Los biopolímeros son polímeros que pueden ser producidos o biodegradados por un ser vivo. Los exopolisacáridos, como su nombre indica, son biopolímeros de naturaleza polisacarídica (carbohidratos) que se secretan al exterior de la célula. Solo algunos seres vivos tienen la capacidad de producir exopolisacáridos.
Los exopolisacáridos (EPS) pueden imaginarse como «un ovillo de lana pegajoso» que se produce dentro de la célula del microorganismo y se secreta al exterior.
Esta estructura secretada confiere al microorganismo distintas capacidades, como protección frente a la desecación, resistencia a altas presiones, protección frente a los ataques de otros microorganismos, los antibióticos o las toxinas, y reconocimiento entre microorganismos.
Por lo general, el microorganismo productor no utiliza estos biopolímeros como fuente de energía, pero estos protegen eficazmente la integridad de las células microbianas en ecosistemas con condiciones ambientales adversas.
Desde esta perspectiva, la capacidad de secretar EPS aporta ventajas importantes a un microorganismo.
(Esta fotografía muestra el crecimiento en un cultivo líquido de una cepa de Lactobacillus rhamnosus que aislé e identifiqué a partir de muestras de mantequilla elaborada de forma tradicional durante mi investigación doctoral. Por lo general, una cepa que no produce EPS se observa como un sedimento en el fondo, acompañado de turbidez. En cambio, las cepas productoras de EPS pueden presentar un aspecto ligeramente algodonoso en el fondo. Sin embargo, esta cepa produjo tantos EPS que formó una gran masa con aspecto de nube en el caldo de cultivo.)
Hay dos razones por las que los exopolisacáridos resultan tan atractivos para el ser humano. La primera es que se ha observado que los EPS secretados por algunos microorganismos pueden ser muy beneficiosos para la salud humana.
La segunda es que los EPS mejoran las propiedades estructurales de los alimentos en los que se encuentran.
Actualmente, los exopolisacáridos se utilizan en las industrias alimentaria, farmacéutica y cosmética, y su uso se extiende cada día más. En relación con la salud humana, se ha descubierto que presentan funciones antioxidantes, antibacterianas, reductoras del colesterol e inmunorreguladoras, así como efectos anticancerígenos, antitumorales, anticoagulantes y antivirales.
Los exopolisacáridos también intervienen en la formación de biopelículas y en la capacidad de las bacterias para adherirse a una superficie. De este modo, las bacterias pueden colonizar un entorno con mayor facilidad. Este efecto de los EPS puede contribuir a las propiedades probióticas de las bacterias.
En otras palabras, las bacterias probióticas capaces de producir EPS pueden transitar por el intestino, adherirse y crecer con mayor facilidad. También se ha descrito que los EPS pueden ejercer un efecto prebiótico.
En tecnología alimentaria, los EPS pueden mejorar propiedades como la formación de geles, el espesamiento, la emulsificación y la retención de agua.
Por tanto, gracias a los EPS, las propiedades estructurales de un alimento fermentado que contiene un microorganismo productor de EPS pueden mejorarse sin añadir aditivos alimentarios. Esto resulta muy evidente en el yogur.
Si el yogur contiene un microorganismo productor de EPS, adquiere una consistencia cremosa y libera menos suero. En este sentido, la presencia de EPS en el yogur puede identificarse mediante la observación.
En presencia de EPS, el yogur presenta una consistencia cremosa y forma hilos al levantarlo con una cuchara. De este modo, los EPS mejoran el aspecto del yogur y aumentan sus beneficios para la salud.
Por supuesto, las especies de microorganismos productores de EPS que se utilicen para elaborar alimentos fermentados deben ser seguras para su uso alimentario. Entre los microorganismos que pueden utilizarse en los alimentos destacan las bacterias lácticas y las bifidobacterias.
La mayoría de las bacterias lácticas (BAL), en particular las pertenecientes a los géneros Fructilactobacillus, Lacticaseibacillus, Lactiplantibacillus, Lactobacillus, Lactococcus, Latilactobacillus, Lentilactobacillus, Leuconostoc, Limosilactobacillus, Pediococcus, Streptococcus y Weissella, son capaces de sintetizar EPS.
Sin embargo, esto no significa que todas las especies de un género puedan producir EPS. Incluso dentro de una misma especie, esta capacidad puede variar. Por ejemplo, una cepa de Streptococcus thermophilus puede producir EPS, mientras que otra cepa de Streptococcus thermophilus no puede hacerlo.
