La proteína unicelular (SCP) se presentan como una solución prometedora y sostenible para la creciente demanda de proteínas, con aplicaciones tanto en la alimentación animal como en el consumo humano (Li et al., 2024). Asimismo, SCP tiene el potencial de disminuir la dependencia de la industria acuícola de ingredientes marinos y proteína de soja, pero requiere inversión de capital y colaboración en la cadena de valor para lograr una producción sostenible a gran escala (Ellahi y Firdous, 2023).
En este artículo presentamos la definición de proteína unicelular, los diferentes tipos que existen, el proceso de producción, sus ventajas y desventajas, el uso en la alimentación de especies acuícolas, y los desafíos que se deben superar para que se conviertan en una alternativa a los insumos tradicionales de los piensos acuícolas.
¿Qué es la proteína unicelular?
El término proteína unicelular (SCP, por sus siglas en inglés), también conocida como proteína microbiana, se refiere a las proteínas producidas por microorganismos como bacterias, levaduras, hongos y algas unicelulares. Estas proteínas, cultivadas a través de procesos biotecnológicos, se consideran una fuente sostenible de nutrientes tanto para humanos como para animales. La capacidad de estos microorganismos para crecer en condiciones controladas los convierte en una opción atractiva frente a las proteínas convencionales derivadas de plantas o animales.
Producción de proteína unicelular: procesos y fuentes
La producción de proteína unicelular involucra el cultivo de microorganismos en sustratos específicos que pueden incluir residuos agrícolas, industriales o incluso emisiones de carbono. Este proceso no solo reduce desperdicios, sino que también genera una biomasa rica en proteínas.
Proceso de producción de proteína unicelular
El proceso de producción de proteína unicelular (SCP) implica varias etapas, desde la selección de la cepa hasta la distribución de los productos SCP a los usuarios finales. A continuación, se presenta un desglose detallado del proceso, basado en la literatura científica:
Selección de la cepa
Se eligen microorganismos como bacterias, levaduras, hongos o microalgas por su rápido crecimiento y alto contenido de proteína. Las especies más comunes utilizadas incluyen Methylobacterium, Candida utilis, Chlorella, Spirulina, Fusarium venenatum y varias bacterias metanotróficas.
Preparación del sustrato
La preparación del sustrato es un paso crucial en la producción de proteína unicelular ya que convierte los sustratos en una fuente de carbono utilizable. Los sustratos pueden ser de varios tipos, incluyendo fuentes de alta energía (como metano y metanol), residuos orgánicos, y fuentes vegetales renovables. Sharif et al., (2021), cita como ejemplos de sustratos a la pulpa de manzana, cáscaras de yuca, pulpa de cítricos, cáscaras de papa y desechos de piña.
Los métodos de preparación varían dependiendo del sustrato e incluyen:
- Preparación húmeda: Para sustratos con alto contenido de humedad, como residuos de frutas y vegetales. Incluye lavados con agua o ácido, pulverización y filtración.
- Preparación seca: Se utiliza para materiales más secos como residuos agrícolas, que pueden requerir molienda y tratamiento enzimático para mejorar la accesibilidad de los nutrientes.
También se han investigado pretratamientos con ácidos, álcalis o vapor para mejorar el acceso a la celulosa en sustratos lignocelulósicos. Asimismo, es importante recordar que los sustratos deben ser no tóxicos, abundantes, regenerables, baratos y capaces de soportar el rápido crecimiento de los microorganismos.
Fermentación
La producción ocurre en biorreactores donde los microorganismos se alimentan de sustratos como melaza, hidrocarburos o compuestos nitrogenados. La fermentación puede ser aeróbica o anaeróbica, dependiendo del organismo utilizado. Li et al., (2024) describe los siguientes procesos de fermentación:
- Fermentación en estado sólido (SSF): Se lleva a cabo en un sustrato sólido sin fase acuosa libre, ideal para hongos filamentosos y algunas levaduras.
- Fermentación en estado líquido (LSF): Los microorganismos se cultivan en un sustrato líquido continuo con alto contenido de agua. Permite un control preciso de parámetros como la temperatura, el pH y el suministro de oxígeno.
