Las enzimas y su tecnología

INTRODUCCION
Las enzimas, funcionan como catalizadores naturales en las reacciones bioquímicas. Ellas no cambian o se utilizan durante su reacción. Por ejemplo, durante la fermentación, las enzimas que se elaboran a partir de células de levadura, convierten las moléculas de azúcar en moléculas de etanol, pero las moléculas de levadura no disminuyen durante el proceso. Por esta razón, pequeñas cantidades de enzimas comerciales dan grandes resultados y al comparar con otros métodos de procesamiento, son mucho más económicos. Las enzimas (una gran parte), se derivan de organismos fúngicos y bacterianos. Algunos productos se elaboran a partir de plantas como la papaya, la piña, etc. ó a partir de productos que se generan de tejidos de animales, como por ejemplo la lipasa pancreática. La producción de todos los productos de Valley Research, se logran utilizando organismos no modificados genéticamente, los cuales no son patógenos y se encuentran presentes de forma natural en el medio ambiente. Los organismos seleccionados especialmente, son fermentados haciendo uso de una superficie de fermentación de cultivo (Koji) o cultivo de fermentación sumergida (deep tank).

Las enzimas son muy especificas en el trabajo que realizan. Por ejemplo, las enzimas de amilasa, solo trabajan en almidón, las enzimas de proteasa lo hacen con proteínas, etc., esto permite que las enzimas contengan características que son de gran beneficio en procesamientos industriales. En otros casos, algunas enzimas se utilizan juntas para lograr el resultado final esperado. Por esta razón, tomando en cuenta el pH, la temperatura, además de otras condiciones del proceso, es importante seleccionar la(s) enzima(s) correcta(s). El personal técnico de Valley Research está siempre dispuesto para ayudarle en la selección de la enzima correcta según las necesidades del proceso.
A nivel del organismo las enzimas (proteínas) realizan unas funciones que permiten inhibir procesos que se transforman en reacciones negativas para dicho organismo, como sucede con la producción del VIH. Esta vez, la animación 3D trata sobre los pasos que da el VIH para su replicación y que resulta interesante no sólo en la teoría sino en la práctica, porque conforme más se conozcan estos pasos más se avanzará en el desarrollo de nuevos fármacos contra el SIDA (aunque muchos se empeñen en decir que no exista). La animación es simplemente impresionante, y está tan bien explicada que cualquier persona no entrada en la materia podría comprender el proceso.


En el caso de las enzimas se encuentran distribuidas en la leche, ya sea unidas a las micelas de caseína, a la membrana del glóbulo de grasa o en forma libre en el suero; se producen en la glándula mamaria y de ahí se transfieren a la leche; algunas no son necesariamente inherentes a ella, sino que provienen de una contaminación microbiana.

Entre las enzimas naturales más importantes destacan las indicadas en el cuadro 12.9, pero existen muchas más, tales como: a) la aldosa, que rompe a la hexosa-l,6-difosfato; b) las a y 8-amilasas, que hidrolizan el almidón: e) la sulfhidril oxidasa, que oxida los grupos sulfhidrilo de la cisteína: d) la colinesterasa. Que hidroliza la colina; e) la nucleotidasa, que actúa sobre los nucleótidos, yj9 otras como la ribonucleasa, la fosfodiesterasa, la diaforasa. La lisosoma, etcétera.

Como se indicó anteriormente, hay enzimas que se emplean como índice de calidad: como la fosfatasa alcalina, que tiene un pH óptimo de 8.0, se usa para determinar la eficiencia de la pasteurización de la leche, y la catalasa para medir las mastitis en las vacas. Por otra parte, la acción de las lipasas tiene implicaciones importantes ya que son responsables de la rancidez hidrolítica, al liberar ácidos grasos de cadena corta; las proteasas son las que ocasionan que la leche evaporada se coagule, ya que son termo resistentes y soportan el tratamiento de la esterilización, además de que se reactivan en el almacenamiento; se considera que estas proteasas tienen una acción semejante a la de la renina y que por eso alteran el sistema proteínico de este producto.

Actividad enzimática
En toda reacción química se produce una transformación de unas sustancias iniciales, denominadas reactivos o sustratos (S), en unas sustancias finales o productos (P). Esta transformación no se verifica directamente, ya que es necesario un paso intermedio en el cual el reactivo se active, de forma que sus enlaces se debiliten y se favorezca su ruptura. Este paso intermedio recibe el nombre de complejo activado y requiere un aporte de energía, generalmente en forma de alor, que se conoce como energía de activación.

