CAPiTULO

Biopolmeros

A gus tn Lpez - Mun gua C anal e sEdmundo Brito de Ia Fuente

Enrique Galindo Fentanes

La industria alimentaria se enfrenta con frecuencia ante la necesidad de desarrollarproductos de caractersticas organolpticas adecuadas para el consumidor' Estoincluye los aspectos relacionados con la textura, donde los materiales estructwalespueden estar onstiruidos por macromolculas producidas por microorganismos yenzimas. Tal es el caso de los hidrocoloides, aqu denominados biopolmeros,aditivos de gran empleo en la industria alimentaria. En este captulo se analizan losprocesos de produicin de los biopolmeros ms importantes y se efectua unaievisin de productos en desarrollo con gran potencial'

INTRODUCCIN

l.: :orma general un biopolmero es una macromolcula que es sintetizada mediante algun:-:{eso biolgico. En ste sentido las protenas, el ADN y los polisacridos son los:

-,polmerot tn"t importantes. Sin embargo, en este captulo nos referimos a una clase: =i.ula. de biopolmeros, los polisaciridos microbianos,

a los que en trminos de su uso

:r la indusffia alimentaria se les incluye denffo de la categora de los hidrocoloides o gomas'

Las aplicaciones de las gomas o hidrocoloides se fundamentan en dos de sus caractersticas*..s importantes: la ."p".id"d de alterar las propiedades de flujo del agua y la posibilidad:: iormas geles. Las gomas se pueden obtener en varias fuentes. Entre las naturales destacan:

.. erudados de plantas (arbiga, tragacanto, karaya, ghatti), los exffactos de algas marinas,rar, alginatos, carrageninas, furcelaranas), las semillas (guar, tragacanto, Psyllium,

--:::rarindo), los cereales (almidones), los extractos de plantas (pectina, arabinogalactana)'-. de origen animal (gelatinas, albminas, caseinatos) y las de origen microbiano (dextran4

r::rtana, etC.).Enffe las semisintticas podemos citar las celulosas modicadas (CMC, MC, HEC,

]PC, HPMC), los almidones modificados, la pectina de bajo metoxilo y el alginato de;r..-.,pilenglicol. Entre las completamente sintticas destaca ta polivinilpirrolidona (PVP):

-,mo la nica que ha sido aprobada para su empleo en alimentos en Estados unidos.Las gomas obtenidas mediante procesos microbianos tienen cierlas ventajas respecto de

ls que se extraen de fuentes naturales como las algas o plantas. En primer lugar su produc-

423

424 Biopolmeros

cin no depende de condiciones climticas, contaminacin marina o fallas en las cosec:. i :por otra parte, los productos son menos susceptibles a variabilidad en su calidad y su F: :"duccin puede ser controlada cuidadosamente. Finalmente, a nivel microbiano, se po>-:-tcnicas genticas muy poderosas que eventualmente permitirn sintetizar goma5 :.-1presenten caractersticas reolgicas "sobre pedido", lo cual es todava lejano con :especies vegetales.

Las gomas microbianas tienen como pnncipal desventaja su elevado costo. Esto se i::ea que los procesos para producirlas son intensivos en capital y en energa y en general, d

Dextranas 425

,.:::\'ados. La energa para la sntesis de la dextrana, proviene de la hidlisis del enlace:

-;osdico de la sacarosa.

leractesticas qumicas

-,, dextranas son homopolisacridos formados de unidades de glucosa en su forma- :a'rosa. En general, los enlaces de la cadena principal son en o1

-+6 existiendo porcentajesr-::bles de ramificaciones en crl-+2, al-+3 y a1-+4, dependiendo del microorganismo

''..:uctor de la enzima. En la tbla 1, se muestra la composicin de diversas dexffanas en"*-:in de la fuente. Una primera excepcin la constituyen las enzimas de las cepas

-zsenteroides NRRL B-1355, que producen un polmero donde se alteman en la cadena:'-::ipal enlaces ul-+6 con crl-+3, por lo que ha sido denominado como "altemano" y la*- - jna como "alternansacarasa" (3). La segunda excepcin incluye a los polmeros cuya:: T-cfrprincipalesencr1+3ylasramificacionesencrl-16,conocidoscomo"mutanos",

'-.lo as el caso de las cepas L. mesenteroides NRRL 8-523 y B-1149, as como de una:': is fracciones de S. mutants 6715.

TablalComposicin de dextranas producidas por enzimas procedentes de diversos

microorganismos ( 1,2).

lrccin soluble.raccin rco soluble.

, ftaccin insoluble para casos de cepas que producen ms de un tipo de dextrana

\{icroorganismos 76 de residuos glucopiranosa

- uconoslocesenteroides

NRRLNRRLNRRLNRRLNRRLNRRL

B-512 F8-742 SB-142LB-1299 LB-1355 LB-1355 S

\ i reptococcus.tutans

oMZ 116Ingbrtt A6715 S6715 I

Sre ;lt167'n,sangus

804Complcjo Tibi

cr (1-6)isomaltosa

o (l-4)maltosa

cr (1-3)nigerosa

cr (1 -2)kojbiosa

956081499554

I -')

550

l9

46

)L

i637.5

64At

8462.5

JO96

5290 1.5

488.5

426 Biopolmeros

La cepa de mayor inters industrial, L. mesenteroides NRRL B-5 l2F, tiene la carac:: - 1", ,de producir dextranas de muy elevado peso molecular y aunque existe cierta conrr - , : " ,en relacin con el tamao de las cadenas, stas alcanzan un peso molecular supe r - -millones. Las soluciones de dextranas tienen comportamiento reolgico no Newlon: ,- ,,,utipo pseudoplstico.

