Enzimas I

Después de algunas entradas sobre aditivos, hoy vamos a hablar de las enzimas, tanto de las que se encuentran de forma natural en la masa como de las que se pueden añadir. Como hay muchas enzimas vamos a dividir esta entrada en dos. En esta primera entrada hablaremos de aspectos generales, y de unas de las enzimas más empleadas en panificación, y necesarias para el proceso, las amilasas

Enzimas. Aspectos generales

Las enzimas son proteínas capaces de catalizar (favorecer) ciertas reacciones. Las más conocidas actúan rompiendo ciertos componentes químicos, como el almidón (amilasas), proteínas (proteasas) o lípidos (lipasas), pero también existen enzimas capaces de unir proteínas o almidón, o de facilitar otras reacciones. Las enzimas están presentes en los productos de la naturaleza, y de hecho en los cereales y las harinas hay una gran cantidad de enzimas. Estas enzimas pueden ser beneficiosas o perjudiciales para los distintos procesos, y estos deben adaptarse para aprovechar todo su potencial. El contenido enzimático también puede potenciarse con ciertas técnicas, como la germinación. En otras ocasiones se pueden añadir enzimas comerciales, bien porque la cantidad de enzimas positivas en los ingredientes de las formulaciones son insuficientes, bien porque existen enzimas que pueden ser beneficiosas y no se encuentran en los componentes de las formulaciones de manera natural.

Estos productos se conocen desde hace muchos años, pero su producción industrial y su comercialización a precios competitivos no se ha producido hasta finales del siglo XX. Una vez se perfeccionó su producción industrial, el mundo de los cereales, y en concreto el de la panificación, es uno de los principales consumidores de enzimas dentro de la industria alimentaria. En un primer momento las enzimas se extraían de sustancias naturales, como el estómago de ciertos animales, o productos vegetales, pero la tecnología permite hoy en día producirlas a partir de microorganismos. Esta técnica es mucho más económica, permite producir enzimas más regulares y homogéneas, y tiene un menor coste medioambiental. Sin embargo, las primeras enzimas que se obtenían mediante esta técnica presentaban contaminación con otras enzimas. Así, por ejemplo, cuando se obtenían amilasas podían estar contaminadas con proteasas. Esto resultaba un problema importante ya que para obtener un efecto positivo nos arriesgábamos a tener uno negativo. Las técnicas de purificación de enzimas han permitido que hoy en días podamos tener enzimas lo suficientemente puras como para no tener efectos negativos colaterales, a un precio muy competitivo. Para estudios científicos existen enzimas todavía más purificadas, pero a un coste mucho mayor.

Las primeras aplicaciones de las enzimas comerciales en panificación se centraron en complementar las actividades enzimáticas propias de las harinas, generando productos con una acción más regular. En una segunda fase se incorporaron enzimas que no se encontraban en los ingredientes de las masas de manera natural, pero que aportaban ventajas que no se podían conseguir de otro modo. En la actualidad, uno de los principales usos de las enzimas es como sustitutas de ciertos aditivos, y la obtención de productos con etiqueta limpia, o libres de aditivos. Esto es posible porque las enzimas no tienen que ser declaradas en el etiquetado, ya que en el horneado se inactivan, al desnaturalizarse las proteínas por efecto del calor.

En el uso de las enzimas hay que tener en cuenta varios factores que no suelen ser tan importantes en otras reacciones químicas.

