ELABORACIÓN DE JARABE RICO EN ALTA FRUCTOSA

El jarabe rico en alta fructosa es una clase de almidón de azúcar en forma de líquido claro con un contenido de fructosa de aproximadamente 50%. La fructosa de alta concentración es producida a través de un tratamiento bioquímico para el almidón. La fructosa de alta concentración, es una mezcla de fructosa y glucosa, de sabor dulce incoloro y en estado líquido.

El jarabe rico en alta fructosa es usado ampliamente como un edulcorante nutritivo (de bebidas, postres, mermeladas, etc.), contribuyendo por sus atributos funcionales y físicos en aplicaciones de alimentos y bebidas, por su efecto edulcorante, como potenciador de sabor, para desarrollo de color y sabor, disminución del punto de congelación y estabilidad osmótica.

DefinicionesEl jarabe rico en alta fructosa es un edulcorante líquido a base de maízelaborado mediante

un proceso de producción de múltiples etapas. Tiene una alta concentración de fructosa en relación con el jarabe de maíz común. El Jarabe de maíz de alta fructosa (JMAF) es un líquido, compuesto por una mezcla de monosacáridos con cantidades diferentes de glucosay fructosa, así como por pequeñas cantidades de otros sacáridos. Según la FAO,el JMAF forma parte de los productos conocidos como isoglucosa, un tipo de jarabe de almidón en que la glucosa se ha isomerizado en fructosa utilizando una o más enzimas de isomerización (Organización Mundial delComercio, 2005).

Las materias primas más comunes utilizadas para la producción de JMAF es el almidón de maíz fabricado por el proceso de molienda húmeda. La producción de JMAF a partir del almidón se compone de tres procesos principales: (I) la licuefacción del almidón por alfa-amilasa, (II) sacarificación del almidón por la acción combinada de amiloglucosidasa y una enzima desramificante, y (III) la isomerización de la glucosa por la glucosa isomerasa. El producto final es un jarabe de maíz jarabe que contiene una mezcla de glucosa y fructosa, y por lo tanto con una capacidad edulcorante superior a la de la sacarosa. Otras fuentes de almidón, como el trigo, yuca y arroz se utilizan en menor medida en otras partes del mundo. Los subproductos de la la industria de molienda de maíz son importantes en la decisión de la producción de JMAF.

La industria de los jarabes de fructosa tomó gran fuerza debido a que la fructosa tiene capacidad edulcorante 30% mayor que la sacarosa, 2.5 veces mayor que la glucosa y es 2 veces más soluble que ésta; a su vez, posee menos niveles calóricos, permitiendo tener mayores aplicaciones en los tratamientos de varias enfermedades (Salcedo, Montes, et al., 2009).

Propiedades funcionales del jarbe rico en alta fructosa Alto dulzor. Los jarabes de alta fructosa se consideran como el edulcorante natural por

excelencia y ésta característica es utilizada en la aplicación que sea requerida, a fin de proporcionar a los productos finales, niveles de dulzor similares o mayores que la sacarosa.

Higroscopicidad. La presencia de fructosa en este tipo de jarabes edulcorantes, produce alta higroscopicidad y ésta funcionalidad es deseable cuando se requiere mejorar el poder de retención de humedad.

Alta fermentabilidad. Los JRAF son 100% fermentables por levaduras, lo cual hace posible su uso en procesos de panificación como sustituto de sacarosa.

Presión osmótica. Por su contenido de monosacáridos, los JRAF presentan una alta presión osmótica y ésta característica es sutilizada para inhibir el crecimiento de microorganismos y aumentar la vida de anaquel en productos como jugos, néctares y conservas.

Potenciación de sabor. Debido a su contenido de fructosa, estos jarabes resaltan aromas frutales, generando la sensación de mayor contenido de fruta en bebidas.

Tipos de Jarabe Rico en Alta FructosaExisten dos tipos de Jarabe de Maíz Rico en Alta Fructosa: el Fructosa-42 y el Fructosa-55.

Fructosa 42 (JMAF-42)Debido a sus propiedades físico-químicas y poder edulcorante, se utiliza como sustitutos

del azúcar de caña, en bebidas, gaseosas, jugos, licores y en general en todo proceso industrial que utiliza azúcar en fase líquida.

