La hidrólisis del almidón: Una necesidad en la industria

Escrito por Mayra Fernanda Amaya Lucio y Juan Carlos González-Hernández

Desde el punto de vista químico, el almidón es un polisacárido formado de largas cadenas de moléculas de glucosa, que corresponde al grupo de los carbohidratos. Las cadenas lineales son denominadas amilosa y las ramificadas, amilopectina. Es uno de los carbohidratos más importantes ya que ha formado parte fundamental de la dieta del hombre desde hace miles de años. Es el componente principal de muchos productos agrícolas como el maíz, la papa, el arroz y el trigo, en los que se deposita como material de reserva de energía en forma de gránulos insolubles en agua fría.

También es el principal constituyente de los productos de panadería y es añadido a otros alimentos por su funcionalidad como espesante, gelificante, estabilizante y como sustituto de grasa. Además de esto, se le ha dado un gran número de usos industriales por lo que se considera después de la celulosa, el polisacárido más importante desde el punto de vista comercial.

Productos del almidón

Al fragmentar el almidón en sus componentes, es posible obtener derivados como lo son las dextrinas, los jarabes fructosados, la maltosa y la glucosa. Estos subproductos son ampliamente utilizados en la industria, especialmente la alimentaria, para la producción de un sin número de productos como lo son las bebidas gaseosas, dulces, carnes, helados, salsas, alimentos infantiles, frutas enlatadas, por sólo mencionar algunos.

De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación y el Instituto de Investigación para el Desarrollo Tropical (Tropical Development Research Institute) de Inglaterra, en 2018, de 604 millones de toneladas de maíz producidas, correspondientes a un 6% de la producción mundial, se extrajeron 35 millones de toneladas de almidón, con las cuales sólo en los Estados Unidos de América fueron producidos 8 millones de toneladas de jarabes fructosados y 3.5 millones de toneladas de glucosa.

Otro tipo de productos generados a partir del almidón son los almidones modificados. Para obtenerlos, el almidón es sometido a procedimientos físicos, químicos o enzimáticos con el objetivo de modificar sus propiedades fisicoquímicas. El almidón modificado tiene prácticamente las mismas aplicaciones que el almidón normal pero algunas características mejoran y por eso es un aditivo alimentario muy utilizado, sobre todo como espesante, aglutinante, emulgente y estabilizador. La lista de usos del almidón modificado y derivados del almidón es extensa y varía desde el sector alimentario hasta el papelero y farmacéutico.

 

La tendencia de los almidones modificados

Algunas características del almidón son muy útiles en la industria alimentaria, destacando su capacidad de formación de geles, por lo que es un buen espesante, emulgente y estabilizador, propiedades que se aprovechan en la fabricación de diversos productos alimentarios para mejorar su apariencia, consistencia, textura o comportamiento a los cambios de temperatura.

Sin embargo, estas propiedades son muy sensibles a factores externos, por ejemplo, a cambios en la temperatura y al pH, por lo que la capacidad espesante y de formación de geles eficientes se ve limitada. El almidón modificado corrige estos problemas y mejora las propiedades del almidón como aditivo alimentario.

Por dichas propiedades y su eficiente funcionalidad, el uso de almidones modificados es un tema en tendencia dentro de la industria, no solo en la alimenticia, sino también en la papelera, textil, de detergentes y farmacéutica. Además, en la actualidad, el mercado del almidón modificado está impulsado por un incremento en la demanda de alimentos y bebidas funcionales, por la concientización acerca de sus beneficios a la salud.

Para este año, se estima un mercado mundial de almidón modificado de 10.35 mil millones de dólares y prevé que alcance un valor de 12.67 mil millones de dólares para 2023, a una tasa compuesta anual del 4.1%. 

 

El proceso de hidrólisis del almidón

Para obtener tanto almidón modificado como otros derivados del almidón, se parte de almidón nativo y se somete a uno o varios procedimientos físicos, químicos o enzimáticos, siendo estos últimos los más destacados, ya que ofrecen varias ventajas frente a otros métodos como beneficios económicos, energéticos y ambientales. Para llevar a cabo la conversión del almidón mediante métodos enzimáticos, se utilizan proteínas con actividad específica que son capaces de romper los enlaces que lo mantienen unido, mediante el proceso denominado hidrólisis, con el que el polisacárido se fracciona en cadenas menores.