- Fermentación en estado semisólido: Es un método intermedio entre SSF y LSF, donde se aumenta el contenido de líquido para mejorar la distribución de nutrientes y oxígeno.
La fermentación gaseosa es un método innovador que utiliza gases como CO, CO2 o H2 como sustratos para la producción de biomasa. También existe la fermentación tradicional, una forma de fermentación espontánea que involucra el crecimiento natural de microorganismos.
Cosecha y procesamiento
Una vez completada la fermentación, la biomasa microbiana se cosecha. La recuperación de la proteína después de la cosecha implica diferentes métodos de ruptura celular para liberar las proteínas intracelulares:
- Métodos mecánicos: sonicación, molienda con bolas, homogenización de alta presión y microfluidización.
- Métodos químicos: tratamiento alcalino, tratamiento ácido y agentes caotrópicos.
- Métodos biológicos: enzimas como lisozima, celulasa y proteasas.
Para la alimentación animal, después de recuperar las proteínas, se concentran mediante deshidratación, precipitación, ultrafiltración, secado por pulverización y liofilización; sin embargo, si la proteína unicelular se va a usar para consumo humano, se requieren pasos adicionales de procesamiento para garantizar la inocuidad y calidad del producto.
Optimización y control
Se están desarrollando enfoques de ingeniería metabólica para mejorar la productividad, el rendimiento y la calidad de la proteína. Esto incluye la optimización de las rutas metabólicas para la producción de proteínas de alta calidad.
También se emplean tecnologías ómicas como metagenómica, metatranscriptómica, metaproteómica y metametabolómica para entender las interacciones entre las células y mejorar la estabilidad y productividad.
Métodos de producción
La elección del método de producción depende de varios factores, incluyendo el tipo de microorganismo, los sustratos disponibles y las condiciones de operación. Ye et al., (2024) reporta que existen diferentes escenarios de producción que se clasifican según la fuente de energía (fototrófica o quimiotrófica) y los sustratos de carbono (autotróficos o heterotróficos) utilizados:
Procesos heterotróficos
Utilizan fuentes de carbono orgánico como glucosa, que se obtiene de la hidrólisis de corrientes de azúcar celulósicas y desechos agrícolas. También se usa metano, proveniente de digestión anaeróbica o de la extracción de gas natural.
- Desafío principal: El pretratamiento de la materia prima es costoso y requiere mucha energía. La hidrólisis de biomasa lignocelulósica es un cuello de botella importante.
Procesos autotróficos
Utilizan carbono inorgánico, específicamente CO2, y la energía se obtiene de la luz (fotoautotrófico) o de compuestos químicos como el H2 (quimioautotrófico).
- Desafío principal: La fermentación limitada debido a la baja transferencia de masa de los sustratos gaseosos y la cosecha celular.
Ejemplos de proteína unicelular
Es importante destacar que la elección del microorganismo y el sustrato dependen de factores como el costo, la disponibilidad, la eficiencia de conversión y el perfil nutricional deseado de la proteína unicelular. Algunos ejemplos destacados en la producción de proteína unicelular incluyen:
Microalgas
- Arthrospira platensis (espirulina): Se cultiva en aguas salinas y alcalinas y se usa como colorante alimentario, biofertilizante e ingrediente alimentario funcional (Li et al., 2024). Tiene un alto contenido de proteína (60%) y es uno de los productos más comercializados de SCP (Pereira et al., 2022).
- Chlorella sp., Dunaliella sp.: Estas especies son también importantes fuentes de proteína unicelular (Rashid et al., 2024). La Chlorella es un género de alga verde unicelular que se usa como suplemento nutricional debido a su alto contenido proteico, de lípidos y de otros nutrientes (Li et al., 2024).
Bacterias
- Methylobacterium spp.: Estas bacterias se utilizan para producir SCP a partir de compuestos de carbono C1 como metano y metanol (Gundupalli et al., 2024). Methylobacterium extorquens se utiliza como fuente de SCP para la alimentación de salmón del Atlántico (Salze y Tibbetts, 2021). También se usan otras bacterias metanotróficas como Methylococcus capsulatus. Woolley et al., (2023) reportó que la SCP derivada de Methylococcus capsulatus es un sustituto viable y efectivo de hasta el 75% de la harina de pescado en las dietas de la barramundi (Lates calcarifer).
