INTRODUCCIÓN

E

l hombre ha producido vino y otros alimentos fermentados como el pan, la cerveza o ciertos derivados lácteos desde tiempos remotos. La biotecnología, es decir, la utilización de organismos vivos o de sus partes en procesos industriales, es casi tan antigua como el hombre, aunque, durante la mayor parte de la historia, la base de estas prácticas biotecnológicas fuera puramente empírica.

Hoy en día, debido principalmente a los avances científicos de los últimos 150 años, el conocimiento empírico está siendo reemplazado por un adecuado conocimiento de los procesos que rigen estas transformaciones biotecnológicas. Además, la revolución provocada en el último cuarto de siglo por el desarrollo de las técnicas de la biología molecular y el ADN recombinante ha abierto multitud de posibilidades nuevas para el control de los procesos biotecnológicos y la mejora de los productos elaborados.

Las aplicaciones comerciales de las enzimas se conocen en todo el mundo. Uno de los campos con un éxito sin precedentes desde el punto de vista microbiológico, enzimológico, bioquímico, químico y farmacéutico, fue la transformación de esteroides por vía enzimática en la década de los años 40 a los 50.

Los procesos biocatalíticos normalmente involucran el cultivo y uso de microorganismos y el uso de enzimas aisladas solubles o inmovilizadas en medios acuosos o inorgánicos que contienen compuestos orgánicos como sustrato. En estos procesos las enzimas alteran la estructura de los sustratos o sintetizan nuevos compuestos. Estos procesos pueden ser llevados a cabo a pequeña escala, como por ejemplo en la producción de esteroides, o bien a gran escala como sería la utilización de invertasa para la obtención de jarabes fructosados

Desde hace varias décadas se dispone de enzimas relativamente puras y con una gran variedad de aplicaciones en los distintos procesos industriales. La producción de una enzima por los métodos de la biotecnología clásica incluye dos etapas principales:

• La fermentación, en la que se multiplica el microorganismo productor de la enzima

• La de recuperación y purificación, en la que se aísla la enzima y se lleva al grado de pureza adecuado para su uso.

Una de las principales ventajas de las enzimas, además de las de índole económica o biotecnológica, está asociada a su gran especificidad de acción que hace que no se produzcan reacciones laterales imprevistas. Asimismo, se pueden trabajar en condiciones moderadas: presión atmosférica, temperaturas bajas o medias y pH de 3 a 10. Además las enzimas pueden inactivarse fácilmente cuando se considera que han cumplido su objetivo.

En producción alimentaria, las enzimas tienen una serie de ventajas:

• Han sido recibidos como alternativa a la tecnología química tradicional y pueden reemplazar a los compuestos químicos en muchos procesos. Esto puede permitir verdaderos avances en el cumplimiento ambiental de los procesos de producción, a través de un menor consumo energético y de la biodegradación

• Son más específicas en su acción que los compuestos químicos. Los procesos que utilizan enzimas, por lo tanto, tienen menos reacciones laterales y desechos, dando mayor calidad a los productos y reduciendo la probabilidad de contaminación

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)

División de los enzimas mediante diferentes campos de actuación

Mercado	Enzimas	Propósito o función
Productos lácteos	Cuajo (quimosina)	Coagulante en la producción de queso
		Lactasa	Hidrólisis de la lactosa para obtener productos libres de lactosa
		Proteasa	Hidrólisis de las proteínas del suero de la leche
Fabricación cerveza	Celulasas, -glucanasas,  amilasas, proteasas,	Para aclaración y para complementar enzimas de malta
Producción alcohol	Amiloglucosidasa	Conversión del almidón en azúcar
Elaboración de pan	 amilasas	Romper los enlaces del almidón y obtener maltosa
		Glucosa oxidasa	Estabilizar la masa
	Vinos y zumos	Pectinasa	Incrementa la producción y aclaración del zumo
		Glucosa oxidase	Eliminación del oxígeno
Almidón	 amilasas, glucoamilasas, hemicelulasas, glucosa isomerasa	Modificación y conversión (Ej., jarabes altos en fructosa)
Detergentes (lavandería y lavavajillas)	Proteasas, amilasas, lipasas, celulasas	Eliminación de proteínas, almidón, lípidos y aclaración del color
Comida animal	Fitasa, xilanasa, -glucanasa	Disponibilidad del fósforo y mejora la digestibilidad.
Textil	Celulasa, amilasa, lacasa, liasa	Tela vaquera, suavizar el algodón, blanqueamiento, lavado

Aplicaciones de las enzimas

APLICACIONES EN PRODUCTOS LÁCTEOS

El queso

El cuajo (pepsina y quimosina bovina), una mezcla enzimática del estómago de terneros y otros mamíferos rumiantes, es un elemento indispensable para la elaboración del queso. Es el principal ingrediente que facilita la separación del requesón del suero de la leche.

