Montaje de técnicas analíticas para medir glucosa, fructosa y ...

Informe Final de Proyecto

C N I I A A P I Q A y Q A

Mxico D.F.

2002-2004

Montaje de tcnicas

analticas para medir

glucosa, fructosa y

sacarosa

por cromatografa de

lquidos en jugos de

caa de azcar

Miriam RUBIO-HUACUZ

Marisela BERNAL-GONZLEZ

Landy Irene RAMREZ-BURGOS

Rolando Salvador GARCA-GMEZ

Carmen DURN-de-BAZA

Proyecto CNIIAA-PIQAyQA Glucosa, fructosa, sacarosa por CLAR

ii

UNAM

ISBN 978-607-7807-05-6

Facultad de Qumica / Faculty of Chemistry

Programa de Ingeniera Qumica Ambiental y de Qumica Ambiental / Program for Environmental Chemical Engineering and Chemistry

Libro electrnico coeditado con la Academia Mexicana de Ciencias, Artes, Tecnologa y Humanidades / Electronic book co-edited with the Mexican Academy of Sciences, Arts, Technology, and Humanities

Informe Final de Proyecto / Final Project Report

Responsable / Responsible Person:

Carmen DURN-DE-BAZA

Mxico D.F. Mxico Primera edicin 2004, 50 ejemplaresSegunda edicin 2011, libro electrnico


iii

NDICE

PginaRESUMEN 2

1.0 INTRODUCCIN 3

2.0 OBJETIVOS 42.1 OBJETIVO GENERAL 42.2 OBJETIVOS PARTICULARES 4

3.0 MARCO TERICO 53.1 LA INDUSTRIA AZUCARERA 53.2 PROBLEMTICA DE LA INDUSTRIA AZUCARERA POR LA

INTRODUCCIN AL MERCADO DE EDULCORANTES SUSTITUTOS

7

3.3 LA INDUSTRIA AZUCARERA EN MXICO 103.4 LA CAA DE AZCAR 103.4.1 Sistema de cultivo 113.4.2 El transporte 123.4.3 La temporada de molienda o zafra 123.5 COMPOSICIN DE LA CAA Y DEL GUARAPO 123.5.1 Su importancia para la fabricacin de azcar 123.5.2 Azcares 143.6 SACAROSA 153.6.1 Sntesis de la sacarosa 163.6.2 Reacciones de la sacarosa 173.6.2.1 Inversin 173.6.2.2 Poder inversor de los cidos 183.6.2.3 Descomposicin alcalina de las soluciones de sacarosa 183.7 GLUCOSA (DEXTROSA) 193.8 FRUCTOSA (LEVULOSA) 213.9 PROPIEDADES FSICAS Y QUMICAS DE LOS AZCARES

REDUCTORES (DEXTROSA Y LEVULOSA)21

3.10 ASPECTOS GENERALES DE LOS JARABES DE ALTO CONTENIDO EN FRUCTOSA

22

3.10.1 Jarabes de maz de alta fructosa, JMAF (HFCS) al 42% 243.10.2 Jarabes de maz de alta fructosa, JMAF (HFCS) al 55% 243.10.3 Propiedades de los jarabes de alto contenido en fructosa 263.11 MANUFATURA DE JARABES DE MAZ 263.11.1 Conversin cida 273.11.2 Conversin cido enzima 283.11.3 Conversin enzima enzima 283.11.4 Uso de la enzima glucosa isomerasa para la obtencin de

jarabes altos en fructosa29


iv

Pgina3.12 ANLISIS CROMATOGRFICO 333.12.1 Determinacin de carbohidratos por cromatografa de lquidos

de alta resolucin33

3.12.1.1 Preparacin de la muestra 343.12.2 Columnas analticas y sistemas de cromatografa de lquidos de

alta resolucin34

3.12.2.1 Columna de slice amino-ligada (silica amino bonded) 343.12.3 Detectores de ndice de refraccin 35

4.0 MATERIALES Y MTODOS 374.1 DIAGRAMA EXPERIMENTAL 374.2 OBTENCIN DE LAS MUESTRAS 374.3 CUANTIFICACIN DE SACAROSA, GLUCOSA Y FRUCTOSA POR

CROMATOGRAFA DE LQUIDOS DE ALTA RESOLUCIN (CLAR)

39

4.3.1 Calibracin del cromatgrafo de lquidos de alta resolucin 394.3.2 Reactivos y material 394.3.3 Procedimiento 394.4 CLARIFICACIN DEL JUGO DE CAA 404.4.1 Reactivos y material 404.4.2 Procedimiento 414.4.2.1 Mediciones turbidimtricas 414.4.2.2 Mediciones gravimtricas 414.5 DETERMINACIN DE pH EN MUESTRAS DE JUGO DE CAA Y

EN SOLUCIONES ESTNDAR DE SACAROSA42

4.5.1 Calibracin del equipo 424.5.2 Determinacin del pH de las muestras 434.6 ANLISIS CROMATOGRFICO DEL JUGO DE CAA

CLARIFICADO44

4.6.1 Reactivos y material 444.6.2 Procedimiento 444.7 HIDRLISIS CIDA 454.7.1 Hidrlisis cida en soluciones estndar de sacarosa 454.7.1.1 Reactivos y material 454.7.1.2 Procedimiento 454.7.1.3 Anlisis cromatogrfico de los estndares de sacarosa 464.7.1.3.1 Reactivos y material 464.7.1.3.2 Procedimiento 464.7.2 Hidrlisis cida en muestras de jugo de caa clarificado 474.7.2.1 Reactivos y material 474.7.2.2 Procedimiento 474.7.2.3 Anlisis cromatogrfico de las muestras de jugo de caa

clarificado e hidrolizado48

4.7.2.3.1 Reactivos y material 484.7.2.3.2 Procedimiento 48


v

Pgina4.8 HIDRLISIS ENZIMTICA 494.8.1 Hidrlisis enzimtica en soluciones estndar de sacarosa 494.8.1.1 Reactivos y material 494.8.1.2 Procedimiento 494.8.1.3 Anlisis cromatogrfico de los estndares de sacarosa 514.8.1.3.1 Reactivos y material 514.8.1.3.2 Procedimiento 524.8.2 Hidrlisis enzimtica en muestras de jugo de caa clarificado 524.8.2.1 Reactivos y material 524.8.2.2 Procedimiento 534.8.2.3 Anlisis cromatogrfico de las muestras de jugo de caa

clarificado e hidrolizado 54

4.8.2.3.1 Reactivos y material 544.8.2.3.2 Procedimiento 54

5.0 RESULTADOS Y DISCUSIN 555.1 CURVAS DE CALIBRACIN OBTENIDAS PARA GLUCOSA,

FRUCTOSA Y SACAROSA POR CROMATOGRAFA DE LQUIDOS DE ALTA RESOLUCIN

55

5.2 CLARIFICACIN DE JUGO DE CAA CON ETANOL 565.2.1 Mediciones turbidimtricas 565.2.2 Mediciones gravimtricas 575.3 HIDRLISIS QUMICA 595.3.1 Hidrlisis qumica en soluciones estndar de sacarosa 595.4 HIDRLISIS ENZIMTICA 665.4.1 Hidrlisis enzimtica en soluciones estndar de sacarosa 665.5 ANLISIS CROMATOGRFICO DE LAS MUESTRAS DE JUGO DE

CAA CLARIFICADO73

5.6 HIDRLISIS QUMICA EN MUESTRAS DE JUGO DE CAA CLARIFICADO

73

5.7 HIDRLISIS ENZIMTICA EN MUESTRAS DE JUGO DE CAA CLARIFICADO

74

5.8 EVAPORACIN 74

6.0 CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS 766.1 CONCLUSIONES 766.2 PERSPECTIVAS 77

7.0 BIBLIOGRAFA 78


vi

Pgina8.0 ANEXOS 80ANEXO 1 CURVAS DE CALIBRACIN OBTENIDAS PARA GLUCOSA,

FRUCTOSA Y SACAROSA POR CROMATOGRAFA DE LQUIDOS DE ALTA RESOLUCIN

80

ANEXO 2 DATOS EXPERIMENTALES OBTENIDOS 818.2.1 Datos de curvas de calibracin 818.2.2 Clarificacin de jugo de caa con etanol 828.2.3 Hidrlisis qumica 828.2.3.1 Hidrlisis qumica en soluciones estndar de sacarosa 828.2.4 Hidrlisis enzimtica 858.2.4.1 Hidrlisis enzimtica en soluciones estndar de sacarosa 85

ANEXO 3 ANLISIS ESTADSTICOS [Utilizando el programa Statistic Program Social Science (SPSS)]

89

8.3.1 Anlisis estadstico de la clarificacin de jugo de caa con etanol (mediciones turbidimtricas)

89

8.3.2 Anlisis estadstico de la clarificacin de jugo de caa con etanol (mediciones gravimtricas)

91

8.3.3 Ejemplo del anlisis estadstico aplicado para determinar si hay o no diferencia significativa en el uso de cido sulfrico al 90% y 98% para la hidrlisis qumica del estndar de sacarosa

94

8.3.4 Anlisis estadstico de la hidrlisis qumica en soluciones estndar de sacarosa con cido sulfrico con 90% de pureza para la determinacin del tiempo ptimo de hidrlisis

96

8.3.5 Ejemplo del anlisis estadstico aplicado para determinar si hay o no diferencia significativa en el uso de la relacin E/S = 1.68% y 3.36% para la hidrlisis enzimtica de sacarosa con invertasa

98

8.3.6 Anlisis estadstico de la hidrlisis enzimtica en estndares de sacarosa a una relacin E/S de 3.36% para la determinacin del tiempo ptimo de hidrlisis

101

ANEXO 4 EJEMPLOS REPRESENTATIVOS DE LOS CROMATOGRAMAS OBTENIDOS EN EL SEGUIMIENTO DE LAS REACCIONES DE HIDRLISIS

104

ANEXO 5 TABLAS DE DATOS ADICIONALES 105

NDICE DE TABLAS Y FIGURAS

vii

LISTADO DE TABLAS Y FIGURAS

FIGURAS PginaFIGURA 3.1 PARTICIPACIN DEL AZCAR/HFCS (HIGH FRUCTOSE CORN

SYRUP), MIELES DE ALTA CONCENTRACIN DE FRUCTOSA, EN LA INDUSTRIA DE LAS BEBIDAS CARBONATADAS EN EEUUA

8

FIGURA 3.2 FRMULA ESTRUCTURAL DE LA SACAROSA 16FIGURA 3.3 ESTRUCTURA QUMICA LINEAL DE LA GLUCOSA 23FIGURA 3.4 PROCESO DE LA PRODUCCIN DE JARABES CON ALTO

CONTENIDO DE FRUCTOSA36

FIGURA 4.1 DIAGRAMA GENERAL 42FIGURA 5.1 CURVA DE CALIBRACIN DE GLUCOSA OBTENIDA POR

CROMATOGRAFA DE LQUIDOS DE ALTA RESOLUCIN59

FIGURA 5.2 CURVA DE CALIBRACIN DE FRUCTOSA OBTENIDA POR CROMATOGRAFA DE LQUIDOS DE ALTA RESOLUCIN

59

FIGURA 5.3 CURVA DE CALIBRACIN DE SACAROSA OBTENIDA POR CROMATOGRAFA DE LQUIDOS DE ALTA RESOLUCIN

60

FIGURA 5.4 CURVA DE CLARIFICACIN DE JUGO DE CAA CON ETANOL A DIFERENTES CONCENTRACIONES (mediciones turbidimtricas)

60

FIGURA 5.5 CURVA DE CLARIFICACIN DE JUGO DE CAA CON ETANOL (material precipitado de PM mayor a 10 kD)

61

FIGURA 5.6 HIDRLISIS QUMICA EN SOLUCIONES ESTNDAR DE SACAROSA CON CIDO SULFRICO [49%]

63


64


64

FIGURA 5.9 HIDRLISIS ENZIMTICA DEL ESTNDAR DE SACAROSA (REL. E/S = 0.84%)

70


71


71

FIGURA A.1 CROMATOGRAMA OBTENIDO DEL ANLISIS DE UN ESTNDAR DE SACAROSA ANTES DE REALIZAR LA REACCIN DE HIDRLISIS.

