Universidad de San Carlos de Guatemala

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Química

Bioingeniería

M.Sc. Inga. Hilda Palma

BIOCONVERSIONES DE IMPORTANCIA

Producción de Aspartame Hidrólisis de Lactosa Producción de HFCS

Claudia Carolina Corzo Dardón

2007-15162

Guatemala, 27 de enero de 2011

PRODUCCIÓN DE ASPARTAME

ASPARTAME

El Aspartame es un edulcorante artificial 200 veces más dulce que la sacarosa. Su nombre es α-L-aspartil-L-fenilalanina ester metílico y está compuesto básicamente de dos aminoácidos, el ácido Aspártico y la Fenilalanina, y una molécula de metanol.

Existen dos métodos para sintetizarlo: Método Químico Método Enzimático

MÉTODO ENZIMÁTICO

En este método, una molécula de N-benciloxicarbonil-L-ácido Aspártico y una molécula de L-fenilalanina-metil-ester se condensan, catalizadas por una enzima proteasa, para producir un precursor un del Aspartame llamado N-benciloxicarbonil-aspartame. La ventaja de este método es que a partir de una mezcla racémica de Fenilalanina se produce únicamente α-Aspartame (la forma β no es deseable debido a su sabor picante). Además, las mezclas racémicas de Fenilalanina son más baratas que la L-fenilalanina pura.

Enzimas Proteasas

Estas enzimas son utilizadas para la hidrólisis de péptidos y proteínas, pero la reacción opuesta de condensación de aminoácidos también es catalizada por las proteasas en ciertas condiciones. La síntesis de péptidos con proteasas como termolisina, subtilisina o papaína, es muy utilizada debido a su estéreo y regioselectividad.

La proteasa termolisina es utilizada específicamente para la catálisis en la producción de Aspartame ya que origina desde 83 hasta 96% de rendimiento produciendo este como precipitado. La ventaja de la precipitación es que el precipitado puede removerse fácilmente del sistema vetando así la posibilidad de la hidrólisis del producto.

PROCESO BIOQUÍMICO DE PRODUCCIÓN

Paso 1: La L-fenilalanina metil ester de una mezcla racémica (D,L) es condensada con una molécula de N-benciloxicarbonil-L-ácido Aspártico catalizadas por termolisina produciendo N-benciloxicarbonil-aspartame:

Paso 2Ya que solamente la forma L de la Fenilalanina reacciona, la forma D no se consume. La D-fenilalanina finalmente se combina con el benciloxicarbonilaspartame y producen una sustancia insoluble que precipita inmediatamente.

Paso 3La segunda reacción es espontánea e irreversible, pero la primera puede revertirse para hidrolizar nuevamente la sustancia producida; por ello, se debe retirar rápidamente el precipitado. La termolisina, por ser una enzima no se consume en la reacción y puede recuperarse para volver a utilizarse.

Paso 4:Ya que se aisló el precipitado se procede a separar las dos moléculas adheridas (Benciloxicarbonilaspartame*D, Fenilalanina) haciendo un lavado con ácido clorhídrico. Este ácido reacciona con la D-fenilalanina produciendo un compuesto polar que se lava fácilmente con el ácido.

Ácido Aspártcio Fenilalanina(mezcla racémica D,L)

Benciloxicarbonilaspartame D, Fenilalanina

Benciloxicarbonilaspartame*D, Fenilalanina

Paso 5:La molécula de benciloxicarbonil se retira del Aspartame mediante hidrogenólisis, obteniendo finalmente una molécula de Aspartame. La masa recuperada se cristaliza y se seca.

*La D-fenilalanina se recicla con un tratamiento de racemización en medio alcalino y reesterificación con metanol.

REACTORCSTR con agitación

El proceso se muestra en el siguiente esquema:

HIDRÓLISIS DE LACTOSA

Lactosa

La lactosa es un disacárido que se compone de una molécula de D-galactosa y una de D-glucosa unidas por un enlace galactosídico β-1,4. Los dos monosacáridos se obtienen de la lactosa por hidrólisis ácida o por acción catalítica de enzimas.

