TRABAJO DE DIPLOMA Sustitución de la hidrólisis ácida por ...

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Universidad Central Marta Abreu de Las Villas

Facultad de Química-Farmacia

Departamento de Ingeniería Química

TRABAJO DE DIPLOMA

”Sustitución de la hidrólisis ácida por la enzimática en

la obtención de jarabes glucosados utilizando almidón

de maíz como sustrato.”

Autor: José Ernesto Morejón Cruz.

Tutores: Ing. Claudia Nieblas Morfa.

MSc. Fernando Sarria

Dra. Irenia Gallardo Aguilar.

2015-2016.

Pensamiento.

ii

Se alcanza el éxito convirtiendo cada paso en una meta y

cada meta en un paso.

C.C. Cortéz

Dedicatoria.

iii

A mi Santita por darme la oportunidad de estudiar.

A mis abuelos Julián y Felicia donde quiera que se encuentren siempre

han sido mi guía y fuente de inspiración los quiero abue nunca los

olvidare.

A mi abuelo Osvaldo: por despertarme siempre con sus historias llenas

de aventuras y acción.

A mi mamá y hermana: por apoyarme siempre y estar ahí en los

momentos buenos y malos, por su sacrificio y dedicación durante todo

este tiempo, por la formación que me dieron, por brindare esa sonrisa

cuando más la necesitaba, ustedes son mi vida, son mi luz, las amo.

A mi papá: por estar a mi lado, y servirme de guía en estos últimos

tiempos.

A mi hermano y mi sobrino: que les sirva de guía y ejemplo para su vida.

Agradecimientos.

iv

A mis padres: por apoyarme y ayudarme cuando más los necesitaba

complacerme con algo tan preciado, la vida.

A mi hermana: por ser tú esa fuente de inspiración y motor impulsor de

esto que hoy soy ingeniero, te quiero hermanita linda, tú eres mi luz.

A mi tía Marta: tía esto es por ti también, por ser esa persona que pone

la chispa para que prenda el fuego, te quiero.

A mis tíos Jorge y Olivia: porque de una manera u otra ustedes son ese

granito de arena necesario y creer en mí

A mis primas Yeisi y Yeimi: por estar siempre pendiente me mí a pesar

de la distancia.

A mi primo Eduardito: por todos esos buenos momentos que juntos

pasamos, llegamos, triunfamos, vencimos.

A mis amigos: Luis Daniel, Ovidio, Yango, Pernú y David: por pasar los

mejores momentos de nuestra vida universitaria juntos, donde quiera

que se encuentren mañana siempre serán mis hermanos.

A mi tutora Claudia Nieblas: por su amistad, sacrificio, esfuerzo,

dedicación a la culminación feliz de este proyecto.

A Irenia Gallardo Aguilar: por soportarme todo este tiempo a pesar de

mis malcriadeces y contribuir al resultado final de esta tesis.

Agradecimientos.

v

A Sarria: por sus jaranas cuando las cosas están tensas y confiar en mí

para darme esta tarea.

A todos los profesores del claustro por enseñarme y guiarme durante

estos cinco años en especial a la profe Nancy que siempre fue como mi

madre y estuvo ahí en los momentos duros.

Yeni, Margarita, Dayan y Cristina: por la ayuda brindada de una forma

u otra, gracias ustedes también son parte de esta tesis.

A mis compañeros de cuarto: Roger, Alejandro, Jaime, Miguelito y A. de

la Paz por brindarme su apoyo, ustedes son parte de mi familia.

A mis compañeros de aula: Rocio, Carlos, Jardany, Daviel, Noel, Pablo,

Jorge, Pedro, Coca, Lisyaulen, Mirialis, Maray, Arianna, Maidelys,

Jessica, Marian, Dayana, Lisday, Yuraimy y Leyani gracias por todos

los momentos vividos juntos nunca lo olvidaré.

A todos mis amigos de la universidad.

A mi maestra de Primer grado María Elena, a Flor, Ninfa, Jorge,

Luisito, Nereida y Luisa que me prepararon para llegar hoy hasta aquí,

a todos ustedes mil gracias

En fin gracias UCLV por permitirme hoy graduarme como ingeniero.

Resumen.

vi

Este trabajo está encaminado a la sustitución de la hidrólisis ácida por la enzimática en

la obtención de jarabes glucosados en la UEB Glucosa Cienfuegos, considerando las

ganancias que presenta la producción de la enzimática sobre la ácida. Se empleó el

Software Statgraphics Centurion XV para la realización del diseño experimental en

pantalla del tipo 2k con un punto central desarrollado en el laboratorio, teniendo en

cuenta la influencia de las variables independientes: concentración de la Bialfa T (X1) y

concentración de Glucozyme 2X (X2) sobre las variables respuesta: ART y ED, para una

concentración de sustrato del 30% (p/v), siendo la Glucozyme 2X de mayor influencia

que la Bialfa T. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos a escala de laboratorio se

realizó la prueba a escala industrial obteniendo los valores de ED, ºBrix y propiedades

organolépticas deseados. Se propuso una modificación tecnológica en la fábrica, por lo

que se diseñaron dos intercambiadores de calor con el objetivo de lograr las

especificaciones del proceso de la hidrólisis enzimática. Se realizó el análisis

económico de la sustitución de una producción por otra obteniendo un valor actual neto

de $ 1 945 783,90, una tasa de interés de 91% y un período de recuperación de dos

años.

Palabras claves: jarabes glucosados, enzimas, hidrólisis, licuefacción, sacarificación.

Abstract.

vii

This work is aimed at replacing the enzymatic hydrolysis by acid in obtaining syrups

glucosados in Cienfuegos Glucose UEB, considering the gains that presents the

production of enzymatic hydrolysis on acid hydrolysis. The Software Statgraphics

Centurion XV was used for carrying out the experimental design type screen 2k with a

central point developed in the laboratory, considering the influence of the independent

variables: concentration Bialfa T (X1) and concentration Glucozyme 2X (X2) on the

response variables: ED and ART, it used a substrate concentration of 30% (w / v), the

Glucozyme 2X concentration is better influence than Bialfa T concentration. It was

performed industrial scale test, using the results obtained in laboratory scale obtaining

ED, ºBrix values and desired organoleptic properties. A technological modification was

suggest in the factory, so two heat exchangers were designed with the objective of

achieving specifications enzymatic hydrolysis process. economic analysis of replacing

production by another obtaining a net present value of $ 1 945 783.90, an interest rate

of 91% and a recovery period of two years was made.

Keywords: glucosados syrups, enzymes, hydrolysis, liquefaction, saccharification.

Índice.

viii

INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................................... 1

Problema Científico:...................................................................................................................................... 1

Hipótesis: ....................................................................................................................................................... 2

Objetivo General: .......................................................................................................................................... 2

Objetivos Específicos: ................................................................................................................................... 2

CAPÍTULO I: Revisión bibliográfica. ...................................................................................................... 1

1.1 Almidón. Generalidades. ......................................................................................................................... 1

1.1.1 Estructura y composición del almidón. ............................................................................................ 2

1.1.1.1. Amilosa y amilopectina en el gránulo de almidón. ................................................................. 6

1.2. Almidón de maíz. ................................................................................................................................... 7

1.2.1. Etapas del proceso de obtención de almidón de maíz. .................................................................... 8

1.3 Almidones modificados. .......................................................................................................................... 9

1.3.1 Modificación física. ....................................................................................................................... 10

1.3.2 Modificación química. ................................................................................................................... 11

1.3.3 Hidrólisis ácida del almidón. ......................................................................................................... 12

1.3.4. Hidrólisis Enzimática del Almidón. ............................................................................................. 13

1.3.4.1 Enzimas degradadoras de almidón. ........................................................................................ 14

1.3.4.1.1. α-Amilasas. ......................................................................................................................... 15

1.3.4.1.2. Bialfa-T. .............................................................................................................................. 16

1.3.4.1.3. Glucozime 2X. .................................................................................................................... 16

1.4. Comparación entre hidrólisis ácida y enzimática del almidón. ............................................................ 16

1.5 Industria de las maltodextrinas y los jarabes de glucosa. ...................................................................... 18

1.5.1. Jarabes Glucosados. ..................................................................................................................... 19

1.5.2. Producción y usos de jarabes de glucosa. ..................................................................................... 20

1.5.2.1. Obtención de jarabes de glucosa con bajo ED por vía enzimática. Hidrólisis-Gelatinización

simultáneas. ........................................................................................................................................ 21

Índice.

ix

1.5.2.1.1. Licuefacción. ...................................................................................................................... 21

1.5.2.1.2. Sacarificación. ................................................................................................................... 24

1.6. Dextrosa Equivalente. .......................................................................................................................... 25

CAPÍTULO II: Desarrollo experimental. ................................................................................................ 27

2.1. Proceso de obtención de jarabes glucosados. ....................................................................................... 27

2.1.1. Materiales y Métodos. ....................................................................................................................... 27

2.1.1.1. Caracterización del sustrato empleado (almidón de maíz). ................................................... 28

2.1.1.2. Diseño experimental para el proceso de obtención de jarabes glucosados. ........................... 29

2.1.1.3. Descripción del proceso de obtención de jarabes desarrollado en el laboratorio. ................. 30

2.2. Determinación de las variables respuestas. ......................................................................................... 30

2.2.1 Grados Brix. ................................................................................................................................... 31

2.2.2 Azúcares Reductores (ART). ......................................................................................................... 31

2.2.3 Equivalente de Dextrosa (ED). ...................................................................................................... 31

2.2.4 Rendimiento de hidrólisis. ............................................................................................................. 31

2.2.5 Acidez. ........................................................................................................................................... 32

2.2.6 Conductividad. ............................................................................................................................... 32

2.2.7 pH ................................................................................................................................................... 32

2.3 Resultados del proceso de obtención de jarabes glucosados. ................................................................ 32

2.3.1 Análisis del diseño experimental. .................................................................................................. 37

2.3.1.1 Análisis del oBrix. ................................................................................................................... 37

2.3.1.2 Análisis de los ART. ............................................................................................................... 39

2.3.2 Determinaciones a los jarabes glucosados. .................................................................................... 40

2.3.2.1 Determinación del %ART y del %ED. ................................................................................... 40

2.4. Análisis de los resultados. .................................................................................................................... 42

CAPÍTULO III: Propuesta tecnológica. Análisis económico. ................................................................ 44

3.1. Obtención de jarabe glucosado por hidrólisis ácida. ............................................................................ 44

Índice.

x

3.1.1. Etapas del proceso de producción (Parámetros y variables de operación).................................... 44

3.2 Modificación de la tecnología existente para la obtención de glucosa enzimática con las

especificaciones de la glucosa ácida............................................................................................................ 48

3.2.1 Descripción del proceso productivo. .............................................................................................. 49

3.2.1.1. Etapas y dosificación de enzimas en la conversión y sacarificación. .................................... 49

3.2.2 Índices de consumo de las materias primas a escala industrial. ..................................................... 52

3.3 Diseño del intercambiador de calor de placas. ...................................................................................... 53

3.3.1 Consideraciones para el diseño. ..................................................................................................... 53

3.4 Diseño del intercambiador de calor de tubos y concha. ........................................................................ 57

3.5 Análisis económico del proceso de obtención de jarabe glucosado por vía enzimática........................ 60

3.5.1 Costo Total de Inversión. ............................................................................................................... 60

3.5.2 Costo Total de Producción (CTP). ................................................................................................. 62

CONCLUSIONES. ................................................................................................................................. 65

RECOMENDACIONES. ...................................................................................................................... 66

BIBLIOGRAFÍA. ................................................................................................................................... 67

ANEXOS. .................................................................................................................................................. 75

Introducción.

1

INTRODUCCIÓN.

El almidón es un carbohidrato que posee dos polisacáridos, la amilosa y la amilopectina. El

primero se forma de largas cadenas lineales de entre 200 y 2 500 unidades de glucosa y pesos

moleculares de hasta un millón. Las cadenas lineales se forman de enlaces α-(1,4). Por su

parte la amilopectina contiene ramificaciones, con la forma molecular similar a un árbol cuyas

ramas se unen por enlaces α-(1,6) localizados cada 15-25 unidades lineales de glucosa (Baudi,

2006). El almidón proveniente del maíz constituye uno de los sustratos más utilizados en la

obtención de glucosa ácida y enzimática, dada las características del contenido de amilosa y

amilopectina en el mismo, siendo susceptible a la modificación y ruptura de los enlaces α-1,4 y

α-1,6 para su conversión en glucosa.

La glucosa ácida es el producto obtenido a partir de la modificación del almidón por vía ácida,

para lo que se puede utilizar tanto ácido clorhídrico como ácido sulfúrico; obteniéndose un

producto con bajo contenido de equivalente de dextrosa (ED) y un Brix elevado. En la obtención

de la glucosa enzimática se utilizan las enzimas alfa-amilasa y amiloglucosidasa en la ruptura

de dichos enlaces para la obtención de un jarabe de elevado contenido de equivalente de

dextrosa (ED).

La hidrólisis ácida constituye uno de los métodos más viejos en los procesos de modificación de

almidón, presentando determinadas desventajas, como: la aparición de sustancias que traen

consigo alteraciones en las propiedades organolépticas del producto final. Es por ello que desde

la década de los 60 en el mundo se ha venido evaluando la posibilidad de lograr su sustitución

por la enzimática; siendo además la utilización de enzimas ambientalmente más segura y

sostenible que el uso de ácidos. Sin embargo hoy en día, nuestro país aún utiliza la hidrólisis

ácida como una alternativa en la modificación de almidón y obtención de jarabes glucosados

para la obtención de jarabes con elevados Brix y bajos contenidos de ED.

Actualmente existe un gran interés por sustituir completamente la vía ácida por la enzimática en

los procesos de obtención de edulcorantes ampliamente demandados en la industria

alimenticia.

Partiendo de la demanda de dicho producto se plantea la problemática a resolver.

Problema Científico:

La Empresa Glucosa de Cienfuegos necesita reemplazar la hidrólisis ácida por la enzimática en

los procesos de obtención de jarabes glucosados, considerando las desventajas que trae la

ácida en la calidad del proceso productivo.

Introducción.

2

Hipótesis:

Es posible la obtención de jarabes glucosados a partir de la hidrólisis enzimática del almidón de

maíz, obteniéndose un producto final con los requerimientos físico-químicos establecidos para

la hidrólisis ácida, si se ajustan los parámetros de obtención de los mismos.

Objetivo General:

Sustituir la hidrólisis ácida por la enzimática en los procesos de obtención de jarabes

glucosados.

Objetivos Específicos:

Determinar la influencia de las variables independientes: concentraciones de enzimas

Bialfa T y Glucozyme 2X en el proceso de obtención de jarabes glucosados mediante

hidrólisis enzimática, a partir del ajuste de parámetros establecidos para la hidrólisis

ácida, determinando las condiciones óptimas de este proceso.

Determinar los rendimientos del proceso de hidrolisis enzimática en las condiciones

óptimas encontradas.

Proponer las modificaciones de la tecnología existente en la Empresa Glucosa de

Cienfuegos para la introducción de los resultados.

Analizar la factibilidad económica que traería consigo la propuesta tecnológica en la

sustitución de la hidrólisis ácida por la enzimática en la Empresa Glucosa de

Cienfuegos.

Capítulo I. Revisión Bibliográfica.

1

CAPÍTULO I: Revisión bibliográfica.

1.1 Almidón. Generalidades.

El almidón es un carbohidrato de reserva, sintetizado y almacenado como fuente de energía en

plantas superiores; después de la celulosa es el segundo hidrato de carbono más abundante en

la biosfera. Aunque el contenido de almidón varía según la fuente de obtención, la más

importante son los cereales (maíz, arroz, trigo) con un contenido aproximado de 30-80%, en

leguminosas (fríjol, chicharo, haba) un 25-50% y en tubérculos (papa, tapioca, yuca), representa

un 60-90% de la materia seca (Biliaderis 1991; Buleón, Colonna et al. 1998; De Baere 1999;

Bernal and Martínez 2006).

De las calorías consumidas por los humanos, cerca del 70 al 80% provienen del almidón. Es la

principal fuente de almacenamiento de energía en los vegetales, ya que se encuentra en

grandes cantidades en las diversas variedades de plantas, como por ejemplo, en los granos de

cereales; los cuales contienen entre 60 y 75% de su peso seco de almidón, así como también,

puede encontrarse en tubérculos, semillas de leguminosas y en algunas raíces (Thomas and

Atwell 1999).

De la producción mundial de almidón aproximadamente el 83% es obtenido del maíz, después

la fuente más importante es el trigo con un 7%, papa con un 6% y tapioca con el 4% (Biliaderis

1991; Buleón, Colonna et al. 1998; De Baere 1999; Bernal and Martínez 2006).

