Universidad Nacional San Agustn de Arequipa Facultad de Ingeniera de Procesos Escuela Profesional de Ingeniera de Industrias Alimentarias

Asignatura: Tecnologa e Industria Azucarera Docente: Ing. Sonia Jackeline Zanabria Glvez, Msc. Tema: Obtencin de un Producto Tipo Harina rico en Fibra Diettica Insoluble y un Concentrado en Polvo de Fibra Diettica Soluble (Xilo-oligosacricos) a partir de Bagazo de Caa de Azcar Integrantes: Alca Machaca, Juan Jos Atamari Pilco, Carmen Cceres Pizarro, Ruth Carhuas Balbin, Katherine Liliana Len Len, Xoany Ling Ao: 2011

ndice de contenidoObtencin de un Producto Tipo Harina rico en Fibra Diettica Insoluble y un Concentrado en Polvo de Fibra Diettica Soluble (Xilo-oligosacricos) a partir de Bagazo de Caa de Azcar....................1 1.Introduccin.................................................................................................................................1 2.Objetivos......................................................................................................................................2 3.Revisin Bibliogrfica.................................................................................................................2 1.Fibra Diettica:........................................................................................................................2 1.Clasificacin de la Fibra Diettica:....................................................................................5 2.Principales Componentes de la Fibra Diettica .................................................................5 1.Celulosa.........................................................................................................................5 2.Hemicelulosa.................................................................................................................6 3.Lignina...........................................................................................................................6 4.Pectina............................................................................................................................6 5.Gomas y Muclagos.......................................................................................................7 6.Oligosacridos Resistentes............................................................................................7 3.Efectos de la Fibra Diettica en la Salud y Nutricin:.......................................................7 4.Determinacin de Fibra .....................................................................................................9 2.Bagazo de Caa de Azcar....................................................................................................10 3.Polmeros Derivados de la Hemicelulosa.............................................................................10 1.Consideraciones Econmicas y de Mercado para Xilo-oligosacridos............................11 4.Extraccin de Fibra Diettica a Partir de Bagazo de Caa de Azcar..................................12 4.Materiales y Mtodos.................................................................................................................16 1.Materiales..............................................................................................................................16 1.Materia Prima y Reactivos...............................................................................................16 2.Equipos e Instrumentos....................................................................................................16 2.Mtodos.................................................................................................................................16 1.Autohidrlisis de la Hemicelulosa del Bagazo de Caa...................................................16 2.Separacin por Precipitacin de Oligosacridos Derivados de Hemicelulosa (xilooligosacridos)......................................................................................................................16 3.Preparacin del Producto tipo Harina Rico en Fibra Diettica Insoluble........................17 5.Resultados y Discusiones...........................................................................................................18 6.Conclusiones..............................................................................................................................21 7.Recomendaciones......................................................................................................................21 8.Literatura Citada........................................................................................................................22

Obtencin de un Producto Tipo Harina rico en Fibra Diettica Insoluble y un Concentrado en Polvo de Fibra Diettica Soluble (Xilo-oligosacricos) a partir de Bagazo de Caa de Azcar1. Introduccin.Entre los diversos residuos de cultivos, el bagazo de la caa de azcar es el material lignocelulsico (LCM) ms abundante en pases tropicales. Este residuo se produce en grandes cantidades por las industrias del azcar y alcohol en Brasil, India, Cuba, China, Sudfrica, Centroamrica y Per. En trminos generales 1 tonelada de caa de azcar genera 280 kg de bagazo, y anualmente se procesan 5.4 x 10 toneladas secas de caa de azcar en todo el mundo (F. Peng et al. 2010). Meade y Chen (1977 citados por Sangnark & Noomhorm 2004) reportan que la caa de azcar contiene 73-76 g de lquido en 100 g, y que el resto es fibra. Cerca del 50% de este residuo se usa en plantas de destilera como fuente de energa; el resto es almacenado. El bagazo almacenado es de bajo valor econmico y crea un problema ambiental para las industrias de caa y localidades cercanas (F. Peng et al. 2009). Otros usos del bagazo son como parte de piensos para ganado y pollos, as como para fabricar papel y tableros prefabricados (de la Rosa 1931; Chen & Chou 1993). Por lo tanto, y por la importancia del bagazo como desecho industrial, hay un gran inters en desarrollar mtodos para la produccin biolgica de combustible y qumicos que ofrezcan ventajas econmicas, ambientales y estratgicas. La importancia de las fibras alimentarias ha llevado a que en los aos recientes existe la tendencia a encontrar nuevas fuentes de fibra diettica que puedan ser usadas en la industria alimentaria (Chau y Huang 2003 citados por Dhingra et al. 2011). Existen empresas en pases con produccin de caa de azcar que producen fibra diettica a partir del bagazo (Dalton 2010), en forma de harina, principalmente de hemicelulosas y celulosas por mtodos libres de qumicos, descritos por algunas patentes (Andrews 1992) En los ltimos aos han habido ms desarrollos en obtener fracciones de fibra diettica para fines especficos, siendo algunas de stas aditivos alimentarios con funciones prebiticas. Su obtencin involucra procesos de separacin del resto de fibras, o como producto de hidrlisis de fibras poco o nada solubles como la celulosa y hemicelulosa. A partir de las hemicelulosas solubilizadas, se pueden producir algunos de estos aditivos alimentarios y otros polmeros. Recientemente se han descubierto algunas importantes aplicaciones para las hemicelulosas, tales como xilanos (F. Peng et al. 2009) Un producto interesante de stas hidrlisis son los xilo-oligosacridos, considerados en algunas definiciones como fibra funcional y en otras como fibra diettica, incluso en el mbito comercial (Jiaxing Sunlong Industrial & Trading Co., Ltd. 2011). Se ha venido usando la suplementacin con fibra para mejorar el contenido de sta en una variedad de alimentos comprendiendo desde los productos derivados de cereales (como galletas y masas) (Sangnark & Noomhorm 2004) a los crnicos, imitaciones de queso, snacks, carnes enlatadas, anlogos de la carne y salsas (McKee & Latner 2000; Dhingra et al. 2011). El objeto de estas suplementaciones es aadir valor al producto final.

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2. Objetivos Obtener un producto tipo harina rico en fibra diettica insoluble y un concentrado en polvo de fibra diettica soluble (xilo-oligosacridos) como parte de un mismo proceso.

3. Revisin Bibliogrfica 1. Fibra Diettica:

La fibra diettica tiene una larga historia, este trmino se origin con Hipsley (1953) quien defini la fibra diettica como los constituyentes no digeribles que constituyen la pared celular de la planta, definicin que que ha experimentado muchas revisiones (Dreher 2001; Dhingra et al. 2011). Los botnicos definen la fibra como una parte de los rganos de la planta, los analistas qumicos como un grupo de compuestos qumicos, los consumidores como una sustancia con efectos benficos sobre la salud humana, y para las industrias qumicas de fibra diettica es un objeto de marketing (Dhingra et al. 2011). A continuacin, una breve resea sobre la historia y evolucin del trmino. A principios de la dcada de 1970 Burkitt y Trowell definieron la fibra diettica como los polisacridos de las paredes celulares vegetales, y lignina, que no son hidrolizados por las enzimas digestivas humanas (Cho 2009). La definicin de 1976 (Trowell, H. et al. 1976) no se refiere especficamente a la pared celular, pero la nocin de la estructura botnica se ha mantenido presente desde que la mayora de las fibras dietticas han sido consideradas como componentes estructurales de la pared celular (McPherson 1985 citado por Mongeau et al. 1999). Desde entonces se ha acumulado evidencia sobre la relacin entre la integridad estructural de la fibra diettica y sus efectos fisiolgicos. Sin embargo, para los propsitos del etiquetado, Englyst y colaboradores propusieron luego que la fibra diettica sea definida como "los polisacridos no amilceos (NSP) y lignina en la dieta que no son digeridos por las secreciones endgenas del tracto digestivo humano" para referirse a la pared celular vegetal y conexos en la dieta (Englyst et al. 1987 y Englyst & Cummings 1988 citados por Mongeau et al. 1999). En 1981 la definicin por consenso de la AOAC la refera principalmente como el remanente de las clulas vegetales que resiste a la hidrlisis por enzimas digestivas del hombre. Posteriormente la fibra diettica fue definida como un componente ubicuo en alimentos de origen vegetal e incluye materiales de diversa estructura qumica y morfolgica, resistente a la accin de las enzimas de la digestin humana (Kay 1982; Dhingra et al. 2011). La definicin ms consistente que se sigue aceptando ahora es la de Trowell et al. (1985 citados por Dhingra et al. 2011): "La fibra diettica consta de los remanentes de las clulas vegetales resistentes a la hidrlisis (digestin) por las enzimas alimentarias del hombre", cuyos componentes son hemicelulosa, celulosa, lignina, oligosacridos, pectinas, gomas y ceras. Similar definicin a la de Gordon "La fibra diettica consiste en los restos de clulas de vegetales comestibles, polisacridos, lignina, y sustancias asociadas resistentes a la digestin por enzimas alimentarias humanas" (Gordon 1999 citado por Dreher 2001). Los problemas con la definicin de la fibra diettica por resistencia a la digestin son los siguientes:

