Biotecnología en alimentos en Hidalgo. Líneas de

Biotecnología y alimentos en Hidalgo. Líneas de investigación en desarrollo
Luis Díaz Batalla
Carlos Alberto Gómez Aldapa
Javier Castro Rosas
Alejandro Téllez Jurado
Coordinadores
biotecnología y alimentos en hidalgo
Líneas de investigación en desarrollo
Biotecnología y alimentos en Hidalgo
Líneas de investigación en desarrollo
Luis Díaz Batalla
Carlos Alberto Gómez Aldapa
Javier Castro Rosas
Alejandro Téllez Jurado
Coordinadores
Universidad Politécnica de Francisco I. Madero
Universidad Politécnica de Francisco I. Madero
Km. 2. Carretera Tepatepec–San Juan Tepa,
Francisco I. Madero, Hidalgo, cp 42660
isbn: 978–607–9260–14–9
Presentación
El Estado de Hidalgo ha definido las áreas estratégicas en ciencia,
tecnología e innovación, en las cuales habrá de establecerse como
referente nacional en los próximos años. La agrobiotecnología
es una de estas cinco áreas estratégicas seleccionadas. En este
contexto se presenta Biotecnología y Alimentos en Hidalgo.
Líneas de Investigación en Desarrollo, una muestra de los temas y
las líneas de investigación que se desarrollan en las instituciones
de educación superior del Estado de Hidalgo. Además de
contribuir en la divulgación de las actividades de los grupos
de investigación invitados, como colaboradores en el presente
trabajo, se pretende permear en la dinámica interinstitucional
que favorezca la colaboración y el desarrollo conjunto.
La realización del presente trabajo contó con el apoyo del
Fondo Mixto conacyt–Gobierno del Estado de Hidalgo a través
del proyecto fomix–Hidalgo 2012–01–192649; Fortalecimiento
a las líneas innovadoras de investigación aplicada y desarrollo
tecnológico (liiadt) del área de biotecnología y alimentos del Estado de Hidalgo.
5
6
AVANCES Y PERSPECTIVAS DE INVESTIGACIÓN LGAC:
TECNOFUNCIONALIDAD Y NUTRICIÓN
MOLECULAR DE COMPUESTOS BIOACTIVOS
Alanís–García E.*, Cruz–Cansino N.S., Manríquez–Torres,
J.J., Ariza–Ortega J.A., Delgado–Olivares L.,
Ramírez–Moreno E.
Área Académica de Nutrición/Cuerpo Académico de Nutriología.
Instituto de Ciencias de la Salud. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Carretera Actopan–Tilcuautla, Ex–Hacienda La
Concepción, San Agustín Tlaxiaca, Hidalgo, México. CP 42086.
Tel. (01–771) 71–72000. ext. 4312. correo electrónico: ernesto_
[email protected]
Resumen
Uno de los aspectos importantes de estudio de la línea de investigación Tecnofuncionalidad y Nutrición Molecular de Compuestos
Bioactivos, perteneciente al Cuerpo Académico de Nutriología, es
evaluar los cambios que sufren los compuestos bioactivos durante
el procesamiento de los alimentos, así como el aislamiento y caracterización molecular de estos compuestos. Por lo que a continuación se hace una breve revisión sobre los avances de investigación
y perspectivas de estudio.
Efecto
del ultrasonido sobre los compuestos
bioactivos en jugos de frutas
Cruz–Cansino N.S.
En la actualidad, los métodos más comunes para el procesamiento de alimentos son los tratamientos térmicos, que implican la aplicación de calor, debido a su capacidad para inactivar
microorganismos y algunas enzimas responsables del deterioro
y descomposición de alimentos [1–3]. Sin embargo, el tratamiento térmico en condiciones severas puede inducir cambios físicos
7
y químicos, tales como la desnaturalización de proteínas, pardeamiento no enzimático, disminución del contenido o la biodisponibilidad de algunos compuestos bioactivos, entre ellos las
vitaminas, así como compuestos volátiles, causando efectos no
deseados en los alimentos [4]. Existen métodos alternativos a
la pasteurización y a la esterilización, los cuales están ganando importancia debido a que tienen un impacto menor sobre el
contenido nutricional en los alimentos [5]. Aunado a esto, en los
últimos años las modificaciones en el estilo de vida en los países
desarrollados han supuesto una serie de nuevas demandas en lo
que a calidad, diversidad y aspecto nutricional se refiere. Entre
los factores que más han influido se puede destacar la creciente
preocupación de los consumidores por la salud y por la relación
dieta–salud. Por lo que para dar respuesta a las necesidades y por
los factores sociales, se han producido una serie de avances muy
importantes tanto en la conservación como en el procesado de
alimentos en las últimas décadas [6]. Esto ha generado una gran
cantidad de “tecnologías emergentes” que se encuentran disponibles para ser aplicadas; algunas de ellas son conocidas y utilizadas desde hace mucho tiempo y otras desarrolladas solo a nivel
experimental de planta piloto o laboratorio, que tienen expectativas promisorias de aplicación industrial. Estas tecnologías
emergentes, tales como el procesamiento de ultra–alta presión,
campos eléctricos pulsantes, la extracción de fluido supercrítico,
microfluidización, tratamiento con luz ultravioleta y tratamiento
con ultrasonido se han identificado como tecnologías particularmente prometedoras para el procesamiento de alimentos, las
cuales han sido exploradas para mejorar la vida de anaquel, preservar el contenido nutricional y las cualidades sensoriales [7].
Entre todas estas tecnologías, el ultrasonido puede ser una tecnología económica, sencilla, respetuosa con el medio ambiente
y eficaz para lograr una disminución de la carga microbiana, sin
afectar de manera significativa, las características sensoriales y
nutricionales de los jugos procesados [8, 9, 2, 10].
8
Ultrasonido
El ultrasonido se refiere a las ondas de sonido por encima de la
frecuencia del oído humano (>20 kHz). Cuando el ultrasonido
de alta intensidad pasa a través de un medio, surgen vibraciones
que pueden dañar partículas sólidas presentes en el medio. Este
efecto es causado por cavitación acústica, que involucra el crecimiento y colapso de microburbujas pre–existentes en líquidos.
La coalescencia supone la liberación de toda la energía acumulada, ocasionando incrementos de temperatura instantáneos y focales, que se disipan sin que supongan una elevación sustancial
de la temperatura del líquido tratado. Sin embargo, la energía
liberada, así como el choque mecánico asociadas al fenómeno
de implosión, afectan la estructura de las células situadas en el
micro entorno [8, 11, 2, 12]. Estos cambios de presión y temperatura permiten la destrucción de los microorganismos [8, 10]. El
mecanismo consiste en que las burbujas al alcanzar un tamaño
crítico, se colapsan violentamente. Con este violento colapso se
libera energía que depende de la cinética del crecimiento de la
burbuja, ocasionando cizallamiento de las paredes celulares que
conducen a la muerte celular, inactivando los microorganismos
[13, 14]. El ultrasonido puede ser usado para la extracción de
compuestos fenólicos desde las estructuras vasculares por la ruptura del tejido vegetal, extracción de betacianinas y betalainas,
extracción de lípidos y proteínas a partir de semillas de plantas,
tales como la soya, la mejora de la extracción de aceite a partir de
semillas oleaginosas; permeabilización de la membrana celular
de las frutas, tales como uvas, ciruelas y mango, purés, salsas
y productos lácteos mejorando la estabilidad de las dispersiones [14], así como en el procesamiento de jugos de frutas como
naranja, sandía, melón, tuna púrpura y verde, toronja, lima y
guayaba [12, 15–21].
Fenoles totales
En un estudio realizado con jugo de sandía en donde se sometió a tratamiento de termosonicación a 1500 W, con variables de
proceso de temperatura (25–45 °C), niveles de amplitud (24.1–60
9
µm) y tiempo (2–10 min) a una frecuencia constante de 20 kHz
en 5 segundos encendido y 5 segundos de apagado, se encontró
un contenido de compuestos fenólicos de 13.89 mg EAG/100 mL
en jugo sin sonicar. La temperatura tuvo un efecto significativo
en el contenido de fenoles totales, ya que se presentó una disminución de estos, cuando la temperatura aumentó de 25 a 45
°C, este efecto fue más prominente a tiempos mayores de proceso y la retención del contenido de compuestos fenólicos fue de
83.23%, 63.11%, 41.56% a 45 °C, en tiempos de 2, 6 y 10 min, respectivamente, después de aplicar termosonicación [15]. En jugo
de melón, se aplicaron intensidades de 75, 226 y 376 W/cm2 con
potencias de 100, 300 y 500 W, con una temperatura inicial de
4 °C por 10 min. Se observó que el tiempo y las intensidades de
proceso de ultrasonido no tuvieron efecto significativo sobre el
contenido de compuestos fenólicos totales. Así pues, en todos los
ensayos, el contenido de compuestos fenólicos del jugo de melón
disminuyó hasta un 30%. Esto puede ser debido a la formación
de radicales libres OH que pudieron haber afectado a los compuestos fenólicos del jugo [16]. En un estudio de puré de uva, se
aplicó la intensidad de 2 W/cm2 con potencia de 360 W, temperatura entre 60 y 80 °C y tiempo de 5 a 15 min. Se encontraron
que todas las muestras tratadas tuvieron un alto contenido de
compuestos fenólicos (114.3%) [22]. En el jugo de tuna púrpura
(Opuntia ficus–indica) se evaluó el efecto a diferentes niveles de
amplitud y tiempo de ultrasonicación (40% y 60% por 10, 15 y 25
min; 80% por 3, 5, 8, 10, 15 y 25 min). Los resultados mostraron
que el contenido de fenoles totales en la muestra control fue de
1654.6 mg EAG/L. Después de aplicar el tratamiento de ultrasonido a 40% y 60% de amplitud por 15 y 25 minutos, respectivamente, tuvieron entre 1925 a 1950 mg EAG/L, y los tratamientos
a 80% de amplitud por 5 a 8 minutos tuvieron una liberación
significativa respecto al control de contenido de fenoles totales
(2077.4 mg EAG/L y 2160.7 mg EAG/L, respectivamente) [17].
Por otro lado en jugo de tuna blanca aplicando los tratamientos
anteriores, se encontró una cantidad apreciable de compuestos
bioactivos principalmente en el tratamiento al 80% por 25 min
10
con 1366.2 mg EAG/L, más del 40% con respecto al jugo sin ultrasonicar [18]. La liberación de los compuestos fenólicos fue
resultado del rompimiento de la pared celular por el tratamiento
de ultrasonido, ya que los compuestos fenólicos se encuentran
unidos a polisacáridos o proteínas de la pared celular, resultando
este tratamiento más efectivo que el uso de enzimas [22].
Acido ascórbico
Aadil y colaboradores [19] evaluaron el efecto de sonicación en
el jugo de toronja, en tiempos de 30, 60 y 90 min, con frecuencia
de 28 kHz y 600 W de potencia y temperatura de 20 °C. Estos
autores reportaron que aunque el calor y el oxígeno son los principales factores responsables de la degradación de la vitamina C,
se observó un aumento significativo de 31.81 mg/100 mL, 35.40
mg/100 mL, 35.75 mg/100 mL en los tratamientos de termosonicación con los tiempos de 30, 60 y 90 min, respectivamente
comparados con la muestra control, la cual fue de 27.83 mg/100
mL. En jugo de lima sonicado durante 30 y 60 min a 20 °C a
25 kHz de frecuencia, se observó un aumento significativo en
el contenido de ácido ascórbico después de los tratamientos de
sonicación, en donde se obtuvo 39 mg de ácido ascórbico/100
mL en un tiempo de 30 min, de 40.20 mg de AA/100 mL en un
tiempo de 60 min, comparados con la muestra control, el cual
fue de 37.68 mg de AA/100 mL [20]. Cheng y colaboradores [21],
estudiaron el efecto de la sonicación en la calidad del jugo de
guayaba a 35 kHz por 30 min, en un intervalo de temperatura de
15–20 °C. Los resultados indicaron un aumento en el contenido
de ácido ascórbico en todas las muestras en comparación con la
muestra control. En jugo de naranja se aplicaron condiciones de
proceso de 1500 W, con frecuencia constante de 20 kHz, amplitud de 24.4–61.0 µm, a temperatura de 5–30 °C y tiempo de 0–10
min. Los resultados indicaron que el aumento de la temperatura
y amplitud, dio lugar a una mayor pérdida de ácido ascórbico.
Esto es debido, a que la actividad cavitacional disminuye cuando
aumenta la temperatura, además, el gran número de burbujas
de cavitación formadas, sirve como una barrera que amortigua
11
la energía ultrasónica, formando radicales hidroxilos y por tanto
influye en la degradación del ácido ascórbico, la cual se divide
en dos secciones que corresponden a la degradación aeróbica y
anaeróbica [12]. Zafra y colaboradores [17] mostraron que los
jugos de tuna púrpura tratados por ultrasonido presentaron valores similares a la muestra control, el cual fue de 352.6 mg AA/L,
a excepción del jugo tratado a 80% de amplitud por 25 min, el
cual fue de 415.6 mg AA/L. Mientras que en jugo de tuna blanca
fueron los tratamientos a 80% por 10 min y 60% por 25 min,
presentando alta concentración de ácido ascórbico (551 y 544
mg AA/L respectivamente) comparado con el control [18]. El incremento de ácido ascórbico en los estudios se atribuye al efecto
causado por la baja temperatura en la sonicación y a la eliminación del oxígeno disuelto, el cual es esencial para la degradación
del ácido ascórbico durante la cavitación producida por el tratamiento del ultrasonido [21].
Actividad antioxidante (abts y dpph)
Zafra y colaboradores [17] en jugo de tuna púrpura mostraron
en actividad antioxidante por abts valores similares a la muestra control (26.3 mg VCEAC/100 mL), en amplitud de 60% por
10 y 15 min y 80% por 15 minutos. Por otro lado, los resultados
de DPPH mostraron una baja actividad antioxidante similar a la
muestra control (4368.5 µmol ET/L), en amplitud de 40% por 25
min y 60% por 10 min, presentándose la mayor actividad antioxidante de 4812.9 µmol ET/L a amplitud de 80% por 15 min. En
jugo de tuna blanca, la conservación de la actividad antioxidante
presente en el jugo fue principalmente en tratamientos mayores
a 15 min en abts, especialmente el tratamiento a 80% por 15 min
(102.60 mg VCEAC/100 mL), mientras que los resultados de actividad antioxidante por dpph, mostraron que la mayoría de los
jugos ultrasonicados fueron similares a la muestra control (3340
μmol ET/L), a excepción de los jugos tratados a 40% por 15 min,
80% por 5 min y 8 min, los cuales presentaron altos valores en un
intervalo de 4600 a 4800 μmol ET/L [18]. El mayor componente
responsable de la actividad antioxidante y de la captación de ra12
dicales libres por DPPH, son los compuestos fenólicos y vitamina
C especialmente en frutas cítricas [19]. La estabilidad o incremento de la actividad antioxidante por ABTS y DPPH es debido
a la liberación del ácido ascórbico o de los compuestos fenólicos
que pueden actuar como aceptores de radicales o interruptores
de cadena [1]. Estos componentes tienen el potencial de secuestrar los radicales libres que causan daño al organismo humano
y también reducir el riesgo de muchas enfermedades originadas
del estrés oxidativo.
Implicaciones
tecnológicas y fisiológicas de
β–
glucanos
Alanís García E.
Los beta–glucanos son fibra soluble que se encuentran localizados en las paredes celulares del endospermo de los cereales.
Son polisacáridos lineales compuestos de unidades repetidas de
D–glucopiranosil, unidos por una mezcla de enlaces glucosídicos β–(1 3) y β–(1 4). Tanto la avena como la cebada son ricas
fuentes de β–glucanos. La cantidad total de estos en avena y cebada está determinada tanto por condiciones ambientales como
genéticas [23]. Los β–glucanos de cebada y avena difieren tanto
en sus propiedades moleculares como estructurales, tales como
peso molecular, solubilidad, proporción de enlaces β–(1 3)/β(1 4),
y conformación. Debido a sus propiedades fisicoquímicas, los β–
glucanos son usados en la industria de alimentos como sustitutos de grasa, estabilizantes, y agentes espesantes. Los β–glucanos
también han obtenido un gran interés en el diseño de alimentos
funcionales, debido a sus referencias como ingrediente en alimentos potencialmente promotores de la salud [24].
Las multifuncionales de los β–glucanos en diferentes sistemas de alimentos permiten su incorporación en un amplio rango
de productos [25]. Estos pueden incluir helados bajos en grasa,
quesos bajos en grasa, quesos blandos, y salchichas bajas en grasa. Hay también algunos reportes que indican que estas molécu13
las pueden tener propiedades funcionales útiles en la estructura
de alimentos, por ejemplo en promover el espumado y emulsificación [26]. Otras aplicaciones de los β–glucanos, reportados
en las pasadas dos décadas, son las sopas, salsas, bebidas [27].
Cuando fueron incorporados a tales productos tuvo la capacidad
de remplazar el uso de espesantes convencionales.
Durante cientos de años, los chinos y los japoneses han
utilizado extractos de β–glucanos para prevenir enfermedades.
Fue en las últimas décadas que se ha identificado al β–glucanos
como un ingrediente activo. Los β–glucanos son moléculas que
se encuentran en una variedad de sustancias, en especial setas,
levaduras, avena y cebada. El tipo específico de β–glucanos viene
determinado por el número de moléculas de glucosa que se ramifican de la estructura básica. Las que se extraen de los granos
tienden a ser tanto solubles como insolubles [28].
Propiedades funcionales y tecnológicas
La vinculación mixta (1g3) (1g4)–β–D–glucanos (β–glucanos)
del endospermo de los granos de cereales son apreciables hidrocoloides industriales y han demostrado ser componentes importantes de fibra dietética fisiológicamente activos. Los β–glucanos son polisacáridos lineales, solubles en agua, de alto peso
molecular, ellos dan viscosidad que está relacionada con el peso
molecular y es fuertemente dependiente de la concentración que
presentan. Los β–glucanos de avena han demostrado reducir los
niveles de colesterol elevados en la sangre e incluso tener un efecto de equilibrio en la glucemia postprandial y la respuesta de la
insulina. La principal diferencia entre los β–glucanos de avena y
la cebada es el tamaño de las moléculas, los β–glucanos de granos de cebada es de aproximadamente dos terceras partes del
tamaño de β–glucanos de avena [29].
El interés en la producción y el uso de β–glucanos aislados
de cereales en los alimentos se debe a sus beneficios potenciales
para la salud. Si un producto contiene al menos 0.75 g β–glucanos por porción, la Administración de Alimentos y Medicamentos (fda, por sus siglas en ingles) lo declara con propiedades sa14
ludables sobre el efecto reductor del colesterol y por lo tanto para
un riesgo reducido de la enfermedad cardíaca coronaria [29].
La viscosidad de β–glucanos también tiene un efecto sobre
la calidad sensorial global del producto al cual se le añade. La
elevación de la viscosidad intestinal por alto peso molecular de
β–glucanos es importante para su eficacia fisiológica. La alta viscosidad parece ser crucial para lograr el efecto positivo de β–glucanos en el pico de glucosa en la sangre, lo que significa que
los β–glucanos de alto peso molecular son fisiológicamente más
eficaz que los de bajo peso molecular, ya que se demostró que
las propiedades funcionales de los β–glucanos son determinadas por sus características estructurales y de peso molecular. El
peso molecular de un trisacárido favorece la formación de gel
y su proceso de gelificación es más rápido en comparación con
el peso molecular de un tetrasacárido. Los β–glucanos también
demuestran un comportamiento inusual mediante la formación
de gel más rápido y produciendo geles más fuertes con un menor
peso molecular [29].
Congelar y conservar alimentos puede cambiar las propiedades fisiológicas y químicas de los β–glucanos, especialmente
el alto peso molecular de los β–glucanos ha demostrado ser sensible a procesamiento; ya que puede afectar la solubilidad y disminuir el peso molecular de los β–glucanos [29]. El uso potencial
de β–glucanos como hidrocoloides en la industria de la alimentación se basa principalmente en sus características reológicas,
es decir, su capacidad de gelificación que son determinadas por
sus características estructurales y su peso molecular ya que a
menor peso molecular mayor gelificación, esto debido a las cadenas con peso molecular bajo que tienen mayor movilidad por
lo que se promueven interacciones intermoleculares de la cadena
que conducirá al proceso de gelificación más rápido y formación
de geles más fuertes, por otra parte su capacidad de aumentar la
viscosidad de las soluciones acuosas pueden ser utilizados como
estabilizadores, sustitutos de la grasa en los productos alimenticios de tipo emulsión [30].
15
Efectos de los β–glucanos sobre la salud
En general los β–glucanos son un componente importante de la
fibra alimenticia soluble, con gran influencia en los valores nutricionales y propiedades funcionales de la comida. Los β–glucanos
están relacionados con las propiedades hipocolesterolémicas de la
avena y la cebada, y de los alimentos que contienen estos granos,
a través de la disminución de la absorción intestinal de colesterol
y ácido bílico durante la interacción con los β–glucanos; la acción
en el hígado, que pasa de sintetizar colesterol a producir ácido
bílico; y la fermentación por las bacterias intestinales a ácidos
grasos de cadena corta (agcc) que son absorbidos e inhiben la
síntesis de colesterol hepático [31]. Es importante mencionar que
los β–1,3 glucanos mejoran las defensas del sistema inmunológico
humano contra invasores externos optimizando la habilidad de
macrófagos, neutrófilos y otras células asesinas para responder
y combatir un amplio rango de amenazas tales como bacterias,
virus, hongos y parásitos. Se ha reportad que existe un renovado
interés en la utilidad potencial de los β–glucanos como droga radioprotectora en quimioterapia, terapia de radiación y emergencias nucleares, sobre todo porque los glucanos pueden usarse no
sólo como tratamiento sino también como profiláctico [32].
En el 2005, la fda ha incluido los β–glucanos en la lista de
productos que contribuyen a una disminución del colesterol en
la sangre, estableciendo también el protocolo de etiquetado de
los productos que contienen estos polímeros buscando resaltar
sus efectos positivos sobre la salud humana [33]. Por su parte, la
Agencia Europea de Seguridad Alimentaria (efsa por sus siglas
en ingles) también ha publicado sus propias conclusiones acerca de los efectos beneficiosos de los β–glucanos sobre la salud,
que serían el mantenimiento de unos niveles normales de concentración de colesterol–ldl en la sangre, un incremento de la
sensación de saciedad que conlleva una reducción en la ingesta
de energía, con una reducción de las respuestas glucémicas postprandiales, y con una mejora de la función digestiva [34].
Actualmente se ha realizado estudios sobre extracción y caracterización funcional de β–glucanos de variedades de cebada
16
cultivadas en los estados del centro del país, con las cuales se
propone realizar caracterización molecular y funcional de importancia fisiológica y tecnológica. Así como los cambios moleculares que sufren β–glucanos durante el procesamiento del
alimento y como repercute en su funcionalidad.
Los
productos naturales y su importancia como
fuente de nutracéuticos
Manríquez Torres J.J.
La importancia de los productos naturales como fuente para el
desarrollo de nuevos fármacos está avalada por datos estadísticos, planteándose en la literatura, que se calcula que la probabilidad de que cada uno de ellos posea actividad farmacológica
es treinta veces mayor que la probabilidad de que una sustancia
sintética exhiba ese tipo de actividad. Por otro lado existe una
fuerte tendencia a nivel mundial en lograr una mayor calidad
de vida, por lo que se ha incrementado el consumo de productos
dietéticos, nutracéuticos y farmacéuticos obtenidos a partir de
fuentes naturales, sobre todo en los grandes mercados internacionales (Europa, Estados Unidos, Japón, entre otros).
Los conocimientos tradicionales están estrechamente vinculados a la diversidad biológica de los países en vías de desarrollo,
siendo América Latina y en particular la región de centro américa un buen ejemplo de esto. Existen numerosos conocimientos
indígenas asociados al uso de productos naturales con fines nutricionales y farmacológicos a lo largo de la historia de estas comunidades. Son numerosos los casos que se citan en la literatura
sobre la apropiación y uso de materiales biológicos vinculados
a los conocimientos indígenas de estos pueblos, por firmas de
países desarrollados.
Siempre ha habido un interés público y científico considerable en el uso de los productos naturales para combatir enfermedades humanas tales como el cáncer, la inflamación o la
diabetes. A pesar del progreso tecnológico en la química com17
binatoria, hoy en día las drogas derivadas de productos naturales todavía contribuyen grandemente en el descubrimiento de
fármacos. Los productos naturales con actividad antioxidante
han sido empleados desde tiempos remotos como remedios tradicionales para síntomas relacionados con la inflamación como
fiebre, dolor, migraña y artritis. Actualmente, varias sustancias
naturales que poseen actividad antioxidante son conocidas, exhibiendo un amplio espectro de acciones que interfieren directa o indirectamente con varios mecanismos y mediadores de la
inflamación. Las estructuras de estos compuestos son diversas,
encontrándose terpenoides, flavonoides, polifenoles, alcaloides y
compuestos conteniendo azufre, entre otros [35]. Así mismo los
medicamentos a base de productos naturales aprobados recientemente han sido ampliamente descritos en distintas revisiones,
entre los cuales se incluyen compuestos de plantas (elliptinium,
galantamina y huperzina), microbios (daptomicina) y animales
(exenatida y ziconotida), así como compuestos sintéticos o semi–
sintéticos basados en productos naturales (por ejemplo, tigeciclina, everolimus, telitromicina, micafungina y caspofungina) [36].
Aunque el aporte de los productos naturales en el desarrollo de
fármacos ha sido excepcional, todavía falta mucho por hacer
concerniente a la investigación del uso de plantas superiores
como fuentes de nuevas sustancias con actividad biológica relevante. Se ha estimado que sólo una pequeña fracción de las
más de 250,000 especies de plantas conocidas ha sido explorada
química y farmacológicamente. México cuenta con una flora que
se ha estimado entre 18,000 y 30,000 especies [37], de las cuales
alrededor de 3,500 son empleadas en medicina tradicional [38].
En el estado de Hidalgo se han registrado al menos unas 2,670
especies vegetales [39], de las cuales 460 se emplean como medicinales. De estas 460 plantas hidalguenses al menos 42 han sido
empleadas en medicina tradicional para el tratamiento de síntomas relacionados con la inflamación y el cáncer (Tabla 1). Algunas de estas especies ya han sido exploradas en su composición
química y los resultados de estas investigaciones han justificado,
en la mayoría de los casos, el uso tradicional de las plantas.
18
Tabla 1A
Ejemplos de plantas medicinales del estado de Hidalgo
usadas en el tratamiento de enfermedades crónico degenerativas [39].
Especie
FaFamilia
Acanthaceae
Nombre común
Justicia spicigera Schidl.
Muicle
Thumbergia alata Bojer
Árnica
Alliaceae
Milla biflora Cav.
Estrellita
Anacardiaceae
Spondias mombin L.
Jobo
Spondias purpurea L.
Ciruela
Apocynaceae
Catharanthus roseus (L.) G. Ninfa
Don
Asteraceae
Aphanostephus ramosissimus Manzanilla
DC.
rrona
Artemisia klotzchiana Besser.
Cola de zorra
Bidens odorata Cav.
Rosilla
Calendula officinalis L.
Mercadela
Erigeron pubescens HBK.
Manzanilla
rrona
Heterotheca inuloides Cass.
Árnica
Matricaria chamomilla L.
Manzanilla
Parthenium
(Ort.) Rollins
cima-
cima-
bipinnatifidum Confitillo
Pinaropappus roseus (Less.) Ispul
Less. var. roseus
Senecio confusus Britten
Árnica
Senecio platanifolius Benth.
Hierba del zopilote
Stevia pilosa Lag.
Sopita*
Stevia
Willd.
eupatoria
(Spreng.) Hierba del borrego*
Taraxacum officinale Weber
Diente de león
Burseraceae
Bursera simaruba (L.) Sarg.
Chaca
Cupressaceae
Juniperus deppeana Steud.
Tláxcal
Euphorbiaceae Jatropa dioica Sessé ex Carv. Sangre de drago
var. dioica
19
Geraniaceae
Erodium
L’Herit.
(L.) Alfilerillo
cicutarium
Pata de león
Geranium bellum Rose
Gramineae
Cymbopogon
Stapf.
Lamiaceae
Prunella vulgaris L.
Hierba del cáncer
Leguminosae
Cassia fistula L.
Lluvia de oro
Senna occidentalis L.
Retama
Cuphea aequipetala Cav.
Hierba del cáncer
Cuphea lanceolata Ait.
Hierba del cáncer
Cuphea procumbens Ort.
Hierba del cáncer
Lytrum vulneraria Schrank
Hierba del cáncer
Malvaceae
Malva parvifolia L.
Malva
Onagraceae
Oenothera rosea L’Her. ex Ait.
Hierba del golpe
Rutaceae
Decatropis bicolor (Zucc.) Rad- Aranthó
lk.
Lythraceae
(DC.) Té limón
citratus
Scrophularia- Mimulus glabratus HBK.
ceae
Hierba del cáncer
de agua
Solanaceae
Datura stramonium L.
Toloache
Solanum rostratum Dun.
Duraznillo
Solanum verbascifolium L.
Malabar
Verbena elegans HBK.
Moradita
Verbenaceae
Verbena
Gal.
teucriifolia
Mart.& Moradita
* [40]
Actualmente en nuestro grupo de trabajo se estudian frutos
comestibles abundantes en la región de la Huasteca Hidalguense, como lo son tuna (Opuntia ficus–indica), zarzamora (Rubus
fruticosus) y granada (Punica granatum) en los cuales se realizan pruebas de actividad antioxidante, primero cuantificando los
metabolitos antioxidantes presentes en los jugos (fenoles y ácido
ascórbico), así como la capacidad antioxidante de los mismos
(dpph, abts y porcentaje de quelación), posteriormente realizando extracciones con disolventes en orden de polaridad creciente
(hexano, acetato de etilo y metanol) a los cuáles se medirá la
20
capacidad antioxidante por abts y dpph, los extractos bioactivos
se someterán a separación mediante cromatografía en columna,
cromatografía rápida y cromatografía en capa fina para obtener
fracciones primarias, de las cuales se hará recromatografía, incluyendo hplc cuando sea el caso, para aislar sustancias puras.
Las muestras se analizarán mediante métodos físicos, y espectroscópicos, principalmente por rmn de 1H y 13C, incluyendo
experimentos apt, cosy, hmqc y hmbc. Estos experimentos son
técnicas de rmn en una y en dos dimensiones que permiten observar la naturaleza de los carbonos, el acoplamiento entre protones y entre protones y carbono trece a uno, dos y tres enlaces.
Cuando sea el caso, se llevará a cabo un estudio de modelado
molecular, simulación espectral y análisis conformacional de las
sustancias mediante rmn y cálculos teóricos, para lo cual se empleará software especializado y los programas MestreC, Gaussian y Spartan. Esto complementará el análisis y caracterización
de los compuestos y contribuirá a la predicción de la interacción
con receptores moleculares objetivos. Una vez concluidos estos
estudios, los jugos serán sometidos a prueba de bioaccesibilidad
in vitro, en la fracción dializada se realizará el seguimiento del
compuesto bioactivo mayoritario por hplc.
Lípidos,
su importancia en la industria y en la nu-
trición
Ariza Ortega J.A.
En términos generales, se distinguen dos tipos de lípidos que se
encuentran en la flora y fauna que son de origen terrestre y marino [42].
Para iniciar el proceso de estudio, se tiene que identificar
la fuente potencial de lípidos, una vez establecido el origen y la
naturaleza, el primer paso es extraer la muestra de la materia
prima, en donde la elección de una técnica de extracción está
determinada por la naturaleza de la sustancia, el sustrato sobre
el que se adsorbe y los análisis que se realizarán posteriormente.
21
El costo y el trabajo implicado, también puede ser un factor que
influye en la selección de la técnica de extracción [43].
A la muestra obtenida se analizan sus propiedades físico–químicas (humedad, densidad, índice de refracción, cenizas, índices
de acidez, peróxido, yodo, saponificación, materia insaponificable entre otros). Los métodos físico–químicos permiten clasificar
la identidad, composición (pureza, autenticidad) y calidad (vida
útil) de la grasa o aceite de forma cuantitativa [44].
Para la identificación y cuantificación de los compuestos
químicos con actividad biológica y ácidos grasos simples y compuestos, se utilizan análisis instrumentales por ejemplo, espectroscopias (infrarroja con transformada de Fourier, Raman y
Ultravioleta–Visible), cromatografías (en columna, líquida o gases), resonancia magnética nuclear y microscopía electrónica de
barrido [45]. Dependiendo de la técnica instrumental elegida la
muestra se procesa para su análisis, por ejemplo, si es analizada
por espectroscopia de infrarrojo, la preparación es mínima. Sin
embargo, no es el caso para otras técnicas como la cromatografía
que implican una separación y un paso extra que es la metilación
o derivatización de los triacilglicéridos con una mezcla de disolventes [43].
Una vez identificados y cuantificados a los ácidos grasos
de la fuente lipídica, se analizan para su aplicación en diversos
productos, que depende de la composición de ácidos grasos que
influye en la características y sus usos finales de los productos
oleoquímicos derivados, por ejemplo, los ácidos grasos de cadena media, como ácido láurico (C12:0), derivado principalmente de almendra de palma y los aceites de coco, son excelentes
agentes tenso–activos que se utilizan extensivamente para la producción de jabones y detergentes. Otro ejemplo de ácidos grasos
industrialmente importante derivado de las plantas es ácido erúcico (C22:1 ó w–3), que es un ácido graso de cadena muy larga.
El ácido erúcico se utiliza para producir eruci–amida, que es un
agente de deslizamiento para la producción de polietileno extruido y películas de propileno como es el plástico o bolsas para depositar la basura [46].
22
Los dobles enlaces presentes en los ácidos grasos también
representan excelentes puntos de partida para la modificación de
los lípidos, por ejemplo, los lípidos se pueden tratar con una variedad de productos químicos para convertir los dobles enlaces
de los ácidos grasos en grupos hidroxilo, y se obtienen polialcoholes que se pueden mezclar con compuestos tales como isocianato para formar poliuretanos (que es degradable en el medio
ambiente), el poliuretano derivado del aceite vegetal tienen excelentes características físicas y se pueden realizar varias aplicaciones, como espumas de aislamiento de pulverización, espumas
rígidas, espumas flexibles, piezas de automóviles de interiores,
revestimientos, selladores, adhesivos y elastómeros [47]. Estos
y otros tipos de modificaciones químicas en los aceites pueden
crear compuestos nuevos y novedosos con interesantes propiedades, incluyendo di–ácidos de cadena media y larga, ácidos grasos con grupo hidroxi e insaturados [48].
Por otra parte, los aceites para fines industriales tienen que
pasar por varias etapas de tratamiento con diversos productos
químicos, para originar la estructura química que se requiera y
obtener el producto final, estas reacciones y transformaciones
químicas aumenta el costo y genera un daño ambiental. Sin embargo, existe una amplia variedad de ácidos grasos estructuralmente diversos, que se producen en las semillas oleaginosas de
especies de plantas silvestres [49], y muchos de estos ácidos grasos son poco conocidos, por lo que representan fuentes potenciales para la industria. Entre estos ácidos grasos se encuentran los
mono–insaturados de cadena corta, media o larga, ácidos grasos
con grupos funcionales adicionales, como un grupo epoxi y grupos hidroxi, o ácidos grasos con enlaces conjugados o enlaces
acetilénicos que se encuentran en la naturaleza [50].
Los aceites vegetales pueden ser utilizados cada vez más
como lubricantes, debido a que son relativamente inertes, tienen
un alto índice de viscosidad, alto punto de inflamación y baja
volatilidad [51].
Por otra parte, un éxito reciente respecto al uso industrial de
semillas oleaginosas es la tinta de soya, que se produce a partir
23
de aceite de soya que es una mezcla de pigmentos, resinas y ceras
para hacer tintas de impresión degradables, de tal manera que casi
un tercio de los periódicos de Estados Unidos, cartuchos para impresoras están usando tintas de soya para impresión en color [52].
Con respecto a la nutrición, los ácidos grasos poli–insaturados de cadena muy larga (agpicl) como son docosahexaenoico “C22:6, DHA” y el ácido eicosapentaenoico “C20:5, EPA” por
mencionar algunos [53], le confieren flexibilidad, fluidez, permeabilidad selectiva a las membranas celulares, también puede
ser metabolizados para producir moléculas de lípidos de señalización tales como eicosanoides, que son vitales para el desarrollo del cerebro, son efectivos en la prevención de enfermedades
como el cáncer, cardiovasculares, diabetes y en enfermedades
neurodegenerativas como Parkinson y Alzheimer [54].
Los agpicl se encuentran en muchos alimentos, incluyendo
aplicaciones para fórmulas infantiles, suplementos dietéticos
para adultos, alimentos para animales, aditivos alimentarios, y
se utilizan como precursores para la producción de productos
farmacéuticos [55] (et al., 2005). Sin embargo, ninguno de los
agpicl se producen normalmente en las plantas superiores, algunos se han reportado en musgos [56], pero los principales organismos responsables de la producción de epa y el dha presente
en la dieta humana son las algas marinas [57]. Los ácidos grasos
producidos en estos organismos hacen su camino hasta la cadena alimentaria, que son acumulados en los aceites de pescado,
que es la principal fuente de estos ácidos grasos para la nutrición
humana [58].
Por lo anterior, en los últimos años ha habido un creciente
uso de estos compuestos para la producción de materias primas
alimenticias, cosmetológicas, farmacéuticas y como combustibles. Sin embargo, hay una necesidad de analizar la composición
química de variedades y especies que no son aprovechadas, que
pueden tener un valor nutricional y un uso potencial para la diversificación de productos.
24
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30
INVESTIGACIÓN EN BIOPROCESOS
AGROALIMENTARIOS
Rodríguez–Hernández A. I., Vargas–Torres A.,
Chavarría–Hernández N.
Cuerpo Académico de Biotecnología Agroalimentaria, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Av. Universidad km 1,
Rancho Universitario, Tulancingo, Hidalgo. CP. 43600. Tel. 771
7172000, ext. 2425, correo electrónico: [email protected]
Resumen
El cuerpo académico de Biotecnología Agroalimentaria (caba) de la
Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo (uaeh) lleva a cabo
investigaciones sobre biopolímeros, contemplando caracterización
y aplicaciones alimentarias, y sobre fermentación sumergida para
producir agentes antimicrobianos y bioinsecticidas. Este CA, formado por tres miembros, involucra la participación activa de estudiantes de licenciatura y posgrado que intervienen en el desarrollo
de proyectos de investigación financiada, a través de sus trabajos
de tesis y/o estadías.
Palabras clave: Bioprocesos agroalimentarios, biopolímeros, películas comestibles, bioinsecticidas, bacteriocinas.
Introducción
El cuerpo académico de Biotecnología Agroalimentaria de la
Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo fue fundado en
2002, estableciendo sus actividades académicas y de investigación en el Instituto de Ciencias Agropecuarias (icap) de esta
Universidad, sito en Tulancingo de Bravo, Hidalgo. El caba desarrolla la Línea de Generación y Aplicación Innovadora del Conocimiento (lgaic) denominada Bioprocesos Agroalimentarios,
y con base en los logros y resultados obtenidos, este CA alcanzó
las distinción de Consolidado en 2008, otorgada por el Programa de Mejoramiento del Profesorado (promep) dependiente de
31
la sep, refrendando esta distinción en 2012. Actualmente el CA
está conformado por tres Profesores Investigadores: Dra. Adriana Inés Rodríguez Hernández, Dr. Apolonio Vargas Torres y Dr.
Norberto Chavarría Hernández, quienes cuentan con el Reconocimiento promep al Perfil Deseable, así como forman parte del
Sistema Nacional de Investigadores. El caba en su conjunto, entre otras actividades, realiza proyectos de investigación original
que conlleva la formación de estudiantes de Licenciatura y de
Posgrado, tanto Maestría como Doctorado. Específicamente se
investiga en los siguientes aspectos: a) Biopolímeros: extracción,
caracterización y aplicación; y b) Fermentaciones: aislamiento,
caracterización y producción.
Biopolímeros
En los últimos años el caba se ha centrado en el estudio y caracterización de biopolímeros de origen microbiano (i.e., gelana
[1]), polisacáridos pécticos de tuna (Opuntia albicarpa Scheinvar
[2]) y almidones de chayote (Sechium edule Sw. [3]) y de plátano
[4] (Fig. 1). Después de utilizar distintas tecnologías de extracción —convencionales [2] y non–thermal technologies [5]­—, los
polímeros obtenidos han sido caracterizados en su distribución
de pesos moleculares, grupos funcionales distintivos y propiedades funcionales, principalmente propiedades reológicas, térmicas y como agentes tensoactivos. En cuanto a aplicaciones de
biopolímeros, en los últimos años el caba ha explorado su uso
en mezclas con otros biopolímeros, y otros agentes complementarios, para la elaboración de películas comestibles–biodegradables, con la incorporación de distintas funcionalidades (i.e.,
actividad antimicrobiana, actividad antioxidante), con el propósito de plantear alternativas en cuanto a materiales de empaque
usados en la industria alimentaria [3, 4, 6, 7] (fig. 2 y 3).
(Posición fig. 2A, 2B, 2C).
