Efluentes de la industrialización del maíz - CIR

Efluentes de la
industrialización del maíz:
¿contaminante o recurso
valioso?
RosaDomínguezEspinosa
DanielPachoCarrillo
Rosa Domínguez Espinosa.Doctora en ingeniería química
con especialidad en fermentaciones, por la Universidad
de Manchester. Ganadora
del Premio nacional César
O.BaptistadelIMIQ,2002,a
laInvestigacióndeExcelencia
enIngenieríaQuímica.
Daniel Pacho Carrillo.Doctor
en ingeniería química con
especialidad en aplicaciones
de tomografía eléctrica para
control de procesos, por la
Universidad de Manchester.
Ganador del Premio nacional César O. Baptista del
IMIQ,2002,alaInvestigación
de Excelencia en Ingeniería
Química.
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POTEnCIALDEUSO
PARALOSExCEDEnTES
AGROInDUSTRIALES
YEFLUEnTESDELAInDUSTRIAALIME nTARIA
Anualmentemillonesdetoneladasde
cerealesyfrutossondañadosporelclimadurantesutransporte,durantesu
almacenajeobiendurantesuprocesado,loqueocasionaqueseconviertan
en material de desecho no aceptable
para su consumo o proceso directo
(Godon,1993).Sinembargo,todoeste
desperdicio agrícola constituye una
fuentepotencialdeenergíarenovable
enaltaabundanciaydemuybajocosto
(USDA, 1995). La creación de procesosbiológicosparalaproducciónde
químicosyaditivosqueutilicenestos
materialescomoprincipalesinsumos
puedeayudararesolveralgunosproblemas socio-económicos generados
enelcampoyenlacadenaproductiva
Revista de la Universidad aUtónoma de YUcatán
debido al alto volumen de material
agrícola no aprovechado. Adicionalmente, con la implementación de
tecnologías limpias como la anterior
se ayudaría a reducir el número de
emisionesgeneradasporlaindustria
química(Stanleyycol.,1994).
La utilización de excedentes
agroindustriales como materias primas para la obtención de químicos
yotrosbieneshasidouncampode
alto crecimiento a partir de las más
recientes crisis petroleras. Varios
estudios alrededor del planeta han
comprobadoquepormediodelabioconversión de excedentes y residuos
agroindustriales es factible obtener
diversos productos químicos y de
especialidadderelevanciaindustrial
encantidadesconsiderablesatravés
demétodosdefermentaciónobiorrefinación.Otrafuenteimportantederecursossubexplotadoseslaindustria
U
Efluentesdelaindustrializacióndelmaíz:¿contaminanteorecursovalioso?
delosalimentos,quehabitualmente
generaefluentesprovenientesdesus
procesos, las cuales acarrean materialesprovenientesde losalimentos
procesados,mismosquesonfactibles
deserreaprovechadoscomomateria
primaparalaobtencióndecompuestosdemayorvaloragregado.
La producción de productos químicos de alto potencial comercial
representanunaalternativaatractiva
paralapuestaenmarchademétodos
biológicosdedegradacióndedesechos
generadosenelprocesadoindustrial
decerealesyotrosalimentos,nosólo
porque propone la utilización de un
desechodepocovalorcomercialyque
en algunos casos puede llegar a ser
altamentecontaminante,sinotambién
contemplalaproduccióndeinsumos
de gran importancia comercial a un
costomuybajoconrespectodelamateriaprimautilizada.Deestamanera,
eldiseñodeprocesosbiológicospara
laproduccióndequímicosfinosapartirdeestosmaterialespuederesolver
algunosproblemassocioeconómicos
generadosenelcampoyenlacadena
productiva.
ELnEJAYOTEYLAInDUSTRIA
DELnIxTAMAL
Unaindustriadegranrelevanciaen
Méxicoeslatransformacióndelmaíz
entortillas.Deacuerdoconestimacionesextraoficiales(PedrozadeBrenes
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RosaDomínguezEspinosa-DanielPachoCarrillo
yDurándeBazúa,1988),elconsumo
aparentepromediodemaízgranoen
México ascendió a 25.5 millones de
toneladas en el período 2002/2003,
cubierto principalmente por la producción interna y en menor medida
porlasimportaciones.Elgranonacionalcontribuyeenpromedioconel86
porcientodelaofertatotal,mientras
que el consumo humano del grano
serealizapredominantemente como
tortilla,detalmaneraqueelconsumo
per capita es de 350 gramos diarios,
quesetraduceaunconsumodeeste
productode12.45millonesdetoneladasalaño,conunconsumodetortilla