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1) La digestin en los mtodos para fibra no puede ser asumida como igual de eficiente que en el sistema gastrointestinal intacto (Marlet 1990 citado por Mongeau et al. 1999). Resistencia a la digestin significa resistencia al cido, secreciones biliares, y a varias enzimas con acciones simultneamente complementarias (por ejemplo las actividades de la amilasa y proteasa). La secrecin continua de enzimas y la remocin de los productos de las reacciones son caractersticas de la digestin vigorosa in vivo, que no son reproducibles in vitro (Mongeau y Brassard 1995 citados por Mongeau et al. 1999). 2) Se asume que todas las fracciones de la fibra diettica llegan al final del intestino delgado sin alguna degradacin significante, pero este no necesariamente es el caso (Mongeau et al. 1999). 3) Diferentes materiales como las fibras rumiables son resistentes a la digestin pero no son fibra diettica. Los rumiantes estn especialmente equipados para para retener, moler y fermentar material, como la paja de trigo antes de la absorcin intestinal. Con los aos, muchas definiciones de fibra diettica han sido usadas en varias publicaciones, con una redaccin variable basada en los conceptos antes mencionados. Estas variaciones en la definicin se deben en parte a la multiplicidad de conceptos envueltos en "fibra diettica", y en parte a las dificultades asociadas con su determinacin y etiquetado. La definicin canadiense deja en claro que el nico origen de la fibra diettica es la parte comestible de las plantas en la dieta humana (health and Welfare Canada 1985 Mongeau et al. 1999). Se hizo nfasis en esta definicin excluyendo los polmeros que se hacen indigeribles por el procesado de alimentos. La definicin de Pilch (1987) era similar y exclua especficamente a los oligosacridos y polmeros de carbohidratos con menos de 50 60 grados de polimerizacin. Estos ltimos no son recuperados por los mtodos de fibra diettica. A su vez, la nocin de integridad de la estructura botnica no se cuentan en el trmino "carbohidrato complejo" y tambin, por las definiciones presentes, el trmino "fibra diettica" no reconoce debidamente su importancia. Como el anlisis de la fibra diettica no dice nada sobre el origen de una muestra o la integridad de su estructura, claramente los mtodos solos no pueden ser usados para definir la fibra diettica. Al parecer, la manera de tomar en cuenta la integridad estructural es referirse a ella especficamente en la definicin de fibra diettica (Mongeau et al. 1999). Por lo tanto, con el objetivo de ser incluido en la definicin de fibra diettica Mongeua et al (1999) declaran que un material alimentario debera estar obligado a cumplir las tres condiciones siguientes: 1. Debe originarse de las paredes celulares de los tejidos comestibles de las plantas tradicionales en la dieta humana. 2. Debe tener su estructura botnica intacta. 3. Debe ser medible por los actuales mtodos oficiales de fibra diettica (con correcciones, cuando se necesite). Como los cientficos en el rea de la fibra diettica preferan la inclusin de oligosacridos en la definicin (lo que se descubri por la encuesta de la AOAC que se comenta ms adelante), que no se recuperan con el entonces mtodo para medir la fibra diettica total de la AOAC (Dreher 2001), en el 2000 la Asociacin Americana de Qumicos Cerealistas (AACC) defini la fibra diettica como la parte comestible de las plantas o carbohidratos anlogos que son resistentes a la digestin y Pgina 3

absorcin en el intestino delgado y con completa o parcial fermentacin en el intestino grueso (AACC 2000; Dhingra et al. 2011). La fibra diettica incluye polisacridos, oligosacridos, lignina y sustancias vegetales asociadas. Durante el ao 2001, la autoridad de alimentos de Australia y Nueva Zelanda (ANZFA) defini la fibra diettica como una fraccin de la parte comestible de las plantas o de sus extractos, o carbohidratos anlogos, que son resistentes a la digestin y absorcin en el intestino delgado humano, usualmente con completa o parcial fermentacin en el intestino grueso. El trmino incluye polisacridos, oligosacridos y ligninas. El panel sobre la definicin de la fibra diettica constituido por la National Academy of Science durante el ao 2002 defini la fibra diettica compleja para incluir la fibra diettica consistente de carbohidratos no digeribles y lignina que se encuentra intacta e intrnsecamente en plantas, fibras funcionales consistentes de carbohidratos aislados no digeribles que tienen efectos fisiolgicos benficos en humanos, y fibra total como la suma de la fibra diettica compleja y la fibra funcional (Dhingra et al. 2011). Tambin el 2002, el Instituto de Medicina (IOM 2002 citado por Cho 2009) defini la fibra total como la suma de la fibra funcional y la fibra diettica, esto es, la suma de los polisacridos no amilceos (NSP) y los oligosacridos no digeribles. La definicin del IOM esta en la misma lnea de la propuesta por Lee y Prosky (1995) basada en los resultados de los estudios de la AOAC Internacional. Esta ltima realiz dos estudios para cumplir dos objetivos: (1) para determinar si se cre un consenso sobre la definicin de fibra diettica y las metodologas asociadas; y (2) para considerar una clasificacin adecuada de los oligosacridos que no son hidrolizados por las enzimas digestivas humanas (Lee y Prosky 1995 citados por Cho 2009). Un primer estudio fue una encuesta iniciada en Diciembre de 1992 en que el 70% de 144 profesionales apoyaron la idea de que la definicin de fibra diettica debe reflejar perspectivas tanto qumicas como fisiolgicas. A su vez 65% de los participantes apoyaron la entonces definicin de fibra diettica, como los polisacridos y lignina que no son hidrolizados por las enzimas digestivas humanas. Sin embargo, 59% apoy una futura expansin de la definicin de fibra diettica para incluir los oligosacridos que no son hidrolizados por las enzimas digestivas humanas. En Diciembre de 1993 un estudio de seguimiento se llev a cabo, abordando especficamente la cuestin de una nueva definicin que incluya a los oligosacridos que no son hidrolizados por las enzimas digestivas humanas, junto con los resultados de la primera encuesta para confirmacin (Lee y Prosky 1995). Los resultados fueron que 65% de los participantes apoyaron la inclusin de stos oligosacridos, mientras que 80% apoyaron la inclusin de los almidones resistentes y lignina en la definicin de fibra diettica adems de los NSP. Es notable que slo 6% cree que la fibra diettica incluye nicamente los NSP o componentes de la pared celular. Basados en estos estudios, Cho (anteriormente Lee) y Prosky propusieron la expansin de la definicin de la fibra diettica para incluir los oligosacridos resistentes, en adicin a la que incluye los NSP, almidn resistente, y lignina (Lee y Prosky 1995). Esta propuesta fue adoptada por el taller de la AOAC celebrada en Nashville, Tennessee, en Octubre de 1995 (Cho y Prosky 1999). No existe una definicin universal ni tampoco un mtodo analtico que mida todos los componentes alimentarios que ejercen los efectos fisiolgicos de la fibra (Escudero lvarez & Gonzles Snchez 2006). As pues, son los autores, organizaciones e instituciones los que definen fibra diettica teniendo en cuenta todo lo antes expuesto. Una sinttica definicin de fibra diettica se muestra en el diccionario de Bender: Material que se obtiene principalmente de paredes celulares vegetales que no es digerido por las enzimas digestivas humanas, pero es parcialmente desglosado por bacterias intestinales a cidos grasos voltiles que pueden ser usados como fuente de energa. Una gran porcin consiste de polisacridos no amilceos; que incluye la fibra soluble que reduce los niveles de colesterol en la sangre e incrementa la viscosidad del contenido intestinal, y la fibra insoluble (celulosa y paredes celulares) que acta como laxante. (Bender 2006b). Pgina 4

