PROGRAMA EDUCATIVO: INGENIERÍA AMBIENTAL TRABAJO

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
ZONA XALAPA
PROGRAMA EDUCATIVO:
INGENIERÍA AMBIENTAL
CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DE LACTOSUERO
EN MUNICIPIOS DE LA REGIÓN CENTRAL DEL
ESTADO DE VERACRUZ
TRABAJO TEÓRICO PRÁCTICO
Que para acreditar la Experiencia educativa:
Experiencia Recepcional
P r e s e n t a:
C. Daniel Alejandro Lugardo González
Director:
M.I. Eduardo Castillo González
Co-Directora:
Dra. Lorena De Medina Salas
Xalapa, Ver., Diciembre 2013.
Agradecimientos:
Dra. Lorena, gracias por sus asesorías, consejos y su amistad.
Mtro. Castillo, gracias por los conocimientos compartidos y la confianza que
siempre depositó en mí.
A mis padres, por su incesante esfuerzo y regalarme el futuro.
A mis amigas y amigos: Por el cariño y los momentos compartidos.
Dedicado a María del Refugio González Rocha,
Principal impulsora de mis proyectos.
ÍNDICE
Pág.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………. 1
I. GENERALIDADES…………………………………………………………..
2
1.1 Antecedentes……………………………………………………………..
2
1.1.1 Contexto internacional…………………….…………………….….
2
1.1.2 Contexto nacional…………………………………..……………….
4
1.1.3 Contexto estatal……………………………………..……………….
6
1.2 Planteamiento del problema…………………………………………….
7
1.3 Objetivos…………………………………………………………………..
8
1.3.1 Objetivo general……………………………………….……………..
8
1.3.2 Objetivos particulares…..…………………………….……………..
1.4 Justificación………………………………………………….……………
II.
MARCO TEÓRICO………………………………………………..…….
2.2 Aguas Residuales………………………………………………….…….
2.2.1 Clasificación………………………………………………….….…..
2.2.2 Características físicas……………………………………….………
2.2.3 Características químicas…………………………………….……..
2.2.4 Características biológicas………………………………………...…
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2.3 La industria láctea………………………………………………………
2.3.1 Panorama general de la industria láctea…………………………
2.3.2 Tipos de contaminantes de la industria láctea…………………..
2.3.3 Leche…………………………………………………………………
2.3.4 Lactosuero…………………………………………………………...
2.3.4.1 Uso………………………………………………………….……
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2.3.4.2 Tipos……………………………………………………………..
2.3.4.2.1 Lactosuero dulce………………………………………..
2.3.4.2.2 Lactosuero ácido…………………………………………
2.3.4.3 Composición…………………………………………….………
2.4 Aguas residuales de la industria láctea………………………..……..
2.4.1 Características………………………………………………..……..
2.4.1.1 Humedad……………………………………………………
2.4.1.2 Cenizas………………………………………………………
2.4.1.3 pH…………………………………………………………….
2.4.1.4 Acidez………………………………………………………..
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ÍNDICE
III.
2.4.1.5 Proteína……………………..………………………………
2.4.1.6 Lactosa………………………………………………………
34
2.4.1.7 Grasa………………………………………………………...
2.4.1.8 Demanda química de oxígeno (DQO)……………………
2.4.1.9 Demanda biológica de oxígeno (DBO)………………….
2.4.1.10 Relación DBO/DQO………………………………………
METODOLOGÍA.……………………………………………..…………
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3.1 Desarrollo del muestreo………………...………………………………
3.1.1 Determinación de la zona, localidades y municipios de
muestreo………………………………………………………………………..
3.1.2 Selección de los sitios de muestreo……………………………….
3.1.3 Recolección de las muestras………………………………………
3.1.4 Transporte de las muestras………………………………………..
3.2 Determinación de los parámetros fisicoquímicos…………………
3.2.1 Revisión bibliográfica sobre caracterización fisicoquímica de
lactosuero………………………………………………………………………..
3.2.2 Selección de los parámetros fisicoquímicos………………………
3.2.3 Realización de las determinaciones……………………………….
3.2.3.1 Determinación del porcentaje de humedad…………………..
3.2.3.2 Determinación del porcentaje de cenizas…………………….
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3.2.3.3 Determinación de pH…………………………………..............
3.2.3.4 Determinación de Acidez……...……………………………….
3.2.3.5 Determinación de Proteína, Lactosa y Grasa……….............
3.2.3.6 Determinación de la DQO………………………………………
3.2.3.7 Determinación de la DBO………………………………………
IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN………………………………………..
4.1 Porcentaje de humedad………………………………….……………
4.2 Porcentaje de cenizas………………………………….……………..
4.3 Acidez……………………………………………...……………………
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4.4 Valores de pH……………………………………………………….....
4.5 Proteínas……………………………………………………...………..
4.6 Lactosa………………………………………………………….………
4.7 Grasa………………………………………………….………………..
4.8 DQO……………………………………………………………...……..
4.9 DBO……………………………………………………………...………
IV. CONCLUSIONES………………………………………………...…….
V. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………...………
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ÍNDICE
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1.Contenidos en vitaminas del lactosuero………..………………….
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Tabla 2. Aminoácidos esenciales en el lactosuero (mg/g de proteína)….
Tabla 3. Municipios donde se muestreo el lactosuero……………………..
Tabla 4. Porcentajes de humedad en el lactosuero………………..………
Tabla 5. Porcentajes de cenizas en el lactosuero………………………….
Tabla 6. Valores de acidez de los lactosueros……………………….…….
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Tabla 7. Valores de pH en lactosuero…………………………………..……
Tabla 8. Proteínas en lactosuero………………………..……..…………….
Tabla 9. Valores de lactosa………………………………………..………….
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Tabla 10. Cantidad de grasa presente en el lactosuero………..………….
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Tabla 11. DQO del lactosuero…………………………………..…………….
Tabla 12. DBO en lactosuero…………………………………………..……..
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ÍNDICE
Pág.
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Producción de leche por entidad federativa: los once grandes..
Figura 2. Proceso de elaboración del yogurt……………………………….
Figura 3. Diagrama del proceso de elaboración del queso….…………...
Figura 4. Metodología de la caracterización fisicoquímica……………….
Figura 5. Municipios de muestreo……………………………………………
Figura 6. Estufa y crisoles utilizados para la determinación de los
análisis…………………………………………………………………………..
Figura 7. Balanza y desecador utilizados para la determinación de los
análisis…………………………………………………………………………..
Figura 8. Potenciómetro usado para análisis de pH……………………….
Figura 9. Lacticheck utilizado para la medición de parámetros a los
lactosueros………………………………………………………………………
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ÍNDICE
ÍNDICE GRÁFICAS
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Gráfica 1. Comparación del porcentaje de humedad entre los lactosuero 60
Gráfica 2. Comparación del porcentaje de cenizas entre los lactosueros. 62
Gráfica 3. Comparación de acidez entre los lactosueros…….…………… 63
Gráfica 4. Comparación de pH entre los lactosueros………….………….. 64
Gráfica 5. Comparación de proteínas entre los lactosueros………………
Gráfica 6. Comparación de lactosa de los lactosueros……………………
Gráfica 7. Comparación de grasa presente entre los lactosueros…..……
Gráfica 8. Valores obtenidos de DQO.………………………………………
Gráfica 9. Valores de DBO……………………………………………….……
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72
INTRODUCCIÓN
FIS
INTRODUCCIÓN
En la industria láctea se producen diariamente una considerable cantidad de
aguas residuales, que suelen oscilar entre 4 y 10 L de agua por cada uno de leche
tratada, según el tipo de producto. La mayor parte de estas aguas proceden
fundamentalmente de la limpieza de aparatos, máquinas y salas de tratamiento,
por lo que contienen restos de productos lácteos y productos químicos (ácidos,
álcalis, detergentes, desinfectantes, etc.). Cada empresa lechera debe minimizar
el nivel de contaminación que genera, para reducir el impacto ambiental, pues
deben desechar el agua en las mismas condiciones que reciben, aplicando una
producción más limpia. Por sus características, los efluentes de estas industrias
responden muy bien a tratamiento por métodos biológicos, de los cuales los
tratamientos aeróbicos son los más convenientes, pero la selección final del
método de tratamiento depende de la colocación y tamaño de la planta (Zamora,
2011).
En este trabajo se inicia presentándose una breve introducción del tema, los
aspectos generales, las características de aguas residuales de la industria láctea ,
así mismo se analizan los diversos derivados de la leche y el panorama que rodea
a esta industria, partiendo del conocimiento de este alimento y sus principales
productos. Se explora en las características del lactosuero como principal residuo
contaminador de esta actividad productiva y de los diversos métodos que existen
para el tratamiento de este efluente, se mencionan las consecuencias que surgen
del vertido de este residuo hacia los cuerpos receptores resaltando el
aprovechamiento de este residuo para incorporarlo en la alimentación, productos
fermentados y otros procesos alimenticios. Posteriormente se determina la
metodología para la realización del muestreo y caracterización fisicoquímica de
de lactosuero de los municipios seleccionados comprendidos dentro de la región
central del estado de Veracruz.
1
GENERALIDADES
I. GENERALIDADES
1.1 Antecedentes
1.1.1 Contexto internacional
Internacionalmente, América del Norte, Europa y Australia son las regiones donde
se tratan la mayoría de las aguas residuales, sin embargo la problemática
generada por la falta de tratamiento de aguas residuales afecta aun al 41% de la
población mundial, siendo el Caribe, Oeste y centro de África y en el Sur y Este de
Asia, donde se calcula que el 90% del agua no es depurada. Cada día, dos
millones de toneladas de aguas residuales y de otros efluentes drenan a las aguas
del mundo (ONU, 2010).
En la mayoría de los países de ingresos bajos y medios, las aguas residuales se
vierten directamente al mar o ríos sin tratamiento alguno. Muchas grandes
ciudades no cuentan con plantas de tratamiento o las plantas se revelan
rápidamente como insuficientes ya que la población urbana supera el crecimiento
de las inversiones. Las descargas de aguas no tratadas ocasionan problemas en
las zonas situadas rio abajo, además, las aguas residuales directa o
indirectamente riegan 20 millones de hectáreas de tierras a nivel mundial, casi el
7% de la superficie total de regadío. Si bien el uso de aguas residuales en la
agricultura puede aportar beneficios, su uso no controlado generalmente está
relacionado con impactos significativos sobre la salud humana, por lo cual un buen
tratamiento de las aguas residuales puede ser una cuestión positiva para el medio
ambiente y conducir a mejorar la seguridad alimentaria, la salud y el desarrollo
económico del País en general (OMS, 2012).
Diversos Países, como Egipto, Ghana, Brasil, Colombia, Perú, Polonia Nicaragua
y España están presentando acciones ante tal problemática, como el
mejoramiento
de
instalaciones
sanitarias,
investigaciones
sobre
sistemas
alternativos no convencionales de saneamiento urbano, la mejora de los servicios
de saneamiento mediante la construcción de nuevas tecnologías alternativas de
recolección de aguas residuales, la prevención de la contaminación, el manejo de
las aguas pluviales, el manejo y tratamiento de aguas residuales, la gestión
integral del agua urbana y la reutilización y reciclaje del agua (UNESCO, 2008).
2
GENERALIDADES
Uno de estos estudios de realizó en Portugal donde hubo una recopilación
exhaustiva de caracterizaciones de aguas residuales lácteas con lactosuero y un
estudio comparativo entre las diferencias de los diferentes tipos de lactosuero y
efluentes de la industria láctea; donde se encontró un promedio para la humedad
en el lactosuero ácido de 92.8% y en el dulce 93.9%, en cuanto a la cantidad de
proteína contenida en el lactosuero ácido se obtuvo un promedio de 2.8 g/L y para
el dulce 1.9 g/L; para la DQO se obtuvo un rango de 57,546-74,875 mg/L para el
lactosuero ácido y 31,600-39,679 mg/L en cuanto a lactosuero dulce se refiere. Se
analizaron las ventajas e inconvenientes de utilizar un pretratamiento fisicoquímico
(precipitación, coagulación-floculación) en los sistemas aeróbicos y anaeróbicos,
lo que permitió la aplicación de tratamientos de biodegradación aeróbica sin
dilución previa. Se concluyó también que la precipitación química con cal o NaOH
produce una descarga de calidad y un lodo rico en materia orgánica y nutrientes
(N y P). El uso de este lodo como mejorador de suelos en la agricultura puede dar
lugar a la aplicación de los sistemas de descarga cero (Carvalho et al., 2013). Por
otra parte se realizó una investigación en Hohhot, China donde se estudió el uso
de membranas en el tratamiento de aguas residuales lácteas. Para ello se realizó
un experimento comparativo sobre la base del porcentaje de eliminación de la
demanda química de oxígeno a fin de analizar el rendimiento de la membrana en
uso. Donde se encontró un promedio para DQO en lactosueros ácidos de 63,743
mg/L y un 34,743 en los dulces. Los resultados mostraron que este sistema
híbrido redujo en un 98% la DQO desde el valor original (Chen et al., 2012).
En Colombia se analizó el lactosuero resultante de una empresa quesera ubicada
en San Pedro de los Milagros, Antioquia, el cual representa una producción
aproximada de 14.400 toneladas anuales, en dicha caracterización se realizó
utilizando métodos estándar para los análisis fisicoquímico (pH, densidad) y
bromatológico (proteínas por el método de Kjeldahl, grasas mediante el método
Gerber y cenizas por gravimetría), los resultados del análisis fisicoquímico
demostraron valores de DQO entre 50,000 y 80, 000 mg/L, porcentaje de proteína
de 0.86 ±0.04, optando por el uso de microorganismos eficientes para el
3
GENERALIDADES
tratamiento
de
este
residuos
logrando
la
remoción
de
la
DQO
en
aproximadamente 98% evitando un riesgo ambiental.
En el año 2007 en la Universidad de El Salvador se realizó una trabajo para
obtener el diagnóstico de alternativas de sus usos potenciales en el Salvador,
donde se evaluaron alternativas para desarrollar productos a partir de suero
láctico, debido a los altos volúmenes de vertido de este residuo, para ello
previamente se analizó la caracterización del lactosuero donde se incluyeron los
parámetros de sólidos, grasas encontrando un promedio de 0.65 g/L en ácidos y
un 0.68 g/L para dulces, pH teniendo un rango que va desde 4.1 al 5.8, con
respecto a la acidez el parámetro para el lactosuero ácido es 0.07-0.13% y 0.090.10 para el dulce, en proteínas existe un promedio de 3.3 g/L y 2.6 g/L para el
ácido y dulce respectivamente, la DQO tuvo como resultado un 61,965 mg/L y
DBO 32,562 mg/L, en dicho estudio se concluyó que al tener un alto contenido de
materia orgánica provoca numerosas alteraciones a las condiciones del medio
ambiente
y que estas características propias del lactosuero lo hacen una
excelente materia prima para la elaboración de productos con alto contenido
nutritivo.
1.1.2 Contexto nacional
Según el último inventario, al concluir el año 2009 existían registradas 2,029
plantas municipales de tratamiento en operación en el País, con una capacidad
total instalada de 120,860 L/s, las cuales daban tratamiento a 88,127.1 L/s,
equivalentes al 42.1% del agua residual generada y colectada en los sistemas
municipales de alcantarillado del País. A finales del 2010, el registro de plantas en
operación se incrementó a 2,186 instalaciones, con una capacidad instalada de
126,847.5 l/s y un caudal tratado de 93,600 l/s, lo cual significa un incremento del
4.95% en cuanto a la capacidad instalada y el 6.21% en caudal tratado, lo que
permitió alcanzar una cobertura de tratamiento de aguas residuales municipales
del 44.8% en el ejercicio (CONAGUA, 2010), presentándose un marcado progreso
con respecto al 2009.
4
GENERALIDADES
La industria láctea mexicana es una de las más importantes de América. En los
