INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA
INGENIERÍA QUÍMICA
TALLER DE INVESTIGACIÓN I
PROYECTO FINAL:
ORIGEN DE LA PAPAÍNA Y SUS USOS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA
CONTENIDO
Resumen X
Justificación e Importancia X
Introducción X
Enzimas X
Proteasas X
La Papaya X
Extracción y Procesamiento del Latex X
Extracción X
Procesamiento X
La Papaína X
Calidad de la Papaína Liofilizada X
Ventaja de la Papaína frente a otras Enzimas X
Usos y aplicaciones de la Papaína X
Papaína en la Carne X
Papaína en la Cerveza X
Mercado de la Papaína X
Producción de la Papaína X
Conclusiones X
Bibliografía X
Origen de la Papaína y sus Usos en la Industria Alimentaria
Resumen
El campo, que los adelantos biotecnológicos estan abriendo,
parece no tener fin a la hora de crear nuevas aplicaciones para toda clase de
elementos. Un caso en específico es el de la papaya, de la cual se
esta obteniendo una sustancia conocida como papaína, que entre otras
aplicaciones, puede ablandar la carne y aclarar la cerveza.
El objetivo de este trabajo fue conocer el origen y los beneficios de la
utilización de la enzima papaína en la industria, principalmente
la alimentaria.
Justificación eImportancia
La papaya es uno de los seis cultivos tropicales que en los últimos
años ha sostenido el mayor crecimiento en las zonas costeras.
México es el segundo productor y el principal exportador de este fruto
desde hace varios años; en el 2002 las exportaciones de papaya redituaron
a nuestro país una ganancia de casi 31 millones de dólares. La
razón de que la papaya ha logrado un alto valor comercial es porque de
ella puede extraerse la papaína y por las diversas aplicaciones que esta
enzima tiene: ablandador de carnes, elaboración de quesos, clarificador
en la industria cervecera (Arnon et. al., 1970) e ingrediente de la industria
farmacéutica (Liener, 1974). Por lo anterior la comercialización
de la papaína extraída del latex de la papaya es
económicamente mas atractiva que la venta del producto sin
procesar (actividad cuyo margen de utilidad es mayor al 30%). Los estudios de
la relación entre la estructura y la función biológica
realizados sobre esta proteína, y sobre sus derivados e intermediarios,
son importantes pues permitiran sentar las bases moleculares para el
diseño de proteasas sulfhídricas la estabilidad y especificidad
que los diferentes procesos de las industrias alimentaria y farmacéutica
requieren (Tao et. al., 1994 y Lundblan, et. al., 1997); ademas de la
importancia económica en nuestro país.
Introducción
Enzimas
Las enzimas, como catalizadores naturales son una riqueza de creciente
importancia. Su uso reduce el tiempo invertido en un proceso determinado, la
cantidad deenergía consumida y disminuye la posibilidad de subproductos
indeseables.
Las enzimas catalizan tanto la formación como la ruptura de enlaces
químicos. Pero su explotación comercial ha sacado mas
partido a la segunda clase de catalisis: la descomposición de
macromoléculas (polisacaridos o proteínas, sobre todo).
Los principales enzimas utilizados en la industria alimentaria son:
1.- Las Proteasas, enzimas que degradan las proteínas mediante la
hidrólisis de los enlaces peptídicos dando como resultado cadenas
mas cortas (péptidos) o aminoacidos libres, son utilizados
en varios tipos de industria, como en cervecería, ablandamiento de
carnes, fabricación de detergentes, tratamiento de cuero y
fabricación de quesos.
2.- Las Amilasas son una familia de enzimas que rompen el almidón
(polisacarido), primero en cadenas cortas y luego en glucosa libre. Las
amilasas son utilizadas en cervecería, en panificación e
industria textil. La principal aplicación de las amilasas es en la
industria cervecera.
Proteasas
Las proteasas sulfhídricas son enzimas presentes en todos los organismos
que comparten una misma estructura tridimensional formada por dos dominios
estructurales de poco mas de 100 residuos de aminoacido cada uno.
