PRODUCCIÓN Y APLICACIÓN DE ENZIMAS INDUSTRIALES

PRODUCTION AND APPLICATION OF INDUSTRIAL ENZYMES

JORGE ELIÉCER CARRERA 1

PALABRAS CLAVE:

Enzi mas, l ipasa pancreá ti ca ,tripsina.

KEY WORDS:

Enzyme, lipasa pancreatic, tripsin.

RESUMEN

La producción de enzimas para uso industrial tuvo sus orígenes en Dinamarca yJapón, a finales del siglo XIX, cuando se produjeron las primeras preparacionesde renina a partir del estómago de terneros y de amilasa de origen fúngico. Lasenzimas son productos de las células y por lo tanto pueden obtenerse a partir detejidos animales, tejidos vegetales o mediante procesos de fermentación em-pleando microorganismos seleccionados. Las plantas han sido la fuente tradi-cional de ciertas enzimas. A partir del latex producido por la papaya, algunasproteasa aisladas desde la higuera y la piña. La cebada malteada también ha sidofuente importante de enzimas vegetales. La industria cervecera ha empleadotradicionalmente este material crudo por su actividad proteásica y amilásica. Encuanto a las enzimas de origen animal, se han obtenido pocas, por ejem- plolipasa pancreática y tripsina, debido principalmente a la disponibilidadlimitada de material adecuado y a la posibilidad de reemplazarlas por enzimassimilares derivadas de microorganismos. Debido a que las aplicaciones in-dustriales de las enzimas requieren que estas sean producidas a gran escala ybajo costo, el empleo de algunas enzimas de origen vegetal y animal ha idodecayendo, a favor de las enzimas de origen microbiano.

ABSTRACT

The enzyme production for industrial had its origins in Denmark and Japan,at the end of century XIX, when the first preparations of rennet from thestomach of calves and amylase of fúngy origin took place. The enzymes are

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Recibido para evaluación: Noviembre 29 de 2002. Aprobado para publicación: 28 de febrero de 2003.

1 Facultad de Ciencias Agropecuarias, Departamento de Ingeniería Agroindustrial, Universidad del Cauca, PopayánGrupo de investigación Asubagroin, Director.

Correspondencia: Jorge Eliécer Carrera, e_mail: jorcarrera@unicauca.edu.co

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products of the cells and therefore animals can obtain themselves from weaves, vegetal weaves or by means offermentation processes using selected microorganisms. The plants have been the traditional enzyme source certain.From the latex produced by papaya, some protease isolated from the fig tree and the fragmentation hand grenade.The malteada barley also has been important vegetal enzyme source. The brewing industry has traditionally used thiscrude material by its proteásica and amilásica activity. As far as origin enzymes animal, few have been obtained, forexample lipasa pancreátic and tripsin, had mainly to the limited availability of suitable material and to the possibility ofreplacing them by enzymes similar derived from microorganisms. The industrial applications of enzymes requirethat these are produced on great scale and low cost, the use of some enzymes of vegetal origin and animal have beendecaying, in favor of enzymes of microbial origin.

INTRODUCCION

Son las enzimas que permanecen asociadas con la cé-lula y no son normalmente excretadas al medio. En al-gunos casos, como en el caso de lipasa e inver tasa, elque la enzima sea intracelular o extracelular depende delmicroorganismo utilizado.(1,2)

Pocas enzimas intracelulares son producidas a gran es-cala y las ventas de estas enzimas representan solo unpequeño porcentaje del total de ventas. Sin embargo, laproducción de enzimas intracelulares es de gran interéspor varias razones. Con los avances en las técnicas deinmovilización, el uso de enzimas y células inmovilizadasestá en aumento. Por ejemplo, se han establecido pro-cesos comerciales para la producción de jarabes defructosa usando glucosa iso-merasa. (1,2)

Enzimas Extracelulares

Los microorganismos producen una amplia variedadde enzimas potencialmente útiles, muchas de las cualesson excretadas al medio. La mayoría de las enzimasextracelulares son producidas por organismos per te-necientes a dos géneros: Bacillus y Aspergillus. y queen su mayoría son del tipo hidrolítico. (1,3)