El mecanismo de reaccin de la dextransacarasa, ha sido descrito por Roby't er a,'mecanismo posfula lapresencia de intermediarios enzima-glucosa y enzima-dextran" . *,,,,ri,,nueva glucosa incorporada a Ia dextrana, se agrega como complejo enzima-de-:-" rimediante un ataque nucleofilico del oxgeno del carbono I del dextrano, para for:: . *r;enlace al+6. Esta ttueva unidad de glucosa, proveniente del complejo enzima-gluc: ,,.. *agrega al complejo enzima-dextrana, justamente en el punto de unin, al mismo tiem:,. :

",,r

una nueva molcula de sacarosa es hidolizada para dar lugar al complejo enzima-s. -.

La cadena de dextrana crece as, en principio indefinidamente. Slo la presen: " -rr

aceptores detiene el crecimiento y en el medio de sntesis por lo general slo existe la tr- : 'como aceptor dbil. Cuando la fructosa actua sobre el complejo enzima-dextrana se . :tel polmero, mientras que cuando actua sobre el complejo enzima-glucosa, se prod

- - .

-

disacrido conocido como leucrosa. Es importante mencionar que la maltosa es el a:.:conocido de mayorpotencia, por lo que si se adiciona al principio de la reaccin, se c,:' , "como producto una mezcla de oligodextranas.

Froduccin de dextranas (L- mesenterodes NRRL B-sf 2RProceso convencional

Durante la Segunda Guerra Mundial, la produccin de dextrana se increment co:., .rablemente, dado que fracciones de peso molecular de alrededor de 75 000 en solucir-r:.60Ahan sido empleadas como sustitutos de plasma en transfusiones sanguneas (dex::, ..clnica). El diagrama del proceso se presenta en la Figura I (5). Dado que la enziir.. ,inducible en el gnero Leuconosloc (es constitutiva en el gnero Streptococcus), se re c

- :-

de sacarosa en el medio de cultivo. En este caso, ocurren tres Drocesos dur:rr-,fermentacin:

' Crecimiento del microorganismo.' Sntesis y excrecin de la enzima dextransacarasa.' Sntesis de la dextrana por accin de la enzima.

La sacarosa es entonces fuente de carbono y energa para el microorganismo, inducr -sustrato para la enzima. Con una concentracin de 100 Cl es posible obtener 25 g-. ,,dextrana. Se enrplea igualmente en el medio extracto de levadura (2.5%), sulfato de n,_nesio (0.2%) y fosfato dipotsico (.5%) V oligoelementos (6).

El pH inicialmente de 7.0

Dextranas 42'l

()(.)

q)

()()

o

.-

o.=

.c)a(YL{.)X3iJ;vp, c)C)

()

Foo

6l

o

oooU

tr[qtr

of.qEofgc,o

.:E{o

c.o

*o

oo t:o@.LOO

q

E

Ofc

o'(Jo.oo

o^YTLL(]

v-Oo'

E

I]

LL

F

c

o!5_o

c

n9"oo=

:oLO

co\o='^-b esx:Iri X-op -(/.)c]I'

NoEoo=

c

F

;c

:3

o;..:

428 Bopolmeros

molecular deseado. Empleando una precipitacin fraccionada, es posible obtener dexr:aclnica con rendimientos del 38-40% con respecto a la dextrana nativa. Se ha propui$:r'.,iigualmente la ultrafrltracin para la recuperacin de fracciones de un peso especficc

Nuevos procesos

Con el fin de optimizar la produccin de dextrana, Tsuchiya et al. (7), propusiero:. uproceso consistente en la siguientes etapas:

. Fermentacin con un bajo contenido de sacarosa (2%), con el fin de minimiz'- *produccin de dexffana y maximizar la produccin de la enzima. El medr: r:fermentacin con 2o/, de extracto de levadura,2oAK.HPO, (efecto amortigr-:trn'importante en la zona de pH de mxima produccin de enzima), y trazas de lvlg! -MnSOo, FeSOo y NaCl. En estas condiciones se produce de 1 a 2 unidades de ur'vidad/ml (l unidad es la cantidad de enzima que transforrna una micromc " msacarosa por minuto).

. Aplicacin de la enzima cruda o parcialmente purificada para la sntesis de de:erurcruda. La cintica en reactores intermitentes puede hacerse a concentraciones ci: il de sacarosa. A concentraciones superiores, la enzima se ve inhibida por e\.: i',rde sustrato (8).

La evolucin de la fermentacin se muesffa en la Flgura 2 al ftnal de la cual ls sgll: I ,-eliminadas por centrifugacin y el pH ajustado a 5.2.

Figura 2. hoduccin de la dextransacarasa de L. mesenteroides NRR[. B-512Fen fermentacin intermitente.

