Laura Tutusaus i Laura Martin. Curs 2009-10.
INTRODUCCIÓ
El principal objectiu de la indústria de sucs de fruites és processar fruites en el menor cost, millorant les qualitats organolèptiques i l’estabilitat del producte final. Amb la utilització dels enzims en diferents estadis del procés, s’han pogut obtenir sucs concentrats per disminuir els volums durant l’emmagatzematge i s’ha millorat la seva estabilitat, prevenint aquests sucs d’un possible deteriorament. A més, amb la utilització d’enzims, el temps de duració del procés s’ha vist molt reduït i la capacitat de la planta industrial està molt millorada.
La indústria dels sucs de fruites va començar prop del 1930, amb baixos rendiments i problemes en la filtració del suc durant la clarificació. Des del 1953, els enzims comercials són eines utilitzades a totes les indústries d’arreu per transformar la fruita. Actualment, les tecnologies d’obtenció de sucs de fruita requereixen unes transformacions molt més acurades que les simples extraccions mecàniques utilitzades en anterioritat.
La millora de coneixements bioquímics de la composició de la fruita i de l’enzimologia, el control complert del creixement de microorganismes, la producció d’enzims, la millora de soques a través de la genètica clàssica o de biologia molecular i la purificació de l’enzim mitjançant tècniques de cromatografia o ultrafiltració, ha fet desenvolupar i augmentar el nombre d’enzims involucrats en aquest procés.
COMPONENTS A DESTACAR DE LES FRUITES
APLICACIÓ ENZIMÀTICA EN LA INDÚSTRIA DELS DE SUCS DE FRUITA
Cal tenir en compte que durant el procés de maduració, la fruita pateix canvis:
la fruita immadura conté pectina unida a microfibres de cel•lulosa a les parets cel•lulars i resulta insoluble. Durant la maduració, en canvi, i degut a l’acció d’enzims naturals de la fruita, aquesta pectina resulta alterada i es produeix el trencament de les seves cadenes. Això comporta que es torni soluble.
Per tant, el resultat de la maduració és que en el processament s’obté un suc més viscós, degut a les molècules de pectina alliberades i, conseqüentment, hi ha més dificultat en el procés d’exprimir. A més, importants components que aporten gust i color es queden retinguts en la fruita, obtenint un suc de menys qualitat. Per últim, hi ha dificultat en la clarificació i filtratge degut a les partícules de pectines en suspensió.
L’augment de coneixements respecte als components de la fruita, així com avenços en la indústria enzimàtica (sobretot de pectinases) han ajudat a resoldre les dificultats. Així doncs, els enzims s’utilitzen en general per facilitar el premsat, l’extracció del suc i la clarificació. Donat que les pectines tenen molta influència en aquest procés, les pectinases són el grup més important d’enzims utilitzats en aquesta indústria. També, però, es combinen cel•lulases i hemicel•lulases si es desitja la màxima degradació del polímer. S’utilitzen per hidrolitzar les parets cel•lulars i obtenir una liqüefacció total, millorant així el rendiment del suc, la disminució de la terbolesa i l’extracció del color. Altres enzims com amilases i arabinases hidrolitzen midó i l’arabina per prevenir la terbolesa.
Els sucs de fruita s’elaboren a partir d’una àmplia varietat de fruites, com cítrics, pomes, raïm, pinya, etc. I en molts casos es barregen diferents tipus de sucs. Els mètodes per produir suc de poma s’assemblen als mètodes per a la producció dels altres tipus de suc (figura 8). En cítrics, en canvi, es produeixen etapes especials.
Figura 8. Línia de producció de sucs de fruita.
1) PRODUCCIÓ DEL SUC DE POMA
1.1) Tractament de la polpa per a l’extracció del suc
El primer pas és seleccionar les pomes i netejar-les. S’ha comprovat que s’obtenen millors resultats en la capacitat de premsat si es realitza un tractament de la polpa previ al procés de premsat. La polpa de fruites toves, amb pectina soluble, comporta una massa semigèl•lida que és difícil de premsar. Així doncs, la polpa es remou en un tanc durant 15 o 20 minuts, temps durant el qual els inhibidors de les pectinases, els polifenols, s’oxiden, per acció de les polifenols oxidases de la fruita. A continuació la barreja s’escalfa fins a 30 ºC, temperatura adequada per a afegir els enzims i es procedeix a la degradació enzimàtica de les pectines, donant com a resultat un suc més líquid i una polpa amb característiques més adequades per al premsat. Un augment de la temperatura comportaria la pèrdua de l’estructura física, que és essencial per a l’operació de premsat.
Respecte a fruites d’os i de gra, la temperatura òptima del tractament és 50 ºC, amb la utilització de cel•lulases per a una millor extracció del color, i 60-65 ºC per realitzar l’extracció del suc per plasmòlisis.
Aquest tractament abans del premsat també trenca les pectines insolubles. Això comporta l’aparició de petites partícules que saturen el suc i, a més, les partícules bloquegen els canals a través dels quals el líquid drenaria, el que dificulta el procés d’extracció. Cal tenir en compte que l’objectiu és augmentar l’habilitat del suc de separar-se de la polpa del fruit. Cal mantenir intactes suficients canals per al correcte drenatge i que el suc contingui només petits sòlids per poder ser clarificat fàcilment.
