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BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
Ao 2014 Volmen 18 Nmero 3 ISSN 0188-4786!
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BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
MESA DIRECTIVA
Dr. Cristbal No Aguilar Gonzlez Presidente
Dr. Carlos Regalado Gonzlez Vice-Presidente
Dr. Adelfo Escalante Lozada Secretario
Dra. Mara Teresa Torres Mancera Tesorera
Dr. Nicols Oscar Soto Cruz Subsecretario
Dr. Jos Luis Martnez Hernndez Vocal Profesional
QFB Olga Berenice lvarez Prez Vocal Estudiante
COMIT EDITORIAL
Dr. Sergio Snchez Esquivel Editor en Jefe Instituto de Investigaciones Biomdicas, UNAM Dr. Luis Bernardo Flores Cotera CINVESTAV
Dr. Fernando Luis Garca Carreo CIBNOR
Dr. Mariano Gutirrez Rojas UAM-I
Dra. Romina Rodrguez Sanoja Instituto de Investigaciones Biomdicas, UNAM
Dra. Sara Sols Pereira Instituto Tecnolgico de Mrida
Dra. Elizabeth Langley McCarron Instituto Nacional de Cancerologa Dr. Vctor Manuel Loyola Centro de Investigacin Cientfica de Yucatn
DISEO GRAFICO E IMAGEN
Lic. Nayeli Quinto (SODIO)
ISSN 0188-4786, revista cuatrimestral publicada por la Sociedad Mexicana de Biotecnologa y Bioingeniera, A.C. incluida en PERIDICA, ndice de Revista Latinoamericanas en Ciencias (CICH-UNAM). Certificado de Licitud de Ttulo en trmite y Certificado de Licitud de Contenido en trmite. Reserva de derechos de Ttulo04-1999-082516265000-101. Los Conceptos que en ella aparecen son responsabilidad exclusiva de los autores. Se prohbe la reproduccin total o parcial
de su contenido sin previa autorizacin por escrito del Comit editorial. Toda correspondencia deber enviarse a Km. 23.5 Carretera Federal Mxico -Cuernavaca, Av. Cipreses s/n, Col. San Andrs Totoltepec, C.P. 14400, Del. Tlalpan, Mxico, D.F. o a la siguiente direccin electrnica [email protected]
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BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
EDITORIAL
La Falsa Percepcin de la Biotecnologa y en Particular de los Organismos Genticamente Modificados
Vctor M. Loyola Vargas 3
INSTRUCCIONES PARA AUTORES 6
ARTCULOS
Actividades Enzimticas de Hongos para el Pre-tratamiento de Residuos Lignocelulsicos Peggy Elizabeth lvarez -Gutirrez, Zazil Corzo -Gonzlez , Gustavo Yaez -Ocampo
y Yolanda del Carmen Prez -Luna 11
Los Alimentos: una Aproximacin Protemica en su Estudio Jocelin Rizo, Catalina Crdenas y Romina Rodrguez -Sanoja 30
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La Falsa Percepcin de la Biotecnologa y en Particular
de los Organismos Genticamente Modificados Un programa de mejoramiento gentico de plantas que no contemple el uso
combinado de las mejores prcticas de la agricultura orgnica, de las nu evas
tcnicas biotecnolgicas y de la agricultura tradicional est destinado al fracaso.
Estas tcnicas se complementan una a la otra.
En mayo del ao 2013 se cumplieron 30 aos del primer artculo en el que se
public que la modificacin gentica es pos ible1. Este trabajo, bajo el liderazgo de
Marc Van Montagu y Jeff Schell tuvo como base los trabajos pioneros de Armin
Braum en los Estados Unidos, Mary-Dell Chilton en los Estados Unidos, Rob
Schilperoort en los Pases Bajos y Marc Van Montagu y Jeff Schell en Blgica.
Desde entonces, prcticamente no hay un da en la prensa en la que no haya una
noticia que involucra a los organismos genticamente modificados (OGMs). Desde
la destruccin de sembrados de arroz dorado, hasta la prohibicin de sembrar
soya transgnica en la Pennsula de Yucatn para que la miel que se vende en
Europa no est contaminada con polen transgnico. Cientficos y organizaciones
ecologistas estn divididos por igual sobre su percepcin acerca de los OGMs.
Tambin ambas partes est n hablando lenguajes diferentes.
Es posible que ambas partes de la ecuacin tengan parte de la razn. Un
anlisis de todos los hechos puede llevarnos a una solucin razonada. Hay que
preservar la biodiversidad? Absolutamente. Debemos hacer todo lo que
cientficamente sea posible para conservar las especies silvestres, as como las
semillas de las variedades criollas. Esto, alrededor del mundo. Las ventajas,
bondades y recompensas de la biotecnologa vegetal deben llegar tambin a los
productores y no quedarse slo en las grandes compaas. Tambin debe tenerse
consciencia de que la agricultura tradicional modifica genticamente a las plantas.
El maz, las fresas y los jitomates que llevamos a la mesa no existan como tales
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en la naturaleza antes de que el hombre inventara la agricultura y modificara a sus
ancestros.
Por el otro lado, debe hacerse consciencia de que la superficie arable del
mundo ya se agot (1,500 millones de hectreas) y al menos de que sigamos
destruyendo la selva y nuestras reservas ecolgicas, necesitamos de otras
soluciones para cultivar los alimentos que necesitamos para una poblacin
creciente. Desde luego el aumento en la produccin es una de ellas; especies ms
resistentes a diferentes extremos ambientales, tanto biti cos como abiticos, est
a la cabeza de todas las investigaciones para mejorar la productividad agrcola.
Entre ellas nuevas variedades que puedan ser cultivadas en los suelos cada vez
ms salinos que nos est dejando el uso intensivo de la irrigacin. Otr a importante
necesidad se encuentra en proporcionar a la poblacin los suplementos
alimenticios que requiere para una buena salud. La produccin de arroz dorado,
para suministrar a la poblacin su requerimiento diario de vitamina A, es un buen
ejemplo al respecto.
Los OGMs, en particular las plantas, estn proporcionando parte de la
solucin. En el ao 2012 se sembraron 170 millones de hectreas, de las cuales el
70% se sembraron en solo cinco pases (Estados Unidos, Brasil, Argentina,
Canad e India). Las dos principales caractersticas para los cuatro principales
cultivos transgnicos que se siembran (soya, maz, algodn y colza) son la
resistencia a insectos y la tolerancia a herbicidas. En los casos de la soya y el
algodn, los cultivos transgnicos son ya ms del 80% del total sembrado.
Otra rea en la que las plantas transgnicas pueden tener un impacto muy
significativo en la produccin de materia prima para la obtencin de
biocombustibles. Sin embargo, an en el campo del uso de las plantas con fines
industriales, se est dando la controversia, como se ve por el cierre de las
plantaciones de papa transgnica en Alemania.
No hay una solucin perfecta a un problema, sobre todo cuando involucra
aspectos culturales como el caso del maz en Mxico. La solu cin no est en
publicitar a los OMGs como la nica y mejor de las soluciones y tampoco en
denigrarlos. La solucin debe darse caso por caso. Para empezar una de las
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mejores acciones que podemos tomar al respecto es proporcionar informacin
oportuna y verdica sobre los OGMs. En primer lugar, debe dejarse claro que con
el uso de OGMs no se resolvern todos los problemas de la alimentacin humana
y ganadera, pero si pueden resolver problemas especficos. Tambin debe crearse
un programa de educacin de la po blacin en general que deje claro los pros y
contras de los OGMs, de tal forma que un pblico informado pueda tomar
decisiones inteligentes. Debe continuarse con los programas de seguridad
alimentaria, con el fin de recabar informacin suficiente que permi ta llegar a
conclusiones razonables y cientficamente apoyadas sobre su cuestionada
inocuidad. Se esgrime que el uso de OGMs ha propiciado el surgimiento de las
sper malezas. En realidad el causante es el uso de los herbicidas. Es cierto que
el elevado uso de glifosato ha seleccionado sperhierbas, pero se olvida que el
uso de otros herbicidas, como la atrazina, para el cual no se ha modificado
ninguna planta, ha propiciado hasta ahora la aparicin de 64 especies resistentes
a dicho herbicida. Lo mismo ha sucedido con el uso de otros herbicidas.
Los pases que forman la Unin Europea son los que ms se han visto
afectados por este debate. La primera semana de diciembre de 2014, el
Parlamento Europeo, finalmente lleg al acuerdo de que cada pas miembro
podr, en lo particular, tomar la decisin si prohbe o no la siembra de cultivos
transgnicos. Parece una solucin razonable despus del estancamiento que se
haba producido por varios aos.
En Mxico nos toca crear iniciativas que permitan llegar a una solucin sobre
el tema de los OMGs. stas deb en contemplar el respeto por la biodiversidad, los
aspectos culturales y debern propiciar soluciones biotecnolgicas al campo
mexicano.
Dr. Vctor M. Loyola Vargas Unidad de Bioqumica y Biologa Molecular de Plantas, CICY, Calle 43 No. 130,
Col. Chuburn de Hidalgo, CP 97200, Mrida, Yucatn.