32
Fig. 2A. Opuntia albicarpa Scheinvar “Reyna” de San Martín de
las Pirámides, Estado de México. a) Aspecto de las plantaciones
en temporada de producción (Julio–Septiembre). Tuna fresca en
estado de madurez para extracción de pectinas: b) fruto entero, y c)
cáscara, fuente de pectina usada por el caba [2]
Fig. 2B. Micrografía de transmisión de electrones de nonopartículas de celulosa utilizadas para formular películas con mezclas de
almidones de chayote y papa [3].
33
Fig. 2C. Aspecto del crecimiento de Listeria monocytogenes en medio Oxford a 35°C, en contacto con películas de caseinato incorporando actividad antimicrobiana (AM) producida por Streptococcus sp. aislado de pozol, bebida tradicional mexicana. Clave: B–SP,
placa sin película; B–CP, película sin AM; T3 y T4, películas con
distintas concentraciones de AM [7].
Fermentaciones
Las investigaciones del caba en aspectos de fermentaciones se
han centrado en la producción de bacteriocinas por bacterias
ácido lácticas aisladas de alimentos fermentados tradicionales
[8, 9], lo cual involucra caracterización genética de especímenes
[7] y sus productos, así como optimación de medios de cultivo y
procesos de producción. Por otra parte, también se trabaja intensamente en el aislamiento y producción de nemátodos entomopatógenos para el biocontrol de plagas agrícolas, con el fin de desarrollar tecnologías alternas para el sector agrícola y contribuir
en la disminución del uso de sustancias químicas perjudiciales
para controlar plagas de importancia económica [10, 11] (fig. 4)
34
Fig. 2D. Aspecto del nemátodo entomopatógeno Steinernema carpocapsae CABA01 creciendo en caldo pasteurizado donde previamente se creció Xenorhabdus nematophilus. A) y B) huevos fertilizados inoculados; C) nematodos J2 entre 18 y 30 h; D) nematodos
J3 a las 42 h; E) estadios J4 a las 66 h. Vista parcial de nematodos
adultos, F) hembras y G) machos a las 100 h [11].
Es importante resaltar el trabajo colaborativo en el que interviene el caba,
lo cual permite lograr una sinergia a través de la interacción con distintos
grupos de investigación de instituciones como la Facultad de Química de la unam, Instituto Tecnológico de Zacapetec, cinvestav,
upfim, cicy, Universidad Nacional de Colombia y Cenicaña, entre
otras, a través de la participación en redes como promep “Biotecnologías Basadas en Biomoléculas Funcionales para el Sector Agroalimentario. Diseño y Caracterización de Películas Alimentarias a
base de Biopolímeros y Antimicrobianos Naturales” y cyted “Implementación de Enemigos Naturales para el Control de Plagas y
Enfermedades en Cultivos Hortícolas de Importancia en Iberoamérica”, donde la participación de estudiantes y empresas es relevante.
35
Perspectivas
En el corto y mediano plazo, el caba debe consolidar su papel
como grupo de impacto internacional, especialmente en lo referente a investigación en biopolímeros vegetales y fermentaciones
para la producción de bacteriocinas y nemátodos bioinsecticidas. Esto debe necesariamente acompañarse de la integración
de más grupos de investigación a las redes de las que el caba
ya forma parte, así como intensificar la participación del sector
privado para lograr el desarrollo y transferencia de procesos de
alta intensidad tecnológica que contribuyan a la generación de
riqueza y desarrollo sustentable de la región.
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Ciencias Agropecuarias, Universidad Autónoma del Estado
de Hidalgo, Tulancingo de Bravo, Hidalgo.
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actividad antimicrobiana de uso potencial en la industria
alimentaria, mediante el cultivo de la bacteria ácido láctica,
Streptococcus infantarius, en medios complejos que
contienen melazas”, in: Instituto de Ciencias Agropecuarias,
Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Tulancingo de
Bravo, Hidalgo.
10.Chavarría-Hernández N.; Maciel-Vergara G.; ChavarríaHernández J.-C.; Castro-Rosas J.; Rodríguez-Pastrana
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nematode, Steinernema carpocapsae CABA01, in submerged
culture. Biocontrol Science and Technology. 24: 723-733.
38
Caracterización y Aprovechamiento
de Recursos Biológicos en el Valle
del Mezquital
Díaz–Batalla L., Hernández–Martínez V., Aguilar–Arteaga,
K., López–Molina A., Conde–Mejía C.
Programa Educativo de Ingeniería Agroindustrial / Cuerpo
Académico de Biotecnología Agroindustrial Sustentable,
Universidad Politécnica de Francisco I. Madero. Francisco I.
Madero, Hidalgo. México 42660, correo electrónico ldiaz@upfim.
edu.mx.
Resumen
El Valle del Mezquital en el Estado de Hidalgo, es una región
semiárida en la que históricamente sus habitantes han aprendido a
utilizar los recursos biológicos de los que dispone. Algunos de estos
recursos son el mezquite, el maguey, el xoconostle y el cempasúchil,
los cuales son utilizados en estrecho arraigo a la cultura regional
como fuente de alimentos y materiales. En el presente documento se
plantean las ideas generales para la generación de valor agregado a
partir de estos recursos biológicos, utilizando al cempasúchil como
fuente de antioxidantes, teñido del ixtle con pigmentos vegetales,
caracterización de la semilla de mezquite para uso alimentario y la
utilización integral de xoconostle.
Palabras clave: antioxidante, carotenoides, ixtle, mezquite, xoconostle
Antioxidantes y compuestos activos
Introducción. Durante el metabolismo energético celular y la
exposición a infecciones microbianas, contaminantes, productos
de combustión, luz uv, pesticidas u ozono, se generan especies
químicas reactivas oxidantes o radicales libres. Las células
han desarrollado mecanismos de adaptación y control de estas
39
sustancias, utilizando una maquinaria antioxidante endógena,
compuesta por una serie de enzimas (superóxido dismutasa,
catalasa, glutatión peroxidasa, coenzima Q) con la capacidad de
amortiguar la presencia de estos agentes oxidantes y reparar el
daño causado por estos. Cuando estos mecanismos antioxidantes
internos fallan, el exceso de estas especies químicas puede dañar
los componentes celulares y generar la condición fisiológica
conocida como “estrés oxidativo”, proceso asociado a la génesis
de enfermedades crónicas como la diabetes, cardiovascular,
cataratas y cáncer [1].
En estas condiciones el consumo de antioxidantes exógenos
de fuentes alimentarias o farmacológicas puede abatir los efectos
adversos. Un antioxidante ideal, debe ser de fácil absorción, debe
abatir la acción oxidante de las especies reactivas en niveles
fisiológicos relevantes en fase acuosa y/o lipídica. Algunos de
los antioxidantes exógenos ampliamente descritos pueden ser
eficientes en las fases celulares acuosas (citoplasma) como la
vitamina C y algunos flavonoides o en fases celulares lipídicas
(membranas) como la vitamina E y los carotenoides. Esta
actividad biológica de compuestos presentes en alimentos,
refuerzan los resultados de estudios epidemiológicos, los cuales
sugieren que una dieta alta en frutas y vegetales, puede reducir
el riesgo de padecer enfermedades cardiovasculares, diabetes
y cáncer. Cuando estos componentes no están presentes en la
dieta de los individuos, es posible incluirlos como suplemento
alimenticio, el cual es una preparación que tiene el objetivo de
proveer compuestos de actividad biológica necesarios para el
metabolismo celular (vitaminas, minerales, fibra, aminoácidos
o antioxidantes). Las preparaciones o suplementos alimentarios
diseñados con este propósito también denominados nutracéuticos,
actualmente son de alta demanda y han generado un mercado
mundial que rebasa los 30 mil millones de dólares [2].
En el presente trabajo se evalúa la capacidad antioxidante y
se describen espectrofotométricamente los extractos etanólicos
de cinco especies vegetales reconocidas como fuentes de
carotenoides, con el propósito de proponer las condiciones de
40
extracción que permitan obtener extractos con alta actividad
antioxidante y alto contenido de carotenoides.
Materiales y métodos. Muestras de cinco especies vegetales:
Bixa Orellana (fuente de bixina y norbixina), Tagetes erecta
(fuente de luteína), Lycopersicon esculentum (fuente de
licopeno), Capsicum sp (fuente de xantófilas) y Daucus carota
(fuente de β–caroteno) se deshidrataron a 45 oC durante 24
h, se molieron, pesaron (1 gramo) y extrajeron con 3 ml de
diferentes porcentajes de etanol (35, 65 y 80%). Los extractos se
colectaron, centrifugaron a 2000 rpm durante 15 min y aforaron
para su análisis espectrofotométrico con la función de barrido
de exploración de 320 a 530 nm. Para cada extracto se estimó la
actividad antioxidante in vitro utilizando el método dpph, basado
en el abatimiento de la absorbancia a 515 nm [3].
Resultados. El comportamiento de los extractos de zanahoria
(Daucus carota) con etanol al 35 y 60%, no evidenció la presencia de carotenoides, solo el extracto con etanol al 80% manifestó
el espectro visible de los carotenoides (Fig. 1a) y ningún extracto
mostró actividad antioxidante (Fig. 2). El comportamiento de los
extractos de jitomate (Lycopersicon esculentum) con etanol al 35
y 60%, no evidenció la presencia de carotenoides, solo el extracto
con etanol al 80% manifestó el espectro visible de los carotenoides
(Fig. 1b) y ningún extracto mostró actividad antioxidante (Fig. 2).
Fig. 1 Espectro de absorción de los extractos analizados.
41
El comportamiento de los extractos de chile (Capsicum sp)
con etanol al 35 y 60%, no evidenció la presencia de carotenoides, solo el extracto con etanol al 80% manifestó el espectro visible de los carotenoides (fig. 1c). Los extractos etanólicos de 35
y 60% mostraron una actividad antioxidante importante, que se
relacionó con el espectro visible de los flavonoides, mientras que
el extracto del 80% no mostró actividad antioxidante (fig. 2). El
comportamiento de los extractos de achiote (Bixa orellana) con
etanol al 35, 60 y 80%, evidenciaron la presencia de carotenoides (fig. 1d), pero ninguno de los tres extractos mostró actividad
antioxidante (fig. 2). El comportamiento de los extractos de cempasúchil (Tagetes erecta) con etanol al 35 y 60%, no evidenció la
presencia de carotenoides, pero sí evidenció la presencia de flavonoides, solo el extracto con etanol al 80% manifestó el espectro
visible de los carotenoides junto al de flavonoides (fig. 1e) y los
tres extractos mostraron una actividad antioxidante importante
con un abatimiento superior al 90% del radical dpph (fig. 2). El
comportamiento de los extractos de la mezcla de las cinco especies vegetales con etanol al 35 y 60%, mostraron la presencia de
bajas cantidades de carotenos y de importantes cantidades de
flavonoides, mientras que el extracto con etanol al 80% mostró la
presencia de carotenoides, pero no de flavonoides. La actividad
antioxidante de los extractos de etanol al 35 y 60% mostró un
abatimiento del radical dpph superior al 60% y el extracto con
etanol al 80% solo abatió la concentración del radical DPPH en
un 10%.
Fig. 2 Actividad antioxidante de los extractos analizados
42
Los extractos con etanol a 80%, permiten obtener altas
concentraciones de carotenoides, pero que generalmente no
presentan actividad antioxidante evaluada con el método
dpph, los extractos de cempasúchil y de chile muestran un
comportamiento que evidencia la presencia de flavonoides y que
se asocia a una importante actividad antioxidante. Dado que el
método dpph es eficiente para evidenciar actividad antioxidante
de especies hidrosolubles, como los flavonoides del cempasúchil
y el chile, el extracto de las cinco especies vegetales que evidenció
la presencia de carotenoides y actividad antioxidante, plantea
una mezcla de antioxidantes eficientes en fase acuosa y lipídica
utilizable en el desarrollo de nutracéuticos.
Teñido de ixtle
Introducción. Los primeros habitantes del territorio mexicano,
llegaron hace más de 35 mil años y se adaptaron a los recursos
naturales propios de la región. Algunas especies vegetales del grupo de las agaváceas fueron determinantes como fuente de bienes
y servicios, en las agaváceas como el maguey, encontraron una
fuente natural para satisfacer sus necesidades de alimento, bebida, medicina, vestido y material de construcción. Fue una planta
tan importante para las civilizaciones precolombinas que se le
asoció con deidades [4]. El dominio de la elaboración de textiles
para vestido y otros utensilios, fue específico de cada cultura, fue
sinónimo de su desarrollo socioeconómico, además de representar la complejidad de la relación entre el hombre y la naturaleza.
El ixtle como fibra obtenida del maguey y otras agaváceas, fig. 3
entre los primeros materiales utilizados por aquellos pobladores
en la elaboración de objetos para un sinnúmero de usos entre las
que se encuentra el vestido [4].
En el estado de Hidalgo, la zona de recolección de agaves,
maguey o lechuguilla para la extracción de Ixtle, está profundamente ligada a la etnia hñahñú y a la zona alta del Valle del Mezquital, lugar inhóspito semiárido, donde el ixtle ha servido de
manera tradicional para fabricar ropa y enseres domésticos para
los sectores étnicos más desprotegidos y es una parte fundamen43
tal para el complemento de la economía familiar en la región. La
fibra de agave lechuguilla es resistente en extremo, en un tiempo
fue desplazada por fibras sintéticas, aunque en la actualidad ha
repuntado su venta por ser apreciada por su naturaleza resistente y suave. Actualmente el ixtle es utilizado como sustituto de las
fibras sintéticas, utilizándose de manera industrial y artesanal,
como materia prima para la elaboración de brochas, cepillos de
todo tipo, cordelería, tapetes, carpetas, estropajos, morrales, cestos, bolsas, ayates, bisutería y prendas de vestir [5].
En Hidalgo no existe ninguna empresa que comercialice o
adquiera el ixtle para beneficiarlo y darle un valor agregado, solo
algunos grupos de artesanos o artesanos independientes lo utilizan para generar productos de mayor valor. Estas iniciativas
comúnmente carecen de tecnología y en un intento por innovar
utilizan productos químicos que reducen la calidad del material,
lo que sugiere la necesidad de asistencia técnica que acompañe
a estos productores en el desarrollo de productos de alto valor
agregado en favor de los habitantes de la región.
Materiales y métodos. La fibra de agave o ixtle crudo o en
greña, fue proporcionada por los productores de la región, las
semillas de Bixia orellana (axiote), flores de Tagetes erecta (cempasúchil) y hojas de Cynodon dactylon (césped) fueron deshidratadas en estufa a 60 oC durante 6 h, posteriormente se molieron
y extrajeron con etanol a 80% con ayuda de un molido de ciclón.
Los extractos así obtenidos, fueron utilizados para teñir la fibra
de agave por inmersión a 60 oC durante 2 h, posteriormente la
fibra se lavó con jabón a pH 9 para el pasto, a pH 5 para el cempasúchil y pH 9 para el axiote, se enjuagó con agua corriente y se
secó a la intemperie. El color del teñido de las fibras de agave se
caracterizó utilizando las tablas de Munsell.
Resultados y discusión. La utilización del extracto de axiote,
permitió obtener un tono naranja–amarillo–rojizo 7/8 según
la tabla de Munsell. El extracto de césped permitió obtener un
tono verde–pálido 7/5G según la tabla de Munsell. El extracto
de cempasúchil, permitió obtener un tono amarillo 8/6 según la
tabla de Munsell (fig. 3).
44
Fig. 3. Resultados del teñido del Ixtle.
Semilla de mezquite (prosopis laevigata)
Introducción. Las especies del género Prosopis son árboles que
presentan gran resistencia a la sequía y a la salinidad, y tienen
alta capacidad de fijar nitrógeno, características que les han
colocado como recursos valiosos para los habitantes de zonas
áridas actuales y precolombinas, quienes le han utilizado como
alimento, material de construcción y forraje [6]. Prosopis laevigata se distribuye en las zonas áridas y semiáridas del continente
americano desde el sur de los Estados Unidos y hasta el centro
de México, incluyendo al Valle del Mezquital. Su fruto es una
vaina de 12–17 cm de longitud de color amarillo, que puede contener hasta 25 semillas elípticas de 5,5–6,5 mm longitud, las cuales actualmente son aprovechadas de forma limitada [7]. En el
presente trabajo se analiza la composición proximal de semillas
de Prosopis laevigata producidas y colectadas en el Valle del Mezquital y sus respectivos germinados, con el propósito de generar información que facilite y amplíe sus opciones de utilización
agroindustrial.
Materiales y métodos. Las vainas de mezquite fueron colectadas y las semillas se extrajeron manualmente para formar dos
secciones, una sección se molió hasta pasar a través de una malla
45
No. 45 y se utilizó para el análisis proximal, la otra sección se
germinó a 27 oC en la oscuridad durante 72 horas. El análisis
proximal; humedad, proteína (%N kjeldahl x 6.25), extracto etéreo, fibra cruda y cenizas, se realizó por triplicado utilizando las
técnicas analíticas de la aoac [8].
Resultados. En las vainas colectadas, la semilla de mezquite
representa el 13.65% del peso total de la vaina, el peso de 100 semillas fue de 5.44 g y la testa representó 43% del peso total de la
semilla. Los resultados del análisis proximal de semilla y germinado (ambos sin testa) de mezquite; en la semilla el componente
principal fue la proteína con 55.8%, seguido de la humedad con
8.23%, el extracto etéreo con 7.7%, la fibra con 5.26% y la ceniza
con 4.8%. En el germinado el componente principal fue la humedad con 77.4%, seguido de la proteína con 8.3%, la fibra con
1.2%, el extracto etéreo con 0.93% y la ceniza con 0.79%.
En las muestras analizadas destaca el contenido de proteína. Previos estudios han mostrado niveles de proteína de hasta
40% en el género Prosopis, lo que muestra su alta capacidad de
fijar nitrógeno y de acumular proteína de reserva en la semilla
en comparación con otras leguminosas. También se ha mostrado, que como otras leguminosas, la semilla de Prosopis también
contiene factores antinutrimentales como el acido fítico, inhibidores de tripsina y lectinas, sustancias que han mostrado tener
actividad positivas y negativas en la salud humana y algunos de
estos compuestos pueden ser eliminados durante el proceso de
germinación [9]. Es importante continuar con la caracterización
de esta leguminosa como recurso biológico valioso, en busca de
compuestos activos de alto valor y de información que permita
su adecuado aprovechamiento en beneficio de las comunidades
que habitan las regiones áridas y semiáridas, de las cuales el género Prosopis es endémico.
Aprovechamiento del xoconostle
El interés del ser humano por los nopales data de miles de años.
Su origen e historia están íntimamente relacionados con las antiguas civilizaciones mesoamericanas, en particular con la cultura
46
azteca. Existen evidencias arqueológicas que permiten afirmar
que fueron las poblaciones indígenas asentadas en las zonas semiáridas de Mesoamérica las que iniciaron su cultivo de modo
formal. Es muy probable que ya en los muestrarios de plantas
y animales llevados a España por Cristóbal Colón se incluyeran
nopales y otras cactáceas como muestra de la exótica flora del
nuevo mundo. Los nopales están ligados de modo particular a la
historia de México y Mesoamérica, su centro de origen genético;
por ejemplo, en el escudo de México un águila posada sobre un
nopal, un símbolo que ha llegado hasta nuestros días del jeroglífico de la “Gran Tenochtitlán” y significa “sitio del nopal que
crece sobre la piedra” [10].
Se conocen casi trescientas especies del genero Opuntia. Sin
embargo, hay solo 12 especies utilizadas por el hombre, ya sea
para producción de fruta y nopalitos para alimentación humana,
forraje o cochinilla para obtención de colorante. Entre ellas se
encuentran, como especies cultivadas para producción de fruta:
Opuntia ficus–indica, O. amyclaea, O. xoconostle, O. megacantha
y O. streptacantha. Los frutos del género opuntia son “no climatéricos” (no maduran una vez cosechados), por lo que es importante cosecharlos en el punto de madurez óptima de consumo,
donde está mejor expresado su potencial [10].
Los xoconostles son para México uno de los recursos de mayor relevancia en los ecosistemas de zonas áridas y semiáridas,
presentes en casi 50% de su territorio. Históricamente han sido
de gran importancia cultural, medicinal y económica, utilizados
desde épocas prehispánicas, pero es reciente el interés en estudiarlas, dado que taxonómicamente nunca se hizo esta diferenciación. Se han reportado más de 20 usos para los xoconostles,
entre los que sobresalen alimento y derivados industriales. Actualmente, la producción de tunas y xoconostles en nuestro país
se encuentra ampliamente distribuida en una gran variedad de
zonas, con condiciones edafológicas y climáticas diversas.
Los cladodios juveniles son utilizados como verdura en la
alimentación humana y como remedio para muchas afecciones.
Las plantas son utilizadas en prácticas agroforestales, asociadas
47
con cultivos de especies agrícolas y/o forrajeras, también como
cercos vivos espinosos, barreras vivas para la retención de suelos, protección de taludes contra la erosión y en general, como
parte de prácticas de protección de suelos. Las flores son utilizadas en guisos especiales, así como sopas aguadas. Los frutos poseen gran valor nutritivo y medicinal, superior al de otras frutas
en varios de sus componentes. Hoy en día se considera al pueblo
otomí (parte de ellos ubicados geográficamente en el valle del
Mezquital en el Estado de Hidalgo) como el portador y guardián
del conocimiento culinario y medicinal de este fruto.
Existen diferencias entre especies en las características de
los frutos, el del xoconostle no se desprende de los cladodios
cuando maduran, persistiendo en condiciones de cultivo durante
uno y hasta tres años, a diferencia de las especies productoras de
tunas dulces que solo persisten 3 a 4 meses sobre ellos; la pared
exterior del fruto es delgada como de una pera, las paredes interiores son gruesas y ácidas, además las semillas están dispuestas
en el centro del fruto, el cual no acumula azúcares y en el campo
son fácilmente detectados por no ser consumidos por pájaros. El
porcentaje de pulpa es mayor en O. xoconostle que en O. ficus–
indica; pero sin duda, donde existe una diferencia notable es en
el contenido de sólidos solubles, que es mucho menor (cerca de 5
por ciento) y en la acidez, que es muy superior, al igual que en el
contenido de acido ascórbico (76,8 mg/100 g). Estas características hacen que el destino industrial difiera entre las especies; es
así como el O. xoconostle es considerada en México como una especia o condimento. Los procesos de transformación serán más
benignos cuando se aplican a O. xoconostle, cuyo pH es menor
a 3,5, que a O. ficus–indica, con pH cercano a 6,0 o superior; el
bajo pH de O. xoconostle es un factor protector, que impide el
crecimiento de microorganismos perjudiciales, lo que constituye
una ventaja respecto a la inocuidad de los productos [10].
Las semillas y la cáscara del fruto del xoconostle han sido
descritas como materiales de interés agroindustrial, la cáscara
por sus altos contenidos de fibra puede ser utilizada en la fortificación de alimentos y por su parte la semilla por su alto conteni48
do de lípidos y energía puede ser utilizado en la industria de las
oleaginosas y de alimentos para animales [11].
En el centro del país el xoconostle más usado para la elaboración de algunos productos y alimentos es el fruto de Opuntia
matudae (cuaresmeño), el cual se puede encontrar prácticamente todo el año en centros comerciales. Una característica especial
de esta especie es que su cladodio (raqueta) es de color verde–
azuloso algo grisáceo, generalmente con manchas purpúreas alrededor de las aréolas. El fruto va de forma elipsoide a piriforme,
de 2.5–4.0 cm largo y 1.5–2.5 cm de ancho, externamente verde–purpúreo y pulpa rosa–rojiza; aréolas sin espinas, con lana
grisácea y glóquidas castaño–rojizas. El xoconostle se conserva
por varios meses en la planta sin sufrir deterioro, e incluso se
conserva por varias semanas en lugares frescos y secos, sin perder sus propiedades de sabor, color y humedad. A pesar de estas
cualidades, su utilización y producción está restringida a determinadas regiones geográficas.
El xoconostle se desarrolla principalmente en zonas áridas y
semiáridas, y demanda cantidades muy bajas de agua. Esta planta juega un papel social relevante dado que la comercialización
del fruto fresco e industrializado es el medio de subsistencia de
un sector importante de la población en las zonas donde crece.
En el pasado los frutos de xoconostle en las zonas áridas y semiáridas eran parte de la dieta tradicional de la población por sus
propiedades nutrimentales. Desafortunadamente su consumo
disminuyó y fue sustituido por otros productos de alto contenido
calórico.
Conceptualización del proceso
El fruto del xoconostle es acopiado de los productores regionales,
es llevado al área de procesamiento en donde es transformado
en mermelada, licor, salsa, deshidratados y almíbar, además la
semilla y la cáscara son separadas y utilizadas para la elaboración
de otros productos agroindustriales (fig. 4).
49
Fig. 4. Productos de la transformación del fruto de xoconostle.
50
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de Hidalgo, México. Bioagro. 18(3): 163-169.
51
Producción y transformación de Cambarellus
montezumae y Tenebrio molitor para su uso
como ingredientes alternos en alimentos
Cerón–Ortiz A.N.,* Ángeles–Monroy M.A., Montufar–Serrano E., Limón–Mendoza M.A.
*Ingeniería
en Industrias Alimentarias/ Transformación de materias primas en la producción de alimentos de alto valor agregado
y seguridad alimentaria. Instituto Tecnológico Superior del Occidente del Estado de Hidalgo. Paseo del Agrarismo 2000. Carr.
Mixquiahuala–Tula, Km. 2.5., Mixquiahuala de J., Hgo., México.
CP 42700. Tel.: (738) 7 35 40 00, ext. 116 www.itsoeh.edu.mx,
correo electrónico: [email protected]
Resumen
El uso y transformación de materias primas de origen animal durante la formulación de alimentos es una práctica constante en la
industria alimentaria, lo cual es relevante desde el punto de vista
nutrimental, ya que cada uno de los ingredientes utilizados proveerá un porcentaje específico de biomoléculas de importancia metabólica para los seres vivos que lo consumirán. Por ello, la búsqueda
de nuevas alternativas de materias primas a través del método científico que sustente un posible incremento en el valor nutrimental es
parte también de esta industria. Por lo cual, el propósito del presente estudio es el difundir los resultados obtenidos hasta el momento
por parte del cuerpo académico sobre la generación de productos
de consumo humano y animal a partir de diversas materias primas
que forma parte de la biodiversidad tanto de la República Mexicana (Cambarellus montezumae) como de especies introducidas de
Europa desde épocas de antaño (Tenebrio molitor). La metodología aplicada es sistémica y enfocada en la producción, selección y
transformación de las dos especie considerando las buenas prácticas de manufactura y las normas correspondientes. Los valores
obtenidos indican una influencia significativa del tipo de sustrato
utilizado como alimento en cultivos masivos de T. molitor siendo
52
la harina de trigo junto con el pan molido el tratamiento que generó
los mejores crecimientos y un contenido mayor de proteínas en su
tejido; además de reducir los tiempos en los cuales se alcanzan las
distintas fases de su desarrollo. Resultados similares se obtuvieron
en la producción y transformación de C. montezumae, donde se
registraron diferencias en las características físicas de los derivados
en polvo relacionadas directamente con el tipo de método de secado
utilizado. Lo cual permite sustentar las bases que indican que estas
dos especies de organismos se pueden considerar como posibles
materias primas en la industria alimentaria.
Palabras clave: Alimentos, Animales, Procesos, Valor nutrimental
y Vegetales.
Introducción
La industria alimentaria se encarga de la generación, transformación, preparación, conservación y envasado de los alimentos;
donde las materias primas que se utilizan son productos de origen vegetal y animal, buscando con ello enriquecer la calidad
nutrimental de los productos. Por ello, actualmente la industria
alimentaria busca a través de la generación de nuevos productos
alimentarios el experimentar con nuevas materias primas y su
interacción con las utilizadas tradicionalmente [1]. Al respecto
se han probado materias primas derivadas de animales como
las lombrices y los insectos comestibles (grillos, chapulines, etc.)
que aportan un incremento en el valor nutrimental del producto
mediante el aprovechamiento del contenido de proteínas y minerales, [2–4]. Debido a los resultados obtenidos con otros insectos,
el cuerpo académico inició el uso del T. molitor en la elaboración
de productos de confitería obteniendo resultados positivos en el
incremento del valor nutrimental de los mismos [5]. Aunado a
lo anterior el uso de organismos acuáticos como los crustáceos
también han sido utilizados para incrementar el valor nutrimental en productos de consumo humano y animal con resultados
favorables [6]. Por ejemplo, el crustáceo C. montezumae es un organismos de agua dulce que contiene en su tejido un porcentaje
53
de proteínas entre el 40 y 60%, lo que puede ser aprovechado al
utilizarlo como materia prima a utilizar por la industria alimentaria [7]. Ante los beneficios que implica a nivel nutrimental y en
los costos de producción el uso de materia prima innovadora o
de poca aplicación en la elaboración de alimentos, el objetivo de
trabajo del cuerpo académico es el de aplicar materia prima animal derivada del crustáceo Cambarellus montezumae y el insecto
Tenebrio molitor como ingredientes alternos en el enriquecimiento del valor nutrimental de productos alimentarios mediante técnicas sistemáticas que implica la producción, transformación y
uso como ingrediente de las mismas; además de evaluar su factibilidad económica y nutrimental. Al respecto, en el presente manuscrito se expondrán resultados relacionadas a la producción
y transformación de estas dos materias primas como primeras
fases del trabajo del cuerpo colegiado.
Método
El proceso experimental en cada una de los trabajos del cuerpo
académico parte de un diseño completamente al azar del tipo
unifactorial. A los resultados obtenidos en cada uno de ellos se
les aplicó las pruebas de normalidad distributiva (Wilk–Shapiro) y homocedasticidad de Bartlett para establecer si podían ser
utilizados en pruebas paramétricas o bien si se aplicaban solamente pruebas descriptivas. Los datos que cumplían los supuestos antes mencionados se trabajaban un análisis paramétrico de
varianza (Anova) con un α=0.05 para el nivel de confianza. Al
registrar diferencias significativas se aplicó una Test HSD (Honestly–significant–difference). El paquete estadístico utilizado en
todas las fases es Statistica 07.
Materia prima gusano de la harina t. molitor
La primera fase del estudio consiste en el desarrollo del cultivo
a nivel masivo del insecto en sus diferentes etapas de vida para
poder identificar la factibilidad de su producción. La variable independiente en el proceso es el tipo de sustrato utilizado y las
dependientes el tiempo en el cual tardan en alcanzar tres de sus
54
fases de desarrollo (larva, pupa y adulto) y su contenido de biomoléculas (proteínas, carbohidratos y lípidos). Los cultivos se
realizaron en recipientes de plástico (unidades experimentales)
con dimensiones de 60 cm x 50 cm x 30 cm, utilizando únicamente una altura de sustrato de 10 cm. Los sustratos que se evaluaron es la mezcla de cereales a través de 3 tratamientos en proporciones de 1:1 que se identifican como F1: avena y harina de trigo;
F2: pan molido y harina de trigo; F3: harina de trigo (tratamiento
blanco). Una vez instaladas las unidades experimentales con los
sustratos correspondientes por triplicado, se colocaron 50 organismos en la etapa de larva con tallas de 1 cm de longitud en cada
una de ellas (la distribución de las mismas fue completamente al
azar). Diariamente se monitorearon los cultivos para determinar
los cambios físicos en las larvas y adicionar agua a través de una
hoja de papel mojado; cada semana se realizaban biometrías en
los organismos para obtener la longitud y grosor de los mismos
mediante una cinta métrica. Cuando los organismos alcanzaron
los 3 cm de longitud el 30% de los organismos de cada unidad
experimental se liofilizaron y guardaron al vacío para posteriormente mandar a analizar su contenido bromatológico. El mismo
proceso se realizó con los estadios de pupa y adultos, aunque en
ellos no se realizaron las mediciones de longitud y ancho, solamente se observaron los cambios en el color y forma.
Materia prima acocil de río C. montezumae
El presente apartado describe la metodología empleada en las
pruebas piloto realizadas con C. montezumae, que consistieron en
realizar la producción, captura y selección de individuos. Además
de realizar pruebas preliminares sobre la transformación del acocil desde su estado fresco al de un derivado en polvo mediante
la evaluación del efecto del tipo de secado como variable independiente (A1: estufa, A2: liofilización y A3: secado al sol, siendo
este último el tratamiento blanco) en las características físicas
del mismo (variable dependiente). Los cultivos semi–intensivos
se realizaron en las piletas de concreto ubicadas en la unidad de
producción del Centro de Estudios Tecnológicos en Aguas Conti55
nentales N0. 02 (cetac 02) bajo un sistema de producción a cielo
abierto y monitoreo constante de las condiciones de temperatura,
oxígeno y amonio. La alimentación proporcionada consistió en
alimento vivo e inerte a una tasa de alimentación del 20% del peso
seco de los organismos a una ración diaria. Los animales se sembraron en las piletas con una talla de 1.5 ± 0.3 cm de longitud para
iniciar el proceso de engorda; cuando alcanzaron los 3.5 cm o un
peso húmedo de 1 g se seleccionaron los organismos que no se
encontraban mudando el exoesqueleto, su coloración debía de ser
café obscuro y no debían presentaran daños mecánicos o indicios
de enfermedad. Posteriormente se transportaron al laboratorio de
análisis de alimentos de cárnicos del Instituto Tecnológico Superior del Occidente del Estado de hidalgo (itsoeh) de acuerdo a
las especificaciones de la norma oficial mexicana nom–027–ssa1–
1993, bienes y servicios, productos de la pesca, pescados frescos–
refrigerados y congelados; especificaciones sanitarias a través de
hieleras plásticas de 5 kg de capacidad [8]. En el laboratorio se verificó que los organismos mostraran los atributos físicos que marca la norma nmx–ff–042–2001, productos de la pesca – crustáceos comestibles frescos refrigerados – especificaciones, en
la cual se indica los grados de calidad del producto [9].
Los organismos se sacrificaron mediante la inserción de agujas
en el cefalotórax y se lavaron con agua corriente, el exceso de agua
se retiró con papel secante y de manera aleatoria se dividieron en
tres partes iguales para aplicarles los tres tratamientos a evaluar
(A1, A2 y A3). En todos los tratamientos se obtuvo el peso húmedo
(PHum), Peso Seco Total (PST) y el Peso Seco Orgánico (PSO)
con el objetivo de definir la cantidad de individuos necesarios para
la obtención de un gramo de derivado en polvo. En el secado al
sol y estufa para la obtención del PST y PSO se aplicó el método
gravimétrico de peso constante [10]. La técnica de secado al sol
es considerado el tratamiento blanco y se utilizará un secador de
radiación solar indirecta. En los tres tratamientos se observó el
tiempo en el cual los organismos registraron una textura frágil y
quebradiza que permitió la molienda y tamizado de los mismos
hasta obtener un polvo fino. Al final se realizó la caracterización
56
física de los derivados (color bajo la escala pantone, el tamaño de
partícula y el olor) y una muestra se guardó envasado al vacío y
en un ambiente seco y sin luz para la posterior aplicación de las
técnicas de cuantificación bromatológica (aún no realizada).
Análisis bromatológicos
Los análisis bromatológicos aplicados a las muestras de T. molitor se realizados por el laboratorio certificado RB localizado en
la ciudad de Tepeji del Río Ocampo bajo las normas correspondientes [11–15]. En cuanto a las muestras derivadas del estudio
con C. montezumae que aún no se realiza, se tiene propuesto utilizar técnicas colorimétricas [16–20].
Participantes
Los participantes en los estudios antes referidos son miembros
del cuerpo académico, quienes tienen funciones específicas de
acuerdo a su perfil profesional y a la experiencia que tienen en
cada una de las temáticas que se consideran en los proyectos.
Dra. Ana Nallely Cerón Ortiz, Biol. Miguel Ángel Ángeles Monroy, Maestra Estela Montufar Serrano, Ing. Marco Antonio Limón Mendoza. Aunado a este grupo de trabajo se unen alumnos
de la carrera de Ingeniería en Industrias Alimentarias (itsoeh)
y de la carrera de Técnico Profesional en Aguas Continentales
(cetac No. 02), a través de su participación como servicio social,
actividades complementarias y tesis profesional.
Resultados
Materia prima gusano de la harina T. molitor
Los resultados referentes al crecimiento (longitud y ancho) de las
larvas y al tiempo que tardaron en alcanzar las diferentes etapas de
desarrollo de T. molitor registraron diferencias significativas entre
tratamientos (P < 0.05). En donde el sustrato que proporcionó las
mejores mediciones anatómicas en larvas (Ver. fig. 1) y el menor
tiempo entre estadios es F2. Los valores alcanzados en este tratamiento respecto a la longitud final de la larvas es de 3.7 ± 0.3 cm y
de 0.5 ± 0.01 cm de ancho; seguido del tratamiento F1 (3.1 ± 0.02
57
cm de longitud y 0.4 ± 0.08 cm de ancho) y por último el F3 (2.7
± 0.4 cm y 0.4 ± 0.05 respectivamente). En cuanto a los tiempos
registrados en los procesos de cambio entre los estadios de larva y
adulto se observó que con F2 solamente se necesitaron 12 semanas
en alcanzar las tallas referidas anteriormente en larva, nueve días
posteriores la de pupa y siete más para la etapa de adulto (Tabla 1).
Tabla 1. Tiempo promedio y desviación estándar (entre paréntesis) expresado en días que tardaron en presentarse los
cambios morfológicos entre estadios de T. molitor
Estadio
F1
F2
Larva
90b
84a
Pupa
Adulto
F3
(± 4)
112c (± 3.2)
100b (± 1.5)
93a (± 1)
132c (± 2.6)
110b (± 3)
100a (± 1.7)
147c (± 4.9)
(± 2)
Letras diferentes en la misma línea indican diferencias significativas (P <
0.05), donde a>b>c.
Así mismo, se identificaron diferencias significativas en el
contenido de biomoléculas entre los tratamientos y los estadios
de desarrollo (P < 0.05) (Tabla 2).
Tabla 2. Porcentaje promedio y desviación estándar (±) entre
paréntesis del contenido de biomoléculas entre estadios de
T. molitor en porción de 100 g con base a su peso húmedo.
Proteínas
Larva
Pupa
Adulto
Carbohidratos
Lípidos
F1
F2
F3
F1
F2
F3
F1
F2
F3
41b
47a
35c
30b
24c
37a
3b
4a
2c
(4)
(1.8)
(1.6)
(2.1)
(0.3)
(0.9)
(0.1)
52b
60a
45c
33b
1.3b
1.9a
1.0c
(1)
(2)
(1.3)
(1.1)
(0.3)
(0.02)
47b
51a
40c
30b
0.12a
0.02c
(3.5)
(1.7)
(2.2) (1.3)
(1.6) (3.2)
26c
38a
(2.2) (3.6) (0.06)
29c
35a
0.08b
(1.2) (2.3) (0.01) (0.02) (0.01)
Letras diferentes en la misma línea y referente a la biomolécula señalada en
el encabezado indican diferencias significativas (P < 0.05), donde a>b>c.
58
Materia prima acocil de río C. montezumae
El desarrollo del cultivo de C. montezumae bajo la metodología
antes descrita permitió obtener cada cinco semanas la materia
prima necesaria para la realización del proceso de transformación a un derivado en polvo mediante los tratamientos evaluados. La humedad registrada durante el proceso de secado indicó
que este organismo tiene entre el 60 y 70% de agua en su cuerpo
incluido el exoesqueleto. Por lo cual, el rendimiento de materia
seca por gramo de peso húmedo es el equivalente al intervalo entre el 30 y 40% independientemente del tratamiento utilizado (P
> 0.05). Así mismo, se verificó que los atributos establecidos para
el proceso de selección de la materia prima permitieron obtener
un derivado en polvo en el cual se constató que las diferencias en
las características físicas del producto final estaban dadas por la
metodología de cada tratamiento. Los valores respecto a la escala de colores pantone refirieron que es el tratamiento de secado
al sol el cual registró la menor coloración y el liofilizado la mayor
(Tabla 3). En relación al olor que se percibe en los derivados en
polvo se identificó el aroma característico al del camarón seco.
El tamaño de partícula de los derivados no registró diferencias
entre tratamientos, el cual se obtuvo en un tamaño inferior a las
500 micras.
Tabla 3. Escala de color obtenida en los derivados en polvo
de C. montezumae al aplicar tres tratamientos. A1: estufa,
A2: liofilización y A3: secado al sol
Tratamiento
A1
Escala de color
Pantone 137C
A2
Pantone 144C
A3
Pantone 136C
59
Discusiones
Los insectos constituyen una fuente de proteína de alto nivel
nutrimental por su contenido de aminoácidos esenciales tanto
en ecosistemas acuáticos como terrestres [20]. Los cuales han
sido consumidos alrededor del mundo por poblaciones ancestrales, aún sin que se hubiera comprobado la calidad proteica
y su contenido de ácidos grasos poliinsaturados (ácido oleico y
linoléico) (21, 22). Permitiendo con ello que la industria alimentaria considere su producción, transformación y aplicación en
alimentos de consumo humano y animal [2]. Al respecto estudios
realizados con T. molitor han permitido visualizar su potencial
como fuente de proteínas para incrementar el valor nutrimental en productos de confitería y en alimentos destinados para el
cultivo de especies acuícolas. Los valores que refieren esos estudios indican que los valores nutrimentales en el contenido de
proteínas se encuentran alrededor del 50% del contenido total de
su composición bioquímica y de 0.1 a 3% de lípidos [5, 23]. Resultados similares a los del presente estudio, cuyo valor más alto
en contenido proteico es el determinado en el estadio de pupa
(60%). Además, también se reafirma que efectivamente el tipo
de sustrato tiene una influencia en el contenido de biomoléculas en el tejido de T. molitor. Aunado a lo anterior, se establece
que mientras el organismo tenga a su disposición los nutrientes
necesarios para crecer y su cultivo se mantenga en condiciones
controladas, se puede reducir el tiempo que tarda en alcanzar las
diferentes fases de desarrollo independientemente del volumen
de cultivo utilizado. Lo anterior, establece un alto potencial de
producción de este organismo para su uso como materia prima
con alto valor nutrimental.