Aquesta etapa finalitza quan s’aconsegueix el color desitjat i quan la viscositat és l’adequada (al principi del tractament enzimàtic la viscositat augmenta per la solubilització de les pectines insolubles, i al final del procés ha de ser igual o inferior que la viscositat inicial).
1.2) Premsat
La barreja tractada es transfereix a una premsa contínua per a un premsat inicial amb un rendiment d’obtenció del 50-60% del suc. A continuació, la polpa residual s’exprimeix completament amb un premsat horitzontal, en general, i afegint aigua, amb el que s’aconsegueix un augment del contingut en sucres. Si no s’ha realitzat el pretractament enzimàtic, es poden afegir pectinases a l’aigua per augmentar l’eficiència de l’extracció.
1.3) Clarificació
Com a resultat del premsat obtenim un suc amb aparença viscosa i amb terbolesa, a causa dels fragments de la paret cel•lular presents i de complexes d’aquests fragments amb proteïnes citoplasmàtiques. Després d’una centrifugació inicial i un escalfament del suc, només romanen petites partícules en suspensió, però per a produir sucs nítids cal separar-les del tot. Per aquest motiu, es realitza la clarificació mitjançant enzims.
1.3.1) Degradació de pectines
L’addició de pectinases disminueix la viscositat (degrada les pectines solubles) i, a més, provoca l’agregació de les partícules en unitats llargues per la conseqüent sedimentació, i així poder-ho separar fàcilment.
En un ambient àcid, com en el del suc de poma, les molècules de pectina es troben carregades negativament. Les pectinases, al degradar les pectines, exposen part de les càrregues positives interiors, provocant l’agrupació de les partícules i la reducció de les repulsions electrostàtiques entre les partícules.
1.3.2) Degradació del midó
Depenent de la maduresa de les pomes utilitzades, el suc obtingut després del premsat també conté grànuls de midó. La hidròlisi del midó en sucres és un canvi que es produeix en la maduració dels fruits. Per aquest motiu, la utilització d’amilases millora el gust del suc i evita la terbolesa.
El suc, abans del procés de clarificació, s’ha d’escalfar fins a 95-100ºC per evaporar les essències volàtils, i aquest procés solubilitza el midó. Els processos de clarificació i filtració no afecten al midó i, per evitar aquesta terbolesa, es sacarifica amb l’addició d’amiloglucosidasa termostable. Aquest enzim és compatible amb les barreges enzimàtiques utilitzades (enzims pectolítics), per tant, la hidròlisi de la pectina i del midó es produeix a la vegada.
1.3.3) Degradació d’arabina
L’Arabina es constitueix d’arabinosa i és un component de la paret cel•lular de les fruites de llavor. L’arabina també causa terbolesa i no es pot eliminar pels agents clarificadors. Aquesta terbolesa apareix amb el temps i és difícil preveure-ho. Per aquest motiu, actualment les preparacions comercials d’enzim porten quantitat suficient d’arabinasa.
1.3.4) Agents clarificadors i estabilitzadors
Aquests agents són substàncies no enzimàtiques que s’uneixen a les partícules indesitjables dels sucs per reaccions fisicoquímiques o adsorció. Provoquen una coagulació que pot ser separada fàcilment en la filtració. L’agent floculant més important és la gelatina, degut a la seva càrrega positiva que atrau fortament a les partícules negatives indesitjables que es troben al suc. Es destaca que aquests agents s’afegeixen després de la degradació completa de les partícules, donat que alguns agents adsorbeixen als enzims.
L’últim pas de la clarificació és, doncs, una separació de les partícules i agregacions indesitjables per centrifugació o ultrafiltració.
1.4) Emmagatzematge
Després de la clarificació del suc i la separació final, el suc es concentra, amb una evaporació del 80% de l’aigua, o es pasteuritza i s’emmagatzema.
2) PRODUCCIÓ DE SUCS DE CÍTRIC
Les principals aplicacions enzimàtiques en la indústria dels cítrics són les següents:
2.1) Neteja de la polpa
En el processament dels cítrics s’obté suc, pela i polpa. Aquesta polpa forma una quarta part del fruit total i conté gran quantitat de suc que no s’ha pogut extreure durant el premsat. La neteja de la polpa permet obtenir el suc retingut:
S’utilitzen pectinases per tractar la polpa abans de l’extracció i així remoure les pectines i alliberar el suc de la polpa, amb una disminució de la viscositat del suc extret de la polpa netejada.
El tractament enzimàtic es pot dur a terme de forma contínua o per un procés batch. Els enzims es barregen amb la polpa i es deixen actuar durant uns 30 minuts. La quantitat d’enzim és mínima per a poder trencar les pectines solubles i que les insolubles romanguin intactes, donat que d’aquesta manera es manté l’estabilitat de la terbolesa.
2.2) Disminució de la viscositat en el concentrat de suc de taronja
Els sucs de taronja poden presentar alts nivells de viscositat, que poden provocar la formació de gelatina en el procés de concentrat i emmagatzematge. Aquest problema, així com el de la neteja de la polpa, es soluciona amb la utilització de petites quantitats d’enzims pectolítics.