Estabilidad de las Enzimas

La frágil naturaleza proteica de las enzimas, que conlle-va a una estabilidad limitada de su estr uctura yfuncionalidad, constituye un aspecto impor tante en uncontexto tecnológico. Se considera que una enzima esapropiada para una aplicación comercial, si su estabili-dad es suficiente para dicha aplicación.(2)

Diagrama de flujo para la producción de enzimas a par- tirde tejidos animales o vegetales (Figura 1)“Diagrama deEnzyme´s Biotechnology”. (3)

Las enzimas se obtienen por fermentación en cultivossemi-sólidos, sumergidos, extracción de tejidos ya seaen plantas o animales bajo condiciones controladas. (4)

Unas 20 compañías de Europa, Japón y Estados Uni-dos realizan la producción de enzimas, pero el mercadoes dominado por 3 de ellas: Novo Nordisk (Dinamarca)con el 50% de las ventas a nivel mundial, seguida porGist Brocades (Neatherlands) y Rhom and Haas (Alema-nia). El mercado de las enzimas ha tenido gran creci-miento desde los años 70 y este ha sido paralelo con eldesarrollo de un gran número de aplicaciones en la in-dustria alimentaría. (3)

En América latina existen empresas productoras deenzimas en México, Brasil, Argentina y Uruguay, mu-chas de las cuales son subsidiarias de empresastransnacionales, como es el caso de Pfizer en México yBrasil y Novo en Brasil. (6)

En Colombia no hay producción de enzimas a escala in-dustrial, siendo importadas de diversos países de Europa,también de Japón , Estados Unidos , Canadá y México. (2)

La impor tación de enzimas en Colombia se hace en sumayor par te a través de representantes o casas comer-ciales pero algunas industrias de cervecería, molineríay lácteos hacen impor tación directa de las enzimas querequieren. (2)

CARBOHIDRASAS

Amilasas

Se encuentran ampliamente distribuidas en la naturale-za, son las enzimas responsables de la degradación delalmidón, hidrolizan los enlaces glucosídicos α-1-4. Lasamilasas se pueden dividir en tres grupos: α amilasas

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Figura 1. Diagrama de flujo extracción y obtención de enzimas.

62/8&,21(;75$&725$

Recepción PICADOTANQUE DE

AJUSTEDE pH

Decantador precipitaciónActivación-

estabilización

Sal de Sulfato

Secado Molienda TamizEmpaque

yventa

FUENTE: “Diagrama de Flujo cedido por Enzyme´s Biotechnology” (3)

(E.C. 3.2.1.1), las cuales rompen al azar los en-laces en el interior del sustrato (endoamiladas); β−amilasas(E.C.3.2.1.2) las cuales hidrolizan or-denadamente unidades de maltosa a par tir de losextremos no reductores del sustrato (exoamilasas) yglucoamilasas que liberan unidades de gluco- saa par tir de los extremos no reductores delsustrato. (7)

Las β −amilasas están presentes en la mayoría de lasplantas superiores, están ausentes en los mamíferos ysu existencia en microorganismos es dudosa. Se hancristalizado β amilasas a par tir de trigo, malta de ceba-da, patata dulce y soya. La enzima hidroliza únicamenteenlaces glicosídicos a 1-4, con inversión en la configu-ración del C 1 en el glicosido, de la forma a a la forma β.Este cambio de configuración es la razón por la cual laenzima se llama beta amilasa. (5)

Los pHs de mayor actividad para las β amilasas es-tán en el rango entre 4.5-7 y el límite de temperaturaestá alrededor de 55 0C. Los gr upos sulfihidrilosson esenciales para la actividad, por lo que la enzi-ma se inactiva por oxidación, por los metales pesa-dos y sus sales. (5)

Glucoamilasa (amiloglucosidasa) (E.C.3.2.1.3)

