Enzimas comerciales

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