Grupo 8 producción y aplicación de enzimas industrialess

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Grupo 8 producción y aplicación de enzimas industrialess

  1. 1. PRODUCCIÓN Y APLICACIÓN DE ENZIMAS INDUSTRIALES PRODUCTION AND APPLICATION OF INDUSTRIAL ENZYMES PALABRAS CLAVE: E n zi m a s , l i p a s a p a n c r e á ti c a , tripsina. KEY WORDS: Enzyme, lipasa pancreatic, tripsin.
  2. 2. JORGE ELIÉCER CARRERA 1 RESUMEN La producción de enzimas para uso industrial tuvo sus orígenes en Dinamarca y Japón, a finales del siglo XIX, cuando se produjeron las primeras preparaciones de renina a partir del estómago de terneros y de amilasa de origen fúngico. Las enzimas son productos de las células y por lo tanto pueden obtenerse a partir de tejidos animales, tejidos vegetales o mediante procesos de fermentación em-pleando microorganismos seleccionados. Las plantas han sido la fuente tradi-cional de ciertas enzimas. A partir del latex producido por la papaya, algunas proteasa aisladas desde la higuera y la piña. La cebada malteada también hasido fuente importante de enzimas vegetales. La industria cervecera ha empleado tradicionalmente este material crudo por su actividad proteásica y amilásica. En cuanto a las enzimas de origen animal, se han obtenido pocas, por ejem- plo lipasa pancreática y tripsina, debido principalmente a la disponibilidad limitada de material adecuado y a la posibilidad de reemplazarlas por enzimas similares derivadas de microorganismos. Debido a que las aplicaciones in-dustriales de las enzimas requieren que estas sean producidas a gran escala y bajo costo, el empleo de algunas enzimas de origen vegetal y animal ha ido decayendo, a favor de las enzimas de origen microbiano. ABSTRACT The enzyme production for industrial had its origins in Denmark and Japan, at the end of century XIX, when the first preparations of rennet from the stomach of calves and amylase of fúngy origin took place. Theenzymes are ____ ____ ____ Recibido para evaluación: Noviembre 29 de 2002. Aprobado para publicación: Vol. 1 No.1 Marzo 2011 1 Facultad de Ciencias Agropecuarias, Departamento de Ingeniería Agroindustrial, Universidad del Cauca, Popayán Grupo de investigación Asubagroin, Director.
  3. 3. 10 Facultad de Ciencias Agropecuarias Vol 1 No.1 Marzo 2011 products of the cells and therefore animals can obtain themselves from weaves, vegetal weaves or by means of fermentation processes using selected microorganisms. The plants have been the traditional enzyme source certain. From the latex produced by papaya, some protease isolated from the fig tree and the fragmentation hand grenade. The malteada barley also has been important vegetal enzyme source. The brewing industry has traditionally used this crude material by its proteásica and amilásica activity. As far as origin enzymes animal, few have been obtained, for example lipasapancreátic and tripsin, had mainly to the limited availability of suitable material and to the possibility of replacing them by enzymes similar derived from microorganisms. The industrial applications of enzymes require that these are produced on great scale and low cost, the use of some enzymes of vegetal origin and animal have been decaying, in favor of enzymes of microbial origin. INTRODUCCION Son las enzimas que permanecen asociadas con la cé-lula y no son normalmente excretadas al medio. En al- gunos casos, como en el caso de lipasa e invertasa, el que la enzima sea intracelular o extracelular depende del microorganismo utilizado.