DETECCION, CUANTIFICACION Y PROCESOS POTENCIALES DE ... · Introducción La Caña de Azúcar...
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DETECCION, CUANTIFICACION Y PROCESOS POTENCIALES DE ELIMINACION DE LA ENZIMA INVERTASA EN JUGO DE CAÑA Ing. Estuardo Monroy Ingeniero Químico
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DETECCION, CUANTIFICACION Y
PROCESOS POTENCIALES DE
ELIMINACION DE LA ENZIMA
INVERTASA EN JUGO DE CAÑA
Ing. Estuardo MonroyIngeniero Químico
➢ Introducción➢ La Caña de Azúcar➢ Antecedentes➢ Guatemala y su industria azucarera➢ La infección bacteriológica como fuente de la producción de la enzima invertasa➢ Dextrana(s)
➢ Enzimas➢ Técnicas de cuantificación de la actividad “enzimática”➢ Experiencia en Cuba para la determinación de las enzimas “hidrolasas, polimerasas y
transferasas en la caña y sus jugos”➢ Procesos potenciales de eliminación➢ Experiencia en Cuba para la producción de inhibidores de enzimas aplicadas en la caña y
jugo de azúcar”➢ Potencial recuperación económica en la industria azucarera Guatemalteca➢ Conclusiones➢ Recomendaciones
Contenido
Introducción
El objetivo del estudio es con un enfoque práctico y de importancia
económica nacional en la búsqueda de procesos potenciales de
eliminación de la enzima invertasa en el jugo de caña de azúcar,
misma que a través de reacciones de hidrólisis sobre la sacarosa, la
“invierte” en los monosacáridos glucosa y fructosa reduciendo la
concentración de la sacarosa o azúcar granulada del jugo de caña con
su consecuente efecto de baja recuperación y pérdidas económicas.
La caña de azúcar es una planta herbácea
que se cultiva en los países tropicales y
subtropicales. Es un hibrido complejo de
varias especies, derivadas principalmente
del Saccharum officinarum y otras especies
de Saccharum.
La caña de azúcar
En américa Latina y El Caribe:• 2do. Lugar en Exportación
• 4to. Lugar en Producción
A Nivel Mundial:• 3er. Lugar en Productividad (toneladas
métricas de azúcar / hectárea)
• 4to. Lugar en Exportación
Guatemala y su industria azucarera
Guatemala y su industria azucarera
Producción de Azúcar por hectárea
Guatemala y su industria azucarera
Producción de caña por hectárea
Guatemala y su industria azucarera
Toneladas de azúcar por hectárea
Guatemala y su industria azucarera
Producción de azúcar por hectárea por ingenio
Foresight Cuba 2016 | Derechos ReservadosPRECIOS DEL AZÚCAR 2015
Fuente: Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, Organización Internacional del Azúcar.
?????? EFECTOS NEGATIVOS ???
QUE AUN PERSISTEN O SE VISUALIZAN SOBRE
EL RENDIMIENTO DE LA CAÑA ?????
El proceso Agroindustrial Azucarero
La eficiencia de extracción o recuperación de sacarosa en un ingenio azucarero
dependen de la calidad de caña y su procesamiento industrial
Tomado de presentación Microbiología Industrial,
CENGICAÑA, Guatemala 2012 [1]
El proceso Industrial Azucarero
Análisis de Causa-Efecto en Área Agrícola
Análisis de Causa-Efecto en Área Industrial
EL PROBLEMA PRINCIPAL
EL PROBLEMA DE LA INVERSION DE LA SACAROSA
EL PROBLEMA DE LA INVERSION DE LA SACAROSA
EL PROBLEMA DE MEDICION DE LA SACAROSA EN EL LABORATORIO
Tomado presentación: Dr. Larrahondo
Tomado: Presentación Dr. Larrahondo
Tomado: Presentación Dr. Larrahondo
Revisión bibliográfica o “review”, de la(s) fuente(s) de producción de la
enzima “invertasa”, proveniente generalmente de infección bacteriológica,
en particular la existencia de la bacteria “Leuconostoc Mesenteroides” en la
caña de azúcar, con su posterior efecto en la hidrólisis de la sacarosa.
