INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA

 

Determinación de dextrana en
productos de la industria azucarera

 

Determination of dextran in products of the sugar industry

 

 

Ing. Fernando Aníbal García Enríquez^*
*Dipomado en Planificación y Desarrollo de Competencias Profesionales en Educación Superior, Ing. Químico, U.A.G.R.M. Especialista Investigador de Procesos Azucareros
ing_fergarcia@hotmail.com

 

 

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Resumen

La industria azucarera es afectada por un polímero de glucosa conocido como "dextrana", sintetizado por la acción de una enzima producida por la bacteria Leuconostoc mesenteroides, causando serios daños en el proceso general.

Para efectuar un adecuado seguimiento al desarrollo de dextrana sobre los productos de fábrica, se aplica una técnica basada en la determinación indirecta de la concentración del polisacárido mediante espectrofotometría, tomándose como productos de referencia: el jugo de primera presión, el jugo clarificado, el melado, la melaza, y el azúcar. A su vez, estos análisis fueron realizados en tres diferentes épocas de zafra: en mayo, agosto y noviembre. Durante el mes de mayo, el desarrollo de dextrana fue inicialmente bajo: de 466,9 mg/Bx en jugo de primera presión a 1061,6 mg/Bx en jugo clarificado aumentando hasta 7910,7 mg/ Bx en la melaza. El mes de agosto se inicia con 714,4 mg/Bx en el jugo de primera presión, alcanzando 4919,8 mg/Bx en la miel final.

Finalmente, el mes de noviembre, el desarrollo de dextrana es mucho más violento que los anteriores meses, con 2350 mg/Bx en el jugo de primera presión, llegando hasta 23745,2 mg/ Bx en su melaza y 1801 mg/Bx en el azúcar, efectos causados por el mal estado de la caña utilizada en el proceso.

Palabras claves. Dextrana, caña, azúcar, espectrofotometría, análisis, zafra.

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Abastract

The sugar industry is affected by a glucose polymer known as "dextran", synthesized by the action of an enzyme produced by the bacterium Leuconostoc mesenteroides, causing serious damage to the overall process. In order to properly follow the development of dextran on the factory products, a technique based on the indirect determination of the polysaccharide concentration by spectrophotometry is applied, taking as reference products: first pressure juice, clarified juice, molasses, Molasses, and sugar. In turn, these analyzes were carried out in three different seasons of harvest: in May, August and November.

During the month of May, the development of dextran was initially low: from 466.9 mg / Bx in first-pressure juice to 1061.6 mg / Bx in clarified juice increasing to 7910.7 mg / Bx in molasses. The month of August starts with 714.4 mg / Bx in the first pressure juice, reaching 4919.8 mg / Bx in the final honey. Finally, in November, the development of dextran is much more violent than in previous months, with 2350 mg / Bx in the first pressure juice, reaching 23745.2 mg / Bx in its molasses and 1801 mg / Bx in the Sugar, effects caused by the poor condition of the cane used in the process.

Keywords. Dextrana, sugar cane, spectrophotometry, analysis, harvesting

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I. INTRODUCCIÓN

1.1 La dextrana y sus efectos

En 1861, Pasteur demostró que ciertos microorganismos podían transformar las moléculas de sacarosa en gomas, afectando sensiblemente a la industria azucarera. Años más tarde, en 1878, el científico Van Tieghen logró aislar esos microorganismos, a los que les dio el nombre de Leuconostoc mesenteroides, los que además demostraron ser Grampositivos y anaerobios facultativos. El año 1906, Scheiber separó esos polímeros, dándoles el nombre genérico de "dextranas". Así, con el término de "dextrana" se hace referencia a todos los polímeros de glucosa que contienen cantidades importantes de residuos α-D-glucopiranosa ligados en (α1→6) al menos en un 50%, aunque también pueden presentar ramificaciones (α1→3), y hasta (α1→2) o (α1→4). A saber, la bacteria produce una enzima extracelular llamada "dextranasacarasa", la misma que hidroliza la sacarosa y produce el polisacárido de acuerdo con la siguiente reacción:

Para la síntesis de dextrana, y a diferencia de los mecanismos clásicos de síntesis de polisacáridos, no se requiere de cofactores, tampoco de monómeros activados. La energía para su síntesis, proviene exclusivamente de la hidrólisis del enlace glucosídico de la sacarosa. Por lo general, estos polímeros alcanzan un peso molecular superior a 2 millones g/mol.