Para este trabajo se emplear la definicin de fibra de la AACC y ANZFA, que incluye a los xilo-oligosacridos como fibra diettica y que recoge la iniciativa de la encuesta de la AOAC para la inclusin de los oligosacridos dentro de la definicin de fibra diettica, definicin que es empleada a su vez por otros autores.1. Clasificacin de la Fibra Diettica:

Tungland y Meyer (2002 citados por Dhingra et al. 2011) han sugerido muchos y diferentes sistemas de clasificacin para clasificar los componentes de la fibra diettica: basados en su rol en la planta, basados en el tipo de polisacridos, basados en la simulacin de su solubilidad gastrointestinal, basados en su lugar de digestin, basados en los productos de la digestin y en su clasificacin fisiolgica. Sin embargo, ninguna es enteramente satisfactoria, dado que los lmites no han podido ser absolutamente definidos. La ms ampliamente aceptada clasificacin de la fibra diettica ha sido la que diferencia los componentes dietticos sobre su solubilidad en una solucin buffer a un pH definido, y/o su fermentabilidad en un sistema in vitro usando una solucin enzimtica acuosa representativa de las enzimas alimentarias humanas. As, se clasifica ms apropiadamente la fibra diettica en dos categoras que son insolubles en agua/ fibra menos fermentable: celulosa, hemicelulosa, lignina; y solubles en agua/ fibras de buena fermentabilidad: pectina, gomas y muclagos (Jalili et al. 2001; Matos-Chamorro & Chambilla-Mamani 2010; Dhingra et al. 2011).2. Principales Componentes de la Fibra Diettica

A continuacin se describirn las principales propiedades de los mayores componentes de la fibra diettica.1. Celulosa

Este es el mayor componente de la pared celular en las plantas, una cadena linear ramificada de varios cientos de unidades de glucosa con enlaces -1, 4 glicosdicos, se muestra la estructura bsica en la figura 1. La resistencia mecnica de la celulosa, su resistencia a la degradacin biolgica, baja solubilidad en agua y resistencia a la hidrlisis cida, resultan de los enlaces hidrgeno entre las microfibrillas. Aspinal (1970 citado por Dhingra et al. 2011) estudi que la celulosa es insoluble en lcalis fuertes y una porcin (10-15%), referida como "amorfa", es ms fcilmente hidrolizada con cidos. La celulosa no se digiere en alguna medida por las enzimas del sistema digestivo humano. Figura 1. Estructura bsica de la celulosa

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Hemicelulosa

stos son todos los polisacridos de la pared celular solubilizados por soluciones alcalinas luego de remover los polisacridos pcticos y solubles en agua. Contiene redes troncales de unidades de glucosa con enlaces -1, 4 glicosdicos, pero se diferencia de la celulosa en que son ms pequeas en tamao, conteniendo variedad de azcares (pentosas y hexosas) y estn usualmente ramificadas (Kay 1982). stas contienen mayormente xylosa y agunas galactosa, manosa, arabinosa, y otros azcares (Anita y Abraham 1997 citados por Dhingra et al. 2011). Incluye las sustancias que rellenan los espacios existentes entre las fibrillas de celulosa en las paredes celulares vegetales, por lo que actan como material de soporte pata mantener las clulas juntas. Normalmente es insoluble, pero en condiciones especiales puede ser parcialmente soluble. Se clasifican de acuerdo al monmero del carbohidrato con mayor predominio. Un ejemplo de la complejidad estructural de las hemicelulosas puede observarse con los xiloglucanos de la figura 2, que puede encontrarse en manzanas, patatas y judas, entre otros (Matos-Chamorro & Chambilla-Mamani 2010). Figura 2. Estructura bsica de la hemicelulosa (xiloglucano)

Fuente: Belitz y Grosch (1997) citados por Matos-Chamorro & Chambilla-Mamani (2010)

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Lignina

No es un polisacrido, sino un polmero complejo al azar que contiene unas 40 unidades de fenilpropano oxigenado, incluyendo los alcoholes coniferil, sinapil y p-cumaril que han pasado por una polimerizacin dehidrogenativa compleja (Dhingra et al. 2011). Whistler y Daniel (2000) describen la lignina como el componente ms hidrfobo de la fibra. La lignificacin de las paredes celulares en especial del xilema y el esclerenquima imparte rigidez y dureza a stos tejidos. Por lo tanto, cuando un vegetal se encuentra maduro, ste se hace ms rico en lignina y pierde progresivamente la capacidad de retener agua (Dreher 2001; Matos-Chamorro & ChambillaMamani 2010). Las ligninas varan en peso molecular y en contenido de metoxilo. Debido al fuerte enlace intermolecular, que incluye enlaces carbono-carbono, la lignina es muy inerte, demostrando mayor resistencia que cualquier otro polmero natural (Dhingra et al. 2011).

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Pectina

Las substancias pcticas son un complejo grupo de polisacridos en que el cido D-galacturnico es el constituyente principal. Son componentes estructurales de las paredes celulares y tambin actan como sustancias cementantes intercelulares. La pectina es altamente soluble en agua y es casi completamente metabolizada por las bacterias del colon. Debido a sus propiedades gelificantes, stos polisacridos pueden reducir la velocidad con que se vaca el estmago e influenciar en el tiempo de trnsito intestinal. Esto explica sus propiedades hipoglicmicas (Dhingra et al. 2011).5. Gomas y Muclagos

stos son los tipos de fibra vegetal que no son componentes de la pared celular pero son formados en clulas vegetales especializadas. Se ha reportado que los polisacridos altamente ramificados forman geles, ligan agua y otras materiales orgnicos. Las gomas son exudaciones formadas como respuesta a un trauma, representadas por la goma guar y la goma arbiga (Dhingra et al. 2011). Dentro del grupo de fibras solubles se encuentran tambin otras gomas, las cuales comprenden hidrocoloides diversos, como alginatos, carragenatos, goma de garrofn, konjac, karaya, tragacanto, xantana, gelana, etc (Matos-Chamorro & Chambilla-Mamani 2010). Los muclagos son secretados en el endospermo de las semillas, donde actan para prevenir la excesiva deshidratacin (Dhingra et al. 2011).Los muclagos extrados de algas contienen azcares algo distintos a los de los vegetales terrestres, como la agarobiosa en el agar y los sulfoazcares en las carrageninas; utilizadas en la tecnologa de alimentos (Mateu 2004 citado por Matos-Chamorro & Chambilla-Mamani 2010).6. Oligosacridos Resistentes

Son hidratos de carbono con un nivel de polimerizacin menor. Se dividen en fructooligosacridos (FOS) e inulina, galactooligosacridos (GOS), Xilo-oligosacridos (XO's), isomaltooligosacridos (IMOS) (Ha MA & Mann 2000 citados por Escudero lvarez & Gonzles Snchez 2006).3. Efectos de la Fibra Diettica en la Salud y Nutricin:

Las recomendaciones de la pirmide de alimentos para la fibra diettica estn en el rango de 25 a 30 g/da (USDA 2002 citado por Sangnark & Noomhorm 2004) para USA, mientras que la OMS recomienda de 25 a 40 g/da (Jalili et al. 2001). Para los XO, parte del objeto de este estudio, la dosis mxima permisible depende de factores individuales, esta se ha estimado en 0.12 g/kg de peso corporal para varones japoneses adultos (Moure et al. 2006). Las dietas ricas en fibra, como las de cereales, nueces, frutas y vegetales, tienen un efecto positivo sobre la salud desde que su consumo ha sido relacionado con el descenso de la incidencia de muchas enfermedades. Diferentes tratamientos de procesamiento (como coccin-extrusin, esterilizado-enlatado, molienda, coccin, fritura) alteran las propiedades fisicoqumicas de la fibra diettica y mejoran su funcionalidad (Dhingra et al. 2011). La fibra diettica resiste la accin digestiva humana, sin embargo, las bacterias que habitan el intestino pueden de hecho metabolizar algunos polisacridos de la fibra y crear cidos grasos de cadena corta (actico, propinico y butrico) como metabolitos. stos cidos grasos son generalmente referidos como cidos grasos voltiles (VFA), y son un potencial sustrato energtico para las clulas de la mucosa del intestino grueso. Esto quiere decir que tal vez la idea de que la fibra diettica no es una fuente de energa deba ser reconsiderada. Sin embargo, este punto puede Pgina 7

