Introducción a los nutracéuticos y bioactivos de las algas marinas

Las algas marinas pueden ser procariotas o eucariotas y, en términos evolutivos, recientes o muy antiguas. Esta diversidad hace de las algas marinas una fuente potencial rica de una amplia variedad de componentes bioactivos con aplicaciones en las industrias alimentaria, nutracéutica, farmacéutica, piensos, acuacultura, cosmética, fertilizantes y aún en los combustibles (gas natural, etanol, biodiesel, etc.)

La mayoría de las algas son fototróficas y requieren luz como fuente de energía para su crecimiento. Sin embargo, algunas especies son capaces de crecimiento heterotrófico y no requieren de luz como fuente de energía, sino que obtienen la energía metabólica de la disimilación de compuestos de carbono. Los dinoflagelados son algas marinas eucariotas tempranas que pueden ser fototróficas y/o heterotróficas, que forman una parte importante del plancton marino.

Existe un amplio rango de técnicas de cultivo utilizadas para optimizar el crecimiento y la producción, que incluyen la alteración de la fuente de nutrimentos, cambios en temperatura, pH, oxígeno disuelto, salinidad, calidad y tasa de aireación, etc. En un proceso a mayor escala, las productividades relativamente altas (elevada concentración de biomasa por unidad de volumen) pueden ser obtenidas en 1 o 2 semanas, de manera que las algas pueden ser cultivadas para producir cantidades significativas de ácidos grasos poliinsaturados (PUFA, por sus siglas en inglés) que son nutricionalmente importantes, para la extracción y purificación a escala industrial. El ácido docosahexaenoico (DHA, por sus siglas en inglés), 22:6 n-3 es un PUFA omega 3 (n-3 o ω-3) de las algas marinas. Para aplicaciones nutracéuticas, los PUFA pueden también ser administrados en forma de biomasa. Se ha encontrado que cantidades considerables de PUFA pueden obtenerse cultivando microalgas de las clases de los dinoflagelados y los traustoquítridos, sujetando los cultivos a extracción con un solvente orgánico y purificación subsecuente. Crypthecodinium cohnii es un dinoflagelado marino heterotrófico único, en que DHA es casi exclusivamente el único PUFA presente en sus lípidos. Schizochytrium sp. es también un alga heterotrófica perteneciente al Orden Thrausochytriales con el Phylum Heterokonta, que puede tener un rendimiento cercano al 40% de DHA de su producción total de ácidos grasos. El cultivo exitoso de C. cohnii y Schizochytrium spp. para producir aceites comerciales de algas conteniendo DHA se ha alcanzado comercialmente.

Las algas marinas pueden ser divididas en microalgas y macroalgas. Las microalgas son pequeñas plantas acuáticas fotosintéticas. Por el otro lado, las macroalgas son grandes plantas acuáticas fotosintéticas que pueden ser vistas sin un microscopio. Las macroalgas de interés como alimento incluyen Irish moss, laver y kelpo, que se consumen en diferentes comunidades y sirven como suplemento mineral en los piensos animales. Las macroalgas son una importante fuente alimentaria en muchos países asiáticos como Japón, China y las Coreas, entre otros. La cocina japonesa emplea diferentes variedades (kombu, laver y nori) para usos como sopas, verduras, te, sushi y como sazonador general. Las macroalgas son una rica fuente de yodo así como una importante fuente de nutrimentos; también proporcionan ácido algínico, una substancia gelatinosa que se emplea como estabilizante y espesante en una amplia variada de alimentos procesados como helados, budines, bebidas lácteas saborizadas, rellenos para pie, sopas, jarabes, etc.

Las algas tienen una ventaja sobre muchos otros organismos, en el sentido de que pueden crecer apropiadamente para la producción de compuestos bioactivos deseables. La búsqueda de compuestos nutracéuticos y bioactivos a partir de las algas se ha incrementado de manera estable a medida que más especies se están cultivando.

