INTRODUCCIÓN

Hoy en día en el Perú ha surgido considerablemente en las industrias para la

producción de vino y otros alimentos fermentados como el pan, la cerveza o

ciertos derivados lácteos, lo que nos ha conllevado a realizar estudios más

profundos con el fin de mejorar cada día más la calidad de estos productos, a

fin de abrir nuevos y más mercados en las diferentes partes del mundo.

Y por ello nosotros como futuros Ingenieros Industriales debemos utilizar de la

mejor manera la biotecnología ya que es la utilización de organismos vivos o de

sus partes en procesos industriales.

En el presente trabajo vamos tratar sobre la “utilización de enzimas en la

elaboración del Queso” ya que las enzimas son moléculas de proteínas que

tienen la capacidad de facilitar y acelerar las reacciones químicas que tienen

lugar en los tejidos vivos, disminuyendo el nivel de la "energía de activación"

propia de la reacción. Se entiende por "energía de activación" al valor de la

energía que es necesario aplicar (en forma de calor, electricidad o radiación)

para que dos moléculas determinadas colisionen y se produzca una reacción

química entre ellas. Generalmente, las enzimas se nombran añadiendo la

terminación "asa" a la raíz del nombre de la sustancia sobre la que actúan.

OBJETIVOS

Conocer los componentes de la enzima quimosina

Identificar los beneficios y aplicaciones de la quimosina.

Encontrar las formas de obtención de la quimosina, así como los lugares

en los cuales se desarrolla dicha enzima.

Conocer los aportes de esta enzima en la elaboración de los quesos.

Saber donde cuándo y en qué parte del proceso de elaboración de

quesos va a actuar esta enzima y cómo es que lo hace

MARCO TEÓRICOS

1.- ENZIMAS:

Son las sustancias de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas,

siempre que sea termodinámicamente posible (si bien no pueden hacer que el

proceso sea más termodinámicamente favorable). En estas reacciones, las

enzimas actúan sobre unas moléculas denominadas sustratos, las cuales se

convierten en diferentes moléculas, los productos. Casi todos los procesos en

las células necesitan enzimas para que ocurran en tasas significativas. A las

reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas.

Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos y

su velocidad crece sólo con algunas reacciones de entre otras posibilidades, el

conjunto (set) de enzimas sintetizadas en una célula determina el metabolismo

que ocurre en cada célula. A su vez, esta síntesis depende de la regulación de

la expresión génica.

Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan aumentando y

disminuyendo la energía de activación (ΔG‡) de una reacción, de forma que se

acelera sustancialmente la tasa de reacción. Las enzimas no alteran el balance

energético de las reacciones en que intervienen, ni modifican, por lo tanto, el

equilibrio de la reacción, pero consiguen acelerar el proceso incluso millones de

veces. Una reacción que se produce bajo el control de una enzima, o de un

catalizador en general, alcanza el equilibrio mucho más deprisa que la

correspondiente reacción no catalizada.

Al igual que ocurre con otros catalizadores, las enzimas no son consumidas por

las reacciones que ellas catalizan, ni alteran su equilibrio químico. Sin

embargo, las enzimas difieren de otros catalizadores por ser más específicas.

Las enzimas catalizan alrededor de 4.000 reacciones bioquímicas distintas. No

todos los catalizadores bioquímicos son proteínas, pues algunas moléculas de

ARN son capaces de catalizar reacciones (como el fragmento 16S de los

ribosomas en el que reside la actividad peptidil transferasa).

La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras moléculas. Los

inhibidores enzimáticos son moléculas que disminuyen o impiden la actividad

de las enzimas, mientras que los activadores son moléculas que incrementan la

actividad. Asimismo, gran cantidad de enzimas requieren de cofactores para su

actividad. Muchas drogas o fármacos son moléculas inhibidoras. Igualmente, la

actividad es afectada por la temperatura, el pH, la concentración de la propia

enzima y del sustrato y otros factores físico-químicos.

Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la síntesis de

antibióticos y productos domésticos de limpieza. Además, ampliamente

utilizadas en variados procesos industriales, como son la fabricación de

alimentos, destinción de jeans o producción de biocombustibles.