Tanto el almidón como los productos de su hidrólisis constituyen la mayor parte de los

carbohidratos digestibles de la dieta habitual. Sus gránulos tienen diferentes tamaños

(diámetros entre 1 a 100 μm) y formas elíptica, ovalada, lenticular o poligonal), dependiendo de

la fuente biológica de donde provengan y son parcialmente cristalinos e insolubles en agua a

temperatura ambiente (Bello Pérez, Roger et al. 1998; Vandeputte and Delcour 2004).

Constituye el principal carbohidrato de reserva sintetizado por las plantas superiores

constituyendo gran fuente de energía (Buleón , Colonna et al. 1990).Por sus características

nutricionales y sus múltiples aplicaciones en la industria alimentaria es el carbohidrato más

importante, además de su importancia relevante en el comercio (Cobana and Antezana 2007).

El almidón y sus derivados son utilizados en muchos procesos industriales. Su uso no está

limitado al procesamiento de alimentos, también se aplica en la industria del papel, textil,

farmacéutica y en adhesivos (Juares, Arias et al. 2008).


2

En las últimas décadas, la investigación realizada a este carbohidrato es con la finalidad de

encontrarle nuevos usos. Básicamente puede ser usado para cuatro propósitos generales

(Guzmán-Maldonado 1992; Steven 1995; Thomas and Atwell 1999; Bello-Pérez, Agama

Acevedo et al. 2000; Delville, Dole et al. 2002; Bernal and Martínez 2006).

1) Conferir ciertas características organolépticas a los alimentos como textura y

consistencia, la cual es dada por sus componentes poliméricos de alto peso molecular.

La cantidad y tipo de almidón utilizado se convierten en puntos críticos para obtener las

características organolépticas deseables.

2) Para la nutrición humana y/o animal, ya que es la fuente de energía más importante,

representa el 80% de la ingesta calórica mundial. También para producir edulcorantes

de alta intensidad y sustitutos de grasas, ya que este tipo de productos son utilizados en

la elaboración de alimentos bajos en calorías.

3) Para ciertas aplicaciones industriales como la fabricación de pegamentos, pinturas,

espesantes y texturizantes en las industrias del papel y textil.

4) En la producción de bionergéticos (bioetanol).

1.1.1 Estructura y composición del almidón.

El almidón es parte de los carbohidratos o polisacáridos que, junto con los lípidos, las proteínas

y los ácidos nucleícos, constituyen las cuatro clases principales de moléculas biológicamente

activas (Bailey 1998). Dicha macromolécula está compuesta de dos polímeros de unidades de

glucosa: amilosa, de carácter esencialmente lineal, y la amilopectina, altamente ramificada y de

mayor peso molecular (Van and Vligenthart 1997).

Ambos polímeros se diferencian por las uniones que presentan dentro del gránulo de almidón y

que además representan cerca del 98-99% del peso en seco. La proporción de ellos varía

según la fuente botánica y su organización física dentro de la estructura granular, confiriéndole

propiedades fisicoquímicas y funcionales únicas (Tabla 1.1). (Biliaderis 1991; Tester,

Karkalas et al. 2004; Cowieson 2005).

Estas moléculas se organizan en anillos concéntricos para originar la estructura granular. La

distribución de la amilosa dentro de los anillos concéntricos difiere entre el centro y la periferia

del gránulo, ya que sólo ocupa los lugares disponibles que deja la amilopectina después de

sintetizarse (Tetlow, Morell et al. 2004).


3

La amilosa es una molécula esencialmente lineal que constituye hasta el 25-30% del almidón,

mientras que el polímero amilopectina se encuentra en forma ramificada y constituye hasta el

70-75% del almidón (Vásquez and Villarrreal 2009).

Tabla 1.1 Propiedades físicoquímicas de los componentes del almidón.

Propiedad Amilosa Amilopectina

Estructura molecular Lineal Ramificada

Longitud promedio de cadena 103 Da 20-25 Da

Grado de polimerización 103 Da 104-105 Da

Complejo con yodo Azul (650nm) Púrpura (550nm)

Afinidad de yodo 19-20 % 1%

Valor azul 1,4 0,05

Estabilidad en solución acuosa Retrograda fácilmente Estable

Hidrólisis con β-Amilasa 70% 55-60%

Hidrólisis con β-Amilasa y Dextrinasa 100% 100%

Propiedades de película Fuerte Quebradiza

Fuente: (Biliaderis 1991).

Amilosa: La amilosa (Figura 1.1) es un polímero lineal formado por D-glucopiranosas que se

encuentran unidas entre sí por enlaces α-(1,4) que representan un 99% de su estructura;

también se ha comprobado la presencia de ciertas ramificaciones unidas por enlaces α-(1,6).

Dichas ramificaciones se encuentran de manera espaciada e infrecuente, lo que permite

observar su comportamiento esencialmente lineal (Mua and Jackson 1997; Biliaderis 1998;

Buleón, Colonna et al. 1998) . La molécula tiene un peso molecular promedio de 105 a 106

g/mol y por la presencia de grupos hidroxilos ofrece propiedades hidrofílicas al polímero

(Peñarada, Perilla et al. 2008) citado en (Hernández 2013).


4

Esta molécula no es soluble en agua, pero puede formar micelas hidratadas por su capacidad

para enlazar moléculas vecinas por puentes de hidrógeno y generar una estructura helicoidal

que es capaz de desarrollar un color azul por la formación de un complejo con el yodo

(Knutzon and Grove 1994).

Cada cadena contiene aproximadamente 200 o 700 residuos de D-glucopiranosas (Gallant

and Bouchet 1986; Tester, Karkalas et al. 2004).

Por su contenido en amilosa, los almidones pueden ser clasificados en diferentes grupos como

son los almidones cerosos (waxy) que tienen muy poca cantidad de amilosa, alrededor de 1-

2%, los normales que contienen entre 17-24% de amilosa y los altos en amilosa que contienen

70% o más de este polímero.

La naturaleza lineal, flexible y de gran longitud de la cadena de amilosa, le confiere la capacidad

de enrollarse formando una estructura helicoidal con seis unidades de D-glucopiranosas por

giro, de esta forma dentro de la hélice se propicia un entorno hidrofóbico, con la capacidad de

formar complejos con yodo, alcoholes o ácidos orgánicos (Morrison 1995; Tang, Watanabe et

al. 2002).

Los almidones ricos en amilosa mantienen su forma cuando se moldean; gelifican, mientras que

los almidones sin amilosa espesan pero no gelifican. Ejemplos del contenido de amilosa de

almidón de diversas procedencias incluyen granos de cereal: 26-28% raíces, tubérculos: 17-

23% variedades céreas de almidón: 0% y variedades amiláceas 50-70% (Yordi 2007).

Este biopolímero se ha considerado como responsable del fenómeno de gelificación en el

momento de elevar la temperatura en alimentos hechos a base de almidón, así mismo se ha

demostrado que es más susceptible a formar complejos con moléculas que tienen una parte

polar y una apolar, tales como algunas clases de lípidos.

Fig. 1.1 Estructura química de la Amilosa (Tomada de (Tester and Karkalas 2002).

Amilopectina: La amilopectina (Figura 1.2) es una molécula predominante en la mayoría de los

almidones normales. Es un polímero semicristalino y altamente ramificado, formado por


5

aproximadamente 595,238 unidades de D-glucopiranosas unidas mediante enlaces α-(1-4) que

representan unidades de glucosa unidas en un 92-96%; con puntos de ramificación unidos

mediante enlaces α-(1-6) que representan un 5-6% de su estructura. Dichas ramificaciones se

localizan aproximadamente a cada 15-25 unidades de D-glucopiranosas, aunque el rango

puede excederse a 19 o 31 unidades dependiendo del contenido de amilosa en el almidón (Mua

and Jackson 1997; Biliaderis 1998; Tang, Watanabe et al. 2002). La amilopectina es

parcialmente soluble en agua caliente y en presencia de yodo produce un color rojizo violeta

(Guan and Hanna 2004). La macromolécula posee un peso molecular comprendido de 107 a

108 g/mol. La amilopectina constituye alrededor del 75% de los almidones más comunes

(Fennema 2000; Peñarada, Perilla et al. 2008).

La amilopectina es la responsable de la cristalinidad del almidón, además es considerada como

la principal causante del fenómeno de la retrogradación, el cual se asocia con el proceso del

envejecimiento del pan y otros productos elaborados a base de almidón. La amilopectina, por

calentamiento en agua proporciona soluciones claras y de alta viscosidad que son además

filamentosas y cohesivas.

Fig. 1.2 Estructura química de la Amilopectina (Tomada de (Tester and Karkalas 2002).

Solo la amilosa forma un gel. Los almidones con un contenido alto de amilopectina espesarán

una mezcla, pero no formarán un gel porque, a diferencia de la amilosa, las moléculas de

amilopectina no se asocian y formarán enlaces químicos.

El contenido de amilosa afecta fuertemente la gelatinización y la retrogradación, la viscosidad y

la gelación. Se ha encontrado que la estructura fina de la amilopectina (distribución de las

cadenas) influye en la gelatinización y las propiedades de retrogradación del almidón (Sang,

Bean et al. 2009).

En función de la proporción amilosa/amilopectina así serán las dos propiedades fundamentales

que presentan: absorción y retención de agua y capacidad de formación de gel. Así mismo esta

proporción determinará las propiedades funcionales de los almidones (Yordi 2007).

http://www.monografias.com/trabajos7/mafu/mafu.shtml


6

Su contenido de amilosa y amilopectina, temperatura de gelatinización, consistencia del gel y

textura, comportamiento viscoso y propiedades térmicas permiten su utilización en la industria

alimenticia como estabilizante, agente de relleno, adhesivo, ligante, enturbiante, formador de

películas, estabilizante de espumas, agente de anti envejecimiento de pan, gelificante,

glaseante, humectante y espesante. (Singh, Kaur et al. 2005) citado en (Hernández 2013).

1.1.1.1 Amilosa y amilopectina en el gránulo de almidón.

El almidón está organizado en partículas discretas conocidas como gránulos, cuya morfología,

composición química y estructura molecular (arreglo relativo de las macromoléculas en estado

sólido), son distintas de una especie a otra.

Debido a que la amilopectina es el componente más abundante en el almidón, este polímero es

responsable de que el gránulo presente (Hoseney , Zeleznack et al. 1986; Tang, Watanabe

et al. 2002).

1) Una estructura organizada en forma de anillos (Figura 1.3), las moléculas de amilopectina se

alinean a lo largo de un eje imaginario que se extiende desde el hilio del gránulo hasta el

exterior del mismo.

2) Cierta propiedad semicristalina formando así dos regiones (Figura 1.3), una cristalina y otra

amorfa, que dan al gránulo su característica de birrefrigencia, fenómeno conocido como la cruz

de malta. La región cristalina está formada por cadenas de amilopectina estructuradas en

racimos, mientras que la región amorfa está formada por puntos ramificados entre la amilosa y

la amilopectina.

Fig. 1.3 Estructura del gránulo de almidón (Tomada de (Tester and Debon 2000; Bernal and

Martínez 2006).

Cuando los gránulos de almidón se extraen y se secan, tienen la apariencia de un polvo blanco

y presentan la propiedad de ser insolubles en agua fría. De forma general, presentan una

composición química (Tabla 1.2) con bajos contenidos en proteínas, cenizas, lípidos y el resto lo


7

conforma el almidón propiamente dicho. Estos constituyentes en muchas ocasiones definen

ciertas propiedades funcionales, por lo cual la estructura del almidón necesita ser estudiada a

dos niveles distintos:1) a nivel molecular, se refiere a la cantidad, estructura fina, forma y

tamaño de las moléculas que lo conforman y 2) a nivel de estructura supermolecular del gránulo

(Guilbot and Mercier 1985; Biliaderis 1991).

Tabla 1.2 Composición química de gránulos de almidón.

Fuente Humedad (%) Carbohidratos (%) Proteínas Lípidos Cenizas

Arroz 15 83,15 0,45 0,8 0,5

Maíz 13 85,92 0,35 0,6 0,1

Trigo 14 84,59 0,4 0,8 0,15

Sorgo 13 85,92 0,3 0,7 0,08

Papa 19 80,41 0,06 0,05 0,4

Tapioca 13 86,59 0,1 0,1 0,2

Amaranto 6 92,10 0,1 0,4 1,4

Fuente: (Paredes-López, Barba de la Rosa et al. 1990; Pérez -Sira 1997; Thomas and Atwell

1999).

1.2 Almidón de maíz.

El almidón es el principal componente del grano de maíz (Zea mays L.) y por tanto influye

mucho en la funcionalidad como ingrediente en los diferentes usos de la industria alimentaria. El

almidón existe como gránulos discretos con diferentes formas, tamaños, y composición, en

función del genotipo de maíz. Las propiedades específicas del almidón en cada genotipo,

afectan características como textura, volumen, consistencia, humedad y la vida de anaquel de

los alimentos (Raeker, Gaines et al. 1998) .

Un factor que afecta la distribución del tamaño del gránulo de almidón en el endospermo del

grano es el ambiente (Raeker, Gaines et al. 1998; Stoddard 1999). El endospermo está

formado por una región suave (harinosa) y otra dura (vítrea) (Hoseney 1998).Las propiedades

fisicoquímicas de los gránulos de almidón en ambos tipos de endospermo, son diferentes. La


8

reactividad (Bertolini, Souza et al. 2003) , las propiedades físicas (Chiotelli and Le Meste

2002) y la composición química (Geera, Nelson et al. 2006) de los gránulos de almidón son

afectadas por su tamaño, el cual también afecta la funcionalidad del grano y permite una amplia

variabilidad de usos.

Según (Tang, Ando et al. 2000), los gránulos más grandes se localizan cerca de la superficie

externa del grano, mientras que los más pequeños tienden a ubicarse cerca del centro. Los

atributos térmicos y funcionales del grano de maíz son función del tamaño del gránulo de

almidón y del contenido de amilosa (Seetharaman, Tziotis et al. 2001).

Según (Narváez González, Figueroa Cárdenas et al. 2007) en una comparación entre granos

duros y suaves de maíz se puede apreciar que los granos duros presentan gránulos de almidón

pequeños, mientras que en los granos suaves dichos gránulos son grandes. Los gránulos

grandes contienen altos niveles de humedad y amilosa aparente, pero bajos niveles de

proteína, además de presentar alta viscosidad pico y retrogradación, pero bajo tiempo y

temperatura para alcanzar la viscosidad pico, El tamaño del gránulo de almidón influencia

grandemente las propiedades térmicas y de pastificado de las harinas de maíz, evidenciándose

una gelatinización más rápida a bajas temperaturas, pero con altas entalpías de los gránulos

más grandes.

1.2.1 Etapas del proceso de obtención de almidón de maíz.

Antes de iniciar el proceso de molienda húmeda, los granos de maíz atraviesan un proceso de

limpieza mecánica, donde se quita todo el material no deseado, como pedazos de mazorca,

ramas y cáscara. Un aspirado remueve paja y desempolva los granos, y los electroimanes

quitan pedazos de metal que pudiera contener (Bemiller, Paschall et al. 1984).

El macerado o remojo, es el paso más importante del proceso ya que con este da inicio la

molienda húmeda. Durante esta etapa, los granos de maíz con una humedad inicial de 12-14%

son remojados de 30 a 40 h, a una temperatura de 48-52ºC, con la finalidad de que el grano

absorba paulatinamente agua con dióxido de azufre (SO2) hasta un 45-50%; los granos con

textura suave o harinosa tienden a absorber agua rápidamente. El SO2 presente y aunado a la

actividad de las bacterias del género Lactobacillus que se generan, suavizan la estructura del

grano, impiden su germinación, hidrolizan enlaces disulfuro (-SS-) de la matriz proteica

debilitando su estructura interna que rodea y retiene a los gránulos de almidón y se solubiliza un

5-7% de los sólidos, constituidos primordialmente por proteínas del germen (albúminas y

globulinas), ácido láctico, minerales, ácido fítico y vitaminas hidrosolubles del complejo B. El


9

agua utilizada en esta etapa, por lo general es una mezcla de vapor condensado y agua

desmineralizada, se utilizan para evitar que el almidón se hidrolice por el pH elevado que se

genera (Bemiller, Paschall et al. 1984; Serna 2001).

Con los granos de maíz acondicionados y modificados a través del tratamiento azufrado y

bacteriano, se inicia el proceso de de-germinación, en este paso la mayor parte del germen es

liberado de manera íntegra ya que se tendría el riesgo de liberar lípidos, los cuales serían

absorbidos en su mayoría por el gluten dificultando su extracción. Más de la mitad del almidón y

gluten son liberados en esta etapa. El resultado de la molienda es recuperado mediante

hidrociclones para separar al germen de la mezcla de fibra, almidón y gluten, tomando en

cuenta la densidad de las distintas fracciones obtenidas (Bemiller, Paschall et al. 1984; Serna

2001).

