EVALUACIÓN DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO EMPLEANDO ALMIDÓN DE PAPA

Transcripción

1 Revista Investigaciones Aplicadas N o. # (Año) 1-5 Publicada en línea por la Universidad Pontificia Bolivariana ISSN EVALUACIÓN DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO CÍTRICO EMPLEANDO ALMIDÓN DE PAPA María Cecilia Bayona *, Juan Camilo Roldán *, Mabel Milena Torres ** * Universidad Pontificia Bolivariana, Cq. 1 #70-01, of. 11-5, Medellín, Colombia, ** Facultad de Ingeniería Química Recibido ## Mes año; aceptado ## Mes año Disponible en línea: ## Mes año Resumen: Se evaluaron los efluentes de papa y medio comercial como sustrato para la producción de ácido cítrico utilizando como microorganismo Aspergillus niger. Las fermentaciones se realizaron en cultivo sumergido a 150 rpm, ph inicial de 6.36, temperatura 25 C y un tiempo de 5 días. Se obtuvo concentraciones de ácido cítrico de g/l y 1.43 g/l para cuando se empleo sustrato efluentes de papa y medio comercial respectivamente. Copyright 2008 UPB. Abstract: It was evaluated the effluent potato and a half trading as a substrate for the production of citric acid used as a microorganism Aspergillus niger. The fermentations were carried out in crop submerged at 150 rpm, initial ph of 6.36, temperature 25 C and a time of 5 days. The concentration of citric acid obtained were 0,725 g / L and 1.43 g / L using as substrate effluent potato and medium commercial respectively. Keywords: Aspergillus niger, Citric Acid, Starch 1. INTRODUCCIÓN El ácido cítrico se caracteriza por ser un buen conservante y antioxidante natural que se añade industrialmente como aditivo, siendo uno de los más demandados comercialmente en el presente siglo, debido a que es utilizado en diferentes campos de la industria, creciendo a razón de 5-8% anual fabricándose en más de 20 países donde la Unión Europea, Estados Unidos y China reúnen el 88% del total mundial. Se estima que su producción anual es de aproximadamente 400,000 toneladas, para un mercado de cerca de 1,400 millones de dólares por año (Alimentos Argentinos, 2008). Debido a sus grandes propiedades, tiene diferentes aplicaciones en industrias tales como la de refrescos y bebidas otorgando propiedades refrescantes, de sabor y acidez natural, actuando a su vez como preservativos de éstas; en la industria de alimentos, contribuyendo a mejorar el sabor del helado, relleno de tortas y cremas de frutas entre otras; en la cosmetología como constituyente de formulaciones, contribuyendo a mejorar la vida, la eficiencia y la apariencia del producto final; en la farmacéutica, dando a las Autor al que se le dirige la correspondencia: Tel. (+094) mayi86@gmail.com (María Cecilia Bayona).