Sin embargo, no solamente los insectos como T. molitor son
organismos con potencial uso en la industria alimentaria; también los crustáceos ya han sido aprovechados tanto en su estado
fresco o procesado en la dieta de los seres humanos. Al respecto
los camarones del género Penaeus se identifican principalmente
como el máximo exponente de este rubro de productos [6]. Así
mismo, la producción, transformación y aplicación de crustá60
ceos nativos de diferentes zonas del mundo, es un parteaguas
que puede ser aplicado para la generación de ingredientes alternos que beneficien el valor nutrimental de los alimentos [7].
Un ejemplo es el crustáceos nativo de la Región Central de México denominado C. montezumae, el cual tiene un alto potencial
acuícola y cuyo valor nutrimental refiere contenidos de proteína
superiores al 40% de su base seca y la presencia de ácidos grasos
poliinstaurados. Aspectos nutrimentales que lo proyectan en la
industria alimentaria como un ingrediente alterno en la formulación de alimentos de alto valor agregado [24].
A la fecha el cuerpo de trabajo se ha enfocado al estudio de
la producción y transformación de C. montezumae, registrando
valores y datos precisos que indican que su inserción en alimentos para otras especies acuáticas e incluso en productos de panificación son posible alternativas de éxito para su uso. Ya que
la producción de biomasa se obtiene en un periodo no mayor a
tres meses como lo refiere el apartado de resultados del presente
estudio y el alimento puede reducirse exclusivamente a invertebrados menores. Así mismo, las pruebas piloto refieren el impacto de los tipos de secado en las características físicas de los
derivados en polvo obtenidos, lo cual permitirá definir el tipo de
secado que mantenga las mejores características de acuerdo al
uso que se le destine a esta materia prima. Proceso que es recomendado en la industria alimentaria para llegar a establecer la
estandarización de un producto [25].
Referencias
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de mezquite una alternativa de uso industrial”. Interciencia.
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molitor)” Casa Abierta al Tiempo UAM, Departamento de Biotecnología, Plan de Negocios de Omega Molinos S. A. de C.V.
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Instituto Tecnológico Superior del Occidente del Estado de
Hidalgo. Mixquiahuala de Juárez, Hidalgo.
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como ingrediente alterno en la elaboración de un dulce tipo
alegría para consumo humano. Memorias del XX Congreso
de Ciencias y Tecnología del Mar. San José del Cabo, Baja
California.
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elaboración de chicharrón de camarón (Pennaeus vanamei)
y pescado (Oreochromis niloticus) en el taller industrial de
alimentos del Cetmar 01, Alvarado Veracruz. Memorias del
XXI Congreso de Ciencias y Tecnología del Mar. Cozumel,
Quintana Roo.
8. Cerón-Ortiz A. N.; Ángeles-Monroy M.A.; J.A. León-Escamilla. 2011. Análisis de la calidad nutrimental del acocil de río
(Cambarelus montezumae) para ser utilizado como materia
prima en la generación de alimentos. Memorias del XVIII
Congreso de Ciencias y Tecnología del Mar. San Carlos, Sonora.
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10. Secretaria de Salud. 1999. norma oficial mexicana nmxff-042-2001. Productos de la pesca. crustáceos comestibles
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11. Sorokin, C. 1973. Dry weight, packed cell volume and
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Culture methods and growth measurement, J. R. Stein (ed.).
Cambridge University Press, Cambridge.
11. Secretaría de Salud. 1994. Norma Mexicana NOM-116SSA1-1994, Alimentos - Determinación de Humedad en
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Alimentos- Método de Prueba. Diario Oficial (DOF).
12. Secretaría de Economía. Segunda Sección. 2002. Norma
Mexicana
NMX-F-607-NORMEX-2002.
AlimentosDeterminación de Cenizas en Alimentos -Métodos De Prueba
(Cancela A Las Nmx-F-542-1992 Y Nmx-F-066-S-1978).
Diario Oficial (Segunda Sección).
13. Secretaría de Economía. 2011. Norma Mexicana NMX-F-608NORMEX-2011. Alimentos-Determinación de Proteínas en
Alimentos-Método de ensayo (Prueba) (Cancela a la NMX-F608-Normex-2002). Diario Oficial.
14. Secretaría de Economía. 2004. Norma Mexicana NMX-F615-NORMEX-2004, Alimentos - Determinación de Grasas
en Alimentos- Método De Prueba. Diario Oficial.
15. Secretaría de Economía. 2003. Norma Mexicana NMX-F-613NORMEX-2003, Alimentos – Determinación de fibra cruda
en alimentos – Métodos de Prueba.Diario Oficial (DOF).
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Biological Chemistry. 193:265-275.
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Sociedad Química del Perú. 76 (4).
63
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Ángeles-Monroy, M. Á. 2014. Influencia de dos etapas del desarrollo de Tenebrio molitor en la hidroestabilidad física de
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tipo de alimento y calidad del agua en post-larvas de acocil de
río Cambarellus Montezumae. Tesis, Ingeniería en Industrias
Alimentarias, Instituto Tecnológico Superior del Occidente
del Estado de Hidalgo. Mixquiahuala de Juárez, Hidalgo.
25. Badui D.S. 2006. Química de los Alimentos en “Hemopigmentos” Ed. Pearson Educación. México.
64
caracterización de residuos agrícolas
modificados químicamente
para su aplicación en biotecnología
Castañeda–Cisnero Y. E.,3 Guzmán–Ortiz F. A.,1,2 Téllez–Jurado
A.,3 Román–Gutiérrez, A. D.*1
1Área
Académica de Químicas, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Ciudad del Conocimiento Carretera Pachuca–Tulancingo Km. 4.5. S/n Col. Carboneras, Mineral de la Reforma,
Hidalgo. CP 42184. 2Investigador de Cátedras CONACyT en1.
3Universidad Politécnica de Pachuca Carr. Pachuca–Cd. Sahagún Km 20, Rancho Luna, Ex–Hacienda de Santa Bárbara. Municipio de Zempoala, Hidalgo. CP. 42184, México; correo electrónico: [email protected]
Resumen
En este estudio se emplearon como muestras residuos de cereales de avena, cebada y trigo provenientes del municipio de Apan,
Hidalgo. Las muestras se sometieron a caracterización química
mediante análisis del contenido de material lignocelulósico y caracterización física por Microscopía Electrónica de Barrido (meb).
Posteriormente las muestras fueron tratadas con H2SO4 diluido al
1%, 87°C durante 180 minutos para solubilizar las hemicelulosas
y obtener un hidrolizado rico en azúcares fermentables, cuantificados por el método de azúcares reductores (AR) y Cromatografía
Liquida de Alta Resolución (hplc). Los datos obtenidos resultaron
con diferencias estadísticamente significativas e indican que es factible obtener cantidades importantes de azúcares reductores en los
tres sustratos; cebada 75.99%, trigo 64.19% y avena 27.18%. La
cuantificación de azúcares que se liberaron durante la hidrólisis
fue monitoreada mediante hplc en los tiempos 0, 60, 120 y 180 minutos. La xilosa y arabinosa fueron los azúcares que se detectaron
en mayor concentración con 19.08 g/L y 15.77 g/L respectivamente, en el residuo de cebada. Lo cual indica que es factible obtener
azúcares fermentables a partir de residuos agrícolas generados en
65
la región centro de México, teniendo como fin incorporarlos como
sustratos para procesos biotecnológicos.
Palabras clave: Avena, azúcares, cebada, hemicelulosa, trigo.
Introducción
Los cereales tiene un papel preponderante en la actividad agrícola mundial, entre los principales cultivos se encuentra el maíz,
sorgo, trigo, cebada, y avena. Asociado a la producción se da origen a una amplia gama de residuos que oscila alrededor de 34
millones de toneladas en materia seca, los cuales son dispuestos
como alimento para ganado o quemados in situ [1]. Los residuos
agrícolas de cereales ocasionan serios problemas de contaminación ambiental y pérdidas de fuentes potenciales de alto valor
agregado, la biodegradabilidad de estos materiales lignocelulósicos está en función al contenido de biomoléculas fácilmente
degradables (azúcares solubles, celulosa y hemicelulosa), y en
componentes de lenta degradación (ceras y ligninas) [2]. La celulosa y hemicelulosa son polisacáridos de alto peso molecular
que representan entre el 60–80% del total del peso de los materiales lignocelulósicos, mientras que la lignina es un polímero que
representa entre el 20–35% del total [3]. La hemicelulosa está
formada por un conjunto heterogéneo de polisacáridos, a su vez
formados por un solo tipo de monosacáridos unidos por enlaces β (1–4), que forman una cadena lineal ramificada con zonas
amorfas [4].
Una conversión eficaz de los materiales lignocelulósicos requiere en primer lugar de un fraccionamiento de los tres componentes principales: celulosa, hemicelulosa y lignina, y en segundo, un método eficiente para procesar estos componentes
a productos de mayor valor [5]. Existen diversos procesos para
el tratamiento de la lignocelulosa que incluyen químicos, físicos y biológicos, entre ellos trituración, ultrasonido, explosión
de vapor, hidrólisis ácida, alcalina y enzima. La hidrólisis ácida alcanza un mayor rendimiento para degradar la hemicelulosa, el resultado de este tratamiento produce una gran cantidad
66
de monosacáridos, los azúcares resultantes tienen potencial de
mercado considerable, ya sea como sustratos biotecnológicos o
materia prima en la producción de: bioetanol, alimento para animales y biomasa microbiana [6].
En el presente trabajo de investigación se planteó cuantificar los polisacáridos presentes en tres hidrolizados de cereales;
avena, cebada y trigo, para determinar la fuente con más altos
rendimientos.
Materiales y métodos
Para la realización del presente proyecto de investigación se
utilizaron como muestras las cascarillas de granos de avena,
cebada y trigo cosechadas en el 2010 en el municipio de Apan,
perteneciente al estado de Hidalgo. Los granos se sometieron a
descascarillado mediante una perladora en el caso de la cebada,
la avena se obtuvo de forma manual y el trigo por medio de molienda. Posteriormente se realizó un proceso de molienda para
disminuir el tamaño de partícula y se tamizaron para obtener un
tamaño de partícula homogéneo con la malla número 30; menor
<1 mm, se secaron en una estufa a 55°C por 24 horas y se guardaron en bolsas de plástico cerradas herméticamente.
Caracterización fisicoquímica: Humedad por termobalanza
[7], Cenizas (923.03) [8], Proteínas por combustión de Dumas
[9], Fibra Cruda (962.09) [8], Grasas (920.39) [8]. El contenido
de carbohidratos totales se obtuvo por cálculo establecido [8]. El
material lignocelulósico se determinó por normas TAPPI [10];
Extraíbles (264 om–88), Holocelulosa (método Wise), Alfa, Gama
y Beta Celulosa (203 om–88) y Lignina (220 om–88).
Microestructura: Se utilizó la técnica de MEB para caracterizar y analizar la superficie de las muestras. Se utilizó un microscopio (JEOL, modelo JSM–G–300) con un flujo de electrones de 30
KV y 18 mm. Las fotografías se tomaron por triplicado a 1500X.
Hidrólisis ácida: Las condiciones del proceso fueron H2SO4
al 1%, 87°C durante 180 minutos [11]. Se realizó un blanco sustituyendo el H2SO4 con H2O. Las muestras se colocaron en una
relación 1/10 (peso muestra/volumen ácido).
67
Cuantificación de Azúcares Reductores (AR): método Miller
[12], se tomó una alícuota de 1 mL del hidrolizado y se le agregaron 0.5 mL del reactivo ácido 3,5–dinitrosalicílico (DNS), se
sumergió en agua a ebullición por 5 minutos; se dejó enfriar y
por último se le agregó 2 mL de agua destilada. Se procedió a
leer a una longitud de onda de 540 nm en un espectrofotómetro
(UV–VIS Genesys 10 UV, Thermo Electron, México). Los cálculos
de AR se determinaron considerando el% total de carbohidratos
en solución (relación 1 g de muestra/10 mL de solución ácida)
obtenidos de la caracterización fisicoquímica (carbohidratos totales más fibra) como el 100% de carbohidratos, considerado las
características de cada muestra [9]. Finalmente, la curva estándar se preparó con glucosa en concentración 1 mg/mL.
Cuantificación por hplc: el hidrolizado de cada muestra se
colocó en una centrifuga refrigerada (Hermle Z3K23, Germany),
bajo las siguientes condiciones; temperatura 8°C, 5000 rpm durante 25 minutos. Al sobrenadante obtenido se le determinó el
pH (Thermo Scientific Orion Star, usa), y se le añadió lentamente
carbonato sódico hasta el cese de burbujeo. La muestra neutralizada se sometió a un sistema de microfiltración (mfs, usa) con
una membrana (Microfiltration Systems, Dublin) con poros de 22.
Los extractos líquidos se analizaron mediante un Cromatógrafo
(Pump Model 626, Alltech) acoplado a un detector elsd 800. Se
empleó una columna Prevail Carbohydrate ES de 5 μm, 250 X
4.6 mm. La separación isocrática de los azúcares se desarrolló a
una temperatura de 30°C, una velocidad de flujo de 1 mL/min,
con una fase móvil compuesta por 75% de acetonitrilo grado hplc
(Mallinckrodt Chomar) y 25% de agua grado hplc (JT Baker). La
caracterización y cuantificación de azúcares simples en cada hidrolizado, se efectuó mediante la comparación de los tiempos de
retención y las áreas de los picos de las muestras, con soluciones
patrón de xilosa, arabinosa, glucosa, galactosa y manosa [13].
Análisis estadístico: se usó el paquete estadístico statistica
versión 7.0, y se estableció para todos los análisis la significancia
de p<0.05. Se realizaron análisis de varianza (anova) y comparación múltiple (Tukey y Mann–Whitney U Test).
68
Resultados y discusión
Composición fisicoquímica
En la Tabla 1 se muestran los resultados obtenidos para la caracterización fisicoquímica, mediante un análisis proximal de los
subproductos de cereales de avena, trigo y cebada, expresados en
base seca. (Posición Tabla 5A).
Tabla 5A. Composición proximal de los residuos agrícolas
de cereales: avena, cebada y trigo
Cascarilla Humedad*
Cenizas
Proteínas
Grasas
Fibra cruda
cho´s*
Avena
5.94 (0.07)c 3.83 (0.02)c
6.33 (0.03)b 2.08 (0.01)a 25.52 (0.04)b 56.30
Cebada
8.78 (0.05)a 6.76 (0.00)a
5.45 (0.01)b 0.80 (0.01)b 29.11 (0.13)a 49.10
Trigo
7.59 (0.04)a 5.24 (0.01)b 20.24 (0.01)a 1.00 (0.02)b
11.82 (0.00)c 54.14
La letra diferente dentro de la columna indica diferencia significativa de acuerdo al
anova (p 0. 05) y la prueba Tukey (p 0.05). * Obtenido por diferencia.
Los valores obtenidos para fibra cruda (carbohidratos estructurales insolubles) presentan diferencia significativa (p<0.05) entre las tres muestras, el valor más alto es para cebada con un
29.11%, le sigue avena 25.52% y trigo 11.82%. El alto contenido
de fibra en las muestras se debe a que esta se localiza principalmente en la cascarilla y envolturas del grano (lema, palea y pericarpio), a la cantidad de celulosa y hemicelulosa presente y a la
variación geográfica y falta de humedad durante la etapa de maduración del grano, que da a lugar a una menor concentración de
componentes fibrosos [14]. Los residuos de cereales analizados
presentan diferencias estadísticamente significativas (p<0.05) en
el contenido de carbohidratos, siendo la avena la que presenta
el valor más alto, alrededor del 56.30%, trigo 54.14% y cebada
49.10%. Los carbohidratos son el mayor constituyente de todos
los cereales entre un 50% y 87% [11]. El porcentaje de material
total hidrolizable que se puede convertir a azúcares simples aplicando el tratamiento de hidrólisis ácida es para avena 81.82%,
cebada 78.21% y trigo 65.96%, existiendo diferencia significativa
(p<0.05) entre las tres muestras.
69
Composición lignocelulósica
De acuerdo al análisis estadístico los subproductos de cereales
presentan diferencia estadística significativa (p<0.05) en la composición química de holocelulosa y lignina. Los valores obtenidos para holocelulosa son avena 81.04%, cebada 79.18% y trigo 40.69%, estos representan la fracción total de carbohidratos
poliméricos, es decir, celulosa más hemicelulosa presentes [15].
Las variaciones se deben a la cantidad de gluma y cascarillas que
existen en cada grano, los residuos agrícolas están constituidos
por más del 50% de celulosa del total de su biomasa en peso seco
[16]. Los resultados obtenidos para avena y cebada se encuentran por arriba del 50% y cumplen con el porcentaje citado por el
autor. La holocelulosa forma un complejo con uniones químicas
que no se separan fácilmente sin modificaciones considerables,
es decir aun contienen lignina en su estructura, o perdida de hemicelulosas [15]
Se deduce que la temperatura es demasiado baja para que
exista degradación en la lignina, lo cual es un factor limitante en
la cuantificación de los porcentajes de holocelulosa durante el
tratamiento ácido.
El parámetro de interés es la hemicelulosa que se observa en
la figura 1, los resultados obtenidos oscilan alrededor del 15%,
la conversión obtenida mediante el tratamiento de hidrólisis ácida es la siguiente: avena 76.38%, trigo 78.49% y cebada 81.86%.
Por tanto, la muestra con mayor porcentaje de conversión de
hemicelulosas es la cebada. El contenido de hemicelulosas para
residuos de cereales es de 20–30% [17]. En un estudio sobre la
cascarilla de arroz se obtuvo 13%, así como la paja de avena con
un 16%, lo cual indica que dependiendo de la variedad y tipo
de cereal, será el contenido de hemicelulosas que este contenga
[18].
70
Fig. 5B. Comportamiento de hemicelulosas en los tratamientos a
base de residuos de cereales.
Respecto al uso de hidrólisis ácida se observó una mayor remoción de la fracción de hemicelulosas del material y por tanto
una mayor conversión. La hemicelulosa es más susceptible al
ataque con ácidos diluidos que la celulosa o la lignina [19], lo
que justifica los resultados encontrados en este estudio. Valores
similares de remoción de hemicelulosa (80–85% p/p) fueron obtenidos durante la hidrólisis de residuos de maíz con H2SO4 al
5% o HCl 5% [20].
Microestructura
Los subproductos agrícolas antes y después de aplicar el proceso
de hidrólisis ácida fueron evaluados por meb, para comparar su
microestructura como se muestra en la fig. 2, (Posición fig. 5C).
Los subproductos sin tratamiento se observan en las micrografías (A, C, E), donde en A y C se muestra un filamento fibroso
rodeado por la formación de aglomerados proteicos irregulares
que se encuentran intercalados en los gránulos de almidón. En
las tres micrografías los almidones tienen formas lenticulares y
grandes. También puede observarse que la molienda no fue la
más adecuada, y que a pesar de haber tamizado las muestras
para obtener un tamaño de partícula homogéneo, no se logró el
objetivo. En las micrografías (B, D, F) se observan los subpro71
ductos después de haber sido sometidos a hidrólisis ácida. Los
filamentos fibrosos se muestran dañados como consecuencia de
las altas temperaturas y el contacto con el ácido. El tratamiento
causó la degradación de la adhesión estricta que existe entre proteína–almidón, los cuales le confieren al hidrolizado un aumento
en la cantidad de azúcares presentes [11].
Fig. 5C. Micrografías tomadas a una amplitud de 1,500X, A, B
avena, C, D cebada y E, F trigo.
Cuantificación de azúcares reductores
En todos los tiempos analizados durante la hidrólisis ácida el
ANOVA mostró diferencia significativa (p<0.05) para los azúcares
liberados y fue confirmado mediante la prueba de comparaciones múltiples (Tukey). En la fig. 3, se aprecia el comportamiento
de los subproductos agrícolas, en donde la cebada es la que obtuvo un mayor porcentaje de conversión a AR de 75.99%, trigo
64.19% y avena 27.18%. La interacción entre la concentración de
H2SO4 al 1% y el tiempo tiene un efecto altamente significativo.
La tendencia de las muestras tratadas es el aumento en la
liberación de los azúcares conforme transcurre el tiempo de
digestión. La concentración del ácido es el factor más influyente
en el rendimiento obtenido de los azúcares, mientras que la
72
temperatura lo es en la degradación de estos [21]. La incorporación
del ácido en conjunto con la extensión del tiempo de reacción
favoreció el tratamiento de hidrólisis al permitir la difusión del
ácido a través del sustrato y la transferencia de masas (azúcares)
del producto de la hidrólisis hacia el medio acuoso. El tiempo
de reacción favorece el ataque del ácido hacia la hemicelulosa
dentro de la matriz del sustrato y se generan regiones amorfas
que facilitan el proceso de hidrólisis con el paso del tiempo [22],
Fig. 5D. Porcentaje de carbohidratos hidrolizados en subproductos
agrícolas
El proceso de hidrólisis ácida del bagazo utilizando H2SO4
al 70%, 50°C y 1 hora de reacción, con la cual obtuvo una conversión de 87.65% de AR. Realizó una dilución del 30% del ácido y obtuvo una conversión del 97.5% de AR [22]. A una mayor
dilución del ácido aumenta la liberación de AR, esto se explica
porque al añadir agua al proceso se favorece la hidrólisis de los
oligosacáridos de bajo peso que se forman y también se evita la
repolimerización de los mismos, lo que al final se traduce en un
mayor rendimiento de la hidrólisis [23]. Un estudio reportó un
74.98% de conversión a AR para la cascarilla de cebada molida
73
[11], mientras que los resultados obtenidos en este análisis fueron de 75.99% para la cascarilla de cebada sometidas a las mismas condiciones que dicho autor utilizó (H2SO4 al 1% durante
100 minutos a 87°C), las cuales son similares a las obtenidas.
Algunos autores han mostrado que el tamaño de partícula
influye en la hidrólisis, se ha reportado que a menor tamaño de
partícula el proceso es más eficiente [24]. En un estudio a partir
de Eucalipto se realizó una hidrólisis ácida con H2SO4 al 6%, variando el tiempo de hidrólisis y obtuvo como rendimiento máximo de AR un 21.87% en muestra molida y 17.61% en muestra
desfibrada [25], lo que confirma lo antes mencionado. Un aumento de sólidos conlleva a una disminución del porcentaje de
conversión y esto se explica porque a mayor porcentaje de sólidos en un volumen fijo de ácido sulfúrico se dificulta la acción
del ácido para penetrar en las fibras [23].
Caracterización de azúcares
Para determinar los azúcares presentes en los subproductos agrícolas se realizó una comparación de las áreas de los picos obtenidos en los cromatogramas de los hidrolizados contra las áreas
de las soluciones patrón [13]. La fig. 4, corresponde a los monosacáridos detectados en avena, cebada y trigo.
Fig. 5E. Cuantificación de monosacáridos de subproductos
agrícolas a 180 minutos de hidrólisis ácida.
74
En todas las muestras el anova mostró diferencia significativa (p<0.05) en los picos de los cromatogramas obtenidos, cuyos
tiempos de retención promedio son 7.30, 9.55 y 11.33 minutos,
los cuales se pueden asignar a xilosa, arabinosa y manosa, respectivamente. La xilosa y la arabinosa fueron los azúcares que
se detectaron en mayor concentración con 19.08 g/L y 15.77 g/L,
en el residuo de la cebada. La galactosa y glucosa no se detectaron en ninguno de los tres hidrolizados, y la manosa solo fue
detectable con 10.46 g/L. El análisis estadístico mostró que las
interacciones entre temperatura, ácido y tiempo mejoraron la liberación de azúcares a lo largo del experimento.
La xilosa es el monosacárido predominante en la cebada
como se observa en el cromatograma de la fig. 5, por tanto es
el azúcar que se libera con mayor facilidad debido a la despolimerazación de la hemicelulosa, junto con arabinoxilanos [25].
El trigo obtuvo arabinosa como azúcar predominante con 14.49
g/L, esto puede justificarse por la estructura que tienen los residuos de trigo respecto a las condiciones existentes entre la lignina y los arabinoxilanos. Los residuos de trigo presentan hasta un
50% de arabinoxilanos unidos directamente por un enlace tipo
éter de susceptibilidad ácida, a la matriz de la lignina sin intermediarios lignanos (enlaces tipo éster de susceptibilidad básica).
Este aspecto explica la liberación de azúcar durante la hidrólisis,
debido al tipo de enlaces se permite la liberación inmediata de
los azúcares sencillos en estas condiciones [25]. En un estudio
para residuos de trigo se realizó una hidrólisis ácida con las siguientes condiciones; 0.75% de H2SO4 por 1 hora a 121°C, y se
obtuvo una concentración de arabinosa de 20 g/L [26], en este
análisis las condiciones utilizadas fueron semejantes, a excepción del tiempo de exposición y el tamaño de partícula lo cual
pudo haber influido en los resultados de 14.49 g/L. En cuanto a
la glucosa es la hexosa presente más comúnmente y en mayor
proporción entre los azúcares extraídos durante los tratamientos aplicados a residuos lignocelulósicos [27]. La hidrólisis de la
glucosa no es esperable en este análisis ya que la celulosa está
encapsulada por la hemicelulosa y la lignina, y en este tratamien75
to solo la hemicelulosa es susceptible al ataque ácido [25]. A lo
largo del análisis se presentan varios picos en tiempos de 3 a
5 minutos para las tres muestras analizadas que corresponden
a hidratos de carbono de peso molecular superior (disacáridos,
trisacáridos) puesto que aparecen antes [28], (Posición fig. 5F).
Fig. 5F. Cromatograma de subproductos agrícolas de cebada
obtenido a los180 minutos de hidrólisis ácida.
Conclusión
La hidrólisis de residuos agrícolas de cereales usando H2SO4 al
1% es un método eficaz para solubilizar polisacáridos presentes en forma de hemicelulosas. La eficacia del proceso en términos de conversión a AR fue de 75.99% para la cebada, que es el
subproducto que obtuvo un mayor porcentaje de remoción de
hemicelulosas con 81.86%, respecto a la detección por HPLC se
encuentra en mayor cantidad xilosa y arabinosa, lo cual indica
que es factible obtener azúcares fermentables partir de residuos
agrícolas, teniendo como fin incorporarlos como sustratos en
procesos biotecnológicos o materia prima en la producción de:
bioetanol, alimento para animales y biomasa microbiana.
Se agradece al Fomix–conacyt–Gobierno–Hidalgo, clave:
HGO–2010–C01–150905 por el financiamiento.
76
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79
Evaluación física de diez variedades
de cebada para la producción de maltas
de acuerdo a la Norma NMX–FF–043–SCFI–2003
Barrera–Hernández Ma,1, Guzmán–Ortiz F.A.,1,2
Roldán–Rojas, J.H., 1 Román–Gutiérrez, A. D.1*
1Área
Académica de Químicas, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Ciudad del Conocimiento, Carretera Pachuca–Tulancingo Km. 4.5. S/n Col. Carboneras, Mineral de la Reforma,
Hidalgo, CP 42184,2 Investigador de Cátedras conacyt en1. Correo elctrónico: [email protected]
Resumen
El cereal de mayor producción e importancia en el Estado de Hidalgo es la cebada, la cual es empleada en la elaboración de bebidas a
base de malta como la cerveza y otra proporción se destina para la
alimentación animal. Los agricultores prefieren este cultivo a otros
granos debido a que su ciclo vegetativo es corto. La calidad de las
cebadas cosechadas por temporal en la región centro del país está
fuertemente influenciada por los factores climáticos, de sus características depende la calidad de la malta que se produzca. Se evaluó
la calidad de diferentes variedades de cebada (Hordeum sativum
jess) de los estados de Hidalgo y Tlaxcala producidas en diferentes
ciclos agrícolas. Los resultados mostraron que las diez variedades
presentaron un olor y color característico del grano en condiciones
favorables, la temperatura del grano no presentó variación mayor
a 5ºC. Las variedades GEZ 2007, EAP 2007 y GLP 2008 se encuentran dentro del límite de impurezas marcado por la Norma NMX–
FF–043–SCFI–2003. EA 2008, mostró la menor cantidad de peso
mil granos (36.2 g), GLP 2008 fue la variedad más alta (50.6 g).
EA 2007 presentó mayor resistencia a la abrasión y menor pérdida
de peso, EAP 2007 mostró un comportamiento contrario. Las variedades que se encuentran dentro del límite permisible de granos
dañados de acuerdo a la norma mencionada anteriormente fueron:
80
ACH 2008 (1.9%), ALP 2008 (2.0%), GLP 2008 (4.5%) y GA 2007
(8.5%). Ninguna de las variedades de cebada analizadas cumplen
con los tres parámetros establecidos por la norma, sin embargo la
variedad GEZ 2007 y EAP 2007 podrían adquirir el grado México.
Palabras clave. Calidad, cebada, dureza, densidad.
Introducción
Los cereales proceden de las formas silvestres de ciertas gramíneas. Son plantas monocotiledóneas cuyo cotiledón, localizado
en el germen del grano es denominado botánicamente como escutelo o escudo [1].
En el mundo solo el 5% de los alimentos básicos amiláceos se
obtienen de raíces mientras que el resto es obtenido de cereales.
Los granos de cereales contienen del 60 al 70% de almidón y
son alimentos excelentemente ricos en energía para los humanos
[2]. Dentro del grupo de cereales, la cebada es el nombre común
de las especies de un género de gramíneas originario de Asia y
Etiopía, es una de las plantas agrícolas más antiguas. Su cultivo
se cita en la Biblia, y lo practicaban ya las antiguas civilizaciones
egipcia, griega, romana y china. [3].
La cebada ocupa el cuarto lugar en la producción mundial
después del trigo, arroz y maíz. Este cereal es menos utilizado en
términos de consumo humano [4], aunque cada vez está ganando un interés renovado para su utilización alimenticia debido a su
efecto hipocolesterolémico y a otras características alimenticias y
funcionales deseables [5]. Contiene B–glucanos, tocoferol, y tocotrienoles [5–7], que se cree son los componentes responsables de
la reducción del colesterol [8]. Al consumo de cebada también se
le ha atribuido los efectos hipoglicémicos y anticarcinogenicos [7].
Aproximadamente el 90% de la cebada crecida se utiliza en la producción de la bebida alcohólica y como alimentación del ganado.
Los niveles bajos de aceptación y consumo de la cebada de los seres
humanos se relacionan con la cultura y el estado social [5].
En México la cebada es un cultivo de gran importancia económica y social principalmente en los estados de Guanajuato,
81
Hidalgo, Tlaxcala y México [9]. Donde los dos primeros estados
son los dos principales productores de cebada en grano de temporal, proporcionando más de la mitad de la producción total
nacional . La cebada es una gramínea anual, es decir puede sembrarse en otoño o en primavera, debido a que sus requerimientos
de suelo, agua y temperatura son mínimos. Se conocen muchas
variedades botánicas de cebada a las que se les ha dado el nombre científico de Hordeum vulgare. En realidad, todas las formas
de cebada cultivadas, la silvestre Hordeum spontaneum y las malas hierbas/silvestres H. agriocrithon, H. lagunculiforme y H. paradoxon son variedades infértiles de la especie denominada H.
Vulgare [2].
La cariópside o grano maduro de los cereales está compuesta
de carbohidratos, compuestos nitrogenados, lípidos, vitaminas
y sales minerales. El contenido de humedad de la cebada puede
variar de 10 a 14% [10]. La composición química del grano de
cebada en porcentaje de base seca se muestra en la Tabla 1, (Posición Tabla 6A).
Tabla 6A. Composición química del grano de cebada (%) [2].
Hidratos de carbono
• Almidón
• Azúcares
• Fibra bruta
Proteína
Materia inorgánica
Lípidos
Otras sustancias
72.8–82.8
50.0–63.0
1.8–2.0
5.0–6.0
7.5–15.6
2.0–3.1
1.1–3.1
1.0–2.0
Con relación a las condiciones de cultivo de la cebada, los
factores ambientales y las prácticas culturales influyen en la tasa
de formación de la espiga, también afectan la duración de las
fases de desarrollo de cada cultivar [11]. El tiempo transcurrido
desde la siembra hasta la emergencia de la primera hoja al nivel
del suelo depende del vigor de la semilla y de los factores del me82
dio físico como son temperatura, humedad, textura y estructura
del suelo, y la profundidad de la siembra.
Las temperaturas idóneas de cultivo en este cereal, para las
variedades de primavera, se estiman dentro de un rango comprendido desde los 28 ºC hasta un máximo de 40 ºC, a diferencia
de aquellas seleccionadas para la época invernal en las que la
temperatura óptima se encontrará entre los 15 ºC y 25 ºC.
Los requerimientos de agua de la planta de primavera se
ubican aproximadamente en 600 mm de agua. En lugares con
insuficiencia de precipitación pluvial o épocas de temperatura
desfavorables [12].
Materiales y métodos
Se utilizaron como muestras de estudio diez variedades de cebada
(Hordeum sativum jess) que fueron recolectadas en los estados
de Hidalgo y Puebla. Las variedades analizadas se muestran en
la Tabla 6B.
Tabla 6B. Variedades de cebada hordeum sativum jess
Origen
Variedad
Año
Municipio
Estado
Código
Gabyota
2007
E. Zapata
Hidalgo
GEZ 2007
Gabyota
2007
Almoloya
Hidalgo
GA 2007
Esmeralda
2007
Apan
Hidalgo
EAP 2007
Esmeralda
2007
Almoloya
Hidalgo
EA 2007
Esmeralda
2008
Libres
Puebla
ELP 2008
Gabyota
2008
Libres
Puebla
GLP 2008
Adabella
2008
Libres
Puebla
ALP 2008
Adabella
2008
Coatlaco
Hidalgo
ACH 2008
Gabyota
2008
Tecocomulco
Hidalgo
GTH 2008
Esmeralda
2008
Almoloya
Hidalgo
EA 2008
83
Muestreo
Para llevar a cabo el análisis se realizó un muestreo aleatorio
simple en cada saco de cebada de tal manera que todos los elementos de la población tuvieran la misma probabilidad de ser
seleccionados. La muestra fue tomada en diferentes puntos del
saco a tres niveles (fondo, enmedio y arriba), obteniendo aproximadamente 100 g de cada punto hasta obtener una muestra representativa de 1 kg, con lo cual se trabajó directamente para el
análisis físico. Las determinaciones del análisis físico se realizaron por triplicado.
Análisis físico
Sensorial y temperatura
Se tomó una muestra representativa de 1 kg de cada muestra y se
colocó en una bolsa de plástico. Se efectuó una inspección visual
sin abrir la bolsa para detectar alteraciones o defectos evidentes. Posteriormente se analizó si el aspecto inicial del grano era
aceptable, para esto se agitó la muestra durante un min aproximadamente y se abrió la bolsa para percibir el olor. Si se encuentra alguna alteración como hongos o infestación de insectos, se
omitirá la detección del olor [13].
La evaluación sensorial del grano se realizó examinando color.
Aquellos granos que presenten un color amarillo claro y
aquellos que no presenten manchas negras o de otro tipo se considerarán que presentan un color típico [14].
Impurezas y anidad
Una vez homogenizado el grano, se tomó 1 kg de cada muestra
para el análisis de impurezas y sanidad. Se realizó una separación manual de las impurezas encontradas. Después se registró
el peso total de impurezas y se reportado en porcentaje [13].
La determinación de sanidad consiste en identificar la presencia de insectos en sus fases de huevecillos, larva, pupa o adulto, así como su identidad. Se consideró infestado el grano si se
encuentran 2 o más gorgojos (insectos perforadores) vivos en 1
kg de grano [14].
84
Densidad por peso de mil granos
De la muestra limpia se tomaron al azar 50 piezas de grano. Las
piezas fueron colocadas en un vaso de precipitado previamente
pesado. Se registró el peso y por diferencia se calculó el peso de
las piezas de grano. El peso correspondiente a las 50 piezas se
multiplicará por 20. El resultado se expresará en gramos [14].
Dureza
La dureza del grano es la resistencia que posee a la acción mecánica o al quebrado durante la cosecha y la postcosecha, dicha
propiedad intrínseca se determinó de acuerdo con el siguiente
método:
Dureza por abrasión
Este parámetro se determinó por resistencia a la abrasión. Fueron tomadas 10 piezas de la muestra, se pesaron y tallaron 5
veces cada uno de los granos sobre tiras de lija No 100 x 23 cm,
tratando de aplicar la misma fuerza y asegurándose de recorrerlos en toda la longitud. Al final se pesaron los residuos no desgastados de los granos y será reportado el porcentaje de pérdida por
abrasión calculado por diferencia [14].
Análisis selectivo
Se tomaron 100 g del grano limpio y fueron separadas las fracciones, apartando los granos para revisarlos. Los daños que se
consideraron son los indicados en la NMX–FF–043–SCFI–2003
[13]. Los resultados se expresarán en porcentaje de granos dañados y porcentaje de granos quebrados.
Resultados
Sensorial y temperatura
En la Tabla 3 se muestran los resultados del análisis sensorial
y temperatura de las diez variedades de cebada estudiadas. La
ausencia de alteraciones de olor y color de los granos es una señal de que no existe contaminación por hongos o insectos [2].
Las diez variedades presentaron un olor y color característico del
85
grano de cebada en buenas condiciones. Respecto a la temperatura del grano ninguna variedad presentó una variación mayor
a 5 ºC [14], por lo que todas las variedades se encuentran dentro
de la norma, (Posición Tabla 6C).
Tabla 6 C. Análisis físicos del grano de cebada (desviación
estándar)
Variedad
Región
Color
Olor
Temp.
Temp. del
ambiente
grano (0C)
Gabyota
E. Zapata
Característico
Característico
20.5
19.4 (0.5)
Gabyota
Almoloya
Característico
Característico
21
21(0)
Esmeralda
Apan
Característico
Característico
19.5
17.6 (0.5)
Esmeralda
Almoloya
Característico
Característico
21.9
20.8 (0.4)
Esmeralda
Libres
Característico
Característico
21
21 (0)
Gabyota
Libres
Característico
Característico
21
21 (0)
Adabella
Libres
Característico
Característico
21
20.2 (0.4)
Adabella
Coatlaco
Característico
Característico
21
20.4 (0.5)
Gabyota
Tecoco-
Característico
Característico
20
18.1 (0.2)
Característico
Característico
20.5
20.2 (0.4)
mulco
Esmeralda
Almoloya
Imurezas y sanidad
La determinación de impurezas y sanidad es de gran importancia
debido a que está relacionada con el rendimiento de productos,
así mismo, entre más impurezas contenga una variedad su costo
comercial será menor. En la Tabla 4 se muestra el porcentaje de
impurezas de cada una de las variedades analizadas,
Tabla 6D. Determinación de impurezas y sanidad
Variedad
Estado
Código
Año
Impurezas (%)
Gabyota
Hidalgo
Gez 2007
2007
1
86
Gabyota
Hidalgo
Ga 2007
2007
5
Esmeralda Hidalgo
Eap 2007
2007
1.5
Esmeralda Hidalgo
Ea 2007
2007
3
Esmeralda Puebla
Elp 2008
2008
2.5
Gabyota
Puebla
Glp 2008
2008
1
Adabella
Puebla
Alp 2008
2008
8
Adabella
Hidalgo
Ach 2008
2008
11
Gabyota
Hidalgo
Gth 2008
2008
4.5
Ea 2008
2008
7
Esmeralda Hidalgo
La norma NMX–FF–043–SCFI–2003 establece como límite
máximo de impurezas 2%, por lo tanto las variedades que se encuentran dentro del límite son GEZ 2007 (1%), EAP 2007 (1.5%)
y GLP 2008 (1%). Por lo tanto dichas variedades tendrán un valor
comercial más elevado respecto a las demás. Las variedades ELP
2008 (2.5%) y EA 2007 (3%) poseen un contenido mínimo por
arriba del límite permitido, por lo que el costo de estas dos variedades debería ser similar y menor que GEZ 2007 (1%), EAP 2007
(1.5%) y GLP 2008 (1%). Mientras que la variedad que presentó
mayor porcentaje de impurezas fue ACH 2008 (11%) por lo que
su costo sería mucho menor respecto a las variedades restantes.
Densidad
La determinación de densidad del grano se realizó por el método
peso de mil granos (Tabla 6E),
Tabla 6E. densidad del grano de cebada
Variedad
Código
Peso mil granos (G)
Gabyota
Gez 2007
42.8 (0.00)
Gabyota
Ga 2007
46.4(0.07)
Esmeralda
Eap 2007
37.5(0.08)
Esmeralda
Ea 2007
37.0 (0.09)
Esmeralda
Elp 2008
38.4(0.05)
87
Gabyota
Glp 2008
50.6(0.09)
Adabella
Alp 2008
43.2(0.06)
Adabella
Ach 2008
38.0(0.06)
Gabyota
Gth 2008
39.2(0.01)
Esmeralda
Ea 2008
36.2 (0.15)
El peso de mil granos es un indicador del tamaño del grano.
El peso de mil granos en la cebada suele variar de 20–50 g [15].
En las diez variedades analizadas los valores de peso de mil granos oscilan entre 36.2–50.6 g.
