Paper dels enzims en el processament del mido i isomerització de la glucosa

Els grans dels cereals són una matèria primera molt important. Estan formats (en composició variable depenent de cada espècie) fonamentalment per midó, proteïnes, olis o lípids i fibra. L'objectiu del gra de cereal és la d'acumular nutrients que la llavor utilitzarà en primera instància en la germinació. De la mateixa manera que es pot utilitzar la cel·lulosa com a matèria primera per obtenir etanol o altres productes, també podem utilitzar el midó dels grans dels cereals per obtenir glucosa o solucions de glucosa i fructosa, o etanol o altres productes (a partir de la fermentació o transformació de la glucosa). Els enzims que seran necessaris són les amilases i amiloglucosidases o glucoamilases. Als Estats Units el blat de moro és el principal cereal utilitzat com a matèria primera per obtenir etanol i solucions dolces riques en glucosa i fructosa (també anomenades xarops -jarabes- de glucosa i fructosa -High-fructose corn syrup ,HFCS, en anglès-) utilitzades en la indústria alimentària.

El procés global d'aprofitament del midó consta de diverses etapes:

1. Liquació del polisacàrid
   
2. Sacarificació, obtenció de sucres fermentables (glucosa)
   
3. Isomerització de part de la glucosa a fructosa o fermentació de la glucosa per obtenir el producte desitjat (per exemple etanol)

En les fases de liquació i sacarificació s'afegeixen amilases i amiloglucosidases i en la isomerització de la glucosa s'utilitza l'enzim glucosa isomerasa de forma immobilitzada. La liquació del midó es fa a Temperatures elevades (uns 100 graus C), en les altres etapes cal però reduir la Temperatura per no desnaturalitzar els enzims. Les diferents etapes i enzims utilitzats requereixen diferents condicions de pH i cofactors i per això cal anar canviant les condicions del medi de reacció en les diferents etapes. En la liquació cal augmentar el pH fins a 6.0 aprox i afegir ions Ca2+. En la sacarificació cal baixar el pH a 4.5 aprox. i en la isomerització de la glucosa cal augmentar de nou al pH a 7.5 aprox, treure els ions Ca2+ i afegir ions Mg2+.

La reacció de isomerització de la glucosa en fructosa catalitzada per la glucosa isomerasa (E.C. 5.3.1.5) és una reacció d'equilibri. Si volem obtenir solucions amb unes concentracions de fructosa de més del 42%, hem d'augmentar la Temperatura. Podem obtenir així solucions de 55% en fructosa. El principal inconvenient és que l'enzim serà menys estable a altes Temperatures. L'enzim glucosa isomerasa (E.C 5.3.1.5) és en realitat una xilosa isomerasa que catalitza la isomerització de la xilosa a xilulosa. L'activitat de isomerització de la glucosa en fructosa és una activitat "colateral" de l'enzim. L'enzim té més afinitat (Km més petita) per la xilosa que per la glucosa. La glucosa isomerasa és un enzim intracel·lular. Això fa que la seva producció sigui cara. Per aquest motiu i per augmentar l'estabilitat de l'enzim a altes T, la glucosa isomerasa s'utilitza de forma immobilitzada per a poder-la reutilitzar. Per a que el temps de la reacció d'isomerització es mantingui constant en el procés industrial independentment dels dies que fa que reutilitzem l'enzim, es pot treballar amb diversos reactors en paral·lel (cada reactor amb la glucosa isomerasa immobilitzada en dies diferents) modificant el flux d'entrada de cada reactor.

Existeixen diverses estratègies per millorar el procés industrial d'aprofitament del midó. Entre altres podem modificar o aïllar nous enzims. Entre altres, interessarien amilases amb un pH òptim més baix (de 4.5 aprox.), glucoamilases més termoestables i glucosa isomerases més termoestables, amb un pH òptim més baix i amb més afinitat per la glucosa. S'han aïllat glucosa isomerases d'organismes termòfils. Alguns dels canvis d'aminoàcids que s'observen entre aquests enzims i els corresponents a organismes mesòfils són substitucions de les Glicines per prolines o alanines (per disminuir la llibertat conformacional) i substitucions de les glutamines per histidines (per evitar desminacions per efecte de la T). El problema d'aquests enzims termòfils és que necessiten ions Mn2+ o Co2+, no permesos en elevades concentracions en el producte final si s'ha d'utilitzar en la indústria alimentària.