Una forma purificada de la principal enzima del cuajo, quimosina, es producida desde microorganismos modificados genéticamente que contienen el gen de la quimosina de ternero y está disponible comercialmente actualmente sin necesidad de tener que sacrificar jóvenes animales. Esta quimosina es la misma que la aislada directamente de los terneros

Beneficios ambientales: los fabricantes de queso no pueden depender de las enzimas recuperadas de matanzas de terneros, cabras o corderos para producción del cuajo. Basado en la actual demanda de quimosina, las necesidades comerciales del cuajo no pueden ser satisfechas a partir de fuentes animales.

Beneficio del consumidor: mayor calidad del enzima está disponible a un precio atractivo. Esto asegura una excelente disponibilidad de quesos a un precio razonable. Desde que la enzima proviene de microorganismos y no de los terneros, la gente que sigue dietas vegetarianas puede consumir queso.

Productos lácteos libres de lactosa

La intolerancia a la lactosa es un problema común que afecta a millones de personas en todo el mundo y que no tiene por que ser una amenaza para la salud. Una buena dieta controlada por el médico puede reducir los síntomas.

La enfermedad consiste en la dificultad del organismo de asimilar la lactosa, el azúcar predominante en la leche. La intolerancia se debe a la incapacidad del intestino delgado de producir una enzima llamada lactasa, que descompone el azúcar de la leche en formas más simples (glucosa y galactosa) para que puedan ser absorbidas.

La intolerancia a la lactosa en los adultos puede tener diversos orígenes, entre ellos que la actividad de la enzima lactasa va disminuyendo con la edad o por daños en el intestino, ya sean por enfermedades, diarrea, medicamentos o malnutrición, también pueden alterar la actividad de la enzima.

Los síntomas más comunes en una persona intolerante a la lactosa son náuseas, gases, dolor abdominal, diarrea o calambres, y suelen manifestarse de 30 minutos a dos horas después de la ingesta de alimentos que contienen lactosa.

La leche contiene calcio, y el calcio es esencial para el crecimiento y la reparación de los huesos a lo largo de la vida. Por ello, las personas con intolerancia a la lactosa deberán obtener calcio suficiente mediante dietas que no incluyan nada o muy pocas cantidades de leche.

La lactasa, un enzima que se produce de forma natural en el tracto intestinal de los niños y de muchos adultos, está ausente o no presente en suficiente cantidad en los adultos intolerantes a la lactosa.

Muchos productos presentan actualmente una etiqueta como “libres de lactosa” y son productos lácteos que tienen un pretratamiento de la leche o del producto final con la enzima lactasa. Adicionalmente, la lactasa está disponible en venta al por menor para utilizarla en casa.

Otra ventaja de la leche tratada con lactasa es que aumenta la dulzura de la leche resultante y de este modo se evita la adición de azúcar durante la producción

Beneficios del consumidor: los individuos intolerantes a la lactosa pueden ahora disfrutar de los beneficios nutricionales de los productos lácteos sin efectos laterales gastrointestinales, seleccionando productos libres de lactosa o con baja lactosa o añadiendo en su propia casa la lactasa comercial a los productos lácteos

APLICACIONES EN LA FABRICACIÓN 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
 - amilasa	Endoproteasas	Estearasas	Lipoxigenasa
 - amilasa	Exoproteasas	Fosfatasas	Polifenoloxidasa
Enzimas desramificantes:		Fitasa	Peroxidasa
celulasas			Catalasa
 - glucanasas			Ác.ascórbico oxidasa
Glucoxidasas

• Las -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 -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  - amilasa se ocupa de encontrar nuevos lugares de ataque para la enzima  - 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 -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 -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.

OBTENCIÓN DE JARABES DE GLUCOSA A PARTIR DE ALMIDÓN

Durante el siglo XIX, el hervido del almidón con ácidos fuertes, como el ácido sulfúrico, producía jarabe de glucosa. Este proceso se convirtió en el método predominante para la fabricación de un amplio rango de jarabes de almidón. Sin embargo, hacia la mitad del siglo XX, las enzimas rápidamente fueron suplantando el uso de ácidos fuertes en la producción de jarabes de glucosa.

En los años 70, otro jarabe fue desarrollado. Imitaba minuciosamente la dulzura de la sacarosa. Se le llamó High Fructose Corn Syrup (HFCS), aunque este jarabe puede ser fabricado químicamente con hidróxido sódico, la extrema alcalinidad limita la producción puesto que se forman grandes cantidades de subproductos. A causa de estas limitaciones, el uso de enzimas con alta especificidad y condiciones de uso suaves surgieron como método de producción. Hoy en día, la producción de HFCS es una importante industria, la cual convierte grandes cantidades de maíz y otros almidones vegetales en jarabe y otros edulcorantes. Son utilizados en bebidas no alcohólicas, golosinas, elaboración del pan, mermeladas, salsas, gelatinas...