2.- CLASIFICACION DE LAS ENZIMAS

Existe una clasificación normalizada con 6 categorías principales dependiendo

de la reacción que catalice la enzima. Cada enzima está clasificada mediante

su número EC.

Oxidorreductasas

Catalizan reacciones de oxidorreducción o redox. Precisan la

colaboración de las coenzimas de oxidorreducción (NAD+, NADP+, FAD)

que aceptan o ceden los electrones correspondientes; tras la acción

catalítica, estas coenzimas quedan modificadas en su grado de

oxidación, por lo que deben ser transformadas antes de volver a efectuar

la reacción catalítica.

Transferasas

Transfieren grupos activos (obtenidos de la ruptura de ciertas moléculas)

a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos de

interconversión de monosacáridos, aminoácidos, etc.

Hidrolasas

Verifican reacciones de hidrólisis con la consiguiente obtención de

monómeros a partir de polímeros. Actúan en la digestión de los

alimentos, previamente a otras fases de su degradación. La palabra

hidrólisis se deriva de hidro 'agua' y lisis 'disolución'.

Isomerasas

Actúan sobre determinadas moléculas obteniendo de ellas sus isómeros

de función o de posición, es decir, catalizan la racemizacion y cambios

de posición de un grupo en determinada molécula obteniendo formas

isoméricas . Suelen actuar en procesos de interconversión.

Liasas

Catalizan reacciones en las que se eliminan grupos (H2O, CO2 y NH3)

para formar un doble enlace o añadirse a un doble enlace, capaces de

catalizar la reducción en un sustrato. El sustrato es una molécula, la

cual, se une al sitio activo de la enzima para la formación del complejo

enzima-sustrato. El mismo, por acción de la enzima, es transformado en

producto y es liberado del sitio activo, quedando libre para recibir otro

sustrato.

Ligasas

Realizan la degradación o síntesis de los enlaces denominados "fuertes"

mediante al acoplamiento a sustancias de alto valor energético (como el

ATP).

3.- Aplicaciones industriales

Las enzimas son utilizadas en la industria química y en otras aplicaciones

industriales en donde se requiere el uso de catalizadores muy especializados.

Una de las aplicaciones industriales en las que se usan enzimas es en la

industria de los detergentes biológicos, ya que estos en su mayoría contienen

enzimas tales como la amilasa, la lipasa y en algunos casos la celulosa, que de

acuerdo a un uso específico ayudan a eliminar la gran mayoría de manchas e

imperfecciones en algunas pieles. Sin embargo, las enzimas en general están

limitadas en el número de reacciones que han evolucionado a catálisis y

también por su falta de estabilidad en solventes orgánicos y a altas

temperaturas. Consecuentemente, la ingeniería de las proteínas es un área de

investigación activa que involucra intentos de crear nuevas enzimas con

novedosas propiedades, ya sea por diseño racional o por evolución in vitro

PROCESO DE ELABORACION DE QUESO

¿QUE ES EL QUESO?

Es un alimento sólido elaborado a partir de la leche cuajada de vaca, cabra,

oveja, búfala, camella u otros mamíferos rumiantes. Es la conserva ideal pues

muy difícilmente se estropea con el transcurso del tiempo ya que al secarse

mejoran sus cualidades en relación al peso. La leche es inducida a cuajarse

usando una combinación de cuajo (o algún sustituto) y acidificación. Las

bacterias se encargan de acidificar la leche, jugando también un papel

importante en la definición de la textura y el sabor de la mayoría de los quesos.

Algunos también contienen mohos, tanto en la superficie exterior como en el

interior.

¿EN QUE CONSISTE EL PROCESO DE ELABORACIÓN DE QUESO?

La leche es la materia prima más importante en la elaboración del queso. La

leche se define como la secreción láctea magra, fresca y limpia, que se obtiene

del ordeño de una o mas vacas. La leche debe contener no menos de un 3%

de grasa de leche y no menos del 8.25% en sólidos no grasos.