Una vez que se tiene separado el germen, se procede a realizar una molienda al endospermo

con la finalidad de obtener partículas más finas. Mediante tamizado, se logra separar el almidón

que deriva principalmente del endospermo harinoso y gluten del material fibroso; el almidón que

resta de las piezas más grandes de fibra es recuperado de manera más eficiente por lavado. En

este punto el producto principal contiene almidón, gluten y material orgánico soluble.

La baja densidad de las partículas de gluten hidratado (1,1 g/ml), en comparación con el

almidón (1,5g/ml) facilitan su separación por centrifugación generalmente en dos fases: 1) en la

parte superior una capa color amarillo correspondiente al gluten, con 60-70% de proteínas y

2)por otro lado una capa blanca perteneciente al almidón, el cual es lavado y filtrado para quitar

cualquier residuo de gluten que haya quedado. Una segunda centrifugación ayuda a que el

contenido final de proteína alcance un nivel de 0,38% en base seca. Finalmente el almidón se

deshidrata mediante la inyección del producto húmedo en un secador con corriente de aire

caliente (Bemiller, Paschall et al. 1984).

1.3 Almidones modificados.

Los procesos de modificación de los almidones se realizan para introducir alguna funcionalidad

específica deseada cambiando sus propiedades para así obtener mejores productos. Los

almidones modificados son abundantes, funcionales y muy útiles como ingredientes

alimentarios. Las modificaciones pueden ser químicas o físicas.

Las modificaciones químicas comprenden la oxidación, la formación de enlaces cruzados,

estabilización y depolimerización, estas modificaciones producen los mayores efectos en cuanto

a funcionalidad, sin embargo los almidones modificados generalmente son preparados


10

mediante combinaciones de dos, tres, y en ocasiones cuatro procesos, las modificaciones

físicas producen productos pregelatinizados y productos capaces de absorber agua fría

(Aguilar 2007).

1.3.1 Modificación física.

La modificación física generalmente conduce a la pregelatinización del almidón, proceso en el

cual los gránulos de almidón nativo se rompen, incrementando su capacidad de solubilizarse en

agua fría, lo que permite su empleo en alimentos de rápida preparación, tales como flanes,

rellenos y salsas, entre otros (Colonna , Doublier et al. 1984; Gonzalez and Pérez 2003).

Los tratamientos térmicos empleados para generar modificaciones físicas pueden efectuarse a

bajos o elevados contenidos de humedad, ya que la cantidad de agua empleada en los

tratamientos calóricos se puede modificar para producir diferentes efectos. Por ejemplo, si se

utilizan tratamientos térmicos en exceso de agua, durante un largo período de tiempo y por

debajo de la temperatura de gelatinización, se logra reducir drásticamente la viscosidad de la

suspensión de almidón. En cambio, si el almidón es sujeto a tratamientos térmicos con valores

de humedad menores al 30%, los efectos que se observan son menos pronunciados (Zobel

1988; Cooke and Gidley 1992; Stute 1992).

Los tratamientos calóricos húmedos provocan cambios en la estructura cristalina de los

almidones, ya que los hacen más susceptibles a la hidrólisis o modificaciones químicas y

enzimáticas. Estos cambios ocurren principalmente a nivel de las regiones amorfas donde se

encuentran ubicadas las moléculas de amilosa; por lo tanto, la sensibilidad de los diversos tipos

de almidón a estos tratamientos es diferente, y depende principalmente de su contenido en

amilosa (Howling 1980; Mali, Grossmann et al. 2005; Martínez, López et al. 2005; Zhang,

Norulaini et al. 2007).

Los gránulos de almidón son insolubles en agua fría, pero se hidratan al calentarse en un medio

acuoso, a este proceso se le conoce como gelatinización. Esto origina la pérdida del orden

molecular (colapso molecular) que se manifiesta dentro del gránulo, cambia de una forma

semicristalina a una forma eventualmente amorfa (Biliaderis , Maurice et al. 1980; Tester

and Debon 2000).

La gelatinización total del gránulo (Figura 1.4) se produce normalmente dentro de un intervalo

amplio de temperatura. Se ha postulado (Biliaderis 1991) que son tres los procesos que

constituyen a este fenómeno. Estos procesos son eventos fuera del equilibrio que a su vez

resultan en los fenómenos meta-estables de gelatinización, gelación y retrogradación del

almidón. Estos eventos son: a) difusión del agua dentro del gránulo de almidón; cuando


11

empieza a absorber agua, los puentes de hidrógeno de la región amorfa se rompen permitiendo

que el agua se asocie con los grupos hidroxilos libres, b) fusión de la región amorfa; se

caracteriza por una transición hélice-enrollamiento al azar que es facilitada por la hidratación,

las cadenas de amilosa se difunden en medio acuoso y tienen una mayor movilización

molecular dentro del gránulo, en este punto el hinchamiento es reversible (Camire, Camire et

al. 1990; Tester and Debon 2000) y las propiedades ópticas del grano no se pierden, por

ejemplo la birrefrigencia, y c) desintegración de las zonas cristalinas cuando el calentamiento es

continuo; en este punto el hinchamiento llega a ser reversible debido a la disociación de las

dobles hélices propias de la región cristalina (amilopectina) hasta que finalmente se pierde su

estructura (Lai and Kokini; 1991).

Los geles obtenidos una vez que el almidón ha sufrido la gelatinización, presentan diversas

propiedades las cuales van a depender del contenido de amilosa y amilopectina (Leloup ,

Colonna et al. 1990; Tester and Debon 2000). La temperatura a la cual ocurre este

proceso se le conoce como temperatura de gelatinización (Tg).

Fig. 1.4 Representación esquemática de los cambios en el almidón durante el calentamiento en

exceso de agua (Rooney and Huang 2001).

1.3.2 Modificación química.

Las modificaciones químicas (Figura 1.5) provocan cambios significativos en las propiedades

funcionales del almidón, y generalmente se realizan en un medio acuoso, donde una

suspensión de almidón, usualmente con un 30 a 40% de sólidos, se trata con el reactivo

químico bajo condiciones apropiadas de agitación, temperatura y pH. Cuando la reacción se

completa, el almidón se lleva al pH deseado con un agente neutralizante, se purifica por

subsecuentes lavados con agua y se seca hasta obtener el almidón deshidratado (Belitz and

Grosch 1985; Vian 1994; Bemiller 1997; Van and Vligenthart 1997; Thomas and Atwell

1999; Kaur, Singh et al. 2004; Schmitz, De Simas et al. 2006), señalan que las

modificaciones químicas pueden ser: monofuncionales (uso de anhídrido acético, enlaces éster,

éter y óxido de propileno); polifuncionales (utilizando oxicloruro de fósforo, grupos éster, grupos


12

éter y epiclorhidrina); por doble derivación (por ejemplo, empleando anhídrido acético más

oxicloruro de fósforo); oxidativas (oxidación con hipoclorito de sodio por formación de grupos

carboxilos y carbonilos a expensas del grupo hidroxilo) e hidrolíticas (hidrólisis ácidas para el

acortamiento de las cadenas).

El almidón, y sus derivados químicamente modificados, son utilizados en alimentos para

modificar textura, consistencia y apariencia; y también son una fuente para producir

edulcorantes; en donde es necesario realizar una hidrólisis controlada para producir

maltodextrinas o jarabes de glucosa con el poder dulcificante apropiado (Radley 1976).

Fig. 1.5 Modificaciones químicas del almidón (Taggart 2004)

1.3.3 Hidrólisis ácida del almidón.

La destrucción controlada de las cadenas poliméricas o hidrólisis del almidón, a través de

soluciones ácidas o catalizadas por enzimas, dan lugar a la formación progresiva de moléculas

de maltosa, glucosa, dextrinas y otros azúcares. Comercialmente los hidrolizados de almidón

son clasificados con base en la Dextrosa Equivalente (DE), el cual es un indicativo del

contenido de azúcares reductores calculados como D-glucosa en base seca. Los productos

hidrolizados se identifican por el tipo de hidrólisis usado en su fabricación; industrialmente se

utilizan tres tipos: hidrólisis ácida, hidrólisis ácido-enzimática e hidrólisis enzimática (Morales

and Sánchez 2004).

Entre los métodos de modificación química de almidones, mencionados anteriormente, la

técnica de la hidrólisis ácida es una de las más utilizadas en la industria de obtención de

almidones modificados, destinados a la industria de alimentos, papelera y textil (Coultate 1998;

Sitohy, Said et al. 2000; Wang, Troung et al. 2003).

El procedimiento tradicional para obtener almidones por modificación ácida consiste, en

términos generales, en tratar una suspensión concentrada de almidón a una temperatura menor

que la temperatura de gelatinización, con soluciones diluidas de un ácido mineral (HCl ó H2SO4)


13

durante cierto período de tiempo, provocando modificaciones superficiales que debilitan la

estructura de los gránulos de almidón (Wurzburg 1986; Wang, Jinglin et al. 2007).

En la hidrólisis ácida, los enlaces glucosídicos α(1-4) y α(1-6) que mantienen unidas a las

moléculas de anhidro D-glucosa, se rompen al azar, con formación intermediaria de maltosa

(disacárido constituido por dos unidades de glucosa) y dextrinas (polímeros de glucosa solubles

en agua); para su conversión final, dependiendo el grado de hidrólisis, en moléculas de D-

glucosa (Beyer, Barluenga et al. 1987; Jury, Armada et al. 1994; Coultate 1998) (Figura

1.6).

Fig. 1.6 Modificación química de la molécula de almidón por hidrólisis ácida. (Beyer, Barluenga

et al. 1987).

La acción del ácido es romper enlaces glucosídicos e introducir los elementos del agua en los

puntos de ruptura. La hidrólisis se logra cuando los gránulos son expuestos a la acción de

ácidos minerales diluidos y luego a calentamiento de la mezcla, retornando la molécula de

almidón a su forma original, es decir, a monómeros principales de D-glucosa. El ácido se

neutraliza y se recupera del producto tras lavado y desecación. El rendimiento de la reacción

ácida, es función de la concentración del ácido, del almidón y la temperatura.

Este sistema es aplicable cuando se desea conseguir productos en un rango de DE de 20-58,

los ácidos más comúnmente utilizados son el Clorhídrico y el Sulfúrico (Morales and Sánchez

2004). Los almidones modificados por hidrólisis ácida muestran elevadas temperaturas de

gelatinización, una rápida cocción, baja viscosidad de la pasta en caliente, geles con buenas

características al enfriar y pastas mucho más claras (Wang and Wang 2001; Olayide 2004;

Lawal, Abebowale et al. 2005) .

1.3.4 Hidrólisis Enzimática del Almidón.


14

Este proceso consiste en la utilización de enzimas como catalizadores para romper las

moléculas de almidón, obteniéndose productos semejantes a la de la hidrólisis ácida. El tipo de

enzimas más utilizada en el proceso son las amilasas, siendo las más conocidas la α-amilasa y

la β-amilasa, las primeras desdoblan el almidón en glucosa y maltosa; se caracteriza por la

facilidad de fragmentación de los almidones en dextrinas reductoras, que no dan color en el

yodo, y la segunda, convierte la totalidad del almidón en glucosa (Agronet.; 2006).

Este proceso se utiliza para obtener hidrolizados con DE de 73 o más, debido a que se

garantiza menor concentración de impurezas tales como ácido orgánico, cenizas y productos

coloreados. El producto así obtenido es la materia prima para la fabricación de jarabes con alto

contenido de fructuosa y en la dextrosa cristalina (Morales and Sánchez 2004).

Para una eficiente hidrólisis enzimática del almidón por las amilasas conviene que esté

gelatinizado, por lo que se realiza un cocimiento del almidón antes de la adición de dichas

enzimas (Reyna, Robles et al. 2004).

Existen dos fases dentro del proceso de hidrólisis enzimática. Primero, la licuefacción y

segundo la sacarificación. La licuefacción se lleva a cabo en presencia de alfa-amilasa o beta-

amilasa, mientras que la sacarificación, que es la conversión de almidón a glucosa, en

presencia de glucoamilasa o pululanasa (Agronet.; 2006).

1.3.4.1 Enzimas degradadoras de almidón.

Las enzimas son catalizadores ideales para la industria alimentaria debido a su eficiencia,

acción específica y su alta purificación y estandarización. En los últimos años, se ha realizado la

hidrólisis enzimática del almidón para la obtención de maltodextrinas y jarabes a nivel industrial,

ya que se producen jarabes de mayor calidad, pues se tiene un control de la reacción, una

mayor especificidad de los productos obtenidos, menores requerimientos energéticos y la

ausencia de sabores indeseables, lo cual ha desplazado a la hidrólisis ácida que era utilizada

anteriormente. Sin embargo, las condiciones de operación están limitadas por las propiedades

de cada una de ellas, esto es, cada enzima actúa en condiciones de pH y temperaturas

específicas, lo cual constituye un problema para la industria al incrementar los costos o al

disminuir la eficiencia y calidad de los productos (Olsen 1995; López-Munguía 2002; Montes-

Horcasitas and Magaña- Plaza 2002) .

Existen básicamente cuatro grupos de enzimas que transforman el almidón (Figura 1.7):1)-

Endoamilasas,2)-Exoamilasas,3)-Enzimas desramificantes,4)-Isomerasas.

Las endoamilasas son capaces de romper enlaces α, 1-4 glicosídicos presente en la parte

inferior (endo-) de la cadena de amilosa o amilopectina. La α-amilasa es una endoamilasa bien


15

conocida y se halla en una amplia variedad de microorganismos como arqueas y bacterias. Las

exo-amilasas, también rompen enlaces α,1-4 glicosídicos tales como las β-amilasas o rompen

ambos enlaces α,1-4 y α,1-6 glicosídicos semejante a la amiloglucosidasa o glucoamilasa y α-

glucosidasa. Actúan sobre los residuos de glucosa externos de la amilosa y la amilopectina y

así producen solamente glucosa (glucoamilasa y α-glucosidasa), o maltosa y dextrinas limite β-

(β-amilasa). Las desramificantes hidrolizan los enlaces α-1,6 glucosídicos (Pandey, Nigam et

al. 2000) .

Fig. 1.7 Diferentes enzimas involucradas en la degradación de almidón. La estructura de anillo

abierto simboliza el terminal reductor de la molécula de poliglucosa.

1.3.4.1.1 α-Amilasas.

Las α-amilasas son enzimas que catalizan la endohidrólisis de los enlaces α-1,4-glucosídicos de

polisacáridos con más de tres unidades de D-glucosa unidas por enlace α-1,4 (Godfrey 1996) y

se encuentran ampliamente distribuidas entre los microorganismos. Son endoamilasas que

liberan cadenas de poli y oligosacáridos de longitudes variables.

Las aplicaciones comerciales de α-amilasas son numerosas; probablemente el volumen más

grande es usado para la disminución del almidón en el proceso de licuefacción en las industrias

del azúcar, alcohol, cerveza y en la producción de jarabes glucosados (Vihinen and Mantsala

1989).

La α-amilasa es clasificada como endoenzima y se le conoce como enzima tijera, el proceso de

conversión de almidón a dextrinas con esta enzima es conocido como licuefacción (reducción

de viscosidad). Su inmensa mayoría trabajan óptimamente a pH`s de 5,5-7 y son termoestables

(trabajan de 85-950C), aunque resisten temperaturas de 1300C, producen jarabes c glucosados

con un ED entre 15-25%. (Serna 2011).

Al utilizar amilasas, es preciso mantener un proceso de cocción que favorezca la dispersión y la

aceleración del rompimiento de las cadenas de almidón. Las amilasas actúan sobre el almidón

dependiendo del origen de este, puesto que la composición del mismo cambia según su origen,

es decir, el almidón consta de amilopectina y amilosa, con porcentajes de mezcla en un


16

intervalo de 75 a 80 de amilopectina. Además, la amilosa se compone de unidades de glucosa

enlazadas (tipo α-1,4 glicosídico) en cadenas longitudinales pueden contener aproximadamente

de 70 a 100 unidades de glucosa. Todo esto depende del origen del almidón (Agronet.; 2006).

1.3.4.1.2 Bialfa-T.

Es una enzima amilolítico líquido 1,4-α-D-glucan-4-glucanohidrolasa de calidad alimentaria,

producida por fermentación sumergida del Bacillus licheniformis. Esta enzima hidroliza al azar

los enlaces glucosídicos alfa-D-1,4 del almidón produciendo dextrinas solubles y oligosacáridos,

es termoestable, actúa bien a niveles bajos de pH siendo mucho más estable. El rango óptimo

de temperatura está entre 95-1050C y su actividad es de 120.000UB/gramo, la Bialfa-T fue

desarrollada para promover la licuefacción (dextrinización) del almidón y producción de

maltodextrinas. Contiene calcio fuertemente ligado; pequeñas cantidades adicionales de calcio

estabilizan aún mejor el enzima a temperaturas por encima de los 600C, y concentraciones de

calcio de 30 a 75 ppm son adecuados para el uso del enzima a temperaturas de hasta 1100C

(Velamar.; 2013).

