Bioconversión de almidones en jarabes dextrinizados, altos en ...

Quinto Simposio Internacional deInnovación y Desarrollo de AlimentosBioconversión de Almidones en JarabesDextrinizados, Maltosados, Glucosadosy FructosadosSergio O. Serna SaldívarDirector y ProfesorDepartamento Biotecnología e Ingeniería deAlimentos Montevideo, UruguayITESM, CAMPUS MONTERREY

Producción y Consumo deJarabes en los EUAProducción de azúcares refinados de caña yremolacha: 9 millonesITESM, CAMPUS MONTERREY

Justificación• El principal uso del almidón es para laproducción de jarabes, principalmente los altosen fructosa.– El 90% del almidón producido en los EUA estransformado a edulcorantes.• Los jarabes de almidón están compitiendofuertemente con el azúcar de caña. Lasindustrias refresqueras prefieren a los jarabes.• La ventaja de los jarabes es su alta versatilidad:dextrinados, maltosados, glucosados,fructosados y más nichos de mercado.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Objetivos• Describir los procesos de transformación dealmidón de maíz a las diferentes categorías dejarabes haciendo énfasis en conversionesenzimáticas y tipos de enzimas.• Describir los principales usos de los jarabes y lasprincipales prácticas de control de calidad y deprocesos.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Equivalentes de Dextrosa (ED)• Es el grado de conversión de almidón a glucosa.– Medida del grado de hidrólisis sufrida por un almidón,que se determina por el poder reductor de la mezclaresultante.– Se define como el porcentaje de azúcares reductores deun jarabe, calculado como dextrosa en base seca.– Entre mayor es el ED mayor es la dulzura del jarabe ymenor su viscosidad.• El almidón tiene prácticamente un ED de 0mientras que un jarabe glucosado, donde todo elalmidón fue transformado a glucosa de 100.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Categorías de JarabesDextrinizados (20 ED)MaltosadosAlmidónMaízGlucosados (90 ED)Fructosados42 HFCS55 HFCS 90 HFCSITESM, CAMPUS MONTERREY

Enzimas Usadas paraProducir Jarabes• Alfa amilasa– Regular– Termoresistente• Beta amilasa• Pululanasa• Amiloglucosidasa• Glucosa IsomerasaITESM, CAMPUS MONTERREY

Alfa-amilasa• La α-amilasa es clasificada como una endoenzima debido aque hidroliza enlaces glucosidicos α 1-4 al azar. Por esta razóna esta enzima se le conoce como tijera.• El proceso de conversión de almidón a dextrinas con estaenzima se le conoce como licuefacción (reducción enviscosidad).• Produce jarabes con 15-25% ED.• La mayoría de las α-amilasas trabajan óptimamente a pH´sde 5.5 - 7.• La mayoría de las α-amilasas usadas hoy en día sontermoestables (trabajan a 85 a 95°C aunque resistentemperaturas de 130°C.– Obtenidas de Aspergillus oryzae o Bacillus licheniformis.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Beta-amilasa• La β-amilasa es clasificada como una exoenzima. Atacapreferentemente a dextrinas por el lado no reductorliberando principalmente moléculas de maltosa. Por estarazón a esta enzima se le conoce como complementaria dela alfa amilasa.• La β-amilasa para su actividad cuando se encuentra con unenlace glucosídico α 1-6.• La mayoría de las β-amilasas trabajan óptimamente a pH´s5.0-5.5 y 55-60 o C.• La mayoría de las β-amilasas son obtenidas comercialmentede la malta.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Amiloglucosidasa• Clasificada como una exoenzima denominadaindustrialmente como enzima sacarificante.• La amiloglucosidasa hidroliza tanto a los enlaces α 1-4 y α1-6. Por lo tanto convierte a las dextrinas en prácticamente100% glucosa o dextrosa.• Trabaja óptimamente a pH 4.0-4.5 y una temperatura de55-60 o C.• Típicamente las amiloglucosidas son producidas de cepasgenéticamente modificadas de Aspergillus.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Pululanasa• Su nombre deriva de enzima brincadora odesramificadora ya que hidroliza a los enlaces glicosídicosα 1-6.• Son utilizadas para alcanzar mejores conversiones enproducción de jarabes maltosados y glucosados.• Hay pululanasas regulares y termoestables obtenidas deKlebsiella aerogens o Bacillus acidopullylyticus o del hongoTrichoderma (Hobbs 2003, Kruger et al 1987).• Trabajan optimamente a pH´s y temperaturas de 4 a 7.5 y50 a 65°C, respectivamente. Las termoresistentes se derivanClostridium thermohydrosulfuricum o Bacillus sp (Kunamneniand Singh 2006, Saha et al 1988).ITESM, CAMPUS MONTERREY