Beneficios ambientales: reducen el uso de ácidos y bases fuertes, se reduce la energía consumida (menos efecto invernadero), menos desechos corrosivos y una producción más segura para los trabajadores

Beneficios para el consumidor: disponibilidad de edulcorantes a precios estables debido a la capacidad de obtención del almidón como alternativa a la caña de azúcar y remolacha azucarera; mayor consistencia y calidad de los jarabes.

APLICACIONES EN BEBIDAS

La producción de Cerveza

La producción de cerveza envuelve esencialmente la producción de alcohol por la acción de las levaduras presentes en el material vegetal como la cebada, el maíz, el sorgo, el lúpulo y el arroz. Las levaduras son capaces de convertir simples azúcares en alcohol y dióxido de carbono. Sin embargo, la mayoría del azúcar presente en los materiales de la planta está en forma de polisacáridos como el almidón y no pueden ser utilizados. Tradicionalmente estos nutrientes son liberados por el proceso de malteado por el cual se permite a la cebada germinar parcialmente para que las enzimas endógenas puedan liberarse y degradar el almidón y las proteínas y obtener simples azúcares y aminoácidos los cuales pueden ser utilizados por las levaduras.

El proceso de malteado es una forma cara de manufacturar enzimas y no siempre es fácil su control. Enzimas industriales como amilasas, glucanasas y proteasas pueden ser añadidas a la cebada y los resultados serán los mismos que con el malteado, pero de una forma más controlada.

En la filtración lenta del macerado o de la cerveza final a veces hay presencia de polisacáridos viscosos como xilanos y glucanos. Un pretratamiento con xilanasas o glucanasas rompen esta viscosidad, de tal forma, que se incrementan las tasas de filtración y previenen de suciedad las membranas de filtración.

Cerveza baja en calorías

Se puede reducir las calorías de la cerveza gracias al uso de enzimas especiales en el proceso de fabricación.

Los granos de cereales (cebada, arroz, maíz, lúpulo) son componentes esenciales en la producción para la conversión de los carbohidratos en alcohol durante la fermentación de las levaduras. Los carbohidratos simples son convertidos en alcohol seguido por una conversión de los carbohidratos de complejidad alta, hasta que el contenido de alcohol deseado es conseguido. Los restos de carbohidratos permanecen como componentes de los productos finales. Con el uso de enzimas para transformar el complejo de carbohidratos a azúcares simples, el contenido de alcohol deseado puede ser alcanzado con una pequeña cantidad de grano. Esto da como resultado una cerveza con menos calorías (menos carbohidratos)

Beneficios ambientales: menor demanda agrícola de grano utilizado en la producción de cerveza

Beneficios del consumidor: buen gusto y cerveza baja en calorías

ZUMOS

• Zumos no cítricos (producción de zumos “claros”)

Zumos extraídos de la fruta madura contienen una significante cantidad de pectina, como almidón y arabinoxilanos. Las pectinas mantienen las células de las frutas juntas, es como un pegamento y su liberación es pobre en el proceso “pulping” del zumo. La presencia de pectinas solubles puede causar turbidez. La adición de enzimas degradantes de pectinas (Pectina metil esterasa, poligalacturonasa y pectina liasa) en el estado de “puping” incrementa la producción de zumo y ayuda a la aclaración.

La degradación enzimática de la pectina es importante en la producción de zumos concentrados donde las pectinas pueden formar geles viscosos que dificultan la filtración.

La bruma de arabinoxilanos y almidón, especialmente en el zumo de manzana, puede ser tratado también con xilanasas y -amilasas.

Celulasas juegan un papel importante en la extracción del zumo de las bayas donde la producción de zumo junto con la extracción de componentes del color y sabor puede ser difícil.

• Zumos cítricos (producción de zumos “turbios”)

Los problemas de extraer el zumo de la pulpa de cítricos para concentración son iguales a los del proceso de frutas no cítricas. Sin embargo, los zumos cítricos, y en particular el de naranja, van a ser “turbios” y el sabor y color deseados van a depender de los materiales presentes en el zumo.

La estabilidad de la turbidez está controlada por una cuidadosa manipulación de las pectinas. Este complejo proceso requiere un balance entre la Pectina metil esterasa que inicia la turbidez incrementando la formación complejo pectina/calcio y poligalacturonasa que rompe la formación de turbidez por depolimerización de la pectina antes de la formación del complejo.

VINOs

La utilización de enzimas en enología se desarrolló a partir de la década de los 70 y, actualmente, la mayor parte de los preparados enzimáticos comerciales que se emplean en enología provienen de cultivos del hongo Aspergillus niger.

