PRODUCCIN Y APLICACIN DE ENZIMAS INDUSTRIALES

PRODUCTION AND APPLICATION OF INDUSTRIAL ENZYMES

JORGE ELICER CARRERA 1

PALABRAS CLAVE:

Enzi mas, l ipasa pancre ti ca ,tripsina.

KEY WORDS:

Enzyme, lipasa pancreatic, tripsin.

RESUMEN

La produccin de enzimas para uso industrial tuvo sus orgenes en Dinamarca yJapn, a finales del siglo XIX, cuando se produjeron las primeras preparacionesde renina a partir del estmago de terneros y de amilasa de origen fngico. Lasenzimas son productos de las clulas y por lo tanto pueden obtenerse a partir detejidos animales, tejidos vegetales o mediante procesos de fermentacin 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 pia. La cebada malteada tambin ha sidofuente importante de enzimas vegetales. La industria cervecera ha empleadotradicionalmente este material crudo por su actividad protesica y amilsica. Encuanto a las enzimas de origen animal, se han obtenido pocas, por ejem- plolipasa pancretica 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 fngy origin took place. The enzymes are

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Recibido para evaluacin: Noviembre 29 de 2002. Aprobado para publicacin: 28 de febrero de 2003.

1 Facultad de Ciencias Agropecuarias, Departamento de Ingeniera Agroindustrial, Universidad del Cauca, PopaynGrupo de investigacin Asubagroin, Director.

Correspondencia: Jorge Elicer 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 protesica and amilsica activity. As far as origin enzymes animal, few have been obtained, forexample lipasa pancretic 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 c-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 unpequeo porcentaje del total de ventas. Sin embargo, laproduccin de enzimas intracelulares es de gran interspor varias razones. Con los avances en las tcnicas deinmovilizacin, el uso de enzimas y clulas inmovilizadasest en aumento. Por ejemplo, se han establecido pro-cesos comerciales para la produccin de jarabes defructosa usando glucosa iso-merasa. (1,2)

Enzimas Extracelulares

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

Estabilidad de las Enzimas

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

Diagrama de flujo para la produccin de enzimas a par- tirde tejidos animales o vegetales (Figura 1)Diagrama deEnzymes Biotechnology. (3)

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

Unas 20 compaas de Europa, Japn y Estados Uni-dos realizan la produccin 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 aos 70 y este ha sido paralelo con eldesarrollo de un gran nmero de aplicaciones en la in-dustria alimentara. (3)

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

En Colombia no hay produccin de enzimas a escala in-dustrial, siendo importadas de diversos pases de Europa,tambin de Japn , Estados Unidos , Canad y Mxico. (2)

La impor tacin de enzimas en Colombia se hace en sumayor par te a travs de representantes o casas comer-ciales pero algunas industrias de cervecera, molineray lcteos hacen impor tacin directa de las enzimas querequieren. (2)

CARBOHIDRASAS

Amilasas

Se encuentran ampliamente distribuidas en la naturale-za, son las enzimas responsables de la degradacin delalmidn, hidrolizan los enlaces glucosdicos a-1-4. Lasamilasas se pueden dividir en tres grupos: a amilasas

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Figura 1. Diagrama de flujo extraccin y obtencin de enzimas.

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

Recepcin PICADOTANQUE DE

AJUSTEDE pH

Decantador precipitacinActivacin-

estabilizacin

Sal de Sulfato

Secado Molienda TamizEmpaque

yventa

FUENTE: Diagrama de Flujo cedido por Enzymes Biotechnology (3)

(E.C. 3.2.1.1), las cuales rompen al azar los en-laces en el interior del sustrato (endoamiladas); b-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 b -amilasas estn presentes en la mayora de lasplantas superiores, estn ausentes en los mamferos ysu existencia en microorganismos es dudosa. Se hancristalizado b amilasas a par tir de trigo, malta de ceba-da, patata dulce y soya. La enzima hidroliza nicamenteenlaces glicosdicos a 1-4, con inversin en la configu-racin del C 1 en el glicosido, de la forma a a la forma b.Este cambio de configuracin es la razn por la cual laenzima se llama beta amilasa. (5)

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

Glucoamilasa (amiloglucosidasa) (E.C.3.2.1.3)

El principal producto final de la accin de laglucoamilasa sobre el almidn es glucosa, lo que ladiferencia claramente de las a y b amilasas. La enzimatambin produce pequeas cantidades de oligosa-cridos. La sacarificacin del almidn puede alcanzarhasta 96% de dextrosa. La accin de la enzima causainversin de la configuracin, 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-dn nativo. Su actividad es mxima entre pH 4 y 5.5, ytemperatura alrededor de 55-65 0C. La rata de reaccincae rpidamente a medida que disminuye el tamao dela molcula de sustrato, siendo mxima sobre almido-nes previamente sometidos a licuefaccin. (8)

