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Aplicación de enzimas a nivel industrial
Prof. Rogelio Valadez Blanco
Ing. de Bioreacciones
M.C. en Productos Naturales y Alimentos
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Regeneración de cofactores
1. Sólo 2 clases de enzimas son catalíticamente
activas sin requerir cofactores
2. Métodos eficientes para la producción y
regeneración de cofactores
3. Investigación actual
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Oxidación de etanol a acetato
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Regeneración de cofactores
por enzimas acopladas
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Sistema reductasa-
deshidrogenasa
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Aplicación industrial de enzimas
1. Usadas durante varios siglos
2. Reportes de uso en 1830 (pepsina)
3. Aplicaciones industriales: Finales del siglo XIX:
Primera patente (Tiakamine, 1984)
4. Enzimas de órganos de animales (Inicios siglo XX)
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Aplicación industrial de enzimas
5. Industria floreció después de la 2nda Guerra Mundial
6. Primer proceso industrial (1960): conversión de almidón
en jarabe de glucosa.
Adelgazamiento de almidón (α-amilasa)
Sacarificación (glucoamilasa)
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Aplicación industrial de enzimas
7. Últimas dos décadas: Herramientas de ingeniería
genética y proteómica amplían el espectro de
aplicaciones (50% mercado)
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Aplicación industrial de enzimas
1. Aplicación en la industria tradicional:
Alimentación humana y animal
Lavandería
Papel
Textiles
Peletería
2. Nuevas áreas de aplicación
Farmacéutica
Químicos especializados
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Aplicación industrial de enzimas
1. Función de las enzimas en bioprocesos:
Reacción principal
Aditivo
2. Enzimas de mayor aplicación
Hidrolasas
Industria de alimentos
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α-Amilasa
1. Rompe enlaces α 1-4
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α-Amilasa
1. Fúngica, aditivo en industria
panadera
cervecera
2. Bacteriana,
Licuefacción de almidón para subsecuente
producción de glucosa.
Se desean enzimas hipertermoestables, ácido
tolerantes y poco dependientes de Ca++
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Glucoamilasa
1. Hidrólisis de dextrinas a partir de almidón adelgazado
con α-amilasa
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Glucoamilasa
1. Reacción afectada por equilibrio: para altas
concentraciones de producto se revierte la reacción
(maltosa e isomaltosa)
2. Enzimas adaptadas a condiciones del proceso
3. Proceso industrial: reacción en solución (rendimientos
del 96 al 98 eq. de glucosa)
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Pectinasas
1. Pectinas o polisacáridos pécticos
Heteropolisacáridos que forman las paredes celulares de
plantas y proveen características gelificantes. Estos
polímeros son ricos en ácidos galacturónicos.
2. Mezclas de diferentes enzimas
• Pectina metilestearasa
• Poligalacturonasa
• Liasa péctica
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Pectinasas
2. Aplicaciones:
• Extracción de jugos de frutas
y vegetales
• Clarificación de jugos
• Elaboración de vinos
(maceración, clarificación y
maduración)
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Pectinasas
Pectinasas alcalinas:
Desgomado de fibras textiles
Tratamiento de aguas residuales pécticas
Fermentaciones de te y café
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Celulosa
Homopolímero más abundante de plantas
compuesto por moléculas de β-glucosa, unidos por
enlaces β-1-4-O-glucosídico.
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Celulasas
1. Complejo enzimático:
Endo-enzima hidrolasa (1,4 β-D-glucan-glucano
hidrolasa)
-Rompe de manera aleatoria enlaces internos
Exo-enzima hidrolasa (1,4 β-D-glucano celobiohidrolasa)
- Rompe las cadenas expuestas en dimeros o tetrámeros
Celobiasa (β-D-glucósido glucohidrolasa)
- Produce monosacáridos a partir de los productos de la
exocelulosa
2. Acción sinérgica para romper fibras de celulosa a
glucosa
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Aplicaciones de celulasas
1. Alimentos de humanos y animales, detergentes, textiles
y farmacéuticos
2. Extracción de jugos, aceites y agar
3. Lavado enzimático de telas de mezclilla y algodón
(biopulido)
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Aplicaciones de celulasas
4. Sustituto del clorado de pulpa de madera para
producción de papel.
