acidos organicos
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B. ÁCIDOS ORGÁNICOS
La producción de ácidos orgánicos mediante el uso de microorganismos constituye una
fuerza motriz de gran importancia para el estudio de regulaciones metabólicas, lo cual a
su vez, ha sido clave para el desarrollo de la biotecnología en su sentido más amplio
(García et. al, 2004). Son ampliamente usados en alimentación, como acidulantes,
saborizantes o ingredientes químicos. Así también, pueden producirse por vía
microbiológica, síntesis química o extracción de productos naturales.
El uso de compuestos acidulantes en la conservación y mejora de propiedades
organolépticas en alimentos es extenso. En particular, los ácidos que contienen uno o
más carboxilos son aditivos alimentarios importantes. Estos ácidos, genéricamente
denominados “ácidos orgánicos”, son intermediarios o productos terminales de ciclos
metabólicos básicos por lo cual ocurren en una gran variedad de organismos vivientes.
Tales compuestos incluyen los ácidos cítrico, láctico, acético, málico, tartárico,
fumárico y glucónico. Su producción industrial, salvo el caso del ácido tartárico, se
realiza mayoritariamente por métodos biológicos lo que los ubica como prototipo de la
biotecnología alimentaria (García et. al, 2004).
La mayoría son obtenidos microbiológicamente procedentes del ciclo de Krebs, por lo
que, en teoría, son muchísimos los microorganismos capaces de sintetizarlos, aunque
sólo unos pocos en cantidades adecuadas para la aplicación industrial. Así también, sólo
unos pocos de estos ácidos son más rentables producidos por vía microbiológica que por
vía química.
Tabla N. Ácidos orgánicos más importantes.
Ácido orgánico Características y usos
Ácido cítrico
El más importante, ya que se obtiene únicamente por vía microbiológica.
Uso
Alimentos (acidulante y saborizante), industria farmacéutica y productos
de limpieza.
Ácido acético y
láctico
Son los segundos en importancia. Se pueden obtener tanto
microbiológica como químicamente.
Uso
Alimentos (acidulante), plásticos biodegradables, lacas, barnices,
industria farmacéutica
Ácido málico y
fumárico
Son de escasa demanda e importancia.
Ácido itacónico y
glucónico
Se prefiere la síntesis química, más sencilla y económica, ya que es más
fácil obtener de los microorganismos las enzimas que catalizan su
formación que el producto en sí.
Uso
Alimentos (regulador de la acidez), productos de limpieza (removedor de
depósitos calcáreos y óxidos), industria textil y papel.
Ácido tartárico
Se obtiene en la fermentación del vino.
Actualmente, está en desarrollo la producción a partir de Aspergillus o la
bacteria Alcaligenes.
Uso
Bebidas, antioxidante, industria farmacéutica.
Propiedades de los ácidos orgánicos en la industria de alimentos
Poder acidulante.
Capacidad amortiguadora o reguladora de pH.
Agente quelante de iones metálicos.
Emulsificante.
Efectos organolépticos.
1. Ácido cítrico: es un ácido orgánico tricarboxílico relativamente fuerte y muy
soluble en agua, con 6 átomos de carbono que está presente en la mayoría de las
frutas, sobre todo en cítricos como el limón y naranja. Su fórmula química es
C6H8O7.
Figura N. Fórmula química del ácido cítrico.
Generalidades del ácido cítrico
Es el más importante, ya que sólo se obtiene por vía microbiológica y además es
el más utilizado. Actualmente más del 99% de la producción mundial de ácido
cítrico se produce microbiológicamente. El 70% se utiliza en la industria de
alimentos y bebidas ya que el sabor de los jugos de frutas, extractos de jugos de
frutas, caramelos, helados y mermeladas se aumenta o se preserva por adición de
ácido cítrico. El 20% se destina a productos farmacéuticos como el citrato de
hierro y ácido cítrico que se usan como conservantes de la sangre almacenada
así como en tabletas, pomadas y preparaciones cosméticas. En la industria
química (10% restante) el ácido cítrico se utiliza como agente antiespumante,
como reblandecedor y para el tratamiento de textiles.