Las enzimas pueden actuar de dos formas: unas, fijándose mediante enlaces fuertes (covalentes) al sustrato, de modo que se debiliten sus enlaces y que no haga falta tanta energía para romperlos; y otras, atrayendo a las sustancias reaccionantes hacia su superficie de modo que aumente la posibilidad de encuentro y que la reacción se produzca más fácilmente. Las enzimas, una vez que han realizado la transformación del sustrato o sustratos en productos, se liberan rápidamente de ellos para permitir el acceso a otros sustratos.

La clasificación de los enzimas comerciales se puede hacer de diferentes formas. Una de ellas sería considerar los enzimas y ver las funciones que desempeñan en los diversos campos de aplicación y otra, que es en la que me voy a basar para la realización de este seminario, sería ir viendo las aplicaciones y dentro de cada una, los enzimas que pueden intervenir. (ver cuadro)

Aplicaciones en la fabricaciòn del pan

La fabricación del pan es uno de los procesos más comunes en la alimentación en todo el mundo aunque la forma final puede variar entre los distintos países. El componente básico de todos los panes es la harina de trigo a la que se le añade agua, sal y levadura. Otros ingredientes son también añadidos como azúcar, grasas y otros condimentos.

La harina de trigo tiene enzimas que modifican el almidón, la proteína y la fracción de fibra de la harina cuando el agua es añadida para hacer la masa. De igual forma, la levadura añadida también tiene sus propias enzimas y fermenta la maltosa y otros azúcares produciéndose dióxido de carbono que hace al pan aumentar de volumen. Las principales enzimas que están presentes en la harina de trigo son: Carbohidrasas, Proteasas, Lipasas, Oxidasas, a - amilasa, Endoproteasas, Estearasas, Lipoxigenasa, b - amilasa, Exoproteasas, Fosfatasas, Polifenoloxidasa, Enzimas desramificantes: Fitasa, Peroxidasa, Celulasas, Catalasa, b - glucanasas, Ác.ascórbico oxidasa, Glucoxidasas.

Las a-amilasas: proceden del embrión del germen o de las capas externas del grano y la harina de trigo es normalmente deficiente en ellas. Actúan sobre los enlaces de las cadenas de almidón, produciendo fundamentalmente dextrinas. Las b-amilasas: proceden del endospermo y sólo pueden atacar al almidón si ha sido dañado. Forma la extensibilidad y elasticidad de la masa. Ambas enzimas, en el proceso de fermentación de la masa, actúan unidas, donde la enzima a - amilasa se ocupa de encontrar nuevos lugares de ataque para la enzima b - amilasa y así obtener maltosa, que constituye el principal producto de la degradación enzimática del almidón. Los niveles de proteasas en la harina son relativamente bajos. La lipoxidasa cataliza la peroxidación de las grasas poli - insaturadas en presencia de oxígeno. Esta puede ser un agente blanqueador de las harinas, o por la obtención de agentes oxidantes puede aumentar la estabilidad del amasado en las masas de harina, sin embargo, su efecto principal es el deterioro oxidativo de muchos productos.
La importancia de la fitasa es nutritiva, ya que hidroliza el ácido fítico hasta inositol y ácido fosfórico que son solubles, y por tanto, ayudan a mejorar la absorción de minerales y proteínas. Esta hidrólisis tiene lugar fundamentalmente durante la fermentación y la cocción, debido a la naturaleza ácida de la masa.

Ácido fítico

El producto final, es por lo tanto, resultado del procesamiento de la masa, de la acción enzimática y de la cocción. Para obtener productos consistentes para el consumidor y para hacer las operaciones más eficientes las enzimas son utilizadas como suplementos en la elaboración del pan. Incluyen xilasas, amilasas, proteasas, glucosa oxidasa y lipasa. Son mezcladas en la harina seca (como los enzimas naturales de la harina) y se activan cuando el agua es añadida para hacer la masa. Estos suplementos permiten controlar las características finales del pan como el sabor, el volumen de la hogaza y textura de la miga. Gradualmente las enzimas están reemplazando otros mejoradores químicos de la harina.

