MONOGRAFIA SOBRE EL GALACTOMANANO DEL GRANO DE CAF Y SU IMPORTANCIA EN EL PROCESAMIENTO PARA LA OBTENCIN DE

CAF SOLUBLE

CLAUDIA PATRICIA BOLIVAR FORERO

UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGAS

ESCUELA DE QUMICA PROGRAMA QUMICA INDUSTRIAL

PEREIRA 2009

MONOGRAFIA SOBRE EL GALACTOMANANO DEL GRANO DE CAF Y SU IMPORTANCIA EN EL PROCESAMIENTO PARA LA OBTENCIN DE

CAF SOLUBLE

CLAUDIA PATRICIA BOLIVAR FORERO

Monografa para optar por el ttulo de Qumico Industrial

DIRECTOR: GLORIA EDITH GUERRERO, PhD. Universidad Tecnolgica de Pereira

CO-DIRECTOR: JOSE RICARDO ACUA Z, PhD.

Disciplina Mejoramiento Gentico, Cenicaf

UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGAS

ESCUELA DE QUMICA PROGRAMA QUMICA INDUSTRIAL

PEREIRA 2009

Nota de aceptacin

Presidente del jurado

Jurado

Jurado

Pereira, Julio 24 de 2009

Este documento est especialmente dedicado a mi mam, mi abuela y mi hermano, gracias por todo su apoyo incondicional, su generosa comprensin y su tolerancia infinita. Con amor, Claudia.

AGRADECIMIENTOS

La realizacin de este trabajo implic casi todo mi tiempo libre y requiri el sacrificar una oportunidad laboral para poder cumplir mi sueo de ser profesional. Pero no lo hubiera podido lograr sin el apoyo incondicional y la gran colaboracin que me brind el doctor Jos Ricardo Acua, de la disciplina de Mejoramiento Gentico del Centro Nacional de Investigaciones de Caf, quien a pesar de ser una persona con muchas obligaciones laborales y de tener la mayora de su tiempo copado, siempre me brind espacios para atender a mis preguntas, me colabor con gran parte de la informacin, sac tiempo valioso de sus das de descanso para leer mi documento y corregirlo, me comprendi y me permiti sin ningn reproche el retirarme de mis obligaciones laborales para poder culminar mis estudios y me gui en todo momento hasta el final de esta etapa.

Igualmente, debo la presentacin de esta monografa como mi tesis de grado a la doctora Gloria Edith Guerrero docente de la Universidad Tecnolgica de Pereira, quien se ofreci muy amablemente para dirigir este trabajo y lo hizo con la mayor paciencia y la mejor dedicacin, corrigindome y guindome en todo momento para poder presentar un trabajo coherente, de gran calidad cientfica, bien redactado y agradable para el lector.

TABLA DE CONTENIDO

Pg.

INTRODUCCIN 14

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15

2. JUSTIFICACIN 16

3. OBJETIVOS 18

4. METODOLOGA 19

5. RESULTADOS 20

5.1 GENERALIDADES 20

5.1.1 Clasificacin botnica y distribucin geogrfica de la planta de caf. 20

5.1.2 Desarrollo del fruto de caf. 30

5.1.3 Composicin qumica del grano de caf. 35

5.1.4 Alteraciones fisicoqumicas de los granos de caf durante la tostacin. 47

5.1.5 Obtencin del caf soluble. 50

5.2 GALACTOMANANOS 57

5.2.1 Descripcin general. 57

5.2.2 Galactomananos de los granos de caf. 60

5.2.3 El galactomanano en la tostacin y extraccin comercial para la obtencin del caf soluble.

69

5.3 BIOTECNOLOGA APLICADA AL CAF 75

5.3.1 Tratamientos enzimticos aplicados a la industria del caf soluble 76

5.3.2 Identificacin de las enzimas responsables de la sntesis y degradacin de los galactomananos del grano de caf

82

5.3.3 Transformacin gentica de la planta de caf 84

TABLA DE CONTENIDO

Pg.

5.4 PROPUESTAS PARA MEJORAR LA RELACIN GALACTOSA/MANOSA DE LOS GALACTOMANANOS DEL GRANO DE CAF

92

5.4.1 Propuesta bioqumica para incrementar la solubilidad del galactomanano del grano de caf.

92

5.4.2 Propuesta gentica para incrementar la relacin galactosa/manosa en el galactomanano del grano de caf.

93

6. DISCUSIN GENERAL 95

7.CONCLUSIONES 101

8. RECOMENDACIONES 102

BIBLIOGRAFA 103

INDICE DE TABLAS

Pg.

Tabla 1. Clasificacin botnica del gnero Coffea. 21

Tabla 2. Grupo de especies en las subsecciones del gnero Coffea. 21

Tabla 3. Cuadro comparativo de las dos principales especies comerciales del gnero Coffea.

24

Tabla 4. Produccin mundial de caf verde, ao cosecha 2007/08. 25

Tabla 5. Variedades de caf cultivadas en Colombia. 27

Tabla 6. Produccin de caf verde y exportaciones realizadas durante el ao cafetero 2007/08 en Colombia.

29

Tabla 7. Composicin qumica de los granos de caf verde y tostados de las especies Coffea arabica y Coffea canephora y de caf instantneo.

