producción de biopolimeros
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BIOPOLÍMEROS
DEFINICIÓN
Un biopolímero es una macromolécula que es sintetizada por algún proceso biológico.
Las proteínas, el ADN, y los polisacáridos son los biopolímeros más importantes.
En la industria alimentaria, los más empleados son los polisacáridos microbianos, y están incluidos en la categoría de los hidrocoloides o gomas
Las aplicaciones de estos hidrocoloides se fundamentan en dos de sus características más importantes: La capacidad de alterar las propiedades de
flujo del agua La posibilidad de formar geles.
Se pueden obtener de varias fuentes. Entre las naturales destacan: Exudados de plantas: Arábiga, tragacanto,
karaya, ghatti. Extractos de algas marinas: Agar, alginatos,
carrageninas, furcelaranas. Semillas: Guar, tragacanto, Psyllium,
tamarindo Cereales: almidones Extractos de plantas: Pectina, arabinogalactana De origen animal: gelatinas, albúminas,
caseinatos De origen microbiano: Dextrano, xantano,
levanos,etc..
Gomas microbianas Tienen ciertas ventajas con respecto a las
gomas provenientes de plantas o algas: Su producción no depende de condiciones
climáticas, contaminación marina o fallas en la cosecha.
Los productos son menos susceptibles a variabilidad en su calidad.
Su producción puede ser cuidadosamente controlada.
Las técnicas genéticas permitirán sintetizar gomas que presenten características reológicas “sobre pedido”.
Su principal desventaja es su elevado costo, debido a que los procesos para producirlas son elevados en capital y energía, y porque se obtienen concentraciones bajas de polímeros.
DEXTRANAS
Polímeros de glucosa que contienen cantidades importantes de resíduos α-D-glucopiranosa ligados en α-1 6.
Un gran número de bacterias sintetizan dextranas extracelulares, encontrándose agrupadas dentro de los géneros Leuconostoc y Streptococcus.
La producción del polímero se debe a la enzima extracelular “dextransacarasa”: 1,6-α-D-glucan- α-D- glucosiltransferasa. De acuerdo con la siguiente reacción:
N sacarosa Dextrana + n Fructosa
Dextransacarasa
Características Químicas: Son homopolisacáridos formados de
unidades de glucosa en su forma piranosa, los enlaces de la cadena principal son el α-1 6. existiendo porcentajes variables de α-1 2, α-1 3 y α-1 4.
La cepa de mayor interés comercial es L. mesenteroides NRRL B-512F, que produce dextranas de elevado peso molecular.
Las soluciones de dextranas tienen comportamiento reológico no Newtoniano, de tipo pseudoplástico.
Producción de dextranas
Proceso convencional.Ocurren tres procesos durante la fermentación:- Crecimiento del microorganismo- Síntesis y excreción de la enzima dextransacarasa.- Síntesis de dextrana por acción de la enzima
La sacarosa es fuente de carbono y energía para el microorganismo, inductor y sustrato para la enzima.
Con una concentración de 100 g/L es posible obtener 25 g/L de dextrana.
En el medio se emplea extracto de levadura (2,5%), sulfato de magnesio (0,2%) y fosfato dipotásico (5%) y oligoelementos.
El pH: inicialmente de 7, disminuye por acción del ácido láctico producido hasta alcanzar valores inferiores a 5,0 al final del proceso.
pH óptimo para crecimiento: 7,0; para síntesis de la enzima: 6,0 – 6,9; y el óptimo de actividad: 5,0 – 5,4.
El proceso dura unas 16 horas y la temperatura se mantiene entre 26 y 29 ºC.
Terminado el proceso, la dextrana se precipita con metanol o etanol, previa eliminación de células.
Aplicaciones Estabilizntes y viscosantes en la
industria alimentaria En capas protectoras para semillas Floculantes Para estabilización de agregados de
suelos Recuperación secundaria de petróleo Procesos metalúrgicos En la industria fotográfica, para
reducir el consumo de plata. En industria farmacéutica, para
mejorar el flujo sanguíneo. En geles de cromatografía
XANTANAS
Características químicas: Es un heteropolisacárido
constituido por unidades monoméricas que contienen glucosa, manosa y ácido glucorónico en relaciones molares 2,8:2:2, respectivamente.