108

FIGURA A.2 CROMATOGRAMA OBTENIDO DEL ANLISIS DE UN ESTNDAR DE SACAROSA AL REALIZAR LA REACCIN DE HIDRLISIS.

108

FIGURA A.3 CROMATOGRAMA OBTENIDO DEL ANLISIS DE UNA MUESTRA DE JUGO DE CAA CLARIFICADO AL REALIZAR LA REACCIN DE HIDRLISIS

109


viii

TABLASTABLA 3.1 PODER EDULCORANTE DE DIFERENTES COMPUESTOS

(SACAROSA = 1)6

TABLA 3.2 PRODUCCIN MUNDIAL DE JARABES DE MAZ DE ALTA FRUCTOSA (HFCS)

9

TABLA 3.3 COMPOSICIN DE LA CAA DE AZCAR Y DE LOS SLIDOS DEL GUARAPO

14

TABLA 3.4 PODER INVERSOR DE LOS CIDOS 19TABLA 3.5 COMPOSICIN TPICA DE LOS JARABES DE MAZ DE ALTA

FRUCTOSA28

TABLA 3.6 DULZURA RELATIVA DE EDULCORANTES NUTRITIVOS 29TABLA 3.7 CARACTERSTICAS DE SISTEMAS DE ANLISIS DE

CARBOHIDRATOS POR CROMATOGRAFA DE LQUIDOS DE ALTA RESOLUCIN

40

TABLA 5.1 ANLISIS ESTADSTICO PARA LA CLARIFICACIN DE JUGO DE CAA CON ETANOL A DIFERENTES CONCENTRACIONES (MEDICIONES TURBIDIMTRICAS)

61

TABLA 5.2 ANLISIS ESTADSTICO PARA LA CLARIFICACIN DE JUGO DE CAA CON ETANOL A DIFERENTES CONCENTRACIONES (MEDICIONES GRAVIMTRICAS)

62

TABLA 5.3 ANLISIS ESTADSTICO PARA LA HIDRLISIS QUMICA DEL ESTNDAR DE SACAROSA CON CIDO SULFRICO A LAS CONCENTRACIONES DE 90 Y 98%

65


66


67

TABLA 5.6 ANLISIS ESTADSTICO PARA LA HIDRLISIS QUMICA (CON CIDO SULFRICO AL 90%) EN ESTNDARES DE SACAROSA PARA LA DETERMINACIN DEL TIEMPO PTIMO DE HIDRLISIS

69

TABLA 5.7 DETERMINACIN DE LA ACTIVIDAD ENZIMTICA DE LA ENZIMA INVERTASA SOBRE ESTNDARES DE SACAROSA

70

TABLA 5.8 ANLISIS ESTADSTICO PARA LA HIDRLISIS ENZIMTICA EN ESTNDARES DE SACAROSA CON INVERTASA EN EL USO DE LA RELACIN E/S DE 0.84% Y 1.68%

72

TABLA 5.9 ANLISIS ESTADSTICO PARA LA HIDRLISIS ENZIMTICA EN ESTNDARES DE SACAROSA CON INVERTASA EN EL USODE LA RELACIN E/S DE 0.84% Y 3.36%

73

TABLA 5.10 ANLISIS ESTADSTICO PARA LA HIDRLISIS ENZIMTICA EN ESTNDARES DE SACAROSA CON INVERTASA EN EL USO DE LA RELACIN E/S DE 1.68% Y 3.36%

73

TABLA 5.11 ANLISIS ESTADSTICO PARA LA HIDRLISIS ENZIMTICA EN ESTNDARES DE SACAROSA A UNA RELACIN E/S DE

73


ix

3.36% PARA LA DETERMINACIN DEL TIEMPO PTIMO DE HIDRLISIS

TABLA 5.12 CONCENTRACIONES DE FRUCTOSA, GLUCOSA Y SACAROSA OBTENIDAS POR CLAR (HPLC) PARA LAS MUESTRAS DE JUGO CLARIFICADO

73

TABLA 5.13 ANLISIS CROMATOGRFICO DE LAS MUESTRAS DE JUGO DE CAA CLARIFICADO E HIDROLIZADO CON CIDO SULFRICO

73

TABLA 5.14 ANLISIS CROMATOGRFICO DE LAS MUESTRAS DE JUGO DE CAA CLARIFICADO E HIDROLIZADO ENZIMTICAMENTE (RELACIN E/S = 3.36)

74

TABLA 5.15 RESULTADOS DE LA CANTIDAD DE FRUCTOSA OBTENIDA EN LA MEZCLA DE REACCIN DESPUS DE EVAPORAR

75

TABLA A.1 CURVA DE CALIBRACIN DE GLUCOSA 106TABLA A.2 CURVA DE CALIBRACIN DE FRUCTOSA 106TABLA A.3 CURVA DE CALIBRACIN DE SACAROSA 106TABLA A.4 DATOS OBTENIDOS PARA MEDICIONES TURBIDIMTRICAS 107TABLA A.5 DATOS OBTENIDOS PARA MEDICIONES GRAVIMTRICAS 107TABLA A.6 HIDRLISIS ENZIMTICA DEL ESTNDAR DE SACAROSA

(Relacin E/S = 0.84%)108

TABLA A.7 HIDRLISIS ENZIMTICA DEL ESTNDAR DE SACAROSA (Relacin E/S = 1.68%)

108

TABLA A.8 HIDRLISIS ENZIMTICA DEL ESTNDAR DE SACAROSA (Relacin E/S = 3.36%)

109

Glosario

x

GLOSARIO DE TRMINOS

Andeva Anlisis de varianza

DAP Detector amperomtrico pulsado (PAD, pulsed amperometric

detection)

DE Dextrosa equivalente

DEAE Cloruro de dietilaminoetilo

DO Densidad ptica

G.L. Grados Gay Lussac (Por ciento en volumen)

GP Grado de polimerizacin (DP, Degree of Polymerization)

IR ndice de refraccin

Rango Intervalo (barbarismo muy empleado por range, intervalo,

equivocadamente traducido como rango que, en ingls es

rank)

Rotavapor Evaporador rotatorio al vaco para laboratorio


1

Se agradece al Ing. Manuel Enrquez Poy del Ingenio Central Motzorongo, la disponibilidad del uso de su mquina a escala prototipo de prensado de caa para la obtencin de jugo (guarapo)


2

RESUMEN

En esta investigacin se realiz la clarificacin del jugo de caa as como su hidrlisis qumica y

enzimtica para la obtencin de un jarabe fructosado con un 42% (p/v). Los componentes de

inters en este estudio son sacarosa, fructosa y glucosa, los cuales se evaluaron en cada una de las

etapas de los procesos aplicados con ayuda de un cromatgrafo de lquidos de alta resolucin

(CLAR). Los resultados obtenidos indican que el uso de etanol como agente clarificante elimina en

gran proporcin las dextranas y material de masa molecular mayor a 10 kD cuando ste se emplea

en concentraciones desde 70%, concentracin a la cual se observ una disminucin notoria de la

coloracin inicial del jugo y no se presenta una prdida significativa de sacarosa, glucosa y fructosa.

Con la hidrlisis qumica realizada al jugo de caa clarificado, se lleg a la obtencin de una

concentracin de un jarabe de hasta un 12% de fructosa (p/v) con lo cual fue necesario realizar

una evaporacin con ayuda de un rotavapor para lograr la obtencin de un jarabe con 42% de

fructosa (p/v). Los cambios presentados en el jugo de caa clarificado e hidrolizado qumicamente

con cido sulfrico, fue la adquisicin de una tonalidad amarilla (se present nicamente al emplear

concentraciones del 98% de pureza del cido) la cual se elimina fcilmente si se mantiene un pH

neutro o ligeramente cido, as como la formacin de la sal correspondiente a la neutralizacin para

detener la reaccin (sulfato de sodio), lo cual afecta el sabor del jarabe obtenido. La hidrlisis

enzimtica se llev a cabo, en primer lugar, determinando la actividad de la enzima invertasa

(Sigma-Aldrich) sobre una solucin estndar de sacarosa al 22%. Una vez obtenida la relacin

enzima sustrato (E/S) ptima se procedi a emplear el jugo de caa clarificado como sustrato. Las

condiciones con las cuales se obtuvieron los mejores parmetros de hidrlisis (en muestras

estndar de sacarosa) fueron: uso de la relacin E/S = 3.36% durante 3 minutos de reaccin a

55C y a un pH de 4.5, bajo estas condiciones aplicadas al jugo de caa clarificado, fue posible la

obtencin de hasta 13.45% de fructosa (p/v) con lo cual fue necesario realizar una evaporacin con

ayuda de un rotavapor para lograr la obtencin de un jarabe con 42% de fructosa (p/v). En la

hidrlisis enzimtica no se observaron cambios de coloracin como los que se presentaron en la

hidrlisis qumica. Para la obtencin de jarabes fructosados de 55 y hasta 90% (p/p) deben

realizarse mtodos de separacin los cuales permitan alcanzar esas concentraciones de fructosa.

Esto, a su vez, permite emplear la glucosa para seguir obteniendo fructosa por isomerizacin o bien

adquirir subproductos elaborados a partir de glucosa.


3

1.0 INTRODUCCIN

En los ltimos aos, los nuevos edulcorantes aparecidos en el mercado internacional han

propiciado un desplazamiento progresivo de la sacarosa como ingrediente en la fabricacin

de diversos alimentos procesados. En particular, se encuentran los jarabes de maz de alta

fructosa (JMAF), que son productos elaborados con base en la hidrlisis del almidn de

maz con la posterior isomerizacin de la glucosa en fructosa conteniendo as como

mnimo un 42% de fructosa y no ms de un 8% de otros sacridos, los cuales han

competido exitosamente en diversas aplicaciones, especialmente en la elaboracin de

refrescos y bebidas no alcohlicas y en otros productos que requieren un edulcorante en

fase lquida o fluida tales como productos lcteos, confitera, panificacin, etc. La

competencia de los jarabes de maz de alta fructosa con la sacarosa ha ocasionado

grandes dificultades a la industria azucarera mexicana ya que es una competencia real

para el azcar que se consume en Mxico, pues su precio es mayor que el de dichos

jarabes, lo cual se debe a que los costos de produccin de los jarabes de maz de alta

fructosa son relativamente bajos, debido a que la materia prima (el maz) es un producto

subsidiado en los pases productores, propiciando as que las cotizaciones de los jarabes

sean hasta un 20% inferiores comparados con los precios del azcar de caa.