La hidrólisis enzimática de la lactosa es efectuada por la β-galactosidasa o lactasa, la cual mediante la inclusión de una molécula de agua rompe el enlace glicosídico (β-1,4) que une los dos

monosacáridos. Esta enzima es producida en los mamíferos en el intestino delgado. El desarrollo de las técnicas biotecnológicas tanto de producción como de recuperación y purificación, ha permitido actualmente se disponga de diversas preparaciones enzimáticas comerciales.

Proceso Bioquímico

El mecanismo de acción de la enzima lactasa establece que la enzima transfiere el residuo de D-galactosa de un galactósido a un aceptor con grupos hidroxilos; cuando este aceptor es agua forma la galactosa; sin embargo, al igual que otras glicosidasas, la transferencia puede hacerse a otros aceptores como azúcares y alcoholes, dando lugar a la formación de oligosacáridos. Durante la hidrólisis de la lactosa se han logrado identificar compuestos siendo los más abundantes: alolactosa, galactobiosa, galactosa, etc. La reacción global se muestra en el siguiente esquema:

Fuentes de la Enzima

La presencia de la lactasa ha sido reportada en diversos microorganismos pero son muy pocos los que se utilizan como fuentes industriales de ésta, a continuación se listan los más importantes:

Bacterias:Escherichia coli, Bacillus sp, Thermus aquaticus, Lactococus lactis, Streptococus salivarius, Thermophilus, Lactobacillus helveticus y Lactobacillus sporogenes.

Levaduras:Kluyveromyces lactis, Kluyveromyces maxxianus, Kluyveromyces bulgaricus, Candida kefyr, Bretranomyces anomalus y Wingea roberstssi.

Hongos:Neurospora crassa, Aspergillus foetidus, A niger, A flavus, A oryzae, A phoenics, Mucor pusillus, M miehei.

Solo algunas se utilizan actualmente a gran escala en la producción de la enzima. Las lactasas de origen fúngico presentan mayor termoestabilidad que las de levaduras y algunas bacterias. El pH óptimo de actividad de las lactasas es en el rango ácido (lactasas ácidas) y cercano a la neutralidad (lactasas neutras). Una de las más utilizadas para fines industriales es la β-galactosidasa proveniente de Streptococus Salivarius Thhermophilus y la lactasa proveniente de Bacillus Stearothermophilus. La siguiente tabla muestra las preparaciones comerciales enzimáticas de lacatasas disponibles:

Proceso industrial:

El proceso de hidrólisis con la enzima libre consiste en la adición de una lactasa de levadura a la leche previamente pasteurizada. La leche se deja incubar con la enzima a 4°C durante 8 horas. Después de la incubación la leche se puede o no volver a pasteurizar.

Tipo de reactor REACTOR AXIAL DE FLUJO

PRODUCCIÓN DE HFCS

HFCS

El Jarabe de maíz rico en Fructosa es conocido como HFCS por sus siglas en inglés (High Fructose Corn Syrup). Es un edulcorante líquido producido a partir del almidón de maíz a través de un proceso de dos etapas:

1. Proceso de Hidrólisis del almidón

El almidón es una mezcla de dos polisacáridos, la amilosa y la amilopectina, los cuales pueden separase a través de medios físicos o químicos. El almidón se compone básicamente del 10 al 20% de amilosa y del 80 al 90% de amilopectina.

La amilosa es un polisacárido de cadena lineal formado completamente por unidades de D-glucosa unidas mediante enlaces glucosídicos α-1,4 como en la maltosa, por lo que se puede considerar que está formada por unidades de maltosa. La amilopectina es un polisacárido ramificado que se compone de unidades de glucosa.

La hidrólisis completa del almidón (hidrólisis de amilosa y amilopectina) produce en tres etapas sucesivas, dextrinas, maltosa y glucosa:

El proceso de hidrólisis del almidón conlleva, a su vez, 7 etapas continuas:

1.1. Dextrinización del almidón

La materia prima, obtenida de la fécula de maíz es molida y mezclada. Luego, la mezcla es gelatinizada cocinándola a altas temperaturas. Utilizando enzimas α-amilasas termoestables se procede a hidrolizar el almidón produciendo dextrinas en un reactor de dos etapas. Estas enzimas son producida por algunas especies como Bacillus spp.