Por otra parte, hasta la fecha, ninguna cepa de Weissella ha sido reconocida como «generalmente reconocida como segura» (GRAS) por la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos. Del mismo modo, la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria no ha otorgado a las bacterias del género Weissella el estatus de presunción cualificada de seguridad (QPS), aunque son comunes en Europa.
En este contexto, un grupo de científicos, entre los que me incluyo, busca bacterias lácticas capaces de producir EPS en alimentos fermentados locales.
Al investigar estas bacterias y las propiedades de los EPS que producen, exploramos sus posibles aplicaciones en los alimentos.
El objetivo es descubrir cepas con propiedades deseables, utilizarlas como cultivos iniciadores y mejorar las propiedades y los beneficios para la salud de los alimentos fermentados sin añadir aditivos alimentarios.
Estructura y clasificación de los exopolisacáridos
Como se ha señalado anteriormente, los exopolisacáridos, tal como indica su nombre, son de naturaleza glucídica. Sin embargo, el término exopolisacárido no debe interpretarse como una única estructura uniforme.
La estructura de los EPS varía según la cepa bacteriana que los produce. La estructura de los EPS que una bacteria va a secretar está codificada en su ADN.
La estructura de los EPS también puede cambiar según el medio nutritivo en el que se encuentre el microorganismo. Una bacteria puede producir EPS con distintas estructuras en diferentes medios nutritivos. Del mismo modo, la cantidad de EPS secretada puede variar considerablemente según la especie y las condiciones ambientales.
Naturalmente, los EPS con distintas estructuras aportan diferentes beneficios tanto a la estructura de los alimentos como a la salud.
Los exopolisacáridos pueden contener proporciones variables de azúcares y derivados de azúcares, como galactosa, glucosa, manosa, ramnosa, ribosa, xilosa, fructosa, fucosa, arabinosa, ácido galacturónico, ácido glucurónico, glucosamina y galactosamina.
Los exopolisacáridos cuya estructura contiene un solo tipo de monosacárido se denominan homopolisacáridos (HoPS), mientras que los constituidos por distintos monosacáridos se denominan heteropolisacáridos (HePS).
Sin embargo, los HoPS y los HePS se diferencian no solo por los monómeros que componen su estructura, sino también por la longitud de sus cadenas, su grado de ramificación y los enlaces entre sus azúcares.
Los HoPS suelen estar formados por unidades de glucosa o fructosa que constituyen glucanos o fructanos. Los más comunes son los α-glucanos. Los dos subgrupos generales de los fructanos son los polisacáridos de tipo levano y los de tipo inulina.
La mayoría de los EPS producidos por las BAL son HePS. Sus unidades repetitivas suelen estar formadas por D-glucosa, D-galactosa y L-ramnosa y, en algunos casos, por N-acetilglucosamina, N-acetilgalactosamina o ácido glucurónico.
En general, los exopolisacáridos se clasifican de la siguiente manera:
1.) Homopolisacáridos
1.1.) Glucanos
a) α-Glucanos
a.1.) Dextrano
a.2.) Mutano
a.3.) Reuterano
a.4.) Alternano
b) β-Glucanos
1.2.) Fructanos
a) Levanos
b) Polisacáridos de tipo inulina
2.) Heteropolisacáridos
2.1.) Según el tipo de monosacárido que contienen
2.2.) Según sus unidades repetitivas
2.3) Según la estructura de la cadena: ramificada o lineal
2.4.) Según su modificación
Características bioquímicas y biosíntesis de los exopolisacáridos
Las enzimas que intervienen en la producción de EPS por las bacterias lácticas pueden dividirse en dos grandes grupos.
El primer grupo incluye las proteínas necesarias para sintetizar los nucleótidos de azúcares esenciales que también se utilizan en otras vías celulares. Estas proteínas no son específicas de los EPS.
El otro grupo comprende las proteínas específicas de los EPS que intervienen en la transferencia de monómeros, la polimerización, la secreción y la regulación del proceso en su conjunto, entre ellas las glicosiltransferasas y las acetiltransferasas. Sin embargo, las funciones biológicas de algunas proteínas específicas de los EPS siguen siendo desconocidas.
