BIOPOLIMEROS

introducción

La industria alimentaria se enfrenta con la necesidad de desarrollar productos de características organolépticas adecuadas para el consumidor.

Tal es el caso de los hidrocoloides (biopolimeros), aditivos de gran empleo en la industria alimentaria.

biopolimeros

En forma general un biopolimero es una macromolécula que es sintetizada mediante algún proceso biológico. Los mas importantes son: las proteínas, ADN y los polisacáridos. Las aplicaciones se fundamentan en dos de sus características importantes: capacidad de alterar las propiedades de uso del agua y la posibilidad de formar geles.

Tabla 1. fuentes y tipos de goma

natural semisintetica sintética

Exudado de plantas (arabiga, tragantano,karaya,ghatti)

Celulosa modificada (CMC, MC,HEC,HPC, HMPC)

Polivinilpirrolidona (PVP)

Extracto de algas marinas (agar,alginatos,carregeninas,furcelaranas)

Almidones modificados

Semillas (guar,tragantano,psyllium)

Pectinas de bajo metoxilo

Cereales (almidones) Alginato

Extracto de plantas (pectinas)Origen animal (gelatinas,albuminas)microbiano (dextranas, xantana)

Las gomas obtenidas mediante procesos microbianos tienen ciertas ventajas respecto de las que se extraen de fuentes naturales como las algas o las plantas.

Tabla 2. ventajas y desventajas de las gomas obtenidas de microorganismos.

ventajas desventajas

La producción no depende de las condiciones climáticas

Altos costos de producción

Menor variabilidad en la calidad de producción.Características reologicas “sobre pedido”

Se espera lograr en el mediano plazo que las gomas microbianas con la ayuda de la tecnología se sitúen en el mercado con la aparición de otros polisacáridos de bajo costo pero con gran calidad.

Una de las gomas que ha logrado posicionarse con gran éxito es la xantana y se considera como un comodín en varias aplicaciones de la industria.

Entre los polisacáridos microbianos destacados tenemos: las dextranas y las xantanas. Los alginatos también poseen buen potencial.

Dextranas

En la industria azucarera se presentaban problemas por el hecho que al momento de la extracción de sacarosa se formaban gomas.

Pasteur en 1861 demostró el origen microbiano de esta transformación y Van Tieghen en 1878 aisló el microorganismo ( Leuconostoc mesenteroides ).

En 1906 Scheiber separo a los polímeros y les dio el nombre de “dextranas”.

Dextranas

El termino se aplica a polímeros de glucosa que contiene cantidades importantes de residuos α-D-glucopiranosa ligados en (α1 6), en la década de los 40 en (NRRL) preoria, Illinois, se aisló una cepa de L. mesenteroides NRRL B-512F, es la única cepa que se produce a nivel industrial.

Un gran numero de bacterias sintetizan dextranas las cuales están dentro de los géneros leuconostoc y streptococcus.

La enzima “dextranasacarosa” sintetiza la dextrana.

Reacción:

n sacarosa dextrana + n fructosa

La síntesis no requiere cofactores ni monómeros activados. La energía provine del enlace glucosidico de la sacarosa.

Características químicas

Las dextranas son homopolisacaridos formados de unidades de glucosa en su forma piranosa. Enlaces α1 6 existiendo porcentajes variables de ramificaciones α1 2, α1 3 y α1 4, de acuerdo al microorganismo productor.

Se encuentran dos excepciones:

1. Las enzimas de la cepa L. mesenteroides NRRL B-1355, que producen un polimero donde se alterna en la cadena principal enlaces α1 6 con α1 3 y se denomina “alternano” “alternansacarosa”.

2. Incluye a los polimeros cuya estructura principal es en α1 3 y las ramificaciones en α1 6 conocidos como “mutamos” es el caso de la cepa L. mesenteroides NRRL B-523 y B-1149.

La cepa L. mesenteroides NRRL B-512F produce dextrinas de muy alto peso molecular superior a 2 millones, en solucion tiene comportamiento no nwtoniano y pseudoplastico.

Producción de dextranas (L. mesenteroides NRRL B-512F)

Proceso convencional:

En la segunda guerra mundial se aumento la producción de dextranas las que se utilizaban como sustituto de plasma sanguíneo.

La fuente de carbono para la producción es la sacarosa, en la fermentación sedan 3 procesos:

1. Crecimiento del microorganismo.

2. Síntesis y excreción de la dextransacarasa.

3. Síntesis de la dextrana por acción de la enzima.

100g/L de sacarosa se obtiene 25g/L de dextrana.

Se emplea en el medio:

Extracto de levadura 2.5%, sulfato de magnesio 0,2% y fosfato dipotasico 5% además oligoelementos.

El pH de 7.0 por el ac. Láctico hasta valores menores de 5.0, el proceso dura 16 h a una T de 26°C y 29°C. al terminar el proceso la dextrana se hace precipitar con etanol.

Nuevos procesos

Para optimizar la producción Tsuchiya et al. Propusieron un proceso con estas etapas:

1. Bajo contenido de sacarosa 2%, para aumentar la enzima. El medio de fermentación con: 2% de extracto de levadura, 2% de K2HPO4. y producir 1 o 2 unidades/ml.

2. Aplicación de la enzima cruda o parcialmente purificada para la síntesis de dextrona cruda. En reactores intermitentes [ ] de 150g/L si es superior se inhibe el crecimiento.