ser nicamente significante en principio, dado que la contribucin energtica sera muy pequea (Jalili et al. 2001), aunque la FAO reconoce el aporte energtico de la fibra como de 2 kcal/g en promedio (Escudero lvarez & Gonzles Snchez 2006) Hay una creciente conciencia de que la microflora del intestino humano juega un importante rol en el mantenimiento de la salud, tanto con el tracto gastrointestinal como sistemticamente a travs de la absorcin de metabolitos. Aunque se sabe poco sobre las especies individuales de bacterias responsables de estas actividades benficas, es generalmente aceptado que las bifidobacterias y lactobacilos constituyen importantes componentes de la microflora intestinal benfica (Moure et al. 2006). Los XO causan efectos prebiticos cuando se ingieren como parte de la dieta (por ejemplo, como ingrediente activo de alimentos funcionales) mediante la modulacin de la microflora del colon. Desde un punto de vista nutricional, los XO se comportan como polisacridos no digeribles (NDO's) (tambin llamados carbohidratos de cadena corta SCC's), y muestran efectos biolgicos relacionados a los causados por otros oligosacridos, tales como fructo-oligosacridos, galactooligosacridos, oligosacridos del haba de soja, e isomalto-oligosacridos. Estn disponibles recientes artculos de revisin y experimentales sobre la accin prebitica de varios tipos de oligosacridos, incluyendo XO (Moure et al. 2006). Como NDO's, los XO no son degradados por los fluidos gstricos de bajo pH ni por las enzimas digestivas, siendo metabolizados en el intestino grueso. La fermentacin de los carbohidratos en el colon es un problema complejo, porque los productos finales del metabolismo de especies de bacterias dadas, pueden ser usados como sustrato por otras, y algunas otras pueden crecer sobre sustratos que ellas no pueden fermentar. El carcter prebitico de los XO esta principalmente relacionado con su capacidad de estimular especficamente el crecimiento de bacterias benficas (bifidobacteria y lactobacilli). Una evaluacin in vitro de oligosacridos prebiticos comerciales concluye que los XO incrementan el nmero de Bifidobacteria, con ventaja comparativa respecto a otros oligosacridos. Se ha reportado la utilizacin selectiva de los XO como fuente de carbono por las bacterias benficas por Crittenden et al., quien encontr que muchas especies de Bifidobacterium y Lactobacillus brevis fueron capaces de crecer a altos rendimientos usando XO, que fueron tambin eficientemente fermentados por algunas cepas de bacteroides pero no por E. coli, Enterococci, Clostridium difficile o Clostridium perfringens. Se ha afirmado la capacidad de XO con el grado de polimerizacin en el rango de 2-10 para incrementar el nmero de Bifidobacterium y reprimir el crecimiento de Clostridium. Un reciente estudio informa que los efectos benficos de los XO derivan no solo de su capacidad de aumentar las poblaciones de bifidobacteria y latobacilli, sino tambin de la reduccin de las concentraciones de cidos biliares secundarios, que ejercen una accin negativa sobre el colon y presentan un potencial txico dependiente de la dosis relacionado a sus propiedades co-mutagnicas y promotoras de tumores. Se ha afirmado la reduccin de la produccin de cidos biliares secundarios durante el proceso digestivopor suplementos dietticos que contienen XO y cido grasos fisiolgicamente activos (Moure et al. 2006). Adems del crecimiento microbiano, la fermentacin en el colon de los XO lleva a la produccin de CO2, H2, cidos grasos de cadena corta (acetato, propionato y butirato, denotados SCFA) y lactato. stos ltimos pueden ser posteriormente metabolizados sistemtica o localmente para proveer energa al husped. Se ha reportado un nmero de efectos saludables para los SCFA, incluyendo la mejora de la funcin intestinal, absorcin de calcio, metabolismo de lpidos y reduccin del riesgo del cncer de colon, sirviendo como combustible en diferentes tejidos y jugando un rol potencial en la regulacin de procesos celulares.

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Enfocados en los efectos de los XO en el intestino, estudios en ratas han demostrado la capacidad de los oligosacridos feruloilados para estimular el crecimiento de Bifidobacterium bifidum, mostrando una alta biodisponibilidad de enlaces cido ferulicos en comparacin con los compuestos libres, causando efectos favorables sobre la microbiota intestinal que pude afectar el desarrollo de lesiones precancerosas en el colon. En un principio los estudios in vitro con XO de bajo DP y XO lineales fueron seguidos por posteriores ensayos con XO complejos para resaltar los efectos del peso molecular y estructura (incluyendo la presencia y tipo de sustituyentes) sobre sus patrones de degradacin en el colon. Los efectos de la estructura de los XO sobre la degradabilidad fueron evaluados por Van Laere et al., quienes probaron la ruptura de XO lineales y continentes de arabinosa por muchas cepas de Bifidobacterium, Clostridium, Bacteroides, y Lactobacillus. La lenta fermentacin de XO ramificados respecto a los XO lineales lleva auna alta produccin de cido butrico, que puede resultar en efectos ms desventajosos, mientras que la presencia de sustituyentes ferulicos puede promover el crecimiento de bacterias benficas. Kabel et al, estudiaron la fermentacin de cuatro diferentes tipo de XO (acetilados, lineales, sustituidos con cidos urnicos y arabino-XO) por un inculo fecal, encontrando que los arabino-XO y los XO lineales fueron fermentados ms rpidamente que los otros sustratos durante las primeras 20 horas, y que luego de este tiempo de adaptacin, la velocidad de degradacin fue la misma para todos los sustratos probados. La fermentacin result en un aumento del material celular y en una acumulacin de relativamente XO altamente sustituidos con DP en el rango de 5-7. SCFA y lactato fueron formados durante la fermentacin y sus concentraciones se incrementaron con el consumo de los XO totales. La fermentacin present dos etapas, la primera conduciendo mayormente a la formacin de acetato y lactato, y la segunda llevando a la produccin de butirato y propionato (Moure et al. 2006). Una administracin controlada de XO puede ayudar a contener el crecimiento de bacterias patgenas, retardando los desrdenes causados por fermentacin desbalanceada en el colon y evitando desrdenes intestinales tales como constipacin, enfermedad inflamatoria intestinal, diarrea y gastritis. Se ha encontrado la ingesta de XO como altamente efectiva para la reduccin del extreimiento grave en mujeres embarazadas sin efectos adversos. Se afirma que una frmula nutricional infantil que contiene XO tiene efectos sinergticos a lo largo del tracto intestinal, mejorando la maduracin de la barrera intestinal. Los XO pueden ser mezclados con otros prebiticos para alcanzar efectos sinergticos o hacer parte de preparaciones sinbiticas junto con microorganismos prebiticos. Patentes recientes se han publicado sobre ste ltimo tema (Moure et al. 2006; Delcour et al. 2008).4. Determinacin de Fibra

La concentracin de fibra ha sido una medicin til para describir piensos y forrajes, as como para estimar valores de energa por cerca de 150 aos. Se han propuesto numerosos mtodos para determinar fibra diettica, y algunos se han convertido en anlisis de rutina para la investigacin y el uso prctico. Posteriormente se desarroll el sistema de anlisis proximal para semillas. El contenido de carbohidratos se determinaba por diferencia. Se dispusieron mtodos para la determinacin de agua y lpidos, pero se identific una fraccin fibrosa insoluble que no era digerida. Esta observacin llev al desarrollo de un mtodo para fibra cruda, usando digestiones cidas y alcalinas sucesivas para aislar la fraccin indigestible (Dhingra et al. 2011) El diccionario de Bender define as la fibra cruda: El trmino que se da a la parte no digerible de los alimentos, definido en el Acta de Fertilizantes y Piensos del Reino Unido de 1932, como el residuo luego de la extraccin sucesiva bajo condiciones especificadas con ter de petrleo, cido sulfrico al 1,25%, hidrxido de sodio al 1,25%, menos la ceniza. No tiene relacin con la fibra diettica (Bender Pgina 9

