5.1. Procesamiento enzimático del almidón.

5.2. Aplicaciones de:proteasas, amilasas,lactasas y hemicelulasas en la industria de alimentos.

Hidrólisis Enzimática

Se entiende por hidrólisis enzimática la hidrólisis que se produce mediante un grupo de enzimas llamadas hidrolasas.

Estas enzimas ejercen un efecto catalítico hidrolizante, es decir, producen la ruptura de enlaces por agua según:

H-OH + R-R’ → R-H + R’-OH.

En algunos casos este grupo puede ser transferido por la enzima a otras moléculas y se considera la hidrólisis misma como una transferencia del grupo al agua.

A veces suele utilizarse el nombre común de la enzima, por lo que muchas veces el sufijo –asa, nos indicará generalmente que se trata de una hidrolasa.

En la industria alimentaria, las enzimas se utilizan para recuperar subproductos, para facilitar la fabricación, para mejorar el aroma y para estabilizar la calidad de los alimentos.

El número total de enzimas de interés para este tipo de industria es básicamente limitado si se compara con los millares de enzimas que han sido estudiadas.

Las enzimas mas utilizadas son las carbohidrasas, las proteasas y las lipasas. Se emplean también unas pocas oxidorreductasas y una sola isomerasa. La mayoría de estas enzimas son de origen microbiano, y solo unas pocas proceden de animales o vegetales superiores.

1. Hidrólisis del almidón

La obtención industrial de glucosa se produce fundamentalmente mediante hidrólisis enzimática del almidón. El proceso enzimático es mas conveniente que la hidrólisis acida, ya que los rendimientos son mayores, se producen menos productos secundarios y, por tanto, el coste económico es menor. El almidón se distribuye en los vegetales como pequeños gránulos que varían de tamaño y forma según sea su origen el almidón de maíz es el mas utilizado en todo el mundo, aunque en los países se recurre a otras fuentes como el trigo, la tapioca o el arroz.

La mayoría de estos almidones están constituidos por una mezcla de amilosa y amilopectina. La amilosa es un polímero lineal de unidades de glucosa (hasta 6.000) unidas por enlances glicosidicos α-(1, 4). La amilopectina es un polímero muy ramificado con cadenas cortas de amilosa(10-60 unidades de glucosa) unidas por enlace α-(1, 6).

Aquellas enzimas capaces de hidrolizar estos enlaces α-(1, 6) han despertado gran interés por su capacidad para hidrolizar totalmente el almidón en glucosa .

La destrucción controlada de las cadenas poliméricas o hidrólisis del almidón, a través de soluciones ácidas o catalizadas por enzimas, dan lugar a la formación progresiva de moléculas de maltosa, glucosa, dextrinas y otros azúcares.

Antes del proceso propiamente dicho de hidrólisis los gránulos de almidón son sometidos a tratamientos hidro-térmicos: gelatinización y retrogradación, debido a que en su estado nativo poseen cierta resistencia a la acción química y enzimática además de ser insolubles en agua.

La gelatinización :consiste en la formación de una pasta o gel cuando la suspensión de almidón es calentada en un rango de temperatura entre 52 y 65ºC.

Durante éste proceso las moléculas de agua alrededor de los gránulos rompen los enlaces de hidrógeno en el interior del grano, liberándose las moléculas de amilosa y amilopectina, razón por la cual el tamaño del gránulo aumenta provocando un aumento en la viscosidad de la solución.

La retrogradación:es un fenómeno que puede ocurrir después de la gelatinización y que consiste en la agregación y parcial cristalización de las moléculas de almidón que regresan a la condición original de baja solubilidad en agua fría, debido a los enlaces de hidrógeno entre moléculas de almidón las cuales tienen grupos hidroxilo y sitios aceptores de hidrógeno.

Ocurre a una temperatura aproximada de 50 ºC.

Hidrólisis enzimática. El proceso de hidrólisis enzimática comprende dos etapas: licuefacción y sacarificación,

En este proceso se usan enzimas para la descomposición hidrolítica de las moléculas de almidón.

La licuefacción se realiza utilizando como catalizador la alfa-amilasa o la beta-amilasa y para la sacarificación se utiliza como catalizador la glucoamilasa, pululanasa o también se puede utilizar una mezclas de enzimas, las cuales son comercializadas por industrias NOVO Nordisk a nivel mundial.

Licuefacción. El objetivo del proceso de licuefacción es convertir los gránulos de almidón de la suspensión concentrada, a dextrinas solubles de baja viscosidad con un adecuado manejo y equipo para la fácil conversión de glucosa por la glucoamilasa.