Sin embargo, la formación de dextrana no se inicia en fábrica de azúcar, sino que tiene su origen en los cultivos de caña, donde la bacteria Leuconostoc mesenteroides encuentra todas las condiciones favorables para la biosíntesis del polímero, alojándose en la savia de la planta o atacándola posteriormente al ser dañada su corteza, y cuya agresión es más intensa cuanto mayor es el nivel de exposición del tejido interno hacia el medio ambiente. Físicamente, la dextrana rota el plano de luz polarizada hacia la derecha con mayor poder que la sacarosa (alrededor del 7%), de manera que al realizar los análisis correspondientes a los productos de fábrica, podrían obtenerse valores falsos de pol, es decir, dextrana en lugar de sacarosa, sin poder diferenciarlas inmediatamente y con el cálculo erróneo de sacarosa.

Las soluciones de dextranas tienen comportamiento reológico no newtoniano, de tipo pseudoplástico.

Para la industria azucarera, la presencia de dextrana es doblemente perjudicial, toda vez que durante su biosíntesis no solamente se consume la sacarosa de manera irreversible, con la consecuente merma del rendimiento productivo, sino que además ocasiona lesiones mecánicas sobre la fábrica de azúcar. La formación de dextrana provoca un apreciable incremento de la viscosidad sobre el fluido afectado, disminuyendo el número de Reynolds, y en consecuencia, su velocidad de flujo, alterando así las condiciones sobre las que fue diseñado el proceso azucarero; taponamiento de tuberías y bombas con las consiguientes pérdidas por fricción en accesorios, son sólo algunas de las complicaciones frecuentemente presentes. Asimismo, es bastante notoria la reducción de velocidad en la precipitación de impurezas durante las operaciones de clarificación de jugo, formando además lodos más "ligosos" y desfavorables para los procesos de filtración. Pero además, el jugo clarificado con elevado contenido de dextrana produce incrustaciones en las calandrias del sistema de evaporación, con el consiguiente aumento del consumo de vapor de escape y la obtención de melado con baja concentración de sólidos. El tiempo de cocción de las masas también se incrementa debido al difícil agotamiento que implica la etapa de cristalización; esta demora se hace más extendida durante la centrifugación y purga, requiriéndose mayor lavado para la eliminación de mieles, las que serán obtenidas en mayor cantidad para su retorno al proceso. Las dificultades ocasionadas por la presencia de dextrana, en todo el proceso azucarero, exigen el permanente control de la materia prima en el campo; pero así también debe realizarse un seguimiento sobre los productos de fábrica. Para ello es preciso aplicar una técnica de análisis que de manera rápida y reproducible, pueda ser extendida a las diferentes etapas del proceso.

1.2 Técnica para análisis de dextrana

Se hace uso del método aplicado en los laboratorios de análisis de Empresas Zillo Lorenzetti (Brasil) para la determinación de dextrana en azúcar y productos de fábrica mediante espectrofotometría.

a) Materiales:

Balanza analítica

Nueve matraces de 50 ml

Dos matraces de 25 ml

Dos matraces de 100 ml

Baño María

Estufa eléctrica

Cubeta de vidrio de 40 mm

Espectrofotómetro

Refractómetro

Equipo de filtración al vacío

Filtro de membrana 0,45 µm, diámetro 0,47 mm

Papel filtro Watman

Vasos de precipitado

Dos Buretas de 25 ml

Dos pipetas graduadas de 10 ml

Una piseta (para agua destilada)