El peso molecular promedio es cercano a los dos millones.
Características físicas:
Estado físico: Polvo crema seco Humedad: 11% Cenizas: 9% Color: estándar blanco enamel, 75% de
reflectancia Gravedad específica: 1,5 Densidad aparente del polvo: 836 kg/m3
(lb/ft3). Temperatura de ennegrecimiento: 165 ºC Temperatura de carbonización: 240ºC
Como una solución al 1% en agua destilada: Calor de disolución: 0,08 cal/g sol.Calor de disolución: 0,08 cal/g sol. Indice de refracción a 20 ºC: 1,3338Indice de refracción a 20 ºC: 1,3338 pH: 7,0pH: 7,0 Tensión superficial: 75 din/cmTensión superficial: 75 din/cm Punto de congelamiento: 0 ºCPunto de congelamiento: 0 ºC Viscosidad de una solución al 1% Viscosidad de una solución al 1%
con 1% de electrolito : 1 900 cp.con 1% de electrolito : 1 900 cp. Tamaño de partícula: 80 200 (malla Tamaño de partícula: 80 200 (malla
estándar de Tyler).estándar de Tyler).
Propiedades reológicas::
Capacidad para controlar las características de flujo de soluciones o suspensiones acuosas.
Elevada capacidad viscocificante. Pseudoplasticidad, capacidad que
tienen sus soluciones de disminuir la viscosidad aparente al aumentar la deformación del fluido (las soluciones se “adelgazan con la agitación”.
Producción de goma xantana Es producida mediante el cultivo de la bacteria
Xantomonas campestris, la cual es un fitopatógeno que afecta principalmente a las coles, coliflores y nabos.
Esta bacteria puede ser aislada de suelos o de plantas infestadas.
El cultivo de X. campestris se lleva a cabo en grandes fermentadores agitados mecánicamente con suministro continuo de aire estéril y a una temperatura cercan a los 28 ºC.
El medio de cultivo consiste primordialmente de una fuente de carbono (glucosa o sacarosa), una de nitrógeno, y una de fósforo, y ciertos elementos minerales en pequeñas cantidades.
El medio de cultivo y el propio fermentador deben deben ser cuidadosamente esterilizados,
Ya que la producción de esta goma es muy sensible al pH, este debe ser controlado a valores cercanos a la neutralidad.
La xantana se sintetiza cuando la bacteria ha dejado de crecer.
La concentración final que se logra es de 20 y 30 g/L.
Como durante la fermentación el caldo se torna viscoso y pseudoplástico, el diseño del fermentador es un factor crítico para la homogeneidad y el adecuado suministro de oxígeno.
La fermentación concluye entre las 48 y 96 horas después de inocular, entonces el caldo se esteriliza para destruir a la bacteria y para mejorar las características reológicas de la goma en solución.
Si la goma va a ser purificada, se remueven las células del caldo de fermentación.
Cuando el líquido enfría, la xantana se recupera por precipitación con alcohol (principalmente isopropílico) o mediante sales cuaternarias de amonio, o por ultrafiltración.
Se puede tratar con aldehídos para mejorar la viscosidad.
El producto recuperado se seca, se muele y se empaca.
Aplicaciones:
En la formulación de alimentos secos de preparación instantánea (sopas, salsas, etc.).
Preparación de rellenos para pastelería donde proporciona además de textura, excelentes características de liberación de sabor y evita que el relleno se mezcle con la pasta.
Como estabilizante de salsas y productos lácteos acidificados.
En panadería, para mejorar el procesamiento de pastas y masas.
En alimentos enlatados.
En bebidas que contienen sólidos (jugos de frutas).
Para controlar la sinéresis y dar textura a los helados.