últimos años se han impulsado iniciativas dirigidas a desarrollar el sector en los
diferentes puntos de la cadena, desde la producción de la leche hasta los canales
de distribución incluyendo la reducción de los impactos ambientales, que la
producción de los derivados de la leche genera. Gran parte de esta producción es
destinada a la elaboración de quesos, donde el lactosuero es el principal
subproducto que se obtiene y representa aproximadamente el 85 % del total de la
leche descremada que se utiliza. La mayor parte del lactosuero es vertido como
efluente a los ríos convirtiéndose en el contaminante principal de la industria
láctea. Esta situación genera que las fuentes de agua cercanas a las industrias
queseras estén altamente contaminadas por la gran cantidad de sustancia
orgánica que el lactosuero aporta perjudicando a las poblaciones aledañas y
causando graves daños al medio ambiente.
En diversos lugares del territorio nacional, el problema del lactosuero lleva años
sin poder resolverse, es el caso de los municipios de Tulancingo y Acatlán en el
estado de Hidalgo, aquí se encuentran 71 empresas queseras que producen
alrededor de 670 mil litros de suero de leche, derramándose más de la mitad de
este volumen, dañando tierras de cultivo, cuerpos de aguas, ganado local y
provocando en las comunidades de los Sabinos, Huapalcalco, Caltengo,
Guadalupe y Argentina, enfermedades en la piel y ojos, además de los malos
olores. La falta de vigilancia, de alternativas para reutilizar el subproducto y la
carencia de inversiones, agrava aúnmás los daños al medio ambiente de la región.
En 2010 el Instituto Politécnico Nacional realizó un trabajo que tuvo el objetivo de
evaluar la eficiencia de la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de la
Sociedad Cooperativa de Producción de Quesería Holanda S.C.L, ubicada en
Campo Hermoso, Nuevo Ideal, Durango, conforme a la Normatividad Oficial
Mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996. Donde para la DQO se obtuvo un
promedio de 65,655 mg/L y 36,897 mg/L para DBO. La evaluación se llevó a cabo
al comparar las entradas y salidas por parámetro de cada operación y/o proceso
5
GENERALIDADES
involucrado en la PTAR de la quesería, tomando en cuenta sus tiempos de
residencia hidráulica (TRH).
En el Valle de Tulancingo, Hidalgo se realizó una caracterización fisicoquímica del
lactosuero donde los parámetros que se analizaron fueron: materia grasa, lactosa,
proteína, sólidos totales, pH y DQO. La lactosa como principal componente del
lactosuero y así mismo es la responsable de los altos valores de DQO, para ello
se eligieron 15 empresas queseras, donde, entre otros datos se encontró lo
siguiente: contenidos de grasa desde 0.29 % hasta 1.09 % con un promedio de
0.622 % en suero dulce. El contenido de grasa en suero de requesón se encuentra
entre 0.18 % y 0.33 % con un promedio de 0.266%. Ninguno de las muestras de
lactosuero analizadas presentó contenidos menores a 0.1 % de grasa, por lo que
ningún suero fue descremado. En el caso del suero dulce el 66.6% de las
muestras presentan valores mayores a 0.5 % de grasa, lo que puede evidenciar la
adición de grasas de otros orígenes.
1.1.2 Contexto estatal
En el estado de Veracruz respecto a la infraestructura para el tratamiento de
aguas residuales, en la entidad existen 92 plantas de tratamiento de aguas
residuales municipales, con una capacidad instalada de 5.428 m 3/s. De éstas, se
encuentran en operación sólo la tercera parte. En el uso industrial, alrededor de
300 industrias generan un volumen de agua residual de 672 m3, de los cuales tan
sólo se tratan 329.6 m3 (Plan Veracruzano de Desarrollo, 2011-2016).
La alta contaminación de los ríos del estado se debe principalmente a las
descargas de la industria láctea de aguas residuales sin tratamiento o con
tratamiento deficiente. Este tipo de descargas constituye el 68% del volumen
descargado a ríos y cauces de forma puntual, además de que aporta el 76% de la
carga contaminante medida en términos del DBO.
A nivel estatal, son graves los problemas causados por el vertido de lactosuero,
principalmente a ríos y arroyos cercanos a las industrias que lo generan; un
ejemplo claro es la contaminación que sufre el rio Naolinco, cuerpo de agua que
6
GENERALIDADES
atraviesa las localidades de Miahuatlán, Naolinco, Tonayan, Acatlán y Landero y
Coss, siendo Miahuatlán y Naolinco las principales afectadas, este problema se
debe, a que una de las principales actividades económicas de estas localidades y
municipios es la producción de quesos; se tienen datos locales de que más de 20
mil litros de leche son procesados diariamente y que las aguas de desecho, son
en su mayoría arrojadas al drenaje y cuyo destino final es el rio; esto ha provocado
un daño ambiental enorme, además del deterioro de la calidad de agua, lo que
origina problemas económicos al tener que buscar fuentes de abastecimiento del
líquido en las partes altas de la cuenca. Quejas que han sido pasadas por alto,
malas administraciones, falta de recursos, programas de recuperación que han
sido olvidados, plantas de tratamiento inconclusas; son solo algunos de los
motivos por los cuales la contaminación del rio Naolinco sigue sin solución
(Huerta, 2012).
1.2 Planteamiento del problema
En los municipios de la zona central del estado de Veracruz el vertido del
lactosuero representa un severo impacto para el ambiente causando efectos
nocivos como exceso en el consumo de oxígeno, eutrofización y toxicidad en
cuerpos de agua, además de provocar impermeabilización en suelos. Éste es el
desecho más contaminante de esta región, debido principalmente a la elaboración
artesanal de quesos, siendo esta una actividad principal económica. Para
entender las afectaciones que el vertido del lactosuero tiene hacia el medio es
necesario conocer las características físico-químicas que posee y así comprender
los procesos que ocurren al estar en contacto con los ecosistemas.
Se tiene nula o escasa información acerca de las características fisicoquímicas
que posee el lactosuero de esta región, por lo que su análisis y conocimiento es
necesaria para tener un registro del comportamiento de los parámetros indicativos
que lo componen y mediante este análisis poder tener propuestas de
aprovechamiento, tratamiento o disposición de este residuo.
7
GENERALIDADES
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo general
Determinar
las
características
fisicoquímicas
del
lactosuero
de
diversas
comunidades de la región montañosa del estado de Veracruz.
1.3.1 Objetivos particulares
1. Muestrear lactosuero procedente de diversos municipios de la región
central del estado de Veracruz.
2. Determinar los parámetros fisicoquímicos de las muestras obtenidas.
3. Analizar los resultados obtenidos de la caracterización fisicoquímica de las
muestras.
1.4 Justificación
La industria láctea genera gran cantidad de residuos líquidos, el residuo líquido
más contaminante y mayormente producido por parte de esta industria es el
lactosuero, dichos residuos requieren la disposición de una gran inversión de
capital para su tratamiento por lo que la mayoría de plantas lácteas no tienen
sistemas de tratamiento apropiados para la disposición de lactosuero y el
vertimiento de sus constituyentes genera pérdidas alimenticias y energéticas. Para
dar inicio a cualquier tipo de aprovechamiento o tratamiento de este residuo, como
primer paso y quizá el más importante, es de conocer las características
fisicoquímicas
propias
del
lactosuero,
para
este
caso,
el
conocer
las
características que componen los lactosueros procedentes de esta región del
estado de Veracruz. El ingeniero ambiental está relacionado con los procesos de
producción y por lo tanto las grandes cantidades de lactosuero que genera, por
ello está obligado a buscar la prevención y mitigación de las afectaciones al medio
que resulten a consecuencia de esta actividad. Para disminuir la capacidad
contaminante del lactosueros necesario conocer las características fisicoquímicas
de los diferentes tipos de este residuo a fin de realizar el análisis adecuado para la
propuesta y diseño de sistemas de tratamiento eficientes y así también hablar de
8
GENERALIDADES
la reutilización del lactosuero contribuyendo a la disminución de la contaminación
del ambiente y los elevados costos de tratamiento de aguas residuales.
9
MARCO TEÓRICO
II. MARCO TEÓRICO
2.1 Aguas residuales
Las aguas residuales resultan de la combinación de líquidos y residuos sólidos
transportados por el agua que proviene de residencias, oficinas, edificios
comerciales e instituciones, junto con los residuos de las industrias y de
actividades agrícolas, así como de las aguas subterráneas, superficiales o de
precipitación que también pueden agregarse eventualmente al agua residual
(Sundara et al., 2010).
2.2.1 Clasificación
A continuación se presenta la clasificación general de las aguas residuales.
Domésticas: son básicamente las que provienen de residuos humanos, las cuales
llegan a las redes de alcantarillado por medio de descargas de instalaciones
hidráulicas de las edificaciones.
Industriales: son líquidos generados en los procesos industriales. Poseen
características específicas, dependiendo del tipo de industria. Cada tipo de
actividad industrial según el proceso, verte un agua residual caracterizada por una
contaminación determinada. De modo general se conocen los parámetros
característicos de cada una de ellas, pero es precisa su determinación detallada
para valorar su tratamiento y posterior incidencia en el medio receptor (Seoanez,
2005).
Pluviales: son agua de lluvia, que descargan grandes cantidades de agua sobre el
suelo. Parte de esta agua es drenada y otra escurre por la superficie, arrastrando
arena, tierra, hojas y otros residuos que pueden estar sobre el suelo.
2.2.2 Características físicas
La característica física más importante es su contenido de sólidos totales, el cual
está compuesto por materia flotante y materia en suspensión, en dispersión
10
MARCO TEÓRICO
coloidal y en disolución. Otras características físicas importantes son la
temperatura, color y olor, a continuación se describen brevemente algunas de las
características físicas mencionadas.
Sólidos en suspensión: los sólidos en suspensión es una medida de los sólidos
sedimentables (no disueltos) que pueden ser retenidos con filtro. Se pueden
determinar pesando el residuo que queda en el filtro después del secado. Se
separan por filtración o decantación (Romero, 2005).
Sólidos totales: se definen como los residuos de materia que quedan en un
recipiente después de la evaporación de una muestra y su consecutivo en estufa a
temperatura definida. Pueden ser tanto las sustancias orgánicas como
inorgánicas, los microorganismos y partículas más grandes como la arena y arcilla
(Ferrer y Seco, 2008).
Sólidos sedimentables: se definen como aquellos sólidos que sedimentan en el
fondo de un recipiente de forma cónica en un tiempo de 60 minutos. Este
parámetro se utiliza para conocer el volumen y la densidad. El tamaño de estos
sólidos son mayores de 0.1 mm (Delgadillo et al., 2010).
Sólidos volátiles: son la porción de la materia orgánica que se puede eliminar o
volatilizarse cuando esta se quema en un horno mufla a temperatura de 550°C.Los
sólidos volátiles biodegradables son la porción de sólidos volátiles de materia
orgánica que son biodegradables (Metcalf y Eddy, 2003).
2.2.3 Características químicas
En general las características químicas presentes en las aguas residuales son:
proteínas, carbohidratos, agentes tensoactivos, grasas animales, cloruros,
pesticidas, fenoles, metales pesados, oxígeno disuelto, entre otras. A continuación
se presenta una breve descripción de las características químicas mencionadas:
pH: el intervalo de pH óptimo está entre 7 y 9 aproximadamente, situándose la
condición óptima alrededor de 7.5. Valores de pH por debajo de 7 pueden
11
MARCO TEÓRICO
provocar un aumento de la producción de óxidos nitrosos, especialmente de N2O
como productos finales de la desnitrificación (Ferrer y Seco, 2008).
Nitrógeno total Kjeldahl: la determinación de nitrógeno se hace con frecuencia
para controlar el grado de purificación obtenida con los tratamientos biológicos. El
control de nitrógeno ha llegado a ser una consideración importante de diseño y
ejecución de las plantas de tratamiento de aguas residuales. En algunos estados
se han impuesto limitaciones debido a la sospecha de efectos tóxicos sobre la vida
de los peces. Es bien sabido que el amoniaco no ionizado es tóxico, pero que el
ión amoniaco no lo es. Puesto que la relación entre los dos depende del pH
(Mihelcic y Zimmerman, 2011).
Fósforo y fosfato: todos los organismos que participan en los procesos biológicos
del tratamiento de las aguas residuales requieren fosfato para la producción y
síntesis de nuevo tejido celular (Sundara, 2010).
Oxígeno libre disuelto: el oxígeno libre disuelto es el reactivo esencial para los
procesos aeróbicos, y cuando los organismos aeróbicos utilizan los nutrientes
orgánicos, consumen al mismo tiempo oxígeno disuelto. Si no se repone el
oxígeno disuelto, el crecimiento aeróbico se detiene cuando se agota el oxígeno, y
sólo pueden continuar los procesos anaeróbicos, lentos y malolientes. La
disponibilidad del oxígeno libre disuelto en el agua es, por tanto, el factor clave
que limita la capacidad de autopurificación de una corriente de agua. Si los
nutrientes disueltos entran al agua a una tasa tal que el oxígeno disuelto se gaste
más rápidamente de lo que se puede reponer, el agua se desoxigena. Ningún
aeróbico obligado, desde los microorganismos hasta los peces, podrá sobrevivir
en el agua (Ferrer y Seco, 2008).
2.2.4 Características biológicas
Los microorganismos presentes en las aguas residuales se clasifican en aerobios,
anaerobios y facultativos. Los denominados aerobios sólo utilizan oxígeno. Los
anaerobios sólo pueden crecer en ausencia de oxígeno molecular y los
facultativos utilizan oxígeno cuando está presente, pero pueden usar otro aceptor
12
MARCO TEÓRICO
de electrones cuando no lo está. Desde el punto de vista de la depuración de
aguas residuales, la clasificación trófica es de gran importancia (Ferrer y Seco,
2008).
2.3 La industria láctea
2.3.1 Panorama general de la industria láctea
La industria láctea es uno de los sectores más importantes de la economía de
países industrializados y en desarrollo. Es la tercera actividad más importante
dentro de la rama de la industria de alimentos, después de la industria del maíz y
de la carne (López, 2004).
Por lo anterior, se puede saber que la industria láctea genera cantidades
significativas de residuos líquidos, mayormente leche diluida, leche separada,
crema y suero, incluyendo grasas, aceites, sólidos suspendidos y nitrógeno. La
descarga de éstos sin tratamiento previo se convierte en un foco contaminante
debido a las características que aportan cada uno de los factores producidos antes
mencionados. Se debe considerar que posiblemente en México la relación sea
mayor por la menor tecnificación que se tiene en la producción de derivados
lácteos y de igual manera, las pérdidas de leche sean mayores.
2.3.2 Tipos de contaminantes de la industria láctea
En las industrias lácteas se produce diariamente una considerable cantidad de
aguas residuales, que suele oscilar entre 4 y 10 L de agua por cada uno de leche
tratada, según el tipo de producto. La mayor parte de estas aguas proceden
fundamentalmente de la limpieza de aparatos, máquinas y salas de tratamiento,
por lo que contienen restos de productos lácteos y productos químicos (ácidos,
álcalis, detergentes, desinfectantes, etc.). Cada empresa lechera debe minimizar
el nivel de contaminación que genera, para reducir el impacto ambiental, pues
deben desechar el agua en las mismas condiciones que reciben, aplicando una
