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 Págs. 40-44 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.