Durante la formación de la masa una porción de almidón es degradada por la β-amilasa endógena del trigo a maltosa la cual es utilizada por la levadura para forma dióxido de carbono (la masa aumenta de volumen). Sin embargo, la cantidad de degradación está muy limitada y puede ser aumentada con la adición de α-amilasa. La elección de la amilasa es muy importante para la hidrólisis del almidón en exceso e incluso puede ayudar a prolongar la frescura.

El trigo es el cereal preferido para la elaboración del pan porque la fracción de proteína en la harina de trigo contiene proteínas especiales, glutenina y gliadina que cuando se mezclan forman el gluten. El gluten es una red muy viscosa y elástica. Esta red es la que le da a la masa su consistencia y sostiene el gas de la fermentación para formar la estructura abierta de la miga. Estas proteínas son menos nutritivas que las de origen animal, pues son generalmente deficitarias en aminoácidos esenciales, así, la gliadina aunque contiene prolina y glutamina, no contiene lisina ni glicina. La glutenina contiene un poco de glicina, prolina y glutamina, contiene poca cantidad de triptófano y de aminoácidos azufrados.

Las gliadinas son un grupo amplio de proteínas que pertenecen al grupo de las prolaminas, con un peso molecular bajo y cadena simple. Su estructura terciaria está fuertemente replegada donde las uniones S - S le aseguran la estabilidad de la misma. Tienen poca elasticidad y parecen ser las responsables de la coherencia de la masa.

Las gluteninas, pertenecen al grupo de las glutelinas, con alto peso molecular y cadenas ramificadas. Su misión en el proceso panadero es la de dar elasticidad, aunque por el contrario poseen una baja cohesividad

Modificación del gluten con proteasas exógenas puede modificar la apariencia del pan. Las proteasas son también utilizadas para debilitar el gluten y dar más plasticidad a la masa por ejemplo para realizar galletas.

Oxidantes químicos como los bromatos (bromato de potasio) y ácido ascórbico son también usados en panificación para fortalecer el gluten. Los oxidantes químicos pueden ser reemplazados por enzimas como la glucosa oxidasa. Esta enzima oxida los grupos sulfidrilos de la estructura química del gluten para hacer la masa más fuerte y elástica.

Los polisacáridos (no-almidón) en la harina juegan también un papel importante en la calidad del pan, son los responsables de mucha de la absorción del agua en la masa e interactúan con el complejo del gluten. La adición de xilanasas y otras enzimas que degradan fibras tienen un efecto en la masa y en las características finales del pan. Beneficio del consumidor: sustitución de los bromatos por enzimas sin sacrificar la calidad del pan.

USO INDUSTRIAL DE LAS ENZIMAS

De las miles de enzimas conocidas, solo algunas se producen en escala industrial para emplearse en la manufactura tanto de alimentos como de las materias primas para su elaboración. Cada día aumenta el numero de reacciones que se efectúan por rutas enzimáticos, y esta tendencia seguramente aumentara a medida que existan mas catalizadores de este tipo en el comercio, a precios accesibles.
El empleo de enzimas tiene muchas ventajas: a) son de origen natural y por lo tanto no deben ser toxicas; b) son muy específicas en su manera de actuar, por lo que no propician reacciones secundarias indeseables; c) funcionan en condiciones moderadas de temperatura y de pH y no requiere de condiciones de procesamiento drásticas que puedan alterar la naturaleza del alimento, ni de equipo muy costoso; d) actúan a bajas concentraciones de enzimas, y f) son fácilmente inactivadas una vez alcanzado el grado de transformación deseado.

Por otra parte, la principal limitante es que algunas de ellas son muy caras y no se consiguen fácilmente; sin embargo, es conveniente hacer un balance de las ventajas y las desventajas que trae consigo llevar a cabo una determinada reacción con enzimas, o con otros métodos químicos o físicos. Cabe indicar que en este sentido hay muchas innovaciones tecnológicas que están logrando hacer más económicos estos catalizadores, como es el caso de la ingeniería genética que transforma los microorganismos y los hace sobreproductores de enzimas.

