hidrólisis enzimática del almidón

Rev. Per. Quím. Ing. Quím.
Vol. 7
N.º 1, 2004.
Págs. 40-44
HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA DEL ALMIDÓN
L. Reyna M., R. Robles, M. Reyes P., Y. Mendoza R., J. Romero D.
Facultad de Química e Ingeniería Química, Universidad Nacional Mayor de San Marcos
RESUMEN
Se ha llevado a cabo la hidrólisis enzimática de la cebada a 70 ºC y se determinó la constante cinética
de reacción.
Palabras claves Almidones, hidrólisis enzimática, azúcares, etanol, suspensión, ecuación cinética,
orden.
ABSTRACT
We obtained rate constant for enzymatic hydrolysis of barley at temperature of 70 ºC.
Key word: Starchs, hydrolysis enzymatic, sugars, ethanol, suspension, equation kinetic, order.
INTRODUCCIÓN
La transformación de almidones en compuestos más livianos como los azúcares se puede lograr mediante la hidrólisis enzimática,
dichos azúcares pueden ser aprovechados en
la producción de alcohol etílico para diferentes propósitos como la producción de bebidas alcohólicas.
El objetivo del trabajo es determinar la ecuación cinética para la hidrólisis enzimática, la
cual debe ser usada en el diseño de reactores para la fabricación en serie de equipos de
tal modo que su uso sea difundido ampliamente en el país.
PROCESO PARA LA HIDRÓLISIS DE LA
CEBADA
1. PROCESO DE MALTEADO
El malteado es la germinación controlada de
la cebada, durante la cual se forman las enzimas
40
y se modifican suficientemente las reservas alimenticias de manera que puedan ser
hidrolizados durante la maceración. Debemos
considerar que el malteado consta de tres etapas: humedecimiento, germinación y secado.
1.1. Proceso de humedecimiento
Tiene por objetivo dar al grano la humedad
apropiada bajo condiciones controladas de
temperaturas y ventilación. Para que pueda
germinar, el agua debe tener una temperatura de 21 °C y el tiempo de proceso para
nuestro caso es de 48 h; el tiempo requerido
para alcanzar la humedad depende de la temperatura, tamaño de los granos, variedad de
la cebada y contenido proteico.
1.2 Germinación
El objeto de la germinación es la formación
de enzimas necesarias para llevar a cabo las
transformaciones, ya sea la degradación de
parte de las sustancias nitrogenadas y fosfatos
Rev. Per. Quím. Ing. Quím.
Vol. 7
N.º 1, 2004.
solubles y desagregar los gránulos de almidón que va a facilitar su dextrinización o
sacarificación que influye en el proceso.
Este proceso debe hacerse a temperaturas
tan bajas como sea posible por ser menores
las pérdidas de enzimas en el malteado. Las
principales enzimas presentes son: citasas,
proteasas, fitasas y oxidasas, donde el proceso se orienta hacia su producción.
1.3. Proceso de secado
El secado puede tener una duración de 2 a
4 h. Durante esta etapa la eliminación del agua
resulta difícil y lenta ya que está físicamente
incorporada; esta etapa elimina el color verde
y granuloso y suministra la mayor parte del
sabor a la malta. Después del secado se enfría la malta hasta la temperatura de 24ºC o
menos mediante el paso del aire, generalmente se eliminan las raicillas haciéndose pasar
por un limpiador. A lo largo de la tostación los
granos de malta van reduciéndose en volumen debido a la pérdida de agua; la temperatura no debe sobrepasar a 60 ºC, se destruyen las enzimas obteniéndose maltas de baja
fuerza diastásticas. Después del secado se
enfría la malta hasta 20 ºC, lo más rápido
posible para prevenir posteriores destrucciones enzimáticas,
2. Sacarificación
La sacarificación es la operación que permite
la transformación del almidón a azucares
fermentables, por lo general son: sacarosa,
glucosa, maltosa y lebulosa. Se puede realizar por medios químicos y enzimáticos, o
acción microbiana,
Cu ++
Cu
..