Durante la reacción de dextrinización, las variables más importantes del proceso son la calidad inicial del almidón, la dosis de α-amilasa, la temperatura, el pH, el flujo de almidón y el tiempo. Si alguna de las condiciones no se controla, quedará almidón sin hidrolizar y esto conllevará a problemas en las etapas posteriores (filtración) o producirá sacáridos anómalos para el proceso, como la maltosa, lo que causará disminución en el poder edulcorante del jarabe final.

Una de las características de calidad del almidón es el contenido de proteínas solubles. El almidón que es rico en proteínas solubles producirá coloración debido a la reacción de Maillard entre aminoácidos y azúcares bajo condiciones de alta temperatura y pH, por lo que se debe seleccionar almidón de bajo contenido proteico.

1.2. Sacarificación

Teniendo la mezcla de dextrinas, se procede a ajustar la temperatura y pH a las condiciones óptimas de sacarificación, las cuales se muestran en la siguiente tabla:

La sacarificación se refiere a la hidrólisis de las dextrinas para producir unidades de glucosa mediante la enzima glucoamilasa, también llamada amiloglucosidasa, producida por hongos como Apergillus. Este proceso puede realizarse en reactores batch pero en plantas modernas se trabajo como un proceso continuo. El licor sacarificado es bombeado a una serie de equipos en serie.

La amilasa y la glucoamilasa han sido modificadas genéticamente para mejorar su estabilidad térmica.

1.3. Tratamientos de purificación primarios

El jarabe de glucosa resultante es tamizado por filtración para eliminar impurezas que se le hayan pegado en el proceso, es purificado a través de un filtro de carbono para decoloración, y finalmente se hace pasar por una columna de intercambio iónico como proceso de refinado.

1.4. Evaporación

Al igual que en el proceso de elaboración de azúcar, el licor de glucosa posee gran cantidad de agua, la cual se debe evaporar para concentrar la glucosa y adaptarla a las siguientes etapas.

2. Proceso de Isomerización de la Glucosa

2.1. Isomerización

La enzima Glucosa isomerasa origina la reacción de isomerización de la glucosa contenida en el jarabe concentrado dando lugar a la formación de fructosa:

Las enzimas utilizadas en las etapas anteriores (amilasa y glucoamilasa) se agregan directamente a la mezcla, pero la glucosa isomerasa es demasiado costosa para utilizarse de esta manera. Esta enzima es inmovilizada dentro de columnas empacadas en las que el jarabe de glucosa pasa catalizando la reacción de isomerización y produciendo finalmente una mezcla de aproximadamente 50% fructosa y 50% glucosa. La composición de fructosa-glucosa varía en función de los tipos de HFCS que se quieran lograr. En la figura siguiente se muestran algunos de los tipos de reactores utilizados para la inmovilización de enzimas:

Mientras que la amilasa y la glucoamilasa son utilizadas una sola vez, la glucosa isomerasa es utilizada varias veces hasta que pierda su actividad enzimática, su vida aproximada es de 100 días.

2.2. Tratamiento de purificación secundario: Refinación

Durante la isomerización el jarabe de fructosa está coloreado y contiene cenizas. El color y otras impurezas se remueven con filtros de carbón activado e intercambiadores iónicos. Las cenizas se remueven con centrifugación.

2.3. Evaporación

Finalmente, el HFCS se enriquece concentrando la fructosa a través de evaporación del agua. Existen procedimientos de enriquecimiento que involucran columnas cromatográficas que separan la fructosa y la glucosa. Además se puede acompañar con un procedimiento de adsorción a través de una columna de calcio que atrae la fructosa del jarabe, obteniéndose finalmente un jarabe de hasta 90% de fructosa.

Reactor para la isomerización:De cama fija o bien con columna empacada

Todo el procedimiento se resume en el siguiente diagrama:

BIBLIOGRAFÍA

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LOPEZ, AGUSTÍN. “Biotecnología Alimentaria” Quinta Edición. Editorial Limusa. Grupo Noriega Editores. México, 2004

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PARKER, KAY. “High Fructose Corn Syrup: Production, uses and public health concerns” Volumen 5 Biotechnology and Molecular Biology Review. Department of Biology, College of Science and Technology, North Carolina Central University, Durham, 2010.

YADAV, PR. “Industrial Biotechnology”. Primera Edición. Editorial Discovery Publishing House. India, 2005.