Introducción
El presente trabajo de investigación tuvo como objetivo evaluar los residuos principales provenientes de la industria azucarera y lechera, como son la melaza de caña y suero lácteo como sustrato para la producción de Saccharomyces cerevisiae, teniendo como medio de cultivo control, jugo de uva suplementado. La Saccharomyces fue cultivada en balones de vidrio de 2000 mL de capacidad con sistema acoplado de aireado continuo para cada uno de los sustratos. La biomasa obtenida durante cada hora de crecimiento se cuantificó por medio de la técnica de la cámara de Neubauer y se evaluaron los parámetros de pH y °Brix en los medios de cultivo a través del tiempo.
Adicionalmente se evaluaron los modelos matemáticos de Gompertz corregido y Logístico en la cinética de crecimiento de la levadura; permitiendo obtener una velocidad específica de crecimiento (μmáx) [h-1] de 0.0923 y 0.1103; precedida de un tiempo de latencia (λ) de 1.5044 y 2.8230 h y un tiempo de generación (G) [h] de 3.2608 y 2.7292 para Gompertz. Una velocidad específica de crecimiento (μmáx) [h-1] de 0.0869 y 0.1033; precedida de un tiempo de latencia (λ) de 1.5596 y 2.8583 h y un tiempo de generación (G) [h] de 3.4631 y 2.9134 para el modelo Logístico; tanto para el medio melaza + suero lácteo como para el jugo de uva suplementado respectivamente. En ambos casos se obtuvo un buen ajuste entre los datos experimentales y los valores predichos por los modelos. El coeficiente de determinación R2 para los dos modelos es superior al 90% (0.9896 y 0.9812 - Gompertz/ 0.9774 y 0.9709 - Logístico) (Melaza + Suero/ Jugo de uva suplementado); lo que demuestra que ambos modelos explican un alto porcentaje de la variabilidad de los datos.
Evaluación del Crecimiento de Saccharomyces cerevisiae
Parámetros Cinéticos y Modelos Matemáticos
Los parámetros cinéticos de crecimiento microbiano son herramientas fundamentales para la escalada de procesos biotecnológicos. Entre los más importantes se encuentran: la velocidad específica máxima de crecimiento (μmáx), la constante de afinidad por el sustrato (Ks) y los coeficientes de rendimiento (Yxs). Un efecto positivo sobre estos parámetros puede disminuir los tiempos y aumentar los rendimientos y productividades en procesos industriales.
En el presente trabajo se evaluó el crecimiento de la levadura Saccharomyces cerevisiae en melaza (miel virgen), en presencia de un campo magnético (CM) variable de alta frecuencia y baja intensidad. Se evaluaron los parámetros cinéticos: μmáx, Ks y Yxs. Se realizaron ensayos en fermentadores de 400 ml, a temperatura de 25 ºC, con un flujo de aire de aproximadamente 1 vvm. El campo aplicado tuvo una frecuencia de 100 kHz, un tiempo de exposición de 200 s y una densidad de campo de 250 mG. Se compararon los resultados obtenidos para cultivos bajo la acción del CM y cultivos en condiciones ambientales normales (control).
Fermentación De Levadura
Efectos del Campo Magnético sobre el Crecimiento
Los resultados mostraron que el campo magnético puede afectar los parámetros cinéticos de forma diferente dependiendo del número de aplicaciones. Se observaron incrementos de hasta 20% en la velocidad específica de crecimiento y de hasta 28% en el rendimiento, y descensos de hasta 26% en el valor de la constante de saturación.
Efectos sobre la Velocidad Específica de Crecimiento (%Δμmáx)
Se calculó el efecto de diferentes dosis de CM sobre el %Δμmáx. Los tratamientos B y C no generaron diferencias apreciables con sus controles en cuanto a la μmáx. El ensayo A, con una dosis de CM aplicada al cultivo sin aireación, generó un incremento del 13.89% en la velocidad específica máxima de crecimiento. El tratamiento D, presentó un %Δμmáx del 20% con respecto al control. Estos resultados de incremento en μmáx se corresponden con estudios previos que aplicaron CM de extremadamente baja intensidad y alta frecuencia sobre S. cerevisiae, provocando estimulación en su crecimiento.
Efectos sobre la Constante de Saturación (%ΔKs)
La aplicación de CM aumentó el valor de Ks, indicando que los cultivos de levadura disminuyeron su afinidad por el sustrato en todos los ensayos, excepto en el ensayo B (una dosis, con aireación). En este ensayo, la Ks del tratamiento fue un 26% menor que la del control, lo que sugiere que el microorganismo aprovechó mejor el sustrato del medio bajo estas condiciones. Una posible explicación es que el CM genera un aumento de la permeabilidad de la pared celular, facilitando la entrada de iones y aumentando el flujo a través de la membrana, lo que se manifiesta como una mayor afinidad por el sustrato.