1.3.4.1.3 Glucozyme 2X.

Es una enzima amiloglucosidasa producida por la fermentación de una cepa de Aspergillus

niger, es una exo-1,4-α-glucosidasa (1,4D-Glucan glucanohidrolasa) que cataliza la liberación

de sucesivas unidades de glucosa a partir del final de las cadenas de almidón licuado. La

enzima puede hidrolizar tanto las ramificaciones α-D-1,6 como los enlaces poliméricos alfa-D-

1,4 del almidón. Presenta una relación elevada entre alfa-holoamilasa acidurica y

amiloglucosidasa que potencia el grado de hidrólisis de los enlaces alfa-D-1,4, trabaja a

temperatura óptima entre 58-600C y su pH es de 4-5,5 presentando una actividad de 400

AGU/ml (Velamar.; 2013).

1.4 Comparación entre hidrólisis ácida y enzimática del almidón.

Las reacciones para obtener jarabe de glucosa a partir del almidón pueden ser: hidrólisis ácida

o hidrólisis enzimática. La hidrólisis enzimática en los últimos años ha desplazado a la hidrólisis

ácida, debido a que se dispone de nuevas enzimas. La mayor parte de los procesos que

realizan hidrólisis de almidón usan proceso enzimático. Esto se debe a las ventajas que ofrece

el mismo, como lo es: el control de la formación de productos no deseables (Quitiguiña and

Santacruz 2012).

Cabe destacar que la obtención de jarabes glucosados por vía ácida trae consigo una serie de

desventajas con respecto a la hidrólisis enzimática debido a que esta produce cantidades

significativas de sal, el criterio de selectividad es bajo con respecto a la hidrolisis enzimática


17

debido a que las enzimas actúan sobre enlaces específicos al contrario de este proceso; se

utiliza un mayor volumen de cal activada para remover compuestos coloridos y compuestos

responsables de olores y sabores indeseables y se produce furfural y otros inhibidores que van

en contra de la calidad del producto (Herrera and Meers 2013).

Entre las enzimas que se usan para la hidrólisis del almidón se tienen la α-amilasa (α- 1,4-

DGlucano-hidrolasa) que hidroliza los enlaces glucosídicos α-1,4 de los polisacáridos que

poseen 3 o más unidades de D-glucosa. El ataque se hace en forma no selectiva tipo endógeno

sobre varios puntos de la cadena simultáneamente, generando polímeros de 3 o más unidades

de glucosa (Badui 2006). La amiloglucosidasa es una exohidrolasa (ataca la última unión

glucosídica del extremo no reductor) también conocida como glucoamilasa, que hidroliza los

enlaces glucosídicos α-1,4 y α-1,6 de la amilosa y la amilopectina (Carrera 2002).

(Surmely 1996) relata las ventajas de la hidrólisis enzimática en comparación con la hidrólisis

ácida.

La neutralización de una hidrólisis ácida produce cantidades significativas de sal, mientras

que en una hidrólisis enzimática, las cantidades minerales son mínimas, permitiendo del uso

de resinas trocadoras de iones para remover las sales formadas y obtener siropes de

conductancia leve.

En la hidrólisis enzimática, el volumen de cal activada usada para remover compuestos

coloridos y compuestos responsables de olores y sabores indeseables es menor.

Simplificación de la línea de producción, con reactores unitarios de licuefacción,

sacarificación y decoloración.

La hidrólisis enzimática posibilita la fabricación de una completa gama de hidrolizados, con

una misma línea de equipamientos.

A pesar de todas estas ventajas, los costos elevados de líneas de procesamiento y de las

enzimas son factores restrictivos para el uso de esta tecnología.

En la modificación enzimática son usadas enzimas para la hidrólisis de almidón, particularmente

para la producción de dextrinas y glucosa. Entre las más utilizadas se encuentran la α-amilasa,

amiloglucosidasa, β-amilasa, pululanasa y la glucosa isomerasa, las cuales son ampliamente

usadas para la obtención de jarabes de glucosa, maltodextrinas y glucosa cristalina (dextrosa);

dextrinas y maltosa especializadas pueden ser obtenidas con β-amilasa (Tester and Karkalas

2002).


18

Tabla 1.3 Historia de la Hidrólisis del Almidón.

Época Materia prima Almidón 30-45% materia seca

Hasta los 50

Acidificación (HCl pH=1,5) Hidrólisis (T= 150°C a presión) DE=función del tiempo de hidrólisis Con 45 min: DE= 90 con 86% glucosa

Hasta los 60

Acidificación (HCl pH=1,5) Hidrólisis (5-10 min, T=150°C-DE=12 a 20 Reacción con AMG (pH=4-4,5 T=60°C por 3 días) Jarabe de gucosa: DE=90-92

Entre los 60 y 70

Licuefacción con α-amilasa (pH=5,5-7 T=70-90°C) DE=20-30 Sacarificación con AMG(pH=4-4,5 T=60°C 48-100h) Jarabe de glucosa: DE=96-98 (92-96% glucosa)

Después de los 70

Licuefacción con α-amilasa termorresistente (6 min a 105°C, 2 h a 95°C) -DE=8-12 Sacarificación con AMG (pH=4-4,5 T=60°C 48-100 h) Jarabe de glucosa: DE=96-98 92-96% glucosa

Fuente: López-Munguía, 2002.

1.5 Industria de las maltodextrinas y los jarabes de glucosa.

Las maltodextrinas se definen como los productos de la hidrólisis parcial del almidón, las cuales

son comúnmente caracterizadas por su grado de hidrólisis, expresado como DE, con valores

menores de 20, obtenidos de almidones de diferente origen. Las maltodextrinas son

carbohidratos fácilmente digeribles con el uso de ácido y/o enzimas que rompen el almidón en

polímeros pequeños (un proceso similar al utilizado por el organismo de digerir hidratos de

carbono (Dokic, Jakovijevic et al. 2004)(GPC, 2008).

El dulzor es un sabor agradable que es perfectamente distinguido por el hombre. Los

edulcorantes son aditivos que confieren sabor dulce a los alimentos. Dentro de los edulcorantes

se destacan los jarabes de glucosa, que pueden ser obtenidos con diferentes composiciones y

propiedades físicas en dependencia del tipo de hidrólisis que se lleve a cabo, ya sea enzimática

o ácida (Tabla 1.4 y 1.5) (Fálder-Rivero 2004).


19

Tabla 1.4 Composición estándar de un jarabe de glucosa obtenido mediante hidrólisis

enzimática del almidón.

Componentes % en base seca

Glucosa 94-96

Maltosa 2-3

Maltotriosa 0,3-0,5

Oligosacáridos 1-2

Materia seca en jarabes 35-37

Fuente: López-Munguía, 2002.

Tabla 1.5 Composición estándar de un jarabe de glucosa obtenido mediante hidrólisis ácida del

almidón.

Componentes % en base seca

Glucosa 20

Maltosa 19,7

Dextrinas 38,9

Oligosacáridos 21,4

Fuente: Tecnología de Producción de Sirope de Glucosa Ácida. UEB Glucosa Cienfuegos.

1.5.1 Jarabes Glucosados.

Los jarabes de glucosa se usan de acuerdo a sus diversas concentraciones en varias industrias

tales como: panadería, confitería, procesado de frutas, alimentos compuestos, bebidas

alcohólicas, misceláneos, bebidas frías, etc. (Schenck.; and Hebeda.; 1992) .

Los jarabes de glucosa y dextrina son fabricados principalmente del almidón, aquí las cadenas

de amilosa se hidrolizan a unidades de dextrina y de glucosa. La proporción de estos determina

la efectividad del método de hidrólisis (ácido o enzimático) y el tiempo de reacción. Las enzimas

constituyen entonces el método más utilizado para convertir almidones en jarabes.

Tabla 1.6. Caracterización del jarabe de dextrina-glucosa.

Descripción

Color

DE*

pH

Conteos totales de

mesófilos aerobios

(UFC/g)

Líquido dulce,

viscoso

Transparente a

amarillo claro

40-42 4,2-7,2 ˂1*104

*= Equivalente de Dextrosa.


20

1.5.2 Producción y usos de jarabes de glucosa.

Las propiedades funcionales más importantes de los jarabes de glucosa son su poder

edulcorante, viscosidad, higroscopicidad y regulación de la actividad de agua, temperatura de

cristalización, pardeamiento, efecto en el punto de ebullición y fermentación. Generalmente, los

jarabes de glucosa no son cristalizables a temperatura ambiente si los contenidos de dextrosa

son inferiores a 40 %. El poder edulcorante de los jarabes de glucosa depende de la

concentración y combinación de los azúcares, así como de la temperatura; aumentando a

mayores temperaturas y ante la presencia de otros componentes alimentarios como las sales.

La calidad de los jarabes de glucosa se determina por el factor de DE, el cual indica el

porcentaje de azúcar reductor que se encuentra en la materia seca de cada tipo de jarabe de

glucosa (Bedolla-Bernal 2004; Tate.; and Lile.; 2005). El jarabe de glucosa se clasifica de las

siguientes formas por su valor de DE.

DE: 20-38 de baja conversión

DE: 39-43 de conversión normal

DE: 44-58 de conversión media.

DE: 59-67 de conversión alta.

DE: 68 o más, de conversión extrema.

Los jarabes con un DE de 39 a 43 son los más utilizados en el mercado por ser económicos y

de excelentes características fisicoquímicas y bacteriológicas. Se emplean en numerosos

productos, principalmente para prevenir la cristalización del azúcar, retener humedad, impartir

viscosidad y como fuente de carbohidratos en algunos procesos (Bedolla-Bernal 2004; ALMEX

2006).

Tabla 1.7 Usos comerciales de los derivados del almidón y enzimas involucradas.

Tipo de Jarabe Uso Enzima Clave Fuente de la Enzima

Maltodextrinas Espesante α-amilasa Bacillus licheniformis

Glucosa Edulcorante Glucoamilasa Aspergillus niger

Fructosa Edulcorantes Glucosa-Isomerasa

Streptomyces spp.

Fuente: (Johnson-Green 2002).

Durante el proceso de obtención de jarabe de glucosa se involucran dos etapas enzimáticas:

a) La licuefacción del almidón por la enzima α-amilasa.

b) La sacarificación, en donde se emplea la glucoamilasa.


21

a) Licuefacción.

En el proceso de licuefacción, la dispersión de almidón en agua a altas concentraciones

(hasta 45 %) es calentada para realizar la gelatinización, por lo que se utiliza una α-amilasa

termo-resistente que permite que se efectúen la gelatinización y la licuefacción de manera

simultánea. La alta temperatura (900C) y la fuerza mecánica permiten una rápida gelatinización.

El proceso de licuefacción, generalmente se lleva a cabo con agitación y a una temperatura de

80 a 1200C, de acuerdo a la fuente del almidón de que se trate. Posteriormente, la temperatura

se disminuye entre 70 y 900C para adicionar α-amilasa. La reacción se realiza durante un

período de 90 a 120 minutos. El hidrolizado obtenido contiene como principales productos,

maltosas y maltotriosas, además de α-dextrinas. Finalmente, se realiza una centrifugación para

separar el almidón no hidrolizado (López-Munguía 2002; Flores-Gorosquera 2003).

b) Sacarificación.

Esta etapa se efectúa utilizando la enzima amiloglucosidasa (AMG) a una temperatura de 600C,

con un pH de 4,5. Posteriormente, se adiciona la enzima y se realiza la reacción de 24 a 48

horas. Al término de la hidrólisis, el jarabe es purificado mediante filtración y tratamiento con

carbón activado. Posteriormente se evapora la solución para finalmente cristalizar la glucosa

(López-Munguía 2002; Flores-Gorosquera 2003).

Los jarabes de glucosa se utilizan para la elaboración de una amplia variedades de productos

alimenticios: bebidas suaves, confitería, productos cárnicos, productos horneados, helados,

salsas, alimentos para bebés, frutas enlatadas, jaleas, cajetas, así como en conservas (Olsen

1995; Montes-Horcasitas and Magaña- Plaza 2002; ALMEX 2006) .

1.5.2.1 Obtención de jarabes de glucosa con bajo ED por vía enzimática. Hidrólisis-

Gelatinización simultáneas.

(Velazco, Quintero et al. 2012) describen una nueva invención en el proceso para la

producción de maltodextrinas y jarabes de glucosa a partir de almidones, el cual está

compuesto por las siguientes etapas:

1.5.2.1.1 Licuefacción.

La etapa de licuefacción involucra la hidrólisis parcial del almidón, con la consecuente pérdida

de viscosidad. El almidón gelatinizado es literalmente licuado por hidrólisis parciales, mediante

enzimas, que producen la destrucción de las cadenas poliméricas del almidón (amilosa y


22

amilopectina) dando lugar a cadenas de menor tamaño. Después de ocurrir la gelatinización

puede ocurrir una etapa de gelificación, la cual genera subproductos indeseados que

desmejoran la calidad del producto y reduce la eficiencia del proceso porque requiere trabajarse

un tiempo considerable a altas viscosidades, generando mayores consumos de energía y por

ende mayores costos operacionales. Los tiempos de contacto enzima/almidón en la etapa de

gelificación para lograr los valores de equivalente de dextrosa (ED) y la duración del proceso

general, son muy prolongados afectando la productividad. En este sentido se pretende evitar la

etapa de gelificación, y llevar a cabo una licuefacción de manera gradual, realizando múltiples

adiciones de materia prima y enzima al reactor. En la primera adición se carga agua, almidón y

enzima al reactor, en la segunda y posteriores adiciones solo se carga almidón y enzima al

reactor. La novedad del proceso se encuentra en la adición dosificada de almidón y enzima al

reactor. El proceso comienza precalentando agua a 55 °C, se adiciona almidón hasta lograr una

concentración entre el 6% y el 35% p/p, se ajusta el pH de 4,5 a 6 utilizando una solución de

HCI o NaOH y se adiciona la enzima α-amilasa. Luego, se eleva la temperatura hasta 95 °C de

manera gradual, con una rampa de calentamiento (entre 1 y 6°C/min) y se deja reaccionar de 5

a 60 minutos, obteniéndose un producto intermedio denominado maltodextrina, cuyo grado

equivalente de dextrosa (ED) se encuentra entre 5 y 20, dependiendo del tiempo de reacción

mencionado. Para la segunda y posteriores adiciones de materia prima, primero se baja la

temperatura de la solución a 55 °C, se ajusta nuevamente el pH (entre 4,5 y 6), se adiciona

almidón y enzima fresca manteniendo la relación enzima/sustrato. El objetivo de reducir la

temperatura es detener completamente la reacción dentro del reactor antes de agregar una

nueva carga de material fresco. Se adiciona almidón para incrementar su concentración hasta el

70% p/p, ya sea con dos o más adiciones de almidón y enzima fresca. Después de la adición de

almidón y enzima fresca, se eleva nuevamente la temperatura hasta 95 °C y se deja reaccionar

la solución el tiempo necesario hasta alcanzar el ED requerido, dependiendo del producto a

fabricar. En esta etapa de licuefacción las moléculas de agua alrededor de los gránulos rompen

los enlaces tipo Van der Vals entre las cadenas poliméricas de almidón en el interior del gránulo

y éstos se hinchan aumentando la viscosidad de la suspensión de almidón.

Algunas moléculas cortas de amilosa se disuelven y se difunden fuera de los gránulos, las

cuales son inmediatamente hidrolizadas por la enzima; las moléculas más largas de amilosa,

que refuerzan la estructura de los gránulos al igual que las de amilopectina se van liberando,

gelatinizando e inmediatamente son hidrolizadas, evitando así el aumento fuerte de la


23

viscosidad como se reporta en la literatura técnica para las suspensiones de almidón

gelatinizado.

La enzima de licuefacción es α-amilasa (como por ejemplo la Liquozyme supra 2,2X de

Novozyme®), y es empleada a una concentración de 0,40 a 1,5 kg de enzima por tonelada de

almidón (relación enzima/sustrato).

La hidrólisis parcial del almidón, denominada licuefacción, es la ruptura de los enlaces α-1-4

glucosídicos de las cadenas poliméricas de almidón, con la enzima α-amilasa y en presencia de

agua, hasta alcanzar equivalentes de dextrosa (ED) inferiores a 20. La hidrólisis parcial del

almidón da como resultado la maltodextrina la cual se compone de una mezcla de sacáridos,

polisacáridos y oligosacáridos con amplias distribuciones de pesos moleculares. La

composición de los jarabes de malto dextrina se asocia comúnmente al ED, de tal forma que un

ED inferior a 20 se denomina dextrina y un ED superior a 20, y menor de 100, se denomina

glucosa.

