Enzimas: Aplicaciones en la industria de alimentos.

UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÒN
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química








ENZIMAS: APLICACIONES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA












AUTOR: DANIEL SALAMANCA HERRERA


Concepción, 19 de noviembre de 2015

1. RESUMEN
En nuestro país, con una numerosa cantidad de compañías, las actividades vinculadas a la industria alimentaria representan un porcentaje importante del mercado local.
Lo anterior supone un desafío: disponer de técnicas de producción que sean capaces de cubrir dichas demandas. El uso de enzimas a nivel industrial es una de estas técnicas y corresponde a un método transversal a todos los campos de producción alimentaria, siendo su acción catalizadora la que le confiere su principal trascendencia.
Para efectuar esta investigación, se recopiló, seleccionó y, posteriormente, se analizó el contenido que se hallaba en distintas fuentes virtuales. Estos antecedentes electrónicos fueron obtenidos desde: bases de datos científicas (Web of Science y Scielo), diarios (El Mercurio), repositorios (UdeC y UChile), libros electrónicos y motores de búsqueda.
Se analizará el caso de las enzimas b-Amilasa, Orotidina-5'-P-descarboxilasa, Fumarasa, ureasa, Carboxipeptidasa B y Adenosina desaminasa, que reducen hasta en 1017 veces el tiempo que tarda una reacción.
Por otro lado, debido a la necesidad de organizarlas, se expondrá una categorización especial para las enzimas más frecuentemente utilizadas en la industria de alimentos clasificándolas en: esterasas, carbohidrasas, proteasas, oxidasas y deshidrogenasas.
Finalmente, acorde a la clasificación anterior, se hará una revisión a las aplicaciones de algunas de las enzimas más relevantes: las carbohidrasas; las esterasas; las proteasas; las oxidasas; y las deshidrogenasas. Todas ellas participantes activas en la industria: panadera, láctea, frutícola y hortícola, azucarera y de bebidas alcohólicas y no alcohólicas.
En conclusión, la presencia enzimática disminuye el tiempo que tarda la transformación de reactivos a productos y su clasificación permite verificar su versatilidad, que la hace abarcar un amplio rango de reacciones.

2. INTRODUCCIÒN
En la actualidad, la industria alimenticia ocupa un no despreciable porcentaje del mercado nacional. En el año 1960 las exportaciones de alimentos en Chile (en millones de dólares) representaban apenas el 7% del total, hoy, en cambio, dicha cifra asciende a un 21%, posicionándose como la segunda mayor actividad del país después del cobre. Este aumento sustancial se tradujo en 17.298 millones de dólares en productos alimentarios exportados por Chile en 2014. (Martínez, 2015)

Las técnicas hoy empleadas en la industria alimentaria prometen disminuir los tiempos de
fabricación y elevar la calidad de los productos finales.
La gran variedad de artículos alimenticios que demanda la población favorece el dinamismo y la diversidad, y en conjunto con el mayor conocimiento que las personas adquieren en favor de su salud, generan competencia en el mercado y constante incremento de estándares nutricionales. Bajo este escenario, es indispensable contar con una técnica que reduzca tiempos de elaboración y que, paralelamente, se caracterice por su versatilidad, a fin de cubrir las crecientes demandas en este campo.

Hoy, las responsables de dar solución a estos requerimientos en una gran variedad de industrias son las enzimas. Su labor principal comprende la catalización de reacciones químicas (Curtis y Barnes, 2000), atributo que la posiciona como una excelente propuesta. Un objetivo de este informe es evidenciar su acción catalizadora y el mecanismo, a través de la Energía de activación, que le confiere dicha característica. Se analizará el caso de las enzimas: b-Amilasa, Orotidina-5'-P-descarboxilasa, Fumarasa, ureasa, Carboxipeptidasa B y Adenosina desaminasa, que pueden llegar a reducir hasta en 1017 veces el tiempo que tarda una reacción sin la presencia enzimática (Franco, 2007).