  • Cada enzima tiene una temperatura optima de actuación, y un rango de temperaturas de actuación. Eso quiere decir que si una enzima presenta su optimo a los 40ºC, también actuará a los 30ºC, o a las 50ºC, o incluso a los 20ºC, pero a medida que nos alejamos del óptimo la actividad enzimática disminuye. Si desciende la temperatura se observa un descenso progresivo, pero si aumenta ese descenso empieza a ser brusco, porque las enzimas se inactivan con un exceso de temperatura, como se comenta a continuación. La mayoría de las enzimas comerciales tienen su optimo entre los 40 y 60ºC. En el proceso de panificación este factor es muy importante porque, por ejemplo, si usamos una enzima con un óptimo de 40ºC y queremos que actúe durante la fermentación, su actividad será mucho menor si la fermentación se hace a temperaturas reducidas, aunque como veremos el tiempo también es un factor importante.
  • Cada enzima tiene una temperatura de inactivación, a partir de la cual pierde su actividad, de manera irreversible. En general queremos que las enzimas actúen durante el proceso de panificación, pero no sobre el producto final. Así, si las amilasas no se inactivan durante el horneado degradarían el almidón de la miga, perdiendo el pan su estructura interna y llegando a licuarse. Por tanto, debemos seleccionar enzimas que se inactiven en el proceso de horneado. En este caso hay que tener en cuenta que, aunque el horno se mantenga a temperaturas cercanas a los 200ºC, el interior de la masa no sube de 100ºC.
  • Cada enzima tiene un pH óptimo de actuación. Como en el caso de la temperatura, si nos alejamos de ese pH iremos perdiendo progresivamente actividad enzimática. La mayoría de las enzimas comerciales presentan óptimos cercanos a la neutralidad (7). Hay que tener en cuenta que las masas suelen tener un pH ligeramente ácido (en torno a 6), pero el uso de masas madre puede reducir este pH a valores cercanos a 4,5, por lo que la mayoría de las enzimas no actúan igual en ambas condiciones. Por otro lado, enzimas que pueden ser de gran interés para la elaboración del pan pueden no funcionar en productos como los bizcochos, debido al mayor pH de los batidos.
  • Las enzimas no se agotan, como si lo hacen ciertos reactivos químicos. Esto quiere decir que seguirán actuando mientras exista substrato sobre el que actuar. Si bien es cierto que cuando disminuye mucho la cantidad de substrato la actividad enzimática se ralentiza, también lo es que esto difícilmente ocurre en los procesos de panificación. La consecuencia de este hecho es que, a mayor tiempo de procesado mayor será la actuación enzimática. Por tanto, si cambiamos los tiempos de amasado, reposo o fermentación, en masas con alta actividad enzimática, los efectos pueden ser mayores que en las masas con escasa actividad, debido a los cambios en la actuación de estas.
  • Las enzimas tienen una actuación específica. Eso quiere decir que existen distintos tipos de amilasas, proteasas, lipasas, y que cada tipo presenta una acción diferenciada, y por tanto influirán de manera distinta sobre las masas. Este punto se vera con calma en el análisis de cada enzima.

 

Amilasas

Presentes en la harina

Las amilasas son enzimas capaces de degradar el almidón, y están presentes de manera natural en el grano. Además, estas enzimas son fundamentales en el proceso de elaboración del pan, ya que son las encargadas de generar azúcares fermentables a partir de los gránulos de almidón. Estos azúcares serán el alimento de las levaduras para que se produzca la fermentación y se genere el anhídrido carbónico, capaz de esponjar las masas e incrementar el volumen de los panes. Por tanto, si no tenemos suficientes amilasas puede ser conveniente incorporar amilasas externas. Por el contrario, un exceso de amilasas también puede ser perjudicial, ya que hidrolizaría el almidón en exceso, generando migas menos consistentes y panes más oscuros, por el exceso de azúcares.

En el grano existen dos tipos de amilasas, las β-amilasas y las α-amilasas. Las primeras se generan durante la maduración del grano y no suelen existir problemas de falta de estas enzimas, ya que la cantidad que presentan las harinas suele ser suficiente para la labor que deben desempeñar. Las β-amilasas actúan cortando el almidón cada dos moléculas de glucosa, y generan lo que se conoce como maltosa (dos unidades de glucosa unidas por un enlace α-1-4). Estas enzimas terminan de actuar cuando encuentran un enlace α-1-6 (una ramificación en las cadenas de almidón). La maltosa es un azúcar fermentable, capaz de ser aprovechado por las levaduras, por lo que podríamos pensar que con la presencia de β-amilasas sería suficiente. Sin embargo, los extremos de las cadenas de almidón son muy cortos, y tras la actuación de las β-amilasas queda una gran parte del almidón sin hidrolizar, siendo la cantidad de maltosa generada insuficiente.

Las α-amilasas se generan en las últimas fases de la maduración del grano, por lo que los granos que no han madurado suficientemente presentan un contenido de amilasas insuficiente. Si el grano comienza a germinar se dispara la producción de amilasas, lo que también puede ser un problema. Esta enzima también rompe enlaces α-1-4, como las β-amilasas, pero lo hace desordenadamente, saltándose los enlaces α-1-6, y generando trozos más pequeños de almidón, llamados dextrinas. El primer efecto de las α-amilasas es reducir la viscosidad de las pastas o masas elaboradas con almidón, ya que cuanto mayor es el tamaño del almidón mayor es su capacidad espesante. Pero otro efecto importante consiste en generar nuevos extremos por donde pueden empezar a actuar las β-amilasas. Por tanto, un efecto combinado de ambas enzimas permite generar una cantidad adecuada de azúcares para la fermentación (mayoritariamente maltosa), sin hidrolizar en exceso el almidón.