Glucosa Isomerasa• Cataliza la conversión de glucosa a fructosa y por lo tantoson fundamentales para producir jarabes fructosados.• Es producida intracelularmente por ciertas especies demicroorganismos (Actinoplanes yStreptomyces).• La glucosa-isomerasa es usada inmobilizada en celulosaDEAE o alúmina.• Trabaja óptimamente a 60 o C y un rango de pH de 7.5-8.5.• El magnesio es utilizado para atrapar al calcio residual quebaja la actividad catalítica de la enzima. También el aire ooxígeno es removido para minimizar la perdida deactividad enzimática.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Producción de Dextrinas• Hidrólisis ácida– Utilización de HCL diluido y cocimiento apresión.• Hidrólisis enzimática (licuefacción)– Uso de alfa amilasa regular– Uso de alfa amilasa termoresistenteITESM, CAMPUS MONTERREY

Licuefacción de Almidón paraProducir Jarabes con Bajos EDAlmidónDispersión de Almidón(30-40% p/v)Conversión ÁcidaHCl 0.2N(150ºC/15min)Conversión Enzimática(α-amilasa)(55ºC/pH:5/60min)MaltodextrinasJarabe con Bajo Equivalente de Dextrosa(5 a 15% ED)ITESM, CAMPUS MONTERREY

Modificación Química: Almidonestratados con ácidoDextrinizaciónEl ácido causa dextrinización delalmidón mediante una hidrólisisal azar de enlaces glucosídicos α1-4 y 1-6.HClDextrinaITESM, CAMPUS MONTERREY

Conversión Acida de AlmidonesAlmidón + AguaHidrólisis • ácida Una solución de almidón al 40% se acidifica a pH 1.8-2 conHCl y bombeado simultáneamente al convertidor coninyección de vapor para calentar a 140º por aproximadamente10 minutos. Las cadenas alfa 1,4 son más fáciles de hidrolizar que lasalfa 1,6. El lado no reductor del almidón es hidrolizado másrápido que los enlaces en el interior. La desventaja de este proceso es que produce furfural(HMF) y otros inhibidores que van en contra de la calidad delproducto .ITESM, CAMPUS MONTERREY

Licuefacción Enzimática de AlmidónpH=6.5Suspensión de almidón(30% almidón agua)Calentamiento60°CHidrolisisi90°C por 2 hrs0.1% Ca(OH) 20.055% p/palfa-amilasaEnfriamientoT° ambienteAlmidón licuificadoITESM, CAMPUS MONTERREY

Jarabes Dextrinizados(20-30 ED)• Los jarabes dextrinizados no cristalizan y seemplean como agentes espesantes yestabilizadores en un gran número de alimentos.• Son la base para la producción industrial detodos los otros jarabes.• No tienen dulzura.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Jarabes Maltosados• Los jarabes ricos en maltosa son utilizados comosaborizantes en la industria alimentaria.• Se pueden producir dos tipos:– Regular– Alto en MaltosaITESM, CAMPUS MONTERREY

Producción de Jarabes Maltosadosβ-amilasaJarabe Dextrinizadoβ-amilasa +PululanasaHidrólisis50-55°C/pH 5-5.5Hidrólisis50-55°C/pH 5-5.5Jarabe Regular50-55% MaltosaJarabe AltaMaltosa 78% MaltosaCalentamiento y Filtración70-80°C, Columnas de Resinas y Carbón ActivadoEvaporaciónMultiple Efectos – Película Descendente-VacíoITESM, CAMPUS MONTERREY