Los avances en las técnicas de la ingeniería genética y de procesos han permitido producir enzimas más puros y en mayor cantidad. Además, mediante ingeniería de proteínas es posible optimizar algunas de las propiedades de los enzimas antes de su producción.

Los preparados enzimáticos de utilidad en enología que se pueden encontrar en el mercado varían en función del fin que se persiga. Las glucanasas se emplean para solventar problemas de filtración y clarificación originados por el -glucano, y las pectinasas para disminuir la viscosidad al hidrolizar las pectinas y así provocar un aumento de rendimiento en zumo tras el prensado y también favorecer la filtración y clarificación.
Los llamados enzimas de maceración son cócteles enzimáticos compuestos fundamentalmente por pectinasas, celulasas y hemicelulasas que pretenden conseguir los efectos ya citados de las pectinasas y la degradación de los polisacáridos de las paredes celulares del grano de uva por parte de las celulasas y hemicelulasas. Con la adición de estos preparados durante la maceración se consigue, además de una ganancia en el rendimiento en zumo tras el prensado, incrementar las velocidades de clarificación y sedimentación, una mejor extracción del color de los vinos tintos, un aumento del aroma y el sabor, y un mejor envejecimiento debido a incrementos en taninos y proantocianidinas

La práctica totalidad de los preparados enzimáticos que se comercializan actualmente poseen, en mayor o menor medida, otro tipo de enzimas denominados globalmente glicosídicos. El papel de estas actividades glicosídicas es aumentar y mejorar los aromas de los vinos. Esto es posible porque los componentes del aroma de las uvas constan de compuestos volátiles libres y conjugados con azúcares. Las actividades glicosídicas, siguiendo un esquema en dos pasos, son capaces de romper los enlaces que unen los compuestos del aroma a los azúcares y, por tanto, aumentar la fracción volátil libre con la consiguiente mejora organoléptica.

El empleo de enzimas en enología ha experimentado importantes cambios en la última década y son numerosos los campos abiertos en la investigación de nuevas actividades enzimáticas, como proteasas para conseguir la estabilidad proteica de los vinos, fenol oxidasas para estabilizar el color en vinos blancos, glucosa oxidasa para obtener vinos con bajo contenido en etanol, o los enzimas implicados en la síntesis de ésteres, compuestos de suma importancia en el aroma afrutado de los vinos.

La producción de vino involucra esencialmente la fermentación de la uva. La extracción de zumo de la uva es un proceso más complicado que en otros zumos de frutas.

Las uvas son cosechadas para vino antes de que la fruta esté totalmente madura. La fruta inmadura, por lo tanto, contiene mayores cantidades de protopectina insoluble que puede absorber grandes cantidades de zumo durante el proceso de presión y también puede aparecer una solución viscosa que puede dificultar el proceso. La adición de pectinasa durante la trituración puede hidrolizar las pectinas incrementando la producción y aclarando el zumo resultante y previniendo la gelificación. Algunas uvas, contienen grandes cantidades de arabinoxilanos que pueden ser tratados con xilanasas.

Otro problema en la producción de vino es la infección de las uvas con el hongo Botrytis cinerea que produce -glucanos y pasan al vino. Estos glucanos dificultan la aclaración del vino atascando los dispositivos de filtración. La adición de -glucanasa puede evitar este problema.

APLICACIONES DOMÉSTICAS Y CUIDADO PERSONAL

DETERGENTES CON ACTUACIÓN A menor temperatura y sin fosfatos.

Las enzimas han sido utilizadas en la industria para detergentes desde los años 60 y es probablemente la aplicación mejor conocida. Son los llamados polvos, líquidos y tabletas “biológicos”.

La principal enzima de los detergentes biológicos es la proteasa que actúa sobre la materia orgánica como hierba, sangre, huevo o sudor humano. Sin embargo, se está convirtiendo más común en los últimos años el incluir un cóctel de enzimas incluyendo lipasas y amilasas. Lipasas son efectivas en productos grasientos como los aceites o grasas (pintalabios) mientras que las amilasas ayudan a quitar los restos de comida

Más recientemente, han sido desarrollados los detergentes en polvo potenciadores del color y los “anti-bolillas” que contienen celulasas. Se piensa que su modo de acción es que eliminan las fibras de celulosa separadas del tejido que son las causantes de un apagado progresivo del color y de que la suciedad pueda quedar atrapada en la superficie rugosa.

La moda global ha sido reducir la temperatura de lavado y prohibir los fosfatos. Una temperatura de lavado más baja significa reducir la energía necesaria para hacer la colada y la reducción de fosfatos reducen la contaminación de ríos y lagos

Detergentes de lavavajillas

El uso de enzimas en detergentes para el lavavajillas se están volviendo populares. Las actividades enzimáticas típicas son proteasas y amilasas para eliminar las partículas de comida.

