Aplicación de enzimas a nivel industrial

Transcripción

1 Aplicación de enzimas a nivel industrial Ing. de Bioreacciones M.C. en Productos Naturales y Alimentos Prof. Rogelio Valadez Blanco

2 Regeneración de cofactores 1. Sólo 2 clases de enzimas son catalíticamente activas sin requerir cofactores 2. Métodos eficientes para la producción y regeneración de cofactores 3. Investigación actual

3 Oxidación de etanol a acetato

4 Regeneración de cofactores por enzimas acopladas

5 Sistema reductasadeshidrogenasa

6 Aplicación industrial de enzimas 1. Usadas durante varios siglos 2. Reportes de uso en 1830 (pepsina) 3. Aplicaciones industriales: Finales del siglo XIX: Primera patente (Tiakamine, 1984) 4. Enzimas de órganos de animales (Inicios siglo XX)

7 Aplicación industrial de enzimas 5. Industria floreció después de la 2nda Guerra Mundial 6. Primer proceso industrial (1960): conversión de almidón en jarabe de glucosa. Adelgazamiento de almidón (α-amilasa) Sacarificación (glucoamilasa)

8 Aplicación industrial de enzimas 7. Últimas dos décadas: Herramientas de ingeniería genética y proteómica amplían el espectro de aplicaciones (50% mercado)

9 Aplicación industrial de enzimas 1. Aplicación en la industria tradicional: Alimentación humana y animal Lavandería Papel Textiles Peletería 2. Nuevas áreas de aplicación Farmacéutica Químicos especializados

10 Aplicación industrial de enzimas 1. Función de las enzimas en bioprocesos: Reacción principal Aditivo 2. Enzimas de mayor aplicación Hidrolasas Industria de alimentos

11 1. Rompe enlaces α 1-4 α-amilasa

12 α-amilasa 1. Fúngica, aditivo en industria panadera cervecera 2. Bacteriana, Licuefacción de almidón para subsecuente producción de glucosa. Se desean enzimas hipertermoestables, ácido tolerantes y poco dependientes de Ca ++

13 Glucoamilasa 1. Hidrólisis de dextrinas a partir de almidón adelgazado con α-amilasa

14 Glucoamilasa 1. Reacción afectada por equilibrio: para altas concentraciones de producto se revierte la reacción (maltosa e isomaltosa) 2. Enzimas adaptadas a condiciones del proceso 3. Proceso industrial: reacción en solución (rendimientos del 96 al 98 eq. de glucosa)

15 Pectinasas 1. Pectinas o polisacáridos pécticos Heteropolisacáridos que forman las paredes celulares de plantas y proveen características gelificantes. Estos polímeros son ricos en ácidos galacturónicos. 2. Mezclas de diferentes enzimas Pectina metilestearasa Poligalacturonasa Liasa péctica

16 2. Aplicaciones: Pectinasas Extracción de jugos de frutas y vegetales Clarificación de jugos Elaboración de vinos (maceración, clarificación y maduración)

17 Pectinasas alcalinas: Pectinasas Desgomado de fibras textiles Tratamiento de aguas residuales pécticas Fermentaciones de te y café

18 Celulosa Homopolímero más abundante de plantas compuesto por moléculas de β-glucosa, unidos por enlaces β-1-4-o-glucosídico.

19 1. Complejo enzimático: Celulasas Endo-enzima hidrolasa (1,4 β-d-glucan-glucano hidrolasa) -Rompe de manera aleatoria enlaces internos Exo-enzima hidrolasa (1,4 β-d-glucano celobiohidrolasa) - Rompe las cadenas expuestas en dimeros o tetrámeros Celobiasa (β-d-glucósido glucohidrolasa) - Produce monosacáridos a partir de los productos de la exocelulosa 2. Acción sinérgica para romper fibras de celulosa a glucosa

20 Aplicaciones de celulasas 1. Alimentos de humanos y animales, detergentes, textiles y farmacéuticos 2. Extracción de jugos, aceites y agar 3. Lavado enzimático de telas de mezclilla y algodón (biopulido)

21 Aplicaciones de celulasas 4. Sustituto del clorado de pulpa de madera para producción de papel. 5. Ligninasas: complejas y requieren coenzimas.