La realizacin de este proyecto est basada en una serie de investigaciones previas, que

han demostrado que la elaboracin de jarabes de alta fructosa a partir de jugo de caa

puede ser una buena opcin dada la creciente demanda de estos edulcorantes en nuestro

pas, siempre y cuando se planteen las metodologas adecuadas del proceso que permita

llegar a la obtencin de dichos jarabes, los cuales deben de contar con ciertas

caractersticas fisicoqumicas para que sean capaces de competir con un jarabe comercial

de maz de alta fructosa.

En el presente trabajo se plantea la posibilidad de instaurar una va alterna para la

obtencin de jarabes de alta fructosa a partir de jugo de caa, por lo cual se retomara

parte del proceso para la obtencin de azcar enfocndolo as posteriormente a la

obtencin de jarabe de alta fructosa.


4

2.0 OBJETIVOS

2.1 Objetivo general

Estudiar los procesos de hidrlisis qumica y enzimtica de la sacarosa contenida en

el jugo de caa previamente clarificado para la obtencin de jarabes fructosados

(42% en masa de fructosa).

2.2 Objetivos particulares

Probar diferentes concentraciones de etanol en la clarificacin de jugo de caa

para determinar la concentracin ptima en la cual se obtenga la mxima

eliminacin de la coloracin inicial del jugo, sin que exista prdida de sacarosa,

glucosa y fructosa presentes en el jugo.

Determinar la concentracin de glucosa, fructosa y sacarosa en las reacciones de

hidrlisis qumica y enzimtica a diferentes tiempos en el jugo de caa y en los

estndar de sacarosa por cromatografa de lquidos de alta resolucin (CLAR).

Determinar las mejores condiciones en las que deben realizarse las hidrlisis

qumica y enzimtica para la obtencin de un jarabe fructosado (42% en masa de

fructosa).


5

3.0 MARCO TERICO

3.1 LA INDUSTRIA AZUCARERA

Actualmente en el mercado se pueden encontrar una serie de edulcorantes naturales y

sintticos que se distinguen entre s principalmente por dos factores: su potencia

endulzante y los costos que implican su produccin. De estos edulcorantes, el ms

importante a nivel mundial es el azcar, el cual se produce principalmente a partir de la

caa (especie Saccharum officinarum) pero, adems, tambin puede obtenerse a partir de

la remolacha azucarera.

El azcar se consume en todo el mundo, puesto que es una de las principales fuentes de

caloras en las dietas de todos los pases. Se obtiene a travs de un largo proceso, el cual

incluye desde que la semilla de caa germina hasta que el azcar se comercializa como

producto terminado.

La produccin de azcar en el mundo es de poco ms de 100 millones de toneladas

anuales. De este volumen total, el 60% aproximadamente se obtiene de la caa de azcar

en 110 pases de todos los pases, situados en las zonas tropicales. El azcar se ha

caracterizado en el mercado internacional por una alta inestabilidad en sus precios. Los

costos de produccin, para casi todos los productores, ya sean de caa o de remolacha, se

mantienen generalmente por encima del precio, lo que implica que tienen prdidas y

deben o ser subsidiados o declararse en quiebra. [Annimo, 1988]

Debido a la ampliacin de investigaciones y desarrollos en la ciencia, se han llegado a

obtener nuevos productos edulcorantes que estn ganando terreno en el mercado del

azcar de manera considerable. Los sustitutos del azcar se pueden dividir en

edulcorantes naturales calricos (como el jarabe de maz de alta fructosa, que es el

principal sustituto del azcar), y los sintticos no calricos y de gran intensidad que tienen


6

un menor uso (tales como el aspartame, la sucralasa, alitame y taumatn)

[Hernndez, 2001, redes internacionales] (Tabla 3.1). En varios pases, sobre todo en los

desarrollados, la presencia de edulcorantes como jarabes fructosados y sustitutos no

calricos hace que el mercado azucarero internacional sea ms estable y que los precios

del azcar disminuyan, pues los costos de produccin de dichos jarabes son inferiores a

los de la produccin de azcar.

TABLA 3.1

PODER EDULCORANTE DE DIFERENTES COMPUESTOS (SACAROSA = 1)

COMPUESTO PODER EDULCORANTE RELATIVO

Dulcitol 0.4

Fructosa 0.8 1.7

Galactosa 0.3 0.6

Glucosa 0.7

Jarabe de azcar invertido 1.0 1.6

Jarabe de maz de alta fructosa (42%) 0.9

Jarabe de maz de alta fructosa (55%) 0.99

Lactosa 0.4

Maltosa 0.3 0.6

Manitol 0.4 0.7

Sorbitol 0.5

Xilitol 1.0

Sacarina sdica* 300

Ciclamatos* 30 - 80

Aspartame* 150 - 200

Acesulfame K* 150

Taomatina* 1600 3000

Monelin* 2,360

* Edulcorantes de alta intensidad[FUENTES: Hernndez, 2001, redes internacionales; Hui, Y. H.,1991]


7

Los Estados Unidos es un pas que ha logrado un gran avance en la obtencin de

edulcorantes a partir del almidn del maz, lo mismo sucede con pases como Canad y

Argentina, ya que estos tres pases son productores netos de maz, y an pases como

Taiwn y Japn, que no poseen cultivos de productos agrcolas en cantidades suficientes

han logrado ocupar un lugar importante en la produccin mundial de sustitutos del azcar.

En los Estados Unidos de Amrica, el desarrollo de la industria de los edulcorantes a partir

de maz ha obedecido, en lo fundamental, al hecho, de que los agricultores estn

subsidiados por el gobierno federal, lo que ocasiona que los precios del jarabe sean muy

bajos y que los productos provenientes de cultivos no subsidiados no puedan competir los

bajos costos y la abundancia de la produccin del grano.

3.2 PROBLEMTICA DE LA INDUSTRIA AZUCARERA POR LA INTRODUCCIN AL

MERCADO DE EDULCORANTES SUSTITUTOS

Actualmente la industria azucarera est en riesgo de perder su capacidad de crecimiento y

de permanencia causados por el ingreso masivo de jarabes de maz de alta fructosa, los

cuales son un producto que presenta diversas ventajas sobre el azcar, entre las que se

pueden mencionar, adems de los costos en el mercado, facilidad en su manejo para la

elaboracin de productos tales como chocolates, productos lcteos, as como en confitera

y panificacin, pero su principal uso se encuentra en la elaboracin de bebidas gaseosas,

conocidas en Mxico como refrescos y en bebidas no alcohlicas.

Debido a las ventajas que representa el uso de jarabes de maz de alta fructosa sobre el

azcar, el consumo de los primeros ha ido en aumento, lo que ha provocado un

desplazamiento paulatino en el consumo del azcar. Por ejemplo, en los Estados Unidos

de Amrica, la participacin del azcar en la industria de bebidas carbonatadas ha

disminuido (Figura 3.1). Esto obedeci, en principio, a motivos polticos, ya que el

suministro de azcar (de caa) provena de Cuba, en aqul entonces el pas que ocupaba

el primer lugar en la produccin de azcar con casi 10 millones de toneladas anuales. Al


8

romperse las relaciones diplomticas y establecer los EEUUA un bloqueo econmico contra

Cuba, trataron de cultivar caa de azcar en las islas Hawaii, pas que invadieron tambin

en 1898, como lo hicieron con Cuba las Filipinas, pero el rendimiento agronmico nunca

pudo alcanzar los niveles de Cuba.

99

1

81

19

71

29

8

92

5

95

1

99

0

10

20

30

40

50

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70

80

90

100

% d

e p

arti

cip

aci

n

1970 1976 1980 1986 1990 1996Ao

Azcar HFCS

FIGURA 3.1

PARTICIPACIN DEL AZCAR/HFCS (HIGH FRUCTOSE CORN SYRUP), JARABES DE MAZ

DE ALTA CONCENTRACIN DE FRUCTOSA, EN LA INDUSTRIA DE LAS BEBIDAS

CARBONATADAS EN EEUUA

[Fuente: Snchez-de-Cima, 1997]

Debido a la alta demanda que ha tenido el uso de los jarabes de maz de alta fructosa, la

produccin de estos a nivel mundial ha ido en aumento tal como lo muestra la Tabla 3.2.

Como ya se ha mencionado, uno de los principales factores que ha propiciado el

desplazamiento del azcar por los JMAF es el bajo costo que presentan estos ltimos. En


9

nuestro pas por varios aos los precios del azcar se mantuvieron artificialmente bajos,

mediante subsidios pero, al liberarse estos sin que en los pases productores de los JMAF

se eliminen los subsidios correspondientes a sus materias primas, ha causado que los

edulcorantes sustitutos se estn tornando competitivos (con una poltica denominada a

nivel mundial dumping).

TABLA 3.2

PRODUCCIN MUNDIAL DE JARABES DE MAZ DE ALTA FRUCTOSA (HFCS)

(Millones de toneladas mtricas en base seca)

Ao Estados Unidos de Amrica

Canad Argentina Japn Mundial

1980 1,978 42 6 353 2,6391985 4,782 210 156 680 6,4171990 5,670 240 157 764 7,6571991 5,842 250 154 778 7,8741992 6,036 250 150 761 8,0671993 6,453 255 153 760 8,5491994 6,814 260 158 760 8,9351995 7,153 260 160 760 9,295

[Fuente: Snchez-de-Cima, 1997]

Las posibilidades de que aumente la participacin de los jarabes de maz de alta fructosa

en el mercado de edulcorantes mexicano dependen de diversos factores como:

1) El desarrollo de la industria de los edulcorantes se relaciona con una oferta suficiente

de almidn, cuya fuente ms importante es el maz que, en Mxico, se destina

fundamentalmente a la alimentacin humana; sin embargo, ya se importan granos

para satisfacer la demanda de las industrias productoras de jarabes fructosados lo cual

plantea competencia desleal por la poltica dumping, y

2) Para usar los jarabes fructosados se requiere de infraestructura en la industria de

alimentos, capital para invertir en investigaciones y polticas pblicas que atraigan las

inversiones que ese sector necesita [Garca-Chvez, 1997].


10

3.3 LA INDUSTRIA AZUCARERA EN MXICO

La agroindustria azucarera se desarrolla en quince estados de la Repblica, donde se

ubican los 61 ingenios azucareros que la conforman, los cuales producen ms de 4.7

millones de toneladas mtricas de azcar. Segn datos proporcionados por la Cmara de

las Industrias Azucarera y Alcoholera (CNIIAA) esta industria genera empleos para

133,000 productores, 80,000 cortadores de caa, 20,000 jornaleros, 20,000 transportistas,

40,000 obreros de planta, 5,000 trabajadores eventuales y 8,000 empleados

administrativos [Hernndez, 2001, redes internacionales].

En los ltimos 13 aos se ha observado un incremento en la superficie cosechada de caa.