–
++
NaOH -------H
+2
HO-C-CCO2HO-C-CO2
H
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2.1. Hidrólisis o conversión del almidón
La hidrólisis produce azúcares que son directamente utilizados por todos los
microorganismos vivientes. En la hidrólisis
enzimática por acción de las enzimas las más
comunes son: alfa y beta amilasa.
Para una eficiente hidrólisis enzimática del
almidón por las amilasas conviene que esté
gelatinizado, por esta razón se realiza un
cocimiento del almidón antes de la adición
de dichas enzimas:
Reacción de hidrólisis
2(C6 H10O5 )4 + nH 2O → nC12 H 22O11
Una vez que el almidón está transformado en
glucosa, maltosa y dextrina, se introduce la
levadura y se transforma en etanol.
2.2. Determinación de azúcares
reductores por el reactivo Fehling
El licor Fehling es un complejo tártrico cúprico
formado por una solución A de sulfato de cobre y una solución B de hidróxido sódicopotásico; el tartrato en solución alcalina reacciona con el hidróxido cúprico formando un
ión complejo y da un óxido cuproso de color
rojo que indica la presencia de un reductor .
Los azúcares reductores reducen el ión
cúprico a cuproso formando precipitado de
óxido cuproso rojo. Se emplean para reconocer monosacáridos y disacáridos.
Si hay hidratos de carbono en exceso el óxido
cuproso puede ser reducido a cobre metálico.
La reacción es:
Cu(OH)2 + Na2SO4
+ 4 OH
-O C – C – O
2
-O C – C – O
2
H
Cu
O – C – CO 2O – C – CO 2-
–6
+ 4 H2O
H
41
Para Aldehídos:
R-CHO
+
2 Cu ++ + 5 OH
à RCOO-
3. PROCESO EXPERIMENTAL
3.1 Materia Prima:
4 700 kg Cebada
3.2 Equipos y Materiales
• Fuente de energía para el calentamiento.
• Bandeja para enfriar las muestras tomadas.
• Recipiente de acero inoxidable para el
calentamiento.
• Cronómetro, termómetro.
• Agitador manual de madera.
• Balanza.
• Colador para limpieza del grano.
• Bandeja humedecimiento y germinación.
• Estufa.
• Molino de martillo para molienda de la
cebada germinada.
• Refrigerador.
• Refractómetro.
• Frascos para tomar muestras.
+
Cu 2O
+
3 H 2O
parada para dicho efecto. Se observa que el
incremento del volumen en el grano es proporcional en toda la bandeja y asimismo el
crecimiento de las raicillas. La bandeja debe
estar cubierta para evitar la evaporación de
agua por el paso del aire, pero con suministro de oxígeno suficiente para el grano. El peso
obtenido de la cebada húmeda fue 6.140 kg a
la temperatura de 20.4 °C.
3.3.3. Secado
Finalizada la germinación, la malta es secada para disminuir su humedad, para esto se
usa la estufa en la cual se carga la cebada
húmeda (6,140 kg) a 70 °C, el proceso dura
aproximadamente 7 h obteniéndose como
peso final 4.600 Kg, al término del secado se
elimina 15.4% de agua.
3.3.4 Molienda
• Bureta.
Se realiza mediante un molino martillo, y se
obtiene un peso de 4,516 kg.
• 02 pipetas volumétricas de 2ml.
3.4 Evaluación de la malta obtenida
• 04 erlenmeyer de 250 ml.
• Cocinilla eléctrica.
• Indicador, azul de metileno.
3.3. Etapas del proceso experimental
3.3.1. Humedecimiento
La cebada que es previamente sometida a
limpieza, se pesa 4,700 kg y se adiciona 3.3
L de agua, se deja caer en la bandeja de
humedecimiento, aquí permanece durante
43:20 h a la temperatura de 24 °C,
3.3.2. Germinación
El proceso de germinación se lleva a cabo
juntamente con el proceso de humedecimiento, el cual es realizado en una bandeja pre42
Se adiciona 33 litros de agua a 4516 kg de
cebada malteada, secada y molida.