7RU)#

=7+oC.9O

A^ ov.v o-..-:

]CI'ao- fi.) 0)

o()=N

nn{

trU)o)-o

C.a

a.w ooa

.3 L+xq)

t.o o

Azuccrresiduol

Tiempo, horos

)r dextranpropuesrrcfico.

LSleron u:

rimizar l,medio i:,rtiguadt-r:: MgSO.s de ac.-romol c=

dexrra::.esde 1_i)r exces:

lulas s,: -

Dextranas 429

Tiempo (horos)Figure 3. Produccin de dextransacarasa en cultivos intermitentes (O ) con 20 g,{ de sacarosa

y rehoalimenlado ( O f ) con adicin de 20 g-h de sacaosa.

MonsanyLpez-Mungua(9) desarrollaronun sistema de fermentacinretoalimentada,que permite mantenerbaja la concentracin de sacarosa en el medio, eliminando el fenmenode represin catablica e incrementando la produccin de enzima de 7 a 8 veces. En estesistema, el pH debe ser regulado a 6.5, para disminuir la sntesis de dextrana duante laproduccin de la enzima. La adicin de sacarosa se efecta a razn de 20 g/l-h o biendirectamente disuelta en la solucin de hidxido de sodio que se emplea para la regulacindel pI{ (Figura 3).

Para la purificacin de la enzima puede aplicarse un sistema de concentracin-purificacin:or extraccin lquido-lquido, adicionando polietilenglicol (PM:l 500). En este caso y a:iferencia de lo que octure en los procesos tadicionales de extraccin de enzimas por esta.:cnica, la dextransacaasa se ubica en la fase dextrana, pues como el mecanismo de accin-' indica, la enzima se encuentra bn forma de complejo enzima-dextrana.

- :'iencin de oligodextranas

luando la reaccin de sntesis de dextranas se efecta en presencia de maltosa, se obtie-en oligosacridos de grado de polimerizacin (GP) 3 (panosa), GP 4 y GP 5 principal-

:rente. Si estos productos son empleados a su vez en nuevas reacciones, ahora comoi.eptores, el peso molecular de los productos de la segunda reaccin se incrementa,:,bteninclose, en reacciones sucesivas, distribuciones menos dispersas que cuando seefectan hidrlisis cidas de dextranas nativas y fraccionamiento al alcohol. Es posible aspreparar directamente dextrana clnica (9). De acuerdo con Paul et al. (10), es posi-

10

IH

EJ

^oOa

=

a

c]LxO

o

-t^ECo8tr)

;6-iU

430 Biopolmeros

ble predecir el peso molecula promedio de los productos obtenidos de acuerdo conexpresin:

Pm :340 (l + 0.48 S/M)donde:

S concenffacin inicial de sacarosaM : concentracin inicial de maltosaPm : peso molecular promedio

Aplicaciones

Resulta impactante que existan cientos de publicaciones relacionadas con las dexffa:..,Probablemente ningn ofro grupo de polisacridos microbianos haya sido tan investiq:,_como las dextranas y, sin embargo, las aplicaciones siguen siendo modestas.

Las dextranas de alto peso molecular han sido propuestas, entre otras, para las sigu ie:.'_aplicaciones (l l):

' Estabilizantes y viscosantes en la industria alimentaria' En capas protectoras para semillas' Floculantes' Paa la estabilizacin de agregados de suelos' Recuperacin secundaria de petrleo' Procesosmetalrgicos.

La industria fotogrfica emplea igualmente dextranas, incorporndolas en emulsior,,reduciendo as el consumo de plata, sin que esto provoque modificaciones a la finez; _ .lTano de las pelculas.

Las dextranas de bajo peso molecular representan un mercado importante, sobre i::para la industria farmacutica. En soluciones al 60A con PM:75 000 se emplean c.-expansores del plasma sanguneo ypara mejorar elflujo sanguneo. Actualmente se emp.

= _-

fracciones de PM:70 000 y PM:40 000 para estos dos usos respectivanle nte. El sulr,'dextrana es conocido como anticoagulante desde hace varios aos y el Fe-

lilllu

ililflllill

Xantanas 431

el estudio y accin de enzimas dextranasas, con la capacidad de desdoblar los biopolmerosque en esta seccin hemos visto como sintetizar.

XANTANAS

Generalidades

La goma xantana es el polisacrido microbiano que ms exito comercial ha logrado en elmercado internacional de hidrocoloides. El desanollo inicial del proceso de produccin fue:ealizado en los laboratorios del Departamento de Agricultura de Estados Unidos en Peoria,Iilinois, a principios de la dcada de los sesenta. Existe produccin comercial de esterolisacrido desde 1964. En l988,la capacidad instalada a nivel mundial era cercana a las:0 000 toneladas por ao (13).