En alguns països con EEUU, però, aquesta aplicació enzimàtica és il•legal.
2.3) Preparacions d’agents de terbolesa naturals
En els sucs de cítrics és important mantenir l’aspecte de terbolesa típic estable.
En alguns països, és il•legal la utilització d’olis de bromidi i d’agents de terbolesa artificials en sucs de cítrics. Per aquest motiu, la utilització d’agents de terbolesa naturals procedents de la fruita ha augmentat. Existeixen diferents mètodes, però el més efectiu resulta ser amb la utilització de pectinases (Figura 9).
Aquest mètode consisteix, en resum, en moldre les peles, barrejar-ho amb aigua i escalfar-ho dins 95ºC per destruir les pectina-esterases. A continuació es refreda el preparat a 50ºC i llavors s’afegeixen els enzims pectolítics. Aquests enzims produeixen una maceració i s’obté com a producte agents de terbolesa com cel•lulosa, pectines, hemicel•lulosa i altres orgànuls en líquid, el qual es separa dels sòlids, es pasteuritza i es concentra.
2.4) Clarificació del suc de llimona
La clarificació del suc de llimona utilitzant enzims pectolítics ha permès obtenir un millor rendiment del procés respecte als mètodes clàssics, que consistien en la protecció del suc per a no ser malmès per microbis, i així es produïa una clarificació autònoma. En aquest cas, els sucs de llimona es solen vendre com a solucions clares.
Els enzims pectolítics en aquest procés permet actuar sobre les pectines en 3 hores a temperatura ambient, temps durant el qual es forma una coagulació que es pot precipitar amb la participació d’un agent clarificador. Tot el procés, des de la fruita fresca fins al concentrat final, comporta 6 hores, una reducció considerable en contrast amb els processos clàssics (4-16 setmanes).
MILLORES DEL PROCÈS
La producció de sucs de fruita té molta importància econòmica, donat que aporta al consumidor importants components de la fruita fresca. El suc de fruita és agradable, nutritiu, saludable i relativament barat. Actualment es treballa en solucions enzimàtiques que permetin augmentar els rendiments del procés. Això significa augmentar l’eficiència del premsat, així com reduir els temps del procés. Es desenvolupen noves barreges de diferents tipus d’enzims per tal de solucionar alguns problemes durant el procés com l’acció front les pectines insolubles.
Respecte a la indústria dels cítrics es treballa amb enzims que suavitzen el gust amarg, donat que els principis amargants com la naringina i la llimonina apareixen en certs cítrics i interrompen el gust agradable dels sucs.
BIBLIOGRAFIA
[1] AEHLE, W. “Enzymes in Industry”. 3rd Edition. WILEY-VCH. 2007, p. 111-123.
[2] Escuela técnica superior de ingenieros agrónomos. Data de consulta: 05/12/09
http://www.etsia.upm.es/fedna/capitulos/98CAPXIV.pdf
[3] GODFREY, T., REICHELT, J. “Industrial enzymology : the application of enzymes in industry” Ed. Basingstoke : Macmillan. 1983, p.315-321.
[4] GODFREY, T., WEST, S.I. “Industrial Enzimology”. Macmillan Press Ltd, London, 1996. p 227-260.
[5] La paret cel•lular vegetal. Data de consulta: 04/12/09
http://www.euita.upv.es/varios/biologia/Temas/Pared%20celular%20ampliada.htm
[6] National center for biotechnology education. Data de consulta: 27/11/09
http://www.ncbe.reading.ac.uk/NCBE/PROTOCOLS/INAJAM/PDF/JAM01.pdf
[7] NAZ, S. "Enzymes and food”. Ed. Oxford University Press. 2002, p.118-123.
[8] Novozymes. Data de consulta: 28/11/09
http://www.novozymes.com/NR/rdonlyres/3AC31CEF-B319-41AD-B7E0-39B42DDB6D89/0/ES_advantages.pdf
[9] Plant Biochemistry. Data consulta: 20/12/09
http://www.uky.edu/~dhild/biochem/11B/lect11B.html
[10] UHLIG, H. “Industrial enzymes and their aplications”. Ed. Wiley. 1998, p. 303-318.
INTRODUCCIÓ
El principal objectiu de la indústria de sucs de fruites és processar fruites en el menor cost, millorant les qualitats organolèptiques i l’estabilitat del producte final. Amb la utilització dels enzims en diferents estadis del procés, s’han pogut obtenir sucs concentrats per disminuir els volums durant l’emmagatzematge i s’ha millorat la seva estabilitat, prevenint aquests sucs d’un possible deteriorament. A més, amb la utilització d’enzims, el temps de duració del procés s’ha vist molt reduït i la capacitat de la planta industrial està molt millorada.
La indústria dels sucs de fruites va començar prop del 1930, amb baixos rendiments i problemes en la filtració del suc durant la clarificació. Des del 1953, els enzims comercials són eines utilitzades a totes les indústries d’arreu per transformar la fruita. Actualment, les tecnologies d’obtenció de sucs de fruita requereixen unes transformacions molt més acurades que les simples extraccions mecàniques utilitzades en anterioritat.