Limpiadores de lentes de contacto

Durante el uso de las lentillas restos de proteínas y materiales lipídicos del ojo se acumulan gradualmente en la lente de contacto. El ojo segrega una enzima llamada lisozima que ayuda a mantener la superficie del ojo limpia. Cuando la lentilla, un objeto extraño, es introducida en el ojo esto interfiere con el proceso normal de limpieza. Incorporando proteasas y lipasas a la limpieza de las lentes de contacto pueden potenciar la eliminación de la suciedad acumulada

Beneficios ambientales: limpieza de las lentillas con enzimas biodegradables

Beneficios del consumidor: mejor limpieza de las lentillas

APLICACIONES EN ALIMENTACIÓN. AYUDAS DIGESTIVAS

-galactosidasa para la mejora del valor nutricional de las comidas basadas en legumbres y soja

Los enzimas pueden ser utilizadas para mejorar la calidad nutricional de alimentos para humanos y animales. La utilización completa del potencial nutritivo en comidas basadas en legumbres y soja esta limitada por la presencia de azúcares no digeribles como la rafinosa y almidosa. Estos azúcares contienen uniones químicas que no pueden ser rotas por los enzimas naturales producidos por el cuerpo. En consecuencia, los azúcares avanzan a través de tracto digestivo hasta llegar al intestino donde son hidrolizadas por la microflora natural. Estos microorganismos utilizan los azúcares y producen gas causando malestar y flatulencia.

El enzima -galactosidasa, es usado para transformar la almidosa y la rafinosa en simples azúcares que son absorbidos por el tracto digestivo humano, de tal manera que previene la flatulencia que se puede producir por comidas con legumbres y soja.

Beneficios del consumidor: evita el malestar físico cuando se consumen productos con soja, legumbres con cantidades bajas de azúcares digeribles

Reducción del fósforo en la comida animal

Los granos y piensos de alimentación de aves de corral y cerdos contienen fósforo que se une al ácido fítico. En esta forma el fósforo no está disponible para los animales y es excretada con los desechos del animal. Estos animales necesitan el fósforo para el crecimiento de los huesos y para otros procesos bioquímicos, los suplementos alimentarios añaden fósforo extra a la dieta.

Una enzima específica, fitasa, libera el fósforo unido haciéndolo digerible por los pollos o los cerdos. La fitasa añadida a la alimentación elimina la necesidad de compensar los niveles de fósforo y de esta forma, se reduce el fósforo contenido en los desechos animales.

APLICACIONES INDUSTRIALES -ENERGÍA-

Combustible de etanol desde recursos renovables.

Previo al descubrimiento del petróleo, los carbohidratos naturales fueron utilizados para la producción de alimento, ropa y energía.

Los combustibles de etanol pueden derivar de recursos renovables, dedicadas a la cosecha de caña de azúcar, maíz y remolacha azucarera o de los subproductos de la agricultura como el suero de la producción de quesos. El etanol puede ser utilizado como un sustituto de los combustibles de petróleo como el tóxico oxigenato, metil t-butil éter (MTBE)

Enzimas como la -amilasa, glucoamilasa, invertasa y lactasa hidrolizan almidón, glucosa y lactosa en azúcares fermentables. Los azúcares son luego fermentados con levaduras produciendo etanol. La producción de grano, semillas aceitosas y fibras textiles tienen como resultado una gran cantidad de residuos inutilizados en la agricultura. Muchos de esto materiales pueden ser desviados a etanol. La tecnología actual disponible para la conversión emplea una hidrólisis de la biomasa con ácido para obtener azúcares. La alternativa enzimática sería el uso de celulasas y hemicelulasas y así evitando el uso de ácidos fuertes.

Beneficios ambientales: Mejor utilización de los recursos renovables, mejores condiciones de trabajo, se reducen los daños

Beneficios para el consumidor: alternativa para el MTBE

APLICACIONES INDUSTRIALES - TEXTIL-

FIBRAS textilES

Las fibras de hilo previamente a su tejido son recubiertas con un agente lubricante y protector para evitar la abrasión. Tradicionalmente, el agente que se utilizaba para los tejidos de algodón era el almidón. Antes los materiales no celulósicos deben ser eliminados del algodón.

Anteriormente a la aparición de las enzimas amilasas, la única alternativa para eliminar el almidón protector era con un tratamiento de sosa cáustica a altas temperaturas. Este tratamiento químico no era totalmente efectivo eliminando el almidón y podía incluso degradarse las fibras de algodón.

Los tejidos modernos son reforzados con un adhesivo “sizing” antes de su tejido. Esto previene de la rotura de los hilos. El almidón combinado con pequeñas cantidades de otros materiales como la gelatina y carboximetilcelulosa son los ingredientes más utilizados para el refuerzo. Los agentes químicos como álcalis o ácidos han sido utilizados tradicionalmente en el “desizing”, pero ahora están siendo reemplazados por enzimas.

