1. Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Química
Bioingeniería
M.Sc. Inga. Hilda Palma
BIOCONVERSIONES DE IMPORTANCIA
Producción de Aspartame
Hidrólisis de Lactosa
Producción de HFCS
Claudia Carolina Corzo Dardón
2007-15162
Guatemala, 27 de enero de 2011
2. PRODUCCIÓN DE ASPARTAME
ASPARTAME
El Aspartame es un edulcorante artificial 200 veces más dulce que la sacarosa. Su nombre es ɲ-L-
aspartil-L-fenilalanina ester metílico y está compuesto básicamente de dos aminoácidos, el ácido
Aspártico y la Fenilalanina, y una molécula de metanol.
Existen dos métodos para sintetizarlo:
y Método Químico
y Método Enzimático
MÉTODO ENZIMÁTICO
En este método, una molécula de N-benciloxicarbonil-L-ácido Aspártico y una molécula de L-
fenilalanina-metil-ester se condensan, catalizadas por una enzima proteasa, para producir un
precursor un del Aspartame llamado N-benciloxicarbonil-aspartame. La ventaja de este método es
que a partir de una mezcla racémica de Fenilalanina se produce únicamente ɲ-Aspartame (la
forma ɴ no es deseable debido a su sabor picante). Además, las mezclas racémicas de Fenilalanina
son más baratas que la L-fenilalanina pura.
Enzimas Proteasas
Estas enzimas son utilizadas para la hidrólisis de péptidos y proteínas, pero la reacción opuesta de
condensación de aminoácidos también es catalizada por las proteasas en ciertas condiciones. La
síntesis de péptidos con proteasas como termolisina, subtilisina o papaína, es muy utilizada debido
a su estéreo y regioselectividad.
La proteasa termolisina es utilizada específicamente para la catálisis en la producción de
Aspartame ya que origina desde 83 hasta 96% de rendimiento produciendo este como
precipitado. La ventaja de la precipitación es que el precipitado puede removerse fácilmente del
sistema vetando así la posibilidad de la hidrólisis del producto.
3. PROCESO BIOQUÍMICO DE PRODUCCIÓN
Paso 1:
La L-fenilalanina metil ester de una mezcla racémica (D,L) es condensada con una molécula de N-
benciloxicarbonil-L-ácido Aspártico catalizadas por termolisina produciendo N-benciloxicarbonil-
aspartame:
Paso 2
Ya que solamente la forma L de la Fenilalanina reacciona, la forma D no se consume. La D-
fenilalanina finalmente se combina con el benciloxicarbonilaspartame y producen una sustancia
insoluble que precipita inmediatamente.
Paso 3
La segunda reacción es espontánea e irreversible, pero la primera puede revertirse para hidrolizar
nuevamente la sustancia producida; por ello, se debe retirar rápidamente el precipitado. La
termolisina, por ser una enzima no se consume en la reacción y puede recuperarse para volver a
utilizarse.
Paso 4:
Ya que se aisló el precipitado se procede a separar las dos moléculas adheridas
(Benciloxicarbonilaspartame*D, Fenilalanina) haciendo un lavado con ácido clorhídrico. Este ácido
reacciona con la D-fenilalanina produciendo un compuesto polar que se lava fácilmente con el
ácido.
Ácido Aspártcio Fenilalanina
(mezcla racémica D,L)
Benciloxicarbonilaspartame D, Fenilalanina
Benciloxicarbonilaspartame*D, Fenilalanina
4. Paso 5:
La molécula de benciloxicarbonil se retira del Aspartame mediante hidrogenólisis, obteniendo
finalmente una molécula de Aspartame. La masa recuperada se cristaliza y se seca.
*La D-fenilalanina se recicla con un tratamiento de racemización en medio alcalino y
reesterificación con metanol.
REACTOR
CSTR con agitación
El proceso se muestra en el siguiente esquema:
5. HIDRÓLISIS DE LACTOSA
Lactosa
La lactosa es un disacárido que se compone de una molécula de D-galactosa y una de D-glucosa
unidas por un enlace galactosídico ɴ-1,4. Los dos monosacáridos se obtienen de la lactosa por
hidrólisis ácida o por acción catalítica de enzimas.
La hidrólisis enzimática de la lactosa es efectuada por la ɴ-galactosidasa o lactasa, la cual mediante
la inclusión de una molécula de agua rompe el enlace glicosídico (ɴ-1,4) que une los dos
monosacáridos. Esta enzima es producida en los mamíferos en el intestino delgado. El desarrollo
de las técnicas biotecnológicas tanto de producción como de recuperación y purificación, ha
permitido actualmente se disponga de diversas preparaciones enzimáticas comerciales.