(1,2) Pocas enzimas intracelulares son producidas a gran es-cala y las ventas de estas enzimas representan solo un pequeño porcentaje del total de ventas. Sin embargo, la producción de enzimas intracelulares es de gran interés por varias razones. Con los avances en las técnicas de inmovilización, el uso de enzimas y células inmovilizadas está en aumento. Por ejemplo, se han establecido pro-cesos comerciales para la producción de jarabes de fructosa usando glucosa iso-merasa. (1,2) Enzimas Extracelulares Los microorganismos producen una amplia variedad de enzimas potencialmente útiles, muchas de las cuales son excretadas al medio. La mayoría de las enzimas extracelulares son producidas por organismos perte-necientes a dos géneros: Bacillus y Aspergillus. y que en su mayoría son del tipo hidrolítico. (1,3) Estabilidad de las Enzimas La frágil naturaleza proteica de las enzimas, que conlle-va a una estabilidad limitada de su estructura y funcionalidad, constituye un aspecto importante en un contexto tecnológico. Se considera que una enzima es apropiada para una aplicación comercial, si su estabili-dad es suficiente para dicha aplicación.(2) Diagrama de flujo para la producción de enzimas a par- tir de tejidos animales o vegetales (Figura 1)“DiagramadeEnzyme´sBiotechnology”. (3)
  4. 4. Las enzimas se obtienen por fermentación en cultivos semi-sólidos, sumergidos, extracción de tejidos ya sea en plantas o animales bajo condiciones controladas. (4)
  5. 5. Unas 20 compañías de Europa, Japón y Estados Uni-dos realizan la producción de enzimas, pero el mercado es dominado por 3 de ellas: Novo Nordisk (Dinamarca) con el 50% de las ventas a nivel mundial, seguida por GistBrocades (Neatherlands) y Rhom and Haas (Alema-nia). El mercado de las enzimas ha tenido gran creci- miento desde los años 70 y este ha sido paralelo con el desarrollo de un gran número de aplicaciones en la in- dustria alimentaría. (3) En América latina existen empresas productoras de enzimas en México, Brasil, Argentina y Uruguay, mu-chas de las cuales son subsidiarias de empresas transnacionales, como es el caso de Pfizer en México y Brasil y Novo en Brasil. (6) En Colombia no hay producción de enzimas a escala in-dustrial, siendo importadas de diversos países de Europa, también de Japón , Estados Unidos , Canadá y México. (2) La importación de enzimas en Colombia se hace en su mayor par te a través de representantes o casas comer-ciales pero algunas industrias de cervecería, molinería y lácteos hacen importación directa de las enzimas que requieren. (2) CARBOHIDRASAS Amilasas Se encuentran ampliamente distribuidas en la naturale-za, son las enzimas responsables de la degradación del almidón, hidrolizan los enlaces glucosídicos -1-4. Las amilasas se pueden dividir en tres grupos: amilasas
  6. 6. Facultad de Ciencias Agropecuarias 11Vol 1 No.1 Marzo 2011 Figura 1. Diagrama de flujo extracción y obtención de enzimas. TANQUE DE Recepción PICADO AJUSTE DE pH Decantador Activación- precipitación estabilización Sal de Sulfato Empaqu e Molienda Secado Tamiz y venta FUENTE: “Diagrama de Flujo cedido por Enzyme´sBiotechnology” (3) (E .C. 3. 2. 1. 1), las cuales rompen al azar los en- Glucoamilasa (amiloglucosidasa) (E.C.3.2.1.3) laces en el interior del sustrato (endoamiladas); El principal producto final de la acción de laamilasas(E.C.3.2.1.2) las cuales hidrolizan or - denada mente unidades de maltosaa patir de los glucoamilasa sobre el almidón es glucosa, lo que la extremos no reductores del sustrato (exoamilasas)y diferencia claramente de las y amilasas. La enzima glucoamilas as que liberan unidades de gluco-s a también produce pequeñas cantidades de oligosa- a p a r tir de los extremos no reductores del cáridos. La sacarificación del almidón puede alcanzar sustrato. (7) hasta 96% de dextrosa. La acción de la enzima causa inversión de la configuración, produciendo b gluco- Las amilasas están presentes en la mayoría de las sa. En el comercio se encuentran diversas preparacio- nes derivadas de hongos de los grupos Aspergillus yplantas superiores, están ausentes en los mamíferos y R hi z o p u s .excepto por la enzima deAspergillussu existencia en microorganismos es dudosa. Se han awamori, las glucoamilasas son inactivas sobre almi-cristalizado amilasas a partir de trigo, malta de ceba- dón