Lo que se logra con las múltiples adiciones de almidón y enzima es incrementar gradualmente

la concentración de sólidos porque sólo se adiciona agua en la primera licuefacción. Para

realizar la segunda y posteriores adiciones de almidón y enzima, primero se disminuye la

temperatura lo que disminuye la cinética de la hidrólisis al mínimo, es decir, se detiene la

licuefacción, seguidamente se adiciona nuevo almidón y enzima fresca y se ajustan

nuevamente las condiciones para continuar con la licuefacción, es decir, se aumenta la

temperatura hasta 95 °C, se ajusta pH y se deja el tiempo requerido de reacción hasta lograr el

ED deseado. En esta etapa se concentra el hidrolizado porque no se adicionó agua pero sí

almidón, además las dextrinas producto de la etapa inicial también son hidrolizadas en la

segunda reacción porque en sus moléculas hay presencia de enlaces α-1-4 glucosídicos. Si se

desea, se pueden hacer más de dos adiciones dosificadas de materia prima hasta alcanzar un

contenido de sólidos de 70% dentro del reactor.

La ventaja de adicionar el almidón y la enzima de manera gradual es debido a que se puede

hidrolizar la mayor cantidad de almidón posible (cerca al 70% p/p); es decir se tiene un

hidrolizado al que, dependiendo de las aplicaciones, no es necesario retirarle el exceso de agua

en etapas posteriores de concentración lo cual implica una mayor demanda de energía, uso de

equipos, y procesos físicos de separación. La hidrólisis descrita anteriormente se puede hacer,

por ejemplo en reactores por lotes {Múltiple Batch Reactor) y/o reactores de flujo continuos

{Multistage Continuous Reactor, "Submarine") modificados para que alguna etapa del reactor

permita la modificación de la temperatura, y en otra la adición de almidón y enzima.


24

En la presente invención se realizó además una mejora en el proceso de desactivación de las

enzimas, pues en la literatura se encuentra que se debe bajar el pH por debajo de 2, dejar

10 minutos y subir nuevamente el pH al valor previo (entre 4,5 y 6) pero este procedimiento no

desactiva completamente la enzima. La mejora consiste en que la enzima es desactivada

totalmente a pH inferior a 3 durante 40 minutos a 95°C, garantizando que no haya más hidrólisis

del almidón y por tanto, las propiedades físico químicas del producto son constantes en el

tiempo. Esto se ha probado para almidones de diferentes proveedores.

El tiempo de contacto enzima/almidón, en la etapa de licuefacción, reportado en la literatura

técnica partiendo de suspensiones agua almidón al 30% p/v, que es de 100 minutos, es

mejorado dramáticamente en la presente invención, reduciéndose a 30 minutos. Cuando se

gelatiniza el almidón, la suspensión aumenta la viscosidad, pero bajo las condiciones de esta

invención el almidón se va gelatinizando e inmediatamente comienza a hidrolizarse impidiendo

que aumente la viscosidad, facilitando la interacción enzima-almidón disminuyendo así el

tiempo de esta etapa.

En el estado de la técnica en la etapa de licuefacción con diferentes amilasas para lograr

jarabes licuados con un ED entre 4 y 8, se requieren 60 minutos de contacto con la enzima,

mientras que con el proceso de esta invención, para lograr ese rango de ED, se requieren entre

15 y 25 minutos. Esto representa una disminución a menos de la mitad del tiempo con el

consiguiente ahorro de energía y aumento de la productividad.

1.5.2.1.2 Sacarificación.

Cuando lo que se desea es la obtención de jarabe de glucosa, se incluye al final del proceso

anterior, una etapa de sacarificación, en la cual se adiciona a la solución de la etapa anterior la

enzima glucoamilasa en una concentración de 0,8 a 1,5 g/Kg de sustrato. La reacción es

llevada a cabo a un pH entre de 4 y 6 y a una temperatura entre 50 °C y 65 °C alcanzando un

ED entre 40 y 60 en un tiempo entre 90 y 120 minutos de reacción.

Una vez transcurrido el tiempo requerido de reacción, la enzima glucoamilasa es desactivada

calentando la solución hasta 95 °C durante 40 minutos. Los procesos enzimáticos para la

producción de glucosa requieren de una etapa de sacarificación después de la licuefacción del

almidón. Esta etapa se efectúa con una enzima conocida como amiloglucosidasa o

glucoamilasa, de origen microbiano, la cual tiene la característica de ser una exoamilasa que


25

libera glucosa fundamentalmente de enlaces 1 -4 del almidón pero también de enlaces 1 -6,

aunque a una velocidad inferior, lo que permite hidrolizar las dextrinas.

Las enzimas α-amilasa y glucoamilasa son retiradas de los productos por métodos físicos de

separación conocidos, tales como ultrafiltración o centrifugación entre otros. Los jarabes de

glucosa son una mezcla entre una solución acuosa de D- glucosa, maltosa y otros

oligosacáridos llamados dextrinas. Los jarabes de D- Glucosa vienen comúnmente

caracterizados por su equivalente de dextrosa (ED).

1.6 Dextrosa Equivalente.

El término dextrosa equivalente (ED) se define como el porcentaje de azúcares reductores

expresado como dextrosa respecto al total de sólidos o peso seco de jarabe. Para poder

entender la transformación de almidón, el concepto de ED es importante, y es una manera de

expresar porcentualmente los enlaces glucosídicos que se han hidrolizado; midiendo el poder

reductor de la glucosa dividido entre el total de carbohidratos (Marchal, A.M.J et al. 1999). Un

producto con un valor en su ED de 20, significa que 100 partes del mismo pueden reducir la

misma cantidad de Cu++ en una solución Fehling a Cu+ como 20 partes de D-glucosa pura

(MacAllister 1979; Luenser 1983; Bedolla-Bernal 2004).

El nivel de dulzor del jarabe de glucosa aumenta a medida que aumenta el ED (Tabla 1.8). La

viscosidad del jarabe de glucosa depende del grado de hidrólisis (ó ED), materia sólida, y

temperatura. La viscosidad aumenta a medida que aumenta el ED, así como también existe una

disminución del punto de congelación, debido al porcentaje de azúcares reductores (Molina

1999; GPC 2008).


26

Tabla 1.8. Propiedades funcionales de los derivados de almidón en relación con sus valores de

ED.

Propiedades Valor de ED

Bajo Alto

Dulzor

Higroscopicidad

Depresión del punto de congelación

Evaluación del punto de ebullición

Presión Osmótica

Reacción de pardeamiento

Fermentabilidad

Potenciación del sabor

Viscosidad

Inhibición de la cristalización

Agente de cuerpo

Estabilizador de espuma

Fuente: Bedolla-Bernal, 2004

Capítulo II: Desarrollo Experimental.

27

CAPÍTULO II: Desarrollo experimental.

El presente capítulo tiene como objetivo estudiar las variables que influyen en el proceso de

obtención de jarabes glucosados por vía enzimática, teniendo en cuenta las especificaciones

físico-químicas de la hidrólisis ácida.

2.1 Proceso de obtención de jarabes glucosados.

2.1.1 Materiales y Métodos.

Se preparó una suspensión al 30% p/p almidón-agua (Serna, 2011; Medina, 2015) en beakers

de dos litros de capacidad, adicionando agua destilada al almidón previamente pesado; en

volumen de 1000 ml se añadieron 300g de almidón. En los procesos de licuefacción-

sacarificación del almidón fueron empleadas enzimas comerciales. En la etapa de licuefacción o

dextrinización se utilizó Bialfa-T que es una enzima amilolítico líquido producida por

fermentación sumergida del Bacillus licheniformis, que hidrolizan al azar los enlaces

glucosídicos alfa-D-1,4 del almidón produciendo dextrinas solubles y oligosacáridos. Esta

enzima produce jarabes con ED entre 15-25%, trabajando óptimamente a pH entre 5-7 y son

termoestables (trabajan de 95-1050C), aunque resisten hasta 1100C y presentan una actividad

enzimática de 120000UB/gramo (Velamar, 2013). En la etapa de sacarificación se utilizó la

enzima Glucozyme 2X, que es una amiloglucosidasa producida por la fermentación de una cepa

de Aspergillus niger, es una exo-1,4-alfa-glucosidasa que cataliza la liberación de sucesivas

unidades de glucosa a partir del final de las cadenas de almidón licuado, puede hidrolizar tanto

las ramificaciones alfa-D-1,6 como los enlaces poliméricos alfa-D-1,4 del almidón, por lo que

convierte a las dextrinas en glucosa. Trabaja a pH en el rango de 4-5,5 y su temperatura óptima

es de 58-60 °C reportando una actividad para dichas condiciones de trabajo de 400 AGU/ml

(Velamar, 2013). En el (Anexo 1) y (Figura 2.1) se muestran las etapas y el esquema general

del proceso de licuefacción-sacarificación del almidón de maíz respectivamente.


28

Fig. 2.1 Esquema general del proceso de hidrólisis enzimática.

2.1.1.1 Caracterización del sustrato empleado (almidón de maíz).

Tabla 2.1 Características físico-químicas y propiedades organolépticas del almidón de maíz.

Características físico-químicas

Humedad en % 13 máx.

Cenizas en % ( base seca) 0,30 máx.

Proteínas en % ( base seca) 0,80 máx.

pH 5,0-7,0

Propiedades organolépticas

Aspecto Polvo fino libre de impurezas.

Color Blanco

Olor Característico


29

2.1.1.2 Diseño experimental para el proceso de obtención de jarabes glucosados.

Se utilizó un diseño experimental en pantalla del tipo 2k con un punto central y con réplica para

cada uno de los experimentos, dando un total de 10 experimentos. Las variables

independientes y sus niveles se muestran en la tabla 2.3, estos niveles referentes a las

concentraciones de enzimas α-Amilasa (Bialfa T) y Amiloglucosidasa (Glucozyme 2X) se

tomaron a partir de lo reportado por (Velazco, Quintero et al. 2012) donde se desea obtener un

jarabe con alto Brix y bajo ED, el cual se corresponde con el obtenido en la hidrólisis ácida .

Los niveles de las concentraciones de ambos tipos de enzimas se toman en los intervalos

mostrados en la Tabla 2.3, menores que lo reportado en (Velazco, Quintero et al. 2012)

teniendo en cuenta que se trabaja con almidón de maíz en lugar de almidón de yuca; y el

almidón de maíz es más susceptible a las transformaciones enzimáticas que el de yuca.

Además se tuvo en cuenta lo reportado por (Nieblas, 2015), y se tomaron intervalos menores

de concentraciones; considerando que el objetivo es obtener un jarabe glucosado con bajo

contenido de ED, y teniendo en cuenta que la concentración de sustrato utilizada es de 30%p/v,

menor que la utilizada por (Nieblas, 2015) de 35% p/v.

Tabla 2.2 Matriz del diseño experimental

Experimentos X1 X2

1 + -

2 - +

3 + +

4 0 0

5 - -

6 + -

7 - +

8 + +

9 0 0

10 - -


30

Tabla 2.3 Variables independientes y sus niveles.

Variables Niveles

Concentración de α-Amilasa (X1) 0,05-0,08% p/p

Concentración de Amiloglucosidasa (X2) 0,05-0,1% p/p

2.1.1.3 Descripción del proceso de obtención de jarabes desarrollado en el laboratorio.

Etapa de licuefacción o dextrinización: Una vez preparada la suspensión de almidón al 30%

p/v se procede a ajustar el pH a un valor entre 5,5-6 empleando NaOH 1N, para lo que se utilizó

un pH-metro (MARCA HANNA 213); el beakers es colocado en un baño María (MARCA ELMI)

y se calienta hasta los 600C, luego se le añade la enzima Bialfa-T y se sumerge en el líquido un

agitador mecánico (MARCA IKA RW-16) garantizándose así un mezclado homogéneo de la

suspensión, desarrollándose una licuefacción-gelatinización simultáneas. Luego se eleva la

temperatura hasta los 1000C por un intervalo de tiempo de dos horas (Velazco, Quintero et al.

2012) obteniéndose un jarabe licuificado o dextrinizado. El almidón licuificado es enfriado a

temperatura ambiente y luego es trasvasado en erlenmeyers de un litro de capacidad. Se ajusta

el pH utilizando HCL 1N a un valor entre 4-4,5 para proceder a la etapa de sacarificación.

Etapa de Sacarificación: Para la sacarificación es utilizada la enzima Glucozyme 2X,

colocando el erlenmeyer con el contenido del jarabe dextrinizado obtenido en la primera etapa

en una zaranda (MARCA CERTO MAT IS) manteniendo la temperatura entre 58-600C por un

intervalo de tiempo de tres horas (Velazco, Quintero et al. 2012), antes de la refinación del

jarabe la enzima es inactivada elevando la temperatura hasta los 800C.

Refinación y Filtración: El jarabe sacarificado es filtrado al vacío empleando carbón activado

para decolorar, tierra de infusorio como agente filtrante, papel de filtro y embudos de vidrio, se

utiliza una bomba (MARCA ILMVAC GmbH), la cual hace vacío sobre un erlenmeyer quedando

retenido en el papel de filtro con la tierra de infusorio grasas y proteínas insolubles

obteniéndose así un jarabe transparente o ligeramente opalescente con olor y sabor

característico.

2.2 Determinación de las variables respuestas.

Durante cada etapa del proceso se tomaron muestras en intervalos de una hora y luego se

procedió a la determinación del 0Brix y los ART.


31

2.2.1 Grados Brix.

Los grados Brix (símbolo °Bx) sirven para determinar el cociente total de materia seca disuelta

en un líquido. La escala Brix se utiliza en el sector de alimentos para medir la cantidad

aproximada de azúcares en zumos de fruta, vino o bebidas suaves, y en la industria azucarera,

en la elaboración de cerveza, esta escala se aplica mediante el valor de la densidad

multiplicado por 1.000 (grados europeos de la escala Plato). Para la determinación del Brix se

utiliza un refractómetro (MARCA ATAGO).

El índice de refracción varía con la temperatura, con la longitud de onda y con la concentración

de sólidos solubles presentes, esta nos da una medida de los sólidos solubles en sólidos totales

o lo que es lo mismo los grados Brix (Macu, 1986) (Anexo 2).

2.2.2 Azúcares Reductores Totales (ART).

Los azúcares reductores son aquellos azúcares que poseen su grupo carbonilo (grupo

funcional) intacto, y que a través del mismo pueden reaccionar como reductores con otras

moléculas. Los ART se determinaron en el laboratorio, utilizando el método del ácido 3,5-Dinitro

Salicílico. Este se basa en la relación según la ley de Lamber-Beer, la absorbancia es medida

mediante un espectrofotómetro a 540 nm proporcional a la concentración de azúcares

reductores presentes en la muestra (Anexo 3).

2.2.3 Equivalente de Dextrosa (ED).

Es el grado de conversión a glucosa, se define como el porcentaje de azúcares reductores de

jarabe, calculado como dextrosa en base seca, entre mayor sea el ED mayor será su dulzura y

menor su viscosidad (Serna, 2011).

El equivalente de dextrosa se determina en función de los azúcares reductores a partir de la

siguiente ecuación:

Donde: S: Contenido de sustancia seca en la muestra inicial.

2.2.4 Rendimiento de hidrólisis.

El rendimiento se determina al concluir las etapas de licuefacción y sacarificación

respectivamente, en función de los azúcares reductores finales e iniciales de los procesos de

hidrólisis y la cantidad de almidón procesada inicialmente.

https://es.wikipedia.org/wiki/Bebida

https://es.wikipedia.org/wiki/Azucarera

https://es.wikipedia.org/wiki/Grupo_carbonilo

https://es.wikipedia.org/wiki/Agente_reductor


32

Donde:

ART (g/L) libres= 6,2 (Azúcares Reductores Totales que presenta el almidón de maíz).

ART (g/L) finales 1: ART alcanzados al final de la licuefacción.

ART (g/L) finales 2: ART alcanzados al final de la sacarificación.

V: Volumen final del jarabe en cada etapa.

M: Masa inicial del Almidón.

1,11: g equivalentes de glucosa/g almidón (Lareo 2012).

2.2.5 Acidez.

La acidez de la muestra diluida se determina mediante valoración con solución de hidróxido de

sodio al 0,1N usando fenolftaleína al 1% como indicador, expresándose el valor final como

ácido clorhídrico. (Anexo 4).

2.2.6 Conductividad.

La conductividad se determinó utilizando el conductímetro (MARCA MODEL DDSJ 308A).

2.2.7 pH

El pH se determina por el método potenciométrico, utilizando para ello el pHmetro (MARCA

HANNA 213). (Anexo 5).

2.3 Resultados del proceso de obtención de jarabes glucosados.

En las Tablas 2.4 y 2.5, así como en las Figuras 2.2 y 2.3 se reportan los resultados del análisis

de la influencia del °Brix y los ART en las etapas de licuefacción y sacarificación

respectivamente. En la primera etapa los almidones son transformados en dextrinas, las cuales

son sacarificadas posteriormente hasta obtener glucosa; jugando un papel importante en las


33

variables respuestas 0Brix y ART la influencia de las enzimas Bialfa T y Glucozyme 2X

(Figura 2.4).