2006a). El mtodo de la fibra detergente-neutra de Goering y Van Soest en 1970 meda la fibra insoluble y lignina, proveyendo la primera herramienta analtica confiable para estimar las principales porciones de la fibra diettica. Esta tcnica, sin embargo, emplea mediciones gravimtricas insensibles y es inadecuada para alimentos ricos en fibras solubles (Dhingra et al. 2011). La fibra diettica se puede determinar por diferentes mtodos, mayormente por: mtodos enzimticogravimtricos y enzimtico-qumicos (Dhingra et al. 2011). As, un simple mtodo in vitro con pepsina y pancreatina fue propuesto para la determinacin de los residuos no digeribles (fibra diettica) el contenido del cuerpo humano. El uso de pepsina y pancreatina da la mxima digestin de protena y almidn, y por lo tanto se obtiene un residuo mnimo. Los autores concluyeron que la determinacin de la fibra diettica debe basarse en el uso de las enzimas digestivas (Hellendoorn et al. 1975). La tcnica de Southgate (Southgate 1976) de extractos de ambas fibras solubles e insolubles para el anlisis incluye las estimaciones de la lignina, adems que utiliza tcnicas calorimtricas bastante inexactas para el anlisis de azcar y no se puede eliminar el almidn de algunos alimentos. El mtodo de Theander y Aman (1979) puede proporcionar una de las mejores tcnicas disponibles para medir el total de fibra, soluble e insoluble, pero no separado de la celulosa polisacridos no solubles y no celulsicos. Una serie de mtodos de anlisis de fibra diettica se han utilizado en el Reino Unido en los ltimos aos con el propsito del etiquetado de los alimentos de nutricin (Dhingra et al. 2011). Los mtodos qumico-enzimticos consisten en la extraccin enzimtica de almidn, la precipitacin con un 80% (v / v) de etanol para separar la fibra diettica soluble de los polisacridos de azcares de bajo peso molecular y los productos de hidrlisis del almidn (Dhingra et al. 2011).

2.

Bagazo de Caa de Azcar

El bagazo, fibra residual de la caa de azcar despus de la molienda, es un combustible natural para producir vapor en las fbricas azucareras. Es de tamao uniforme con longitud promedio de 57.5 cm. y no excede de los 2 cm. de ancho. El rango de densidad vara entre 120-160 kg/m. Este consiste de fibra, agua, slidos solubles y cenizas pero es importante conocer su composicin qumica que afecta su uso como combustible y el mtodo por el cual puede ser quemado tcnica y econmicamente. El bagazo tambin contiene elementos considerados como materia extraa, clasificados como: materia extraa mineral y vegetal. La primera, est constituida por silicio, magnesio, calcio, sodio, potasio, xidos de azufre, hierro, ente otros. La segunda, por residuos de cosecha como hojas secas o verdes, cogollos, chulquines, lalas y cepas (Paz et al. 2007). El bagazo de caa de azcar tiene cerca de 40-50% de celulosa (de estructura cristalina), 30-35% de hemicelulosas, y 20-30% de lignina, adems de una pequea cantidad de minerales, aceites y otros compuestos, que no pueden separarse fcilmente en componentes utilizables debido a la naturaleza recalcitrante del bagazo (Jacobsen & Wyman 2002; F. Peng et al. 2009).

3.

Polmeros Derivados de la Hemicelulosa

Los materiales Lignocelulsicos (LCM) son heterogneos y presentan una naturaleza qumica compleja. Las hemicelulosas son el segundo material vegetal renovable ms abundante despus de las celulosas. Son heteropolisacridos presentes en grandes cantidades en plantas anuales y madereras, donde se hallan interconectadas con la celulosa y la lignina en la pared celular. Sin embargo la hemicelulosa est asociada con la celulosa por medios fsicos y enlaces de hidrgeno, y Pgina 10

esta ligada a la lignina por enlaces covalentes (mayormente enlaces alfa-benzyl ter) Su beneficio integral puede lograrse por medio de un fraccionamiento qumico, siguiendo la filosofa del "refinado de biomasa", basada en la separacin especfica de los principales componentes para producir una variedad de bioproductos de alto valor agregado (Moure et al. 2006; Carvalheiro et al. 2008). Los ms abundantes polmeros hemicelulsicos son los xilanos, hechos de unidades de xilosa. Los XO se producen de LCM continente de xilanos por mtodos qumicos. Los xilanos son los polmeros con la mayor distribucin y presencia como componente hemicelulsico de la pared celular. La cadena bsica de los xilanos est compuesta de -D-xilosa con uniones 1-4 y uniones unitarias a unidades de cido (4-O-metil)--D-glucopiranosilurnico y -L-arabinofuranosa. Esta ltima unidad puede estar a su vez sustituida conformando una cadena ramificada con componentes que pueden comprender a la D-galactosa, L-galactosa y D-xilosa (Matos-Chamorro & ChambillaMamani 2010). Los arabinoxilanos solubles en agua (pentosanos) tienen una importancia funcional por su capacidad de ligar agua y la habilidad de incrementar la viscosidad, aspecto importante en la elaboracin de las masa de bollera. Por su parte, la fraccin insoluble aporta otras caractersticas ms adecuadas para otro tipo de productos, como las galletas, a las que confiere caractersticas de menor humedad y elasticidad (Jeltema et al. 1983; Matos-Chamorro & Chambilla-Mamani 2010). Los xilooligosacridos (XO) son oligmeros de azcares compuestos fundamentalmente por unidades de xilosa. Se obtienen industrialmente a partir de los MLC (materiales lignocelulsicos), aunque aparecen tambin en otro tipo de materiales como los frutos, la leche o la miel. MLC tpicos para la produccin de XO son las maderas duras y materiales agrcolas como maz, pajas, bagazos, cscaras y salvados, que presentan la caracterstica comn de tener destacables proporciones de xilanos. Los XO tienen aplicaciones en diversos campos: Agricultura: como estimulantes y aceleradores del crecimiento. Alimentacin animal: para animales domsticos y para peces. Campo farmacutico: para prevencin y tratamiento de enfermedades gastrointestinales, tratamiento de dolencias como osteoporosis, otitis, prurito cutneo y problemas de pelo y piel. Alimentacin humana: ingredientes de alimentos reforzados, alimentos especiales (dietas antiobesidad) o alimentos simbiticos (que contienen microorganismos adems de principios alimentarios con efectos positivos sobre la salud).1. Consideraciones Econmicas y de Mercado para Xilo-oligosacridos

Las ms importantes aplicaciones de los XO en trminos de la demanda actual y potencial corresponde a ingredientes para alimentos funcionales (por ejemplo, en combinacin con leche de soja, bebidas suaves, bebidas de te o cocoa, preparaciones nutritivas, productos lcteos con leche, leche en polvo y yogurt, caramelos, bizcochos, pasteles, pudines, jaleas, mermeladas y productos de miel, y preparaciones especiales para alimentacin saludable de personas mayores y nios) o como componentes activos de preparaciones simbiticas. El origen del trmino "alimento funcional" puede ser hallado en Japn, donde el concepto de alimentos diseados para ser mdicamente beneficiosos para el consumidor ha evolucionado durante la dcada de 1980. El trmino se refiere a la prctica de fortificar alimentos aadiendo ingredientes que pueden conferir efectos saludables sobre el consumidor. El mercado de los alimentos funcionales esta creciendo rpidamente, basado Pgina 11

en la conciencia del consumidor de la relacin entre salud, nutricin, y dieta como tambin en el inters de los fabricantes de alimentos debido al valor agregado que los ingredientes aadidos otorgan al alimento. Esto es particularmente aplicable a los XO, para los que se ha reportado un precio de venta de 2500 yenes/kg (el ms alto entre 13 diferentes tipos de oligosacridos) en 2006, y 34-36 dlares en 2011 (Jiaxing Sunlong Industrial & Trading Co., Ltd. 2011). La misma referencia reporta un total de produccin de 650 toneladas de XO al ao en Japn, que representa alrededor de la mitad del mercado mundial. Sin embargo, se espera un rpido crecimiento en el mercado norteamericano. La fabricacin de probiticos esta creciendo, pero su explotacin a largo plazo como promotor de la salud depende de muchos factores, incluyendo la evidencia clnica cientficamente probada de actividad promotora de la salud, informacin al consumidor, estrategias efectivas de marketing, y sobre todo, una calidad de producto que satisfaga las expectativas del consumidor. La modulacin del sistema inmune por los oligosacridos y su rol en la reduccin de las enfermedades relacionadas con el estilo de vida, as como el mantenimiento y mejora de la salud humana ha sido citada como un rea de importancia creciente. Con el incremento de la conciencia de salud entre los consumidores y el rpido progreso de los alimentos funcionales fisiolgicamente activos, el perfil de futuro de los productos que contienen oligosacridos con actividad biolgica parece ser muy prometedor (Moure et al. 2006).

4.

