PRODUCCIÓN DE JARABE DE FRUCTOSA CON ENZIMAS INMOVILIZADAS EN UN

PRODUCCIÓN DE JARABE DE FRUCTOSA CON ENZIMAS INMOVILIZADAS EN UN

PROCESO CONTINUO A PARTIR DE TIQUISQUE (Xanthosoma sagittifolium)

Melissa Quesada-­‐‑Salazar2 y Alicia Hernández-­‐‑Peñaranda*1

1 y 2 Centro de Investigaciones en Productos Naturales, Universidad de Costa Rica, Costa Rica.

Recibido 10 de enero del 2012; aceptado 30 de noviembre del 2012

Abstract

High fructose corn syrups (HFCS) are mainly used by the food industry. They are produced

by enzymatic hydrolysis from cornstarch. The main objective of this project was to produce

fructose syrups using tiquisque starch (Xanthosoma sagittifolium) as new source. Conditions

to produce tiquisque glucose syrup were obtained in a previous study. Fructose was

produced using a column packed isomerase (Sweetzyme IT). The effect of flow rate (0.5 and

1.0 mL/min), glucose syrup concentration (40 and 45 °Brix) and hydrolysis temperature (55

and 60 °C) were studied using a 23 factorial design. Response variables were fructose and

glucose concentrations, fructose yield and conversion degree. All variables were statistically

significant (p < 0.05), and flow rate presented the main effect on response variables. Higher

conversion degree (99.16 %) was achieved using 40 °Brix glucose syrup and a flow rate of 0.5

mL/min at 60 °C. Fructose syrups obtained experimentally presented higher fructose

content than commercial syrup (HFCS-­‐‑42).

Resumen

Los jarabes de fructosa (HFCS) son utilizados principalmente por la industria de alimentos y

se producen por vía enzimática a partir de almidón de maíz. El objetivo principal de esta

investigación fue producir jarabe de fructosa partiendo de una fuente no tradicional de

almidón: el tiquisque (Xanthosoma sagittifolium). El jarabe de fructosa se produjo por

tratamiento enzimático con una isomerasa (Sweetzyme IT) inmovilizada usando como

sustrato jarabe de glucosa producido previamente. Se evaluó el efecto del flujo del jarabe a

través de la enzima inmovilizada (0.5 y 1.0 mL/min), la concentración del jarabe de glucosa

(40 y 45 °Brix) y la temperatura (55 y 60 °C), utilizando un diseño factorial 23. Las variables

respuesta fueron la concentración de glucosa y fructosa, el rendimiento de fructosa y el

grado de conversión. El mayor grado de conversión (99.16 %) se logró usando una

concentración de glucosa de 40 °Brix y un flujo de 0.5 mL/min a 60 °C. Los jarabes obtenidos

experimentalmente presentaron un mayor contenido de fructosa que el jarabe comercial

(HFCS-­‐‑42).

Keywords: fructose syrup, tiquisque, glucose isomerase, immobilized enzymes, Xanthosoma

sagittifolium.

Palabras clave: jarabe de fructosa, tiquisque, glucosa isomerasa, enzimas inmovilizadas,

Xanthosoma sagittifolium.

*Autor para correspondencia: Alicia.hernandez@ucr.ac.cr

M. QUESADA-­‐‑SALAZAR – A. HERNÁNDEZ-­‐‑PEÑARANDA

Ciencia y Tecnología, 28(1 y 2): 13-­‐‑14

24, 2012 -­‐‑ ISSN: 0378-­‐‑0524

I. INTRODUCCIÓN

Los jarabes de fructosa son ampliamente utilizados en la industria alimentaria y se obtienen

generalmente a partir de almidón de maíz. En Costa Rica, no se producen pero su consumo aumenta

día a día. La producción enzimática de jarabes de fructosa conlleva la hidrólisis del almidón en

dextrinas en un proceso denominado licuefacción y la hidrólisis de estos compuestos en unidades de

glucosa en la sacarificación [1]. Posteriormente, la glucosa es transformada en fructosa por medio de

la enzima glucosa isomerasa.

En nuestro país se produce una gran variedad de productos agrícolas con alto contenido de

almidón, entre ellos el tiquisque (Xanthosoma sagittifolium). El tiquisque es un tubérculo que se

exporta para su consumo en fresco y tiene una destacada participación en las exportaciones de raíces

y tubérculos hacia Estados Unidos y Puerto Rico. Según datos suministrados por el Consejo

Nacional de Producción, desde el 2007 la exportación de tiquisque viene en aumento y para el 2012

se reportan 8185437 kg de tiquisque exportado [2]. Aproximadamente de un 15 % a un 25 % del

tiquisque no cumple con las normas de calidad especificadas por los países de destino. El producto

de rechazo es utilizado como alimento para cerdos y abono orgánico; por lo que es importante

evaluar otras opciones para el aprovechamiento de este valioso recurso [3].

Una opción para la utilización del tiquisque es la obtención de almidón y sus derivados. A

nivel industrial, las fuentes más importantes de almidón son los cereales y los tubérculos; este

carbohidrato constituye de un 65 % a un 85 % del peso seco de estos productos. La producción

mundial de almidón se obtiene principalmente del maíz y la papa, y en menor proporción del trigo y

sorgo, pero se han hecho esfuerzos por estudiar fuentes alternativas [4]. El contenido de almidón en

el tiquisque ha sido estudiado previamente y se reporta que está en cantidades mayores al 60 % de

su masa seca [5,6].

En un estudio previo a esta investigación se establecieron las condiciones enzimáticas para

producir jarabe de glucosa a partir de esta materia prima [7]. El jarabe de glucosa producido

experimentalmente se comparó con un jarabe comercial y los contenidos de glucosa fueron mayores

en todos los casos, concluyéndose que el almidón de tiquisque puede ser una buena opción para la

producción de este tipo de jarabes en el país. Con base en estos resultados se decidió continuar la

investigación para buscar el aprovechamiento de este residuo agroindustrial y la elaboración de otro

producto de alto valor agregado a partir de él. El objetivo de este proyecto fue obtener un jarabe con

alto contenido de fructosa a partir de almidón de tiquisque, utilizando glucosa isomerasa

inmovilizada en un proceso continuo. En esta investigación, se estudió el efecto del flujo del jarabe a

través de la enzima inmovilizada (0.5 y 1.0 mL/min), la concentración del jarabe de glucosa (40 y 45

°Brix) y la temperatura de hidrólisis (55 y 60 °C).

II. MATERIALES Y MÉTODOS.

El tiquisque blanco (Xanthosoma sagittifolium) se adquirió en la empresa empacadora El

Burrito en San Francisco de Peñas Blancas, San Carlos, Alajuela, Costa Rica.

Para hacer la evaluación de la composición de la materia prima, el tiquisque sin cáscara se

molió y se secó en una estufa de aire caliente a 40 °C por 24 horas. La harina se pasó por un tamiz

con una malla 60 (0.251 mm de apertura) y se hicieron análisis de humedad, grasa, proteína, glucosa,

almidón y cenizas siguiendo la metodología reportada [8].

Producción de jarabe de fructosa con enzimas inmovilizadas a partir de tiquisque.

Ciencia y Tecnología, 28(1 y 2): 13-­‐‑24, 2012 -­‐‑ ISSN: 0378-­‐‑0524 15

Extracción y caracterización del almidón de tiquisque.

El estudio se desarrolló en el Centro de Investigaciones en Productos Naturales (CIPRONA) y

en el Centro Nacional de Ciencia y Tecnología de Alimentos (CITA) de la Universidad de Costa Rica.

El proceso de extracción de almidón consistió de una serie de etapas según se enumeran:

lavado y pelado del tiquisque, molido, tamizado, sedimentación, decantado, lavado del sedimentado

y centrifugado. El residuo sólido se secó en un secador de aire caliente a 40 °C durante 24 horas. El

producto obtenido se denomina “almidón nativo de tiquisque”.

La caracterización del material se hizo determinando su contenido de humedad, proteína,

grasa, ceniza, almidón y glucosa con base en la metodología reportada [8].

Producción y purificación de jarabe de glucosa en mayor escala.

Para la producción del jarabe de fructosa se requería contar con un lote de jarabe de glucosa

por lo que se ajustaron las condiciones de laboratorio para su producción en mayor escala (Se partió

de 17.5 kg de suspensión de almidón de tiquisque al 30 %) [7].

La licuefacción se realizó en una marmita con un agitador mecánico incorporado utilizando

las siguientes condiciones: 0.75 mL Termamyl® Supra/kg de almidón pH: 5.4, temperatura: 90 °C,

velocidad de agitación de 136 rpm por 1 h [7, 9].

La sacarificación se llevó a cabo en un biorreactor New Brunswick modelo 110 (14L) bajo las

siguientes condiciones: 0.90 mL del preparado enzimático AMG E /kg de almidón seco [7], pH de 4.4,

temperatura de 60 °C, velocidad de agitación de 400 rpm por 20 h [10].

La purificación del jarabe de glucosa se llevó a cabo con el fin de que cumpliera con los

parámetros de pureza y fuera apto como sustrato para la conversión a fructosa por la isomerasa

inmovilizada. Se realizó en varias etapas: eliminación de sólidos insolubles, clarificación, filtración e

intercambio iónico.

La separación de sólidos se evaluó inicialmente agregando un floculante (Magnafloc al 0.05 %

m/v) en el jarabe de glucosa obtenido del almidón de tiquisque

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