En 1985, sta fue de 579,894 hectreas, mientras que para la zafra 97/98, sta se

increment en 11.2%, es decir, el campo caero se extendi en 653,155 hectreas. Y

para la zafra 98/99 se cosecharon 635,593 hectreas [Hernndez, 2001, redes

internacionales].

A partir de 1988, la industria azucarera atraviesa por un proceso de modernizacin

caracterizado por la reprivatizacin de los ingenios azucareros, aunque en los ltimos

meses varios de ellos han sido expropiados.

3.4 LA CAA DE AZCAR

La caa de azcar es una hierba gigante que pertenece al gnero Saccharum officinarum.

Las amplias variaciones en el tamao, el color y el aspecto son resultado de las diversas

condiciones de terreno, del clima, de los mtodos del cultivo y de la seleccin local (S.

barberi, S. sinense, S. spontaneum y S. robustum).

La caa de azcar es considerada la planta que ms perfeccionados tiene los mecanismos

fisiolgicos para la produccin de sacarosa, pues sus vas fotosintticas para producirla a

partir de los azcares simples, son mecanismos altamente eficientes, que el hombre a

travs de un proceso largo y continuado de mejoramiento ha mejorado y perfeccionado


11

hasta alcanzar variedades comerciales con alto contenido de sacarosa y resistentes a

enfermedades.

El fruto agrcola de la caa de azcar es el tallo, en el que se acumula sacarosa en el

periodo de maduracin.

Durante la temporada del ao en que prevalecen temperaturas altas y es mxima la

actividad pluvial, la caa alcanza un gran crecimiento vegetativo. Al recesar las lluvias y

disminuir la temperatura, adquiere niveles mximos la sntesis de sacarosa que se

almacena en el tallo. [Spencer M., 1967]

3.4.1 Sistema de cultivo

La caa de azcar comercial se propaga por medio de estacas o de tallos enteros de

semillero que se plantan en surcos y despus se cubren con una ligera capa de tierra.

Cada yema es capaz de producir una planta, y de cada una de estas plantas nacen varios

tallos o renuevos que forman una cepa de caa. En los trpicos se plantan trozos de tallos

que contienen dos o tres yemas cada uno, pero en los lugares subtropicales, se plantan

caas enteras, de dos en dos y traslapadas, ya que slo el 25% aproximadamente de las

yemas producen vstago despus de yacer en la tierra todo el invierno; as se utiliza unas

cuatro veces ms cantidad de caa (de 4,48 a 6,72 toneladas por hectreas) que en los

pases tropicales. La maduracin de la caa se controla mediante la regulacin de la

cantidad de agua de regado. En sitios donde no hay regado, la planta madura a medida

que se aproxima la poca seca o fra, y los rendimientos ms elevados de azcar se

encuentran en pases donde se da una larga temporada de sequa. A medida que la planta

se aproxima a la madurez, aumenta el contenido de sacarosa de los tallos y distribuye el

de azcares reductores. Es frecuente que se evale el grado de madurez por la sacarosa o

los azcares reductores que contienen las caas en el campo. Plantas nuevas llamadas

retoos nacen de la cepa despus que la caa se corta, produciendo as una segunda

cosecha, que a su vez puede producir una tercera y una cuarta y as sucesivamente. En la


12

mayor parte de las zonas caeras se tiende actualmente hacia un ciclo ms restringido de

cosechas. [Spencer M., 1967]

3.4.2 El transporte

El mtodo que se utiliza para transportar la caa a la fbrica depende de las condiciones

locales. El transporte motorizado se est utilizando cada vez ms en la mayor parte de las

reas caeras. Las vagonetas de caa y los tractores que estn equipados de llantas de

goma muy grandes permiten el acceso a los campos en tiempo lluvioso, poseen una

capacidad mayor y son ms rpidos que el mtodo antiguo de traccin animal. El acarreo

directo de campo a fbrica en vehculos a motor implica menos manejo. [Spencer M.,

1967]

3.4.3 La temporada de molienda o zafra

La fabricacin del azcar crudo coincide, por necesidad, con la temporada durante la cual

se cosecha la caa, ya que sta no resiste ser almacenada durante un perodo de ms de

dos das. [Spencer M., 1967]

3.5 COMPOSICIN DE LA CAA Y DEL GUARAPO

3.5.1 Su importancia para la fabricacin de azcar

El conocimiento de la composicin del jugo y la comprensin de sus propiedades qumicas

y de las reacciones de sus componentes son esenciales para el control y mejoramiento

efectivo de los procesos de extraccin y refinacin del azcar de caa. La composicin

total de la caa es de menos importancia que la composicin del jugo que se extrae

durante la molienda, ya que este jugo o guarapo constituye la verdadera materia prima

para producir azcar en la fbrica. Es necesario reconocer la composicin del guarapo,

tanto respecto a sus constituyentes minerales como a sus constituyentes orgnicos; ello es

cierto an en guarapos procedentes de una sola localidad. Las diferencias de clima, en los


13

terrenos y de otros factores ambientales, hacen que exista una variacin ms amplia de

los porcentajes de constituyentes individuales presentes en guarapos de caas

procedentes de diferentes zonas de produccin; sin embargo, estas variaciones son ms

bien cuantitativas y todos los jugos contienen aproximadamente los mismos

constituyentes, pero en proporciones variables. En la Tabla 3.3 se indican los lmites

dentro de los cuales varan los porcentajes de las principales clases de sustancias, y

tambin los de constituyentes individuales que se pueden encontrar en guarapos de

diferentes cualidades, extrados de caas comerciales.

TABLA 3.3

COMPOSICIN DE LA CAA DE AZCAR Y DE LOS SLIDOS DEL GUARAPO

(Intervalos aproximados de concentracin de los principales componentes en los slidos

extrados del guarapo)

COMPONENTES PORCENTAJEAGUA 73 76SLIDOS 24 27

FIBRA (SECA) 11 16SLIDOS SOLUBLES 10 16

Componentes del guarapo Porcentaje de slidos solubles

AZCARES 75 - 92SACAROSA 78 88GLUCOSA 2 4FRUCTOSA 2 4

SALES 3.0 7.5DE CIDOS ORGNICOS 1.5 4.5DE CIDOS INORGNICOS 1.0 3.0

CIDOS ORGNICOS LIBRES 0.5 2.5CIDOS CARBOXLICOS 0.1 0.5AMINOCIDOS 0.5 2.0

OTROS NO AZCARES ORGNICOSPROTENAS 0.5 0.6ALMIDN 0.001 0.050GOMAS 0.30 0.60CERA, GRASAS FOSFTIDOS 0.05 0.15NO AZUCARES NO IDENTIFICADOS

3.0 5.0

[Fuente: Spencer M., 1967]


14

3.5.2 Azcares

El valor comercial de la caa de azcar deriva de la preponderancia de la sacarosa como

constituyente del jugo de la planta madura. Los otros azcares importantes que se

encuentran presentes en concentraciones sustanciales son la glucosa y la fructosa. Los

azcares estn clasificados qumicamente como carbohidratos, grupo numeroso y

ampliamente diseminado de sustancias naturales que se caracterizan por ser compuestos

de carbono combinado con oxigeno e hidrgeno en las proporciones que se requieren para

formar agua. No son hidratos en el sentido estricto de este trmino; estructuralmente, son

compuestos de cadenas de carbono, ms frecuentemente de 5 a 6 tomos de longitud; o

productos inferiores de condensacin de tales compuestos. Hay grupos de hidrxilos

fijados a todos los carbonos, menos uno que lleva un oxgeno, ya en forma de aldehdo

(aldosas) o en forma de cetona (cetosa).

Los monosacridos son los ms simples de estos compuestos y comprenden sustancias

tales como las pentosas y las hexosas, formadas por cadenas de 5 y 6 carbonos,

respectivamente. Las triosas (tres carbonos) las tetrosas (cuatro carbonos), y las heptosas

(siete carbonos) se encuentran en la naturaleza con mucha menos frecuencia. La

condensacin de dos de estos compuestos simples origina los disacridos y la de tres

monosacridos forma trisacridos. Los productos de ms de tres monosacridos no

poseen las propiedades que se consideran ms caractersticas de los azcares. Los que se

forman con una cantidad relativamente pequea de unidades simples de azcares, en

nmero superior a tres, se llaman oligosacridos, mientras que los carbohidratos muy

polimerizados tales como el almidn y la celulosa se llaman polisacridos. Las

configuraciones de los grupos hidrxilo y los tomos en los azcares, son las que

determinan la propiedad de los azcares de ocasionar la rotacin del plano de la luz

polarizada; en esta propiedad se han bastado los mtodos ms ampliamente empleados

para la determinacin de la presencia de azcares en los jugos y los productos de la

fabricacin de azcar.


15

3.6 SACAROSA

La sacarosa es un disacrido producido por la condensacin de glucosa y fructosa y tiene

la frmula emprica C12H22O11 (masa molecular 342.30 g/mol). Se ha determinado que su

estructura y configuracin estereoqumica (cuya representacin espacial puede verse en la

Figura 3.2) son las de -D-glucopironasil--D-fructofuronasido.

FIGURA 3.2

FRMULA ESTRUCTURAL DE LA SACAROSA

Los componentes monosacridos se condensan en grupos glicosdicos. Estos dos grupos

que en los monosacridos libres muestran un equilibrio de configuracin y , se fijan en

la molcula de sacarosa en una configuracin del componente de fructosa. Mientras que

el componente de glucosa est ligado en su forma piranosdica normal, los componentes

de fructosa muestran en la molcula de sacarosa una forma anormal furanosdica que no

se observa en la fructosa libre. Los cristales tienen una densidad de 1.5879 g/mL a 15C y

muestran actividad ptica a lo largo de dos de sus tres ejes. La sacarosa pura funde a

188C. En solucin, este azcar es dextrgiro, con una rotacin especfica de

[]20D+66.53 a una concentracin de 26 gramos por 100 mL de agua. Esta propiedad es

de gran importancia, por constituir la base de los mtodos polarimtricos de anlisis.

La sacarosa es muy soluble en agua, como lo son casi todos los azcares; una solucin

saturada a 20C contiene el 67.09% en masa. No reduce los iones de cobre o de otros


16

metales en soluciones alcalinas tales como la de Fehling, ya que ni el grupo reductor de

aldosa ni el de cetosa est libre en la molcula del disacrido. [Spencer-Meade, 1967]

3.6.1 Sntesis de la sacarosa

En las plantas, los carbohidratos (azcares, almidn, celulosa) se forman por un proceso

fotosinttico de asimilacin:

6 CO2 + 6H2O + 675 kcal C6 H12O6 + 6O2 (3-1)

Este proceso se cataliza con la clorofila. El bixido de carbono tomado del aire es

equivalente al oxgeno dado al aire. La energa necesaria, por molcula de oxgeno

formado, corresponde por lo menos a tres cuartos de la luz anaranjada absorbida por la

clorofila.

La sacarosa es, con mucho, el ms extendido y frecuentemente el ms abundante de los

azcares presentes en la savia de las plantas. En la savia de la caa de azcar (Saccharum

officinarum, S. spontaneum, S. sinense, etc.) se encuentra ms de 17% de sacarosa, lo

mismo que en la savia de remolacha (Beta vulgaris). En otras diversas plantas se

encuentran pequeas concentraciones de sacarosa.