Revisión de las principales técnicas de detección, cuantificación, y
particularmente de eliminación o inhibición de la enzima, como lo es a
través del efecto de pH, efecto de temperatura, efectos de concentración, y
ante todo efectos de “inhibición”, todos ellos sobre la actividad enzimática.
Dentro de lo mas importante fue la investigación de experiencias en Cuba,
en la inhibición de enzimas “hidrolasas, polimerasas y transferasas”
utilizando otras proteínas naturales como “inhibidores competitivos”,
aplicándolas en la caña y el jugo con muy buenos resultados.
Actividades de investigación
En la caña de azúcar el principal sustrato de la enzima
“invertasa” es la sacarosa, donde logra un 80% de actividad en el
rango de pH entre 3.5 – 4.5 a temperatura entre 50-60 grados
centígrados.
El efecto de la concentración de sustrato es de particular
relevancia, ya que la máxima actividad se logra con
concentraciones de sacarosa del 5-10%.
Los monosacáridos formados (Glucosa y Fructosa), por la acción
de la invertasa son más solubles que la sacarosa y por lo tanto no
cristalizan, situación o problema en el proceso agroindustrial
azucarero desde el campo hasta la fábrica).
La caña de azúcar y la Invertasa
Cuando el Leuconostoc y otras bacterias formadoras de
ácido se desarrollan en la caña de azúcar recolectada,
ésta se vuelve ácida. Se produce glucosa y fructosa,
ácidos láctico, acético y con frecuencia, Dextrana. En
climas húmedos y calurosos, puede perderse cada día,
entre el campo y la molienda 1-5 % del azúcar total.
La principal causa microbiológica de pérdidas de
sacarosa es la formación de Dextrana, que es un
Polisacárido ramificado formado por numerosas
moléculas de glucosa en cadenas de longitud variable de
10 a 150 kilo Dalton. (unidades de masa atómica)
La infección bacteriológica como fuente de la producción de la enzima invertasa
Van Tieghen en 1878 aisló uno de los
microorganismos causantes, al cual dio el nombre de
Leuconostoc Mesenteroides. En 1906 Schieber separó
estos polímeros denominándolos “dextranas”.
La infección bacteriológica como fuente de la producción de
la enzima invertasa
UNA ENZIMA ES UN CATALIZADOR BIOLÓGICO QUE
LLEVA A CABO REACCIONES BIOQUÍMICAS A MUY ALTAS
VELOCIDADES Y CON UN ELEVADO GRADO DE
ESPECIFICIDAD.
SON PROTEÍNAS CON ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL
GLOBULAR, PUEDEN TENER TAMBIÉN PARTES NO
PROTEÍCAS.
Enzimas
La invertasa es un enzima ampliamente distribuida, estando presente
tanto en microorganismos como en animales y vegetales, jugando un papel
importante en el catabolismo de fructanos y más específicamente en el de la
sacarosa, en especial en aquellos organismos en los que dichos azúcares son
utilizados como fuente de carbono y energía.
La invertasa en el jugo de caña, y proviene de dos posibles fuentes*:
• Invertasa naturalmente presente en los procesos fisiológicos inherentes al
crecimiento de la caña.
• Invertasa” segregada en mayor parte por microorganismos
El cambio energético requerido para activar la reacción, proviene de las
bacterias, hongos y levaduras en rápida proliferación.
Enzimas
Gavelán Zuloeta, Rosa del Milagro, “Evaluación de la inversión de sacarosa mediante la aplicación
de bactericidas en los jugos procedentes del trapiche en la empresa agroindustrial Pucalá, S. A.”,
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular
La actividad catalítica de un enzima se determina midiendo
la velocidad inicial de reacción, que es la pendiente de la
curva de progreso (curva de producto formado o sustrato
transformado frente al tiempo) en el tiempo cero.
Técnicas de cuantificación de la actividad
“enzimática”
En el mes de abril del 2006, se seleccionaron cañas de
azúcar en un semillero al sur de la Habana. Las
variedades eran de 11 meses, tomándose cañas primarias
de elegidos al azar. Los jugos se extrajeron desfibrando
las cañas y prensándola inmediatamente a 200 Kg/cm2
por un minuto.
Las actividades de la enzima invertasa, polimerasa y
transferasas en la caña y sus jugos se determinaron a
través de la formación de azúcares reductores,
polisacáridos y oligosacáridos, respectivamente.