El principal producto final de la acción de laglucoamilasa sobre el almidón es glucosa, lo que ladiferencia claramente de las α y β amilasas. La enzimatambién produce pequeñas cantidades de oligosa-cáridos. La sacarificación del almidón puede alcanzarhasta 96% de dextrosa. La acción de la enzima causainversión de la configuración, produciendo b gluco-sa. En el comercio se encuentran diversas preparacio-nes derivadas de hongos de los grupos Aspergillus yRhizopus. excepto por la enzima de Aspergillusawamori, las glucoamilasas son inactivas sobre almi-dón nativo. Su actividad es máxima entre pH 4 y 5.5, ytemperatura alrededor de 55-65 0C. La rata de reaccióncae rápidamente a medida que disminuye el tamaño dela molécula de sustrato, siendo máxima sobre almido-nes previamente sometidos a licuefacción. (8)

Enzimas desramificantes

Este grupo de enzimas puede dividirse en dos clases:directas e indirectas. Las desramificantes directashidrolizan los enlaces glicosídicos a 1-6 del glicógenoy/o la amilopectina nativos, están representadas por el

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sistema amilo 1-6 glucosidasa (EC 3.2.1.33)/oligo1-4→1-4 glucantransferasa (EC 2.4.1.24). Por el contrario, laacción de las enzimas indirectas requiere la modificaciónprevia del sustrato con otra enzima. Este último grupo pue- desubdividirse en pululanasas e isoamilasas. (9)

Las pululanasas de orígen microbiano han sido aisla-das de Aerobacter aerogenes, Escherichia intermedia yStreptococcus mitis. Las enzimas actúan sobrepululano, amilopectina, glicógeno y dextrinas. El únicoproducto de reacción es maltosa . La temperatura ópti-ma está alrededor de 45 0C y el pH entre 4 y 5. (9)

Celulasas (EC 3.2.1.4)

La celulosa es rápidamente hidrolizada en la naturalezapor organismos aeróbicos del suelo, par ticularmentepor los hongos que degradan la madera. Los organis-mos anaeróbicos del rumen y del intestino son respon-sables de la digestibilidad de la celulosa en los anima-les rumiantes y en los herbívoros. (10)

Invertasa (EC 3.2.1.26)

Hidrolizan el residuo terminal no reductor de b Dfructofuranósidos. El principal sustrato es la sacarosa,pero también pueden hidrolizar rafinosa para dar fructosa ymelibiosa. La enzima también tiene actividadfructotransferasa. (10)

El pH óptimo es 4.5, pero se logra un 80% de actividaden el rango entre 3.5 – 4.5. Tienen actividad máximaentre 50-60 0C. El efecto de la concentración de sustratoes de par ticular relevancia, ya que la máxima actividadse logra con concentraciones de sacarosa del 5-10%. Aconcentración de sacarosa del 70% la actividad es solode 25% del máximo. (10)

La inver tasa es de gran impor tancia en la industria dealimentos porque la hidrólisis de la sacarosa forma ja-rabes más dulces, los monosacáridos formados por laacción de la inver tasa son más solubles que la sacarosa ypor lo tanto no cristalizan en los jarabes concentra-dos.(10)

Lactasa (β galactosidasa) (EC 3.2.1.23)

Hidroliza los residuos terminales de a D galactosa, apar tir de b galactósidos. También ocurren reaccionesde transferencia de grupos galactosil. (2)

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Las mejores fuentes comerciales de lactasa son hon-gos (Aspergillus oryzae, Aspergillus niger) , bacte-rias (Bacillus spp.) y levaduras(Kluyveromycesfragilis). (1)

Las preparaciones fúngicas pueden generalmente serusadas a mayores temperaturas y menores pHs.

