TECNOLOGIA ENZIMATICA
INTRODUCCION La tecnología enzimática tiene como objetivo la superaci ón de todos aquellos inconvenientes que parecen retrasar la aplicación de las enzimas en estos procesos a escala industrial. Esta área tiene aplicaciones desde tiempos remotos como la fermentaci ón, actualmente en diferentes industrias a diferentes niveles, ya que implica la utilización de sistemas enzim áticos diversos que optimizan el procesamiento en la obtención de detergente, aditivos alimenticios, productos qu ímicos y farmacéuticos. La tecnología enzimática se presenta como alternativa biotecnol ógica basada en que las industrias desarrollen productos de calidad homogénea, aprovechen óptimamente sus materias primas, aceleren sus procesos de producci ón, minimicen desperdicios y disminuyan el deterioro del medio ambiente.
INTRODUCCION La tecnología enzimática tiene como objetivo la superaci ón de todos aquellos inconvenientes que parecen retrasar la aplicación de las enzimas en estos procesos a escala industrial. Esta área tiene aplicaciones desde tiempos remotos como la fermentaci ón, actualmente en diferentes industrias a diferentes niveles, ya que implica la utilización de sistemas enzim áticos diversos que optimizan el procesamiento en la obtención de detergente, aditivos alimenticios, productos qu ímicos y farmacéuticos. La tecnología enzimática se presenta como alternativa biotecnol ógica basada en que las industrias desarrollen productos de calidad homogénea, aprovechen óptimamente sus materias primas, aceleren sus procesos de producci ón, minimicen desperdicios y disminuyan el deterioro del medio ambiente.
En el ámbito de la bioquímica de los alimentos la enzimología es quizás uno de los campos que se ha desarrollado más rápidamente en los últimos años. Los amplios estudios realizados en esta área han puesto en evidencia la importancia de los procesos enzimáticos en la elaboración y conservación de los alimentos. Fenómenos tan importantes en la tecnología actual, como las reacciones de pardeamiento enzimático (frutas), de rancidez (grasas y aceites), de coloración (vegetales verdes), de textura (salsa de tomate) son ejemplos muy conocidos de la intervención de enzimas. Estas sustancias catalizadoras de los procesos vitales pueden presentarse extraordinariamente activas durante el periodo posterior a la cosecha (alimentos vegetales) y los cambios que ellas determinan pueden influir en forma considerable sobre los caracteres organolépticos, textura y presentación del producto terminado.
Así como hay enzimas perjudiciales que deben ser inactivadas en el momento oportuno, hay otras que la tecnología de los alimentos utiliza para una mejor preparación del alimento, como lo son las enzimas de filtración o de clarificación, las enzimas proteoliticas, para ablandar las carnes. La glucosa-oxidasa, que permite eliminar la glucosa de ciertos alimentos, para evitar su pardeamiento posterior. posterior. También ha sido motivo de interesantes estudios la adición de enzimas de acción aromatizante a los alimentos o bebidas que durante su procesamiento han sufrido en su aroma pero han conservado sus precursores, permitiendo, de este modo, restaurar sus componentes aromáticos originales.
LAS ENZIMAS COMO CATALIZADORES Las enzimas son catalizadores de origen biol ógico que parecen cumplir muchos de los requisitos necesarios para impulsar esta nueva industria qu ímica. Son catalizadores muy activos en medios acuosos y en condiciones muy suaves de temperatura, presión, pH, etc. Son catalizadores muy específicos: pueden modificar un único substrato en una mezcla de substratos muy similares e incluso pueden discernir entre dos is ómeros de una mezcla racémica de un compuesto quiral. Son catalizadores muy selectivos: pueden modificar un único enlace o un único grupo funcional en una molécula que tenga varias posiciones modificables. Las sustancias sobre las que actúan las enzimas, transformándolas, se denominan substratos.