E-mail: [email protected]
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Gua de Autores La revista puede recibir trabajos de investigacin original as como de revisin en los campos de
la biotecnologa y bioingeniera. Todos los manuscritos sern sujetos a revisin por al menos dos
miembros del Comit Editorial y debern contar con una recomendacin de aceptacin para ser
publicados.
Los idiomas de la revista son el Espaol y el Ingls.
Los trabajos se escribirn en hoja tamao carta (21.6 cm x 27.6 cm). Los mrgenes aplicados a
todo el manuscrito sern de 2.5 cm para los extremos superior e inferior, as como 3 cm de cada
lado. Las pginas debern estar numeradas en la parte inferior y central de cada h oja.
Se recomienda que los trabajos completos tengan un mximo de 25 pginas, escritas con un
interlineado de 1.5 renglones, incluyendo las tablas y figuras. Las publicaciones de trabajos
originales y revisiones en la revista Biotecnologa estn exentas de costo para los autores.
Cuando corresponda, se recomienda el uso de abreviaturas para referirse a unidades de tiempo
(h, min, s), de volumen (l, ml, !l), de peso (kg, g, mg, !g), DNA, RNA y otras comnmente
aceptadas en la literatura cientfica.
Los trabajos de investigacin original pueden tocar cualquiera de los diversos campos que
cultivan la biotecnologa y la bioingeniera, desde sus aspectos fundamentales hasta las
aplicaciones de los mismos, incluyendo: microbiologa, bioqumica y biologa molecular, procesos y
proyectos, as como biotecnologa marina y biotecnologa aplicada a la salud, alimentos,
agricultura, veterinaria, enzimas y ambiente.
Los trabajos de investigacin original sern divididos en las siguientes secciones: Introduccin, Materiales y mtodos, Resultados, Discusin, Referencias y Agradecimientos. Las secciones de Resultados y Discusin pueden presentarse combinadas.
Los trabajos de revisin incluirn el tema y subtemas que a juicio de los autores sean
necesarios para la mejor presentacin de la informacin. Estos trabajos pueden cubrir los
siguientes contenidos:
1. Qu es y para qu sirve la Biotecnologa?. Es decir: descripciones que ilustren y divulguen los
distintos campos de la biotecnologa, sus alcances y limitaciones, su historia y sus
perspectivas.
2. Las fronteras de la biotecnologa: revisiones de nuevos campos o nuevas aplicaciones de la
biotecnologa. Por ejemplo: las perspectivas del uso de los genomas para el desarrollo de
nuevas drogas o para el tratamiento de enfermedades metablicas. Las perspectivas de la
genmica (estudio sistemtico de los genes y sus aplicaciones), la protemica (predicci n de la
expresin de los genes en protenas funcionales) y la fenmica (prediccin de fenotipos o
conductas de los organismos, en base a sus genes y a sus protenas). El uso de la ingeniera
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gentica para hacer ingeniera metablica. Los nuevos tipos de re actores biolgicos y los
fenmenos de transporte implicados. Los nuevos esquemas de reaccin, separacin y control
en procesos biotecnolgicos.
3. Aplicaciones de la Biotecnologa para resolver problemas o atender necesidades de la
sociedad, con especial atencin a sus aplicaciones ya vigentes en Mxico. Esta seccin ser
dedicada a una empresa o institucin (pblica o privada) que desee difundir los logros
obtenidos en algn campo de la biotecnologa. Por ejemplo: empresas productoras de
antibiticos o prod uctos biolgicos, empresas de ingeniera ambiental que usen procesos
biotecnolgicos, empresas agropecuarias, forestales o de acuacultura que usen tecnologas
biolgicas avanzadas, o empresas de transformacin de alimentos que utilicen enzimas,
cultivos de microorganismos, etc. Esta lista es indicativa pero no exhaustiva.
4. Problemas de bioseguridad, biotica y biodiversidad relacionados con las aplicaciones de la
biotecnologa a la sociedad. Por ejemplo: anlisis y comentarios sobre los debates acerca del
uso de semillas transgnicas, los problemas de conservacin y explotacin de la biodiversidad
mediante la biotecnologa, los riesgos del uso de organismos transgnicos en diversos campos
de la industria, los problemas de bioseguridad del uso de antibiticos y otros productos
biotecnolgicos.
5. La educacin, la cultura y la difusin tecnolgica en relacin con la biotecnologa. Por ejemplo:
comentarios de planes y programas, de estilos y necesidades de la enseanza, del enfoque
interdisciplinario, en carreras o planes de estudio directamente ligados con la biotecnologa.
Tambin necesidades y modalidades sobre programas de extensin educativa para la
industria, para el pblico consumidor o para grupos selectos de personas interesadas en la
biotecnologa (polticos, funcionarios de empresas, lderes de opinin). El uso de la informtica
en la difusin de la biotecnologa, y en general, el anlisis de necesidades, mtodos y
alternativas para difundir los conocimientos de la biotecnologa.
6. Oportunidades y propuestas para mejorar la cooperacin y el desarrollo biotecnolgicos . Por
ejemplo: Anlisis de las oportunidades vigentes de intercambio acadmico o comercial en
biotecnologa. Propuestas de nuevas formas de cooperacin entre los sectores de
investigacin y la i ndustria biotecnolgica. Anlisis y propuestas del uso ptimo de recursos
humanos, financieros o materiales para mejorar la cooperacin o el desarrollo de la
biotecnologa. En esta seccin se dar espacio a los anlisis, crticas o propuestas de los
aspectos legales y fiscales que afecten e incluso puedan mejorar el desarrollo de la
biotecnologa en Mxico. Tales como: la propiedad industrial, el rgimen fiscal de las
empresas, el costo del desarrollo biotecnolgico y los subsidios o estmulos econmicos pa ra
el desarrollo de la biotecnologa.
Tanto los trabajos de investigacin original como las revisiones debern apegarse al siguiente
formato:
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1. El ttulo del manuscrito ser puesto en negritas con letra Arial o equivalente tamao 14. El ttulo deber estar centrado.
2. El nombre de los autores ocupar los siguientes renglones escribiendo el nombre y primer
apellido de cada participante. Se usar letra Arial o equivalente tamao 12. Los nombres de los participantes debern estar centrados, sealando con un asterisco el autor responsable de la
publicacin. En el siguiente rengln con letra itlica Arial del mismo tamao, se incluir la
direccin postal de la institucin de adscripcin de los autores, as como el e -mail del autor
corresponsal.
3. Se deber aadir un Resumen de no ms de 250 palabras en Espaol y un Abstract en Ingls de tamao similar.
4. Se incluirn entre 3 a 6 Palabras clave: que permitan clasificar el artculo en una base de datos.
Estas palabras debern de incluirse en Esp aol y en Ingls ( Key words:).
5. Si el texto inicia con el nombre de algn subtema, ste de pondr como primera lnea en
cursivas con letra Arial o equivalente tamao 10. Despus en el siguiente rengln se iniciar el texto descriptivo usando letra Arial o equivalente tamao 10. El texto deber ser escrito con un interlineado de 1.5 renglones. Se deber dejar un espacio de un rengln al inicio de una
seccin o subtema nuevo. Los gneros y especies debern escribirse en letras itlicas.
6. Las figuras debern numerarse con arbigos, correlativamente en orden de aparicin en el
texto. No se integrarn al texto, sino al final del manuscrito. No obstante, para facilitar el
trabajo de edicin, se recomienda indicar la ubicacin de las mismas en el moment o en que
son mencionadas por primera vez en el texto. Las figuras deben incluir un breve ttulo
explicativo en la parte inferior de la misma. Si es necesario incluir fotos, stas se debern
designar como figuras. La impresin de las figuras e imgenes se h ar en blanco y negro, por
lo que se recomienda que muestren un buen contraste, en especial las figuras con varias
lneas. Segn el orden de aparicin en el texto, las tablas tambin se numerarn con arbigos
ubicados en la parte superior de las mismas e incluirn un breve ttulo explicativo. Las notas en
las tablas debern ser indicadas con letras minsculas en superndice. La ubicacin de las
tablas ser sealada en el texto pero se anexarn en hojas separadas despus de las
Referencias.
7. La informacin dada como referencias bibliogrficas deber permitir a los lectores llegar con
facilidad a tal fuente de informacin original, si ello fuera necesario. En el texto del trabajo, las
referencias se citan por autor y ao entre parntesis redondos. Por eje mplo: Martnez &
Garca (1999) han demostrado que..., o bien, Datos recientes (Martnez & Garca, 1999)
han demostrado que.... Si la cita posee varios autores se escribira como sigue: Gutirrez et
al., (2003), han demostrado". O bien: Datos recientes (Gutirrez et al., 2003) han
mostrado" Si la cita es es una pgina de Internet, sta deber ponerse completa entre
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parntesis directamente en el texto donde se mencione. La lista de Referencias se deber escribir con el mismo tipo de letra del texto principal (Arial tamao 10) de acuerdo al siguiente formato:
Para revistas:
Garca-Carreo F, Cota K & Navarrete del Toro MA (2008) Phenoloxidase activity of hemocyanin in
whiteleg shrimp, Penaeus vannamei: conversion, characterization of catalytic properties, and
role in postmortem melanosis. J. Agric. Food Chem. 56: 6454-6459.