nativo. Su actividad es máxima entre pH 4 y 5.5, yda, patata dulce y soya. La enzima hidroliza únicamente temperatura alrededor de 55-65 0 C. La rata de reacciónenlaces glicosídicos a 1-4, con inversión en la configu- cae rápidamente a medida que disminuye el tamaño deración del C 1 en el glicosido, de la forma a a la forma . la molécula de sustrato, siendo máxima sobre almido-Este cambio de configuración es la razón por la cual la nes previamente sometidos a licuefacción. (8)enzima se llama beta amilasa. (5) Los pHs de mayor actividad para las amilasas es- Enzimas desramificantes tán en el rango entre 4.5-7 y el límite de temperatura Este grupo de enzimas puede dividirse en dos clases: está alrededor de 55 0 C. Losgrupos sulfihidrilos directas e indirectas. Las desramificantes directas son esenciales para la actividad, por lo que la enzi- hidrolizan los enlaces glicosídicos a 1-6 del glicógenoma se inactiva por oxidación, por los metales pesa- y/o la amilopectina nativos, están representadas por eldos y sus sales. (5)
  7. 7. 12 Facultad de Ciencias Agropecuarias Vol 1 No.1 Marzo 2011 sistema amilo 1-6 glucosidasa (EC 3.2.1.33)/oligo1-4 1-4 glucantransferasa (EC 2.4.1.24). Por el contrario, la acción de las enzimas indirectas requiere la modificación previa del sustrato con otra enzima. Este último grupo pue- de subdividirse en pululanasas e isoamilasas. (9) Las pululanasas de orígen microbiano han sido aisla-das de Aerobacteraerogenes, Escherichia intermedia y Streptococcusmitis. Las enzimas actúan sobrepululano, amilopectina, glicógeno y dextrinas. El único producto de reacción es maltosa . La temperatura ópti-ma está alrededor de 45 0 C y el pH entre 4 y 5. (9) Celulasas (EC 3.2.1.4) La celulosa es rápidamente hidrolizada en la naturaleza por organismos aeróbicos del suelo, particularmente por los hongos que degradan la madera. Los organis-mos anaeróbicos del rumen y del intestino son respon-sables de la digestibilidad de la celulosa en los anima-les rumiantes y en los herbívoros. (10) Invertasa (EC 3.2.1.26) Hidrolizan el residuo terminal no reductor de b D fructofuranósidos. El principal sustrato es la sacarosa, pero también pueden hidrolizar rafinosa para dar fructosa y melibiosa. La enzima también tiene actividad fructotransferasa. (10) El pH óptimo es 4.5, pero se logra un 80% de actividad en el rango entre 3.5 – 4.5. Tienen actividad máxima entre 50-60 0 C. El efecto de la concentración de sustrato es de particular relevancia, ya que la máxima actividad se logra con concentraciones de sacarosa del 5-10%. A concentración de sacarosa del 70% la actividad es solo de 25% del máximo. (10) La invertasa es de gran importancia en la industria de alimentos porque la hidrólisis de la sacarosa forma ja-rabes más dulces, los monosacáridos formados por la acción de la inver tasa son más solubles que la sacarosa y por lo tanto no cristalizan en los jarabes concentra-dos.(10) Lactasa ( galactosidasa) (EC 3.2.1.23)
  8. 8. Las mejores fuentes comerciales de lactasa son hon-gos (Aspergillus oryzae, Aspergillus niger) ,bacte-rias (Bacillusspp.) y levaduras(Kl uyveromyce sfragilis). (1) Las preparaciones fúngicas pueden generalmente ser usadas a mayores temperaturas y menores pHs. Glucanasas Consisten en una serie de preparaciones de orígenfungico y bacteriano, que usualmente presentan varias actividades juntas siendo predominante la actividad 3.2.1.6., actividad endohidrolasa de amplia especifici-dad que actúa sobre enlaces b1-3 y/o b 1-4 de b D glucanos. Otras glucanasas presentes pueden incluír una b 1- 3 glucano hidrolasa específica (EC 3.2.1.39) , una b 1-2 glucanohidrolasa específica (EC 3.2.1.71) y la exo b 1-3 y b 1-4 glucanohidrolasas (EC 3.2.1.73 y 3.2.1.74). (1) Enzimas Pécticas El término se refiere a un complejo formado por varias enzimas, presentes en diversas proporciones, capaces de actuar sobre pectinas y sus derivados. El grupo in-cluye: Pectinesterasa (EC 3.1.1.11), que actúa para desesterificar pectinas, removiendo los grupos metoxilo y produciendo ácido péctico. (3) Enzimas despolimerizantes que actúan principalmente sobre pectina, ácidos pépticos y protopectina. (3) ENZIMAS PROTEOLITICAS Las proteasas son enzimas que hidrolizan las cadenas polipeptídicas de las proteínas sustrato, se caracterizan por tener gran variedad de especificidades. De acuerdo con el aminoácido o metal que posean en su sitio activo se clasifican en cuatro familias: serina proteasas, asparticoproteasas, cisteina proteasas y metalo-proteasas (1). Papaína (EC 3.4.22.2) Hidroliza los residuos terminales de a D galactosa, a par tir de b galactósidos. También ocurren reacciones de transferencia de grupos galactosil. (2)
  9. 9. El término papaína se aplica tanto a las preparaciones enzimáticas crudas obtenidas del latex de papaya como a las distintas fracciones proteicas del mismo. Las enzimas papaína y quimopapaína son las principales
  10. 10. Facultad de Ciencias Agropecuarias 13Vol 1 No.1 Marzo 2011 proteasas del latex (10 y 45% de la proteína soluble), el cual contiene también lisozima (20%). (10) Bromelina (3.4.22.4) Se obtiene del jugo, de la fruta o de los tallos de la piña ( Ananascomosus). Es una glicoproteína del grupo de las cisteín proteasas. Actúa de preferencia sobre los aminoácidos básicos y aromáticos de las proteínas. Su pH óptimo varía con el sustrato, en el rango de 5 a 8. Tiene baja tolerancia térmica. La enzima se utiliza princi-palmente como ablandador de carne (tiene buena acti-vidad sobre los tendones y el tejido conectivo rico en elastina ) y para hidrolizar proteínas solubles de la cer-veza que pudieran precipitar y causar opacidad por el enfriamiento. (10)
  11. 11. Por otra parte, las lipasas son esenciales para la pro-ducción de sabores y aromas característicos en cier tos alimentos.(2) GLUCOSA ISOMERASA La enzima es realmente xilosa isomerasa (EC 5.3.1.5), capaz de isomerizar D- glucosa a D- fructosa. La enzima se encuentra ampliamente distribuida, es producida por la mayoría de microorganismos capaces de crecer so-bre una fuente de xilosa.(2) PROCESOS INDUSTRIALES QUE APLICAN ENZIMAS Ficina(EC 3.4.22.3) Industria del almidón y del azúcar Es una cisteín proteasa como la papaína. Se obtiene Dependiendo de las enzimas utilizadas, a partir del al- del latexde las plantas del género Ficus. Presenta midón se pueden obtener jarabes de diferente compo- hidrólisispreferencial por los aminoácidos aromáti- sición y propiedades físicas. Los jarabes se utilizan en una variedad de alimentos tales como gaseosas, dul-cos. El pH óptimo varía con el sustrato y se encuentra ces, productos horneados, helados, salsas, alimentosen el rango 5-8. La temperatura óptima está alrede- para bebés, frutas enlatadas, conservas, etc. (10)dor de 60 0 C, inactivándose completamente a 80 0 C. (10) Hay tres etapas básicas en la conversión enzimática del almidón: licuefacción, sacarificación e isome-rización. Renina o Quimosina (EC 3.4.23.4) Es una proteasa ácida, aislada del estómago de los ter-neros jóvenes, utilizada para precipitar la caseína sin promover un nivel de proteólisis elevada. En los terne-ros maduros, la quimosina se reemplaza por pepsina como enzima mayoritaria a nivel estomacal. La pepsina causa un grado superior de proteólisis en la leche en comparación con la quimosina, con lo cual se forman péptidos cor tos con sabor amargo que afectan la cali- dad final de los quesos. (9) LIPASAS (EC 3.1.1.3) Las enzimas lipolíticas constituyen un importante gru-po de enzimas asociado con el metabolismo y degrada-ción de grasa. Estas enzimas hidrolizan triglicéridos dando lugar a mezclas de ácidos grasos libres, monoglicéridos y diglicéridos. Las lipasas son de inte-rés a la industria de alimentos porque si no se contro-lan pueden dar lugar a rancidez indeseable en los pro-ductos lácteos, cárnicos y otros que contengan grasa.