Enzimas desramificantes

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

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sistema amilo 1-6 glucosidasa (EC 3.2.1.33)/oligo1-41-4 glucantransferasa (EC 2.4.1.24). Por el contrario, laaccin de las enzimas indirectas requiere la modificacinprevia del sustrato con otra enzima. Este ltimo grupo pue- desubdividirse en pululanasas e isoamilasas. (9)

Las pululanasas de orgen microbiano han sido aisla-das de Aerobacter aerogenes, Escherichia intermedia yStreptococcus mitis. Las enzimas actan sobrepululano, amilopectina, glicgeno y dextrinas. El nicoproducto de reaccin es maltosa . La temperatura pti-ma est alrededor de 45 0C y el pH entre 4 y 5. (9)

Celulasas (EC 3.2.1.4)

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

Invertasa (EC 3.2.1.26)

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

El pH ptimo es 4.5, pero se logra un 80% de actividaden el rango entre 3.5 4.5. Tienen actividad mximaentre 50-60 0C. El efecto de la concentracin de sustratoes de par ticular relevancia, ya que la mxima actividadse logra con concentraciones de sacarosa del 5-10%. Aconcentracin de sacarosa del 70% la actividad es solode 25% del mximo. (10)

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

Lactasa (b galactosidasa) (EC 3.2.1.23)

Hidroliza los residuos terminales de a D galactosa, apar tir de b galactsidos. Tambin 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 fngicas pueden generalmente serusadas a mayores temperaturas y menores pHs.

b Glucanasas

Consisten en una serie de preparaciones de orgenfungico y bacteriano, que usualmente presentan variasactividades juntas siendo predominante la actividad3.2.1.6., actividad endohidrolasa de amplia especifici-dad que acta sobre enlaces b 1-3 y/o b 1-4 de b Dglucanos. Otras glucanasas presentes pueden incluruna b 1-3 glucano hidrolasa especfica (EC 3.2.1.39) ,una b 1-2 glucanohidrolasa especfica (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 Pcticas

El trmino 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 acta paradesesterificar pectinas, removiendo los grupos metoxilo yproduciendo cido pctico. (3)

Enzimas despolimerizantes que actan principalmentesobre pectina, cidos ppticos y protopectina. (3)

ENZIMAS PROTEOLITICAS

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

Papana (EC 3.4.22.2)

El trmino papana se aplica tanto a las preparacionesenzimticas crudas obtenidas del latex de papaya comoa las distintas fracciones proteicas del mismo. Lasenzimas papana y quimopapana son las principales

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

Bromelina (3.4.22.4)

Se obtiene del jugo, de la fruta o de los tallos de la pia( Ananas comosus). Es una glicoprotena del grupo delas cisten proteasas. Acta de preferencia sobre losaminocidos bsicos y aromticos de las protenas. SupH ptimo vara con el sustrato, en el rango de 5 a 8.Tiene baja tolerancia trmica. 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 protenas solubles de la cer-veza que pudieran precipitar y causar opacidad por elenfriamiento. (10)

Ficina (EC 3.4.22.3)

Es una cisten proteasa como la papana. Se obtienedel latex de las plantas del gnero Ficus. Presentahidrlisis preferencial por los aminocidos aromti-cos. El pH ptimo vara con el sustrato y se encuentraen el rango 5-8. La temperatura ptima est alrede-dor de 60 0C, inactivndose completamente a 80 0C.(10)

Renina o Quimosina (EC 3.4.23.4)

Es una proteasa cida, aislada del estmago de los ter-neros jvenes, utilizada para precipitar la casena sinpromover un nivel de protelisis elevada. En los terne-ros maduros, la quimosina se reemplaza por pepsinacomo enzima mayoritaria a nivel estomacal. La pepsinacausa un grado superior de protelisis en la leche encomparacin con la quimosina, con lo cual se formanpptidos cor tos con sabor amargo que afectan la cali-dad final de los quesos. (9)

LIPASAS (EC 3.1.1.3)

Las enzimas lipolticas constituyen un impor tante gru-po de enzimas asociado con el metabolismo y degrada-cin de grasa. Estas enzimas hidrolizan triglicridosdando lugar a mezclas de cidos grasos libres,monoglicridos y diglicridos. Las lipasas son de inte-rs a la industria de alimentos porque si no se contro-lan pueden dar lugar a rancidez indeseable en los pro-ductos lcteos, crnicos y otros que contengan grasa.

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Por otra par te, las lipasas son esenciales para la pro-duccin de sabores y aromas caractersticos 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 mayora de microorganismos capaces de crecer so-bre una fuente de xilosa.(2)

PROCESOS INDUSTRIALES QUE APLICANENZIMAS

Industria del almidn y del azcar

Dependiendo de las enzimas utilizadas, a par tir del al-midn se pueden obtener jarabes de diferente compo-sicin y propiedades fsicas. Los jarabes se utilizan enuna variedad de alimentos tales como gaseosas, dul-ces, productos horneados, helados, salsas, alimentospara bebs, frutas enlatadas, conservas, etc. (10)Hay tres etapas bsicas en la conversin enzimtica delalmidn: licuefaccin, sacarificacin e isome-rizacin.