Extraccin de Fibra Diettica a Partir de Bagazo de Caa de Azcar

Se pueden considerar los procesos de extraccin de fibra diettica como procesos de biorefinera, que involucra la continua separacin de los componentes de inters para su aislamiento o tratamiento posteriores (Carvalheiro et al. 2008; Dottori et al. 2010). Los componentes de la fibra diettica que se describieron anteriormente, son tratados como productos o materia prima para nuevos productos, segn sea el objeto de la extraccin la celulosa, la lignina, la hemicelulosa o alguna goma. La celulosa es el componente ms estudiado desde inicios de la biorefinera, principalmente para obtener alcohol, papel y conglomerados (Caparrs Jimnez 2008; Carvalheiro et al. 2008; Dottori et al. 2010). Se ha reportado el rendimiento de la extraccin alcalina de biomasa vegetal como de 50% de las hemicelulosas disponibles (Doner y Hicks 1997 citados por F. Peng et al. 2009) La hidrlisis en cido diluido de las hemicelulosas es el proceso en un solo paso ms difundido (Jacobsen & Wyman 2002). El pretratamiento afecta significativamente el costo de convertir celulosas en otros azcares, cerca del 40% del costo total. Por lo que el pretratamiento debe ser mejorado para que los costos compitan con los de productos convencionales. Los pretratamientos innovadores pueden tambin recuperar co-productos que mejoraran los ingresos e incrementaran el impacto de la fuente de biomasa (Jacobsen & Wyman 2002). Con el continuo lavado con agua a travs de la biomasa se alcanza un alto rendimiento en azcares desde la hemicelulosa sin necesidad de aadir cido, aunque otros reportan resultados similares empleando cidos diluidos (Torget et al. 1996 citado por Jacobsen & Wyman 2002). Es ms, cerca de la mitad de la lignina es removida en tales sistemas de flujo continuo, y la celulosa remanente es altamente digestible. El hidrolizado lquido resulta menos inhibidor para los microorganismos fermentativos, lo que reduce los costos de acondicionamiento. Desafortunadamente, se emplean grandes volmenes de agua, que diluyen la concentracin del producto, resultando en altos costos de energa tanto para el pretratamiento como en la recuperacin del producto (Jacobsen & Wyman 2002). Adicionalmente, las configuraciones frecuentemente Pgina 12

usadas de contracorriente son difciles de implementar comercialmente. Dependiendo del tratamiento que se elija para la extraccin, variar la composicin de los slidos desgastados. La figura 3 resume grficamente la composicin de los slidos de desecho luego de distintos tratamientos sobre biomasa vegetal. Figura 3. Composicin de tratamiento de biorefinera los slidos desgastados segn el

Fuente: (Carvalheiro et al. 2008)

Se han reportado estudios recientes sobre la fabricacin de XO por procesado qumico de una variedad de materias primas, incluyendo residuos de cultivos, bagazo de caa de azcar, maderas duras, mazorcas de mas, cscara de cebada, granos gastados de cervecera, cscaras de almendras, rastrojos y fibra de maz, cscaras de arroz, lino de shive, paja de trigo y bamb. La informacin sobre estos estudios se encuentra disponible en trabajos de revisin, como el de Moure et al. (2006). Los principios bsicos de la produccin de XO a partir de un MLC adecuado son simples: se parte de una materia prima rica en xilano y se rompen algunos de los enlaces ter heterocclicos del esqueleto del xilano, formndose oligmeros de diferente grado de polimerizacin. Podemos clasificar los mtodos de obtencin de XO en tres clases (Moure et al. 2006): Tratamientos enzimticos de la materia prima. Fraccionamiento qumico de la materia prima para aislar o solubilizar el xilano y posteriormente fraccionarlo mediante enzimas a XO. Fraccionamiento hidrotrmico de la materia prima, solubilizando el xilano a una mezcla de XO.

Es posible la produccin directa de XO a partir de un MLC adecuado, como en el caso de la produccin de XO a partir de frutos de ctricos por mtodos enzimticos. Cuando el procesado acuoso de la LCM continente de xilanos (autohidrlisis o tratamiento hidrotrmico) se lleva a cabo bajo condiciones operacionales adecuadas, las cadenas de hemicelulosa se van rompiendo progresivamente por la accin hidroltica de los iones hidronio Pgina 13

(generados por la autoionizacin del agua y desde cidos orgnicos generados in situ), produciendo productos solubles (mayormente oligosacridos), y dejando la celulosa y lignina en fase slida con alguna pequea alteracin qumica (Moure et al. 2006). En los tratamientos de autohidrlisis, los XO se comportan como productos intermedios de una reaccin tpica, y se logra su concentracin mxima bajo condiciones de mediana severidad. La distribucin de los pesos moleculares depende del sustrato empleado y de las condiciones de la reaccin. El incremento de la severidad del tratamiento lleva a reducir el grado de polimerizacin, pero tambin a incrementar la descomposicin de los XO en xilosa (Moure et al. 2006). Una posible alternativa para la produccin de XO por mtodos combinados qumico-enzimticos es someter el MLC seleccionado a un pretratamiento qumico (con agentes oxidantes, sales o alcoholes) a fin de eliminar la lignina y las sustancias pcticas. Mediante un tratamiento alcalino (con NaOH, KOH, Ca(OH)2 o NH3) se solubiliza el xilano en forma de polmeros y/o oligmeros. Este tratamiento se ve favorecido por la estabilidad del xilano a pH alcalino. El xilano solubilizado por tratamientos custicos puede recuperarse por precipitacin con compuestos orgnicos, como alcoholes o cetonas. De resultar necesario, es posible reducir el grado de polimerizacin en posteriores etapas de hidrlisis enzimtica con xilanasas (Caparrs Jimnez 2008). Cuando los XO son producidos por tratamientos con agua o vapor, una variedad de otros compuestos (incluyendo monosacridos, cido actico, productos derivados de la fraccin de lignina extractables y acido-solubles de la materia prima, furfural de la deshidratacin de la pentosa, componentes inorgnicos solubles de la materia prima, y productos derivados de protenas) aparecen en los medios de reaccin. A fin de producir XO de grado alimentario, los licores de la autohidrlisis tienen que ser refinados removiendo tanto los monosacridos como los compuestos no-sacridos, para obtener un concentrado con un contenido de XO tan alto como sea posible. La pureza habitual de los XO comerciales se encuentra en el rango de 75-90 % (Moure et al. 2006; Jiaxing Sunlong Industrial & Trading Co., Ltd. 2011). La purificacin de los XO obtenidos por procesado enzimtico de los sustratos que contengan xilano susceptible, es facilitada por un previo procesado qumico del material lignocelulsico crudo, as como por la accin especfica de las xilanasas (Moure et al. 2006). La purificacin de los licores de autohidrlisis es un problema complejo, y puede requerir procesado multi-etapas para la reaccin y/o fraccionamiento. Por ejemplo, en reacciones de autohidrlisis de una sola etapa, una parte significativa de la materia prima disuelta corresponde a compuestos fcilmente extrables (por ejemplo, ceras, compuestos fenlicos de bajo peso molecular y compuestos inorgnicos solubles), que pueden ser removidos por un previo tratamiento hidrotrmico leve, dejando a los polmeros hemicelulsicos prcticamente intactos y listos para su posterior conversin hidroltica bajo condiciones ms duras. Basados en esta idea, se han realizado dos tratamientos acuosos consecutivos de severidad creciente (el primero con la intencin de remover los compuestos fcilmente extrables, y el segundo con la intencin de la solubilizacin selectiva de las hemicelulosas) para obtener tanto XO con mayor pureza o soluciones con susceptibilidad mejorada para posteriores tratamientos de refinacin. Algunos esquemas de procesado empiezan con una etapa de evaporacin al vaco con el fin de incrementar tanto la concentracin de XO como remover componentes voltiles no deseados. La extraccin con solventes es til para remover componentes no-sacridos de los licores de autohidrlisis, produciendo tanto una fase acuosa refinada selectiva y una fraccin soluble en el solvente principalmente de compuestos fenlicos y compuestos derivados de la extraccin. Se han Pgina 14

