quinto simposio internacional de innovación y desarrollo ... · objetivos z describir los procesos...

ITESM, CAMPUS MONTERREY

Quinto Simposio Internacional de Innovación y Desarrollo de Alimentos

Bioconversión de Almidones en Jarabes Dextrinizados, Maltosados, Glucosados

y Fructosados

Sergio O. Serna SaldívarDirector y Profesor

Departamento Biotecnología e Ingeniería de Alimentos Montevideo, Uruguay


Producción y Consumo de Jarabes en los EUA

Producción de azúcares refinados de caña y remolacha: 9 millones

http://74.125.93.104/translate_c?hl=es&sl=en&tl=es&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Usda_sweeteners.png&usg=ALkJrhjDfUHPeTBnstzvbZmfsl_gJj8ENA


JustificaciónEl principal uso del almidón es para la producción de jarabes, principalmente los altos en fructosa.– El 90% del almidón producido en los EUA es

transformado a edulcorantes.Los jarabes de almidón están compitiendo fuertemente con el azúcar de caña. Las industrias refresqueras prefieren a los jarabes. La ventaja de los jarabes es su alta versatilidad: dextrinados, maltosados, glucosados, fructosados y más nichos de mercado.


ObjetivosDescribir los procesos de transformación de almidón de maíz a las diferentes categorías de jarabes haciendo énfasis en conversiones enzimáticas y tipos de enzimas. Describir los principales usos de los jarabes y las principales prácticas de control de calidad y de procesos.


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 mezcla resultante.

– Se define como el porcentaje de azúcares reductores de un jarabe, calculado como dextrosa en base seca.

– Entre mayor es el ED mayor es la dulzura del jarabe y menor su viscosidad.

El almidón tiene prácticamente un ED de 0 mientras que un jarabe glucosado, donde todo el almidón fue transformado a glucosa de 100.


Categorías de Jarabes

Dextrinizados (20 ED)

Maltosados

Glucosados (90 ED)

Fructosados

42 HFCS

Almidón Maíz

55 HFCS 90 HFCS


Enzimas Usadas para Producir JarabesAlfa amilasa– Regular– Termoresistente

Beta amilasaPululanasaAmiloglucosidasaGlucosa Isomerasa


Alfa-amilasaLa α-amilasa es clasificada como una endoenzima debido a que hidroliza enlaces glucosidicos α 1-4 al azar. Por esta razón a esta enzima se le conoce como tijera. El proceso de conversión de almidón a dextrinas con esta enzima se le conoce como licuefacción (reducción en viscosidad).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 son termoestables (trabajan a 85 a 95°C aunque resisten temperaturas de 130°C. – Obtenidas de Aspergillus oryzae o Bacillus licheniformis.


Beta-amilasaLa β-amilasa es clasificada como una exoenzima. Ataca preferentemente a dextrinas por el lado no reductor liberando principalmente moléculas de maltosa. Por esta razón a esta enzima se le conoce como complementaria de la alfa amilasa. La β-amilasa para su actividad cuando se encuentra con un enlace glucosídico α 1-6. La mayoría de las β-amilasas trabajan óptimamente a pH´s 5.0-5.5 y 55-60oC. La mayoría de las β-amilasas son obtenidas comercialmente de la malta.


AmiloglucosidasaClasificada como una exoenzima denominada industrialmente como enzima sacarificante.La amiloglucosidasa hidroliza tanto a los enlaces α 1-4 y α 1-6. Por lo tanto convierte a las dextrinas en prácticamente 100% glucosa o dextrosa. Trabaja óptimamente a pH 4.0-4.5 y una temperatura de 55-60oC. Típicamente las amiloglucosidas son producidas de cepas genéticamente modificadas de Aspergillus.


PululanasaSu nombre deriva de enzima brincadora o desramificadora ya que hidroliza a los enlaces glicosídicos α 1-6. Son utilizadas para alcanzar mejores conversiones en producción de jarabes maltosados y glucosados. Hay pululanasas regulares y termoestables obtenidas de Klebsiella aerogens o Bacillus acidopullylyticus o del hongo Trichoderma (Hobbs 2003, Kruger et al 1987).Trabajan optimamente a pH´s y temperaturas de 4 a 7.5 y 50 a 65°C, respectivamente. Las termoresistentes se derivan Clostridium thermohydrosulfuricum o Bacillus sp (Kunamneni and Singh 2006, Saha et al 1988).


Glucosa IsomerasaCataliza la conversión de glucosa a fructosa y por lo tanto son fundamentales para producir jarabes fructosados.Es producida intracelularmente por ciertas especies de microorganismos (Actinoplanes yStreptomyces). La glucosa-isomerasa es usada inmobilizada en celulosa DEAE o alúmina. Trabaja óptimamente a 60oC y un rango de pH de 7.5-8.5. El magnesio es utilizado para atrapar al calcio residual que baja la actividad catalítica de la enzima. También el aire o oxígeno es removido para minimizar la perdida de actividad enzimática.


Producción de Dextrinas

Hidrólisis ácida– Utilización de HCL diluido y cocimiento a

presión.

Hidrólisis enzimática (licuefacción)– Uso de alfa amilasa regular– Uso de alfa amilasa termoresistente


Almidón

Conversión Ácida

HCl 0.2N

(150ºC/15min)

Conversión Enzimática

(α-amilasa)

(55ºC/pH:5/60min)

Maltodextrinas

Jarabe con Bajo Equivalente de Dextrosa (5 a 15% ED)

Dispersión de Almidón

(30-40% p/v)

Licuefacción de Almidón para Producir Jarabes con Bajos ED


Modificación Química: Almidones tratados con ácido

HCl

Dextrinización

El ácido causa dextrinización del almidón mediante una hidrólisis al azar de enlaces glucosídicos α1-4 y 1-6.

