Pectinases - aplicação em industrias de sucos de frutas

UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CAMPUS FLORESTAL ENGENHARIA DE ALIMENTOS

ALISSON ANDREI RIOS ISABELA TEIXEIRA DA MATA MARIANA HELENA CARDOSO COSTA

ATUAÇÃO DE PECTINASES NO PROCESSAMENTO DE SUCOS DE FRUTAS

FLORESTAL – MG 2012

Introdução  A história das enzimas vem desde 1833 quando os químicos franceses Anselme Payen e Jean-François Persoz isolaram uma substância através de um extrato de malte que catalisava a transformação do amido em glicose. Chamaram a substância encontrada de “diastase” (do grego “separar ”), pois separava os blocos de amido em unidades individuais de glicose. Foi a primeira vez que ocorreu o isolamento de uma enzima, um composto orgânico que possuía as propriedades de um catalisador. O sufixo ase, desde então, passou a ser usado para designar as enzimas. O fisiologista alemão Theodor Schwann, investigando processos digestivos, em 1836, isolou uma substância responsável pela digestão albuminosa no estômago e batizou-a de pepsina, a primeira enzima preparada a partir de tecido animal. (ENZIMAS, 2011, p. 26-27) Entre os séculos XVII e XIX, a ação de enzimas em tecidos vivos ou que respiram era definida como fermento. De acordo com Fennema, o termo “enzima” foi criado por W. Kuhne a partir do termo grego enzyme , que significa “na levedura” , em 1878. Logo, a bioquímica primordial se tornou inseparável daquela considerada hoje como bioquímica de alimentos. (FENNEMA; DAMODARAN; PARKIN, 2010) Enzimas são proteínas que contém um centro ativo, denominado apoenzima e, algumas vezes, um grupo não proteico, denominado coenzima. A molécula inteira (apoenzima e coenzima) é cahamada de haloenzima. Segundo Urgel de Almeida Lima, enzimas são proteínas com características catalisadoras. A complexa estrutura molecular enzimática é, em sua maioria, constituída por uma parte protéica, porém a ela podem estar integradas outras moléculas, como carboidratos e lipídeos. (ENZIMAS, 2011, p. 28)  As enzimas são substâncias sólidas, porém difíceis de serem cristalizadas devido à complexidade de suas estruturas químicas. Algumas exceções dessas enzimas são solúveis em água e álcool diluído e, quando em solução, são precipitadas pela adição de sulfato de amônio, álcool ou ácido tricloroacético. São inativadas pelo

calor e esta é considerada a propriedade mais importante desses compostos em relação a tecnologia de alimentos. (ENZIMAS, 2011, p. 29)  As enzimas de alimentos podem ser classificadas de duas formas: as que são adicionadas aos alimentos (fontes exógenas) com o objetivo de causar uma mudança desejável e as que já existem em alimentos (fontes endógenas) que podem ou não ser responsáveis por reações que afetam a qualidade do alimento.  Apresentam três características importantes: são proteínas, catalisadores, e possuem seletividade sobre substratos. (FENNEMA; DAMODARAN; PARKIN, 2010)  As reações enzimáticas são de grande importância para os alimentos, dependendo delas a formação de compostos altamente desejáveis, porém também indesejáveis.  As reações enzimáticas ocorrem tanto no alimento natural, quanto durante o seu processamento e armazenamento. (ENZIMAS, 2011, p. 29) Os meios mais tradicionais de obter enzimas para processos alimentícios são através de tecidos de animais e plantas. Também há uma tendência para a produção de enzimas alimentícias através de alternativas microbianas, e também os derivados geneticamente modificados (OGMS) desses organismos. (ENZIMAS, 2011, p. 35)  A produção de enzimas para indústrias é feita, na maior parte, por fermentação submersa. Algumas desvantagens atribuídas a este tipo de fermentação seriam os maiores riscos de contaminação, as necessidades de espaço e os menores rendimentos. No entanto, avanços tecnológicos estão sendo gradualmente incorporados a esse processo, podendo torná-lo interessante para países que dispõe de resíduos agroindústriais de baixo custo. As técnicas de cultivo submerso, com predomínio nas indústrias têm se beneficiado dos avanços na instrumentação e controle de processos e são muito adequadas para cultivos de micro-organismos recombinantes, que são crescentemente empregados para produção de enzimas. (LIMA, et al; 2001)

