FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS

ESCUELA DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

“PRODUCCIÓN DE ENZIMAS MICROBIANAS

– EDULCORANTES – ÁCIDOS ORGÁNICOS”

CURSO :

Microbiología de los Productos Agroindustriales

DOCENTE :

Prof. Nelly Vásquez Valles

Prof. Pedro Alvarado Salinas

Prof. Icela Rodríguez Haro

ALUMNOS :

Agreda Valverde, Julio Humberto Alva Pretel, Heiler Antoni Arteaga Santisteban, Anderson

Stiben Atoche Moscoso, Miguel Ángel Avila Gamboa, Manuel José Bazán Cruz, Eduardo Daniel Cabellos García, Julissa María Cabrera Sánchez, Jorge Alexander Cruz Tirado, Luis Jam Pier

CICLO :

VII

TRUJILLO – PERÚ

2013

Presentación

El siguiente informe esta orientado a contribuir al aprendizaje de los estudiantes del curso de Microbiología de los Productos Agroindustriales en el área de la biotecnología y como esta ciencia ha ido evolucionando para mejorar los

procesos de producción y el papel fundamental de los microorganismos en al contribución al desarrollo de la

industria de alimentos y afines. Esperamos que el informe cubra con sus expectativas y que siembre en ustedes las ganas de abrirse camino en este campo importante de

desarrollo alimentario.

Gracias

PRODUCCIÓN DE ENZIMAS MICROBIANAS

I. HistoriaLa producción de enzimas para uso industrial tuvo sus orígenes en Dinamarca y Japón, a finales del siglo XIX, cuando se produjeron las primeras preparaciones de renina a partir del estómago de terneros y de amilasa de origen fúngico. Las enzimas son productos de las células y por lo tanto pueden obtenerse a partir de tejidos animales, tejidos vegetales o mediante procesos de fermentación empleando microorganismos seleccionados. Las plantas han sido la fuente tradicional de ciertas enzimas. A partir del látex producido por la papaya, algunas proteasa aisladas desde la higuera y la piña. La cebada malteada también ha sido fuente importante de enzimas vegetales. La industria cervecera ha empleado tradicionalmente este material crudo por su actividad proteásica y amilásica. En cuanto a las enzimas de origen animal, se han obtenido pocas, por ejem- plolipasa pancreática y tripsina, debido principalmente a la disponibilidad limitada de material adecuado y a la posibilidad de reemplazarlas por enzimas similares derivadas de microorganismos. Debido a que las aplicaciones industriales de las enzimas requieren que estas sean producidas a gran escala y bajo costo, el empleo de algunas enzimas de origen vegetal y animal ha ido decayendo, a favor de las enzimas de origen microbiano.

Gran parte de la historia de la Bioquímica discurre pareja a la historia de la investigación de los enzimas. Citaremos algunos hitos importantes:

-La existencia de catalizadores biológicos fue descrita por primera vez a comienzos del S. XIX en estudios acerca de la digestión de la carne por secreciones del estómago y la conversión del almidón en azúcar por la saliva.

-En 1835 la primera teoría general sobre la catálisis química publicada por J.J. Berzelius incluía un ejemplo de lo que hoy conocemos como un enzima: la diastasa de la malta, señalando que la hidrólisis del almidón se catalizaba más eficazmente por ésta que por el ácido sulfúrico.

-En 1860 Louis Pasteur propuso que la fermentación del azúcar para transformarse en alcohol era inducida por ciertos catalizadores biológicos, razón por la cual los enzimas fueron llamados inicialmente "fermentos". Pasteur supuso que dichos catalizadores se hallaban unidos de modo indisoluble a la estructura de las células de la levadura por lo que no podían actuar fuera de estas.

-En 1877 se utiliza por primera vez la denominación "enzima" (etimológicamente "en la levadura").

-En 1897 E. Büchner consiguió extraer de las células de la levadura los enzimas que catalizan la fermentación alcohólica, demostrando que éstos pueden actuar independientemente de la estructura celular. Este hecho permitió estudiar "in vitro" la actividad y propiedades de los enzimas, aislarlos en estado puro y analizar su composición.

-En 1926 J.B. Sumner aisló un enzima, la ureasa, en forma cristalina pura y demostró que los cristales estaban formados por proteínas.

-Entre 1930 y 1936 se aislaron en forma cristalina pura diversos enzimas quedando establecida de modo definitivo la naturaleza proteica de estos catalizadores biológicos. Desde entonces se han identificado varios miles de enzimas diferentes, habiéndose aislado muchos de ellos en forma cristalina.

-En el mismo período J.B.S. Haldane expuso la idea de que los enzimas establecen interacciones débiles con el sustrato para distorsionarlo y catalizar así su transformación; esta idea resultó capital para el moderno conocimiento de la acción enzimática.

-En 1981 se descubrió que determinados tipos de RNA pueden catalizar su propia síntesis, hecho este que obligó a revisar algunas de las ideas preexistentes acerca de la naturaleza de los biocatalizadores. En la actualidad se considera que, con la excepción de un reducido grupo de moléculas de RNA con propiedades catalíticas, los enzimas son proteínas, y como tales, exhiben todas las propiedades inherentes a este grupo de biomoléculas. Los pesos moleculares de las proteínas enzimáticas oscilan desde unos 12.000 daltons hasta más de un millón. En muchos casos, las cadenas polipeptídicas de la proteína enzimática son suficientes para que ésta desarrolle su actividad catalítica. En otros, se hace necesaria la participación de un compuesto químico adicional, de naturaleza no proteica, denominado cofactor.

II. Impacto ambiental

Las enzimas son proteínas naturales, biodegradables. No son tóxicas para la vida silvestre y la fauna, y no causan daño si accidentalmente se las ingiere (aunque ingerir detergente para la ropa podría causar un daño considerable porque incluye muchos otros componentes que podrían ser tóxicos). Inhalar enzimas en altas concentraciones podría crear problemas de salud, pero este es un problema para las personas que trabajan en fábricas que hacen enzimas o utilizan enzimas en la producción de productos, no para las personas que utilizan los detergentes para ropa con enzimas. Los detergentes con enzimas que contienen fosfatos presentan daño ambiental cuando el fosfato ingresa en los cuerpos de agua, ya que promueve el crecimiento de algas, lo que priva el crecimiento de otros organismos en el agua del oxígeno. Los colorantes y el bicarbonato en los detergentes para ropa también son dañinos para el ambiente.

III. CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS INDUSTRIALES

Las enzimas se caracterizan en función de su actividad más que por su peso molecular. La estabilidad de las preparaciones enzimáticas durante su almacenamiento es muy importante. Las enzimas empleadas en la industria rara vez son cristalinas, químicamente puros o solamente proteínas. Las posibles impurezas que presenten no deben interferir en la actividad enzimática, a pesar de que en ocasiones pueden catalizar la formación de subproductos o

pueden ser tóxicos. Se debe conocer si poseen actividad alergénica. Las moléculas más comunes que contaminan a la enzima son las propias enzimas inactivas.

Para que una enzima sea útil industrialmente debe ser barata en comparación al precio del proceso global y debe ser activa en las condiciones en que se realiza el proceso sin la enzima. Si esto no ocurriese, sería más conveniente emplear otra enzima que sea activa en dichas condiciones a variar las condiciones en las que efectuamos el proceso. La enzima debe ser estable (muchas enzimas empleadas en procesos industriales operan a temperaturas que rondan los 50º C), debe estar disponibles en cantidades relativamente elevadas y debe ser segura. Debe intentar emplearse una enzima que ya se emplee en la industria a intentar emplear una, ya que es muy tedioso obtener la aprobación de los organismos competentes. Una enzima puede emplearse en más de un proceso; así las a-amilasas se emplean en la elaboración del pan y de la cerveza; las proteasas en cervecería, panadería, lechería y en el ablandamiento de la carne.

El empleo de enzimas es ventajoso porque actúan en condiciones de pH, temperatura, presión... que son compatibles con el mantenimiento de la estructura y otras propiedades del producto; además minimiza los requerimientos energéticos del proceso. Las variaciones de las condiciones podrían hacer perder las propiedades deseadas del producto que se pretende obtener.

