una población mínima de 106 UFC mL-1. Las condiciones de trabajo fueron a presión atmosférica, 37 °C y 150 rpm de agitación magnética. Se monitoreó la fermentación durante 21h a 37°C ajustando el pH a 6,5, determinando concentración de lactosa (g. L-1) y Lactobacillus casei  (LogUFC mL-1).

Métodos de análisis

Análisis estadístico

Se realizóun diseño completamente al azar con arreglo factorial completo 22 con 2 niveles 5g. L-1 y 11,99g. L-1 de lactosa inicial y 9,38 g. L-1 y 33,13 g. L-1 de sulfato de amonio para un total de 4 tratamientos y 3 repeticiones, a los cuales se aplicó un análisis de varianza  para evaluar el efecto combinado de los factores seguido de una prueba de comparación de medias de Tukey (p> 0,05)

RESULTADOS

Composición del lactosuero

La caracterización del lactosuero pasteurizado tiene una composición en lactosa de 46,5%±0,02 y la desproteinización redujo el nitrógeno a 0,154±0,005%N.  El pH del suero (6,2) lo define como un suero dulce y  se ajustó a 6,5 correspondiente al pH en la fermentación.  Los valores obtenidos están dentro de los rangos aceptables para suero de leche [7]  y es similar al usado en otros estudios [8, 9, 10, 11, 12].

Fermentación del lactosuero  

muestra los tratamientos evaluados para producir ácido láctico a partir de lactosuero suplementado y los valores medios de producción de ácido láctico (P), concentración de L. casei (N)  y consumo de lactosa (%) a las 21 horas de fermentación.  En el análisis de varianza, los resultados muestran que la suplementación con sulfato de amonioes estadísticamente significativos (p<0,05), mientras lavariable lactosa no es significativo su efecto sobre la producción de ácido láctico.  Estos resultados muestran que L. casei fue capaz de producir ácido láctico al suplementar con lactosa y sulfato de amonio. El tratamiento 2 presentó la mayor producción de ácido láctico, con una suplementación de 5 g. L-1 de sulfato de amonio y 9,38 g. L-1 de lactosa para una producción de 21,46 g. L-1 de ácido láctico. 

La producción más baja de ácido láctico en el tratamiento 4 (13,76 g. L-1) fue obtenida con una concentración de 11,99 g. L-1 de sulfato de amonio y 79,63 g. L-1 de lactosainicial.

El crecimiento del L. caseien el cultivo estuvo directamente relacionado con la concentración de lactosa; es decir, el mayor crecimiento de 8,39 log UFC.mL-1 se obtuvo a 87,72 g. L-1 de lactosa (Lo),  aunque fue la menor conversión de ésta, lo cual sugiere una mayor predisposición del medio para el crecimiento del L. casei que para la formación de ácido láctico. En consecuencia, los resultados obtenidos confirman el efecto de la suplementación con sulfato de amonio y su balance con la lactosa sobre la bioconversión a ácido láctico; tal como lo muestran los estudios cuando al suplementar con una fuente de nitrógeno se mejoró la velocidad de bioconversión y se duplicó el ácido láctico producido [13, 14, 15].Entre los tratamientos 1 y 5  se encuentra la variación maxima y minimo de rendimiento (Yp/s) mostrando una reducción del 53,1%, asociado a la maxima (8,39 logUFC.mL-1) y minima (5,42 logUFC.mL-1)concentración de biomasa.  Esto confirma la influencia que tiene el balance de nutrientes del medio en la tendencia a producir biomasa o convertirlos preferentemente en ácido láctico.El rendimiento de ácido láctico (Yp/s) decrece con el aumento de la concentración de lactosa.  [16]reportaron rendimientos de 0,47 a 0,33 (g ácido láctico / g lactosa) cuando suplementaron con glucosa, [17]encontraron valores de rendimiento de 0,15 y 0,23 en lactosuero diluido (36 g. L-1) y no diluido (52 g. L-1) respectivamente, usando L. helveticus. Por otro lado,[18]alcanzaron rendimientos Yx/s de 0,36 LogUFC. g-1 de L. casei  y  Yp/s de 0,52 g. g-1 en suero de leche de cabra en un cultivo batch con un consumo de lactosa de 28,36 g. L-1después de 40 h de fermentación.  Los resultados muestran la asociación existente entre la producción de biomasa y de ácido láctico; además, de que altas concentraciones de lactosa no favorecen directamente el crecimiento microbiano o la formación de producto.El nivel de significancia (p<0,05) de la interacción entre la concentración de lactosa y sulfato de amonio se explica por el balance que favorece la producción de ácido láctico (Figura 1a). El efecto mixto señala que las mejores producciones se obtienen a niveles bajos de sulfato de amonio y a niveles altos se requiere mayor suplementación con lactosa inicial; sin embargo, altas concentraciones de nitrógeno en el medio no favorecen la producción de ácido láctico. De esto se deduce que se requieren condiciones de un medio de crecimiento balanceado tal como lo sugiere [19]; como una regla general de nutrientes de carbono: nitrógeno: fosforo de 100:10:1 (10g. L-1 carbono y 1g. L-1nitrógeno), relación queen el estudio se da a concentraciones altas de sulfato de amonio y lactosa. 

