Métodos de obtención glucosa, sacarosa e inulina

Hipótesis de trabajo

Métodos de obtención alterna que permitan un desarrollo industrial, económico y ambiental.

Situación Problemática:

Durante años se ha obtenido estos productos de una manera industrial convencional a partir del uso de maquinaria, recursos naturales y contaminación de los suelos. Por lo que debemos desarrollar e impulsar métodos de obtención alterna a los convencionales, que sean eficaces y promuevan el desarrollo de la industria, la economía y ambiente.

Problema Científico:

Plantear métodos alternos para la obtención de carbohidratos con la misma eficiencia que los convencionales.

Objetivo General:

Presentar métodos de obtención de carbohidratos, mediante una explicación de cada uno para dar hincapié al desarrollo e implementación de estos.

Objetivo Específico:

Observar el método alterno

Realizar una comparación con el método convencional

Obtener el más apto para una producción

Obtención de glucosa a partir de almidón de yuca (Manihot sculenta)

Este proyecto consistió en la producción de glucosa a partir de almidón, utilizando la hidrólisis enzimática. Para ello se probaron muchas variables como enzimas obtenidas de Aspergillus niger, Bacillus subtilis y Aspergillus oryzae, a diferentes temperaturas, pH y concentraciones de sustrato

La yuca (Manihot sculenta) es una planta originaria de la América tropical. Los principales países productores son Brasil, Zaire, Nigeria e Indonesia

La hidrólisis del almidón se puede hacer por dos vías: ácida o enzimática. La hidrólisis ácida del almidón a

glucosa es una técnica que tiene muchas desventajas: formación de productos no deseables y flexibilidad muy pobre (el producto final sólo se puede modificar cambiando el grado de hidrólisis), por último es necesaria que el equipo resista el ácido y las temperaturas requeridas durante el este proceso. La hidrólisis enzimática en los últimos 30 años ha desplazado la hidrólisis ácida, debido a que se dispone de nuevas enzimas.

Hoy en día la mayor parte de la hidrólisis de almidón se realiza usando enzimas, ya que esta técnica presenta ventajas como: control de la formación de productos no deseables y mayor flexibilidad del producto.

Métodos de Análisis

1.- Determinación de humedad

2.- Determinación de ceniza

3.- Determinación de grasa

4.- Determinación de la fibra bruta

5.- Determinación de carbohidratos

Caracterización de las enzimas

Para realizar la hidrólisis del almidón, la industria Novo Nordisk, productor de enzimas, suministro dos tipos de enzimas diferentes con las que se realizaron las pruebas de laboratorio. Cada enzima tiene rangos de funcionamiento óptimos.

Cinética de la reacción con amiloglucosidasa AMG

300 L de Aspergillus níger

A la solución de almidón se le agregó, CaCl2 y buffer fosfato 0.1 M hasta ajustar el pH e un valor de 6.0;

seguidamente, se agregó la cantidad de la enzima ?- amilasa requerida para la relación enzima/sustrato fuera del 0.1% en peso. Se ajustó la temperatura a 70 ºC y se dejó reaccionar durante 120 min conservando estables las variables anteriormente mencionadas.

Posteriormente, se ajustó de nuevo el pH a 4.8 y manteniendo siempre la temperatura constante (65 ºC), se

agregó enzima glucoamilasa en una proporción enzima/ sustrato de 0.25%. Se dejó reaccionar la mezcla

durante 43 horas continuas tomando muestra durante intervalos determinados para establecer la producción

de glucosa.

Composición del almidón de yuca

Posee una humedad por encima de la reportada como parámetro por el ICONTEC para almidones. Una humedad del 16.42%, aunque no afecta directamente el rendimiento del proceso planteado en este trabajo, es un riesgo en el almacenamiento del almidón, ya que se genera una actividad de agua (Aw) propicia para el ataque de microorganismos, que no sólo afecta la calidad de este, sino también la calidad del producto final por la acumulación de pirógenos

Proceso industrial de la fabricación del azúcar a partir de la remolacha

Introducción

– Las principales zonas de cultivo de la remolacha azucarera están en las regiones de clima templado de Europa y Norteamérica.

• En las regiones subtropicales, el cultivo tiene lugar en los meses invernales.

• Crecen óptimamente en suelos limosos profundos.

• Como cultivo intensivo, requieren una fertilización integral mineral suficiente.

• Las remolachas sólo pueden cultivarse cada cuarto año en el mismo campo, el área de adquisición de una fábrica de azúcar de remolacha es muy extensa.

• El periodo de vegetación es en general de 5 a 6 meses.

• El contenido de azúcar se mueve entre el 16 y el 18 %.

Proceso de fabricación

Las remolachas se cortan para el proceso de extracción. En la central azucarera  son sometidas a un proceso de lavado con agua, de modo que la tierra, piedras, hojas y cualquier residuo o elemento extraño sean eliminados. Posteriormente es cortada en unas rebanadas delgadas denominadas "cosetas". Las dimensiones son de 2 o 3 milímetros de ancho para obtener los mejores resultados en la siguiente fase.