 As enzimas são de grande importância no setor alimentício, pois podem ter  influência no processamento, composição e deterioração dos alimentos. Em termos gerais, pode se dizer que estes catalisadores são tanto úteis quanto indesejáveis.  Alguns dos efeitos indesejáveis são o escurecimento de frutas e vegetais causado pelas polifenoloxidases, amolecimento de tecidos vegetais devido à ação de enzimas pécticas, e rancidez de farinhas provocadas por lípases e lipoxigenases. No entanto, há situações, nas quais a ação de uma enzima específica num produto pode servir de indicador da eficiência para certa operação unitária. Há também, vários exemplos do uso de enzimas com a proposta de modificar matérias primas e/ou obter produtos específicos, especialmente os usos na modificação enzimática de materiais amiláceos, em panificação, na modificação de proteínas, na fabricação de suco de frutas, na fabricação de laticínios e de bebidas alcoólicas. (SCHMIDELL; et al, 2001)

Revisão bibliográfica  As pectinases foram uma das enzimas pioneiras a serem utilizadas na fabricação de sucos. Sua primeira aplicação comercial foi observada em 1930, no processamento de vinhos e sucos de frutas. Apenas em 1960 a natureza química dos tecidos de plantas foi descoberta e, através deste conhecimento, cientistas começaram a utilizar um grande número de enzimas com mais eficiência (KASHYAP et al, 2001). O uso de celulases, hemicelulases e pectinases, durante a última década, têm aumentado bastante, especialmente nas indústrias de alimentos, bebidas e vinhos, têxtil, e de papel e celulose. (UENOJO; PASTORE, 2007) Enzimas pépticas degradam substâncias pépticas e são derivadas de plantas mais altas e de micro-organismos. São enzimas comercialmente importantes no tratamento de sucos de frutas e bebidas, ajudando na filtração e clarificação e proporcionando um aumento no rendimento dos sucos. As enzimas também podem ser utilizadas na produção de baixas pectinas de metoxil e ácidos galacturônicos.  Apesar das vantagens, a presença de enzimas pépticas em frutas e legumes pode

causar amolecimento excessivo e em tomate e suco de frutas, as enzimas pépticas podem causar separação do tipo “nuvem”. (UENOJO; PASTORE, 2001)  As enzimas pécticas são classificadas com base no ataque à estrutura galacturônica, preferência de substrato (protopectina, ácido péctico ou pectina), atividade por transeliminação ou hidrólise e por clivagem randômica (enzima endo-, liqüidificante ou despolimerizante) ou terminal (enzima exo- ou sacarificante). (UENOJO; PASTORE, 2007)  A pectinesterase também conhecida como pectase, pectina metoxilase, pectina metil esterease e demetilase remove os grupos metoxil da pectina. (ENZIMAS, 2011)  A pectina esterase (polimetilgalacturonato esterase, PMGE) hidrolisa os grupos metil éster da pectina através da catalise, liberando metanol e convertendo pectina em pectato (polímero não esterificado). Ela age no grupo metil éster da unidade de galacturonato próxima a uma unidade não esterificada, apresenta valores de pH ótimo variando de 4 a 8 e temperatura ótima de 40 a 50 °C. É encontrada praticamente em todas as preparações enzimáticas comerciais caracterizando proteção, melhoramento da textura, firmeza de frutas e vegetais processados e na extração e clarificação de sucos de frutas. A Pectina esterase também pode está relacionada com as mudanças das substâncias pécticas durante amadurecimento, estocagem e processamento de frutas e vegetais. (UENOJO; PASTORE, 2007)  As pectinas metilesterases têm sido mais bem caracterizadas a partir de fungos, embora elas também sejam prevalentes em tecidos vegetais. Essas enzimas são encontradas como isoformas múltiplas (ácidas, neutras, alcalinas) a partir de uma dada fonte, de massa de 25-44 kDa, podem ter ampla estabilidade ao pH (dentro de um intervalo geral de pH 2-10), e podem ter estabilidade térmica moderada (4070ºC), dependendo da origem. (FENNEMA; DAMODARAN; PARKIN, 2010)  A poligalacturonase, conecida também como pectinase, hidrolisa os acoplamentos de glicídios em substâncias pépticas. Estas podem ser divididas em endoenzimas, que agem nos acoplamentos de α -1,4 dentro da molécula e, em exoenzimas, que catalisam a hidrólise de galacturônicos, moléculas que possuem caráter ácido e no