En cuanto a la producción de biomasa hay un efecto significativo (p<0,05) de la lactosa y no del sulfato de amonio o la interacción de estas (Figura 1b).  No se observa diferencias altas en el rango de concentraciones evaluadas, pero si un incremento de la concentración de biomasa con el aumento de la concentración inicial de lactosa.

El estudio realizado por[17], encontraron que a concentraciones iniciales de lactosa de 36 g. L-1 y 52 g. L-1se alcanzó un azúcar residual de 8,5 g. L-1y 7,5 g. L-1utilizando L. helveticus y cuando usaron  L. bulgaricus un residual de 11,5 g. L-1y 19,4 g. L-1respectivamente. [20] obtuvieron producciones de ácido láctico de 13,1, 17,2 y 19,1 g. L-1 a temperaturas de 32, 37 y 43ºC respectivamente, utilizando 50 g. L-1 de lactosa en un medio suplementado con minerales y 5 g de extracto de levadura. Este incremento está asociado al consumo de lactosa y  se observa que a medida que aumenta la concentración celular el ácido láctico va alcanzando mayores concentraciones, mostrando un comportamiento típico de este tipo de metabolito primario asociado al crecimiento microbiano.

Un patrón similar se observó para la producción de ácido láctico a partir de lactosuero[6]; glucosa [21]; melaza[22];  mucilago de café [23]; suero de leche de cabra [18].Las concentraciones de biomasa yácido láctico se estabilizaron a las 21 horas de fermentación batch, tiempo en el cual se alcanzaron las productividades máximas (Qp) de ácido láctico en cada tratamiento.  La productividad es incremental durante las primeras 12 h de la fermentación, a partir de la cual se presenta una meseta hasta las 21 h (Figura 3). La máxima productividad fue de 1,058 g. L-1 h-1 y se obtuvo en el lactosuero suplementado con lactosa: sulfato de amonio inicial de 47,9: 2,62 g. L-1 y  55,88: 5,0 g. L-1, en los tratamientos 3, 4 y 5 la productividad fue de 0,89 g. L-1 h-1, 0,83 g. L-1 h-1, 0,804 g. L-1 h-1respectivamente.

Las mejores productividades se obtienen a niveles bajos de sulfato de amonio y lactosa, siendo el tratamiento 2 el que presenta la máxima producción de ácido láctico y productividad, con una reducción de la productividad a medida que aumenta la concentración de los suplementos; de tal forma, que altas concentraciones de nitrógeno en el medio no favorecen la velocidad de producción de ácido láctico, confirmando que el balance de nutrimentos en el lactosuero suplementado favorece la velocidad de formación del ácido láctico. La suplementación con una fuente de nitrógeno (extracto de levadura, peptona o licor de maíz (CSL) mejora la productividad con respecto al lactosuero no suplementado (Cuadro 3).  En este estudio al suplementar con sulfato de amonio de 2,62 a 14,37 g. L-1 se alcanzaron productividades de 0,8 a 1,1 g. L-1 h-1 resultando buenas considerando el costo que representa el extracto de levadura en la producción industrial.

En el cuadro  3 se reportan las concentraciones y productividades de ácido láctico (Qp) encultivo por carga para las condiciones que se consideraron adecuadas para el crecimientodel microorganismo en este y otros estudios.Puede observarse que la productividad de ácido láctico  es comparable con los medios que usan lactosuero diluido o suplementado con la fuente de carbono [16, 17],siendo superior de tal forma que la suplementación con una fuente de nitrógeno en importante para aumentar  la producción.  Medios suplementados con extracto de levadura y minerales favorece una mayor productividad dado su importancia como fuente de nutrimentos completa a diferencia del sulfato de amonio que aporta nitrógeno.

CONCLUSIONES

Las mejores producciones se obtienen a niveles bajos de sulfato de amonio, y a niveles altos se requiere mayor suplementación con lactosa inicial; sin embargo, altas concentraciones de nitrógeno en el medio no favorecen la producción de ácido láctico.El L. casei creció con un alto rendimiento en ácido láctico, que se redujo al incrementarse la concentración inicial de lactosa (fuente de carbono) y de sulfato de amonio (fuente de nitrógeno) en el medio; de tal forma, que el lactosuero requiere una mayor suplementación con fuentes de nitrógeno que de carbono.

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