Dextrina


Almidón + Agua

Hidrólisis ácida•

Una solución de almidón al 40% se acidifica a pH 1.8-2 con HCl y bombeado simultáneamente al convertidor con inyección de vapor para calentar a 140º por aproximadamente 10 minutos.

Las cadenas alfa 1,4 son más fáciles de hidrolizar que las alfa 1,6. El lado no reductor del almidón es hidrolizado más rápido 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 del producto .

Conversión Acida de Almidones


Licuefacción Enzimática de AlmidónSuspensión de almidón

(30% almidón agua)

Calentamiento60°C

0.1% Ca(OH)2pH=6.5

Hidrolisisi90°C por 2 hrs

0.055% p/palfa-amilasa

EnfriamientoT° ambiente

Almidón licuificado


Jarabes Dextrinizados (20-30 ED)

Los jarabes dextrinizados no cristalizan y se emplean como agentes espesantes y estabilizadores en un gran número de alimentos.Son la base para la producción industrial de todos los otros jarabes.No tienen dulzura.


Jarabes Maltosados

Los jarabes ricos en maltosa son utilizados como saborizantes en la industria alimentaria.Se pueden producir dos tipos:– Regular– Alto en Maltosa


Producción de Jarabes MaltosadosJarabe Dextrinizado β-amilasa +

Pululanasaβ-amilasa

Calentamiento y Filtración70-80°C, Columnas de Resinas y Carbón Activado

Hidrólisis50-55°C/pH 5-5.5

Hidrólisis50-55°C/pH 5-5.5

Jarabe Regular50-55% Maltosa

Jarabe AltaMaltosa 78% Maltosa

EvaporaciónMultiple Efectos – Película Descendente-Vacío


Producción de Jarabes Glucosados

Licuefacción de almidón con alfa-amilasa termorresistente (suspensión con 30% almidón, 90°C/2 hr, pH 6.5).Sacarificación con amiloglucosidasa (55°C, pH 4.5).Refinación y concentración del jarabe.


Proceso - Elaboración de Jarabes

LICUIFICACION ENZIMATICA (55-60°C/pH:5.0-6.5/2 hr)

ALMIDON (30% p/p)

COCIMIENTO (90°C/30 min)

SACARIFICACION ENZIMATICA (58-62°C/pH:4-4.6/48 hr)

AMILOGLUCOSIDASA (0.18 % p/p)

Alfa-AMILASA (0.06 % p/p)

CLARIFICACION

FILTRACION CON CARBON ACTIVADO

EVAPORACION

COLUMNAS DE INTERCAMBIO IONICO

JARABE GLUCOSADO(93-96 ED)

ALMIDON LICUIFICADO


Producción de Jarabes Fructosados

Se utiliza como materia prima básica al jarabe glucoado (90 ED)La isomerización se realiza con la enzima inmovilizada glucosa isomerasa.La purificación del jarabe es clave para no envenenar a la enzima.Para obtener jarabe de 90 HFCS se tiene que separar a la glucosa y fructosa por medio de una columna cromatográfica.


Conversión de Glucosa en Fructosa

JARABES FRUCTOSADO (HFCS 42)

COLUMNA DE ISOMERIZACION (glucosa-isomerasa inmovilizada)

JARABE GLUCOSADO (93-96% DE)

Mg+2 > 12 ppm

CLARIFICACION Y FILTRACION CON CARBON ACTIVADO



Producción de Jarabe de Alta Fructosa (90 HFCS)

JARABES FRUCTOSADO (HFCS 90)

COLUMNA CROMATOGRAFICA

JARABE FRUCTOSADO (42 HFCS)

JARABE GLUCOSADO (>90 ED)

CLARIFICACION Y FILTRACION CON CARBON ACTIVADO


JARABE FRUCTOSADO (90 HFCS)

EVAPORACION

Agua


Propiedades de JarabesMalto-

dextrinas

20 ED

Maltosados

49 ED

Glucosados

90 ED

Altos en Fructosa (HFCS)

42 55 90

Solidos 97 81 70 71 77 80

Carbohidratos

Glucosa 2-3 9 90-95 52 41 7

Maltosa 7 52 4 --- --- ---

Fructosa --- --- -- 42 55 90

Dextrinas 90 39 1-6 6 4 3

pH --- --- --- 3.3-4.3 3.3-4.3 4

Dulzor Relativo a

Sacarosa

20-30 40 70-80 100 100-110 120-160


Funcionalidad de JarabesTipo de Jarabe Uso/Funcionalidad

Malto-dextrinas Impartición de viscosidad (agente engrosante), prevención de cristalización y humectante.

Maltosados Saborizante de cereales de desayuno, bebidas, productos lácteos y fuente de carbohidratos en cervecería.

Glucosados Educlorantes con dulzor intermedio, propicias reacciones de encafecimiento, , fuente de carbohidratos para procesos de fermentación y alta higroscopicidad. Use as sweetener and in baking applications.

Fructosados Edulcorante con alto dulzor para la manufactura de bebidas refrescantes y jugos. Usado en panificación, galletería y productos lácteos.


ConclusionesLos jarabes derivados del almidón de maíz seguirán desplazando al azúcar cristalizada debido a su versatilidad y diferentes funcionales. Los procesos han mejorado significativamente debido al desarrollo de enzimas de nueva generación que permiten ahorros importantes en energía y tiempo de proceso.


Gracias por su atención

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