2 drogas la necesaria estabilización de los ingredientes activos por su acción antimicrobial y antioxidante (Alimentos Argentinos, 2008). El ácido cítrico se obtenía originalmente por extracción física del ácido del zumo de limón. Hoy en día, la producción comercial de ácido cítrico se realiza sobre todo por procesos de fermentación que utilizan medios ricos en carbohidratos empleando el hongo Aspergillus niger en fermentación sumergida, donde las condiciones ambientales como ph, agitación, temperatura, concentración de fosfato, fuente de nitrógeno y carbono son factores importantes que regulan la morfología del microorganismo y el proceso de fermentación, produciendo ácido cítrico líquido que luego se purifica, concentra y cristaliza (López, et al., 2006). Aún siendo Colombia un país productor y distribuidor de alimentos, cosméticos, fármacos, entre otros productos que tienen como componente esencial el ácido cítrico, la única empresa que fabrica el producto es Sucromiles S.A. que obtiene ácido cítrico a partir de azúcar para las industrias de gaseosas, de refrescos en polvo y farmacéutica (Universidad de Sevilla, 2008). Por tal razón la implementación de nuevas prácticas biotecnológicas realzarán el surgimiento del país en cuanto a industria se refiere fuera de ser una opción económica. El almidón de papa es una fuente rica en carbohidratos encontrándose disponible en la papa en un 75%, además se obtiene fácilmente a partir de los residuos de diferentes empresas que utilizan este tubérculo como materia prima para su producción (Haq, et al., 2003a). El presente trabajo tuvo por objetivo estudiar la obtención de ácido cítrico por fermentación sumergida con A. niger, utilizando almidón de papa, como medio de cultivo. 2. MATERIALES Y MÉTODOS El proceso de fermentación se realizó para tres medios de cultivos diferentes, efluentes de papa (EP) provenientes de la empresa Rica Pira, y medio comercial (MC) utilizando como microorganismo Aspergillus niger, suministrado por el CIBIOT. A continuación se describirá el procedimiento empleado para ambos medios Caracterización del medio de cultivo A cada medio de cultivo se le cuantificaron previamente azúcares por el método del DNS y nitrógeno orgánico por el método semi-microkjeldahl (Clesceri, et al.,1999), además de medirle el ph Preparación del inóculo Se preparan ocho erlenmeyers, previamente esterilizados y sellados para evitar la contaminación, cada uno con 50mL del medio de cultivo. Se procede entonces a inocular los erlenmeyers, agregándoles el 10% del volumen de cada uno de ellos, es decir 5mL de la solución de esporas. Esta solución se preparó adicionándole 10mL de agua destilada estéril con una gota de tween a la cepa, con el fin de separar las esporas del medio en donde se encontraban; el sobrenadante se adicionó a 50mL de agua estéril y luego se realizó el conteo de esporas, con el fin de determinar su concentración (1.04x107 células/ml) Condiciones de fermentación Cada uno de estos erlenmeyers se sometieron a agitación constante aproximadamente a 150 rpm, tomando uno de estos cada 24 horas durante 8 días, filtrándolo al vacío; la biomasa obtenida en la filtración se lleva a peso constante en un horno a 80 C durante un día y el sobrenadante se almacena a 4 C en tubos de ensayo, para posteriormente medir el nivel de acumulación de ácido cítrico, en cada una de estas muestras Cuantificación del Ácido Cítrico Se toman 1.5mL de cada uno de los sobrenadantes de los ocho días de fermentación, 0.85mL de Piridina y 2.8mL de anhídrido acético, se prepara también un blanco de reactivos que contiene la misma cantidad de piridina y anhídrido acético y 1.5mL de agua destilada. Se espera hasta que los reactivos reaccionen y se enfríen, luego se les mide absorbancia en el espectrofotómetro de UV-Visible (UV-1601PC SHIMADZU) a una longitud de onda de 420nm. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 2

3 En la Tabla 1 se muestra la caracterización de los diferentes medio de cultivo utilizados. Fig. 1. Biomasa en el tiempo para MC. Tabla 1. Caracterización del Medio De Cultivo Medio [Glucosa], g/l ph EP MC Se observa que para ambos medio de cultivo el ph inicial se encontraba alrededor de 6.3, y estos valores se asemejan a estudios realizados por diferentes autores quienes al trabajar con melaza de caña como medio de cultivo determinaron que el ph óptimo para el crecimiento del microorganismo era de 6 (Haq, et al., 2004a), el ph empleado en este estudio es aproximadamente 5% mayor, lo que no es un cambio significativo para las condiciones de crecimiento del Aspergillus niger. Adicional a esto, se cuantificó el porcentaje de Nitrógeno el cual arrojó un resultado bajo de % debido a que la cantidad de almidón es casi nula, ya que a la hora de cuantificarlo, no se obtuvo la coloración azul característica lo que indicaría que se encontraba muy por debajo de la concentración de los estándares utilizados (0.01% % de almidón) los cuales tenían dicho color que indica la presencia de almidón a diferencia de la muestra del medio de agua de papas que no tenía algún cambio apreciable. Esta baja concentración de almidón se atribuye a que el medio provenía del agua de lavado de papas sin pelar. En las Figuras 1 y 2 se observa el aumento de la concentración de biomasa en el tiempo para ambos medios. Fig. 2. Biomasa en el tiempo para Agua de papas. Para hacer una aproximación al comportamiento de los datos de biomasa en ambos medios, se empleó el modelo de Gompertz (ZunZun.com,2008) para determinar el valor de máx,, (1) donde x, es la concentración de biomasa en g/l y t es el tiempo en horas. Para determinar la velocidad específica máxima, se debe evaluar el valor de t en la primera derivada de la Ecuación 1, obteniéndose la Ecuación 2, a c máx, (2) e donde a y c son los parámetros obtenidos con el modelo y e, es el número de Euler. En la Tabla 2, se muestran los valores de los coeficientes obtenidos para ambos medios y el valor de la regresión obtenida. Tabla 2. Parámetros obtenidos para ambos medios con el método de Gompertz. Coeficientes MC EP a 1.61E E+00 b 2.23E E+00 c 8.21E E-02 R