Experiencia en Cuba para la determinación de las enzimas “hidrolasas,
polimerasas y transferasas en la caña y sus jugos”
Se usó la técnica colorimétrica para la determinación de reductores
basada en el uso del reactivo 3,5 dinitrosalicílico y los métodos
analíticos para polisacáridos y oligosacáridos (Azúcares que
Impurifican la Sacarosa, AIS -de bajo peso molecular-), basados en la
separación por filtración por gel (Sephadex G-50) y el empleo del un
adsorbente.
La concentración de AIS se reporta % de Brix y la velocidad de
autodegradación de la caña VAC como (∆AIS % Brix/horas) x 100.
Experiencia en Cuba para la determinación de las enzimas “hidrolasas,
polimerasas y transferasas en la caña y sus jugos”
Efecto del pH sobre la actividad enzimática
La actividad de un enzima se ve afectada por el pH al cual
se lleva a cabo la reacción. Existe un pH óptimo;
La relación entre el pH y la actividad depende del
comportamiento ácido-base del enzima y del propio sustrato.
Procesos potenciales de eliminación
La mayoría de los enzimas presentan un pH óptimo para el
cual su actividad es máxima; por encima o por debajo de ese
pH la actividad disminuye bruscamente. Este efecto se debe a
que, al ser los enzimas de naturaleza proteica, al igual que
otras proteínas, se desnaturalizan y pierden su actividad si el
pH varía más allá de unos límites estrechos (Figura 14.8).
Efecto del pH sobre la actividad enzimática
Efecto de la temperatura sobre la actividad enzimática
Doble efecto de la temperatura: positivo a bajos valores,
debido al incremento de la velocidad de reacción química y
negativo a valores altos, debido a la desnaturalización
térmica del enzima.
Procesos potenciales de eliminación
En las reacciones catalizadas por enzimas se produce un
brusco descenso de la actividad cuando se alcanza una
temperatura crítica. Este efecto no es más que un reflejo de la
desnaturalización térmica del enzima cuando se alcanza dicha
temperatura
Efecto de la temperatura sobre la actividad enzimática
Efecto de la concentración de sustrato sobre la
actividad enzimática
La curva de saturación hiperbólica representa el
efecto de la concentración de sustrato sobre la
velocidad de una reacción catalizada
enzimáticamente.
Procesos potenciales de eliminación
Efecto de la Inhibición de la InvertasaExisten evidencias de que en ciertas plantas se forman
proteínas que actúan como inhibidores de la actividad de lainvertasa.
-Los inhibidores competitivos (ubicación catalítica) y/oalostéricos (otra ubicación) tienen la misma forma delsubstrato por lo tanto toman su lugar y no permiten que elsubstrato se ligue al sitio activo, esto causa un descenso en lavelocidad de reacción.
Procesos potenciales de eliminación
Efecto de la Inhibición de la Invertasa
Procesos potenciales de eliminación
El inhibidor es una molécula que presenta un cierto parecido
estructural con el sustrato, de manera que puede competir
con él por acceder al centro activo, pero que no posee
ningún enlace susceptible de ser atacado por el enzima
Efecto de la Inhibición de la Invertasa
Procesos potenciales de eliminación
El inhibidor no se combina con el enzima libre ni afecta a su
unión al sustrato, sino que lo hace con el complejo enzima-
sustrato dando lugar a un complejo inactivo enzima-sustrato-
inhibidor, que no se descompone posteriormente para dar lugar
a los productos (Figura 14.11).
A partir de la sacarosa, y mediante la Reacción Maillard, sehan desarrollado tecnologías de producción de inhibidoresde enzimas, de alta eficiencia, aplicado a la caña de azúcar yde sus jugos.
Así, hace más de una década, en Cuba surgió el primerproducto de este tipo, que fue capaz de detener la hidrólisisde la sacarosa, la formación de dextranas y de oligosacáridosentre el corte y la molienda, y con el desarrollo deinvestigaciones sucesivas, ha dado lugar a nuevosinhibidores de enzimas más eficientes y selectivos.