Tabla 2.4 Resultados de la etapa de licuefacción.

Exp. X1 (%) X2 (%) o Brix ART (%) ED (%) Rendimiento (%)

1 0,08 0,05 26,1 22,865 25,89 53,07

2 0,05 0,1 29 20,292 22,98 46,89

3 0,08 0,1 27,2 18,53 20,99 42,66

4 0,065 0,075 25 16,2 18,34 37,06

5 0,05 0,05 26,6 21,375 24,2 49,49

6 0,08 0,05 25 13,388 15,16 30,3

7 0,05 0,1 26,7 19,616 22,22 45,26

8 0,08 0,1 23,6 19,616 22,22 45,26

9 0,065 0,075 24,5 15,96 18,07 36,48

10 0,05 0,05 25 22,322 25,28 51,76

Tabla 2.5 Resultados de la sacarificación.

Exp. X1 (%) X2 (%) o Brix ART (%) ED (%) Rendimiento (%)

1 0,08 0,05 31 55,76 63,14 47,63

2 0,05 0,1 32 61,04 69,13 54,01

3 0,08 0,1 28,7 56,302 63,76 58,336

4 0,065 0,075 31 50,1 56,74 63,875

5 0,05 0,05 30 46,826 53,03 50,07

6 0,08 0,05 32 46,013 52,11 68,92

7 0,05 0,1 32,4 59,144 66,98 54,72

8 0,08 0,1 29,2 55,76 63,15 54,67

9 0,065 0,075 30 51,022 57,78 63,5136

10 0,05 0,05 29 50,074 56,71 49,197

En la Figuras 2.2 y 2.3, se puede apreciar el comportamiento de las dos variables respuestas:

°Brix y ART, influenciadas por las concentraciones de las enzimas Bialfa T y Glucozyme 2X en

las etapas de licuefacción y sacarificación respectivamente.


34

Fig. 2.2 Comportamiento del Brix y los ART en función del tiempo para la etapa de licuefacción.

Fig. 2.3 Comportamiento del Brix y los ART en función del tiempo para la etapa de

sacarificación.

Si se analiza la etapa de licuefacción, se observa que no se obtienen elevados valores de °Brix

como los logrados por (Nieblas, 2015), pues aunque el almidón de maíz es uno de los más

utilizados para obtener jarabes, el contenido de almidón en dichos granos es menor que en los

de sorgo (Yordi, 2007); además se puede observar que la concentración de enzima Bialfa T en

los rangos estudiados no tiene influencia en el °Brix, siendo dicho comportamiento contrario al

reportado en (Nieblas, 2015), donde se utilizó la enzima Termamyl 120L, que ofrece muy

buenos resultados en la conversión de almidones en dextrinas; pues las propiedades y

mecanismos de acción de las α-amilasas dependen del origen de las enzimas, siendo todas

ellas endoenzimas (Vargas, 2002); no obstante sí existe un aumento del °Brix para cada


35

experimento, observándose en el comportamiento lineal y ascendente de cada una de las

pendientes. Al analizar el comportamiento de los ART; se evidencia, al igual que para el °Brix, la

no significación de la concentración de enzima Bialfa T en dicha variable respuesta, lo cual

puede estar dado por la poca variación en el intervalo de (0,05%-0,08%); dichos resultados

pueden estar atribuidos a la licuefacción-gelatinización simultánea (Velazco, Quintero et al.

2012), desarrollada en cada uno de los experimentos; pues para una eficiente hidrólisis

enzimática del almidón por las amilasas conviene que esté gelatinizado, por lo que se realiza un

cocimiento del almidón antes de la adición de dichas enzimas (Reyna, Robles et al. 2004);

además, la Bialfa T es estabilizada con pequeñas cantidades de calcio (Velamar, 2013),

sustancia que no fue adicionada en el proceso. En dicha etapa se logra obtener jarabes

dextrinizados con los valores de ED especificados para dicho producto.

En el análisis del comportamiento del ºBrix y los ART en la sacarificación, se puede apreciar un

incremento en función del tiempo de ambas variables (Figura 2.3), ocurriendo en la primera

hora de sacarificación un aumento considerable, lo que demuestra la capacidad de acción de la

enzima Glucozyme 2X al inicio de esta etapa, al ser una amiloglucosidasa desramificante que

actúa hidrolizando los enlaces glucosídicos α-1,4 y α-1,6 de la amilosa y la amilopectina. Se

observa además una similitud entre las líneas de tendencias de los experimentos (1,5,6,7 y 9)

para el Brix y las de los experimentos (1,2,4 y 7) para los ART, coincidiendo en ambas variables

respuesta los experimentos (1 y 7), en los cuales se trabaja con los valores extremos de las

concentraciones de enzimas; evidenciándose una influencia significativa de la interacción de

ambas variables, pues la Bialfa T desdobla los enlaces α-1,4 de la amilosa, amilopectina y

glicógeno, pero los enlaces α-1,6 glicosídicos de la cadena ramificada de los polímeros del

almidón no son atacados (Vargas, 2002); actuando sobre ellos la Glucosyme 2X separando

unidades de glucosa a partir del extremo no reductor de la cadena . Para el resto de los

experimentos se evidencia lo explicado anteriormente e influye además los intervalos de

concentración de 0,065% y 0,075% correspondientes al punto central en el diseño experimental,

apreciándose entonces como con dichos valores se logra un efecto similar que al utilizar las

concentraciones de enzimas en sus rangos máximos.

Analizando los experimentos (1,2,4 y 7) en la conversión de dextrinas, oligosacáridos solubles y

maltosas se puede observar un aumento ascendente y considerable en la primera hora de

sacarificación hasta un punto donde la conversión cae y luego vuelve a incrementarse, lo cual

está dado, porque la Glucozyme 2X es una glucoamilasa que libera glucosa a partir de almidón

en un tiempo relativamente corto de reacción , la conversión cae debido a la formación de


36

producto que inhiben el proceso (Paredes Ruiz, 2001). Sin embargo, en los experimentos

(3,5,8 y 10), en los que se trabaja con las mayores y menores concentraciones de enzimas

respectivamente, el comportamiento es bastante similar con una tendencia lineal y ascendente

en todo el tiempo de sacarificación, observándose los mejores valores de ART para las mayores

concentraciones de ambas enzimas; lo que demuestra su influencia en los procesos de

transformación de almidones en dextrinas y la consecuente conversión de dextrinas en glucosa.

En la Figura 2.4 se observa el comportamiento prácticamente invariable del Brix en las etapas

de licuefacción y sacarificación mediante la acción de las enzima Bialfa T y Glucozyme 2X,

estando en rangos de 24-29 ºBx para la primera etapa, teniendo en cuenta lo explicado

anteriormente respecto a la enzima licuificante; siendo superiores estos valores para la acción

de la Glucozyme 2X en un rango de 29-32ºBx, donde los valores más elevados están en

correspondencia con las menores concentraciones de ambas enzimas en esta variable

respuesta, lo que indica la no significación de los valores de concentraciones de enzimas. La

influencia de la Bialfa T en los ART se corresponde con lo explicado para el ºBx, sin embargo

en la acción de la Glucozyme 2X se observa un cambio brusco de los ART, correspondiéndose

los valores más elevados para el experimento 4 y su réplica, en los que se trabaja con el punto

central del diseño experimental, es decir: con las concentraciones intermedias de los intervalos

establecidos (0,065% y 0,075%) para la Bialfa T y la Glucozyme 2X respectivamente, lo cual es

factible desde el punto de vista económico, al poder utilizar menor cantidad de enzima para el

logro de los requerimientos del proceso.

]

Fig. 2.4 Influencia de las enzimas en el valor final del oBrix y los ART.


37

En la figura 2.5 se pueden apreciar tres etapas en el proceso de hidrólisis, donde en la segunda

hora de licuefacción, la producción de ART prácticamente no varía, pues en la primera hora del

proceso es donde la enzima tiene su máxima capacidad de acción, pues transcurrido este

tiempo aparecen otros compuestos como maltodextrinas y oligosacáridos que inciden

negativamente en la actividad enzimática, además el sustrato puede estar saturando a la

enzima. En la segunda etapa, la velocidad de producción de azúcares reductores aumenta

considerablemente en la primera hora de sacarificación, demostrando la influencia positiva y

significativa de la Glucozyme 2X en la producción de glucosa, y una vez transcurrido este

tiempo dicha velocidad disminuye, pues la concentración de producto ha aumentado y esto

inhibe el proceso de hidrólisis.

Fig. 2.5 Comportamiento de la conversión de ART en el tiempo.

2.3.1 Análisis del diseño experimental.

Los resultados mostrados en la Tabla 2.5 se someten a tratamiento estadístico, utilizando para

ello el Software Statgraphics Centurion XV con el objetivo de estudiar la influencia de las

variables independientes sobre las variables respuesta: oBrix y ART%.

2.3.1.1 Análisis del oBrix.

Al procesar los resultados se obtuvo la ecuación del modelo que da la influencia de las variables

independientes sobre el oBrix ajustándose a un valor de .


38

Se obtuvieron además los gráficos de Superficie Respuesta, Efectos Principales y diagrama de

Pareto que se muestran en la figura 2.6.

Fig. 2.6 Relación entre el oBrix y la concentración de Bialfa T y Glucozyme 2X.

Al analizar los modelos obtenidos, el diagrama de Pareto y los gráficos de Efectos Principales y

Superficie Respuesta para el ºBrix, se puede evidenciar que la interacción entre las

concentraciones de Bialfa T y la Glucozyme 2X tienen influencia significativa. El oBrix se ve

favorecido por la interacción de ambas variables; o sea, una disminución significativa de la

concentración de la Bialfa T con un aumento de la concentración de Glucozyme 2X y viceversa,

influye de igual forma y considerablemente en el valor final del oBrix, no teniendo el mismo

efecto si se analizan indistintamente cada variable por separado. En este sentido la

concentración de Bialfa T influye de forma negativa, mientras que la concentración de la

Glucozyme 2X influye positivamente, es decir: con un aumento de la concentración de

amiloglucosidasa se incrementa el valor del ºBrix en el tiempo.


39

2.3.1.2 Análisis de los ART.

Para los ART, del análisis estadístico se obtiene la siguiente ecuación modelo

obteniéndose un valor de %

Los gráficos de Superficie Respuesta, Efectos Principales y el diagrama de Pareto se muestran

en la figura 2.7.

Fig.2.7 Relación de los ART y la concentración de Bialfa T y Glucozyme 2X.

Contrario a lo sucedido con el oBrix, en el análisis de los ART la concentración de la Glucozyme

2X es la variable de mayor influencia, teniendo un efecto positivo en la obtención del valor final

de los ART; sin embargo, una interacción de ambas variables no tiene marcada influencia, al

influir negativamente; pues si se analizan de forma independiente se puede apreciar que la

amilasa influye negativamente, mientras que la amiloglucosidasa actúa de forma positiva. Un

aumento de la concentración de la Glucozyme 2X producirá una mayor cantidad de ART,

favoreciéndose el proceso en este sentido.


40

El análisis de varianza y el de efectos estimados para cada una de las variables respuestas se

muestran en el (Anexo 6).

Después de analizar la influencia de cada una de las variables independientes sobre las de

respuesta, se determinaron las combinaciones de los niveles sobre los factores analizados que

maximizan los valores del oBrix y ART sobre la región indicada (Tabla 2.6) se obtuvieron valores

óptimos de (32,19 oBrix y 59,43% para los ART).

Tabla 2.6. Óptimos de las variables analizadas en el proceso de hidrólisis-sacarificación.

2.3.2 Determinaciones a los jarabes glucosados.

2.3.2.1 Determinación del %ART y del %ED.

En la tabla 2.7 se muestran los ED determinados por el Método del 3,5 Dinitrosalicílico (DNS) el

cual es empleado en la industria azucarera para la determinación de azúcar en los jugos de la

caña.

Tabla 2.7. Resultados del oBrix y el ED en los jarabes.

Exp. X1 (%) X2 (%) oBrix ART (%) ED (%)

1 0,08 0,05 31 55,76 63,14

2 0,05 0,1 32 61,04 69,13

3 0,08 0,1 28,7 56,302 63,76

4 0,065 0,075 31 50,1 56,74

5 0,05 0,05 30 46,826 53,03

6 0,08 0,05 32 46,013 52,11

7 0,05 0,1 32,4 59,144 66,98

8 0,08 0,1 29,2 55,76 63,15

9 0,065 0,075 30 51,022 57,78

10 0,05 0,05 29 50,074 56,71

°Brix ART

Factor Bajo Alto Óptimo Óptimo

X1 0,05% 0,08% 0,05% 0,05%

X2 0,05% 0,1% 0,1% 0,1%


41

Tabla 2.8. Caracterización físico-químico del producto final.

Exp.

X1(%)

X2(%)

Volumen

Final

(mL)

Densidad

(g/mL)

pH Acidez

(%)

Conductividad

(µS/cm)

Rendimiento

(%)

1 0,08 0,05 580 1,11574 4,32 0,015 254 53,837

2 0,05 0,1 588 1,09342 4,77 0,016 215 55,063

3 0,08 0,1 603 1,09938 4,31 0,0079 266 63,53

4 0,065 0,075 560 1,09238 5,1 0,023 251 62,59

5 0,05 0,05 520 1,10264 4,48 0,019 375 53,5

6 0,08 0,05 520 1,09354 4,72 0,018 312 68,78

7 0,05 0,1 590 1,08444 5,19 0,02 347 55,79

8 0,08 0,1 610 1,1231 5,15 0,011 401 55,34

9 0,065 0,075 602 1,09734 4,86 0,02 320 63,149

10 0,05 0,05 600 1,1286 5,2 0,017 418 55,937

Tabla 2.9. Propiedades organolépticas de los jarabes.

Aspecto Líquido viscoso transparente, sin turbidez.


Sabor Característico, ligeramente dulce.

Color Incoloro


42

Tabla 2.10. Especificaciones físico-químicas y organolépticas de los jarabes obtenidos por

hidrólisis ácida

ºBrix 80-85ºBx

ED 38-42

pH 4,4-5,2

Conductividad 160-250 µS/cm

Color Incoloro

Aspecto Líquido viscoso, transparente sin turbidez


Sabor Característico, ligeramente dulce.

2.4. Análisis de los resultados.

Al analizar el diseño experimental en pantalla del tipo 2k con un punto central se obtienen los

modelos correspondientes a las dos variables respuestas estudiadas: ºBrix y ART, donde se

puede apreciar la influencia poco significativa y negativa de la concentración de enzima Bialfa T

tanto en el Brix como en los ART; estadísticamente la enzima no tiene significación, lo cual se

ve reflejado también en las figuras 2.2, 2.3 y 2.4 , en las que los mayores valores de Brix y ART

no se corresponden con la mayor concentraciones de enzima en la licuefacción, sin embargo

físicamente la enzima si actúa, pues el Brix y los ART aumentan en esta etapa; en este sentido

es necesario tener en cuenta la poca variación en el intervalo de concentraciones de dicha

enzima (0,05%-0,08%) .

Además se evidencia la influencia de la Glucozyme 2X, siendo poco significativa en el Brix y de

gran significación para los ART, mostrándose en ambos casos de forma positiva (figuras 2.6 y

2.7), lo que demuestra que los mejores valores de Brix y ART se favorecen con un incremento

de la Bialfa T. Dicho efecto se muestra además en las (figuras 2.3, 2.4 y 2.5), verificándose una

vez más la capacidad de acción de dicha enzima al romper por completo los enlaces de la

amilosa y desramificar lentamente a la amilopectina; las amiloglucosidasas se conocen como

desramificantes y a diferencia de las amilasas actúan sobre los enlaces α-1,4 y α-1,6 de ambas


43

cadenas, teniendo su mayor velocidad de sacarificación en la primera hora de acción

(figura 2.5).

Al apreciarse en el tratamiento estadístico, la influencia positiva de la Glucozyme 2X y negativa

de la Bialfa T, la interacción de dichas variables resultó ser la de mayor significación para el

Brix, no siendo tan significativa para los ART; estos resultados se ven reflejados además en la

figura 2.3, lo cual corrobora que ambas enzimas si actúan de una forma u otra en el desdoble

de la amilosa y la amilopectina del almidón para obtener dextrinas, maltodextrinas y

oligosacáridos solubles, los cuales mediante la acción de la amiloglucosidasa son

transformados a glucosa.

El rendimiento de hidrólisis-sacarificación enzimática estuvo por encima del 50% para todos los

experimentos, lo que demuestra una eficiente conversión en los procesos de hidrólisis-

sacarificación enzimática desarrollados en el laboratorio, ya que el rendimiento del proceso es

proporcional a la conversión en glucosa, determinándose en función de los ART y el volumen

final obtenido.