La sntesis qumica de los monosacridos D-glucosa y D-fructosa, es posible, por ejemplo

por medio de la polimerizacin de los aldehdos u oxiquetonas o por oxidacin de los

polialcoholes. Por el contrario la condensacin de la glucosa y la fructosa para formar un

disacrido slo tiene xito por medios bioqumicos: una mezcla de D-fructosa y Cori

ster (por ejemplo -D-glucopiranosa-1-fosfato preparada a partir del glicgeno o del

almidn, fosfatos inorgnicos y fosforilasas del msculo, levadura o de plantas superiores)

se convierte en sacarosa por un extracto de fosforilasa libre de invertasa preparada a

partir del bacilo Pseudomonas saccharophilia.


17

3.6.2 Reacciones de la sacarosa

3.6.2.1 Inversin

La sacarosa se hidroliza con facilidad en soluciones cidas a velocidades que aumentan

notablemente segn el aumento de la temperatura y la disminucin del pH, con liberacin

de los monosacridos constituyentes segn la reaccin:

612661262112212 OHCOHCOHOHC (3-2)

SACAROSA GLUCOSA FRUCTOSA

[]20D+66.53 []20D+52.7 []20D=92.4

A esta reaccin hidroltica se aplica generalmente el nombre de inversin, ya que produce

un cambio de la actividad ptica dextrgira propia de la sacarosa a una actividad neta

levgira, equivalente a []20D - 39.7 de los productos de la reaccin. Esta reaccin es

sumamente importante en la fabricacin de azcar, ya que se pierde sacarosa cuando los

guarapos o jugos no se mantienen a un pH de 7 o ligeramente superior, especialmente

durante las mltiples operaciones para las cuales se requieren altas temperaturas.

La magnitud de las prdidas posibles se puede estimar sobre los porcentajes de sacarosa

invertida por hora a diferentes pH y temperaturas. La mezcla equimolecular de glucosa y

fructosa que se forma es conocida generalmente como azcar invertido, por extensin

de la terminologa que se aplica a la reaccin de hidrlisis.

Ha sido procedimiento comn la expresin de los resultados de las determinaciones del

poder reductor, por mtodos aplicables en igual proporcin a estos azcares, como

invertido. La inversin produce cantidades precisamente iguales de los dos monosacridos.


18

3.6.2.2 Poder inversor de los cidos

Los cidos varan en su habilidad de invertir la sacarosa casi en el orden de su grado de

ionizacin. La Tabla 3.4 se ha desarrollado considerando el cido clorhdrico (HCl) como

100.

En la seleccin de un cido para invertir la sacarosa se debe considerar la compatibilidad

del cido con el producto terminado. Por ejemplo, los cidos ctricos y fosfricos

frecuentemente son componentes de bebidas y ellos podran usarse para invertir la

sacarosa para la produccin de la bebida.

El cido clorhdrico normalmente se usa debido a su alto poder de inversin y, cuando el

cido se neutraliza con hidrxido de sodio, rinde 1 molcula de agua y 1 molcula de

cloruro de sodio. En la mayora de las formulaciones esta cantidad pequea de sal es

insignificante. [Pancoast H. y Junk R., 1973]

TABLA 3.4

PODER INVERSOR DE LOS CIDOS

CIDO PODER INVERSOR RELATIVO

HBr 111.4HCl 100.0

HNO3 100.0H2SO4 53.6Oxlico 18.57H3PO4 6.21

Tartrico 3.00Ctrico 1.72Lctico 1.07Actico 0.40

[Fuente: Pancoast H. y Junk R., 1973]

3.6.2.3 Descomposicin alcalina de las soluciones de sacarosa

Cuando las soluciones de la sacarosa se calienta en presencia de iones OH, sta se

descompone. Puede observarse la formacin de furfural, de 5-hidroxy-metil-2-furfural, de


19

metil glicoxilo, gliceraldehdo, dioxiacetona, acetona, cido lctico, cido trioxiglutrico,

cido trioxibutrico, cido frmico, bixido de carbono y otras sustancias. Primeramente, se

forma el cido lctico, bajo ciertas circunstancias, hasta llegar al 75% de la masa de la

sacarosa descompuesta (el rendimiento terico sera del 100%). En circunstancias

normales en el proceso de evaporacin o de cristalizacin de la tecnologa del azcar, se

forman aproximadamente 3 g-equivalentes de cidos por una mol de sacarosa

descompuesta.

La descomposicin de la sacarosa se acompaa con la formacin de mezclas indefinidas

de sustancias en pequeas cantidades, pero de un color caf muy intenso (polifenoles).

Debido a la formacin de cidos la alcalinidad de la solucin disminuye la descomposicin

alcalina. Como consecuencia de la disminucin de pH se hace menor la formacin de

cidos y de color. Sin embargo, ms all del punto neutro, comienzan las prdidas de

azcar causadas por la inversin. La descomposicin mnima de sacarosa toma lugar

aproximadamente a un pH de 9 cuando la concentracin de H+ (que causa la inversin), y

la concentracin OH- (que causa la formacin de cidos y color) son pequeas. [Honig, P.

1969]

3.7 GLUCOSA (DEXTROSA)

Este monosacrido tiene la frmula emprica C6H12O6 (masa molecular 180.16 g/mol), y su

estructura recibe la designacin qumica de D-glucopiranosa, quedando el anillo formado

por el oxigeno en la posicin que se muestra en la estructura de la sacarosa. Es una

aldohexosa y se puede cristalizar del agua tanto en la configuracin como en , y estas

dos formas estn en equilibrio en solucin a temperaturas inferiores a 50C , la -D-

glucosa, que es la forma ms estable, cristaliza en forma de monohidrato, C6H12O6. H2O, la

glucosa anhidra forma cristales romboides que tienen un punto de fusin de 146 C,

mientras que el hidrato funde a 83C (Figuras 3.3).


20

Es menos soluble en agua que la sacarosa; las soluciones saturadas contienen 49.4% a

23C y 54.6% a 30C, de azcar anhidro, por masa. Es tpico de los azcares reductores,

el tener un grupo aldehdo libre oxidable por la accin de soluciones alcalinas de sales de

cobre, el yodo, y otros agentes oxidantes. Estas reacciones constituyen la base de muchos

mtodos para la determinacin analtica de la glucosa. Se ha descrito un mtodo para la

determinacin por separado del contenido de glucosa de mezclas que contienen otros

azcares; este mtodo emplea la enzima glucosa oxidasa que la oxida especfica y

cuantitativamente, formando cido glucnico.

Son fcilmente interconvertibles las formas y de la glucosa, y sus soluciones muestran

el mismo fenmeno de mutarrotacin que muestran las de la mayora de las hexosas y

pentosas simples. Cuando se disuelve primero, la -D-glucosa tiene una rotacin

especfica de []20D+112.2 mientras que la -D-glucosa es de []20D+18.7. Cuando se

establece un equilibrio con presencia de aproximadamente 40% de la forma y 60 % de

la forma la rotacin es de []20D+52.7, y este valor es el que se usa para la

determinacin del azcar en la sacarimetra.

FIGURA 3.3

ESTRUCTURA QUMICA LINEAL DE LA GLUCOSA


21

3.8 FRUCTOSA (LEVULOSA)

La fructosa tiene la misma frmula emprica que la glucosa, C6H12O6 (masa molecular

180.16), pero es una cetohexosa, con el oxgeno fijado en el carbono 2, en lugar de estar

en el carbono 1. Su designacin de levulosa surgi de la actividad levgira de sus

soluciones; pero la configuracin de este monosacrido es la de una forma D y en la

nomenclatura qumica precisa este azcar cristalizado corresponde a la forma o la forma

-D-fructopiranosa. Es ms soluble en agua que la glucosa y que la sacarosa; una solucin

saturada a 20C contiene un 78.9% de este azcar, y la cristalizacin de formas

particulares es ms difcil que en el caso de la glucosa. La oxidan la mayora de los

reactivos que se utilizan para la determinacin de la glucosa y de otros azcares

reductores, aunque reacciona mucho ms lentamente con soluciones alcalinas de yodo

bajo condiciones especficas.

La fructosa funde de 102 a 104C. Su configuracin de fructopiranosa, con un anillo de 5

tomos, uno de ellos de oxgeno, es diferente de la furansica, con anillo de 4 tomos,

que existe en la molcula de sacarosa. La mutarrotacin en soluciones acuosas es ms

compleja que en el caso de la glucosa, ya que se establece equilibrio entre la estructura

anular furansica y la piransica, y tambin entre sus formas y .

3.9 PROPIEDADES FSICAS Y QUMICAS DE LOS AZCARES REDUCTORES

(DEXTROSA Y LEVULOSA)

Los azcares reductores se caracterizan por su habilidad para reducir los iones metlicos

como los del cobre que est contenido en la solucin de Fehling. Todos los monosacridos

pertenecen a este grupo. En la hidrlisis los azcares se convierten a sus constituyentes

monosacridos. La hidrlisis cida o enzimtica de la sacarosa resulta en la formacin de

cantidades iguales de glucosa y de fructosa. La glucosa existe en abundancia en la

naturaleza como azcar libre, as como en formas combinadas. Estas ltimas incluyen


22

productos de policondensacin como el glicgeno, el almidn y la celulosa; disacridos

como la maltosa, la lactosa y la sacarosa.

La fructosa que est presente en muchas frutas como azcar libre, se encuentra tambin

en la naturaleza, con combinaciones qumicas. Ejemplos de estas combinaciones con la

sacarosa compuesta de fructosa y dextrosa e inulina, la polifructosana que se encuentra

en muchas plantas de la familia Compositae.

Los azcares reductores contienen grupos alcohlicos primarios y secundarios. Junto con

stos estn presentes, ya sea un aldehdo o un residuo de cetonas que existe en grandes

cantidades en la forma de un hemiacetal interior. El hemiacetal o anillo de formacin,

resulta de la reaccin de un aldehdo o de un grupo de cetonas con un grupo de alcohol

de la misma molcula. Cada una de las posibles estructuras de anillo es capaz de existir

como los ismeros conocidos como anmeros. El carbn hemiacetal es responsable de la

accin reductora de estas molculas de azcar y por lo tanto se le llama carbn reductor.

[Honig, P. 1969]

3.10 ASPECTOS GENERALES DE LOS JARABES DE ALTO CONTENIDO EN

FRUCTOSA

Los jarabes de maz de alta fructosa, JMAF (HFCS, por sus siglas en ingls, high fructose

corn syrup) son soluciones concentradas que contienen bsicamente fructosa y glucosa

(dextrosa) con cantidades menores de sacridos de alta masa molecular. El jarabe es

producido a partir de una isomerizacin enzimtica de un hidrolizado de dextrosa, seguido

de un proceso de refinacin y concentracin. Los productos comerciales pueden llegar a

contener 42, 55 o 90% de fructosa en base seca.

La fructosa (tambin llamada levulosa o azcar de frutas) se encuentra naturalmente en

muchas frutas y vegetales. La miel contiene hasta un 50% en masa de fructosa en base

seca. Cada unidad de sacarosa se compone de una molcula de fructosa y una molcula


23

de dextrosa que en conjunto forman al disacrido ya mencionado. La fructosa tambin se

encuentra en forma de polmero como inulina en plantas como las dalias, chicoria,

alcachofas de Jerusaln, amargones, etc., y se libera mediante tratamientos qumicos o

enzimticos.