Una piseta (para etanol)

b) Reactivos

Alcohol etílico 95° Gl

Solución de uso de Dextrana - 0,8 mg/ml

Solución de uso de Dextrana - 0,08 mg/ml

Solución de Acido Tricloroacético (TCA) - 10%

Solución de Sacarosa/TCA

Agua demonizada

Etanol 95° Gl

Enzima α-amylasa

1.2.1 Construcción de la curva de calibración

• Separar nueve matraces de 50 ml, y luego de enumerarlos, adicionar los reactivos indicados según la tabla siguiente, obteniendo las concentraciones de 0, 40, 80, 200, 300, 400, 500 y 800 mg/kg de dextrana:

• La solución contenida en el matraz N° 9 será la prueba en blanco.

• Con una bureta, en el resto de los matraces añadir 12,5 ml de etanol absoluto, agitando lentamente. El tiempo de adición de etanol en cada matraz debe estar ente 30 segundos y 60 segundos.

• Agitar cada matraz y dejar reposar 20 min ± 1 min.

• Leer las absorbancias de las soluciones a 720 nm, ajustando en cero el espectrofotómetro con la prueba en blanco.

• Utilizar una cubeta de 40 mm de camino óptico para todas las muestras.

• Registrar las lecturas.

• Construir la curva de calibración; eje x:

Absorbancia (mau), eje y:

Concentración de dextrana (mg/kg).

1.2.2 Desarrollo de la técnica analítica

• Esta técnica se aplica a azúcar blanco, moreno y jugos en proceso.

• Pesar 32,0 g ± 0,10 g de muestra en vaso precipitado de 100 ml, adicionar 50 ml de agua destilada, disolver y trasvasar cuantitativamente a un matraz de 100 ml.

• Adicionar tres gotas de enzima α-amylasa y mezclar

• Tapar el matraz y llevar a baño maría a 55 °C ± 5 °C por 15 min ± 2 min.

• Enfriar a temperatura ambiente (con agua corriente).

• Adicionar 10 ml de solución TCA al 10 %, y enrazar el matraz con agua destilada, tapar y mezclar.

• Pre-filtrar la mezcla con papel filtro común (medir el Bx).

• Montar el equipo de filtración al vacío

• Tomar el líquido pre-filtrado y filtrarlo con membrana 0,45 um (al vacío).

• Recuperar el líquido filtrado, y con una bureta de 25 ml, transferir 12,5 ml en cada uno de los dos matraces de 25 ml.

• Asignar a cada matraz, por "A" y "B" respectivamente.

• En el matraz "B", adicionar 12,5 ml de agua destilada (prueba en blanco).

• En el matraz "A", adicionar 12,5 ml de etanol absoluto en un tiempo de 30 a 60 seg, con movimientos circulares.

• Mezclar lentamente ambos matraces (tres veces), y dejar reposar 20 min ± 1 min.

• Ajustar en cero el espectrofotómetro utilizando la solución del matraz "B" (prueba en blanco), a 720 nm con celda de 40 mm.

• Realizar lectura de la absorbancia de la solución del matraz "A".

• Registrar dato.

• Determinar dextrana (mg/kg), (mg/Bx), de acuerdo con la curva de calibración.

Importante:

Si la lectura de absorbancia se encuentra fuera de la curva de calibración, si se presentara coagulación o floculación en la solución del matraz "A", repetir el análisis diluyendo la muestra inicial de la siguiente manera:

Para azúcar:

• Pesar 16,0 g ± 0,1 g de muestra con 16,0 g ± 0,1 g de sacarosa (dilución 50 %), y agregar 50 ml de agua destilada.

Para jugo de primera presión, jugo mixto, clarificado y melado:

• Pesar 16,0 g ± 0,1 g de muestra (dilución al 50 %), y agregar 50 ml de agua destilada.

• Continuar diluciones si es necesario.

• Determinar dextrana en (mg/Bx).

Para melaza:

• Pesar 8,0 g ± 0,1 g de muestra (dilución al 25 %), y agregar 50 ml de agua destilada.

• Continuar diluciones si es necesario.

• Determinar dextrana en (mg/Bx).