Para libros y captulos de libros:
(Libro)
Ullrich M (2009) Bacterial Polysaccharides: Current Innovations and Future Trends. Horizon
Scientific Press, Norwich.
(Captulo de libro)
Snchez S & Demain AL (2009) Metabolic regulation and overproduction of primary metabolites. In:
Encyclopedia of Industrial Biotechnology. Bioprocess, Bioseparation, and Cell Technology
(EIB). Flickinger MC (ed). John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. pp. 396-458.
Para patentes:
Fenical WH, Jensen PR & Kwon HC (2009) Polyol macrolide antitumor-antibiotics from the marine
actinomycete strain CNQ140. US patent 7,521,414.
Para congresos y reuniones: Se aceptarn un mximo de dos citas de este tipo.
Reyes N, Domnguez RM, Islas I & Solis S (2007) Induccin diferencial por pH y temperatura del
Complejo pectinoltico producido por clulas inmovilizadas de Aspergillus HL. XII Congreso
Nacional de Biotecnologa y Bioingeniera. Morelia Mich. Mxico. OIII -12.
Para citas provenientes de internet: Se aceptar un mximo de dos citas de este tipo.
Van Deuren J, Wang Z & Ledbetter J (1997) Remediation Technologies Screening Matrix and
Reference Guide. 3 Ed. Technology Innovation Office, EPA. Disponible en:
http://www.epa.gov/tio/ remed.htm.
Revistas electrnicas: Sun J, Lu X, Rinas U, & Zeng AP (2007) Metabolic peculiarities of Aspergillus niger disclosed by
comparative metabolic genomics. Genome Biol. 8: R182.
Para tesis de pre y posgrado:
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Crdenas C (2009) Evaluacin del uso biotecnolgico de la semilla de Ditaxis heterantha para la
Produccin de safranal. Tesis de Maestra en Ciencias Bioqumicas. Universidad Nacional
Autnoma de Mxico. Mxico D.F. pp. 1 -78.
Cada autor es responsable de la precisin de las citas que emplea. Las citas de internet,
congresos y reuniones, debern evitarse al mximo.
Una vez que ha sido revisado y aceptado su trabajo, los autores debern enviar una carta de
cesin de los Derechos de Autor, de ma nera que la Sociedad Mexicana de Biotecnologa y
Bioingeniera pueda hacer uso del artculo aceptado, o parte de l, con fines de divulgacin y
difusin de la actividad cientfica y tecnolgica. En ningn caso, dichos derechos afectan la
propiedad intelectual que es propia de los autores, para usar la totalidad o parte de ese artculo
con fines no lucrativos.
Los trabajos solamente se reciben va correo electrnico en la direccin
[email protected] Al momento de recibirlo, se enviar un acuse de recibo al autor
corresponsal, por lo que se pide ncluir una direccin de correo electrnico para este fin, as
como para mantener comunicacin con el editor sobre la evolucin de la revisin y sobre la
aceptacin del mismo.
Una vez aceptados, los trabajos son editados y enviados a los autores para su correccin. En
esta condicin no se permitirn cambios sustanciales en el contenido de los mismos sin la
aprobacin del editor en jefe. Una vez aprobada la pr ueba, el trabajo se publicar en lnea y
podr ser consultado en la pgina de la Sociedad Mexicana de Biotecnologa y Bioingeniera
AC http://www.smbb.com.mx/ La publicacin en lnea preceder a la publicacin impresa.
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Actividades Enzimticas de Hongos para el Pre-tratamiento de Residuos Lignocelulsicos
Peggy Elizabeth lvarez -Gutirrez*, Zazil Corzo -Gonzlez , Gustavo
Yaez -Ocampo y Yolanda del Carmen Prez -Luna
Universidad Politcnica de Chiapas. Calle Eduardo J. Selvas S/N. Col.
Magisterial C.P. 29010. Tuxtla Gutirrez, Chiapas. Tel. 01961 61 204 84 ext.218
*E-mail: [email protected]!
RESUMEN Chiapas es a nivel nacional uno de los estados con mayor actividad agrcola, como
consecuencia de esta actividad se generan anualmente toneladas de residuos agroindustriales
(ricos en biomasa lignocelulsica). Una alternativa para el aprovechamiento de est os residuos es la
produccin de biocombustibles. Sin embargo , el principal factor limitante para su uso es la
composicin de la pared celular vegetal hecha de celulosa, hemicelulosa y lignina, ya que por su
estructura qumica ofrece resistencia a la biodegradacin. El uso de hongos es una opcin para el
pre-tratamiento de los residuos agroindustriales, ya que poseen enzimas lignocelulolticas
agrupadas en celulasas, hemicelulasas y ligninasas. Estas enzimas representan la clave para
emplearse en procesos biotecnolgicos que usen la biomasa vegetal como materia prima para
mejorar el rendimiento de productos de biocombustibles, alimentos, textiles, papel, biorremediacin
entre otros. En este documento se presenta una revisin de las principales actividades enzimticas
producidas por hongos de la pudricin blanca para el pre -tratamiento de la biomasa lignocelulsica
abundante en el estado de Chiapas.
Palabras clave: biomasa lignocelulsica ; residuos agroindustriales de Chiapas; celulasas; hemicelulasas; ligninasas.
ABSTRACT
At the national level, Chiapas is one of the states with higher agriculture activity and
because of this, tons of agro-industrial residues (rich in lignocellulosic biomass) are generated.
One alternative for these residues utilization is biofuel production. However, one of the main
handicaps for their utilization is the plant cell wall composition. The cell wall is made up of
cellulose, hemicellulose and lignin, which due to their chemical structure, are materials naturally
resistant to biodegradation. Fungi represent an alternative for pretreatment of agro-industrial
residues since they produce lignocellulolytic enzymes grouped as cellulases, hemicellulases and
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ligninases. These enzymes are key factors for biotechnological processes that employ plant
biomass as a row material to improve the yield of products like biofuels, foods, textiles, paper
and bioremediation, among others. In this paper, a review on the main enzymatic activities
produced by the white rot fungus for pre-treatment of the abundant lignocellulosic biomass in
Chiapas, is presented.
Key words: lignocellulosic biomass, Chiapas agro-industrial residues, cellulases, hemicellulases,
ligninases
INTRODUCCIN
A nivel nacional Chiapas, ocupa el
primer lugar en produccin de caf cereza y
palma de aceite, quinto lugar en maz y sexto
lugar en caa de azcar (SIAP, 2013). Como
consecuencia de la intensa actividad
agrcola, se generan residuos
agroindustriales derivados de la
transformacin agroindustrial. Las
estimaciones indican que mas del 40% del
total de la produccin se convierte en residuo
(Tabla 1).
!
Tabla 1. Cultivo, produccin anual y estimacin de residuos agroindustriales en Chiapas
Cultivo Produccin anual
(ton)
ndice de residuo
de cultivo
Estimacin de residuos
agroindustriales (ton)
Caf 499,105.16 0.24 119,785.23
Palma de aceite 382,541.67 N.D N.D
Maz 1,529,385.18 0.30 458,815.55
Caa de azcar 2,931,356.98 0.15 439,703.55
Obtenido de: SIAP, 2013; Valdez-Vazquez et al., 2010. N.D. No disponible
La agroindustria del caf utiliza
nicamente el 9.5% de biomasa
aprovechable y el 90.5% restante son
residuos, mientras que la industria del aceite
de palma utiliza el 9% y el 91% restante es
residuo (Saval, 2012). Estos materiales, por
su composicin tambin son co nocidos como
biomasa lignocelulsica cuyos principales
componentes son la celulosa, hemicelulosa y
lignina; la proporcin de cada uno es
diferente en funcin del origen del residuo
agrcola (Rubin, 2008). Esta biomasa podra
ser aprovechada para la produccin de
biocombustibles como metano (Fidel et al.,
2014) y etanol (Aldana et al., 2014).
La biomasa lignocelul sica ofrece
resistencia a la biodegradacin, el cual es un
factor limitante si se desea aprovechar para
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producir etanol. Los organismos que llevan a
cabo la fermentacin alcohlica en general
carecen de la capacidad para degradar
madera. En contraste, los microorganismos
mejor estudiados responsables de la
transformacin de biomasa lignocelul sica
son los hongos ligninocelulolticos,
particularmente los hongos de la
podredumbre blanca, debido a que poseen
enzimas extracelulares capaces de hidrolizar
y transformar a los principales componentes
de la biomasa lignocelul sica. El estudio de
la actividad enzimtica celulasa,
hemicelulasa y ligninasa es la clave en los
procesos de pre-tratamiento la biomasa
lignocelulsica a fin de aumentar el
rendimiento en la produccin de etanol . Los
pretratamientos qumicos que actualmente se
utilizan requieren de la inversin de energa,
adem s de presentar inconvenientes desde
el punto de vista ambiental, por lo que el pre-
tratamiento es la etapa m s costosa del
proceso, aproximadamente el 33% del costo
total (Martins et al., 2011).