Antes de calentar la muestra se extrae 100 ml
de suspensión. Luego se empieza a calentar
hasta alcanzar la temperatura de 70 °C, y una
vez que esto ocurre se toma una muestra de
100 ml. La cual debe ser enfriada rápidamente para evitar que continúe el proceso de
hidrólisis, de igual manera se procede para
las siguientes muestras.
A cada una de las muestras se le determinan
los grados Brix y el análisis para azúcares
reductores cuya concentración se expresa en
miligramos de maltosa entre 100 ml de solución. Para ello se usan las tablas de Lane y
Eynon. (Ref. 5).
Tabla N.° 1. Datos para la obtención de
Maltosa.
TIEMPO
(min)
GASTO DE
SOLUCIÓN DE
AZÚCAR (mg)
MALTOSA
(mg/100ml)
20
19.5
1972
10
19.6
30
18.6
40
17.6
90
17.1
100
16.8
110
16.6
120
16
130
15.9
150
15.3
140
90
100
110
2410
120
2427
15.6
5.83
80
2323
130
2478
140
150
2525
363
1970.8
70
2294
5.921
30
60
2252
478
5.931
50
2187
7.8
1869.2
40
2174
0
CONCENALMIDÓN TRACIÓN
QUE NO
DE
REACCIONA ALMIDÓN
(g/100ml)
(mmol/l)
10
20
2124
17.7
80
0
2102
18.1
70
1961.4
2080
18.3
60
ALMIDÓN
QUE
TIEMP. REACCIONA (mg)
(min)
2068
18.5
50
Tabla N.° 2. Datos para la obtención de la
concentración del almidón.
1879.3
1982.2
5.818
2024.2
5.776
2003.2
5.797
2071.8
5.729
2084.2
5.716
2146.2
5.654
2186.2
5.614
2213.8
5.587
2296.7
5.503
2312.9
4.487
2361.5
5.438
2406.3
5.394
364
357
356
355
354
351
350
347
344
342
337
336
333
331
milimoles
de almidón/
CONCENTRACION
´ (mmol/l)
370
365
360
355
350
345
CA = -0.2339t + 366.71
R2 = 0.9847
340
335
330
325
0
20
40
60
80
TIEMPO (m in)
100
120
140
160
Gráfico N.º 1. Concentración de almidón vs. tiempo.
4. CONCLUSIONES
1. En el proceso de germinación parte del
almidón es transformado en azúcares
alcanzando la solución una concentración
de 1.6° Brix.
2. Durante el proceso transitorio se
incrementa hasta alcanzar la
concentración de 6.6° Brix.
3. La temperatura promedio de trabajo es de
70 °C y se realiza a presión ambiental.
4. Con los datos obtenidos en diferentes
tiempos y usando el reactivo de Fehling
se determina la concentración de azúcar
en cada muestra.
5. Con los datos de concentración de maltosa
frente al tiempo se determina una ecuación
cinética de primer orden, según muestra
el gráfico N.º 1.
−
dC A
= 0.2339.
dt
43
Rev. Per. Quím. Ing. Quím.
5. BIBLIOGRAFÍA
Vol. 7
N.º 1, 2004.
1. Palma de Martin Hilda. Posibilidades
Funcionales en el uso de almidones,
gomas, emulsificantes. Revista de
Industria y Alimentos – año 3 –9-octubrediciembre 2000.
2. Badui S. Química de los Alimentos , 3.ª
ed. México, 1999
44
Págs. 47-53
3. Briggs D.E; Hough J.S.; Young T.W.,
Malting and Brewing Science, Vol. 1,
Second Edition,London, 1981.
4. Winton & Winton, Análisis de los
Alimentos, USA, 1947.
5. Mc Cabe; Smith J.O., Operaciones
Básicas de Ingeniería Química, Ed.
Reverté S:A:, Barcelona, 1968.