La variedad que presentó el menor peso de mil granos fue EA
2008 (36.2 g), mientras que GLP 2008 (50.6 g) mostró el mayor
peso, lo cual significa que ésta última variedad tiene los granos
más grandes respecto a las otras variedades analizadas. Por lo
tanto a mayor peso de mil granos hay mayor tamaño de grano y
mayor rendimiento.
Dureza
La dureza del grano es la resistencia que posee a la acción mecánica o al quebrado durante la cosecha y la postcosecha. En la
Tabla 6 se muestran los resultados de la determinación de dureza
por abrasión. Los valores se encuentran en un rango de 0.5–9.5%
en pérdida de peso. Las variedades presentaron valores distintos.
La variedad que presentó mayor resistencia a la abrasión fue EA
2007, por lo que tiene mayor dureza y menor pérdida de peso,
mientras que la variedad que perdió más peso fue EAP 2007,
Tabla 6F. Dureza del grano de cebada
Variedad
Código
% Pérdida de peso
Gabyota
GEZ 2007
2.9
Gabyota
GA 2007
3.5
Esmeralda
EAP 2007
9.5
Esmeralda
EA 2007
0.5
Esmeralda
ELP 2008
2.5
88
Gabyota
GLP 2008
6.9
Adabella
ALP 2008
5
Adabella
ACH 2008
5.5
Gabyota
GTH 2008
5.5
Esmeralda
EA 2008
3.8
Análisis selectivo
Dentro del análisis selectivo se determina la cantidad de granos
dañados (Tabla 7). El porcentaje obtenido es de gran importancia ya que podría representar un menor rendimiento en la molienda y obtener menos cantidad de harina (Serna, 2001), (Posición Tabla 6G).
Tabla 6G. Análisis selectivo del grano de cebada
Variedad
Código
Granos Daña- Granos Quedos (%)
brados (%)
Gabyota
Gez 2007
10.5
1.9
Gabyota
Ga 2007
8.5
7.7
Esmeralda
Eap 2007
17
1.7
Esmeralda
Ea 2007
17.7
2.0
Esmeralda
Elp 2008
33.5
4.5
Gabyota
Glp 2008
4.5
7.5
Adabella
Alp 2008
2.0
5.5
Adabella
Ach 2008
1.9
5.7
Gabyota
Gth 2008
21.5
1.9
Esmeralda
Ea 2008
15.8
10
La norma NMX–FF–043–SCFI–2003 establece 10% como
máximo de granos dañados. Los valores de las diez variedades
de cebada analizadas oscilan entre 1.9–33.5%. Las variedades
que presentaron mayor porcentaje al establecido por la norma
fueron: ELP 2008 (33.5), GTH 2008 (21.5), EA 2007 (17.7), EAP
2007 (17), EA 2008 (15.8) y GEZ 2007 (10.5). Las variedades que
89
se encuentran dentro del límite permisible de granos dañados
de acuerdo a la norma mencionada anteriormente fueron: ACH
2008 (1.9), ALP 2008 (2.0), GLP 2008 (4.5) y GA 2007 (8.5). Los
granos dañados pueden ser resultado de la falta de condiciones
adecuadas durante la maduración de la espiga, falta de agua o
nutrientes durante las épocas críticas de crecimiento, estrés térmico, enfermedad y otros aspectos [16].
En cuanto a los granos desnudos y quebrados la NMX–FF–
043–SCFI–2003 establece como máximo de granos quebrados
5%. Los valores de granos quebrados oscilan entre 1.7–10%. Las
variedades que sobrepasan el porcentaje máximo son: EA 2008
(10), GA 2007 (7.7), GLP 2008 (7.5), ACH 2008 (5.7) y ALP 2008
(5.5). Las variedades que cumplen con el porcentaje máximo de
granos desnudos y quebrados son: EAP 2007 (1.7), GEZ 2007
(1.9), GTH 2008 (1.9), EA 2007 (2.0) y ELP 2008 (4.5).
Conclusiones
Las determinaciones realizadas muestran que de acuerdo a la
norma NMX–FF–043–SCFI–2003 ninguna de las variedades de
cebada analizadas cumplen con los tres parámetros establecidos
por dicha norma, sin embargo la variedad GEZ 2007 y EAP 2007
podrían adquirir el grado México si se tiene más cuidado durante
su cosecha o almacenamiento ya que se obtuvo un porcentaje
un poco mayor al establecido de granos dañados, en cuanto a
porcentaje de impurezas y granos desnudos se encuentran dentro del límite permisible. El resto de las variedades tienen grado
México no clasificado ya que sobrepasan el límite máximo de los
parámetros establecidos por la NMX–FF–043–SCFI–2003, pero
aun así pueden ser utilizadas para consumo humano siempre
que haya un acuerdo entre las partes involucradas pero su valor
comercial será menor a las que si cumplen con el grado México.
90
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industrialización de los cereales. AGT Editor. México, D.F.
92
Producción de hidrÓgeno por métodos
biológicos: Revisión
Pineda Muñoz F., Lizardi Jiménez M. A.,
Arana Cuenca A., Medina Moreno S. A. y Jiménez
González A.
Universidad Politécnica de Pachuca, Ex– Hacienda de Santa Bárbara, Municipio de Zempoala, Departamento de Ingeniería en
Biotecnología. Laboratorio de Biotecnología Ambiental. Correo
electrónico: [email protected]
Resumen
En la actualidad, la economía y el abastecimiento energético, dependen en gran medida de los combustibles fósiles, lo que ha ocasionado
el consumo excesivo y agotamiento acelerado de estos recursos no
renovables (Show et al., 2012). Además el hecho de que existan reservas limitadas y una distribución desigual de estas en el mundo ha
provocado conflictos económicos y diplomáticos (Jung et al., 2010).
El uso y abuso de los combustibles fósiles (en forma líquida,
sólida o gaseosa) ha causado la contaminación de suelo, aire y agua
generando cantidades importante de emisiones de dióxido de carbono (CO2), este compuesto se consideran uno de los principales responsables del calentamiento global y del cambio climático (Kapdan
& Kargi, 2006, Vázquez & Varaldo, 2009, Show et al., 2012).
Los biocombustibles son una alternativa, pues son compuestos que pueden disminuir la dependencia de los combustibles fósiles. El gas hidrógeno (H2) es un biocombustible (Ferreira et al,
2012), el cual puede almacenarse para su posterior uso, además,
los sistemas que funcionan a partir de H2 son limpios ya que su
combustión produce principalmente vapor de agua como residuo
(García et al., 2012), no produce emisiones de CO2 a la atmósfera
(Jayasinghearachchiet al., 2012).
De los métodos biológicos para producir H2, la fermentación
oscura (FO) de un sustrato orgánico ha recibido atención creciente
en los últimos años, una de las razones es que se realiza a tem93
peratura ambiente y presión atmosférica (Wang et al., 2012), por
lo que no necesita una aportación energética para alcanzar estas
condiciones. Este método se caracteriza por poseer una tasa de generación de H2 alta (alrededor de 100 veces más que con procesos
fotosintéticos), genera H2 de forma continua a una tasa sostenida
(no depende de la energía de la luz), produce metabolitos de interés comercial (ácidos y disolventes orgánicos), es capaz de emplear
residuos orgánicos como sustrato en condiciones no estériles (Vázquez y Varaldo, 2009) lo cual implica una reducción en el costo de
la materia prima y el aprovechamiento de un desecho orgánico.
Además el agua producida puede utilizarse para la irrigación en la
agricultura y los componentes con nitrógeno y fósforo pueden utilizarse en la industria de los fertilizantes (Narasu y Urbaniec, 2013).
Palabras clave: Producción de hidrógeno, fermentación, digestión anaerobia.
Introducción
Existen diferentes métodos convencionales en la producción de
hidrógeno, la mayoría de estos se obtiene mediante procesos termoquímicos a temperaturas elevadas 200–3000 °C, Entre estos métodos se encuentra el reformado con vapor, la oxidación parcial, el
reformado autotérmico y la conversión gas–agua. Estos métodos
se caracterizan por transformar combustibles como la gasolina,
hidrocarburos, amonio, metanol o etanol en sustancias gaseosas
ricas en H2 sin embargo producen una gran cantidad de monóxido
de carbono (CO). Además el H2 se obtiene a partir de gas natural,
aceites pesados–nafta, carbón y electrólisis del agua con el 40%,
30%, 18% y 4% respectivamente (Das y Veziroglu, 2008). El reformado con vapor es actualmente el método más utilizado, por ser
el más económico, el proceso consta de dos etapas, en la primera,
la materia prima (previamente desulfurizada) ingresa a un vaporizador (700–830 °C, 3.5 MPa. Fernandes et al., 2010). Posteriormente los productos son enfriados a 360 °C y la concentración de
CO2 disminuye a un 0.2–0.3% del volumen, el CO2 remanente es
lavado mediante la absorción de etanolamidas. La desventaja del
94
método es la producción de cerca de 7.05 kg de CO2 por 1 kg de H2
producido. Además existen métodos como la pirólisis, co–pirólisis
(500–900 °C y 0.1–0.5 MPa) y la electrólisis alcalina, el intercambio
de protón, celdas de electrólisis con óxidos sólidos, el cracking termoquímico del agua y la fotoelectrólisis. (Bičaková y Straka, 2012).
Producción biológica de hidrógeno (pbh)
El H2 se produce biológicamente mediante diferentes rutas metabólicas, las cuales se agruparse a grandes rasgos en dos grupos,
los dependientes de la luz y los independientes de ella. Los procesos dependientes incluyen la fotólisis directa, indirecta y fotofermentación mientras que en los independientes, básicamente
es la fermentación oscura (Show et al., 2012). Los principales
métodos para la PBH son la biofotólisis (directa e indirecta), la
conversión biológica de agua a gas, fotofermentación, fermentación oscura, celdas de electrólisis microbiana y los métodos con
múlti–etapas integradas. A continuación se presentan cada una.
Biofotólisis (directa e indirecta)
La biofotólisis directa utiliza los sistemas fotosintéticos de las microalgas y cianobacterias para la transformación de la energía
solar en energía química, ocupada para la ruptura de moléculas
de agua y la generación de H2 [2H2O + Energía solar a 2H2 + O2].
En condiciones anaerobias, algunos microorganismos liberan el
exceso de electrones transfiriéndolos a dos grupos de enzimas
(hidrogenasas y nitrogenasas), las cuales convierten los iones de
hidrógeno (H+) en H2, la desventaja de este método es la sensibilidad de las hidrogenasas a la presencia de oxigeno (O2) y la baja
eficiencia de producción (5–15%) además de la necesidad de superficies significativamente amplias para recolectar la luz. Debido
a lo anterior, investigadores buscan identificar o crear microorganismos menos sensibles a la presencia de oxígeno, separar los ciclos de O2 e H2 y cambiar la relación de fotosíntesis a respiración
para prevenir la acumulación de O2. Por otro lado la biofotólisis
indirecta, es un método donde inicialmente se produce biomasa mediante fotosíntesis (algas verdes) bajo condiciones anaero95
bias y limitantes de azufre, después sucede una fermentación con
un rendimiento de 4 y 2 moles de H2 y acetato respectivamente,
por mol de glucosa (los moles de acetato se emplean para producir H2). Las ecuaciones son [6CO2 + 6H2O + Energía solar à
C6H12O6+ 6O2] posteriormente [C6H12O6 + 6H2O + energía solar
à 12H2 + 6CO2] (Bičáková y Straka, 2012, Show et al., 2012).
Fotofermentación
En este proceso, los microorganismos fermentativos capturan
energía directamente de la luz solar y utilizan componentes reducidos (ácidos orgánicos), que funcionan como donador de
electrones, para llevar a cabo una fotosíntesis anaerobia. Las
bacterias desprenden H2 molecular mediante la acción de nitrogenasas, que en ausencia de nitrógeno, reducen a los protones en
H2. La reacción completa es [C6H12O6 + 6H2O + energía luminosa à 12H2 + 6CO2]. Teóricamente se han alcanzado rendimientos
de 4 y 6 moles de H2 por mol de sustrato consumido (ácidos
grasos como acetato y malato) (Patel et al., 2012).
Celdas de electrólisis microbiana (cem)
Combina el metabolismo bacteriano y la electroquímica para
producir H2. Las bacterias se fijan a un ánodo, donde oxidan
componentes orgánicos simples y transfieren los electrones a un
conductor sólido.
Mediante un circuito eléctrico externo, los electrones son
conducidos hasta alcanzar al cátodo, donde reaccionan con agua
para producir H2, el cual se desprende del compartimiento del
cátodo. Es necesario un abastecimiento de energía para proporcionar el voltaje necesario para conducir a los electrones al cátodo y que estos tengan la energía necesaria para reducir al agua
en H2. Ya que el potencial estándar del donador de electrones
(E°acetato=–0.28 V) es más positivo que el del H2 (E°H2=–0.41 V),
el voltaje necesario para la producción de H2 es de~0.13 V, el cual
es 9 veces menor que el voltaje requerido para la electrólisis del
agua (Lee et al., 2010). El rendimiento de este método es bajo y
existen pérdidas de energía durante varias partes del proceso,
96
además es necesario incrementar la tasa de producción de H2, la
máxima reportada es de 0.13 L H2/L h, la cual se considera baja
si se compara con las obtenidas en la fermentación oscura de 7.9
L H2/L h. (Bičaková y Straka, 2012).
Métodos con multi–etapas integradas
Se han propuesto procesos múlti–etapas, los cuales incluyen 3 o
hasta 4 procesos distintos, con el propósito de maximizar la producción de H2. Normalmente se propone iniciar con la fotólisis directa, seguida de una etapa de fotofermentación, la tercera etapa
propuesta es la fermentación oscura donde las bacterias convierten
el sustrato en H2 y ácidos orgánicos. La cuarta etapa es el uso de
mec. mec utiliza los ácidos orgánicos producidos en la fermentación
oscura. La integración de múltiples procesos representa un gran desafío para la ingeniería de reactores, el diseño del sistema, el control
del proceso, la operación y el mantenimiento (Show et al., 2011).
Producción de hidrógeno por vía fermentativa (pfh)
La obtención de hidrógeno por métodos fermentativos, se encuentra inmersa en el proceso de digestión anaerobia, en este
proceso la degradación de la materia orgánica se realiza en ambientes anaerobios por un consorcio microbiano, esto implica
la cooperación de poblaciones de microorganismos que generan
una fermentación estable y autorregulada. Es un proceso anaerobio mediante el cual casi cualquier residuo orgánico puede
ser transformado biológicamente en biogás y en compuestos
orgánicos ricos en energía como productos finales (Khalid et
al., 2011). El proceso se lleva acabo en diferentes etapas, en la
primera etapa, las bacterias hidrolíticas generan monómeros de
carbohidratos y aminoácidos a partir de los sustratos complejos
como polímeros de proteína y polisacáridos. Posteriormente las
bacterias fermentativas generan los ácidos orgánicos, H2 y CO2 a
partir de los monómeros generados. En este punto el H2 y el acetato puede ser consumido y/o producido por varios grupos de microorganismos. El acetato es generado en la acetogénesis a partir
de la reducción de CO2 y H2 por acetógenos autotróficos por la
97
vía Wood–Ljungdahl (Homoacetogénesis). Finalmente, para una
degradación completa de la materia orgánica, se consumenlos
ácidos orgánicos e H2 por metanógenosacetoclásticos/hidrogenotróficos produciendo CH4 y CO2. Cuando están presentes el
azufre y/o nitrato, las bacterias reductoras de azufre o de nitrato
son capaces de utilizar al H2 como donador de electrones, produciendo sulfuros y amonio respectivamente (Valdez y Varaldo,
2009). El esquema general del proceso se muestra en la fig. 1.
En el proceso de digestión anaerobia, se observa que el H2
es un intermediario clave, consumido principalmente por metanógenos, sulfato y nitrato reductores, y homoacetógenos. La
concentración de H2 y la actividad de los microorganismos consumidores de H2 regulan las rutas fermentativas. Dado al rápido
consumo del H2, la concentración es usualmente muy baja y por
lo tanto se establece un tipo de consumidor de H2 que depende
principalmente del inoculo, la concentración de H2, fuente de
carbono, solubilidad del aceptor de electrones y la capacidad de
utilizar concentraciones traza de H2. (Valdez y Varaldo 2009).
Fig. 7A. Rol del H2 en la degradación anaerobia de materia
orgánica por un consorcio microbiano. (Vázquez y Varaldo 2009).
98
Cuando el interés es la producción de H2 será necesario
inhibir la actividad de los microorganismos consumidores de H2,
favoreciendo o enriqueciendo en el inoculo a los microorganismos
productores de H2. Por lo tanto no se lleva a cabo una fermentación
completa a la cual se le denomina como fermentación oscura.
Fermentación oscura
La fermentación oscura (FO) es un proceso en el que los carbohidratos son convertidos, en H2, CO2 y subproductos metabólicos
como etanol y ácidos orgánicos. El proceso se lleva acabo en condiciones suaves a temperaturas relativamente bajas (30–80°C),
en condiciones anaerobias (Patel et al., 2012, Bičáková y Straka,
2012, Narasu y Urbaniec, 2013). La FO se diferencia de los otros
métodos para la PBH en que utiliza sustratos orgánicos como
única fuente de energía y de electrones, incluso puede utilizar
sustratos orgánicos en formas complejas (Celulosa, residuos de
comida, de papel o municipales). Finalmente la operación de dichos sistemas se considera simple en la construcción y presenta
bajas demandas energéticas. (Lee et al., 2010, Oh et al., 2011).
El H2 es un componente clave en el metabolismo de varios
anaerobios y de algunos aerobios. Los microorganismos tienen
la capacidad de usar esta molécula rica en energía cuando se
encuentra disponible en el ambiente y obtiene electrones de su
oxidación para generar energía. En la ausencia de aceptores de
electrones externos, algunos microorganismos disponen del exceso de electrones generados durante el metabolismo al reducir
protones a H2. Depende principalmente de dos enzimas: las hidrogenasas y las nitrogenasas. Estas enzimas catalizan la reacción química [2H+ + 2e – ↔H2] (Patel et al., 2012, Hallenbeck,
2009).
Rutas metabólicas de la fermentación oscura para la
producción de hidrógeno
Actualmente, se conocen tres rutas bioquímicas que generan
H2 en la fermentación oscura, dos suceden en microorganismos
anaerobios estrictos donde el género de Clostridium es un buen
99
ejemplo y la tercera en microorganismos anaerobios facultativos
principalmente del género de Escherichiacoli y Enterobacteriaceae.
Fig. 7B. Diagrama de las rutas metabólicas para la producción
fermentativa de H2 (Oh et al., 2011).
Las abreviaciones significan lo siguiente: AC, acetato; ACCO,
acetil–CoA; ACK, Acetato cinasa; ALD, Alcohol deshidrogenasa;
ETH,Etanol; Fdox, Ferredoxina oxidada; Fdred, Ferredoxina reducida; FHL, Formiato: hidrógeno liasa; FOR, Formiato; GLC,
Glucosa; G3P, Gliceraldehído–3–fosfato; G6P, Glucosa–6–fosfato;
HydA, Hidrogenasa dependiente de ferredoxina; LAC, Lactato;
LDH, Lactato deshidrogenasa; PP pathway, Ruta pentosa fosfato; NFOR, NAD(P)H: ferredoxina oxidoreductasa; PDH, Piruvato
deshidrogenasa; PFL, Piruvato: formiato liasa; PFOR, Piruvato:
ferredoxina oxidoreductasa; PYR, Piruvato (Oh et al., 2011).
100
Fermentación oscura con anaerobios estrictos
Estos microorganismos rompen la molécula de glucosa en piruvato y NADH. El piruvato es convertido posteriormente en acetil–
CoA y CO2 por medio de la piruvato–ferredoxina oxidoreductasa
(PFOR), el acetil–CoA es convertido en acetil–fosfato, lo que da
como resultado, la generación de ATP y la expulsión de acetato. La
oxidación del piruvato en acetil–CoA requiere la reducción de una
molécula de ferredoxina mediante la PFOR. Posteriormente, la ferredoxina es oxidada por una hidrogenasa donde se produce el H2
(Hallenbeck, 2002, Mathews y Wang, 2009, Das y Veziroglu, 2008).
Una producción adicional de H2 puede generarse a partir del
nadh producido durante la glucólisis. El nadh es oxidado mediante la reducción de la ferredoxina y una nadh–ferredoxina
reductasa (nfor), pero sólo a muy bajas presiones parciales de
H2 (<60 Pa) (Mathews y Wang, 2009). Posteriormente una hidrogenasa oxida a las moléculas de nadh y a la ferredoxina para
producir dos moléculas de H2 (Cai et al., 2011).
El rendimiento teórico máximo de H2 con este tipo de microorganismos es de 4 moles de H2 por mol de glucosa y se alcanza cuando el acetato es uno de los productos finales de la
fermentación. La formación de butirato genera rendimientos de
2 moles de H2 por mol de glucosa y rendimientos aún menores
se reportan con la producción de propianato, alcohol y ácido láctico (Mathews y Wang, 2009).
Fermentación oscura con anaerobios facultativos
En esta fermentación, típica en Escherichiacoli y Enterobacteriaceae, se emplean principalmente dos tipos de enzimas;
101
la piruvato:formiatoliasa (PFL) y la formiato:hidrógeno liasa
(FHL). El piruvato formado por la vía de Embden–Meyerhof–
Parnas (EMP) es descompuesto en acetil–CoA y formiato mediante la PFL. Posteriormente el formiato es transformado en H2
y CO2 mediante FHL como se observa en las ecuaciones siguientes (Mathews y Wang, 2009; Oh et al., 2011).
la cual es afectada por varios factores (Tiempo de residencia hidráulica (TRH), concentración del sustrato en el influente, config.
ción del reactor, tipo de agua residual, pH, temperatura, requeri-
miento nutricional y la presencia de productos de fermentación.
De los anteriores, el pH, el TRH y la concentración de sustrato
del influente se consideran cruciales para la producción de H2,
pero de actúan de manera independiente (Zhao et al., 2008)
Sustratos empleados en la producción de hidrógeno
Una gran variedad de sustratos se han utilizado para la pfh, varios estudios de investigación han empleado azúcares simples tales como la glucosa, la sacarosa y el almidón. Sin embargo, para
que un sustrato pueda considerarse potencial para la producción
sustentable de H2, no sólo debe de ser abundante y disponible,
también debe de ser barato y biodegradable. Algunos residuos
empleados para la PFH son: paja–rastrojo y hojas de maíz, hierba ensilada, salvado de arroz, planta de sorgo dulce, bagazo de
caña de azúcar, paja–salvado de trigo, melaza, orina y estiércol de
vaca, ganado, cerdo, zanahorias, piel de pollo, huevo, carne, residuos de comida, desperdicios de cocina y suero de queso. De los
cualesel suero de queso presenta el mayor rendimiento con 290
ml H2/g de SV (Guo et al., 2010). Grandes cantidades de desecho
se generan en los sectores de la agricultura y en las industrias
donde se procesa comida y frutas. El uso de estos desperdicios
permite la generación de energía renovable, la minimización y
102
estabilización de residuos, lo que conlleva su tratamiento y a la
consecuente reducción de la contaminación (Patel et al., 2012).
Los desechos de comida son la principal fuente de pudrición,
olores desagradables en la recolección y transporte debido a la alta
concentración de sólidos volátiles (85–95%) y contenido de humedad (75–85%). La mayoría de los residuos de alimentos se han
tirado en vertederos junto con otros residuos, lo que ha ocasionado varios problemas como la emanación de olores, propagación
de plagas, emisión de gases tóxicos y la contaminación de aguas
superficiales (Han et al., 2005). Los residuos orgánicos generan
lixiviados, estos son uno de los más graves problemas ambientales presentes en los últimos años (Liu et al., 2011). Presentan una
elevada demanda química (dqo) y bioquímica de oxígeno (dbo),
un alto contenido de sales inorgánicas y una alta toxicidad (Gotvajn et al., 2009). Sin embargo, los lixiviados frescos contienen una
fracción orgánica alta (dbo 5 /dqo < 0.6), lo que los convierte en
un sustrato potencial para la producción de hidrógeno a través de
procesos de fermentación anaerobia (Hermosilla et al., 2009).
Liu et al., 2011 empleo lixiviados de desechos orgánicos
como sustrato para la pfh, obtuvo una tasa de producción de
H2 máxima de 220 mL/(L día) y una eficiencia de remoción de
la dqo de 66.9% en un reactor continuo completamente agitado,
con una velocidad de flujo ascendente de 3.7 m/h y un tiempo de
residencia hidráulica de 12 h.
A continuación se menciona la concentración de sustrato y
el pH como dos de los factores que se consideran de mayor importancia en la pfh.
Producción de H2 en cultivos puros y mixtos
Una gran variedad de cultivos puros de bacterias se han utilizado
para producir H2 a partir de diversos sustratos, algunos de los
microorganismos más eficientes en la producción de H2 incluyen
a Enterobactercloacae, Enterobacteraerogenes, Clostridium sp. y
Bacillus sp. (Bičáková y Straka, 2012). Las especies de Enterobacter son gram negativos, con forma de barra y anaerobios facultativos. Las especies del genero Clostridum son gram positivos,
103
anaerobios estrictos, formadores de esporas y poseen forma de
barra. La mayoría de los estudios con cepas puras han empleado
como sustrato carbohidratos puros (Wang y Wan, 2009; Sinha y
Pandey, 2011). Algunos rendimientos en la producción de H2 se
muestran en la Tabla 7C.
Tabla 7C. Cultivos puros de bacterias para la producción
de hidrógeno por fermentación.
Microorganismo
Glucosa
Tipo de
reactor
Lote
Máximo Rendimiento de H2
Clostridiumsp. Fanp2
Sustrato
0.2
mol/l medio
Clostridium butyri-
Xilosa
Lote
0.73
mol/mol xilosa
Glucosa
Lote
2
mol/mol glucosa
Sacarosa
Lote
2.07
mol/mol hexosa
Residuos
Lote
2.2
mol/mol sustrato
ficumm–21
de Quitina
Clostridium thermoce-
B i o m a s a Lote
2.3
mol/mol glucosa
cumcgs5
Clostridium acetobutylicum
Clostridium pasteurianumch4
Clostridium paraputri-
llum27405
Celulósica
Clostridium butyri-
Almidón
Lote
9.95
mmol/g dqo
Celulosa
Conti-
0.3
mol/mol glucosa
Glucosa
Conti-
1.08
mol/mol glucosa
Lactosa
Conti-
3
mol/mol lactosa
Lote
0.007
mol/g dqo
cumcgs2
Clostridiumsp. Strain
no. 2
Clostridium acetobu-
nuo
tylicumatcc 824
Clostridium thermo-
nuo
lacticum
nuo
Pseudomonassp. gz1
Lodo Resi-
Enterobacteraeroge-
Glucosa
Lote
0.05
mol/l medio
Glucosa
Lote
0.1
ml/l medio
dual
nesnbrc 13534
Hydrogen–producingbacterial B49
104
Enterobacter aeroge-
Glicerol
Lote
0.6
mol/mol glicerol
Glucosa
Lote
1
mol/mol glucosa
Almidón
Lote
1.09
mol/mol almidón
Glucosa
Lote
1.2
mol/mol glucosa
Escherichiacoli
Glucosa
Lote
2
mol/mol glucosa
Thermoanaerobacte-
Glucosa
Lote
2.4
mol/mol glucosa
Ruminococcusalbus
Glucosa
Lote
2.52
mol/mol glucosa
Enterobactercloa-
Celobiosa
Lote
5.4
mol/mol celobio-
neshu–101
Enterobacter aerogenesho–39
Enterobacteraerogenes
Escherichia colimc13–4
rium thermosaccharolyticumku001
caeiit–bt 08
Enterobactercloa-
sa
Sacarosa
Lote
6
mol/mol sacarosa
Glucosa
Lote
8.7
mol/mol glucosa
caeiit–bt 08
Citrobacter amalonaticusy19
Thermotogaelfii
Glucosa
Lote
84.9
mmol/l medio
Ethanoligenens harbi-
Glucosa
Conti-
1.93
mol/mol glucosa
Escherchiacoli
Glucosa
Conti-
2
mol/mol glucosa
Enterobacteraeroge-
Melasa
Conti-
3.5
mol/mol azúcar
nenseyuan–3
nuo
nuo
nese 82005
nuo
Las bacterias capaces de producir H2, existen de manera
natural en el ambiente (suelo, lodos de aguas residuales, composta,
entre otros). Así que estos compuestos pueden utilizarse como
inóculos para la PBH por vía fermentativa y son más prácticos
de emplear que aquellos que ocupan cultivos puros, más simples
de operar y de controlar, además de que posiblemente puedan
emplear fuentes más diversas de materia prima (Wang y Wan,
2009, Sinha y Pandey, 2011).
105
Tabla 7D. Pretratamientos utilizados para el enriquecimiento
de bacterias productoras de H2.
Bibliografía
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Inoculo
Pretratamientos estudiados
Sustrato
Tipo de
reactor
Rendimiento máximo de H2
Lodos de digestión
ácido, básico, choque
térmico, aeración y
cloroformo
Glucosa
Lote
1.80
mol/mol
sustrato
Choque térmico
Lodos de estiercol
de ganado
Congelado y descongelado,
ácido, choque térmico y
2-Bromoetanosulfonato de
sodio
Glucosa
Lote
1.00
mol/mol
sustrato
Ácido
Granulosmetanogénicos
Ácido, choque térmico y
cloroformo
Glucosa
Lote
1.20
mol/mol
sustrato
Cloroformo
Lodos de digestión
de aguas residuales
Choque térmico, aeración,
ácido, básico,2-Bromoetano
sulfónico e yodopropano
Sacarosa
Lote
6.12
mol/mol
sustrato
Básico
Lodos anaerobios
2-Bromoetanosulfonato de
sodio, ácido, choque térmico
Agua
residual
lácticas
Lote
0.0317
mmol/g
DQO
2-Bromoetanosulfonato de
sodio
Método óptimo
Fuente: Tabla modificada de Wang y Wan, 2009.
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108
Fermentación sólida: ventajas
y aplicaciones biotecnológicas
Callejas–Hernández F1, Téllez–Jurado A1, Muro–Urista
C2, Arana–Cuenca A1
1Biotecnología/Cuerpo
Académico Aprovechamiento Integral de
Recursos Bióticos, Universidad Politécnica de Pachuca, Carretera Pachuca–Cd. Sahagún, km 20, Ex–Hacienda de Santa Bárbara, Municipio de Zempoala, Hidalgo, Tel. (01 771) 547 75 10
e–mail: [email protected].
2 Departamento de Ingeniería Química, Instituto Tecnológico
de Toluca, Av. Tecnológico s/n Ex Rancho la Virgen, Toluca, CP
52140
Resumen
La fermentación puede ser definida como un proceso de oxidación
de azúcares realizada por un microorganismo que tiene como producto final un compuesto orgánico. Ha sido empleada desde hace
miles de años por antiguas civilizaciones, principalmente en el lejano oriente para la obtención de alimentos y bebidas, sin embargo en
la actualidad ha despertado el interés de diferentes ciencias como la
biotecnología debido a su enorme potencial en la industria en la producción de fertilizantes, ácidos orgánicos, enzimas y, en general, en
alimentos enriquecidos y bebidas; obtenida de manera sustentable
utilizando como fuentes de insumo y energía recursos renovables.
Dependiendo de las condiciones físicas en las que se lleva a cabo
una fermentación (principalmente el porcentaje de humedad) tiene
dos importantes clasificaciones; la fermentación en estado líquido
o fermentación sumergida y la fermentación en estado sólido, dos
clasificaciones muy diferentes entre sí y el actual punto de partida
sobre diversos proyectos de investigación que se llevan a cabo en el
Cuerpo Académico Aprovechamiento Integral de Recursos Bióticos.
Palabras clave: Fermentación, Fermentación en estado líquido,
Fermentación en estado sólido, Biotecnología.
109
Introducción
Descubierta por Louis Pasteur, “la vie sans l´air” (la vida sin el
aire), es decir, la fermentación puede definirse como un proceso
de oxidación de azúcares realizado por un microorganismo en el
que el producto final es un compuesto orgánico [1]. El proceso
de fermentación más común y que sin duda del que todos hemos
escuchado alguna vez es el que realiza la levadura Saccharomyces
cerevisiae en malta de cebada para producir la cerveza. En este
proceso el producto final es el alcohol, un producto orgánico. Sin
embargo, hoy en día, la fermentación se utiliza indistintamente
para determinar un proceso realizado por diversos microorganismos, entre ellos los hongos, las bacterias, la levaduras, y otros,
con aire o sin aire.
El proceso de fermentación ya era utilizado de manera artesanal desde hace miles de años por antiguas civilizaciones en
diferentes partes del mundo, principalmente en el lejano oriente, en la elaboración del koji, el vino y el arroz fermentado para
producir el popular sake de Japón [2]; los populares quesos
fermentados en Francia o simplemente como técnica complementaria para preparar alimentos con aroma. Sin embargo, en
la actualidad forma parte de la industria en diferentes sectores
económicos: en el sector agrícola como sistema de producción
de fertilizantes, hormonas que promueven el crecimiento de las
plantas y biofertilizantes, en el sector alimentario en la producción de alimentos enriquecidos con proteínas y la producción
de bebidas, en el sector farmacéutico y en el sector industrial en
la producción de enzimas (proteínas con actividad catalítica) y
algunos ácidos orgánicos, principalmente [3].
Dependiendo del medio en el que se lleve a cabo la fermentación y el producto que se obtenga, puede tener diversas clasificaciones, pero sin duda, la clasificación más importante en la
investigación científica con aplicación industrial se basa en el
medio físico en el cual se desarrollará el proceso fermentativo,
pues en la gran mayoría de los casos de él dependerá el resultado, o sea: la fermentación en estado líquido y la fermentación en
estado sólido.
110
Fermentación en estado líquido
Actualmente, la técnica de fermentación más utilizada a nivel
industrial es la fermentación sumergida o fermentación en estado líquido (fel) por su simplicidad de operación y su fácil
escalamiento (puede llevarse a cabo en grandes volúmenes sin
afectar la calidad del producto). Los recipientes en los que se
lleva a cabo se llaman fermentadores o biorreactores. En este
proceso, las células del microorganismo empleado se encuentran
dispersas de forma homogénea en un medio de cultivo líquido
(los nutrientes son solubles en agua) alimentándose, creciendo y
multiplicándose al mismo tiempo que el medio de cultivo se va
modificando generando así el producto deseado.
Como todos los seres vivos del planeta, los microorganismos
tienen un ciclo de vida que cumplen dentro de los biorreactores:
una fase lac o latencia (donde el microorganismo se adapta al
medio), fase log o exponencial crecimiento (donde los microorganismos se dividen), fase estacionaria (cuando la cantidad de
microorganismos que se generan es la misma que la que muere
de manera que se genera una población constante) y una fase
de muerte. Una de las características más atractivas de fel es
que puede garantizar que dicho ciclo de vida se lleve a cabo permitiendo controlar diferentes variables fisicoquímicas indispensables para el crecimiento de los microorganismos, como son;
temperatura, pH, oxígeno disuelto y la concentración homogénea de nutrientes dentro del biorreactor, además, diferentes técnicas de biología molecular permiten prolongar la vida de los
microorganismos empleados dentro de los reactores para obtener una mayor cantidad de producto modificando su material
genético (adn).
El desarrollo de nueva tecnología y reingeniería de la fel.
con el paso de los años. también ha permitido, además, generar nuevos tipos de reactores que permiten prolongar procesos
fermentativos por más tiempo permitiendo tener cantidades de
producto constante por más tiempo (fel continua, alimentada,
por lote, entre otros).
111
Fermentación en estado sólido
La fermentación en estado sólido (fes) por su parte puede definirse como el cultivo de microorganismos adheridos a un soporte sólido o semisólido, en el cual el medio de cultivo se encuentra
disperso en una capa fina y se encuentra en contacto con una superficie aérea con cantidades de agua libre bajas. Viniegra–González [4], un pionero mexicano en el uso de la fermentación en
la investigación científica plantea a fes como “un proceso microbiológico que ocurre comúnmente en la superficie de materiales
sólidos que tienen la propiedad de absorber y contener agua, con
o sin nutrientes solubles”. La humedad en un sistema de fermentación sólida puede variar entre el 30 y 80% dependiendo del
soporte de crecimiento usado, el producto buscado y el microorganismo empleado.
El aumento en la popularidad de esta técnica en los últimos
años se debe entre otras cosas a la posibilidad de usar medios de
cultivo mucho más baratos que en fel, principalmente residuos
agrícolas como el trillado de trigo (Retrice) y obtener una mayor
cantidad de producto [5].
Especialmente, la forma de crecimiento de los hongos en
fes los hace los más adecuados para esta técnica ya que pueden
crecer de manera uniforme sobre todo el soporte. Algunos investigadores sugieren que una posible causa de obtener mejores
resultados (en cuanto a producto) en fes se debe a que las condiciones físicas en las que se realiza asemejan más su ambiente
natural de crecimiento, sustentados en que el agua no parece ser
un ambiente natural de crecimiento para los microorganismos,
ni si quiera los microorganismos marinos (en el caso de los hongos) crecen nadando libremente en el agua, aproximadamente
el 98% de esos microorganismos que han sido aislados fueron
encontrados sobre superficies por debajo del agua o creciendo
sobre soportes sólidos, solo menos del 1% han sido aislados de
ambientes completamente marinos [1].
El crecimiento en forma de micelio implica una ventaja adicional a los hongos filamentosos sobre los microorganismos unicelulares en la colonización del soporte sólido y en la asimilación
112
de los nutrientes del medio de cultivo [6]. En algunos casos el
soporte sólido de crecimiento es también la fuente de energía
para el microorganismo (como en su ambiente natural) por lo
que debe estar libre de contaminantes e inhibidores del crecimiento y debe ser capaz de absorber o contener los sustratos
para el crecimiento como carbohidratos, fuentes de nitrógeno y
sales minerales. Estas condiciones se cumplen en la mayoría de
los soportes naturales utilizados en la fermentación sólida como
son el bagazo de caña, el salvado de trigo, la cebada, arroz, etc.
Sin embargo existen también soportes inertes que cumplen con
estos requerimientos y que se han utilizado para la fermentación
sólida como la amberlita, agrolita, tezontle y especialmente, la
espuma de poliuretano, en estos casos dichos materiales solo son
el soporte de crecimiento, el medio de cultivo debe ser suministrado y una vez terminado el ciclo de fermentación pueden ser
reutilizados. Sin embargo como casi todas las nuevas tecnologías
emergentes, no todo son buenas noticias, fes tiene desventajas
que al menos a corto plazo le impedirán sustituir de manera definitiva a fel.
Diferencias entre fes y fel
Como hemos visto anteriormente, la fermentación en estado líquido permite una producción constante y homogénea de producto gracias a que permite el control de las variables fisicoquímicas más importantes que necesita un microorganismo para su
crecimiento (Tabla 8A). Sin embargo la cantidad de producto que
puede obtenerse se ve limitado por dos situaciones; el producto
expulsado al medio de cultivo (es decir, el producto es extracelular) sufre un efecto de dilución por la propia naturaleza del medio y, sin recurrir a la ingeniería genética, la cantidad de producto, aunque constante en la mayoría de los casos, es baja respecto
a lo que se produciría a menor cantidad de humedad (existen
microorganismos que han sido modificados genéticamente generando resistencia al estrés causado por altos niveles de humedad
y agua libre). Por otro lado, en un sistema de fermentación en
estado sólido el producto generado no sufre dilución por lo que
113
la concentración es mayor respecto a fel (Tabla 8A) y es producido en mayor cantidad al asemejarse esta condición al ambiente
natural del microorganismo sin recurrir a la ingeniería genética.
Las diferencias entre ambas condiciones de los sistemas puede
alterar la expresión genética de los microorganismos y con ellos
la generación del producto buscado [7, 8].
Tabla 8A. Comparación entre los sistemas FES y FEL [9].
Parámetro
Fermentación
líquida
Sustrato em- Sustratos solubles.
pleado
Fermentación sólida
Sustratos económicos de
origen agroindustrial y
polímeros insolubles (almidón, celulosa, pectina,
lignina, etc).
Agua
Elevado consumo de Consumo limitado y
agua.
baja actividad de agua
en el medio.
Temperatura
Fácil control, alta Complicado
control,
tasa de transferencia baja capacidad de transde calor.
ferencia calórica en el
soporte.
Aireación
Se requiere la in- Fácil aireación y alto inyección de altos vo- tercambio gaseoso en la
lúmenes de aire, el superficie del soporte.
oxígeno soluble se ve
limitado.
Control de
pH
Fácil control de pH
por la homogeneidad que el sistema
permite.
Difícil control de pH, es
común el uso de sustratos con capacidad amortiguadora y buffers.
La biotecnología y la fermentación
Actualmente diversas disciplinas, entre ellas la biotecnología,
desarrollan alternativas tecnológicas que facilitan el aprovecha114
miento de recursos renovables para generar bienes y/o servicios
de manera sustentable. El uso de desechos agrícolas como fuente de nutrientes, un menor consumo de energía y productos de
mayor calidad (principalmente en el sector agroalimentario) son
algunos de los impactos más significativos que busca la biotecnología.
El principal objetivo de la biotecnología sobre los dos diferentes sistemas de fermentación es buscar la combinación perfecta, tener las ventajas de cada uno en uno solo, o proponiendo
el desarrollo de reactores que permitan escalar a fes, buscando
microorganismos capaces de producir mayores concentraciones
de producto en fel o recurrir la ingeniería genética y así poder
“manipular” el comportamiento de los microorganismos.