producción más limpia (Zamora, 2011).
13
MARCO TEÓRICO
Contaminación atmosférica: la contaminación atmosférica por parte de la industria
láctea proviene de sus generadores de vapor, que habitualmente son calderas que
trabajan a presión baja, con una generación de vapor inferior a las 20 Tm/hr las
cuales usan como combustible gas para su funcionamiento (Ávilaet al., 2000).
Residuos sólidos: la generación de residuos sólidos en la industria láctea es muy
pequeña y se circunscribe generalmente a los desechos de envases y embalajes,
tales como vidrio, cartón, plástico, envases especiales, etc. El problema es más
importante para el consumidor final, que es el que dispone de los envases, que
para la propia industria (Zamora, 2011).
Efluentes líquidos: la industria láctea genera residuos líquidos, los cuales
requieren de una gran cantidad de inversión de capital (Donoso et al., 2009).
Mayormente leche diluida, leche separada, crema y suero, incluyendo grasas,
aceites, sólidos suspendidos y nitrógeno. La descarga de éstos sin tratamiento
previo se convierte en un foco contaminante. Los lavados contienen residuos
alcalinos y químicos utilizados para remover la leche y los productos lácteos; así
como materiales total o parcialmente caramelizados de los tanques, tambos, latas
de mantequeras, tinas, tuberías, bombas, salida calientes y pisos.
2.3.3 Leche
La leche es considerada el alimento más completo que existe en la naturaleza.
Representa una fuente de proteína de alto valor, así como una fuente abundante
y equilibrada de calcio, fósforo, magnesio y potasio, además es rica en vitaminas
como la riboflavina, vitamina B6, vitamina B y vitamina A. Así mismo, gracias a las
características fisicoquímicas de la leche se puede procesar para obtener diversos
productos. La propiedad fundamental de la leche es la de ser una mezcla tanto
física como química de sustancias definidas: lactosa, glicéridos de ácidos grasos,
caseínas, albuminas, sales, etc. Desde el punto de vista físico, coexisten la lactosa
y las sales, mientras que las caseínas y las proteínas llamadas solubles
(albuminas y globulinas) forman una dispersión coloidal y las sustancias
liposolubles se encuentran como emulsión. A pesar de que cada sistema tiene
14
MARCO TEÓRICO
una densidad diferente, estas se encuentran en equilibrio, debido a los
mecanismos particulares de estabilidad de las macromoléculas (Badui, 2006).
La leche de vaca tiene una composición promedio de 87.35% de agua la cual es
regulada por la lactosa que se sintetiza en las células secretoras de la glándula
mamaria, 3.25 % proteínas, 3.76% grasa, 4.84% carbohidratos y 0.80% cenizas
(Kourtinas, 2009). En la Figura 1 se muestran las principales entidades federativas
productoras de leche, en ella se muestra el 81% de la producción del total de la
producción de leche y se puede observar que está dividida de esta manera:
Jalisco aporta el 18 %, Coahuila el 12.1 %, Durango 9.1 %, Chihuahua 8.7 %,
Guanajuato 7.2 %, Veracruz 6.9 %, Estado de México 4.4 %, Hidalgo 4.2 %,
Puebla 3.7 %, Chiapas 3.5 % y Aguascalientes 3.5 %.
Figura 1. Producción de leche por entidad federativa: los once grandes.
Fuente: SIAP, 2010
Productos de la leche
En 2009 la leche producida en el país habría alcanzado para distribuir 98 litros a
cada mexicano, considerando una población de 107.6 millones de personas. La
15
MARCO TEÓRICO
definición oficial en México para derivados o productos lácteos es: “productos
obtenidos a partir de la leche o sus componentes y otros ingredientes
funcionalmente necesarios para su elaboración, incluidos los productos con grasa
vegetal”. De la leche que se destina a la industria, 81 % se usa para la producción
de quesos, 11.5 % para mantequilla, 7 % es para producir yogurt y el 0.5 % para
helados y otros productos (SSA, 2010).
Yogurt
La NOM-181-SCFI-2010 define el yogurt como el producto obtenido de la
fermentación de leche, estandarizada o no, por medio de la acción de
microorganismos
Streptococcusthermophilus
y
Lactobacillusdelbrueckii
subespecie bulgaricus y teniendo como resultado la reducción de pH.
En medicina natural se sabe que si el intestino está sano, todo el organismo lo
está. El yogurt es uno de los alimentos más favorables, sus principales efectos en
la salud son: mejorar, restaurar y sanar la flora intestinal, sus propiedades
antimicrobianas permiten la evacuación del contenido estomacal, inhibiendo los
microorganismos indeseables alojados en el estómago; mantener la flora intestinal
normal y la microflora urogenital. Mejora el valor nutricional de alimentos y la
resistencia contra organismos patógenos. El yogurt es muy útil para las personas
que padecen de diarreas, estreñimiento o trastornos gastrointestinales. Ayuda en
casos de patología cardiovascular, previene la osteoporosis en cualquier edad (el
yogurt aporta el 70% del contenido total de calcio en la dieta, por lo que este
alimento se convierte en una abundante fuente natural de calcio). Las bacterias
lácticas del yogurt incrementan diversas funciones inmunológicas, que estimulan
la acción antitumoral, la cual retrasa (o evita) la reaparición de cáncer. Es un
excelente antialérgico: al depurar los intestinos, reduce o desaparece las alergias
provocadas por un organismo intoxicado. Ayuda en casos de anorexia y bulimia;
su alto contenido en calcio y proteínas de alta calidad, vitaminas e hidratos
decarbono, restaura enormemente las defensas del organismo. Es muy útil para
16
MARCO TEÓRICO
los alcohólicos, drogadictos o personas que han tomado muchos medicamentos.
Para los intolerantes al azúcar de la leche, el yogurt es una opción muy benéfica.
El yogurt requiere de una temperatura de envasado de aproximadamente 42 °C y
pasar por un proceso de fermentación en cámaras calientes a 42 °C para obtener
el grado óptimo de acidez; este proceso puede llegar a durar aproximadamente
cuatro horas. Una vez obtenida, debe enfriarse hasta los 4 grados para detener la
fermentación. En los yogures batidos, los de textura cremosa, con o sin frutas, el
proceso es diferente, en cuanto la fermentación se realiza en depósitos, previo al
proceso de envasado, que se realiza en frío, por lo que no necesita de
fermentación posterior. Las bacterias utilizan como fuente de energía la lactosa o
azúcar de la leche y liberan ácido láctico como producto de desecho; este provoca
un incremento de la acidez que hace a su vez que las proteínas de la leche
precipiten, formando un gel. En la Figura 2 se puede observar el proceso antes
mencionado.
Figura 2. Proceso de elaboración del yogurt.
Fuente: García et al., 2008.
17
MARCO TEÓRICO
Queso
Desde un lado industrial la producción de quesos en la actualidad se da en mayor
volumen en la industria láctea, las aguas generadas en el proceso de elaboración
de queso contienen alto grado de materia orgánica. Para la elaboración de
cualquier tipo de queso, la recepción, el análisis de calidad y la pasteurización de
la leche son procedimientos rutinarios que deben observarse cuidadosamente. Así
mismo la actividad artesanal de la elaboración de quesos es una actividad
importante en ciertas zonas en donde el desecho del lactosuero producido en este
proceso no es tratado para su posterior destino al drenaje o a cuerpos receptores,
si no que se arroja tal cual sale sin ningún tratamiento.
En el arte o la ciencia de la fabricación de quesos hay que considerar cinco
factores principales: la composición de la leche, la velocidad de acidificación, el
desarrollo de la acidificación, el contenido de humedad y la manipulación de la
cuajada (Lucey et al., 2003).
La fabricación de un queso comprende cuatro fases esenciales:
La coagulación: modificaciones fisicoquímicas de las micelas de caseína que, bajo
la acción de enzimas proteolíticas y/o de ácido láctico, llevan a la formación de un
entramado proteico denominado coagulo o gel (fig.3. 2).
El desuerado: Separación del lactosuero tras la rotura mecánica del coagulo por
moldeo, centrifugación y en algunas ocasiones sometiéndolo a presión,
obteniéndose al final de esta etapa la cuajada (fig.3. 4).
El salado: incorporación de la sal en la masa de cuajada, en la superficie o por
inmersión en salmuera (fig. 3. 7).
El afinado o maduración: Conjunto de transformaciones bioquímicas de los
componentes de la cuajada por acción de enzimas, en gran parte de origen
microbiano (fig. 3. 8).
18
MARCO TEÓRICO
Figura 3. Diagrama del proceso de elaboración del queso.
1 pasteurización, 2 coagulación, 3 cortado, 4 desuerado, 5 moldeo, 6 prensado, 7
salado, 8 maduración y refrigeración, 9 empacado.
Fuente:
[En
línea]
http://avibert.blogspot.com/2009/09/elaboracion-de-quesos-
diagrama-del.htm. Última consulta: 05/ 09/ 2013.
2.4.4 Lactosuero
El lactosuero, suero lácteo o suero de leche es el líquido que se separa de la leche
cuando esta se coagula, incluye todos los componentes del queso que no se
integran a la coagulación de la caseína. Se estima que a partir de 10 litros de
leche de vaca se puede producir de 1 a 2 kg de queso y un promedio de 8 a 9 kg
de suero. Las proteínas y la lactosa que contiene el lactosuero se transforman en
contaminantes cuando el líquido se vierte al ambiente sin ningún tipo de
tratamiento, ya que la carga de materia orgánica que contiene permite la
reproducción de microorganismos produciendo cambios significativos en la DBO
del agua contaminada (Valencia y Ramírez, 2009).
La producción de lactosuero a nivel mundial genera más de 145 millones de
toneladas por año por lo que se justifica el desarrollo de diversos métodos de
tratamiento para este residuo. La mayoría de las plantas lácteas no tienen
sistemas de tratamiento apropiados para la disposición de lactosuero y el
19
MARCO TEÓRICO
vertimiento de los constituyentes de lactosuero generan una significante potencial
alimenticio y de energía; además, que se caracteriza por una alta concentración
de DQO y DBO representando alto contenido orgánico (Donoso et al., 2009).
Según Almécija (2007), la distribución de la producción de lactosuero en el mundo
en el año 2005 fue: Europa 53%, América del Norte y Central 28%, Asia 6%, África
5%, Oceanía 4%, América del Sur 4%, estos porcentajes representan alrededor de
115 millones de toneladas de lactosuero generado a través de la elaboración de
queso (Briczinski y Roberts, 2002; Revillion et al., 2003; Londoño, 2006). De este
valor, el 45% es vertido a ríos, lagos y otros centros de aguas residuales, o en el
suelo, lo que representa una pérdida significativa de nutrientes, ocasionando
serios problemas de contaminación (Londoño, 2006).
En México, el suero que se produce es dulce y medio ácido. Los porcentajes
anteriores indican el enorme desperdicio de nutrientes en el proceso de la
fabricación del queso. El lactosuero producido en México es de cerca de 1 millón
de toneladas anuales y contiene 50 mil toneladas de lactosa y 5 mil toneladas de
proteína verdadera. A pesar de esta riqueza nutricional, potencialmente utilizable,
el 47% del lactosuero se descarga al drenaje, llegando a ríos y suelos, lo que
provoca un serio problema de contaminación. La descarga continua de suero en
estos ecosistemas altera sus propiedades fisicoquímicas. En el caso de los suelos,
disminuye el rendimiento de las cosechas, pero además se observa el fenómeno
de lixiviación, este fenómeno se presenta debido a que el lactosuero contiene
nitrógeno soluble en agua, el cual se arrastra, contaminando el agua reduciendo la
vida acuática al agotar el oxígeno disuelto lo que lo convierte en un peligro para la
salud de los animales y humanos (Valencia y Ramírez, 2009).
2.3.4.1 Uso
Se han realizado numerosas propuestas de uso del lactosuero para la industria
alimentaria, puesto que constituye una fuente económica de proteínas que otorga
múltiples propiedades en una amplia gama de alimentos. Los productos del suero,
incluyendo la lactosa, mejoran la textura, realzan el sabor y color, emulsifican y
20
MARCO TEÓRICO
estabilizan, mejoran las propiedades de flujo y muestran muchas otras
propiedades funcionales que aumentan la calidad de los productos alimenticios.
Basados en el valor nutricional del lactosuero, se han obtenido productos
secundarios como etanol, ácidos orgánicos, bebidas no alcohólicas, bebidas
fermentadas, biomasa, concentrados, aislados e hidrolizados de proteína,
películas comestibles, medio de soporte para encapsular sustancias, producción
de xantana, enzimas, separación de la lactosa para fines endulzantes en
alimentos entre otras aplicaciones (Parra, 2009).
Bebidas
La formulación de bebidas a base de lactosuero, representa una expectativa
saludable y comercial muy buena, ya que los beneficios proporcionados por la
ingesta
de
proteínas,
especialmente
altas
en
aminoácidos
esenciales,
aminoácidos ramificados y leucina, se asocian a la pérdida de peso, reducción de
grasa corporal, aumento de la síntesis de proteínas musculares, reducción de la
secreción de insulina y nivel de triglicéridos plasmáticos entre otros.
Básicamente la forma para obtener una bebida de lactosuero es obtener una base
fluida, esta base puede ser:
a) El suero en sí, al cual se añade otro fluido, pudiendo ser concentrados o jugos
de frutas o verduras, buscando la homogeneización y así obtener las
características deseadas en cuanto a composición, sabor, etc., que van de
acuerdo al tipo de bebida que se desea, siendo algunas, bebidas deportivas,
bebidas sin alcohol.
b) La producida por la fermentación utilizando levaduras, bacterias u hongos. Las
bebidas producidas por esta vía, con bacterias como Streptococcus
termophilus, Lactobacillus delbrueckii, se consideran de tipo funcional,
comúnmente conocidas como bebidas probióticas.
21
MARCO TEÓRICO
Concentrados de proteínas
Por sus siglas en inglés Whey Protein Concentrate (WPC), se obtienen al hacer
pasar el suero a través de una membrana semipermeable, esta permite el paso
selectivo de sustancias de bajo peso molecular tales como agua, iones y lactosa,
reteniendo las proteínas, elementos con alto peso molecular, hay diversos
procesos membranarios para su obtención, estos son aplicados por la industria
lechera de forma masiva, ya que han resultado un gran éxito; los procesos de
separación son la microfiltracion, ultrafiltración, nanofiltracion y osmosis inversa,
cada uno de estos métodos se utiliza en relación con los componentes que son
capaces de permear, siendo el método más utilizado la ultrafiltración, ya que con
este se retienen las proteínas del lactosuero además de ser el más económico y
de fácil operación.
Una vez retenidas las proteínas, se concentran mediante evaporación y finalmente
se liofilizan. El porcentaje de proteína del producto varia de entre 30 y 80%, su
demanda depende de las características de cada uno. Son diversas las
aplicaciones que se dan a los concentrados, siendo la principal en la industria
alimentaria como sustitutos de leche descremada, yogurt, queso procesado,
salsas, fideos, galletas, helados, pasteles, derivados lácteos, además de su
aplicación por sus características gelificantes, emulsificantes y de formación de
espuma (Krzeminski et al., 2011; Dissanayake & Vasiljevic, 2009; Parra, 2009;
Baldasso et al., 2011).
Producción de bio-etanol
En la actualidad, la producción y utilización de bio-combustibles se ha
incrementado de manera notable, ya que muchos los consideran una posibilidad
viable para la sustitución de los combustibles fósiles, usados en el transporte, sin
necesidad de hacer mayores cambios a los motores de los vehículos. El maíz, la
azúcar y algunos cereales como el trigo son el principal sustrato para la obtención
22
MARCO TEÓRICO
de bio-etanol, sin embargo, esto contribuye al incremento de precios de estos
productos en el mercado. Es por esta razón que se han buscado otros tipos de
sustratos que puedan ser utilizados como sustitutos dentro de los cuales se
