INTRODUCCIÓN El ser humano siempre ha sido atraído por el sabor dulce. Quizá éste, fue uno de los primeros métodos que utilizó el hombre primitivo en la selección de alimentos seguros. Probablemente el primer edulcorante fué la miel de abeja. Al menos de este edulcorante se tiene referencia que datan de hace mas de 20 000 años: en pinturas rupestres de una cueva encontrada en Arana, España; en donde se muestra a un hombre recogiendo miel de un panal. Los azúcares representan la forma más común y conocida de los edulcorantes. Ampliamente Ampliamente distribuidos en la naturaleza se se encuentran en frutas, vegetales, miel y leche.
INTRODUCCIÓN El ser humano siempre ha sido atraído por el sabor dulce. Quizá éste, fue uno de los primeros métodos que utilizó el hombre primitivo en la selección de alimentos seguros. Probablemente el primer edulcorante fué la miel de abeja. Al menos de este edulcorante se tiene referencia que datan de hace mas de 20 000 años: en pinturas rupestres de una cueva encontrada en Arana, España; en donde se muestra a un hombre recogiendo miel de un panal. Los azúcares representan la forma más común y conocida de los edulcorantes. Ampliamente Ampliamente distribuidos en la naturaleza se se encuentran en frutas, vegetales, miel y leche.
La fructuosa o levulosa es el más dulce de todos los azúcares naturales, encontrándose principalmente en frutas y miel. Por ejemplo: Las manzanas tienen 4% en peso de sacarosa, s acarosa, 6% de fructosa y 1 % de glucosa. Las uvas 2% de sacarosa, 8% de fructosa, 7% de glucosa y 2% de maltosa Sin duda alguna, una de las áreas donde mayor impacto ha tenido la biotecnología, no sólo desde un punto de vista tecnológico, si no económico ec onómico y social, es la de los edulcorantes.
En general, se ubica a los edulcorantes dentro de dos clasificaciones: En función de su origen (naturales y sintéticos) o En función de su aporte en calorías a la alimentación (calóricos y no calóricos).
• •
Otra clasificación es en términos de requerimientos re querimientos de insulina: insulina dependientes (sacarosa, glucosa, lactosa, jarabes fructosados) Sin requerimientos de insulina (sorbitol, manitol, xilitol, maltitol). •
•
Dado el aporte de biotecnología en este sector, en función de su origen, es necesario distinguir los siguientes edulcorantes:
Los naturales: simplemente extraídos de una materia prima. •
Los químicos: obtenidos mediante un proceso de síntesis química. •
Los biotecnológicos: obtenidos mediante un proceso enzimático o fermentativo. Los químico biológicos: obtenidos por una combinación de los procesos anteriores.
Edulcorantes alternativos a la sacarosa Producto
a.
Poder edulcorante (sacarosa=1)
Origen
Edulcorantes calóricos
Azúcar invertido Fructosa Jarabes fructosados(55%) Jarabes fructosados(90%) Jarabes maltosados(45 60%) Jarabes maltosados(70 85%) Sorbitol Manitol Xilitol Isomaltulosa Palatinita Jarabes de suero de leche Neoazúcares – –
1 1.4 1 1.5 0.4 0.6 0.6 0.5 1 0.4 0.5 0.85 varios
Q,E E E E E E Q Q Q,E E EQ E E
b. Edulcorantes no calóricos Aspartamo Alitamo L-azúcares Acesulfame K Sacarina Sucralosa Ciclamatos Dihidrochalconas Maltilol (absorbido en 50%) Isomaltilol Monelina(proteína) Taumatina(proteína) Esteviosido Filodulcina Glicirrizina Lao Han Kuo(mogrosido) Osladina Dulcina Perillartina Miraculina(proteína) 6 metil 6 cloro D-triptofano Hernandulcina
180 2160 1 200 300 600 30 1800 0.9 0.9 2500 3000 300 700 50 400 3000 200 2000 1500 1300 1000
QFE,FE QE,E Q Q Q QE Q Q EQ EQ N N,F N N N N N Q N,Q N Q N
PRODUCCION DE EDULCORANTES A PARTIR DE MAIZ Antecedentes El maíz una de las fuentes más abundante de almidón de la que se dispone. Conviene insistir sobre el papel del almidón como energético renovable y de alta disponibilidad a través de procesos biotecnológicos. El 70% del almidón producido se emplea en la producción de edulcorantes.
