APLICACIONES DE LAS ENZIMAS EN LA INDUSTRIA Y EN LA INGENIERIA AMBIENTAL Bioquímica General
UV ANA LAURA JUAREZ ECHEVERRIA
Las enzimas Los enzimas son biomoléculas especializadas en la catálisis de las reacciones químicas que tienen lugar en la célula. Son muy eficaces como catalizadores ya que son capaces de aumentar la velocidad de las reacciones químicas mucho más que cualquier catalizador artificial conocido, y además son altamente específicos ya que cada uno de ellos induce la transformación de un sólo tipo de sustancia y no de otras que se puedan encontrar en el medio de reacción.
Introducción al estudio de las enzimas Gran parte de la historia de la Bioquímica discurre pareja a la historia de la investigación de los enzimas. Citaremos algunos hechos importantes:
La existencia existencia de catalizadores biológicos fue descrita por primera vez a comienzos del S. XIX en estudios acerca de la digestión de la carne por secreciones del estómago y la conversión del almidón en azúcar por la saliva. En 1835 1835 la primera teoría general sobre la catálisis química publicada por J.J. Berzelius incluía un ejemplo de lo que hoy conocemos como un enzima: la diastasa de la malta, señalando que la hidrólisis del almidón se catalizaba más eficazmente por ésta que por el ácido sulfúrico. En 1860 Louis Pasteur propuso que la fermentación del azúcar para para transformarse en alcohol era inducida por ciertos catalizadores biológicos, razón por la cual los enzimas fueron llamados inicialmente "fermentos". Pasteur supuso que dichos catalizadores se hallaban unidos de modo indisoluble a la estructura de las células de la levadura por lo que no podían actuar fuera de estas. En 1877 se utiliza por primera vez la denominación "enzima" (etimológicamente "en la levadura"). En 1897 E. Büchner consiguió extraer de las células de la levadura los enzimas que catalizan la fermentación alcohólica, demostrando que éstos pueden actuar independientemente de la estructura celular. Este hecho permitió estudiar "in vitro" la actividad y propiedades de los enzimas, aislarlos en estado puro y analizar su composición. En 1926 J.B. Sumner aisló un enzima, la ureasa, en forma cristalina pura y demostró que los cristales estaban formados por proteínas. Entre 1930 y 1936 se aislaron en forma cristalina pura pura diversos enzimas quedando establecida de modo definitivo la naturaleza proteica de estos catalizadores biológicos. Desde entonces se han identificado varios miles de enzimas diferentes, habiéndose aislado muchos de ellos en forma cristalina. En el mismo período período J.B.S. Haldane expuso la idea de que los enzimas establecen 3 interacciones débiles con el sustrato para distorsionarlo y catalizar así su transformación; esta idea resultó capital para el moderno conocimiento de la acción enzimática.
En 1981 1981 se descubrió que determinados tipos de RNA pueden catalizar su propia síntesis, hecho este que obligó a revisar algunas de las ideas preexistentes acerca de la naturaleza de los biocatalizadores.
En la actualidad se considera que, con la excepción de un reducido grupo de moléculas de RNA con propiedades catalíticas, los enzimas son proteínas, y como tales, exhiben todas las propiedades inherentes a este grupo de biomoléculas. Los pesos moleculares de las proteínas enzimáticas oscilan desde unos 12.000 daltons hasta más de un millón. En muchos casos, las cadenas polipeptídicas de la proteína enzimática son suficientes para que ésta desarrolle su actividad catalítica. En otros, se hace necesaria la participación de un compuesto químico adicional, de naturaleza no proteica, denominado cofactor.
La producción de enzimas para uso industrial tuvo sus orígenes en Dinamarca yJapón, a finales del siglo XIX, cuando se produjeron las primeras preparaciones de renina a partir del estómago de terneros y de amilasa de origen fúngico. Las enzimas son productos de las células y por lo tanto pueden obtenerse a partir de tejidos animales, tejidos vegetales o mediante procesos de fermentación empleando microorganismos seleccionados. La producción de enzimas ha sido un proceso vital en las industrial como se muestra a continuación (Figura 1):
PROCESOS INDUSTRIALES QUE APLICAN ENZIMAS Industria del almidón y del azúcar Dependiendo de las enzimas utilizadas, a partir del almidón se pueden obtener jarabes de diferente composición y propiedades físicas. Los jarabes se utilizan en una variedad de alimentos tales como gaseosas, dulces,productos horneados, helados, salsas, alimentos para bebés, frutas enlatadas, conservas, etc. (10) Hay tres etapas básicas en la conversión enzimática del almidón: licuefacción, sacarificación e isome-rización.
Productos Lácteos La aplicación de enzimas en el procesamiento de leche está bien establecida por el uso del cuajo (quimosina) en la producción de queso, que tal vez representa el empleo más antiguo de enzimas en alimentos. Otras enzimas que participan en la producción de quesos son las lipasas presentes en la leche, las cuales hidrolizan el componente graso, proporcionando cambios característicos en el sabor. Para algunos quesos se pueden aumentar las lipasas naturales, añadiendo enzima extra. Por otra par te, también se recomienda
agregar enzimas exógenas de tipo proteolítico para acelerar el proceso de maduración de algunos quesos.
Molineros y Panaderia El uso de enzimas en estas industrias se debe principalmente a la deficiencia en el trigo y en la harina, de las enzimas naturalmente presentes. El contenido de a amilasa de la harina depende de las condiciones de crecimiento y de cosecha. En climas húmedos la tendencia 14 será a tener alta actividad de a amilasa debido a germinación de los granos, en tanto que en climas secos el nivel de a amilasa será bajo debido a escasa germinación. Esto conlleva a grandes diferencias en el contenido de amilasa de diferentes lotes de harina.