El as como la exploracin de la
biodiversidad fngica y de su potencial
enzimtico es de vital importancia para
incrementar la eficiencia de conversin
enzimtica de la biomasa lignocelul sica en
sus principales monmeros de carbohidratos
fermentables (Arantes et al., 2012). Por lo
antes descrito, en el presente reporte se
abordarn las principales actividades
enzimticas de los hongos de la
podredumbre blanca sobre residuos
agroindustriales ricos en biomasa
lignocelul sica con potencial biotecnolgico
para su uso en el pretratamiento de residuos
agroindustriales abundantes en el estado de
Chiapas.
APROVECHAMIENTO DE RESIDUOS
AGROINDUSTRIALES
Los residuos son materiales en estado
slido o lquido que se generan a partir del
consumo directo de productos primarios o de
su industrializacin y que ya no son de
utilidad para el proceso que los gener, pero
que son susceptibles de aprovechamiento o
transformacin para generar otro producto
con valor econmico, de inters comercial y/o
social (Saval, 2012).
Particularmente los residuos
agroindustriales pueden ser aprovechados
entre otros, como materia prima para la
produccin de etanol. A partir de residuos del
bagazo de caa se ha observado que tiene el
potencial de produccin de etanol de entre 33
mil y 260 mil m3 al ao (Orozco et al., 2014).
Para Chiapas, el bagazo de caa de azcar
del ingenio de Pujiltic y Huixtla tiene el
potencial para ser usado en la produccin de
biocombustibles (Valdez-Vazquez et. al.,
2010). Adems, dos residuos abundantes en
Chiapas son el cascabillo de palma de aceite
y la pulpa de caf estn compuestos de
material lignocelulsico por lo que pueden
ser utilizados tambin para este fin (Tabla 2).
B
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Tabla 2. Composicin de residuos lignocelulsicos:
Residuo Celulosa
(%)
Hemicelulosa
(%)
Lignina
(%) Referencia
Bagazo de caa 35.31 24.01 22.85 (Bizzo et al., 2014)
Pulpa de caf 63.00 02.30 17.50 (Murthy & Naidu, 2012)
COMPOSICIN Y ESTRUCTURA QUMICA
DE LA BIOMASA LIGNOCELULSICA
La biomasa lignocelulsica es producida
por la accin fotosinttica de las plantas,
representa la fuente orgnica renovable mas
abundante del Planeta (Quiroz-Castaeda et
al., 2011). La lignocelulosa se encuentra en
las paredes celulares de las plantas y est
compuesta principalmente por tres polmeros:
celulosa, hemicelulosa y lignina (Figura 1 y
Tabla 3). Existe un entrecruzamiento entre la
celulosa, hemicelulosa y lignina para
conformar la pared celular (Prinsen, 2010).
La celulosa es el biopolmero m s
abundante de la Tierra, consiste en cadenas
lineales de aproximadamente 8,000 a 12,000
residuos de glucosa, unidas por enlace #
1$4. Un residuo de glucosa es la unidad
monomrica de la celulosa, mientras que el
dmero de la celobiosa es la unidad
estructural repetitiva de la cadena. La
celulosa est formada por regiones
cristalinas y amorfas. En la regin cristalina,
las cadenas de celulosa se encuentran
estabilizadas por puentes de hidrgeno y
fuerzas de Van der Waals, resultando
microfibrillas, que son agregados muy
extensos y cristalinos. La regin amorfa est
formada por cadenas de celulosa con
organizacin ms dbil. Todas las cadenas
de celulosa se encuentran polarizadas, tiene
un extremo reductor y otro no reductor
(Martins et al., 2011).
La hemicelulosa es el segundo
componente mas abundante en la biomasa
lignocelulsica (Rubin, 2008). A diferencia de
la celulosa, la hemicelulosa es un
heteropolisacrido no cristalino, de estructura
compleja, compuesto por varios monmeros
tales como pentosas (#-D-xilosa, %-L
arabinosa), hexosas (#-D-manosa, #-D-
glucosa, %-D-galactosa), y/o cidos urnicos
(%-D-glucurnico, %-D-4-O-metilgalacturnico
y %-D-cido galactur nico) y xilano (Martins
et al., 2011). El xilano es el principal
componente de la hemicelulosa, contribuye
con el 70% de sta estructura ( Dashtban et
al., 2009). El xilano consta de una cadena
principal de xilopiranosa (xilosa), unidos por
enlace # 1$4, co n ramificaciones de
unidades de az cares y grupos acetilo
(Martins et al., 2011).
La lignina es una fuente renovable de
polmero aromtico que se encuentra en la
naturaleza. Debido a su compleja y
heterognea estructura, es qumicamente
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
A. B.
C.
Fig. 1. Estructura qumica de la biomasa lignocelulsica: A. Celulosa B. Hemicelulosa (1. endoxilanasa, 2. arabinofuranosidasa, 3. glucuronidasa, 4. feruloil esterasa, 5. Acetil xilano esterasa) y C. Lignina. Modificado de: Alonso et al., 2010; Martins et al., 2011, Rubin 2008.
recalcitrante a la descomposicin por la
mayora de los microorganismos (Martins et
al., 2011). Este heteropolmero amorfo
consiste en tres unidades repetitivas de
derivados de alcohol diferentes: alcohol p-
cumaril, alcohol coniferil y alcohol sinapil
(Quiroz-Castaeda et al., 2011).
HONGOS DEGRADADORES DE BIOMASA
LIGNOCELULSICA
La descomposicin biolgica de los
materiales lignocelulsicos, desempea un
papel esencial en el ciclo de carbono en
ecosistemas terrestres y forestales. Existen
microorganismos capaces de degradar la
estructura recalcitrante de la lignina, a
monmeros de carbohidratos solubles y
fermentables. Entre ellos destacan los
hongos, tanto los de pudricin blanca y como
hongos de pudricin caf (Arantes et al.,
2012). Chiapas es una regin mega diversa
en donde se pueden encontrar una gran
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
Tabla 3. Caractersticas de la composicin bioqumica de la biomasa lignocelulsica
Componente Unidad
Monomrica Enlace Caractersticas
Celulosa Glucosa # 1$ 4
Proporciona rigidez a la pared celular. La cadena
de polmeros de celulosa es insoluble y forman
microfibrillas cristalinas, que hacen que los
azcares sean de difcil acceso. La regin amorfa
de la celulosa es mas susceptible a la hidrlisis
enzimtica.
Hemicelulosa
Xilosa
Arabinosa
Glucosa
Manosa
Galactosa
cido s
urnicos
# 1$ 4
# 1$ 3
Une las fibras de celulosa en microfibrillas y forma
enlaces cruzados con la lignina, creando una red
compleja de enlaces que proveen una fuerza
estructural. Es insoluble en agua, pero se disuelve
en medio alcalino.
Lignina
p-Cumaril
Coniferil
Sinapil
ster # -O-4
#-5
Proporciona resistencia a la pared celular frente a
insectos y patgenos, con la hemicelulosa forma
una matriz alrededor de la celulosa; es el material
mas recalcitrante. Desempea funciones de
transporte de agua, nutrientes y metabolitos en el
sistema vascular
Obtenido de: Zhao et al., 2012; Quiroz-Castaeda et al., 2011; Prinsen 2010; Alonso et al., 2010;
Rubin 2008; Martins et al., 2011.
variedad de hongos de pudricin blanca tales
Auricularia auricula, Cookeina sulcipes,
Cookeina tricholoma, Earliella scabrosa,
Ganoderma, Picnoporus sanguineus,
Pleurotus ostreatus, Ramaria sp.,
Schizophyllum commune, Trametes sp. entre
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
otros (Chanona-Gmez et al., 2007, Shepard
et al., 2008, Martnez-Carrera 2010,
Chanona-Gmez et al., 2014). Estas
especies tienen actividades enzimticas que
les permiten degradar la biomasa. Diversos
autores han descrito a estos hongos en otras
partes del mundo y han reportado estas
actividades y sus aplicaciones
biotecnolgicas (Tabla 4). Los hongos de
pudricin blanca , tienen la
Tabla 4. Enzimas lignocelulolticas de hongos de pudricin blanca
Taxa Enzima Inters Referencia
Auricularia auricula Manganeso
peroxidasa
Comestible,
Biotecnolgico Liers et al., 2010
Cookeina sulcipes Lacasa, celobiosa
hidrogenasa Comestible Chaparro et al., 2009
Cookeina tricholoma Lacasa, celobiosa
hidrogenasa
Comestible,
Ldica Chaparro et al., 2009
Earliella scabrosa
Celobiosa
hidrogenasa,
lacasa
Antifgico Chaparro et al., 2009
Peng & Don, 2013
Ganoderma lucidum Lacasa
galactosidasa
Medicinal (antiviral,
hipoglicmico,
hipocolesterolmico,
antitumoral, entre
otros)
Quimiopreventivo
(Actividad Anti-HIV)
Songulashvili et al.,
2011
Sripuan et al., 2003
Chen & Miles, 1996
Chang, 1996
Kim et al., 1996
Picnoporus
sanguineus
Manganeso
peroxidasa, lacasa,
lignina peroxidasa
Biotecnolgico
(Decoloracin de
colorantes sintticos)
Gomes et al., 2009
Pleorotus ostreatus Lacasa,
manganeso Comestible, Dvila -Vzquez et al.,
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
peroxidasa, lignina
peroxidada.