TECNOLOGIA ENZIMATICA MODERNA A mediados de los años 50, la tecnología de las enzimas vivió su época de gran esplendor, creciendo a un ritmo desenfrenado. El progreso de la bioquímica ha derivado en una mejor comprensión de la gran variedad de enzimas presentes en las células vivas, así como un mejor conocimiento acerca de su modo de acción. Por ejemplo, su eficacia se puede aumentar extrayéndolas de los microorganismos y manteniéndolas aisladas. Las enzimas purificadas a través de este sistema no pierden sus propiedades; al contrario, estas preparaciones "sin células" devienen incluso más eficaces. "A comienzos de 1970 la tecnología enzimática comenzaba a entrar en periodo de desarrollo industrial, dirigido a la producción de aminoácidos y azúcares a partir de glucosa isomerizada. En aquel momento, los mercados Europeos y Americanos se encontraban dominados por la comercialización de las enzimas proteolíticas utilizadas en la industria de los detergentes, pero existían grandes expectativas sobre el mercado de enzimas aplicadas a la industria alimentaria, al cual se le auguraba un crecimiento importante (Dunnill, 1980; Lewis y Kristiansen, 1985).
La actividad de las enzimas se expresa generalmente por la, velocidad de la reacción catalizada, a través de las siguientes unidades:
UNIDAD INTERNACIONAL DE ACTIVIDAD ENZIMÁTICA: Es la cantidad de enzima que cataliza la transformación de 1 micromol de substrato por minuto, bajo condiciones bien definidas (condiciones estándar). Esta es la expresión básica de la velocidad de la reacción. Se ha sugerido que la temperatura debe ser, en lo posible, de 30°C y que las otras condiciones, tales como pH y concentraciones de substratos, debieran ser las óptimas para la actividad enzimática.
KATAL (símbolo: kat): Es la cantidad de enzima que cataliza la transformación de 1 mol de substrato por segundo. Esta unidad ha sido introducida recientemente por la Unión Internacional de Bioquímica 1 kat = 6 x unidades internacionales.
ACTIVIDAD ESPECÍFICA: Es el número de unidades de enzima por mg de proteína. Es una medida muy utilizada para expresar la actividad de preparaciones enzimáticas.
ACTIVIDAD MOLECULAR (número de recambio): Es el número de moléculas de substrato, transformadas, por minuto, por una molécula de enzima. Se calcula dividiendo la velocidad máxima de la enzima por el peso molecular; es una característica de las enzimas individuales y no refleja la pureza de la preparación. Si la enzima respectiva contiene un grupo prostético, una coenzima o un centro catalítico, cuya concentración sea medible, la actividad enzimática puede expresarse también por el número de moléculas de substrato, transformadas por minuto, por cada centro catalítico.
ESTRUCTURA DE LAS ENZIMAS. Son proteínas cuyo peso molecular cubre un amplio rango. Por ej., La ribonucleasa, que hidroliza los ácidos ribonucleicos, tiene un PM de 13.700 daltons y está constituida por una sola cadena polipeptídica de 124 aminoácidos. En cambio, la aldolasa, una enzima implicada en el metabolismo de la glucosa, está constituida por 4 subunidades de 40.000 daltons cada una. Cofactores y Co enzimas
Existen enzimas cuya función catalítica se debe exclusivamente a su naturaleza proteica, pero hay otras en que sus propiedades catalíticas, aunque relacionadas con su naturaleza proteica, dependen para su actividad óptima de la presencia de una estructura no proteica y termoestable llamada cofactor. Los cofactores pueden ser simples iones inorgánicos o sustancias orgánicas más o menos complejas.
Substratos de Enzimas.
Constituyen las sustancias que son transformadas específicamente por las enzimas. Se usan para medir la actividad catalítica de las enzimas y, secundariamente, también para determinar el carácter especifico de una acción enzimática. Para que una sustancia sea apropiada como substrato de una enzima debe reunir los siguientes requisitos:
a) Que experimente una transformación bien definida por la acción catalítica de la enzima;
b) Que sea específica para la enzima respectiva o el grupo muy restringido de enzimas. Ej.: el almidón para las alfa- y beta- amilasas;
c) Que según las condiciones del ensayo, previamente fijadas, no sufra una descomposición espontánea o produzca otras reacciones no catalizadas por la enzima;
d) Que la transformación del substrato que es catalizada por la enzima sea fácilmente medible.
Los substratos enzimáticos pueden tener dos orígenes: -Substratos naturales de las respectivas enzimas, como por ej., El almidón (para amilasas) o el etanol (para la alcohol dehidrogenasa); - Derivados de substratos naturales, obtenidos por síntesis con una estructura química tal que aún son reconocidos y transformados por la respectiva enzima con formación de productos, ya sea coloreados o fácilmente medibles por otro mecanismo. Ejemplos son: 4-nitroanilidas de aminoácidos, para proteasas, y - nitrofenil-derivados de azúcares, para glucosidasas.