Es un jarabe edulcorante producido por un proceso de doble conversión enzimática (almidón - dextrosa - fructosa), posee claridad brillante, libre de turbidez y ausencia de olor, semejante al agua.

Su composición de carbohidratos es Fructosa 42%, Dextrosa 50%, Altos sacáridos 8%. Se recomienda almacenar a una temperatura entre 35 y 41°C, ya que dentro de este rango

el desarrollo de color y la cristalización se minimizan,Es un jarabe muy dulce, incoloro, refinado por intercambio iónico lo que asegura el

cumplimiento de las más altas exigencias como producto alimenticio en términos de color, transparencia, sabor, cenizas y límites microbiológicos.

Se le emplea en bebidas carbonatadas 20%; alcohólicas 10%; jugos de frutas 40%. Asimismo en galletas, tortas, etc. 30%, donde no sólo se lo usa por su poder edulcorante sino por sus cualidades como humectante y agente texturizador.

Fructosa 55 (JMAF-55)Es un jarabe de maíz de segunda generación,obtenido por doble conversión enzimática y

posterior fraccionamiento. Este producto no presenta turbidez y es totalmente cristalino e incoloro.

Su composición es 55% Fructosa, 41% Dextrosa y 4% altos sacáridos.

Adecuadamente almacenado es resistente al crecimiento microbiano, a la coloración ya la cristalización. Su almacenamiento debe ser a 24-30°C, ya que dentro de este rango puede ser manejado en la mayoría de los sistemas usados en el manejo de azúcares diluidos.

Es un jarabe muy dulce, incoloro; su doble refinación por intercambio iónico le permite alcanzar notables condiciones de pureza, transparencia y práctica ausencia de agentes microbiológicos y de partículas en suspensión.

Debido a su poder edulcorante, alto contenido de sólidos y gran pureza, el JAMF-55 es un producto edulcorante ideal para bebidas carbonatadas y no carbonatadas, productos lácteos, mermeladas, jaleas y conservas.

Características del jarabe de maíz de alta fructosa 42 y 55 (Pérez & Valle, 1997):

Tabla 1. Características de los tipos de jarabe de alta fructosa.

ASPECTO JMAF-42 JMAF-55Humedad 29.0% 23.0%Sustancia seca 70.9-71.9% 77.0%Densidad (kg/l)(20°C) 1.34 1.38Viscosidad (cps a 26°C) 160 670pH (sin diluir) 3.3-4.3 3.5Fructosa 42% min. bs 55.0-57% bsMonosacáridos totales 93% min. bs 95.5% min. bsColor antes de calentar (absorbancia)

0.5 máx. 0.4 máx.

Color después de calentar (absorbancia)

2.5 máx. 2.5 máx.

Olor Bueno BuenoSabor Bueno BuenoDulzor relativo de azúcar 92-100 100 (igual)Dióxido de azufre 2ppm máx. 3ppm máx.Cenizas 0.05% máx. 0.01% máx.Acetaldehído 80ppb máx. 80ppb máx.Microbiología Bacterias totales Levaduras Hongos

200 máx/10g b.s.10 máx/10g b.s.10 máx/10g b.s.

200 máx/10g b.s.10 máx/10g b.s.10 máx/10g b.s.

Usos y aplicación del jarabe rico en alta fructosa

Tabla 2. Aplicaciones del jarabe rico en alta fructosa.

Industria Aplicaciones

Panificación

Mejorador de cuerpo.Agente de caramelización.Fermentabilidad.Higroscopicidad.Edulcorante.Realza brillantez

Lácteos

Mejorador de cuerpo.Potenciador de sabor.Estabilizador de espuma.Disminución del punto de congelación.Inhibidor de cristalización.Edulcorante.

Confitería

Mejorador de cuerpo.Potenciador de sabor frutal.Higroscopicidad.Inhibidor de cristalización.Edulcorante.

Productos frutales

Potenciador de sabor.Realza brillantez.Edulcorante.Plastificante.

Bebidas Mejorador de cuerpo.Edulcorante.Fermentabilidad (cerveza).

Vegetales procesados

Realza brillantez.Edulcorante.

Otros usos

Alimentos infantiles.Extractos y esencias.Sopas y consomés.Salchichas y embutidos.Mariscos congelados.