término da cadeia não são reduzidas. Uma perspectiva adicional pode ser analisada, pois algumas poligalacturonases agem principalmente em substratos metilados (pectinas), enquanto os outros agem em substratos com grupos de ácidos carboxílicos livres (ácidos pépticos). Estas enzimas são classificadas galacturonases de polimetil e poligalacturonases, respectivamente. As endopoligalacturonases são encontradas em frutas e em fungos filamentosos, mas não em fermento ou bactéria.  As exopoligalacturonases estão presentes em plantas como cenouras e pêssegos, e em fungos e bactérias. (ENZIMAS, 2011, p. 31)  A pectato-liase e a pectina-liase despolimerizam pectinas, sendo que a pectato-liase reconhece resíduos ácidos adjacentes à ligação a ser rompida e a pectina-liase reconhece resíduos metilesterificados também adjacentes à ligação a ser rompida. Essas enzimas estão presentes em fungos e em bactérias, sendo encontradas em menor extensão em plantas. (FENNEMA; DAMODARAN; PARKIN, 2010)  As protopectinases solubilizam protopectina, formando pectina solúvel totalmente polimerizada. Suas aplicações são de dois tipos: protopectinase tipo A (PPase-A), reage com o sítio interno, na região do ácido poligalacturônico da protopectina e, protopectinase tipo B (PPase-B) reage com o sítio externo, isto é, com as cadeias de polissacarídeos que podem estar conectadas às cadeias de ácido poligalacturônico, que constitui as

paredes celulares. Não possui muito interesse industrial na

degradação de pectinas e não são muito abundantes. (UENOJO; PASTORE, 2007)  A figura 1 mostra a ação do conjunto de pectinases em relação à pectina:

Figura 1 – Modo de ação enzimática das pectinases em uma molécula de pectina. PMGL: polimetilgalacturonato liase. PMG: polimetilgalacturonase. PMGE: polimetilgalacturonato esterase (pectina esterase). PGL: poligaacturonato liase (pectato liase). PG: poligalacturonase. Fonte: adptado de Uenojo; Pastore, 2007.

Substâncias pécticas são macromoléculas glicosídicas de alto peso molecular que formam o maior componente da lamela média, uma fina camada de material adesivo extracelular entre as paredes primárias de células de vegetais superiores. Quimicamente, são um complexo coloidal de polissacarídeos ácidos, composto de resíduos de ácido galacturônico unidos por ligações α -1,4 (ver Figura 2),

parcialmente esterificados por grupos metil éster e parcial ou completamente neutralizadas por uma ou mais bases (íons sódio, potássio ou amônio). (UENOJO; PASTORE, 2001)

Figura 2 – Estrutura primária de uma molécula de pectina. Fonte: adptado de Uenojo; Pastore, 2007.

Processamento industrial de sucos de frutas Dentre os usos envolvendo as enzimas pécticas temos: maceração de tecidos, liquefação de tecidos, aumento da recuperação ou extração, clarificação e facilitação de remoção de cascas. Na área comercial, em geral, as enzimas são preparadas em uma mistura de tipos que conseguem degradas a pectina, a celulose e a hemicelulose. (FENNEMA; DAMODARAN; PARKIN, 2010) “O suco de fruta é o liquido límpido ou turvo extraído da fruta, através de processo

mecânico adequado, não fermentado, de cor, sabor e aroma característicos da fruta do qual ele é extraído ” (EMBRAPA/SEBRAE,1997;ASHURST,1998). A obtenção do suco de fruta se da a partir de frutas frescas e maduras. Este produto deve ser  íntegro, não conter odor estranho e/ou livre do processo de fermentação. O produto final pode apresentar adição de produtos químicos com a finalidade de conversar ou estabilizar podendo também passar por processo físico dando maior durabilidade ao produto.  As etapas do processamento são: seleção dos frutos, lavagem, retirada dos talos quando necessário, maceração, pré-prensagem, clarificação, pasteurização e envase. A utilização das enzimas pécticas ocorrem nos processos de préprensagem e clarificação. Na pré-prensagem eleva-se a massa obitida e uma temperatura adequada com uma combinação enzimática de Pectnex 3XL (320g/100kg de fruta) e Cellucast 2,0L (0,2-2g/100kg de fruta). Essa temperatura adequada é diferente para dois tipos de sucos: 30ºC para prensagem de frutos com centro semi-rígido e 50 ou 65ºC para os frutos de caroço e infrutescências. A pectina insolúvel é hidrolisada na etapa de pré-prensagem, pois se apresenta como partículas pequenas e de aspecto geliforme. É importante hidrolisar essa pectina