Biotecnolgico
(bioremediacin),
Medicinal (antiviral,
hipocolesterolmico,
antitumoral, entre
otros)
2005
Singh et al., 2013
Mori et al., 1987
Mikiashvili et al., 2006
Nandal et al, 2013
Martins et al., 2011
Ramaria sp Lacasa Biotecnolgico Chaparro et al., 2009
Schizophyllum
commune
Magnesio
peroxidasa, lignina
peroxidasa, acetil
xilan esterasa
Comestible Irshad & Asgher, 2011
Buruian& et al., 2013
Trametes sp Lacasa, celobiosa
hidrogenasa Biotecnolgico
Chaparro et al.,
2009
capacidad de degradar la lignina y
mineralizarla a CO2 y H2O (Arora & Sharma,
2010) a partir de enzimas como la lignina
peroxidasa (LiP), manganeso peroxidasa
(MnP), lacasa (Ponce et al., 2012). Los
hongos de pudricin caf degradan celulosa
y hemicelulosa (Arora & Sharma, 2010),
siendo capaces de modificar la estructura
qumica y composicin de la lignina en la
pared celular de la biomasa lignocelulsica a
travs de reacciones de oxidacin, cre ando
el acceso a los componentes de dicha pared,
sin embargo no la degradan completamente
(Arantes et al., 2012).
ENZIMAS FUNGICAS DEGRADADORAS DE BIOMASA
Las enzimas hidrolticas catalizan la
hidrlisis de varios enlaces, i ntroduciendo
elementos del agua, H+ y OH-, produciendo
as su rompimiento. Se denominan de
acuerdo con el nombre de su sustrato
seguido del sufijo asa. Para la degradacin
de la biomasa lignocelulsica se necesitan de
enzimas celulolticas, hemicelulolticas y
ligninolticas (Figura 2).
ENZIMAS CELULOLTICAS
Las enzimas celulolticas actan en
sinergia para la degradacin de celulosa.
Este sistema enzimtico , incluye tres tipos de
celulasas: a) Las endoglucanasas
(E.C.3.2.1.4) inician el ataque de forma
aleatoria en mltiples sitios internos de las
regiones amorfas de la fibra de celulosa, que
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
abre sitios para el subsecuente ataque de las
celobiohidrolasas. b) Las celobiohidrolasas
(E.C.3.2.1.91) tambin conocidas como
exoglucanasas, eliminan un disacrido
conocido como celobiosa de ambos lados de
la cadena de glucano de la regin cristalina
de la celulosa. c) La #
Fig. 2. Las enzimas fngicas degradadoras de biomasa lignocelulsica
glucosidasa (E.C.3.2.1.21) hidroliza la
celobiosa y en algunos casos celo-
oligosacridos de cadena corta a glucosa!
HDashtban et al., 2009, Martins et al., 2011;
Ratanakhanokchai et al., 2013). En la Figura
3 se presentan las principales enzimas
celulolticas y en la Tabla 5 se presentan las
reacciones generales con la frmula qumica
de los sustratos y los productos de reaccin,
adems d el pH y la temperatura ptima
descritos por diversos autores.
ENZIMAS HEMICELULOLTICAS La ruptura hidroltica de la hemicelulasa
requiere al menos de siete enzimas, debido a
la heterogeneidad del compuesto.
Su completa degradacin requiere la
accin cooperativa de enzimas hidrolticas
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
llamadas hidrolasas (Dashtban et al., 2009).
Las xilanasas se clasifican segn la accin
con los sustratos: endo-1,4-#-xilanasa
(E.C.3.2.1.8) genera xilo-oligosacridos al
hidrolizar los enlaces # 1$4 glucosdicos de
la cadena principal del xilano; mientras que
1,4-#-xilosidasa (E.C.3.2.1.37) produce xilosa
de xilobiosa y de cadena cortas de xilo-
oligosacridos. Adems, de la degradacin
del xilano se necesita enzimas accesorias
tales como %-L-arabinofuranosidasa
(E.C.3.2.1.55) que elimina L-arabinosa de
Fig. 3. Enzimas celulolticas (ExoGlu: Exoglucanasa, EndoGlu: Endoglucanasa). Modificado de
Ratanakhanokchai et al., 2013.
las cadenas laterales de xilosa; %-
glucoronidasa (EC 3.2.1.39) es una de las
hemicelulasas mas comunes, hidroliza los
enlaces glucosdicos % 1$2 entre residuos
de cido glucornico y unidades de cadena
principal del glucoronoxilano; acetil xilano
esterasa (E.C.3.1.1.72) elimina los grupos O-
acetilo de posiciones 2 y/o 3 entre los cidos
glucornicos y la # -D-xilanopinanosil,
unidades encontradas en la cadena del
glucoronoxilano; esterasa del cido ferulico
(E.C.3.1.1.73) presenta un papel clave en
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
Tabla 5. Reacciones generales de las enzimas celulolticas
Enzima Reaccin
Celulasa
(endoglucanasa)
E.C. 3.2.1.4
pH ptimo: 5a
Temperatura
ptima: 50oCa
Celohexosa + H2O = 2 celotriosa
Celobiohidrolasa
(exoglucanasa)
E.C. 3.2.1.91
pH ptimo: 5 b
Temperatura
ptima: 40oCb
2 Celohexosa +2H2O = 2 celotriosa + 2 celotetraosa + celobiosa
#-glucosidasa
E.C. 3.2.1.21
pH ptimo: 5 c
Temperatura
ptima: 50 oCc
Celoheptosa + 6H2O = 7 #-D-glucosa
el incremento de la hidrlisis enzimtica,
permite la accesibilidad de las fibras de la
celulosa debido a la eliminacin del cido
ferlico de las cadenas laterales; la %-
galactosidasa (E.C.3.2.1.22) elimina residuos
de galactosa (Ratanakhanokchai et al., 2013,
Martins et al., 2011). Ver Figura 4 y Tabla 6.
+ H2O = 2
+ 2 2H2O = 2 +
2
+ 6H2O = 7
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
Fig. 4. Enzimas hemicelulolticas. Modificado de Ratanakhanokchai et al., 2013.
Tabla 6. Reacciones generales de las enzimas hemicelulolticas
Enzima Reaccin
endo-1,4-#-
xilanasa
E.C. 3.2.1.8
pH ptimo: 5a
Temperatura
ptima: 50oCa
(Xyl#(1-4))n + H2O = (Xyl#(1-4))n-m + (Xy#(1-4))m
1,4-#-xilosidasa
E.C. 3.2.1.37
pH ptimo: 5b
Temperatura
ptima: 55oCb
(Xyl#(1-4))x + H2O = #-D-xylopyranosa + (Xyl#(1-4))x-1
+ H2O = P!!
+ H2O = +
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
%-L-arabinofura-
nosidasa
E.C. 3.2.1.55
pH ptimo: 4c
Temperatura
ptima: 60oCc
1,5-%-L-arabinofuranohexosa + 5H2O = 6 %-L-arabinofuranosa
%-glucoronidasa
E.C. 3.2.1.139
pH ptimo: 4.8 d
Temperatura
ptima: 40 oCd
%-glucoronoside + H2O + alcohol = %-D-glucoronato
Acetil xilano
esterasa
E.C. 3.1.1.72
pH ptimo: 7.7e
Temperatura
ptima: 30oCe
acetil xilano + 3 H2O = 3 cido actico + xilano
! !
+ H2O + =
+ 5H2O = 6
+ + 3 H2O = 3
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
Feruloil esterasa
E.C. 3.1.1.73
pH ptimo: 4f
Temperatura
ptima: 50oCf
Feruloil-polisacrido + H2O = ferulato + polisacrido
%-Galactosidasa
E.C. 3.2.1.22
pH ptimo: 6 g
Temperatura
ptima: 70 oCg
Rafinosa + H2O = sacarosa + %-D-galactopiranosa
a,eSchizophyllum commune, bTrichoderma sp, c,fAspergillus niger, dPleurotus ostreatus, gGanoderma lucidum. Obtenido de: Schomburg, 2014.
