Aplicación de enzimas a nivel industrial

Prof. Rogelio Valadez Blanco

Ing. de Bioreacciones

M.C. en Productos Naturales y Alimentos

Regeneración de cofactores

1. Sólo 2 clases de enzimas son catalíticamente

activas sin requerir cofactores

2. Métodos eficientes para la producción y

regeneración de cofactores

3. Investigación actual

Oxidación de etanol a acetato

Regeneración de cofactores

por enzimas acopladas

Sistema reductasa-

deshidrogenasa

Aplicación industrial de enzimas

1. Usadas durante varios siglos

2. Reportes de uso en 1830 (pepsina)

3. Aplicaciones industriales: Finales del siglo XIX:

Primera patente (Tiakamine, 1984)

4. Enzimas de órganos de animales (Inicios siglo XX)

Aplicación industrial de enzimas

5. Industria floreció después de la 2nda Guerra Mundial

6. Primer proceso industrial (1960): conversión de almidón

en jarabe de glucosa.

Adelgazamiento de almidón (α-amilasa)

Sacarificación (glucoamilasa)

Aplicación industrial de enzimas

7. Últimas dos décadas: Herramientas de ingeniería

genética y proteómica amplían el espectro de

aplicaciones (50% mercado)

Aplicación industrial de enzimas

1. Aplicación en la industria tradicional:

Alimentación humana y animal

Lavandería

Papel

Textiles

Peletería

2. Nuevas áreas de aplicación

Farmacéutica

Químicos especializados

Aplicación industrial de enzimas

1. Función de las enzimas en bioprocesos:

Reacción principal

Aditivo

2. Enzimas de mayor aplicación

Hidrolasas

Industria de alimentos

α-Amilasa

1. Rompe enlaces α 1-4

α-Amilasa

1. Fúngica, aditivo en industria

panadera

cervecera

2. Bacteriana,

Licuefacción de almidón para subsecuente

producción de glucosa.

Se desean enzimas hipertermoestables, ácido

tolerantes y poco dependientes de Ca++

Glucoamilasa

1. Hidrólisis de dextrinas a partir de almidón adelgazado

con α-amilasa

Glucoamilasa

1. Reacción afectada por equilibrio: para altas

concentraciones de producto se revierte la reacción

(maltosa e isomaltosa)

2. Enzimas adaptadas a condiciones del proceso

3. Proceso industrial: reacción en solución (rendimientos

del 96 al 98 eq. de glucosa)

Pectinasas

1. Pectinas o polisacáridos pécticos

Heteropolisacáridos que forman las paredes celulares de

plantas y proveen características gelificantes. Estos

polímeros son ricos en ácidos galacturónicos.

2. Mezclas de diferentes enzimas

• Pectina metilestearasa

• Poligalacturonasa

• Liasa péctica

Pectinasas

2. Aplicaciones:

• Extracción de jugos de frutas

y vegetales

• Clarificación de jugos

• Elaboración de vinos

(maceración, clarificación y

maduración)

Pectinasas

Pectinasas alcalinas:

Desgomado de fibras textiles

Tratamiento de aguas residuales pécticas

Fermentaciones de te y café

Celulosa

Homopolímero más abundante de plantas

compuesto por moléculas de β-glucosa, unidos por

enlaces β-1-4-O-glucosídico.

Celulasas

1. Complejo enzimático:

Endo-enzima hidrolasa (1,4 β-D-glucan-glucano

hidrolasa)

-Rompe de manera aleatoria enlaces internos

Exo-enzima hidrolasa (1,4 β-D-glucano celobiohidrolasa)

- Rompe las cadenas expuestas en dimeros o tetrámeros

Celobiasa (β-D-glucósido glucohidrolasa)

- Produce monosacáridos a partir de los productos de la

exocelulosa

2. Acción sinérgica para romper fibras de celulosa a

glucosa

Aplicaciones de celulasas

1. Alimentos de humanos y animales, detergentes, textiles

y farmacéuticos

2. Extracción de jugos, aceites y agar

3. Lavado enzimático de telas de mezclilla y algodón

(biopulido)

Aplicaciones de celulasas

4. Sustituto del clorado de pulpa de madera para

producción de papel.