La fructosa fue aislada por primera vez en 1847. En 1874 se reconoci que la fructosa

presentaba ventajas sobre la sacarosa tales como ser un endulzante para diabticos.

Siguiendo el descubrimiento de la conversin alcalina de la dextrosa en fructosa, en 1895,

un nmero considerable de investigaciones se diriga en un esfuerzo para desarrollar un

proceso comercial. Sin embargo, debido a problemas asociados con color o con sabor, el

bajo rendimiento de fructosa y la degradacin del producto el proceso nunca fue

comercializado. La conversin enzimtica de dextrosa a fructosa con la enzima glucosa

isomerasa se report por primera vez en 1957 y se patent en 1960. La investigacin en

esta rea continu por varios aos en Japn dando como resultado su produccin

comercial en 1960 y se patent en Estados Unidos de Amrica en 1971.

La tecnologa japonesa fue autorizada por Standard Brands y su produccin fue iniciada en

los Estados Unidos de Amrica en 1967 mediante un proceso por lotes. Inicialmente se

fabricaban jarabes de fructosa de 15% en masa seguida en 1968 por la produccin de

jarabe de fructosa de 42% en masa de fructosa. En 1972, se inici un sistema continuo

utilizando para ello la enzima inmovilizada durante el proceso.

El xito comercial de jarabes de maz de alta fructosa ha sido notable. El primer embarque

en los Estados Unidos del producto se realiz en 1968 y por 1988 los embarques

excedieron 5,000 millones de kilogramos o 5 millones de toneladas (11 mil millones de

libras) como slidos secos. Hay dos productos importantes: El jarabe de fructosa al 42% y

el jarabe de fructosa al 55%. Estos edulcorantes pueden reemplazar a la sacarosa en la

elaboracin de alimentos. Las plantas industriales para la fabricacin de los HFCS son

controladas por un sistema moderno de computadoras. Esto permite a la industria obtener

un producto de alta calidad.


24

3.10.1 Jarabes de maz de alta fructosa, JMAF (HFCS) al 42%

En los Estados Unidos de Amrica, los JMAF (HFCS) se elaboran a partir de almidn de

maz. El almidn se licua a temperaturas altas con una -amilasa hasta la obtencin de

equivalentes de dextrosa. En la segunda etapa una glucoamilasa transforma el almidn

hasta un 9496% de dextrosa. Lo obtenido de este paso es refinado y filtrado con

carbono y un tratamiento de intercambio inico. El hidrolizado de dextrosa refinado se

bombea entonces a travs de una columna con glucosa isomerasa inmovilizada que

convierte aproximadamente un 45% de glucosa en fructosa. El jarabe con 42% de

fructosa es de nuevo refinada con carbono y sometido a un tratamiento de intercambio

inico y despus es evaporado para obtener as el JMAF (HFCS) al 42% comercial [OBrien

y Gelardi, 1991].

3.10.2 Jarabes de maz de alta fructosa, JMAF (HFCS) al 55%

Se produce a partir del proceso para la obtencin de jarabes al 42%. El jarabe se bombea

en la unidad de fraccionamiento donde los sitios del calcio retienen la fructosa mientras la

glucosa y los sacridos de masa molecular alta la atraviesan. La dextrosa y los sacridos

se recirculan para la produccin de jarabe al 42%. Se bombea agua a travs de la unidad

de fraccionamiento para liberar a la fructosa. Lo que se obtiene generalmente es un

jarabe con 80-95% fructosa, el cual es refinado y entonces se mezcla una parte de estos

con los HFCS al 42% para obtener as un producto al 55% [OBrien y Gelardi, 1991].

TABLA 3.5

COMPOSICIN TPICA DE LOS JARABES DE MAZ DE ALTA FRUCTOSA*

JMAF 42(HFCS 42)

JMAF 55(HFCS 55)

JMAF 80-95(HFCS 8095)

% Fructosa 42 55 80 95% Sacarosa 52 40 4 19% Altos sacridos 6 5 1 3% Slidos secos 71.0 77.0 77.0* Slidos en base seca[Fuente: OBrien y Gelardi, 1991]


25

El JMAF (HFCS) es un lquido claro, descolorido. Tiende a desarrollar un color paja ligero

despus de un tiempo prolongado y/o a temperaturas altas. Sin embargo, el producto

puede ser utilizable durante muchos meses si se almacena bajo las temperaturas

prescritas.

Los JMAF (HFCS) al 42% pueden cristalizar debido a que los niveles de glucosa son ms

altos. El jarabe al 55% raramente cristaliza. Si cualquier producto cristaliza, el material

puede ser calentado para solubilizar a la glucosa.

La caracterstica ms importante de los JMAF (HFCS) es su dulzura (Tabla 3.6). En dulzura

los JMAF (HFCS) al 42% son casi iguales a la sacarosa. Los valores de dulzura varan con

la temperatura, pH, y slidos. En general, los jarabes de la fructosa son ms dulces en

sistemas que estn fros a valores de pH bajos.

TABLA 3.6

DULZURA RELATIVA DE EDULCORANTES NUTRITIVOS

EDULCORANTE DULZURA RELATIVA CON RESPECTO A LA SACAROSASacarosa 1.0Fructosa cristalina 1.2 1.8JMAF (HFCS) 90% 1.2 1.6JMAF (HFCS) 55% 1.0 +JMAF (HFCS) 42% 1.0Glucosa 0.7[Fuente: OBrien y Gelardi, 1991]

Desde que los JMAF (HFCS) reemplazaron a la sacarosa, se necesita tomar en cuenta la

qumica de los dos sistemas. La sacarosa en alimentos cidos o en el cuerpo se invertir a

cantidades aproximadamente iguales de glucosa y fructosa:

100 g Sacarosa INVERSIN TOTAL 52.6 g Glucosa + 52.6 g Fructosa (3-3)


26

3.10.3 Propiedades de los jarabes de alto contenido en fructosa

Los jarabes de maz de alta fructosa son ms dulces que los jarabes de maz

convencionales debido a la presencia de fructosa, aunque la intensidad de dulzura

depende de muchos factores tales como la temperatura, el pH y la concentracin. En

general, el jarabe de maz de alta fructosa con 42% (p/p) presenta la misma dulzura que

la sacarosa, el de 55% (p/p) es un poco ms dulce que la sacarosa y, finalmente, el de

90% (p/p) es de un 20 a un 60% ms dulce que la sacarosa. Otras propiedades del jarabe

con alto contenido de fructosa es que presenta una alta solubilidad, reduciendo as la

posibilidad de la cristalizacin; sus propiedades humectantes permiten que se alargue la

vida de anaquel en productos de panadera; la fcil descomposicin de la fructosa durante

el cocimiento da como resultado una mejora en el sabor y en color y su alta presin

osmtica inhibe el crecimiento microbiano.

3.11 MANUFACTURA DE JARABES DE MAZ

Los jarabes de maz y azcares son producidos por la hidrlisis qumica o enzimtica del

almidn. La hidrlisis de almidn para la produccin de jarabes de maz se puede llevar a

cabo por tres mtodos diferentes.

En la terminologa industrial, los nombres "conversin" o "conversin de almidn" son

usados para denotar estos tres procesos. La seleccin del tipo de mtodo de la conversin

depende del tipo de jarabe de maz que ser producido. El grado de conversin es

normalmente medido en trminos de dextrosa equivalente (DE). Este trmino se define

como el porcentaje de azcares reductores en un jarabe de maz, calculado como

dextrosa, en una base de masa seca.

Los tres procesos de hidrlisis de almidn son la conversin cida, la conversin cido-

enzima y la conversin enzima-enzima. En el primero de estos mtodos, como su nombre


27

lo indica, los nicos agentes empleados para hidrolizar el almidn son cidos. Los dos de

estos ltimos procedimientos son los llamados de conversin dual. Los sistemas de

conversin duales tienen dos propsitos. En primer lugar, la conversin cida produce

jarabes que tienen limitaciones en la aceptabilidad cuando la hidrlisis se lleva ms all de

55 DE. En segundo lugar, los mtodos de conversin dual hacen posible la produccin de

jarabes que tienen una amplia diferencia en las propiedades fsicas y qumicas.

3.11.1 Conversin cida

Cuando el almidn es hidrolizado con cido como catalizador, ocurren rupturas en las

uniones -C-O-C- con lo cual se lleva a cabo la produccin de glucosa y de muchos de sus

polmeros. Al continuar la hidrlisis hay un aumento en el nmero de los azcares de masa

molecular baja. Si el proceso contina, varios de los polmeros son hidrolizados hasta

llegar slo a remanentes de glucosa. As, cualquier proceso de conversin, realizado ya

sea por va cida o por un tratamiento dual, debe controlarse rgidamente para producir

un jarabe con el valor DE deseado.

La produccin de los jarabes de maz por conversin cida se lleva a cabo en un tanque

de presin denominado "conversor". El almidn es mezclado con agua hasta formar una

suspensin, que contiene de un 30-40% de almidn seco. La cantidad requerida de cido

diluido, la cual se basa en la masa de almidn y normalmente es de 0.12% de HCl, es

agregada y la temperatura se eleva con vapor hasta obtener los grados requeridos. Esta

temperatura es aproximadamente de 140-160C. La calefaccin contina durante un

intervalo de 15-20 minutos. La coccin o gelatinizacin del almidn convierte primero a los

polisacridos ms grandes. Conforme el proceso avanza se van produciendo otros

azcares. La conversin se puede continuar hasta llegar al grado de conversin deseado.

En ese momento, se debe detener el calentamiento y la hidrlisis debe ser detenida

rpidamente por la introduccin de cantidades equivalentes de un agente neutralizante. El

pH debe ajustarse a un intervalo de 4.0 a 5.5.


28

Despus de la neutralizacin, el material suspendido, que consiste en substancias grasas y

partculas slidas, es eliminado por medio de centrifugacin y el uso de filtros. El filtrado

se evapora parcialmente hasta obtener aproximadamente 60% de slidos y se hace pasar

por filtros de carbn para clarificar y blanquear el producto. Finalmente, el jarabe de maz

se bombea a travs de un filtro de poro muy fino. Despus de la clarificacin, el jarabe se

concentra en los tanques hasta obtener la densidad final.

El desarrollo ms reciente para la produccin de jarabes por hidrlisis cida es el uso de

un sistema continuo. Este desarrollo ha hecho posible la produccin de jarabes de maz

refinados con propiedades uniformes. El tiempo de proceso para este sistema es de

aproximadamente 4 horas. Y, para el sistema de produccin de jarabe por lotes, se

requiere un tiempo de 14 a 16 horas [Pancoast y Junk, 1973].

3.11.2 Conversin cidoenzima

La produccin de jarabes de maz por medio de una conversin cidoenzima se lleva a

cabo en dos etapas de hidrlisis. La primera etapa se lleva a cabo con el cido como se

ha descrito en el punto anterior. Esta etapa se puede realizar por un sistema por lotes o

con el uso del sistema continuo. La magnitud de la conversin cida va a estar

determinada por el valor que se desee de DE y por la composicin de carbohidratos del

jarabe final.