Isomerización de glucosaLa glucosa-isomerasa al actuar sobre glucosa produce en el equilibrio una mezcla del 42% de

fructosa, 52% de glucosa y resto de otros azúcares. La mezcla así obtenida se denomina “azúcar invertido” porque se varía el giro que produce la glucosa en la luz polarizada hasta cambiarse de signo cuando el contenido en fructosa va creciendo.

Ilustración 1. Reacción catalizada por glucosa isomerasa

Isomerización enzimática versus isomerización químicaLa conversión química de la glucosa a la fructosa se ha conocido durante los últimos 100

años y constituye uno de un grupo de reacciones conocidas colectivamente como transformación de LobryBruyn - Alberda van Ekenstein. Estas reacciones suelen llevarse a cabo a pH y temperatura elevados. La posibilidad de producir fructosa químicamente a partir de glucosa ha sido estudiada ampliamente por (Barker, 1973).La reacción no es específica y lleva a la formación de azúcares no-metabolizables y otros productos de color indeseables. Es difícil lograr una concentración de fructosa de más del 40% por este método. Por otra parte, se ha producido la fructosa químicamente de sabores y dulzura reducido, que no pueden ser solubilizados fácilmente.

Por otro lado, la conversión enzimática de la glucosa a la fructosa ofrece varias ventajas, tales como (1) la especificidad de la reacción, (2) la exigencia de las condiciones ambientales de pH y temperatura, y (3) no hay formación de productos secundarios. Por lo tanto, la conversión enzimática se prefiere a la isomerización química de la glucosa a la fructosa, y hoy el proceso de participación de glucosa isomerasa ha experimentado una considerable expansión en el mercado industrial.

Organismos fuenteLa glucosa isomerasa está ampliamente distribuida en procariotas. Después de su

descubrimiento en Pseudomonas hydrophila, un gran número de bacterias y actinomicetos se ha encontrado que producen la glucosa isomerasa que se activa en ausencia de arseniato. Entre las bacteria ácidos heterolácticas, el Lactobacillusbrevis produjo el mayor rendimiento de enzima. La enzima se activa a pH bajo, pero inestable en alta temperatura y por lo tanto no era adecuado para la explotación económica.

Informes sobre la secreción extracelular de las glucosaisomerasa no son comunes. se ha informado que puede ser producido por Streptomyces glaucescens y S.flavogriseus, forflavogriseus, por que la liberación de la enzima de las células se atribuyó a un cambio en la permeabilidad de la pared celular y la lisis parcial de la células (Wang , Johnson, & Scneider, 1980). La xilosa isomerasa extracelular del Chainiaspp y Bacillus alkalothermophilic han sido purificada mediante técnicas de purificación convencional , técnicas tales como la filtración en gel, cromatografía de intercambio iónico, electroforesis en gel de poliacrilamida y preparativa.

Tabla 3. Microorganismos fuente de glucosa isomerasa

Especies

Actinomycesolivocinereus, A. phaeochromogenesActinoplanesmissouriensisAerobacteraerogenes, A. cloacae, A. levanicumArthrobacterspp.Bacillus stearothermophilus, B. megabacterium, B. coagulansBifidobacteriumspp.Brevibacteriumincertum, B. pentosoaminoacidicumChainiaspp.Corynebacteriumspp.CortobacteriumhelvolumEscherichia freundii, E. intermedia, E. coliFlavobacteriumarborescens, F. devoransLactobacillus brevis, L. buchneri, L. fermenti, L. mannitopoeus,L. gayonii, L. fermenti, L. plantarum, L. lycopersici, L. pentosusLeuconostocmesenteroidesMicrobispora roseaMicroellobosporiaflaveaMicromonosporacoerulaMycobacteriumspp.Nocardia asteroides, N. corallia, N. dassonvilleiParacolobacteriumaerogenoidesPseudonocardiaspp.PseudomonashydrophilaSarcinaspp.Staphylococcus bibila, S. flavovirens, S. echinatusStreptococcus achromogenes, S. phaeochromogenes, S. fracliae,S. roseochromogenes, S. olivaceus, S. californicos, S. venuceus,S. virginialStreptomyces olivochromogenes, S. venezaelie, S. wedmorensis,S. griseolus, S. glaucescens, S. bikiniensis, S. rubiginosus,S. achinatus, S. cinnamonensis, S. fradiae, S. albus, S. griseus,S. hivens, S. matensis, S. nivens, S. platensisStreptosporangium album, S. oulgareThermopolysporaspp.Thermusspp.Xanthomonasspp.Zymononasmobilis

Producción de glucosa isomerasaEl costo de producción de la enzima es un factor importante en la evaluación de su

idoneidad para el uso industrial. Intensamente se han hecho esfuerzos para optimizar los parámetros de la fermentación para la producción de glucosa isomerasa con el fin de desarrollar tecnología económicamente viable.