Además de su efectividad en el aumento de la velocidad de reacción, otro rasgo fundamental es su versatilidad a nivel global. Una enzima solo puede catalizar un conjunto limitado de tipos de reacciones, característica llamada "especficidad de la enzima" (Peña, 2004), sin embargo, hay registradas 2000 enzimas diferentes (García et al, 2004), por lo que el número total de reacciones sobre el cual pueden actuar las enzimas es mucho más grande. El segundo objetivo de este informe es clasificar a las enzimas que participan en la industria de alimentos de acuerdo al tipo de reactante sobre el cual actúan. La categorización que se presentará permitirá deducir el uso práctico de cada enzima.

A pesar de que la clasificación de las enzimas se ha realizado considerando al tipo de reactivo cuya reacción catalizan (Schmidt y Pennacchiotti, 2001), dicha categorización no limita el uso de ese grupo de enzimas a un área de la industria en particular. Las enzimas del tipo hidrolasas están presentes en la industria de aceites, de bebestibles, de azúcares, lácteos, carnes y panes; al igual que las oxidasas. Sin embargo, las hidrolasas participan en las hidrólisis y las oxidasas en oxidaciones, pudiendo estar ambas presentes en un mismo proceso industrial.

El objetivo principal de este informe es reunir antecedentes sobre las principales enzimas que participan activamente de los procesos industriales en la fabricación de alimentos, organizándolas de acuerdo a la clasificación anteriormente mencionada.

3. OBJETIVOS

Evidenciar la acción catalizadora de las enzimas y el mecanismo a través del cual superan este desafío.

Clasificar a las enzimas que participan en la industria de alimentos de acuerdo al tipo de reactante sobre el cual actúan.

Reunir antecedentes sobre las principales enzimas que participan activamente de los procesos industriales en la fabricación de alimentos




4. MATERIALES Y MÉTODOS

La obtención de información se realizó preferentemente en forma virtual. Al comparar con métodos tradicionales de búsqueda, como acudir físicamente a bibliotecas y centros de investigación, las bases de datos que se encuentran disponibles de forma electrónica proveen facilidades considerables respecto del tiempo empleado. El material que será expuesto fue fruto de la recopilación, y posterior análisis, del contenido que se hallaba en dichas fuentes. En base a lo anterior, la metodología se dividirá de acuerdo a la procedencia electrónica de los antecedentes.

4.1 Bases de datos científicas
La base de datos virtual Web of Science, que reúne una gran cantidad de artículos científicos, se empleó para la localización de publicaciones en inglés y español. Las palabras claves se introdujeron en su motor de búsqueda de acuerdo al idioma de interés. En tanto que el hallazgo de artículos en inglés resultó de la búsqueda de "enzyme" y "food industry", la obtención de artículos en español derivó de insertar los términos "enzimas" y "alimentos".
Además, se recopilaron datos desde la base SciELO Chile, el cual da acceso a revistas electrónicas y publicaciones de investigaciones chilenas. Al igual que Web of Science, se introdujo las palabras "enzimas" y "alimentos" en su buscador.

4.2 Repositorios
Los repositorios de universidades chilenas son compilados electrónicos de material producido por estas mismas instituciones. Particularmente, se utilizó el repositorio académico de la Universidad de Chile, el cual provee información de todas las áreas del conocimiento. Del mismo modo que los anteriores, la búsqueda se realizó introduciendo "enzimas" y "alimentos", reduciendo el universo de datos a artículos en español. Una vez que arrojaba resultados, la elección se hizo considerando el título y el resumen.

4.3 Diarios
La búsqueda se centró primordialmente en el diario El Mercurio, a través de su versión electrónica emol. Similarmente a los métodos anteriores, se inició la búsqueda introduciendo palabras claves. Para estos efectos, la frase empleada fue "industria alimento".

4.4 Libros electrónicos (e-books)
La examinación de libros se realizó con ayuda del motor de búsqueda de libros de Google: la plataforma Google Books. El enfoque fue principalmente hacia textos de biología, bioquímica, biotecnología y ciencia y tecnología de alimentos, que contuvieran información sobre enzimas y métodos empleados en la industria alimenticia. Desde estos libros se rescataron definiciones, tablas de resumen e imágenes.

4.5 Motores de búsqueda
El resto de la información, que no pudo ser recopilada de las fuentes anteriores, se obtuvo directamente desde el motor de búsqueda principal: Google. Mediante la escritura de una frase completa o una palabra clave, se daba acceso a páginas web con contenidos directamente relacionados al tema. La elección se hizo de acuerdo a la seriedad con que se argumentaba y privilegiando páginas de instituciones educativas y científicas.