En salsas de tomate, jarabes y condimentos. En repostería: pudines, patés, mermeladas,
alimentos para mascotas, etc. En industria petrolera (en fluidos de
perforación, reparación y terminación de pozos) y agroindustrial (para dispersar herbicidas, pesticidas, fertilizantes y fungicidas)
En pinturas, pulimentos, limpiadores, pigmentos, textiles cerámicas, imprenta, explosivos, productos farmacéuticos, cosméticos, etc.
ALGINATOS
Polisacáridos derivados de las algas y plantas.
Estructura química:Son sales de ácido algínico. Es un ácido
orgánico débil, que forma fácilmente sales con diferentes bases.
Son polisacáridos lineales compuestos de proporciones variables de enlaces β1 4 ácido D-manopiranosilurónico (ácido manurónico) y β1 4 ácido L-glucurónico. El arreglo de monómeros de este copolímero ha sido referido como estructura en bloques.
Propiedades reológicas: Comportamiento pseudoplástico (la
viscosidad disminuye conforme aumenta la velocidad de deformación)
Los alginatos producidos por Azotobacter vinelandii, también son comparables en término reológicos con los de origen algal.
Las propiedades de flujo así como la de formación de geles de los alginatos en solución dependen de las proporciones de M y G, de su arreglo en la estructura de bloques y del peso molecular del polímero.
Producción microbiana de alginatos Azotobacter y Pseudomonas, producen
alginatos similares a los extraídos de algas.
Azotobacter, son bacterias mucoides naturales del suelo, segregan alginatos en su hábitat natural y retienen esa habilidad bajo condiciones de cultivo en laboratorio.
Son aerobios obligados, metaboliza los carbohidratos por la ruta de Entner–Doudoroff, el ciclo de pentosa-fosfatasa y el CAT.
Los productos del metabolismo de la sacarosa son esencialmente alginato, Biomasa y dióxido de carbono.
La producción de alginatos en planta piloto con A. vinelandii, da una productividad de alginato de sodio del 25% con respecto a la sacarosa utilizada.
En cultivo continuo, la máxima producción se obtiene a tasa de respiración baja, en medios deficientes de fosfato, obteniéndose una productividad de 45 % de la sacarosa utilizada.
Al diseñar el fermentador se debe tener en cuenta que las características pseudoplásticas de los caldos de fermentación modifican el consumo de potencia, la transferencia de masa, calor y el mezclado.
Las operaciones post fermentativas de recuperación de alginatos son similares alas sugeridas en la producción de alginatos algales.
La separación de células por centrifugación, filtración y floculación es la etapa más cara en la recuperación de alginatos
La precipitación del ácido algínico se hace disminuyendo el pH del caldo (pH 4) con HCl.
El secado es por aspersión.
Otros polisacáridos microbianos:
Escleroglucano:
Unidades de Unidades de ββ-D-glucopiranósido, -D-glucopiranósido, es producido por diversas especies es producido por diversas especies de de Sclerotium..Su principal aplicación es en la Su principal aplicación es en la recuperación asistida de petróleo.recuperación asistida de petróleo.
Curdlan:
Homopolímero producido por Alcaligenes faecalis var. myxogenes.Consiste de unidades de glucosa en β1 3. Presenta grados de polimerización de hasta 540 unidades de glucosa, tiene la propiedad de gelificar térmicamente de forma irreversible. Es más resistente que el agarCepas productoras: Agrobacterium radiobacter y Rhyzobium.
Pululana:Polímero extracelular producido por Aureobasidium pullulans. La unidad básica esta constituida por maltotriosas unidas por enlaces α1 6 alcanzando pesos moleculares entre 10 000 y 1 000 000 en función de la fuente y las condiciones de fermentación.Se emplea en la elaboración de plásticos biodegradables, no contaminantes (comestibles, no tóxicos, y no degradables en el sistema digestivo)Como protector de frutas y semillas.
Glucano de levadura de panificación
Es aislado de la pared celular de Saccharomyces cervisiae mediante un proceso mecánico, Esta compuesto fundamentalmente de glucosa y manosa.Tiene propiedades organolépticas especiales, una vez en la boca, produce sensación de grasa o aceite, y se emplea en dietas con bajo contenido calórico.
