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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  de Tecnología Química", Tomo II
  Editorial Hispanoamericana, 1ra
  Edición, México.

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

Primer edición 2002.

Autor:

Santiago