Su sabor agradable y elevada solubilidad hacen que tenga diversidad de usos:
Alimentación: como acidulante, aromatizante, antioxidante y
saborizante para productos dulces, como caramelos, helados, zumos.
Farmacia: Como preservante de la sangre, debido a sus propiedades
antioxidantes.
Cosmética: Como integrante de diferentes preparados.
Metalurgia: Ya que muchos metales se extraen más fácilmente como
citratos. Ácidos orgánicos y alcohol.
Detergentes: Como sustituto de los polifosfatos. Esto es importante
porque los polifosfatos son causantes de la eutrofización de las aguas
dulces. La abundancia de N y/o P favorece un altísimo desarrollo de las
algas, lo que causa una disminución enorme de oxígeno en el agua y, por
tanto, la muerte de los organismos de dichas aguas. Al producirse la
descomposición anaerobia de toda esa materia orgánica, los ríos y lagos
se acaban convirtiendo en pantanos. Por ello, se prefiere el ácido cítrico
(aunque más caro).
Química: como antiespumante y en la industria textil.
Los procesos de fermentación se llevan a cabo con cepas modificadas
genéticamente para aumentar la producción y disminución de compuestos
colaterales, como el ácido oxálico y glucónico.
Microbiología del ácido cítrico
Las especies usadas son:
Aspergillus Níger: usando como sustrato sacarosa o melazas,
hidrolizados de almidón, sueros lácteos, etc. Las condiciones de este
sustrato son:
- Limitación del fosfato.
- Ausencia de cationes metálicos, ya que éstos pueden limitar la
producción al superar los niveles traza. Esto se consigue por adición
de ferrocianatos (con lo que los cationes precipitan como complejos)
o usando resinas de intercambio iónico.
Figura M. Aspergillus Níger.
Candida lipolytica: con parafina como sustrato, aunque está poco
implantado.
Levaduras como bacterias, pueden acumular cítrico a partir de glucosa.
Su potencial es el menor tiempo de fermentación.
Bioquímica del ácido cítrico
El ácido cítrico es un intermediario en el ciclo TCA, se produce como un
producto en exceso debido a una operación defectuosa del mismo. Las enzimas
claves en la fermentación del cítrico son la aconitasa y la isocitrato
deshidrogenasa.
El catabolismo de hexosas ocurre fundamentalmente por la ruta de la glicólisis
Figura N.
Medio nutricional
a. Aspectos nutricionales
La fuente de carbono ha de tener una concentración de azúcares del 15-25%.
Para ello, se usa almidón de patata o hidrolizados de almidón (ambos
requieren hidrólisis enzimática), jarabe de caña de azúcar, melazas o sacarosa.
Minerales en las concentraciones adecuadas, sobre todo hierro, requiriendo
unas condiciones diferentes para la fase de crecimiento y la de producción. Si
no se dan las concentraciones adecuadas, la morfología del hongo no será la
óptima y la producción se verá afectada.
Los requerimientos de pH varían de la fase de crecimiento (trofofase, pH de
5) a la idiofase (de producción, pH inferior a 3).
Debido a las diferentes condiciones para idiofase y trofofase es difícil
establecer un proceso de producción en continuo.
El medio suele tratarse con resinas de intercambio iónico para asegurar
concentraciones bajas y controladas de los metales disponibles. La obtención
del ácido cítrico, que en un principio se realizaba mediante el crecimiento en
una superficie estática, ahora se lleva a cabo en fermentadores aeróbicos con
agitación. Generalmente se utilizan como materia prima las melazas en altas
concentraciones (15-18%). El ácido cítrico es un producto metabólico
primario y se forma en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. La glucosa es la
principal fuente de carbono utilizada para la producción de ácido cítrico. En
la trofofase, parte de la glucosa añadida se utiliza para la producción de
micelio y se convierte, a través de la respiración, en CO2. En la idiofase, el
resto de glucosa se convierte en ácidos orgánicos existiendo una pérdida
mínima por respiración. Durante la idiofase y cuando el nivel de sustrato es
alto, se expresan todas las enzimas del ciclo de Krebs excepto la a-
cetoglutarato deshidrogenasa. La actividad citrato sintasa aumenta por un
factor de 10, mientras que las actividades de los enzimas que catabolizan el
ácido cítrico, aconitasa e isocitrato deshidrogenasa, se reducen drásticamente
en comparación con su actividad durante la trofofase. Esto da lugar a una
acumulación y excreción de ácido cítrico por el microorganismo
sobrecargado. El rendimiento teórico es de 112g de ácido cítrico anhidro por
100g de sacarosa. Sin embargo, tales rendimientos no se obtienen en la
práctica debido a las pérdidas durante la trofofase. Generalmente se consigue
un 60% sobre el rendimiento teórico.