 

Carotenoides

Los carotenoides pertenecen a la categoría de los tetraterpenoides. Varias especies de microalgas, especialmente las algas verdes, acumulan altas concentraciones de carotenoides como el β-caroteno, la astaxantina y la cantaxantina. Estos carotenoides tienen amplias aplicaciones como colorantes y antioxidantes naturales. El β-caroteno fue el primero de estos carotenoides en ser comercializado a partir del alga biflagelada Dunaliella salina. Esta alga se encuentra en un amplio rango de hábitats marinos (océanos, lagos salinos y pozas de agua salada cercanas al océano), predominantemente en cuerpos de agua que contienen más de 2 M de sal y una alta concentración de magnesio. La habilidad para crecer en concentraciones muy altas de sal, en donde pocos organismos pueden sobrevivir, su alta tolerancia a los cambios de temperatura (de -5°C a arriba de 40°C) y el alto contenido celular de β-caroteno (hasta 14% del peso seco) han hecho de esta alga un atractivo candidato para la producción comercial de carotenoides. Las condiciones extremas bajo las que crece esta alga, implica que se pueden emplear sistemas de cultivo relativamente simples. Australia es el mayor productor de β-caroteno natural a partir de Dunaliella salina. Las 2 plantas de producción comercial en Australia utilizan grandes estanques poco profundos de varios cientos de hectáreas para crecer el alga. Estos estanques tienen una profundidad de 30-60 cm y son mezclados solamente por el viento y la convección térmica. La biomasa cosechada es extraída y el βcaroteno o los carotenoides mezclados son comercializados como suplemento y como colorante natural para alimentos. El polvo seco de Dunaliella salina rico en β-caroteno también es comercializado como aditivo para pienso dirigido a la acuacultura de crustáceos pigmentados, como los camarones.

Otro carotenoide de gran interés es la astaxantina (3,3’-dihidroxi-β,β-caroteno-4,4’-diona), que se describió por primera vez en crustáceos (langostas, cangrejos y camarones) como una forma oxidada del β-caroteno, que da a los invertebrados y peces marinos un distintivo color naranja-rojo. La astaxantina es utilizada como pigmento para los peces salmónidos de granja, así como antioxidante dietario. La molécula de astaxantina tiene 2 carbonos asimétricos localizados en las posiciones 3 y 3’ de los anillos bencenoides en cada extremo de la molécula. La astaxantina acumulada en las microalgas ocurre en los isómeros 3S y 3’S en la forma de monoésteres y diésteres. El contenido y composición de carotenoides secundarios son diferentes entre las varias especies de alga: por ejemplo, Haematococcus pluviali posee 74% de monoésteres, 10% de diésteres y 9% de luteína/zeaxantina, en relación al total de carotenoides; otros Haematococcus spp. poseen 70% de monoésteres, 25% de diésteres y 5% de astaxantina; Oocystis minuta incluye 51% de monoésteres, 36% de diésteres, 5% de astaxantina libre , 3% de luteína/zeaxantina y 2% de β-caroteno; Euglena sanguinea posee el 91% de diésteres y el 1% de luteína/zeaxantina; los valores para los carotenoides de Crucigenella rectangularis son 61% de monoésteres, 24% de diésteres, 2% de astaxantina libre, 2% de luteína/zeaxantina y 8% de β-caroteno, en tanto que Muriellopsis sphaericum tiene el 62% de monoésteres, 28% de diésteres, 2% de astaxantina libre, 5% de luteína/zeaxantina y otro 2% de β-caroteno.

El alga verde unicelular, Haematococcus spp., ha sido reportada como un microorganismo prometedor para la producción comercial de astaxantina. Este organismo produce clorofilas a y b, y compuestos carotenoides primarios, como β-caroteno, luteína, zeaxantina, violaxantina y neoxantina. Astaxantina existe en las células de Haematococcus spp. en la forma de monoésteres  y diésteres, lo que constituye hasta el 95% de los carotenoides secundarios totales. Los Haematococcus spp. pueden acumular hasta 6%-8% de astaxantina en la biomasa.