encuentra el lactosuero, que cuenta son una propiedad determinante, el contenido
de azúcares en él (lactosa), que como todo carbohidrato, puede fermentarse para
obtener etanol.
La producción de una bebida alcohólica por conversión del lactosuero es una
alternativa de gran interés para la utilización de este subproducto industrial
(Dragone et al., 2009). Destilerías de lactosuero están en operación en Irlanda,
Nueva Zelanda y los Estados Unidos. En la fermentación se emplea
Kluyveromyces marxianus var. marxianus o Kluyveromyces fragilis y lactosuero
desproteinizado como sustrato (Mawson, 2003; Dragone et al., 2009). El proceso
puede ser operado bajo condiciones asépticas usando lactosuero pasteurizado,
con temperatura de fermentación entre 24-34ºC (Mawson, 2003). Este proceso
fermentativo origina un rendimiento de etanol en un rango de 75-85% del valor
teórico, partiendo que por cada 0,538 kg de etanol se necesita de 1 kg de lactosa
metabolizada, esto refleja la importancia en la producción de etanol que tiene el
lactosuero.
Los procesos para la producción de etanol comparten algunos pasos y principios
básicos; el suero permeado por ultrafiltración de proteínas es concentrado por
osmosis inversa para retener su contenido de lactosa. La lactosa obtenida es
fermentada con sepas especiales de levadura, una vez completada la
fermentación, el líquido resultante se separa y se lleva al proceso de destilación
para la extracción del etanol.
Hay varios estudios donde se han utilizado diferentes sepas de microorganismos
para la fermentación del suero, su propósito es encontrar tanto a los organismos
como las condiciones ambientales y técnicas adecuadas para obtener la mayor
tasa producción de etanol, entre estas están la eliminación de la inhibición del
23
MARCO TEÓRICO
sustrato, utilizar polvo de lactosuero en lugar de suero crudo para eliminar los
costos de concentrar la lactosa, entre otros (Ozmihci & Kargi, 2008; Sansonetti et
al., 2009; Ling, 2008).
Producción de biomasa
La producción de biomasa de levaduras es un proceso en el cual se da una
reacción bioquímica entre las células y la lactosa para producir células
microbianas cuyo propósito es proporcionar una fuente de proteína para la
alimentación humana. El uso de lactosuero para la producción de esta biomasa
tiene las ventajas de ser un proceso de tratamiento simple y la descarga final de
suero tiene una menor concentración de materia orgánica ya que la lactosa del
suero es transformada en biomasa de levadura.
La tasa de producción de esta levadura depende de diversos factores tales como
la naturaleza del microorganismo, su capacidad de metabolizar la lactosa y
principalmente su contenido de proteínas en peso seco además de las
condiciones ambientales y la composición del medio de cultivo (Parra, 2009;
Anvari & Khayati, 2011).
Levadura para panificación
El lactosuero en polvo es bien conocido como ingrediente en la industria de la
panificación por resaltar su sabor y cualidades de calidad. Volumen, textura,
corteza y retención de frescura en el pan de trigo, estas características son
proporcionadas por la incorporación de una combinación de emulsificantes y
lactosuero en polvo (Wit, 2003).
Dos procesos han sido desarrollados en la producción de levaduras destinadas a
la panificación, en el primero la lactosa es hidrolizada utilizando β-galactosidasa, y
la glucosa y galactosa son consumidas simultáneamente por la levadura (Mawson,
2003). El segundo proceso utiliza un sistema de fermentación de dos etapas. En el
24
MARCO TEÓRICO
estado inicial, las bacterias ácido lácticas convierten lactosa a lactato y este es
consumido en la segunda etapa por la levadura. Finalmente, la biomasa puede ser
degradada mecánicamente o biológicamente para eliminar componentes celulares
los cuales pueden purificar o transformarse a productos de alto valor (Mawson,
2003).
Ácidos orgánicos
Diferentes ácidos orgánicos pueden ser obtenidos a través de la fermentación de
lactosuero, entre estos se tienen, butírico, propiónico y acético los cuales
representan una posibilidad para la utilización de lactosuero como sustrato
(Alam et al., 2000).
Ácido acético
Durante la fermentación del lactosuero, el etanol puede ser además metabolizado
a
ácido
acético por Acetobacter spp. Este
proceso ha
sido
seguido
y
comercializado por Alimentos Kraf, resultando en vinagre de lactosuero que puede
ser utilizado en ensaladas de cocina y otros alimentos, sin que haya grandes
diferencias con respecto al vinagre tradicional porque son procesos semejantes.
La producción de ácido acético a partir de lactosuero ha sido base para la síntesis
de otros químicos como el acetato, el cual podría estar disponible en el mercado
en poco tiempo (Wit, 2003).
El ácido acético fue producido a partir de la fermentación anaerobia de lactosa por
cultivos de Streptococcus lactis y Clostridiumformicoaceticum a 35°C y pH entre
7,0 y 7,6, la lactosa fue convertida a ácido láctico, ácido acético. El rendimiento
total de ácido acético a partir de lactosa fue cerca de 95% a pH 7,6 y 90% a pH
7,0. En la fermentación en lote de lactosuero permeado conteniendo cerca de 5%
de lactosa a pH 7,6, la concentración de ácido acético alcanzó 20 g/L en menos de
20 horas (Mawson, 2003).
25
MARCO TEÓRICO
Ácido propiónico
El ácidopropiónico ha sido muy utilizado en industrias químicas, de alimentos y
farmacéuticas (Morales et al., 2006), en la industria alimenticia es añadido como
un agente fungistático a productos de panadería (Mawson, 2003). Normalmente,
casi todo el ácidopropiónico es elaborado por síntesis química, sin embargo se
puede obtener a través de fermentación de la lactosa del lactosuero
por Propionibacterium
acidipropionici,
freudenreichii spp. Shermanii y Lactobacillushelveticus a
Propionibacterium
condiciones
de
fermentación de 30ºC y pH 6.5-7.5. Suplementos como extracto de levadura, y
lactosa realzan considerablemente la producción de propionato y un rendimiento
cercano de 40% de lactosa fermentada es lograda después 60-70 horas de
fermentación (Mawson, 2003).
El lactosuero ha sido usado extensivamente en medio de fermentación
por Aspegillius niger para la producción de ácido cítrico), al respecto se han
realizado distintas investigaciones indicando que composición nutricional del
medio, condiciones ambientales, deficiencia de metales, pH y oxígeno disuelto
entre otros, afectan la producción (Holi y Delaimy, 2003).
El ácido D-glucónico un producto de oxidación de la glucosa ha encontrado una
buena aplicación en las industrias de alimentos y farmacéutica. La producción este
ácido es principalmente realizado a través de fermentación microbiana, donde la
lactosa es generalmente usada como una fuente de carbono para la producción de
este ácido. La fermentación puede ser mejorada al utilizar materias primas
económicas empleando microorganismos que tengan la habilidad al utilizar
carbohidratos como fuente nutritiva (Haddadin et al., 2009).
Quesillo
El proceso más antiguo para la utilización del lactosuero es el calentamiento para
recuperar la proteína del mismo con un concentrado proteico insoluble. La
proteína láctea obtenida tiene muy variadas aplicaciones entre las cuales se citan
26
MARCO TEÓRICO
la elaboración de sopas, condimentos para ensaladas, pastas enriquecidas con
proteína, helados, productos dietéticos y productos cárnicos. El aprovechamiento
del lactosuero ácido de queso doble crema para la elaboración de quesillo, es una
alternativa de aplicación de este subproducto. El quesillo, un queso de pasta
hilada de pH bajo es uno de los productos aceptados como exportables. En el
Valle de Aburrá y en el Oriente Antioqueño de Colombia existe alrededor de 28
empresas lácteas que tienen entre sus líneas de producción la elaboración de
queso fresco, estas producen 41 toneladas de queso fresco y quesillo bajo el
sistema artesanal y 24 toneladas en plantas con tecnología moderna, lo que
representa una generación de 3.684.000 litros por día de lactosuero (Londoño,
2006).
Estudios que reflejan el efecto de la utilización de diferentes ácidos orgánicos
como acético, cítrico y láctico en coagulación para la elaboración de quesillo se
han realizado observándose que no tuvieron efecto en el rendimiento con un valor
promedio final de 9,73% cercano al 10% que es el valor teórico expresado
(Londoño, 2006).
Quesos
Hoy en día, los quesos son elaborados por razones de preservación, versatilidad,
conveniencia y reducción de costos. Con los avances en la tecnología de lácteos,
nuevos ingredientes como leche en polvo, lactosuero en forma de polvo o
concentrados de proteína de lactosuero (WPC) están ahora disponibles para la
incorporación dentro del procesamiento del queso (Angulo, 2005; Lee y Anema,
2009). La adición de lactosuero en la elaboración de queso es limitada, al agregar
la proteína coagulada o en forma de concentrado se obtuvo un aumento en el
rendimiento y originó alteraciones importantes en la textura, cuerpo y contenido de
humedad, como se ha podido demostrar en investigaciones llevadas a cabo en
queso Cheddar (Hinrichs, 2001).
27
MARCO TEÓRICO
Otros usos
Se ha investigado la conversión de materia orgánica en energía eléctrica a través
de microorganismos que donen electrones en celdas biológicas de combustible.
Aquí,
el
lactosuero
es
usado
como
fuente
de
carbohidratos
para
la
Saccharomyces cerevisiae, en condiciones de bajas de temperatura y presión,
obteniéndose una generación de energía y corriente máximos de 50 μW y 470 μA,
respectivamente (Najafpour et al., 2010).
La creación de películas comestibles a base de proteínas de suero como
empaques para alimentos ofrece propiedades funcionales comparables con
películas derivadas de caseinato de sodio, potasio o calcio en cuanto a
permeabilidad, resistencia, elongación, suavidad y pureza, tal como se demuestra
en los resultados obtenidos por (Banerjee & Chen, 1995), en su estudio utilizaron
concentrados de proteínas de suero y aislados de proteínas de suero para obtener
películas comestibles más para su aplicación en alimentos empacados debido a
que su comportamiento funcional resulta igual o mejor que con películas basadas
en caseinatos, además de ser más económicas.
La erosión de los surcos de irrigación de tierras de cultivo disminuye su
rendimiento potencial y degrada la calidad del agua superficial. Algunas técnicas
para controlar esta erosión incluyen tiras de filtro con vegetación, mini-cuencas y
el tratamiento con poliacrilamida (PMA), siendo este último el más efectivo y
utilizado (Lehrsch et al., 2008). Utilizan lactosuero proveniente de queso cottage
para estabilizar los agregados del suelo y reducir las pérdidas por sedimentación
en los surcos de irrigación, obteniendo un aumento de la estabilidad de los
agregados en un 25% y una reducción de pérdidas por sedimentación del 75%.
2.3.4.2 Tipos
Las características del tipo de lactosuero dependen de la coagulación a la que fue
sometida la leche para la obtención del gel, pudiéndose diferenciar dos tipos
fundamentales: Lactosuero dulce o enzimático y lactosuero ácido.
28
MARCO TEÓRICO
2.3.4.2.1 Lactosuero dulce
Este lactosuero se genera debido a la coagulación enzimática. Una vez que la
leche alcanza la temperatura para la coagulación, se adiciona un enzima
proteolítica en cantidad suficiente para que la coagulación se produzca en un
tiempo determinado, tanto la temperatura y el tiempo de coagulación dependerán
del tipo de queso. Se pueden utilizar coagulantes como la quimosina, pepsina o
una mezcla de ambas. El efecto que ocasiona la enzima en la caseína es su
división en dos partes, una hidrófila (caseino macropeptido) y una hidrófoba
(paracaseína); esto hace que la paracaseína forme micelas que se unen en forma
de fibrillas, así establecen un conjunto o retículo de estas que aprisiona en su
interior los componentes de la leche. Se debe destacar que en el lactosuero dulce
o enzimático la casi ausencia de ácido láctico debido a que no se desarrollan los
microorganismos que lo producen, por lo que el pH es muy cercano al de la leche
y no hay variación de la composición mineral. El suero dulce es el más empleado
por la industria y tiene una composición química más estable (Chamorro y Losada,
2002).
2.3.4.2.2 Lactosuero ácido
Este se produce por coagulación ácida, se adiciona un ácido mineral u orgánico o
por la acción de los microorganismos propios de la leche. Cuando el valor de pH
llega a 4.6, que corresponde al punto isoeléctrico de las caseínas, están floculan
formando un precipitado más o menos granuloso, pero si la acidificación se da
lentamente, se formara un coagulo liso y homogéneo que ocupara el volumen
inicial de la leche. Los factores que participan en la coagulación acida son: el
cultivo de bacterias lácticas de la leche (si es que se utilizan), la temperatura y el
tiempo de duración de la coagulación, estos están íntimamente relacionados. El
cultivo utilizado para la acidificación condiciona la temperatura de coagulación, si
la temperatura es inferior a la óptima, el tiempo de coagulación será mayor
(Panesar et al.,2007).
29
MARCO TEÓRICO
2.3.4.3 Composición
En general, el lactosuero contiene todos los aminoácidos esenciales, aporta
proteínas de una calidad extraordinaria y con alto coeficiente de uso para el
organismo humano. Contiene principalmente lactosa, proteínas como sustancias
de importante valor nutritivo, minerales, vitaminas y grasa. La lactosa es el
principal componente nutritivo (4,5 % p-v), proteína (0,8% p/v) y lípidos (0,5%).
Existen varios tipos de lactosuero dependiendo principalmente de la eliminación
de la caseína, el primero denominado dulce, está basado en la coagulación por la
renina a pH 6.5. El segundo llamado ácido resulta del proceso de fermentación o
adición de ácidos orgánicos o ácidos minerales para coagular la caseína como en
la elaboración de quesos frescos (Jelen, 2003).
En la tabla 1 se muestran los registros de los contenidos de vitaminas, su
concentración y necesidades diarias, encontrándose con que el ácido pantoténico
presenta la mayor concentración con 3.4 mg/ml seguido de ácido ascórbico con
2.2 mg/ml.
Tabla 1.Contenidos en vitaminas del lactosuero.
Vitaminas
Tiamina
Riboflavina
Ácido Nicotínico
Ácido pantoténico
Piridoxina
Cobalamina
Ácido ascórbico
Concentración (mg/mL)
0,38
1,2
0,85
3,4
0,42
0,03
2,2
Necesidades diarias (mg)
1,5
1,5
10 mg-20 mg
10
1,5
2
10 mg-75 mg
Fuente: Muñi et al., 2005.
Este gran contenido de nutrientes genera aproximadamente 3.5 kg de demanda
bioquímica de oxígeno y 6.8 kg de demanda química de oxígeno
por cada 100
kg de lactosuero líquido, siendo la lactosa, el principal componente de sólidos que
contribuye a la alta DBO y DQO (Koutinas et al., 2009).
30
MARCO TEÓRICO
2.4 Aguas residuales de la industria láctea
El agua residual de las industrias lácteas contiene, principalmente, numerosos
microorganismos patógenos causantes de enfermedades, nutrientes que pueden
estimular el crecimiento de plantas acuáticas, al igual que puede incluir también
diversos compuestos tóxicos (OMS, 2012). El tratamiento completo de las aguas
residuales se lleva a cabo por una combinación secuencial de varias operaciones
físicas, químicas y procesos biológicos.
2.4.1 Características
En general, los efluentes líquidos de una industria láctea presentan las siguientes
características:
Según Corlován, 2011, las aguas residuales lácteas pueden contener agentes
patógenos de materiales contaminados o del proceso de producción.
a) Variaciones importantes del pH: estos efluentes son generalmente neutros o
poco alcalinos, pero tienen tendencia a volverse ácidas muy rápidamente a
causa de la fermentación del azúcar de la leche produciendo ácido láctico,
sobre todo en ausencia de oxígeno y la formación simultánea de ácido
butírico, descendiendo el pH a 4,5 – 5,0 (Arango et al., 2008).
b) Según Fernández, 2007, estos efluentes presentan niveles elevados de