IV. PROCESOS INDUSTRIALES QUE APLICAN ENZIMAS

Las enzimas se encuentran en todos los seres vivos y son piezas esenciales en su funcionamiento. Una de las características más sobresalientes de las enzimas es su elevada especificidad. Esto quiere decir que cada tipo de enzima se une a un único tipo de sustancia, el sustrato, sobre el que actúa. Las enzimas tienen muchas aplicaciones en diversos tipos de industrias, entre las que se destaca la alimenticia. En algunos casos, como la obtención de yogur, o la producción de cerveza o de vino, el proceso de fermentación se debe a las enzimas presentes en los microorganismos que intervienen en el proceso de producción. Sin embargo, otros procesos de producción de alimentos, pueden realizarse mediante la acción de las enzimas aisladas, sin incluir a los microorganismos que las producen. Actualmente, la ingeniería genética contribuye a la biosíntesis de enzimas recombinantes de gran pureza, que aportan mayor calidad al producto final, y optimizan los procesos de producción de alimentos.

Algunos alimentos en los que se emplean enzimasGaseosas, conservas de frutas, repostería. Estos alimentos se endulzan con jarabes de glucosa y fructosa que antiguamente se obtenían por la ruptura del almidón de maíz al tratarlo con ácido. Actualmente esta práctica ha sido casi totalmente desplazada por la acción enzimática, que permite obtener un jarabe de glucosa de mayor calidad y a menor costo. Los enzimas utilizados son las alfa-amilasas y las amiloglucosidasas. La glucosa obtenida puede transformarse luego en fructosa, otro azúcar más dulce, utilizando la enzima glucosa-isomerasa.

Leche y derivados. Como se ha mencionado en ediciones anteriores de El Cuaderno, el cuajo del estómago de los rumiantes es un componente esencial en la elaboración de quesos ya que contiene dos enzimas digestivas (quimosina y pepsina), que aceleran la coagulación de la caseína, una de las proteínas de la leche. Otra enzima utilizada es la lactasa cuya función es degradar la lactosa, un azúcar compuesto por unidades de glucosa y de galactosa. Muchas personas sufren de trastornos intestinales al consumir leche ya que carecen de la lactasa y, en consecuencia, no pueden digerirla adecuadamente. Para superar esta dificultad, desde hace unos años se comercializa leche a la que se le ha añadido la enzima lactasa que degrada la lactosa. También es utilizada en la fabricación de dulce de leche, leche concentrada y helados al impedir que cristalice la lactosa durante el proceso.

Pan. En la industria panadera se utiliza la lipoxidasa, una enzima que actúa como blanqueador de la harina y contribuye a formar una masa más blanda, mejorando su comportamiento en el amasado. Generalmente se la añade como harina de soja o de otras leguminosas, que la contienen en abundancia.También se utilizada la amilasa que degrada el almidón a azúcares más sencillos que pueden ser utilizados por las levadura en la fabricación del pan. También se emplean proteasas para romper la estructura del gluten y mejorar la plasticidad de la masa, principalmente en la fabricación de bizcochos.

Cerveza. Al igual que en la fabricación del pan el uso de amilasas que degradan el almidón, presentes en la malta, es fundamental en la fabricación de la cerveza. También se emplea la enzima papaína para fragmentar las proteínas presentes en la cerveza y evitar que ésta se enturbie durante el almacenamiento o la refrigeración.

Vinos. Uno de los problemas que se pueden presentar en la fabricación de vinos es la presencia del hongo Botrytis cinerea que produce beta-glucanos, un polímero de glucosa que pasa al vino y entorpece su clarificación y filtrado. Este problema se soluciona añadiendo enzimas con actividad beta-glucanasa que lo degradan. También se utilizan enzimas para mejorar el aroma, las cuales liberan los terpenos de la uva, dándole un mejor bouquet al vino.

Jugos concentrados. A veces la pulpa de las frutas y restos de semillas hacen que los jugos concentrados sean turbios y demasiado viscosos, lo que ocasiona problemas en la extracción y la concentración. Este efecto se debe a la presencia de pectinas, que pueden degradarse por la acción de enzimas pectinasas presentes en el propio jugo o bien obtenidas y añadidas de fuentes externas.

Enzimas en la industria alimenticiaLa siguiente tabla resume algunos ejemplos de enzimas que se emplean en diferentes procesos de la industria alimenticia:

V. PRODUCCIÓN DE ENZIMAS

Las enzimas se obtienen de microorganismos (bacterias, hongos o levaduras) seleccionados por screening y, posteriormente, cultivados por fermentación (en matraz o reactor). A partir de los caldos de cultivo se procede a la purificación de la enzima que cataliza la reacción de interés. La purificación se lleva a cabo mediante técnicas cromatográficas y se utilizan técnicas de concentración.

Una vez purificada, se procede a su caracterización estructural mediante técnicas electroforéticas, MALDI-TOF, ultracentrifugación analítica, estudios de espectroscopía. La caracterización funcional se realiza mediante estudios de estabilidad y actividad frente al pH y la temperatura, así como estudios de especificidad de sustrato y determinación de los mecanismos cinético y químico y de estabilidad en las condiciones de trabajo.

Los datos obtenidos permiten abordar estudios de ingeniería de proteínas mediante técnicas de mutagénesis dirigida, con vistas a su utilización industrial en biorreactores enzimáticos.

Por otra parte, se procede al aislamiento, clonación y secuenciación del gen que codifica la enzima, lo que permite su obtención en grandes cantidades así como llevar a cabo estudios de ingeniería de proteínas.

Si la clonación e hiperexpresión en Escherichia coli falla por peculiaridades del genoma o necesidad de procesamientos postraduccionales, se utilizan otros sistemas de clonación y expresión puestos a punto en nuestro laboratorio, disponemos de sistemas de clonación y expresión en Streptomyces lividans y Pichia pastoris.

Tanto la enzima salvaje como la enzima clonada y los posibles mutantes con propiedades notablemente mejoradas se inmovilizan para su posterior recuperación y reutilización en el proceso. La inmovilización se lleva a cabo mediante diferentes metodologías adaptadas al proceso industrial: atrapamiento en geles, microencapsulación, reticulado con reactivos bifuncionales, adsorción y unión covalente a soportes inorgánicos u orgánicos. A continuación se procede a la optimización del proceso de inmovilización con el fin de obtener un biocatalizador de aplicación industrial. Por último se determinan las condiciones óptimas del proceso biocatalizado: determinación del pH y temperatura óptimas, estabilidad frente a pH y temperatura, determinación de parámetros cinéticos y reutilización en reacciones sucesivas.

EDULCORANTES

HISTORIA

Desde el surgimiento de los edulcorantes artificiales hace aproximadamente 100 años estos han sido objeto de múltiples polémicas en lo que respecta a su seguridad a largo plazo, en las cuales ha jugado un papel importante los aspectos comerciales y de competencia. El consumo de edulcorantes, ha experimentado un notable auge en los últimos años. A esto ha contribuido el desarrollo de productos light, de los que se espera un equivalente nivel de dulzura pero con un aporte calórico muy inferior.

Uno de los grupos de productos que más se han desarrollado en los últimos años son los llamados edulcorantes artificiales, aditivos alimentarios que persiguen imitar la capacidad de endulzar del azúcar sin aportar las calorías de éste. El consumo cada vez más frecuente de éste tipo de sustancias ha causado más de una polémica, las principales son si su consumo regular puede afectar la salud humana, qué edulcorante es el más adecuado o cual es la cantidad máxima que podemos tomar.

La forma más adecuada de enfocar esta polémica es desde la perspectiva del balance riesgo-beneficio. El consumidor tiene que decidir si asume en algunos casos un riesgo muy remoto como contrapartida de las ventajas que le reporta el uso de determinados productos, ventajas que en este caso serían la reducción de las calorías ingeridas sin renunciar a determinados alimentos o sabores. También deben tenerse en cuenta los efectos beneficiosos sobre el organismo de la limitación de la ingesta calórica, especialmente en la prevención de los trastornos cardiovasculares y de ciertos procesos tumorales. Aunque el efecto preventivo se produce fundamentalmente con la reducción del contenido de la grasa de la dieta, también puede contribuir la reducción del contenido energético global, y en este caso los edulcorantes artificiales serían una cierta ayuda. Por supuesto, son de gran interés para el mantenimiento de la calidad de vida de aquellas personas que por razones médicas tienen que controlar su ingestión de azúcares.