ENZIMAS LIGNINOLTICAS Las principales enzimas de la lignina
son: lacasa, lignina peroxidasa (LiP) y
manganeso peroxidasa (MnP) (Nandal et al,
2013) (Tabla 7). La lacasa (E.C. 1.10.3.2) es
una protena multicobre perteneciente a la
familia de las enzimas oxidasa azul, se
clasifica como una fenoloxidasa y cataliza la
oxidacin de diversos compuestos
aromticos e inorgnicos (fenoles en
particular), al mismo tiempo reduce el
oxgeno a agua; los colorantes fenlicos ,
fenoles, clorofenoles, algunos difenilmetanos
y benzopirenos son sustratos oxidados por
esta enzima; la enzima lacasa puede
degradar la lignina incluso en ausencia de
otras ligninasas, tales como MnP y LiP. La
lignina peroxidasa (E.C. 1.11.1.14) es una
glicoprotena que tiene un grupo prosttico
con actividad cataltica dependiente del H2O2,
es una enzima capaz de oxidar diversos
compuestos aromticos no fenlicos , tales
como alcohol benclico, la escisin de las
cadenas laterales de estos compuestos,
catalizando reacciones de la apertura del
anillo aromtico, demetoxilaci n y
decloraci n oxidativa. La manganeso
peroxidasa (E.C. 1.11.1.13) es una enzima
+ H2O = +
+ H2O = +
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
Tabla 7. Reacciones generales de las enzimas ligninolticas
Enzima Reaccin
Lignina peroxidasa
E.C. 1.11.1.14
pH ptimo: 2 .5a
Temperatura ptima: 25oCa
(3,4-dimetoxifenil)metanol + H2O2 = 3,4 dimetoxibenzaldehdo + 2 H2O
Manganeso peroxidasa
E.C. 1.11.1.13
pH ptimo: 5b
Temperatura ptima: 60oCb
2 Mn(II) + 2 H+ + H2O2 = 2 Mn(III) + 2 H2O
Lacasa
E.C. 1.10.3.2
pH ptimo: 3.5c
Temperatura ptima: 20oCc
4 bencenodiol + O2 = 4 benzosemiquinona + 2 H2O
aPleurotus ostreatus, bSchizophyllum commune, cGanoderma lucidum. Obtenido de: Schomburg,
2014.
extracelular glicosilada que tiene un grupo
prosttico hemo, el mecanismo de reaccin
de la MnP es similar a la LiP, pero en ste
caso los compuestos I y II de MnP oxidan
Mn+2 (Martins et al., 2011). Los productos de
reaccin de las peroxidasas y lacasas, son
txicos para los microorganismos
etanolognicos, por lo que deben ser
eliminados (Saval, 2012).
+ = + 2
+ 2 = 2 + + 2 2
4 + = 4 + 2
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
Los hongos de pudricin blanca y caf
contienen actividades enzimtica s capaces
de degradar celulosa, lignina y hemicelulosa
para producir compuestos ms simples con
extremos reductores. Estos productos de
degradacin son fermentables, por lo tanto,
pueden convertirse en materia prima para
realizar bioprocesos con las ventajas de su
abundancia, bajo costo y ser ambientalmente
adecuados. Es decir, se puede producir
etanol, metano y otros productos a partir de
biomasa lignoceluloltica con residuos
agroidustriales que hayan sido pretratados.
El uso biotecnolgico de los hongos
lignocelulolticos es una alternativa viable
para contribuir a la produccin eficiente de
biocombustibles utilizando residuos como
materias primas.
CONCLUSIONES
Los residuos agroindustriales como el
bagazo de caa, palma de aceite y pulpa de
caf generados en Chiapas por su alto
contenido en lignina, celulosa y hemicelulosa
requieren de un tratamiento previo a su
aprovechamiento para la produccin de
bioetanol entre otros metabolitos de inters
biotecnolgico. Los hongos de la pudricin
blanca nativos del estado de Chiapas, por su
naturaleza y los sustratos en donde crecen,
pueden tener enzimas de tipo hidrolasas y
oxidoreductasas como lacasa, manganeso
peroxidasa, xilanasas y hemicelulasas. La
degradacin de lignina, celulosa y
hemicelulosa requiere de la participacin en
sinergia del complejo enzimtico de los
hongos revisados en este documento. Lo que
representa un recurso de aplicacin potencial
para el pre-tratamiento y aprovechamiento
biotecnol gico de residuos agroindustriales
generados en el estado de Chiapas.
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BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
!
Los Alimentos: una Aproximacin Protemica en su Estudio Jocelin Rizo, Catalina Crdenas y Romina Rodrguez -Sanoja*
Departamento de Biologa Molecular y Biotecnologa. Instituto de Investigaciones Biomdicas, Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Mxico D.F. 04510 .
E-mail: [email protected].
RESUMEN
La protemica es el estudio a gran escala de las protenas. Permite tener una imagen dinmica
de las protenas que se estn expresando en un momento dado y bajo determinadas condiciones
de tiempo y ambiente. Sus principales aplicaciones se han dado dentro del mbito de la biologa y
medicina. Sin embargo, el desarrollo de nuevas tecnologas y su aplicacin al estud io de matrices
complejas ha permitido su incorporacin al estudio de alimentos, para la bsqueda de nuevos
compuestos bioactivos, evaluacin de la seguridad de los alimentos, identificacin de
biomarcadores de calidad y autenticidad, entre otros. En este trabajo, se presenta una breve
resea de las principales aplicaciones que se le han dado a la protemica en el rea de los
alimentos.
Palabras clave: protemica, alimentos, alrgenos en alimentos, autenticidad de alimentos,
deteccin de patgenos .
ABSTRACT
Proteomics allows to have a dynamic picture of the proteins that are being expressed at a given
time and under certain environmental conditions. Its main applications are given within the field of
biology and medicine. Development of new technologies and their application to the study of
complex matrices has allowed its incorporation to the study of food for finding new bioactive
compounds, evaluation of food safety and identification of quality and authenticity biomarkers,
among others. In this paper, we present a brief overview of the main applications that have been
given to proteomics in the area of food.
Key words: proteomics, food allergens, food authenticity, detection of pathogens
INTRODUCCIN
Las protenas son fundamentales en todos
los aspectos de la estructura y la funcin
celular. Existen muchas clases diferentes de
protenas, cada una de ellas especializadas
en una funcin biolgica diferente:
reacciones catalticas, transporte de
molcula s, traduccin de seales, entre otras
(Lehninger). Adicionalmente, son las
biomolculas ms diversas, en cuanto a
propiedades bioqumicas, composicin y
estructura.
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
El trmino proteoma fue introducido en
1994 por Wilkins y fue definido como el
estudio del conjunto completo de protenas
codificadas por un genoma en una clula, un
tejido u organismo; en un punto particular en
el tiempo (Martins et al., 2007). A diferencia
del genoma, el proteoma es altamente
dinmico y sus componentes varan en un
organismo, tejido, clula o compartimiento
subcelular como consecuencia de los
cambios en su entorno: situaciones de
estrs, administracin de drogas, seales
bioqumicas, estado fisiolgico o patolgico,
estado metablico y muchas otras
interacciones (Pischetsrieder & Baeuerlein,
2009; Kvasnicka, 2003; Carbonaro, 2004).
Los estudios protemicos, en conjunto con
otras metodologas permiten no slo la
identificacin y cuantificacin de protenas,
sino tambin hacen posible conocer su
localizacin, modificaciones, interacciones,
actividades y funcin.
El crecimiento exponencial de estos
estudios se debe principalmente a la
revelacin de ms y nuevas protenas; al
desarrollo de nuevas tecnologas que se
basan principalmente en la combinacin de
tcnicas ya conocidas y a la posibilidad de
interpretar y analizar grandes cantidades de
datos gracias a los diferentes software que
se han desarrollado
(http://www2.cbm.uam.es/jvazquez/PDFs/Pro
teomica.pdf).
Inicialmente estos estudios se basaban en
la separacin de las protenas por
!
electroforesis en dos dimensiones (Fields),
sin embargo, existen algunas limitaciones
para resolver protenas que son o muy acidas
o bsicas y de bajo peso molecular (Issaq &
Veenstra, 2008).
Para contrarrestar estas limitaciones y
tomando en cuenta que no existe hasta el
momento una sola tcnica capaz de
identificar y cuantificar todos los
componentes de una mezcla compleja de
protenas, es comn la combinacin de la
electroforesis en dos dimensiones junto con
la espectrometra de masas. Para ello, las
protenas son separadas de acuerdo a su
peso molecular y punto isoelctrico, lo que
permite obtener una distribucin uniforme en
la matriz bidimensional. El gel resultante
puede ser considerado como la huella
digital de la muestra y los spots de inters
son escindidos para su digestin y anlisis
por espectrometra de masas. Sin embargo,
la identificacin de cada uno de los spots es
laboriosa y se limita a las protenas de mayor
abundancia.
Una estrategia alternativa, es la
purificacin de las protenas por mtodos
cromatogrficos lo que permite el
enriquecimiento de la muestra y el anlisis de
mezclas complejas de pptidos, tales como
los producidos por la digestin directa de un
proteoma sin necesidad de separar sus
componentes mediante electroforesis
(shotgun) (Aebersold & Mann, 2003).
Existen diferentes ramas de la protemica
que tratan de caracterizar el proteoma
estudiando distintos aspectos del mismo:
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BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
Protemica descriptiva o estructural para
todas las protenas expresadas en un
momento y en un contexto.
Protemica comparativa para identificar
diferencias anivel de expresin de
protenas que se asocian a cambios en
las condiciones de un organismo.
Protemica funcional para la identificacin
de conjuntos funcionales de protenas. Es
decir, grupos de protenas que se
localizan en un mismo sitio y que operan
en mutua interaccin (interacciones
protena-protena).
Identificacin de las protenas que forman
un organelo, lo que ha permitido la
elaboracin de mapas moleculares de la
clula (Castellanos et al., 2004).