Experiencia en Cuba para la producción de inhibidores
de enzimas aplicadas en la caña y jugo de azúcar”
El producto1 es reconocido como un inhibidor de alta eficiencia para
las enzimas del tipo hidrolasas, transferasas y polimerasas presentes en
la caña el producto2 que permite inhibir, selectivamente, las enzimas
que hidrolizan la sacarosa (invertasa) o las que intervienen en la
formación de Dextrana (polimerasas) en la caña y sus jugos, pero no las
transferasas (oligosacáridos)
Experiencia en Cuba para la producción de inhibidores de enzimas aplicadas en la caña y jugo de azúcar”
WORLD INTELLECTUAL PROPERTY ORGANIZATION
PATENTSCOPE 1. (CU23631) PRODUCTO INHIBIDOR DE LAS ENZIMAS HIDROLASAS, POLIMERASAS Y
TRASFERASAS Y SU PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN
Número de la solicitud: 20060181 Fecha de la solicitud: 18.09.2006
Número de publicación: 23631 Fecha de publicación: 24.02.2011
Tipo de publicación: A1
IPC: C 12N y C 07H
Solicitantes: INSTITUTO CUBANO DE INVESTIGACIONES AZUCARERAS
Inventores: Susana Ravelo Bravo y Eduardo Lorenzo Ramos Suárez
Representantes: INSTITUTO CUBANO DE INVESTIGACIONES AZUCARERAS
Experiencia en Cuba para la producción de
inhibidores de enzimas aplicadas en la caña y
jugo de azúcar”
Experiencia en Cuba para la producción de inhibidores de enzimas
aplicadas en la caña y jugo de azúcar”
Producto 1 Producto 2
VF003
VD017
Datos a Quinta Catorcena: Del 02 al 15 de mayo de 2016
Variable 2014/2015 2015/2016
Caña Molida TM 19,761,165.33 22,467,833.36
Producción Azúcar Cruda TM 569,526.38 702,097.87
Producción Azúcar Blanca TM 397,228.74 556,844.81
Producción Azúcar Refinada TM 791,659.82 931,958.07
Total Azúcar: 1,758,414.94 2,190,900.75
Potencial recuperación 3%
(Proceso enzimático) TM 52,752.45 65,727.02
Precio del Azucar (mercado
mundial) US$/TM 352.00 286.00
Recuperación económica
para el País (Guatemala) US$ $18,568,861.80 $18,797,928.44
Recuperación económica
para el País (Guatemala) Euro € 16,578,279.81 € 16,782,790.51 €
AGROINDUSTRIA
PRODUCTIVIDAD INGENIOS DE GUATEMALA
1.La enzima invertasa principal degradadora de la sacarosa encaña de azúcar puede ser inhibidas o eliminada su actividadpor varios métodos:
•Control de pH•Temperatura•Cambios de concentración del sustrato•Productos inhibidores
2. El método de inhibición de la enzima utilizando productosinhibidores es el más funcional y preciso, debido a que losotros tres métodos están afectos a condiciones de procesoindustrial, calidad de caña y jugos
CONCLUSIONES
3.Investigaciones y experiencias cubanas, han demostradola inhibición eficiente y selectiva de la enzima invertasa,así como otras específicamente en caña y jugo de azúcar
4.Si se aplicara este producto inhibidor en la agroindustriaazucarera de Guatemala, es posible una recuperación entre1-5 % de las pérdidas de sacarosa, que estimándose unarecuperación promedio de 3% implicaría, (basándonos enlos resultados de la zafra 2015-2016, que fue utilizadacomo referencia), se recuperaría en Guatemala unaproximado de 2,190,900 toneladas de azúcar/año, con unvalor en el mercado mundial (Inestable) de €16,782,790Euros o sea US$ 18,797,982
CONCLUSIONES
1.Evaluar en Guatemala la eficacia de inhibición de la
enzima “invertasa” en jugo de caña, utilizando como
referencia los productos utilizados en Cuba.
2.Investigar y desarrollar nuevos productos inhibidores,
utilizando como referencias las experiencias de
investigación cubana basadas en reacciones de Maillard.
3.Aplicar inhibidores de enzima invertasa en el proceso
agroindustrial azucarero desde el campo hasta la fábrica,
para lograr mayor recuperación de sacarosa y rentabilidad
económica.
RECOMENDACIONES
Ing. Estuardo Monroy BenítezConsultorías Monroy & Asociados
Guatemala
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