  12. 12. Productos Lácteos La aplicación de enzimas en el procesamiento de leche está bien establecida ,por el uso del cuajo (quimosina) en la producción de queso , que tal vez representa el empleo más antiguo de enzimas en alimentos. Otras enzimas que participan en la producción de quesos son las lipasas presentes en la leche, las cuales hidrolizan el componente graso, proporcionando cambios caracte-rísticos en el sabor. Para algunos quesos se pueden aumentar las lipasas naturales, añadiendo enzima extra. Por otra par te, también se recomienda agregar enzimas exógenas de tipo proteolítico para acelerar el proceso de maduración de algunos quesos. (10) Molineros y Panaderia El uso de enzimas en estas industrias se debe principal-mente a la deficiencia en el trigo y en la harina, de las enzimas naturalmente presentes. El contenido de a amilasa de la harina depende de las condiciones de cre-cimiento y de cosecha. En climas húmedos la tendencia
  13. 13. 14 Facultad de Ciencias Agropecuarias Vol 1 No.1 Marzo 2011 será a tener alta actividad de a amilasa debidoa mejorar la licuefacción del almidón, regular el conteni- germinación de los granos, en tanto que en climas secos el do de azúcar y nitrógeno, mejorar la extracción, facilitar nivel de a amilasa se rábajo debido a escasala filtración y controlar la turbidez. En la filtración del germinación. Esto conlleva a grandes diferencias en elmosto reducción de las gomas y de la viscosidad. En la contenido de amilasa de diferentes lotes de harina. (10) ebullición, control de la turbidez, eliminación final del Productoras de Jugos de Frutas almidón. En esta etapa se inactivan las enzimas. Duran- te la fermentación y maduración la adición de enzimas Las primeras enzimas empleadas en las industrias de sirve para controlar la turbidez.(10) jugos de frutas fueron las enzimas pécticas para la cla- Industrias de Grasas y Aceites rificación del jugo de manzana. Actualmente las enzimas pécticas se usan en el procesamiento de muchas otras El uso de enzimas en las industrias de aceites y grasas frutas, junto con amilasas y celulasas. (10) es muy bajo, aunque se encuentran disponibles enzimas Durante el procesamientodelos jugos cuando se que pueden resolver algunos problemas, por ejemplo minimizar los subproductos indeseables. Las enzimas desintegran los tejidos vegetales, par te de la pectina, que es también se pueden usar para producir aceites y grasas un componente estructural de las frutas, pasa a la solu- ción, novedosas. (2) parte se satura con el jugo y par te permanece en las paredes celulares. Las enzimas pécticas se usan para faci- litar el Lipasas específicas, pueden seleccionar los ácidos prensado, la extracción del jugo y la clarificacióngrasos dealgunas posiciones del triglicérido, para ayudando a la separación del precipitado floculento.( 2) incorporar determinados ácidos grasos, sin cambiar Procesamiento de Carne los de otras posiciones. De tal manera que es posible modificar por interesterificación el contenido de áci- Las enzimas importantes para ablandar carne son dos grasos, o por transesterificación lograr el rearreglo de algunos de ellos. (3,4) proteasas de orígen vegetal o de microorganismos (Bacillussubtilis y Aspergillus oryzae). Las enzimas se Por ejemplo la mantequilla de cacao se requiere en la inyectan antes del sacrificio al animal o se trata la carne producción de chocolate y con frecuencia la disponi- con las enzimas antes de cocerla, con lo que se logra un bilidad y el costo fluctúan ampliamente. Sin embargo, franco ablandamiento sin provocar