MERCADO INTERNACIONAL DE EDULCORANTES

En este apartado, se presenta el análisis sobre la evolución de la producción, consumo, precios internacionales y comercio de azúcar a nivel mundial. Se analiza el papel de los principales países productores y consumidores, destacando la participación de México en dicho contexto. También se analiza la evolución de los rendimientos en campo y fábrica de Brasil, Estados Unidos y México para determinar su posición competitiva a nivel internacional. Adicionalmente, resulta necesario analizar el comportamiento del mercado del Jarabe de Maíz de Alta Fructuosa y su relación con el mercado del azúcar. Este producto, ha cobrado relevancia en el mundo como un producto sustituto del azúcar, tanto en el consumo de las familias como en los procesos industriales para la elaboración de alimentos y bebidas, y que desde su introducción hasta la fecha, ha venido ganando participación en el mercado de edulcorantes. Finalmente se presenta y analiza el caso particular de la industria azucarera de Estados Unidos, caracterizado por sus altos precios, fuertes barreras a la entrada, y el marcado proceso de sustitución de azúcar por fructosa; posteriormente, dicha información será utilizada para realizar unanálisis comparativo con la industria azucarera mexicana.

Producción

Desde hace más de diez años, la producción mundial de azúcar ha mostrado una tendencia creciente, registrando una Tasa Media de Crecimiento Anual (TMCA) de 2.3% para los ciclos 2000/01 a 2010/11. En el último ciclo azucarero (2010/2011) alcanzó 160,948 millones de toneladas.

Para los ciclos 2009/10 y 2010/11, la producción mundial aumentó 7.7%, principalmente como resultado de un mayor volumen producido por países como Brasil, que es considerado como el principal productor en el mundo con casi un cuarto de la producción mundial, y de la India registrando un incremento de 4.8% y 29.1%, respectivamente. Por el contrario, la Unión Europea (UE) registró una disminución de 1.1% en el mismo periodo.

I.2 Consumo

El comportamiento del consumo mundial de azúcar depende principalmente del crecimiento de la población, el ingreso, el precio y la demanda de productos sustitutos. La tendencia en el consumo de azúcar a nivel mundial se ha mantenido estable desde el ciclo 2000/01 a la fecha, mostrando una TMCA de 2.0% en dicho periodo. El consumo mundial registrado en el último ciclo azucarero fue de 158.6millones de toneladas.

Para los ciclos 2009/10 y 2010/11, el consumo mundial de azúcar se incrementó en 2.4%, inferior al dinamismo registrado en la producción mundial.

En lo que respecta al consumo por países, destacan la India, China, Brasil, Estados Unidos y Rusia, que representaron 45.2% del consumo mundial para el ciclo 2010/11. India y Rusia mostraron los mayores aumentos en su demanda 8.5% y 3.3% para dicho ciclo, respectivamente.

La dinámica de producción y consumo mundial de edulcorantes, provocó que los niveles de inventarios finales de azúcar se redujeran drásticamente a partir de 2008/09. En términos absolutos esto significó pasar de 40,505 a 29,240 mil toneladas entre de 2007/08 y 2008/09, respectivamente. Actualmente, los inventarios finales en el mundo no han logrado recuperarse y se sitúan en 29,264 miles de toneladas. El departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA por sus siglas en inglés) pronostica que el próximo año alcancen un nivel aún menor, (28,817 miles de toneladas).

La situación entre la producción y consumo de azúcar en el mundo puede relacionarse para establecer regiones excedentarias y deficitarias de azúcar. Existen seis regiones consumidoras de azúcar en el mundo. La primera de ellas, se localiza en Asia (integrada por 36 países), con un déficit de 6.3 millones de toneladas y 14.9 kg de consumo anual per cápita.

La segunda región con mayor consumo es la ex Unión Soviética (12 países) con un déficit de 4.8 millones de toneladas. En tercer lugar, se encuentra África del Norte con un déficit de 3.9 millones de toneladas en su consumo de azúcar. En cuarto y quinto lugar, se encuentra Norteamérica y Europa con un déficit de 2.8 y 2.4 millones de toneladas, respectivamente.

En Norteamérica, la región deficitaria esta integrada por dos países México y los EUA, con una población total de 422 millones de habitantes, quiénes mantienen un alto nivel de consumo de azúcar, con relación a su nivel de producción, en términos per cápita el déficit en el consumo de azúcar en esta regiónasciende a 2.8 millones de toneladas.Asimismo, con el Tratado de Libre Comercio de América del Norte (TLCAN) esta región establece un arancel de entre 338 a 360 dólares por tonelada de azúcar importada de fuera de la región, por lo que se trata de un arancel de carácter prohibitivo para importar azúcar de las regiones superavitarias del mundo.

Por lo anterior, la abundancia o escasez de azúcar en ambos países, y una región comercial que limita la participación de terceros, provoca que el precio de azúcar fluctué ampliamente según la brecha entre Regiones Consumidoras de Azúcar en el Mundo, 2010 (millones de toneladas, valor crudo)producción y consumo, los niveles de inventarios y los flujos de comercio exterior, creando incertidumbrey volatilidad en los precios para los consumidores de azúcar en la región.

Precios Internacionales

Como consecuencia de un mayor consumo con respecto a la producción de azúcar y, por tanto, de un menor nivel de inventarios observado desde el ciclo 2008/09, a partir de 2009 se registra una tendencia al alza de los precios internacionales.

Lo anterior se refuerza cuando se muestra la relación entre el nivel de inventario final y el precio internacional del azúcar a través del Contrato 11. Cuando el nivel de inventario se encuentra por encima o por debajo de su tendencia de largo plazo, el precio internacional del

Contrato 11 responde en sentido inverso. Por lo anterior, se espera que el precio internacional del azúcar siga en aumento para el ciclo 2011/12, toda vez que los niveles de inventarios se situaran por debajo de su línea de tendencia y, de esta forma, el precio del Contrato 11 reaccionará a la alza.

Para el 2010, se acentúo la tendencia al alza de los precios internacionales del azúcar, ya que alcanzaronsus niveles máximos históricos. Por ejemplo, en el mes de febrero, el Contrato 16 alcanzó los US$ 886.56dólares por tonelada; en el mes de diciembre, el Contrato 5 de azúcar refinada registró un nivel de US$ 719.17; mientras que el precio correspondiente al Contrato 11 alcanzó un nivel máximo de US$ 685.32. Los factores clave que afectaron el mercado mundial del azúcar en 2009 y el primer semestre de 2010, fueron de conformidad con el USDA:

1. La creciente presión sobre los precios del azúcar por caída en la producción de 2008/09, llevando los precios al doble de la media a largo plazo;

2. Mayores costos de producción y el uso creciente de etanol en Brasil (producido a partir de caña de azúcar) sentó las bases para precios más altos; y

3. Cambios inducidos por las políticas de producción entre los países asiáticos.Hasta 2011, se ha trasladado la situación inercial del alza de los precios internacionales del azúcar, toda vez que los precios por Contrato 16 alcanzaron US$ 884.87 en septiembre; el Contrato 5, se situó en US$800.98 en julio, como nuevo máximo histórico; y el Contrato 11 se situó en US$ 707.49 para el mes de enero. Sin embargo, los precios internacionales han empezado a disminuir en los últimos meses.

No obstante que las expectativas del precio del azúcar a nivel internacional parecen mejorar en lasúltimas semanas de octubre y noviembre de 2011, los precios internacionales del azúcar podrían presentar fluctuaciones para el ciclo 2011/12, debido a los siguientes factores:

1) El bajo nivel de inventarios en los últimos años, y su lenta recuperación a nivel mundial

2) El impacto desfavorable del cambio climático (sequías, inundaciones, heladas, entre otras) sobre la producción.

3) El desempeño con respecto a los precios de otros commodities o bienes sustitutos, y

4) La implementación de iniciativas nacionales e internacionales en materia de producción de etanol a partir de la caña de azúcar.

Las exportaciones mundiales de azúcar crecieron a una tasa promedio anual de 3.2% dentro del periodo 2000/01-2010/11, lo que significa un volumen acumulado de 524,315 miles de toneladas. Los principales países exportadores de azúcar en el mundo, son: Brasil, Tailandia y Australia, la UE-27, y Guatemala, que representaron el 79.4% de las exportaciones totales en el ciclo 2010/11. Por su parte, Brasil, exportó en ese periodo 67.2% de su producción mientras que Tailandia y México lo hicieron en cerca de 25%.

Asimismo, en el ciclo mencionado, México ocupó el 7º lugar en las exportaciones mundiales, alcanzando un 2.9% con respecto al total mundial, siendo el principal destino el mercado de los Estados Unidos.Por su parte, las importaciones mundiales de azúcar se han incrementado a una tasa promedio anual de2.9% en el periodo de 2000/01 a 2010/11, alcanzando un total de 51,828 mil toneladas durante este último ciclo.