La investigación se centra en tres aspectos principales: (I) la mejora de los rendimientos de la glucosa isomerasa, (II) la optimización del medio de fermentación con especial referencia a sustitución de xilosa por un sustituto más barato y la eliminación de requerimiento de iones Co 2+, y (III) la inmovilización de la enzima.

Mejora de rendimiento Los rendimientos de la glucosa isomerasa de varios organismos productores son potentes

que van desde 1.000 a 35.000 U /litro. Nuevas mejoras en el rendimiento y las propiedades de la enzima se logró mejorando la cepa, utilizando métodos convencionales de mutagénesis o tecnología de ADN recombinante. Varias cepas de importancia comercial han sido sometidos a mutagénesis para producir niveles elevados de enzimas o constitutiva la producción de la enzima. Un aumento del 60% en el nivel la enzima se obtuvo mutagenizando wedmorensis Streptomyces con etilenimina y N-metil-N-nitro-N-nitrosoguanidina. Irradiación de UV Streptomycesolivochromogenes resultado en una cepa mutante con 70% de aumento de la actividad (Suekane, 1982).

Ingeniería genética para la obtención de glucosa isomerasaLa tecnología del ADN recombinante es un medio excelente para aislar y manipular el gen

de una proteína deseada. Más del 50% de las enzimas industriales son producidos a partir de microorganismos genéticamente modificados. Una de las formas para aumentar la producción de las indicaciones geográficas es identificar el gen de la glucosa isomerasa y clonar en un vector multicopia que contiene un promotor fuerte como la lac, tac, o PL. El gen de glucosa isomerasa ha sido clonado a partir de varios microorganismos con los principales objetivos de: (I) la sobreproducción de la enzima por el efecto de dosis génica, (II) la conversión directa de xilosa en etanol por levaduras, y (III) la ingeniería de la proteína para alterar sus propiedades para satisfacer sus aplicaciones biotecnológicas. La clonación molecular y expresión de la glucosa isomerasa han llevado a cabo en anfitriones homólogos, heterólogos y en levaduras.

Regulación genética de la biosíntesis de glucosa isomerasaD-xilosa, aunque no es un azúcar tan común como la glucosa, es un componente

importante de la hemicelulosa de las plantas. Los microorganismos que sobreviven en los materiales vegetales en descomposición han evolucionado las vías bioquímicas capaces de asimilar la D-xilosa. La D-xilosa como fuente de energía es utilizada por las bacterias a través de una vía de participación de transporte a través de la membrana citoplasmática e isomerización a D-xilulosa.

La pentulosa residuo es fosforilada por xylulokinasa para producir D-xilulosa-5-fosfato, que se metaboliza a través de la pentosa fosfato y las vías de Embden-Meyerhoff.

Especies de StreptomycesLa clonación en homólogos de la glucosa isomerasa de Actinoplanesmissouriensisen

Streptomyceslividens a través del sitio Sst1 de pIJ702 con thiostrepton y resistencia e inactivación insercional de la pigmentación de la melanina como marcadores dando lugar a un aumento 50 veces de la actividad de la glucosa isomerasa de Streptomycelividens, que fue de 2.5 veces la del tipo silvestre (Kho, 1984). La subclonación del fragmento clonado permite la localización del gen de la Glucosa isomerasa en un fragmento más pequeño.

Optimización del medio de fermentaciónLa glucosa isomerasa se produce generalmente por la fermentación celular en

medio acuoso. La optimización del medio de fermentación ha sido ampliamente estudiada con miras al desarrollo económico de una tecnología de fermentación viable para la producción de las glucosaisomerasas.

Los esfuerzos de investigación estaban dirigidos principalmente a (1) la sustitución de xilosa por otro inductor de bajo costo, (2) evaluación del efecto de las fuentes más baratas de nitrógeno en el rendimiento de la enzima, (3)optimización del pH y la temperatura máxima para la enzima y (4) la sustitución de iones Co2+divalentes por otros iones metálicos en el medio de fermentación. No hay en concreto una composición del medio para la mejor producción de la enzima de microorganismos diferentes. Cada organismo o la cepa requieren sus condiciones especiales propias para la producción máxima de la enzima.

