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EDULCORANTES
Dr. Heber Robles Castillo
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 distribuidos en la naturaleza 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, 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 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 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 Poder edulcorante(sacarosa=1)
Origen
a. Edulcorantes calóricos
Azúcar invertidoFructosaJarabes fructosados(55%)Jarabes fructosados(90%)Jarabes maltosados(45 – 60%)Jarabes maltosados(70 – 85%)SorbitolManitolXilitolIsomaltulosaPalatinitaJarabes de suero de lecheNeoazúcares
1
1.41
1.50.40.60.60.51
0.40.5
0.85varios
Q,EEEEEEQQ
Q,EE
EQEE
b. Edulcorantes no calóricos
AspartamoAlitamoL-azúcaresAcesulfame KSacarinaSucralosaCiclamatosDihidrochalconasMaltilol (absorbido en 50%)
IsomaltilolMonelina(proteína)Taumatina(proteína)EsteviosidoFilodulcinaGlicirrizinaLao Han Kuo(mogrosido)OsladinaDulcinaPerillartinaMiraculina(proteína)6 metil 6 cloro D-triptofanoHernandulcina
180
21601
20030060030
18000.90.9
2500300030070050
4003000200
2000150013001000
QFE,FEQE,E
QQQ
QEQQ
EQEQN
N,FNNNNNQ
N,QNQN
PRODUCCION DE EDULCORANTESA 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 Bacillus licheniformis 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
Producion de edulcorante de maíz
Fig 1. Sistema de licuefacción con ∝-amilasas termorresistentes
Almidón
H2O
Enzima 10%
CaCl2
Enzima 90%
Vapor
Cocedor jet
10-15 s 105-110°C
hidrolizado
ED = 8-15
2 hr 90-95°C
Bomba +
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
• 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.
Dosis: 1-1.5 L por Ton de hidrolizado
ALGUNOS EJEMPLOS DE PRODUCTOS COMERCIALES FORMULADOS CON LA ENZIMA
GLUCOAMILASA
Compañía Producto Actividad reportada
Fermco Biochem. Inc.Gist Brocades.Glaxo Operations Ltd.Miles Kali-ChemieMiles LaboratoriesNovo Industri A/SRohmJohn & Sturge Ltd.
SpezymeAmigaseAgidex
Optidex – LDiazyme
AMGRoholase HTStarzyme AG
-------------------16700 IGA/ml
3000-8000 unid. Glaxo/ml200, 150 y 100 GAU/ml200, 150 y 100 GAU/ml
150 y 200 AGU/ml400 GAU/ml100 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 % en base seca
GlucosaMaltosaMaltotriosaOligosacáridosMateria seca en jarabe
94 – 962 – 3
0.3 – 0.51 – 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 Streptomyces rubiginosus inmovilizada en DEAE – celulosa. Hoy en día es el catalizador enzimático en forma insoluble de mayor aplicación Industrial.
El desarrollo del proceso incluyó avances El desarrollo del proceso incluyó avances en distintas áreas relacionadas con la en distintas áreas relacionadas con la enzima, tales como:enzima, tales como: La obtención de nuevas glucosa isomerasas La obtención de nuevas glucosa isomerasas
con pH de actividad cercano a la con pH de actividad cercano a la neutralidad.neutralidad.
Obtención de cepas que producen la enzima Obtención de cepas que producen la enzima (xilosa isomerasa) de forma constitutiva, ya (xilosa isomerasa) de forma constitutiva, ya que en general se emplea xilosa como que en general se emplea xilosa como inductor.inductor.
Eliminación del requerimiento de iones Eliminación del requerimiento de iones arsenato y cobalto, no aplicables en el sector arsenato y cobalto, no aplicables en el sector alimentario.alimentario.
Actualmente, dos desarrollos Actualmente, dos desarrollos tendrían gran impacto en el tendrían gran impacto en el
procesoproceso:: La modificación del equilibrio de la reacción, que La modificación del equilibrio de la reacción, que
impide obtener conversiones superiores al 42%.impide obtener conversiones superiores al 42%. La eliminación del efecto inhibitorio que tienen La eliminación del efecto inhibitorio que tienen
los iones calcio sobre la enzima.los iones calcio sobre la enzima.La isomerización de glucosa a fructosa La isomerización de glucosa a fructosa
generalmente se lleva a cabo en reactores de generalmente se lleva a cabo en reactores de lecho fijo, donde la enzima inmovilizada se lecho fijo, donde la enzima inmovilizada se encuentra empacada.encuentra empacada.
Antes de iniciar el proceso, se debe llevar Antes de iniciar el proceso, se debe llevar a cabo una etapa de refinado, para a cabo una etapa de refinado, para eliminar péptidos, aminoácidos, grasas, eliminar péptidos, aminoácidos, grasas, etc. Que podrían afectar la estabilidad de etc. Que podrían afectar la estabilidad de los catalizadores.los catalizadores.
Concentración óptima de sustrato: 40 Concentración óptima de sustrato: 40 – 45% (peso/peso) del jarabe – 45% (peso/peso) del jarabe glucosado con 95% de glucosa.glucosado con 95% de glucosa.
La corriente contiene iones de Mg La corriente contiene iones de Mg necesarios para la glucosa isomerasa.necesarios para la glucosa isomerasa.