Los principales importadores de azúcar del mundo (por tamaño de población y/o economía) que consumen más de lo que pueden producir son Estados Unidos, India, Indonesia, Rusia y China, quienes en conjunto adquieren el 29.6% de las importaciones mundiales. De estos países, Estados Unidos concentró 6.3% para 2010/11, seguida de la UE con 6.0% e Indonesia con 5.8%.

Tipos de Edulcorantes

Acesulfamo K

Descripción

Un edulcorante no calórico descubierto en 1967.

Dulzura relativa

130-200 veces más dulce que la sacarosa.

Metabolismo

No es metabolizado por el organismo y es excretado sin cambios por los riñones.

Beneficios

Las calorías en alimentos y bebidas pueden reducirse mediante la sustitución de azúcar por acesulfamo K.

Sabor dulce rápidamente perceptible.

Tiene buena duración y es muy estable en la preparación y el procesamiento normal de alimentos.

Resistente al calor y por ende adecuado para cocinar y hornear.

No provoca caries dentales.

Apto para diabéticos.

Sinérgico al combinarse con otros edulcorantes bajas calorías (las combinaciones resultan más dulces que la suma de los edulcorantes individuales).

Realza e intensifica los sabores.

Limitaciones

Cuando se lo utiliza en altas concentraciones por encima de los niveles normales de uso el acesulfamo K puede dejar un suave regusto.

Aplicaciones

Tiene el potencial de ser usado en todas las áreas en las que los edulcorantes se utilizan en la actualidad:

Bebidas carbonatadas

Bebidas no carbonatadas

Néctares de frutas

Concentrados para bebidas

Edulcorantes de mesa

Productos lácteos

Mermeladas y dulces

Productos horneados

Confituras

Goma de mascar

Vegetales en conserva

Pescado marinado

Helados

Gelatinas y postres

Conservas de frutas

Pasta dental y enjuague bucal

Productos farmacéuticos

Ingesta diaria aceptable

A nivel internacional, la ingesta diaria aceptable ha sido fijada en 15 mg por kilogramo de peso corporal (JECFA). A nivel europeo(SCF), la ingesta diaria aceptable es de 9 mg por kilogramo de peso corporal (marzo 2000).

Alitamo

Descripción

Descubierto por Pfizer Inc., el alitamo es un edulcorante de alta intensidad formado a partir de los aminoácidos ácido L-aspártico y D-alanina junto a un nuevo amino.

Dulzura relativa

2000-3000 veces más dulce que la sacarosa según su utilización.

Metabolismo

El ácido aspártico es metabolizado normalmente. La amido alanina no es hidrolisada. En virtud de que el alitamo es un edulcorante tan intenso aun consumido en muy bajos niveles, su aporte calórico a la dieta es insignificante.

Beneficios

Sabor dulce puro. Perfil de dulzura cercano al del azúcar.

Excelente estabilidad a alta temperatura por lo que puede utilizarse en comidas y productos horneados.

Apto para diabéticos.

Seguro para los dientes.

Sinérgico cuando se lo combina con ciertos otros edulcorantes bajas calorias tales como el acesulfame K, la sacarina y el ciclamato (las combinaciones son más dulces que la suma de los edulcorantes individuales).

Limitaciones

Durante almacenamiento prolongado, algunos refrescos endulzados con alitamo desarrollan una pérdida de sabor.

Aplicaciones

El alitamo tiene el potencial de ser usado en casi todas las áreas en las que se utilizan edulcorantes en la actualidad, por ejemplo:

Productos horneados y mezclas para hornear

Polvos para preparar bebidas

Postres congelados y polvos para prepararlos

Goma de mascar y caramelos

Bebidas calientes y frías

Preparaciones con frutas

Edulcorantes de mesa

Pasta dental y enjuague bucal

Productos farmacéuticos

Productos lácteos

Ingesta diaria aceptable

Entre 0 y 1 mg por kilo de peso corporal (según JECFA)

Aspartamo

Descripción

El aspartamo es un edulcorante bajas calorías unas 200 veces más dulce que el azúcar. Si bien es digerido, su intensa dulzura hace que las cantidades utilizadas sean suficientemente pequeñas como para que el aspartamo sea considerado virtualmente no calórico.

Componentes

Contiene dos aminoácidos, el ácido aspártico y la fenilalanina, dos bloques constructores de proteína.

Los aminoácidos contenidos en el aspartamo se encuentran naturalmente en la mayoría de los alimentos proteicos como ser las carnes, los productos lácteos y los vegetales.

Durante la digestión, el aspartamo se descompone en fenilalanina, ácido aspártico y una pequeña cantidad del componente orgánico metanol.

La fenilalanina es un aminoácido esencial. El metanol se halla naturalmente en el organismo y en muchos alimentos. El nivel de metanol en el aspartamo es insignificante comparado con el

que se encuentra en muchos alimentos naturales. Por ejemplo, el jugo de tomate contiene seis veces la cantidad de metanol de una cantidad comparable de un refresco endulzado con aspartamo.

Beneficios

Sabe como el azúcar.

Realza e intensifica los sabores, particularmente los de los citrus y otras frutas.

Pueden reducirse las calorías en los alimentos y las bebidas mediante la sustitución de azúcar por aspartamo. Una pequeñísima cantidad de aspartamo, con una décima de caloría, produce el mismo nivel de dulzura que una cuchara de té de azúcar con 16 calorías.

No provoca caries dentarias.

Aplicaciones

El aspartamo se utiliza para endulzar una variedad de alimentos y bebidas y también como edulcorante de mesa. Es usado corrientemente en prestigiosas marcas de los siguientes alimentos y bebidas:

Refrescos carbonatados

Jugos

Budines, rellenos y jaleas

Cereales para desayuno

Postres y agregados

Edulcorantes de mesa (en polvo y en tabletas)

Polvos para preparar refrescos

Goma de mascar

Conservas de frutas

Aderezos untables para el pan

Postres congelados

Productos lácteos

Dulces y mermeladas

Confituras

Bebidas calientes chocolatadas

Multivitaminas

Pastillas de menta

Productos farmacéuticos

Ingesta diaria aceptable

La ingesta diaria aceptable para el aspartamo ha sido establecida en 40 mg por kilogramo de peso corporal (según JECFA, 1981 y SCF, 1984).

Ciclamato

Descripción

Es un edulcorante no calórico descubierto en 1937.

Dulzura relativa

30 a 50 veces más dulce que la sacarosa.

Metabolismo

Es metabolizado en forma escasa en los intestinos por algunos individuos; es de absorción limitada por el organismo y se excreta sin cambios por los riñones.

Beneficios

Sin contenido calórico

Estable en altas y bajas temperaturas: buena vida útil.

Sabor de perfil agradable

Económico

Apropiado para cocina y hornear

No provoca deterioro dental

Apropiado para personas con diabetes

Sinérgico al combinarse con otros edulcorantes bajas calorías tales como el acesulfamo K, el aspartamo, la neoesperidina DC, la sacarina y la sucralosa (las combinaciones son más dulces que la suma de los edulcorantes individuales).

Aplicaciones

El ciclamato, en particular en combinación con uno o más edulcorantes bajas calorías, tiene un amplio rango de aplicaciones en alimentos y bebidas. Se lo utiliza habitualmente en las siguientes categorías:

Edulcorantes de mesa

Bebidas instantáneas

Refrescos

Batidos

Té helado

Bebidas deportivas

Cereales para el desayuno

Productos lácteos

Tortas y productos horneados

Conservas de frutas

Gomas de mascar

Dulces y mermeladas

Budines, flanes y jaleas

Caramelos, repostería, bizcochos

Chocolate

Aderezos

Productos farmacéuticos

Ingesta diaria aceptable

La ingesta diaria aceptable de ciclamato ha sido fijada en 11 mg por kilogramo de peso corporal según JECFA y en 7 mg según SCF (marzo 2000)

Neohesperidina DC

Descripción

La neohesperidina DC es un edulcorante bajas calorías y un realzador de sabor que puede ser producido por hidrogenación de la neohesperidina, un flavonoide que existe en forma natural en las naranjas amargas.

Dulzura relativa

La neohesperidina DC es 1500-1800 veces más dulce que la sacarosa a niveles ínfimos. A niveles de uso práctico es unas 400-600 veces tan dulce como la sacarosa. En relación con el aspartamo y el acesulfamo K y mezclado con ellos, es varias veces (7 a 20) más dulce según el alimento en que se utilicen tales mezclas.