b. Aspectos fisicoquímicos
La fermentación debe controlarse entre 25-30 °C. El pH al inicio se ajusta a
3.5-4.5 y se mantiene en 2 durante la etapa productiva.
Es importante la aireación del medio. El uso del aire enriquecido en oxigeno
permite lograr una producción adecuada.
Procesos de producción
a. Procesos en superficie
Son más sencillos, pero requieren más mano de obra.
Como sustrato sólido:
- Trigo u otro cereal
- Se dispone en capas delgadas (3-5 cm) donde se colocan las esporas
- Se mantiene a pH entre 4 y 5 y 28 °C durante 90 horas.
- Se procede a la extracción del ácido cítrico mediante 5 volúmenes de
agua caliente.
Como sustrato líquido:
- Se usan sacarosa o melazas, complementadas con H2KPO4, MgSO4 y
ZnSO4.
- Se inoculan las bandejas con esporas (2-5 ·107 esporas / m2).
- Se procede a incubación a 30 oC con pH entre 4 y 5.
- Es necesario aportar suficiente oxígeno como para desplazar al CO2
producido, ya que este inhibe la producción por encima del 10% de
concentración.
- Se mantiene la etapa de crecimiento durante 30 horas, y la de
producción entre 8 y 14 días.
b. Procesos sumergidos o en profundidad
Es más complejo, pero permite una mayor mecanización.
Se opera en discontinuo o semicontinuo con alimentación fraccionada.
Se usan fermentadores pequeños (menos de 250 m3), agitados o de columna
de aire, construidos en materiales capaces de resistir pH’s ácidos sin liberar
cationes metálicos (por lo general, se construyen en acero inoxidable).
Dos factores importantes a tener en cuenta son:
• La relación Fe/Cu ha de ser más controlada que en procesos koji para que
el micelio adopte la forma adecuada.
• Los niveles adecuados de oxígeno son menores (0.2-1 vvm)
Purificación
Se efectúa en pasos:
• Se retira el micelio del hongo. Como el ácido cítrico estará atrapado en el
micelio (debido a la alta densidad de éste), se efectúa un lavado previo a la
precipitación o filtración para retirar dicho micelio.
• Adición de cationes calcio a pH 3, lo que hace que precipite oxalato cálcico.
• Extracción del ácido cítrico a pH neutro con temperaturas entre 70 y 90 oC, lo
que hace que se pierdan los componentes volátiles interferentes.
• Al adicionar ahora calcio, precipita citrato cálcico.
• El citrato se purifica mediante resinas de intercambio iónico, lo que permite
obtener el ácido cítrico.
Figura N.
2. Ácido fumárico
Este ácido tiene una producción estimada mundial superior a las 60000
toneladas anuales. Presenta una baja solubilidad en agua y es usado por como
acidulante en los alimentos, así como en la producción de resinas y materiales
plásticos. Recientemente se ha empleado como materia prima en la producción
de ácido aspártico a través de la enzima aspartasa y de ácido málico con la
enzima fumarasa. Actualmente se produce por vía química sustituyendo al
método fermentativo empleado en la década de los 60.
Debido a su baja higroscopicidad (tendencia a captar agua), se usa en bebidas
deshidratadas y revestimientos de golosinas (evita la entrada de agua a
alimentos), como colorante (fija el color de la carne), emulsificante, suavizante,
acidulante y saborizante. Paralelamente, su baja solubilidad limita otras
aplicaciones (lo que se evita por adición de compuestos que aumentan su
solubilidad).
Se obtiene a partir de hongos filamentosos los cuales acumulan ácido fumárico,
principalmente del hongo Rhizopus stolonifer usando como sustratos derivados
de soja o arroz.