Específicamente en lo que a la producción de edulcorantes se refiere, históricamente podemos remontarnos hasta principios del siglo pasado, cuando Kirchoff descubrió que al calentar almidones con ácidos, se obtenía un licor dulce en el que posteriormente se encontró glucosa. Los hídrolizados destinados a la producción de dextrinas (jarabes de maíz), no están ubicados dentro de la categoría de edulcorantes. Son empleados como agentes de carga y de textura por la industria alimentaría.
PRODUCCION DE GLUCOSA La glucosa, con 80% del poder edulcorante de la sacarosa, es empleada en la elaboración de diversos productos, en confitería y alimentos procesados, aunque también es comercializada en forma de jarabes dulces tipo miel. Cabe señalar que en la industria y en gran parte de la literatura especializada, se llaman jarabes glucosados a hidrolizados a partir de un ED* (equivalente a dextrosa) de 20 (aunque éstos tengan muy bajos contenidos de glucosa).
A menudo se incurre en el error de pensar que dicho jarabe contiene 20% de glucosa, pero de acuerdo con la definición, debe entenderse como un jarabe que presenta un poder reductor similar al de una solución con 20% de glucosa.
LICUEFACCION El primer paso en la producción de glucosa es lo que se conoce como el proceso de licuefacción. En éste, la solución de alta concentración de almidón, hasta 45% (21 Baume), es calentada para gelatinizarlo. Anteriormente, se empleaban -amilasas de Bacillus subtilis que a pesar de operar a altas temperaturas (90-95 °C) requerían de un etapa previa de enfriamiento. Actualmente, existen -amilasas termorresistentes producidas por B a c i ll u s l i c h en i f o r m i s que permiten efectuar la gelatinización y la licuefacción simultáneamente. La hidrólisis se lleva a cabo hasta alcanzar un ED de alrededor de 10, suficiente para evitar el fenómeno de retrodegradación del almidón.
Producción de glucosa: Licuefacción: Enzima -amilasa Enzima
Almidón
90%
H2O
Vapor
Enzima Cocedor jet
10%
10-15 s 105-110°C
CaCl2
hidrolizado
Bomba +
Fig 1. Sistema de licuefacción con ∝-amilasas termorresistentes
ED = 8-15
2 hr 90-95°C
SACARIFICACION Los procesos enzimáticos para la producción de glucosa requieren de una segunda etapa despúes de la licuefacción de almidón. Esta etapa se efectúa con la enzima conocida como amiloglucosidasa o glucoamilasa. A diferencia de la -amilasa, que se encuentra en microorganismos, vegetales y animales superiores, esta enzima es sólo de origen microbiano.
Sacarificación: Se efectua con la enzima Amiloglucosidasa o glucoamilasa. •
•
El hidrolizado se ajusta el pH a 4.5 Hidrolizado + Glucoamilasa Rx a 60°C Dosis: 1-1.5 L por Ton de hidrolizado
•
•
•
•
Es posible alcanzar ED entre 96-98 (92 y 96% de glucosa. Nota.- Biorreactor de 15 000 litros * Procesar 1Ton de sólidos al día. * La Rx dura de 48-72 hr.
ALGUNOS EJEMPLOS DE PRODUCTOS COMERCIALES FORMULADOS CON LA ENZIMA GLUCOAMILASA Co m p añ ía
Fermco Biochem. Inc. Gist Brocades. Glaxo Operations Ltd. Miles Kali-Chemie Miles Laboratories Novo Industri A/S Rohm John & Sturge Ltd.