- Clostridium spp.: Se utiliza en la producción de ProTyton, un producto de SCP con un contenido proteico del 85%, usado para la alimentación de salmón del Atlántico y camarón (Pereira et al., 2022).
- Bacterias púrpuras no sulfurosas: Estas bacterias pueden utilizarse para el tratamiento de aguas residuales y la producción simultánea de SCP. Rhodopseudomonas palustris es una de las bacterias púrpuras no sulfurosas empleadas en la producción de SCP.
- Corynebacterium ammoniagenes: Se ha demostrado la digestibilidad de los aminoácidos de su SCP en cerdos en crecimiento.
Levaduras
- Candida utilis: Esta levadura se cultiva en diversos sustratos como residuos de procesamiento de papas, melaza de soya y desechos de la industria alimentaria para la producción de proteína unicelular (Ye et al., 2014). También se utiliza en la producción de proteína a partir de residuos de la elaboración de cerveza.
- Saccharomyces cerevisiae: Esta levadura se utiliza en la producción de SCP a partir de diversas fuentes, incluyendo residuos de frutas y subproductos de la agricultura.
- Yarrowia lipolytica: Se utiliza para la producción de proteína unicelular en residuos agroindustriales. Esta levadura tiene potencial para producir lípidos y proteínas a partir de diferentes fuentes de carbono, incluyendo inulina.
Hongos
- Fusarium venenatum: Este hongo se utiliza para producir el micoproteína Quorn™, un producto comercializado para el consumo humano desde 1985. Los hongos filamentosos pueden tener un alto contenido de proteína, aunque parte de esta puede estar en forma de componentes de la pared celular (Li et al., 2024). Aspergillus oryzae también se ha estudiado para la producción de proteína unicelular.
Protistas
- Schizochytrium limacinum: Este protista es de interés por su capacidad para producir ácidos grasos omega-3 (Jones et al., 2020).
Aplicaciones de la proteína unicelular: Alimentación animal y humana
La aplicación de la proteína unicelular abarca diversos campos, siendo la alimentación una de las principales áreas de impacto. Según reporta Bratosin et al., (2021) las principales aplicaciones de las proteínas unicelulares son:
- Alimentación animal: La SCP se utiliza en la alimentación y nutrición animal, para engorde de aves de corral, gallinas ponedoras, terneros y cerdos. Puede reemplazar fuentes de proteína más costosas, como los productos de pescado y soja.
- Aditivos alimentarios: La proteína unicelular se utiliza como portador de vitaminas y aromas, y como emulsionante para mejorar el valor nutricional de productos horneados, comidas preparadas y sopas. También se usa como cultivos iniciadores en la producción de pan, cerveza y vino.
- Procesos industriales: La SCP se utiliza como agente estabilizador de espuma, así como en el procesamiento de papel y cuero.
- Producción de alimentos: La proteína unicelular puede ser utilizada como sustituto de la carne para hacer frente a la escasez de alimentos y el hambre. Adicionalmente, se usa como un ingrediente en alimentos vegetarianos y como condimento.
- Acuicultura: La SCP de levadura se utiliza en dietas de acuicultura como reemplazo parcial de harina de pescado debido a sus perfiles nutricionales y producción a gran escala. También se aplica para la fortificación de ácidos grasos insaturados en Artemia y rotíferos.
Ventajas vs desventaja de la proteína unicelular
La siguiente tabla resume las principales ventajas y desventajas del proteína unicelular, destacando tanto su potencial como sus desafíos para una adopción masiva.