La millora de coneixements bioquímics de la composició de la fruita i de l’enzimologia, el control complert del creixement de microorganismes, la producció d’enzims, la millora de soques a través de la genètica clàssica o de biologia molecular i la purificació de l’enzim mitjançant tècniques de cromatografia o ultrafiltració, ha fet desenvolupar i augmentar el nombre d’enzims involucrats en aquest procés.
COMPONENTS A DESTACAR DE LES FRUITES
- Paret cel•lular de les fruites:
Per entendre com els enzims modifiquen la paret cel•lular de les plantes i com influeixen en el procés d’obtenció de sucs de fruita, es revisarà l’estructura i composició d’aquestes parets cel•lulars. La polpa de fruits i vegetals (Figura 1) està formada bàsicament de cèl•lules, que estan envoltades d’una paret cel•lular que separa i manté la integritat de les cèl•lules en la polpa, donant-los-hi rigidesa. Aquesta paret cel•lular suporta una pressió interna i xocs externs.
La composició d’aquestes parets cel•lulars depèn de la varietat de la fruita, de les condicions agronòmiques i climatològiques i del mètode i duració de l’emmagatzematge del fruit. La paret cel•lular es pot dividir en tres capes diferents, que es van formant al llarg del desenvolupament cel•lular (Figura 2):- Làmina mitja: és la capa més externa i sovint està compartida per més d’una cèl•lula. Conté una substància intercel•lular que uneix les cèl•lules, que és la pectina.
- Paret primària: és més gruixuda que la làmina mitja i es troba en cèl•lules joves i àrees de creixement actiu. Està composada bàsicament de protopectina.
- Paret secundària: encara més gruixuda que la paret primària. Apareix sobre la paret primària i es forma quan la cèl•lula ha detingut el seu creixement i elongació. Es troba en cèl•lules relacionades amb el sosteniment de la planta.
Figura 2: Porció de paret entre dues cèl•lules.
- Làmina mitja: és la capa més externa i sovint està compartida per més d’una cèl•lula. Conté una substància intercel•lular que uneix les cèl•lules, que és la pectina.
- Components de la paret cel•lular
2.1) Pectina: és el principal component enllaçant de la paret cel•lular de les fruites i vegetals (Taula 1). És un hidrocol•loide, té una gran afinitat per l’aigua i pot formar gel o gels sota unes condicions determinades de pH i concentracions de sucre. Les substàncies pèctiques són importants per la determinació de la textura, fermesa i, per tant, de la qualitat del producte. De fet, l’ablaniment característic dels fruits a l’arribar a la maduresa, es deu a l’augment dels enzims pectinolítics.
El terme pectines inclou un grup relativament heterogeni de molècules, incloent polisacàrids àcids i neutres:- Ramnogalacturans I (RGI): són les molècules més representatives i abundants del grup. Estan formades per una cadena lineal de residus d’àcid galacturònic units per enllaços glicosídics α-1,4, en la qual s’intercalen molècules de ramnosa mitjançant enllaços α-1,2 (Figura 4).
- Arabinans: molècules molt ramificades que contenen una cadena principal d’arabinoses unides per enllaços α-1,5 amb cadenes laterals d’una sola arabinosa, unides a la cadena principal (Figura 4).
- Galactans: components minoritaris. Formats per una cadena lineal de galactoses unides per enllaços β-1,4 (Figura 4).
- Arabinogalactans: consten d’una cadena principal de galactosa β-1,4 amb curtes cadenes laterals d’arabinosa α-1,5 unides al carboni 3 de la galactosa. Són components minoritaris (Figura 4).
Taula 1: Percentatge en pes de pectina present en les fruites.Figura 3: Monòmers presents a la paret cel•lular de les plantes.
Figura 4: Polisacàrids anteriorment mencionats.
2.2) Hemicel•lulosa: polisacàrid generalment ramificat que es troba en qualsevol teixit vegetal i està format per un conjunt heterogeni de monòmers. La seva funció és la d’aglutinar les fibres cristal•lines de cel•lulosa, donant consistència a la paret. Les hemicel•luloses són components que no s’extrauen de les parets ni amb aigua calenta, ni amb agents quelants, ni solucions àcides, sinó que únicament es poden extraure a través de solucions alcalines concentrades (1-4 M).
Fonamentalment, està formada per monòmers de manosa, xilosa, galactosa, i glucosa. La seva composició depèn de l’espècie en qüestió.- Mannans: molècules presents en les parets cel•lulars de l’endosperma, on juguen un paper important de reserva energètica i absorció d’aigua. A més, poden formar estructures cristal•lines de gran duresa. Contenen una cadena de manoses unides per enllaços β-1,4 i, en presència d’un residu de galactosa, aquest s’uneix a la manosa a través d’enllaços β-1,6.
- Xilans: és el polisacàrid estructural no cel•lulòsic més abundant en les angiospermes, representant un 20-30 % del pes sec de la pela. Estan formats per una cadena de residus de xilosa units per enllaços β-1,4. A aquesta cadena principal s’uneixen cadenes laterals que contenen arabinosa i altres sucres (Figura 5).