Cálculos

De acuerdo con la curva de calibración:

dextrana (mg/kg) = 8E-07X³ - 0,0011X² + 1,0026X + 18,472
donde: X= absorbancia (mau)

 

II.  OBJETIVOS

- Proponer una técnica aplicable al control de dextrana en fábrica de azúcar.

- Hacer un seguimiento del desarrollo de dextrana en el proceso azucarero, en diferentes épocas de la zafra.

- Determinar la concentración de dextrana en azúcar y productos de fábrica.

- Informar los logros obtenidos a través de la aplicación de esta técnica analítica.

 

III.  MATERIALES Y MÉTODOS

Se emplean los materiales y reactivos descritos en 1.2.

3.1 Método

Sea:

y = Desarrollo de dextrana en el proceso azucarero

x_i = Concentración de dextrana en productos de fábrica

x₁ = Jugo de primera presión

x₂ = Jugo clarificado

x₃ = Melado

x₄ = Melaza

x₅ = Azúcar

y = f(x₁, x₂, x₃, x₄, x₅)

Sea:

z = Presencia de dextrana en diferentes épocas de la zafra

y₁ = En mayo

y₂ = En agosto

y₃ = En noviembre

z = f(y₁, y₂, y₃)

Es decir:

z = f(yi); pero y = f(xi)

• Graficar y = f(xi).

• Determinar la tendencia de crecimiento de dextrana en los productos de fábrica. Graficar z = f(yi).

• Determinar la tendencia de la presencia estacional de dextrana en diferentes épocas de la zafra.

 

IV. RESULTADOS

Utilizando la curva de calibración, o bien la tendencia expresada en (2), y reemplazando en (3):

 

V. CONCLUSIONES

La técnica utilizada para la determinación de dextrana, demuestra ser aplicable a todos los productos de fábrica de azúcar, presentándose complicaciones cuanto más viscoso es el material de análisis, como la melaza y el melado, cuyas lecturas de absorbancia en principio quedan fuera de rango, debiéndolos diluir a fin de lograr resultados coherentes.

La curva de la Fig. 4 indica un débil incremento de dextrana desde el jugo de primera presión hasta el clarificado; durante este tránsito, la dosificación directa de biocida sobre la molienda mostró ejercer mayor efecto, puesto que las pocas bacterias que resistieron dicho ataque lograron recuperar su función productora de dextrana desde el jugo claro hasta la melaza.

Así también, la Fig. 5 presenta un comportamiento similar hasta el jugo clarificado, mostrando posteriormente menor producción del polímero que en al caso anterior. Toda vez que la caña utilizada durante el mes de agosto fue de mejor calidad.

Finalmente, la Fig. 6 señala un incremento de dextrana exponencial desde el jugo de primera presión hasta la melaza, lo cual refleja el estado de severa descomposición de la caña molida durante el mes de noviembre.

En todos los casos, el azúcar ocasiona la caída de las curvas, lo cual no debe interpretarse como una disminución de dextrana, sino que una gran parte de la masa de estos polímeros fue recirculada junto con las mieles, quedando una fracción importante de bacterias y dextrana atrapadas dentro del cristal de sacarosa.

Los continuos ensayos demuestran además la fuerte resistencia de la bacteria frente a las elevadas temperaturas, encontrando en fábrica de azúcar todas las condiciones para su reproducción y síntesis de dextrana.

Para combatir el desarrollo de dextrana, debe aplicarse un control riguroso sobre los cañaverales, evitando infecciones y malos cortes que dañen los tejidos de la corteza del vegetal, donde las bacterias no demorarán en ingresar.

 

VI. BIBLIOGRAFÍA

García, G; Quintero, R; López, M. (2004). Biotecnología alimentaria. México: Limusa.        [ Links ]

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Hugot, E. (1963). Manual para Ingenieros Azucareros. México: Continental.        [ Links ]

Rodríguez, E. (2005). La dextranasa a lo largo de la industria azucarera. Biotecnología aplicada, 22, N°1, 11-19        [ Links ]