Producto
Activid ad reportada
Spezyme Amigase Agidex Optidex L Diazyme AMG Roholase HT Starzyme AG
------------------16700 IGA/ml 3000-8000 unid. Glaxo/ml 200, 150 y 100 GAU/ml 200, 150 y 100 GAU/ml 150 y 200 AGU/ml 400 GAU/ml 100 GAU/ml
–
GAU (Unidad de glucoamilasa): Cantidad de enzima que produce un gramo de glucosa en una hora en condiciones de ensayo. Todas las enzimas operan a 60°C.
COMPOSICION TIPICA DE UN JARABE GLUCOSADO OBTENIDO MEDIANTE HIDROLISIS ENZIMATICA DE ALMIDON Componentes Glucosa Maltosa Maltotriosa Oligosacáridos Materia seca en jarabe
% en base seca 94 96 2 3 0.3 0.5 1 2 35 - 37 –
–
–
–
JARABES CON ALTO CONTENIDO DE FRUCTOSA (JACF) El desarrollo del proceso contínuo de producción de jarabes fructosados ha sido descrito en numerosas publicaciones. La producción comercial se inicia en Japón en 1966 por Sanmatsu Kogyo y un año más tarde en Estados Unidos por Clinton Corn Processing Company. Sin embargo, el parteaguas en este proceso se da en 1972, cuando está última compañia introdujo la enzima de S tr ep t o m y c e s r u b i g i n o s u s inmovilizada en DEAE – celulosa. Hoy en día es el catalizador enzimático en forma insoluble de mayor aplicación Industrial.
El desarrollo del proceso incluyó avances en distintas áreas relacionadas con la enzima, tales como: La obtención de nuevas glucosa isomerasas con pH de actividad cercano a la neutralidad. Obtención de cepas que producen la enzima (xilosa isomerasa) de forma constitutiva, ya que en general se emplea xilosa como inductor. Eliminación del requerimiento de iones arsenato y cobalto, no aplicables en el sector alimentario.
Actualmente, dos desarrollos tendrían gran impacto en el proceso: La modificación del equilibrio de la reacción, que impide obtener conversiones superiores al 42%. La eliminación del efecto inhibitorio que tienen los iones calcio sobre la enzima. La isomerización de glucosa a fructosa generalmente se lleva a cabo en reactores de lecho fijo, donde la enzima inmovilizada se encuentra empacada.
Antes de iniciar el proceso, se debe llevar a cabo una etapa de refinado, para eliminar péptidos, aminoácidos, grasas, etc. Que podrían afectar la estabilidad de los catalizadores.
Concentración óptima de sustrato: 40 – 45% (peso/peso) del jarabe glucosado con 95% de glucosa. La corriente contiene iones de Mg necesarios para la glucosa isomerasa. PH: se ajusta entre 7,5 y 8,0. El biorreactor debe diseñarse para: Mantener la productividad constante. Mantener el ritmo de decaimiento del catalizador constante, incrementando el tiempo de residencia, ya sea a 60ºC o a 55-57 ºC.
PRODUCCIÓN DE JARABES CON ALTO CONTENIDO DE FRUCTOSA (JACF) TECNOLOGIA PASADA Y PRESENTE (INDUSTRIAS NOVO) Par ám et r o
Tec n o lo g ía
Tecn o lo g ía A ct u al
1976 Operación alta productividad
Concentración de Jarabe (% p/p)
Operación normal
Operación b a jo c o s t o d e conversión
40 – 45
43 – 47
43 – 47
43 – 45
pH
8.4
7.8
7.5 – 7.8
7.6
Temperatura °C
65
63 – 65
60
55 – 57
Tiempo de vida media (h)
500
800
1200 – 1500
1800
Productividad (kg. jarabe/ kg. enzima)
1500
2500
3000 – 4000
5000
25
25
10 – 15
10
Actividad al desechar el catalizador (%)
PRODUCCIÓN
El tiempo de residencia depende de la carga de catalizador, la cual a su vez es función de la actividad específica de la enzima inmovilizada. La temperatura depende de la operación de la planta
266 h, si se opera a 57 ºC 500 h, si se opera a 65ºC Un óptimo entre productividad y costo es a 60 ºC (1 400 h de vida media)
Una planta procesadora de 400 toneladas de almidón al día debe contar con 6 reactores de 5 m de altura (50 m3 de lecho empacado), que funcionan entre cuatro y seis meses
Composición de los diversos jarabes fructosados existentes en el mercado Jarabe
Primera generación Segunda generación* Tercera generación
Glucosa Fructosa (%) (%)
42 55 90
(*) Poder edulcorante igual a la sacarosa.