La actividad enzimatica de estas proteasas depende del grupo tiol de un
residuo de cisteína localizado en la interface entre los dos dominios
(Baker y Drenth, 1987). Los procesos de desplegamiento de la
conformación nativa (N) para alcanzar la desnaturalizada (D), reportados
hasta ahora para estasenzimas, se ajustan a un modelo irreversible sin la
presencia de estados intermediarios estables (Solís et. al., 1998,
López et. al., 1999 y Tello, 2000). Tal irreversibilidad implica que
estas enzimas no son reutilizables en su ambiente natural ni en las diversas
aplicaciones industriales y farmacéuticas en que se emplean. A partir
del estudio a pH 2 sobre un derivado carboximetilado del miembro mas
conocido de esta familia, la papaína, se publicó la existencia de
una estructura parcialmente estructurada (A) capaz de replegarse (Edwin y
Jagannadham, 1998). Esto es muy interesante si consideramos la utilidad
científica e industrial que conlleva dicho comportamiento.
La Papaya
La papaya cuyo nombre científico es Carica papaya, pertenece a la
familia de las Caricaceas, nativa de Centroamérica, posiblemente
entre el sur de México y el norte de Nicaragua. La primera
mención de la misma fue en el año 1535 y se le atribuye a Oviedo
(Gonzalo Fernandez de Oviedo 1478-1557, historiador español),
quien informó a los reyes de España haber visto plantas de
papayas creciendo en dicha región.
Su llegada al Caribe y a Suramérica se debió a los marinos
españoles y portugueses. En estos lugares se le conoce con diferentes
nombres, tales como fruta bomba, lechosa, papaw, pawpaw y otros. Su
distribución en todo el resto del mundo tropical se logra durante el
siglo XVI.
El fruto de la papaya, tiene diferentes usos, tanto como fruta fresca, en
jugos, en batidos, en helados, como parte de las ensaladas, dulces diversos
deelaboración casera o envasados por la industria, tanto semi verdes
como maduros. Algunos países de Asia, Africa y Oceanía los
destinan a la obtención de latex. De este líquido lechoso
que es abundante en los frutos verdes, se extrae la papaína. La
papaína se usa ampliamente como ablandadora de carnes y también
en la clarificación de cervezas y otras bebidas. Es de gran utilidad
para suavizar las lanas, así como en el curtido de las pieles. Tiene
gran aplicación en la fabricación de caucho y ademas en la
preparación de productos medicinales y de remedios caseros, etc. La
fruta en general estimula la digestión y previene los padecimientos en
el estómago. Específicamente la papaya sirve en el tratamiento de
(Brüssel, Floripe): Parasitos, especialmente amebas (por la
carpaína, que se encuentran en la semillas y hojas), microbios (las
semillas contra bacterias G+), hongos, úlceras crónicas,
quemaduras, limpieza de raíces de dientes (papaína),
ademas, golpes e hinchazones.
Sin lugar a duda que uno de los usos industriales mas importantes de la
papaya esta en la extracción del latex para la
obtención de la papaína, enzima proteolítica o
proteínasa similar en acción a la pepsina o tripsina humana.
La papaína es una enzima proteolítica, con un peso molecular de
23.000 daltons, es una enzima de origen vegetal abundante en el mercado
mexicano, la cual comúnmente se aplica en tratamientos cosméticos
para remoción de células cutaneas muertas y en la
industria alimenticia como ablandador de carne (Alvarez y col.,2000, Lil
y col., 2001). Ademas, la aplicación de papaína en materiales
de curación concuerda con las experiencias reportadas para las
diferentes proteasas de origen animal (Vlasov y col., 1988, Markvicheva y
Kuptsova, 2000). En la practica médica actual, el desbridamiento
de la úlcera es esencial para que la herida cicatrice correctamente, ya
que el tejido necrótico es un caldo de cultivo para bacterias y puede
causar infección, lo que se previene eliminandolo sin
dañar el tejido sano subyacente. La eliminación de tejido
necrótico se puede realizar mediante la aplicación de proteasas
las cuales degradan la fibrina, el colageno desnaturalizado y la
elastina, permitiendo una limpieza de la herida y aceleración del
proceso de curación (Vlasov y col., 1988, Markvicheva y Kuptsova, 2000).