Investigadores de diferentes países investigan a nivel genético el comportamiento de los microorganismos en fes y fel,
¿Qué pasa a nivel genético? ¿Por qué un mismo microorganismo puede comportarse de manera diferente bajo distintas condiciones químicas y físicas? Son solo algunas de las preguntas
que la biotecnología busca responder, actualmente con éxito, si
cada gen diferente codifica para una sola proteína, ¿Qué genes
se expresan en una condición fermentativa? Si dichos genes,
pueden ser identificados, con la ayuda de la biología molecular
pueden ser activados y con ello poder generar los productos que
se ven silenciados de manera normal. Por todo lo anterior, en la
Universidad Politécnica de Pachuca (upp), el grupo de trabajo
Aprovechamiento Integral de Recursos Bióticos (airb), gracias
al apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, a través del financiamiento de un proyecto de Ciencia Básica (clave
CB–2011–169354), actualmente desarrolla diversos trabajos de
investigación con el objetivo de resolver esas interrogantes.
Conclusiones
La fermentación ha tenido gran impacto principalmente en la
producción de alimentos desde tiempos remotos, y la clasificación de este sistema en líquido y sólido en base a los avances
científicos más recientes demuestran claramente la superioridad
115
de fes sobre fel, a nivel laboratorio, en cuanto a productividad,
calidad de producto y el bajo costo de los procesos. Sin embargo
esa superioridad se ve frenada por la necesidad de diseñar biorreactores y realizar estudios genéticos que nos permitan tener
las ventajas de ambos sistemas en un microorganismo genéticamente modificado. Por ello, en la biotecnología estos procesos
han despertado gran interés como nuevas tecnologías emergentes productoras de alimentos y enzimas (principalmente) utilizando fuentes de energía baratas y de manera sustentable. Sería injusto concluir que un sistema es más adecuado que otro,
no hay una base clara de comparación hasta el momento, sin
embargo, la línea de investigación comprometida en encontrar
fuentes alternativas y más baratas de energía por la biotecnología es alentadora.
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117
Efecto del almacenamiento a diferentes
humedades relativas en la permeabilidad
al vapor de agua de películas de harinas
adicionadas con montmorillonita–Na+
Rodríguez–Marín M. La., Castro–Rosas,J.b, Gómez–Aldapa C. A. b, Falfán Cortés R. N.a
aPrograma
de Cátedras Conacyt en:
Licenciatura de Química en Alimentos/Cuerpo Académico de
Química en Alimentos, Instituto de Ciencias Básicas e Ingenieria, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo (uaeh), Ciudad del Conocimiento, Carretera Pachuca–Tulancingo km. 4.5.
42183, Mineral de la Reforma, Hidalgo, México. Tel. 771 7172000
ext 2516, e–mail: [email protected]
Resumen
Las películas fueron elaboradas mediante gelatinización térmica,
usando harina de plátano y de arroz, glicerol como plastificante y se les
adicionó monotmorillonita de sodio como material de reforzamiento.
Las películas se vaciaron en cajas de petri, y se secaron a 35 °C durante 24 h. Una vez obtenidas, se les determinó la isoterma de sorción de
humedad, y para la permeabilidad al vapor de agua, se almacenaron
por 7 días a 40, 75 y 90% de humedad relativa. Las isotermas de sorción mostraron que la presencia de MMT Na+ incrementa la absorción de humedad de las películas de harina de arroz en condiciones de
altas humedades relativas (HR >90%). Después del almacenamiento
(HR = 40, 75 y 90%) y al evaluar la permeabilidad al vapor de agua; se
encontró que la permeabilidad disminuye en función del incremento
de la humedad relativa, y este efecto se ve disminuido en presencia de
montmorillonita de sodio. Además, las películas elaboradas con harina de arroz mostraron un decremento en la permeabilidad al vapor de
agua en comparación con las películas de harina de plátano.
Palabras clave: Humedad, Montmorillonita, Permeabilidad al vapor de agua.
118
Introducción
Los empaques a base de polímeros sintéticos han contribuido a la
contaminación ambiental, debido a su uso intensivo y que sus residuos son resistentes al ataque microbiano y/o degradación ambiental, y por ello se han desarrollado empaques biodegradables [1].
Se utilizan polisacáridos, proteínas y lípidos, así como la
mezcla de estas macromoléculas para la elaboración de películas
biodegradables. Las películas hechas a base de almidón presentan ciertas desventajas, son frágiles y quebradizas, y no cumplen
con las características que se requiere en la industria de los alimentos [2].
La adición de plastificantes dentro de la formulación de las
películas de almidón, evita la fragilidad de estas, ya que les proveen flexibilidad y extensibilidad, debido a que reducen las fuerzas intermoleculares e incrementan la movilidad de las cadenas
de almidón [3–4].
Por otro lado, las harinas son una mezcla natural de macromoléculas y representan una alternativa para obtener este tipo
de materiales. Actualmente, la tendencia para mejorar las características de las películas biodegradables es adicionar nanopartículas, las cuales permiten mejorar sus propiedades mecánicas
y de barrera [5].
La montmorillonita de sodio (MMT Na+) es una de las nanopartículas más usada para el mejoramiento de las propiedades
de los materiales de empaques. Sus capas de silicatos, tienen un
papel importante en las propiedades de barrera de películas de
almidón, ya que inhiben la difusión de moléculas permeantes
(vapor de agua y oxígeno) [6].
Es importante conocer si factores ambientales, como la humedad relativa afectan la permeabilidad de las películas.
Mediante isotermas de sorción es posible analizar el efecto
de la humedad relativa del ambiente sobre la higroscopicidad
de las películas, así como la permeabilidad al vapor de agua [2].
En este estudio se evaluó el efecto del almacenamiento a
diferentes humedades relativas en la permeabilidad al vapor de
agua de las películas de harina de arroz y de harina de plátano.
119
Materiales y métodos
Materia prima
Granos de arroz var. “Morelos A–98”, frutos de plátano macho
en madurez fisiológica (madurez de cosecha, el fruto presentaba
color verde opaco y costillas pronunciadas), MMT Na+ comercial
(Sigma Aldrich # 68259) como material de reforzamiento y glicerol (Fermont 56–81–5) como plastificante se usaron para la elaboración de las películas nanocompuestas. Se utilizó bromuro
de sodio (NaBr, Fermont 15902) para acondicionar las películas
y cloruro de sodio (NaCl, Fermont 7647–14–5) para la determinación de permeabilidad al vapor de agua.
Para isotermas de sorción se usaron soluciones saturadas de:
acetato de potasio (CH3 COOK, Fermont 127–08–2), cloruro de
potasio (KCl, Fermont 7447–40–7), carbonato de potasio (K2CO3,
584–08–7), Cloruro de estroncio (SrCl2 6H2O, 10025–70–4), cloruro de sodio (NaCl, 7647–14–5) y cloruro de bario (BaCl, 1032–
27–9).
Elaboración de la harina de arroz
Los granos de arroz enteros se molieron en un molino Ika–Werke, la harina obtenida se pasó por un tamiz conteniendo una malla número 100 (150 mm de abertura), posteriormente se almacenó en un recipiente hermético hasta su análisis.
Elaboración de la harina de plátano
Los frutos de plátano macho en estado de madurez fisiológica se
pelaron y se cortaron en rodajas de aproximadamente un centímetro de espesor. Inmediatamente se vertieron en ácido cítrico
(3 g /L), para evitar la oxidación del fruto; posteriormente se colocaron en bandejas y se sometieron a un proceso de secado a 50
± 1 ºC durante 24 h.
Finalmente, una vez secos las rodajas de los frutos se molieron en un molino Cyclotec (1093 Sample Mill), la harina se pasó
a través de un tamiz numero 40 (0.038 mm). Se almacenó en un
recipiente hermético.
120
Elaboración de películas nanocompuestas a través del
método vaciado en placa (casting)
Se elaboraron las películas a través de gelatinización térmica o casting, mediante el método propuesto en [2] con
modificaciones. Se mezclaron directamente 2 g de harina
y con 0.4 g de glicerol (equivalente al 20% del peso de la
harina) con 60 mL de agua destilada. Por separado una
dispersión de MMT Na+ 0.3 g (equivalente al 15% del peso
de la harina) en 40 mL de agua destilada se agitó durante
30 min, después esta dispersión se colocó en un baño sonicador durante 30 min.
Posteriormente, se adicionó la dispersión de MMT Na+ a la
solución filmogénica. La solución se calentó en una parrilla a
70 °C por 10 min, después se incrementó hasta 85 °C durante
20 min, para finalmente enfriar a temperatura ambiente, manteniéndose en agitación constante (125 rpm) durante 1 h.
Las suspensiones gelatinizadas se vaciaron inmediatamente sobre cajas de Petri estériles de poliestireno. Las suspensiones se secaron a 35 °C en una estufa durante 24 h, transcurrido
este tiempo, se desprendieron las películas de las cajas de Petri.
Estas se almacenaron a 25 ± 2 °C y a una humedad relativa de
57%, provista de una solución saturada de bromuro de sodio
(NaBr).
Isotermas de sorción
Las isotermas de sorción de humedad de las películas fueron medidas a 25 °C, usando soluciones salinas saturadas para obtener
diferentes humedades relativas (22, 33, 42, 52, 70, 75, 84 y 90%).
Siguiendo la metodología descrita en [7].
Permeabilidad al vapor de agua (PVA)
La permeabilidad al vapor de agua de las películas (PVA) se determinó empleando el método gravimétrico estándar de la ASTM
[8] conocido como el “método de la copa” o “celda de prueba”.
121
Resultados y discusión
Evaluación de las Isotermas de sorción
La adsorción de humedad es un índice importante de la sensibilidad de las películas a la humedad del ambiente. Las curvas
de sorción de humedad de las películas de harina de plátano y
de harina de arroz adicionadas con MMT Na+ se muestran en
la fig. 1 puede notarse que la forma de la isoterma es de tipo II
(sigmoidal), esta forma corresponde a la clasificación del tipo de
isotermas de UIPAC y Brunauer. Las películas muestran un comportamiento similar a un valor de Aw > 0.52 [9].
Estas isotermas tipo II presentan una pendiente leve a baja
Aw, formando un punto de inflexión y un incremento exponencial a alta Aw, tal como se observa en la fig.1, este comportamiento es típico en polímeros hidrofílicos sensibles al vapor de
agua como lo son las películas de almidón, gluten y celulosa. Al
incrementar los valores de Aw (Aw > 0.62) la presencia de MMT
Na+ incrementa la absorción de humedad de las películas de harina de arroz, en estas películas existe menos interacción entre la
MMT Na+ y los componentes de la harina en comparación con la
harina de plátano, por lo tanto, pueden existir sitios disponibles
(OH) para la absorción de humedad a altos valores de Aw.
De acuerdo en [10] la presencia de MMT Na+, no tiene un
efecto significativo en las disminución de absorción de humedad,
lo cual se atribuye a la presencia del catión Na+ y su gran habilidad de absorción de moléculas de agua en el espacio intercapa.
Se calculó la absorción en la monocapa y se obtuvieron los
siguiente valores, HPControl= 0.0128, HPMMT Na+ =0.0126;
HAControl =0.0134, HAMMT Na+ = 0.0141. El valor de la monocapa tuvo un decremento cuando se adicionó MMT Na+ en las
películas HPMM Na+, indicando que la MMT Na+ puede disminuir la absorción de humedad en la superficie de la película,
122
Fig. 9A. Curvas de isotermas de sorcion de humedad de las
películas de harinas de arroz (HA) y de harina de plátano (HP)
adicionadas con MMT Na+.
Sin embargo, en las películas de harina de arroz el valor de
la monocapa incrementa, lo cual puede estar relacionado con la
dispersión de la MMT Na+ en la matriz de esta película, y a la
existencia de sitios disponibles para enlazar moléculas de agua,
el carácter hidrofílico en esta película (HAMMT Na+) aumenta
(0.82 de Aw), esto puede ser atribuido a las interacciones entre la
MMT Na+ y los componentes no amiláceos de la harina de arroz
(proteínas), lo cual provoca una estructura laminada abierta con
sitios disponibles para las moléculas de vapor de agua[11].
Efecto de la humedad relativa en la permeabilidad al
vapor de agua (PVA) de películas de harina de arroz y de
harina de plátano
Los valores de permeabilidad de las películas de harina de arroz
y harina de plátano adicionadas con montmorillonita de sodio a
diferentes humedades relativas (40, 75 y 90%) se muestran en la
123
fig. 2, las películas adicionadas con MMT Na+ presentan un decremento de PVA en comparación con la película control. El almidón puede formar enlaces puente de hidrógeno con los grupos
hidroxilos de la MMT Na+ y esta estructura reduce la difusión de
las moléculas de vapor de agua a través del material. Un comportamiento similar ya ha sido reportado por diversos autores
[12–14],
Fig. 9B. Permeabilidad al vapor de agua de las películas
nanocompuestas de harina de arroz (HA) y harina de plátano (HP)
adicionadas con MMT Na+ y acondicionadas a 40%, 75% y 90%
de humedad relativa (HR).
§Barras de error estándar con letras iguales (para cada muestra)
no son estadísticamente significativas (p>0.05).
De acuerdo con la teoría de Nielsen una ruta tortuosa alrededor de las partículas de montmorillonita de sodio hace que las
moléculas permeantes sigan un camino de difusión más largo
a través de las películas [15]. El modelo de Nielsen supone que
cada capa de la arcilla es orientada perpendicularmente a la ruta
de la molécula permeante, entonces la reducción de la permeabilidad inicia a partir de la gran ruta de difusión que las moléculas
deben seguir debido a la presencia de las capas de silicato de la
montmorillonita de sodio [10].
124
Por otro lado el almacenamiento a humedades relativas de 40 y
75% no tuvo un efecto significativo en la disminución de la pva.
Sin embargo a 90% se observa un decremento de la pva en las
películas de harina de arroz. Este comportamiento es consistente
con lo observado en las isotermas de sorción (fig. 1.) en donde a
humedades relativas por encima de 75% hay un incremento en
el contenido de agua.
Por otro lado, las películas de harina de plátano mostraron
un aumento de la pva a 90% de humedad relativa, este comportamiento puede atribuirse a la fibra presente en la harina, que
interactúa con la MMT Na+ formando una estructura amorfa
con espacios intermoleculares que permite el paso fácil de las
moléculas de agua, una estructura abierta representa una gran
difusión de moléculas permeantes [16]. El almacenamiento a
humedades relativas constantes permite que la película gane un
contenido de agua, esto corresponde a los sitios saturados enlazantes, que predominantemente son de las moléculas del almidón, como consecuencia de la saturación de esos sitios corresponde a la combinación de los enlaces puente de hidrógeno del
almidón con agua y por otra parte, tanto agua y glicerol unidos al
almidón o bien, almidón/MMT Na+/glicerol. En trabajos previos,
se ha hipotetizado que el glicerol compite con el agua por los
sitios activos en la película, promoviendo la agrupación de agua
y el aumento del volumen libre en los polímeros constituyentes
de la películas a bajas humedades relativas, y se comprobó que
el glicerol tiene efecto significativo en la difusión de vapor de
agua en las películas, por lo que, los cambios en el volumen libre
aumentan los valores de permeabilidad [17].
Conclusiones
A humedades relativas altas (90%) la permeabilidad al vapor de
agua de las películas nanocompuestas de harina de arroz y harina de plátano disminuye.
El carácter higroscópico de las películas nanocompuestas
tanto de harina de arroz como de harina de plátano aumenta a
humedades relativas mayores al 75%.
125
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127
Utilización del Almidón de amaranto
(Amaranthus hipochondriacus)
en la tecnología de secado por aspersión
Falfán–Cortés, RN*., Martínez–Bustos, F**., Gaytán–Martínez, M***., Gómez–Aldapa CA*
Licenciatura en Química en Alimentos, Cuerpo Académico de
Química en Alimentos, icbi, Universidad Autónoma del Estado
de Hidalgo. Ciudad del Conocimiento, carretera Pachuca – Tulancingo, km 4.5, Col. Carboneras, Mineral de la Reforma, Hidalgo,
México. CP 42184. Tel, 7717172000 ext. 2518, e–mail:
Resumen
Recientemente, almidones con propiedades y funcionalidades diferentes han atraído el interés de distintos grupos de investigadores y
de la industria, para diversas aplicaciones. El objetivo de este trabajo fue extraer almidón de amaranto nativo y dar una aplicación
a dicho polímero modificado en la tecnología alimentaria, utilizándolo como material de pared para evaluarlo como encapsulante de
bacterias probióticas. A partir de la extracción húmeda–alcalina,
se obtuvo un almidón nativo con un contenido de humedad de
10.1%, un porcentaje de proteína alto (3.2%), un extracto etéreo
de 1.7% y 0.8% de cenizas. Dentro de la caracterización química
se obtuvo un porcentaje de amilosa de 12.37%, característica peculiar del almidón de amaranto, así como un tamaño de gránulo
de aproximadamente 1–3 µ. De acuerdo al perfil de viscosidad del
almidón nativo, se obtuvieron los siguientes parámetros: viscosidad máxima de 1771 cP, viscosidad mínima de 1135 cP, viscosidad
final (1203.50 cP) y finalmente una viscosidad de retrogradación
de 68.50 cP. Las propiedades térmicas del almidón extraído fueron:
temperatura de inicio (64.20ºC), temperatura de pico (69.41ºC) y
temperatura final de gelatinización (75.26ºC); y una entalpía de gelatinización (ΔH) de 10.49 (J/g). El almidón nativo fue modificado
químicamente y por extrusión, los almidones obtenidos (fosfatado, acetilado y succinatado) fueron evaluados como material de
128
pared en el proceso de secado por aspersión, evaluándose como
control un almidón comercial, se determinó la sobrevivencia de
bacterias probióticas Bifidobacterium breve ATCC 15700 y Lactobacillus casei ATCC 334 después del secado por aspersión, obteniendo excelentes resultados para todos los almidones modificados
de amaranto, al igual que el almidón comercial. Las microcápsulas
presentaron una actividad de agua entre 0.36 a 0.45, con humedades de 3.8 a 6.2%, resultado de las condiciones de secado, con
una forma definida y cavidades típicas sobre la superficie, con un
tamaño menor a 50µ.
Palabras clave: Almidón, amaranto, encapsulación, probióticos.
Introducción
Recientemente almidones con propiedades y funcionalidades
diferentes han atraído el interés de distintos grupos de investigación y de la industria para diversas aplicaciones. El amaranto
es considerada un pseudocereal, la planta crece en condiciones
de baja disponibilidad de agua, suelos pobres, altitudes elevadas,
y ante la presencia de infinidad de plagas; es decir, es tolerante
a condiciones ambientales adversas, bajo las cuales, los cereales tienen pocas opciones, por lo que el amaranto tiene un gran
potencial económico [1]. La familia Amaranthaceae comprende
más de 60 géneros y 800 especies de plantas herbáceas, anuales
y perennes. El género Amaranthus (significa inmortal en griego) tiene tres especies que producen grandes vainas repletas de
granos, A. hypochondriacus y A. cruentus, cultivadas en Mesoamérica, y A. caudatus en Perú; diversos materiales genéticos derivados de estas especies son originarios de Mesoamérica y de
aquí migraron a otras regiones del mundo [1,2]. Los granos de
amaranto contienen aproximadamente 4% de cenizas, 3.1–11.5
de lípidos, 15–22% de proteína, 9–16% de fibra dietaría, y 58–
66% de almidón. Las gluteninas, representan la mayor fracción
proteica en el grano de amaranto en un rango de 42–46%, del
total de proteína, las cuales son solubles en solución alcalina [3].
Actualmente, el amaranto es considerado un cultivo alternativo
129
e investigadores en muchas partes del mundo se han centrado en
la mejora de las características agronómicas de la planta, la calidad nutricional y la tecnología de procesamiento de los granos.
El componente más abundante de las granos de amaranto es el
almidón, el cual se encuentra localizado en el perispermo, este
contenido es reportado en un rango de 48% a 69% (base seca)
dependiendo de las especies, y esta reportado que contiene de
92% a 95% de amilopectina [4]. Diferentes investigadores han
reportado métodos de extracción para el almidón de amaranto
a escala laboratorio, ya que debido al tamaño de su gránulo es
un proceso difícil. Los métodos más utilizados son a través de la
molienda húmeda–alcalina; sin embargo, altas concentraciones
de álcali provocan daños en la calidad del almidón e incrementan costos [3]. El almidón nativo es un buen estabilizador de textura y regulador en sistemas alimentarios, aunque, limitaciones
como la baja resistencia al corte, resistencia térmica, descomposición térmica y alta tendencia a la retrogradación, insolubilidad
en agua y alta viscosidad, limitan su uso en algunas aplicaciones
industriales en alimentos. Sin embargo, estas deficiencias del almidón se han podido superar, por ejemplo, mediante la introducción de pequeñas cantidades de grupos iónicos o hidrofóbicos
en las moléculas del polímero. Las modificaciones del almidón
alteran las propiedades del polímero, incluyendo viscosidad de
la solución, el comportamiento de asociación, y la estabilidad de
conservación en la vida de productos finales. Otro propósito de
la modificación del almidón es estabilizar los gránulos durante
el procesamiento y hace al almidón adecuado para muchos alimentos y aplicaciones industriales [5]. Ésteres de almidón son
un grupo de almidones modificados, en los que algunos grupos
hidroxilo han sido reemplazados por grupos éster. Los reactivos
aprobados por la fda para la preparación de monoésteres de
almidón son el anhídrido acético, acetato de vinilo, anhídrido
succínico, anhídrido 1–octenil succínico y tripolifosfato de sodio. Los tres tipos de ésteres de almidón más estudiados son: a)
almidón acetilado, se prepara principalmente haciendo reaccionar al almidón con anhídrido acético, b) almidón succinatado y
130
alquenilsuccinato, que se producen por la reacción del almidón
con anhídrido succínico y anhídrido succínico sustituido con
grupos alquenil y c) almidón fosfatado resultante de la reacción
del almidón con tripolifosfato y/o trimetafosfato de sodio [6]. Por
otro lado, los probióticos son definidos como microorganismos
vivos, que cuando son administrados en cantidades adecuadas
confieren beneficios a la salud de los consumidores [7]. Estos
microorganismos son típicamente miembros del género Bifidobacterium y Lactobacillus, especies comúnmente asociados con
el tracto gastrointestinal humano [8]. Para que un microorganismo se considere un probiótico, este debe ser de origen humano,
no patógeno, resistente al procedimiento, estable en secreciones
ácidas y biliares, adherirse a la pared epitelial, tener la capacidad
de persistir en el tracto gastrointestinal y tener influencia en la
actividad metabólica local del organismo [9]. El uso de bacterias
probióticas como complemento en la dieta, puede proveer varios
beneficios en el sistema digestivo. El más frecuente mencionado,
es que nos ayuda a controlar los microorganismos patógenos en
el tracto gastrointestinal [10], así como ayudar con problemas
relacionados con la intolerancia a la lactosa, gastroenteritis aguda, alergia a algún alimento, dermatitis atópica, enfermedad de
Crohn, artritis reumatoide y cáncer de colon, entre otros [11].
Sin embargo, para que las bacterias probióticas proporcionen
efectos benéficos al huésped, estas deben ser estables y metabólicamente activas en el producto, en el cual han sido incorporadas, además de sobrevivir al paso por la parte superior del
aparato digestivo y presentar resistencia a enzimas hidrolíticas
y altas concentraciones de sales biliares en el intestino [12]. Por
tal razón se ha recurrido a la microencapsulación de probióticos
utilizando diferentes materiales de pared y métodos de encapsulación, en los que destaca el secado por aspersión, debido a
su bajo costo y alta cantidad de producción de material (polvo
seco). Por todo lo anterior, el objetivo de este trabajo fue obtener
almidón de amaranto (fuente no convencional) mediante la extracción húmeda–alcalina, modificar el almidón mediante esterificación y finalmente obtener microcápsulas con probióticos con
131
una concentración adecuada que pueda ser útil como aditivo en
la industria alimentaria mediante secado por aspersión.
Materiales y métodos
Granos de amaranto (Amaranthus hipochondriacus), variedad
nutrisol, fueron donados por el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP México). En
este estudio fueron utilizadas las cepas de Bifidobacterium breve
ATCC 15700 y Lactobacillus casei ATCC 334, como microorganismos probióticos, obtenidos de la colección de cepas “American
Type Culture Collection” (ATCC*, Manassas, VA). Fue utilizado
como control, el almidón de maíz ceroso, hidrolizado enzimáticamente y modificado, N–lok, obtenido de National Starch and
Chemical de México, S.A. de C.V.
Extracción del almidón de amaranto
La extracción del almidón de amaranto se realizó a través de una
molienda húmeda–alcalina con algunas modificaciones [3,13]. 1
Kg de grano de amaranto se colocó en un recipiente y se agregaron 1.5 L de hidróxido de sodio (NaOH) 0.1 N, de manera que el
grano quedó totalmente cubierto por la solución, se dejó 24 h en
reposo con agitación repentina. Se utilizó una solución de NaOH
0.1N para solubilizar las glutelinas encontradas en el grano de
amaranto. Se lavó el grano con agua hasta retirar totalmente los
residuos de NaOH, posteriormente, se realizó una molienda húmeda con hielo en un molino de piedras (Fumasa), la suspensión
de amaranto molido fue tamizada, con la finalidad de obtener
el almidón, a través de una serie de mallas con abertura de 841
µm, 595 µm, 420 µm, 250 µm, 177 µm, 149 µm, 74 µm y 62.5 µm,
mientras se enjuagaba el residuo que quedó en la malla con una
solución fría de bisulfito de sodio (NaHSO3) 0.1 N. Se centrifugó
la suspensión a 2500 rpm por 10 min en un equipo hirme Labortechnik, Germany modelo Z513K, el precipitado fue extendido
en recipientes de aluminio y secado en un horno Felisa a 40 °C,
posteriormente se molió en un equipo Mini Pulvex modelo 100 y
finalmente se tamizó usando una malla con abertura de 250 µm.
132
Caracterización química y morfológica del almidón de
amaranto
El contenido de humedad se determinó de acuerdo al método
934.0, para el contenido de proteína se utilizó el método 32.1.22
con algunas modificaciones en un equipo micro Kjeldhal Gerhardt (el factor de conversión utilizado para el amaranto fue
5.85), la determinación del extracto etéreo se realizó de acuerdo
al método 30.10, cenizas se determinó por el método 942.05 [14].
Se obtuvo el contenido de amilosa [15]. La caracterización morfológica de los gránulos se llevó a cabo por microscopía electrónica de barrido [16].
Perfiles de viscosidad
Se obtuvo el perfil de viscosidad en un equipo 3C Rapid Visco
Analyzer (Newport Scientific pty ltd, Sydney Australia). Se colocaron 2.5 g (base seca) de muestra cribada por una malla de
250 µm, adicionando la cantidad de agua destilada necesaria para
alcanzar un peso total de 28 g de suspensión en un recipiente de
aluminio. La muestra se colocó en el viscosímetro, el cual produce
una agitación rápida durante 10 s, para luego estabilizarse a velocidad constante de 75 rpm. La temperatura inicial de 50 °C fue
mantenida durante un minuto y posteriormente elevada a 92 °C a
una velocidad de calentamiento de 5.6 °C/min. Una vez alcanzada
esta temperatura, se mantuvo constante durante 5 min; el enfriamiento se llevó a cabo a la misma velocidad, hasta alcanzar 50
°C. La temperatura final se mantuvo constante durante 2 min y el
tiempo total de la prueba fue de 23 min, manteniendo una agitación constante durante todo el análisis.
Propiedades térmicas
Para llevar a cabo los análisis térmicos se usó un calorímetro
diferencial de barrido (DSC Mettler Toledo modelo 821). 3 mg de
muestra molida y cribada con malla 60 (250 µm) y 7 mg de agua
destilada fueron colocados en un crisol de aluminio de 40 µL,
que fue sellado con una prensa Mettler Toledo. El crisol se colocó
en el equipo; la muestra fue sometida a calentamiento desde 30
133
hasta 100 °C, a una velocidad de calentamiento de 10 °C/min. Del
termograma obtenido se determinaron los siguientes parámetros:
temperatura de inicio (To), temperatura final (Tc), temperatura
de pico (Tp), así como la entalpía de gelatinización (ΔH).
Esterificación del almidón nativo
Previa hidrolisis, almidones hidrolizados fueron esterificados
[17]. La fosfatación de almidón se realizó en un extrusor de tornillo simple (cinvestav–ipn). Las temperaturas del barril fueron
50, 130 y 170 ºC en las zonas de alimentación, de transición y de
alta presión, respectivamente, con una velocidad de tornillo de
80 rpm y de alimentación de 35 rpm, relación de compresión del
tornillo de 2:1 y un dado con un diámetro de salida de 4.0 mm.
Se emplearon 4 g de tripolifosfato de sodio/100 g de almidón
acondicionado a 25% de humedad, pH de 4.5–5.0 y almacenadas en bolsas de polipropileno a 4 ºC. Posteriormente, las muestras fueron extrudidas y molidas a 250 μm. Para la acetilación se
dispersaron 100 g de almidón hidrolizado por ácido en 230 mL
de agua destilada, se ajustó el pH a 8.0 con solución acuosa de
NaOH al 3% y se adicionaron por goteo 2.5 g de anhídrido acético/100 g de almidón en agitación constante. La suspensión de
almidón se mantuvo en agitación por 10 min adicionales después
de la adición del reactivo y posteriormente fue centrifugada a
6000 rpm durante 10 min. La pasta del almidón succinatado fue
secada en un horno Felisa a una temperatura de 40 ºC por 24 h,
luego molido en un equipo (Mini Pulvex modelo 100) y cribado
en una malla de 250 µm [18]. Una vez llevada a cabo la modificación química, las muestras fueron acondicionadas a 25% de
humedad y extrudidas en las mismas condiciones de extrusión
descritas para la fosfatación de almidón. Finalmente se realizó la
succinatación, se preparó una suspensión en agua al 30–35% de
sólidos del almidón (base seca), se mantuvo en agitación constante y se le adicionó por goteo, anhídrido n–octenil succínico en
una proporción de 2 mL/100 g de almidón en base seca, durante
2 h y se ajustó continuamente a un pH de 8.0–8.5 con una solución de NaOH al 3%. Se mantuvieron las mismas condiciones
134
durante un tiempo total de 6 h. Posteriormente se ajustó el pH a
5.0 y la suspensión fue centrifugada a 6000 rpm, durante 10 min
en una centrifuga Heme Labortechnik, Germany modelo Z513K.
Se llevaron a cabo 2 lavados del sedimento con agua destilada
para eliminar residuos del reactivo. La pasta del almidón succinatado fue secada en un horno Felisa a una temperatura de 40
ºC por 24 h, luego molido (Mini Pulvex modelo 100) y cribado en
una malla de 250 µm [17].
Microencapsulación de Bifidobacterium breve ATCC
15700 y Lactobacillus casei ATCC 334
Las células de ambas bacterias fueron obtenidas separadamente
después de la activación por doble transferencia en caldo Lactobacilli MRS, sobre condiciones de anaerobiosis a 37 °C por 48
h. El paquete celular obtenido fue resuspendido en 10 mL de
una solución al 12% de leche reconstituida, la suspensión celular
(con ~109 UFC g–1) fue mezclada con una solución de almidón
modificado (acetilado, succinatado o fosfatado) y almidón control, se usaron 20 g (base seca/100 mL de agua destilada estéril) y
homogenizadas previo al secado por aspersión. Las microcápsulas fueron preparadas por el proceso de secado por aspersión en
un secador SD–Basic de LabPlant (Huddersfield, UK). El conteo
bacteriano en las microcápsulas se realizó utilizando el método
de vaciado en placa [19].
Sobrevivencia después del proceso del secado por aspersión
El recuento bacteriano después del secado por aspersión se realizó por triplicado por el método de vaciado en placa. Se tomaron
1 g de microcápsulas y se colocaron en 9.0 mL de diluyente citrato de sodio al 2%, posteriormente con la ayuda de un equipo vortex se rompieron las microcápsulas. Se tomó 1 mL de la solución
y se colocó en 9 mL de solución diluyente de peptona; se realizaron 8 diluciones más de la muestra. Posteriormente se tomó una
alícuota de 1 mL de las 1° a 8° diluciones y se colocaron en cajas
Petri para luego agregarles agar MRS y homogeneizarlas. A conti135
nuación, las cajas fueron incubadas (incubadora Thermo Forma)
a 37 °C durante 36 h y se realizó el recuento de colonias (contador
de colonias Felisa). La viabilidad de las bacterias fue determinada
en la suspensión de almidón por el método de vaciado en placa
(con ~109 UFC g–1) antes del proceso de secado por aspersión, obteniendo las UFC, inmediatamente después del proceso se realizó
el conteo bacteriano en el polvo recolectado [19].
Caracterización de las microcápsulas después del secado por aspersión
El contenido de humedad de las microcápsulas fue determinado
por diferencia de peso en las muestras antes y después del secado
en estufa a 100 ºC en presencia de sílica gel durante 24 h (o peso
constante) y para la determinación de la actividad de agua de las
microcápsulas se empleó un equipo Aqua Lab CX– 2 (USA), las
muestras fueron colocadas en contenedores propios del equipo y
la medición se realizó a 25 °C. Se observaron las microcápsulas
mediante microscopia electrónica de barrido bajo el mismo procedimiento y condiciones en que fue observado el almidón nativo.
Resultados y discusión
Caracterización química y morfológica del almidón de
amaranto nativo
El almidón nativo de amaranto presentó un valor de humedad
de 10.1%, este valor es similar a lo reportado por otros autores
[20, 21]. Para el almidón nativo de amaranto se obtuvo 3.2% de
proteína (base seca), valor relativamente alto comparado con
la extracción realizada con tratamientos enzimáticos y moliendas húmedas durante la extracción del polímero. Investigadores
reportaron que el contenido de proteína del almidón de Amaranthus mantegazzianus fue de 1.47%, lo cual fue un resultado
menor que lo encontrado en el presente trabajo, esta diferencia
puede atribuirse al método de extracción con el que se aisló el
almidón [22]. Otros autores reportaron valores entre 0.10% a
0.22% de proteína, sin embargo, durante el proceso de extracción se utilizaron enzimas proteasas que dieron como resultado
136
un bajo contenido proteico, lo que hace al proceso de un elevado
costo [3]. Se obtuvieron valores del extracto etéreo de 1.7% para
el almidón nativo de amaranto, estos valores son similares a los
reportados por otros autores [23]. Se ha reportado, para el almidón de amaranto, un contenido de grasa de 0.2%, las variaciones
en el porcentaje de grasa fueron atribuidos a las diferentes especies de amaranto [24]. Finalmente, dentro de la caracterización
de almidón nativo se encontró un contenido de cenizas de 0.8%,
este valor es similar a lo reportado por otros autores [23], el grano de amaranto está constituido por una importante cantidad
de minerales como fósforo, potasio, magnesio, hierro y calcio,
entre otros, los cuales no son separados completamente durante
la extracción alcalina del almidón [25]. El contenido de amilosa
es un factor importante que afecta ciertas propiedades del almidón, como la capacidad de hinchamiento, la solubilidad y la
formación de geles [26], el porcentaje de amilosa para el almidón
extraído fue de 12.38%, lo que se traduce en un alto contenido de
amilopectina, existe una gran variedad de porcentajes de amilosa reportados en la literatura para el almidón de amaranto, que
van desde el 5.79% hasta el 24.2%, lo que puede ser atribuido al
método de extracción del almidón, factores ambientales y biológicos [21, 27], es importante destacar que el bajo contenido
de amilosa en el almidón de amaranto, es una propiedad muy
importante para sus aplicaciones futuras en la industria alimentaria y farmacéuticas, siendo este almidón una alterativa ante
otros cultivos, (Posición fig. 10A).
El examen microscópico de los gránulos finos de almidón
de amaranto mostró uniformidad en la forma hexagonal y de tamaño muy pequeño, el cual varió de 1 a 5 µm (fig. 1). Se observó
que el método de extracción no dañó estas características de los
gránulos. Los gránulos están íntegros sin grietas, ni daño alguno.
En la microfotografía se observa que los gránulos de almidón de
amaranto forman aglomerados, este fenómeno es muy común
en los gránulos pequeños, lo que se atribuye a los residuos de
proteína y lípidos que no son removidos durante la extracción
del almidón [28].
137
Fig. 10A. Microfotografía de los gránulos de almidón nativo de
amaranto obtenido por molienda húmeda–alcalina.
Perfiles de viscosidad
Por lo general, los almidones en estado nativo, presentan una
naturaleza hidrofílica, son poco solubles en agua fría y producen
pastas de alta viscosidad. Al ser suspendidos en agua y calentados, los gránulos del almidón nativo de amaranto, se obtuvieron
los parámetros de viscosidad, obteniéndose valores de viscosidad
máxima de 1771 cP, viscosidad mínima de 1135 cP, viscosidad
final de 1203.50 cP y finalmente una viscosidad de retrogradación de 68.50 cP. Resultados similares fueron reportados por
otros investigadores para el almidón de amaranto nativo [27].
Es importante mencionar que el comportamiento del perfil viscoamilografico del almidón de amaranto muestra un comportamiento normal, similar al de los almidones de cereales y raíces.
Ha sido reportado que la viscosidad del almidón de amaranto
presenta valores más bajos de viscosidad en comparación con almidones de cereales convencionales, la posible razón a este comportamiento es debido al bajo contenido de amilosa presente en
el amaranto y al tamaño de gránulo [20]. Además, las cadenas
138
de corta longitud del almidón de amaranto (amilosa), podrían
explicar la baja viscosidad que presenta este almidón, debido a
que moléculas más grandes contribuyen más a la viscosidad en
una solución o emulsión, desde un punto de vista reológico. Por
otro lado, cabe mencionar que propiedades como el bajo valor
de retrogradación obtenido a partir del perfil viscoamilografico,
le confieren características importantes al almidón de amaranto,
como la estabilidad ante el enfriamiento y posiblemente el bajo
grado de sinéresis del almidón, por lo que este puede ser de gran
potencial para el uso de agentes espesantes, aplicado como aditivo en salsas, sopas frías y productos refrigerados. Ha sido reportado que el almidón de amaranto presenta mayor estabilidad
a condiciones de enfriamiento que el almidón ceroso de maíz
y el de plátano [24].
Propiedades térmicas
A partir del termograma del almidón nativo, se obtuvieron los parámetros térmicos que incluyen: temperatura de inicio (64.20 ºC),
de pico (69.41 ºC) y final de gelatinización (75.26 ºC). Con respecto a la temperatura de gelatinización, los resultados fueron
similares a los reportados por otros investigadores para el almidón nativo de amaranto [23, 29]. El método de extracción es un
factor que puede inducir variaciones en las propiedades térmicas del almidón [3]. Con respecto a la entalpía de gelatinización
(ΔH) se obtuvo un valor de 10.49 (J/g). Investigadores reportaron
un valor de 2.58 (J/g), valor bajo comparado con el obtenido en
este trabajo, de acuerdo al valor obtenido de ΔH, podría indicar
una mayor compactación en la estructura molecular interna y
un mayor grado de cristalinidad en el mismo, comparado con
aquellos de menor ΔH [27]. Las variaciones entre muestras en la
estructura cristalina producen diferencias en las temperaturas
de gelatinización. Los granos poco compactos presentan generalmente gránulos de almidón de mayores tamaños (>10 μm).
Los gránulos con cristalinidad alta muestran altas temperaturas
y entalpías de gelatinización [30].
139
Sobrevivencia después del proceso del secado por aspersión
El almidón nativo fue modificado químicamente, se realizó la
fosfatación, la acetilación y la succinatación. Estos almidones
modificados fueron empleados para la microencapsulación de B.
breve ATCC 15700 y L. casei ATCC 334, en la tabla 1 se presentan
los resultados obtenidos para la sobrevivencia de B. breve ATCC
15700 y L. casei ATCC 334 durante el proceso de secado por
aspersión. Se observó que la microencapsulación por secado por
aspersión es un proceso eficiente que puede producir grandes
cantidades de material. Sin embargo, esta económica y efectiva
tecnología es raramente considerada para la microencapsulación
de microorganismos debido a la alta mortalidad, resultado
de la deshidratación e inactivación térmica que sufren los
microorganismos. El efecto del secado por aspersión sobre la
membrana de la célula puede conducir a un incremento en la
permeabilidad de la célula, que podría dar como resultado la
salida de componentes intracelulares desde el interior de la célula
hacia el medio que la rodea. La membrana citoplasmática es la
más susceptible al estrés asociado por el secado, la pared celular,
el adn y el arn también son afectados, dando como resultado
una pérdida en la actividad metabólica [31]. De manera general,
se puede observar que los almidones acetilado y fosfatado de
amaranto presentaron las menores pérdidas de microorganismos,
en comparación con el almidón succinatado y el control (N–lok).