5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

5.1 Enzimas y velocidad de reacción
La siguiente figura ilustra el comportamiento de una reacción con y sin la presencia de enzimas, en particular, la reacción de oxidación de la glucosa a agua y dióxido de carbono.
(Porto, 2008)


Figura 1. Diagrama de la disminución de la energía de activación en reacciones catalizadas.

Cuando en una reacción no interviene una enzima (línea roja), la vía de transformación de reactantes a productos requiere alcanzar un estado de alta energía. La disposición de la curva que describe a la reacción catalizada (línea azul) evidencia un requerimiento menor de energía, en comparación con la reacción no catalizada. Esta diferencia de energía es la que se traduce en una diferencia en las velocidades de reacción.

La siguiente tabla (Franco, 2007) expresa el cuociente entre la velocidad de una reacción catalizada por enzimas y la velocidad de la misma reacción sin la presencia enzimática. Los datos han sido ordenados de forma decreciente, de modo que la enzima b-Amilasa es la que posee mayor poder catalizador respecto de sus pares consideradas en la tabla. Por lo tanto, si una reacción en condiciones normales demora 3 horas en desarrollarse completamente, la presencia de la b-Amilasa reducirá ese tiempo en un factor de 3,51015.

Tabla 1. Cuociente entre la velocidad de reacción catalizada por la enzima y una no catalizada.

Enzima
(Velocidad catalizada)/(Velocidad no catalizada)


Enzima
(Velocidad catalizada)/(Velocidad no catalizada)
b-Amilasa
7,21017·1017
Ureasa
1,01014·1014
Orotidina-5'-P descarboxilasa
1,41017·1017
Carboxipeptidasa B
1,31013·1013
Fumarasa
3,51015·1015
Adenosina desaminasa
2,11012·1012


5.2 Clasificación de las enzimas

Las enzimas se organizan de acuerdo al tipo de reacción que catalizan. Dicha clasificación divide a las enzimas de alimentos en dos grandes grupos: las hidrolasas y las desmolasas. Las subclasificaciones y ejemplos de sus representantes más importantes se especifican en la siguiente tabla (Schmidt y Pennacchiotti, 2001):

Tabla 2. Clasificación de las enzimas presentes en la industria de alimentos.

Enzima


Función Específica


Clases
HIDROLASAS
Esterasas
Lipasas


Fosfatasas


Clorofilasas


Pectinoesterasas

Carbohidrasas
Hexosidasas


Poliasas

Proteasas
Proteinasas


Peptidasas


Catepsinas


Renina
DESMOLASAS
Oxidasas
Oxidasas férricas


Oxidasas cúpricas

Deshidrogenasas

Las hidrolasas participan en reacciones de hidrólisis y las desmolasas en reacciones de oxidación. La función específica indica el grupo de moléculas sobre el cual son capaces de actuar esas enzimas. Así como las carbohidrasas participan en la hidrólisis de carbohidratos, las esterasas se encargan de hidrolizar ésteres y las proteasas rompen los enlaces peptídicos de las proteínas haciendo uso de la hidratación. Por otra parte, las deshidrogenasas oxidan (o reducen) sustratos añadiendo (o sustrayendo) átomos de hidrógeno. Similarmente, las oxidasas oxidan en presencia de oxígeno.

5.3 Participación y función de las enzimas en la industria alimentaria

Las siguientes tablas muestran la participación de las enzimas en la industria alimentaria. El apartado "Industria" indica el tipo de industria en que se utiliza la enzima en particular; la sección "Enzima" menciona el nombre de dicha enzima; la columna "Clase" clasifica a la enzima de acuerdo a la Tabla 2; y la última sección, "Función", específica su uso práctico en la industria.
Cabe destacar que todas estas enzimas trabajan catalizando las reacciones en la función que realizan.