Extracción y Procesamiento del Latex
Extracción
Para la extracción del latex se seleccionan frutos verdes y
completamente desarrollados, de 3-4 meses de edad aproximadamente. El
número de frutas que deben tomarse para efectuar las sangrías
puede variar de seis a diez o mas. Usualmente el número
seleccionado es arbitrario. El fruto puede recibir varias incisiones
repetidamente a intervalos de cinco a ocho días, hasta que el fruto del
latex comience a disminuir, al extremo que justifique la remoción
de la fruta del arbol. Se ha reportado que incisiones hechas cada dos
semanas proporcionan mayores rendimientos que las realizadas semanalmente.
También el tamaño del fruto tiene importancia en el rendimiento
del latex. Losfrutos de 2 a 2.5 meses de edad presentan las mas
altas producciones de latex y papaína cruda. Igualmente, frutas
de 23 a 25 cm de largo producen los mas altos rendimientos en ambos
productos y tienen una mayor actividad de extracción.
Todas las incisiones deben ser hechas verticalmente y no mas de 4
sangrías deben hacerse a un fruto al mismo tiempo. Cuando la fruta,
independientemente de su tamaño comienza a presentar los primeros
síntomas de madurez, la producción de latex y la
concentración de enzimas disminuyen rapidamente.
Procesamiento
El latex debe ser procesado (secado) inmediatamente después de
ser extraído del fruto. El proceso de secado puede hacerse a pleno sol o
también utilizando otra fuente de calor. En este último caso, el
uso de hornos es esencial. El diseño y características del tipo
de horno mas adecuado dependen de la disponibilidad de la fuente de
calor. Éstos deben ser regulados para garantizar un suministro promedio
de 25 ºC, ya que el calor excesivo destruye el principio activo de la
papaína. Si se proporcionan las condiciones óptimas de calor, el
proceso de secado del latex puede ser completado en aproximadamente 20
horas.
El latex coagulado puede producir el 25% de su peso en polvo seco, el
cual aún contiene 6-10% de humedad y presenta una coloración
blanco-cremosa. Se conoce que el uso de solventes como el alcohol y la acetona,
tiene acción sobre la precipitación y deshidratación del
latex.
El producto comercial se considera de buena calidad cuando tiene la capacidad
dedigerir 35 veces su propio peso. La pérdida de calidad esta
asociada con numerosos factores, entre los cuales merecen destacarse, la edad
de los arboles, madurez de los frutos, tiempo de extracción del
latex, velocidad de secado, cantidad de lluvia caída, temperatura
a la cual el latex es secado, sistema de almacenamiento, etc. La
papaína comienza a mostrar signos de descomposición por la
liberación de fuertes olores de productos volatiles,
acompañados por un rapido cambio de color blanco cremoso a
marrón.
La Papaína
Luego de obtener el latex, en laboratorio, se separa la enzima y se
purifica hasta alcanzar un nivel óptimo de calidad para la
comercialización y uso. La enzima se usa en estado líquido o
polvo y tiene una duración mínima de seis meses estando
refrigerada.
La cualidad principal de la papaína es el uso como mejorador de las
carnes, (ablandamiento y aclaramiento), y en el aclaramiento y para evitar la
sedimentación en las cervezas por su acción en los enlaces de las
proteínas.
Calidad de la papaína purificada liofilizada
* Actividad enzimatica: 55.000 calificada en unidades de tirosina/mg
muestra ó usp/mg, según método aoac 971.16 ó
método baae. Regulada de acuerdo a pedido del cliente, según uso
y tipo de industria.
* Estado: polvo liofilizado
* Color: blanco
* Solubilidad: soluble en agua, en cualquier proporción. Insoluble en
alcohol y otras soluciones organicas.