Efectos sobre el Rendimiento (%ΔYxs)
El ensayo B presentó un %ΔYxs del 28.57% respecto al control, lo que significa que este tratamiento generó un rendimiento 28.57% mayor. Esto está asociado con la mayor afinidad por el sustrato observada, ya que un mejor aprovechamiento del sustrato resulta en mejores rendimientos. El mayor %ΔYxs con respecto al ensayo A se explica en parte por la turbulencia generada por la aireación, que potencia el efecto del CM al combinar el movimiento de las partículas en suspensión y la oscilación del campo. Además, se ha observado que el CM puede afectar la adsorción-desorción del oxígeno y, por ende, su utilización por los organismos vivos.
Estudio de Kluyveromyces marxianus
Influencia de las Condiciones de Cultivo en el Crecimiento y la Pared Celular
Se evaluó la influencia de las condiciones de cultivo sobre el crecimiento y el contenido de la pared celular en una cepa floculante de Kluyveromyces marxianus. Se encontró que el contenido promedio de pared celular estuvo en el rango habitual (15-30%) y fue afectado principalmente por la fuente de nitrógeno y carbono, así como por la temperatura. Se observó una correlación negativa entre el contenido de pared celular y la concentración de biomasa, siendo esta última el factor principal en la producción de pared celular.
La concentración de biomasa se afectó significativamente ante cambios en los factores nutricionales y ambientales. Se observó una disminución marcada en respuesta a la limitación de nitrógeno. La naturaleza de las fuentes de nitrógeno y carbono también incidieron en la concentración final de biomasa, favoreciéndose con fuentes de nitrógeno orgánico (peptona) y reduciéndose con lactosa como fuente de carbono. El pH inicial y la temperatura también afectaron los rendimientos de biomasa.
La oxigenación del cultivo afectó drásticamente la concentración final de biomasa, siendo mucho menor en microaerobiosis. Estas afectaciones están relacionadas con aspectos cinéticos y energéticos del crecimiento. Por ejemplo, las menores concentraciones celulares en microaerobiosis y a 40 ºC obedecen al menor rendimiento energético de la fermentación y a mayores gastos en mantenimiento celular, respectivamente.
| Condiciones | pH final del cultivo | Concentración de biomasa (mg/mL, base seca) | Contenido de Pared celular (%) | Producción de pared celular (mg/mL) |
|---|---|---|---|---|
| Glucosa | 2,2 | 3,22 ± 0,19 | 27,5 ± 0,63 | 0,89 ± 0,06 |
| Sacarosa | 2,2 | 2,97 ± 0,16 | 30,4 ± 0,76 | 0,90 ± 0,06 |
| Lactosa | 2,7 | 0,89 ± 0,11 | 18,4 ± 0,58 | 0,16 ± 0,02 |
| (NH4)2SO4 0,5 g/L | 2,3 | 2,11 ± 0,14 | 27,6 ± 0,49 | 0,58 ± 0,05 |
| (NH4)2SO4 2,0 g/L | 2,2 | 2,59 ± 0,20 | 23,3 ± 0,40 | 0,60 ± 0,05 |
| (NH4)2SO4 5,0 g/L | 2,2 | 2,95 ± 0,19 | 26,7 ± 0,48 | 0,79 ± 0,04 |
| Peptona 5,0 g/L | 3,6 | 4,65 ± 0,22 | 12,3 ± 0,24 | 0,57 ± 0,03 |
| 30ºC | 2,2 | 3,22 ± 0,19 | 27,5 ± 0,63 | 0,89 ± 0,06 |
| 40ºC | 2,4 | 2,51 ± 0,24 | 31,0 ± 0,77 | 0,78 ± 0,09 |
| pH 3,5 | 2,2 | 3,81 ± 0,14 | 17,5 ± 0,30 | 0,67 ± 0,03 |
| pH 5,4 | 2,2 | 3,22 ± 0,19 | 27,5 ± 0,63 | 0,89 ± 0,06 |
| Aerobiosis | 2,2 | 3,22 ± 0,19 | 27,5 ± 0,63 | 0,89 ± 0,06 |
| Microaerobiosis | 2,7 | 0,76 ± 0,18 | 26,1 ± 0,46 | 0,20 ± 0,05 |
Composición de la Pared Celular
El contenido de carbohidratos totales en la pared celular estuvo fuertemente influenciado por factores nutricionales y físicos del cultivo. Estos resultados sugieren que las condiciones de cultivo son de especial significación para el desarrollo de procesos productivos de preparados de pared celular en levaduras.
Conclusiones
Los campos magnéticos afectan los parámetros cinéticos de crecimiento del microorganismo Saccharomyces cerevisiae. El efecto es de naturaleza compleja, ya que las condiciones favorables para un parámetro no lo son necesariamente para los otros, debido a que cada parámetro cinético está asociado a un aspecto metabólico diferente. Para las condiciones evaluadas, las mejores para incrementar la producción de biomasa fueron las utilizadas en el ensayo B (aplicación de una dosis de CM en un cultivo con aireación), observándose un incremento en el rendimiento.
En el caso de Kluyveromyces marxianus, las condiciones de cultivo resultan de especial significación para el desarrollo de procesos productivos de preparados de pared celular en levaduras, afectando tanto el crecimiento como el contenido y composición de la pared celular.
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