Figura A. Hongo Rhizopus stolonifer.
3. Ácido málico
La producción estimada de Ácido málico es de 25 000 t/año. Prácticamente es
usado en su totalidad como agente acidulante en bebidas carbonatas. Este ácido
tiene un sabor ácido suave que se retiene en las papilas gustativas durante mayor
tiempo que el cítrico. Esto promueve un aumento en la duración del sabor.
Recientemente se ha reportado que el ácido málico presenta un efecto sinérgico
cuando se mescla con edulcorantes como aspartamo. De esa manera se reduce el
contenido final de aspartamo hasta en 10% con ahorros importaciones en costos.
El ácido málico puede producirse por fermentación con variedades de
Aspergillus y Rhizopus. Sin embargo, el método de uso actual se lleva a cabo
por trasformación enzimática de fumárico mediante la enzima fumarasa.
Figura T. Aspergillus.
4. Ácido glucónico
La producción industrial de este acido alcanza las 40 000 toneladas anuales. Es
sumamente soluble en agua y se comercializada en forma de soluciones acuosas
al 50%.
Se utiliza en la industria láctea para retardar la sedimentación en la leche. En la
forma de α- gluconolactosa se aplica como acidulante de efecto retardado en
panificación y embutidos y, en Japón, como coagulante de proteínas de soya
durante la manufactura de tofu. Sin embargo el mayor uso de ácido glucónico en
forma de sales. Gluconatos de calcio y fierro usados para tratar pacientes
anémicos y con deficiencias de calcio mediante inyecciones intravenosas o
consumo oral.
En la producción de ácido glucónico sólo participa una única enzima
microbiana, la glucosa oxidasa, que se encuentra en Aspergillus niger. Este
hongo crece en condiciones óptimas en el líquido de maceración del maíz pero
cuando el crecimiento se ve limitado por el nitrógeno, las células en reposo
transforman la glucosa restante en ácido glucónico. El gluconato sódico se
utiliza como agente secuestrante en muchos detergentes.
Proceso de producción
Figura L. Proceso de producción de ácido glucónico.
La oxidación de glucosa con oxígeno molecular es catalizada por la enzima
glucosa oxidas. Esta enzima, normalmente intracelular es parcialmente excretada
o mantenida extracelularmente asociada con la membrana de ciertos hongos
filamentosos, especialmente en variedades de Aspergillus y Penicillum. El
desarrollo de la fermentación glucónica se llevó a cabo en paralelo con la cítrica
basado en los estudios de Curie. Sin embargo, a diferencia del ácido cítrico, para
producir ácido glucónico se requiere un pH cercano a la neutralidad para evitar
la inactivación de glucosa oxidasa a pH bajos ya que a valores de éste neutros o
alcalinos A. níger produce este ácido casi exclusivamente. El peróxido de
hidrogeno es descompuesto por la acción de catalasa, enzima constitutiva en
dichos hongos. La gluconolactona es hidrolizada espontáneamente a glucanato.
La manufactura comercial de glucónico se lleva a cabo en medios ricos de
glucosa. El contenido de nitrógeno y fosforo debe ser relativamente bajo
mientras que los metales no son particularmente inhibitorios a las
concentraciones normalmente presentes en sustratos industriales. En
consecuencia, no es menester efectuar pretratamientos como en el caso de la
fermentación cítrica.
La particularidad de este proceso es la alta demanda de oxigeno requiriendo
altos niveles de aireación o el uso de presiones superiores a la atmosfera. La
fermentación se lleva a cabo a 30°C y el medio es neutralizado constantemente
con CaCO3 o NaOH dependiendo si el producto final es el gluconato de calcio o
de sodio.
Figura W. Aspergillus niger.
El rendimiento teórico en la producción de glucónico a partir de glucosa,
asumiendo que no hay formación de C02, es de 109 g de ácido/100 g de azúcar.
En la práctica se obtienen rendimientos superiores al 90% de este máximo. La
fermentación en escala industrial se realiza a 30-33 0C, el cultivo es agitado y se
utilizan volúmenes de aire de 1-1.5 VVM.
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