- Xiloglucans: són les principals hemicel•luloses presents en la paret cel•lular primària. La cadena principal està formada per glucoses unides per enllaços β-1,4, a la majoria de les quals s’uneixen residus de xilosa per enllaços α-1,6 (Figura 5).
Figura 5: Presència de xilans (cadena colorejada de color salmó clar i més intens) i de xiloglucans (xilans més les estructures amb un color blau i verdós).
2.3) Cel•lulosa: és particularment abundant en la paret cel•lular secundària. És insoluble en aigua i solament alguns bacteris, fongs i protozous són capaços de degradar-la perquè disposen del sistema d’enzims necessari.
És un homopolímer format per β-D-glucoses unides per enllaços β-1,4. La unitat repetitiva és la cel•lobiosa, que representa dues molècules de glucosa amb un enllaç β-1,4. En la conformació de "cadira" (Figura 6) tots els grups hidroxils de la glucosa estan en posicions equatorials i això permet una estructura en capes, on cadenes senzilles s'enllacen mitjançant ponts d'hidrogen formant estructures molt complexes amb diferents nivells organitzatius -protofibrilles, microfibrilles, macrofibrilles i fibres- (Figura 7). Les cadenes polimèriques de cel•lulosa tenen diferents graus d'ordenament. Les fraccions menys ordenades constitueixen la regió amorfa i les més ordenades la regió cristal•lina. Les regions amorfes són més fàcilment accessibles pels solvents i enzims.Figura 6: Cel•lulosa, polímer lineal de monòmers de D-glucosa units per l’enllaç glicosídic β-1,4.
Figura 7: Estructura de la cel•lulosa.
ENZIMS UTILITZATS EN LA PRODUCCIÓ DE SUCS DE FRUITA - Ramnogalacturans I (RGI): són les molècules més representatives i abundants del grup. Estan formades per una cadena lineal de residus d’àcid galacturònic units per enllaços glicosídics α-1,4, en la qual s’intercalen molècules de ramnosa mitjançant enllaços α-1,2 (Figura 4).
- Enzims que degraden la paret cel•lular
Els enzims que degraden les pectines, sobretot, són molt importants en la producció de sucs de fruita, ja que la concentració de pectines pot formar gels molt viscosos que obstaculitzen la filtració i la concentració dels sòlids dissolts.
3.1) Pectinases:
La degradació enzimàtica de les pectines es pot realitzar essencialment a partir dels següents enzims:- Pectina- liases (E.C. 4.2.2.10) – PL- : enzim que té una gran afinitat per cadenes llargues metilades. Talla la pectina de forma aleatòria. Solament tallant un 1-5 % és suficient per reduir la viscositat al 50 %. Quan el grau de metilació és elevat, l’afinitat de l’enzim per la pectina i l’activitat de l’enzim augmenta. Les PL provinents d’Aspergillus tenen un pH òptim de 4-5.
- Pectina-metilesterases (E.C. 3.1.1.11) –PME-: catalitza l’eliminació dels grup metil èster de la pectina, produint àcids pèctics i pectínics que es poden associar entre ells a través de ponts catiònics per formar una estructura de tipus gel. Les PME provinents d’Aspergillus tenen un pH òptim de 4-4,5.
- Poligalacturonases (PG): existeixen en dues formes:
- endo - PG (E.C. 3.2.1.15): indueix ràpidament la despolimerització de la pectina i, per tant, fa disminuir la viscositat.
- exo - PG (E.C. 3.2.1.67): talla petits fragments de la cadena i no redueix la viscositat de forma significativa.
S’han descrit set endo-PG i dos exo-PG en Aspergillus niger. - endo - PG (E.C. 3.2.1.15): indueix ràpidament la despolimerització de la pectina i, per tant, fa disminuir la viscositat.
- Arabinases (ARA):hidrolitzen arabines i arabinogalactans. Aquests enzims existeixen bàsicament en dues formes:
- endo-ARA (E.C. 3.2.1.99).
- exo-ARA (E.C. 3.2.1.55).
Les arabinases provinents d’Aspergillus tenen un pH òptim de 4.
Taula 2: Propietats de les pectinases. - endo-ARA (E.C. 3.2.1.99).
3.2) Hemicel•lulases: són enzims que hidrolitzen els arabinogalactans, galactans, xiloglucans i xilans. Les xiloglucanases, per exemple, poden treballar amb sinergisme amb els enzims pectolítics (PL). Poden provenir de Trichoderma viride.
3.3) Cel•lulasa: les cel•lulases comercials poden provenir de Trichoderma spp. i més rarament d’Aspergillus niger. Les cel•lulases són com un sistema multi-enzimàtic, format per diversos enzims amb nombrosos isoenzims, els quals actuen en sinergisme. Per tant, per degradar la cel•lulosa es necessiten endoglucanases (E.C. 3.2.1.4) que trenquen els enllaços β-1,4 interns; cel•lobiohidrolases o exoglucanases (E.C. 3.2.1.91) que alliberen cel•lobiosa i beta-glucosidases (E.C. 3.2.1.21) que trenquen la cel•lobiosa en glucosa. Tot i així, els productes de reacció alguns cops poden retroinhibir els enzims (ex: glucosa i cel•lobiosa en les exoglucanases o cel•lobiohidrolases).