Los principales productores se encuentran en Estados Unidos (Kelco y Pfizer), FranciaRhone Poulenc y Sanofi-Elf-Bioindustries) y Austria (Jungbunzlauer) (14). El precio-::ternacional de la goma xantana oscila (1988) entre 8 y 15 dlares por kilogramo,:ependiendo del proveedor y del grado de pureza del producto. El mercado mexicano de este:olmero se estima entre I 000 y 2 000 toneladas por ao. La mayor parte del mercado:rnesponde al grado tcnico, principalmente para su uso en fluidos de terminacin,::paracin y perforacin de pozos petroleros. El mercado de alimentos se estima en unas 50:'neladas anuales, destacando sus aplicaciones enbebidas y jugos de fi:utas, como agente

:-rtabilizante y en aderezos para ensaladas. Esta ltima seccin del mercado se espera que::.zca, a un ritmo de entre el2 y el 5oA anual (15).

En Mxico existen tecnologas a nivel piloto y semiindustrial tanto para la produccin::l grado tcnico, como del grado alimenticio y los estudios econmicos indican que la:'lsible produccin de xantanas en el pas es un proyecto econmicamente atractivo ( I 3,1 5).: r consecuencia, se prev con alta probabilidad la instalacin de una planta en Mxico en:. corto o mediano plazos.

Ca ractersticas fisicoqumicas

:itructura qurnica

-i goma xantana es un heteropolisacrrido constituido por unidades monomricas qLre:,-intienen glucosa, manosa y cido giucornico en relaciones molares 2.8:2:2, res-:cctivamente. El peso molecular promedio es cercano a los dos millones y su distribucin-.

pesos moleculares es muy poco dispersa. La molcula tiene sustituyentes de acetilo y de,: ido pirvico. En la Figura 4 se esquem atizalaunidad monomrica de la xantLna. El hecho:. que se trata de un polisacrido ramificado explica en parte las extraordinarias caractersti---:s de capacidad viscosifrcante y estabiliclad que presentan las soluciones de esta goma, lo::e ha hecho que sus aplicaciones sean muy amplias en varias industrias, incluyendo a la: los alimentos.

laractersticas fsicas

:n Ia Tabla 2 se resumen las caractersticas fsicas de una xantana grado alimentario.

,|:lrli.N

trrttt,

432 Bopolmeros

Estado fisico

Humedad, o/u

Cenizas,Yo

Color (estndar blanco enamel, 75% de reflectancia)

Gravedad especf,tca

Densidad aparente del polvo, kglm3 (lb/ftr)

Temperatura de ennegrecimiento,' C

Temperahira de carbonizacin, "C

Temperahrra de aparicin de cenizas, 'C

Temperatura de ignicin, " C

Como una solucin al 106 en agua destilada:

Calor de disolucin (caVg sol)

fndice de refraccin a20 " C

pH

Tensin superficial, din/cm

Punto de congelamiento, "C

Viscosidad de una solucin al l%con 1%o de electrolito, cP

Tamao de partcula (malla estndar de Tyler)

Tabla 2Propiedades frsicas tpicas de una goma xantana grado alimenticio.

polvo crema seco

ll

9

70

1.5

836 (s2.2)

165

240

470

*

0.08

1.3338

7.4

15

0.0

1 900

80 200

t No ocurre combustin espontnca en ambiente de atre.'f Medido en un viscosmetro Brookfield LVF, 60 rpm.

Propiedades reolgicas

La principal propiedad de la xantana en solucin es su capacidad para controlar le..caractersticas de tlujo de soluciones o suspensiones acuosas (16.17). La estnctu:iramificada de su molcula y su alto peso molecular le confieren a la xantana una elevad:capacidad viscosificante. La viscosidad aparente se incrementa exponerrcialmente con lconcentracin. Al I % se pueden lograr viscosidades aparentes cercana-s a los 2 000 cps. En

c H3oH cH30H

OH

tl

coo-M + M+=No,K,,1/2Co

Figura 4. Unidad estruchrral de la goma xantana.

:ste sentido, es superior a otros polisacridos tales como la dextrana, la carboximetilcelulosa:, el alginato.

De entre las propiedades reolgicas que poseen las soluciones de xantana destaca la:seudoplasticidad que se reflrere a lapropiedad que tienen sus soluciones de disminuir la vis-: csidad aparente al aumenta la deformacin del fluido; esto es, las soluciones se "adelgaz,ar": cn la agitacin. En la Figura 5 se ilustra un reograma en donde se muestra esta caracteristica::a varias gomas comerciales grado alimentrio y el producto obtenido con la tecnologa:: la Universidad Nacional Autnoma de Mxico (t-tNe.v). Una forma de repiesentar:3temticamente el comportamiento reolgico de las soluciones de xantana es mediante la::nominada "ley de la potencia":

T=Ky":

--nde,

r: esfuerzo de corte G.j/mt )7: gradiente de deformacin (seg'r )K: ndice de consistencia Q.l seg"/m2 )n: ndice de flujo (adimensional)

: su ecuacin indica que bajo condiciones fijas de deformacin ( 7 ), el ndice K representa; r'iscosidad del fluido, mienffas que el ndice n es una medida de su pseudoplasticidad. Esto::. a mayor K, mayor capacidad viscosificante y a menor n,la solucin se"adelgazz" ms::,n la agitacin. En la Figura 6 se presenta la influencia de la concenlracin de xantana en:s ndices n y K y se comparan con los que tienen soluciones de dextrana de un peso

:.olecular similar. Como es claro, a la misma concentracin, las soluciones de xantana sonirsiblemente ms viscosas y ms pseudoplsticas que aquellas de dextrana.

cHzoccH 3

"'{./';K,'"\fu

r\ L-Jvrt3

434 Biopolmeros

lo6

'l^J

to4

3rpm

Figure 5. Reograma de tres xantanas comerciales grado alimenticio y del producto w,r-rr(lo6 enKCl lo6, viscosmetro Brookfield, aguja 4).