ascendente ligado al crecimiento de
la población (Figura 1). La Cámara
nacional del Maíz Industrializado
establecequelaindustriadelatortilla
enMéxicoestáconstituidaporcerca
de 45,000 tortillerías, alrededor de
10,000molinosdenixtamalycuatro
Volumenfísicodemolienda
demaíz
Figura1
Volumen de molienda de maíz para nixtamalización en México registrado
de 1993 a 2002 (InEGI,2002)
Año
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Revista de la Universidad aUtónoma de YUcatán
empresas productoras de harina de
maíznixtamalizado.
Elmaízsesometeaunprocesode
cocción alcalina llamado nixtamalización,queesbásicamenteunacocción
delmaízenaguaconcal(hidróxidode
calcio),ypuededescribirsecomouna
lixiviaciónquelogralagelificaciónde
losalmidonesdelcereal.Losproductossonelnixtamal, queeselgranoque
serátransformadoentortillasyelnejayote oaguaresidualtambiénconocido
como"caldodecal"(Figura2).
Durante la nixtamalización ocurren cambios en la composición del
maíz,entreellossepuedencitarlos
siguientes:
a) Hayunincrementoenelcontenido
demineralesdebidoalaintroduccióndeionescalcio.
b) El contenido de grasa se reduce
debidobásicamentealahidrólisis
alcalina de los ácidos grasos, el
ácidolinoleicoeselqueseveprincipalmenteafectado.
c) Lacantidaddefibracrudatambién
disminuye,yaquedurantelanixtamalizaciónseseparaelpericarpio
delgranoyporellavadoaquees
expuesto el nixtamal se elimina
partedeestepericarpio.
d)El contenido de proteínas disminuye.Estosedebealasolubilidad
e hidrólisis de algunas fracciones proteínicas, principalmente
glutelinas, que se pierden en el
nejayote. Sin embargo, la calidad
U
Efluentesdelaindustrializacióndelmaíz:¿contaminanteorecursovalioso?
de la proteína que permanece en
el nixtamal mejora notablemente
debido a la mayor disponibilidad
de aminoácidos en las fracciones
peptídicasdespuésdelahidrólisis.
Aproximadamenteel10%deproteínasepierdeduranteelproceso
deelaboracióndetortillas.
e) Los hidratos de carbono del endospermodelmaíztambiénsufren
modificaciones. Ocurre una gelatinización parcial de los gránulos
de almidón, lo que ocasiona el
rompimiento de los gránulos y la
liberacióndelascadenasdealmidón(amilosayamilopectina).Las
cadenasasíliberadassonexpuestas
a la acción del medio alcalino, lo
que provoca una hidrólisis cuyo
nivel depende de qué tan severo
sea el tratamiento en cuanto a la
temperatura,tiempodeexposición
al calor y concentración de cal.
Partedelaglucosaproducidapor
lahidrólisisdelalmidón,asícomo
lasmaltodextrinas,dextrinasyalmidón,pasanalnejayote.Durante
laelaboracióndelatortilla,debido
alaaltatemperaturayalacantidad
limitadadeagua,ocurrelafusión
delosgránulosdealmidón,locual
ayuda a formar la red estructural
básicadelatortilla.
f) Las vitaminas hidrosolubles se
deterioran.
Los procesos de nixtamalización
que se emplean en el país para la
produccióndemasadenixtamalson
muyvariados,dependendeltipode
escala, equipo disponible, variedad
demaízutilizadaasícomodelasdiversas prácticas de manufactura, sin
embargo, en términos generales, en
promedioseproduceun mínimode
tresunidadesdevolumendeefluentes
Figura2
Proceso de elaboración del nixtamal
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por cada unidad de masa de granos
procesada. Parte de los nutrientes
perdidos durante la nixtamalización
se acumulan en esos efluentes que
soncompuestosprincipalmenteporel
aguaderemojoolavadodelcereal,por
loquelacomposicióndeestasaguases
similaralcereal(Cuadro1)auncuando proporcionalmente contenga más
fibra (pericarpio del maíz) y cenizas
(salesdecalcio)ymenosproteínaque
elgranodemaíz(Calderón,1990).
Elnejayoteesaltamentecontaminantedebidoaquetienelassiguientes
características:
• Contienealtasconcentracionesde
materiaorgánicaensuspensióny
disuelta(5a50g/l)loqueocasiona
una alta demanda bioquímica de
oxígeno(DBO).
• Saledelprocesoamuyaltatemperatura(60a80ºC).
• TieneunpHcercanoallímitemáximodealcalinidad(10a14).
Cuadro1
Composición del maíz y de sólidos suspendidos presentes en las aguas residuales
de nixtamalización