Sectores industriales en los que se utilizan biocatalizadores
El empleo de enzimas en las industrias de manufacturación se ha incrementado en dos áreas:
La mejora de los procesos tradicionales Productos lácteos Proteólisis Degradación de carbohidratos Refinado del azúcar Tratamiento de residuos •
•
•
•
•
El desarrollo de caminos totalmente nuevos basados en el estudio de las propiedades de las enzimas. Degradación de celulosa Hidrólisis de lactosa Transformación de almidón Producción de aminoácidos •
•
•
•
Ventajas económicas del uso de enzimas en la industria de alimentos. •
•
Ahorro de dinero.
•
Aumento de ingresos. •
•
Mayor rendimiento de productos. Productos más puros. Disminución de subproductos contaminantes.
Operaciones que se pueden realizar en la industria alimentaria con la ayuda de enzimas. •
•
Reducción de viscosidad (A limentos para bebes). Eficientar procesos de extracción (A ceites esenciales).
•
Desarrollo de Aroma y sabor ( Vinos y lácteos).
•
Realizar síntesis química ( Aspartame).
•
•
Modificar propiedades funcionales de materias primas (Solubilización de proteínas). Modificar las propiedades nutrimentales de los alimentos (Alimentos para fenilcetonuricos).
¿Cuáles son las fuentes de donde puedo obtener las enzimas? ENZIMA
FUENTE
Renina
Tri sina
4o. estoma o de terneros. Estoma o de bovinos orcinos. Pancreas orcino
Li asa
Pancreas
Pe sina
orcino
Ejemplos de enzimas de origen animal. ENZIMA
FUENTE
Renina
Tri sina
4o. estoma o de terneros. Estoma o de bovinos orcinos. Pancreas orcino
Li asa
Pancreas
Pe sina
orcino
Ejemplos de enzimas de origen vegetal E N Z IM A
FUENTE
N OM BRE C IE N T IF IC O
Bromelina
Piña
Ficina
Hi o
A n anas comosu s A n anas br acteatu s. F i cu s s .
Pa aina
Pa a a
Car i ca
a a a
Ejemplos de enzimas de origen microbiano ENZIMA
FUENTE
Alfa-amilasa
A s er i l l u s n i er A s er i l l u s or zae Sacch ar omi ces cer evi si ae
Invertasa Pectinasa Glucosa isomerasa Li asa
A s er i l l u s n i er Rh zo u s or zae B aci l l u s coa u l an s Arthrobacter lobiformis M u c or m i eh ei A s er i l l u s or zae
Amilasas
Jarabes Panificación Malteado Producción de Dextrinas Remoción de almidón de jugos de frutas
Licuefacción y sacarificación de almidón. Suspención de almidón al 35.0% w/v. pH=6.5, Calcio>40 ppm. Gelatinización. 103°-107°C, 3-7 min. Amilasa termoestable Dextrinización. 95°C, 1-3 hs. Jarabe de Dextrinas. 8-15 % DE. Glucoamilasa Sacarificación. 60°C, pH 4.2-4.5, 48 hs.
Jarabe glucosado. 95-96 % de glucosa.
Glucosa Isomerasa Glucosa
Fructosa
Producción de Jarabes fructosados
Estructura de la amilopectina
Glucosa oxidasa
Remoción de oxig eno (o de gluco sa) para prevenir la oxid ación u ob scurecim iento en; Cerveza Queso J u g o s d e f r u t as L e c h e en p o l v o Vinos
Acido glucónico
Invertasa Sacarosa
Glucosa + Fructosa
Producción de substitutos de miel. Producción de azúcar invertido. Manufactura de dulces con el centro líquido.
Procesos alimentarios en los que se usan enzimas proteolíticas ENZIMA Renina Pa aína
Bromelina Ficina
PROCESO Producción de ueso. Suavizado de carne. Clarificación de cerveza. Suavizado de carne Hidrolizados roteicos.
Areas en las que pueden impactar las enzimas proteolíticas •
•
Modificación de propiedades funcionales. Modificacion de propiedades nutricionales.