La igual que cualquier otro aditivo alimentario, las enzimas deben cumplir con determinadas especificaciones de calidad, sobre todo en cuanto a su toxicidad, o la del microorganismo que la produce, en caso de que sea de origen microbiano.40 Debido a que las encimas que se emplean en la industria no son puras (resulta muy costosa su purificación completa), es preciso tomar en consideración todos los materiales extra que contienen; por esta razón, una preparación enzimática comercial es en realidad una mezcla de enzimas, en la que una de ellas predomina en actividad.

Cabe aclarar que en muchas ocasiones los estudios de las cinéticas enzimáticas elaborados en un laboratorio, en condiciones ideales, no se pueden extrapolar a un alimento debido a que este puede tener características que no retoman en cuenta en un sistema modelo; en el laboratorio se tiene una gran libertad para modificar el pH, la temperatura, la fuerza iónica, las concentraciones del sustrato y de las enzimas, la naturaleza y la cantidad de los activadores, inhibidores y cofactores, etc. En la industria no siempre se puede emplear la enzima en sus condiciones óptimas de actividad, ya que determinar si con las características que tiene el alimento. En general, el técnico tiene que determinar si con las características que tiene el alimento (o con alguna ligera modificación), la enzima actúa razonablemente a un costo adecuado. Esta es la razón por la que en productos que son aparentemente iguales, la actividad de una misma enzima es muy diferente; la presencia de metales o de compuestos inhibidores en bajas concentraciones puede provocar modificaciones sustanciales en la velocidad de reacción.

En los últimos años ha aumentado la preocupación por el alza de los productos de los combustibles, lo que ha hecho que muchas industrias se hayan visto obligadas a cambiar ciertos procesos para tener ahorros en este rubro. En la literatura existen algunos ejemplos en este sentido, y uno de ellos es el que muestra que el uso de enzimas amilolíticas para la hidrólisis del almidón reduce 40 000 joules el consumo de energía en comparación con el proceso tradicional de conocimiento a alta temperatura. La mayoría de las enzimas actúan en el intervalo de 25 a 90 0C. A continuación se presenta algunas fuentes comerciales de preparaciones enzimáticas de orígen Vegetal:

Malta : -Amilasa, -amilasa, -glucanasa
Trigo : -Amilasa
Piña : Bromelina
Higo : Ficina
Papaya : Papaína
Soya : Lipoxigenasa

Y muchas de ellas tienen su optimo entre 45 y 60ºC; en general, por cada 10ºC de incremento, se duplica su velocidad, es decir, tiene un Q10 de 2.0. Hay que recordar que esto solo es valido dentro del intervalo de temperatura en que la encima es estable, ya que un incremento muy grande puede provocar su desnaturalización e inactivación.

Las enzimas industriales son de origen animal y microbiológico, pero las más abundantes son las últimas. Tanto los hongos como las levaduras y las bacterias que se emplean para este fin, tiene muchas ventajas en la producción de estos catalizadores, ya que incluso se les puede alterar su sistema regulador de síntesis para que produzcan más cantidad. La ingeniería genética puede “diseñar” un determinado organismo aislando el material genético que codifica la síntesis de una enzima, e introduciendo a otro microorganismo mas manejable.

dentro de algunos de los microorganismos mas importantes en la producción de enzimas, entre los cuales destacan Aspergillusniger, A oryzae y Bacillus subtilis, que han demostrado un alto rendimiento; sus productos son inocuos ya que no sintetizan paralelamente los agentes tóxicos o antibióticos que a veces se encuentran en las formulaciones enzimáticas comerciales.

Debido a que la presencia de la enzima como proteína no necesariamente implica actividad (puede estar, pero desnaturalizada e inactivada), los productos se venden de acuerdo con su potencia y no en términos de concentración enzimática; generalmente se estandarizan a una cierta actividad y se les añade sólidos (almidones, azúcares, etc.) o líquidos (propilenglicol, sorbitol, etc.), según sea el caso. También se les puede adicionar cloruro de sodio o benzoatos para evitar el crecimiento microbiano y conservarlas en el almacenamiento.

CARBOHIDRASAS
De todas las enzimas comercialmente disponibles, las carbohidrasas son las más abundan­tes y tal vez las más empleadas; se obtienen principalmente de fuentes microbianas que pueden ser hongos, levaduras y bacterias.