β Glucanasas

Consisten en una serie de preparaciones de orígenfungico y bacteriano, que usualmente presentan variasactividades juntas siendo predominante la actividad3.2.1.6., actividad endohidrolasa de amplia especifici-dad que actúa sobre enlaces b 1-3 y/o b 1-4 de b Dglucanos. Otras glucanasas presentes pueden incluíruna b 1-3 glucano hidrolasa específica (EC 3.2.1.39) ,una b 1-2 glucanohidrolasa específica (EC 3.2.1.71) yla exo b 1-3 y b 1-4 glucanohidrolasas (EC 3.2.1.73 y3.2.1.74). (1)

Enzimas Pécticas

El término se refiere a un complejo formado por variasenzimas, presentes en diversas proporciones, capacesde actuar sobre pectinas y sus derivados. El grupo in-cluye: Pectin esterasa (EC 3.1.1.11), que actúa paradesesterificar pectinas, removiendo los grupos metoxilo yproduciendo ácido péctico. (3)

Enzimas despolimerizantes que actúan principalmentesobre pectina, ácidos pépticos y protopectina. (3)

ENZIMAS PROTEOLITICAS

Las proteasas son enzimas que hidrolizan las cadenaspolipeptídicas de las proteínas sustrato, se caracterizanpor tener gran variedad de especificidades. De acuerdocon el aminoácido o metal que posean en su sitio activose clasifican en cuatro familias: serina proteasas,asparticoproteasas, cisteina proteasas y metalo-proteasas (1).

Papaína (EC 3.4.22.2)

El término papaína se aplica tanto a las preparacionesenzimáticas crudas obtenidas del latex de papaya comoa las distintas fracciones proteicas del mismo. Lasenzimas papaína y quimopapaína son las principales

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proteasas del latex (10 y 45% de la proteína soluble), elcual contiene también lisozima (20%). (10)

Bromelina (3.4.22.4)

Se obtiene del jugo, de la fruta o de los tallos de la piña( Ananas comosus). Es una glicoproteína del grupo delas cisteín proteasas. Actúa de preferencia sobre losaminoácidos básicos y aromáticos de las proteínas. SupH óptimo varía con el sustrato, en el rango de 5 a 8.Tiene baja tolerancia térmica. La enzima se utiliza princi-palmente como ablandador de carne (tiene buena acti-vidad sobre los tendones y el tejido conectivo rico enelastina ) y para hidrolizar proteínas solubles de la cer-veza que pudieran precipitar y causar opacidad por elenfriamiento. (10)

Ficina (EC 3.4.22.3)

Es una cisteín proteasa como la papaína. Se obtienedel latex de las plantas del género Ficus. Presentahidrólisis preferencial por los aminoácidos aromáti-cos. El pH óptimo varía con el sustrato y se encuentraen el rango 5-8. La temperatura óptima está alrede-dor de 60 0C, inactivándose completamente a 80 0C.(10)

Renina o Quimosina (EC 3.4.23.4)

Es una proteasa ácida, aislada del estómago de los ter-neros jóvenes, utilizada para precipitar la caseína sinpromover un nivel de proteólisis elevada. En los terne-ros maduros, la quimosina se reemplaza por pepsinacomo enzima mayoritaria a nivel estomacal. La pepsinacausa un grado superior de proteólisis en la leche encomparación con la quimosina, con lo cual se formanpéptidos cor tos con sabor amargo que afectan la cali-dad final de los quesos. (9)

LIPASAS (EC 3.1.1.3)

Las enzimas lipolíticas constituyen un impor tante gru-po de enzimas asociado con el metabolismo y degrada-ción de grasa. Estas enzimas hidrolizan triglicéridosdando lugar a mezclas de ácidos grasos libres,monoglicéridos y diglicéridos. Las lipasas son de inte-rés a la industria de alimentos porque si no se contro-lan pueden dar lugar a rancidez indeseable en los pro-ductos lácteos, cárnicos y otros que contengan grasa.