51 42 9
Ol igosacáridos
7 3 1
Distribución de las aplicaciones de los jarabes fructosados en la industria alimentaria en Estados Unidos Sector
Bebidas no alcohólicas Alimentos procesados Panadería Helados Confitería Otros
Porcentaje
67.5% 14.1% 10.2% 4.4% 0.5% 3.3%
JARABES MALTOSADOS Recientes desarrollos biotecnológicos, específicamente en el área de la tecnología enzimática, han hecho posible la producción a gran escala de jarabes maltosados, que empiezan a ganar terreno en la industria alimentaria. La maltosa tiene un poder edulcorante equivalente a 50 a 75% del poder edulcorante de la sacarosa, pero a diferencia de la glucosa, la maltosa tiene una calidad de dulzor de alta aceptabilidad.
Los jarabes son principalmente usados en cervecería, panadería, bebidas no alcohólicas, confitería, etc., y su importancia radica probablemente más en sus propiedades funcionales que en su poder como edulcorante. Existen fundamentalmente tres tipos de jarabes maltosados: •
Jarabes con alto contenido de maltosa (JACM).
Jarabes con extremadamente alto contenido de maltosa (JEACM). •
•
Jarabes maltosados de alta conservación (JMAC)
Principales características de los jarabes maltosados y de la maltosa Alta higroscopicidad Baja viscosidad en solución Resistencia a la cristalización Bajo poder edulcorante Menor tendencia al oscurecimiento Alta estabilidad térmica La maltosa presenta menor presión osmótica que la glucosa La maltosa es adecuada para diabéticos por la mas lenta liberación de glucosa.
Composición de los jarabes maltosados (% con respecto a los azucares totales) Azúcar
Jarabes Jar abes con Jarabes con alto extremadam maltosados contenido ente alto de alta de mal tosa contenido conversión de mal tosa
Glucosa Maltosa maltotriosa
0.5 – 3 45 – 60 10 – 25
1.5 – 2 70 – 85 8 – 21
35 – 43 30 – 47 8 – 15
ED
35 – 40
45 - 60
60 - 70
Otros edulcorantes a partir de la maltosa La hidrogenación catalítica de la maltosa resulta en el maltitol, alcohol polihídrico de bajo contenido calórico pues no es absorbido en el tracto gastrointestinal. La misma compañía que produce los JMAC en Japón, elabora más de 3000 toneladas anuales de maltitol como edulcorante no calórico.
EDULCORANTES A PARTIR DE LA SACAROSA Producción de isomaltulosa La isomaltulosa, conocida también como palatinosa o lilosa es una 6-O- -D-glucopiranosilD-fructofuranosa, componente natural de la miel de abeja. Tiene sólo un tercio del poder edulcorante de la sacarosa, pero un perfil en el dulzor muy similar. Tiene una aplicación potencial en la producción de alimentos de humedad intermedia, ya que permite su preservación sin el alto dulzor que ocasiona la sacarosa.
Producción de palatinita La palatinita es un edulcorante de características comparables a la sacarosa, con la diferencia de que es extremadamente estable a la hidrólisis enzimática. Es obtenido por hidrogenación química de la isomaltulosa (palatinosa). Es de bajo contenido calórico, por la dificultad para hidrolizar el enlace glucosídico y actualmente se encuentra pendiente su solicitud para ser aprobado por la FDA.