Estabilidad y compatibilidad de soluciones

Adems de las caractersticas reolgicas mencionadas en la seccin anterior, la viscosi:: :de las soluciones de goma xantana es extraordinariamente estable a la temperatura, pF,fuerzainicay son compatibles con una gran diversidad de agentes usados en formulacir.: :industriales (16,17).

La viscosidad de soluciones prcticamente no cambia en un rango entre 4 y 93 lC :mismo sucede en un rango de pH entre I y 13. Fuerzas inicas equivalentes a soluciones :

'

cloruro de sodio entre 0.05 y 106 no tienen efecto en la viscosidad aparente.La compatibilidad de la goma xantana en solucin con metles, cidos, sales, agen'.

reductores, offos texturizantes, solventes, enzimas, surfactantes y conservadores, es .-general muy alta en las concentraciones presentes comnmente en formulaciones inci-,triales ( I 7).

Una propiedad muy interesante de la goma xantana es que en conjunto con galacton:'-nanas (goma guar, goma de algarrobo) presenta un incremento sinrgico de viscosidad 1es: "es, la viscosidad de la mezcla es mayor que la suma de las viscosidades de los componen::.separados); adems de que pueden formar geles termorreversibles (16,17).

a

cLoo

-(fo:a

r JunqbunzlouerlltlRhodigel

l*.,r.ol

1cvl'E

CaZ

X)'C

fa'aC

q)-

!C\ F__l

Xsntanes 435

Concentrocin, ("/o),gure . Los ndicesreolgicos Ky nde solucionesdexantara(a )y dextrana(A )depeso- .:cula simila en funcin de la concentacin del polmero (reproducido de la refere ncia l9).

:1,,:ologa

{-'ma xanlana es probablemente el polisacrido microbiano que ms ha sido estudiado":: el punto de vista toxicolgico. Se ha demostrado su inocuidad y sus propiedades no

tl!

rffi,

t)i)1):iJ?:

r-l

o.r

436 Biopolmeros

Tatrla 3Propiedades de la xantana uNAM grado alimenticio y stt comparacin

con los tres productos comerciales y la norrna de la FDA.

' Food Chemical Codex 3rd. Edition, l98l, p.347 .*+ Viscosmeko Brookfiel{ aguja 3, 60 rpm.FD: Fuera de los lmites de deteccin.NM: No determinada.

irritantes. La xantana est aprobada por la FDA de Estados Unidos desde 1969 como aditr" .de alimentos. En la Tabla 3 se presenta la norma que la FDA ha establecido para el gra':-alimentario, as como los valores de ciertos lotes de xantana comercial y las que proporcit'::el producto generado con la tecnologa de la UNAM.

Produccin de la goma xantana

La goma xantana es producida mediante el cultivo de la bacteriaXanthomons cmpestr:.:la cual es un fitopatgeno que afecta principalmente a las coles, coliflores j nabos. Es:,bacteria puede ser aislada del suelo, o bien de plantas infestadas. A nivel industrial el cultir :deXanthomones camrySfn.r se llevaa caboengrandes fermentadores agitados nrecnicalnen::con suministro continuo de aire estril y a una temperatura cercana a los 28 " C. El med;.'de cultivo consiste primordialmente de una fuente de carbono (glucosa o sacarosa son lms usadas) una de nitrgeno y una de fsforo, adems de ciertos elementos minerales e;pequeas cantidades.

Parmetros WM Keltrol Rhodigel Jungbunzlaue NormaFDA *

Piruvico (%)

Plomo (ppm)

Metales pesados(como Pb) (ppm)

Asnico(como As) (ppm)

Viscosidad* *(cps)

Cenizas (%)

Humedad (%)

A. isoproplico(%)

Nitrgeno (%)

Acetilos (%)

2.85

2.0

20

FD

I 690

I 1.6

8.8

NM

0.86

7.0

4.3

2.6

20

1.0

1&0

t.J

8.0

NM

0.7

5.8

2.85

ND

20

FD

I 820

10.2

5.5

NM

1.0

6.5

4.0

4.91

10.0

0.0

I 500

10.2

8.0

NM

0.12

4.0

> 1.5

nil|rx,

Xantanas 437

Los heteropolisacridos como la xantana son sintetizados mediante reaccionesrultienzimticas dentro de la clula. El proceso se inicia corr la sntesis de las unidades:ligosacridas que a su vez provienen de precursores, azcares activados en la forma derzcar-nucletidos-fosfatados, los cuales se unen secuencialmente a un lpido isoprenoi-:e donde se sintetizan las unidades monomricas que son transferidas a otro lpido isopre-loide para iniciar la polimerizacin.

El lpido tambin sirve como acarreador del polmero formado a ffavs de la membrana:elular de donde es liberado. Los genes responsables de la biosntesis de xantana ya han sidolientificados y clonados (18).