5. Ligninasas: complejas y requieren coenzimas.
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β-glucanasa
Granos usados en nutrición animal:
Cantidad considerable de β-glucanos envuelven
proteínas y almidones
Reducen el valor nutricional
Uso de β-glucanasa incremento considerable en la
asimilación de nutrientes
Problema tecnológico:
en desarrollo de alimentos, se usan altas temperaturas
y condiciones
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Fitasa y β-glucanasa
Nutrición de animales monogástricos
Polisacáridos no almidonosos tienen actividad antinutritiva
Fitasa y β-glucanasa:
mejoran el coeficiente alimentación/peso de animales
reducen contaminación
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Ácido fítico
Compuestos orgánicos que contienen fósforo, presentes
principalmente en fibras y semillas de vegetales
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Fitasa
Rompe el ácido fítico no digerible
Aumenta digestibilidad
Libera fósforo digerible (en 20%)
Disminuye el desecho de fosfatos en el excremento
(25-30%)
Mercado creciente
Costos altos de granos
Preocupación de contaminación por fósforo
Fitasas de levaduras
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β-Galactosidasa (lactasa)
Rompe lactosa en sus constituyentes monoméricos;
Glucosa
Galactosa
Monómeros son mucho más digeribles que la lactosa:
industria láctea.
Intolerancia a la lactosa (deficiencia de lactasa)
Deficiencia étnica: más severa en bebés y niños
Afecta a millones de personas en el mundo
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Leche baja en lactosa
Éxito comercial: se encuentra en todos los supermercados
Previene la formación de cristales en dulces de leche y
helados
Ayuda a mejorar la fermentación de la leche en la
producción de yoghurt
Monómeros tienen mayor poder edulcorante y desarrollo
de color
Bioproceso: reactores con enzimas inmovilizadas
Tabletas de enzima se venden en farmacias
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Suero de leche
Mejoras del suero de leche mediante la hidrolisis de
lactosa
Mayor importancia: protección ambiental
Suero hidrolizado se puede usar:
Suplemento alimenticio
Alimentación de animales
Producción de etanol
Sustrato en la producción de jarabes
Poder edulcorante similar al de la sacarosa
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PROTEASAS
Categoría más grande de enzimas industriales
Proteasas derivadas de microorganismos (ácidas y
neutras):
Amplia aplicación para la producción de hidrolizados
proteicos
Uso en alimentos: elaboración de quesos (sustitutos de
renina)
Proteasas derivadas de plantas (ácidas y neutras) (15%):
Fabricación de farmacéuticos y algunas aplicaciones en
alimentos
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PROTEASAS
Ingeniería enzimática y genética:
preparaciones enzimáticas más potentes y estables.
Proteasas alcalinas:
Importancia clave en formulaciòn de detergentes
(1960)
Pancreatina
Industria peletera y ayuda en la digestión
Extracto multienzimático con actividad:
Proteolítica
Lipolítica
Amilolítica
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Aminoacilasas
Usadas en la producción de L-aminoácidos para nutrición
humana y animal
Enantioespecificidad de la enzima para hidrolizar
selectivamente el enantiómero L de la mezcla racémica
previamente acilada.
El L-aminoácido se puede separar fácilmente
Primer proceso a gran escala usando enzimas
inmovilizadas.
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Glucosa isomerasa
El desarrollo tecnológico enzimático más importante
Desarrollado en los 60´s
1970: importancia industrial (uso de enzimas
inmovilizadas)
Jarabe de alta fructosa: producción multimillones de ton.
40% mercado de edulcorantes (bebidas ligeras)
55% fructosa es equivalente a 100% sacarosa
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Glucosa isomerasa
Reacción reversible: obtención de 42% fructosa
Enriquecido posteriormente por cromatografía
Investigación: reducir pH óptimo, estabilidad térmica y en
presencia de Ca++.
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Penicilin acilasa
Producción industrial de antibióticos semi-sintéticos -
lactam.
Hidrólisis de penicilina G y cefalosporina G con penicilna
acilasa inmovilizada
Ha reemplazado al proceso químico – caso de éxito de
bioproceso industrial enzimático
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Biocombustibles
1. 1970 Producción de bioetanol (4 bn de litros al año)
2. Auge actual. Crisis energética
3. Producido a partir de
Granos de maíz
Caña de azúcar
4. Granos de maíz:
α-amilasa
glucoamilasa
5. Fuentes de menor energía: lignocelulosas.
Producción de alcohol a partir de lignocelulosa.
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Producción de bioetanol
A partir de xilosa derivada de hemicelulosas, se
combierte a xilulosa
La xilulosa puede ser metabolizada por levaduras
comerciales como Saccharomiyces cerevisiae o S.
pombe.