36

Tabla 8. Contenido mineral tpico de granos verdes de Coffea arabica. 37

Tabla 9. Contenido de aminocidos libres en granos de caf verde. 40

Tabla 10. Contenido aproximado de la fraccin de carbohidratos en granos de caf verde y tostado y soluble.

44

Tabla 11. Componentes voltiles y no voltiles del aroma de caf tostado. 49

Tabla 12. Aplicaciones de los galactomananos de semillas en la industria de alimentos.

59

Tabla 13. Comparacin de las propuestas bioqumicas y genticas para modificar la relacin de galactosa/manosa del galactomanano del grano de caf.

98

INDICE DE FIGURAS

Pg.

Figura 1. Planta de caf con frutos maduros. 20

Figura 2. Origen y dispersin de Coffea arabica 22

Figura 3. La Zona Cafetera Colombiana. 28

Figura 4. Floracin de la planta de caf. 30

Figura 5. Representacin esquemtica de los tejidos presentes en los frutos maduros de Coffea sp (220-250 das despus de floracin).

32

Figura 6. Grano de caf con la capa pergamino. 34

Figura 7. Localizacin del embrin en el grano de caf y forma del embrin 34

Figura 8. Formula estructural de los alcaloides del grano de caf 38

Figura 9. Frmula estructuras de los esteroles del grano de caf verde 42

Figura 10. Posible estructura del arabinogalactano tipo II de granos de caf verde.

45

Figura 11. Estructura qumica de la celulosa. 46

Figura 12. Estructura qumica de las pectinas. 46

Figura 13. Expansin del volumen celular del grano de caf durante la tostacin,

47

Figura 14. Estructuras qumicas de los polisacridos basados en D-manosa. 57

Figura 15. Estructura qumica del galactomanano 58

Figura 16. Estructura qumica de los polisacridos de almacenamiento. 60

Figura 17. Cambios en los tejidos durante el desarrollo de los frutos de caf. 64

INDICE DE FIGURAS

Pg.

Figura 18. Degradacin de los galactomananos contenidos en el endosperma durante la germinacin de la semilla de caf

66

Figura 19. Crecimiento de la radcula durante la germinacin de la semilla de caf.

67

Figura 20. Semilla de caf sumergida en agua mostrando la capa endosperma que rodea la radcula y el endosperma lateral.

67

Figura 21. Radcula totalmente expuesta de una semilla de caf despus de 25 das de germinacin y endosperma unido a los cotiledones.

68

Figura 22. Figura esquemtica de las reacciones de conversin de los polisacridos que se forman durante la tostacin y extraccin de los granos de caf.

70

Figura 23. Mecanismo de interaccin entre la enzima y el sustrato 77

Figura 24. Nucleotido completo y secuencia de aminocidos de cDNAs de dos endo--mananasas desde granos de caf verde de Coffea arabica L.

83

Figura 25. Transformacin de plantas y produccin de plantas transgnicas. 87

Figura 26. Embriognesis somtica de Coffea arabica. 88

Figura 27. Transformacin del rbol de caf mediada por Agrobacterium tumefaciens.

91

Figura 28. Control de la sntesis de protenas en plantas transgnicas. 93

Figura 29. Obtencin de granos de caf transformados. 94

GLOSARIO

ADN COMPLEMENTARIO (ADNc o DNAc): ADN copiado a partir de una molcula de ARN mensajero ADN RECOMBINANTE: ADN externo formado en una clula viviente mediante la combinacin de ADN de dos o ms fuentes diferentes. AGROBACTERIUM TUMEFACIENS: es una especie de bacterias que viven en el suelo, que tienen la capacidad de transferir naturalmente informacin gentica a clulas de plantas, causando una enfermedad caracterizada por llagas en la corona. ANGIOSPERMAS: nombre comn de la divisin que contiene la plantas con flor, que constituye la forma de vida vegetal dominante. ANTESIS: tiempo que ocurre entre la abertura de una flor y la formacin del fruto. ANTICUERPO MONOCLONAL: son anticuerpos de un tipo especfico obtenidos de clulas hbridas resultantes de la fusin de clulas del mieloma con linfocitos procedentes de tejidos expuestos a un antgeno. Estos anticuerpos se utilizan para marcar o identificar sustancias que componen clulas o tejidos. AUTOPOLINIZACIN: cuando el polen pasa del estambre al estigma de la misma flor. BIOLSTICA: insercin de ADN en las clulas de las plantas mediante el recubrimiento de partculas de metal con el ADN y propulsin de estas a altas velocidades sobre tejidos de plantas; las plantas transformadas pueden ser regeneradas desde estas clulas transgnicas. CALLOS: crecimiento de clulas indiferenciadas de plantas en un cultivo de tejidos, que a menudo pueden ser inducidos a convertirse en embriones, races o brotes para regenerar plantas completas. CLULAS PARENQUIMA: clulas de forma aproximadamente esfrica o cbica y con espacios de separacin que hacen parte de tejidos vegetales. CLON (de ADN, clonar un gen): propagar y purificar copias idnticas de una pieza particular de ADN mediante tcnicas enzimticas y bioqumicas. COTILEDONES: las primeras hojas del embrin en plantas con semilla, que sirven para proporcionar alimento a la nueva plntula. CULTIVO DE TEJIDOS: regeneracin d