El medio de cultivo y el propio fermentador deben ser cuidadosamente esterilizados. En'ista de que la produccin de esta goma es muy sensible al pH, este debe ser controlado a;alores cercanos a la neutralidad. La xantana se sintetiza principalmente cuando la bacteria:a dejado de crecer. Usualmente, la concentracin final que se logra es entre 20 y 30 gI, con-:ndimientos sobre az(rcu que oscilan entre 50 y 7A% y productividades tpicas de 0.5 g/l-hi9,20).

En vista de que durante la fermentacin el caldo se torna muy viscoso y pseudoplstico,:- diseo del fermentador es un factor crtico para lograr la homogeneidad en el tanque y unCecuado suminisho de oxgeno a las clulas (21).

Una vez concluida la fermentacin, lo que sucede entre 48 y 96 h despus de inocular,:" caldo se esteriliza con el fin de destruir al fitopatgeno y adicionalmente, de mejorar las:r.actersticas reolgicas de la goma en solucin. Si la xantana debe ser purihcada, comox el caso del producto de grado alimentrio, se llevan a cabo operaciones que permitenrrnover las clulas bacterianas del caldo de fermentacin.

Posteriormente, ste se enfra y la xantana se recupera mediante procedimientos tales:,rmo la precipitacin con alcohol (principalmente isoproplico) o bien mediante sales:''rternarias de amonio (22). Recientemente se ha propuesto a la ultraltracin como una:otracin unitaria que representa grandes ventajas en el proceso de recuperacin (23). Con:. hn de lograr ciertas caractersticas especiales en el producto frnal, el polisacrido pueded rratado qumica, fisica o biolgicamente, durante su recuperacin (22,24). Por ejemplo,liira aurnentar su dispersibilidad se trata con dialdehdos; para aumentar su viscosidad se:rirecmza con formaldehdo y para hacerla compatible con otros polisacridos como lal\lC, se trata con celulasas.

El producto recuperado finalmente se seca, se muele y se empaca. En la Figura 7, ser -stra un diagrama de bloques de un proceso tpico para ia produccin de xantana.

{plicaciones

-;is aplicaciones de la goma xaniana en la industria alimentaria son muy amplias. Las:nncipales caractersticas que se consiguen mediante el uso de la xantana incluyen la. ;cosidad, textura, capacidad de suspensin de slidos y la de estabilizacin de emulsiones.i bien estas propiedades pueden lograrse con otras gomas, con xantana se logran a ms bajas:,:ncentraciones. La estabilidad de la xantana a la temperatura y al pH, ha sido la principalrropiedad que ha permitido su introduccin al mercado, a pesar de ser ms cara por unidadfr peso, pero no siendo el caso por unidad de viscosidad logtada, en comparacin con otrasf :'rnas.

A continuacin se mencionarn algunos de los usos ms relevantes de la goma xantana. . 17,24). Debe mencionarse que continuamente se desarrollan nuevas aplicaciones para

a, xantana.

438 Biopolmeros

Dada la capacidad de la xantana de dispersarse en agua fi-a o caiiente se ha usai, : - ir,formulacin de alimentos secos de preparacin instantnea, que una vez recon-ir:- : rpresentan la textura deseada (sopas instantneas, gru,ie.s en polvo, salsas, etc.). S, i-,.estabilidad a la temperatura permite que los productos sean refrigerados o calentac, :prdida de sus caractersticas. Su capacidad de retencin de agira es de especial impor:-- ren la preparacin de rellenos para pastelera, donde proporciona ademas de te.---,.

o.[! r.>-YO(J(Jo:;q)L

(D

qJo=o

ct o)L_L

L

o.Y

cTfLOO)LLL ()-

lnc)L

-clo

g.=c)o)LL c?

EJ.E

:J()o)!

;q)

A qlIUEOl-O)LI o+

=lL+li>,-I otf o:I

ot:

a

--

n

_ooJ

O.;C

'd)

+C.9EC]f

LF

=

a(I)

c.O

.=

=LTJ

oJC'

c)E

c)U)

oC.9;

c-;:

x>uOo-J

C:9

n

=aOrf

"oOO^-a3

Qx- IoNCToo>

Alginatos 439

excelentes caractersticas de liberacin de sabor y evita que la pasta se mezcle con el relleno.La adicin de xantana permite lograr mayores vidas de anaquel, especialmente a productoscon base en emulsiones. La estabilidad de la goma al pH ha permitido su empleo en salsasy productos lcteos acidificados. En panadera se ha usado para mejorar el procesamien-ioy almacenamiento depastasymasas, como modificadorde glutene incluso como sustitutode ste.

La caracterstica pseudoplstica de las soluciones de goma xantana facilita su bombeoy las operaciones de llenado. En alimentos enlatados, esta goma proporciona un excelentecontrol de viscosidad durante el procesamiento. En bebidas que contienen slidos (porejemplopulpas enjugos de frutas) la adicindexantanapermite suspenderlos efectivamentepor largos periodos, lo que permite lograr uniformidad de sabor, cuerpo, consistencia ytextura.

La alta estabilidad de la xantana al congelado-descongelado ha hecho a la xantana unditivo til en helados, donde controla la sinresis y proporciona una agradable textura alproducto final.