Se obtiene un beneficio ambiental de la sustitución de agentes químicos fuertes por enzimas. La mayoría de las preparaciones “desizing” tienen -amilasa, proteasa y celulasas.

Tratamiento de los hilos

El principal componente del algodón y otras fibras naturales es la celulosa. Mientras que la mayoría de las fibras se disponen en cadenas extendidas a lo largo, algunas fibras pueden sobresalir del hilo o del tejido. La correcta aplicación de la celulasa puede eliminar las protuberancias dando un aspecto más liso y colores más brillantes al tejido. Esta técnica se conoce como “biopolishing”. El mismo proceso ha sido adaptado para los detergentes.

Tela vaquera

La utilización de celulasas en el acabado de los pantalones vaqueros se ha convertido en una aplicación popular en la industria textil. Tradicionalmente la tela vaquera era lavada con piedras pómez para desteñir la superficie de la prenda. Una aplicación con celulasa puede sustituir las piedras obteniendo menos daño en la prenda y en la maquinaria. Esta técnica se conoce como “biostoning”. Existen celulasas que se pueden utilizar a pH 4.5 celulasas ácidas y celulasas neutras con pH 7.

APLICACIONES INDUSTRIALES. -TRATAMIENTO DEL CUERO-

Curtido del cuero con enzimas: apelambrado y bating

Las pieles poseen pelo unido, que debe ser eliminado para su uso como cuero. La manera convencional para eliminar el pelo (depilación) es usando agentes químicos fuertes como la cal o el sulfuro de sodio. Esto agentes químicos disuelven el pelo y abren la estructura de la fibra.

Mediante apelambrado con enzimas es posible reducir estos requerimientos químicos y obtener un producto más limpio y un amplio rango de producción con menos productos químicos de desecho.

Además las pieles contienen proteínas y grasas entre las fibras de colágeno que deben ser total o parcialmente eliminadas antes del curtido de las pieles. El componente fundamental de los extractos curtientes es el tanino que es capaz de transformar las pieles en cuero.

Los taninos son compuestos polifenólicos de gran complejidad que pueden tener composiciones y estructuras muy diferentes dependiendo de su procedencia.

Para hacer flexible el cuero es necesario someter la piel a un tratamiento enzimático previo al curtido para disolver selectivamente estos componentes proteicos. A este proceso se le conoce como “rendido”

Tradicionalmente, los excrementos de pichón y de perro fueron utilizados como agentes en el “rendido”. Obviamente, este mecanismo creaba un ambiente de trabajo desagradable. Actualmente se utilizan proteasas de bacterias y tripsina pancreática.

Desgrasado del cuero

Las grasas naturales, que pueden observarse en pieles de oveja, cordero, cabra, porcinos y en muchas pieles bovinas según su origen y el tipo de alimentación, pueden ya observarse en el matadero, y entorpecen el proceso de curtido, originando erupciones y formaciones de manchas. Por esos motivos, estas grasas deben ser profundamente eliminadas, y si están en bajo contenido se deben distribuir proporcionalmente en el corte de la piel. Este tipo de proceso es frecuentemente efectuado simultáneamente con tratamientos a base de emulsionantes, la mayoría de las veces con adición de disolventes orgánicos de gran efecto desengrasante y modernamente con alta biodegradabilidad

Tradicionalmente, el desgrasado de las pieles de oveja se hacía por extracción con solventes utilizando sistemas de parafina. Un nuevo proceso basado en la rotura enzimática de grasas por lipasas ha sido introducido en la industria del cuero. El enzima interfiere menos con la estructura de la piel y también crea un producto de mejor calidad, por ejemplo mayor resistencia al rasgado y un color más uniforme

APLICACIONES INDUSTRIALES. - PAPEL -

La fabricación de pasta, papel y derivados del papel alcanza cifras que sitúan esta industria entre las más grandes del mundo. La principal fuente de fibra para la producción de pasta en este siglo ha sido la madera procedente de los bosques de coníferas, aunque más recientemente ha aumentado la utilización de bosque tropicales y boreales. La composición química de la madera es muy variable. Se compone principalmente de celulosa, lignina, hemicelulosa, y de un 5% a un 10% de otros materiales. La lignina representa entre un 16 % hasta un 33% del peso según el tipo de madera.

• LA LIGNINA

El interés de los investigadores se centra en buscar cómo y qué seres vivos realizan eficientemente la degradación de la lignina. En particular, el objetivo es acceder al más importante recurso de la pared de la célula vegetal, la celulosa.