La preparacio0n de la leche consiste, en algunos casos, en la eliminación total

o parcial de la crema, en la aplicación de algún tratamiento térmico que permita

la eliminación de las baterías patógenas presentes en la misma y en la

incorporación d algunos aditivos tales como el cloruro de calcio y los cultivos

lácticos.

El tratamiento térmico que se realiza se conoce como pasteurización y consiste

en calentar cada partícula de leche a una temperatura de 65ºC por 30 minutos

y luego enfriar hasta 34-36ºC (pasteurización lenta) o a 72ºC por 15 segundos

y luego enfriar hasta 20ºC (pasteurización rápida). El proceso de pasteurización

debe realizarse en equipo aprobado y que este en perfectas condiciones de

funcionamiento, debidamente lavado y esterilizado con anterioridad.

ADICIÓN DE CULTIVOS LÁCTICOS.

Cuando se utiliza leche pasteurizada para la preparación de quesos, se obtiene

un producto microbiológicamente más seguro pero insípido, el cual es más

susceptible a la contaminación después de la pasteurización. Para evitar estos

problemas se usan cultivos lácticos, los cuales son mezclas de bacterias no

patógenas que producen acido láctico y compuestos saborizantes como el

diacetil y ácidos volátiles, provenientes de la fermentación de la lactosa y el

acido cítrico presentes en la leche. Sin la presencia de las bacterias lácticas, no

se llegan a desarrollar, en parte, los aromas y sabores típicos que se presentan

en los quesos elaborados con leche cruda

COAGULACIÓN DE LA LECHE.

Se produce básicamente por la acción de la renina, LAB o cuajo, fermento o

enzima del tipo de las proteasas, presente en la secreción gástrica de los

mamíferos. Actúa sobre la caseína de la leche (proteína soluble)

transformándola, en presencia de sales de calcio, en paracaseína insoluble que

precipita formando el coágulo.

Las bajas temperaturas inactivan al cuajo y las superiores a 45ºC lo destruyen.

La temperatura ideal para la coagulación de la leche es entre 28 y 37ºC.

El cuajo:

Es una sustancia presente en el abomaso de los mamíferos rumiantes,

contiene principalmente la enzima llamada renina (EC 3.4.23.4), se le conoce

también como quimosina, utilizada en la fabricación de quesos cuya función es

separar la caseína (el 80% aproximadamente del total de proteínas) de su fase

líquida (agua, proteínas del lactosuero y carbohidratos), llamado suero.

En la fabricación de algunos quesos son empleados cuajos de origen vegetal,

que suelen provenir de la flor del cardo (Cynara cardunculus, variedad

silvestre).

Enzimas Coagulantes

En los quesos elaborados mediante coagulación enzimática o mixta, las enzimas

coagulantes constituyen un elemento esencial. Tradicionalmente se utiliza la quimosina

o renina, extraída del cuarto estomago (cuajar) de los becerros lactantes. Pero debido al

aumento en la demanda de cuajos se han desarrollado técnicas para la utilización de

enzimas provenientes de microorganismos y vegetales. El siguiente cuadro señala los

principales enzimas coagulantes de uso en quesería:

 

Grupo FuenteEjemplo de nombres

Componente enzimático activo

Animal

Estóomago Bovino

Cuajo Bovino, de ternero, en pasta

Quimosina A y B, Pepsina (A) yGastricina ídem más Lipasa

Estóomago Ovino

Cuajo de cordero, oveja

Quimosina y Pepsina

Estóomago Caprino

Cuajo de cabrito, cabra

Quimosina y Pepsina

Estóomago Porcino

Coagulante porcino

Pepsina Ay B, Gastricina

Microbiano

Rhizomucor miehei

HannilaseProteasa aspártica de R. miehei

Rhizomucor pusillus

Coag. PusillusProteasa aspártica de R. pusillus

Cryphónectria parasítica

Coagulante de Parasítica

Proteasa aspártica de C. parasítica

FPC (Quimosina producidapor fermentación)

Aspergillus níger Chymax Quimosina B

Kluveromyces lactis

Quimosina B

     

Vegetal Cynara cardunculus

CardoonCyprosina 1, 2, 3 y/o Cardosina A y B

a. Coagulantes Animales (Cuajos):

En el grupo de coagulantes de origen animal, el cuajo de ternero se considera

como el ideal para la elaboración de quesos por su alto contenido de

quimosina, siendo esta la propia enzima natural para coagular leche bovina. En

el abomaso y los extractos de otros tejidos, la proporción de dos enzimas,

quimosina y pepsina, varia según la edad del animal y el tipo de alimentación

(andrén, 1982).