En jarabes, la xantana proporciona mejores caractersticas de vertido y conola supenetraciny flujo. Estas caractersticas tambin sontiles ensalsas de tomateycondimentos.[ xantana ha sido usada exitosamente para suspender protenas insolubles en sustitutos deleche para becenos y para darles consistencia a suplementos alimenticios animales a basede melaza.

Las mezclas de goma xantana con goma de algarrobo, en vista de que generan gelesefinofreversibles, son usadas en la preparacin de pudines, dips, pats, mermeladas,rellenos de pies, alimentos para mascotas, etctera.

La mezcla de xantana, goma guar y goma de alganobo, tiene aplicaciones en pro-Juctos lcteos (cubiertas de queso cottage, leches industrializadas, helados, suero con-centrado, etc.).

Adems de las aplicaciones en alimentos, la goma xantana tiene una multiplicidad deusos en otras industrias, destacando la petrolera y la agroindustrial (16,17). En el ramopetrolero se usa en fluidos de perforacin, reparacin y terminacin de pozos y tiene ampliasexpectativas en la recuperacin secundaria de petrleo. En la agroindustria se emplea paraspersar herbicidas, pesticidas, fertilizantes y fungicidas y es especialmente til en laryticacin mediante la aspersin de estos agentes qumicos.

La goma xantana tambin tiene aplicaciones en pinturas, pulimentos, limpiadores,pigmentos, textiles, cermica, imprenta, explosivos, productos farmacuticos, cosmticos,Etctera,

Se prev que la goma xantana seguir siendo el polisacrido microbiano ms importante nivel comercial por muchos aos (14). Es muy probable que como resultado del avancerccnolgico en el campo se puedan abatir los costos de produccin, lo que permitirransformar a la xantana en un comodity que expanda an ms sus aplicaciones'

ALGINATOS

Lrtroduccin

Los polisacridos derivados de plantas, constituyen alrededor d el 6.6% del mercado total depolimeros en Estados Unidos en tanto que los alginatos, polmeros derivados de algas,ocupan aproximadamente 6.70A de este importante mercado. La produccin mundial de

HOCH2

Otros polsacridos microbianos de potencial y su aplcacin industrial 447

HOCHz

Figura 13. Estructura qumica de la unidad de tetrasacridos componentes del escleroglucano.

La capacidad para la formacin de geles termoineversibles que poseen los alginatos, es. caracterstica que ha propiciado un gran nmero de aplicaciones. Los cationes divalentes:egularmente calcio) reaccionan con alginatos, formando geles que modifican la calidad y::rtura de los productos finales. Los alginatos forman la base para la nueva produccin::;nolgica de los llamados "alimentos reconstituidos, fabricados y listos para cocinar" (24,r-). El proceso de gelacin puede ser adaptado para la produccin de pelculas, fibras y: :alquier otra geometra por caprichosa que sea. La estabilidad de los geles de alginato, entre-:ras, ha permitido su uso para inmovilizar clulas y enzimas en una amplia diversidad de::ocesos biocatalticos (47). La Tabla 4 resume las propiedades funcionales y usos:.dustriales de los alginatos, tanto en la industria de alimentos, como en offas igualmente:portantes.

OTROS POUSACRIDOS MICROBTANOS DE POTENCIALY SU APUCACIN IXPUSTRIAL

Escleroglucano

:ste biopolmero fue descrito hace dos dcadas (48), como compuesto de unidades p-D-: :rcopiransido y formando en solucin conformaciones helicoidales de tres cadenas,-:.idas por puentes de hidrgeno. La Figura 13 ilustra su estructura qumica. Es producido:.:'r diversas especies de Sclerotirnr dentro de las cuales S. rolfsiles es empleada para la::.rduccin a nivel industrial por la empresa Metro-Rousseiot-Satia en Francia (Actigum

j ). Su principal aplicacin es en la recuperacin asistida de petrleo aunque se espera poder::licarlo en la industria alimentaria, ya que tiene el mismo poder calorfico que el almidn

se ha demostrado que disminuye el nivel de colesterol en ratas y pollos (49,-50).

Curdlan

: curdlan es un homopolmero producido por Alcaligenes faecalis var. tnvxogenes,::scubierto en 1964 por Harada et al. (51). Consistente en unidades de glucosa en pl-+3,- r lo que no es degradado por las enzimas del sistema digestivo. Presenta grados de

HOCHz

MB Biopolmeros

polimerizacin de hasta 540 unidades de glucosay tiene lapropiedad de gelificartrmicamen:=de forma irreversible. Es ms elstico y ms resistente que el aga, por lo que tambie-representa una altemativa en las tcnicas microbiolgicas. El microorganismo crece :medios conteniendo 10oA de etilenglicol como nica fuente de carbono. Para recupera .producto de fermentacin, el medio es tratado con NaOH, ya que en medio alcalino el p-"-lmero es soluble y es entonces posible eliminar las clulas. Actualmente si ' an Jesarrolla:mutantes hiperproductoras de curdlan provenientes de Agrobacteriur't radobacter ."Rhyzobium (52). En Japn la compaa Takeda Chemical inici el proceso de escalamier.':y posteriormente, desde 1981, la Wako Chemical Company lo comercializa. An no ha sl:autorizado su uso como aditivo alimentario.