PH: se ajusta entre 7,5 y 8,0.PH: se ajusta entre 7,5 y 8,0. El biorreactor debe diseñarse para:El biorreactor debe diseñarse para:
Mantener la productividad constante.Mantener la productividad constante. Mantener el ritmo de decaimiento del Mantener el ritmo de decaimiento del
catalizador constante, incrementando el catalizador constante, incrementando el tiempo de residencia, ya sea a 60ºC o a tiempo de residencia, ya sea a 60ºC o a 55-57 ºC.55-57 ºC.
PRODUCCIÓN DE JARABES CON ALTO CONTENIDO DE FRUCTOSA (JACF) TECNOLOGIA PASADA Y
PRESENTE (INDUSTRIAS NOVO)
Parámetro Tecnología1976
Tecnología Actual
Operación alta
productividad
Operación normal
Operación bajo costo de
conversión
Concentración de Jarabe (% p/p) pH Temperatura °C Tiempo de vida media (h) Productividad (kg. jarabe/ kg. enzima) Actividad al desechar el catalizador (%)
40 – 45
8.4
65
500
1500
25
43 – 47
7.8
63 – 65
800
2500
25
43 – 47
7.5 – 7.8
60
1200 – 1500
3000 – 4000
10 – 15
43 – 45
7.6
55 – 57
1800
5000
10
El tiempo de residencia depende de la carga El tiempo de residencia depende de la carga de catalizador, la cual a su vez es función de de catalizador, la cual a su vez es función de la actividad específica de la enzima la actividad específica de la enzima inmovilizada.inmovilizada.
La temperatura depende de la operación de la La temperatura depende de la operación de la plantaplanta 266 h, si se opera a 57 ºC266 h, si se opera a 57 ºC 500 h, si se opera a 65ºC 500 h, si se opera a 65ºC Un óptimo entre productividad y costo es a 60 ºC Un óptimo entre productividad y costo es a 60 ºC
(1 400 h de vida media)(1 400 h de vida media) Una planta procesadora de 400 toneladas de Una planta procesadora de 400 toneladas de
almidón al día debe contar con 6 reactores de almidón al día debe contar con 6 reactores de 5 m de altura (50 m3 de lecho empacado), que 5 m de altura (50 m3 de lecho empacado), que funcionan entre cuatro y seis mesesfuncionan entre cuatro y seis meses
PRODUCCIÓN
Composición de los diversos jarabes fructosados existentes en el mercado
Jarabe Glucosa(%)
Fructosa(%)
Oligosacáridos
Primera generaciónSegunda generación*Tercera generación
425590
51429
731
(*) Poder edulcorante igual a la sacarosa.
Distribución de las aplicaciones de los jarabes fructosados en la industria alimentaria en
Estados Unidos
Sector Porcentaje
Bebidas no alcohólicasAlimentos procesadosPanaderíaHeladosConfiteríaOtros
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 Principales características de los jarabes maltosados y de la maltosajarabes maltosados y de la maltosa Alta higroscopicidadAlta higroscopicidad Baja viscosidad en soluciónBaja viscosidad en solución Resistencia a la cristalizaciónResistencia a la cristalización Bajo poder edulcoranteBajo poder edulcorante Menor tendencia al oscurecimientoMenor tendencia al oscurecimiento Alta estabilidad térmicaAlta estabilidad térmica La maltosa presenta menor presión La maltosa presenta menor presión
osmótica que la glucosaosmótica que la glucosa La maltosa es adecuada para diabéticos La maltosa es adecuada para diabéticos
por la mas lenta liberación de glucosa.por la mas lenta liberación de glucosa.
Composición de los jarabes maltosados (% con respecto a los azucares totales)
Azúcar Jarabes con alto
contenido de maltosa
Jarabes con extremadam
ente alto contenido de maltosa
Jarabes maltosados
de alta conversión
GlucosaMaltosamaltotriosa
0.5 – 345 – 6010 – 25
1.5 – 270 – 858 – 21
35 – 4330 – 478 – 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-glucopiranosil-D-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.
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.
EDULCORANTES DE NATURALEZA PROTEICAAspartamo
Producción enzimática del Producción enzimática del aspartamoaspartamo
Genex: Enzima, fenilalanina amonioliasa; Genex: Enzima, fenilalanina amonioliasa; Sustratos: ácido transcinámicoy amoniacoSustratos: ácido transcinámicoy amoniaco
Purification Engineering Inc.: Purification Engineering Inc.: Transeliminación de ácido fenilpirúvico Transeliminación de ácido fenilpirúvico con la enzima aminotransferasa de con la enzima aminotransferasa de Paracoccus denitrificans ( el fenilpirúvico Paracoccus denitrificans ( el fenilpirúvico se obtiene de ácido acetamido cinámico se obtiene de ácido acetamido cinámico con una amoniohidrolasa de con una amoniohidrolasa de Corynebacterium spCorynebacterium sp.) o la fermentación .) o la fermentación directa de glucosa.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 daniellii 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": Discoreophyllum cumminsii.
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: Richardella dulcifiea, 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.
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 L-azúcares, 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.
CONCLUSIONES
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.
El alitamo será sin duda el segundo péptido dulce en alcanzar el nivel comercial. Cuando se plantéa aplicar las técnicas que han dado lugar a la biotecnológia vegetal al sector de los edulcorantes, se pone de manifiesto un renglón de impacto sin precedentes:
Mejorar la palatabilidad, de forrajes e inclusive frutas para consumo humano, vía la expresión en el vegetal de proteínas como la taumatina.