pois ela dificulta a extração do suco por absorver parte dele. “ A pré-prensagem é considerada concluída quando o suco atinge determinada coloração e quando sua viscosidade retornou ao valor inicial ou próximo dele. Após a prensagem, o suco é encaminhado para o tanque de clarificação. ” (SCHMIDELL; et al, 2001) Na etapa de clarificação, há a adição de Pectinex 3XL (1,5-3g/100L de suco) e  Amylase AG (0,5-2g/100L de suco) numa temperatura de 20-25ºC ou 45-50ºC, sendo que também ocorre a despectinização e hidrólise do amido por esses complexos de enzimas pectinase. A temperatura de 25-45ºC não deve ser utilizada, pois, nessa faixa de temperatura favorece o cresimento de microorganismo, sobretudo, leveduras. (SCHMIDELL; et al, 2001)  A utilização de enzimas durante a fase de clarificação tem a finalidade de reduzir a viscosidade, degradar o resíduo de amido e facilitar a floculação de substancias que são insolúveis. Após o processo de clarificação o suco é separado, concentrado ou pasteurizado e envasado. (SCHMIDELL; et al, 2001) Pode-se incluir ainda uma etapa de prensagem para o processamento de algumas frutas, como exemplo a maça, aumentando assim a eficiência na extração do suco. Para aumentar o rendimento dos sucos, algumas industrias utilizam enzimas celulolíticas e pectinolíticas. Algumas frutas apresentam polpa composta com um número grande de fibras e resíduos sólidos, contendo pectina e celulose, que normalmente deve ser submetido a uma etapa de refino, por peneiras finas ou centrífugas, retirando assim o material indesejável e permitindo uma eficiência maior  na pasteurização. (EMBRAPA/SEBRAE,1997; VARNAM e SUTHERLAND,1994). De acordo com Schmidell et al (2001), na tecnologia de sucos de frutas, as enzimas apresentam as seguintes perspectivas: a) no desenvolvimento de pectinases ativas em pH baixo, para uso específico na produção de suco de limão; b) na oferta de preparados pectinolíticos com baixa atividade esterásica, a fim de não prejudicar a turbidez final de certos tipos de sucos; c) no aumento da disponibilidade comercial de enzimas que degradam substâncias naturalmente presentes na fruta e que causam o aparecimento de sabor amargo no

produto final. Um exemplo, é a naringinase a qual atuando sobre a naringina, evitaria o aparecimento do amargor no suco cítrico. (SCHMIDELL; et al, 2001)

Conclusão

 A partir deste trabalho vimos o quanto as enzimas são importantes para diversos setores industriais, em especial o setor alimentício, podendo ter efeitos desejáveis e indesejáveis. Na indústria de processamento de sucos, são utilizadas, em maior  parte as enzimas pécticas, ou seja, que degradam pectinas. Estas podem ser  utilizadas em varias etapas do processamento como maceração de tecidos, liquefação de tecidos, aumento da recuperação ou extração, clarificação e f acilitação de remoção de cascas. As pectinases são classificadas em quatro tipos, dependendo do grupo ao qual ela atua, são eles pectina esterase, poligalacturonase, pectina e pectato-liase, e protopectinase. O uso de pectinases otimiza o processamento dos sucos industriais, pois a ação delas faz com que aumente o rendimento e diminua a viscosidade, dessa forma partes do fruto que ficavam como resíduos, são adicionados ao produto final, e a redução da viscosidade melhora a aparência do produto, fazendo com que este possa ser mais valorizado.

Referências bibliográficas ENZIMAS: natureza e ação nos alimentos, Food Ingredients Brasil, n. 16, p 26-37, 2011. FENNEMA, O. R.; DAMODARAN, S.; PARKIN, K. L. Química de Alimentos de Fennema, Porto Alegre, Artmed, 2010, 900 p.

LIMA, U. DE A. et al. Biotecnologia Industrial: processos fermentativos e enzimáticos, São Paulo, Edgard Blürcher, vol. 3, 2002, 616 p. SCHMIDELL, W. et al. Biotecnologia Insdustrial: engenharia química, São Paulo, Edgard Blürcher, vol. 2, 2001, 560 p. UENOJO, M.; PASTORE, G. M. Pectinases: aplicações industriais e perspectivas. Química Nova, Campinas, v. 30, n. 2, p. 388-394, jan. 2007.