una proteólisis im- aceites como el de palma son baratos y se encuentra portante. (9) buen abastecimiento. Lo que se plantea es modificar Industria Cervecera el aceite de palma por reacción con ácido esteárico medianteinteresterificación enzimática. La grasa re- La cebada se utiliza tradicionalmente para la fabricaciónde sultante tiene propiedades similares a la mantequilla de cacao. (5)bebidas alcohólicas como la cerveza. En su produc- ción se deben considerar dosoperaciones distintas: la Industrias de Pulpa y Papelmaltería y la cervecería. (10) La preparación de la malta se logra por germinación de La mayoría de las fabricas de pulpa y papel cierran pos periodos prolongados, una o dos veces al año. Du-la cebada, durante la cual se incrementa el contenido dea rante estos periodos se llevan a cabo los programas deamilasa. Las enzimasa yb amilasas naturalmente mantenimiento de la planta. Uno de los sistemas quepresentes en el grano actúan sobre el almidón produ- se ve severamente impactado debido a estos cierresciendo dextrinas y maltosa, que sirven como sustratos temporales es la planta de tratamiento de aguaspara la fermentación posterior. Las proteasas degradan residuales. Durante estos cierres el alimento llega enproteínas formando aminoácidos y péptidos. Hay mu- cantidad insuficiente para mantener la biomasa reque-chas enzimas disponibles comercialmente para el pro- rida en condiciones normales, La población bacterianaceso cervecero, pero todas ellas caen en tres catego- se encuentra generalmente disminuida a una fracciónrías: proteasas, amilasas yglucanasas. La acción de de lo que es necesario para la producción de un efluente estas enzimas durante las primeras etapas consiste en de alta calidad. (6)
  14. 14. Facultad de Ciencias Agropecuarias 15Vol 1 No.1 Marzo 2011 Tratamiento de Desechos Mezcla pulveriza da de organismos selectiva mente adaptados, con enzimas crudas y emulsionantes e s p e c ífi c a me n te i d e a d o s p a ra li c u, a rdigerir y desodorizar desechos agrícolas.(9) Empresas de servicios como hoteles, cafeterias entre otras Sustancia creada con la más avanzada tecnología, que consiste en una mezcla sinérgica concentrada de ba-cilos, que descomponen la materia orgánica con pre-sencia de almidón, grasas, proteínas y celulosa. (3) REFERENCIAS (1) Gacesa P. Y Hubble J. Tecnología de la Enzimas. ( Acribia. Zaragoza. España 1990). (2) Illanes A. Biotecnología de Enzimas. Ediciones Universitarias. Universidad Católica de Valparaíso. 1994. (3) Godfrey T y Reichelt J. Industrial Enzymology.
  15. 15. Macmillan Publishers Ltd United Kingdom.1983. (4) Harlander S. Y Labuza T. Eds. Biotechnology in Food Processing. Noyes Publications. Park Ridge, New Jersey, USA.1986. (5) Tucker G.A. y Woods L.F.J. Eds . Enzymes in Food Processing. Blackie and Son Ltd. London 1991. (6)Izquierdo y G. De la Riva, (2000 ) “Plant biotechnology and food security in Latin América an d th e cari b be a n” El ectr o nic J ournal o f Biotechnology, (7) Universidad Católica de Valparaíso, Vol. 3 No 1, abril 15. (8) Quintero, R. (1996) “Curso-taller grupo consulti-vointernacional ”UNAN. México. (9) Cabra J y Sánchez, M (1997). “Biotecnología para el desarrollo en Colombia” Innovación y ciencia Vol. VI, No 3 P. 44-52 Mercado y consu-mo. (10) Carrera, J. (2002). Módulos de Biotecnología, “EnzimasIndustriales, Biorreactores, Varia- bl es deCont rol, Guías de Laboratorio y Biotecnología Agrícola y Vegetal” Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad del Cauca.

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