5.3.1 Esterasas

En general, se emplean, entre otras, en la industria láctica y también para la elaboración de vinos, jugos de frutas, cerveza y otras bebidas alcohólicas, ya que transforman grasas, aceites y otros compuestos de bajo valor en otros de mayor valor añadido. (Torres, 2014)


Tabla 2. Aplicaciones de las enzimas esterasas.
Industria

Enzima
Clase
Función
Aceites
Klearzyme 150
Pectinoesterasa
Disminución de residuos en extracciones acuosas de aceites de soyas y proteínas.
Bebidas no alcohólicas
-
Pectinoesterasa
Permite realizar filtraciones rápidas de jugo y clarificaciones. Además, eleva el rendimiento en la obtención de jugos de frutas de difícil prensibilidad.
General
5'Fosfodiesterasa
Fosfatasas
Su adición a preparados facilita la producción de mononucleótidos provenientes del ARN que potencian el sabor.

La enzima Klearzyme 150 está aún en fase de estudio, pero su potencial radica en su eficiencia respecto de los métodos actuales utilizados para eliminar los residuos en la extracción del aceite de soya (Andrich y Aríngoli, 2009).
En la tabla anterior se ha descrito la función general de las enzimas pectinoesterasas debido a que varias de ellas tienen esa aplicación específica.
Como se puede apreciar, dos de las aplicaciones están relacionadas con la purificación de los productos y las tres tienen un enfoque en mejorar la apariencia de estos.

5.3.2 Carbohidrasas

Las enzimas carbohidrasas trabajan actuando directamente sobre los azúcares, debido a esto, moléculas como la amilasa y amiloglucosidasa, son ampliamente usadas en la industria azucarera y de jugos (Rodríguez y Castillo, 2014). Una importante es la lactasa que, a causa de su efectividad para hidrolizar la lactosa, su adición a productos lácteos permite deslactosarlos y hacerlos aptos para el consumo de intolerantes a dicho carbohidrato (Larenas, 2011).

Tabla 3. Aplicaciones de las enzimas carbohidrasas.
Industria

Enzima
Clase
Función
Bebidas alcohólicas
Amilasa
Poliasa
Participa en la fermentación. El grano de amilasa caliente gelatiniza al almidón, el cual se convierte a azúcar fermentable por la adición de malta o alcohol si se añade levadura.
Azucarera
Amiloglucosidasa
Poliasa
Participa en la hidrólisis enzimática del almidón, transformándolo a glucosa, del cual se obtiene la fructosa. Los jarabes de glucosa y fructosa se emplean como sustitutos del azúcar de caña en jugos y postres.
Láctea
Lactasa
Hexosidasa
Cataliza la hidrólisis de la lactosa en glucosa y galactosa. Se emplea para deslactosar. Su adición a productos lácteos disminuye los gránulos insolubles de lactosa, suavizando así sus texturas.
Azucarera
Invertasa
Hexosidasa
Actúa como reblandecedor de alimentos azucarados. Se utiliza en la elaboración de confites como: rellenos de bombones, jaleas y mazapanes.




5.3.3 Proteasas

Tabla 4. Aplicaciones de las enzimas proteasas.
Industria

Enzima
Clase
Función
Carnes
Bromelina
Catepsina
Su usa como ablandadora de carne. Es ocupada en cervezerías, pues hidroliza proteínas solubles de la cerveza que podrían precipitar y opacar el producto
Láctea
Renina
Renina
En quesos, coagula la caseína, una proteína presente en la leche. Desde este coágulo cual se puede obtener fácilmente el suero de leche.
Panadera
Papaína
Proteinasa
Para ciertos panes se requiere una cierta plasticidad en la masa. La adición de papaína regula esta característica, además de brindarle un menor tiempo de horneo y suavidad.

Debido a que los tejidos conectivos están formados principalmente por proteínas, la bromelina es muy utilizada en la industria pues, como proteasa, ataca directamente las estructuras proteicas en carnes (Eliecer, 2003). Del mismo modo se utiliza la Renina, pero atacando a las proteínas de la leche (Larenas, 2011). Por tanto, de acuerdo a lo anterior, su mayor uso está dentro de las industrias procesadoras de alimentos provenientes de animales.