Productoras de Jugos de Frutas Las primeras enzimas empleadas en las industrias de jugos de frutas fueron las enzimas pécticas para la clarificación del jugo de manzana. Actualmente las enzimas pécticas se usan en el procesamiento de muchas otras frutas, junto con amilasas amilasas y celulasas. Durante el procesamiento de los jugos cuando se desintegran los tejidos vegetales, parte de la pectina, que es un componente estructural de las frutas, pasa a la solución, parte se satura con el jugo y parte permanece en las paredes celulares. Las enzimas pécticas se usan para faci- litar el prensado, la extracción del jugo y la clarificación ayudando a la separación del precipitado floculento.
Procesamiento de Carne Las enzimas importantes para ablandar carne son proteasas de orígen vegetal o de microorganismos (Bacillus subtilis y Aspergillus oryzae). Las enzimas se inyectan antes del sacrificio al animal o se trata la carne con las enzimas antes de cocerla, con lo que se logra un franco ablandamiento sin provocar una proteólisis importante.
Industria Cervecera La cebada se utiliza tradicionalmente para la fabricación de bebidas alcohólicas como la cerveza. En su producción se deben considerar dos operaciones distintas: la maltería y la cervecería. La preparación de la malta se logra por germinación dela cebada, durante la cual se incrementa el contenido de la amilasa. Las enzimas a y b amilasas naturalmente presentes en el grano actúan sobre el almidón produciendo dextrinas y maltosa, que sirven como sustratos para la fermentación posterior. Las proteasas degradan proteínas formando aminoácidos y péptidos. Hay muchas enzimas disponibles comercialmente para el proceso cervecero, pero todas ellas caen en tres categorías: proteasas, amilasas y glucanasas. La acción de estas enzimas durante las primeras etapas consiste en mejorar la licuefacción del almidón, regular el contenido de azúcar y nitrógeno, mejorar la extracción, facilitar la filtración y controlar la turbidez. En la filtración del mosto reducción de las gomas y de la viscosidad. En la ebullición, control de la turbidez, eliminación final del almidón. En esta etapa se inactivan las enzimas. Durante la fermentación y maduración la adición de enzimas sirve para controlar la turbidez.
Industrias de Grasas y Aceites El uso de enzimas en las industrias de aceites y grasas es muy bajo, aunque se encuentran disponibles enzimas que pueden resolver algunos problemas, por ejemplo minimizar los
subproductos indeseables. Las enzimas también se pueden usar para producir aceites y grasas novedosas. Lipasas específicas, pueden seleccionar los ácidos grasos de de algunas posiciones del triglicérido, para incorporar determinados ácidos grasos, sin cambiar los de otras posiciones. De tal manera que es posible modificar por interesterificación el contenido de ácidos grasos, o por transesterificación lograr el arreglo de algunos de ellos.
Industrias de Pulpa y Papel La mayoría de las fabricas de pulpa y papel cierran por periodos prolongados, una o dos veces al año. Durante estos periodos se llevan a cabo los programas de mantenimiento de la planta. Uno de los sistemas que se ve severamente impactado debido a estos cierres temporales es la planta de tratamiento de aguas residuales. Durante estos cierres el alimento llega en cantidad insuficiente para mantener la biomasa requerida en condiciones normales. La población bacteriana se encuentra generalmente disminuida a una fracción de lo que es necesario para la producción de un efluente de alta calidad. Las aplicaciones de las enzimas en el campo ambiental son variadas pero la mas destacada son:
Bioremedación por degradación enzimática La degradación enzimática consiste en agregar enzimas al sitio contaminado con el fin de degradar las sustancias nocivas. Estas enzimas se obtienen de microorganismos especialmente diseñados para así obtener grandes cantidades y de alta especificidad. Una de las ventajas de las enzimas es que las reacciones mediadas por éstas poseen tasas de velocidad significativamente mayores que las reacciones en las cuales no se encuentran estos catalizadores .Las enzimas no son consumidas por las reacciones que ellas catalizan, por lo que a medida que ellas consumen los sustratos contaminantes pueden seguir actuando.
Se muestra como la enzima al entrar con los productos organicos degrada los quimicos contaminanates.
Biorremedacion: Degradacion Enzimatica
Biodiesel: Via enzimática El biodiésel es un combustible renovable que se puede obtener principalmente a partir de aceites vegetales, animales, así como de aceites reciclados. El biodiésel se obtiene a partir del proceso de la transesterificación el cual consiste en intercambiar el grupo alcoxi1 de un éster2 por otro alcohol. Estas reacciones son frecuentemente catalizadas mediante la adición de un ácido o una base como se muestra :
Producción de biodiesel a partir de residuos grasos animales por vía enzimática Grasas animales extraídas directamente de residuos orgánicos de un matadero municipal fueron empleadas con éxito en la reacción de transesterificación como materia prima alternativa de bajo costo para la producción de biodiesel. Las reacciones de transesterificación se realizaron por vía enzimática con dos lipasas comerciales N435 y RM IM. De las dos enzimas probadas, la enzima N435 fue la más eficiente tanto en el sistema libre de solvente como en el sistema con terbutanol como solvente. En ambos sistemas el exceso de etanol fue la mejor condición para la reacción alcanzando conversiones de 80% en 48 horas en el caso del sist ema libre de solvente y 65% en 24 horas en el sistema con terbutanol.
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