22 β-glucanasa Granos usados en nutrición animal: Cantidad considerable de β-glucanos envuelven proteínas y almidones Reducen el valor nutricional Uso de β-glucanasa incremento considerable en la asimilación de nutrientes Problema tecnológico: en desarrollo de alimentos, se usan altas temperaturas y condiciones

23 Fitasa y β-glucanasa Nutrición de animales monogástricos Polisacáridos no almidonosos tienen actividad antinutritiva Fitasa y β-glucanasa: mejoran el coeficiente alimentación/peso de animales reducen contaminación

24 Ácido fítico Compuestos orgánicos que contienen fósforo, presentes principalmente en fibras y semillas de vegetales

25 Fitasa Rompe el ácido fítico no digerible Aumenta digestibilidad Libera fósforo digerible (en 20%) Disminuye el desecho de fosfatos en el excremento (25-30%) Mercado creciente Costos altos de granos Preocupación de contaminación por fósforo Fitasas de levaduras

26 β-galactosidasa (lactasa) Rompe lactosa en sus constituyentes monoméricos; Glucosa Galactosa Monómeros son mucho más digeribles que la lactosa: industria láctea. Intolerancia a la lactosa (deficiencia de lactasa) Deficiencia étnica: más severa en bebés y niños Afecta a millones de personas en el mundo

27 Leche baja en lactosa Éxito comercial: se encuentra en todos los supermercados Previene la formación de cristales en dulces de leche y helados Ayuda a mejorar la fermentación de la leche en la producción de yoghurt Monómeros tienen mayor poder edulcorante y desarrollo de color Bioproceso: reactores con enzimas inmovilizadas Tabletas de enzima se venden en farmacias

28 Suero de leche Mejoras del suero de leche mediante la hidrolisis de lactosa Mayor importancia: protección ambiental Suero hidrolizado se puede usar: Suplemento alimenticio Alimentación de animales Producción de etanol Sustrato en la producción de jarabes Poder edulcorante similar al de la sacarosa

29 PROTEASAS Categoría más grande de enzimas industriales Proteasas derivadas de microorganismos (ácidas y neutras): Amplia aplicación para la producción de hidrolizados proteicos Uso en alimentos: elaboración de quesos (sustitutos de renina) Proteasas derivadas de plantas (ácidas y neutras) (15%): Fabricación de farmacéuticos y algunas aplicaciones en alimentos

30 PROTEASAS Ingeniería enzimática y genética: preparaciones enzimáticas más potentes y estables. Proteasas alcalinas: Importancia clave en formulaciòn de detergentes (1960) Pancreatina Industria peletera y ayuda en la digestión Extracto multienzimático con actividad: Proteolítica Lipolítica Amilolítica

31 Aminoacilasas Usadas en la producción de L-aminoácidos para nutrición humana y animal Enantioespecificidad de la enzima para hidrolizar selectivamente el enantiómero L de la mezcla racémica previamente acilada. El L-aminoácido se puede separar fácilmente Primer proceso a gran escala usando enzimas inmovilizadas.

32 Glucosa isomerasa El desarrollo tecnológico enzimático más importante Desarrollado en los 60 s 1970: importancia industrial (uso de enzimas inmovilizadas) Jarabe de alta fructosa: producción multimillones de ton. 40% mercado de edulcorantes (bebidas ligeras) 55% fructosa es equivalente a 100% sacarosa

33 Glucosa isomerasa Reacción reversible: obtención de 42% fructosa Enriquecido posteriormente por cromatografía Investigación: reducir ph óptimo, estabilidad térmica y en presencia de Ca++.

34 Penicilin acilasa Producción industrial de antibióticos semi-sintéticos - lactam. Hidrólisis de penicilina G y cefalosporina G con penicilna acilasa inmovilizada Ha reemplazado al proceso químico caso de éxito de bioproceso industrial enzimático

35 Biocombustibles Producción de bioetanol (4 bn de litros al año) 2. Auge actual. Crisis energética 3. Producido a partir de Granos de maíz Caña de azúcar 4. Granos de maíz: α-amilasa glucoamilasa 5. Fuentes de menor energía: lignocelulosas. Producción de alcohol a partir de lignocelulosa.

36 Producción de bioetanol A partir de xilosa derivada de hemicelulosas, se combierte a xilulosa La xilulosa puede ser metabolizada por levaduras comerciales como Saccharomiyces cerevisiae o S. pombe.