Productos Lcteos

La aplicacin de enzimas en el procesamiento de lecheest bien establecida ,por el uso del cuajo (quimosina)en la produccin de queso , que tal vez representa elempleo ms antiguo de enzimas en alimentos. Otrasenzimas que par ticipan en la produccin de quesos sonlas lipasas presentes en la leche, las cuales hidrolizan elcomponente graso, proporcionando cambios caracte-rsticos en el sabor. Para algunos quesos se puedenaumentar las lipasas naturales, aadiendo enzima extra.Por otra par te, tambin se recomienda agregar enzimasexgenas de tipo proteoltico para acelerar el procesode maduracin 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 hmedos la tendencia

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ser a tener alta actividad de a amilasa debido agerminacin de los granos, en tanto que en climas secos elnivel de a amilasa ser bajo debido a escasagerminacin. 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 pcticas para la cla-rificacin del jugo de manzana. Actualmente las enzimaspcticas 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- cin,parte se satura con el jugo y parte permanece en las paredescelulares. Las enzimas pcticas se usan para faci- litar elprensado, la extraccin del jugo y la clarificacinayudando a la separacin del precipitado floculento.(2)

Procesamiento de Carne

Las enzimas impor tantes para ablandar carne sonproteasas de orgen 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 protelisis im-portante. (9)

Industria Cervecera

La cebada se utiliza tradicionalmente para la fabricacin debebidas alcohlicas como la cerveza. En su produc- cinse deben considerar dos operaciones distintas: lamaltera y la cervecera. (10)

La preparacin de la malta se logra por germinacin dela cebada, durante la cual se incrementa el contenido de aamilasa. Las enzimas a y b amilasas naturalmentepresentes en el grano actan sobre el almidn produ-ciendo dextrinas y maltosa, que sirven como sustratospara la fermentacin posterior. Las proteasas degradanprotenas formando aminocidos y pptidos. Hay mu-chas enzimas disponibles comercialmente para el pro-ceso cervecero, pero todas ellas caen en tres catego-ras: proteasas, amilasas y glucanasas. La accin deestas enzimas durante las primeras etapas consiste en

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mejorar la licuefaccin del almidn, regular el conteni-do de azcar y nitrgeno, mejorar la extraccin, facilitarla filtracin y controlar la turbidez. En la filtracin delmosto reduccin de las gomas y de la viscosidad. En laebullicin, control de la turbidez, eliminacin final delalmidn. En esta etapa se inactivan las enzimas. Duran-te la fermentacin y maduracin la adicin 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 enzimastambin se pueden usar para producir aceites y grasasnovedosas. (2)

Lipasas especficas, pueden seleccionar los cidosgrasos de algunas posiciones del triglicrido, paraincorporar determinados cidos grasos, sin cambiarlos de otras posiciones. De tal manera que es posiblemodificar por interesterificacin el contenido de ci-dos grasos, o por transesterificacin lograr el rearreglode algunos de ellos. (3,4)

Por ejemplo la mantequilla de cacao se requiere en laproduccin de chocolate y con frecuencia la disponi-bilidad y el costo fluctan ampliamente. Sin embargo,aceites como el de palma son baratos y se encuentrabuen abastecimiento. Lo que se plantea es modificarel aceite de palma por reaccin con cido estericomediante interesterificacin enzimtica. La grasa re-sultante tiene propiedades similares a la mantequillade cacao. (5)

Industrias de Pulpa y Papel

La mayora de las fabricas de pulpa y papel cierran posperiodos prolongados, una o dos veces al ao. 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 poblacin bacterianase encuentra generalmente disminuida a una fraccinde lo que es necesario para la produccin de un efluentede alta calidad. (6)

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Tratamiento de Desechos

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

Empresas de servicios como hoteles, cafeteriasentre otras

Sustancia creada con la ms avanzada tecnologa, queconsiste en una mezcla sinrgica concentrada de ba-cilos, que descomponen la materia orgnica con pre-sencia de almidn, grasas, protenas y celulosa. (3)

REFERENCIAS

(1) Gacesa P. Y Hubble J. Tecnologa de la Enzimas.( Acribia. Zaragoza. Espaa 1990).

(2) Illanes A. Biotecnologa de Enzimas. EdicionesUniversitarias. Universidad Catlica de Valparaso.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 Amricaand the caribbean Elec tronic Journal o fBiotechnology,

(7) Universidad Catlica de Valparaso, Vol. 3 No 1,abril 15.

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

(9) Cabra J y Snchez, M (1997). Biotecnologapara el desarrollo en Colombia Innovacin yciencia Vol. VI, No 3 P. 44-52 Mercado y consu-mo.

(10) Carrera, J. (2002). Mdulos de Biotecnologa,Enzimas Industriales, Biorreactores, Varia-bles de Cont rol , Guas de Laborator io yBiotecnologa Agrcola y Vegetal Facultad deCiencias Agropecuarias, Universidad del Cauca.