nitrógeno y fósforo: un contenido de nitrógeno entre 50 – 80 mg/L y fósforo
entre 50 – 80 mg/L, esto debido a los productos de limpieza y desinfección.
c) Alto contenido de materia orgánica.
2.4.1.1 Humedad
El agua se encuentra en los alimentos en tres formas: como agua de combinación,
agua adsorbida y en forma libre, aumentando el volumen. El agua de combinación
está unida de alguna forma química como agua de cristalización o como hidratos.
El agua adsorbida está asociada físicamente como una monocapa sobre la
superficie de los constituyentes de los alimentos. El agua libre es aquella que es
31
MARCO TEÓRICO
fundamentalmente un constituyente separado, con facilidad se pierde por
evaporación o secado y es la que tiene mayor predominancia. Dado que la mayor
parte de los alimentos son mezclas heterogéneas de varias sustancias, pueden
contener cantidades variables de agua de los tres tipos (Ferrer y Seco, 2008).
En los alimentos, la humedad debe mantenerse dentro de unos límites
establecidos, por lo que su determinación es un análisis importante en el control
de calidad de los mismos ya que:
a) Determinados alimentos (azúcares, sal, etc.) se aglomeran con exceso de
humedad. En otros, como la harina, el exceso de humedad da lugar a la
formación de grumos y la aparición de mohos, pudiendo también fermentar al
ser almacenada en lugares calurosos.
b) La humedad afecta a la textura de determinados alimentos como los derivados
cárnicos (embutidos) por lo que un contenido inapropiado de agua hace que
estos pierdan valor comercial.
c) Permite detectar algunas adulteraciones (por ejemplo, el aguado de la leche
para su distribución como tal o para la fabricación de quesos) (Sierra et al.,
2007).
Se ha reconocido que los alimentos con un mayor contenido de humedad son los
más perecederos, de tal manera que el control en el contenido de humedad en un
producto es una herramienta para su conservación (Fito et al., 2001).
2.4.1.2 Cenizas
Las cenizas permanecen como residuo luego de la calcinación de la materia
orgánica del alimento, Se denomina así a la materia inorgánica que forma parte
constituyente de los alimentos (sales minerales). Las cenizas de los productos
alimentarios están constituidas por el residuo inorgánico que queda después de
que la materia orgánica se ha quemado. Las cenizas representan el contenido en
minerales del alimento; en general, las cenizas suponen menos del 5% de la
materia seca de los alimentos. Los minerales, junto con el agua, son los únicos
32
MARCO TEÓRICO
componentes de los alimentos que no se pueden oxidar en el organismo para
producir energía; por el contrario, la materia orgánica comprende los nutrientes
(proteínas, carbohidratos y lípidos) que se pueden quemar (oxidar) en el
organismo para obtener energía, y se calcula como la diferencia entre el contenido
en materia seca del alimento y el contenido en cenizas (Ferrer y Seco, 2008).
Las cenizas se determinan como el residuo que queda al quemar en un horno ó
mufla los componentes orgánicos a 550ºC durante 5 horas. En ocasiones es
interesante determinar las cenizas insolubles en ácido clorhídrico, que pretenden
representar el contenido del alimento en minerales indigestibles. El método más
generalizado para esta determinación, se basa en el proceso de calcinación de la
materia orgánica por calentamiento a temperaturas elevadas, hasta llegar a un
peso constante. El residuo obtenido por incineración directa puede contener,
además de las sustancias minerales del alimento, partículas de carbón procedente
de una combustión incompleta, o también impurezas del alimento (arena o arcilla).
La cantidad de cenizas representa el contenido total de minerales en los
alimentos. La determinación del contenido de cenizas puede ser importante por:
Son una parte del análisis próximo para la evaluación nutricional. Las cenizas son
el primer paso en la preparación de una muestra de alimentos para análisis
elemental específico. La determinación del contenido de cenizas sirve para
obtener la pureza de algunos ingredientes que se usan en la elaboración de
alimentos. El contenido de cenizas se usa como índice de calidad en algunos
alimentos como mermeladas y jaleas.
2.4.1.3 pH
Los valores de pH y acidez, se encuentran estrechamente relacionados. El
intervalo de pH óptimo está entre 7 y 9 aproximadamente, situándose la condición
óptima alrededor de 7.5. Valores de pH por debajo de 7 pueden provocar un
33
MARCO TEÓRICO
aumento de la producción de óxidos nitrosos, especialmente de N 2O como
productos finales de la desnitrificación (Ferrer y Seco, 2008).
Los efluentes de la industria láctea son generalmente neutros o poco alcalinos,
pero tienen tendencia a volverse ácidas muy rápidamente a causa de la
fermentación del azúcar de la leche produciendo ácido láctico, sobre todo en
ausencia de oxígeno y la formación simultánea de ácido butírico, descendiendo el
pH a 4,5 – 5,0. Principalmente provienen de las operaciones de limpieza, pudiendo
variar también entre valores de pH de 2 a 11 (Arango et al., 2008).
El lactosuero contiene poca o nula presencia de ácido láctico, el pH de las
muestras es muy similar, en cambio, al acidificar la leche, hay un aumento de
ácido láctico, como consecuencia de esto, se presenta una mayor acidez y menor
valor de pH.
2.4.1.4 Acidez
En alimentos el grado de acidez indica el contenido en ácidos libres. Se determina
mediante una valoración (volumetría) con un reactivo básico. El resultado se
expresa como el porcentaje del ácido predominante en el material. En aceites es
el porcentaje en ácido oléico, en zumo de frutas es el porcentaje en ácido cítrico,
en leche es el porcentaje en ácido láctico (Valencia et al., 2009). La acidez de una
sustancia se puede determinar por métodos volumétricos. Ésta medición se realiza
mediante una titulación, la cual implica siempre tres agentes o medios: el titulante,
el titulado (o analito) y el indicador.
De acuerdo a su acidez, el lactosuero se divide en dulce (pH mayor de 8), medio
ácido (pH 5-5.8) y ácido (pH menor a 5) (Frigon et al., 2009).
2.4.1.5 Proteína
La mezcla de proteínas en el lactosuero, poseen amplio rango de propiedades
químicas, físicas y funcionales, concretamente, suponen alrededor del 20% de las
34
MARCO TEÓRICO
proteínas de la leche, siendo su principal componente la β-lactoglobulina con
cerca de 10% y α-lactoalbúmina con 4% de toda la proteína láctea, además,
contiene
otras
proteínas
como
albúminas
séricas,
proteasas–peptonas,
inmunoglobulinas y otras (Baró et al., 2001; Baldasso et al., 2011).A pesar de ser
de que el lactosuero posee un bajo porcentaje de ellas (0.6%), poseen una calidad
nutritiva superior a las de la caseína que conforman el queso, ya que son ricas en
aminoácidos azufrados, con un buen porcentaje de grupos sulfidrilo, triptófano y
lisina (Acevedo, 2010).
La α-lactoalbúmina es la principal proteína del lactosuero, alcanzando una
concentración de 2.44 g/L en la leche madura. Su principal función es la síntesis
de lactosa a partir de glucosa y galactosa en la glándula mamaria, aunque posee
además otros efectos beneficiosos sobre la salud del lactante debido a su elevada
proporción de aminoácidos esenciales (triptófano y cisteína) e influye en la
absorción de hierro en el intestino. El enriquecimiento de las fórmulas infantiles
con las proteínas del lactosuero, especialmente con la α-lactoalbúmina permite
obtener un producto con una composición proteica y de aminoácidos más parecida
a la leche humana, hecho que tiene una gran importancia desde un punto de vista
nutricional al ser esta proteína una fuente natural de triptófano y cisteína. Además,
es importante valorar la actividad biológica beneficiosa que puede producirse en el
recién nacido alimentado con lactancia artificial con la incorporación de αlactoalbúmina en su dieta, principalmente por su acción inmunoestimuladora y
antimicrobiana, ya que en edades tempranas el sistema inmunológico no se
encuentra
suficientemente
desarrollado,
siendo
mayor
la
incidencia
de
enfermedades gastrointestinales que los niños lactados a pecho (Peso et al.,
2012; Lucena et al., 2007).
Numerosos estudios en animales han mostrado el efecto anti cancerígeno de las
proteínas del lactosuero en ratones alimentados con pienso normal o adicionado
con 20 g/100 g de caseína, encontrándose que a las 28 semanas, se presentaba
una menor incidencia y área de tumores en los ratones alimentados con este tipo
35
MARCO TEÓRICO
de proteínas, mientras que el 33% de los alimentados con otras dietas como
pienso normal habían muerto (Baro et al., 2001).
La fuente de proteína ha sido evaluada para estos efectos sobre seguridad y
consumo de alimentos en humanos. Una posible explicación de los efectos de las
proteínas de lactosuero sobre el consumo de alimentos puede residir en los
péptidos presentes y sus acciones fisiológicas relevantes al consumirlos
regularmente (Chung et al., 2009).
Las proteínas de lactosuero son usadas ampliamente en una variedad de
alimentos gracias a sus propiedades gelificantes y emulsificantes, siendo la βlactoglobulina el principal agente gelificante (Akhtar y Dickinson, 2007; Spahn et
al., 2008). Los geles de proteína de lactosuero pueden ser usados como
hidrogeles de pH-sensitivos, el cual puede ser definido como red tridimensional
que muestra la habilidad de hincharse en agua y retiene una fracción significante
de agua dentro de esta estructura (Lucena et al., 2007).
Las proteínas presentes en el lactosuero son fuente de aminoácidos esenciales,
en comparación con proteínas de otros alimentos; posee >400 mg de aminoácidos
por gr de proteína con respecto al huevo (400 mg/gr), la carne y la soya (<400
mg/gr); contienen aminoácidos de cadena larga como la valina, leucina e
isoleucina, estos juegan un rol muy importante en el control del peso, ya que
actúan como reguladores metabólicos en la homeostasis de proteínas y glucosa y
en el metabolismo de las grasas del cuerpo (Frestedt et al., 2008; Smithers G. W.,
2008). En la Tabla 2 se puede observar la composición de aminoácidos que posee
el lactosuero.
36
MARCO TEÓRICO
Tabla 2. Aminoácidos esenciales en el lactosuero (mg/g de proteína).
Aminoácido
Lactosuero
Huevo
Equilibrio Recomendado
por la FAO
Treonina
6,2
4,9
3,5
Cisteína
1,0
2,8
2,6
Metionina
2,0
3,4
2,6
Valina
6,0
6,4
4,8
Leucina
9,5
8,5
7,0
Isoleucina
5,9
5,2
4,2
Fenilalanina
3,6
5,2
7,3
Lisina
9,0
6,2
5,1
Histidina
1,8
2,6
1,7
Triptófano
1,5
1,6
1,1
Fuente: Parra, 2009.
2.4.1.6 Lactosa
La lactosa del suero tiene varias propiedades interesantes. Presenta poder
edulcorante (20 a 30% del poder edulcorante de la sacarosa), capacidad de
fijación de aromas y de adsorción de pigmentos, temperatura de caramelización
superior a la de otros azúcares, poder emulsificante y agregante, solubilidad en
agua, reducida higroscopicidad, aumento de la presión osmótica y alta estabilidad
(química, física y microbiológica) ante la humedad. Estos aspectos le brindan a la
lactosa amplios usos industriales. En la industria farmacéutica, su propiedad
agregante es aprovechada como excipiente en la elaboración de píldoras y
grageas, como aditivo para medio de cultivos y en leches maternizadas. En la
industria química y alimentaria se emplea para incrementar la viscosidad y mejorar
la textura, como soporte de salsas y sopas, en productos de repostería, panadería,
confitería, bebidas, cárnicos, alimentos infantiles, alimentos bajos en calorías y
como fuente de galactosa (azúcar que entra a formar parte en los cerebróxidos,
37
MARCO TEÓRICO
lípidos presentes en gran cantidad en el tejido nervioso) en alimentos infantiles
(Parra, 2009; Posada, Milena, & Ramírez-Navas, 2011; Zadow, 1984).
2.4.1.7 Grasa
La materia grasa en la leche, es el componente que varía en mayor proporción,
diversos factores influyen sobre el porcentaje graso. Su composición también
varía, no son fijas las proporciones de los diferentes ácidos grasos, los fosfolípidos
y las sustancias saponificables. La materia grasa se altera más lentamente que la
lactosa, sus modificaciones no provocan grandes cambios en la estructura físicoquímica de la leche, pero son importantes por ser causa de la aparición de
sabores desagradables (Alais, 2003). La presencia de la grasa en las aguas de la
industria láctea se debe a consecuencia de la grasa de la leche y otros productos
lácteos, como en las aguas de lavado de la mazada. Este valor se encuentra en
los 500 mg/L normalmente (Abia et al., 2003).
En la fase lipídica de la leche se encuentran tres clases de sustancias asociadas,
los lípidos neutros, la materia grasa propiamente dicha, constituida por glicéridos;
los lípidos polares, fosfolípidos de naturaleza compleja; las sustancias lipoídicas o
“insaponificables”, insolubles en agua, entre ellas se encuentran las vitaminas. Se
encuentran dispersos en la leche en forma globular. Esta dispersión es inestable y
las sustancias que la componen son más fáciles de extraer. La materia grasa en la
leche, es el componente que varía en mayor proporción, diversos factores influyen
sobre el porcentaje graso. Su composición también varía, no son fijas las
proporciones de los diferentes ácidos grasos, los fosfolípidos y las sustancias
saponificables. La materia grasa se altera más lentamente que la lactosa, sus
modificaciones no provocan grandes cambios en la estructura físico-química de la
leche, pero son importantes por ser causa de la aparición de sabores
desagradables (Alais, 2003).
38
MARCO TEÓRICO
2.4.1.8 Demanda química de oxígeno (DQO)
La demanda química de oxigeno (DQO) es la medida de la capacidad que tiene la
materia orgánica a la oxidación, bajo condiciones específicas de un agente
oxidante, temperatura y tiempo (Rigola, 2004).
La DQO mide la capacidad de consumo de un oxidante químico, dicromato o
permanganato, por las materias oxidables contenidas en el agua, y se expresa en
ppm de O al igual que la DBO. Existen diversas modalidades para efectuar esta
prueba, sin embargo las más común es el método normalizado, que consiste en
someter a reflujo durante dos horas una muestra de volumen determinado, con
exceso conocido de dicromato de potasio en un medio ácido, que regularmente es
una solución de ácido sulfúrico con sulfato de plata. Casi todas las sustancias
orgánicas resultan oxidadas completamente al someterse a esta prueba, sólo
algunas excepciones, como lo son compuestos aromáticos, que no lo logran en su
totalidad (Bielma, 2010).
En las pruebas de DQO se acelera artificialmente el proceso de biodegradación
que hacen los microorganismos, mediante un proceso de biodegradación forzada,
utilizando oxidantes químicos y métodos debidamente estandarizados, que tienen
por objeto la reproducción de las mediciones, esta prueba es una indicación de la
cantidad de nutrientes fácilmente degradables presentes en una muestra, es ideal
para aplicarla a residuos que contengan entre otros nutrientes carbonáceos, como
las de industrias o métodos de producción biológicos (Metcalf y Eddy, 2003).
2.4.1.9 Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
La DBO es uno de los parámetros de mayor importancia en el estudio y
caracterización de las aguas no potables. La determinación de DBO además de
indicarnos la presencia y biodegradabilidad del material orgánico presente, es una
forma de estimar la cantidad de oxigeno que se requiere para estabilizar el
39
MARCO TEÓRICO
carbono orgánico y de saber con qué rapidez este material va a ser metabolizado
por las bacterias que normalmente se encuentran presentes en las aguas
residuales. La importancia de este parámetro requiere de ciertos cuidados y
atención en la técnica analítica, ya que por ser un proceso biológico el manejo y
tratamiento de la muestra es delicado.
La DBO permisible en el medio ambiente para aguas residuales derivadas de