* PH: 5.0 – 5.5 en solución al 5%
* Estabilidad térmica de la actividad enzimatica: invariable
porlargos periodos con almacenamiento refrigerado. Reducción de
actividad enzimatica inferior a 1% después de seis meses de
almacenamiento a temperatura ambiente de hasta 40°C
* Test microbiológico: Plate count maximum: < 500/gr Salmonella:
negative E Coli: negative
* Empaque: contenedores de 0.5 gr a 20 kg. - acordar con cliente –
* Humedad: 2% - 4%
Ventaja de la papaína frente a otras enzimas
La papaína posee ventajas frente a otras enzimas naturales en los
siguientes aspectos:
* Calidad y actividad enzimatica
* Estabilidad en condiciones desfavorables de temperatura humedad y
presión atmosférica
* Se encuentra en alta concentración en el latex que se extrae de
la papaya.
* Posee un alto valor comercial por la diversidad de usos que presenta.
Usos y Aplicaciones de la Papaína
* Industria Cervecera: para evitar que la cerveza se enturbie al congelarla.
Esta turbidez se debe a las proteínas que al enfriar coagulan formando
coloides.
* Industria de la Carne: la actividad proteolítica de la enzima degrada
las proteínas de alto peso molecular, provocando el ablandamiento de la
carne.
Este método de ablandamiento de las carnes es utilizado en los
frigoríficos luego del rigor mortis.
* Industria del Cuero: Esta operación es un ataque controlado de la
proteasa al colageno para disminuir las protuberancias y dar un fino
aspecto al cuero.
* Industria Textil: se usa para desengomar la seda, por lo general con un
tratamiento previo al baño desgomizante principal.También se
utiliza en la industria de la lana para reducir el encogido al lavar y para
mejorar la calidad de las tinturas usadas.
* Industria Medicinal: En el tratamiento de la difteria, úlceras
sifilíticas, eczemas, psoriasis, la cera que se forma en los
oídos y herpes. También se han encontrado aplicaciones como
analgésico y antiinflamatorios en las dismenorreas femeninas y
recientemente en artrosis y osteoporosis.
* Industria de Jugos: es muy utilizada en el pre-tratamiento de las frutas
destinadas a jugos y aceites esenciales, y en vinos como clarificante en
situación similar a la industria cervecera.
* Industria dietética: se emplea en la producción de alimentos
especiales para bebés, ya que mejoran la capacidad de asimilación
de los alimentos al degradar los compuestos de alto peso molecular a cadenas
mas cortas de facil incorporación al torrente circulatorio
alimenticio del bebé.
Papaína en la Carne
En el caso de la carne, su terneza depende de factores como el tejido
conjuntivo que tenga el músculo, el poder de hidratación, el
contenido de grasa entre las fibras musculares y la integridad de las
proteínas.
La ternura se determina, naturalmente, por enzimas propias llamadas Catepsinas.
El proceso de maduración causado por ellas da a la carne un nivel
óptimo de textura, ternura y jugosidad, pero toma semanas de
refrigeración.
Todo esto se puede acelerar mediante la adición de enzimas
proteolíticas -como la papaína- que atacan por proteólisis
las fibras musculares y los compuestos deltejido conectivo tales como el
colageno y la elastina, logrando así un relajamiento en los
enlaces peptídicos de las proteínas.
El mayor uso de la Tecnoenzima (M) esta en las carnes de menor calidad,
justamente para mejorar el producto final.
Papaína en la Cerveza
En el caso de la cerveza, lo que hace la Tecnoenzima (B) es digerir los
fragmentos de proteínas precipitables para evitar el enturbiamiento del
líquido durante el almacenamiento y refrigeración prolongados.
La cerveza contiene proteínas y taninos que se van agregando
gradualmente a la mezcla. Si es almacenada por largo tiempo, o es de naturaleza
inestable, estos agregados se pueden transformar en sedimentos. Ahí
entra la Tecnoenzima (B), que hidroliza los compuestos previniendo la
sedimentación.