La producción de astaxantina de algas a partir de Haematococcus pluvialis es un proceso algo diferente al utilizado para la producción de β-caroteno a partir de Dunaliella salina. La clorofita, H. pluvialis es un alga de agua dulce (también llamada agua continental), que crece normalmente en cuerpos temporales de agua tales como depresiones en rocas, charcos, macetas y baños para aves. La temperatura óptima de crecimiento está entre 22°C y 25°C. Adicionalmente, la astaxantina es producida en una etapa de reposo de pared gruesa, la aplanospora, mientras que el máximo crecimiento ocurre en una etapa flagelada de pared delgada. Esto requiere un proceso de cultivo de 2 etapas, una optimizada para la producción de biomasa y la otra para la producción de astaxantina. Siendo un alga de agua dulce, el cultivo a cielo abierto como el utilizado para Dunaliella spp., Chlorella spp. y Spirulina spp. no es factible, y Haematococcus spp. debe crecer en un fotobiorreactor para prevenir la contaminación. Los sistemas de cultivo a gran escala propuestos para esta alga involucran una etapa de crecimiento en un fotobiorreactor cerrado, a temperatura controlada, para lograr la biomasa máxima, seguida de una etapa de acumulación de astaxantina bajo condiciones de iluminación intensa, preferiblemente en un medio pobre en nutrimentos. La producción comercial está activa en Estados Unidos e Israel, con varios proyectos propuestos en otros países.

Se han desarrollado métodos de cultivo para producir Haematococcus spp. conteniendo 1.5% a 3% de astaxantina (en peso seco), que tiene aplicaciones como fuente de pigmento para piensos y en el mercado nutracéutico. La harina de alga rica en astaxantina también puede ser presionada en tabletas; sin embargo, la astaxantina en estas tabletas es degradada fácilmente por oxidación. Los fabricantes de astaxantina han intentado suspender la biomasa de Haematococcus spp. en aceites comestibles, anticipando que el aceite crearía una barrera entre el oxígeno atmosférico y la biomasa rica en astaxantina. Alternativamente, puede ser utilizada tecnología de extracción fluida supercrítica para producir oleorresinas ricas en astaxantina, las cuales son luego diluidas con aceites comestibles a la concentración deseable para microencapsulación. La investigación en la producción de otros carotenoides como luteína y cantaxantina a partir de otras algas como Chlorella spp. y Chlamydomonas spp. está en camino.

 

Ficobilinas

Las ficobilinas son pigmentos fotorreceptores complejos que se encuentran en las cianobacterias y en los cloroplastos de las rodofitas (algas rojas), glaucofitas y en aquellas de Cryptophyceae, una clase de algas eucariotas unicelulares biflageladas. Hay 2 clases de ficobilinas y aparecen solamente en cianobacterias y rodofitas.  El pigmento azuloso ficocianina se encuentra en cianobacterias y les da su nombre común de “algas azul-verde”. El pigmento rojizo ficoeritrina se encuentra solamente en las rodofitas y les da su nombre común de “algas rojas”. En las células cianobacterianas y en los cloroplastos de las algas rojas, las ficobiliproteínas están agregadas en complejos de proteína altamente ordenados llamados ficobilisomas, haciendo a estas ficobilinas únicas entre los pigmentos fotosintéticos.

Los ficobilisomas están adheridos a la cara del citosol (estroma) del tilacoide. Extendiéndose en el citosol, las ficobilisomas consisten de un grupo de pigmentos de ficobilina incluyendo ficocianina y ficoeritrina, unidos vía uniones tiol a la proteína asociada. Estas partículas sirven como antenas de energía luminosa para la fotosíntesis. La ficoeritrina está asociada con la clorofila en las rodofitas, y les permite ser fotosintéticamente eficientes en aguas profundas, en donde predomina la luz azul. La longitud de onda más larga en la porción roja del espectro, que activa los pigmentos verdes de clorofila, no penetran las aguas más profundas de la zona fótica, de manera que las algas verdes no pueden sobrevivir en profundidades donde las algas rojas prosperan.

