Nuevos procesos biotecnológicos de fabricación de scfos en la industria de azúcares líquidos

Abstract

Resumen de la tesis: Los fructooligosacáridos (FOS) son oligosacáridos que consisten en cadenas lineales de D-fructosa con enlaces β (2-1), que presentan una molécula de D-glucosa terminal. Los FOS de cadena corta (scFOS) tienen carácter prebiótico por lo que son interesantes como ingredientes alimentarios. El mayor inconveniente para su uso es su elevado precio de mercado, que viene determinado sobre todo por la escasez de enzimas comerciales y por los costes de la tecnología actual de fabricación. La producción de scFOS que da lugar a menores costes es la realizada mediante fermentación enzimática con enzimas FTasas, pero es necesario disminuir también los costes de uso de estas enzimas para obtener unos scFOS más competitivos que se puedan utilizar de forma más generalizada en alimentos. Las enzimas necesarias para la transformación en scFOS de la sacarosa son transfructosilasas o fructosiltransferasas (FTasas, EC 2.4.1.9). Estas enzimas rompen los enlaces glucosídicos β (2→1) de la sacarosa y transfieren el grupo fructosil a la sacarosa, o a otros FOS, generando así, como mínimo, la siguiente serie de scFOS (short chain FOS): 1-kestosa (GF2), nistosa (GF3) y fructofuranosilnistosa (GF4). Actualmente no se encuentran enzimas en el mercado comercializadas por su actividad FTasa. Por ello, en esta tesis se han realizado estudios de búsqueda de enzimas FTasas siguiendo dos estrategias. La primera ha consistido en estudiar la actividad FTasa de determinadas enzimas presentes en el mercado que son comercializadas actualmente por tener otras actividades enzimáticas que son aprovechadas industrialmente. Así, se han estudiado las enzimas Pectinex Ultra SP-L, Lactozym Pure, Maxinvert L 10000 y Viscozyme L, que son comercializadas por sus actividades pectinolíticas, celulíticas, o por sus actividades lactasa, invertasa, hemicelulasa, xilanasa, arabanasa, y β-glucanasa, pero no por su actividad FTasa. Por otro lado, se ha seguido la estrategia de estudiar el proceso de obtención de enzimas FTasas a partir del hongo Aspergillus aculeatus, que es de los microorganismos más prometedores por su capacidad de producción de enzimas FTasas tanto intracelulares como extracelulares. Se han estudiado los parámetros fermentativos con el fin de obtener las condiciones óptimas de producción de estos enzimas FTasas (a partir de A. aculeatus) que dieran lugar a los mayores rendimientos de scFOS. Además, también se han analizado técnicas de optimización del proceso de obtención de scFOS que pudieran disminuir los costes de uso de estos enzimas FTasas, como es el caso de la metodología de inmovilización de estos enzimas. Así en esta tesis se ha estudiado el uso de enzimas FTasas intracelulares fúngicas inmovilizadas con alginato de sodio, que han podido ser reutilizadas en más de 14 ciclos de 24 horas con rendimientos relativamente elevados de producción de scFOS. La gran relevancia que están alcanzando los scFOS en la industria alimentaria se debe sobre todo a sus beneficios sobre la salud, ya que son prebióticos que pueden sustituir las grasas y la sacarosa en la formulación de muchos alimentos. De aquí se deduce la necesidad de conocer la estabilidad de los scFOS al ser sometidos a diferentes condiciones de tratamiento térmico formando parte de alimentos de diferentes pH. Por ello, se ha realizado un estudio de estabilidad y de vida útil de los scFOS utilizando diferentes temperaturas de tratamiento térmico y de almacenamiento, y considerando diferentes condiciones de pH, simulando las distintas matrices alimentarias en las que se pueden formular los scFOS. Por último, cuando se ha realizado el estudio de validación a nivel industrial de la producción de scFOS a partir de enzimas seleccionados en esta tesis, también se ha analizado el proceso de purificación de los mismos mediante nanofiltración, que es una tecnología de membranas que permite conseguir una pureza de scFOS superior al 80 %, ya que la solución de scFOS obtenida tras la fermentación enzimática contiene, además, una elevada proporción de azúcares residuales como sacarosa, glucosa y fructosa. De esta manera, en esta tesis se ha obtenido que Pectinex Ultra SP-L es un preparado enzimático comercial que es muy adecuado para la producción industrial de scFOS por su interesante actividad enzimática FTasa (de 26,99 μmoles glucosa / min mL de solución enzimática, tras 48 h de reacción enzimática), si se compara con la enzima Viscozyme L (que tiene una actividad enzimática de 20,05 μmoles glucosa / min mL solución enzimática), y las demás enzimas comerciales estudiadas. Por otro lado, se ha podido demostrar que las enzimas intracelulares del cultivo de 120 h de A. aculeatus inmovilizadas en alginato de sodio y sometidas a un proceso de secado por aire a 35 ºC durante 24 h, en procesos fermentativos a 35 ºC y 150 rpm, han tenido una actividad enzimática adecuada durante 20 ciclos de producción de 24 h. El mayor rendimiento se ha obtenido entre los ciclos 2 a 14, con valores de entre el 35 y el 40 % de scFOS. De esta forma, se podría disminuir el coste de uso de estos enzimas. Además, se ha podido validar a nivel industrial el interés del uso de la enzima Pectinex Ultra SP-L ya que se obtiene un rendimiento elevado y similar al obtenido a nivel laboratorio, aunque a escala industrial se debe duplicar el tiempo de fermentación. También, se ha validado a escala industrial el interés del uso de la nanofiltración como técnica de purificación de la solución de scFOS, ya que ha permitido incrementar la concentración de scFOS desde el 65 % al 85%, con respecto al total de sólidos solubles. En cuanto a la estabilidad de los scFOS obtenidos industrialmente con la mejor tecnología desarrollada en esta tesis, se ha podido comprobar que son inestables a pH 3, produciéndose su hidrólisis tras 5 minutos de tratamiento a una temperatura de 121 ºC, tras 20 minutos a 100 ºC y tras 24 horas a 37 ºC. Por el contrario, a 4 ºC la solución de scFOS a pH 3 sí es estable. Sin embargo, a pH 5 y 7 no tiene lugar la hidrólisis de las soluciones de scFOS expuestas a tratamientos térmicos de 100 y 121 ºC durante al menos 1 hora. Además, dichas soluciones pueden ser almacenadas, porque son estables, a 37 ºC durante un mínimo de 38 días, y en refrigeración (a 4 ºC) también se pueden conservar, al menos, durante 14 semanas. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/