Nuevos procesos

Monsan y Lopez-munguia

Sistema retroalimentado, permite baja [ ] de sacarosa en el medio aumentando la producción 7 a 8 veces. El pH se regula a 6.5 con NaOH, la sacarosa se adiciona a razon de 20 g/L-h. para la purificacion se utiliza un sistema de extraccion liquido-liquido y se le adiciona polietilenglicol (PM= 1500).

Aplicaciones

Es el polímero mas estudiado, pero su aplicación es moderada.

Las de alto peso molecular se aplican:• Estabilizantes y viscosantes en la industria

alimentaria.• En capas protectoras para semillas.• Floculantes.• Estabilizante en agregados de suelos.• Recuperación secundaria de petróleo.• Procesos metalúrgicos.

Los de bajo peso molecular se aplican:• En la industria farmacéutica (expansores de

plasma).• Sulfato dextrana (anticoagulante).• Fe –dextrana (contra la anemia). México 25-30

ton/año• Geles de cromatografía.

Actualmente se exploran diversos mercados para las dextranas especialmente las que son de fácil degradación para el sistema digestivo.

Xantana

Es la goma que mayor éxito en el marcado de los hidrocoloides. Se empezó a producir en U.S.A. en la década de los sesenta, en 1988 se producían 20 mil ton/año.

En el mercado alimentario se estima unas 50 ton/año para aplicarla en bebidas y jugos, como estabilizante y en aderezos para ensaladas.

Características fisicoquímicas

Químicas: Heteropolisacarido de unidades monomericas de

glucosa, manosa y ac. glucoronico en relación 2.8: 2.2, PM = 2 millones, polisacárido ramificado lo cual da las características de viscosificante lo que ha hecho que su aplicación sea amplia.

Físicas:En la tabla 3. se muestra las caracteristicas físicas de

xantana grado alimentaria.

Tabla 3. propiedades físicas típicas de una goma xantana grado alimenticio. Humedad% 11

Ceniza% 9

Color 70

Gravedad especifica 1.5

Densidad aparente 836

T de ennegrecimiento 165

T de carbonozacion 240

T de aparicion de ceniza 470

T de ignicion No ocurre

sln al 1% en agua destilada

Calor de disolucion 0.08

Indice de refraccion 2º°C 1.3338

pH 7.0

Tension superficial 75

Punto de congelacion 0.0

Tamaño de particula 80200

Producción de la goma xantana

Xanthomonas campestris fitopatogeno que afecta a las coles, coliflores y nabos. Se aísla del suelo de las de las plantas infestadas. En la industria se lleva a cabo en fermentadores agitados a una T de 28°C. el medio consiste en fuente de carbono( sacarosa o sacarosa), N y P , y minerales en pequeñas cantidades. El fermentador debe ser estelizado, el pH debe llegar a la 7.0. [ ] final es sercana 20 y 30 g/L con una productividad de 0.5g/L-h.

Aplicaciones

En la industria alimentaria son muy amplias:

Alimentos secos de preparación instantánea(sopas instantáneas, salsas, etc), rellenos de pasteleria, en alimentos enlatados, bebidas que contienen solidos( pulpas en jugos de fruta), helados, jarabes, salsas de tomate y condimentos.

Xantana+goma de algarrobo : pudines, dips, mermeladas.

Xantana+guar+algarrobo: productos lacteos( cubiertas para quesos cottage, helados, suero concentrado.

Alginatos

Alga Macrocytis pyrifera, presenta dificultades para la purificación lo que aumenta sus costos en el mercado. Se remplazo por obtención microbiana( menor costo).

Las propiedades químicas y físicas de los alginatos bacteriano es similar a las de las algas,(ac. alginico) una de las bacterias usadas para la produccion de alginatos es Azotobacter vinelandii.

Producción microbiana de alginatos

Bacterias del genero Azotobacter y Pseudomonas, siendo la principal fuente la bacteria Azotobacter vinelandii. Esta bacteria se aísla del suelo, es aerobio obligado, a escala piloto se ha mostrado que la máxima producción de alginato de sodio es de 25% respecto a la sacarosa. La etapa mas cara es la separación de las células (ultrafiltración).

Aplicaciones

industria uso productoalimenticia Estabilizador de

emuelsionesHelados

Agente gelificante Postre de gelalinaRellenos de panesSustituto de frutasCubiestas de embutido

espesante Salsas y aderesosProductos enlatadosCongelados y descongelados

Estabilizador de espumas Cerveza y vinos

Otros polisacáridos

polisacárido microorganismo aplicaciónEscleroglucano Sclerotium rolfsiles Industria petroleraCurdlan Alcaligenes faecalis Aun no esta autorizado en

alimentosPululana Aureobasidium pullulans plásticos biodegradables

Agente protector de frutas y semillas

Glucano de levadura de panificacion

Sacharomyces cerevisiae( pared celurar)

Industria alimentaria( sensación de grasa, dietas de bajo contenido calorico)

Boipolimeros en la industria alimentaria.

biopolimero característica

Celulosa bacteriana(Acetobacter xylinum)

Peliculaextracelular compuesta de microfibras de celulosa.

Galana(Pseudomonas elodea)

Polimero extraceluar compuesto de glucosa y rhamnosa.

Ps-10 (kelco,EUA)(Erwinia tahitica)

Polisacarido de glucosa, manosa, fructosa y ac. Glucoronico. De alta viscocidad a baja concentracion.

Emulsan(Acinetobacter calcoacetius)

Lipopolisacarido que funciona como un emulsificante