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Domenico Pirozzi » 11.Idrolisi dell'amido

Amido

L’amido è un polisaccaride utilizzato come riserva energetica delle piante. E’ disponibile in natura sotto forma di granuli.

E’ costituito da due frazioni (Figura 1):

Amilosio (20%): polimero idrosolubile a catena lineare → può contenere 1000 o più unità di D-glucosio, legate da legami α-1,4-glicosidici che fanno assumere alla molecola una struttura ad elica
Amilopectina (80%): polimero non idrosolubile a catena ramificata:

può contenere fino a 5000 unità di D- glucosio, legate da legami α-1,4-glicosidici
ramificazioni ogni 20-30 residui (legami α-1,6-glicosidici)
ha una struttura globulare finemente spugnosa, responsabile del rigonfiamento dei granuli di amido durante la gelatinizzazione

Figura 1 – Struttura chimica dell'amilosio e dell'amilopectina.

Idrolisi enzimatica

L’amido è utilizzato come nutrimento da piante, microorganismi e animali. Di conseguenza, gli enzimi in grado di idrolizzare l’amido sono abbondanti in natura (al contrario degli enzimi che idrolizzano la cellullosa).

L’idrolisi enzimatica, pur richiedendo tempi di trattamento più lunghi, è più diffusa dell’idrolisi acida, per diversi motivi:

l’ambiente acido e la temperatura alta determinano reazioni indesiderate (reazione di Maillard), riducendo le rese e la qualità del prodotto
l’impiego dell’acido richiede reattori realizzati in materiali anticorrosivi
gli enzimi consentono flessibilità nella distribuzione degli zuccheri prodotti (p.es. glucosio/maltosio)
gli enzimi richiedono temperature basse e dunque riducono il consumo energetico

Tabella 1 – Frazioni di amido contenute in alcuni cereali.

Idrolisi enzimatica

Diversi enzimi contribuiscono sinergicamente all’idrolisi dell’amilosio e dell’amilopectina.

α-amilasi (batteriche):

esplicano azione random sui legami α(1-4) interni alle catene dei polisaccaridi; la loro attività si riduce con la lunghezza delle catene; sono poco attive sui legami α(1-6)
generano oligosaccaridi ramificati
riducendo rapidamente la viscosità della sospensione
gli ioni Ca⁺⁺ ne aumentano attività e stabilità ad alta temperatura , consentendone l’impiego anche a 105°C

Pullulanasi:

idrolizzano soltanto i legami α(1-6)
riducono la ramificazione dell’amilopectina, producendo oligosaccaridi a catena lineare

Figura 2 – Confronto tra i meccanismi di attacco enzimatico dei legami α(1-4) glicosidici.

Idrolisi enzimatica

Glucoamilasi:

idrolizzano i legami α(1-4) delle estremità non-riducenti dei polisaccaridi, e in misura minore i legami α(1-6)
l’attività della glucoamilasi aumenta al crescere del DE, in quanto è disponibile un numero maggiore di estremità non-riducenti
producono molecole di glucosio, in quanto il loro punto di attacco è il I legame glicosidico a partire dall’estremità della catena

β-amilasi:

idrolizzano i legami α(1-4) delle estremità non-riducenti dei polisaccaridi
l’attività della β-amilasi aumenta al crescere del DE, in quanto è disponibile un numero maggiore di estremità non-riducenti
producono preferenzialmente maltosio, in quanto il loro punto di attacco è il II legame glicosidico a partire dall’estremità della catena

Materiali lignocellulosici

Nonostante la notevole varietà degli impianti impiegati industrialmente per l’idrolisi dell’amido, è possibile individuare 3 stadi del processo:

gelatinizzazione
liquefazione
saccarificazione

Negli impianti di nuova concezione i tre stadi si realizzano in reattori continui.

Ciascuno dei tre stadi consente un incremento della frazione di legami glucosidici idrolizzati.

Il grado di idrolisi della miscela può essere classificato attraverso il DE (destrosio equivalenti), che rappresenta la frazione di legami glicosidici già idrolizzati.

Per l’amido: DE=1
Per il maltosio: DE=ca.50
Per il glucosio puro: DE=100

Materiali lignocellulosici

Trattamenti preliminari
Consentono di separare l’amido dagli altri componenti delle cariossidi (chicchi) di mais, e dalle impurezze che possono inibire gli enzimi o dare luogo a trasformazioni indesiderate (p.es. reazione di Maillard).

Gelatinizzazione
Sistema di reazione: uno slurry contenente amido (30-40% in peso), con α-amilasi e ioni Ca2+ (20-80 ppm) che aumentano la termostibilità dell’enzima.
Condizioni operative: 3-7 min a 105°-115°C, pH 6.0-6.5
Effetti:

i granuli di amido si rigonfiano e scoppiano
si rompono i legami intermolecolari tra le molecole di amido
si ottiene una sospensione viscosa (DE 2-5), facilitando la penetrazione degli enzimi negli stadi successivi del processo

Figura 3 - Schema dei processi di produzione di glucosio e maltosio.