Fueron reportadas, para Bifidobacterium lactis, pérdidas de 1 a 3
Log de acuerdo a las condiciones de proceso de secado; mayores
pérdidas en la sobrevivencia de las células microencapsuladas
se encontraron en función al incremento en la temperatura de
entrada y salida del secador, materiales como el acetato ftalato
de celulosa fueron evaluados, garantizando la protección de los
microorganismos durante el proceso del secado; sin embargo este
material es utilizado en la industria farmacéutica como aditivo
entérico de costo elevado [32]. En otro estudio, Bifidobacterium
longum (BCRC 14605) y Lactobacillus acidophilus (BCRC 14079),
fueron microencapsulados, utilizando la tecnología de secado por
140
aspersión, empleándose como materiales de pared una mezcla de
maltodextrinas y goma arábiga; los autores reportaron eficiencias
del proceso de secado entre el 45.65% y 52.38%, además evaluaron
el efecto de la temperatura de entrada para cada microorganismo,
donde encontraron un decremento de la sobrevivencia de ambos
microorganismos con el incremento de la temperatura de entrada
del secador. También reportaron que la concentración final de
ambos géneros fue superior a 107 UFC/g después del secado
por aspersión, lo cual es un resultado favorable de acuerdo a las
recomendaciones como mínimo para efectos terapéuticos, estos
resultados son similares a los obtenidos en este trabajo [33]. Para
el caso de Lactobacillus casei ATCC 334, la sobrevivencia después del
secado fue mayor a 108 UFC/g, resultado favorable de acuerdo a lo
recomendado con el fin de producir beneficios terapéuticos. Para
Lactobacillus casei ATCC 334, se observó que el mejor material que
protegió estas células durante el proceso de secado por aspersión
fue el almidón de amaranto fosfatado, seguido del succinatado
de amaranto y N–lok. Comparando la sobrevivencia entre cada
género, se observó que se presenta una mayor sensibilidad a las
condiciones de secado por el género Lactobacillus, esto concuerda
con lo reportado por otros investigadores [32]. Para Lactobacillus
rhamnosus GG (LGG), el cual fue microencapsulado por secado
por aspersión y liofilización, se presentaron pérdidas menores
a 2 Log UFC/g, sin embargo, los mejores resultados fueron para
los microorganismos que fueron encapsulados por secado por
aspersión con respecto a los liofilizados, los autores reportaron
que las posibles diferencias con lo reportado en la literatura,
con respecto al mejor método, es posiblemente resultado de las
condiciones de liofilización [34]. En general, todos los almidones
modificados de amaranto presentaron buena protección sobre
las condiciones del secado por aspersión, incluso comparándolo
con el almidón comercial N–lok, el cual es un almidón de costo
elevado, por lo anterior, los almidones obtenidos en el laboratorio
y de una fuente no convencional, están ofreciendo ventajas sobre
su aplicación como material de pared durante el secado de los
microorganismos,
141
Tabla 10B. Sobrevivencia de microorganismos B. breve ATCC
15700 y L. casei ATCC 334 durante el proceso de secado
por aspersión encapsulados con diferentes almidones
modificados de amaranto.
Caracterización de las microcápsulas después del secado
por aspersión
Se obtuvieron microcápsulas (polvos obtenidos después del
proceso de secado) para el género Bifidobacterium, las cuales
mostraron una actividad de agua en un rango de 0.31 a 0.36,
y humedades entre 3.8% a 6.2%, estos valores son similares a
los reportados por otros investigadores para polvos, obtenidos
después del secado por aspersión, quienes reportaron que estos
parámetros disminuyen con el incremento de la temperatura
de secado [32]. Para el género Lactobacillus se obtuvieron
actividades de agua entre 0.32 y 0.45 y contenidos de humedad en
un rango de 4.5% a 5.8%. Similares resultados a los encontrados
para el género Bifidobacterium, considerando que fueron
las mismas condiciones de secado para todos los materiales
analizados. En general, los microorganismos presentan una
mayor sobrevivencia a bajas actividades de agua, sin embargo,
después del estrés provocado por el secado, podría disminuir la
sobrevivencia. El bajo contenido de agua inducido por el secado
por aspersión, proporciona una reducción significante en la
difusividad y por lo tanto en el transporte de oxígeno al interior
de las células (Bifidobacterium bifidum), lo que da como resultado
un incremento en la sobrevivencia de los microorganismos [33].
El bajo contenido de humedad y actividad de agua encontrados
en las microcápsulas podría favorecer la sobrevivencia de los
142
microorganismos encapsulados. Por otro lado, las microcápsulas
de Bifidobacterium breve ATCC 15700 (dato no mostrado)
y Lactobacillus casei ATCC 334 (fig. 2) fueron similares en
morfología y tamaño. Presentaron una cobertura uniforme de las
células y no se observó evidencia de la presencia de células en el
exterior de las microcápsulas. La forma de las microcápsulas, en
todos los materiales de pared, fue característica de microcápsulas
producidas por secado por aspersión con identaciones en la
superficie, como resultado de la evaporación rápida del agua. A
temperaturas más elevadas de secado por aspersión, el efecto de
indentaciones en la superficie de las microcápsulas, disminuye
por un efecto de expansión rápida de las partículas. La presencia
de indentaciones afecta negativamente el libre flujo de los polvos,
debido a que conduce a la formación de agregados [35]. El
tamaño de las microcápsulas fue menor a 20 micras en todos
los almidones modificados, esta característica puede contribuir
a reducir el impacto sobre la textura cuando se incorporan en
un sistema alimenticio. Los probióticos son demasiado grandes
(generalmente 4.1 µm) para la nanotecnología, por lo que la
microencapsulación es una herramienta útil para mejorar la
viabilidad de los probióticos activos [36].
143
Conclusiones
A través de la molienda húmeda es posible obtener almidón de nativo con buenas características fisicoquímicas y estructurales, los
almidones modificados de amaranto (fosfatado, acetilado y succinatado) presentaron excelentes propiedades para la encapsulación eficiente de microorganismos probióticos durante el secado
por aspersión. Las microcápsulas obtenidas presentaron buenas
características, principalmente en la sobreviviencia de los microrganismos Bifidobacterium breve ATCC 15700 y Lactobacillus casei
ATCC 334 después del secado por aspersión, así como en el tamaño de estas (menor a 50 µ), lo cual representa una ventaja, si estas
son adicionadas a diferentes matrices alimentarias, ya que podría
esperarse un menor impacto de la textura en alimentos en los que
las microcápsulas sean adicionadas. Es importante el estudio de
diferentes fuentes de almidones, ya que estos pueden ofrecer diferentes ventajas y aplicaciones en la encapsulación de una gran
variedad de principios bioactivos. En nuestro grupo de trabajo,
uno de los objetivos a seguir, es continuar en la búsqueda de información sobre la microencapsulación por diferentes métodos,
utilizando fuentes novedosas de materiales de pared, así como
una gran variedad de compuestos bioactivos, los cuales puedan
ser utilizados en la industria alimentaria y que estos cumplan con
las características de estabilidad y puedan proporcionar un efecto
benéfico en la salud del consumidor.
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148
Análisis fisicoquímico y determinación
de actividad antioxidante
del capulín (Prunus serotina)
Castañeda–Ovando, A.,* Martínez–Torres, E., Contreras–López,
E., Jaimez–Ordaz, J., Añorve–Morga, J., González–Olivarez, L.G.
*Cuerpo
Académico de Propiedades y Funcionalidad de Alimentos, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Carr. Pachuca–Tulancingo, km 4.5, Mineral de la Reforma, Hidalgo, México.
CP. 42184. Tel. 01(771)7172000, ext. 2512, e–mail: ovandoa@
uaeh.edu.mx
Resumen
El objetivo del presente trabajo de investigación fue la caracterización fisicoquímica y el análisis de la actividad antioxidante del fruto de capulín (Prunus serotina). El análisis proximal y azúcares reductores se realizó por separado a la pulpa, piel, hueso y el capulín
entero con la finalidad de identificar la composición química. Los
resultados obtenidos se compararon con los reportados en otros
trabajos de investigación, existe variación debido a las diferencias
que existen entre las especies. El capulín entero presentó una composición del 62.42% de humedad, 0.88% cenizas, 0.50% de grasa,
3.10% de proteína, 11.93% de fibra y 21.17% de carbohidratos. Los
azucares reductores del capulín entero fue de 0.13 g/g de fruto, en
comparación con otros frutos reportados como las ciruelas (Spondias purpurea) que oscilan entre 0.11 y 0.52 g/100 g. Los °Brix del
capulín se obtuvo un promedio de 18.33, pH 4.83, acidez 8.5 mg
ácido tartárico/100g de capulín y la capacidad antioxidante de 403
mg TE/100 g de capulín. El resultado de la actividad antioxidante
del capulín es alto en comparación con otros frutos ricos en antioxidantes por lo que su consumo se sugiere, así mismo la aplicación
de este fruto en la industria alimentaria.
Palabras clave: actividad antioxidante, análisis fisicoquímico, capulín.
149
Introducción
Prunus serotina (Rosaceae) es un árbol de 60–90 metros de altura,
nativo del norte de América, ampliamente distribuido en México,
comúnmente llamado ‘’capulín”, o cereza negra americana [1].
La corteza ha sido utilizada por pueblos indígenas de las regiones de América del Norte para los síntomas relacionados con
la diabetes y tradicionalmente para el tratamiento de enfermedades inflamatorias, tales como fiebre, frío, y dolor de garganta.
Se sabe que ejercen propiedades contra el cáncer y los efectos
antiproliferativos a través de la regulación a la baja de la ciclina
D1 expresión en células humanas de cáncer de colon [1].
Los frutos de P. serotina se utilizan en la medicina tradicional
mexicana para el tratamiento de la diarrea y la tos. Estas frutas
son también parte de la dieta mexicana, y se consumen frescas,
secas o preparadas en mermelada [1].
Hace algunos años se realizó un estudio de este fruto; de
acuerdo a las estadísticas, resultó que es una especie de poca
importancia económica, con una superficie cultivada de 78 hectáreas, una producción de 293 toneladas, con un valor de producción de $774,000.00 y entre los estados productores destacan
el Distrito Federal y el Estado de México [2].
Este hecho es de esperarse, ya que no se han dado más usos a
este fruto, por lo que su impacto industrial y económico es inversamente proporcional a las propiedades que tiene. En este sentido, se ha estudiado que el capulín contiene como antocianinas
mayoritarias a la cianidina–3–glucósido y la cianidina–3–rutinósido [3], lo que lo hace viable para utilizarlo en la elaboración de
otros productos con propiedades funcionales.
Materiales y métodos
Muestras
Las muestras de capulín (3.380 kg) con la que se trabajó se adquirieron en un establecimiento comercial. Una vez lavados los
frutos, a 2.2 kg se les extrajo el hueso y la pulpa; los pericarpios
resultantes se liofilizaron, con la finalidad de conservarlos para
los análisis posteriores. El resto se congeló a –5 °C.
150
Análisis proximal
El análisis proximal se realizó a muestras de capulín entero, pulpa, piel y hueso del fruto de capulín. Todos los análisis siguieron
las metodologías de la AOAC [4].
Humedad
El contenido de humedad se llevó a cabo mediante el método
AOAC 925.09, por secado en estufa. En charolas de aluminio a
peso constante se colocaron muestras de 5 g y se llevó a peso
constante en una estufa a 105 °C por un tiempo de 4 horas. El
procedimiento se realizó por triplicado.
Cenizas
Para la determinación de cenizas totales por el método AOAC
923.03 se utilizaron crisoles a peso constante, se colocaron de 2 a
3 g de muestra y se incineró en parrilla de calentamiento hasta la
desaparición del humo. Posteriormente, los crisoles se llevaron a
una mufla a 550 °C por 6 horas aproximadamente. El análisis se
realizó por triplicado.
Grasa cruda
El contenido de grasa se determinó mediante el Método AOAC
920.39 (Método Soxhlet). Para lo cual, se colocó la muestra libre
de humedad, en un dedal de celulosa y se introdujo en el equipo Soxhlet. En un matraz balón de 250 mL a peso constante se
adicionaron 150 mL de éter de petróleo, se procedió a calentamiento moderado hasta la extracción de grasa. Para finalizar se
recuperó el solvente y el resto se eliminó colocando el matraz en
una estufa a 65 °C. El análisis se realizó por triplicado.
Proteína cruda
La determinación se realizó por el método AOAC 990.03 (Método
Dumas). En una cápsula de estaño se pesaron aproximadamente
100 mg de muestra libre de grasa y humedad, y se introdujo en
un equipo Dumas LECO FP–528. La muestra se sometió a una
combustión a 800 °C para convertir todo el nitrógeno presente
151
en la materia orgánica a nitrógeno gaseoso, para convertir este
último en % de proteína, se utilizó un factor de conversión de
6.25. La determinación se realizó por triplicado.
Fibra cruda
La determinación de fibra se realizó por el método AOAC 7.073.
Se pesaron de 1 a 2g de muestra libre de humedad y grasa y se
colocaron en un vaso de Berzelius de 600 mL. Se procedió a una
digestión ácida con H2SO4 al 1.25% por 30 minutos a reflujo, se
filtró en una tela de lino y se prosiguió con una digestión básica
con NaOH al 1.25% por 30 minutos a reflujo. Se filtró la muestra
no digerida con la misma tela de lino, se colocó el resto de la
muestra y la tela en un crisol y se llevó a peso constante en estufa
a 105°C por 1 hora. Se incineró en una parrilla de calentamiento
hasta desaparición de humo y colocó en una mufla a 550 °C por
6 horas. Se realizó por triplicado, analizando un blanco para los
cálculos finales.
Determinación de azúcares reductores
Se realizó la determinación de azúcares reductores a muestras de
capulín entero, piel, pulpa y hueso. La determinación se realizó
por el método del ácido 3,5–dinitrosalicílico (dns), el cual se
basa en la reducción del dns (de color amarillo) por los azúcares
reductores al ácido 3–amino–5–dinitrosalicílico de color rojo
previo calentamiento por 5 minutos a 100 °C. Después, se tomó
la lectura de la absorbancia a λ=540 nm en un espectrofotómetro
GENESYS 10S UV–VIS, se preparó una serie de estándares a
partir de una solución patrón de glucosa para realizar la curva de
calibración. Las muestras se analizaron por triplicado.
Determinación de sólidos solubles totales (°Brix)
Se añadió al prisma 5 gotas del jugo del fruto y se determinó el
porcentaje de sólidos solubles totales directamente en la escala, a
18 ºC. Se utilizó un refractómetro digital Reichert AR200.
152
Determinación de pH
Se pesaron 75 g del fruto de capulín sin hueso, molido en 200 mL
de agua destilada se tomaron las lecturas de pH directamente en
un potenciómetro pH/ORP/ISE Meter (HANNA H3221).
Determinación de acidez titulable
Se pesaron 75 g de capulín sin hueso y molido, se mezclaron con
200 mL de agua destilada y se llevó a calentamiento a 70 °C por
1 hora, se filtró y el residuo se lavó con agua caliente, se aforó a
500 mL. Se tomaron alícuotas de 25 mL y se adicionaron 75 mL
de agua previamente hervida y fría. Se valoró con una solución
de NaOH 0.1N por el método descrito en la NMX–F–102–S 1978
y expresado en mg de ácido tartárico/100g de capulín.
Determinación de la actividad antioxidante
La actividad antioxidante del fruto de capulín se determinó mediante el método del DPPH. Se preparó una solución patrón con
Trolox (antioxidante de referencia) y se realizó una curva patrón, utilizando el DPPH (2,2–Diphenyl–1picrylhydrazyl) como
secuestrante de radicales libres, se tomaron las absorbancias en
un espectrofotómetro UV–VIS a 515 nm. El resultado se expresó
como mg de trolox/100 g de muestra.
Determinación de fenoles totales
Curva de calibración
La cuantificación se realizó utilizando el reactivo de Folin–Ciocalteau (tungstofosfato y molibdofosfato). Para ello, se preparó
una curva de calibración en el intervalo de 0 a 30 mg/L de ácido
gálico; a cada uno de los estándares se les agregó 1.5 mL de reactivo de Folin–Ciocalteau y 4 mL de carbonato de sodio al 7.5%,
los matraces se mantuvieron en agitación en vortex durante 1
min y las soluciones se aforaron a 10 mL con agua destilada. Los
estándares se colocaron en un baño de agua precalentado a 50°C
y se incubaron durante 10 min. A continuación, se midieron las
absorbancias a 760 nm.
153
Extracto de capulín
Se pesaron aproximadamente 5 g de capulín y se agregó 100 mL
de agua destilada. Se tomó una alícuota de 500 µL del extracto
de capulín y se trasnfirieron a un matraz volumétrico de 10 mL,
adicionando 1.5 mL de reactivo de Folin–Ciocalteau y 4 mL de
carbonato de sodio al 7.5%, completando el volumen con agua
destilada. Después, se incubó a mezcla a 50 °C durante 10 min,
tomando las lecturas de absorbancia a 760 nm. El análisis se
realizó por triplicado.
Medida de antocianinas
Obtención del extracto
La extracción se realizó de acuerdo al método descrito por Giusti
y Wrolstad [5]; por lo que, se pesaron 50 g de piel de capulín liofilizado y se sumergieron en 500 mL de solución de HCl al 2% en
etanol, manteniéndose en maceración por 24 horas. Posteriormente, la solución se filtró y el filtrado obtenido se aforó a 500
mL con solución etanólica acidificada al 2%.
Determinación de antocianinas monoméricas
El contenido de antocianinas se determinó mediante el método
de pH diferencial descrito por Wrolstad y colaboradores [6]. Se
tomaron 2 alícuotas de 1 mL de extracto y se transfirieron a dos
matraces volumétricos de 10 mL. Las soluciones de los extractos se aforaron con de KCl 0.025 M (pH 1) y con una solución
amortiguadora de acetatos (pH 4.5), respectivamente. Después
se obtuvieron los espectros en el intervalo de 250–750 nm.
Resultados y discusión
Análisis proximal
Los resultados obtenidos del análisis proximal del fruto del capulín que se muestran en la Tabla 1, difieren con los resultados
reportados por otros autores [7,8], sobre todo en el contenido de
proteína y carbohidratos.
154
Tabla 11A. Análisis proximal del fruto de capulín
La variabilidad de los resultados obtenidos y los reportados se le
atribuye a la diferencia que existen entre las especies de los frutos
de capulín, a las condiciones ambientales, variedad, madurez del
fruto, tipo de suelo en donde se cultivan los frutos, manejo de
muestra y forma en que se expresan los resultados, ya que en
algunos casos sólo se reporta como la parte comestible del fruto.
Azúcares reductores
Se tomó como referencia la curva patrón con glucosa para la
obtención de los resultados, donde se obtuvo un coeficiente de
correlación de 0.999. Es importante mencionar que el contenido
de azúcares reductores pueden ser interferentes en los análisis
de actividad antioxidante y fenoles totales por ser especies
reactivas. Los resultados se muestran en la Tabla 2, en la que se
puede apreciar que la pulpa es la principal fuente de azúcares
reductores, seguida de la piel.
Tabla 11B. Azúcares reductores del fruto de capulín (n=3).
155
La mayor concentración de azúcares reductores se encuentra en
la pulpa de capulín con una concentración de 196.33 mg/g de
muestra, la menor concentración está en el hueso de capulín con
una concentración de 18.51 mg/g de muestra.
Parámetros fisicoquímicos
Se obtuvo un promedio de 18.33 °Brix del fruto de capulín, con
un valor mayor en comparación con el contenido de sólidos solubles totales de la ciruela (Spondias purpurea) que oscilan de
7.0 a 15.6 ºBrix [9] o en pulpa de vid Palieri de 13 °Brix [10]. El
pH del capulín obtenido es de 4.83 como se muestra en la Tabla
3; este valor no tiene variación significativa en comparación con
el pH de la pulpa de vid Palieri de 4.50 [10], en cambio la pulpa
de frutos colectados en poblaciones silvestres y cultivadas de diferentes variedades de ciruelas mexicanas Spondias purpurea L.
en Jalisco, Colima y Nayarit con un valor de pH de 2.7 a 3.3 [9].
Como se puede observar en el fruto de capulín, aún con un pH
de 4.83 se conserva el color del fruto, lo que indica que hay otros
componentes en el fruto que estabilizan las antocianinas, responsables del color.
El valor de la acidez del fruto de capulín es de 8.50 mg de ácido tartárico/100 g de capulín, este no varía significativamente al
compararlo con la acidez de 0.86% de la pulpa de vid Palieri [10].
Recientemente el interés por estudiar alimentos con aporte
de antioxidantes es más frecuente, en la Tabla 3 se muestra que
el fruto de capulín es fuente de antioxidantes y compuestos fenólicos.
La actividad antioxidante del capulín es de 398.73 mg de Trolox por 100 g de fruto fresco. Esta propiedad es dada, sobre todo,
por las antocianinas presentes en la piel de los frutos, y proporcionan colores desde el rojo o azul al púrpura [11].
Comparando la actividad antioxidante del capulín con otros
frutos rojos como el de las cerezas de 3.365, la ciruela de 6.259
y las fresas de 3.577 µmol TE/100g [11]. Dado los resultados el
fruto de capulín (Prunus serotina) es una muy buena fuente de
antioxidantes que pueden beneficiar a la salud humana,
156
Tabla 11C. Resultados para los parámetros fisicoquímicos
evaluados para el capulín
Conclusiones
El fruto del capulín tiene propiedades que se pueden utilizar para
el desarrollo de otros productos alimenticios. De todos los parámetros fisicoquímicos medidos, cabe resaltar a las antocianinas
monoméricas, fenoles totales y actividad antioxidante, los cuales
fueron valores altos, lo que permite que el fruto del capulín sea
aprovechado para la elaboración de bebidas, confites o jaleas con
propiedades benéficas para la salud (actividad antioxidante).
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158
Cólera y su agente etiológico
Rangel–Vargas Esmeralda,* Castro–Rosas Javier*,
Gómez–Aldapa Carlos Alberto*, Falfán Cortés Reyna
Nallely1 y Rodríguez Marín María Luisa1
*Licenciatura
de Química en Alimentos/ Cuerpo Académico de
Química en Alimentos, Instituto de Ciencias Básica e Ingeniería,
Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo (uaeh), Ciudad del
Conocimiento, Carretera Pachuca–Tulancingo km. 4.5. 42183
Mineral de la Reforma, Hidalgo, México. Tel. 771 7172000 ext.
2516. 1Investigador colaborador por las Cátedras Conacyt, Licenciatura en Química en Alimentos, uaeh.
e_mail: [email protected]
Resumen
El cólera es una enfermedad infectocontagiosa de origen alimentario, caracterizada por presentar diarrea profusa y la cual tiene
como agente la bacteria Vibrio cholerae. A lo largo de la historia se
han presentado siete pandemias (aunque ya se habla de una octava
pandemia), las cuales se describen en este artículo y en las que se
observa que este padecimiento se ha vuelto endémico en países pobres donde las condiciones de higiene son mínimas, lo cual provoca la propagación de dicho enfermedad. Nuestro país ha sido uno
de los países que ha sido afectado por algunas de estas pandemias.
Sin embargo, tanto la prevención como la propagación de dicho
agente etiológico puede ser evitado manteniendo las condiciones de
higiene adecuadas por lo cual la vigilancia de este microorganismo
tanto en el ambiente como en alimentos se ha vuelto importante,
sobre todo en épocas de desastres naturales donde las condiciones
tanto ambientales como de higiene suelen conjuntarse para mostrarse adecuadas para la proliferación de este microorganismo.
Palabras clave: Cólera, Vibro cholerae, pandemias.
159
El cólera
El cólera es uno de los padecimientos que ha provocado innumerables muertes a lo largo de la historia. El más dramático
ejemplo documentado, fue el ocurrido en 1994 en los campos de
refugiados Rwandeses en Goma, Zaire, con 14 000 defunciones
[1]. El cólera ha afectado muchas partes del mundo. Tan sólo de
1992 a 1993 se reportaron 800 000 caso de cólera en el hemisferio oeste con 8 000 defunciones [2]. En nuestro país entre 1991 y
1993 se registraron 21 564 casos con 326 defunciones [3].
El cólera es una enfermedad aguda e infecciosa. Fue descrita
antes de la época de Hipócrates en el siglo v a. de C. [4]. En Asia,
entre los siglos xv y xviii se describieron varias epidemias de la
enfermedad. A mediados del siglo xix John Snow, en Inglaterra,
fue el primero en describir las medidas de prevención de la enfermedad con base en estudios epidemiológicos de la epidemia ocurrida en Londres [4]. En 1833 Roberto Koch descubrió el agente
causal del cólera y lo describió como un bacilo curvo de gran
movilidad, al que llamó Vibrio comma [5].
Desde principios de siglo xix hasta nuestros días, se han registrado siete pandemias de cólera que partieron todas ellas del
lejano Oriente, en su mayoría del subcontinente Indio, especialmente de la región de Bengala, hoy representada por la provincia
de Calcuta y la República de Bangladesh [5]. La evidencia epidemiológica indica que las primeras seis fueron causadas por el
biotípo clásico de Vibrio cholerae O1. Este biotipo “desapareció”
en casi todas las regiones que afectó, al menos por dos razones:
la inmunización contraída al afectarse amplios segmentos de la
población, y la dificultad del bacilo para sobrevivir en el ambiente exterior. En contraste, la séptima pandemia que comenzó en
1961 en las islas Sulawesi (Indonesia), es causada por el biotipo
El Tor de Vibro cholerae O1, el cual posee menor virulencia, patogenicidad y letalidad que el biotipo clásico, pero mayor capacidad de sobrevivir en el medio ambiente [6, 4]. Además, este biotipo se difunde más lentamente en la población, aunque persiste
por años en muchos territorios invadidos. Mientras el biotipo
clásico ha ido desapareciendo dejando sólo un reducto en Ban160
gladesh, El Tor muestra tendencia a persistir en el ecosistema de
muchos países, tornándose endémico [4].
El cólera es una de las causas más importantes de morbilidad y mortalidad en algunos países de Asia y de África, y desde
1991 también en Latinoamérica [7, 8, 9]. La enfermedad es la
expresión de un proceso infeccioso intestinal causado por V. cholerae O1, patógeno exclusivamente humano.
Manifestaciones clínicas, dosis infectante y periodo de
incubación
El cólera se origina por la liberación de una toxina una vez que el
V. cholerae ha colonizado el intestino humano. El padecimiento
es una enfermedad intestinal aguda y grave en algunos casos,
que se caracteriza por la aparición brusca de diarrea acuosa y
abundante, vómitos, deshidratación rápida, acidosis, colapso
circulatorio, taquicardia, taquipnea, hipotensión, alteraciones
en el sistema nervioso central como estupor, convulsiones, contracciones musculares involuntarias y coma [4]. En ausencia de
tratamiento, la muerte puede ocurrir en 80% de las víctimas en
un periodo tan corto como 10 a 18 h a partir del comienzo de
los síntomas [10]. El examen coprológico muestra heces liquidas
abundantes con aspecto de agua de arroz. Con frecuencia en las
heces es posible la aparición de moco, células epiteliales y grandes cantidades del patógeno (>106 células/mL) [11]. El examen
histopatológico del instestino delgado y grueso revela hiperemia,
y como V. cholerae no es un patógeno invasivo, no existe respuesta inflamatoria [12]. La infección es en ocasiones asintomática, o
sólo provoca una leve sintomatología. En el primer caso, las personas infectadas excretan al microorganismo en números elevados, convirtiéndose así en fuentes activas de contaminación del
agua y/o de los alimentos [13]. La duración del estado portador
puede ir desde 5 a 19 días [11].
La dosis infectante de V. cholerae se ha estimado entre 106–
108 células viables del patógeno [14]. Sin embargo, en algunos
individuos con aclorhidria la dosis puede ser de sólo 100 células.
El periodo de incubación va de 6 h hasta 5 días. Tanto el perio161
do de incubación como la dosis infectante, dependen en gran
medida del tamaño del inoculo, acidez gástrica, cantidad y tipo
de alimento ingerido, presencia de anticuerpos por infecciones
previas, entre otros [14, 15].
Es importante destacar que el tratamiento efectivo contra
el padecimiento es la hidratación [4]. Antes de la implantación
de esta terapia, oral o intravenosa, un gran número de personas
afectadas perecía; por ejemplo, se estima que en la India entre
1900 y 1950 anualmente ocurrían 100, 000 defunciones de cólera
[10]. En nuestros días, gracias a la hidratación oportuna se han
evitado muchas muertes.
Mecanismos de transmisión
El papel del agua y de los alimentos en la transmisión del cólera
está bien establecido [16]. Se conocen dos ciclos en la propagación del padecimiento: a) ingestión de agua contaminada con
excretas de pacientes o portadores y b) consumo de alimentos
contaminados por agua contaminada con excretas de pacientes o
portadores del microorganismo o por contaminación directa de
los alimentos (manos) por portadores [17, 18].
La transmisión hídrica ha sido el mecanismo más importante y determinante de las epidemias del cólera a través de los siglos. El agua a su vez, es fuente de contaminación de alimentos
y de utensilios de cocina [19]. El agua de pozos superficiales, de
las cañerías, reservorios intra–domiciliarios, de los arroyos, ríos,
lagunas y lagos, se contamina con las heces de personas enfermas o portadores asintomáticos. Por otro lado, los tratamientos
inadecuados de las aguas residuales favorecen la sobrevivencia
del vibrión convirtiéndose en fuentes de contaminación, dando
lugar a la aparición de brotes. El agua contaminada puede acarrear miles o cientos de miles de bacilos por cada mililitro, e
infectar al humano si sobrevive la barrera de la acidez estomacal.
Por medio del agua el microorganismo puede pasar de un país o
continente a otro. Por ejemplo, McCarthy [20], aisló V. cholerae
O1 a partir de agua no potable recolectada en barcos procedentes
de diferentes destinos; de 19 barcos analizados, 5 resultaron po162
sitivos a V.cholerae O1, serotipo Inaba, biotipo El Tor, toxigénico.
El agua contaminada es peligrosa cuando se consume sin tratar
o en el hielo, en refrescos casi neutros, neutro o alcalinos [21]. Al
consumir mucha agua se diluye la acidez gástrica y se favorece
su paso hacia el intestino [22]; el hielo es un buen vehículo del
microorganismo porque este puede sobrevivir a la congelación
por tiempos prolongados [23, 24].
El papel de los alimentos contaminados en la transmisión del
cólera fue intuido por Snow, y lo recalcó en sus clásicas “medidas
para prevenir el cólera” [2]. Muchos autores habían demostrado
desde principios de siglo que el vibrión colérico sobrevive varias
horas en alimentos ordinarios. También se ha demostrado que
puede multiplicarse en la carne y pescado.
Algunos alimentos pueden participar en la transmisión del
cólera si se preparan bajo condiciones peligrosas (por un portador, por ejemplo) [18], si se consumen crudos (hortalizas regadas
con agua de residuales) o después de tres horas o más de haber
sido cocidos, sin adecuado recalentamiento, previa recontaminación [25, 26]. Se ha encontrado que los alimentos de origen
marino juegan un papel importante en la transmisión del padecimiento. El consumo de bivalvos crudos (ostiones y mejillones) se
ha asociado a brotes explosivos en las costas de Italia [27] y casos
esporádicos en los EE. UU. [28]. Se ha encontrado que estos alimentos se contaminan principalmente de origen (en el mar), por
lo cual se recomienda consumirlos completamente cocidos. El
consumo de verduras crudas regadas con aguas negras, sin previo tratamiento antimicrobiano, representa un riesgo importante
de infección. Diferentes estudios han mostrado que el vibrión
puede sobrevivir durante tiempo prolongado e incluso multiplicares en diversas verduras (germinado de alfalfa, por ejemplo
[29]. El patógeno es capaz de multiplicarse en los alimentos e
incrementar considerablemente su número. Se han presentado,
además, brotes asociados al consumo de hortalizas regadas con
aguas negras, como lechuga, col y cilantro [30].
163
Aspectos microbiológicos
El V. cholerae O1 se encuentra situado dentro del Orden
Pseudomonadales, familia Vibrionaceae. Las especies del género
Vibrio son gram–negativas y tiene forma de bacilo corto, recto o
curvo a manera de una coma, mide 1.4 a 2.6 cm de longitud por
0.5 a 0.8 cm de diámetro. Es una bacteria no esporulada que en
cultivos frescos y puros se presenta de tamaño uniforme, mientras
que en cultivos viejos se torna pleomórfica, con formas ocasionales
esféricas o filamentosas y cadenas de bacilos. No forma endosporas.
Posee un flagelo polar que le imparte movimiento vibrátil. Son
aerobios facultativos, poseen ambos metabolismos, respiratorio
y fermentativo [31] El patógeno tiene capacidad de fermentar la
glucosa lo que le distingue de otras Pseudomonadaceae. La mayoría
de los vibrios producen citocromo–oxidasa, lo que les distingue de
las Enterobacteriaceae. Son halotolerantes, con afinidad al medio
alcalino, y muy sensibles a los ácidos. No fijan el nitrógeno, todos
son quimiorganótrofos, muchos capaces de crecer en un medio
mineral únicamente con D– glucosa y cloruro de amonio. Sólo
unas cuantas cepas necesitan factores orgánicos de crecimiento.
Los inónes sodio estimulan el crecimiento en todas las especies y
son un requerimiento para la mayoría; la mínima concentración
necesaria es del orden de 5–700 mM, por lo que muchas especies
crecen bien en medios que contengan agua de mar [32]. El
patógeno puede encontrarse en hábitats acuáticos con variedad
de salinidad y son comunes en ambientes marinos. También
puede encontrarse en agua dulce donde, dependiendo de diversos
factores, su sobrevivencia puede ser de horas hasta días [33, 34].
V. cholerae es susceptible a la desecación, el calor, desinfectantes
químicos como el cloro y a antibióticos como las tetraciclinas [4].
Clasificación serológica
Se han descrito más de 140 grupos serológicos de acuerdo al antígeno somático O de V. cholerae, entre los cuales el grupo O1
produce la enterotoxina colérica [35]. Las cepas que no reaccionan con el antígeno O1 son llamadas V. cholerae no–O1 [4]. El
antígeno O somático, es un polisacárido típico de las bacterias
164
gram–negartivas, el cual es un componente de la membrana externa de la célula. Las porciones lipídicas tienen actividad endotóxica y la especificidad antigénica depende de los polisacáridos.
El antígeno O es importante para su diagnóstico, a diferencia del
antígeno H (flagelar) que es compartido con muchos vibrios no
patógenos [36]. Las cepas del serovar O1 muestran notable consistencia en su comportamiento fisiológico e inmunológico [4],
pero diversidad genética, aún dentro de una región geográfica
[10]. A estas cepas se les denomina epidémicas. Muchas cepas
de otro serovares tienen propiedades patógenas y pueden causar
diversas formas de diarrea o lesiones extraintestinales [4].
El V. cholerae O1 incluye dos biotipos, el Clásico y El Tor. Se
cree que el biotipo clásico generó las pandemias del siglo xix. Las
primeras cepas de El Tor fueron aisladas a principios del siglo xx
de cadáveres de peregrinos que permanecieron en la estación de
cuarentena El Tor en la península del Sinaí [5]. El Tor es el biotipo que actualmente causa la séptima pandemia de cólera [5].
El biotipo clásico se distingue por su alta tasa de ataque, generar cuadros de diarrea graves, ser muy virulento, y poseer una
tasa de letalidad de 10 hasta 50 por ciento. El biotipo El Tor es
menos virulento, tiene una menor tasa de ataque y una letalidad
considerablemente más baja que el clásico. Mientras el clásico ha ido desapareciendo, dejando sólo un reducto en Bangladesh. El Tor muestra tendencia a persistir en el ecosistema de
muchos países, tornándose endémico [4]. Biquímicamente los
biotipos se diferencian por la producción de acetilmetilcarbinol
(reacción de Voges Proskauer), hemaglutinación de eritrocitos
de pollo, sensibilidad a la polimixina y sensibilidad a los fagos
lV y V [4].
Los dos biotipos comprenden tres serotipos asociados a antígenos O: el Inaba y el Ogawa, que son los principales y el Hikojima, que es raro. Esta especificidad se debe a la presencia de tres
antígenos llamados A, B, y C. El serotipo Inaba contiene los antígenos A y C; el serotipo Ogawa los antígenos A y B; y el serotipo
Hikojima los tres A, B y C [5]. Existen evidencias que sugieren que
los tipos Inaba e Hikojima resultaron de mutaciones in vivo. Por
165
otro lado, el serotipo Hikojima es poco estable y se ha reportado
que puede experimentar interconversiones transformándose a menudo en cualquiera de los otros serotipos [37]. En el laboratorio
los serotipos se diferencian mediante pruebas de aglutinación en
láminas, de cepas que primero han aglutinado francamente con
suero de conejo polivalente anti O1, y después con sueros específicos anti–Inaba o anti–Ogawa [38]. Existen cepas de V. cholerae
que no aglutinan con el antisuero O1 que se denominan V. cholerae
no–O1. Los vibrios no–O1 pueden causar gastroenteritis de uno
a tres días de evolución, así como infecciones extraintestinales
como septicemia, otitis media, infección de heridas y cistitis [4].
Fagotipia
De enorme valor para el estudio epidemiológico de V. cholerae es
su fagotipificación; el sistema que se emplea consta de cinco grupos de fagos [39]. El fago O149 (perteneciente a fago IV clásico)
está relacionado con la cepa Ogawa 154 del biotipo clásico. Se ha
reportado que este fago lisa todas las cepas de V. cholerae clásico,
en tanto que las del biotipo El Tor son resistentes. El contenido
de lipopolisacáridos de la superficie celular es semejante para
ambos biotipos, pero en El Tor hay menos hexosamina y carece
de galactosamina; esto influye en la conformación del receptor
para el fago O149 por lo que la célula no es atacada [39]. V. cholerae clásico NIH 41 tiene los fagos V. cholerae A1 y V. cholerae
A2 que lisan a las cepas El Tor. Con estos fagos se han obtenido
sondas para hibridación de ADN; ambos fagos están íntimamente relacionados con el fago kappa V. cholerae. Los genotipos de
V. cholerae O1 circulantes descritos en la actualidad, forman tres
grupos que tienen patrones diferentes para enzimas de restricción [40]: 1) cepas australianas; 2) cepas de la pandemia americana (El Tor); 3) cepas El Tor del Golfo de México.
Factores de Virulencia (S). La patogenicidad del cólera se basa
en una variedad de factores de virulencia muy organizados. El
principal mecanismo de patogenicidad es la producción de una
toxina. La enterotoxina es bastante similar a la toxina de E. coli
[41] y es la responsable de la diarrea característica de la enferme166
dad. Es de naturaleza proteica, lábil al calor y de peso molecular
cercano a 84 kilodaltones. La información para su síntesis se encuentra codificada en el genoma de un bacteriófago filamentoso
[42]. La toxina está formada por una subunidad A1 (12 kDa), una
A2 (7 kDa) y cinco subunidades B (10 kda). Las subunidades B
se fijan al gangliósido GM1 ubicado en la membrana celular del
epitelio del intestino delgado. La subunidad A penetra a la célula
y activa el complejo enzimático adenilatociclasa lo cual incrementa los niveles intracelulares de AMPc y la hipersecreción de
sales y agua [43]. Esto provoca diarrea secretora dando como
resultado una concentración de Na + y Cl– ligeramente inferiores
a las del plasma; la concentración del bicarbonato es aproximadamente el doble y la de iones K+ es tres a cinco veces mayor
que la plasmática [43]. En algunos casos un individuo con cólera
puede perder hasta 30 litros de agua en un día [5]. La pérdida de
agua es la alteración más importante, ya que de ella se derivan
los demás signos y síntomas. En consecuencia, el tratamiento
primario efectivo para el cólera consiste en la rehidratación de
los pacientes. Se ha reportado que los tres serotipos de V. cholera
producen esta toxina colérica. [44]. Recientemente se han descrito otras dos toxinas producidas por V. cholerae conocidas como
toxina ZOT (toxina zonula ocludens) que altera la unión entre los
eritrocitos y la toxina ACE (enterotoxina celular accesoria) [14].
Aparte la toxina colérica, V. cholerae es capaz de regular la
síntesis del flagelo polar, importante en la quimiotaxis y la penetración de la barrera mucosa [45]. Produce una proteasa que
disuelve el gel mucoso, y una serie de hemaglutininas solubles
y asociadas a la bacteria [46]. Las hemaglutininas que este patógeno sintetiza son similares a las de E. coli enterotoxigénica y
juegan un papel muy importante en los mecanismos de colonización. Difieren en cuanto a la especificidad del eritrocito, que aglutinan a la fase de crecimiento en que se expresan, a su inhibición
por azúcares libres y a los requerimientos de cationes divalentes
[43]. La hemaglutinina principal del biotipo El Tor aglutina eritrocitos de pollo y es sensible a la D–manosa y a la D–fructosa. La
hemaglutinina del Clásico es sensible a la L–fructosa [4].
167
Se han descrito, además, dos tipos de pili (o fimbria), el
(Toxin Coregulated Pilus) y el acf (Accesory Colonization
Factor). Son estructuras poliméricas formadas por varios tipos
de proteínas que al parecer participan en la asociación y colonización del patógeno en las microvellosidad [45]. El patógeno
es capaz de producir neuroaminidasas (que convierten gangliosidos en receptores de la toxina colérica), hemolisina/citolisinas
(serie de proteínas reguladas por hierro que favorecen la sobrevivencia del patógeno en microambientes del intestino con
limitaciones de este catión) y factor inhibidor de los canales de
sodio [46].
tcp
Prevención y control del cólera
En la actualidad las medidas que se aplican en muchos países
endémicos de cólera, incluido México, para prevenir y controlar el padecimiento se basan en el mejoramiento del saneamiento ambiental, fomento para la salud, higiene de los alimentos,
control de brotes y vigilancia epidemiológica. Estas medidas, sin
embargo, no han sido eficientes debido en gran parte al incompleto conocimiento de la ecología del microorganismo [15]. Esto
dificulta la comprensión de la epidemiología de la enfermedad,
ya que entonces resulta difícil determinar el ciclo del patógeno
en la naturaleza. Por ejemplo, no se sabe exactamente qué mecanismos entran en acción por parte del microorganismo para
sobrevivir largo tiempo fuera del intestino humano, o por qué
razón el padecimiento se presenta de forma súbita en una población y de igual forma desaparece. Para la prevención y control
racional de padecimientos como el cólera, se requiere una más
amplia información de las fuentes y mecanismos de contaminación del agua y alimentos así como de la epidemiología y ecología del patógeno [47, 48].
