Síntesis biocatalítica de polirricinoleato de poliglicerol

Resumen

En la presente Tesis Doctoral se ha llevado a cabo el desarrollo de un proceso biocatalítico para la producción de polirricinoleato de poliglicerol (PGPR), un aditivo alimentario identificado con el código E-476. Dicho aditivo es un potente emulsionante muy utilizado en margarinas y otras emulsiones alimentarias bajas en grasa y con elevado contenido en agua. Su mayor aplicación se encuentra en la industria del chocolate, ya que el PGPR es capaz de reducir notablemente el límite de fluencia y la viscosidad aparente consiguiendo que el chocolate fluya con mayor facilidad, incluso con un bajo contenido graso. La industria del chocolate se beneficia en gran medida de este efecto del PGPR, puesto que permite reducir el porcentaje en grasa total en sus productos, disminuyendo así la cantidad necesaria de manteca de cacao y otras grasas vegetales, materias primas de elevado precio. En la actualidad, la obtención industrial del PGPR se basa en un proceso químico que se desarrolla en dos etapas, ambas a elevada temperatura, presión reducida y atmósfera inerte, empleando como materias primas ácido ricinoleico y poliglicerol. Esta elevada temperatura necesaria en el proceso favorece el desarrollo de reacciones secundarias dando lugar a productos que pueden afectar negativamente a las características organolépticas del producto, y por ende, de los alimentos en los que se emplee. La idea de obtener el PGPR biocatalíticamente se basa en que los procesos enzimáticos se caracterizan por su alta especificidad y reacciones en condiciones suaves de temperatura, por lo que es previsible que el producto resultante tenga una pureza y calidad superiores al obtenido tradicionalmente por vía química, siendo, por tanto, mucho más adecuado para su uso en alimentación. Además, la obtención de PGPR por vía enzimática se puede llevar a cabo en ausencia de disolventes orgánicos, quedando el proceso englobado dentro de la denominada "química verde". Los estudios realizados en este trabajo abarcan las dos reacciones involucradas en la síntesis de PGPR. De esta forma, se han determinado las enzimas más adecuadas para la catálisis de cada una de las reacciones, estudiando sus propiedades tanto en estado libre como inmovilizadas sobre soportes. Para cada una de las lipasas seleccionadas (lipasa de Candida rugosa y lipasa de Rhizopus oryzae), se han optimizado las condiciones de inmovilización, incluyendo la determinación del modelo cinético de adsorción y de la isoterma de adsorción. A continuación, y siguiendo la misma secuencia de reacción desarrollada por la vía química convencional (obtención de ácido polirricinoleico seguida de la esterificación de poliglicerol con ácido polirricinoleico), se han optimizado las condiciones para cada una de estas reacciones llevando a cabo experimentos en reactores abiertos a la atmósfera, así como en equipos de altas prestaciones capaces de operar a vacío y en condiciones de humedad controladas. Una vez optimizadas estas dos reacciones, y con las condiciones de reacción seleccionadas, se han analizado secuencias de reacción alternativas, como son la secuencia inversa (esterificación de poliglicerol con ácido ricinoleico y posterior esterificación del ácido ricinoleico) y la obtención del producto en una única etapa (con el consiguiente estudio de la co-inmovilización de las dos lipasas). Adicionalmente, se ha estudiado la síntesis de PGPR con un único biocatalizador termofílico, Novozym¿435 en los dos sistemas de reacción mencionados anteriormente. Seguidamente, se ha llevado a cabo el análisis de los productos finales de reacción que han alcanzado un elevado grado de esterificación, determinando el número ácido, el valor de hidroxilo, el índice de refracción y el índice de yodo, y se ha estudiado la evolución en la composición de la mezcla de reacción mediante cromatografía de permeación en gel con la determinación de los pesos moleculares promedio de los polímeros correspondientes. En último lugar se ha comprobado el efecto del PGPR obtenido enzimáticamente, el cual cumple con cada una de las especificaciones legales establecidas para este aditivo alimentario, sobre las propiedades reológicas del chocolate.