Tabla comparativa de las ventajas y desventajas de la proteína unicelular (SCP).
| Aspecto | Ventajas | Desventajas |
| Eficiencia en la producción | Requiere menos tierra y agua que las fuentes tradicionales de proteína. | Infraestructura para cultivos controlados puede ser costosa. |
| Adaptabilidad de las fuentes | Puede producirse utilizando residuos orgánicos, reduciendo el impacto ambiental. | Dependencia de procesos sofisticados para garantizar la calidad del producto final. |
| Valor nutricional | Rico en aminoácidos esenciales, vitaminas y minerales. | Puede carecer de ciertos componentes necesarios para una dieta balanceada sin complementos. Toxicidad, presencia de endotoxinas y micotoxinas en algunos microbios requiere optimización del proceso y técnicas asépticas. |
| Sostenibilidad | Ayuda a combatir la sobreexplotación de recursos naturales. | Requiere procesos de purificación complejos para eliminar contaminantes y endotoxinas. |
| Aceptación cultural | Innovadora y potencialmente atractiva para consumidores conscientes del medio ambiente. | Algunas culturas lo perciben como poco natural, limitando su aceptación. |
| Escalabilidad | Producción factible en condiciones controladas y diversas geografías. | Escalamiento puede ser técnicamente desafiante y aumentar los costos iniciales. |
Diferencias entre proteína microbiana y otros tipos de proteína unicelular
Aunque a menudo se usan indistintamente, el término proteína microbiana puede referirse exclusivamente a proteínas derivadas de microorganismos como bacterias y hongos. Por otro lado, la proteína unicelular abarca también algas unicelulares. Estas diferencias reflejan su origen y aplicaciones específicas.
Usos de las proteínas unicelulares en la acuicultura
De acuerdo con Pereira et al., (2022) la proteína unicelular tiene varias aplicaciones prometedoras en la industria de la acuicultura, principalmente como un sustituto de las fuentes convencionales de proteína en la alimentación de peces y otros animales acuáticos. En el mismo sentido, Jones et al., (2020) reporta que han llevado a cabo extensos ensayos de alimentación con especies acuícolas como el camarón patiblanco (Litopenaeus vannamei), el salmón del Atlántico (Salmo salar) y la trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss).
En este sentido, la proteína unicelular (SCP) ofrece varios beneficios importantes para la producción de alimentos acuícolas, las mismas se pueden agrupar en:
- Alto contenido de proteína: La proteína unicelular tiene un alto nivel de proteína, que puede alcanzar hasta el 80% en peso seco, lo que la convierte en una alternativa atractiva a las fuentes de proteína tradicionales. En comparación, algunas microalgas pueden contener hasta un 70% de proteína, y los hongos entre un 30% y un 50%. Gundupalli et al., (2024) reporta que la producción de proteína unicelular bacteriana (BSCP) a partir de especies de Methylobacterium (Methylophilus methylotrophus y Methylococcus capsulatus) son una alternativa sostenible a las fuentes de proteína tradicionales.
- Perfil de aminoácidos favorable: La proteína unicelular contiene un buen perfil de aminoácidos, incluyendo aminoácidos esenciales como la lisina, metionina y treonina, que son necesarios para el crecimiento y desarrollo de los peces. En algunos casos, el perfil de aminoácidos de la SCP es comparable al de la harina de pescado, una fuente de proteína comúnmente utilizada en la acuicultura.
- Producción de pigmentos: Algunas microalgas, como Spirulina pacifica y Haematococcus pluvialis, pueden mejorar la coloración de la carne de pescado, lo cual es un factor importante para la calidad y la aceptación del consumidor. Por otro lado, Rashid et al., (2024) reporta que las bacterias púrpuras no sulfurosas (PNSB) carotenoides que protegen a los peces de las enfermedades.
- Producción sostenible: La producción de proteína unicelular puede ser más sostenible que otras fuentes de proteína, ya que requiere menos tierra y agua, y su producción no depende de las variaciones climáticas. Además, la SCP se puede producir utilizando una amplia variedad de sustratos de bajo costo, incluyendo residuos agrícolas e industriales, lo que contribuye a la economía circular.
- Rápida producción: Los microorganismos utilizados para producir proteína unicelular tienen una tasa de crecimiento rápida, lo que permite una producción más eficiente de proteína en comparación con otras fuentes. Las bacterias, por ejemplo, pueden multiplicarse en tan solo 20 a 120 minutos.