Proceso Bioquímico
El mecanismo de acción de la enzima lactasa establece que la enzima transfiere el residuo de D-
galactosa de un galactósido a un aceptor con grupos hidroxilos; cuando este aceptor es agua
forma la galactosa; sin embargo, al igual que otras glicosidasas, la transferencia puede hacerse a
otros aceptores como azúcares y alcoholes, dando lugar a la formación de oligosacáridos. Durante
la hidrólisis de la lactosa se han logrado identificar compuestos siendo los más abundantes:
alolactosa, galactobiosa, galactosa, etc. La reacción global se muestra en el siguiente esquema:
Fuentes de la Enzima
La presencia de la lactasa ha sido reportada en diversos microorganismos pero son muy pocos los
que se utilizan como fuentes industriales de ésta, a continuación se listan los más importantes:
Bacterias:
Escherichia coli, Bacillus sp, Thermus aquaticus, Lactococus lactis, Streptococus salivarius,
Thermophilus, Lactobacillus helveticus y Lactobacillus sporogenes.
Levaduras:
Kluyveromyces lactis, Kluyveromyces maxxianus, Kluyveromyces bulgaricus, Candida kefyr,
Bretranomyces anomalus y Wingea roberstssi.
Hongos:
Neurospora crassa, Aspergillus foetidus, A niger, A flavus, A oryzae, A phoenics, Mucor pusillus, M
miehei.
6. Solo algunas se utilizan actualmente a gran escala en la producción de la enzima. Las lactasas de
origen fúngico presentan mayor termoestabilidad que las de levaduras y algunas bacterias. El pH
óptimo de actividad de las lactasas es en el rango ácido (lactasas ácidas) y cercano a la neutralidad
(lactasas neutras). Una de las más utilizadas para fines industriales es la ɴ-galactosidasa
proveniente de Streptococus Salivarius Thhermophilus y la lactasa proveniente de Bacillus
Stearothermophilus. La siguiente tabla muestra las preparaciones comerciales enzimáticas de
lacatasas disponibles:
Proceso industrial:
El proceso de hidrólisis con la enzima libre consiste en la adición de una lactasa de levadura a la
leche previamente pasteurizada. La leche se deja incubar con la enzima a 4°C durante 8 horas.
Después de la incubación la leche se puede o no volver a pasteurizar.
Tipo de reactor
REACTOR AXIAL DE FLUJO
7. PRODUCCIÓN DE HFCS
HFCS
El Jarabe de maíz rico en Fructosa es conocido como HFCS por sus siglas en inglés (High Fructose
Corn Syrup). Es un edulcorante líquido producido a partir del almidón de maíz a través de un
proceso de dos etapas:
1. Proceso de Hidrólisis del almidón
El almidón es una mezcla de dos polisacáridos, la amilosa y la amilopectina, los cuales pueden
separase a través de medios físicos o químicos. El almidón se compone básicamente del 10 al 20%
de amilosa y del 80 al 90% de amilopectina.
La amilosa es un polisacárido de cadena lineal formado completamente por unidades de D-
glucosa unidas mediante enlaces glucosídicos ɲ-1,4 como en la maltosa, por lo que se puede
considerar que está formada por unidades de maltosa. La amilopectina es un polisacárido
ramificado que se compone de unidades de glucosa.
La hidrólisis completa del almidón (hidrólisis de amilosa y amilopectina) produce en tres
etapas sucesivas, dextrinas, maltosa y glucosa:
El proceso de hidrólisis del almidón conlleva, a su vez, 7 etapas continuas:
1.1. Dextrinización del almidón
La materia prima, obtenida de la fécula de maíz es molida y mezclada. Luego, la mezcla
es gelatinizada cocinándola a altas temperaturas. Utilizando enzimas ɲ-amilasas
termoestables se procede a hidrolizar el almidón produciendo dextrinas en un reactor de
dos etapas. Estas enzimas son producida por algunas especies como Bacillus spp.
Durante la reacción de dextrinización, las variables más importantes del proceso son la
calidad inicial del almidón, la dosis de ɲ-amilasa, la temperatura, el pH, el flujo de almidón
y el tiempo. Si alguna de las condiciones no se controla, quedará almidón sin hidrolizar y
esto conllevará a problemas en las etapas posteriores (filtración) o producirá sacáridos
anómalos para el proceso, como la maltosa, lo que causará disminución en el poder
edulcorante del jarabe final.