Actualmente, se conoce muy bien el papel de los alimentos en
la transmisión del cólera [48]. Se sabe que la enfermedad tiende
a prevalecer en los países con pobres condiciones de saneamiento ambiental y con deficientes sistemas sanitarios de vigilancia y
control de los alimentos [49].
168
Existe por otra parte, abundante información sobre la genética del microorganismo; de hecho recientemente se reportó la
secuenciación completa del ADN del patógeno [50].
En la actualidad las medidas que se siguen para la prevención y control del cólera, así como el saneamiento ambiental y
los sistemas de vigilancia sanitaria de los alimentos y de salud
pública, son mejores que hace 100 o 50 años. Sin embargo, la
incidencia del padecimiento en muchas regiones del mundo continúa elevada. Esto lleva a cuestionar la eficiencia de las medidas
y acciones que se aplican para la prevención del cólera.
Comportamiento de v. Cholerae en los alimentos
Al igual que otros microorganismos trasmitidos por alimentos,
V. cholerae muestra potencial para desarrollar en ellos. Es bien
sabido que el destino de este patógeno en el medio ambiente y
alimentos depende del tipo y nivel de los factores ecológicos prevalentes [51, 43]). Dentro de estos factores sobresalen el estado
fisiológico del microorganismo, la naturaleza y composición del
sustrato involucrado, la humedad relativa, la temperatura, el número inicial y el efecto de sustancias antimicrobianas [51].
Cabe destacar que a pesar de la importancia del cólera, y
a diferencia de otros como la salmonelosis o listeriosis, la investigación acerca de los factores ecológicos que afectan la sobrevivencia del patógeno en el medio ambiente o alimentos, es
más bien discreta. Esta desatención puede explicarse, en parte,
debido a la baja incidencia del padecimiento en aquellos países
que tradicionalmente destinan importantes recursos a la investigación (como los EE. UU.) no constituye para ellos una prioridad
[52]. Sin embargo, para lograr un control y prevención eficientes
del padecimiento, es necesario generar esa información y con
base en ella, elaborar y diseñar medidas racionales encaminadas
a lograr tales objetivos.
V. cholerae tiene potencial para desarrollar en los alimentos
cocinados tales como arroz, pollo, lentejas, leche [25]. Este hecho es muy importante ya que con ello se incrementa el riesgo de
infección. En otras palabras, para que ocurra la infección se re169
quiere por lo general de un número elevado del microorganismo
[43]. En nuestro laboratorio hemos encontrado que V. cholerae
en caldo soya tripticasa a 35 °C, en tan solo 5 h es capaz de alcanzar 108 UFC/ml [53]. Este estudio nos da una idea de la magnitud
del riesgo que representa el abuso de la temperatura durante el
almacenamiento o manejo de los alimentos. Cabe mencionar que
temperaturas cercanas a 35° pueden alcanzarse dentro de una
cocina o durante los meses cálidos.
El pH y la temperatura del alimento tienen una influencia
notable en el desarrollo del microorganismo. V. cholerae es incapaz de multiplicarse en alimentos ácidos como los cítricos donde
por el contrario tiende a morir rápidamente [5]. A diferencia,
en alimentos de acidez intermedia sobrevive al menos 8 horas
[54]. También crece en algunas verduras crudas como el germinado de alfalfa [29]. Sin embargo, al parecer este desarrollo está
fuertemente influenciado por la flora nativa del alimento. Es de
esperar que V. cholerae sea un mal competidor de la flora autóctona del alimento y por tanto, sea antagonizado fácilmente. En
agua de mar incrementa su número hasta 6 log10 en tan sólo 24
horas a 30 º [32]. Habiéndose o no multiplicado el nivel del riesgo
va a estar en función de la capacidad del microorganismo para
sobrevivir en el alimento. Se mantiene viable por largo tiempo en
congelación y refrigeración. La sobrevivencia se ha evaluado en
alimentos como cangrejos, camarones y ostiones en congelación
y refrigeración. Sobrevive al menos 15 días bajo tales circunstancias [24]. En nuestro laboratorio hemos observado que el patógeno sobrevive en germinado de alfalfa después de 15 días a 5–7º,
con una reducción de tan solo 1 log10. [29]. Moreno y Torres,
[54] reportan que el patógeno puede sobrevivir en agua congelada a –15º al menos 63 días. El vibrión sin embargo, es susceptible
al calor; suspendido en solución salina isotónica (SSI), se inactiva por completo al calentar paulatinamente la suspensión al
alcanzar 60º [54]. Es de esperar, no obstante, que en un alimento
el microorganismo no muestre un comportamiento igual al observado en la SSI, ya que los constituyentes del alimento pueden
conferirle termoprotección. Guthrie et al. [56], determinaron la
170
sobrevivencia de cepas de V. cholerae O1 en arroz, pollo, pescado
y cangrejo, sometidos a diversas temperaturas de recalentamiento (45º, 50º, 55º, 60º y 65º), y en congelación (5º) y refrigeración
(–20º). El microorganismo sobrevivió mejor en pescado que en
arroz y pollo, y a su vez; mejor en arroz que en pollo, sometidos
estos alimentos a los mismos tratamientos.
El tiempo de sobrevivencia en alimentos con bajo pH es generalmente menor a un día, y en alimentos desecados menor a dos
días (WHO, 1991). El tiempo de sobrevivencia en utensilios y equipo varía de 4 a 48 h [57, 5]). Sin embargo, puede inactivarse en
cucharas de plástico en tan sólo 15 min de contacto a temperatura
ambiente [58]. Por otro lado, suspendido en SSI dentro de bolsas
de plástico se inactiva dentro de 24 h de contacto [53]. Estos hallazgos son de un gran valor si se considera que en la actualidad
la recolección de muestras de agua y alimentos para la búsqueda
del patógeno tiende a realizarse en recipientes y bolsas de plástico; por lo tanto, estos materiales podrán estar interfiriendo en su
recuperación, dando lugar a resultados falsos negativos.
V. cholerae es susceptible a los antimicrobianos químicos
como el cloro o el yodo, pero estos germicidas no son tan eficientes para eliminar al patógeno cuando se encuentra sobre verduras [59], o sobre el equipo en las plantas procesadoras de alimentos. Esta resistencia puede explicarse en parte debido a que en un
alimento el microorganismo puede estar adherido y recubierto
de un polisacárido (glicocálix) que lo protege contra la acción
de los germicidas. De hecho la adherencia confiere protección a
los microorganismos en contra de factores antimicrobianos [20].
Debe entenderse que el efecto de los factores ecológicos en el
comportamiento del microorganismo no es un proceso estático,
y que tales factores suelen variar (actividad acuosa por ejemplo)
durante la elaboración, fabricación, comercialización o almacenamiento del alimento. Su efecto sobre el destino de un microorganismo en particular, puede ser positivo (sobrevivencia /
desarrollo) o negativo (inactivación) dependiendo de las condiciones prevalentes al momento de ingresar al alimento y de su
manejo ulterior. En consecuencia, un alimento es más o menos
171
peligroso dependiendo del tipo de microorganismos patógenos
que contenga y de las facilidades que presente para su eventual
sobrevivencia o desarrollo.
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177
PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS VEGETALES EN LA
AGROINDUSTRIA ALIMENTARIA: UNA PERSPECTIVA
SOCIOCULTURAL
Hernández–Martínez V.a, López–Molina A.a*, Aguilar–Arteaga
K.a, Sánchez–Herrera S.G.a, Díaz–Batalla L.a
aIngeniería
Agroindustrial/ Biotecnología Agroindustrial Sustentable, Universidad Politécnica de Francisco I. Madero. Domicilio
Conocido, Tepatepec, Hgo., México. CP 42660. Tel. 01 738 724
1174, ext 168 e–mail: [email protected]
Resumen
El presente escrito busca contribuir al estudio de la desnutrición
de la población vulnerable y en exclusión social, para ello, hace un
breve recuento de las diversas perspectivas desde las cuales se ha
abordado la desnutrición, las necesidades nutrimentales mínimas
necesarias para que se considera nutrición aceptable. Posteriormente se hace una presentación de las diversidad biológica y étnica
de nuestro país, relacionándola con la calidad nutrimental de la
población tanto de México como del Estado de Hidalgo.
Se presenta una propuesta de abordaje de la problemática de
la desnutrición, a partir del contexto sociocultural de la población
vulnerable, reconociendo que la agroindustria alimentaria puede
tener un papel preponderante en la producción de alimentos que
respondan a las necesidades de la población y su contexto.
Palabras clave: desnutrición, población vulnerable, contexto
sociocultural.
Introducción
La desnutrición o mal nutrición es un problema multifactorial,
que afecta a gran parte de la población mexicana, dicho fenómeno ha venido acentuándose en las últimas décadas [1]. siendo las poblaciones indígenas, rurales y migrantes de las grandes
urbes las más vulnerables; su abordaje se ha dado desde las más
178
diversas disciplinas, pasando por el enfoque de la salud, el económico y el social, todos ellos buscando contribuir en la resolución
de dicha problemática, si bien se han realizado esfuerzos en el
combate de la desnutrición y malnutrición, estos no han logrado
impactar eficazmente en la calidad nutrimental de la población,
a pesar de que los programas gubernamentales que se han desarrollado para su combate incluyen alimentos que pretenden tener
la calidad y cantidad calórica y proteica mínima necesaria para
considerarse dentro de los parámetros mínimos aceptables, que
según algunos estudios deben de ser de 2071 kcal y 63 gr de proteína al día [2].
Los esfuerzos realizados en el campo de la investigación alimentaria, han buscado diversas opciones para mitigar la desnutrición, el reino vegetal ha sido el más explorado, las investigaciones han arrojado que la soya (Glycine max) contiene un alto valor
proteico por encima de las grasas y carbohidratos, por ello es una
de las plantas más recurridas dentro de los programas gubernamentales. Si bien es ampliamente conocido su alto valor nutritivo, al ser un alimento de reciente introducción en la dieta de la
población mexicana, su consumo es todavía mínimo si se considera a todo el territorio nacional, de tal manera que este alimento
ha llegado a las poblaciones con altos índices de desnutrición a
través de las despensas alimentarias que el gobierno reparte en
sus diversos programas como cocinas comunitarias, y “70 y más”.
Como consecuencia de ello, la soya no es consumida por la
población destinataria de dichos programas y es frecuente que
sea desechada o utilizada para alimentar a los animales domésticos, a partir de esto es necesario y urgente plantear otros escenarios, que permitan dar una respuesta al reto de proporcionar
a la población de nuestro país alimentos que cubran las necesidades mínimas calóricas y proteicas, sin alejarse de su contexto
sociocultural. En este sentido este trabajo plantea la necesidad
de realizar investigaciones con perspectiva sociocultural que
contribuyan a mejorar la calidad nutrimental de las poblaciones
antes mencionadas. Desde este punto de vista, la agroindustria
alimentaria tiene un papel preponderante, ya que es la disciplina
179
encargada de la transformación de las materias primas en productos con valor agregado, entendiéndose esto último no solamente como algo tangible, es decir, en sabor, color, olor, textura,
sino en alimentos socialmente significativos e identitarios.
Para ello este trabajo hace un recuento de los principales alimentos vegetales utilizados en México, para después centrar su
atención en el Estado de Hidalgo, todo ello para enmarcar los
niveles de desnutrición que se presentan en nuestro territorio.
Finalmente, se hace una propuesta para su abordaje y posible
resolución.
Los alimentos vegetales en México
Desde su aparición en la Tierra, la especie humana ha interaccionado con su ambiente, desde tiempos inmemoriales las personas
se han servido de los elementos de la naturaleza y en particular
de las plantas [3].
El reino vegetal en México es de la mayor importancia, es utilizada para la construcción de vivienda, como ornamental, como
medicinal y como fuente de alimento, se calcula que en nuestro
país existen más de 200 especies vegetales para uso comestible
[4], esto como consecuencia de los diversos tipos de vegetación
existentes en nuestro país [5].
Como es sabido gran parte del territorio mexicano tiene
como base de su alimentación al maíz, frijol, calabaza y chile,
aunque junto a estas existen otras especies que son consumidas
por las poblaciones locales, uno de ellos son los quelites, ésta
es una categoría que engloba a diversas especies vegetales como
los quintoniles (Amaranthus spp.), verdolagas (Portulaca oleracea), papaloquelite (Porophyllum ruderale) y huauzontles (chenopodium sp.), entre muchas otras. Es importante mencionar que
en algunas poblaciones se denomina quelite a una sola especie,
aunque desde el punto de vista etimológico y de categorización
del pueblo nahua, se refiere a la categoría ya mencionada. Por
definición los quelites son aquellas plantas cuyas hojas, tallos
tiernos y en ocasiones las inflorescencias inmaduras, son consumidas como verdura [4]. Si bien el vocablo quelite proviene del
180
nauatl quilitl o kilitl, su importancia es tal que varios pueblos lo
consideran dentro de su cultura culinaria, así, esta categoría se
conoce como kaka para el pueblo totonaco, yiwa o yube para el
pueblo Ñu savi (mixteco) xakua para el purépecha, guilibá para
los rarámuris (tarahumaras), bok itah para los tzeltales, itaj para
los tsotsiles y k´ani para el pueblo ñhähñu (ídem). Esta es solo
una de las manifestaciones de conocimiento de su entorno que
los diferentes pueblos y culturas asentados en el territorio nacional, este conocimiento no es estático, muestra de ello es que
algunas plantas traídas de otros continentes, ahora son considerados dentro de esta categoría.
El Estado de Hidalgo
El Estado de Hidalgo no es ajeno a la diversidad, ya que en su
territorio la riqueza culinaria es basta, ejemplo de ello son los
diversos platillos consumidos en la región del Valle del Mezquital, la Sierra otomí–tepehua y la región huasteca; en estas tres
regiones, los recursos alimenticios reflejan el conocimiento que
de su medio tienen las poblaciones asentadas en estos territorios,
como consecuencia de la interrelación de los diversos tipos de
vegetación existentes en el estado: bosque de coníferas, bosque
mixto, matorral xerófilo, bosque mesófilo de montaña y bosque o
selva tropical y los pueblos ñhähñu, tepehua y nahua.
Es importante mencionar que este mosaico culinario, no
solamente engloba a los pueblos indígenas asentados en territorio
hidalguense, sino también considera aquellas aportaciones
traídas por otras sociedades como la incorporación de la cebolla,
el ajo y varias especias que son distintivas de la cocina ibérica
y más tarde la llegada de la cocina inglesa, cuyo ejemplo más
significativo son los pastes. De tal manera que la conjunción de
todos estos elementos han dado lugar a la riqueza culinaria que
actualmente tiene en el estado de Hidalgo como la segunda del
país, sólo superado por el Estado de Oaxaca.
Paradójicamente, esta gran diversidad culinaria no parece
tener una correlación directa con la calidad nutricional de la
población, sobre todo de aquella que se encuentra en pobreza,
181
pobreza extrema y exclusión social, que en muchos de los casos incluye a los pueblos indígenas, algunos estudios realizados
muestran que las poblaciones asentadas en territorio hidalguense tienen una capacidad calórica por debajo de los estándares
recomendados de 2071 kcal y 63 gr por día [2], esto significa que
su dieta tiene deficiencias nutrimentales, aunado a esto, la globalización y fenómenos sociales como la migración han cambiado
en los últimos años, lo que ha impactado significativamente en
el régimen alimenticio, sobre todo por la entrada de productos
con bajo contenido calórico como la llamada “comida chatarra”.
Algunos estudios muestran de los refrescos de cola, que la combinación de ácido fosfórico con azúcar refinada y fructuosa dificulta la absorción de hierro en el organismo, lo que puede generar anemia, estos efectos se agudizan en niños, adultos mayores
y mujeres embarazadas [6].
A consecuencia de esto, la política pública en materia de salud ha emprendido una serie de programas con el objetivo de
aminorar la tasa de desnutrición, sobre todo en los estratos de
población ya mencionados, sin embargo, estos esfuerzos no han
tenido el impacto esperado y por tanto las condiciones nutrimentales de esta población siguen en condiciones similares.
Una de las constantes en este tipo de proyectos es el uso de
elementos que si bien tienen un alto contenido proteico, su consumo es escaso o nulo, sobre todo por parte de la población indígena, es común que los elementos no conocidos sean desechados
o en el mejor de los casos consumidos por animales domésticos,
quedando coartado, el objetivo perseguido. Bajo este panorama
se visualizan dos rutas: la insistencia de consumo de alimentos
con alto valor nutricional, pero ajenos a la cultura o la búsqueda
de alternativas que ofrezcan alimentos con alto valor nutrimental, pero con apego y pertinencia cultural.
El papel de la agroindustria en el problema
de la desnutrición: una propuesta de abordaje
La agroindustria alimentaria no es la única disciplina encargada de realizar investigación y plantear posibles escenarios
182
para la resolución de la problemática nutricional, es una área
que puede coadyuvar en su abordaje, sobre todo si se toman en
consideración los diversos escenarios socioculturales; para ello
es necesaria la conformación de equipos interdisciplinarios,
que en términos de Follari, se construye con base en elementos
(categorías, leyes, teoría, métodos, etc.) preexistentes en disciplinas separadas y aún en especializaciones de éstas [7]. De tal
manera que su abordaje sea desde una perspectiva holística.
Si bien la principal función de los alimentos es cubrir las
necesidades calóricas y proteicas que el cuerpo necesita para su
funcionamiento es necesario tomar en consideración las variables sociales y cosmogónicas, que en la mayoría de los casos se
manifiestan en prácticas culturales de la alimentación. Ejemplo
de esto es la relación que mantienen las culturas de origen mesoamericano con el maíz, si bien es su principal alimento, este
no solamente tiene esta acepción sino también como medicina y
deidad [8], [9]. Además de ser el referente cultural por excelencia en nuestro territorio [10], e incluso como parte fundamental
de una dimensión ético–político [11], que está relacionada con
sistemas de producción, en donde la tecnología tiene un papel
preponderante, como el caso del maíz transgénico.
Como puede observarse, el abordaje de la alimentación no
puede ser revisada desde una sola perspectiva, más aún cuando se trata de alimentos que dan sentido y pertinencia social a
poblaciones y culturas, como es el caso del territorio mexicano.
Esto no es exclusivo de México, así, las poblaciones en las que no
tienen como base al maíz, no significa que su alimentación no
esté ligado a una cosmovisión.
Por ello realizar proyectos de investigación en la agroindustria
alimentaria, que consideren el contexto y la cultura en la que se
encuentra inmersa la población meta, es de suma importancia.
Cambiar la cultura culinaria tiene sentido para una cosmovisión,
requiere de una mayor complejidad, porque implica sensibilizar
a la población en cuanto a las bondades nutrimentales de los
alimentos propuestos, a expensas de que el apego cultural con
los alimentos tradicionales sean mayores a los nuevos alimentos.
183
Discusión
Realizar investigaciones en materia alimentaria, sobre todo para
aquellas poblaciones vulnerables, es complejo, sobre todo si se
toman en cuenta que a su alrededor se han construido ideas
preconcebidas, basadas en el hecho de correlacionar la pobreza
económica, con la pobreza cultural y por ende la alimentaria,
acentuándose en poblaciones indígenas y rurales. De tal manera
que la conclusión de esta correlación es en una doble ecuación;
por un lado, la pobreza económica=a pobreza cultural, dentro de
esta concepción el consumo de alimentos locales como quelites
y frijoles se relaciona con una incapacidad para adquirir alimentos de la Canasta normativa alimentaria (cna) y por otro lado
los sectores poblacionales que sí tienen la capacidad económica
de adquirir los productos de la cna, consideran que los quelites
y frijoles sinónimo de pobreza; con ello se refuerza la primera
parte de la ecuación.
La segunda parte está situada dentro de la misma población
vulnerable, que ha dejado de consumir los alimentos locales,
como parte de una estrategia para no ser considerado en el círculo de la pobreza. Esto último es reforzado por el fenómeno
migratorio, que impacta directamente en dichas poblaciones.
Algunas investigaciones se han realizado bajo el primer supuesto, que posteriormente se han puesto en marcha como política pública. Si bien se tienen las bases teórico–metodológicas
para sustentar su aplicación sobre todo en la relación calórico–
proteico. Como el caso de la soya, donde no han habido hasta el
momento investigaciones que consideren su papel social y cultural de la alimentación. Sin embargo, es necesario insistir en el
abordaje de la nutrición desde una perspectiva sociocultural, no
solamente con el objetivo de combatir los altos índices de desnutrición, sino como un acto de justicia hacia la población vulnerable y excluida socialmente.
Conclusiones
El territorio nacional es considerado biodiverso, multicultural
y multilingüe, por su riqueza biológica y étnica; sin embargo,
184
en términos nutrimentales, gran parte de la población originaria
tiene una deficiencia en su capacidad calórica y proteica. La misma situación se presenta en el Estado de Hidalgo.
Las acciones que hasta el momento se han realizado no han
impactado significativamente, por ello es urgente hacer una reformulación de las políticas públicas y las investigaciones que les
anteceden, tomando en consideración las características particulares de la población destinataria, logrando con ello incidir de
manera más eficaz en los índices de desnutrición.
Bajo este esquema, la agroindustria alimentaria tiene un
área de oportunidad para desarrollar proyectos con pertinencia
social y cultural que contribuyan a mejorar las condiciones de
alimentación de la población, haciendo una correlación positiva
entre academia y sociedad.
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Seguridad de Procesos en la Agroindustria
López–Molina A.a*, Hernández–Martínez V.a, Aguilar–Arteaga K.a, Sánchez–Herrera S.G.a, Díaz–Batalla L.a
aIngeniería
Agroindustrial/ Biotecnología Agroindustrial Sustentable, Universidad Politécnica de Francisco I. Madero. Domicilio
Conocido, Tepatepec, Hgo., México. CP. 42660. Tel. 01 738 724
1174, e–mail: [email protected]
Resumen
Este trabajo presenta una introducción a la seguridad de procesos,
así como los lineamientos de seguridad inherente. Se realizó una
revisión bibliográfica sobre los tipos de accidentes en la agroindustria y se discute las potenciales aplicaciones de seguridad de
procesos para mejorarla. Finalmente, se presentan algunos casos
históricos de accidentes para concientizar a los lectores sobre la
importancia de la seguridad de procesos agroindustriales.
Palabras
alimentaria.
clave:
Seguridad
agroindustrial,
industria
Introducción
La agroindustria implica la combinación de dos procesos productivos, el agrícola y el industrial, para transformar de manera
eficiente y rentable los productos provenientes del campo; siendo
los procesos alimentarios los más importantes [1]. En México, el
sector agroalimentario es muy importante, su aportación al Producto Interno Bruto (pib) es del 12%. Así mismo la agroindustria
es uno de los principales empleadores del país, con una aportación al empleo de más de seis millones de personas [2]. Por otro
lado, la seguridad para los trabajadores y la población relacionada a esta industria, en general, no ha sido atendida con la seriedad que se requiere, debido a que se tiene el concepto erróneo
de que en esta industria no se maneja sustancias peligrosas. Sin
embargo, las estadísticas indican que sufrir una lesión e incluso
187
perder la vida, es más probable para los trabajadores de la industria agrícola que para los trabajadores de una planta química [3].
Si bien es cierto, la mayor parte de los fallecimientos se debe a
accidentes en el transporte (42.2%) y al contacto con objetos y
equipos (17%), también ocurren fallecimientos ocasionados por
explosiones, incendios o exposición a sustancias tóxicas (4.0%).
Los costos asociados a las lesiones y muertes en el año 2011 sumaron 188.9 billones de dólares [4]. Con esto queda claro que la
seguridad no afecta únicamente a los trabajadores, la empresa
pierde la confianza de sus clientes y pierde grandes sumas de
dinero en el pago de indemnizaciones y primas de seguro, de ahí
la importancia de prevenir y disminuir la probabilidad de accidentes en la agroindustria.
Seguridad de procesos
La seguridad de procesos surgió en la industria química, sus orígenes se remontan al principios de siglo xix, cuando la empresa
DuPont manufacturaba pólvora. Reconociendo que un pequeño
incidente podría ocasionar un daño considerable e incluso la
pérdida de la vida, DuPont dirigió las obras a ser construidas y
operadas en condiciones de seguridad específicas. La seguridad
de procesos continúo desarrollándose con la industria a través
del siglo xix y xx, pero emergió como disciplina en todas las industrias después del grave accidente de Bhopal, India, en 1984,
donde una fuga de isocianato de metilo provoco la muerte de
más de 3,000 personas [5]. El objetivo de la seguridad de procesos es identificar, evaluar y prevenir los accidentes mayores; principalmente, aquellos relacionados con sustancias inflamables y
tóxicas [6].
Seguridad inherente
La seguridad inherente es una herramienta muy eficiente para
prevenir accidentes industriales, fue propuesta por el Dr. Trevor
Kletz [7]. La seguridad inherente para el diseño de plantas intenta evitar peligros en lugar de controlarlos mediante la adición
de quipos de protección. Esto implica mejorar los procesos des188
de las primeras etapas del diseño [8]. Se basa en 4 lineamientos
principales minimización, sustitución, moderación y simplificación. La minimización está dirigido a la reducción del inventario
dentro de un solo equipo o conjunto de equipos. La cantidad de
material peligroso representa un parámetro determinante en la
estimación de consecuencias de un accidente (explosiones o incendios), la minimización reduce significativamente los peligros
del proceso. La sustitución se refiere al uso de materiales más
seguros en lugar de los peligrosos. Con ello, es posible remplazar
refrigerantes y medios de transferencia de calor inflamables por
unos no inflamables, solventes tóxicos por otros más seguros.
La moderación se refiere a usar condiciones de operación menos
extremas (altas temperaturas y presión). La moderación pude reducir significativamente la posibilidad de que ocurra un accidente y que se propague a equipos cercanos. La simplificación tiene
como objetivo diseñar instalaciones eliminando complejidades
incensarías y hacer que los errores operativos sean menos probables. Las plantas más simples son más seguras que las plantas
complejas, debido a que reduce la probabilidad de errores y la falla de equipos. Además, las plantas simples son más económicas.
Accidentes en la agroindustria
De acuerdo al último reporte de la HSE (Health and Safety
Executive por sus siglas en inglés) entre 2011 y 2012 se reportaron
más de 4,700 lesionados en la industria alimentaria, 83% de estos
trabajadores tuvieron que ausentarse por tres días a su trabajo y
17% tuvo daños mayores. Por desgracia, hubieron varias lesiones
fatales [9]. El número de lesionados varia significativamente
entre las empresas alimentarias, siendo la industria procesadora
de aves de corral la que presenta un mayor número de
lesionados, cerca de 2800 por cada 100,000 trabajadores del
sector, mientras que la industria de los alimentos dietéticos es
la que presenta menor número de lesiones, 30 por cada 100,000
trabajadores (ver fig. 1). Entre el 2000 y 2012 hubo 53 fatalidades
en las industrias de manufactura de bebidas y alimentos. Estas
fatalidades involucran el uso de maquinaria (38%), transporte
189
al lugar de trabajo (25%), caídas desde lugares altos (15%),
asfixia en espacios confinados (11%), golpeados por un objeto
(8%), muerte por ataque de animales (2%) y electrocutados (2%)
[10]. Entre las principales causas de lesión que no ocasionaron
fatalidades, la manipulación manual y resbalones representan el
50% de lesiones. A pesar de que otros accidentes, como caída
desde alturas (6%) o golpes por un objeto en movimiento (13%),
tienen menor porcentaje las lesiones por tales cuestiones a
menudo causan lesiones más severas [9].
Fig. 14 A. Comparación de lesiones entre diferentes industrias de
alimentos
Entre el 2000 y 2014 se han registrado 24 accidentes mayores
en las industrias procesadoras de alimentos, los cuales causaron
la muerte de 13 personas y 20 lesionados. El accidente más
frecuente son las emisiones tóxicas, seguido de las explosiones e
incendios. En ocasiones ocurre más de un accidente, dándose la
combinación explosión–incendio e inclusos explosión–incendio–
emisión, cabe mencionar que estas emisiones no siempre son
tóxicas (ver fig. 2.). Los accidentes ocurren con mayor frecuencia
en países desarrollados (87.5%), mientras que en países en
desarrollo la incidencia es menor (12.5%). Esto no implica que
no ocurran accidentes en los países en desarrollo, probablemente
190
se debe a que los países desarrollados tiene una registro de todos
los accidentes ocurridos en su territorio, mientras que en los
países en desarrollo no se cuenta con instituciones ni sistemas
para capturar esa información, además del número de empresas
instaladas en el país. A pesar de que la ocurrencia de accidentes
en los países en desarrollo es menor, el número de muertos es
mayor (61.5%) comparado con los países desarrollados (38.5%),
esto indica la falta de cultura y capacitación de los trabajadores
con respecto a la seguridad [11]. Las sustancias involucradas,
en accidentes mayores, son el amoniaco en 73.3% de los casos,
Etanol en 13.3%, Propano y Metano, ambos con 6.7%.
Fig.14 B. Accidentes mayores en la industria alimentaria.
Ejemplo de accidente mayor
Se considera un accidente mayor cuando se presenta una
explosión, un incendio o la emisión de un gas tóxico. Estos tres
accidentes son los más comunes en la industria química, debido
a la naturaleza de las sustancias con que se trabaja. Por otro
lado, se podría pensar que en la industria alimentaria la cantidad
de sustancias con características inflamables y tóxicas son pocas.
Probablemente se deba a que el concepto de inflamable se asocia
fácilmente a sustancias en estado líquido o gaseoso, como
el alcohol o gas butano; pocas veces se considera a un polvo
como inflamable y mucho menos como explosivo. Sin embargo,
191
sustancias como la leche en polvo, azúcar, harinas, entre otros,
poseen un gran poder calorífico y área superficial pequeña, lo
que facilita su ignición. Muchos de estos polvos han ocasionado
explosiones muy violentas llamadas dust explosions (explosiones
de polvos,
por su traducción del inglés) [12]. Una larga lista de lugares
donde se han presentado este tipo de explosiones con el número
de fallecidos y lesionados puede ser consultada en la bibliografía
[13]. En la mayoría de estas explosiones están involucrados
polvos de diferentes alimentos, granos, harinas, azúcar y leche,
principalmente [12–14].
Una de estas explosiones sucedió en el estado de Georgia,
Estados Unidos de Norte América, el siete de febrero de 2008, en la
compañía de azúcar Imperial. En este accidente 14 trabajadores
perdieron la vida, 8 de manera instantánea y seis sucumbieron
días después como resultado de las lesiones, 42 resultaron
lesionados, algunos con lesiones permanentes. El incidente
comenzó con una explosión en los silos de almacenamiento de
azúcar, la cual provoco varias explosiones e incendios posteriores,
destruyendo los edificios de empacado, silos, parte del proceso
de refinación y la zona de carga [15]. Otro evento lamentable
sucedió en una instalación de almacenamiento de grano en
Haysville, Kansas, 1998, donde una explosión de polvos causó
la muerte de siete personas, y la onda expansiva dejó lesionados
a diez trabajadores. La instalación donde ocurrió este accidente
era una de las más grandes en el mundo, contenía 246 silos de
concreto con una altura de 9.1 m y un diámetro de 36.6 m, tenía
la capacidad de almacenar 246,400 m3. El accidente comenzó en
el elevador de granos, donde una fuente de ignición desconocida
incendio el polvo causando una serie de explosiones. Detalles
más precisos de cómo sucedió el accidente no pudieron ser
recolectado, debido a que los trabajadores presentes en el área
murieron, [16].
192
Discusión
Como fue presentado, dentro de la agroindustria existe una alta
probabilidad de accidentes. Los accidentes mayores más frecuentes son las emisiones de gases tóxicos, explosiones de polvos
e incendios. Es necesario desarrollar estrategias que nos ayuden
a prevenirlos o minimizar sus consecuencias. La seguridad de
procesos es la herramienta para alcanzar este propósito, la seguridad de procesos es diferente a lo que se conoce como seguridad
e higiene y no debemos confundirla. En México, no existe aún
una cultura adecuada con respecto a la seguridad de los procesos. Sin embargo, se han presentado señales de cambio, debido a
la influencia de países como Estados Unidos de América, Alemania, Japón, entre otros; los cuales, han impulsado fuertemente la
cultura de seguridad en las industrias de procesos, para garantizar la integridad de los trabajadores.
Aún falta investigación por hacerse con respecto a las explosiones de polvo y el trabajo en espacios confinados. Nuestro
cuerpo académico estará trabajando en la prevención de estos
accidentes, mediante el análisis de consecuencias, la optimización de la ubicación de equipos de proceso, la estimación del
riesgo y el diseño basado en seguridad inherente.
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194
EVALUACIÓN FARMACOLÓGICA
DEL ALCALOIDE ERISODINA
Sánchez– Herrera S.G.1*,, Noguez–Estrada J1, Rodríguez–
Martínez N.1, Díaz–Batalla L1, Soto–Hernández M.R.,
Garín–Aguilar M.E
*Ingenieria
Agroindustrial/ Cuerpo Académico de Biotecnología
Agroindustrial Sustentable, Universidad Politécnica de Francisco
I. Madero. Domicilio Conocido, Tepatepec Francisco I. Madero,
Hidalgo. México CP. 42660. Tel. 017387241171.
e–mail: [email protected]
Resumen
En el presente trabajo se extrajo el alcaloide erisodina de las semillas del género Erythrina, se determinó la DL50 empleando diferentes dosis administrados por vía intraperitoneal a ratones, para
así obtener la curva de dosis respuesta encontrando una DL50 de
66.08 mg/kg, así mismo, se realizó una prueba conductual a ratas
en un laberinto elevado en T administrando el alcaloide erisodina,
solución de NaCl, diazepam, erisodina, una mezcla de erisodina–
diazepam y un grupo control sin tratamiento, se midieron las latencias de línea base, evitación y escape. Los resultados arrojados
en esta prueba indican que la erisodina tuvo efectos notorios en la
evitación 1, por lo cual se presume un probable efecto ansiogénico
de este alcaloide. En la conducta de escape, probablemente la erisodina disminuya el efecto ansiolítico del diazepam.
Palabras clave: Erisodina, DL50, Prueba conductual.
Introducción
Ciertas especies de Erythrina contienen propiedades medicinales,
las cuales han sido utilizadas en diversas regiones y etnias de
mundo para curar algunos padecimientos, así las hojas son
empleadas para úlceras y abscesos y son tomadas internamente
para curar las picaduras causadas por diversos insectos.
195
En otras regiones las cortezas son hervidas y tomadas 40 días
después del nacimiento de los niños como anticonceptivo, en otras
regiones las flores se toman en infusión contra el insomnio [1].
Así muchas de las propiedades de Erythrina son empleadas
empíricamente por tal motivo la finalidad de este trabajo es aislar el alcaloide mayoritario el género y realizar la dosis letal media y la prueba conductual del mismo.
Materiales y métodos
Aislamiento de erisodina
La erisodina fue aislada de semillas de Erythrina coralloides, de
acuerdo al método descrito por Games, et al, 1974 [2].
Determinación de la DL 50
Se prepararon diversas dosis de alcaloides puros de erisodina
(10, 20, 25, 30, 35, 40 y 60 mg/kg), las cuales se administraron vía
intraperitoneal a ratones de la cepa CD1. Después se registraron
los efectos farmacológicos. Los resultados se analizaron mediante un análisis Probit empleando métodos de regresión ponderada
iterativa.
Los valores de las dosis y el porcentaje de mortalidad se graficaron para obtener la dosis–respuesta que a través de regresión
lineal permitió determinar a DL50 de los alcaloides evaluados.
Prueba Conductual
Se utilizaron ratas macho de la cepa Wistar, (250–300 gr) y se
colocaron en cajas de acrílico en grupos de 5 sin restricción de
alimento y agua.
Para evaluar el efecto del alcaloide sobre la ansiedad, 30 minutos antes de la prueba a las ratas se les administró de forma
intraperitoneal los siguientes tratamientos: 0.2 ml/kg de NaCl al
0.9%, 2 mg/kg de diazepam, 30 µmol/kg de erisodina, 30 µmol/kg
+ 3.0 mg de diazepam, y el último grupo no recibió tratamiento.
Las ratas fueron manipuladas durante 5 días previos a la
prueba. Posteriormente al 5o día se expusieron a un laberinto en
forma de T, con tres brazos de iguales dimensiones, el laberinto
196
se encontraba elevado a 50 cm del piso. El experimento fue
realizado en silencio, con un observador dentro del laboratorio.
A partir de ese momento se contabilizo el tiempo en que la
rata cruzo con sus 4 patas hacia alguno de los brazos abiertos.
En seguida, el animal fue sacado del laberinto y se colocó en
su caja durante 30 segundos y el procedimiento se repitió dos
veces más, registrándose los tiempos de evitación EV1 y EV2.
Para la evaluación de escape (esc) la rata fue colocada al
final de brazo derecho abierto y se registró el tiempo que tardaba
en abandonar sus 4 patas el brazo.
Las latencias fueron analizadas con anova de medidas repetidas en un diseño mixto 5x3.
Resultados y discusión
La determinación de la DL50 es importante para establecer el
índice terapéutico (o margen de seguridad de uso) de cualquier
sustancia [3].
Las curvas de dosis–respuesta obtenidas (fig. 1) para la
erisodina muestran que la DL50 fue de 66.08 mg/kg.
Fig. 15A. Curva dosis–respuesta para erisodina.
197
Después de someter a los animales a la experiencia del laberinto, el valor medio de latencia (seg) de la línea base, la EV1,
EV2 y el ESC fueron registrados en la siguiente tabla:
Latencias (seg)
Tratamiento
lb
ev1
ev2
esc
Intacto
6.5
18.5
266.4
9.9
Salina
6.0
12.5
265.9
10
Diazepam
4.0
4.9
22.4
263.8
Erisodina
8.1
226.2
292.5
4.5
Eri +diazep.
6.1
5.5
42.0
52.4
El análisis indica que existen diferencias significativas para
el factor droga y su interacción. La prueba post–hoc no detectó
diferencias significativas durante las latencias de la LB, es decir
que al exponer por primera vez al animal ante el laberinto su
conducta exploratoria fue semejante, independientemente del
tratamiento al que fueron sometidos.
La ausencia de esta diferencias entre el intacto y salina
durante la línea base indica que la manipulación de los animales
al momento de la inyección no tuvo efecto alguno.
El hecho de que el grupo que recibió erisodina presentara
latencias altas en EV1 sugiere que la administración del alcaloide ocasiona que los sujetos eviten más rápidamente los brazos
abiertos.
Por otro lado la administración de diazepam ocasionó latencias EV2 significativamente menores a los grupos intactos y salina, lo que confirma lo hallazgos de Viana et al, 1994 [4], donde se
evidencia el efecto ansiolítico del diazepam ya que los animales
permanecen más tiempo en alguno de los brazos abiertos.
Puede observarse que los grupos que recibieron diazepam
y diazepam+erisodina presentan latencias de EV” bajas
con respecto a los otros tratamientos y no son diferentes
estadísticamente entre ellas. Estos datos indican que la erisodina
no revierte el efecto de diazepam. En cuanto a las latencias de
escape el análisis indica que existen diferencias significativas
198
entre las drogas empleadas y el escape. Por otro lado el análisis
estadístico indica diferencias significativas entre el diazepam, el
grupo tratado con erisodina+diazepam y el grupo formado por
intacto, salina y erisodina. El hecho que con diazepam, el tiempo
de permanencia en el brazo abierto sea mayor puede indicar que
este fármaco ejerce un efecto ansiolítico ante situaciones como
el miedo.
Cuando se administró Erisodina+diazepam, los tiempos de
latencia en el brazo abierto fueron mayores al del grupo intacto,
salina y erisodina pero menores al del diazepam, esto nos indica
que para este estudio probablemente la erisodina disminuya o
contrarreste el efecto ansiolítico del diazepam, por lo cual se
sugieren una serie de estudios para su confirmación.
Conclusiones
Para los resultados conductuales de ansiedad se concluye que
al exponer por primera vez el animal al laberinto (línea base)
su comportamiento fue igual sin importar el tratamiento al
que fue sometido. Los tratamientos intacto y salina tuvieron
un comportamiento similar en cada latencia evaluada.
La administración del diazepam ocasionó latencias bajas
confirmando su efecto ansiolítico: la erisodina tuvo efectos
notorios en la evitación 1, por lo cual se presume un probable
efecto ansiogénico de este alcaloide. En la conducta de escape,
probablemente la erisodina disminuya el efecto ansiolítico del
diazepam.
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200
Diseño, Síntesis y Aplicación de Materiales
Magnéticos para el Desarrollo de Nuevos
Métodos de Análisis de Alimentos.
Análisis de Aditivos Alimenticios
Aguilar–Arteaga K.,a* Arteaga–Olguín I., Pérez–Moreno,
F.,b Castañeda–Ovando A. b, López–Molina A.a, Hernández–Martínez V.a
a*Ingeniería
Agroindustrial/Laboratorio de Análisis Especiales.
Domicilio Conocido Tepatepec Hgo., Francisco I. Madero, Hidalgo, México. CP. 42660. Tel. 7387241174, e–mail: kaguilar@upfim.
edu.mx
bUniversidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Carretera
Pachuca–Tulancingo., Mineral de la Reforma, Hidalgo, México.
Tel 7172000.