Parámetro
Maíznormal1
Sólidossuspendidosdel
nejayote2
Aminoácido
Isoleucina
3.82
3.24
Leucina
14.29
10.61
Fenilalanina
5.29
5.39
Metionina
2.89
0.95*
Valina
4.68
5.20
Lisina
2.00
2.32
Treonina
3.48
3.73
Humedad
11.00
6.90
Grasa
4.00
1.50
Proteína
13.03
4.10
Fibra
2.00
24.60
Cenizas
——
10.20
Parcialmentedestruidodurantelahidrólisis.
DeterminadoporMertzycol.,(1964),Science145:279.
2
DeterminadoporCIMMYT,ElBatán,México.
*
1
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Efluentesdelaindustrializacióndelmaíz:¿contaminanteorecursovalioso?
Sin embargo, el nejayote en muchas ocasiones se desecha en drenajes,cenotes(cuandoéstosexisten),o
arrojándosedirectamentealasinmediacionesdelmolino.Estotienecomo
consecuenciadirectaelquenocrezcan
plantasdebidoaquecambiaelpHdel
suelo,obienlamuertedepecesyotros
seres acuáticos por falta de oxígeno
(PedrozayDurán,1992).
Existen varias tecnologías para
reducirlacantidaddenejayoteproducidodurantelanixtamalización,tales
comoelrecircularelaguadentrodel
procesoeinclusoevitarquesegenere
deltodo;tambiénesposiblereducirla
cantidaddematerialorgánicoquecontiene,removiendolamateriainsoluble
porclarificaciónysedimentación,yla
materiasolublepormediodelaacción
demicroorganismosaerobiosoanaerobios a través de un sistema de
tratamientobiológicoconocidocomo
tratamientosecundariodeaguasresiduales.Peseaquesedisponedeeste
tipodedesarrollostecnológicosyde
unalegislaciónambientalquetratade
evitarsuemisiónalambiente,actualmentesiguesiendounproblemagrave
decontaminacióncomúnalambiente
eldesechodelnejayotesintratamiento
previo (Duran de Bazúa, 1988). Los
procesosmicrobianosquehansidodesarrolladoshantenidocomoobjetivo
principallaeliminacióndelamateria
orgánicacontaminantedelefluentey
la producción de proteína de origen
microbianomixtoparadietasanima-
les(DurándeBazúa,1988;Arámbula,
1999).Sinembargo,estosco-productos
deltratamientobiológicodelnejayote
sondebajovalorcomercial,porloque
enmuchoscasoselcosto-beneficiodel
tratamiento biológico resulta poco
atractivo para los productores de
nixtamal.
Hastaahoranosehabíacontempladolaposibilidaddeobtenerquímicos
deinteréscomercialapartirdelnejayoteatravésdesufermentacióncon
microorganismos específicos (cepas
puras). Esta alternativa brinda una
perspectivadeseablealtratamientode
losefluentes,permitiendolaposibilidaddeobtenergananciasadicionales
(lo cual no se obtiene en cantidades
suficientesdeseablesenlosotrosusos
alternos del nejayote) que pueden
hacer que el sistema de tratamiento
sea rentable desde el punto de vista
económico(Domínguezycol.,2002).
UTILIZACIónDEEFLUEnTES
DEnIxTAMAL(nEJAYOTE)
PARAPRODUCCIón
DEInSUMOSDEVALOR
COMERCIAL
Dentro de la gran variedad de productos químicos que pueden ser
generadosporvíasbiológicas,laproduccióndebiocatalizadores(enzimas)
es uno de los más importantes. El
usodeestosagentessepuedeubicar
en cuatro áreas principales: agentes
terapéuticos, herramientas para la
manipulacióndematerialesbiológicos
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Figura3
Actividad amilolítica del extracto crudo de la fermentación
de agua de nejayote por A. awamori
Figura4
Estabilidad de la actividad de amilasas en refrigeración, obtenidas en la
bioconversión de nejayote por A. awamori
(porejemplo:genes),comoreactivos
analíticosycomocatalizadoresindustriales.Losefluentesdelnixtamalpuedenserusadosparaproducirenzimas,
enparticular,amilasas.
Lasenzimasamilasastienencapacidaddedegradaralmidónysusderivados.Estoscatalizadoresseusanenla
industriaalimentariaparaeliminarel
almidóndelosextractosdefrutas,en
laproduccióndepectinaapartirdel
bagazo de manzanas, para clarificar
laturbiedaddebidaalalmidónenlos
vinos,enlacervezayenlosjugosde
frutas,paraconvertirenjarabesdulces
losalmidonesprocedentesdecereales
y leguminosas, en la fabricación del
panyparasacarificarelalmidónenlas
masasqueseutilizanenlafermentaciónalcohólica.Perotambiénseusan
enotrosprocesosindustrialescomo:
aditivosparadetergentesbiológicos,
investigación, como desenco-lantes