Extractos provenientes de estómagos de terneros jóvenes tienen un alto

contenido de quimosina, siendo su composición, normalmente 80-90%

quimosina y 10-20% pepsina (IDF Standard 110B). Los cuajos de bovinos

adultos presentan un mayor contenido de pepsina, normalmente 80-90%,

aunque se pudieron observar contenidos de pepsina mayores, cercanos al

97%, observados en cuajares de bovinos en Brasil. En todo el mundo, los

animales son enviados a los frigoríficos con diferentes edades, observándose

todo tipo de mezcla de extractos, resultando en un amplio rango de

composición enzimática de los cuajos comerciales.

El cuajo de ternero es el producto tradicionalmente utilizado para la elaboración

de quesos, siendo el producto de referencia en cuanto a composición y

rendimiento. El cuajo de bovino adulto es el de mayor uso alternativo del cuajo

de ternero, debido a que contiene la misma composición enzimática activa. El

mayor contenido de pepsina de los cuajos de bovino adulto lo hacen más

sensible al pH, y poseen en general una mayor actividad proteolítica.

b. Coagulantes Microbianos:

Todos los coagulantes microbianos conocidos utilizados en la elaboración de

quesos son de origen fúngicos. La mayoría de las proteasas encontradas como

enzimas coagulantes de la leche, no han sido apropiadas para la elaboración

de quesos, principalmente porque tienen una alta actividad proteolítica y poca

especificidad, probablemente por no ser proteasas aspárticas.

De los tres coagulantes microbianos usados en la quesería (Tabla 1), el de

Rhizomucor miehei es el predominante. Existen tres tipos de enzimas.

1. La nativa, comúnmente denominada “Tipo L”, caracterizada por tener

una alta estabilidad térmica y significantemente más proteolítica que el

cuajo de ternero.

2. La enzima desestabilizada, denominada “Tipo TL”, elaborada por

oxidación de la enzima nativa y siendo característica por ser termolábil, de

mayor dependencia al pH y menos proteolítica que la tipo L.

3. La extra termolábil, denominada “Tipo XL”, elaborada mediante una

mayor oxidación que la tipo TL. Característica por ser extra termolábil, de

mayor dependencia al pH y de marcada menor proteólisis que la tipo TL.

c. Coagulantes Vegetales:

El último grupo de las enzimas presentadas en la tabla 1 es el de enzimas de

origen vegetal. Un gran número de enzimas vegetales han sido utilizadas como

coagulantes de la leche, (Scott, 1986; Garg y Johri, 1994), siendo un extracto

de Cynara cardunculus (L.), es especialmente popular, dado que desde la

antigüedad que es utilizado para la elaboración de quesos artesanales,

principalmente en Portugal, para la fabricación de quesos Serra y Serpa.

Cardoon cotiene una mezcla de enzimas, las cuales parecen ser proteasas

aspárticas, y algunas de ellas para cortar la Kapa Caseina en forma más

específica que la quimosina (Heimgartner et al., 1990; Verissimo, et al., 1996).

Los coagulantes de extracto de cardo no están disponibles en forma comercial,

aunque son producidos y utilizados localmente.

ASPECTOS MOLECULARES ESPECÍFICOS

Según la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular, las enzimas

coagulantes de la leche han sido divididas en los siguientes grandes grupos:

• EC 3.4.23.1 Pepsina A, o solamente pepsina, es la proteasa gástrica

predominante en mamíferos adultos, y se caracteriza para poseer baja

especificidad y mayor dependencia al pH que la quimosina.