reportado propiedades antioxidantes para los componentes solubles en acetato de etilo de los licores provenientes del procesado hidroltico de biomasa, sugiriendo la posiblidad de lograr un beneficio integral de las muchas fracciones de la autohidrlisis de material lignocelulsico (fase acuosa conteniendo oligosacridos proveniente de la extraccin con solvente de los licores, fase orgnica conteniendo antioxidantes proveniente de la extraccin con solvente de los licores, y una fase slida enriquecida en celulosa proveniente de los tratamientos de autohidrlisis) (Moure et al. 2006). La precipitacin por solventes de los licores se ha empleado para refinar XO usando etanol, acetona y 2-propanol. El grado de purificacin y el rendimiento de recuperacin dependen del solvente empleado y del material lignocelulsico crudo, que controlan el patrn de sustitucin de XO y la posible presencia de estabilizantes y componentes no-sacridos. Como la presencia de aunque sea mnimas cantidades de agua limita la precipitacin de productos derivados de hemicelulosa, la extraccin con solventes de licores de autohidrlisis liofilizados se ha llevado a cabo usando los mismos solventes empleados para la precipitacin. Los mejores efectos de purificacin se han logrado con etanol, pero el proceso muestra rendimientos de recuperacin limitados. Se ha empleado la adsorcin en combinacin con otros tratamientos para el refinado de XO, con la intencin bien de separar los oligosacridos de los monosacridos o de remover los compuestos no deseados (Moure et al. 2006). Se ha realizado una separacin cromatogrfica para la purificacin de XO a un nivel analtico, produciendo fracciones de alta pureza. Por ejemplo, muestras de materiales lignocelulsicos tratados hidrotrmicamente han sido fraccionados por cromatografa de intercambio aninico y cromatografa de exclusin de tamao, mientras que las tcnicas cromatogrficas se han empleado para refinar muestras antes de la caracterizacin estructural de XO, por ejemplo por C NMR o MALDI-TOF o espectrometra de masas con nanospray. La cromatografa de simulacin de lecho mvil tambin ha sido propuesta para la purificacin de oligosacridos compuestos por unidades de xilosa y arabinosa, visto que la cromatografa de exclusin de tamao se ha empleado en combinacin con otras tcnicas para purificacin de oligosacridos feruloilados. Jacobs et al. purificaron productos derivados de la hemicelulosa del lino mediante tratamientos hidrotrmicos con microondas empleando cromatografa de intercambio inico y/o cromatografa de exclusin de tamao en combinacin con procesamiento enzimtico (Moure et al. 2006). EL intercambio de iones se ha empleado para purificacin de XO slo uno o en procesado multietapas, buscando principalmente la desalinizacin y remocin de otros compuestos no deseados. Las membranas estn ganando importancia en la tecnooga de los XO para una variedad de propsitos, incluyendo su generacin por reacciones enzimticas, refinado y concentracin. Se ha empleado la ultrafiltracin como una alternativa a la precipitacin con etanol para el aislamiento de arabinoxilo-oligosacridos de arabinoxilanos enzimticamente hidrolizados, llevando a fracciones con similar grado de polimerizacin y grado de sustitucin que los precipitados. Izumi et al. emplearon membranas para concentrar hidrolizados enzimticos de pulpas lignocelulsicas, y Yuan et al. emplearon membranas de nanofiltracin para concentrar XO obtenidos por ruptura enzimtica de xilano a partir de marlos de maz sometidos a vapor, mientras que se ha empleado pasos secuenciales basados en membranas para concentrar y fraccionar XO en procesos de purificacin multietapa. Se han reportado estudios relacionados con las membranas para la separacin de la glucosa de la lactosa, separacin de monosacridos de di- y oligo-sacridos a partir de un medio de almidn hidrolizado, purificacin de galacto-oligosacridos y fructo-oligosacridos por nanofiltracin, remocin de monosacridos de fracciones oligosacridas de la miel, procesado combinado de ultrafiltracin y nanofiltracin de fucto-oligosacridos e inulopolisacridos, sntesis de galactosil-oligosacridos de la lactosa, recuperacin de oligosacridos lcteos, separacin de pectato oligosacridos de pectato enzimticamente hidrolizado, purificacin de oligosacridos de Pgina 15

harinas desengrasadas de soja, purificacin de oligosacridos de la leche y produccin de leche baja en lactosa conteniendo oligosacridos.

4. Materiales y Mtodos. 1. Materiales1. Materia Prima y Reactivos

Se emplearon: Bagazo de caa de azcar. Etanol absoluto (99,9%) para anlisis. Agua destilada.2. Equipos e Instrumentos

Se emplearon: Probeta de 250 ml. Vaso de precipitados de 200 ml. Olla a presin. Balanza electrnica. Papel filtro. Embudo. Recipientes plsticos.

2.

Mtodos1. Autohidrlisis de la Hemicelulosa del Bagazo de Caa

Se emple bagazo de caa de azcar, procedente de la localidad de Cocachacra (Islay, Arequipa) y adquirida en la Feria del Altiplano a un puesto de venta de jugo de caa. La caa fue lavada con agua a temperatura ambiente (Torget et al. 1996 citado por Jacobsen & Wyman 2002) durante media hora para facilitar y secada al sol en el secadero de plantas de la EPIIA. Se pesaron 30 g del bagazo y se adicion agua hasta completar 1000 ml, para obtener un ratio de bagazo/agua de 3% (Jacobsen & Wyman 2002). La autohidrlisis se realiz por 10 minutos para obtener fracciones de hemicelulosa ms solubles en el agua (Jacobsen & Wyman 2002; Moure et al. 2006).2. Separacin por Precipitacin de Oligosacridos Derivados de Hemicelulosa (xilo-oligosacridos)

Se midi a temperatura ambiente el volumen del licor de autohidrlisis, y se redujo al 16% del Pgina 16

original (F. Peng et al. 2009). Luego se aadi poco a poco etanol al 95%, mientras se agita suavemente, hasta lograr que la concentracin final sea de 60% (F. Peng et al. 2009). Posteriormente se filtra la mezcla anterior y se lava el retenido con etanol al 70% (F. Peng et al. 2009). El retentado se seca para remover agua y etanol residuales, para finalmente pesarse.3. Preparacin del Producto tipo Harina Rico en Fibra Diettica Insoluble

Los slidos gastados por la autohidrlisis se recuperaron al final del proceso hidrotrmico, se pesaron y secaron para ser luego molidos en un molino de disco manual. El polvo resultado de la molienda luego es pesado y envasado (Andrews 1992; Sangnark & Noomhorm 2004; Moure et al. 2006). La figura 4 resume los pasos del experimento realizado en esta investigacin. Figura 4. Esquema de las operaciones y parmetros empleados para obtener un producto tipo harina alto en fibra diettica insoluble y un concentrado en polvo de xilo-oligosacricos

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5. Resultados y Discusiones.Luego del lavado y secado del bagazo, se determin la humedad por el mtodo de Anwar (2010), siendo el resultado 15%, encontrndose en el margen de humedad del bagazo que se almacena (Chen & Chou 1993) e inferior a los valores de humedad del bagazo recin obtenido tras su procesamiento en una industria de extraccin de azcar (Anwar 2010). El ratio de bagazo/agua escogido fue de 3%, debido a que hay reportes que mostraron que con este valor se obtienen Pgina 18

mayores rendimientos de oligmeros de xilosa (Jacobsen & Wyman 2002) la misma fuente seala tambin un tiempo ptimo de 10 minutos, que fue el empleado en la experiencia. Los resultados de la autohidrlisis se muestran en en cuadro 1. Cuadro 1. Resultados de la autohidrlisis del bagazoPeso de bagazo (g) 30 pH inicial 6 pH final 5 Bagazo agotado Bagazo agotado Licor de hidrlisis hmedo (g) seco (g) (ml) 90,54 24,49 500

El descenso del pH luego de la autohidrlisis tambin concuerda con otras investigaciones (Jacobsen & Wyman 2002; Alonso et al. 2003), debido a que se liberan grupos acetil durante la autohidrlisis, que forman luego cantidades pequeas de cido actico que contribuyen a la formacin de iones hidronio (Jacobsen & Wyman 2002; Alonso et al. 2003; Moure et al. 2006). Los slidos agotados de la autohidrlisis son ricos en fibras dietticas insolubles (Alonso et al. 2003; Moure et al. 2006; Carvalheiro et al. 2008; F. Peng et al. 2009) que luego sern procesadas por secado y molienda en un producto tipo harina similar a otros productos de fibra del bagazo (Andrews 1992; Sangnark & Noomhorm 2004; Anioa et al. 2009). El licor de autohidrlisis se redujo luego a 80 ml (cuadro 2) en concordancia con F. Peng et al. (2009) quienes redujeron 250 ml a 40 ml, por evaporacin. Los 500 ml representan 50% del total de la mezcla bagazo/agua. Cuadro 2. Reduccin de volumen del licor de hidrlisis obtenidoLicor de hidrlisis (ml) 500 Licor de hidrlisis reducido (ml) 80