Los valores de Equivalente de Dextrosa alcanzados (52-69%) estuvieron por encima de los

requeridos para el jarabe glucosado por vía ácida que están en un rango de (38-42%),

obteniéndose los mejores valores para las menores concentraciones de enzimas en los

intervalos estudiados. Con respecto al ºBrix, este estuvo por debajo de lo establecido una vez

desarrollada la refinación, pues para el jarabe por vía ácida se alcanzan valores en un rango de

34-40 ºBx y en el proceso desarrollado en este capítulo el ºBx se muestra en rangos de 29-

32ºBx, lo cual se debe a las formas de operación desarrolladas en la industria, donde se trabaja

con un convertidor que opera a temperaturas y presiones elevadas. El Brix de 80-85ºBx se

obtiene a escala industrial evaporando en un equipo de múltiple efecto.

Con respecto a las especificaciones físico-químicas se pueden apreciar valores ligeramente

superiores de la conductividad, lo cual no es significativo debido a las condiciones en las que se

desarrolló el proceso a escala de laboratorio.

El jarabe obtenido por la hidrólisis enzimática cumple con las características organolépticas

reportadas para la hidrólisis ácida.

Capítulo III: Propuesta Tecnológica. Análisis Económico.

44

CAPÍTULO III: Propuesta tecnológica. Análisis económico.

La Empresa Glucosa de Cienfuegos, tiene como interés en los tiempos actuales, sustituir la

hidrólisis ácida por la enzimática en la obtención de jarabes glucosados. En este sentido el

objetivo fundamental consiste en obtener un jarabe glucosado por vía enzimática, teniendo en

cuenta las especificaciones de los jarabes obtenidos por vía ácida.

3.1. Obtención del jarabe glucosado por hidrólisis ácida.

3.1.1. Etapas del proceso de producción (Parámetros y variables de operación).

El proceso que se describirá a continuación fue tomado de la Carta Tecnológica existente en

la Empresa de Glucosa de Cienfuegos: “Tecnología de Producción de Sirope de Glucosa

Ácida”. Los diagramas de bloque y de flujo del proceso aparecen en los (Anexo 7) y (Anexo 8)

respectivamente.

El proceso tecnológico industrial de obtención de sirope de glucosa por vía ácida consta de las

siguientes etapas:

1. Acidulación.

2. Conversión.

3. Neutralización.

4. Sacarificación.

5. Refinación.

6. Evaporación.

7. Almacenamiento.

Etapa de Acidulación.

El objetivo de esta operación tecnológica es preparar la suspensión acuosa del almidón de

maíz al grado de acidez idóneo, el proceso ocurre en un tanque agitado donde se garantiza la

homogeneidad y se evita la sedimentación de la suspensión, se le incorpora HCL gradualmente

hasta lograr el grado de acidez, normalidad y densidad deseados.

Especificación de calidad del producto en proceso.

pH--------------------------------------1,7 – 2,0

Concentración-----------------------18 – 21 0Bé

Normalidad---------------------------0,025 – 0,030 N

Conductividad------------------------5000 – 6000 mS/cm


45

Etapa de Conversión.

En esta etapa son desdobladas las cadenas carbonadas del almidón en glucosa mediante la

hidrólisis ácida, el proceso ocurre en un reactor flujo pistón a una temperatura y presión de

trabajo de 1400C y 1961330 – 2941995 Pa, el hidrolizado obtenido es bombeado a un tanque

agitado.

Especificaciones de calidad del proceso productivo.

Concentración------------------------- 34 – 40 0Brix

ED----------------------------------------38 – 42

Aspecto----------------------------------Turbio

pH----------------------------------------1,7 – 2,0

Color-------------------------------------Amarillento

Temperaura----------------------------1400C

Etapa de Neutralización.

En esta operación tecnológica el ácido clorhídrico es neutralizado, se rectifica el pH del

hidrolizado, y se alcanza el punto isoeléctrico de la suspensión, para lograr la coagulación de

las proteínas. El agente neutralizador utilizado es el carbonato de sodio (Na2CO3) preparado a

una densidad de 9-13 0Bé. El hidrolizado ya neutralizado se pasa por el ciclón de expansión

enfriándose hasta los 750C. Luego es impulsado mediante una bomba hacía un tanque y se

realiza un ajuste final de pH.

Especificaciones de calidad del producto en proceso.

ED----------------------------------------38 – 42


pH----------------------------------------4,6 – 5,0

Aspecto----------------------------------Turbio

Color-------------------------------------Amarillento

Temperatura-----------------------------1400C


46

Etapa de Sacarificación.

En esta etapa no ocurre ningún cambio significativo, o sea su único objetivo es retener el

hidrolizado buscando los niveles necesarios para dar continuidad estable en el proceso. Si el

producto es retenido más tiempo de lo previsto se realiza un rechequeo del pH.


ED----------------------------------------38 – 42


pH----------------------------------------4,6 – 5,0

Aspecto----------------------------------turbio

Color-------------------------------------amarillento

Temperaura----------------------------60 - 800C

Etapa de Refinación.

En este proceso de operación tecnológico ocurre la eliminación de las grasas y proteínas

insolubles del hidrolizado, así como la decoloración del mismo. Al tanque que contiene el

hidrolizado se le añade carbón activado y se deja de 30 a 40 minutos con el objetivo de lograr

un mayor tiempo de retención para elevar la eficiencia de la etapa. Luego se hace pasar a

través de un filtro que presenta una capa de tierra infusorio que actúa como medio filtrante en

el cual quedan retenidas las proteínas, grasas y el carbón activado añadido anteriormente. El

líquido decolorado y filtrado es bombeado hacia un tanque donde se realiza un ajuste de pH

con carbonato de sodio a valores entre 4,4 – 5,2.



pH----------------------------------------4,4 – 5,2

Color-------------------------------------patrón uno máx.

Olor--------------------------------------característico.

Sabor------------------------------------ característico.

Aspecto---------------------------------transparente o ligeramente opalescente, sin partículas.


47

Etapa de Evaporación.

Esta operación tiene el objetivo de concentrar el producto en el proceso una vez refinado. La

solución diluida entra al primer efecto lográndose una temperatura de ebullición de 850C

ocurriendo el proceso de evaporación. El segundo y tercer efecto ocurre igual con temperaturas

de ebullición de 770C y 520C respectivamente. A la salida del tercer efecto el producto tiene una

concentración de 65 0Brix, de aquí es enviado al súper concentrador que trabaja a 800C

alcanzándose una concentración final de 81 – 85 0Brix.


Especificaciones Físico-Químicas.


ED----------------------------------------38 – 42

pH----------------------------------------4,4 – 5,2

SO2---------------------------------------400 mg/kg máx

Especificaciones Organolépticas.

Color-------------------------------------patrón 3 máx.

Aspecto---------------------------------líquido viscoso transparente sin turbidez.

Olor--------------------------------------característico.

Sabor------------------------------------ característico, ligeramente dulce.

Almacenamiento.

El jarabe obtenido es almacenado en tanques de 150 m3 hasta el momento de su

comercialización ya sea en camiones, cisternas o bidones.

A continuación, en la tabla 3.1, se muestran los índices de consumo de las materias primas en

el proceso de hidrólisis ácida del almidón de maíz.


48

Tabla 3.1 Índices de consumo de materias primas.

Materias Primas Norma de Consumo

Lechada de almidón (ton) 2,5395

Ácido clorhídrico 7,4 kg ó 6,5 L

Tierra Filtrante (kg) 15

Carbonato de sodio (kg) 5,2

Carbón activado (kg) 5,1

Metabisulfito de sodio (kg) 0,6

3.2 Modificación de la tecnología existente para la obtención de glucosa enzimática con

las especificaciones de la glucosa ácida.

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos a escala de laboratorio y los niveles de

concentración de sustrato, concentración de enzimas y tiempos de operación establecidos, se

desarrolló el proceso a escala industrial obteniéndose un producto final con las

especificaciones físico-químicas y organolépticas deseadas como se muestran en la tabla 3.2.

Tabla 3.2 Resultados a escala industrial.

Parámetros Valor Final

Concentración (ºBx) 80

ED (%) 40,58

pH 4,7

SO2 (mg/kg) 345

Color patrón 3

Aspecto líquido viscoso

Olor característico

Sabor ligeramente dulce


49

3.2.1 Descripción del proceso productivo.

3.2.1.1. Etapas y dosificación de enzimas en la conversión y sacarificación.

El proceso de obtención de jarabes glucosados por vía enzimática, consta de las siguientes

etapas:

1. Preparación de la lechada de almidón.

2. Conversión.

3. Sacarificación.

4. Inactivación.

5. Refinación.

6. Evaporación.

7. Almacenamiento.

Preparación de la lechada de almidón.

El objetivo de esta operación es garantizar que la suspensión acuosa de almidón de maíz se

encuentre en los rangos establecidos para dar paso a la etapa de conversión. Para el ajuste del

pH se utiliza carbonato de sodio Na2CO3 con una concentración de 11,7 0Be, el cual fue

añadido mediante una bomba al tanque con agitación donde se encontraba la lechada de

almidón.


pH-------------------------------5,7

Densidad----------------------17 0Bé

Etapa de conversión.

En esta operación tecnológica las cadenas carbonadas del almidón son desdobladas mediante

la licuefacción enzimática. Se le hace pasar agua caliente al convertidor hasta alcanzar una

temperatura de 1050C, la presión de trabajo es de 2206496,25 Pa y se le recircula la

suspensión acuosa de almidón a razón de 120 L/min con una dosificación de enzima de 29

ml/min. El tiempo de retención fue de 7 minutos y se le realizó un análisis de ED al final de

cada conversión. Se continuó recirculando la solución hasta que se obtuvo un volumen de

23 m3.


50


Concentración----------------36 0Brix

ED--------------------------------22,5

pH--------------------------------5,7

Color----------------------------Amarillento

Temperatura------------------1050C

Etapa de sacarificación.

Para realizar esta operación tecnológica la suspensión fue enfriada de 105-600C utilizando

para ello tanques isotérmicos agitados a los cuales se les hace correr agua por el serpentín.

Este proceso tardó varias horas por lo que se recomienda la instalación de un intercambiador

de placas con el objetivo de disminuir el tiempo de espera del proceso tecnológico, luego se

ajustó el pH utilizando ácido clorhídrico con 27% de pureza, con el fin de aumentar la actividad

de la enzima Glucozyme 2X. Cuando se alcanzaron los parámetros operacionales necesarios

se le añadieron 0,887 litros de Glucozyme 2X para un volumen de 23 m3 y 17 0Bé de

concentración, el muestreo de ED se realizó cada una hora hasta que se obtuvo un valor

cercano al óptimo (ED: 38 – 42) donde el tiempo de muestreo fue de 10 minutos, una vez

alcanzado el valor deseado se procedió a la inactivación de la enzima. El tiempo de

sacarificación fue de 3 horas y 17 minutos.


Concentración--------------------------38 0Brix.

ED-----------------------------------------40,58.

pH------------------------------------------4,9.

Temperatura----------------------------600C

Color--------------------------------------Amarillento.

Olor---------------------------------------Característico.

Etapa de Inactivación.

El objetivo de esta operación es inhibir la acción catalítica de la enzima Glucozyme 2X cuando

los valores de ED en la etapa de sacarificación sean los deseados. Se calentaron los tanques

debido a que el intercambiador de placas está en desuso por lo que también se recomienda la


51

instalación del mismo. La temperatura es elevada con el suministro de vapor, alcanzando un

valor entre 80-850C.

Especificaciones de calidad del producto.


ED-----------------------------------------40,58.

pH------------------------------------------4,9.

Temperatura----------------------------80-850C



Etapa de Refinación.

En esta etapa son eliminadas las grasas y proteínas insolubles del hidrolizado y es decolorada

la suspensión. Se procedió a la adición de carbón activado de forma manual a razón de 1/3 de

saco cada media hora al tanque agitado para elevar la eficiencia de la etapa. El flujo se hizo

pasar a través de un filtro el cual presenta una capa de tierra infusorio que actúa como agente

filtrante y a su vez quedan retenidas las proteínas y grasas insolubles más el carbón activado,

el líquido decolorado y filtrado se le realiza un ajuste fino de pH con carbonato de sodio.



ED-----------------------------------------40,58.

pH------------------------------------------4,7.

Aspecto--------------------------------Transparente o ligeramente opalescente sin partículas.



Etapa de Evaporación.

En esta etapa es concentrado el producto ya refinado, la solución diluida entra al primer efecto

lográndose una temperatura de ebullición de 850C ocurriendo el proceso de evaporación. El

segundo y tercer efecto ocurre igual con temperaturas de ebullición de 770C y 520C

respectivamente. A la salida del tercer efecto el producto tiene una concentración de 65 0Brix y


52

de aquí es enviada al súper concentrador que trabaja a 800C alcanzándose una concentración

final de 81 – 85 0Brix.

Resultados obtenidos a escala industrial.


ED-----------------------------------------40,58.

pH------------------------------------------4,7.

SO2----------------------------------------345 mg/kg

Aspecto----------------------------------líquido viscoso.

Color--------------------------------------patrón 3.

Olor---------------------------------------característico.

Sabor-------------------------------------ligeramente dulce.

Etapa de Almacenamiento.

El jarabe obtenido es almacenado en tanques de 150 m3 hasta el momento de su

comercialización ya sea en camiones, cisternas o bidones.

3.2.2 Índices de consumo de las materias primas a escala industrial.

Teniendo en cuenta los consumos de sirope de glucosa en el mercado, cuando se realizó la

prueba industrial se necesitaban obtener dos toneladas de glucosa enzimática, con el fin de

satisfacer la demanda existente. Los consumos de materias primas se muestran en la tabla 3.3.

Tabla 3.3 Consumo de materias primas a escala industrial.

Materias Primas Norma de Consumo

Lechada de almidón (ton) 3,17

Ácido clorhídrico 6,8 kg ó 5,96 L

Tierra Filtrante (kg) 30

Carbonato de sodio (kg) 42

Carbón activado (kg) 8

Enzima Bialfa T (L) 0,887

Enzima Glucozyme 2X (L) 0,887


53

3.3 Diseño del intercambiador de calor de placas.

El intercambiador de calor de placas es extremadamente versátil, es de uso común en las

industrias de procesado de alimentos y productos químicos, pudiéndose utilizar diferentes

combinaciones de placas y juntas según cada aplicación específica (Intercambiadores de calor

de placas). En la UEB Glucosa Cienfuegos se hace necesario la instalación de uno con el

objetivo de enfriar la solución entre los procesos de conversión-dextrinización y sacarificación, y

con ello la disminución del tiempo de obtención del jarabe glucosado.

Para el diseño del intercambiador de placas se tuvo en cuenta la metodología del (Chemical

Engineering 11/agosto/1980), que aparece en el (Anexo 9).

3.3.1 Consideraciones para el diseño.

Suponer pérdidas despreciables de calor.

Coeficiente de TC constante para todo el equipo.

La temperatura varía solamente en la dirección del flujo.

En el arreglo en “Z” se supone que el flujo se divide equitativamente.

Suponer que no existen paquetes de aire.

Coeficientes peliculares:

1. Para flujo turbulento:

2. Para flujo laminar:

Caída de presión:


54

Coeficiente total de transferencia de calor:

)

Datos:

Fluido caliente. Fluido frío

T1=1050C t1=250C

T2=600C t2=600C

W= 19,48 kg/seg W= 10,68 kg/seg

Cp= 1,672 kJ/kg0C Cp= 4,18 kJ/kg0C

µ= 0,001 Pa*seg µ= 0,0089 Pa*seg

k= 0,297 W/m0C k= 0,58 W/m0K

ρ= 3,048 kg/L ρ= 1kg/L

Balance de calor:

Cálculo del MLDT:


55

Cálculo del NTU:

Ft: con NTU y arreglo de flujo voy a la Chemical Engineering, Agosto 11, 1980.

Ft: 0,93

Cálculo del Área de flujo (Af) y diámetro equivalente (De).

Datos del equipo:

W1= 0,6 m (Ancho de la placa).

L= 0,9 m (Longitud de la placa).

b=0,001 m (Ancho del canal).

x=0,0005 m (Espesor de la placa).

2

Para el fluido caliente:

Para el fluido frío:


56

)

Ajuste del número de placas.

Cálculo de la caída de presión:

)


57

3.4 Diseño del intercambiador de calor de tubos y concha.

Con el fin de incrementar el área para la convección relativa al volumen del fluido, es común

diseñar intercambiadores con múltiples tubos dentro de un simple intercambiador, esto permite

arreglar el flujo de manera que una región estará en paralelo y la otra a contracorriente. Se

hace necesario instalar un intercambiador de calor de tubo y coraza en la UEB Glucosa

Cienfuegos para calentar la solución hasta 850C y así inactivar la enzima.

Datos:

Selección de los fluidos:

Concha: Vapor

Tubos: Solución acuosa.