4 Con lo anterior y empleando la Ecuación 2, para ambos casos se obtiene el valor de máx (h -1 ) como se observa en la Tabla 3. Tabla 3. Valores obtenidos de máx para ambos medios Medios máx (h -1 ) MC EP La máx obtenida para los EP es significativamente menor si se compara con la obtenida empleando el MC, lo que sería otro indicio que aseguraría que no es medio viable para el crecimiento del microorganismo y a su vez para la producción de ácido cítrico. En las Figuras 3 y 4, se muestran las variaciones ph y el nivel de acumulación de ácido cítrico en el tiempo para ambos medios de cultivo. Fig. 3. ph y [Ácido cítrico] para MC Se observa que la concentración de ácido cítrico aumenta en el tiempo y a su vez los valores de ph disminuyen, lo que indica la producción de ácidos orgánicos en cada muestra; con lo que se corrobora que este medio es propicio para el crecimiento del microorganismo y al mismo tiempo proporciona las condiciones necesarias para la fermentación. La concentración máxima de ácido cítrico alcanzada fue de 1.43 g/l a las 216 horas con un valor de ph mínimo de 3.52; estudios alternos realizados obtuvieron, utilizando el mismo microorganismo, para una concentración inicial de glucosa de 150g/L, un valor máximo de ácido cítrico de 31.1g/L (Haq, et al., 2004b), esto evidencia que es necesaria una alta concentración inicial de glucosa para obtener una alta producción de ácido cítrico. Fig. 4. ph y [Ácido cítrico] para EP La Figura 4 presenta un comportamiento opuesto al presentado en la Figura 3, ya que la concentración de ácido cítrico no aumenta en el tiempo y a su vez los valores de ph incrementan. Esto puede atribuirse a diferentes factores como la posibilidad de que el microorganismo tomara el acido cítrico producido al inicio de la fermentación como fuente de carbono y lo transformara en aminoácidos tales como la lisina, arginina e histidina, entre otros, lo anterior pudo ocurrir debido a las condiciones de estrés a las que estuvo sometido el microorganismo (baja concentración de glucosa y almidón), el cual buscaba su supervivencia y no su crecimiento y su reproducción. Otro factor que posiblemente alteró el ph fue la presencia de alguna contaminación bacteriana debido a la lisis de las células, ya que como se observa en la Figura 2, la biomasa cae repentinamente y este comportamiento no es propio de los hongos filamentosos. A pesar de esto, se obtuvo una concentración máxima de ácido cítrico de 0.72g/L a las 48 horas de fermentación, este resultado es 49.19% menor que el obtenido en el MC. Se sugiere que para obtener una mayor concentración de Ácido Cítrico empleando EP como medio, es necesario un mayor tiempo de fermentación y a su vez la hidrólisis del medio, ya que como lo sugieren otros estudios realizados, se obtienen bajas concentraciones de ácido cítrico si se emplea almidón sin hidrolizar (Haq, et al., 2003b). 4

5 4. CONCLUSIONES Para el MC la mayor concentración de ácido cítrico fue de 1.43 g/l a las 216 horas. Empleando el agua de papas como medio de cultivo, la mayor concentración de ácido cítrico obtenida fue de 0.72g/L a las 48 horas. Los EP sin pelar, no son un medio viable para la producción de ácido cítrico y para el crecimiento del microorganismo. El ph óptimo del medio para el crecimiento del Aspergillus niger, se encuentra entre La máx obtenida empleando sabouraud y agua de papas fue de 0.48h -1 y 0.036h -1 respectivamente. 5. BIBLIOGRAFÍA Alimentos Argentinos (Alderete, J.M.) (2008) "Ácido Cítrico, el ingrediente que nos falta." En línea, [ consultado en [ consultado en SOBRE LOS AUTORES María Cecilia Bayona Pérez Estudiante de pregrado de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Pontificia Bolivariana. Área de interés investigativo: Biotecnología Juan Camilo Roldán Vargas Estudiante de pregrado de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Pontificia Bolivariana. Área de interés investigativo: Biotecnología Mabel Milena Torres Taborda Investigadora del Centro de Estudios e Investigacion en Biotecnología (CIBIOT) de la Universidad Pontificia Bolivariana. Candidata a Magister en Biotecnología de la Universidad Pontificia Bolivariana. Principales áreas de interés investigativo: Biotecnología vegetal, producción de enzimas. Clesceri, L., A. Greenberg y R. Trussell (1999). Standard methods for the examination of water and wastewater. Edición 17. p Haq, Ikram-Ul, S. Ali y J. Iqbal (2003). Direct production of citric acid from raw starch by Aspergillus niger effects. Process Biochemestry, 38: Haq, Ikram-Ul, et al. (2004). Citric Acid production by selected mutantas of Aspergillus niger from cane molasses. Bioresource Technology, 93: Lopez, Carlos et al. (2006). Producción de Acido cítrico con Aspergillus níger NRRL 2270 a partir de suero de leche. Dyna, 150: Universidad de Sevilla. (2008). Historia del Acido Cítrico. En línea, [ terial/monograf/acido-citrico.pdf], consultado en Interactive 2-Dimensional and 3-Dimensional Data Modeling (2008). ZunZun.com. En línea, 5