Quinto Simposio Internacional de Innovación y Desarrollo de Alimentos

Transcripción

1 Quinto Simposio Internacional de Innovación y Desarrollo de Alimentos Bioconversión de Almidones en Jarabes Dextrinizados, Maltosados, Glucosados y Fructosados Sergio O. Serna Saldívar Director y Profesor Departamento Biotecnología e Ingeniería de Alimentos Montevideo, Uruguay

2 Producción y Consumo de Jarabes en los EUA Producción de azúcares refinados de caña y remolacha: 9 millones

3 Justificación El 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.

4 Objetivos Describir 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.

5 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.

6 Categorías de Jarabes Dextrinizados (20 ED) Maltosados Almidón Maíz Glucosados (90 ED) Fructosados 42 HFCS 55 HFCS 90 HFCS

7 Enzimas Usadas para Producir Jarabes Alfa amilasa Regular Termoresistente Beta amilasa Pululanasa Amiloglucosidasa Glucosa Isomerasa

8 Alfa-amilasa La 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 s de 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.

9 Beta-amilasa La 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 y o C. La mayoría de las β-amilasas son obtenidas comercialmente de la malta.

10 Amiloglucosidasa Clasificada 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 y una temperatura de o C. Típicamente las amiloglucosidas son producidas de cepas genéticamente modificadas de Aspergillus.

11 Pululanasa Su 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).

12 Glucosa Isomerasa Cataliza 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 60 o C y un rango de ph de 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.

13 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

14 Licuefacción de Almidón para Producir Jarabes con Bajos ED Almidón Dispersión de Almidón (30-40% p/v) 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)

15 Modificación Química: Almidones tratados con ácido Dextrinización El ácido causa dextrinización del almidón mediante una hidrólisis al azar de enlaces glucosídicos α 1-4 y 1-6. HCl Dextrina

16 Conversión Acida de Almidones Almidón + Agua Hidrólisis ácida Una solución de almidón al 40% se acidifica a ph 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.

17 Licuefacción Enzimática de Almidón ph=6.5 Suspensión de almidón (30% almidón agua) Calentamiento 60 C Hidrolisisi 90 C por 2 hrs 0.1% Ca(OH) % p/p alfa-amilasa Enfriamiento T ambiente Almidón licuificado

18 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.

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

20 Producción de Jarabes Maltosados β-amilasa Jarabe Dextrinizado β-amilasa + Pululanasa Hidrólisis C/pH Hidrólisis C/pH Jarabe Regular 50-55% Maltosa Jarabe Alta Maltosa 78% Maltosa Calentamiento y Filtración C, Columnas de Resinas y Carbón Activado Evaporación Multiple Efectos Película Descendente-Vacío

21 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.

22 Proceso - Elaboración de Jarabes ALMIDON (30% p/p) COCIMIENTO (90 C/30 min) LICUIFICACION ENZIMATICA (55-60 C/pH: /2 hr) Alfa-AMILASA (0.06 % p/p) ALMIDON LICUIFICADO SACARIFICACION ENZIMATICA (58-62 C/pH:4-4.6/48 hr) AMILOGLUCOSIDASA (0.18 % p/p) CLARIFICACION FILTRACION CON CARBON ACTIVADO EVAPORACION COLUMNAS DE INTERCAMBIO IONICO JARABE GLUCOSADO (93-96 ED)

23 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.

24 Conversión de Glucosa en Fructosa JARABE GLUCOSADO (93-96% DE) COLUMNA DE ISOMERIZACION (glucosa-isomerasa inmovilizada) Mg +2 > 12 ppm CLARIFICACION Y FILTRACION CON CARBON ACTIVADO COLUMNAS DE INTERCAMBIO IONICO JARABES FRUCTOSADO (HFCS 42)

25 Producción de Jarabe de Alta Fructosa (90 HFCS) JARABE FRUCTOSADO (42 HFCS) Agua COLUMNA CROMATOGRAFICA JARABE GLUCOSADO (>90 ED) JARABE FRUCTOSADO (90 HFCS) EVAPORACION COLUMNAS DE INTERCAMBIO IONICO CLARIFICACION Y FILTRACION CON CARBON ACTIVADO JARABES FRUCTOSADO (HFCS 90)

26 Propiedades de Jarabes Maltodextrinas Maltosados Glucosados Altos en Fructosa (HFCS) 49 ED 90 ED ED Solidos Carbohidratos Glucosa Maltosa Fructosa Dextrinas ph Dulzor Relativo a Sacarosa

27 Funcionalidad de Jarabes Tipo de Jarabe Malto-dextrinas Maltosados Glucosados Fructosados Uso/Funcionalidad Impartición de viscosidad (agente engrosante), prevención de cristalización y humectante. Saborizante de cereales de desayuno, bebidas, productos lácteos y fuente de carbohidratos en cervecería. 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. Edulcorante con alto dulzor para la manufactura de bebidas refrescantes y jugos. Usado en panificación, galletería y productos lácteos.

28 Conclusiones Los 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.

29 Gracias por su atención