Los pigmentos de ficobilina tienen aplicaciones como colorantes alimentarios, en cosméticos, como tintes fluorescentes para citometría de flujo y en ensayos inmunológicos. Las principales fuentes comerciales son la cianobacteria Spirulina spp. y los unicelulares rojos Porphyridium spp. y Rhodella spp. Las ficobilinas también tienen uso como indicadores diagnósticos y herramientas de investigación. Tanto la ficocianina como la ficoeritrina fluorescen en una particular longitud de onda; esto es, cuando son expuestas a luz intensa, absorben la energía luminosa y la liberan emitiendo luz de un rango muy estrecho de longitud de onda. La luz producida por esta fluorescencia es tan distintiva y confiable que las ficobilinas pueden ser empleadas como marcadores químicos. Los pigmentos son unidos químicamente a anticuerpos, que son puestos luego en una solución de células; cuando la solución es aspersada como una capa de finas gotitas, pasan un láser y un sensor computarizado, que puede identificar si las células en las gotitas han sido marcadas por los anticuerpos. Esto ha encontrado un extenso uso en la investigación sobre cáncer, para etiquetar las células tumorales. Las ficobilinas son utilizadas con frecuencia en la investigación como etiqueta químicas, por ejemplo, uniendo las ficobiliproteínas a anticuerpos en una técnica conocida como inmunofluorescencia.

 

Polisacáridos

Las algas marinas son una fuente importante de polisacáridos. Los polisacáridos de las algas, como carragenina, alginato, fucoidano y agar-agar han sido por muchos años de importancia para varias industrias, particularmente la industria alimentaria. Los diferentes grupos de algas son reconocidos como algas verdes (clorofitas), algas rojas (rodofitas) y algas cafés (feofitas), y solamente las dos últimas son empleadas a escala industrial. De particular interés son las algas rojas, como una fuente de varios productos bioquímicos, especialmente los polisacáridos sulfatados; estos polisacáridos sulfatados pueden ser utilizados como agentes gelificantes, espesantes, estabilizantes y emulsificantes en varios productos alimenticios, siendo ejemplos bien conocidos el agar-agar y la carragenina.

Las fuentes convencionales de polisacáridos sulfatados son las algas rojas, que son usualmente cosechadas de sus hábitats naturales. Muchos diferentes polisacáridos pueden ser extraídos, pero los alginatos y las carrageninas son los más desarrollados, especialmente como agentes gelificantes; los fucoidanos están también bajo investigación debido a la importancia de los polisacáridos sulfatados en las aplicaciones biológicas.

Los alginatos son constituyentes de las paredes celulares de las algas cafés. Se extraen anualmente unas 35 mil toneladas métricas de ácido algínico a nivel mundial. Los principales productores son Escocia, Noruega, China y Estados Unidos, con producciones menores en Japón, Chile y Francia. El alginato es empleado con frecuencia para la encapsulación de farmacéuticos, bacterias o levaduras en procesos biotecnológicos.

La carragenina es un polvo extraído de varias especies de alga roja que son cultivadas y procesadas. En muchas aplicaciones alimenticias, la carragenina es usada como estabilizante emulsificador de suspensiones, espesante, ligador y agente gelificante. Las propiedades sobresalientes de este producto lo hacen un ingrediente muy versátil. En productos cárnicos y en aves, puede ser empleado como un substituto de grasas. En otras industrias, este ingrediente natural encuentra más aplicaciones en productos farmacéuticos y cosméticos.

El fucoidano es un polisacárido rico en fucosa y se encuentra principalmente en las algas cafés. El fucoidano comienza a emerger como una poderosa herramienta para mejorar la inmunidad y otros importantes aspectos de la salud general del ser humano. Los productos nutracéuticos que contienen concentrados purificados de U-fucoidano y F-fucoidano están disponibles como un suplemento para mejorar la inmunidad. En varios estudios in vitro y con animales, ha inhibido los virus recubiertos como herpes, VIH y el citomegalovirus humano, un tipo de virus del herpes que puede causar ceguera y neumonía fatal en individuos con sistema inmunes comprometidos. Los estudios han sugerido que el fucoidano puede no solamente inhibir las etapas iniciales de la infección viral, como la unión y penetración en las células anfitrionas, sino también en las etapas posteriores de replicación, luego de la penetración del virus. Se ha demostrado también que el fucoidano posee actividad cardioprotectora significativa que puede ser de beneficio particular para aquellos con condiciones cardiovasculares y/o para la prevención de problemas de arterias.