Las principales aplicaciones se han
desarrollado en el mbito de la protemica
mdica, pero existen an numerosas
limitaciones cuando se trata de estudiar
muestras diferentes, como las ambientales,
donde muchos microorganismos no han
podido ser cultivados en condiciones de
laboratorio y por lo tanto no se tiene
prcticamente ninguna informacin sobre
ellos. El estudios de los proteomas derivados
de todo un conjunto de organismos de un
mismo ecosistema, se denomina
metaprotemica, y aunque es un rea de
reciente desarrollo, ya ha permitido obtener
una visin general de diferentes sistemas
tales como suelo, ambientes marinos, y del
metaproteoma humano del tracto
gastrointestinal (Wilmes & Bond, 2006).
LA PROTEMICA EN EL ESTUDIO DE
ALIMENTOS
Los alimentos son matrices complejas que
tradicionalmente han sido estudiadas desde
una perspectiva qumica, fisicoqumica,
microbiolgica y sensorial. Sin embargo, la
aplicacin de herramientas protemicas en
su estudio podra contribuir en la:
Bsqueda de nuevos comp uestos
bioactivos funcionales
Evaluacin de la seguridad de los
ingredientes alimentarios
Deteccin y control del deterioro de
alimentos o microorganismos patgenos
Identificacin de biomarcadores
Identificacin de protenas causantes de
alergias
Calidad y autenticidad de alimentos
Produccin de ingredientes alimentarios
Procesamiento de alimentos (Kvasnicka)
Al igual que la mayora de las herramientas
novedosas, su insercin en el estudio de
alimentos ha sido lenta. La figura 1 muestra
los resultados obtenidos a partir de una
bsqueda en PubMed con los trminos
protemica y alimentos. Se observa un
incremento a partir del ao 2011. Sin
embargo, en comparacin con otras reas
como la biomedicina, (identificacin de
biomarcadores de diferentes enfermedades o
en diferentes tipos de cncer) su aplicacin
sigue siendo baja.
El primer paso en todo estudio protemico .
Para poder llevar a cabo el estudio de
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BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
Fig. 1. Tendencia del estudio protemico en alimentos. http://gopubmed.org/web/gopubmed/
las protenas es necesario disponer de
tcnicas que permitan separarlas,
identificarlas y cuantificarlas. Las tcnicas de
separacin pueden ser dividas en dos
campos: 1) tcnicas electroforticas y 2)
tcnicas cromatografas.
Dentro de las primeras, la electroforesis
en gel de poliacrilamida en dos dimensiones
(2-DE) es el m todo estndar utilizado para
la separacin de las protenas. Este tipo de
geles, permite obtener un arreglo o
despliegue fsico de las protenas,
separndolas por punto isoelctrico y peso
molecular (Bodzon-Kulakowska et al., 2006).
A pesar de que presenta algunas
limitaciones con respecto a la
reproducibilidad, resolucin, y dificultad para
la separacin eficiente de las protenas de
baja abundancia, esta tcnica sigue siendo
uno de los mtodos ms utilizados para
estudiar muestras complejas.
Diferentes protocolos se han desarrollado
para contrarrestar estas limitaciones. Sin
embargo, la extraccin de las protenas sigue
siendo un paso restrictivo en el estudio
protemico, puesto que es necesario lograr la
solubilizacin de todas las protenas
presentes en el sistema (Martins et al., 2007).
Para la seleccin del mtodo de
extraccin, es necesario tomar en cuenta las
caractersticas fsicas y qumicas de la
muestra, para su posterior adaptacin y
optimizacin, d ependiendo del tipo de
muestras y protenas de inters. La
precipitacin de protenas es generalmente
considerada como un paso esencial para su
concentracin y purificacin, ya que permiten
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BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
eliminar componentes (azucares solubles,
lpidos, cidos orgnico s entre otros) que
interfieren con el anlisis protemico.
Amoako-Andoh et al. (2014), evaluaron
tres protocolos de extraccin ampliamente
usados en protemica (extraccin con Tritn
X-100, extraccin con SDS y extraccin con
fenol), en combinacin con diferentes
mtodos de precipitacin en una muestra de
pltano. El grado de recuperacin de
protenas depende del mtodo de
precipitacin y re -solubilizacin. Los mayores
rendimientos se obtuvieron con fenol como
agente precipitante en combinacin con
buffer R2D2 (5 M urea, 2 M tiourea, 2%
CHAPS, 2% C7BzO (3-(4-heptil) fenil-3-
hidroxipropil dimetil propanosulfonato de
amonio), 20 mM DTT, 5 mM TCEP-HCl y
0.25% anfolitos), para la solubilizacin de las
protenas.
La complejidad del estudio se incrementa,
cuando el alimento no proviene de un solo
organismo, sino de mezclas complejas de
estos como en los alimentos fermentados. El
pozol por ejemplo, un alimento fermentado
elaborado a partir de masa de maz
nixtamalizado, contiene cantidades
importantes de almidn (75%) y protenas de
reserva del maz (50% del total de protenas)
que interfieren en la deteccin de las
protenas de los microorganismos que
fermentan la masa. A pesar de la
complejidad del sistema se desarroll y
optimiz un protocolo para la recuperacin de
las protenas y su posterior anlisis.
Se observ que a los 15 das de
fermentacin, las protenas mayormente
representadas pertenecen al grupo de las
bacterias acido lcticas, principalmente del
gn ero Lactobaciilus, mientras que los
hongos estn representados por Aspergillus.
En ambos casos, las protenas
predominantes son las relacionadas al
metabolismo de carbohidratos y produccin
de energa (Crdenas et al., 2014).
En el vino, la concentracin de protenas
es baja pero estas tienen un papel crucial en
sus caractersticas. La mayor limitante que
exista para el estudio de la protemica del
vino era la falta de mtodos adecuados para
la extraccin y posterior separacin de las
protenas por 2-DE. Mainente et al. (2014),
optimiz la extraccin de protenas en una
muestra de vino tinto (cv. Carbernet) para su
posterior separacin y anlisis por masas. La
concentracin de protena extrada fue de
115 25.1 mg de protena/L y se lograron
identificar tanto protenas del vino como de
Botrytis cinerea lo que podra indicar posible
infeccin de las uvas.
DETECCIN DE MICROORGANISMOS
PATGENOS
Una aplicacin directa de la protemica de
alimentos es la deteccin de
microorganismos patgenos. Las
enfermedades transmitidas por alimentos
(ETA) se producen por la ingestin de
alimentos y/o bebidas contaminadas con
estos microorganismos. Constituyen un
importante problema de salud pblica debido
a su alta incidencia, a la resistencia que
presentan y a la existencia de muchos
grupos vulnerables. Su presencia, es un
indicador directo de la calidad higinico -
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BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
sanitaria de los alimentos debido a la
contaminacin de la materia prima, o a
alguna deficiencia higinica dura nte el
procesamiento.
El control de los microorganismos
causantes de ETA, depende en cierta mediad
del mtodo analtico que se utiliza para su
deteccin. De manera usual, su identificacin
se hace con base en criterios morfolgicos y
fisiolgicos mediante el cultivo de muestras
de alimentos posiblemente contaminados, en
diversos medios de cultivo y bajo condiciones
establecidas. Sin embargo, la obtencin de
resultados puede tomar das o semanas y las
bacterias pueden entrar en un estado viable
pero no cultivable (Gonzles & Herrera
2005).
Esto ha generado la necesidad de
desarrollar procedimientos ms sensibles
que permitan la tipificacin e identificacin de
microorganismos patgenos. La amplificacin
de secuencias blanco de ADN mediante PCR
(Reaccin en Cadena de la Polimerasa), ha
permitido el procesamiento de grandes
cantidades de muestras en tiempos cortos y
con ello, la identificacin de microorganismos
no cultivables. No obstante, debido a que los
alimentos son matrices complejas, la
eficiencia del mtodo puede reducirse
significativamente por la presencia de
polisacridos, protenas, sustancias
inhibitorias y lpidos dando lugar a resultados
falsos o poco confiables.
La deteccin de protenas implicadas en
la resistencia y adaptacin de los
microorganismos a ciertas condiciones de
estrs, as como en los mecanismos de
patogenicidad y produccin de toxinas, entre
otras, es una alternativa que podra permitir
solventar estas limitantes (Tabla 1).
Tabla 1. Estudios protemicos realizados en microorganismos patgenos de los alimentos
Muestra Propsito del estudio
Mtodo
utilizado Referencia
Fusarium
graminearum
Estudio de las protenas secretadas
implicadas en la patogenicidad en cebada y
trigo
2-DE y
MS/MS
Yang et al.,
2012
Listeria
monocytogenes
Comparacin de la respuestas de diferentes
cepas de L. monocytogenes a condiciones
alcalinas
Shotgun Nilsson et al.,
2012
Penicillium
expansum
Papel crucial de protenas antioxidantes y
enzimas hidrolticas en la patogenicidad
2-DE y
MS/MS
Qin et al.,
2007
-
BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
EVALUACIN DE PROTENAS
ALERGNICAS
La alergia a los alimentos es una
respuesta de hipersensibilidad del sistema
inmune que afecta hasta un 4% de nios y
adultos en pases desarrollados. La mayora
de estas reacciones alrgicas en alimentos
se debe a las protenas y van desde
reacciones leves, que pueden ser de
naturaleza transitoria (ceden con el tiempo),
hasta graves, que pueden provocar la muerte
(Sancho & Mills, 2010).