• EC 3.4.23.2 Pepsina B, es una proteasa menor encontrada en estómagos

porcinos caracterizada por poseer una baja capacidad coagulante de la leche y

mayor actividad proteolítica.

• EC 3.4.23.3 Gastricina, es un tipo de proteasa aspártica que se denominó en

formas diferentes como pepsina B, C, I, II, III, 6 o 7. Se encuentra en

cantidades pequeñas en el abomaso bovino y en grandes cantidades en el

librillo porcino.

• EC 3.4.23.4 Quimosina proteasa neonatal se encuentra en mamíferos. Se

caracteriza por tener una alta especificidad para coagular la leche y

generalmente una baja actividad proteolítica. Quimogen, también denominada

proquimosina, es convertida en enzima activa por tratamiento ácido

(activación). Esto sucede a través de la forma intermedia pseudoquimosin, a

pH 2, cuando la velocidad de activación es rápida, que se convierte en

quimosina a un alto pH. La quimosina de ternero es encontrada en dos formas,

A y B. Las diferencias y similitudes se pueden observar en la Tabla 2.

• La particular diferencia entre las dos quimosinas A y B, se basa en un

aminoácido, que le confiere a la quimosina A una mayor actividad coagulante,

aproximadamente un 25% más elevada, y hace posible su auto degradación

por escisión de un tripéptido a quimosina C, que solo tiene un 25% de actividad

remanente.

• Por el otro lado, las dos quimosinas presentan idéntica respuesta en la

elaboración de queso bajo distintos parámetros, tales como el pH y contenido

de calcio.

• EC3.4.23.22 Proteasa de Cryphonectria parasítica, es una proteasa ácida

proveniente de un hongo, previamente llamada Endothia parasítica. La enzima

se caracteriza por poseer una alta actividad proteolítica y una baja dependencia

al pH, así como también una alta resistencia al tratamiento térmico.

• EC 3.4.23.23 Proteasa de Rhizomucor miehei y pusillus, son proteasas ácidas

provenientes de hongos filamentosos. Estas enzimas son homólogas, pero

poseen diferente especificidad. Se caracterizan por tener un alto grado de

actividad proteolítica y por ser estables al tratamiento térmico.

a. QUIMOSINA

La quimosina, cuyo código es E.C.3.4.23.4, es un enzima proteolítico que se

obtiene tradicionalmente del abomaso (cuarto estómago) de terneros jóvenes.

Se encuentra, como enzima digestivo, mezclado con pepsina, siendo la

proporción de quimosina, y la calidad del cuajo, mayor cuanto más joven es el

animal. También se encuentra en otras especies animales, como el cerdo.

Durante muchos siglos se ha utilizado como en la fabricación de queso el

estómago de los terneros secado al sol y triturado.

En la década de 1870, Christian Hansen obtuvo la primera preparación de

quimosina relativamente pura, y de calidad constante de un lote a otro,

fundando una compañía para su comercialización, que lleva su nombre y que

todavía es una de las más importantes en la fabricación de enzimas para la

industria alimentaria. Comercializó la quimosina disuelta en una solución salina

concentrada, tal como se continúa haciendo actualmente.

La quimosina se sintetiza como pre-pro-quimosina, proteína que tiene en su

cadena 58 aminoácidos más que la quimosina activa, y que no tienen actividad

proteolítica. Se secreta al estómago como pro-quimosina, también inactiva, tras

el corte de 16 aminoácidos, y se transforma en el enzima activo por la

eliminación proteolítica de otro fragmento de 42 aminoácidos, quedando con un

peso molecular de aproximadamente 30.700. El enzima, como todas las

proteinasas, puede autodigerirse si se conserva en las condiciones en las que

es activo. Puesto que la quimosina se inactiva reversiblemente con

concentraciones elevadas de cloruro de sodio, se conserva en esta forma. Al

disminuir la concentración salina al utilizarla, se reactiva.