lácteos es del 100 mg/L, lo cual es un valor muy por debajo del obtenido en la
caracterización de las muestras de lactosuero. La razón técnica de hacer las
lecturas de DBO a los cinco días de incubación es porque después de este
periodo frecuentemente ocurre la nitrificación. La nitrificación o conversión del
nitrógeno orgánico y amoniacal a nitritos y nitratos requiere de oxígeno, por lo que
la disminución de oxígeno disuelto o incremento de DBO, ya no se debe a la
oxidación del carbono orgánico que es lo que se desea medir en este tipo de
prueba.
La razón histórica de hacer la lectura a los cinco días y a una temperatura de
20ºC, se debe a que como esta técnica tiene su origen en Inglaterra, la British
Royal Commission of Sewage Disposal, determinó que la temperatura promedio
de los ríos de este país es de 18.3ºC y que el tiempo máximo que duran estas
aguas en su trayecto de los ríos hacia el mar, es de cinco días. Como ésta prueba
de DBO pretende reproducir estos hechos, se seleccionaron los parámetros de
tiempo y temperatura ya mencionados, y que por causas circunstanciales
coinciden más o menos con las razones técnicas de efectuar las lecturas en esas
condiciones.
Aproximadamente entre el 90 y 95% de la DBO presente en el agua residual es
originada por pérdidas de leche o productos lácteos (Valencia y Ramírez, 2009).
Puesto que la leche tiene una DBO5 de 100.000 mg/L, 1 kg de DBO5 en el efluente
equivale a 10 litros de leche perdida. Si se asume que el 10% de las pérdidas
40
MARCO TEÓRICO
corresponde a materiales no originados por la leche, entonces 1 kg de DBO 5
equivale a una pérdida de 9 litros de leche.
2.4.1.10 Relación DBO/DQO
Habitualmente se utiliza la relación DBO/DQO para estimar la biodegradabilidad
de un agua residual. La determinacion de la DBO y la DQO permite establecer la
relacion existente de contaminantes y según el resultado, conocer la posibilidad o
no de efectuar algún tratamiento para las aguas residuales (Mihelcic y
Zimmerman, 2011).
Existe discrepancia entre el rango de valores de la concentración de la DBO y
DQO en las aguas residuales de una industria láctea. La concentración de DBO
puede encontrarse entre 2,000 y 5,000 mg/L y una DQO entre 1,000 y 6,000 mg/L
(CAR/PL, 2002) aunque según Casas (2009) la DBO está comprendida entre 500
y 1,700 mg/L mientras que la DQO oscila entre 1000 y 3000 mg /L. La materia en
suspensión o SST fluctúa de 300 a 700 mg/L (Casas, 2009). Sin embargo las
variaciones en la producción provocan importantes cambios en la concentración
del efluente (García et al., 2006).
41
METODOLOGÍA
III.
METODOLOGÍA
La metodología mediante la cual se realizó esta investigación y determinación de
las características fisicoquímicas del lactosuero se ilustra en la Figura 4.
Figura 4. Metodología de la caracterización fisicoquímica.
Metodología
Desarrollo del
muestreo
Determinación de
parámetros
fisicoquímicos
Análisis de resultados
obtenidos
Determinación de los
la zona , localidades y
municipios de
muestreo
Revisión bibliográfica
sobre caracterización
fisicoquímica de
lactosuero
Realización de
cálculos
Selección de los sitios
de muestreo
Selección de los
parámetros
fisicoquímicos
Elaboración de tablas
y gráficas
Recolección de
muestras
Realización de las
determinaciones
Recolección de datos
Comparación de los
resultados con la
bibliografía
Transporte de
muestras
Discusión de
resultados
42
METODOLOGÍA
3.1 Desarrollo del muestreo
3.1.1 Determinación de la zona, localidades y municipios de estudio
Se realizó la caracterización fisicoquímica de diversas muestras de lactosuero
provenientes de localidades y municipios pertenecientes a la región central del
estado de Veracruz, de lactosuero pertenecientes a diferentes comunidades de la
región, las cuales fueron: Coatepec, Xico, Acatlán,Jilotepec, Naolinco y La joya.
En la Figura 5 se muestra la ubicación geográfica de las localidades y municipios
anteriormente mencionados
Figura 5. Localidades y municipios de muestreo
43
METODOLOGÍA
3.1.2 Selección de los sitios de muestreo
El origen de los lactosueros muestreados proviene de la elaboración de quesos a
partir de la coagulación enzimática, esta es una de las principales actividades
económicas en la zona de estudio.
3.1.3 Recolección de las muestras
La toma de muestras se realizó en los lugares los puntos o establecimientos
donde el queso era vendido, recolectando las muestras de tipo sencillas para su
posterior traslado al lugar donde se realizarían los análisis.
3.1.4 Transporte de muestras
El traslado se realizó conforme a la norma; por lo que se preservaron durante su
mediante un baño de hielo, conservándose en refrigeración a una temperatura de
4°C. Las muestras se trasladaron a los laboratorios No. 4 y No. 6 de la Facultad
de Ciencias Químicas, perteneciente a la Universidad Veracruzana, en la ciudad
de Xalapa, Veracruz, lugar de realización de los análisis.
3.2 Determinación de los parámetros fisicoquímicos
3.2.1
Revisión
bibliográfica
sobre
caracterización
fisicoquímica
de
lactosuero
Se recopiló información bibliográfica para tenerla como base para la determinación
de los análisis a realizar y así tener una correcta y completa información de las
características a estudiar. Esta recopilación de información se revisó junto con el
director y la co-directora de este proyecto.
3.2.2 Selección de los parámetros fisicoquímicos
Una vez obtenida y clasificada la información, se determinaron los parámetros
necesarios a analizar para conocer la composición de las muestras.
44
METODOLOGÍA
3.2.3 Realización de las determinaciones
La realización de los análisis para la obtención de resultados fue realizada con
base a las Normas Oficiales Mexicanas vigentes para cada parámetro estudiado.
Para dar codificación a las muestras, en la Tabla 3 se muestra la clasificación de
lactosuero, el lugar de muestreo y el tipo de queso del cual se obtuvo.
Tabla 3. Municipios donde se muestreo el lactosuero.
Código
101
118
106
119
107
102
103
104
117
Lactosuero
obtenido de
Queso de rueda
Queso de rueda
Queso panela
Queso panela
Requesón
Queso de hebra
Queso de hebra
Queso de hebra
Queso de hebra
Clasificación
del suero
Suero dulce
Suero dulce
Suero dulce
Suero dulce
Suero ácido
Suero ácido
Suero ácido
Suero ácido
Suero ácido
Municipio de
procedencia
Acatlán
Jilotepec
Xico
Naolinco
Coatepec
Naolinco
Xico
Xico
La Joya
3.2.3.1 Determinación del porcentaje de humedad
El método se basa en la pérdida de peso de la muestra por calentamiento en una
estufa, refiriendo su peso al peso total de la muestra y expresada como
porcentaje, en la Figura 6 se puede observar la estufa y crisoles utilizados.
Figura 6. Estufa y crisoles utilizados para la determinación de los análisis
45
METODOLOGÍA
Materiales y Equipo
a) Crisoles;
b) Pinzas para crisol;
c) Desecador;
d) Estufa (marca Mapsa modelo HDP-334);
e) Balanza analítica (marca PIONEERTM modelo OHAUS).
Procedimiento
1. Pesar en un crisol previamente tarado de 1 a 1.5 g de muestra bien
mezclada.
2. Colocar el crisol con la muestra en la estufa y mantener la temperatura a
105ºC durante 4 horas. El periodo de tiempo comienza cuando se tiene la
temperatura deseada.
3. Después del tiempo requerido, transferir el crisol al desecador y esperar a
que alcance la temperatura ambiente (20 minutos aproximadamente).
4. Pesar en la balanza analítica.
5. Volver a colocar la muestra en la estufa 30 minutos.
6. Sacar de la estufa, enfriar nuevamente en el desecador y pesar.
7. Continuar con la desecación hasta peso constante.
Cálculos
Determinar el contenido de humedad a partir de la pérdida de peso de la muestra.
% de Humedad= (M1 – M2) x 100
M
M1 = peso del crisol más muestra húmeda.
M2 = peso del crisol más muestra seca.
M = peso del crisol.
46
METODOLOGÍA
3.2.3.2 Determinación del porcentaje de cenizas
Materiales y Equipo
a) Mufla (marca CAHO modelo HDP-334);
b) Crisoles de porcelana;
c) Balanza analítica (marca PIONEERTM modelo OHAUS);
d) Disgregador y pinzas.
En la Figura 7 muestra la balanza y desecador utilizados para la realización de los
análisis.
Figura 7. Balanza y desecador utilizados para la determinación de los análisis
Procedimiento
1.- Se pesaron 2 gr de muestra en un crisol previamente tarado y deshumedecido.
2.- El crisol y su contenido se calcinan, primero sobre una llama baja, evitando en
lo posible la formación excesiva de hollín, hasta que se carbonice y luego en un
horno de mufla a 650° C. Es importante la consideración de las normas de
seguridad aplicables dentro del laboratorio como el uso del extractor.
47
METODOLOGÍA
3.- Se procede a la calcinación en la mufla durante 3-4 horas. El método más
seguro es calcinar hasta peso constante, asegurándose que la ceniza sea blanca
o parda. Previamente, al cumplirse los primeros 30 minutos de calcinación, sacar
el crisol y dejar enfriar, con el disgregador romper las partículas incineradas en
forma uniforme y cuidadosamente, introducir nuevamente el crisol en la mufla y
completar la calcinación durante el tiempo antes mencionado. Cerciórese de vez
en cuando, que la temperatura se mantenga constante en la mufla.
4.- Sacar los crisoles con la ayuda de pinzas y guantes de carnaza para
protegerse contra la temperatura, inmediatamente colocarlos en el desecador y
dejarlos enfriar a temperatura.
Cálculos
CC - C
% de cenizas = --------------- x 100
W
Dónde:
CC = Peso del crisol más la ceniza.
C = Peso del crisol vacío.
W = Peso de la muestra.
3.2.3.3 Determinación de pH
La determinación del pH se realizó bajo la norma NMX-AA-008-SCFI-2011, esta
norma establece el método de prueba para determinar el pH en aguas naturales,
salinas, residuales y residuales tratadas. Este método es aplicable a todos los
tipos de agua y muestras de aguas residuales en el intervalo de pH 3 a pH 10, la
Figura 8 muestra el potenciómetro utilizado para dicho análisis.
48
METODOLOGÍA
Figura 8. Potenciómetro usado para análisis de pH.
Reactivos
a) Agua libre de dióxido de carbono;
b) Disoluciones amortiguadoras de pH de referencia;
c) Electrolito de referencia.
Equipo
a) Recipiente de muestreo;
b) Termómetro;
c) Potenciómetro;
d) Electrodo de vidrio y electrodo de referencia
3.2.3.4 Determinación de Acidez
La determinación de acidez se realizó según la norma NOM-155-SCFI2003.Basándose en que la acidez se mide con base a una titulación alcalimétrica
con hidróxido de sodio 0,1 N utilizando fenolftaleína como indicador, o en su caso,
utilizando un potenciómetro para detectar el pH de 8,3, que corresponde al fin de
la titulación.
49
METODOLOGÍA
Reactivos
a) Hidróxido de Sodio 0,1 N (valorado) NaOH
b) Solución indicadora al 1% de fenolftaleína (C6H4OH)(2COC6H4CO)
c) Alcohol etílico (C2H5OH)
d) Solución indicadora al 0,12% de cloruro o acetato de rosanilina
e) Solución buffer pH 7
f) Solución buffer pH 10
Preparación de soluciones
1. Solución de fenolftaleína al 1%. Pesar 1,0 g de fenolftaleína en 100 mL de
alcohol etílico (96°G. L).
2. Solución indicadora de cloruro o acetato de rosanilina al 0.12%. Pesar 0,12
de cloruro o acetato de rosanilina y disolverlo con alcohol etílico al 95%
(v/v), adicionar 0,5 mL de ácido acético glacial y llevar a un volumen de 100
mL. Diluir 1 mL de esta solución con 500 mL de alcohol etílico al
95%.Almacenar ambas soluciones en frasco color ámbar.
Materiales y Equipo
a) Pipeta graduada de 10 mL;
b) Pipeta volumétrica de 20 mL;
c) Matraz de 125 mL;
d) Bureta de 50 mL graduada en 0,1 mL;
e) Potenciómetro (marca Denver Instrument modelo UP-10).
Procedimiento
Medir 20 mL de muestra en un matraz. Adicionar 40 mL de agua libre de CO2.
Añadir 2 mL de fenolftaleína y titular con hidróxido de sodio 0,1 N hasta la
50
METODOLOGÍA
aparición de un color rosado persistente, cuando menos un minuto, empleando
como guía de color una muestra de control de acetato o cloruro de rosanilina
preparada de la siguiente manera:
Para el caso potenciométrico medir 20 mL de muestra adicionar 40 mL de agua
libre de CO2 y titular con hidróxido de sodio 0,1 N hasta pH de 8,3.
Cálculos y expresión de resultados
La acidez presente en la muestra, expresada en g/L, se calcula utilizando la
siguiente fórmula:
V x N x 90
Acidez (g/L) = -----------------M
Dónde:
V = son los mililitros de solución de NaOH 0,1 N, gastados en la titulación.
N = es la normalidad de la solución de NaOH.
M = es el volumen de la muestra en mL.
3.2.3.5 Determinación de Proteína, Lactosa y Grasa
La determinación de proteína, lactosa y grasa se analizaron utilizando el aparato
LACTICHECK UltrasonicMilkAnalyzer previamente calibrado, este aparato se
muestra en la 9, entre otras características provee de fáciles, rápidos y precisos
análisis de la mayoría de los componentes de la leche (incluyendo grasa, SNF,
proteína, densidad, lactosa y agua añadida) cruda, sin procesar y/o leche
procesada de vaca y/o cabra y productos lácteos.
51
METODOLOGÍA
Figura 9. Lacticheck utilizado para la medición de parámetros a los lactosueros
Procedimiento:
Llene el recipiente de muestra (~ 20 ml) de leche. Colocar el recipiente de muestra
en el sostenedor de del recipiente de muestra de tal manera que el aspirador sea
emergido en la muestra. Asegúrese de que no se aspire aire con la leche.
Pulse el botón MODE una vez. Pulse los botones de búsqueda
para localizar
el modo que desee:
Leche de Vaca 1. Prueba a leche de vaca cruda (o pasteurizada) de vaca o cabra.
Leche de Vaca 2. Pruebas a leche homogeneizada, pasteurizada (o con
tratamiento térmico) de vaca o cabra (default fábrica: calibrado de ~ 3,25% de
grasa
de
leche
bovina).
Tan pronto como aparezca el canal correcto, pulse OK para confirmar e iniciar la
prueba.
Línea 1:
52
METODOLOGÍA
Grasa (Lectura en aparecer en la pantalla, mientras que la medición está pasando.
(El tiempo de prueba es de aproximadamente 85 segundos, dependiendo de la
temperatura de la leche, temperatura %)
SNF (Lectura en%)
Densidad
Leche
(Lectura
=
XX.X
donde
Densidad
=
1.0XXX)
[Ejemplo: Lectura es 27.5 = 1.0275g/cm3]
Línea 2:
% de agua añadida a la leche (Lectura en%)
Proteínas (Lectura en%)
Lectura de lactosa:
Presione el botón de búsqueda
Pulse el botón de búsqueda
y se mostrará el valor Lactosa (Lectura en%)
para volver a la pantalla anterior.
Para la determinación de la cantidad de grasa en las muestras se utilizó el método
Werner – Schmidt, este método se basa en una hidrólisis ácida de las grasas,
seguida de una extracción con éter etílico.
Materiales y Equipo
a) Pipetas graduadas de 10 mL
b) Matraces Erlenmeyer de 250 mL
c) Vasos de precipitado de 100 y 250 mL
d) Baño María
e) Pipeta volumétricas de 10 mL
f) Probeta de 100 mL
g) Embudo de separación de 250 mL
h) Pinzas para crisol
i) Desecador
53
METODOLOGÍA
j) Parrilla de calentamiento
k) Estufa (Marca Mapsa modelo HDP-334)
l) Balanza analítica (marca PIONEERTM modelo OHAUS, sensibilidad
0.0001).
Reactivos
a) HCl
b) Éter etílico
c) Etanol
Procedimiento
1. Pesar en un vaso de precipitado 2 g de muestra.
2. Adicionar 4 ml de HCl concentrado y colocar en baño de agua hirviendo por
15 minutos o hasta que la caseína se haya disuelto. En esta etapa la
mezcla se observa color café o violeta.
3. Enfriar el vaso. Pasar la mezcla a un embudo de separación.
4. Lavar el vaso con 5 ml de éter etílico y pasarlo al embudo.
5. Extraer la grasa por inversión suave del embudo (para evitar que se
emulsione) con 10 ml de éter etílico.
6. Reposar hasta que se aclaren las capas y separar la capa etérea (clara) en
un vaso tarado. Si se observa que no se separan bien las capas adicionar 2
ml de etanol.
7. Repetir la extracción 3 veces con 5 ml de éter etílico y reunir los extractos.
Eliminar el solvente por evaporación en baño María.
8. Después de eliminar todo el solvente secar la grasa a 100 ºC por 30 min.
Enfriar en desecador y pesar
Cálculos
% de Grasa = (G1 – G2) x 100
G
G = peso de la muestra
54
METODOLOGÍA
G1 = peso del vaso con la grasa
G2 = peso del vaso solo
3.2.3.6 Determinación de la DQO
Reactivos:

Agua destilada recientemente preparada

Sulfato de mercurio cristalizado.

Solución de sulfato de plata:

Sulfato de plata cristalizado: 6,6 g y enrasar con ácido sulfúrico hasta 1000 ml.

Solución de sulfato de hierro y de amonio 0,025 N*

Sulfato de hierro y amonio: 98 g

Ácido sulfúrico: 20 ml

Enrasar con agua destilada hasta enrase a 1000 ml

El valor de esta solución debe verificarse todos los días.

Solución de dicromato potásico 0,25N:

Dicromato potásico (secado 2 horas a 110 °C): 12,2588 g y enrasar con agua
destilada hasta 1000 ml.

Solución de ferroína:

1,10-fenantrolina: 1,485 g

Sulfato de hierro: 0,695 g y enrasar con agua destilada hasta 100 ml.
Disolver la fenantrolina y el sulfato de hierro en agua y completar el volumen. Se
puede también utilizar una solución comercial.
Habrá que verificar el valor de la solución de sulfato de hierro y amonio:

En un vaso de precipitado introducir 25 ml exactamente medidos de solución
de dicromato potásico 0,25 N y completar a 25 ml con agua destilada.

Añadir 75 ml de ácido sulfúrico y dejar que se enfríe.

Añadir algunas gotas de solución sulfúrica de solución de ferroína y determinar
la cantidad necesaria de solución de sufato de hierro y de amonio para obtener
el viraje al rojo violáceo. se expresa en (mgO2/l)
55
METODOLOGÍA
Procedimiento:
1. Introducir 50 ml de agua a analizar en un matraz de 500 ml
2. Añadir 1 g de sulfato de mercurio cristalizado y 5 ml de solución sulfúrica de
sulfato de plata.
3. Calentar, si es necesario, hasta disolución perfecta.
4. Añadir 25 ml de disolución de dicromato potásico 0,25 N y después 70 ml
de solución sulfúrica de sulfato de plata.
5. Llevar a ebullición durante 2 horas bajo refrigerante a reflujo adaptado al
matraz.
6. Dejar que se enfríe.
7. Diluir a 350 ml con agua destilada.
8. Añadir algunas gotas de solución de ferroína.
9. Determinar la cantidad necesaria de solución de sulfato de hierro y amonio
para obtener el viraje al rojo violáceo.
10. Proceder a las mismas operaciones con 50 ml de agua destilada.
3.2.3.7 Determinación de la DBO
La prueba más común para analizar la demanda bioquímica de oxígeno es la
técnica “DBO5“la cual es una estimación de la cantidad de oxígeno que requiere
una población microbiana heterogénea para oxidar la materia orgánica de una
muestra de agua en un periodo de 5 días. El método se basa en medir el oxígeno
consumido por una población microbiana en condiciones en las que se ha inhibido
los procesos fotosintéticos de producción de oxígeno en condiciones que
favorecen el desarrollo de los microorganismos. Esta técnica tiene como principal
fin determina la cantidad de oxígeno utilizada por una población microbiana
heterogénea para transformar la materia orgánica, en un periodo de incubación de
5 días a 20ºC.
56
METODOLOGÍA
Material y equipo:

Fosfato dibásico de potasio (K2HPO4)

Fosfato dibásico de sodio heptahidratado (Na2HPO4•7H2O)

Cloruro de amonio (NH4Cl)

Sulfato de magnesio heptahidratado (MgSO4•7H2O)

Cloruro de calcio anhidro (CaCl2)

Cloruro férrico hexahidratado (FeCl3•6H2O)

Ácido sulfúrico concentrado (H2SO4)

Hidróxido de sodio (NaOH)

Sulfito de sodio (Na2SO3)

2-cloro-6 (triclorometil) piridina

Glucosa grado patrón primario (C6H12O6)

Ácido glutámico grado patrón primario(C5H9NO4)

Ácido clorhídrico (HCl)

Ácido nítrico (HNO3)

Equipo de aireación con difusor

Incubadora: Controlado por termostato a 20ºC ± 1ºC. Eliminar toda la luz
para evitar la posibilidad de producción fotosintética de oxígeno disuelto.

Balanza analítica con precisión de 0,1 mg

Medidor de oxígeno disuelto

Botellas Winkler de vidrio para incubación con capacidad de 300 mL de
aforo total y con boca estrecha, reborde y tapón de vidrio esmerilado, de
forma cónica.