La segunda etapa en este tipo de conversin se lleva a cabo por medio de enzimas que

escinden el almidn.

Las enzimas que escinden al almidn, o amilasas son de tres tipos: Alfa amilasa, beta

amilasa y glucoamilasa. Las primeras dos son utilizadas para la produccin de jarabes de

maz y la tercera para la produccin de dextrosa a partir de almidn [Pancoast y Junk,

1973].


29

3.11.3 Conversin enzimaenzima

La produccin de jarabes de maz por conversin dual que usan dos enzimas en serie est

bastante limitada. Esto puede ser debido al costo ms elevado que el proceso cido-

enzima. Se han descrito ventajas de la produccin de jarabes de maz por este mtodo

sobre el sistema convencional.

En el primer paso de la hidrlisis, se debe emplear una alfa amilasa termoestable debido a

las temperaturas de gelatinizacin que se utilizan. La segunda etapa de la hidrlisis se

lleva a cabo con una amilasa fngica [Pancoast y Junk, 1973].

3.11.4 Uso de la enzima glucosa isomerasa para la obtencin de jarabes altos

en fructosa

Los jarabes de maz de alta fructosa que contienen 42% en masa de fructosa son

producidos comercialmente por isomerizacin continua (con la enzima glucosa isomerasa

inmovilizada) de un hidrolizado de dextrosa clarificado y refinado.

La enzima glucosa isomerasa cataliza la conversin de D-glucosa a D-fructosa y en

realidad es una xilosa isomerasa cuyo nombre correcto es (D-xilosa cetol isomerasa)

[Gilbon-Acevedo, 1978].

Las enzimas de glucosa isomerasa se pueden obtener de una gran variedad de especies

microbianas. Sin embargo, son pocas las bacterias que pueden ser empleadas para

producir glucosa isomerasa para uso comercial. Estos incluyen Streptomyces

olivochromogenes, S. marinus, S. rubiginosus, Bacillus coagulans, Actinoplanes

missouriensis y Microbacterium arborescens. Las propiedades de la enzima varan

dependiendo de la fuente, pero todas son similares en trminos de operacin de pH y

temperatura.


30

El jarabe enriquecido, que contiene 90% en masa de fructosa es preparado mediante una

separacin cromatogrfica y es mezclado con jarabe con alto contenido de fructosa (42%

en masa de fructosa) para obtener as un jarabe con 55% en masa de fructosa.

Durante el desarrollo inicial de la glucosa isomerasa se volvi obvio que las reacciones en

lote no seran comercialmente factibles debido a varios factores. Los largos tiempos de

residencia con la enzima soluble, causaban la produccin de color o de prdidas de color y

de producto (debido a la formacin de azcares no metabolizables formados bajo

condiciones alcalinas). Adems, el costo de la enzima era alto y se hizo necesario

desarrollar un proceso que permitiera volver a usar la enzima.

Por consiguiente, se comenzaron a examinar diversos mtodos de inmovilizacin de las

enzimas, en un esfuerzo por desarrollar un sistema de reaccin continua. Como resultado

de esos estudios, se desarrollaron dos tipos de inmovilizacin para uso comercial:

Procesos de uso de clulas enteras y enzimas solubles.

En el proceso de clulas enteras, la clula microbiana que contiene enzimas intracelulares

se recupera del caldo de fermentacin y se trata de conservar su actividad enzimtica y

mantener la integridad de la partcula. En un proceso, el caldo del cultivo se centrfuga y el

concentrado de clulas lisadas se homogeneizan y se mezclan con glutaraldehdo. El

material se diluye y se flocula con un floculante catinico y el producto final, se seca y se

criba. El otro mtodo, involucra el arreglo de las clulas en gelatina y su mezcla con

glutaraldehdo, seguido de un lavado, realizando posteriormente una clasificacin de

partculas por tamao y un secado.

En el proceso de enzima soluble, la enzima es separada de las clulas y purificada antes

de la inmovilizacin. Debido a que la glucosa isomerasa es una enzima intracelular, se

rompe primeramente la pared de la clula por mtodos fsicos (sonicacin y

homogeneizacin) o enzimticos.


31

La glucosa isomerasa es solubilizada, separada por centrifugacin y/o filtracin y

concentrada por ultrafiltracin. En uno de los mtodos de inmovilizacin se va ligando a la

enzima soluble simplemente a partculas que contiene una combinacin de celulosa con

DEAE (cloruro de dietilaminoetilo), dixido de titanio y poliestireno: Otros soportes para la

glucosa isomerasa incluyen resinas de intercambio aninico, celulosa de intercambio

inico, etc. [Guilln-Villegas y col., 2002].

La glucosa isomerasa se ha inmovilizado por distintos mtodos y a diferentes soportes

como por ejemplo la inmovilizacin por enlaces covalentes a esferas de vidrio poroso, a

esferas de vidrio recubiertas con zirconio, por atrapamiento en polmeros de acrilamida y

por adsorcin a DEAE-Celulosa.

Se ha reportado que las preparaciones obtenidas por unin covalente y atrapamiento

presentan una menor retencin de actividad que las obtenidas por adsorcin. Por otro

lado, es importante mencionar que la inmovilizacin por adsorcin presenta las siguientes

ventajas: Es simple y rpida, las condiciones de inmovilizacin son suaves, es econmica,

se puede reutilizar el soporte, se puede purificar la enzima al inmovilizar y como el

sustrato y el producto de la glucosa isomerasa son molculas neutras, se pueden utilizar

altas concentraciones de sustrato durante la operacin continua [Gilbon-Acevedo, 1978].

Debido a que la reaccin alcanza el equilibrio aproximadamente al 50% de conversin,

para obtener fructosa pura, se requiere llevar a cabo procesos de separacin. Sin

embargo, es posible obtener jarabes con un contenido del 42% sin necesidad de separar

los azcares ya que estos jarabes fructosados tienen propiedades similares al azcar

invertido [Gilbon-Acevedo, 1978]. Los jarabes de maz de alta fructosa se produce a partir

de un hidrolizado de dextrosa, el cual es clarificado, tratado con carbn, intercambio

inico y evaporado hasta un 40 a un 50% en masa base seca (Figura 3.2). Se aade

magnesio como cofactor para mantener la estabilidad de la isomerasa y para prevenir la

inhibicin por la presencia de residuos traza de calcio. El hidrolizado se pasa por una cama

o lecho fijo donde se encuentra la enzima isomerasa inmovilizada. Las condiciones del

proceso dependen del sistema usado en particular, aunque generalmente se usan


32

condiciones de temperatura de 55-65C, pH 7.5-8.5 y el tiempo de reaccin es de 1 hora o

menos.

RECIRCULACIN DE DEXTROSA

FIGURA 3.4

PROCESO DE LA PRODUCCIN DE JARABES CON ALTO CONTENIDO DE FRUCTOSA

[Fuente: Hui, 1991]

DEXTROSA (glucosa)93 96%

ISOMERIZACIN

TRATAMIENTO CON

CARBN ACTIVADO

SEPARACIN

CROMATOGRFICA

INTERCAMBIO INICO

FILTRACIN

TRATAMIENTO CON

CARBN ACTIVADO

FILTRACIN

EVAPORACINEVAPORACIN

HFCS 42

JACF (90%)

HFCS 55


33

3.12 ANLISIS CROMATOGRFICO

La cromatografa de lquidos de alta resolucin es la tcnica de separacin ms

ampliamente utilizada.

Las razones de la popularidad de esta tcnica son su sensibilidad, su fcil adaptacin a las

determinaciones cuantitativas exactas, su idoneidad para la separacin de especies no

voltiles o termolbiles y sobre todo, su gran aplicabilidad a sustancias que son de

primordial inters en la industria, en muchos campos de la ciencia y para la sociedad en

general [Skoog, 1994].

3.12.1 Determinacin de carbohidratos por cromatografa de lquidos de alta

resolucin

Los hidratos de carbono no poseen grupos cromforos lo que evita su deteccin por

absorcin en la regin de UV y visible o por fluorescencia. La mayora de los hidratos de

carbono absorbe en el intervalo de UV cercano, 180-220 nm, pero a esta longitud de

onda, hay normalmente interferencia de otros componentes de la muestra.

El grado de pureza de la muestra y del solvente hace que la medicin de absorbancia a

longitudes de onda debajo de 200 nm sea difcil y cara. El detector del ndice de refraccin

es el que comnmente se utiliza para el anlisis de carbohidratos en alimentos. El detector

de ndice de refraccin es sensible a la temperatura y se ve afectado por la composicin

de los solventes, lo cual no permite el uso de gradiente de elucin.

La cromatografa de gases no est sujeta a estas dificultades pero presenta otros

problemas tales como la preparacin de derivados voltiles lo cual no se puede realizar

con los hidratos de carbono. La derivatizacin de las formas anomricas de furanosa y

piranosa produce picos mltiples para muchos azcares y los esquemas para superar estas

interferencias producen otros problemas.


34

A diferencia de la cromatografa de gases, la cromatografa de lquidos ofrece a menudo la

preparacin de la muestra con un pre-tratamiento pequeo, y normalmente se observan

solo los picos cromatogrficos para cada azcar [Pancoast y Junk, 1973].

3.12.1.1 Preparacin de la muestra

La cuidadosa preparacin de la muestra es importante en cualquier anlisis qumico.

Deben quitarse protenas y grasas de la muestra para evitar su deposicin en la columna

que podra disminuir la eficacia de la columna as como su selectividad.

Los puntos importantes resumidos con respecto a azcares que deben tenerse presente

son [Scott, 1992]:

A) Los azcares son muy higroscpicos y por consiguiente deben secarse antes del uso.

B) La temperatura de las muestras no debe exceder los 80C para evitar que se daen

durante la extraccin o el secado.

C) Los disacridos, particularmente la sacarosa, pueden ser hidrolizados en soluciones

cidas diluidas o por enzimas presentes en los alimentos.

D) En soluciones acuosas, azcares tales como la glucosa pueden estar presentes como

tautmeros, anmeros y en solucin alcalina, puede sufrir enolizacin y degradacin.

3.12.2 Columnas analticas y sistemas de cromatografa de lquidos de alta

resolucin

3.12.2.1 Columna de slice amino-ligada (silica amino-bonded)

Los reportes de separacin de carbohidratos por cromatografa de lquidos tales como la

fructosa, glucosa, sacarosa, maltosa y lactosa indican el uso de columnas aminadas desde

1974.


35

La desventaja de estas columnas es la degradacin gradual de los grupos aminados y la

deterioracin de la propia slice, llevando particularmente en el futuro a la prdida de

resolucin entre la glucosa y fructosa. La formacin de bases de Schiff entre los grupos

aminados y los azcares reductores puede producir prdidas, particularmente a

temperaturas elevadas.

3.12.3 Detectores de ndice de refraccin

En este tipo de detector, el disolvente en su camino hacia la columna pasa a travs de una

mitad de la celda y el efluente de la columna pasa por la otra mitad. Los dos

compartimentos estn separados por una placa de vidrio montada a un ngulo tal que si

las dos diluciones difieren en el ndice de refraccin se produce una desviacin del haz

incidente.