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Por otra par te, las lipasas son esenciales para la pro-ducción de sabores y aromas característicos en cier tosalimentos.(2)

GLUCOSA ISOMERASA

La enzima es realmente xilosa isomerasa (EC 5.3.1.5),capaz de isomerizar D- glucosa a D- fructosa. La enzimase encuentra ampliamente distribuida, es producida porla mayoría de microorganismos capaces de crecer so-bre una fuente de xilosa.(2)

PROCESOS INDUSTRIALES QUE APLICANENZIMAS

Industria del almidón y del azúcar

Dependiendo de las enzimas utilizadas, a par tir del al-midón se pueden obtener jarabes de diferente compo-sición y propiedades físicas. Los jarabes se utilizan enuna variedad de alimentos tales como gaseosas, dul-ces, productos horneados, helados, salsas, alimentospara bebés, frutas enlatadas, conservas, etc. (10)Hay tres etapas básicas en la conversión enzimática delalmidón: licuefacción, sacarificación e isome-rización.

Productos Lácteos

La aplicación de enzimas en el procesamiento de lecheestá bien establecida ,por el uso del cuajo (quimosina)en la producción de queso , que tal vez representa elempleo más antiguo de enzimas en alimentos. Otrasenzimas que par ticipan en la producción de quesos sonlas lipasas presentes en la leche, las cuales hidrolizan elcomponente graso, proporcionando cambios caracte-rísticos en el sabor. Para algunos quesos se puedenaumentar las lipasas naturales, añadiendo enzima extra.Por otra par te, también se recomienda agregar enzimasexógenas de tipo proteolítico para acelerar el procesode maduración de algunos quesos. (10)

Molineros y Panaderia

El uso de enzimas en estas industrias se debe principal-mente a la deficiencia en el trigo y en la harina, de lasenzimas naturalmente presentes. El contenido de aamilasa de la harina depende de las condiciones de cre-cimiento y de cosecha. En climas húmedos la tendencia

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será a tener alta actividad de a amilasa debido agerminación de los granos, en tanto que en climas secos elnivel de a amilasa será bajo debido a escasagerminación. Esto conlleva a grandes diferencias en elcontenido de amilasa de diferentes lotes de harina. (10)

Productoras de Jugos de Frutas

Las primeras enzimas empleadas en las industrias dejugos de frutas fueron las enzimas pécticas para la cla-rificación del jugo de manzana. Actualmente las enzimaspécticas se usan en el procesamiento de muchas otrasfrutas, junto con amilasas y celulasas. (10)

Durante el procesamiento de los jugos cuando sedesintegran los tejidos vegetales, parte de la pectina, que esun componente estructural de las frutas, pasa a la solu- ción,parte se satura con el jugo y parte permanece en las paredescelulares. Las enzimas pécticas se usan para faci- litar elprensado, la extracción del jugo y la clarificaciónayudando a la separación del precipitado floculento.(2)

Procesamiento de Carne

Las enzimas impor tantes para ablandar carne sonproteasas de orígen vegetal o de microorganismos(Bacillus subtilis y Aspergillus oryzae). Las enzimas seinyectan antes del sacrificio al animal o se trata la carnecon las enzimas antes de cocerla, con lo que se logra unfranco ablandamiento sin provocar una proteólisis im-portante. (9)

Industria Cervecera

La cebada se utiliza tradicionalmente para la fabricación debebidas alcohólicas como la cerveza. En su produc- ciónse deben considerar dos operaciones distintas: lamaltería y la cervecería. (10)

La preparación de la malta se logra por germinación dela cebada, durante la cual se incrementa el contenido de aamilasa. Las enzimas a y b amilasas naturalmentepresentes en el grano actúan sobre el almidón produ-ciendo dextrinas y maltosa, que sirven como sustratospara la fermentación posterior. Las proteasas degradanproteínas formando aminoácidos y péptidos. Hay mu-chas enzimas disponibles comercialmente para el pro-ceso cervecero, pero todas ellas caen en tres catego-rías: proteasas, amilasas y glucanasas. La acción deestas enzimas durante las primeras etapas consiste en

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mejorar la licuefacción del almidón, regular el conteni-do de azúcar y nitrógeno, mejorar la extracción, facilitarla filtración y controlar la turbidez. En la filtración delmosto reducción de las gomas y de la viscosidad. En laebullición, control de la turbidez, eliminación final delalmidón. En esta etapa se inactivan las enzimas. Duran-te la fermentación y maduración la adición de enzimassirve para controlar la turbidez. (10)