En general las harinas presentan una cantidad suficiente de β-amilasas, pero una cantidad algo insuficiente de α-amilasas, por lo que suele ser aconsejable incorporar α-amilasas externas. Para analizar el contenido en α-amilasas se suele utilizar el ensayo del índice de caída, del que ya hemos hablado en otra entrada.

En cuanto a la actividad amilásica en harinas y masas, hay que tener en cuenta otro factor, como es la presencia de almidón dañado. Los gránulos de almidón intactos no pueden ser atacados por las amilasas presentes en la harina, o estas lo hacen demasiado lentamente para que se note este efecto en el proceso de panificación convencional. Sin embargo, durante el proceso de molienda una parte del almidón puede ser dañado, permitiendo la acción de las amilasas sobre los mismos. Afortunadamente el almidón dañado es bastante regular (entre un 3 y un 8%), siendo algo mayor en los trigos más duros que en las variedades más blandas. Este almidón dañado es suficiente para permitir la generación de maltosa necesaria para la fermentación, pero no excesivo. Si la cantidad de almidón dañado fuera más alta la acción de las amilasas se traduciría en masas menos consistentes y más pegajosas (por la hidrolisis del almidón), y panes más oscuros, ya que los azúcares generados intervendrían en las reacciones que generan el color marrón de las cortezas.

Añadidas

Como hemos comentado es frecuente que la actividad amilásica de las harinas sea insuficiente para la correcta elaboración de pan. Para compensar esta deficiencia se recurre al uso de α-amilasas externas. Esta adición puede realizarse directamente en las harineras, pero también es muy frecuente que los mejorantes panarios incorporen estas enzimas. Para la correcta selección de estas amilasas deberemos tener en cuenta las temperaturas y pH óptimos de actuación. Así existen amilasas fúngicas y amilasas bacterianas. Las amilasas bacterianas presentan un pH óptimo de actuación ligeramente más alejado del de las masas que las amilasas fúngicas, por lo que en principio son preferibles las segundas. Sin embargo, el gran problema de las amilasas bacterianas es que presentan una temperatura óptima de actuación más alta, así como una temperatura de inactivación también más elevada. Esto provoca que su funcionalidad en las masas sea más reducida que en el caso de las amilasas fúngicas, pero también que algunas amilasas bacterianas puedan superar el proceso de horneado sin ser inactivadas, degradando el pan elaborado. Por esto motivo, en principio, debemos descartar las amilasas bacterianas y elegir las amilasas fúngicas para complementar la actividad amilásica propia de las harinas. Estas amilasas fúngicas suelen inactivarse a los 60ºC, por lo que se desnaturalizan antes de que el almidón gelatinice, en el proceso de horneado. Como después veremos existen unas amilasas bacterianas especiales que si pueden tener un efecto positivo en la calidad de los panes.

Algunas amilasas bacterianas presentan una temperatura de inactivación algo menor que las habituales y son inactivadas completamente en el horneado, son las llamadas amilasas de estabilidad intermedia. Estas amilasas no son las más adecuadas para complementar la actividad amilásica de las harinas a la hora de generar azúcares para el proceso fermentativo, debido a que su temperatura óptima de actuación es algo superior a la de las masas. Sin embargo, pueden degradar el almidón parcialmente cuando este ha gelatinizado, durante el horneado. Al tener una mayor resistencia térmica pueden actuar a temperaturas más altas a las de gelatinización del almidón. Una vez ha gelatinizado el almidón es completamente accesible a la acción enzimática, ya que en este proceso se rompe la estructura granular. La acción de estas amilasas sobre el almidón es muy corta, ya que al seguir incrementándose la temperatura llegan a inactivarse. Pero esta acción es suficiente para reducir los fenómenos de retrogradación, y ralentizar el proceso de endurecimiento de los panes. Por tanto, el uso de estas enzimas podría permitirnos reducir el uso de monoglicéridos, el aditivo más utilizado con este propósito.

Si no queremos recurrir al uso de enzimas comerciales, existe otra posibilidad para compensar una baja actividad amilásica. Esta consiste en la adición de harinas elaboradas a partir de trigos germinados, o harinas de malta. En el proceso de germinación se dispara la producción de enzimas, y en particular de amilasas. Por tanto, las harinas de granos germinados serán ricas en estas enzimas. Sin embargo, debemos de tener cuidado en dos aspectos. Por una parte, las condiciones de germinación, ya que si esta es corta puede que la actividad enzimática sea reducida, y la temperatura de secado. Para el proceso germinativo es necesario humedecer los granos. Este exceso de humedad debe ser eliminado antes de la molienda, para lo que los granos se someten a un proceso de secado. Si este proceso se desarrolla a una temperatura elevada se inactivarán gran cantidad de las enzimas producidas. Por tanto, para conseguir harinas con alta actividad enzimática debemos alcanzar un alto grado de germinación y secar los granos a temperaturas suaves antes de su molienda. Las amilasas presentes en los cereales se inactivan a los 70ºC, por lo que pueden actuar ligeramente sobre el almidón que gelatiniza durante el horneado. Esto hace que un exceso de estas enzimas pueda ser más problemático que un exceso de amilasas fúngicas.