Una de las características de calidad del almidón es el contenido de proteínas solubles.
El almidón que es rico en proteínas solubles producirá coloración debido a la reacción de
8. Maillard entre aminoácidos y azúcares bajo condiciones de alta temperatura y pH, por lo
que se debe seleccionar almidón de bajo contenido proteico.
1.2. Sacarificación
Teniendo la mezcla de dextrinas, se procede a ajustar la temperatura y pH a las
condiciones óptimas de sacarificación, las cuales se muestran en la siguiente tabla:
La sacarificación se refiere a la hidrólisis de las dextrinas para producir unidades de
glucosa mediante la enzima glucoamilasa, también llamada amiloglucosidasa, producida
por hongos como Apergillus. Este proceso puede realizarse en reactores batch pero en
plantas modernas se trabajo como un proceso continuo. El licor sacarificado es bombeado
a una serie de equipos en serie.
La amilasa y la glucoamilasa han sido modificadas genéticamente para mejorar su estabilidad
térmica.
1.3. Tratamientos de purificación primarios
El jarabe de glucosa resultante es tamizado por filtración para eliminar impurezas que se le
hayan pegado en el proceso, es purificado a través de un filtro de carbono para decoloración, y
finalmente se hace pasar por una columna de intercambio iónico como proceso de refinado.
1.4. Evaporación
Al igual que en el proceso de elaboración de azúcar, el licor de glucosa posee gran cantidad de
agua, la cual se debe evaporar para concentrar la glucosa y adaptarla a las siguientes etapas.
2. Proceso de Isomerización de la Glucosa
2.1. Isomerización
La enzima Glucosa isomerasa origina la reacción de isomerización de la glucosa contenida en el
jarabe concentrado dando lugar a la formación de fructosa:
9. Las enzimas utilizadas en las etapas anteriores (amilasa y glucoamilasa) se agregan
directamente a la mezcla, pero la glucosa isomerasa es demasiado costosa para utilizarse de esta
manera. Esta enzima es inmovilizada dentro de columnas empacadas en las que el jarabe de
glucosa pasa catalizando la reacción de isomerización y produciendo finalmente una mezcla de
aproximadamente 50% fructosa y 50% glucosa. La composición de fructosa-glucosa varía en
función de los tipos de HFCS que se quieran lograr. En la figura siguiente se muestran algunos de
los tipos de reactores utilizados para la inmovilización de enzimas:
Mientras que la amilasa y la glucoamilasa son utilizadas una sola vez, la glucosa isomerasa es
utilizada varias veces hasta que pierda su actividad enzimática, su vida aproximada es de 100 días.
10. 2.2. Tratamiento de purificación secundario: Refinación
Durante la isomerización el jarabe de fructosa está coloreado y contiene cenizas. El color y
otras impurezas se remueven con filtros de carbón activado e intercambiadores iónicos. Las
cenizas se remueven con centrifugación.
2.3. Evaporación
Finalmente, el HFCS se enriquece concentrando la fructosa a través de evaporación del agua.
Existen procedimientos de enriquecimiento que involucran columnas cromatográficas que separan
la fructosa y la glucosa. Además se puede acompañar con un procedimiento de adsorción a través
de una columna de calcio que atrae la fructosa del jarabe, obteniéndose finalmente un jarabe de
hasta 90% de fructosa.
Reactor para la isomerización:
De cama fija o bien con columna empacada
Todo el procedimiento se resume en el siguiente diagrama:
11. BIBLIOGRAFÍA
FLICKINGER, MICHAEL. ͞Encyclopedia of Bioprocess Technology͟. Volumen 1-5. Editorial Wiley
Biotechnology Encyclopedias, 2004.
LOPEZ, AGUSTÍN. ͞Biotecnología Alimentaria͟ Quinta Edición. Editorial Limusa. Grupo Noriega
Editores. México, 2004
NAJAFPOUR, GHASEM. ͞Biochemical Engineering and Biotechnology͟ Primera Edición. Editorial
Elsevier. Netherland, 2007.
PARKER, KAY. ͞High Fructose Corn Syrup: Production, uses and public health concerns͟ Volumen 5
Biotechnology and Molecular Biology Review. Department of Biology, College of Science and
Technology, North Carolina Central University, Durham, 2010.
YADAV, PR. ͞Industrial Biotechnology͟. Primera Edición. Editorial Discovery Publishing House.
India, 2005.