Quimosina Producida por Fermentación (FPC)

La quimosina producida por fermentación esta presente en el mercado desde

1990. FPC es quimosina 100% producida por fermentación de un substrato por

parte de un microorganismo. La quimosina producida por fermentación tiene

exactamente la misma secuencia de aminoácidos que la quimosina presente

en el cuajo de ternero. La misma puede ser producida por distintos

microorganismos, tales como Aspergillus Níger, Kluyveromyces lactis y

Escherischia coli, siendo esta ultima la de menor presencia en el mercado. El

término FPC es utilizado para diferenciarse de los términos ingeniería-genética

y proteína-ingenierizada que son modificadas por mutación, dando por

resultado una quimosina no nativa. FPC es idéntica a la quimosina producida

naturalmente, o sea que es idéntica a la nativa.

La producción y aplicación de la FPC han sido estudiadas por varios autores

(Teuber, 1990; Harboe, 1992, 1993; Repelius, 1993; y Lynch, 1993).

b. DIFERENCIAS Y SIMILITUDES ENTRE QUIMOSINA A y B

Quimosina A Quimosina B

Acido aspártico como aminoácido n°244 Glicina como aminoácido n°244

Producida por aproximadamente la mitad de los animales bovinos

Producida por la otra mitad de los animales bovinos

Menos abundante en el cuajo naturalPredominante en el cuajo natural

Menos estable, fácilmente degradable, autocatalítico a quimosina C a valores bajos de pH

Más estable, no es degradable a quimosina C

Cerca del 25% más de actividad específica: aproximadamente 290 IMCU/mg

Menor actividad específica: aproximadamente 233 IMCU/mg

Todas las propiedades queseras igual que la quimosina B

Todas las propiedades queseras como la quimosina A

c. ¿Cómo actúa la quimosina en la leche?

En la elaboración del queso, la quimosina actua sobre la caseína de la leche.

La leche contiene vitaminas(principalmente tiamina, riboflavina, acido

pantoteico, y vitaminas A, D, K) minerales (calcio, potasio, sodio,fosforo y

metales en pequeñas cantidades), pr4oteinas (incluyendo todos los

aminoácidos escenciales), carbohidratos (lactosa) y lípidos. Los únicos

elementos importantes de los que carece la leche son el hierro y la vitamina C.

En cuanto a las proteínas, estas se pueden clasificar de manera general en

proteínas globulares y fibrosas. Particularmente en la leche hay tres clases de

proteínas: caseína lacto albúminas y lacto globulinas.

La caseína es una proteína de la leche de tipo fosfoproteíca que se separa de

la leche por acidificación y forma una masa blanca. Las fosfoproteínas son un

grupo de proteínas que están químicamente unidas a una sustancia que

contiene acido fosfórico, por lo tanto su molécula contiene un elemento fosforo.

La caseína representa cerca del 77 al 82% de las proteínas presentes en la

leche, y el 2.7% de la composición de la leche liquida.

Cuando coagula con renina (quimosina) es llamada paracaseína y cuando

coagula a través de la reducción del pH, es llamada caseína acida.

La caseína se obtiene coagulando leche descremada con acido clorhídrico

diluido, así se imita la acidificación espontanea.

CORTE DE CUAJADA Y DESUERO

El tiempo necesario para que la cuajada se forme y adquiera las características

adecuadas para su corte, depende de factores tales como el ph, la

concentración de calcio, la concentración de enzimas y la temperatura.

La división de la cuajada debe efectuarse lenta y cuidadosamente, sin

precipitaciones ni brusquedades, se procederá a la fragmentación con

suavidad. Los cortes tienen que ser netos y completos; la masa debe

seccionarse y no desgarrarse, y mucho menos deshacerse, pues los trozos de

cuajada han de conservar la forma que el operador desea darle.

Luego del corte es normal que se haga una agitación suave de la cuajada para

disminuir el suero retenido y obtener con ello un queso más compacto y con

humedad uniforme.

Salado

Con el salado se recuperan tres efectos distintos: activar el suero, mejorar la

fermentación y sazonar el queso.

El primero de ellos se explica por el poder absorbente que la sal tiene para la

humedad, y el segundo por su acción inhibidora sobre el desarrollo de ciertos

microbios y mohos.

La sal puede ser adicionada en el suero, en la cuajada, durante la maduración

o en la salmuera.