La difusión consiste en la extracción del azúcar en agua caliente (a 70 o 80oC). Esta fase del proceso puede ser realizada dejando las cosetas inmersas en el agua o en modo continuo, en contra corriente.

Purificación del extracto

Se obtiene un jugo con azúcar y otras soluciones. Primero se separan mecánicamente las partículas de fibras y células vegetales. En la industria del azúcar de remolacha ha demostrado su eficacia la carbonatación cálcica en varias fases, un procedimiento de purificación del jugo en el que se añade al mismo tiempo cal y dióxido de carbono. Floculantes sintéticos, especialmente polielectrolitos, mejoran la aglomeración de las partículas y acortan el tiempo de sedimentación en el decantador. Otra propiedad de la cal es la de alcalinizar el jugo. Primero se agrega la cal gradualmente al 0,3%, y se hacen precipitar las sustancias en suspensión (defecación). En un segundo momento se agrega más cal y continúa el precipitado de otras sustancias (segunda defecación). Finalmente se agrega CO2 que reacciona con la cal que quedó en el jugo formando CaCO3.

Posteriormente se procede a hacer decantar el jugo, y luego se pasa al filtrado y posterior concentración en la estación de evaporación.

Cocción y cristalización del azúcar

• Cocción.- Es sometido a un vacío de aproximadamente el 80 %. Gracias a la escasa presión en la que se opera el hervor puede ser obtenido a temperatura reducida, con lo que se impide una coloración por caramelización. Una vez alcanzada un grado de saturación entre agua y azúcar se forman cristales. La masa viscosa que se forma al final de la cocción es la masa de relleno que es enviada a los cristalizadores, en donde el enfriamiento constante favorece la creación de más cristales de sacarosa.

• Centrifugación.- La parte liquida que se separa contiene aun azúcar disuelto, por lo tanto es enviado a una nueva cocción.

Después de la centrifugación se obtiene un líquido denso, un jarabe llamado melaza.

Refinación

El azúcar obtenido se vuelve a disolver en agua caliente (a alrededor de 80oC) y a un pH de 7,5. Luego la solución obtenida se concentra al vacío. Posteriormente se adiciona carbón activado (al 0,1%), se mezcla y después se filtra. El producto es una solución clara y densa, la cual será enviada a cocción, cristalización y centrifugación.

Finalmente los cristales de azúcar son molidos y luego almacenados. El azúcar se vende en polvo o en terrones. Para ello, los cristales procedentes de la refinería se someten a diferentes tratamientos. Finamente molidos, se obtienen diferentes tipos de azúcar en polvo. Para obtener los terrones de azúcar, se toman los cristales aún húmedos y se prensan en pequeños moldes

Almacenamiento

Puede almacenarse a granel, empacado (bolsas de 1 kg) o ensacado(en sacos de 50 ó 100 kg). Decisiva para un almacenamiento correcto es una humedad relativa del aire de aproximadamente el 60 % en la bodegas. Aquí se sitúa aproximadamente el punto en el que se establece un estado de equilibrio entre la absorción y la salida de humedad de los cristales de azúcar.

USOS

• Edulcorante.-La característica principal de la sacarosa es su dulzura. 

• Fuente de Energía.- La sacarosa es una fuente de energía para el cuerpo, ya que es un carbohidrato de calorías, lo que significa que proporciona 4 calorías por gramo. 

• Conservación.- Extrae la humedad de las bacterias. Es esta característica la que permite que el azúcar se mantenga en buenas condiciones en la despensa durante meses o incluso años.

• Belleza y limpieza.- El azúcar actúa como un agente abrasivo, lo que significa que tiene la capacidad de desgastar a otra cosa. 

• Cebo

Insectos como moscas, hormigas y cucarachas son atraídas por el azúcar. El azúcar, por lo tanto, es un cebo no tóxico de plagas.

• Jardinería

El azúcar también puede ser un aditivo útil para la tierra del jardín, ya que proporciona un ambiente inhóspito para los nematodos (parásitos del gusano) que atacan a las plantas de jardín. Además de deshacerse de estas plagas, el azúcar también nutre las plantas, lo que las hace más grandes y más fuertes. Incluso las flores cortadas pueden permanecer frescas durante más tiempo si se agrega azúcar al agua del jarrón.

Inulina

La inulina es un carbohidrato no digerible que está presente en más de 36.000 especies de plantas.

Fue aislada por primera vez en 1804, a partir de la especie Inula helenium (Enula o Helenio), por un científico alemán de apellido Rose y en 1818, Thomson, un científico británico, le dio el nombre actual.

PRESENCIA DE LA INULINA

Entre las especies de plantas que producen fructanos se identifican las de la familia Liliaceae (ajo, cebolla espárrago) y la familia Asteraceae (achicoria).

Las especies con mayor contenido de inulina la almacenan en la parte subterránea de la planta. Aunque otras especies presentan altos contenidos de fructanos en sus partes aéreas como es el caso de las Poáceas, pero corresponden con bajo rendimiento de extracción a nivel industrial.

Hoy en día la especie de la que se obtiene inulina a nivel industrial es la Achicoria (Cichorium intybus).