Contratapa de politetrafloroetileno u otro material plástico para botella
Winkler
Procedimiento:
En el caso de aguas naturales debe tomarse un mínimo de 1 L de muestra en un
envase de polietileno o vidrio. En el caso de aguas residuales (DBO5 mayores a
50 mg/L) deben tomarse mínimo 100 mL. Pueden utilizarse muestras simples o
57
METODOLOGÍA
compuestas. No se debe agregar ningún preservador a las muestras. Solo deben
conservarse a 4ºC hasta su análisis. El tiempo máximo de almacenamiento previo
al análisis es de 24 h.
Colocar el volumen requerido de agua en un frasco y añadir por cada litro de agua
1 mL de cada una de las siguientes disoluciones: disolución de sulfato de
magnesio, disolución de cloruro de calcio, disolución de cloruro férrico y disolución
amortiguadora de fosfatos.
Preparar el agua de dilución diariamente.
Analizar y almacenar el agua de dilución como se describe en los incisos 10.2 y
10.3, de tal forma que siempre tenga a mano agua de calidad garantizada. Antes
de usar el agua de dilución debe ponerse a una temperatura aproximada de 20ºC.
Saturar con oxígeno aireando con aire filtrado, libre de materia orgánica durante 1
h por lo menos. Si la muestra presenta alto contenido de biocidas como cloro o se
sabe de su bajo contenido de materia orgánica, es necesario inocular la muestra.
Cálculos:
Calcular la DBO5
Cuando no se utilice inóculo ni diluciones:
DBO5 (mg/L) = ODi mg/L - OD5 mg/L
Dónde:
ODi mg/L es el oxígeno disuelto inicial, y
OD5 mg/L es el oxígeno disuelto al quinto día.
58
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
IV.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 Porcentaje de humedad
En la Tabla 4 se muestran los porcentajes de humedad obtenidos de las muestras
de lactosuero.
Tabla 4. Porcentajes de humedad en el lactosuero.
Procedencia (ácido)
Acatlán
Jilotepec
Xico
Naolinco
Coatepec
Promedio
Humedad (%)
93.84
93.95
94.29
92.26
95.15
93.9
Procedencia (dulce)
Naolinco
Xico
Xico
La Joya
Humedad (%)
94.73
94.78
94.43
95.22
Promedio
94.79
Se puede observar que los valores de humedad para los lactosueros ácidos
presentan valores porcentuales desde 92.26 hasta 95.15, con un promedio de
93.9% lo cual, se encuentran dentro del rango reportado por Prazeres et al., 2012,
para el lactosuero acido , el cual presenta un valor promedio de 94.1% ,
presentando éste un valor mínimo de 91.5% y un valor sobresaliente de 96%; por
otra parte, este mismo autor tiene un promedio de porcentaje ligeramente menor
para lactsuero dulce (93.3%) al encontrado en la realización del análisis (94.79%),
esto se debe a que una vez elaborado el queso por coagulacion enzimatica, el
suero recibe un segundo tratamiento para la obtencion del queso de hebra,por lo
que el contenido de humedad aumente ligeramente al extraer del suero los restos
finos de caseina y demas componentes que aun pueden coagular.
En la Gráfica 1 se muestra la comparación de los porcentajes de humedad entre
las diversas muestras.
59
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Gráfica 1. Comparación del porcentaje de humedad entre los lactosueros.
% de Humedad
Humedad
95.50
95.00
94.50
94.00
93.50
93.00
92.50
92.00
91.50
91.00
90.50
Lactosuero dulce
Lactosuero acido
1
2
3
4
5
6
La gráfica anterior muestra que el lactosuero ácido muestra un porcentaje mayor
de humedad en relación a los valores presentados por el lactosuero dulce, Los
valores del lactosuero acido se encuentran dentro de un rango esperado, sin
embargo, las muestras 4 y 5 de lactosuero dulce salen ligeramente del promedio,
una posible causa sea el proceso en la elaboración del queso de partida, al no
tener una metodología adecuada para el correcto procesamiento del producto.
4.2 Porcentaje de Cenizas
La información concentrada de los resultados obtenidos durante la caracterización
para ambos tipos de lactosuero para cenizas se presenta en la Tabla 5, así como
la diferencia entre ambos que puede ser vista en la Gráfica 2.
60
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tabla 5. Porcentajes de cenizas en el lactosuero.
Procedencia (ácido)
Acatlán
Jilotepec
Xico
Naolinco
Coatepec
Promedio
Cenizas (g/L)
1.24
0.54
2.6
0.57
0.96
1.18
Procedencia (dulce)
Naolinco
Xico
Xico
La Joya
Cenizas (g/L)
0.57
0.35
0.37
0.69
Promedio
0.49
En la tabla anterior se observan valores de concentración de cenizas (0.57-1.24
g/L) para lactosuero ácido con un promedio de 1.18 g/L, esto se encuentra por
encima de los valores reportados por Teniza, 2008, que van desde 0.56 hasta .84;
este mismo autor reporta un promedio de 0.46 g/L para lactosueros del tipo dulce,
dicho dato se encuentra muy parecido al promedio de los datos de esta
determinación el cual fue 0.49;
Callejas et al., 2012, reportan valores para
lactosuero dulce 0.4 - 0.6 g/L , cabe mencionar que dichos valores son parecidos
a los encontrados en esta caracterización, quedando los sueros dulces
procedentes de Naolinco y Xico dentro del rango reportado; y para suero ácido
0.6 - 0.8 %, estos mismos valores se onservan con Cuartas, 2005, aquí podemos
notar que los valores encontrados para esta caracterización difieron, esto
probablemente se deba al proceso de cuajado del queso. En lo que se refiere al
lactosuero acido, los porcentajes se encuentran dentro de los valores expresados,
sin embargo, la varianza de cantidades de 3 de las 6 muestras de lactosuero
dulce, hacen que el promedio salga de lo reportado.
En la Gráfica 2 se muestra la comparación de las cantidades de cenizas obtenidas
para las diferentes muestras.
61
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Gráfica 2. Comparación del porcentaje de cenizas entre los lactosueros.
Cenizas
3.00
% de Cenizas
2.50
2.00
1.50
Lactosuero dulce
1.00
Lactosuero acido
0.50
0.00
1
2
3
4
5
6
4.3 Acidez
Los valores de acidez de las muestras se muestran en la Tabla 6 la diferencia de
estos valores se observan en el Gráfica 3.
Tabla 6. Valores de acidez de los lactosueros.
Procedencia (ácido)
Acidez
Acatlán
Jilotepec
Xico
Naolinco A
Coatepec
Promedio
0.12
0.09
0.08
0.11
0.05
0.09
Procedencia
(dulce)
Naolinco
Xico
Xico
La Joya
Acidez
Promedio
0.07975
0.08
0.08
0.079
0.08
Para la acidez en las muestras de lactosuero ácido se encontraron valores de .0512% lo que concuerda con lo reportado por Monsalve & González, 2005 para
(0.08-12%); por otra parte , Cuartas, 2005 presenta valores de 0.050 - 0.76% para
sueros dulces (los cuales quedan un poco distantes de los encontrados en esta
caracterización (.79 - .80 %) y 0.40 - .9% para sueros acidos; Teniza, 2008,
62
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
muestra que el porcentaje de ácido láctico para sueros dulces es de 0.2 – 0.3% y
de 0.7 – 0.8% para sueros acidos, lo que muestra semejanza con las muestras de
Xico y las demás no alejandose mucho de lo reportado según los autores, estas
diferencias, son como ya antes se mencionó, posiblemente al proceso d
elaboración artesanal de los quesos. El comportamiento de los resultados
obtenidos en la caracterización se ilustra en la siguiente gráfica.
Gráfica 3. Comparación de acidez entre los lactosueros.
Acidez
0.8
0.7
0.6
%
0.5
0.4
Lactosuero dulce
0.3
Lactosuero acido
0.2
0.1
0
1
2
3
4
5
6
Las muestras de sueros dulces se observan dentro de lo reportado, los
sueros ácidos muestran varianza entre muestras, sin embargo, se encuentran
dentro de lo reportado.
4.4 Valores de pH
En la Tabla 7 se muestran los valores de pH encontrados para los dos tipos de
lactosuero.
63
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tabla 7. Valores de pH en lactosuero.
Procedencia (ácido)
pH
Procedencia (dulce)
pH
Acatlán
5.7
Naolinco
4.25
Jilotepec
6.5
Xico
5.5
Xico
6.1
Xico
5.45
Naolinco A
6.7
La Joya
3.9
Coatepec
6.1
Promedio
6.24
Promedio
4.78
En esta Tabla 7 se puede observar valores de pH obtenidos para lactosuero ácido
que van desde 5.7 a 6.1, estos valores, pueden ser comparados con lo que
reporta Callejas et al., 2012 , los cuales son valores de pH para el lactosuero
ácido de 5.7 a 6.24; Guerrero et al., 2010, reportan valores de pH de entre 4.50 a
5.34, en relación a los valores mostrados en la tabla anterior se puede observar
que los valores se encuentran dentro del rango.
En la Gráfica 4 se ilustra la comparación del porcentaje de pH de los valores de
las diferentes muestras.
Gráfica 4. Comparación de pH entre los lactosueros.
pH
8.00
7.00
Valores de pH
6.00
5.00
4.00
Lactosuero dulce
3.00
2.00
Lactosuero acido
1.00
0.00
1
2
3
4
5
64
6
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El pH y la acidez, son dos valores que se relacionan, el lactosuero dulce al utilizar
coagulantes, existe poca o nula presencia de ácido láctico, como se puede
observar en el gráfico, el pH de las muestras es muy similar, en cambio, al
acidificar la leche, hay un aumento de ácido láctico, por consiguiente, mayor
acidez y menor pH.
4.5 Proteínas
El porcentaje de proteÍnas varía dependiendo del tipo de proceso empleado en la
elaboración del queso de procedencia. En la Tabla 8 se muestra el volumen de
proteínas presente para cada una de las muestras. En la Gráfica No.5 se presenta
la diferencia promedio de proteínas entre el lactosuero enzimático y el lactosuero
ácido.
Tabla 8. Proteínas en lactosuero.
Procedencia (ácido)
Acatlán
Jilotepec
Xico
Naolinco A
Coatepec
Promedio
Proteínas (g/L)
3.4
2.48
4.84
2.59
2.69
3.2
Procedencia (dulce)
Naolinco
Xico
Xico
La Joya
Proteínas (g/L)
Promedio
2.54
2.47
2.42
2.37
2.88
En la anterior tabla se muestran valores para lactosuero ácido que van de 2.48 a
3.4 y un promedio de las mutras de 3.2 g/L; esto concuerda con lo reportado por
Teniza, 2008 (3.4 g/L promedio para muestras ácidas). Guerrero et al., 2010
reportan un promedio de 2.72
para la concentración de proteínas, esto varía
respecto a lo encontrado en la caracterización (2.54) ,como antes se reportó, el
contenido de proteínas presentes en el lactosuero va de 85 a 90% del total de la
leche utilizada, por lo que se puede deducir que los datos reportados por el autor y
los obtenidos por análisis son muy semejentes y su diferencia es irrelevante.
65
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Gráfica 5. Comparación de proteínas entre los lactosueros
Proteínas
6
% de Proteínas
5
4
3
Lactosuero dulce
2
Lactosuero acido
1
0
1
2
3
4
5
6
Los valores del lactosuero ácido presentan semejanzas que indican procesos
parecidos, por otra parte, el lactosuero dulce de la muestra tres, presenta un
porcentaje elevado con respecto a los demás, por lo que se puede determinar que
el método de elaboración de queso en el lugar de procedencia de la muestra debe
ser analizado y evaluado.
4.5 Lactosa
Los valores de lactosa que presentaron las muestras se presentan a continuación
en la Tabla 9. En ella se puede observar porcentajes para suero ácido de 4.14 a
5.51; para dulce 4.1-4.17 %. Presentándose en promedio de lactosa 5.51% para
suero ácido y 4.1% para suero dulce.
Tabla 9. Valores de lactosa.
Procedencia (ácido)
Acatlán
Jilotepec
Xico
Naolinco
Coatepec
Promedio
Lactosa
5.51
4.14
7.56
4.32
4.48
5.51
66
Procedencia (dulce)
Naolinco
Xico
Xico
La Joya
Lactosa
Promedio
4.1
4.14
4.17
3.99
4.1
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los porcentajes de lactosa obtenidos de los lactosueros se encuentran dentro de
los parámetros establecidos por Cuartas, 2005 (4.23 - 5.46% para lactosuero
ácido y 4 – 4.18% para dulce) ; Prazeres et al., 2012 reporta un valor promedio
para muestras de lactosuero ácido de 5.59% y 4.3% para dulce,estos valores se
encuentra muy cerca de lo obtenido en la caracterización, siendo estos un ocho y
dos décimas más altas que las obtenidas pero con semejanza.
En el Gráfica 6 se muestra la comparación de los porcentajes de lactosa
encontrados en las muestras.
Gráfica6. Comparación de lactosa de los lactosueros.
Lactosa
8
7
6
%
5
Lactosuero dulce
4
3
Lactosuero acido
2
1
0
1
2
3
4
5
6
Los valores de lactosa de los lactosueros ácidos y dulces responden con lo
descrito por la bibliografía, exceptuando la muestra 3 de lactosuero dulce, valor
que se presume, es debido al método de elaboración del queso.
4.7 Grasa
Los porcentajes de grasa evaluados a las muestras de lactosuero son presentados
en la Tabla 10, de igual forma son representados en la Gráfica 7.
67
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tabla 10. Cantidad de grasa presente en el lactosuero.
Procedencia (ácidez)
Acatlán
Jilotepec
Xico
Naolinco A
Coatepec
Promedio
Grasa (g/L)
0.72
0.64
0.54
0.62
0.18
0.54
Procedencia (dulce)
Naolinco
Xico
Xico
La Joya
Grasa(g/L)
Promedio
0.59
0.18
0.78
0.46
0.93
Los porcentajes de grasa obtenidos de lactosuero ácido (.18 – 0.72 y 0.54% en
promedio) se encuentran por arriba de los valores descritos por Villacís, 2011
(0.16 - .70 y 0.49% en promedio) sin embargo esta diferrencia no es muy grande
por que, como se pude observar, los datos de lactosuero de Coatepec y Xico no
se encuentran lejos de los datos reportados por el autor anterior; de igual manera
se observa una cercanía en los datos reportados por Cuartas, 2005 (0.53% en
promedio para ácidos y 0.60% promedio para las muestras dulces). Por lo que se
deduce que en cuantoa
grasa, las muestras se encuentrar dentro de los
parámtros esperados , observando que no existe variabilidad importante en los
diferentes tipos de lactosuero de diversas regiones en comparación a otros
estudios, esto es quizá por que la grasa presente en la leche, a diferencia de la la
acidez es constante y al igual que las proteínas, se puede hablar de porcentajes
representativos y generales para todos los casos y la única variablidad que se
presente pueda ser por la diferencia de procedencia de este alimento, es decir,
sea leche de cabra o de vaca.
68
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Gráfica 7. Comparación de grasa presente entre los lactosueros
%
Grasa
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Lactosuero dulce
Lactosuero acido
1
2
3
4
5
6
La diferencia de valores registrados supone una variabilidad en la calidad de la
leche utilizada para el proceso de elaboración de los quesos.
4.8 DQO
En la Tabla 11 se observa que los valores de DQO encontrados fueron similares,
teniendo un promedio de valor en las muestras de 62,322, sin embargo los valores
son muy altos, como en el caso de la muestra con número de codificación 101 la
cual presentó un valor de 73,561 es por los altos valores representan afectaciones
en el ambiente cuando este subproducto es descargado a cuerpos de agua o
suelos. El comportamiento de los resultados se puede observar en la Gráfica 12.
69
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tabla 11. DQO del lactosuero.
Código
101
118
106
119
107
102
103
104
117
Lactosuero
obtenido de
Queso de rueda
Queso de rueda
Queso panela
Queso panela
Requesón
Queso de hebra
Queso de hebra
Queso de hebra
Queso de hebra
Clasificación
del suero
Suero dulce
Suero dulce
Suero dulce
Suero dulce
Suero dulce
Suero ácido
Suero ácido
Suero ácido
Suero ácido
PROMEDIO
Valor de
DQO (mg/L)
73,561
61,291
63,276
76,450
51,413
58,345
56,348
58,31
57,892
62, 322
En la tabla anterior se pueden observar valores para la DQO con un promedio de
62,322 siendo el lactosuero procedente de la elaboración de requesón el de la
menor demanda química de oxígeno como un valor de 51,413mg/L y por otra
parte, el valor más alto lo presentó un lactosuero dulce procedente de la
elaboración de queso de rueda con un valor de 73,561 mg/L. Según lo reportado
por Casas 2009 que la DQO encontrada en este residuo oscila entre 10,000 y
30,000 mg /L. A comparación de los valores encontrados en la caracterización,
hay mucha diferencia y si existe coincidencia con los valores reportados por
García et al 2006 (entre 10,000 y 60,000 mg/L).
Gráfica 8. Valores obtenidos de DQO
70
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.9 DBO
En la Tabla 12 se observan los valores de DBO encontrados para las muestras,
así como el promedio de los resultados. El comportamiento de los valores para
este análisis se pueden observar en la Gráfica 9.
Tabla 12. DBO en lactosuero.
Código
Lactosuero
obtenido de
Clasificación
del suero
Valor de DBO
(mg/L)
101
118
106
119
107
102
103
104
117
Queso de rueda
Queso de rueda
Queso panela
Queso panela
Requesón
Queso de hebra
Queso de hebra
Queso de hebra
Queso de hebra
Suero dulce
Suero dulce
Suero dulce
Suero dulce
Suero dulce
Suero ácido
Suero ácido
Suero ácido
Suero ácido
PROMEDIO
39,260
38,120
35,300
35,120
32,100
30,500
31,000
31,630
31,420
33,827. 78
Se puede apreciar que los resultados obtenidos fueron similares oscilando entre
30,000 y 40,000 mg/L, teniendo un valor promedio de 33,827.78, el menor valor
encontrado fue de 30,500 y de 39,260 correspondiendo estos valores a las
muestras 102 y 101.,la diferencia entre dos valores fue de 8,740 mg/L .Según lo
reportado por García et al., 2006 la concentración de DBO puede encontrarse
entre 20,000 y 50,000 mg/L, lo que da referencia a que los valores encontrados se
encuentran dentro de lo esperado.
Así mismo se puede determinar que en promedio las muestras de lactosuero
utilizado poseen, lo que lo ubica como agua residual altamente contaminante. Esto
como lo comenta Ferrer y Seco, 2008 : las muestras de lactosuero en promedio
contienen un valor superior a los de los lixiviados de los botadero de basura, los
71
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
efluentes de los procesamientos de aceite comestible y el destilado de alcohol
(vinazas) los cuales poseen cantidades menores a 20,000 mg/L.
Gráfica 9. Valores de DBO
72
CONCLUSIONES
IV.
CONCLUSIONES
El proceso de toma de muestras para la recolección de lactosuero en las
diferentes comunidades de estudio fue una fase importante ya que esta representa
la correcta conservación de las muestras para no alterar sus propiedades o
características que se desean determinar y poder así realizar de manera correcta
la interpretación de los resultados, así mismo la determinación de los parámetros a
analizar fue la guía para dar forma a la metodología; parte medular de este
trabajo, en ella se pudo encontrar que una correcta programación para el análisis
de resultados es primordial. Se observó que la mayoría de los resultados
estuvieron dentro de lo esperado sin embargo, se presentaron resultados fuera de
rango los cuales demuestran las diferencias que existen en los procesos de
elaboración de queso y las diferencias que caracterizan en la elaboración de los
diferentes tipos de queso. En general las muestras presentaron altas
concentraciones
de
materia
orgánica
dando
al
lactosuero
gran
carga
contaminante. Así mismo el contenido de grasa y cenizas se debe considerar para
tomar en cuenta en las posibles propuestas de tratamiento. Por otra parte el
contenido de proteínas y lactosa hace referencia que el lactosuero producido en
estas comunidades no deja de ser un residuo con excelentes propiedades
nutritivas pudiendo ser aprovechadas por los habitantes de esta zona y contribuir
así al desarrollo social y económico mediante la fabricación de una gran variedad
de subproductos.
Sin duda la determinación y el análisis de las propiedades fisicoquímicas de las
diversas muestras permite tener un panorama de la composición de este residuo y
aún más importante contribuye al crecimiento de la escaza información existente
sobre lactosuero producido, el cual es el principal contaminante de cuerpos de
agua receptores en esta zona.
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