La primera etapa, y sin duda la más importante, es penetrar una gran barrera constituida por dos estructuras, la lignina y la hemicelulosa, las cuales forman una matriz amorfa que "encadena", progresivamente, a las fibras de celulosa desde la diferenciación celular. Esto impide, justamente, poder llegar con facilidad hasta este principal recurso.

La celulosa es un polímero, es decir está formada sobre la base de unidades repetitivas de glucosa enlazadas por un tipo de unión covalente.

La hemicelulosa también es un polímero, pero relativamente ramificado y compuesto por varios azúcares. La estructura de la lignina -en cambio- es mucho más compleja (está formada por una unidad de base que comprende un anillo aromático -molécula cíclica- y una cadena lateral de tres carbonos)

La lignina es un complejo polímero aromático asociado a los polisacáridos de la pared celular vegetal y con un peso molecular elevado, además de ser insoluble en cualquier solvente orgánico. Su estructura irregular y amorfa hacen de ella una molécula muy particular y difícil de degradar le entrega rigidez y flexibilidad a los vegetales. También es difícilmente atacable, por el hecho de que sus enlaces necesitan una alta energía de activación para la depolimerización en sus unidades. Esta última característica, junto a la notable diversidad de la lignina, son las dos razones que hacen que muy pocos microorganismos sean capaces de atravesarla.

Celulasas. El término celulasas involucra un complejo de, por lo menos, tres actividades diferentes, las que a su vez existen en una multiplicidad de formas para llevar a cabo la hidrólisis total de la celulosa.

• Las endo ß-1,4-glucanasas (E.C. 3.2.1.4) rompen al azar los enlaces internos de la molécula en las regiones amorfas, producen un rápido decremento en la longitud de la cadena y un lento incremento de los grupos reductores libres.

• Las exo-ß-1,4-glucanasas (E.C. 3.2.1.91) remueven unidades de glucosa o celobiosa a partir del extremo libre no reductor de la cadena de celulosa, dando como resultado un incremento rápido en los azúcares o grupos reductores y poco cambio en el tamaño del polímero.

• La ß-glucosidasa (E.C. 3.2.1.21) hidroliza la celobiosa producida por las actividades anteriores, dando como producto final la glucosa.

Xilanasas. Las xilanas son heteropolisacáridos y su degradación total para producir xilosa y/o arabinosa es llevada a cabo, como en la celulosa, por un grupo de enzimas que participan sinergísticamente.

• Las más conocidas son las endo-ß-D-xilanasas (E.C. 3.2.1.8), las cuales rompen al azar los enlaces glicosídicos de la cadena principal de la molécula.

• La arabinofuranosidasa (E.C. 3.2.1.55) hidroliza las cadenas laterales de arabinosa.

• Las acetil xilan esterasas (E.C. 3.1.1.72) liberan grupos acetatos.

• La glucoronidasa (E.C. 3.2.1.139) remueve las cadenas laterales de ácido glucorónico a partir de unidades de xilosa.

• Las ß-xilosidasas (E.C. 3.2.1.37) son enzimas activas sobre oligosacáridos cortos, llevando a cabo la hidrólisis de los enlaces ß-1,4-aril-xilopiranósido produciendo xilosa.

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Industrialmente es necesario quitar la lignina de la madera para hacer el papel u otros productos derivados. En la práctica comercial, la lignina eliminada de la madera es un subproducto molesto debido al alto porcentaje que se obtiene. En la naturaleza existen diferentes microorganismos asociados a la descomposición de la madera, pero hasta ahora los únicos que son capaces de degradar la lignina en forma eficiente son los hongos basidiomycetes llamados de pudrición blanca.

Parte del proceso básico para hacer celulosa y papel consiste en la eliminación de la lignina. Este compuesto, constituyente de la madera y que actúa como cemento en su estructura, es el principal obstáculo para poder obtener celulosa y papel de buena calidad. Industrialmente la pulpa de celulosa blanqueada se obtiene a través de un proceso de dos etapas: el pulpaje y el blanqueo.

• PULPAJE:

El objetivo del pulpaje es remover la lignina para liberar la fibra de celulosa, separando la celulosa contenida en la madera, de los otros componentes. Este proceso puede ser de dos tipos: mecánico o químico.

• Reducción mecánica: En la reducción mecánica a pulpa, las fibras se separan triturando la madera. Aunque el proceso es muy eficaz, el papel obtenido a partir del tratamiento mecánico de la fibra para obtención de pulpa, tiende a ser débil, y a decolorarse fácilmente cuando se expone a la luz. Ello se debe a la presencia de residuos de lignina, componente de la madera, que mantiene juntas las fibras de celulosa

• Reducción química: En la pulpa obtenida por métodos químicos, los trozos de madera o de papel reciclado se combinan con agua y productos químicos y se calientan hasta que se separan las fibras de celulosa, dicho de otro modo, se somete la madera a una cocción con hidróxido de sodio (NaOH) y sulfuro de sodio (Na2S), solución denominada licor blanco, a alta temperatura y alta presión. La pulpa producida se lava con agua, se clasifica para eliminar las impurezas y sustancias químicas residuales de la cocción y se envía a la etapa de blanqueo.