- Versatilidad: La SCP puede ser producida por una variedad de microorganismos, incluyendo bacterias, algas, hongos y levaduras, lo que permite una flexibilidad en la selección de la fuente de proteína. Además, la proteína unicelular puede ser producida a partir de diversos sustratos, incluyendo azúcares económicos y compuestos de carbono C1.
- Reducción de antígenos: A diferencia de las proteínas vegetales como la harina de soja, la SCP no contiene antígenos que puedan interferir con la absorción de aminoácidos en los peces.
- Beneficios adicionales: La SCP puede proporcionar beneficios adicionales a los peces, como un mejor funcionamiento inmunológico, una mejor salud intestinal y una mayor resistencia a enfermedades. Además, la proteína unicelular puede contener vitaminas, fosfolípidos y otros compuestos funcionales.
- Menor huella de carbono: La producción de SCP en biorreactores cerrados y controlados genera menos emisiones de gases de efecto invernadero, aunque aún se están explorando los beneficios ambientales.
Alimentación de salmón
Jones et al., (2020) reportó que las levaduras Candida utilis y Kluyveromyces marxianus pueden reemplazar hasta el 40% de la harina de pescado en las dietas del salmón sin afectar el rendimiento; y que productos de proteína unicelular basados en metanótrofos han demostrado un crecimiento y eficiencia alimentaria mejorados en el salmón atlántico.
Por otro lado, Tibbetts et al., (2025) concluye que las harinas de proteína unicelular (SCP) derivadas de la cepa natural de Methylovorus menthalis (cepa J25) son prometedoras para aplicaciones de alimentación de salmónidos de cultivo (Salmo salar) debido a su adaptabilidad a la producción a gran escala mediante fermentación aeróbica continua utilizando metanol C1 de bajo costo.
Alimentación de truchas con proteínas unicelulares
Buttle et al.,(2024) reportó que los productos de proteína unicelular puede reemplazar ingredientes tradicionales (harina de pescado y harina de soja) hasta en un 20% en la alimentación de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) sin comprometer el crecimiento y la salud de los peces. En el mismo sentido, Zamani et al., (2020) que los alevines de trucha arcoíris alimentados con dietas en las que se reemplazó el 25% y el 50% de la harina de pescado por SCP bacteriana fueron 9.1% y 21.8% más pesados, respectivamente, que los alimentados con la dieta de control.
Por su parte, Ruiz et al., (2023) concluye que la proteína unicelular bacteriana (BSCP) derivada de bacterias metanotróficas, puede ser incorporada en alimentos compuestos para acuicultura para reducir el uso de la harina de pescado tradicional. Ellos alimentaron juveniles de trucha arcoíris con una dieta con un 50% de reemplazo de harina de pescado por BSCP, y reportaron que crecieron mejor y tuvieron valores de FCR más bajos en comparación con el grupo de control; además mejoró la resistencia a enfermedades en juveniles de trucha arcoíris cuando se desafiaron con Aeromonas salmonicida subsp. salmonicida.
Alimentación de camarón marino con SCP
Hamidoghli et al., (2019) reportó que la proteína unicelular extraída de la bacteria Corynebacterium ammoniagenes (PRO) puede ser recomendada como una fuente de proteína unicelular para la alimentación de camarones, ofreciendo una alternativa rentable y subutilizada a la harina de pescado, y que el nivel óptimo de PRO como reemplazo de harina de pescado se encuentra entre el 10% (PRO2) y el 20% (PRO4) sin suplementos adicionales de aminoácidos.
Por su parte, Jones et al., (2020) destaca que en dietas para camarones, varias levaduras han reemplazado exitosamente harina de pescado o harina de soja, y hasta el 50% de C. utilis no tuvo efectos adversos e incluso mostró mayores tasas de crecimiento.
Desafíos a superar para la producción de proteína unicelular
Los principales desafíos para aprovechar las SCP incluyen aspectos relacionados con la producción, la calidad nutricional, la seguridad, la aceptación del consumidor y la economía.
Desafíos en la producción
- Escalabilidad: A pesar del potencial de las SCP, su producción a gran escala aún está en desarrollo y es limitada. Se necesitan biorreactores de gran tamaño y procesos optimizados para alcanzar volúmenes de producción industrial.