Amilasas



En esta categoría se encuentran la α y la β-amilasa, cuyos mecanismos de actividad se detallaron previamente; el uso más importante de estas amilasas es en la industria de la panificación, ya que hidrolizan el almidón y producen los azúcares (glucosa y maltosa) que, a su vez, facilitan las reacciones de oscurecimiento no enzimático que dan origen al color en el horneado; también favorecen la generación del anhídrido carbónico, pues son sustratos fáciles para las levaduras, lo cual provoca el esponjamiento; y por último, mejoran la textura del pan.

También se usa mucho en la fabricación de diferentes derivados del almidón; en este sentido se emplean conjuntamente varias enzimas en forma escalonada como se describe a continuación.



Figura 3. Procesamiento enzimático del almidón.
A una solución de almidón comercial se le añade una α-amilasa bacteriana termorresistente que esté poco contaminada con proteasas para que la proteína que contiene este polisacárido (sobre todo si es de trigo) no se convierta parcialmente en aminoácidos que propician reacciones de oscurecimiento no enzimático que le dan una mala apariencia al producto final. Comercialmente existen preparaciones de amilasas con una acción proteolítica baja.

La actividad de las amilasas hace que el almidón se convierta en dextrinas que se utilizan mucho en la industria alimentaria, y éstas, a su vez, sirven de sustrato para llevar a cabo tres transformaciones: a) si se incuba con una amiloglucosidasa (y en ocasiones también con una pululanasa), se favorece la hidrólisis prácticamente total (97-98%) y se produce D-glucosa; este azúcar se transforma en fructosa por mediación de la glucosa isomerasa, generalmente en forma inmovilizada; b) las dextrinas en presencia de una amiloglucosidasa y la β-amilasa se convierten en jarabes con equivalentes de dextrosa de 42 a 63, y c) la sola actividad de la β-amilasa sobre las dextrinas genera una mezcla rica en maltosa (Fig. 3).

Todos los productos así obtenidos (glucosa, fructosa, dextrinas y los jarabes con un contenido elevado de glucosa y de maltosa), se usan ampliamente en diversas industrias, tales como las de bebidas, confitería, fermentaciones, helados, alimentos infantiles, y otras muchas más.

El grado de transformación del almidón en glucosa se determina por el poder reductor del jarabe y se expresa como equivalentes de dextrosa; por ejemplo, una hidrólisis que genere un producto con un ED de 42 tiene una composición aproximada de 22% de glucosa, 20% de maltosa, 20% de tri y tetrasacáridos y 30% de dextrinas.

Debido al ácido producido, la acción de esta enzima también se ha sugerido para la conservación del pescado; la reducción de las concentraciones de azúcares fermentables y de oxígeno, hacen que se reduzca el crecimiento microbiano.

CONCLUSIONES

1. Las enzimas son catalizadores de origen biológico que cumplen muchos requicitos para impulsar nuevas industrias químicas.
2. La tecnología enzimática tiene múltiples aplicaciones, como fabricación de alimentos, los progresos que están realizando actualmente la ingeniería genética y la biotecnología permiten augurar el desarrollo cada vez mayor del uso de las enzimas.
3. La utilización de enzimas en los alimentos presentan una serie de ventajas, además de las de índole económico y tecnológico.
4. Las enzimas utilizadas dependen de la industria y del tipo de acción que se desee obtener.
5. Las fuentes de enzimas pueden ser de origen vegetal, animal o microbiano.
6. se puede manipular genéticamente, la biosíntesis de enzimas para optimizar los procesos, pero se debe tener en cuenta, las respectivas normas.
7. La producción de enzimas a gran escala tiene su principal aplicación en la industria de la fermentación.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1. P Gaseosa y J. Hube, tecnología de las enzimas, Editorial acribas. S.A., Segunda Edición, Zaragoza España, 1990., Pas 3.
2. Kira, Raymond, Enciclopedia de Tecnología Química, Tomo VI, primera Edición, Editorial Uteha, España 1962., paj. 1006.
3. IBID (2), Paj. 1007

2 comentarios:

Jose dijo...

Muchisimas gracias por la explicacion y sobre todo por la sencillez para los que no somos del Gremio.
Podrias Ampliar La Informacion Sobre La su Aplicacion En La Agricultura.

Fernando Rosales dijo...

Buen post todo claro y fácil de entender. Investigando por la web encontré un portal donde se dedican a todo tipo de enzimas para investigaciones entre otros usos aquí te dejo el link Jose: Wako Pure Chemicals, espero que sea lo que buscas.