Pululana

La pululana es un polmero extracelularproducido porll reobasidum pullulans. La unii-bsica esl constituida por maltotriosas unidas por enlaces cr1-+6, alcanz.rndo pes-,rnoleculares de entre 10 000 y I 000 000 en funcin de la fuente y las condiciones :.fermentacin. Este biopolmero ha sido ampliamente investigado por ser empleado en .elaboracin de materiales plsticos biodegradables, no contaminantes (comestibles. . .txicos y no degradables en el sistema digestivo), adems de otras aplicaciones coro ac.='sivo, viscosificante, estabilizante y agente protector de superficie en frutas y semillas i.:

Tabla 5Biopolmeros de potencial aplicacin industrial (20,21).

Caractersticas

Pclcula extracelular compuesta demicrofi bra-s de celulosa.

Polmero extracelular corrlpuesto de glucosa yrhamnosa. Geles termoneversibles. f'roducidoKelco (EUA).

I'olmeros de glucosa, manosa, fructosa,c. glucornico. Ver tambin PS-21 v PS-53 dc altviscosidad a baja concentracirt. Sustitutos de hidrox ietil ceiuiosa en pitttwas.

Lipopolisacrido que funciona como unvcrdadero emulsi f tcante.

B ir-rpolmeros geli fi cantes.

[3iopolrncros de propiedades reoltigicaslnteresantes.

i . lc,._::

Glu

Otr

Biopolmero

Celulosa bactcriana(Acetctbacter ryIinum)

Gelana(PseuJomonas clodea)

PS-10 (Kelco,IrlJA)(Eru'inia tahitica)

Emulsarr(Acinetobactercalcoaceticus)

Sin nombrc(.Bacillus polymyxay Rhizobrm melitoti)

Sin nombre(A rt hro bacter v is c'us,A. stabilis, A. indicu.s)

iiilililuilr1ilrllllilll

itliltllllrlllrlllllllililrmil

qffilH [il|lllltlflliilflIttrIl|l lI "1111 lltrt'*'illillilrul

/liilrllllllillfl|ll''$r

llllllllllllllllllfi fffi rlllilr][ l

Llill|||fftilruillllltlr

lllllllllll'{'ll1l|I "1lllUi

ililni,,

lllIn

sido producido por la empresa Hayashibira en Japn a raz6n de unacomercialmente existen preparaciones con pesos moleculares de 100.

Bibliografia M9

tonelada mensual y200 y 30 000 (ls).

Glucano de levadura de panificacin

Dentro de los nuevos desarrollos de alimentos, este biopolmero es de singular importancia,)'a que tiene tales propiedades organolpticas, que unavez en la boca p.Jdu". la sensacinde grasa o aceite y se emplea en dietas de bajocontenido calrico. Es aislado de la paredcelular de Saccharomyces cerevisiae mediante un proceso mecnico y est compuestorundamentalmente de glucosa y manosa (5a). Es iroducido en Estados Unidos por Iaempresa Anheuser-B usch.

Otros biopolmeros

En Ia Tabla 5, se presentan otros biopolmeros de actual y potencial impacto en la industria:e alimentos. La gelana, producida por Pseudomonas- elodea ha sido recientementerprobada para alimentos por la FDA.

BIBUOGRAFfA

Sidebotham, R.L., "Dextran", Advances in carbohydrate, Chemistry, 30, pp. 37r 444,1974.Rob, J. F., "Dextran", Encyclopedia of polymer science and Engineering,vol.4,za.ed., John Wiley & Sons., Nueva york, pp.752_761, 19g6.Cote, G'L. y J. F' Rob, "Acceptor reaction of alternan sucrose from Z. mesenteroides,NRRL B-1355", Carbohydrate Res,l I l, pp. lZ7_142,lggl.Roby't, J' F', K. B. Kimble y T.F.Walseth,'lThe mechanism of dextransucrase action,,,Arch. Biochem., Biophys, 165, pp. 634_640,1g74.Bixler G.H., G.E. Hines, R.M. McGhee y R.A. Shurter, ,.Dextran,,, Indusrriar andEngineering Chemistry, 45 (4), pp. 692-705, 1953.Jeanes, A. "Dexffans", Methods in carbohydr. chem.,5, R.L. whistrer, (comp.),Academic Press, 5, pp. l l8-132, 1965.Tsuchiya H' M., H.J. Koepseil, J. corman, G. Bryant, M. o. Bogard, v.H. Fegery R.w.Jackson, "The effect of certain culfural factors on production of dextransucrase byLeuconostoc mesenteroides,', J. Bacteriol, &, pp. Sit-SZl , tgSZ.Martnez, E.J.P. y A.LpezMungua, "On the kinetics of dexrransucrase and dextransynthesis in batch reactors", Biotechnor. retters,T (j),pp.4g3-4g6, 19g5.Monsan P. y A. Lpez Mungua c., "on the production of dextran by free andrmmobilized dextransucrase", B iotechno I. B ioeng., 23. p. 2027, I gg IPaul F., E. oriol, D. Auriol y p. Monsan, "Acceptor reaction of highry purifieddextransucrase with maltose and ol igosaccharides", Carbohydr. Res., t qgl pi. i3l