3.4) Amilases: s’utilitzen en la indústria de fer sucs per processar fruites que contenen midó. Aquest és el cas de les pomes collides i que encara són verdes. Aspergillus niger produeix alfa amilases àcides (E.C. 3.2.11) i amiloglucosidasa (E.C. 3.2.1.3). Aquests enzims exògens s’afegeixen després de la gelatinització del midó (succeeix al voltant d’uns 75 ºC) per prevenir que es produeixi certa terbolesa després de l’embotellament degut a la retrogradació del midó.
3.5) Pectinases comercials: els enzims comercials són produïts i venuts per diverses empreses, tals com Gist-Brocades, Novozyme, Biocatalysts, Solvay-Miles, entre altres.
Les pectinases que provenen d'espècies d’Aspergillus, sobretot d’Aspergillus niger, són els enzims que normalment s’ofereix als productors de sucs de fruites. Aquests productes es concentren i són venuts majoritàriament com a líquids, però també en pols i, actualment en grànuls, per evitar al•lèrgies.
L’espectre dels enzims difereix depenent de la soca d’Aspergillus i a més, és molt important que els enzims actuïn de forma sinèrgica. Recentment, alguns productors de sucs han adoptat noves tecnologies, com una liqüefacció total i l’addició d’hemicel•lulases i cel•lulases que són produïdes per altres soques d’Aspergillus o bé de Trichoderma. L’eficiència de les preparacions amb nombroses activitats depèn de les propietats bioquímiques dels diferents enzims i de l’especificitat dels enzims de forma individual sobre substrats, que són lleugerament diferent depenent de la fruita. - Pectina- liases (E.C. 4.2.2.10) – PL- : enzim que té una gran afinitat per cadenes llargues metilades. Talla la pectina de forma aleatòria. Solament tallant un 1-5 % és suficient per reduir la viscositat al 50 %. Quan el grau de metilació és elevat, l’afinitat de l’enzim per la pectina i l’activitat de l’enzim augmenta. Les PL provinents d’Aspergillus tenen un pH òptim de 4-5.
APLICACIÓ ENZIMÀTICA EN LA INDÚSTRIA DELS DE SUCS DE FRUITA
Cal tenir en compte que durant el procés de maduració, la fruita pateix canvis:
la fruita immadura conté pectina unida a microfibres de cel•lulosa a les parets cel•lulars i resulta insoluble. Durant la maduració, en canvi, i degut a l’acció d’enzims naturals de la fruita, aquesta pectina resulta alterada i es produeix el trencament de les seves cadenes. Això comporta que es torni soluble.
Per tant, el resultat de la maduració és que en el processament s’obté un suc més viscós, degut a les molècules de pectina alliberades i, conseqüentment, hi ha més dificultat en el procés d’exprimir. A més, importants components que aporten gust i color es queden retinguts en la fruita, obtenint un suc de menys qualitat. Per últim, hi ha dificultat en la clarificació i filtratge degut a les partícules de pectines en suspensió.
L’augment de coneixements respecte als components de la fruita, així com avenços en la indústria enzimàtica (sobretot de pectinases) han ajudat a resoldre les dificultats. Així doncs, els enzims s’utilitzen en general per facilitar el premsat, l’extracció del suc i la clarificació. Donat que les pectines tenen molta influència en aquest procés, les pectinases són el grup més important d’enzims utilitzats en aquesta indústria. També, però, es combinen cel•lulases i hemicel•lulases si es desitja la màxima degradació del polímer. S’utilitzen per hidrolitzar les parets cel•lulars i obtenir una liqüefacció total, millorant així el rendiment del suc, la disminució de la terbolesa i l’extracció del color. Altres enzims com amilases i arabinases hidrolitzen midó i l’arabina per prevenir la terbolesa.
Els sucs de fruita s’elaboren a partir d’una àmplia varietat de fruites, com cítrics, pomes, raïm, pinya, etc. I en molts casos es barregen diferents tipus de sucs. Els mètodes per produir suc de poma s’assemblen als mètodes per a la producció dels altres tipus de suc (figura 8). En cítrics, en canvi, es produeixen etapes especials.
Figura 8. Línia de producció de sucs de fruita. 1) PRODUCCIÓ DEL SUC DE POMA
1.1) Tractament de la polpa per a l’extracció del suc
El primer pas és seleccionar les pomes i netejar-les. S’ha comprovat que s’obtenen millors resultats en la capacitat de premsat si es realitza un tractament de la polpa previ al procés de premsat. La polpa de fruites toves, amb pectina soluble, comporta una massa semigèl•lida que és difícil de premsar. Així doncs, la polpa es remou en un tanc durant 15 o 20 minuts, temps durant el qual els inhibidors de les pectinases, els polifenols, s’oxiden, per acció de les polifenols oxidases de la fruita. A continuació la barreja s’escalfa fins a 30 ºC, temperatura adequada per a afegir els enzims i es procedeix a la degradació enzimàtica de les pectines, donant com a resultat un suc més líquid i una polpa amb característiques més adequades per al premsat. Un augment de la temperatura comportaria la pèrdua de l’estructura física, que és essencial per a l’operació de premsat.