Producción de JarabesGlucosados• Licuefacción de almidón con alfa-amilasatermorresistente (suspensión con 30% almidón,90°C/2 hr, pH 6.5).• Sacarificación con amiloglucosidasa (55°C, pH4.5).• Refinación y concentración del jarabe.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Proceso - Elaboración de JarabesALMIDON(30% p/p)COCIMIENTO(90°C/30 min)LICUIFICACION ENZIMATICA(55-60°C/pH:5.0-6.5/2 hr)Alfa-AMILASA(0.06 % p/p)ALMIDONLICUIFICADOSACARIFICACION ENZIMATICA(58-62°C/pH:4-4.6/48 hr)AMILOGLUCOSIDASA(0.18 % p/p)CLARIFICACIONFILTRACION CONCARBON ACTIVADOEVAPORACIONCOLUMNAS DEINTERCAMBIO IONICOJARABE GLUCOSADO(93-96 ED)ITESM, CAMPUS MONTERREY

Producción de JarabesFructosados• Se utiliza como materia prima básica al jarabeglucoado (90 ED)• La isomerización se realiza con la enzimainmovilizada glucosa isomerasa.• La purificación del jarabe es clave para noenvenenar a la enzima.• Para obtener jarabe de 90 HFCS se tiene queseparar a la glucosa y fructosa por medio deuna columna cromatográfica.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Conversión de Glucosa enFructosaJARABE GLUCOSADO(93-96% DE)COLUMNA DE ISOMERIZACION(glucosa-isomerasa inmovilizada)Mg +2 > 12 ppmCLARIFICACION Y FILTRACION CONCARBON ACTIVADOCOLUMNAS DEINTERCAMBIO IONICOJARABES FRUCTOSADO(HFCS 42)ITESM, CAMPUS MONTERREY

Producción de Jarabe de AltaFructosa (90 HFCS)JARABE FRUCTOSADO(42 HFCS)AguaCOLUMNA CROMATOGRAFICAJARABE GLUCOSADO(>90 ED)JARABE FRUCTOSADO(90 HFCS)EVAPORACIONCOLUMNAS DEINTERCAMBIO IONICOCLARIFICACION Y FILTRACION CONCARBON ACTIVADOJARABES FRUCTOSADO(HFCS 90)ITESM, CAMPUS MONTERREY

Propiedades de JarabesMaltodextrinasMaltosados Glucosados Altos en Fructosa (HFCS)49 ED 90 ED 42 55 9020 EDSolidos 97 81 70 71 77 80CarbohidratosGlucosa 2-3 9 90-95 52 41 7Maltosa 7 52 4 --- --- ---Fructosa --- --- -- 42 55 90Dextrinas 90 39 1-6 6 4 3pH --- --- --- 3.3-4.3 3.3-4.3 4Dulzor Relativo a 20-30 40 70-80 100 100-110 120-160SacarosaITESM, CAMPUS MONTERREY

Funcionalidad de JarabesTipo de JarabeMalto-dextrinasMaltosadosGlucosadosFructosadosUso/FuncionalidadImpartición de viscosidad (agente engrosante), prevención decristalización y humectante.Saborizante de cereales de desayuno, bebidas, productos lácteos yfuente de carbohidratos en cervecería.Educlorantes con dulzor intermedio, propicias reacciones deencafecimiento, , fuente de carbohidratos para procesos defermentación y alta higroscopicidad. Use as sweetener and in bakingapplications.Edulcorante con alto dulzor para la manufactura de bebidasrefrescantes y jugos. Usado en panificación, galletería y productoslácteos.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Conclusiones• Los jarabes derivados del almidón de maízseguirán desplazando al azúcar cristalizadadebido a su versatilidad y diferentesfuncionales.• Los procesos han mejoradosignificativamente debido al desarrollo deenzimas de nueva generación que permitenahorros importantes en energía y tiempode proceso.ITESM, CAMPUS MONTERREY

Gracias porsu atenciónITESM, CAMPUS MONTERREY