Unas de estas proteínas se denominan enzimas alfa (α) amilasas y pueden ser excretadas por bacterias y hongos. Dichas enzimas, cumplen la función de dividir el almidón en moléculas más sencillas, así como de modificar su estructura. Sin embargo, debido a que las enzimas son proteínas y éstas son sensibles al calor, pueden perder su función al utilizarse en procesos que requieran temperaturas altas. Tal es el caso de aquellos relacionados a la producción de los derivados del almidón y almidones modificados, los cuales se llevan a cabo a temperaturas superiores a los 70ºC.

No obstante, existen alfa amilasas que resisten altas temperaturas (mayores a los 40ºC), las que son capaces de llevar a cabo su función de conversión del almidón en condiciones de calor extremo.  Estas útiles enzimas son producidas por algunas bacterias que habitan en zonas muy calientes (como géiseres y zonas volcánicas) cuyo metabolismo natural les permite producir alfa amilasas resistentes a temperaturas altas.

 

La necesidad de alternativas en la producción de enzimas que hidrolizan el almidón

El incremento de la demanda en el mercado de los derivados del almidón y almidones modificados, requiere de nuevas alternativas para sus procesos de producción industrial. La alternativa que representa el uso de enzimas alfa amilasa termo resistentes en los métodos enzimáticos brinda mayores beneficios con respecto a otro tipo de métodos químicos que pueden resultar más contaminantes y costosos, contribuyendo así a una mayor productividad y el desarrollo de la industria.

El consumo de enzimas α-amilasa en la industria es proporcional a la manufactura de productos derivados del almidón y/o que requieren hidrólisis del almidón como parte de sus procesos, registrando anualmente mercados de hasta 60 millones de dólares. En este sentido, uno de los ejes de desarrollo lo constituye la posibilidad de obtener enzimas con nuevas o mejoradas propiedades de acuerdo con las necesidades del proceso o del producto, como es el caso de aquellos en los que se involucra la hidrólisis del almidón a altas temperaturas.

Por otra parte, es importante recalcar que el mercado de enzimas en México se ve reducido a pocas empresas productoras. Dada la poca producción y la elevada demanda, los consumidores de enzimas se ven obligados a importar este producto de otros países. Esto representa un área de oportunidad para el desarrollo de productos biotecnológicos en el país por lo que resulta interesante proponer fuentes alternativas de enzimas con amplia aplicación industrial.

 

Obtención de enzimas alfa amilasas termorresistentes

El estudio sobre la obtención y el uso de estas enzimas a partir de microorganismos termófilos ha captado el interés de la comunidad científica desde la década de 1960, buscando las especies mejor adaptadas para su producción en grandes masas. Un ejemplo recientemente es la investigación para el estudio y obtención de este tipo de enzimas con el aislamiento de bacterias de la región de “Los Azufres”, Michoacán, como Bacillus cereus y Bacillus thuringiensis, las que han demostrado ser resistentes a temperaturas superiores a los 60°C y que han presentado capacidades destacables de hidrólisis del almidón.

Sin duda, el horizonte de las enzimas termorresistentes son un aspecto de interés industrial y de desarrollo económico que requiere de la búsqueda de nuevas fuentes de obtención y optimización en cuanto a su producción, sobresaliendo aquellas de origen microbiano que habitan en ambientes extremos.

 

Badui S. 1996. Química de los Alimentos. 3°ed. Alhambra Mexicana pp. 25-31, 104-105.  http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Libro-Badui2006_26571.pdf

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Vargas A. y Silver L. 2002.  Selección y evaluación de bacterias del género Bacillus productoras de amilasa en cultivo sumergido. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Tesis de maestría). Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima, Perú.

http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/Tesis/Salud/vargas_as/Antec_Fund_Cientif.pdf

 

Mayra Fernanda Amaya Lucio (Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.) y Juan Carlos González-Hernández (Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.) son investigadores del Laboratorio de Bioquímica del Instituto Tecnológico de Morelia-Tecnológico Nacional de México.

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