Diseño:

Fluido caliente Fluido frío

T1=1370C t1=600C

T2=1370C t2=750C

W= 0,54 kg/seg W= 51,3 kg/seg

λ= 2151,1 kJ/kg Cp= 4,18 kJ/kg0C

µ= 0,00013 cP µ= 0,01 cP

k= 0,0264 W/m0C k= 0,297 kJ/m0C

ρ= 940,38 kg/m3 ρ= 3,048 kg/L


58

Tabla 3.4 Resultados del diseño.

Nomenclatura Datos Ecuación Resultado Referencia

Q

W= 51,3 kg/seg

Cp=3,048 kJ/kg0C

t1=600C ; t2=750C

(Kern 1988)

Δt verdadera Δt1=770C

Δt2=620C

MLDT= Δtverd= 69,230C (Kern 1988)

Área de TC

Δtverd= 69,230C

Atc= 19,88 m2 (Kern 1988)

A de TC tubo L=5 metros

Dexterior=0,3048m

(Kern 1988)

# de tubos

(Kern 1988)

Área de TC real )

ATCreal= 36,31 m2 (Kern 1988)

Ud

Δtverd= 69,230C

ATCreal= 36,31 m2

(Kern 1988)


59

Tabla 3.5 Resultados del rechequeo.

Nomenclatura Datos Ecuación Resultado Referencia

µ=0,01 cP

k= 0,297 kJ/m0C

jH=150(Fig.24 pág 939)

Re=32478,42

Pr=10,26

Dj=0,022 m

(Kern 1988)

Coraza: Vapor (Kern 1988)

(Kern 1988)

(Kern 1988)

Tabla

12 pág.851

Tabla 12 pág.851

(Kern 1988)

(Kern 1988)

(Kern 1988)


60

3.5 Análisis económico del proceso de obtención de jarabe glucosado por vía

enzimática.

A continuación se realizará el análisis económico al proceso de obtención de jarabe de glucosa

por vía enzimática, con el objetivo de determinar si es factible la propuesta tecnológica. Para

el proceso de producción del jarabe se utilizará la tecnología instalada ya en la fábrica, con la

incorporación de dos intercambiadores de calor como se describió anteriormente. La demanda

del producto en el mercado es de 950 ton/año, por lo que los costos totales estarán en base a

dicha producción.

3.5.1 Costo Total de Inversión.

Tabla 3.6 Costo de adquisición del equipamiento.

Equipos

No. De

equipos

Costo Original

($)

#

Placas

Costo actual

($)

Intercambiador de placas 2 300$/placa 42 25200

Intercambiador de tubos y

concha

1 9000 - 14121,91

Costo Total Inversión 2 - - 39321,91

Costo de adquisición del equipamiento.

El cálculo del costo total de la inversión realizó sobre la base del costo total del equipamiento,

se estimaron los aspectos de la planta que inciden en la inversión fija y de trabajo.


61

Tabla 3.9 Estimación del Costo Total de Inversión.

Estimación de los Costos Directos

Componentes % Costo ($)

Costo del equipamiento (E) 38724,803

Instalación 39% E 15102,673

Instrumentación 26% E 10068,449

Instalaciones eléctricas 10% E 3872,48

Tuberías 31% E 12004,689

Facilidades de servicio 55% E 21298,642

CD 1308058,4

Estimación de los Costos Indirectos

Componentes % Costo ($)

Ingeniería y supervisión 32% E 12391,937

CI 12391,937

CD + CI 113463,36

Otros Componentes % Costo (CUP)

Derecho de contrato 5% (CD + CI) 5673,18

Contingencia 10% (CD + CI) 11346,37

Costo Fijo de Inversión (CFI) 130483,225

Inversión de trabajo 15%CTI 33691,01249

Costo Total de Inversión(CTI) CTI=WC+CFI 153509,676


62

3.5.2 Costo Total de Producción (CTP).

Tabla 3.10. Elementos del costo de producción.

Elementos de Costos

% Base Costo ($/año)

Materias Primas - - 824226,935

Mano de Obra - - 324000

Supervisión 0,1 Mano de Obra 32400

Mtto y reparación 0,02 Inv. Fija 2609,664

Suministros 0,1 Mtto y Rep. 260,9664

Cargos de Laboratorios

0,05 Mano de Obra 16200

Costos Variables 1203503,456

Impuestos 0,01 Inv. Fija 1304,832

Seguros 0,004 Inv. Fija 521,933

Costos Fijos 1826,765

Costos exteriores 0,5 MO+Sup+ Mtto 179504,832

Costos de Fabricación

179504,832

Administración 0,15 MO+Sup+ Mtto 53851,45

Distribución y venta 0,02 C. Total Prod 29972,635

Investigación y Desarrollo

0,02 C. Total Prod 29972,635

Gastos Generales 113796,721

Costos Totales de Producción.

1498631,774


63

La estimación del costo total de inversión se realizó utilizando los factores de proporción y las

ecuaciones de la tabla 17 del Peters, adaptándolas a las características de la inversión.

Para el costo total de producción se utilizaron los factores de proporción y la ecuaciones

correspondientes que se encuentran en la tabla 27 del Peters.

Tabla 3.11. Costos fijo y total de inversión.

Costos Valores

Costo Fijo de Inversión(CFI) $ 130483,225

Costo Total de Inversión(CTI) $ 153509,676

Tabla 3.12. Cálculo de la ganancia.

Producto Precio

($/kg)

Cantidad anual

(kg/año)

Valor del producto

($/año)

Jarabe glucosado 1,77 950 000 1 681 500

Ganancia

182 868,226

Tabla 3.13. Indicadores de factibilidad a la adaptación tecnológica analizada.

Indicador Valor

Valor Actual Neto (VAN) $ 1 945 783,90

Tasa de Rendimiento Interna (TIR) 91 %

Período de Recuperación al Descontado (PRD) 2 años

Ganancia 182 868,226 $/año


64

El análisis económico se realizó teniendo en cuenta solamente la adaptación tecnológica

propuesta; pues la planta ya está instalada, y solo se considera para la realización de nuestro

proceso de determinadas cambios y adaptaciones en cuanto a: materias primas,

requerimientos energéticos, tiempos de operación y la utilización de dos equipos nuevos

(intercambiadores de calor), de ahí que la inversión se recupere en solo dos años.

Fig. 3.1. Período de recuperación de la inversión.

-393739.09

-238879.19

-84019.30

70840.60

225700.50

380560.40

535420.30

690280.20

845140.10

1000000.00

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

VA

N (

$)

Años

Perfil del VAN. Calculo del PRD

Conclusiones.

65

CONCLUSIONES.

1. En la obtención de jarabes glucosados a escala de laboratorio la variable que presenta mayor

influencia sobre los ART y el °Brix es la concentración de la Glucozyme 2X, siendo los valores

óptimos de estas variables respuestas de 59,4312% y 32,1925 respectivamente.

2. Se obtuvo un jarabe glucosado a escala de laboratorio con las especificaciones físico-químicas

y propiedades organolépticas similares al obtenido por la hidrólisis ácida.

3. Los valores de rendimiento estuvieron por encima del 50% para todos los experimentos, lo que

da una medida de la conversión deseada para este tipo de jarabe.

4. Se realizó la prueba a escala industrial utilizando la menor concentración de ambas enzimas

0,05% donde se obtuvo un producto con las especificaciones físico-químicas y organolépticas

deseadas, siendo el ED de 41 y el ºBrix de 80.

5. Se diseñaron dos intercambiadores de calor uno de placa para enfriar la solución en el proceso

de conversión-sacarificación y el otro de tubos y concha para inactivar la enzima Glucozyme 2X

luego de la sacarificación, contribuyendo a la disminución del tiempo de operación.

6. Se demostró la factibilidad económica de la sustitución de la hidrólisis ácida por la enzimática

en la producción de jarabes glucosados en la UEB Glucosa Cienfuegos al obtener una

ganancia de 1 352 990 $/año, recuperándose la inversión en un período aproximado de 2 años.

Recomendaciones.

66

RECOMENDACIONES.

1. Instalar los intercambiadores de calor de placas en el proceso de conversión-sacarificación y

tubos y concha para inactivar la enzima, disminuyendo de esta forma el tiempo de operación.

Referencias Bibliográficas.

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74

Zobel, H. (1988). "Starch crystal transformation and their industrial importance." Starch Starke(4041): 1-7.

Anexos.

75

ANEXOS.

Anexo 1: Flujograma del proceso de obtención de jarabes desarrollado a escala de laboratorio.

Suspensión de Almidón

(30% p / v )

NaOH (1N)

Ajuste de pH

(5.5-6.0)

Suspensión de Almidón

pH=(5.5-6.0)

Calentmiento a rpm cte

hasta 60 ºC

Bialfa T (0.05-0.08 p/p)

Licuefacción a 100ºC

por 2 horas

Enfriamiento hasta

60 ºC

Almidón licuificado

Glucozyme 2X (0.05-0.1 p/p)HCL 1N

Sacarificación 60ºC

durante 3 horas

Filtración al Vacío Torta residual

Carbón Activado

Tierra Infusorio

Jarabe Glucosado

Anexos.

76

Anexo 2: Determinación del Brix.

Al atravesar un rayo de luz dos medios diferentes, el primero experimenta una variación en su

trayectoria en un cierto ángulo, llamándosele a esta desviación refracción.

El índice de refracción varía con la temperatura, con la longitud de onda y con la concentración

de sólidos solubles presentes, esta nos da una medida de los sólidos solubles en sólidos totales

o lo que es lo mismo los grados Brix. (Macu 1986).

Para la determinación del Brix se utiliza un refractómetro.

Anexos.

77

Anexo 3. Determinación de ART.

Fundamento del método

Este se basa en la relación lineal que existe entre la absorbancia y la concentración según la ley

de Lamber - Beer, siendo la absorbancia medida proporcional a la concentración de azúcares

reductores presentes en la muestra.

Procedimiento

1. Se añade a un tubo de ensayo 1 mL de la suspensión acuosa y se añaden 2 mL de la

solución de reactivo 3.5 – Dinitrosalicílico mezclando bien.

2. Se colocan los tubos de ensayo en baño de agua hirviendo durante 5 minutos, extrayéndose

posteriormente y dejándose enfriar hasta temperatura ambiente.

3. Se enrasan todos los tubos de ensayo hasta 10 mL con agua destilada y se lee en el

espectrofotómetro a 540 nm contra un blanco preparado con 1 mL de agua destilada el cual

debe sufrir la misma técnica operatoria. (Herrera 1989).

Para la confección de la curva de calibración se prepararon 10 soluciones a diferentes

concentraciones de glucosa, midiéndose la absorbancia de las mismas, obteniéndose el

siguiente resultado:

C(g/L) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,7 0,8 0,9 1

A 0,077 0,086 0,0173 0,27 0,549 0,593 0,627 0,676

y = 0.7049x R² = 0.9791

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 0.5 1 1.5

Ab

sorb

anci

a

Concentración de glucosa g/L

Absorbancia VS Concentración

Series1

Linear (Series1)

Anexos.

78

Anexo 4: Determinación de la acidez.

Fundamento del método.

La acidez de la muestra previamente diluida mediante valoración con solución de hidróxido de

sodio usando fenolftaleína al 1 % como indicador se expresa como ácido clorhídrico.

Reactivos.

Solución de hidróxido de sodio 0.1 N de concentración exacta.

Indicador de fenolftaleína al 1%.

Aparatos, utensilios y medios de medición.

Balanza técnica con límite máx. de 610 g y valor de división de 0.1 g.

Frasco cónico de 500 ml.

Probeta graduada de 250 ml.

Bureta de 25 ml graduada en 0.1 ml.

Procedimiento

Se pesan (50 0.5 g) de sirope de glucosa en un frasco cónico de 500 ml y se diluyen con 200

ml de agua aproximadamente, se añade 1 ml de indicador de fenolftaleína al 1 % y se valora

con soluciones de hidróxido de sodio 0.1 N hasta la aparición del primer color rosado

permanente.

Expresión de los resultados.

Método para los cálculos.

Donde:

a- volumen de solución de hidróxido sodio 0.1 N consumidos en la valoración en ml.

m- masa de la muestra, en g.

Anexos.

79

Anexo 5: Determinación de pH.

Este método se utiliza para la determinación del pH mediante el método potenciométrico en

todos los tipos de sirope de glucosa.

Fundamentación del método.

Según la norma NC- 90-13-13:80. Aseguramiento Metrológico. Medidores de pH, Reglas

generales para efectuar mediciones de pH.

Reactivos.

Según NC- 90-13-13:80. Aseguramiento Metrológico. Medidores de pH.

Reglas generales para efectuar mediciones de pH y NC-90-13-08:79.

Aseguramiento Metrológico Medidores de pH. Soluciones reguladoras de pH

Soluciones reguladoras de pH. Requisitos para la elaboración.

Aparatos utensilios y medios de medición.

Balanza técnica con límite máximo de 610g y valor de división de 0.1 g.

Metro de pH exacto y confiable, equipado con electrodo de cristal y Colomer o

(combinado) capaz de medir pH en un intervalo de 1 a 10 con precisión de 0.1 pH

Anexos.

80

Anexo 6: Análisis de varianza y efectos estimados de cada variable repuesta en la

obtención de jarabes glucosados.

Efectos estimados para los ART.

Efecto Estimado Error Estadístico V.I.F

promedio 53,3041 1,16813

A: Bialfa T -1,06225 2,61202 1,0

B: Glucozyme 2X 8,64325 2,61202 1,0

AB -3,49875 2,61202 1,0

bloque -1,803 2,33626 1,0

Análisis de varianza para los ART.

Fuente Suma de Cuadrados

Gl Cuadrado Medio

Razón-F Valor-P

A: Bialfa T 2,25675 1 2,25675 0,17 0,7011

B: Glucozyme 2X 149,412 1 149,412 10,95 0,0213

AB 24,4825 1 24,4825 1,79 0,2381

bloque 8,12702 1 8,12702 0,60 0,4751

Error total 68,2266 5 13,6453

Total (corrección) 252,504 9

Anexos.

81

Efectos estimados para el Brix.

Efecto Estimado Error Estadístico V.I.F

promedio 30,53 0,18473

A: Bialfa T -0,625 0,413068 1,0

B: Glucozyme 2X 0,075 0,413068 1,0

AB -2,625 0,413068 1,0

bloque -0,02 0,369459 1,0

Análisis de varianza para el Brix.

Fuente Suma de Cuadrados

Gl Cuadrado Medio

Razón-F Valor-P

A: Bialfa T 0,78125 1 0,78125 2,29 0,1907

B: Glucozyme 2X 0,01125 1 0,01125 0,03 0,8631

AB 13,7812 1 13,7812 40,38 0,0014

bloque 0,001 1 0,001 0,00 95,89

Error total 1,70625 5 0,34125

Total (corrección) 16,281 9

Anexos.

82

Anexo 7: Diagrama de bloques del proceso de obtención de sirope de glucosa por vía ácida.

Tanque de Almidón

Refino

Preparación Lechada

de AlmidónÁcido Clorhídrico

ConvertidorVapor

Sacarificación

Carbonato de

Sodio

Vapor Condensado

Ajuste fino de pHCarbonato de

Sodio

Separador de Proteínas Grasas y proteínas

DecoloraciónCarbón activado

Filtración al Vacío

Ajuste de pH

Evaporación

Jarabe Glucosado

Torta residualTierra de infusorio

Carbonato de sodio

Vapor Condensado

Anexos.

83

Anexo 8: Diagrama de flujo de obtención de sirope de glucosa ácida.

NeutralizadorTanque

Na2CO3Solución

Acuosa

Filtro Oliver

Carbón

activado

Tierra

infusorio

Lechada de

almidón

HCl

Acidulación

Caldera

Agua

Fuel-OilCalentador

Fuel-oíl

T= 80-100ºC

CondensadosSuavisadores Suavisadores

1,078MPa

85%

Agua

T= 60ºC

Evaporadores

P=1-15kgf/cm2

ConvertidorConsumo de Vapor= 1600kg/h

Presión=20-30 kgf/cm2

Temperatura=140-142ºC

Tk

Almacenamiento

Tk Sacarificación

Anexos.

84

Anexo 9: Diagrama de flujo de la adaptación tecnológica propuesta.

Solución

Acuosa

Filtro Oliver

Carbón

activado

Tierra

infusorio

Lechada de

almidón

Preparación

Lechada Almidón

Caldera

Agua

Fuel-OilCalentador

Fuel-oíl

T= 80-100ºC

CondensadosSuavisadores Suavisadores

1,078MPa

85%

Agua

T= 60ºC

Evaporadores

P=1-15kgf/cm2

ConvertidorConsumo de Vapor= 1600kg/h

Presión=20-25 kgf/cm2

Temperatura=105-115ºC

Tk

Almacenamiento

Tk SacarificaciónCarbonato de

SodioTk

Dextrinización

P-95

IC Placas

IC tu

bo

y c

on

ch

a

Anexos.

85

Anexo 10: Metodología de diseño de los intercambiadores de placas.

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