Los alimentos que causan las reacciones
ms graves y que se ven implicados con
mayor frecuencia son los cereales (debido al
alto contenido de gluten), huevos, pescados,
leche, soya, nueces y otros frutos secos. Al
menos 70 alimentos se han correlacionada
como causantes de alergias alimentarias
(http://www.who.int/foodsafety/fs_manageme
nt/No_03_allergy_June06_sp. pdf).
Los mtodos para la deteccin de
alrgenos en alimentos, son principalmente
la deteccin de protenas por medio de
anticuerpos (ELISA). Sin embargo, la
cuantificacin por mtodos inmunolgicos se
ve afectada por la presencia de distintos
alrgenos provenient es de otros alimentos, la
complejidad de la muestra y la variabilidad de
la especificidad de los anticuerpos. Un
mtodo alternativo para su deteccin y
cuantificacin ha sido la protemica (Monaci
& Visconti, 2009).
La extraccin en fase slida, acoplada a la
cromatografa lquida para la posterior
identificacin de las protenas por
espectrometra de masas, ha permitido la
deteccin de trazas de tres protenas
alergnicas de leche de vaca (lactoalbmina,
lactoglobulinas A y B), en muestras de 9
mezclas de jugo de frutas y 5 jugos de
naranja adquiridos en un mercado local de
Blgica. De ellos, ninguno declaraba la
presencia de leche en su etiqueta (Monaci &
van Hengel, 2008).
La complejidad de las muestras
normalmente afecta la sensibilidad y la
seleccin de los mtodos espectromtricos,
por lo que es deseable el enriquecimiento de
las muestras cuando se quiere analizar
pptidos para su utilizacin como
marcadores. Careri et al. (2008) desarrollaron
un procedimiento de extraccin
inmunomagntica, seguido por digestin con
tripsina, lo que permiti la identificacin,
deteccin y cuantificacin de trazas del
alrgeno Ara h3/4 en el cacahuate y en
diferentes cereales comerciales.
Previo al desarrollo de mtodos basados
en espectrometra de masas para la
deteccin de alrgenos, es necesario
establecer las secuencias de las protenas
que servirn como etiquetas para su
identificacin. Adems, se debe considerar
que los alimentos sufren diversas
modificaciones durante su procesamiento.
Por ejemplo, los cacahuates generalmente
son tostados bajo una gran variedad de
condiciones, afectando la estabilidad y
estructura de las protenas. Al analizar tres
muestras de cacahuate sin tostar, con
tostado medio (12 min a 140C) y tostado
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BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
fuerte (20 min a 140C), por cromatografa en
capa lquida, combinada con espectrometra
de masas en tndem (Q -TOF), se
establecieron los posibles pptidos para las
protenas Ara h 1, Ara h 2 y Ara h 3. Dichos
pptidos, pueden servir como marcadores
especficos para su deteccin sin importar el
procesamiento (Chassaigne et al., 2007).
CALIDAD Y AUTENTICIDAD DE
ALIMENTOS
Los consumidores exigen informacin
clara y fiable sobre los alimentos que
consumen, esta informacin es de utilidad al
momento de elegir el producto que se va a
comprar. Por ejemplo, un producto puede ser
elegido basndose en la salud del
consumidor, en su religin, sus p referencias
y sus alergias entre otros. Por ello, es de
suma importancia que el etiquetado de los
productos sea el correcto y con una
descripcin fiel de su contenido (Sentandreu
et al., 2009).
Un objetivo importante en la industria de
los alimentos, es la autentificacin de los
mismos, por lo que se busca que los
mtodos para su anlisis sean robustos,
precisos y sensibles. El anlisis protemico
puede ser aplicado en la autentificacin de
alimentos, mediante la deteccin de
marcadores, los cuales deben ser
caractersticos de los sustituyentes.
Existen ejemplos de adulteraciones en
alimentos, como es el reemplazo de manteca
de cacao por otras grasas en chocolatera, la
sustitucin de caf de alt a calidad por uno de
menor calidad, en los productos crnicos, la
sustitucin de carne de alta calidad por carne
de menor valor, lo que resulta en un mayor
beneficio para los productores.
Los mtodos protemicos han permitido la
deteccin de carne de poll o en mezclas con
carne de puerco mediante un procedimiento
sencillo (Fig. 1).
Usando esta aproximacin, se detectaron
0.5% de protenas contaminantes
(provenientes de carne de pollo), utilizando
como protena blanco la cadena ligera de la
miosina 3. Adem s de su simplicidad, este
enfoque tiene la ventaja de que puede ser
aplicado de forma eficaz, tanto en carne
cruda, como para la cocida (Sentandreu et
al., 2009).
La calidad de la carne est determinada por
sus propiedades fsico-qumicas (pH,
capacidad de retencin de agua, color,
textura, entre otros), organolpticas
(suavidad, consistencia, olor, sabor), y las
microbiolgicas. A su vez, estas se ven
influenciadas por otros factores como los
sistemas de produccin, alimentacin y
manejo pre-mortem de los animales y post-
mortem de la carne (Hernndez et al., 2007).
Despus del perodo post -mortem, la carne
sufre algunos cambios importantes debido a
la falta de oxgeno y a la acumulacin de
lactato. Hay rigidez, debido a la formacin
irreversible del complejo actina-miosina y
descenso de pH. A pesar de que estos
mecanismos estn bien establecidos,
continua la pregunta de cmo la degradaci n
de algunas protenas durante el
almacenamiento de la carne afecta la
terneza.
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BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
Fig. 2. Aproximacin protemica desarrollada para la deteccin de la autenticidad de un producto
crnico.
El estudio de los perfiles proteicos en
msculo de cerdo, durante las primeras 48
horas de almacenamiento post-mortem,
permiti el reconocimiento de
aproximadamente 1000 protenas
individuales. El patrn general de protenas a
los tiempos 0, 4, 8, 24 y 48 horas parece ser
notablemente consistente durante el
envejecimiento post mortem, esto sugiere
que las propiedades de solubilidad de la
mayora de las protenas del msculo no se
ve alterada durante el almacenamiento.
Sin embargo, la comparacin de estos
perfiles mostr cambios muy notables en al
menos 15 protenas, debido principalmente a
su hidrlisis durante el almacenamiento. Su
anlisis posterior, permiti confirmar la
degradacin de algunas protenas
estructurales como la titina, nebulina,
desmina, filamina y viculina y por primera
vez, se demostr que la actina tambin es
degradada (Lametsch & Bendixen, 2001;
Lametsch et al, 2002).
Algunos estudios protemicos realizados
en alimentos se enlistan en la Tabla 2.
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BioTecnologa, Ao 2014, Vol. 18 No. 3
BSQUEDA DE PPTIDOS BIOACTIVOS
Nutricionalmente, la calidad de las
protenas no solo depende de la composicin
de aminocidos, de su digestin, absorcin y
subsecuente anabolismo, sino tambin de los
pptidos que se liberan. Muchas funciones
en el organismo son mediadas por pptidos,
ya que actan como neurotransmisores,
hormonas o antibiticos.
Debido a que los p ptidos presentes en
los alimentos pueden tener estructuras
similares a los pptidos endgenos del
organismo hospedero, es razonable pensar
que son capaces de interactuar con sus
receptores y desempear un papel en la
regulacin de la respuesta inmune como
factores de crecimiento o actuar como
antimicrobianos. Estos pueden derivar de
protenas de leche, pescado, huevo, carne,
cereales, leguminosas, entre otros (Saavedra
et al, 2013; Snchez -Rivera et al., 2014).
Los pptidos pueden ser generados
durante la manufactura del alimento a travs
de diferentes procesos como la fermentacin
o maduracin, pero la mayora surgen debido
a la hidrlisis de las protenas de la dieta
durante su digestin (Barb et al, 2014).
El creciente inters en el estudio de los
pptidos, ha dado como resultado la creacin
de un subcampo dentro de la protemica de
alimentos, la peptidmica (Saavedra et al,
2013; Snchez -Rivera et al, 2014). Barb et
al. (2014) estudiaron la liberacin de pp tidos
en el tracto gastrointestinal de cerdos
alimentados con seis matrices de lcteos. De
este modo, lograron la secuenciacin e
identificacin de ms de 16 000 pptidos, de
los cuales 86% y 14% resultaron de la
hidrlisis de casena y # -lactoglobulina,
respectivamente. Del total de pptidos
liberados de casena, %s1-, %s2-, #- y -
casena representaron el 28%, 15%, 48% y
8%. Entre todos estos, 29 son conocidos por
tener actividades biolgicas como
emulsificantes, antihipertensivos,
antioxidantes, antimicrobianos, e inhibidores
de proteasas, entre otras.
LOS ALIMENTOS FERMENTADOS
La fermentacin de los alimentos es una
prctica muy antigua presente en todas las
culturas del mundo, ya que es uno de los
mtodos de preservacin de alimentos ms
antiguo y econmico que se conoce. Su
procesamiento involucra el crecimient