Inductor La mayoría de los organismos productores de glucosa isomerasa tienen un requisito

obligado para inducir la producción de la enzima, la D-xilosa, Sin embargo, la xilosa es cara y por lo tanto poco práctico para el uso a escala comercial. Almidón, glucosa, sorbitol o glicerol puede ser utilizado en lugar del 75% de xilosa. Takasaki y Tanabe mostraron que la cepa de Streptomyces YT-5 fue capaz de crecer en xilano o material que contiene xilano, como mazorcas de maíz o de salvado de trigo. Este fue el primer hito en la selección de cepas que puedan crecer en un medio más barato. Otro enfoque para eliminar el requisito de xilosa como inductor es la generación de mutantes que pueden producir glucosa isomerasa constitutivamente. Otro enfoque para lograr la producción de la enzima constitutiva relacionada con la clonación del gen xilanasas frente a un promotorStreptomyces. El gen P1-xilanasas se ha integrado en el cromosoma utilizando el vector de integración pTS55. La tensión resultante (CBS1) dio siete veces mayor sobre la actividad en la ausencia de xilosa en comparación con la cepa de tipo salvaje plenamente inducida por xilosa.

Fuente de nitrógeno. La fuente de nitrógeno es un factor crítico que debe ser optimizado para cada fuente de

enzima. Aunque el nitrógeno de fuentes complejas se utilizan generalmente para la producción de la glucosa isomerasa, la exigencia de un suplemento de nitrógeno específica difiere de un

organismo a otro. Peptona, extracto de levadura, o sales de amonio puede ser utilizado. La harina de soja da un rendimiento del 50% más que fuerte licor de maíz. La adición de ciertos aminoácidos mejora el rendimiento de la enzima en Streptomyces.

pH y temperatura óptimos. La naturaleza de la fuente de nitrógeno afecta el pH y en consecuencia el rendimiento de

la enzima. La mayoría de productores glucosa isomerasa mediante fermentaciones se llevan a cabo entre el pH 7,0 y 8,0 sin control de pH. Streptomyces se incuban de 50 a 60°C. El período de fermentación varía de 6 a 48 h, dependiendo del tipo de cultivo utilizado para la producción de glucosa isomerasa.

Requisito de iones metal Cationes divalentes se requieren en el medio de fermentación para la producción óptima

de glucosa isomerasa. Sin embargo, el requisito de que los iones del metal específico depende de la fuente de la enzima. Co2+ es esencial para la producción de la glucosa isomerasa por cepas de Streptomyces. En general, sales de cobalto se utilizan en el medio para las especies de Streptomyces. Es importante reducir la adición de Co2+ al medio debido a los riesgos de salud relacionados con el consumo humano de JMAF que contiene Co2+ y el problema de la contaminación del medio ambiente relacionados con la disposición de los medios de cultivo empleados.

Inmovilización de glucosa isomerasaUna de las maneras de reducir el costo de producción de la glucosa isomerasa es para

recuperar de manera eficiente y la reutilización varias veces. La inmovilización de glucosa isomerasa ofrece una excelente oportunidad para su reutilización efectiva. Existe una gran cantidad de literatura sobre la inmovilización de la glucosa isomerasa. El mayor mercado para glucosa isomerasa es por su forma inmovilizada. El uso de glucosa isomerasa es caro porque es una enzima intracelular y se necesitan grandes cantidades para compensar la altura del Km alta de la glucosa. Por lo tanto, es importante para inmovilizar a la glucosa isomerasa para sus aplicaciones industriales. Existen varios métodos de inmovilización de glucosa isomerasa. Sin embargo, sólo unos pocos son económicos y el rendimiento de los preparados de enzimas con propiedades que son adecuadas para la producción comercial de JMAF. Dos métodos principales se utilizan para la inmovilización de glucosa isomerasa: inmovilización de enzimas sin inmovilización de las células y la inmovilización total las células.

El uso comercial de la glucosa isomerasa consiste en la forma de la enzima inmovilizada, que es barato y eficaz y no requiere la purificación y concentración de la enzima.