Resumen
En el presente trabajo se describe la síntesis de materiales
magnéticos con características adsorbentes para el análisis de
aditivos alimenticios en muestras de alimentos, con la finalidad
de determinar fraudes o bien para control de calidad. El método
desarrollado involucra el diseño de materiales magnéticos con
características adsorbentes y funcionalización adecuada para la
adsorción y cuantificación de diversas especies utilizadas como
aditivos alimenticios. El método propuesto es una opción de bajo
costo, con posibilidades automatización.
Palabras clave: Métodos magnéticos, Aditivos alimenticios,
Partículas magnéticas. Métodos de análisis.
Introducción
El presente trabajo propone el uso de materiales magnéticos,
con características adsorbentes útiles en el análisis de aditivos
alimenticios, bien para control de calidad o determinación de
fraudes. Recientemente se ha reportado la aplicación de este
201
tipo de materiales, en diversos métodos de análisis químicos,
debido a que reúnen las características apropiadas para ser
utilizados como adsorbentes. En la industria alimentaria se
requieren de mejores métodos de análisis para determinar y
cuantificar diversos analitos por cuestión de seguridad o bien
para control de calidad. Se presentan los resultados de la síntesis
de materiales magnéticos, así cómo parte de su caracterización.
Las características que presentan los hace candidatos para ser
utilizados en métodos de pretratamiento de muestra como
extracción en fase sólida magnética (mspe), dispersión de matriz
en fase sólida magnética (magnetic–mspd) y en métodos de
determinación y análisis en flujo de tercera generación.
Antecedentes
A partir de la década de los setenta las separaciones magnéticas
basadas en el uso de micro y nano partículas magnéticas han
tomado gran importancia debido a su rápida y fácil separación
de mezclas complejas, sin la necesidad de filtrar o centrifugar,
además de su fácil manipulación, posible automatización y miniaturización. Este tipo de partículas han sido aplicadas en la inmovilización de biomoléculas como proteínas, enzimas, agentes
bioactivos, grupos orgánicos, etc. para posteriormente ser utilizados en sistemas de análisis químicos, médicos y biotecnológicos. El tamaño y funcionalización de las partículas son características importantes para su aplicación, ya que estos dos factores
definen la afinidad de las partículas hacia diferentes analitos. Es
importante mencionar que el método de síntesis está relacionado
directamente con el tamaño y las características de las partículas
magnéticas. Las características fisicoquímicas y magnéticas de
un material lo hacen apropiado para su aplicación [1–5].
Los sólidos magnéticos aplicados en separaciones químicas
están compuestos de dos fases. Una paramagnética, compuesta
principalmente por minerales de hierro u óxidos de hierro como
la magnetita (Fe3O4), maghemita (g–Fe2O3) y una segunda fase
no magnética formada por diversos materiales, entre los cuales
se encuentran polímeros orgánicos, inorgánicos u otros óxidos
202
metálicos, que interactúan con los analitos contenidos en las
muestras.
Las fases presentes en los sólidos pueden estar asociadas
en diversas morfologías. La figura 1 muestra las principales
estructuras morfológicas reportadas. Es importante resaltar que
el método de síntesis empleado y los materiales de partida están
relacionados directamente con la morfología de las partículas
obtenidas y por lo tanto con su aplicación [6–7].
La mspd es una técnica desarrollada en los años ochenta
ampliamente utilizada en métodos de pretratamiento de muestras
de plantas y alimentos, en matrices sólidas, semi–sólidas o con
elevado grado de viscosidad. Una fase sólida es dispersada en una
matriz de muestra, posteriormente es aislada con diversos analitos
adsorbidos en la superficie de la fase sólida, para después llevar
a cabo el proceso de elución. Recientemente se ha reportado la
síntesis de materiales magnéticos con características adsorbentes
adecuadas para ser utilizadas como fase sólida en mspd.
Los métodos de pretratamiento de muestra que hacen
uso de materiales magnéticos reúnen la fuerza magnética y
diferentes métodos de separación e identificación de proteínas,
ácidos nucléicos, organelos celulares e incluso células de
matrices complejas. Recientemente se han utilizado para la
preconcentración de analitos de naturaleza orgánica e inorgánica
de interés económico, ambiental y alimenticio tales como iones
metálicos, metales pesados, antiinflamatorios, antibióticos,
analgésicos, pesticidas, insecticidas, colorantes, surfactantes,
agentes carcinogénicos y compuestos fenólicos [8–13],
Fig.16 A. Estructuras morfológicas reportadas para sólidos magnéticos. a) tipo core–shell, b) multicore, c) bead on bead y d) morfología tipo brush.
203
El presente trabajo pretende reunir las ventajas de las partículas magnéticas con las características ampliamente conocidas
de los carbones activados, obtenidos a partir de desechos agropecuarios logrando la obtención de carbonos activados magnéticos
(CAMs).
La obtención de carbón activado a partir de desechos agrícolas
no es nuevo, se han utilizado diversos métodos para la obtención
de materiales con características adsorbentes adecuadas [14].
El objetivo de las nuevas investigaciones se ha enfocado en la
modificación química y estructural del carbón activado para
conferir propiedades diversas que lo hagan más versátil y de fácil
aplicación. Esta versatilidad se debe básicamente a la presencia
de las especies modificantes, se ha reportado la modificación
del carbón activado con sales metálicas, óxidos metálicos, entre
otras especies. Por otro lado, la obtención de carbón activado a
partir de desechos agrícolas y pecuarios también representa una
disminución de los costos de obtención, además de fomentar la
conservación de bosques y selvas.
Parte experimental
En una primera etapa se obtuvo el carbón activado a partir de
olote de maíz en base seca. Los olotes pasaron por un proceso de
molienda y tamizado para reducir y homogenizar el tamaño de
partícula, con la finalidad obtener una mejor difusión del agente
activante y por tanto mayor grado de porosidad del carbón
activado. El proceso de activación química y carbonización se
llevó a cabo siguiendo el método reportado por Mohan et al, con
algunas modificaciones, utilizando H3PO4 y KOH como agentes
activantes [15]. Los carbonos obtenidos, en una segunda etapa,
fueron magnetizados con magnetita sintetizada por el método
de co–precipitación. La co–precipitación en medio básico de los
iones Fe2+ y Fe3+ contenidos en solución acuosa, en relación
molar 1:2. El tamaño, forma y composición de las partículas
depende del tipo de sal utilizada (cloruros, nitratos, sulfatos,
percloratos, etc.), relación Fe2+ y Fe3+, pH, fuerza iónica del
medio, tipo de base utilizada, la adición de agentes quelantes,
204
temperatura y la velocidad de adición de la base. Este método
genera partículas de magnetita mayores a 10 nm de diámetro. La
síntesis por co–precipitación está representada en la siguiente
reacción [16–17].
Fe 2+ +
2Fe 3++
8OH-
Fe3O4 + 4H2O
La etapa de síntesis de los CAMs se resume en la fig. 2.
Caracterización parcial de los carbonos activados.
Una vez sintetizados los sólidos magnéticos se caracterizaron
fisicoquímicamente, usando las siguientes técnicas instrumentales: Microscopia electrónica de barrido (sem) y espectroscopia
de energía dispersiva (eds) así como la determinación del índice
de yodo en los carbones activados obtenidos mediante la norma
mexicana NMX–F–296–SCFI–2011[18]. Se está trabajando en la
caracterización completa mediante otros métodos instrumentales para una caracterización fisicoquímica más completa y poder
asociar la aplicación de los CAMs obtenidos con sus propiedades
fisicoquímicas,
Fig. 16 B. Esquema de secuencia general de obtención del CAM.
205
Discusión de resultados
En la Tabla 1 se muestran los valores de número de yodo
obtenidos para los carbones activados magnéticos sintetizados,
los resultados muestran un índice de yodo superior para aquellos
sólidos activados con koh que aquellos activados con H3PO4. Los
resultados anteriores demuestran que el precursor utilizado posee
bajo contenido de especies volátiles y alto contenido de carbono.
El carbón activado se evalúa por su área o superficie activa
de adsorción. Se determina la cantidad de N2 o de butano que
es adsorbido por un carbón determinando el área bet. Cuanto
mayor sea la cantidad de gas adsorbido mayor es su superficie,
por lo tanto su capacidad de retención de moléculas de gas es
mayor.
Para la adsorción en fase líquida se emplea el índice de yodo,
donde se evalúa la cantidad de yodo que adsorbe un carbón determinado y se compara su valor con los parámetros o valores
estándar.
Si el carbón será empleado en la adsorción de gases se
caracteriza el material mediante el área bet. Si va a ser empleado
para la adsorción de compuestos en fase líquida, como es el
caso del tratamiento de aguas, el parámetro más importante a
determinar es el índice de yodo.
Tabla 16C. Índice de yodo para los carbones magnéticos
activados obtenidos a partir de olote de maíz.
Activación y Relación
Magnetita
Índice de yodo (DER n=3)
H3PO4/1:1
750 mg⋅g–1 (2)
H3PO4/1:2
650 mg⋅g–1 (4)
KOH/1:1
1050 mg⋅g–1 (2)
KOH/1:1
980 mg⋅g–1 (3)
La figura 3 muestra micro fotografías representativas tomada
a los CAMs obtenidos. Se muestran sólidos porosos, Sin embargo
en la microfotografía 3b se observa material más poroso, este
cam se obtuvo por activación con koh en suspensión, lo anterior
206
refuerza los resultados obtenidos con el Índice de yodo, mientras
que la microfotografía 3a muestra un cam activado con H3PO4.
El espectro eds representativo mostrado en la figura 3c corrobora
la presencia de hierro en las matrices de los cam obtenidos
mediante la síntesis descrita. De acuerdo con los resultados
presentados podemos afirmar que los CAMs obtenidos son
sólidos con características importantes para ser aplicados en
métodos de de pretratamiento de muestras alimenticias para la
determinación de aditivos, toxinas y contaminantes. Por otro lado
también posean cara características deseables para ser utilizados
en métodos industriales para la producción de alimentos.
Actualmente se está trabajando en la determinación de
fraudes alimenticios, para la determinación de aditivos como
Aspartame y Acesulfame–K, mediante Magnetic–mspd–hplc,
debido a que los CAMs obtenidos presentan alta selectividad
hacia estas dos moléculas,
Fig. 16D. a) microfotografía SEM para CAMs activado con
H3PO4, b) microfotografía SEM para CAMs activado con H3PO4
y c)Espectro EDS representativo obtenido para los CAMs.
207
Conclusiones
Se logró optimizar el proceso de síntesis para la obtención de
los CAMs, mediante la cual se obtienen sólidos con características magnéticas y adsorbentes importantes para ser aplicados en
métodos de pre–tratamiento de muestras alimenticias como la
magnetic–MSPD.
El proceso de activación es un paso determinante para la
obtención de CAMs con elevada área superficial, asociada con el
índice de yodo.
El precursor (olote de maíz) de los CAMs obtenidos es una
buena fuente de carbono debido a los elevados índices de yodo
obtenidos.
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209
Efecto del mucílago del nopal
(Opuntia ficus índica) de dos edades fisiológicas como agente coagulante–floculante
en agua Residual
Rodríguez–Martínez N.,* Sánchez – Herrera S.G1., Noguez – Estrada J. 1, Díaz – Batalla L1, Acosta – Percastegui
A.
*Ingenieria
en Agrotecnología, /Cuerpo Académico Biotecnología
Agroindustrial Sustentable, Universidad Politécnica de Francisco
I. Madero. Carretera San Juan Tepa– Tepatepec km 2, Francisco
I. Madero, Hidalgo. CP.42670. Tel 738 72 4 11 71, nrodriguez@
upfim.edu.mx
1Ingeniería agroindustrial, Universidad Politécnica de
Francisco I. Madero
Resumen
El presente trabajo consistió en evaluar el efecto del mucílago del
nopal (Opuntia ficus indica) de dos edades fisiológicas como coagulante–floculante natural en el tratamiento de agua residual. Se
extrajo el mucílago del nopal de dos edades fisiológicas (cladodios
jóvenes y cladodios maduros) y se adicionó en una dosis de 50 ml,
75 ml y 100 ml al agua residual proveniente del canal “Requena”,
derivación del represo que abastece una parte de la zona de riego
del Valle del Mezquital. Se evaluaron parámetros iniciales en el mucílago obtenido de los cladodios. Así mismo se caracterizó física y
químicamente la mezcla de agua residual y el mucílago de cada uno
de los tratamientos por triplicado sometido a la prueba de jarras. En
relación a la concentración de Sólidos totales el tratamiento con 75
ml resultó ser el que removió mayor cantidad con relación al testigo
hasta en un 25% de sólidos. La conductividad eléctrica incrementó
con la agregación del mucílago tanto maduro como joven con valores que fluctúan entre 1365 a 1966 µS, lo que sugiere que a mayor
concentración de mucílago la conductividad eléctrica incrementa.
La turbidez registró un valor directamente proporcional a la agrega210
ción del mucílago independientemente si corresponde a un cladodio
maduro o joven, guardando una relación menos marcada en el mucílago extraído de pencas maduras.
El pH inicial del mucílago de pencas jóvenes y maduras, registra
valores de 6 y 5.5, respectivamente, sin embargo, con la agregación de
las dosis en los diferentes tratamientos el pH registra una tendencia a la
neutralidad (7.1–7.3) en la mayoría de los tratamientos, con respecto
al testigo (7.7). El uso del mucílago de nopal para el tratamiento
del agua residual representa una alternativa al uso de productos
químicos que son eficientes en la remoción de contaminantes pero
que a su vez generan un nuevo problema al medio ambiente.
Palabras clave: Mucílago
caracterización físico–química.
de
nopal,
agua
residual,
Introducción
Las cactáceas constituyen una de las familias botánicas más
abundantes en México, con una gran cantidad de géneros y
especies, una extraordinaria variación en su morfología, así como
la adaptación a distintos tipos de vegetación y medios ecológicos.
El género Opuntia ficus indica, presenta adaptación en una
diversidad de calidad de suelo, desde los fértiles hasta los agrestes,
permitiendo su producción a gran escala en la mayoría de las zonas
áridas y semiáridas del país. Estas zonas en México abarcan el
40% de la superficie total del país. Aunque existen pequeñas zonas
áridas como producto de las condiciones climáticas locales, la
mayor extensión se ubican en el cinturón o faja mundial de aridez.
De los 32 estados que integran el territorio nacional, 25 presentan
porciones áridas en mayor o menor proporción, entre los estados
que destacan son: Aguascalientes, Baja California Norte, Baja
California Sur, Coahuila y Sonora; de manera parcial se presenta
en los estados de Colima, Chihuahua, Durango, Guanajuato,
Guerrero, Hidalgo, Jalisco, México, Michoacán, Nuevo León,
Oaxaca, Puebla, Querétaro, San Luis Potosí, Sinaloa, Tamaulipas,
Tlaxcala, Yucatán y Zacatecas. De aquí la importancia de adaptar
o generar tecnología para explotar racionalmente esta área.
211
El uso de efluentes provenientes de zonas urbanas para fines de riego en la agricultura, es una práctica que se incrementa
cada día en particular en países subdesarrollados, en zonas áridas y semiáridas, así como en zonas con crecimiento demográfico constante en donde se presenta mayor explotación de recursos y generación de residuos. [1]
De las 350,000 hectáreas de suelos agrícolas que emplean
aguas residuales para el riego en México, más de 280 mil son regadas con aguas residuales sin tratamiento, con esto México ocupa
el primer lugar en Latinoamérica en el uso de agua residual. [2]
La mayoría de las tecnologías empleadas para el tratamiento
de agua residual son caras e inoperables debido a la movilidad de
los contaminantes generados durante el proceso, por lo a que es
necesario optar por el uso de productos que realicen una similar
función en relación con los químicos, en este sentido el mucílago
de nopal es una alternativa para el tratamiento de agua, para tal
efecto el presente trabajo tiene el propósito de evaluar el efecto
del mucílago de nopal (Opuntia ficus indica) de dos edades fisiológicas como agente floculante–coagulante en el agua residual
utilizada en el riego agrícola del Valle del Mezquital.
Metodología
La recolección de las raquetas de nopal de dos edades fisiológicas se llevó a cabo en la comunidad de Tepatepec, Municipio de
Francisco I Madero, bajo un diseño completamente al azar considerando cladodios maduros y cladodios jóvenes de un plantío
de aproximadamente 5 años, sin aparente presencia de plagas ni
enfermedades y en tonalidades de raquetas uniformes. Para su
extracción se consideró la técnica de eliminación de solutos de
un líquido transfiriéndolos a una segunda fase líquida establecida
por relación 1:1 [3]. Para la toma de la muestra del agua residual
se consideraron los lineamientos generales y recomendaciones
establecidas en la NMX–AA–3–1980 [4]. Se adicionó el mucílago
de nopal en una dosis de 50 ml, 75 ml y 100 ml por litro de agua
residual, dosis establecida por [3] y sometido a la prueba de jarras
para simular el proceso de coagulación–floculación. Se determi212
naron parámetros como sólidos sedimentables según la norma
mexicana NMX–AA–004–SCFI–2000 [5]. Los sólidos totales y volátiles se calcularon basado en la NMX–AA–034–SCFI–2011 [6].
Para determinar la turbiedad se aplicó la NMX–AA–038–SCFI–
2001 [7]. El Procedimiento para la obtención de la dureza tomó
como referencia a la Norma Mexicana NMX–AA–072–SCFI–2001
[8]. La medición del pH se basó en la Norma Mexicana NMX–
AA–008–SCFI–2000 [9] y la capacidad de conducir corriente eléctrica en presencia de iones disueltos se determinó por la NMX–
AA–093–SCFI–2000 [10]. Todas las determinaciones se realizaron
por triplicado.
Resultados
Los resultados de la extracción del mucílago maduro reflejó que
de los 2 kilogramos de muestras recolectadas se obtuvieron 800
ml de mucílago y en los cladodios jóvenes la cantidad de mucílago fue de 1200 ml. Esto se atribuye a la cantidad de agua contenida en las raquetas y reportadas por [12] donde establece que el
nopal joven tiene hasta en 91% de agua lo que infiere la cantidad
de mucílago obtenido en cada tratamiento.
En relación a la turbiedad (Ver fig. 1), ésta se incrementa con
la agregación de mucílago de nopal en especial en las raquetas
jóvenes, lo que sugiere que la adición de este elemento externo
podrá inferir en algunos procesos relacionados con la capacidad
del agua a la penetración de la luz por la presencia de materiales
coloidales.
Fig. 17A. Turbiedad registrada en los diferentes tratamientos con
la adición de mucílago de cladodios jóvenes y maduros.
213
El potencial hidrógeno (pH) medido en el mucílago registra
valores similares a los reportados por [11], donde establecen
que el rango fluctúa entre 5.0 y 6.6. Los valores de la muestra
de agua residual se encuentra clasificada como poco alcalina,
clasificación que se modifica con la agregación del mucílago
de ambos edades fisiológicas (Ver fig. 2), los cuales tienden a
clasificarlos como pH neutros, aspecto deseable para la mayoría
de las aguas destinadas al riego agrícola.
Fig. 17B. Valores de Potencial Hidrógeno obtenido de los diferentes
tratamientos con la adición de mucílago de cladodios jóvenes y
maduros.
La conductividad eléctrica presente en el mucílago refiere
que la muestra contiene una cantidad de iones que como tal no
favorecen el uso del mucílago, sin embargo al comparar al testigo
con la agregación de las diferentes dosis en los tratamientos
estudiados, sugieren que con el incremento de la cantidad de
mucílago agregado al agua residual la conductividad eléctrica
guarda una relación directamente proporcional, esto debido
a la presencia de sólidos totales disueltos en los diferentes
tratamientos.
214
Fig. 17C. Valores de Conductividad Eléctrica medida en los tratamientos con la agregación de mucílago de raquetas jóvenes y maduras.
Conclusiones
El uso del mucílago de nopal de diferentes edades fisiológicas
tienen un efecto sobre la depuración de las aguas residuales
y pueden ser una sustancia que permita la sustitución de
un compuesto químico convencional que indudablemente
provocara efectos positivos en el tratamiento para coagulación–
floculación del agua residual, pero que así mismo provocara
daños al ambiente.
Referencias
1. Hernández, G.; Flores, F.; Solorio, J.; Alcalá, J. 1994. Riesgo
de acumulación de Cd, Pb, Cr, y Co en tres series de suelos
del DR 03, Estado de hidalgo, México. Revista Mexicana de
Ciencias Geológicas. 11:53-61.
2. CNA, 2003. Comisión Nacional del Agua. EL Uso de aguas
Residuales en la Agricultura de Riego. Subgerencia de
Ingeniería, Riego y Drenaje. México.
3. Carpinteyro. U. 2011. Tratamiento de Aguas Residuales empleando polímeros naturales y biodegradabilidad de los lodos
generados. Instituto Politécnico Nacional. Repositorio Digital.
215
4. Comisión Nacional del Agua. Página consultada 14 /11/2014.
http://www.conagua.gob.mx/ c o n a g u a 07/Noticias/NMXAA-003-1980.pdf
5. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Página consultada
el 14/11/2014. https://www.imta.gob.mx/cotennser/.../NMX-AA004-SCFI-2000.pdf
6. conagua07. Página consultada ek 14/11/2014.
www.conagua.gob.mx/conagua07/.../NMX-AA-034-SCFI-2001.
pdf
7. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Página consultada
12/11/2014.
https://www.imta.gob.mx/cotennser/.../NMX-AA038-SCFI-2001.pdf
8. Comisión Nacional del Agua. Pagina consultada 10/11/2014.
www.conagua.gob.mx/conagua07/.../NMX-AA-072-SCFI-2001.
pdf
9. Comisión Nacional del Agua. Página consultada 10/11/2014.
www.conagua.gob.mx/conagua07/.../NMX-AA-008-SCFI11.pdf
10. Comisión Nacional del Agua. Pagina consultada 9/11/2014.
www.conagua.gob.mx/conagua07/.../NMX-AA-093-SCFI-2000.
pdf
11. Saenz, C. 2000. Processing technologies: an alternative for
cactus pear (opuntia spp) fruits and cladodes. Journal of Arid
Enviroments. 46:209-225.
216
Recirculación del agua posterior al curtido
como método para reducir el impacto
ambiental y los costos de producción
Noguez–Estrada J.,* Rodríguez–Martínez N., Díaz
Batalla L.,1 Sánchez–Herrera SG.
*Ingeniería
agroindustrial, Universidad Politécnica de Francisco
I. Madero. Domicilio conocido, Tepatepec, Hidalgo, México. CP.
42660. Tel. 01 738 724 04 52, e–mail: [email protected].
Resumen
El presente trabajo tiene como objetivo reflejar la relevancia de
los aspectos ambientales, sociales y económicos del sector de la
producción de cueros y pieles, haciendo especial énfasis en los
impactos ambientales negativos derivados de la curtiduría y sus
posibles soluciones, así como reflexionar en relación con los
beneficios económicos, ambientales y sociales que se pueden
obtener al implementar mejoras tecnológicas y “buenas prácticas”
en el proceso productivo. Además de ofrecer alternativas que
pueden ser implementadas en los procesos de curtido, para
minimizar la problemática generada por la contaminación de las
aguas provenientes de las curtidurías residuales que se desechan
al alcantarillado, buscando minimizar la carga contaminante
mediante métodos de recirculación del agua posterior al curtido.
Actualmente la contaminación ambiental es un tema que genera
preocupación en todas partes del mundo, así por ejemplo el
Río Turbio ubicado en la ciudad de León es uno de los más
contaminados, ya que un gran número de tenerías desechan las
aguas residuales al mismo.
De acuerdo con información bibliográfica consultada,
especializada para la minimización del cromo en los efluentes
residuales generados por las industrias del curtido se encontraron
las siguientes alternativas: Recirculación directa de baños de
cromo, recirculación indirecta de baños de cromo, sistemas con
recuperación de cromo y su reutilización. Por los requerimientos
217
para el productor de menor escala, la recirculación del agua puede
ser una alternativa viable de implementar en sus procesos.
Palabras clave: curtido,
contaminación, cromo.
recirculación,
cuero,
piel,
Introducción
Una de las características típicas de la ganadería en el Valle
del Mezquital en el Estado de Hidalgo es el predominio de un
sistema extensivo en el manejo de animales. Si bien el objetivo
principal de la actividad es la producción de carne, se genera
con ello una gran cantidad de pieles, que en la mayoría de los
casos son recolectados y comercializados principalmente en la
ciudad de León Guanajuato, generando poco valor al destinarse
principalmente a la producción de cuero.
En el curtido de cuero y piel, es necesario buscar nuevas
tecnologías que permitan no sólo mitigar su efecto al ambiente,
sino también que impacte en los costos de producción. Una
alternativa puede ser el aprovechamiento sustentable de las
pieles mediante el curtido con tecnologías limpias que permitan
la reutilización del cromo, que además garanticen la calidad
para su uso en peletería fina.
Un aspecto muy importante a tener en cuenta dentro
del sistema productivo en la industria de la curtiduría es la
optimización de procesos a partir de un uso racional y eficiente
de los recursos, ya que su uso irracional afecta la sostenibilidad
del sistema en su ámbito económico, ambiental y social. Un uso
adecuado de los insumos durante el proceso permite disminuir la
contaminación, los costos de producción y garantizar la práctica
de la actividad para generaciones futuras.
Una de las alternativas para una gestión ambiental empresarial
adecuada, puede ser el uso de sistemas de producción más limpia y
buenas prácticas ambientales para un sistema de control operacional
eficiente y efectivo que mitigue los efectos ambientales.
La práctica de procesos eficientes y sustentables durante el
curtido, pueden ser una alternativa para hacer rentable la acti218
vidad pecuaria en el Estado de Hidalgo, de tal manera que gran
parte de la materia prima aquí generada se transformen en productos y prendas de gran valor que impacte en la economía de
los productores y por ende de sus familias.
La industria de la curtiduría
La industrialización de las pieles que se utilizan en la elaboración de diversos objetos de piel con valor comercial, en forma
genérica se conoce como “proceso de curtido”. El proceso completo se puede clasificar, básicamente en cuatro etapas; la primera que se denomina “ribera” y en ella se lleva a cabo la limpieza
de la piel que se recibe como materia prima, la cual puede estar
conservada con “sal común” (cloruro de sodio), en cuyo caso se
denomina “verde salada” o recibirse fresca o seca. En esta etapa
se eliminan todos los componentes de la piel que no son transformables a cuero, como sales de sodio, pelo y material proteínico. La segunda etapa comprende propiamente el proceso de
“curtido”, mediante el cual se logra impartir estabilidad química
y física a la piel evitando su putrefacción y haciéndola resistente
a cambios de temperatura y humedad. En el curtido se utilizan
materiales de origen vegetal (curtido vegetal) o sales inorgánicas,
especialmente sales de cromo (curtido al cromo). La piel curtida se denomina cuero azul o con el término inglés wet blue. La
tercera etapa se conoce como Recurtido, Teñido y Engrase rte,
y en ella se logra que el cuero adquiera suavidad, color y otras
características que son necesarias para fabricar artículos comerciales. Finalmente, en la cuarta etapa denominada “acabado” se
imparte al cuero las características específicas que el mercado
impone a cada tipo de producto, como puede ser el grabado, color y tacto, entre otros [1].
La industria del cuero genera grandes cargas de contaminantes en sus procesos, pero esto se puede contrarrestar tomando
medidas de seguridad para prevenir y disminuir la contaminación. Existen medidas de fácil aplicación y como ventaja presentan disminución de costos en los procesos al reutilizar los
productos químicos empleados y la disminución considerable de
219
agua. Actualmente el curtido de pieles con sales de cromo representa el 80% de la producción total de cueros en el mundo [ 2 ].
Características fisicoquímicas del cromo
La forma trivalente (Cr III) representa al cromo como un elemento
esencial y es más estable, mientras que el estado hexavalente (Cr
IV) es altamente tóxico. El cromo trivalente es el más frecuente
en el agua natural, las especies relativamente inertes es de cromo
(Cr III) se consideran fundamentales para el mantenimiento de
la glucosa, de los lípidos y de las proteínas.
El cromo (Cr III) es cerca de 100 veces menos tóxico que el
cromo (Cr VI). Por otra parte la solubilidad del cromo (Cr III)
está limitada por la formación de diversos tipos de óxidos e hidróxidos [ 3 ].
Aproximadamente el 65% de los efluentes líquidos del proceso de curtido y preparado de cueros tienen su origen en las operaciones de ribera (lavado, remojo, pelambre, encalado y desencalado); 30% en las operaciones de curtido (piquelado, curtido,
recurtido y teñido) y el 5% restante en el acabado. Los residuales
generado en la etapa de curtido, es debido al cromo no fijado
a la piel que supone alrededor de un 15% del cromo añadido
al baño durante el proceso de curtido. Generalmente, los baños
residuales del curtido se homogeneizan con el resto de efluentes
industriales y el cromo se precipita como hidróxido de cromo,
quedando retenido en los lodos. Este residuo por contener un
metal pesado (cromo) podría ser definido como residuo peligroso ante la posibilidad de oxidarse a cromo hexavalente, lo cual
traería consecuencias negativas al bioacumularse en organismos
vivos y producir alteraciones genéticas [ 4 ].
El cromo trivalente, tal como se lo encuentra en la naturaleza, en principio no es peligroso para el hombre. Pero si es sometido a altas temperaturas se convierte en cromo hexavalente,
una sustancia que ingresa en el cuerpo a través de las vías respiratorias el agua o los alimentos y puede provocar gastroenteritis aguda, hepatitis aguda, dermatitis alérgica, laringitis crónica, úlcera gastroduodenal, conjuntivitis crónica, rinofaringitis
220
crónica, perforación del tabique nasal y cáncer pulmonar. Los
diversos compuestos del cromo hexavalente representan la mayor amenaza, especialmente debido a sus efectos genéticos. Los
compuestos del Cr+6 actúan en casi todos los sistemas de ensayo
diseñados para determinar sus efectos mutagénicos, por lo que
el hecho de que atraviese la placenta significa un alto riesgo para
los embriones y fetos. [2]
Tecnologías limpias en el proceso de curtido
La buena práctica ambiental consiste en minimizar la presencia
de cromo, DQO y fenoles libres en los baños residuales. El objetivo es reducir el costo del tratamiento de las aguas residuales y
en algunos casos minimizar el cromo en los vertidos de este proceso. Para lograrlo, se deben realizar procesos en los cuales se
optimicen el uso de recurtientes de acuerdo al tipo de artículo a
obtener, en función de las características deseadas, acompañada
de un buen agotamiento, controlando pH, temperatura, tiempo
y cantidad de agua. [ 2].
La producción más limpia, evita la contaminación ambiental al reducir la generación de residuos en cada etapa de la producción con el fin de minimizar o eliminar residuos antes de se
generen contaminantes potenciales. La producción más limpia
requiere el compromiso de la administración y un enfoque sistemático para la reducción de residuos en todo el proceso de producción. El desarrollo industrial basado en el uso de tecnologías
limpias, reduciría las cargas contaminantes e incrementaría la
eficiencia en el uso de la energía y la materia prima [5].
Recirculación directa
La finalidad de emplear estos sistemas es principalmente para
la disminución del cromo en las descargas contaminantes de los
efluentes, reciclando especialmente el cromo presente en los baños y disminuyendo el consumo de agua. Los licores de curtido
son recuperados, almacenados y reformulados sin sufrir otro tratamiento más que la eliminación de partículas sólidas y grasas.
La recirculación directa de licores de cromo, consiste en un pro221
ceso básicamente convencional de curtido en el que el baño residual se recupera, se filtra y se almacena, posteriormente se evalúa su contenido de óxido de cromo y se ajusta a un pH de 3 con
ácido sulfúrico, para usarlo como licor de piquel en la siguiente
partida. El cromo que debe añadirse al proceso de recirculaciones es el porcentaje usado normalmente menos la cantidad que
existe en el baño residual.
En el curtido tradicional, solo el 40% del cromo traspasa la
piel para cambiar la estructura de la proteína, del 26 al 30% se
encuentra como desperdicio sólido y del 30 al 34% se observa
en los afluentes. Una cierta cantidad de cromo que entra a los
afluentes puede ser recobrado al escurrir y drenar el agua (21 al
24% del cromo ofertado), y otra fracción al precipitar el licor del
recurtido (6% del cromo ofrecido) [6].
Los resultados de los análisis realizados para calcular el contenido de cromo son necesarios para la realización de los ajustes
en cada proceso de precipitación y reúso.
Actualmente no se tiene establecido un número aproximado
de reúsos de baños de curtido, sin embargo de acuerdo con fuentes bibliográficas consultadas se pueden lograr de 7 a 10 reúsos
de baños de cromo sin que las pieles presenten cambios en su
estructura y color [7].
Normas oficiales mexicanas para evaluar
la calidad del producto piel
Pruebas químicas
NMX–A–221–1982 (DGN) Curtiduría pruebas químicas del cuero determinación de las grasas y otros materiales solubles extractables con cloruro de metileno.
NMX–A–223–1982 (DGN) Curtiduría —Pruebas químicas
del cuero— Determinación de las materias orgánicas e inorgánicas extractables con agua (pérdida por lavado).
NMX–A–224–1982 (DGN) Curtiduría —Pruebas químicas
del cuero— Preparación de muestras para análisis.
NMX–A–229–1982 (DGN) Curtiduría —Pruebas químicas del
cuero— Determinación del ph y ph de un extracto acuoso de cuero.
222
NMX–A–230–1982 (DGN) Curtiduría–pruebas químicas del cuero – Determinación del contenido de cromo.
Pruebas físicas
NMX–A–220–1982 (DGN) Curtiduría–Pruebas físicas del cuero
– Evaluación de la resistencia a la tracción, porcentaje de alargamiento debido a una carga determinada y porcentaje de alargamiento en la rotura.
NMX–A–235–1983 (DGN) Industria de la curtiduría y del calzado – pruebas físicas del cuero–Determinación de la resistencia al
desgarre.
NMX–A–236–1983 (DGN) Industria de la curtiduría y del calzado – Pruebas físicas de cuero–Medición de la contracción superficial por inmersión en agua hirviendo.
NMX–A–237–1982 (DGN) Industria de la curtiduría y del calzado–pruebas físicas del cuero–Medición de la dilatación y la resistencia de la flor por medio de la prueba de reventamiento por
bola.
Conclusiones
La industria del curtido seguramente seguirá siendo rentable
siempre y cuando se adopten mejoras ambientales en los procesos de producción, los procesos utilizados deberán considerar el
reúso, tratamiento y manejo de sus residuales.
Las pruebas químicas, así como físicas realizadas a licores
residuales y a las pieles curtidas con procesos sustentables
deberán garantizar la calidad del producto final, acorde con las
necesidades de los consumidores.
A lo largo de todo el proceso de curtido (ribera, curtido,
recurtido y acabado) se pueden realizar mejoras en los procesos
con la finalidad de disminuir la contaminación generada por esta
industria; de igual forma, los desechos obtenidos en estas etapas,
se pueden emplear en otro tipo de productos, no semejantes a los
cueros curtidos.
Con el empleo de sistemas de reúso de cromo se puede disminuir la carga contaminante debido a que el volumen de agua
223
residual será menor, además de disminuir el costo de producción
por el ahorro de materia prima.
El proceso de curtido con tecnologías limpias es sustentables, al cumplir no solamente con su compromiso ambiental,
sino también al impactar en los costos y por lo tanto en la rentabilidad del negocio. Seguramente al implementar tecnologías
limpias se deberá considerar también la responsabilidad social
de la empresa.
Bibliografía
1. Gutiérrez, M. 1999. Manual de procedimientos para el manejo
adecuado de los residuos de la curtiduría. Instituto nacional
de ecología, semarnap. 62 P.
2. Agencia de Protección Ambiental de los Estados unidos y
ciatec a.c. 2006. Manual de Buenas Prácticas Ambientales
para la Curtiembre en Centroamérica. 76 p.
3. Fabiani, C.; Ruscio, F.; Spadoni, M.; Pizzichini, M. 1997.
Chromium (iii) “Salts Recovery Process Fromm Tannery
Wastewaters”. Desalination. 108.
4. Gómez-Bustamante, J.; Echeverry-Giraldo, A. F. 2010. Análisis
técnico y económico en la recirculación de aguas residuales
de pelambre y curtido en una curtiembre. Tesis. Universidad
Tecnológica de Pereira. Facultad de Ciencias Ambientales.
5. Alzate-Tejada A. M.; Tobón-Mejía, O. 2004. Manual ambiental
sectorial. Centro Nacional de Producción más Limpia y
Tecnologías Ambientales. 59.
6. Ludvík, J. 2000. Chrome balance in leather processing. United
nations industrial development.
7. Josep M. Morera, J.; Bartoli, E.; Chico, R.; Solé, C.; Cabeza, L.
2011. “Minimization of the environmental Impact of chome
tanning: a new process reusing the tanning floats”. Journal of
Cleaner Production. July.
224
Índice
Presentación
5
Avances y perspectivas de investigación LGAC:
tecnofuncionalidad y nutrición molecular de compuestos
bioactivos
Alanís-García E., Cruz-Cansino N.S. Manríquez-Torres J.J., ArizaOrtega J.A. Delgado-Olivares, L., Ramírez-Moreno E.
7
Investigación en bioprocesos agroalimentarios
Rodríguez-Hernández A. I., Vargas-Torres A., Chavarría-Hernández N.
31
Caracterización y aprovechamiento de recursos biológicos
en el Valle del Mezquital
Díaz-Batalla L., Hernández-Martínez V., Aguilar-Arteaga K.,
Lopez-Molina A., Conde-Mejía C.
39
Producción y transformación de Cambarellus montezumae
y Tenebrio molitor para su uso como ingredientes alternos
en alimentos
Cerón-Ortiz A.N., Ángeles-Monroy M.A., Montufar-Serrano E.,
Limón-Mendoza M.A.
52
Caracterización de residuos agrícolas modificados
químicamente para su aplicación en biotecnología
Castañeda-Cisnero,Y. E., Guzmán-Ortiz, F. A., Téllez-Jurado, A.,
Román-Gutiérrez, A. D.
65
Evaluación física de diez variedades de cebada para la
producción de maltas de acuerdo a la Norma NMX-FF-043SCFI-2003
Barrera-Hernández M, Guzmán-Orti F.A., Roldán-Rojas J.H.,
Román-Gutiérrez, A. D.
80
225
Producción de hidrógeno por métodos biológicos: Revisión
F. Pineda Muñoz M. A. Lizardi Jiménez A. Arana Cuenca S. A.
Medina Moreno y A. Jiménez González
93
Fermentación sólida: ventajas y aplicaciones
biotecnológicas
Callejas-Hernández F, Téllez-Jurado A, Muro-Urista C, AranaCuenca A
109
Efecto del almacenamiento a diferentes humedades
relativas en la permeabilidad al vapor de agua de películas
de harinas adicionadas con montmorillonita-Na.
Rodríguez-Marín M. L., Castro-Rosas J., Gómez-Aldapa C.A. ,
Falfán Cortés R.N.
118
Utilización del Almidón de amaranto (Amaranthus
hipochondriacus) en la tecnología de secado por aspersión
Falfán-Cortés, RN., Martínez-Bustos, F., Gaytán-Martínez, M.,
Gómez-Aldapa CA
128
Análisis fisicoquímico y determinación de actividad
antioxidante del capulín (Prunus serotina)
Castañeda-Ovando A., Martínez-Torres E., Contreras-López E.,
Jaimez-Ordaz J., Añorve-Morga J., González-Olivarez L.G
149
Cólera y su agente etiológico
Rangel-Vargas Esmeralda, Castro-Rosas Javier, Gómez-Aldapa
Carlos Alberto, Falfán Cortés Reyna Nallely y Rodríguez Marín
María Luisa
159
Producción de alimentos vegetales en la agroindustria
alimentaria: una perspectiva sociocultural
Hernández-Martínez V., López-Molina A., Aguilar-Arteaga K.,
Sánchez-Herrera S.G., Díaz-Batallas L.
178
226
Seguridad de Procesos en la Agroindustria
López-Molina A., Hernández-Martínez V., Aguilar-Arteaga K.,
Sánchez-Herrera S.G., Díaz-Batalla L.
187
Evaluación farmacológica del alcaloide erisodina
Sánchez- Herrera S.G., , Noguez-Estrada J, Rodríguez-Martínez
N., Diaz-Batalla L, Soto-Hernández M.R., Garín-Aguilar M.E
195
Diseño, Síntesis y Aplicación de Materiales Magnéticos
para el Desarrollo de Nuevos Métodos de Análisis de
Alimentos. Análisis de Aditivos Alimenticios
Aguilar-Arteaga K., Arteaga-Olguín I., Pérez-Moreno F., Castañeda-Ovando A. , López-Molina A., Hernández-Martínez V.
201
Efecto del mucílago del nopal (Opuntia ficus índica) de dos
edades fisiológicas como agente coagulante-floculante en
agua Residual
Rodríguez-Martínez N., Sánchez-Herrera S.G., Noguez-Estrada J. ,
Díaz-Batalla L, Acosta-Percastegui A.
210
Recirculación del agua posterior al curtido como
método para reducir el impacto ambiental y los costos de
producción
Noguez-Estrada J., Rodríguez-Martínez N., Díaz Batalla L.,
Sánchez-Herrera SG.
217
227
biotecnología y alimentos en hidalgo
Líneas de investigación en desarrollo,
coordinado por Luis Díaz Batalla y otros,
se terminó de imprimir el día 25 de marzo
de 2016 en la Ciudad de México, con un
tiraje de 100 ejemplares en offset digital.