En la etapa de pulpaje se produce emisión de gases sulfurados, tales como ácido sulfhídrico, metil mercaptano, sulfuro de dimetilo y disulfuro de dimetilo. El contenido de tales compuestos se expresa como azufre total reducido (TRS). También se prevé la generación de óxidos de azufre (SOx)

El efluente líquido está compuesto principalmente por sólidos suspendidos (fibras) y productos de degradación de la lignina. Los residuos sólidos corresponden a rechazos de pulpa y nudos de la madera.

El proceso de pulpaje más utilizado en el mundo es el Kraft, pulpaje Kraft. Entre los productos químicos utilizados en el pulpaje Kraft, la soda y el sulfuro de sodio, son parte de la primera etapa de tratamiento de la madera que se destina finalmente a la confección de papel.

• BLANQUEO

Posteriormente la celulosa cruda se blanquea con productos clorados, cloro propiamente tal, y dióxido de cloro, productores directos de dioxinas. Este proceso tiene todas las características de una práctica en vías de extinción: es caro, contamina el agua y el aire y produce papeles de regular calidad degradando el medio ambiente. Con este tratamiento se obtienen celulosas de dos tipos: celulosa cruda o Kraft, materia prima de papeles resistentes.

Proceso de producción celulosa Kraft blanqueada

Los trozos de madera son descortezados y luego reducidos a astillas en los astilladores. Dichas astillas son transportadas a través de correas a reactores, denominados digestores, donde se cuece con sosa cáustica, sulfato sódico y carbonato cálcico, a 200 grados centígrados y alta presión para reducir los trozos a una pulpa, en una solución de licor blanco compuesto por hidróxido de sodio y sulfuro de sodio. Esta operación permite disolver gran parte de la lignina que une a las fibras de madera, liberando así dichas fibras. Después de la cocción, se separan los gases sulfúricos para ser tratados (generalmente son incinerados), y el resto de la mezcla es filtrada por diferentes mecanismos para retirar los trozos que no se han degradado durante la cocción. El producto de la cocción se procesa en filtros lavadores

La pulpa es enjuagada con agua para arrastrar los líquidos de cocción y recuperar los compuestos químicos utilizados. La pasta es filtrada y espesada al quitarle agua, donde se separan las fibras y el licor residual (licor negro)

La pulpa obtenida se clasifica, limpia, espesa y almacena. Para el caso de celulosa blanqueada, la pulpa obtenida es enviada a una etapa de blanqueo en la que se utilizan diferentes combinaciones de compuestos oxidantes tales como cloro elemental (Cl2), dióxido de cloro (ClO2), peróxido de hidrógeno (H2O2), oxígeno (O2), u otros agentes, para finalmente almacenarse. Por otra parte, el licor negro se envía a un ciclo de recuperación de reactivos, donde se obtiene energía para el proceso y se recicla una fracción importante de los insumos químicos requeridos en el pulpaje.

Alternativas menos contaminantes en fases previas al blanqueo

Se están investigando diferentes enzimas que ayudan a la descomposición de la madera. Las xilanasas tienden a degradar los enlaces químicos que unen la lignina a la madera. Esta opción biológica parece ser viable económicamente aunque su aplicación es limitada al perder la pulpa propiedades de resistencia cuando las enzimas se usan en exceso.

Uso de enzimas que remuevan directamente la lignina como las lacasas - enzimas producidas por hongos que degradan madera -, o que ayuden a su remoción como las xilanasas. Las lacasas son cuproenzimas y forman parte de un complejo enzimático utilizado por los hongos degradadores de madera para degradar la lignina. Las lacasas pueden ser producidas en grandes cantidades en biorreactores con relativa facilidad, a diferencia de otras enzimas ligninolíticas como la lignina-peroxidasa y la manganeso-peroxidasa.

Para el uso industrial de las lacasas se ha propuesto un mediador enzimático, sistema lacasa/mediador, lo que permite una buena remoción de lignina pero con un mayor costo económico. El sistema lacasa/mediador, se puede utilizar eficientemente en secuencias de blanqueo ECF de pulpas de eucalipto y pino, obteniéndose una disminución de la carga de dióxido de cloro necesaria para alcanzar una blancura comercial.. La aplicación de sistemas de bioblanqueo con el sistema lacasa/mediador podría no sólo tener ventajas ambientales y económicas, cuando se desarrolle un mediador más eficiente y barato, debido a la alta disminución en el consumo de dióxido de cloro que se puede obtener.

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