Los carbohidratos de algas marinas pueden encontrarse en forma de azúcar, almidón, celulosa y otros polisacáridos. De interés en este contexto son los polisacáridos producidos pos algunas especies de algas rojas. Las células de las algas rojas son encapsuladas dentro de un polisacárido sulfatado en forma de gel. Durante el crecimiento en un medio líquido, la viscosidad del medio se incrementa debido a la disolución del polisacárido soluble de la superficie celular hacia el medio. El conocimiento de la composición química y estructura de los polisacáridos derivados de las algas rojas es limitado, debido a su complejidad y carencia de enzimas específicas que los degraden. Sin embargo, se sabe que los polisacáridos de las diferentes especies de alga roja son heteropolímeros, teniendo diferentes composiciones químicas y cantidades variables de sulfato. En todas las especies estudiadas, glucosa, xilosa y galactosa son los azúcares predominantes de los polímeros. Adicionalmente, pequeñas cantidades de ramnosa, ribosa, arabinosa y manosa se han detectado. Los polisacáridos derivados de algas están negativamente cargados debido a la presencia de ácido glucurónico y a grupos éster de medio sulfato. La masa molecular de los polisacáridos en varias especies de algas rojas se ha estimado entre 2 y 7 x 106 Da, y los polisacáridos de estas algas también contienen proteínas.

Los polisacáridos de algas pueden encontrar aplicaciones en la salud humana y animal como fibra dietaria y agentes antivirales. Los estudios han demostrado que los niveles séricos de colesteroles, triacilgliceroles (TAG, por sus siglas en inglés) y lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL, por sus siglas en inglés) son considerablemente menores en roedores alimentados con biomasa de R. reticulata o sus polisacáridos, en comparación a los animales control. En experimentos de carga de glucosa, los niveles séricos de insulina y glucosa fueron mucho menores en ratas alimentadas con biomasa de algas o sus polisacáridos que en los animales control. Los polisacáridos de las algas marinas han mostrado actividad antiviral prometedora contra el virus Herpes simplex tipos 1 y 2, así como contra el virus de Varicella zoster, sin efectos citotóxicos. Adicionalmente, los polisacáridos de las algas marinas han demostrado ser poderosos inhibidores in vitro del virus de la inmunodeficiencia humana.

 

Ácidos grasos poliinsaturados omega-3

El interés en la importancia nutricional de los ácidos grados  poliinsaturados omega-3 (PUFA ω-3) se ha incrementado marcadamente durante la última década. Actualmente, los aceites seleccionados de peces y microalgas son las principales fuentes de PUFA ω-3. Sin embargo, el abastecimiento de aceite de pescado puede ser poco confiable debido a la variabilidad de las pesquerías. Adicionalmente, existe preocupación de que el abastecimiento de aceites de pescado será limitado en el futuro, para cumplir con el crecimiento esperado en la demanda mundial de estos ácidos grasos.

Características de los aceites de microalgas

DHASCO® es un aceite de algas que es derivado de la microalga Crypthecodinium cohnii. El aceite final contiene aproximadamente 40% (peso/peso) de DHA. DHASCO® es un aceite líquido de flujo libre, con color amarillo-naranja debido a la coextracción de pigmentos de caroteno. El producto final contiene aproximadamente el 95% de TAG, con algunos diacilgliceroles (DAG, por sus siglas en inglés) y materia no saponificable, que es lo usual para todos los aceites vegetales grado alimenticio. Debido al proceso controlado de manufactura del aceite de algas, el potencial de contaminación con contaminantes ambientales o metales pesados es eliminado. La composición de ácidos grasos de DHASCO® incluye un mínimo de 400 g/Kg de ácido docosahexaenoico (40%-45%) y el perfil de ácidos grasos es único porque no contiene otro PUFA además de DHA, excepto una pequeña cantidad de ácido linoleico (18:2 ω-6, alrededor del 0.5%) procedente del aceite diluyente de semilla de girasol, que es alto en ácido oleico. DHASCO® ha sido utilizado para la suplementación de fórmulas infantiles.

La materia insaponificable del producto es generalmente cercana al 1.5% y está formada principalmente por esteroles. El principal esterol ha sido identificado como 4-metilesterol y dinosterol. Los principales componentes de la fracción esterol en DHASCO® (dinosterol) se encuentran en la ruta metabólica normal de biosíntesis de colesterol y han sido identificados en varias fuentes alimentarias incluyendo pescados y mariscos. Un estudio en el que se proporcionaron grandes cantidades de la fracción insaponificable aislada de DHASCO® crudo a ratas, concluyó que estos esteroles no tienen efectos adversos en el crecimiento o en el metabolismo de los lípidos.