ASPECTOS GENERALES

La inulina y sus derivados (oligofructosa, fructooligosacáridos) están constituidos por moléculas de fructosa unidas por enlaces ß-(2-1) fructosil-fructosa. El término "fructanos" es usado para denominar este tipo de compuestos con cadenas lineales de fructosa.

Las cadenas de fructosa tienen la particularidad de terminar en una unidad de glucosa unida por un enlace (((1,2) (residuo -Dglucopiranosil), como en la sacarosa, pero también el monómero terminal de la cadena puede corresponder a un residuo de (-D-fructopiranosil.

Degradación enzimática

La inulina no es degradada por la enzima humana amilasa, presente en la saliva y secreción pancreática, puesto que sus enlaces ß(2-1) resisten la acción de esta enzima. La inulina atraviesa la mayor parte del tracto digestivo prácticamente sin cambios y es sólo en el colon y en la primera porción del intestino grueso las bacterias degradan la inulina.

Obtención industrial de inulina

• La producción industrial de la inulina y sus derivados se obtiene exclusivamente de la raíz de la achicoria.

• La oligofructosa se puede sintetizar a partir de la sacarosa, la cual es sometida a transfructosilación por acción de la enzima ß- fructofuranosidasa.

• Existen productos comerciales que son mezclas entre inulina y oligofructosa, por ejemplo el Synergy 1®, otro producto derivado de la inulina está la carboximetilinulina (CMI), un compuesto obtenido por carboxilación de la inulina.

A nivel industrial, la inulina se presenta como un polvo blanco, sin olor, con sabor neutral y sin efecto residual.

PRODUCCIÓN ECUADOR Y EN EL MUNDO

• Durante 2003 la inulina apenas alcanzó una participación del 0.06% en las transacciones comerciales realizadas en el ámbito mundial, las cuales equivalían a 3,300 millones de dólares. Para 2010 el mercado mundial aumentará su capacidad a 12 mil millones de dólares.

• A nivel internacional Europa es el continente más avanzado en la producción de inulina a partir de la achicoria y a la vez este continente es el principal consumidor de inulina; siendo Inglaterra el líder mundial en la producción de prebióticos (inulina).

CIFRAS EXPRESADAS EN MILES DE DOLARES AMERICANOS

IDENTIFICACIÓN DE LA INULINA

• "Fructanos en productos alimenticios, método de cromatografía de intercambio iónico"

• "Método enzimático espectrofotométrico de medición de fructanos totales en alimentos"

El contenido de fibra total es la suma de las cantidades obtenidas por los dos métodos separados. Para cuantificar la fibra no proveniente de fructanos se debe incluir en el método una etapa donde se adicione la enzima inulinasa para evitar que cierto porcentaje de inulina sea contabilizado dos veces.

OTROS MÉTODOS

• TÉCNICA DE HPLC se emplea para determinar las cantidades relativas de los diferentes compuestos que se encuentren presentes (glucosa, fructosa, sacarosa), pero no es muy preciso para compuestos de grado de polimerización mayores a 5 (GP > 5).

• CROMATOGRAFÍA DE GAS CAPILAR, útil para la determinación cuantitativa de fructanos con GP menor a 10.

• POR PERMETILACIÓN Y POSTERIOR CROMATOGRAFÍA CAPILAR DE GASES Y ESPECTROMETRÍA DE MASA Este procedimiento se puede estudiar las características particulares de la estructura química del fructano, el tipo de enlace y la frecuencia de ramificación

Usos de la inulina

USOS INDUSTRIALES

Como base para la obtención de las bebidas alcohólicas y como biocombustible.

USOS ALIMENTARIOS

La inulina se usa para reemplazar a las grasas, abaratando costos, pues proviene fácilmente de muchas fuentes vegetales.

USOS MÉDICOS Y TERAPÉUTICOS

Se ha utilizado en la práctica clínica para medir el índice de infiltración glomerular lo que indica el volumen sanguíneo que filtra el riñón por unidad de tiempo.

OTRAS APLICACIONES DE LA INULINA

• Usados en la alimentación animal, para disminuir malos olores en las heces fecales de animales domésticos como perros y gatos.

• En la sustitución del uso de antibióticos profilácticos en pollos, conejos y cerdos.

• En la industria farmacéutica como material excipiente en tabletas, coadyuvante en vacunas y también como ingrediente estructurante en detergentes.

• En la industria química y de procesamiento se usa la inulina y la carboximetil inulina (CMI), como agente quelante y anti-incrustante de tuberías, contenedores, cámaras de reacción y separación.

Conclusiones

• La inulina es un compuesto que se encuentra de manera natural en muchas especies vegetales y que actualmente se produce a escala comercial por extracción a partir de la raíz de la achicoria.

• La inulina y sus productos derivados están formados básicamente por cadenas lineales de fructosa y pueden tener o no una unidad terminal de glucosa

• La inulina y derivados tienen aplicación en la industria química, farmacéutica, de procesamiento y la de alimentación animal.

Bibliografía

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• 10. Carrera, Jorge, Módulos de Biotecnología.Enzimas industriales, Universidad del Cauca,

Primer edición 2002.

Autor:

Santiago