Materiali lignocellulosici

Liquefazione
Sistema di reazione: nuova aggiunta di α-amilasi (quella utilizzata nella gelatinizzazione si disattiva) e pullulanasi.
Condizioni operative : 2-3 ore a 90-95°C.
Effetti:

idrolisi parziale dell’amido, con produzione di maltodestrine (oligosaccaridi + destrine) DE = 10-20
ulteriore riduzione della viscosità, che facilita l’azione degli enzimi impiegati per la saccarificazione

Saccarificazione
Sistema di reazione: si aggiungono glucoamilasi (se il prodotto desiderato è il glucosio) o b-amilasi (se il prodotto desiderato è il maltosio).
Condizioni operative : 24-72 ore a 55-65°C, pH 4-4,5.
Effetti: idrolisi completa delle maltodestrine , con produzione di sciroppi di glucosio (97% glucosio, DE 98-99) sciroppi di maltosio (DE 45-48).

Materiali lignocellulosici

Trattamenti finali
Filtrazione, scambio ionico e adsorbimento su carboni attivi consentono la separazione delle impurezze residue e dei prodotti della degradazione degli zuccheri (Figura 4).

Lo sciroppo di glucosio è usato per ottenere diversi prodotti:

glucosio solido (mediante cristallizzazione)
fruttosio (mediante isomerizzazione)
etanolo (mediante fermentazione alcoolica)

Produzione di etanolo
Se l’obiettivo è la fermentazione alcoolica, lo sciroppo di glucosio non viene purificato.
Negli ultimi anni si tende a realizzare simultaneamente saccarificazione e fermentazione (T=30°C, pH 4,5). Man mano che il glucosio viene prodotto dagli enzimi idrolitici, viene fermentato dai lieviti.

Figura 4 - Downstream degli sciroppi di glucosio.

Produzione di fruttosio

Una frazione significativa del glucosio prodotto viene trasformata in fruttosio mediante isomerizzazione enzimatica (Figura 5), per due motivi principali:

il fruttosio ha un potere dolcificante più elevato (dunque si ottiene lo stesso effetto dolcificante utilizzando meno zucchero)
il fruttosio ha minore tendenza a cristallizzare; è dunque più facilmente lavorabile, e contribuisce alla stabilità dei prodotti

Figura 5 - Reazione di isomerizzazione del glucosio.

Produzione di fruttosio

Isomerizzazione
E’ catalizzata dall’enzima glucosio isomerasi (Figura 6), che richiede Mg²⁺ (25-100 mg/L) come cofattore, ed è inibito da Ca²⁺.
Di conseguenza gli ioni Ca²⁺, aggiunti per stabilizzare le a-amilasi, vengono preliminarmente eliminati mediante scambio ionico (Figura 4).
La temperatura (55-65°C) è elevata per velocizzare la reazione, spostare l’equilibrio verso il prodotto, ed evitare la contaminazione microbica.
L’aumento della concentrazione di glucosio (mediante evaporazione, Figura 4) velocizza la reazione e sposta l’equilibrio verso i prodotti, anche se aumenta il rischio di reazioni di colorazione; per evitarle, i tempi di permanenza sono limitati, e gli enzimi vengono immobilizzati, per poterli separare completamente dal mezzo di reazione.

Figura 6 - Schema del processo di produzione del fruttosio mediante isomerizzazione del glucosio.

Produzione di fruttosio

Separazione cromatografica
La reazione di isomerizzazione è una reazione di equilibrio: anche ad alte temperature, la concentrazione di fruttosio all’equilibrio non supera il 55%; per questo motivo, a valle dell’isomerizzazione gli sciroppi di fruttosio vengono arricchiti (fino al 90%) separando glucosio ed altri oligosaccaridi mediante cromatografia con resine a scambio ionico.
Gli oligosaccaridi separati vengono rialimentati nel reattore di saccarificazione.

La produzione di sciroppi di fruttosio ad alta concentrazione ne ha ampliato l’impiego commerciale (p.es. dal 1980 sono usati come dolcificanti in Coca cola e Pepsi).

Impiego di enzimi immobilizzati

Nei processi di idrolisi dell’amido e di isomerizzazione del glucosio si fa largo uso di enzimi immobilizzati per diversi motivi:

maggiore stabilità termica (diversi stadi effettuati ad alta temperatura)
possibilità di impiegare reattori continui
possibilità di separazione completa dell’enzima dal prodotto, indispensabile per le applicazioni in campo alimentare, per evitare la retrogradazione del prodotto (p.es. gli sciroppi al 90% di fruttosio tenderebbero a ritornare alla concentrazione di equilibrio), per riutilizzare l’enzima

Le applicazioni ad alta temperatura richiedono supporti di dimensioni ridotte con pori di diametro grande, per ridurre l’effetto delle resistenze al trasporto di materia.