Para recuperar los xilo-oligosacaridos del licor de hidrlisis, que contiene adems otros derivados de la hidrlisis, se emple la precipitacin o extraccin por solventes (Alonso et al. 2003), eligindose el etanol por la alta pureza en xilo-oligosacaridos que se obtiene (Moure et al. 2006). Para ello se emple etanol absoluto diluido luego al 95% (F. Peng et al. 2009; Broekaert & Courtin 2011) de concentracin v/v, hasta llegar a 60% de concentracin v/v, porque como se reporta (F. Peng et al. 2009; Broekaert & Courtin 2011) esta concentracin da mejores resultados para xilo-oligosacaridos y otros oligosacridos que contienen arabinosa o galactosa como sustituyentes, aumentando la proporcin de arabino-xilooligosacridos conforme aumenta la concentracin (F. Peng et al. 2009). El cuadro 3 muestra el volumen de permeado que se obtuvo tras filtrar el licor de autohidrlisis aadido de la solucin de alcohol al 95%, y que presenta las la mezcla un contenido de etanol de 60%. Cuadro 3. Volumen autohidrlisis permeado luego del filtrado del licor de

Licor de hidrlisis reducido (ml) 80

Filtrado (ml) 218

Luego se lav el retentado de la filtracin con solucin de etanol al 70%, conforme a F. Peng et al. (2009). Los resultados se muestran en el cuadro 4.

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Cuadro 4. Precipitado (retentado) luego del lavado con etanol al 70%Precipitado hmedo sin lavar (g) 3,09 Precipitado lavado hmedo (g) 2,40

El retentado ya lavado se sec luego, en un horno de microondas por 20 minutos a 700 watts de potencia como seala Anwar (2010), la humedad de este retentado fue de 83,33%. El cuadro 5 muestra el peso del retentado, ya en polvo, y que contendra xilo-oligosacaridos en una proporcin de 30% (Alcida Nabarlatz 2006), junto a otros oligosacridos sustituidos como galactooligosacridos y arabinoxilo-oligosacridos (Broekaert & Courtin 2011). La figura 5 muestra el rendimiento de xilo-oligosacridos recuperados por precipitacin selectiva con etanol al licor de hidrlisis (para mazorcas o marlos de maz). Figura 5. Rendimiento de xilo-oligosacridos recuperados precipitacin selectiva con etanol (Alcida Nabarlatz 2006) por

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Cculo: Estimacin de la cantidad de XO presente en el licor; Tringulo invertido: polvo total recuperado por precipitacin con etanol; Cuadrado: estimacin de la cantidad de XO, GO y monmeros presentes en el licor de hidrlisis; Rombo: XO y GO recuperados por precipitacin con etanol; Tringulo: polvo total recuperado por precipitacin con etanol (repeticin). En funcin al tratamiento de 169C.

Cuadro 5. Producto (polvo) obtenido tras el secadoPrecipitado lavado hmedo (g) 2,40 Polvo concentrado (g) 0,4

El rendimiento del producto en polvo concentrado de XO se muestra en el cuadro 6. Cuadro 6. Rendimiento general de la obtencin del concentrado en polvo de XOBagazo con 15 % Producto concentrado de humedad (g) de XO (g) 30 0,4 Rendimiento BH (%) 1,33 Rendimiento BS (%) 1,57

Se ha reportado un rendimiento para un tratamiento hidrotrmico, de fracciones de hemicelulosa hidrolizada de bagazo de caa de azcar y precipitada con solucin de etanol hasta 60%, de 2,9% en base seca (F. Peng et al. 2009), que es superior en 0,33% base seca al valor hallado en esta investigacin. La misma fuente seala rendimientos de 4,6% y 4,2% en base seca, para tratamientos hidrotrmicos con adicin de NaOH al 1 y 3% respectivamente. Esto en concordancia a otros trabajos (Alcida Nabarlatz 2006; Carvalheiro et al. 2008; F. Peng et al. 2010; Dottori et al. 2010) que sealan que los tratamientos alcalinos tienen un rendimiento superior de extraccin de hemicelulosas, pudiendo extraer hasta 50% de la hemicelulosa disponible, sin embargo requiere de tratamientos posteriores para lograr productos de grado alimentario (Moure et al. 2006; Alcida Nabarlatz 2006; Dhingra et al. 2011). Como contrapartida al inferior rendimiento, los XO obtenidos por autohidrlisis presentan un rico patrn de substitucin, conservando las principales caractersticas estructurales del xilano nativo. Por ejemplo, nicamente una parte de los grupos ster Pgina 21

son escindidos en los tratamientos hidrotrmicos, en comparacin con la saponificacin causada por los procesos que involucran etapas de alcalinizacin (Moure et al. 2006). El cuadro 7 compara los rendimientos de concentrado tras la precipitacin con etanol a 60% con los de F. Peng et al. (2009). Cuadro 7. Comparacin del rendimiento obtenido de concentrado en polvo con los de F. Peng et al. (2009) por precipitacin con etanol 60%Experimental Tratamiento hidrotrmico Rendimiento (%) 1,57 Tratamiento hidrotrmico Rendimiento (%) 2,9 F. Peng et al. (2009) Solubilizacin con NaOH 1% Rendimiento (%) 4,6 Solubilizacin con NaOH 3% Rendimiento (%) 4,2

Los slidos gastados de la autohidrlisis se sometieron a secado por el mtodo de Anwar (2010), los resultados del mismo se muestran en el cuadro 8, los rendimientos de la molienda se muestran en el cuadro 9. Cuadro 8. Humedad de los slidos gastados (bagazo agotado) por la autohidrlisisBagazo agotado hmedo (g) 90,54 Bagazo agotado Humedad (%) seco (g) 24,49 72,95

Cuadro 9. Rendimiento de la molienda para obtencin de producto tipo harina rico en fibra insolubleBagazo agotado seco (g) 24,49 Producto tipo harina (g) 19,83 Rendimiento de molienda (%) 80,97

El producto tipo harina tiene alto contenido de fibras no solubles, como la celulosa, lignina y hemicelulosa insoluble (Andrews 1992; Carvalheiro et al. 2008). Un producto similar al elaborado tiene 89,1% de carbohidratos totales y 87,97% de fibra diettica total (Andrews 1992). El rendimiento global para ambos productos puede apreciarse en el cuadro 10. Cuadro 10. Rendimiento global del proceso de obtencin de fibra diettica experimentalBagazo de caa de azcar Concentrado de XO 15 % humedad Rendimiento (% BS) 30 1,57 Productos Producto tipo harina Rendimiento (% BS) 77,76 Total Rendimiento (% BS) 79,33

El rendimiento total de ambos producto fue de 79,33% en base seca, menor al 95,4% de fibra diettica disponible en el bagazo de la caa de azcar (base seca) (Anwar 2010). Esto debido en parte a prdidas de producto tipo harina en la molienda y a las condiciones de Pgina 22

autohidrlisis ((Alcida Nabarlatz (2006) emple 160C, la presente investigacin 150C estimados para la olla a presin), adems de otras prdidas en trasiegos. Los principales cuellos de botella del proceso se encuentran en el proceso de autohidrlisis, as como en el secado y filtracin luego de la precipitacin.

6. Conclusiones Se logr obtener un producto tipo harina rico en fibra diettica insoluble (principalmente celulosa, lignina y hemicelulosa insoluble) y un concentrado en polvo de una fibra diettica soluble (xilo-oligosacridos) a partir del bagazo de caa de azcar, como productos de un proceso de autohidrlisis sin adicin de qumicos.

7. Recomendaciones Se recomienda emplear reactores cerrados para poder ensayar la extraccin a mayores temperaturas de autohidrlisis. Se recomienda emplear membranas como mtodo de purificacin de xilo-oligosacridos, para su produccin a mayor escala. Se recomienda realizar anlisis de composicin del polvo concentrado para conocer su composicin en xilosas y galactosas como sustituyentes en la cadena principal del oligosacrido. Se recomienda aprovechar las propiedades prebiticas de los xilo-oligosacridos y moduladoras del tiempo de trnsito intestinal de las fibras insolubles, para enriquecer productos compatibles con su funcionalidad.

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