Industrias de Grasas y Aceites

El uso de enzimas en las industrias de aceites y grasases muy bajo, aunque se encuentran disponibles enzimasque pueden resolver algunos problemas, por ejemplominimizar los subproductos indeseables. Las enzimastambién se pueden usar para producir aceites y grasasnovedosas. (2)

Lipasas específicas, pueden seleccionar los ácidosgrasos de algunas posiciones del triglicérido, paraincorporar determinados ácidos grasos, sin cambiarlos de otras posiciones. De tal manera que es posiblemodificar por interesterificación el contenido de áci-dos grasos, o por transesterificación lograr el rearreglode algunos de ellos. (3,4)

Por ejemplo la mantequilla de cacao se requiere en laproducción de chocolate y con frecuencia la disponi-bilidad y el costo fluctúan ampliamente. Sin embargo,aceites como el de palma son baratos y se encuentrabuen abastecimiento. Lo que se plantea es modificarel aceite de palma por reacción con ácido esteáricomediante interesterificación enzimática. La grasa re-sultante tiene propiedades similares a la mantequillade cacao. (5)

Industrias de Pulpa y Papel

La mayoría de las fabricas de pulpa y papel cierran posperiodos prolongados, una o dos veces al año. Du-rante estos periodos se llevan a cabo los programas demantenimiento de la planta. Uno de los sistemas quese ve severamente impactado debido a estos cierrestemporales es la planta de tratamiento de aguasresiduales. Durante estos cierres el alimento llega encantidad insuficiente para mantener la biomasa reque-rida en condiciones normales, La población bacterianase encuentra generalmente disminuida a una fracciónde lo que es necesario para la producción de un efluentede alta calidad. (6)

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Tratamiento de Desechos

Mezcla pulverizada de organismos selectivamenteadaptados, con enzimas cr udas y emulsionantesespecí fi ca mente i deados para l i cuar, diger i r ydesodorizar desechos agrícolas. (9)

Empresas de servicios como hoteles, cafeteriasentre otras

Sustancia creada con la más avanzada tecnología, queconsiste en una mezcla sinérgica concentrada de ba-cilos, que descomponen la materia orgánica con pre-sencia de almidón, grasas, proteínas y celulosa. (3)

REFERENCIAS

(1) Gacesa P. Y Hubble J. Tecnología de la Enzimas.( Acribia. Zaragoza. España 1990).

(2) Illanes A. Biotecnología de Enzimas. EdicionesUniversitarias. Universidad Católica de Valparaíso.1994.

(3) Godfrey T y Reichelt J. Industrial Enzymology.

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Macmillan Publishers Ltd United Kingdom. 1983.(4) Harlander S. Y Labuza T. Eds. Biotechnology in

Food Processing. Noyes Publications. ParkRidge, New Jersey, USA.1986.

(5) Tucker G.A. y Woods L.F.J. Eds . Enzymes in FoodProcessing. Blackie and Son Ltd. London 1991.

(6) Izquierdo y G. De la Riva, (2000 ) “Plantbiotechnology and food security in Latin Américaand the caribbean” Elec tronic Journal o fBiotechnology,

(7) Universidad Católica de Valparaíso, Vol. 3 No 1,abril 15.

(8) Quintero, R. (1996) “Curso-taller grupo consulti-vo internacional ”UNAN. México.

(9) Cabra J y Sánchez, M (1997). “Biotecnologíapara el desarrollo en Colombia” Innovación yciencia Vol. VI, No 3 P. 44-52 Mercado y consu-mo.

(10) Carrera, J. (2002). Módulos de Biotecnología,“Enzimas Industriales, Biorreactores, Varia-bles de Cont rol , Guías de Laborator io yBiotecnología Agrícola y Vegetal” Facultad deCiencias Agropecuarias, Universidad del Cauca.