5. Ligninasas: complejas y requieren coenzimas.

β-glucanasa

Granos usados en nutrición animal:

Cantidad considerable de β-glucanos envuelven

proteínas y almidones

Reducen el valor nutricional

Uso de β-glucanasa incremento considerable en la

asimilación de nutrientes

Problema tecnológico:

en desarrollo de alimentos, se usan altas temperaturas

y condiciones

Fitasa y β-glucanasa

Nutrición de animales monogástricos

Polisacáridos no almidonosos tienen actividad antinutritiva

Fitasa y β-glucanasa:

mejoran el coeficiente alimentación/peso de animales

reducen contaminación

Ácido fítico

Compuestos orgánicos que contienen fósforo, presentes

principalmente en fibras y semillas de vegetales

Fitasa

Rompe el ácido fítico no digerible

Aumenta digestibilidad

Libera fósforo digerible (en 20%)

Disminuye el desecho de fosfatos en el excremento

(25-30%)

Mercado creciente

Costos altos de granos

Preocupación de contaminación por fósforo

Fitasas de levaduras

β-Galactosidasa (lactasa)

Rompe lactosa en sus constituyentes monoméricos;

Glucosa

Galactosa

Monómeros son mucho más digeribles que la lactosa:

industria láctea.

Intolerancia a la lactosa (deficiencia de lactasa)

Deficiencia étnica: más severa en bebés y niños

Afecta a millones de personas en el mundo

Leche baja en lactosa

Éxito comercial: se encuentra en todos los supermercados

Previene la formación de cristales en dulces de leche y

helados

Ayuda a mejorar la fermentación de la leche en la

producción de yoghurt

Monómeros tienen mayor poder edulcorante y desarrollo

de color

Bioproceso: reactores con enzimas inmovilizadas

Tabletas de enzima se venden en farmacias

Suero de leche

Mejoras del suero de leche mediante la hidrolisis de

lactosa

Mayor importancia: protección ambiental

Suero hidrolizado se puede usar:

Suplemento alimenticio

Alimentación de animales

Producción de etanol

Sustrato en la producción de jarabes

Poder edulcorante similar al de la sacarosa

PROTEASAS

Categoría más grande de enzimas industriales

Proteasas derivadas de microorganismos (ácidas y

neutras):

Amplia aplicación para la producción de hidrolizados

proteicos

Uso en alimentos: elaboración de quesos (sustitutos de

renina)

Proteasas derivadas de plantas (ácidas y neutras) (15%):

Fabricación de farmacéuticos y algunas aplicaciones en

alimentos

PROTEASAS

Ingeniería enzimática y genética:

preparaciones enzimáticas más potentes y estables.

Proteasas alcalinas:

Importancia clave en formulaciòn de detergentes

(1960)

Pancreatina

Industria peletera y ayuda en la digestión

Extracto multienzimático con actividad:

Proteolítica

Lipolítica

Amilolítica

Aminoacilasas

Usadas en la producción de L-aminoácidos para nutrición

humana y animal

Enantioespecificidad de la enzima para hidrolizar

selectivamente el enantiómero L de la mezcla racémica

previamente acilada.

El L-aminoácido se puede separar fácilmente

Primer proceso a gran escala usando enzimas

inmovilizadas.

Glucosa isomerasa

El desarrollo tecnológico enzimático más importante

Desarrollado en los 60´s

1970: importancia industrial (uso de enzimas

inmovilizadas)

Jarabe de alta fructosa: producción multimillones de ton.

40% mercado de edulcorantes (bebidas ligeras)

55% fructosa es equivalente a 100% sacarosa

Glucosa isomerasa

Reacción reversible: obtención de 42% fructosa

Enriquecido posteriormente por cromatografía

Investigación: reducir pH óptimo, estabilidad térmica y en

presencia de Ca++.

Penicilin acilasa

Producción industrial de antibióticos semi-sintéticos -

lactam.

Hidrólisis de penicilina G y cefalosporina G con penicilna

acilasa inmovilizada

Ha reemplazado al proceso químico – caso de éxito de

bioproceso industrial enzimático

Biocombustibles

1. 1970 Producción de bioetanol (4 bn de litros al año)

2. Auge actual. Crisis energética

3. Producido a partir de

Granos de maíz

Caña de azúcar

4. Granos de maíz:

α-amilasa

glucoamilasa

5. Fuentes de menor energía: lignocelulosas.

Producción de alcohol a partir de lignocelulosa.

Producción de bioetanol

A partir de xilosa derivada de hemicelulosas, se

combierte a xilulosa

La xilulosa puede ser metabolizada por levaduras

comerciales como Saccharomiyces cerevisiae o S.

pombe.