EDULCORANTES DE NATURALEZA PROTEICA Aspartamo Así como los jarabes fructosados representan un desarrollo biotecnológico de trascendental impacto en el sector de los edulcorantes calóricos, el aspartamo lo contribuye en el de los no calóricos. Su solubilidad en agua es baja (10 gl a 25 C.) y tiene el principal incoveniente de ser poco estable a la temperatura y al pH. El pH óptimo de estabilidad es entre 3 y 5, aunque a pH 4 tiene alta estabilidad, a 80 ºC en 24 horas se pierde un 20% del edulcorante.
Producción enzimática del aspartamo
Genex: Enzima, fenilalanina amonioliasa; Sustratos: ácido transcinámicoy amoniaco Purification Engineering Inc.: Transeliminación de ácido fenilpirúvico con la enzima aminotransferasa de Paracoccus denitrificans ( el fenilpirúvico se obtiene de ácido acetamido cinámico con una amoniohidrolasa de Corynebacterium sp.) o la fermentación directa de glucosa.
La taumatina o talina 2500 veces más dulce que la sacarosa. Se comercializa por la compañía inglesa Tate & Lyle a partir de las explotaciones de la fruta Thaumatococcus dani ellii en Ghana. Es extraida mediante extracción acuosa, filtración, ultrafiltración y secado. Sus genes han sido clonados en microrganismos, pero no se ha logrado obtener una concentración alta de la proteína. Se ha clonado también en papa, generándose un sabor dulce.
Otras proteínas edulcorantes Existen otras proteínas con poder edulcorante, aunque ninguna con las características de la taumatina. Ninguna es producida industrialmente por procesos biotecnológicos siendo extraídas delos productos naturales en que se encuentran. Todos son evidentemente objetivos potenciales de la ingeniería genética.
Monelina Extraída de una fruta africana conocida como "serendipiti berry": D is c o r eo p h y l lu m c u m m i n s i i . Tiene un peso molecular de 11 000 y es de 2 000 a 25 000 veces más dulce que la sacarosa. Hasta 15 g de proteína se extraen por kg. de fruta, pero su inestabilidad dificulta la cornercialización. Se encuentra a nivel de desarrollo en el Monell Chemical Senses Center en Filadelfia.
Miraculina Se trata de una glicoproteína extraída de la fruta milagro: Rich ardella du lcifiea , del oeste africano. Lo interesante de esta proteína es que aparentemente no produce dulzor sino hasta que es activada en la boca por sustancias ácidas. Tiene un peso molecular de 42 000. En Estados Unidos la petición de sustancia GRAS fue denegada en 1974, lo que llevó a la quiebra a la compañía Miraculin Corp., donde se desarrolló el método para su extracción y estabilización.
CONCLUSIONES Es evidente que existen otro numero importante de estos compuestos actualmente producidos por síntesis química que no ha sido descritos, pero que igualmente podrán ser afectados por el desarrollo biotecnológicos futuros tal es el caso de las Lazúcares, que podrían producirse con isomerasas o el de un alcohol ampliamente empleado como edulcorante como lo es el xilitol: El desarrollo de xilanasas para la obtención de xilosa a partir de hemicelulosa y su hidrogenación posterior podría rápidamente sustituir al proceso químico actual.
De igual forma, es importante señalar que así como desarrollos biotecnológicos vinieron a desplazar ampliamente a la sacarosa de sus aplicaciones, la biotecnología misma ofrece alternativas para su revaloración. Finalmente los edulcorantes provenientes de péptidos y proteínas constituyen el mayor impacto de la décadade los ochentas en este sector: aunque el espartamo tiene la ventaja de haber sido el primero en alcanzar el nivel comercial, existen hoy día cientos de productos de la misma naturaleza con mejores propiedades tanto físicas y/o químicas, como de poder edulcorante.