Metabolismo

Al ser ingerida, la neohesperidina DC no es absorbida en gran medida. Sin embargo, es metabolizada por la flora intestinal, deviniendo en idénticos o similares productos de sus análogos naturales.

Beneficios

La neohesperidina DC es usada típicamente en combinación con otros edulcorantes. En tales mezclas, presenta notables efectos sinérgicos y puede elevar la calidad de los edulcorantes combinados. Aun a muy bajas concentraciones (> 5 ppm), la neohesperidina DC puede mejorar el perfil de sabor general y la sensación bucal de ciertos alimentos. Bajo tales condiciones, actúa más como un realzador y modificador de sabor que como edulcorante. La neohesperidina DC también tiene propiedades reductoras de sabor amargo.

La neohesperidina DC es estable al calor y puede ser usada, por lo tanto, en alimentos que requiere procesos de pasteurización o de UAT (Ultra Alta Temperatura). La neohesperidina DC no provoca caries dentales y puede ser usada en productos para diabéticos.

Limitaciones

A altas concentraciones, la neohesperidina DC presenta una dulzura de larga permanencia asociada con un regusto mentolado o alicorado. No obstante, es típicamente usada en combinación con otros edulcorantes masivos o bajas calorías.

Aplicaciones

En combinación con otros edulcorantes, la neohesperidina DC es ideal para su uso en:

Goma de mascar

Caramelos

Bebidas carbonatadas

Bebidas no carbonatadas

Yogur

Helados

Postres

Edulcorantes de mesa

Pasta dental

Productos farmacéuticos

Ingesta diaria aceptable

Ha sido fijada en hasta 5 mg por kilogramo de peso (SCF).

Sacarina

Descripción

Es un edulcorante no calórico descubierto en 1879; se lo utilizó comercialmente para endulzar alimentos y bebidas desde el comienzo del siglo XX. Su uso se incrementó en gran medida durante ambas guerras mundiales debido a la escasez de azúcar.

Dulzura relativa

300-500 veces más dulce que la sacarosa.

Metabolismo

Absorbida lentamente; no metabolizada; excretada rápidamente y sin cambios por los riñones.

Beneficios

Pueden reducirse las calorías de alimentos y bebidas al sustituir el azúcar por la sacarina.

Sumamente estable, dispone de una buena vida útil.

Apropiada para cocinar y hornear.

No provoca caries dentales.

Apropiada para personas con diabetes.

Sinérgica cuando se la combina con otros edulcorantes bajas calorías (las combinaciones son más dulces que la suma de los edulcorantes individuales).

Aplicaciones

La sacarina tiene el más amplio rango de aplicaciones y es usada en una gran variedad de categorías:

Edulcorantes de mesa

Bebidas instantáneas

Bebidas dulces carbonatadas

Jugos

Té helado

Productos lácteos

Jaleas, mermeladas

Confituras, caramelos

Sidra, pickles, salsas

Conservas de pescado y de frutas

Gomas de mascar

Multivitaminas

Helados

Budines y jaleas

Chocolate

Pasta dental, enjuague bucal

Productos farmacéuticos

Ingesta Diaria Aceptable

La ingesta diaria aceptable para la sacarina fue aumentada a 5,0 mg por kilogramo de peso corporal (JECFA) en febrero de 1993. El Comité Científico sobre Alimentos de la Comisión Europea (SCF) también aumentó la ingesta diaria aceptable a 5,0 mg por kilogramo de peso corporal en junio de 1995.

Sucralosa

Descripción

La sucralosa es el nombre corriente para un nuevo edulcorante de alta intensidad derivado del azúcar común. Ha sido desarrollado en común por acuerdo entre McNeil Specialty Products, una subsidiaria de Johnson & Johnson, y Tate & Lyle Speciality Sweeteners.

Dulzura relativa

600 veces más dulce que el azúcar.

Metabolismo

La sucralosa no se transforma en el organismo; es no calórico.

Beneficios

La sucralosa posee una alta calidad de dulzura, buena solubilidad en agua y excelente estabilidad en una amplia gama de alimentos procesados y bebidas. En combinación con otros edulcorantes bajas calorías tiene un efecto edulcorante sinérgico. Com el azúcar, la sucralosa se hidroliza en solución pero sólo a lo largo de un extendido lapso bajo condiciones extremas de acidez y temperatura. La sucralosa no provoca caries dentales.

Aplicaciones

La sucralosa puede ser usada en una amplia gama de productos:

Edulcorantes de mesa

Frutas procesadas

Bebidas carbonatadas

Bebidas no carbonatadas

Goma de mascar

Productos horneados

Productos de mezcla seca

Untables de fruta

Productos lácteos

Postres congelados

Aderezos para ensaladas

Ingesta diaria aceptable

La ingesta diaria aceptable para la sucralosa ha sido establecida en 0-15 mg por kilogramo de peso corporal (JECFA, 1990 y SCF, 2000).

Steviosida

Descripción

La steviosida proviene de las hojas de la planta Stevia Rebaudiana. La Stevia es originaria de Sudamérica pero también crece en varios países asiáticos.

La steviosida es un glucósido formado por tres moléculas de glucosa y una de steviol, un alcohol carboxílico diterpénico.

Dulzura relativa

La steviosida es un edulcorante no calórico aproximadamente 100-150 veces más dulce que el azúcar. La dulzura de la steviosida es acompañada por un regusto alicorado.

Aplicaciones

Se proclama que las hojas de la planta stevia han sido usadas durante siglos en Brasil y Paraguay para endulzar alimentos y bebidas.

La steviosida podría ser usada en ciertos refrescos, productos vegetales al estilo japonés, edulcorantes de mesa, repostería, productos frutales, pescados y mariscos y, en países que aprueban los edulcorantes, generalmente como extractos de sevia ricos en steviosida.

Seguridad y situación de aprobación

Los extractos de stevia están aprobados para usos alimentarios en varios países de Sudamérica y Asia pero no cuentan con aprobación en Europa, América del Norte ni a nivel internacional.

En junio de 1999 SCF reiteró su previa opinión de que «la sustancia (steviosida) no es aceptable como edulcorante de acuerdo con los datos disponibles al momento». JECFA revisó la steviosida en 1998 pero no pudo cuantificar una Ingesta Diaria Aceptable en virtud de datos inadecuados sobre la composición y seguridad de la steviosida.

La Comisión Europea dio a publicidad una Decisión el 22 de febrero de 2000 negando un pedido de autorización para comercializar plantas de Stevia Rebaudiana Bertoni y sus hojas disecadas.

La steviosida, como edulcorante, no está autorizada por la Administración de Alimentos y Drogas de los Estados Unidos.

Taumatina

Descripción

Es una proteína edulcorante baja calorías (virtualmente no calórica) y modificadora del sabor; proviene de la fruta «katemfe» (Thaumatococcus daniellii) del Africa Occidental.

Dulzura relativa

Aproximadamente 2000-3000 veces más dulce que la sacarosa.

Metabolismo

Es metabolizada por el organismo como culaquier otra proteina dietaria.

Beneficios

Totalmente natural y de dulzura intensa

Ingrediente multifuncional con ventajas sobre los sabores y los edulcorantes

Estable en forma seca y congelada y soluble en agua y en alcohol acuoso

Efectivas propiedades enmascarantes

No provoca caries dentales

Estable al calor y a la acidez

Sinérgico al combinarse con otros edulcorantes bajas calorías (las combinaciones son más dulces que la suma de los edulcorantes individuales)

Agrega sensación bucal

Limitaciones

Percepción retardada de la dulzura: la percepción dura largo tiempo y deja un regusto alicorado a elevados niveles de utilización.

Aplicaciones

La taumatina tiene un amplio rango de aplicaciones en alimentos y bebidas en combinación con otros edulcorantes. Es particularmente efectiva por sus propiedades saborizantes.

Bebidas a base de café

Gomas de mascar

Saborizantes

Salsas

Refrescos

Bebidas alcohólicas

Yogures y postres

Dulces y mermeladas

Productos fortificados con vitaminas y minerales

Productos farmacéuticos

Pastas dentales y enjuagues bucales

Productos de bajo contenido graso

Ventajas y desventajas de los edulcorantes

Ventaja: Aportan menos calorías que los alimentos preparados con azúcar y otros edulcorantes calóricos. Eso puede ayudarlo si usted intenta perder peso o evita recuperar peso.

Desventaja: Muchas personas consumen más cantidad de la que deberían creyendo que al ser libre de azúcar pueden comer sin restricción. Esto puede hacerles aumentar de peso.