Respecte a fruites d’os i de gra, la temperatura òptima del tractament és 50 ºC, amb la utilització de cel•lulases per a una millor extracció del color, i 60-65 ºC per realitzar l’extracció del suc per plasmòlisis.
Aquest tractament abans del premsat també trenca les pectines insolubles. Això comporta l’aparició de petites partícules que saturen el suc i, a més, les partícules bloquegen els canals a través dels quals el líquid drenaria, el que dificulta el procés d’extracció. Cal tenir en compte que l’objectiu és augmentar l’habilitat del suc de separar-se de la polpa del fruit. Cal mantenir intactes suficients canals per al correcte drenatge i que el suc contingui només petits sòlids per poder ser clarificat fàcilment.
Aquesta etapa finalitza quan s’aconsegueix el color desitjat i quan la viscositat és l’adequada (al principi del tractament enzimàtic la viscositat augmenta per la solubilització de les pectines insolubles, i al final del procés ha de ser igual o inferior que la viscositat inicial).
1.2) Premsat
La barreja tractada es transfereix a una premsa contínua per a un premsat inicial amb un rendiment d’obtenció del 50-60% del suc. A continuació, la polpa residual s’exprimeix completament amb un premsat horitzontal, en general, i afegint aigua, amb el que s’aconsegueix un augment del contingut en sucres. Si no s’ha realitzat el pretractament enzimàtic, es poden afegir pectinases a l’aigua per augmentar l’eficiència de l’extracció.
1.3) Clarificació
Com a resultat del premsat obtenim un suc amb aparença viscosa i amb terbolesa, a causa dels fragments de la paret cel•lular presents i de complexes d’aquests fragments amb proteïnes citoplasmàtiques. Després d’una centrifugació inicial i un escalfament del suc, només romanen petites partícules en suspensió, però per a produir sucs nítids cal separar-les del tot. Per aquest motiu, es realitza la clarificació mitjançant enzims.
1.3.1) Degradació de pectines
L’addició de pectinases disminueix la viscositat (degrada les pectines solubles) i, a més, provoca l’agregació de les partícules en unitats llargues per la conseqüent sedimentació, i així poder-ho separar fàcilment.
En un ambient àcid, com en el del suc de poma, les molècules de pectina es troben carregades negativament. Les pectinases, al degradar les pectines, exposen part de les càrregues positives interiors, provocant l’agrupació de les partícules i la reducció de les repulsions electrostàtiques entre les partícules.
1.3.2) Degradació del midó
Depenent de la maduresa de les pomes utilitzades, el suc obtingut després del premsat també conté grànuls de midó. La hidròlisi del midó en sucres és un canvi que es produeix en la maduració dels fruits. Per aquest motiu, la utilització d’amilases millora el gust del suc i evita la terbolesa.
El suc, abans del procés de clarificació, s’ha d’escalfar fins a 95-100ºC per evaporar les essències volàtils, i aquest procés solubilitza el midó. Els processos de clarificació i filtració no afecten al midó i, per evitar aquesta terbolesa, es sacarifica amb l’addició d’amiloglucosidasa termostable. Aquest enzim és compatible amb les barreges enzimàtiques utilitzades (enzims pectolítics), per tant, la hidròlisi de la pectina i del midó es produeix a la vegada.
1.3.3) Degradació d’arabina
L’Arabina es constitueix d’arabinosa i és un component de la paret cel•lular de les fruites de llavor. L’arabina també causa terbolesa i no es pot eliminar pels agents clarificadors. Aquesta terbolesa apareix amb el temps i és difícil preveure-ho. Per aquest motiu, actualment les preparacions comercials d’enzim porten quantitat suficient d’arabinasa.
1.3.4) Agents clarificadors i estabilitzadors
Aquests agents són substàncies no enzimàtiques que s’uneixen a les partícules indesitjables dels sucs per reaccions fisicoquímiques o adsorció. Provoquen una coagulació que pot ser separada fàcilment en la filtració. L’agent floculant més important és la gelatina, degut a la seva càrrega positiva que atrau fortament a les partícules negatives indesitjables que es troben al suc. Es destaca que aquests agents s’afegeixen després de la degradació completa de les partícules, donat que alguns agents adsorbeixen als enzims.
L’últim pas de la clarificació és, doncs, una separació de les partícules i agregacions indesitjables per centrifugació o ultrafiltració.
1.4) Emmagatzematge
Després de la clarificació del suc i la separació final, el suc es concentra, amb una evaporació del 80% de l’aigua, o es pasteuritza i s’emmagatzema.
2) PRODUCCIÓ DE SUCS DE CÍTRIC
Les principals aplicacions enzimàtiques en la indústria dels cítrics són les següents:
2.1) Neteja de la polpa
En el processament dels cítrics s’obté suc, pela i polpa. Aquesta polpa forma una quarta part del fruit total i conté gran quantitat de suc que no s’ha pogut extreure durant el premsat. La neteja de la polpa permet obtenir el suc retingut:
S’utilitzen pectinases per tractar la polpa abans de l’extracció i així remoure les pectines i alliberar el suc de la polpa, amb una disminució de la viscositat del suc extret de la polpa netejada.