- Costos: La producción de SCP sigue siendo costosa en comparación con las fuentes de proteínas convencionales como la soya o la harina de pescado. Los altos costos de los sustratos, el procesamiento y la purificación son obstáculos económicos.
- Pretratamiento de materias primas: Los procesos heterotróficos que utilizan residuos orgánicos como sustratos requieren pretratamiento para aumentar la accesibilidad y disponibilidad de los azúcares para la fermentación, lo cual puede ser costoso y demandar mucha energía. Tecnologías emergentes buscan reducir estos costos y la toxicidad ambiental.
- Eficiencia de fermentación y cosecha: Para los procesos autotróficos, la optimización de la fermentación para obtener mayores rendimientos y la eficiencia de la cosecha son desafíos importantes. Métodos como la biofloculación y el crecimiento en biofilm pueden reducir los costos de cosecha.
- Estabilidad de cultivos mixtos: El uso de cultivos mixtos puede mejorar la productividad y reducir los costos operativos, pero mantener la estabilidad de estas comunidades microbianas durante largos periodos es un reto.
Desafíos en la calidad nutricional
- Contenido de ácidos nucleicos: Las SCP tienen un alto contenido de ácidos nucleicos, lo que puede aumentar el ácido úrico en el suero sanguíneo y provocar problemas como cálculos renales en humanos. Se requieren métodos de procesamiento para reducir estos compuestos en productos destinados al consumo humano.
- Digestibilidad: La pared celular de las SCP puede ser difícil de digerir para animales y humanos, lo que limita la disponibilidad de nutrientes. Métodos como la ruptura celular pueden mejorar la digestibilidad de las SCP.
- Balance de aminoácidos: Algunas SCP pueden ser deficientes en ciertos aminoácidos esenciales, como la metionina y la cisteína, lo que requiere suplementación en dietas de animales y humanos.
- Perfil de ácidos grasos: Las SCP pueden no contener los ácidos grasos esenciales que se encuentran en la harina de pescado, por lo que se debe considerar la suplementación en dietas para acuicultura.
Desafíos en la seguridad
- Toxinas: Algunas cepas de microorganismos pueden producir toxinas (endotoxinas, micotoxinas), lo que requiere optimización de procesos y técnicas asépticas.
- Microorganismos activos: El consumo de SCP sin procesar con microorganismos activos puede causar infecciones y problemas gastrointestinales.
- Reacciones alérgicas: Algunas personas pueden ser alérgicas a ciertos tipos de SCP.
Desafíos en la aceptación del consumidor
- Sabor y textura: Las SCP pueden tener sabores y texturas que no son atractivos para los consumidores, lo que dificulta su incorporación en alimentos para humanos. Se necesitan tecnologías de texturización para mejorar las propiedades sensoriales.
- Percepción: Existe una percepción negativa del uso de microorganismos en la producción de alimentos, lo que dificulta la aceptación por parte de los consumidores.
Desafíos económicos
- Competencia de precios: Las SCP deben ser competitivas en precio con otras fuentes de proteínas, como la soya y la harina de pescado.
- Inversión: La transición a la producción comercial a gran escala requiere grandes inversiones en infraestructura, tecnología y optimización de procesos.
Superar estos desafíos es esencial para aprovechar al máximo el potencial de las SCP como una alternativa sostenible y nutritiva a las proteínas convencionales para alimentación humana y animal.
Conclusión
Las proteína unicelulares (SCP) es un producto versátil con un amplio rango de aplicaciones, desde la alimentación humana y animal hasta procesos industriales. Su potencial como fuente de proteína sostenible la convierte en una alternativa atractiva para abordar los desafíos alimentarios y ambientales.
El futuro del SCP es prometedor. Con avances en biotecnología y fermentación, se espera que su producción sea más eficiente y menos costosa. Además, su papel en la economía circular y en la seguridad alimentaria global podría consolidarlo como una solución clave para un mundo en crecimiento. Sin embargo, también señala que se requiere más investigación para abordar los desafíos técnicos y de percepción del consumidor asociados con su producción y aplicación (Koukoumaki et al., 2024).
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