Desventaja: Algunos alimentos o productos sin azúcar que utilizan edulcorantes de bajas calorías poseen en realidad más calorías y más grasas que las versiones que contienen azúcar.

Consejos

Aprenda a revisar la Etiqueta Nutricional de manera que pueda verificar las calorías que contiene por porción. Si compara las calorías de la versión sin azúcar con las de la versión normal, comprobará si realmente consumirá menos calorías.

También es conveniente comparar el contenido de grasas en las etiquetas del producto original y el modificado, ya que muchas veces disminuyen el contenido de azúcar pero no el de grasa, por lo que se debe consumir con moderación.

Puede elegir la versión normal de un alimento y reducir el tamaño de la porción en lugar de comprar la versión sin azúcar.

Experimente poco a poco con sus propias recetas e incluya edulcorantes de bajas calorías y de contenido calórico reducido hasta encontrar el punto adecuado para cada receta.

Para verificar la cantidad de azúcar en la Etiqueta Nutricional, tenga en cuenta que ese valor incluye el azúcar natural y el azúcar agregado, como el azúcar natural de algunas frutas. Por lo tanto, verifique los carbohidratos totales, esto le dará una idea mejor de todos los carbohidratos presentes en un solo alimento.

LOS ACIDOS ORGANICOS EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

I. HISTORIA E IMPACTO ECONÓMICO

El descubrimiento del ácido cítrico se atribuye al alquimista islámico Jabir Ibn Hayyan en el siglo octavo después de Cristo. Los eruditos medievales en Europa conocían la naturaleza ácida de los zumos de limón y de lima; tal conocimiento se registra en la enciclopedia Speculum Majus, en el siglo XIII, recopilado por Vincent de Beauvais. El ácido cítrico fue el primer ácido aislado en 1784 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele, que lo cristalizó a partir del jugo del limón. La producción de ácido cítrico a nivel industrial comenzó en 1860, basado en la industria italiana de los cítricos.

Hermann Kolbe (1818-1884): Profesor de Química de Marburg y Leipzig en Alemania. Llevó a cabo numerosas investigaciones en química orgánica e hizo contribuciones teóricas significativas, particularmente en el estudio de los radicales orgánicos y su significación en la construcción de moléculas.

Edward Frankland (1825-1899): Profesor de Química de Manchester y Londres. Llevó a cabo estudios en ácidos carboxílicos, nitrilos y compuestos organometálicos.

Al estudiar un conjunto de fórmulas moleculares Laurent descubrió (1846) grandes parecidos entre ellas. Así, estableció que el etanol y el éter etílico pueden considerarse derivados del agua por sustitución de uno o sus dos hidrógenos por radicales etilo (hasta ese momento los alcoholes se consideraban erróneamente hidratos de éter y su fórmula se creía que era R2O.H2O en vez de ROH). Las moléculas se empiezan a clasificar así por tipos (ej.: molécula del tipo agua). Se considera este punto como la ruptura definitiva con la teoría dualista de Berzelius y el comienzo de la formulación moderna.

En 1848 Kolbe y Frankland mostraron que el ácido acético se podía obtener tratando cianuro de metilo con ácidos o bases diluídos. Se concluyó así que el ácido acético debería contener un grupo metilo.

En 1849 Wurtz y Hofmann establecen un nuevo tipo de moléculas, aquellas que derivan del amoníaco. Hofmann pone a punto métodos de obtención de aminas y sales de amonio. La reacción de degradación de estas últimas lleva su nombre.

Charles Adolphe Wurtz (1817-1884): Profesor de Quimica Orgánica de Paris. Fue alumno de Dumas y Liebig; Couper, van’t Hoff y le Bel estudiaron en su laboratorio. Wurtz investigó los compuestos de fósforo y nitrógeno, descubrió la reacción que lleva su nombre, entre haluros de alquilo y sodio para formar alcanos, y estableció las fórmulas de la glicerina y el glicol.

August Wilhelm von Hofmann (1818-1892): Alumno de Liebig que fue profesor de Química durante más de veinte años en Londres. Fundó la Sociedad Química Alemana. Descubrió un método general de preparación de aminas. Aisló el benceno y la anilina del alquitrán de la hulla; con Fritzche realizó la síntesis de la anilina, y fue uno de los creadores de la industria de los colorantes de anilina

En 1893, C. WEHMER descubrió que cultivos de penicillium podían producir ácido cítrico a partir de la sacarosa molecular. Sin embargo, la producción microbiana del ácido cítrico no llegó a ser industrialmente importante hasta la Primera Guerra Mundial que interrumpió las exportaciones italianas de limones.

En 1917, el químico americano JAMES CURRIE Y CLAUDIO COLÁN descubrieron que ciertos cultivos de Aspergillus Níger podían ser productores eficientes de ácido cítrico, Currie demostró que especies de aspergillus Níger acumulaban ácido cítrico a la par con ácido oxálico posteriormente se definieron las condiciones de cultivo que reducían considerablemente la producción de ácido oxálico contaminante. A partir de entonces, variedades de A. Níger han denominado la producción industrial, fundamentalmente porque su fisiología es más conocida que la de otros hongos y porque utiliza materias primas de bajo costo como melazas de caña.

PFIZER comenzó la producción a escala industrial usando esta técnica dos años más tarde.

Lo que hoy entendemos por el término Química Orgánica no se comprendía como tal hace simplemente un poco más de 100 años. Los hitos más importantes en la forja de esta disciplina, sin ánimo de ser exahustivo, son los siguientes:

Finales del XVIII

El enigma de la Química Orgánica: La fuerza vital. Se observa que los compuestos orgánicos están formados por un

número muy limitado de elementos.

Principios del XIX

Se intuyen ciertos visos de ordenamiento estructural. Se establece la ley de proporciones múltiples.

1820’s Síntesis de la urea: se tiende el puente entre la Química Inorgánica y la Orgánica.

Se mejora la precisión del análisis elemental. Se produce una complicación insospechada: la isomería.

1830’s Los radicales orgánicos como un principio de ordenación. El descubrimiento y la profusión de los radicales orgánicos.

1830’s-1840’s Orden entre los radicales orgánicos: la sustitución. Definición de radicales derivados.

1840’s-1850’s Ordenación por tipos de compuestos. La unificación de radicales y tipos.

1850’s Estructura interna de los radicales: la tetravalencia del carbono y su

capacidad para formar cadenas.

1860’s Primeras formulaciones modernas.

1870’s Estructura tetraédrica del carbono: isomería óptica.

1880’s Estructura hexagonal del benceno.

1930’s-1940’s

Planteamiento de la Teoría de la Resonancia. Desarrollo de la Espectroscopía de rayos X. Desarrollo de la Espectrometría de masas.

1950’s Análisis conformacional: estereoquímica del ciclohexano. Descubrimiento de la Resonancia Magnética Nuclear.

Este resumen se ha extraído en parte del libro From Vital Force to Structural Formulas O. Theodor Benfey, ACS, 1975

Entre los microorganismos capaces de producir y acumular ácido cítrico se encuentran las especies de los géneros Aspergillus, Citromyces, Penicillium, Monilia, Candida y Pichia. Las especies de Aspergillus negros y especialmente Aspergillus Níger, son las más empleadas en este tipo de producción; las más efectivas son las que presentan baja actividad de las enzimas isocitrato deshidrogenasa y aconitasa hidratasa y una alta actividad de la citrato sintetasa (Grewal and Kalra, 1995, Saniez, 1999, Anastassiadis et al., 2002, Betancourt, 2003).

II. INTRODUCCIÓN

Los ácidos orgánicos encuentran amplio uso como aditivos en la industria de alimentos y también como aditivos químicos en piensos. Todos los ácidos del ciclo de los ácidos tricarboxílicos pueden ser producidos microbiológicamente con un alto rendimiento. Algunos ácidos que derivan indirectamente del ciclo de Krebs, como el ácido itacónico (se obtiene a partir del ácido isocítrico), también pueden producirse de la misma manera. Así mismo se obtienen otros ácidos orgánicos que derivan directamente de la glucosa (p.ej. el

ácido glucónico) o que se forman como productos finales a partir del piruvato o del etanol (p.ej. el ácido láctico o el ácido acético).

Excepto en la producción del ácido cítrico, que se produce enteramente por procesos microbianos, existe frecuentemente una gran competición entre los procesos químicos y los biológicos. En algunos ácidos como el láctico y acético se utilizan indistintamente los métodos químicos o microbiológicos para su preparación. Para otros ácidos (cetoglutárico, málico) se han desarrollado procesos de fermentación que no se utilizan comercialmente, bien debido a la insuficiente demanda del ácido o por razones económicas.

III. CARACTERÍSTICAS:

Los ácidos carboxílicos tienen como fórmula general R-COOH. Tiene propiedades ácidas; los dos átomos de oxígeno son electronegativos y tienden a atraer a los electrones del átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo con lo que se debilita el enlace, produciéndose en ciertas condiciones, una ruptura heterolítica cediendo el correspondiente protón o hidrón, H+, y quedando el resto de la molécula con carga -1 debido al electrón que ha perdido el átomo de hidrógeno, por lo que la molécula queda como R-COO-.

Además, en este anión, la carga negativa se distribuye (se deslocaliza) simétricamente entre los dos átomos de oxígeno, de forma que los enlaces carbono-oxígeno adquieren un carácter de enlace parcialmente doble.

Generalmente los ácidos carboxílicos son ácidos débiles, con sólo un 1% de sus moléculas disociadas para dar los correspondientes iones, a temperatura ambiente y en disolución acuosa.

Pero sí son más ácidos que otros, en los que no se produce esa deslocalización electrónica, como por ejemplo los alcoholes. Esto se debe a que la estabilización por resonancia o deslocalización electrónica, provoca que la base conjugada del ácido sea más estable que la base conjugada del alcohol y por lo tanto, la concentración de protones provenientes de la disociación del ácido carboxílico sea mayor a la concentración de aquellos protones provenientes del alcohol; hecho que se verifica experimentalmente por sus valores relativos menores de pKa. El ion resultante, R-COOH-, se nombra con el sufijo "-ato".

El grupo carboxilo actuando como ácido genera un ion carboxilato que se estabiliza por

resonancia

Por ejemplo, el anión procedente del ácido acético se llama ion acetato. Al grupo RCOO- se le denomina carboxilato.

Disociación del ácido acético, sólo se muestran los dos contribuyentes de resonancia que más

afectan la estabilidad

La incorporación de ácidos en alimentos cumple diversas funciones dependiendo de la aplicación particular tales como aplicaciones se escriben en la explotación de una o varias de las siguientes propiedades de los ácidos orgánicos o sus sales:

1. Poder acidulante 2. Capacidad amortiguadora o reguladora de peso3. Agente quelatante de iones metálicos 4. Emulcificante 5. Efectos organolépticos

El principal uso es la edificación y control de PH en el producto final. Un PH bajo, retarda el crecimiento de microrganismos indeseables (principalmente bacterias) y aumenta la efectividad de conservadores como benzoatos y sorbatos. Así mismo reduce la necesidad de tratamientos térmicos drásticos durante la esterilización de frutas y verduras enlatadas, o promueve la inactivación de enzimas indeseables como la polifenoloxidasas. Un PH bajo alrededor de tres es indispensable para lograr una consistencia apropiada en geles de pectina, por lo cual los ácidos orgánicos son esenciales en la producción de conservas y jaleas de fruta.

3.- CLASIFICACIÓN DE LOS ÁCIDOS ORGÁNICOS

1.Ácidos Monobásicos o Monocarboxilicos: Son los ácidos que mayor poder oxidante tienen, están formados por un carboxilo (-COOH).

Ejemplo:

2.Ácidos Bibásicos o Dicarboxílicos: Son los que tienen en su constitución dos grupos carboxilos.

Ejemplo:

3.Ácidos Polibásicos: Son los que poseen más de dos carboxilos.

Ejemplo:

3-metiloico-pentadioico

4.Ácidos Mixtos: Son los que tienen en su estructura otras funciones diferentes, tales como el alcohol, enlaces dobles.Ejemplo:

5.Ácidos Grasos: Son aquellos que poseen muchos "C" y son extraídos de las grasas y los aceites vegetales se les llama también ácidos superiores. Ejemplo:

4.- USOS:

Los ácidos orgánicos se utilizan en las industrias de plásticos, curtidos, textiles, papel, metales, productos farmacéuticos, alimentos, bebidas y cosméticos. También se encuentran en perfumes, herbicidas, colorantes, lubricantes y productos de limpieza.

El ácido fórmico y el ácido acético son los principales productos químicos industriales del grupo de los ácidos monocarboxílicos saturados. El ácido fórmico se utiliza sobre todo en las industrias textil y del cuero. Actúa como agente agotador de tintes de diversas fibras naturales y sintéticas y como agente reductor en la tin- ción de cromo. El ácido fórmico se utiliza como agente descalcificante y neutralizante en la industria del cuero, como coagulante para látex de caucho y en la fabricación de fumigantes e insecticidas. El ácido acético sirve de producto químico intermedio, agente descalcificante en el curtido del cuero, disolvente y acidificante de pozos de petróleo. Además se utiliza como aditivo en distintos alimentos y en el vidriado y como catalizador y agente de acabado en las industrias de colorantes y tejidos.

Con la fermentación aerobia (Acetobacter) de soluciones alcohólicas, se obtiene ácido acético a concentraciones bajas (el vinagre contiene aproximadamente entre un4y un6 %). El ácido acético es uno de los ácidos orgánicos más utilizados. Se emplea en la producción de acetato de celulosa, acetato de vinilo, acetatos inorgánicos, acetatos orgánicos y anhídridos acéticos. El ácido acético como tal se utiliza en la industrias de colorantes, productos farmacéuticos, enlatado y conservación de alimentos y producción de pigmentos.

5.- MICROORGANISMOS Y CARACTERÍSTICAS, SU PROCEDENCIA EN LA ACTUALIDAD

Producción microbiana de ácidos orgánicos utilizados en la industria alimentariaEn la formulación de numerosos alimentos se emplean ciertos ácidos orgánicos con diversos fines. Estos ácidos, denominados de forma genérica “ácidos orgánicos” son intermediarios o productos terminales de ciclos metabólicos básicos, por lo cual ocurren en una gran variedad de organismos vivientes. Entre estos compuestos se incluyen los ácidos cítrico, málico, láctico, acético, tartárico, fumárico y glucónico. Su producción industrial, salvo en el caso del ácido tartárico, se realiza mayoritariamente por métodos biológicos, lo que los ubica como prototipo de biotecnología alimentaria.

La adición de ácidos orgánicos en los alimentos se hace para aprovechar a una o varias de sus propiedades: tienen poder acidulante, por lo que disminuyen el pH aumentando así la conservabilidad del alimento, tienen capacidad amortiguadora o reguladora del pH, actúan como agentes quelantes de iones metálicos, tienen propiedades emulsionantes, mejoran las características organolépticas de los alimentos.

Veamos brevemente cómo se obtiene cada uno de ellos.

A. Ácido cítrico

La principal fuente de ácido cítrico, antes de que se desarrollaran los procesos microbianos, fueron los cítricos procedentes de Italia (los limones contienen 7%-9% de ácido cítrico). Actualmente más del 99% de la producción mundial de ácido cítrico se produce microbiológicamente. El 70% se utiliza en la industria de alimentos y bebidas ya que el sabor de los jugos de frutas, extractos de jugos de frutas, caramelos, helados y mermeladas se aumenta o se preserva por adición de ácido cítrico. El 20% se destina a productos farmacéuticos como el citrato de hierro y ácido cítrico que se usan como conservantes de la sangre almacenada así como en tabletas, pomadas y preparaciones cosméticas. En la industria química (10% restante) el ácido cítrico se utiliza como agente antiespumante, como reblandecedor y para el tratamiento de textiles. En la industria metalúrgica los metales puros se producen como citratos metálicos.

En la actualidad, para la producción comercial de ácido cítrico, sólo se utilizan mutantes de Aspergillus Níger. La esencia de la obtención del ácido cítrico conlleva limitar las cantidades de trazas de metales, como el manganeso y el hierro (cofactor de la aconitasa), para evitar el sobre crecimiento de Aspergillus Níger.

El medio suele tratarse con resinas de intercambio iónico para asegurar concentraciones bajas y controladas de los metales disponibles. La obtención del ácido cítrico, que en un principio se realizaba mediante el crecimiento en una superficie estática, ahora se lleva a cabo en fermentadores aeróbicos con agitación. Generalmente se utilizan como materia prima las melazas en altas concentraciones (15-18%).

El ácido cítrico es un producto metabólico primario y se forma en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. La glucosa es la principal fuente de carbono utilizada para la producción de ácido cítrico. En la trofofase, parte de la glucosa añadida se utiliza para la producción de micelio y se convierte, a través de la respiración, en CO2. En la idiofase, el resto de glucosa se convierte en ácidos orgánicos existiendo una pérdida mínima por respiración. Durante la idiofase y cuando el nivel de sustrato es alto, se expresan todas las enzimas del ciclo de Krebs excepto la α -cetoglutarato deshidrogenasa. La actividad citrato sintasa aumenta por un factor de 10, mientras que las actividades de los enzimas que catabolizan el ácido cítrico, aconitasa e isocitrato deshidrogenasa, se reducen drásticamente en comparación con su actividad durante la trofofase. Esto da lugar a una acumulación y excreción de ácido cítrico por el microorganismo sobrecargado. El rendimiento teórico es de 112g de ácido cítrico anhidro por 100g de sacarosa. Sin embargo, tales rendimientos no se obtienen en la práctica debido a las pérdidas durante la trofofase. Generalmente se consigue un 60% sobre el rendimiento teórico.

A diferencia de otros ácidos que eran elaborados por métodos microbiológicos y en la actualidad se sintetizan por vía química, el ácido cítrico se produce totalmente por fermentación. Los microorganismos que intervienen en el proceso son principalmente de los géneros Aspergillus y Penicillum.

A pesar de la importancia comercial del ácido cítrico son escasa los estudios fundamentales basados en las técnicas genéticas dirigidas a la mejora de cepas productoras .El método empírico de mutación seguido de selección sigue siendo el más usado.

Por ejemplo: se ha reportado el aislamiento de mutantes de la Aspergillus Níger obtenidos por tratamiento secuencial con rayos UV y etilamina con capacidad de acumular 7 veces más ácidos cítrico que la cepa paterna en medios de sacarosa.La detección de colonias productoras en las placas de agar se logra al agregar un colorante específico para ácido cítrico como para dimetilamino benzaldehído y seleccionando aquellas con él a lo de mayor diámetro.

El ácido cítrico es un intermediario en el ciclo de Krebs, ciclo que tiene la función de generar energía en forma de ATP en conjunción con la fosforilación oxidativa durante el metabolismo aeróbico de carbohidratos. Así pues, la producción de ácido cítrico requiere de una operación defectuosa del ciclo de Krebs que permita la acumulación de este compuesto.

Existen dos métodos principales para la obtención de ácido cítrico a nivel industrial, empleando en ambos casos cepas seleccionadas de Aspergillus Níger.

Cultivo superficial: es simple y menos sensible que el método de cultivo sumergido, pero es poco productivo, por lo que está en desuso. Se prepara un medio de melazas y se añade ferrocianuro de fósforo y un suplemento de fósforo. La inoculación se realiza con esporas que se depositan por aspersión en la superficie del medio. Es importante mantener un nivel adecuado de aireación para renovar el oxígeno necesario, eliminar el dióxido de carbono producido y controlar la temperatura de la cámara. El proceso de fermentación dura entre 9 y 12 días.

Cultivo sumergido: se utilizan biorreactores agitados con turbinas o fermentadores tipo air-lift. Estos últimos mantienen una buena oxigenación y favorecen el crecimiento del microorganismo en una forma que favorece al desarrollo del proceso. La inoculación se hace con esporas o con cultivo vegetativo. La fermentación tiene una duración de 5 a 8 días. Este proceso es más eficiente y requiere menos mano de obra que el anterior, pero requiere un control del proceso más minucioso.

B. Ácido fumárico

Este ácido se utiliza como acidulante en alimentos, para mejorar así su conservación. También se emplea como materia prima en la producción de ácido aspártico (utilizado en la producción de aspartamo) a través de la enzima aspartasa y de ácido málico a partir de la enzima fumarasa.

El ácido fumárico se produce principalmente mediante síntesis química, aunque puede producirse también mediante métodos fermentativos. Varios hongos filamentosos acumulan ácido fumárico, principalmente especies de Rhizopus.

C. Ácido málico

El ácido málico se utiliza como acidulante en bebidas carbonatadas. Puede producirse por fermentación con variedades de Aspergillus y Rhizopus, aunque en la actualidad el método más empleado consiste en la transformación enzimática del ácido fumárico mediante la enzima furamasa.

D. Ácido tartárico

Este ácido se utiliza en bebidas carbonatadas, especialmente en aquellas con sabor a uva. Es un compuesto que produce como subproducto de la industria vitivinícola, ya que precipita en forma de tartrato potásico en los depósitos de fermentación. Este método satisface la demanda existente en la industria. Se trata de un método muy económico, que hace que la utilización de otros métodos biotecnológicos sea incosteable. Entre ellos se encuentra un método fermentativo que emplea Acetobacter con glucosa como sustrato, y un método enzimático, que convierte cis-epoxisuccinato, obtenido por síntesis química, en tartárico.

E. Ácido glucónico

Este ácido se utiliza en la industria láctea para retardar la sedimentación en leche. También se utiliza en forma de δ-glucono-lactona en la elaboración de pan y embutidos, ya que actúa como acidulante de efecto retardado.

La producción industrial de ácido glucónico se lleva a cabo utilizando un medio rico en glucosa y con elevados niveles de aireación. La oxidación de glucosa con oxígeno molecular para obtener δ-glucono-lactona es catalizada por la enzima glucosa oxidasa. Esta enzima, que normalmente es intracelular, es parcialmente excretada o mantenida extracelularmente asociada con la membrana de ciertos hongos filamentosos, especialmente en variedades de Aspergillus y Penicillium. La δ-glucono-lactona es hidrolizada de forma espontánea a gluconato, liberando peróxido de hidrógeno que es descompuesto por la acción de la enzima catalasa, que está presente en los hongos antes mencionados.

En la producción de ácido glucónico sólo participa una única enzima microbiana, la glucosa oxidasa, que se encuentra en Aspergillus Níger. Este hongo crece en condiciones óptimas en el líquido de maceración del maíz pero cuando el crecimiento se ve limitado por el nitrógeno, las células en reposo transforman la glucosa restante en ácido glucónico. El gluconato sódico se utiliza como agente secuestrante en muchos detergentes.

F. Ácido láctico

A diferencia del resto de los ácidos orgánicos de los que hemos hablado, el ácido láctico resulta como producto final del metabolismo anaerobio, principalmente en ciertas bacterias que se denominan bacterias ácido-lácticas. Este ácido se utiliza como saborizante en alimentos fermentados y bebidas. También se utiliza para ajustar el pH del vino, ya que durante la vinificación este compuesto se produce de forma natural como resultado de la fermentación maloláctica.

La bacteria que normalmente se utiliza en la producción industrial de ácido láctico es Lactobacillus delbrueckii ya que consume eficientemente la glucosa y es termófilo, lo que reduce costos de enfriamiento y esterilización, así como riesgos de contaminación microbiológica en el fermentador. En medios con lactosa, la bacteria que normalmente se

emplea es Lactobacillus bulgaricus, que también es termófila. Como sustrato se utilizan solucione de sacarosa, glucosa o hidrolizados de almidón, ya que las impurezas presentes en las melazas y otros medios baratos dificultan la etapa de separación.

El medio se inocula y agita, sin aireación, para optimizar la neutralización del ácido formado. La fermentación dura entre 2 y 4 días y se termina cuando todo el azúcar es consumido.

La parte del proceso que presenta más dificultades es la separación y recuperación del producto. Esta se hace de la siguiente manera. Al final de la fermentación el pH del medio es ajustado a un valor de 10 y calentado para solubilizar el lactato de calcio formado. Posteriormente el medio se filtra para eliminar sustancias insolubles y la biomasa. Se concentra el filtrado por evaporación y se añade ácido sulfúrico. Así se forma el ácido libre y sulfato de calcio, que es eliminado por filtrado.

G. Ácido acético

Es el ácido de mayor importancia industrial. Existen dos formas: ácido acético glacial, que es ácido acético concentrado que se obtiene por vía química, y ácido acético de grado alimentario o vinagre, que es ácido acético en una concentración de alrededor de un 10%. Este ácido se obtiene por oxidación del etanol con variedades de la bacteria Acetobacter. Dedicaremos un artículo completo a la elaboración industrial de este producto.

Producción de un Ácido orgánico

LA INVESTIGACIÓN EN AMINOÁCIDOS CONTINÚA EN DIVERSAS ÁREAS.

Búsqueda de nuevas cepas silvestres.

Estudio experimentales para la producción de aminoácidos en cultivo continuo.

Inmovilización de células producidas y procesadas especialmente para que tengan alto contenido de una enzima de interés.