El tractament enzimàtic es pot dur a terme de forma contínua o per un procés batch. Els enzims es barregen amb la polpa i es deixen actuar durant uns 30 minuts. La quantitat d’enzim és mínima per a poder trencar les pectines solubles i que les insolubles romanguin intactes, donat que d’aquesta manera es manté l’estabilitat de la terbolesa.
2.2) Disminució de la viscositat en el concentrat de suc de taronja
Els sucs de taronja poden presentar alts nivells de viscositat, que poden provocar la formació de gelatina en el procés de concentrat i emmagatzematge. Aquest problema, així com el de la neteja de la polpa, es soluciona amb la utilització de petites quantitats d’enzims pectolítics.
En alguns països con EEUU, però, aquesta aplicació enzimàtica és il•legal.
2.3) Preparacions d’agents de terbolesa naturals
En els sucs de cítrics és important mantenir l’aspecte de terbolesa típic estable.
En alguns països, és il•legal la utilització d’olis de bromidi i d’agents de terbolesa artificials en sucs de cítrics. Per aquest motiu, la utilització d’agents de terbolesa naturals procedents de la fruita ha augmentat. Existeixen diferents mètodes, però el més efectiu resulta ser amb la utilització de pectinases (Figura 9).
Aquest mètode consisteix, en resum, en moldre les peles, barrejar-ho amb aigua i escalfar-ho dins 95ºC per destruir les pectina-esterases. A continuació es refreda el preparat a 50ºC i llavors s’afegeixen els enzims pectolítics. Aquests enzims produeixen una maceració i s’obté com a producte agents de terbolesa com cel•lulosa, pectines, hemicel•lulosa i altres orgànuls en líquid, el qual es separa dels sòlids, es pasteuritza i es concentra.
2.4) Clarificació del suc de llimona
La clarificació del suc de llimona utilitzant enzims pectolítics ha permès obtenir un millor rendiment del procés respecte als mètodes clàssics, que consistien en la protecció del suc per a no ser malmès per microbis, i així es produïa una clarificació autònoma. En aquest cas, els sucs de llimona es solen vendre com a solucions clares.
Els enzims pectolítics en aquest procés permet actuar sobre les pectines en 3 hores a temperatura ambient, temps durant el qual es forma una coagulació que es pot precipitar amb la participació d’un agent clarificador. Tot el procés, des de la fruita fresca fins al concentrat final, comporta 6 hores, una reducció considerable en contrast amb els processos clàssics (4-16 setmanes).
MILLORES DEL PROCÈS
La producció de sucs de fruita té molta importància econòmica, donat que aporta al consumidor importants components de la fruita fresca. El suc de fruita és agradable, nutritiu, saludable i relativament barat. Actualment es treballa en solucions enzimàtiques que permetin augmentar els rendiments del procés. Això significa augmentar l’eficiència del premsat, així com reduir els temps del procés. Es desenvolupen noves barreges de diferents tipus d’enzims per tal de solucionar alguns problemes durant el procés com l’acció front les pectines insolubles.
Respecte a la indústria dels cítrics es treballa amb enzims que suavitzen el gust amarg, donat que els principis amargants com la naringina i la llimonina apareixen en certs cítrics i interrompen el gust agradable dels sucs.
BIBLIOGRAFIA
[1] AEHLE, W. “Enzymes in Industry”. 3rd Edition. WILEY-VCH. 2007, p. 111-123.
[2] Escuela técnica superior de ingenieros agrónomos. Data de consulta: 05/12/09
http://www.etsia.upm.es/fedna/capitulos/98CAPXIV.pdf
[3] GODFREY, T., REICHELT, J. “Industrial enzymology : the application of enzymes in industry” Ed. Basingstoke : Macmillan. 1983, p.315-321.
[4] GODFREY, T., WEST, S.I. “Industrial Enzimology”. Macmillan Press Ltd, London, 1996. p 227-260.
[5] La paret cel•lular vegetal. Data de consulta: 04/12/09
http://www.euita.upv.es/varios/biologia/Temas/Pared%20celular%20ampliada.htm
[6] National center for biotechnology education. Data de consulta: 27/11/09
http://www.ncbe.reading.ac.uk/NCBE/PROTOCOLS/INAJAM/PDF/JAM01.pdf
[7] NAZ, S. "Enzymes and food”. Ed. Oxford University Press. 2002, p.118-123.
[8] Novozymes. Data de consulta: 28/11/09
http://www.novozymes.com/NR/rdonlyres/3AC31CEF-B319-41AD-B7E0-39B42DDB6D89/0/ES_advantages.pdf
[9] Plant Biochemistry. Data consulta: 20/12/09
http://www.uky.edu/~dhild/biochem/11B/lect11B.html
[10] UHLIG, H. “Industrial enzymes and their aplications”. Ed. Wiley. 1998, p. 303-318.
Entrades
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada