Biotehnologii in industria amidonului

Biotehnologii in industria amidonului

Amidonul este un polizaharid de rezerva specific vegetalelor, care consta dintr-un numar mare de molecule de glucoza unite prin legaturi α-glucozidice. Se gaseste in:

tesuturile fotosintetice;

tesuturile de rezerva: semintele plantelor, tuberculi si radacini.

Amidonul se extrage din:

- semintele cerealelor: amidonurile cerealiere: grau, porumb, orez, orz, manioc;

- semintele leguminoaselor. amidonurile leguminoase: linte, mazare, fasole;

radacini si tuberculi: amidon de cartofi; amidon de tapioca;

tulpini: amidon de sago;

fructe: amidon de banane.

Plantele utilizeaza amidonul ca o cale de depozitare a excesului de glucoza, sub forma de granule si, de asemenea, utilizeaza amidonul ca aliment in timpul fosforilarii oxidative in mitocondrii. Amidonul este polizaharidul cel mai utilizat in dieta omului (cerealele, radacinile si tuberculi sunt sursele principale de amidon din dieta zilnica).

4.1. Structura amidonului

Granula de amidon prezinta trei niveluri de structura:

nivel molecular sau structura chimica;

microstructura;

nivel cristalin.

Structura chimica Amidonul are urmatoarea formula chimica (C₆H₁₀O₅)_n. El este un homopolimer al D-glucozei, la care unitatile de D-glucoza sunt legate, intre ele, in principal, prin legaturi α-(1,4) glicozidice (95-96%) si legaturi α-(1,6) glicozidice (5-4%). Legatura α-(1,4) glicozidica este o legatura axiala ecuatoriala, cu un unghi ascutit, ceea ce permite lantului liniar de α-glucan sa se plieze si sa se rasuceasca. In stare solida, lanturile liniare au forma unui resort comprimat, helix cu 6 unitati de glucoza la o spira. Fiecare lant de α-glucan prezinta la extremitatea sa in pozitia C₁ o functie pseudoaldehidica reducatoare.

Amidon este un amestec de doi polimeri cu structuri primare diferite:

amiloza cu structura liniara, in proportie de 20-25%;

amilopectina cu structura ramificata, in proportie de 75-80%.

In functie de raportul dintre cei doi polimeri se deosebesc urmatoarele tipuri de amidon:

amidon comun: amiloza 25-26%; amilopectina 75-74%;

amidon ceros: amilopectina in proportie de 97-99%;

amidon amilozic, cu continut de amiloza de pana la 50-80%.

Granula de amidon purificata contine si o serie de componente minore: proteine, lipide, substante minerale (<1%, in functie de tipul de amidon) care influenteaza comportamentul amidonului in timpul proceselor de transformare si calitatea produselor finite.

Atat amiloza, cat si amilopectina contin polimeri ai unitatilor de D-glucoza in conformatia ⁴C₁. La amiloza acestea sunt legate α-(1,4) cu toti atomii de oxigen din ciclu de aceeasi parte, pe cand la amilopectina apar si legaturi α-(1,6) care se formeaza la punctele de ramificatie.

In figura 1 este indicata structura chimica atat a amilozei cat si a amilopectinei.

Figura 1. Structura amilozei si amilopectinei

Amiloza contine in principal un singur lant neramificat cu 500-20000 unitati de D-glucoza legate α- (1,4), in functie de sursa (doar cateva ramificatii α - (1,6) si grupari fosfat legate au putut fi gasite, dar acestea au o mica influenta asupra comportamentului moleculei). Amiloza poate capata o forma extinsa (raza hidrodinamica 7-22 nm) dar, in general, tinde sa se infasoare intr-un singur helix puternic rasucit la stanga. Helixul simplu al amilozei are hidrogenul care leaga atomii O₂ si O₆ pe suprafata exterioara a helixului si numai oxigenul ciclului care se leaga la interior. Hidrogenul care leaga lanturile aliniate determina retrogradarea si unele eliberari ale apei legate (sinereza). Aceste lanturi aliniate pot apoi forma cristalite cu benzi duble care sunt rezistente la actiunea amilazelor. Acestea poseda legaturi de hidrogen extinse inter si intra-benzi, care conduc la o structura hidrofoba cu solubilitate redusa. Continutul de amiloza al amidonului este cauza principala a formarii amidonului rezistent. Helixul singular al amilozei se comporta similar cu cilodextrinele. Amiloza formeaza complexe cu moleculele hidrofobe: iod, catene de hidrocarburi si acizi grasi. Reactia de complexare cu iodul sta la baza caracterizarii analitice a amidonurilor si la stabilirea gradului de hidroliza a acestuia, culoarea complexului format intre lanturile liniare si I₂ fiind influentata de lungimea lantului. Lanturile cu grade de polimerizare (GP) diferite dau culori, de asemenea, diferite:

GP = 9-12 formeaza complexe de culoare galben-brun pana la brun;

GP = 12-15 formeaza complexe de culoare brun pana la rosu;

GP> 15 formeaza complexe de culoare violet pana la albastru.

Amilopectina este componentul ramificat al amidonului format din resturi de α-D-glucopiranoza cuplate, in principal, prin legaturi α-(1,4) si legaturi de ramificate α-(1,6) in proportie mica. In figura 1 este indicata structura chimica a amilopectinei. Fiecare molecula de amilopectina contine un milion de resturi de glucoza, aproximativ 5% formeaza puncte de ramificare. Amilopectina are structura formata dintr-un ansamblu de ciorchine (cluster, figura 2), care cuprinde:

lanturi scurte exterioare neramificate (lanturile A), cu GP 15-16;

lanturi ramificate interne (lanturile B), cu GP 40-45;

lant care contine gruparea reducatoare (lantul C).

Figura 2. Modelul structural al amilopectinei

Microstructura - Amiloza si amilopectina se asociaza intre ele prin legaturi de hidrogen si se aranjeaza radiar in straturi pentru a forma granula de amidon. Granula de amidon se prezinta ca o matrice amorfa in care se gasesc presarate zone cristaline. Granulele native de amidon prezinta susceptibilitate redusa la actiunea enzimelor hidrolitice datorita prezentei zonelor rezistente (cristaline). Zonele amorfe prezinta susceptibilitate ridicata la actiunea enzimelor hidrolitice

Granulele de amidon au marimi diferite, care variaza de la 3 la 100 µ. Amidonul de grau are o distributie mai larga atat a granulelor mici, cat si a celor mari. Forma granulelor, de asemenea, poate fi diferita si sa includa: sfere simetrice si asimetrice, discuri simetrice si asimetrice, poliedre.

Nivelul cristalin Zonele cristaline sunt constituite din lanturi liniare scurte (tip A) ale amilopectinei, cu GP cuprins intre 15-20, periodicitatea cristalitelor (50 - 60 Å) datorandu-se legaturilor ramificate α-(1,6) glicozidice (Figura 3).

Din punct de vedere al tipului de cristalinitate, amidonurile se clasifica in:

amidon tip A, caracteristic amidonurilor cerealiere;

amidon de tip B, care cuprind: amidonurile din tuberculi; amidonurile bogate in amiloza, >40%; amidonurile retrogradabile;

amidonul tip C, caracteristic amidonurilor leguminoase, care corespund unui amestec de structuri tip A si B.

4.2. Solubilitatea amidonului

La temperatura camerei si la un pH cuprins intre 3-10, granulele de amidon sunt insolubile, datorita organizarii interne a granulelor de amidon nativ, in ciuda faptului ca amidonul este o molecula puternic hidroxilata si, deci, hidrofila. Granulele native de amidon sunt insolubile in apa, dar se umfla usor si devin partial hidratate. Sistemul apa-amidon este multifazic, datorita prezentei amilopectinei si amilozei, doua structuri cu comportamente diferite fata de apa.

Pentru solubilizarea amidonului se aplica un tratament hidrotermic (peste 60^oC), cand are loc distrugerea ireversibila a granulei de amidon. Acest fenomen poarta denumirea de gelatinizare.

Gelatinizarea amidonului Gelatinizarea amidonului este una din cele mai importante proprietati fizice ale amidonului. Gelatinizarea amidonului este un proces relativ complex care implica distrugerea structurii ordonate a granulelor de amidon si decurge diferentiat dupa specia botanica si cristalinitatea amidonului nativ.

In cazul aplicarii tratamentelor hidrotermice granulele de amidon trec succesiv prin stadiile:

- granula umflata - Initial (20 - 60^oC), granulele de amidon se umfla ca rezultat al absorbtiei a 30-40% apa.

- granula gelatinizata - La atingerea temperaturii de gelatinizare 60 la 85^oC granulele de amidon se umfla tangential si simultan si isi pierd birefringenta si cristalinitatea datorita ruperii legaturilor de H. In intervalul de temperatura mentionat este absorbita mai multa apa de amiloplaste, acestea se rup si amiloza este prima componenta eliberata, urmata apoi de producerea simultana a doua fractiuni de amidon.

- granula solubilizata. La cresterea ulterioara a temperaturii rezulta dezintegrarea granulelor in fragmente mai mici si in distrugerea amilopectinei. Creste solubilitatea si transparenta pastei, precum si vascozitatea solutiei de amidon. Gelatinizarea totala se asigura atunci cand amidonul pierde structura cristalina.

Factorii care influenteaza gelatinizarea amidonului sunt:

continutul de apa;

concentratia amidonului;

natura amidonului;

enzimele de degradare;

alti factori de mediu: continutul de grasime; continutul de proteine; temperatura care determina: absorbtia apei de amiloplaste, ruperea amiloplastelor, formarea retelei de amidon, hidratarea retelei ruperea retelei in diferite puncte, gelatinizarea; legaturile de hidrogen. Gelatinizarea amidonului este fundamentala pentru diferite tipuri de produse alimentare: paine si produse de patiserie; paste fainoase; snack-uri pe baza de amidon; cereale pentru micul dejun; fainuri pregelificate; produse pentru copii (baby foods). Gradul de gelatinizare a amidonului poate fi determinat calitativ si cantitativ prin: metode fizice; chimice si biochimice; prin pierderea birefringentei; cresterea vascozitatii si susceptibilitatii la enzime; descresterea entalpiei, prin rezonanta magnetica de protoni; prin calorimetrie de scanare diferentiala; prin pierderea patern-ului de difractie in raza X si cu ajutorul biosenzorilor pentru maltoza. Proprietatile reologice ale dispersiilor de amidon evidentiaza comportamentul nenewtonian, tixotrop si vascoelastic, conditionate de: originea amidonului, temperatura, concentratie, cinetica incalzirii si agitare.

Prin racirea pastelor de amidon au loc reorganizari ale amilozei si amilopectinei, fenomen care poarta denumirea de retrogradarea amidonului.

Retrogradarea amidonului este fenomenul de trecere ireversibila a macromoleculelor din stare solubilizata sau puternic umflata, in forme insolubile sau microcristalite.

4.3. Obtinerea amidonului din porumb

Schema tehnologica de obtinere a amidonului din porumb este prezentata in figura 3.

Figura 3. Schema tehnologica de obtinere a amidonului din porumb

4.4. Prelucrarea biotehnologica a amidonului

Prelucrarea biotehnologica a amidonului presupune trei tipuri de transformari:

hidroliza amidonului cu obtinere de maltooligozaharide, maltodextrine, sirop de maltoza, sirop de glucoza si dextroza;;

izomerizarea glucozei cu obtinere se izosirop;

reactii de sinteza cu obtinere de ciclodextrine si zaharuri de sinteza. In figura 4 sunt prezentate procesele enzimatice folosite in industria amidonului.

Figura 4. Principalele transformari enzimatice din industria amidonului

4.4.1. Hidroliza amidonului

Hidroliza industriala a amidonului cuprinde doua etape de transformare:

lichefierea - dextrinizarea amidonului prin care se urmareste solubilizarea macromoleculei de amidon si cresterea stabilitatii solutiilor obtinute la temperaturi <60^o, in vederea zaharificarii. Lichefierea este procesul de scadere brusca a vascozitatii dispersiilor de amidon. Dextrinizarea este procesul de depolimerizare hidrolitica a amidonului, cu formare de dextrine cu mase moleculare diferite in functie de conditiile tratamentului. Pentru lichefiere - dextrinizare se folosesc acizi (HCl, H₂SO₄ sau, acid oxalic) sau α-amilaze termostabile. Reactia care are loc este urmatoarea:

In aceasta etapa se obtin, in afara de prehidrolizate, ce se supun zaharificarii si maltodextrine, care sunt oligozaharuri liniare sau ramificate cu 5-10 unitati de glucoza si care sunt caracterizate printr-un echivalent de dextroza (DE) <20;

zaharificarea prehidrolizatelor pentru obtinerea de siropuri de glucoza sau dextroza, siropuri de maltoza sau de maltooligozaharide. Pentru zaharificare se folosesc enzimele: α-amilaza fungica, β-amilaza, amiloglucozidaza, exomaltohidrolaze, enzime de deramificare, cum este pullulanaza. Gradul de conversie a amidonului la hidroliza se caracterizeaza prin echivalentul de dextroza sau DE. DE reprezinta puterea reducatoare a unui hidrolizat, exprimat in raport de dextroza (α-D-glucoza pura, cristalina) in procente fata de substanta uscata.

A. Lichefierea - dextrinizarea amidonului se realizeaza in urmatoarele scopuri:

- obtinerea unor hidrolizate cu vascozitate redusa, in cazul unor concentratii ale suspensiei de amidon >30%, pentru o, prelucrare eficienta a acestora in etapa de zaharificare;

- solubilizarea totala a macromoleculelor de amidon, astfel incat, substratul sa se gaseasca intr-o stare moleculara care sa permita o interactiune ,maxima enzima-substrat.;

- crearea unor conditii pentru o separare cat mai usoara a constituentilor neamidonosi;

- dextrinizarea pana la un grad de hidroliza exprimat ca DE al prehidrolizatelor, care sa nu permita retrogradarea acestora decat in limite foarte mici. In aceasta etapa se realizeaza valori ale lui DE, cuprinse intre 20-20, valorile optime fiind de 14-18, atunci cand etapa de dextrinizare precede etapa de zaharificare.

Pentru realizarea lichefierii - dextrinizarii se utilizeaza metodele:

- metoda hidrolizei acide cu HCl, H₂SO₄ sau mai rar acid oxalic, in sistem discontinuu sau continuu. In sistem discontinuu hidroliza amidonului decurge conform schemei prezentate in figura 5. Hidroliza acida in sistem continuu presupune trecerea suspensiei acidulate printr-un schimbator de caldura la temperatura de 140-160^oC, timp de 5-6 minute;

Figura 5. Hidroliza acida a amidonului in sistem discontinuu

metoda mixta, acida si enzimatica consta in hidroliza acida sub presiune, urmata de tratarea cu α-amilaza bacteriana, mai rar cu α-amilaza fungica;

metoda enzimatica este aplicata pentru obtinerea dextrozei (DE 100) si a siropului de glucoza cu DE>80. Enzimele folosite sunt: α-amilaza moderat termostabila si α-amilaza termostabila. α-amilazele sunt endoenzime specifice legaturilor α-(1,4). Ele depolimerizeaza amidonul pana la glucoza si oligozaharide (α-dextrine care au legaturi α-(1,4) si un numar limitat de ramificatii α-(1,6), maltotrioza, maltoza). Cele mai multe α-amilaze au activitate optima la pH 4,8-6,9 si la 40-50^oC. Pentru lichefierea - dextrinizarea enzimatica a amidonului se utilizeaza 2 tehnici:

a) cu o singura doza de enzima: α-amilaza. In acest caz se folosesc α-amilaze stabile la temperaturi ridicate (α-amilaze termodurice, temperaturi < 90^oC), sintetizate de bacteriile:

Bacillus licheniformis: se folosesc preparatele enzimatice comerciale Termamyl, Optitherm; Rohalase AT;

Bacillus stearothermophius: se foloseste preparatelul enzimatic comercial Nervanase sau amestecuri de 2 amilaze: Termamyl KLLS si Nervanase.

In prezent se utilizeaza α-amilaze acidofile (Termamyl LS, pH 5,4), care prezinta avantajul ca formeaza cantitati mai mici de maltuloza si compusi de culoare la valori de pH < 5,5. In fig. 6 este prezentata schema de dextrinizare - lichefiere enzimatica intr-o singura treapta.

Figura 6. Schema de lichefiere - dextrinizare enzimatica a amidonului intr-o singura treapta

b) cu adaos de enzima in doua trepte (figura 7).

Figura 7. Schema tehnologica de lichefiere - dextrinizare enzimatica a   amidonului cu α-amilaza moderat termostabila in doua trepte

rProducerea maltodextrinelor

In etapa de lichefiere - dextrinizare se obtin:

prehidrolizate, care se valorifica in etapa de zaharificare;

maltodextrine, produse de hidroliza a amidonului cu DE <20%. Prin variatia concentratiei substratului, concentratiei enzimei, regimului de temperatura si a duratei de hidroliza se obtine o gama larga de maltodextrine, cu caracteristici diferite. Dintre maltodextrinele tipice, cele mai cunoscute sunt maltodextrinele Maltrin, cu DE si continuturi de glucoza, maltoza si maltotrioza diferite. Un tip special de maltodextrine sunt maltodextrinele formatoare de geluri termoreversibile obtinute prin hidroliza amidonului de cartofi, conform schemei din figura 8:  

Figura 8. Schema tehnologica de obtinerea a maltodextrinelor formatoare de geluri termoreversibile

B. Zaharificarea prehidrolizatelor

Metoda de zaharificare a prehidrolizatelor depinde de urmatorii parametri tehnologici:

gradul de hidroliza al prehidrolizatelor, obtinute dupa lichefiere - dextrinizare;

concentratia substratului si a enzimei;

tipul de enzima sau sistemul enzimatic utilizat;

durata procesului.

Enzimele frecvent folosite pentru zaharificare sunt:

amiloglucozidaza;

α-amilaza fungica;

β-amilaza;

exomaltohidrolaze specifice.

Prin zaharificarea prehidrolizatelor de amidon se obtin o gama larga de indulcitori ai amidonului, diferentiati prin compozitie si proprietati functionale.

Producerea siropurilor de maltooligozaharide

Siropurile de maltooligozaharide se pot obtine din hidrolizate de amidon, amidon solubil, amilopectina sau amiloza prin actiunea hidrolitica a exomaltohidrolaze specifice sau in combinatie cu o enzima de deramificare (Tabel 1)

Tabel 1. Tipuri de exomaltohidrolaze si produsii re reactie rezultati in urma hidrolizei hidrolizatelor de amidon

Importanta siropurilor de maltooligozaharide decurge din o serie de proprietati ale acestora si anume: nu sunt cariogene, sunt nefermentescibile si au efect pozitiv asupra microflorei intestinale.

Producerea siropurilor de maltoza si a siropurilor de conversie inalta

Siropurile de maltoza se obtin cu ajutorul enzimelor cu activitate maltogenica: -amilaze fungice, -amilaza din malt, -amilaza bacteriana - singure sau in amestec cu enzime de deramificare (pullulanaza).

Siropurile de conversie inalta se obtin cu ajutorul enzimelor cu activitate maltogenica cat si glucogenica (preparate enzimatice comerciale Fungamyl 800L si AMG 200L).

Producerea siropurilor de glucoza

Siropurile de glucoza sunt indulcitori importanti, obtinuti prin hidroliza amidonului prin:

metoda acida;

metode acid-enzima;

metode enzima-enzima.

In functie de tehnica folosita siropurile cu acelasi DE prezinta o structura compozitionala diferita, precum si proprietati functionale diferite. Ele se clasica, in functie de DE, astfel:

tip I, siropuri cu grad de conversie scazut: DE

tip II, siropuri cu grad de conversie normal: DE

tip III, siropuri cu grad de conversie mediu: DE

tip IV, siropuri cu grad de conversie ridicat: DE >73.

Hidroliza acida a amidonului se foloseste pentru obtinerea siropurilor de glucoza de tip I si II, iar metoda acid-enzimatica presupune o etapa de prehidroliza acida a amidonului, urmata de o zaharificare cu amiloglucozidaza pentru obtinerea siropurilor tip III si IV. In figura 9 este prezentata schema tehnologica de obtinere a siropurilor de glucoza propusa de Corn Refiners Association.

Figura 9. Schema tehnologica de obtinere a siropului de glucoza propusa de Corn Refiners Association

Producerea dextrozei

Dextroza se obtine numai prin folosirea metodei enzima-enzima in vederea hidrolizei totale a amidonului. Procedeul enzima-enzima permite obtinerea dextrozei monohidrat, dextrozei anhidre, zaharului total si a siropului de dextroza folosit la obtinerea izosiropului. Procedeul consta in:

lichefiere a - dextrinizarea amidonului cu o α-amilaza bacteriana termodurica;

zaharificarea cu glucoamilaza fungica si/sau enzima de deramificare se realizeaza discontinuu sau semicontinuu in instalatii prevazute cu agitatoare.

4.4.2. Izomerizarea siropului de dextroza. Obtinerea izosiropului

Glucoza din siropuri poate fi izomerizata cu glucoizomeraze la fructoza pentru cresterea puterii de indulcire (173 la fructoza, fata de 74 la glucoza).

Glucoizomeraza este o enzima intracelulara, de origine microbiana, care din punct de vedere al modului de actiune este o oxidoreductaza intramoleculara ce catalizeaza intertransformarea aldozelor in cetoze. Substraturile naturale ale enzimei sunt D-xiloza, D-glucoza, D-sorbitolul si D-riboza, care sunt transformate in formele lor cetonice D-xiluloza si D-fructoza. Glucozizomeraza este o metaloenzima care in forma cristalina contine elementele cobalt si magneziu. Glucoizomeraza activa este un polimer constituit din patru subunitati inactive identice si are masa moleculara cuprinsa intre 157-175 kDa. Cobaltul mareste in mare masura termostabilitatea si activitatea enzimei, iar ionii de magnezii actioneaza ca activatori ai enzimei. In centru catalitic al glucoizomerazei se gaseste lizina, care actioneaza prin cele 2 grupari amino amfionice, izomerizarea decurgand printr-un mecanism endiolic. Temperatura optima a glucoizomerazelor este cuprinsa intre 60-90^oC, iar pH-ul optim intre 6,5-9.

Figura 10. Schema tehnologica de obtinere a diferitelor tipuri de dextroza

Izomerizarea glucozei se poate realiza pin mai multe metode:

cu ciclohexilamina;

izomerizare alcalina;

izomerizare cu schimbatori de ioni;

izomerizare enzimatica.

Primele trei metode prezinta dezavantajul formarii unor cantitati mai mari de produse secundare: psicoza, manoza si substante colorante.

Procedeul enzimatic utilizeaza glucozizomeraza pentru conversia glucozei la fructoza si se realizeaza in sistem discontinuu sau continuu, cu enzime solubile neimobilizate sau cu enzime imobilizate. Cele mai utilizate preparate comerciale de glucozizomeraza se obtin din tulpinile de bacterii Bacillus coagulans, Streptomyces albus, Streptomyces murinus, (Sweetzyme) Actinoplanes missouriensis. 1 kg de Sweetzyme poate produce 18000 kg s.u. sirop de fructoza.

Figura 11. Schema tehnologica de obtinere a izosiropului prin izomerizare discontinuu

Folosirea enzimelor imobilizate prezinta urmatoarele avantaje:

ofera posibilitatea reutilizarii enzimei;

permite eliminarea impurificarii produsului finit cu enzima;

formarea produsului finit poate fi controlata mai riguros;

proprietatile enzimei pot fi modificate favorabil prin imobilizare.

Dezavantajele folosirii enzimelor imobilizate sunt:

activitatea specifica a enzimei imobilizate este mai mica, in comparatie cu aceea a enzimei solubile;

exista riscul alterarii centrului catalitic activ al enzimei;

aparitia unor fenomene de impiedicare sterica datorita suportului utilizat sau diferentelor de porozitate. Din punct de vedere al utilizarii industriale a preparatelor de glucozizomeraza trebuie sa indeplineasca cateva criterii de baza:

enzima trebuie sa suporte temperaturi de min. 60^oC, pentru a preveni contaminarea bacteriana a produsului;

enzima trebuie sa manifeste maximum de activitate enzimatica la valori ale pH-ului <6,5, pentru a exclude transformarea fructozei rezultate prin reactie alcalina, in D - psicoza, zahar al carui metabolism este mai putin cunoscut;

preparatul enzimatic sa poata izomeriza glucoza in solutie cu concentratie ridicata de s.u. de circa 30-50%;

preparatul enzimatic de glucozizomeraza sa actioneze specific, incat sa nu fie izomerizate alte zaharuri existente in hidrolizatul de amidon, astfel ca fructoza sa ramana singurul produs de transformare;

este de dorit ca enzima sa lucreze fara adaos de cobalt, deoarece acesta naste indoieli indreptatite de natura alimentara, desi el poate fi complet indepartat prin demineralizare cu schimbatori de ioni;

enzima sa fie insensibila la impuritatile rezultate prin prelucrarea hidrolizatului de amidon initial;

enzima acre raspunde cerintelor enuntate trebuie sa poata fi imobilizata pe un suport insolubil pentru a fi utilizata continuu fara a impurifica produsul finit.

Procedeul cel mai larg utilizat este procedeul de izomerizare continua in reactoare tip coloana cu pat fix (coloane scurte si largi) si in pat fluidizat (coloane lungi si subtiri). In coloana cantitatea de enzima este fixa, dar activitatea scade logaritmic cu timpul de utilizare. Debitul siropului de glucoza prin coloana trebuie scazut odata cu scaderea activitatii enzimei, pentru a obtine un produs cu continut constant de fructoza. Se recomanda utilizarea mai multor coloane legate in serie (Figura 13), cand variatiile debitului de produs si timpul de stationare total scad. Prezenta oxigenului in substrat implica:

colorarea mai intensa a siropului in comparatie cu izomerizarea in prezenta de gaz inert sau de sulfit (0,02-0,07%, fata de s.u. a lichidului izomerizat;

formarea acizilor;

consum mai mare de alcalii pentru controlul pH-ului;

provenienta enzimei: glucozizomeraza. Glucozizomeraza sintetizata de Streptomyces phaeochromogenes este insensibila la oxigenul atmosferic.

In procesul continuu, oxigenul atmosferic are o actiune pronuntata de inactivare a enzimei. Glucozizomeraza utilizata in procedeul continuu este Sweetzyme imobilizata produsa de Novo Industries A/S, cu urmatoarele caracteristici: temperatura de 65^oC, pentru productivitatea maxima a enzimei; pH-ul <5 determina denaturarea ireversibila a enzimei; in cazul izomerizarii la pH>8,0 nu este esential adaosul de ioni de Co²⁺ si Mg²⁺, la pH<8,0 prezenta Mg²⁺este necesara la concentratii de 8.10^-3 M, in cazul in care siropul de glucoza nu contine Ca²⁺, enzima este sensibila la prezenta oxigenului atmosferic, in special, la temperaturi ridicate, puritatea siropului este o conditie foarte importanta pentru stabilitatea enzimei, marimea particulelor de enzima influenteaza activitatea enzimei, dar nu si stabilitatea ei.

pH-ul alcalin favorizeaza formarea psicozei, manozei, sorbozei, compusilor acizi si a substantelor colorate. Pentru caracterizarea izomerizarii tehnice a glucozei la fructoza se utilizeaza ca indicatori mai importanti:

timpul de injumatatire - timpul in care enzima pierde 50% din activitatea de izomerizare in conditii de lucru continui;

timpul de contact - timpul in care enzima este in contact cu substratul;

gradul de izomerizare exprimat prin cota parte din glucoza acre a fost izomerizata la fructoza;

productivitatea exprimata prin raportul dintre substanta uscata izomerizata , cu grad de izomerizare diferit si cantitatea de enzima utilizata.

Figura 13. Schita instalatiei de izomerizare a glucozei pentru obtinere a siropului de fructoza (100 t/zi, Crueger and Crueger, 1989)

Procedeul continuu de izomerizare este de preferat celui discontinuu deoarece:

doza de enzima este mai mica;

costul aditivilor este mai redus;

costurile de purificare sunt mai mici;

volumul reactorului mai mic. Izomerizarea discontinua a glucozei cu Sweezyme se face in tancuri de 25-120 m³. Enzima imobilizata nu se degradeaza fizic dupa 20 ore de utilizare, dar activitatea ei scade lent dupa 5-6 reutilizari. Pentru a mentine constant continutul de fructoza, timpul de reactie trebuie prelungit sau cantitatea de enzima se suplimenteaza.

Metode de separare a fructozei din izosiropurile tipice

In scopul suplimentarii izosiropurilor cu noi cantitati de fructoza, aceasta se poate separa din amestecul format in urma izomerizarii in urmatoarele moduri:

Cristalizarea glucozei

Precipitarea glucozei sub forma de sare dubla glucoza-NaCl

Separarea fructozei sub forma de fructozat de calciu

Scoaterea continua a fructozei din reactia de izomerizare prin complexare cu borat

Oxidarea selectiva a glucozei cu glucozoxidaza imobilizata urmata de indepartarea acidului gluconic sub forma de gluconat de calciu insolubil

Separarea fructozei prin fermentatia alcoolica specifica a glucozei

Separarea cromatografica a izosiropului tipic 42.