5.3.4 Oxidasas
En general, las oxidasas protegen a productos deshidratados con alto contenido de grasa y otros componentes sensibles a la oxidación, además del impedimiento del crecimiento de microorganismos bacterianos (Larenas, 2011). Así, la glucosa oxidasa se introduce en la producción de alimentos en una mezcla con la enzima catalasa, pues reaccionan con el oxígeno que podría causar la degradación del producto. (Schmidt, 2001)

Tabla 5. Aplicaciones de las enzimas oxidasas.
Industria

Enzima
Clase
Función
General
Glucosa-oxidasa y catalasa
Oxidasas férricas
Elimina el oxígeno causante de pérdidas de color, aroma y de vitamina C y de turbiedades y flouculaciones debido a microorganismos. Su adición a conservas y bebidas enlatadas reduce la transferencia de metales al contenido

5.3.5 Deshidrogenasas
Como se aprecia, las enzimas deshidrogenasas tienen usos variados en la industria alimentaria. Por ejemplo, la lipoxidasa es usada en la industria panadera, y el limonato, en
frutas y verduras. (Shinozuka et al, 2005).

Tabla 6. Aplicaciones de las enzimas deshidrogenasas.
Industria
Enzima
Función
Panadera
Lipoxidasa
Se utiliza en el blanqueamiento de la harina y para mejorar su rendimiento en el amasado. La forma en que habitualmente se añade es como harina de soja.
General
Deshidrogenasa
Son enzimas que se utilizan en biosensores. Permiten cuantificar la cantidad existente de un sustrato y medir la actividad enzimática
Frutas y verduras
Limonato deshidrogenasa
Elimina el amargor en cítricos causado por la limonina
CONCLUSIONES

1. La reducción de la energía de activación, propia de cada reacción a una cierta condición, conduce al aumento en la velocidad de reacción.

2. El tiempo que tarda la transformación de reactivos a productos sin la presencia enzimática puede disminuirse si la reacción se desarrolla con la ayuda de una enzima específica para dicha reacción.

3. La clasificación cualitativa ordena a las enzimas de modo que su uso quede directamente especificado.

4. Las enzimas tienen una amplia participación en la industria panadera, frutícola, láctea, carnicera, azucarera y de bebidas.

5. La versatilidad y variedad de enzimas permite abarcar un amplio rango de reacciones de catalización, actuando en reactivos de diversa naturaleza (carbohidratos, lípidos, ésteres y proteínas)

BIBLIOGRAFÌA

Andrich, O., Aríngoli, E., "Activity of a pectinase enzyme on insoluble soy polysaccharides." (2009)

Curtis, H., Barnes, S., "Biología", 6a. Ed., Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Argentina. (2000).

Eliecer, J., "Producción y aplicación de enzimas industriales", Popayán. (2003).
Franco L., "Enzimas: Para qué son y para qué sirven", Revista de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales (España), 101(2), 404 (2007).

García, M., Quintero, R., López-Munguía, A., "Biotecnología alimentaria", Limusa, México. (2004).
Larenas, S., "Lección 9: Enzimas" (2011), Consultada el 26 de agosto de 2015, en http://datateca.unad.edu.co/contenidos/202015/exe%20quimica%20%20y%20analisis%20 de%20%20los%20alimentos%20II-2011/leccin_9_enzimas.html
Martínez, R., "Chile tiene una industria alimentaria de nivel mundial", Ediciones especiales de El Mercurio, 1, (2015, 17 de abril).

Peña, A., Arroyo, A., Gómez A., Tapia, R., "Bioquímica", 2a. Ed., Limusa, México. (2004).

Porto, A. "Curso de Biología". (2008). Consultada el 26 de agosto de 2015, http://www.bionova.org.es/biocast/tema14.ht

Rodríguez, M., Castillo, E., "Enzimas aplicadas en procesos industriales". Revista Digital Universitaria [en línea]. Vol. 15, No.11. ISSN: 1607-6079. (2014). Consultada el 1 de noviembre de 2015. http://www.revista.unam.mx/vol.15/num12/art96/index.html >

Schmidt, H., Pennacchiotti, I., "Las enzimas en los alimentos: Su importancia en la química y tecnología de alimentos", Chile. (2001).

Shinozuka, N., Yokoyama, T., Nakamura, K., Procedimiento de análisis de substrato y biosensor. Patente española ES 2 224 614 T3. Patente de invención, España. Solicitada marzo 1999 y aprobada agosto 2004.

Torres, M., "Caracterización genética y bioquímica de esterasas de compuestos fenólicos de Lactobacillus plantarum", Tesis de Doctor, Universidad Autónoma de Madrid (2014).