El aceite exhibe una notable estabilidad oxidativa. Esto es el resultado de los niveles relativamente bajos de metales pesados pro-oxidantes, comparados con los aceites de pescado, y a la favorable distribución de DHA en las moléculas de TAG. Bajo condiciones típicas de almacenamiento (de -20°C a 4°C), DHASCO® es estable por varios meses. Como consecuencia, este aceite tiene cualidades sensoriales muy bien aceptadas. Cuando está encapsulado en cápsulas blandas de gelatina de 250-500 mg, el aceite es estable por varios años a temperatura ambiente antes de mostrar algún cambio en el valor de peróxido (PV, por sus siglas en inglés).

Aproximadamente 45% del DHA del aceite de algas está localizado en la posición sn-2 de las moléculas de TAG. La estructura TAG del aceite de algas es casi idéntica a aquella en la leche humana, con respecto a la distribución posicional del DHA en los TAG. Se ha reportado que en la leche humana entre el 50% y el 60% del DHA es preferentemente esterificado en la posición sn-2 de los TAG. Por lo tanto, es de esperarse que la digestión y absorción del DHA en el aceite de algas sea similar al del DHA en la grasa de la leche humana.

Un producto hermano del anterior, DHASCO®-S, también producido comercialmente, es un aceite TAG extraído del alga marina Schizochytrium spp., el cual está enriquecido con cerca del 40% (peso/peso) de DHA. Se describe como un aceite de color amarillo a naranja claro y contiene más del 90% (peso/peso) de TAG, con algunos DAG, ácidos grasos libres, carotenoides, escualeno y fitoesteroles. El β-caroteno ha sido identificado como el componente carotenoide primario de la fracción lípida. El aceite contiene un rango de aminoácidos, incluyendo ácido eicosapentaenoico (EPA, por sus siglas en inglés, 20:5 ω-3)) y ácido docosapentaenoico  (DPA, por sus siglas en inglés, 22:6 ω-3), así como DHA, que es el PUFA más abundante (un mínimo de 350 g/Kg, o del 37% al 42%). Los análisis de bromatológicos de otros componentes del aceite se comparan favorablemente con los aceites comestibles comerciales típicos. En general, el solvente de extracción residual es indetectable, y tampoco se detectan ácidos grasos trans, residuos de pesticidas o metales pesados como arsénico, mercurio y plomo.

La fracción no saponificable de DHASCO®-S es generalmente cercana al 1.5% en peso y está formada primariamente por escualeno, esteroles y carotenoides. Estos componentes están presentes en muchos alimentos. Colesterol, brasicaesterol y estigmasterol fueron identificados como los principales componentes esteroles del aceite. Los altos rendimientos de DHA obtenidos con Schizochytrium spp. resultan en la producción de un aceite de bajo costo, que es empleado como suplementos dietario en alimentos y bebidas, piensos para animales y en acuacultura. Los ejemplos de alimentos y bebidas que contienen DHA incluyen yogurts, cereales de desayuno, barras nutritivas, hamburguesas, sushi, pan, huevo, leche, leche de soya, jugos de frutas y bebidas especializadas para diabéticos, entre muchos otros. Otros mercados incluyen los suplementos prenatales con DHA para mujeres embarazadas o lactantes, así como suplementos dietarios para niños y adultos.

 

Entre las algas marinas, se encuentran algunos de los organismos con mayor valor agregado. Son una fuente enorme con más de 30 mil especies, de las cuales menos de 10 se encuentran en producción comercial. Las algas marinas, que contienen pigmentos naturales como carotenoides y ficobilinas, tienen elevados contenidos de proteínas y carbohidratos, y son ricas en ácidos grasos, incluyendo los PUFA. Las microalgas pueden ser cultivadas en biorreactores para producir cantidades significativas de PUFA nutricionalmente importantes para extracción y purificación a escala industrial. Hay mucho más por conocer sobre estos productos del mar.