Otras

Existen otras enzimas capaces de actuar sobre el almidón. Algunas de estas son muy utilizadas en la industria almidonera, para obtener maltodextrinas o jarabes de glucosa, pero en general no se ha encontrado ninguna utilidad de estas enzimas en los procesos de panificación, con alguna excepción. Así tenemos enzimas capaces de hidrolizar los enlaces α-1-6 (ramificaciones en las cadenas de amilopectina), conocidas como pullulanasas. Hay que recordar que las α y β-amilasas solo podían hidrolizar los enlaces α-1-4, por lo que necesitaremos las pullulanasas para la completa degradación del almidón. También existen enzimas que tienen el efecto contrario, es decir, pueden crear enlaces α-1-6, y por tanto ramificaciones. Son conocidas como enzimas ramificantes.

La enzima comercial amilásica que sí que ha encontrado cierta aplicación en panificación, además de las α-amilasas, es la glucoamilasa. Esta enzima actúa de manera muy parecida a las β-amilasas, pero en vez de cortar de dos en dos unidades de glucosa, corta de una en una. Por tanto, en vez de generar maltosa genera glucosa, azúcar que es fermentado más rápidamente que la maltosa por parte de las levaduras. La glucosa tiene un mayor poder edulcorante que la maltosa, pero en su mayoría es consumida por las levaduras, por lo que apenas se nota este dulzor en el producto final. Además, la glucosa es más efectiva en las reacciones de Maillard, generando colores más dorados, algo que si parece notarse en los panes elaborados con masas que incorporan esta enzima.

5 respuestas a “Enzimas I”

  1. Gracias por la entrada, muy interesante.
    Cuando hablas de enzimas ramificantes, estas son capaces de incrementar la viscosidad durante el proceso de gelatinización del almidón? ¿Qué tipo de enzimas son?

    Por otro lado, las proteasas, en un batido en frío (temperatura ambiente), ¿son capaces de actuar para bajar viscosidad de batido?

    muchas gracias!

  2. Gracias Laura,

    Las enzimas ramificantes son complejas. Lo mejor es hablar con los fabricantes. En líneas generales crean enlaces alfa,1-6. Es decir, hacen lo contrario que las pullulanasas. Muchas veces es complicado usarlas en los procesos normales porque su temperatura de actuación optima es bastante más alta (al menos las que conozco). En teoría podrían incrementar la viscosidad, pero me experiencia es que no es algo espectacular. Yo las investigaciones que conozco ligan cadenas muy cortas (con pocas unidades de glucosa), que se han creado a priori. Y esto se hace para reducir el índice glucémico. Creo que hay mejores formas de incrementar la viscosidad.
    En cuanto a las proteasas, algo parecido. La lógica dice que algo que rompe puede reducir la viscosidad. Pero la viscosidad de los batidos, sobre todo tras gelatinización, se debe más al almidón que a las proteínas. Por tanto, para bajar viscosidad es mucho más efectiva la amilasa

  3. Excelente entrada!
    Quiero saber, cuando los azucares disponibles son demasiados durante la fermentación se afecta la miga de pan siendo mas pegajosa, pero esto se debe a que se eleva la concentración de CO2 o se afecta tambien el desempeño de las proteinas del gluten?

    1. Gracias por el comentario Claudia.

      Cuando hay un exceso de azúcares es posible que las levaduras no funcionen, por la elevada presión osmótica, y por tanto no se genere CO2, o al menos se ralentice la fermentación. Si esto no es un problema, también es posible que la red de gluten se vea afectada, al diluirse la cantidad de harina, que aporta el gluten, en la fórmula final. En ambos casos observaríamos un descenso del volumen de los panes. Pero si se utilizan las levaduras adecuadas y la harina correcta (más fuerza) es posible obtener panes dulces con una cierta concentración de azúcar. Estos panes también suelen incorporar aceite o grasas para obtener una textura más jugosa.

  4. […] Hoy continuamos hablando de enzimas, pero esta vez de enzimas algo menos conocidas que las amilasas, y algunas de ellas de uso muy reciente en panificación. Podéis consultar la entrada anterior sobre enzimas en panificación, donde hablábamos de aspectos generales y amilasas, en el siguiente enlace. […]

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