Las enzimas específicas de los EPS están reguladas por determinados genes. Los genes que codifican la biosíntesis de EPS en las BAL suelen organizarse en un grupo y, por lo general, se localizan en el cromosoma (genóforo) de las cepas termófilas, aunque también pueden encontrarse en plásmidos en las BAL mesófilas. En este último caso, la capacidad de producir EPS puede ser muy inestable y las bacterias pueden perder su potencial de producción de EPS en ausencia de presión selectiva.
Desde el punto de vista bioquímico, la síntesis de HoPS es un proceso relativamente sencillo y, al no haber etapas de transporte activo en la vía de síntesis, no supone un gasto energético adicional al de la biosíntesis de las enzimas extracelulares esenciales.
El mecanismo de síntesis de HePS es un proceso más complejo y requiere un mayor gasto energético.
Biosíntesis de exopolisacáridos (adaptado de Welman y Maddox, 2003)
La producción de EPS por distintas cepas de bacterias lácticas oscila entre 10 mg/L y 400 mg/L en diferentes condiciones. Cuando se proporcionan condiciones ideales para el crecimiento y la producción, pueden obtenerse cantidades mucho mayores.
Referencias
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Halil İbrahim Akgül
Halil Ibrahim Akgul, Ph.D., is an Assistant Professor of Food Engineering at Bayburt University, where he works in the Division of Food Sciences within the Faculty of Engineering. He received his B.Sc. in Food Engineering from Akdeniz University in 2010, followed by an M.Sc. and a Ph.D. in Food Engineering from Atatürk University in 2015 and 2020, respectively. His formally recognised academic fields are Food Sciences and Engineering, Food Technologies, Dairy and Dairy Products Technology, and Food Microbiology.
Dr. Akgul has more than fifteen years of professional, research, and academic experience in food science. Between 2011 and 2013, he worked as the food engineer responsible for operations at the Pilot Dairy and Bread Factory of Atatürk University’s Directorate of Agricultural Enterprises. This industrial experience, combined with his subsequent academic research, gave him extensive practical and scientific knowledge of milk processing, dairy production, food quality, hygiene, and product development.
His research is primarily focused on milk and dairy products, dairy microbiology, starter cultures, lactic acid bacteria, exopolysaccharides, butter technology, and the physicochemical, microbiological, sensory, and nutritional properties of foods. His studies have examined the quality and fatty-acid composition of traditional butter, aroma formation in butter produced with different starter cultures, raw-milk quality, the characterisation and antioxidant activity of bacterial exopolysaccharides, traditional dairy products such as çökelek and karın kaymağı, colostrum powder, and the use of fruit-derived ingredients in ice cream production.
His academic record includes peer-reviewed research articles published in national and international journals, including Mljekarstvo, Acta Scientiarum Technology, the Journal of Food Safety and Food Quality, the International Journal of Food Engineering, the Atatürk University Journal of Agricultural Faculty, and ATA Food Journal. Four of the research articles currently listed in his university profile were published in SCI-Expanded-indexed journals. He has also contributed to twelve national and international conference papers and presentations covering dairy products, food microbiology, butter quality, fatty-acid composition, starter cultures, exopolysaccharide-producing bacteria, colostrum, traditional foods, and functional ice-cream formulations.
Dr. Akgul has participated as a researcher or adviser in eleven completed scientific and applied research projects. These projects have addressed the modernisation of pilot dairy-processing facilities; the production and quality characteristics of colostrum powder; the physicochemical and microbiological quality of butter and raw milk; the identification of exopolysaccharide-producing lactic acid bacteria; the development and production optimisation of starter cultures for mould-ripened cheese; the standardisation of traditional dairy products; and the use of sloe berry and persimmon fibre in ice-cream production.
His teaching experience spans undergraduate, associate-degree, and graduate education. The courses he has taught include Food Chemistry, Analytical Chemistry, General Chemistry, Organic Chemistry, Fermented Dairy Products Technology, Butter Production and Processing Technology, Healthy Living and Nutrition, Organic Agriculture and Food, Popular Science, Digital Literacy, and Information Technologies. Through these courses, he combines fundamental food chemistry and engineering principles with dairy technology, nutrition, scientific literacy, and the practical communication of scientific knowledge.
He is the founder and Editor-in-Chief of Gıda ve Sağlık, a multilingual digital publication devoted to food, nutrition, health, food chemistry, food microbiology, and culinary science. Through this platform, he draws upon his academic background, teaching experience, research activity, and practical knowledge of food production to present scientifically grounded information in a detailed and accessible form for an international readership.