Mercado de la Papaína
Entre los principales mercados europeos que deben interesar a los productores
de papaína figuran Bélgica, Francia, Alemania y Reino Unido,
así mismo son importantes Estados Unidos, Italia y Holanda. Los precios
son muy inestables. El mercado prefiere un producto de color blanco cremoso
granulado sin mal olor y con alto grado de actividad proteolítica. Los
principales países productores de papaína son los países
africanos.
El mercado de la papaína esta sujeto a variaciones como
consecuencia de los nuevos usos que cada día se tienen del producto
principalmente en la industria alimenticia.
La explotación de la papaya con fines de producir papaína es una
actividad que merece estudiarse mas a fondo por la serie de
operacionesque conlleva, ya que buena parte de la enzima contenida en el
latex fresco, puede desaparecer en el proceso de la desecación,
debido a la pérdida que se experimenta por la acción de sustancias
reductoras.
La papaína tiene una gran demanda en el mercado internacional y es la
enzima vegetal proteolítico mas importante (Bärtels, 1990).
Aparte de su uso en la medicina y en suavizar carne, se ocupa, entre otros,
para estabilizar cerveza, fabricar cauchos, chicles, y tela de lana y seda que
no se encoge y en la preparación de cosméticos.
Producción de la Papaína
Desde un punto de vista de generación de ingresos esta actividad
proporciona un margen de utilidad razonable. A manera de ejercicio presentamos
un calculo reservado sobre las utilidades. Por ejemplo, si cosechamos
una manzana con 1,946 plantas (en una manzana de terreno podemos plantar en
promedio 2,048 plantas), cada planta de papaya produce 0.0685 Kilogramos de
latex por corte, y se pueden realizar aproximadamente 40 cortes al
año lo que constituye una producción de 5,332 Kg de latex
al año y si consideramos un precio internacional FOB de USA $ 1.6, el
ingreso bruto del productor sería de USA $ 8, 531 por manzana. De los
cuales el promedio de los costos de producción no superan el 75%,
dejando un margen del 25% de utilidad por manzana lo cual es atractivo.
Sus múltiples aplicaciones han permitido que en los últimos
años se comercialice a nivel internacional alrededor de 200 millones de
dólares anuales, de los cuales el 50% pertenece a lasindustrias
relacionadas con la alimentación. Dentro de los principales
países exportadores de papaína cruda tenemos: Zaire, Tanzania,
Uganda y Sir Lanka, por su parte los principales importadores de este producto
son Estados Unidos de Norteamérica, Japón,
Reino Unido, Bélgica y Francia Es importante destacar que de los
diferentes importadores de latex de papaya, los Estados Unidos de Norte
América sería el mercado natural para Nicaragua por la
cercanía, lo que se reflejaría en la reducción en los
costos de transporte y tiempo de recepción de producto, elementos que
establecerían una ventaja competitiva respecto a los exportadores de
Africa y Europa y Asia. Lo anterior no descarta la posibilidad de
incursionar en el mercado europeo o asiatico. En síntesis, existe
un mercado potencial no explotado por los productores y empresarios nacionales.
Conclusión
Bibliografía
* http://es.wikipedia.org/wiki/Papa%C3%ADna
* http://www.terra.com/salud/articulo/html/sal4417.htm
* AGROINDUSTRIA: Dirven Martine – Lima CEPAL 1995.
* www.itdg.org.pe
* Kira, Raymond, Enciclopedia de Tecnología Química, Tomo VI,
primera Edición, Editorial Uteha, España 1962.
* Perry, Manual del Ingeniero Químico, sexta Edición,Tomo VI,
Editorial McGraw-Hill, 1992.
* P Gasesa y J. Hubble, tecnología de las enzimas, Editorial acribis.
S.A., Segunda Edición, Zaragoza España, 1990.
* Océano, Enciclopedia de la Ciencia y La tecnología Tomo V,
ediciones Océano, Barcelona 1980.
* http://seragro.cl/?a=642
*