Diagrama de flujo para la producción de hidrolizados de proteína de pescado Fauna de acompañ amiento o Pescado Molienda Pesado Hidró lisis enzimá tica Inactivació n de la enzima y pasteurizació n Tamizado Escamas y espinas Centrifugació n Pasta
Sobrenadante
Secado
Secado
Producto insoluble
Producto soluble
FENILCETONURIA. •
•
•
•
La incapacidad para sintetizar la enzima fenilalanina 4monooxigenasa, fué el primer defecto metabólico detectato en el ser humano. Este error genético se presenta en 1:10,000 personas. La ausencia de esta enzima provoca que la fenilalanina sea transaminada, usando cetoglutarato, dando como producto ácido fenilpiruvico. La acumulación de ácido fenilpiruvico en el torrente sanguineo, impide el correcto desarrollo del cerebro provocando retraso mental.
Tratamiento médico •
•
•
El tratamiento médico usado es el consumo de alimentos bajos en fenilalanina. El más usado es una mezcla de aminoácidos libres de la que se ha eliminado la fenilalanina. Sin embargo esta mezcla tiene un sabor y olor desagradable.
Método para la preparación de plasteina baja en fenilalanina. Fuente de proteina
Primer hidró lisis con papaí na 37° C, 48hs
.Segunda hidró lisis con Pronasa 37° C, 5 hs.
Centrifugació n
Sobrenadante 1
Precipitado 1
Filtració n en gel Adició n de L-tirosina etil ester y L-triptofá no etil ester
Adició n de papaí na 20.0% de acetona 37° C, 48hs
Mezclado y posterior centrifugació n
Sobrenadante 2
Ultrafiltració n
Filtrado
Residuo
Plasteí na
Preci pi tado 2
Mecanismo de acción de las pectinasas.
Uso de pectinasas en la industria alimentaria Extracción de aceite de olivo. Clarificación de vinos. Fermentación del cacao. Extracción y clarificación de jugos de frutas
Mecanismo de Clarificación de jugos con pectinasas.
Proceso para la obtención de jugo de manzana. Manzanas
Molienda
Primer prensado Adició n de agua a la pulpa
Jugo
Tanque de Maceració n
Enzima Segundo prensado
Pasteurizació n
Tanque de clarificació n
Filtració n
Evaporació n
Jugo concentrado
Púlpa agotada
Polifenol oxidasa Esta enzima es capaz de introducir grupos hidroxilo a compuestos fenólicos u oxidar polifenoles hasta las cetonas correspondientes.
Aplicación de las lipasas en procesos alimentarios. •
Sustratos lácteos lipolizados (crema, mantequilla, grasa butírica).
•
Maduración acelerada de queso.
•
Maduración acelerada de embutidos.
•
Incremento de sabor y aroma en Yogurt.
•
Preparación de pescados ahumados.
Estructura de las grasas y aceites.
ENZIMAS LIPOLITICAS LECHE LIPIDOS Acidos grasos
Tioésteres
PROTEINAS
CITRATO
Aminoácidos A. láctico Acido acético Diacetilo Acetaldehído Etanol Acido propiónico
Enzimas inmovilizadas. •
•
•
1) Enzima adherida a un soporte sólido. 2) Actualmente se refiere al procedimiento en el cuál la enzima se encuentra confinada en un espacio definido. 3) Esto abre la posibilidad de usar soportes solubles (CMC-celulósa) que nos permitan incrementar el peso molecular de los agregados de enzimas.
Ventajas del uso de enzimas inmovilizadas en el procesamiento de alimentos. •
La enzima puede ser reusada.
•
Se puede realizar un control más preciso del proceso.
•
Se puede evitar la inhibición por producto.
•
Mayor estabilidad al pH y la temperatura
•
Es más facil detener la reacción.
•
El producto puede ser obtenido libre de enzima.
•
Se abre la posibilidad de usar enzimas que no provengan de microorganismos GRAS.
Lactasa (-Galactosidasa) Lactosa
Fructosa + Glucosa
Evita la textura arenosa en los helados. Producción de leche delactosada.
La leche delactosada es un producto que se obtiene mediante el uso de una enzima inmovilizada LACTASA
¡ya!... ¡ya! ... ¡me convenciste!... ¡¡SI LE ENTRO A LA TECNOLOGIA ENZIMATICA!!