en la industria textil, elaboración de
papel,alternativaeconómicaalamodificacióndelalmidónylaelaboración
de jarabes ricos en glucosa (Knorr y
Soinskey,1985).
DISEñOCOnCEPTUALDE
UnAPLAnTABIOTRAnSFORMADORADEnEJAYOTE
Estudios realizados en la Facultad
de Ingeniería Química de la UADY
han permitido desarrollar una tecnologíaparalaposibleutilizaciónde
los efluentes de la nixtamalización
como medio de fermentación para
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U
Efluentesdelaindustrializacióndelmaíz:¿contaminanteorecursovalioso?
la obtención de compuestos de alto
valoragregado.
En un ensayo llevado a cabo se
logró la degradación biológica del
nejayote produciendo enzimas con
actividad amilolítica y proteolítica a
diferentescondicionesdecultivo.La
mayoractividadamilolíticafuede16
UIdespuésdeunprocesodefermentaciónde100h(Figura3)apHinicial
de 4.5 y un régimen de agitación de
300rpm.Lavariacióndelaaeración
notuvoefectoaparenteysualmacenamientoenrefrigeracióna4ºCresultó
estable(Figura4).Estaconcentración
deenzimasamilolíticasfuemayorque
laobservadaenotrosestudiosdonde
elhongoA. awamori haalcanzadoactividadesamilolíticasde1.2Uy2.56U
entiemposde72y90h(WebbyWang,
1997; Domínguez y Webb, 1998). Se
observaronenlapreparacióncrudanivelesbajosdeactividadproteolíticade
tipoácido(aproximadamente10veces
menorquelaamilolítica),loqueindica
buenaestabilidaddelpreparadoenzimáticoenalmacén.Deigualmanera
seobservaronreduccionesdesólidos
solublesenelnejayotecercanasaun
42% y reducciones importantes del
DBO5hastaun21%delvalororiginal
después de 170 h de iniciada la fermentación(Cuadro2).
Con base en los rendimientos
obtenidos, es posible realizar una
evaluación económica preliminar
para el proceso. La instalación de
la planta procesadora (Figura 5) de
nejayote resulta viable para una capacidaddeprocesamientoporlotes
desde 10 m 3 de nejayote, con un
rendimientode80litrosdeextracto
crudoenzimáticoporcada100litros
de nejayote procesado, 13.5 g de
polvo liofilizado con una potencia
de82UI/gy695gdebiomasacomo
subproductodefermentación,elcual
puede ser comercializado como suplementodealimentoanimalyaque
tiene un contenido de proteína del
18%.Paraunprocesodeestetipose
haestimadounainversióninicialde
$18'181,683.00,recuperablealsegundoañodeoperacióndelaplanta.
Cuadro2
Composición del nejayote antes y después de la fermentación
nejayote
Sólidostotales
(g/l)
DBO5
(mg/l)
Proteína
(g/l)
nitrógenolibre Sólidossolubles SólidosTotales1
(g/l)
(g/l)
(g/l)
*Antes
biodegradación
14.49±0.22
432.77±0.32
0.762±0.067
0.135±0.08
11.92±0.58
14.49±0.22
Después
biodegradación
9.51(1)±0.16
340±0.12
0.518±0.0201
0.0918±0.0024
2.56±.93
9.51(1)±0.16
* AjustadoapH5antesdeinocular.
1
Incluyebiomasamicrobianageneradadurantelabiodegradación.
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COnCLUSIOnES
Lossólidosfermentablesdemaízcontenidosenlosefluentesdesusprocesos
comunesdeindustrialización(nejayote)
seencuentranenconcentracionessuficientesparasostenerelcrecimientode
cepas fúngicas de utilidad industrial,
obteniendoproductosdealtovaloragregado,comosonlasamilasas,haciendo
atractiva su canalización y uso como
materias primas para procesos biotecnológicosindustriales.
AGRADECIMIEnTOS
Losautoresdeestetrabajoagradecen al Ingeniero Jorge Lugo Magaña, de "nixtamalera de Productos
deMaízyDerivadosS.A.deC.V",
sucooperaciónenlarealizaciónde
esteestudio.AMarvinVera,Ángel
Aguilar,HerbertGonzálezyAraceli
González,porsuparticipaciónenla
realizacióndeltrabajo.
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nejayote

Figura5
Diseño de la Planta Procesadora de Nejayote
Acondicionamientofisicoquímicodelnejayote

Sistemadeesterilización

Tanquedeprealimentación
conagitación

Fermentador


Separación

Suplementoalimenticio
animal

Inóculo

Usoindustrial
Precipitación



Liofilizado
Extractoenzimáticocrudo


62
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Revista de la Universidad aUtónoma de YUcatán
Tratamientoderesiduos
U
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