Modelado cinético de la producción de ácido hialurónico por Streptococcus equi subsp. zooepidemicus a partir de residuos de café verde y agave tequilero

Abstract

El ácido hialurónico es un biopolímero natural que se encuentra en distintas fuentes como el tejido epitelial, el humor vítreo, el cordón umbilical, la cresta de gallo y de forma capsular en algunas bacterias. Debido a sus propiedades hidratantes, la falta de toxicidad, su biocompatibilidad y biodegradabilidad, el ácido hialurónico se ha utilizado ampliamente en el área médica, farmacéutica y cosmética, proyectando para 2024 un mercado global de 7.25 billones de dólares. Principalmente se distinguen dos vías de obtención de ácido hialurónico, la extracción a partir de tejido animal y la producción microbiana, siendo esta última la que ha tomado mayor relevancia debido a la relativa facilidad con que se recupera el ácido. Particularmente, entre las cepas más productoras se encuentra Streptococcus zooepidemicus que actualmente se utiliza a nivel industrial. Existen pocos reportes donde se modela la producción de ácido hialurónico en cultivos por lote con medio sintético o con sustratos complejos, en donde, la ecuación logística es la más utilizada para describir el proceso fermentativo, sin embargo, esta última solo depende del crecimiento celular y no considera la limitación del sustrato o los efectos de inhibición. En el presente trabajo se modeló la producción de ácido hialurónico con medio sintético y a partir de los residuos de café verde y agave tequilero, para ello el trabajo se dividió en 4 etapas. En la primera etapa se evaluó el efecto de la concentración inicial de glucosa (9.35 – 59.96 g/L) y ácido láctico (10.69 – 56.04 g/L) con el fin de establecer efectos de inhibición sobre S. zooepidemicus. El incremento de la cantidad de glucosa en cada fermentación mostró un aumento gradual en la producción de biomasa, ácido hialurónico y láctico. Sin embargo, se observó que la velocidad específica de crecimiento disminuyó después de utilizar 39.15 g/L de glucosa, este efecto fue asociado a la acumulación de ácido láctico en el caldo de cultivo, mismo que se confirmó al evaluar la concentración inicial de este ácido, que a concentraciones superiores a 19.43 g/L comienza a pronunciarse gradualmente su efecto inhibidor sobre el crecimiento de la bacteria. En la segunda etapa se desarrolló un modelo matemático que describió el proceso fermentativo de las distintas concentraciones de glucosa de la primera etapa. El modelado realizado implicó la comparación de dos leyes cinéticas (Monod y Liu) y la estimación de sus parámetros cinéticos. De acuerdo con los coeficientes de determinación promedio (R2), en todas las fermentaciones simuladas el modelo de Liu mostró un mejor ajuste que el modelo de Monod, debido a esto el modelo de Liu se utilizó para simular las fermentaciones con los hidrolizados (etapa cuatro). En la tercera etapa se optimizaron las condiciones de hidrólisis en los residuos de café verde, siguiendo la metodología de superficie de respuesta. Además, se encontraron las condiciones que favorecen la hidrólisis enzimática de los residuos de agave (fibra de hoja y el bagazo), así como de su pretratamiento. En las condiciones óptimas de la hidrólisis ácida (2% v/v de HCl y 130 °C) se obtuvieron 29.7 g/L de monosacáridos, principalmente manosa. Mientras que para la hidrólisis enzimática en las condiciones óptimas (4.8 g/L de enzima y 163 rpm) se obtuvieron 36.7 g/L, siendo la glucosa el principal monosacáridos. Por otro lado, la cantidad máxima de monosacáridos recuperados de la hoja fue 30.74 g/L, esto bajo las siguientes condiciones: 5 g/L de enzima, 200 rpm y 16 horas. Mientras que para el bagazo el máximo recuperado fue de 33.56 g/L de monosacáridos con 5 g/L de enzima, 200 rpm y 24 horas. El pretratamiento ácido de la hoja y del bagazo permitió incrementar la cantidad de monosacáridos en un 30.7 y 20% respecto a la hoja y el bagazo sin pretratamiento. En la cuarta etapa, el jugo de la hoja de agave que contiene alrededor de 40 g/L de azúcares (sin hidrolizar), los hidrolizados obtenidos del café brocado y los hidrolizados de la hoja y el bagazo (con y sin pretratamiento) se utilizaron como sustrato para producir ácido hialurónico. Además, el proceso fermentativo de cada sustrato se modelo (con la ley cinética de Liu). En cada uno de los sustratos utilizados la bacteria fue capaz de producir ácido hialurónico, sin embargo, la cantidad obtenida con el hidrolizado enzimático de la hoja pretratada (4.23 g/L) fue mayor al resto de sustratos, e incluso superó la cantidad máxima de ácido hialurónico (3.48 g/L) obtenida con 59.96 g/L de glucosa. El modelo de Liu utilizado para describir el proceso fermentativo se ajustó en más del 90% de los datos experimentales del cultivo con los hidrolizados ácido y enzimático de café brocado, mientras que para los hidrolizados de la hoja y bagazo, se describió más del 95% de los datos.