El desplazamiento del haz con respecto a al superficie fotosensible del detector provoca

una variacin de la seal de salida, la cual, una vez amplificada y registrada, proporciona

el cromatograma.

Los detectores de ndice de refraccin tienen la ventaja de que responden a casi todos los

solutos.

Es decir, son detectores universales anlogos a los detectores de llama en cromatografa

de gases.

Adems, son fiables y no dependen del caudal. Sin embargo, son muy sensibles a los

cambios de temperatura, y se deben mantener a una temperatura constante, con unas

pocas milsimas de grado centgrado de variacin.

Por otra parte, no son tan sensibles como la mayora de los otros detectores y, por lo

general, no se pueden utilizar en la elucin con gradiente [Skoog, 1994].


36

TABLA 3.7CARACTERSTICAS DE SISTEMAS DE ANLISIS DE CARBOHIDRATOS POR CROMATOGRAFA DE

LQUIDOS DE ALTA RESOLUCINSlice amino-

ligada (Aminobonded silica)

Slice amino-modificada in

situ

Resinas de iones fijados

Resinas de intercambio

aninico

Eluyente (desgasificado) CH3CN/H2O (80:20)

CH3CN/H2O (75:25) + modificador de

poliamina

H2O desionizada (a veces +

modificadores orgnicos)

NaOH + CH3COONa para eluir oligo- y

polisacridos

Cromatografa Particin Particin

Intercambio inico, exclusin por

tamao, complejos ligandos

Intercambio inico

Detector IR IR IR

Detector amperomtrico pulsado (PAD,

pulsed amperometric detection)

Lmites de deteccin (aproximados)

10 g 10 g 1 g 0.01 g

Lnea base

Vara debido a ligeros cambios en la

composicin de la fase mvil

Como el anteriorBuena estabilidad, mejor que la fase mvil mezclada

El uso de post-columnas estabiliza

la lnea base

Temperatura de la columna

Usualmente temperatura

ambiente

Usualmente temperatura

ambiente

85C, los anmeros se separan a temperatura

ambiente

2045C

Estabilidad de la columna

La fase estacionaria amino reacciona con

los aldehdos y cetonas para formar

bases de Schiff con lo cual la vida de la

columna se reduce

La slice sola ms una regeneracin

continua del grupo amino, da como

resultado un sistema ms robusto

Es buena, si la presin no aumenta

ms de 103 bar (1500 psi), se deben

evitar las sales, cidos orgnicos y

metanol

Presenta buena estabilidad mecnica

(>275 bar o 4000 psi). Evitar el CO2; la

deposicin de carbonatos requiere de eliminacin del

uso de NaOH concentrada

Gradiente de elucin No No No Si, gradientes inicos

Mutarrotacin

La separacin de anmeros no causa problemas, el grupo aminado cataliza la

reaccin

Como el anterior

Altas temperaturas catalizan la reaccin de mutarrotacin, los anmeros se pueden

observar a temperaturas ms

bajas

Valores altos de pH incrementan la

reaccin de mutarrotacin

Problemas de separacin

Glucosa/galactosaGlucosa/manitolGlucosa/sorbitolFructosa/Xilitol (tiempos de

retencin ms largos para rafinosa y

estaquiosa, pueden usarse para

oligosacridos)

Como en el anterior, excepto

glucosa/galactosa separadas

Sacarosa/maltosaXilitol/sorbitol

Sacarosa/lactosa (La ltima pareja tiene

ms resolucin con formas orgnicas de

plomo y algunos otros pares con

plata)

Sorbitol/dulcitol

[Fuente: Scott, 1992]


37

4.0 MATERIALES Y MTODOS

En general, la metodologa de esta investigacin consisti en realizar la clarificacin del

jugo de caa con etanol y en preparar las soluciones estndar de sacarosa para llevar a

cabo el estudio de optimizacin de las hidrlisis qumica y enzimtica.

Las determinaciones de glucosa, fructosa y sacarosa, presentes en cada una de las

muestras analizadas a diferentes tiempos de las etapas de la metodologa, se realizaron

por medio de cromatografa de lquidos de alta resolucin (CLAR).

Para llevar a cabo la hidrlisis cida de las soluciones estndar de sacarosa y de las

muestras de jugo de caa clarificado se emple cido sulfrico como agente hidrolizante a

diferentes concentraciones para determinar la concentracin ptima.

La hidrlisis enzimtica se llev a cabo con la enzima invertasa, con la cual se probaron

diferentes relaciones E/S para determinar la relacin ptima.

4.1 DIAGRAMA EXPERIMENTAL

En el siguiente diagrama (Figura 4.1), se indica de manera general, los pasos de la

metodologa realizada.

4.2 OBTENCIN DE LAS MUESTRAS

Las muestras de jugo de caa se obtuvieron en jugueras del centro de la ciudad de

Mxico. Las muestras se transportaron al laboratorio para su anlisis en recipientes de

plstico cerrados y en hieleras para evitar su descomposicin. Posteriormente se

almacenaron a 4C hasta el momento de su anlisis.


38

*CROMATOGRAFA DE LQUIDOS DE ALTA RESOLUCIN

FIGURA 4.1DIAGRAMA GENERAL

JUGO DE CAA

CLARIFICACIN DEL JUGO CON ETANOL

CUANTIFICACIN DE

SACAROSA, GLUCOSA Y

FRUCTOSA POR CLAR*

HIDRLISIS ENZIMTICA HIDRLISIS QUMICA (pH = 1, 60C)

ESTNDAR DE SACAROSA

ESTNDAR DE SACAROSA

JUGO CLARIFICADO

JUGO CLARIFICADO

CUANTIFICACIN DE SACAROSA, GLUCOSA Y FRUCTOSA POR CLAR*

CUANTIFICACIN DE SACAROSA, GLUCOSA Y FRUCTOSA POR CLAR*

EVAPORACINEVAPORACIN

JARABE FRUCTOSADO 42%

JARABE FRUCTOSADO 42%


39

4.3 CUANTIFICACIN DE SACAROSA, GLUCOSA Y FRUCTOSA POR

CROMATOGRAFA DE LQUIDOS DE ALTA RESOLUCIN (CLAR)

4.3.1 Calibracin del cromatgrafo de lquidos de alta resolucin

El procedimiento para la calibracin del CLAR consiste en preparar los estndares de cada

uno de los azcares a cuantificar (glucosa, fructosa y sacarosa) con el fin de detectar los

tiempos de retencin de cada uno de los azcares, as como el rea bajo la curva para

concentraciones especficas.

4.3.2 Reactivos y material

Los materiales y reactivos usados fueron:

Cromatgrafo de lquidos de alta resolucin Perkin ElmerBomba Binaria modelo 200 Perkin ElmerInterfase Serie 900 Perkin ElmerDetector de ndice de Refraccin Perkin ElmerEstndares de Glucosa, Fructosa y Sacarosa grado reactivo analticoAcetonitrilo grado CLAR (HPLC)Agua desionizadaBao ultrasnico modelo Branson 1210Filtros de 0.2 m de nylon para CLAR (HPLC)

4.3.3 Procedimiento

Los estndares de fructosa, glucosa y sacarosa se elaboraron en las siguientes

concentraciones para cada azcar:

AZCAR CONCENTRACIN (g/mL)FRUCTOSA 0.052835 0.042270 0.036985 0.026415 0.013210 0.006604GLUCOSA 0.050910 0.040730 0.035640 0.025450 0.012730 0.006363SACAROSA 0.050001 0.040001 0.035000 0.025000 0.012500 0.006250


40

Las condiciones experimentales que se manejaron para el cromatgrafo de lquidos

fueron:

Columna Termo Hypersil 250 x 4.6 mm Slice amino-ligada (Silica Aminobonded)

Fase mvil Acetonitrilo:Agua (80:20)Flujo de la fase mvil 1 mL/minDetector ndice de refraccinVolumen de inyeccin 20 L

Las inyecciones al cromatgrafo de lquidos de cada uno de los estndares se realizaron

por triplicado para la obtencin de las curvas de calibracin.

Cada una de las muestras inyectadas al cromatgrafo, deben ser filtradas a travs de

filtros de nylon para CLAR (HPLC) de 0.2 m.

El acetonitrilo y el agua que se emplean como fase mvil, deben ser filtrados a vaco a

travs de una membrana de nylon de 0.45 m y desgasificadas en el bao ultrasnico

por un intervalo de tiempo de 30 minutos.

4.4 CLARIFICACIN DEL JUGO DE CAA

El mtodo de clarificacin con alcohol etlico, tiene como fundamento el hecho de que el

etanol posee la capacidad de precipitar material con una masa molecular mayor a 10,000

daltones.

4.4.1 Reactivos y material

Los reactivos y material usados fueron:

Jugo de caaEtanol 99.90 G.L.Agua destiladaFiltros Whatman N 540 a masa constante


41

4.4.2 Procedimiento

Se prepararon soluciones de etanol a diferentes concentraciones con jugo de caa de la

siguiente manera:

% de Etanol

Jugo de caa (mL)

Etanol (mL) Agua (mL)

0% 5 0 2520% 5 5 2040% 5 10 1550% 5 12.5 12.560% 5 15 1070% 5 17.5 7.580% 5 20 590% 5 22.5 2.5

99.90% 5 25 0

4.4.2.1 Medidas turbidimtricas

Se prepararon las soluciones de etanol con jugo de caa como ya se indic, por triplicado

y las muestras se dejaron reposar durante 24 horas. Despus de este tiempo, se midi la

absorbancia a 595 nm de cada una de las soluciones (se utiliz como blanco la mezcla de

etanol-agua correspondiente a cada porcentaje de etanol a evaluar sin la adicin de la

muestra de jugo de caa), con la final de obtener la densidad ptica, DO, de cada

muestra.

4.4.2.2 Medidas gravimtricas

Se prepararon las soluciones de etanol con el jugo de caa por triplicado y se dejaron

reposar durante 24 horas, despus de este tiempo se filtraron las soluciones en papel filtro

Whatman N 540, el cual se puso previamente en una estufa a 100110C durante dos


42

horas aproximadamente (hasta masa constante). Posteriormente se colocaron los papeles

filtro con el precipitado en una estufa a 100C hasta masa constante.

4.5. DETERMINACIN DE pH EN MUESTRAS DE JUGO DE CAA Y EN

SOLUCIONES ESTNDAR DE SACAROSA

Esta prueba se basa en la determinacin de la actividad de iones hidrgeno, empleando

un instrumento potenciomtrico, con sensibilidad para reproducir valores de pH de 0.05

unidades usando un electrodo indicador al in hidrgeno como electrodo de vidrio y un

electrodo de referencia apropiado, tal como el de calomel o el de cloruro de plataplata. El

aparato debe detectar el potencial en milivoltios y en unidades de pH a travs del par de

electrodos.

Para las mediciones de pH se utiliza ampliamente el electrodo de vidrio, porque da una

respuesta inmediata a los cambios rpidos de las concentraciones de iones hidrgeno an

en soluciones poco reguladas.

Los valores de pH dependen de la temperatura, por lo cual las mediciones se deben

efectuar a determinadas temperaturas.

4.5.1 Calibracin del equipo

Se deben seguir las instruccion

Montaje de técnicas analíticas para medir glucosa, fructosa y ...

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