La temperatura a la cual debe ser calentada la solución para la licuefacción depende de la fuente de la enzima. Generalmente es una temperatura superior a 94 ºC y por ser resistente al calor puede ser usada a mayores temperaturas por cortos periodos. La enzima comúnmente utilizada es la alfa-amilasa.

La alfa-amilasa es una enzima extracelular que actúa como catalizador en la hidrólisis de los enlaces α-(1,4) glucosídicos de las moléculas de amilasa y de amilopectina, dando lugar a la formación de oligosacáridos. A través de esta enzima se hidrolizan los enlaces α-(1,4) glucosídicos al azar, es decir actúa sobre cualquier punto interno de la molécula liberando dextrinas.

Las condiciones de pH y temperatura en que ésta enzima tiene su mayor actividad, así como la composición específica y el peso molecular, tienen ciertas variaciones que dependen de la fuente de donde se haya extraído dicha enzima.

La actividad y estabilidad de la alfa-amilasa se la proporciona los iones de Calcio que provienen de sales como acetato de calcio, sulfato de calcio y cloruro de calcio, siendo ésta última la más utilizada.

ALFA AMILASA.El nombre de diastasas corresponde a un sinónimo de las amilasas, aunque se usa principalmente para designar la alfa-amilasa, que se extrae de cereales.

Origen de alfa-amilasa:Fúngico (Aspergillus oryzae), bacteriano (B. stearothermophilus, B. subtilis), de cereales y del páncreas.

La enzima alfa-amilasa se encuentra en poca cantidad en el trigo y abunda más en aquel que ha sido parcialmente germinado. La beta-amilasa, por el contrario, se encuentra en gran cantidad en este cereal.

Acciones:Como es sabido, el almidón está formado por la fracción amilosa de cadena recta de moléculas de glucosa unidas por enlaces glucosídicos alfa-1,4;en tanto que la fracción amilopectina, además de la cadena recta, presenta ramificaciones con enlaces glucosídicos 1,6

La alfa-amilasa cataliza la hidrólisis de la cadena lineal (amilosa) y la ramificada (amilopectina) del almidón, rompiendo enlaces 1,4 interiores(endoamilasa) para formar una mezcla de dextrinas;

Por ello se la conoce como enzima dextrinogénica (mezcla de amilodextrina, eritrodextrina, acrodextrina y maltodextrina) con poca producción de maltosa.

Por su acción, la alfa-amilasa provee de fragmentos menores que pueden ser utilizados por la enzima beta-amilasa.

La enzima alfa-amilasa requiere de un activador como, por ej., cloruro de sodio.

Es sensible a una acidez elevada y se vuelve inactiva a pH 3,3 o a pH menor a 0°C por 15 min.

El pH óptimo de acción está dentro del rango 5-7, siendo de 6,5 para la alfa-amilasa bacteriana y pancreática.

La enzima es resistente al calor, pues a 70°C conserva un 70% de su actividad. Actúa sobre almidones crudos y gelatinizados

Sacarificación El objetivo de la sacarificación es convertir la solución licuada de la etapa anterior a D-glucosa en rendimientos tan altos como sea posible. Usando la glucoamilasa es posible una conversión prácticamente total del almidón a D-glucosa.

La cinética de la sacarificación del almidón licuado por glucoamilasa es complicada, porque en un tiempo dado en la hidrólisis una amplia serie de dextrinas lineales y ramificadas están presentes causando diversas reacciones simultáneas, cada una con una velocidad diferente. La cantidad de glucosa puede ser incrementada por tratamiento del almidón con enzimas desramificadoras tales como la isoamilasa y pululanasa que ayudan a reducir los enlaces α-(1-6) glucosídicos que impiden la rápida hidrólisis del almidón por glucoamilasa

La glucoamilasa es la enzima que actúa como catalizador en la hidrólisis de enlaces α-(1,6) glucosídicos de las cadenas poliméricas del almidón.

Esta enzima libera de forma secuencial unidades sencillas de D-glucosa. La velocidad de hidrólisis del almidón catalizada por ésta enzima se incrementa en proporción directa con el peso molecular del sustrato. Las condiciones de pH y temperatura en que ésta enzima tiene su mayor actividad, así como la composición específica y el peso molecular tienen ciertas variaciones que dependen de la fuente de donde se haya extraído la enzima.

Las fuentes más comunes para extraer ésta enzima, son de órganos animales y bacterias.

Esta enzima requiere la acción anticipada de alfa-amilasa para poder catalizar con mayor eficiencia, cuando se hidroliza el almidón con glucoamilasa como catalizador, los polímeros que contienen enlaces α-(1,4)-glucosídicos se hidrolizan más rápidamente que los polímeros que contienen enlaces α-(1,6)-glucosídicos.

http://repositorio.uis.edu.co/jspui/bitstream/123456789/6561/2/114533.pdf

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