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Efluentes de la industrialización del maíz: ¿contaminante o recurso valioso?RosaDomínguezEspinosaDanielPachoCarrillo
POTEnCIALDEUSOPARALOSExCEDEnTESAGROInDUSTRIALESYEFLUEnTESDELAInDUS-TRIAALIMEnTARIAAnualmentemillonesdetoneladasdecerealesyfrutossondañadosporelcli-madurantesutransporte,durantesualmacenajeobiendurantesuprocesa-do,loqueocasionaqueseconviertanenmaterialdedesechonoaceptablepara su consumooprocesodirecto(Godon,1993).Sinembargo,todoestedesperdicio agrícola constituyeunafuentepotencialdeenergíarenovableenaltaabundanciaydemuybajocosto(USDA,1995).Lacreacióndeproce-sosbiológicosparalaproduccióndequímicosyaditivosqueutilicenestosmaterialescomoprincipalesinsumospuedeayudararesolveralgunospro-blemas socio-económicosgeneradosenelcampoyenlacadenaproductiva
debido al altovolumendematerialagrícola no aprovechado.Adicio-nalmente,con la implementacióndetecnologías limpiascomo laanteriorse ayudaría a reducir elnúmerodeemisionesgeneradasporlaindustriaquímica(Stanleyycol.,1994). La utilización de excedentesagroindustrialescomomateriaspri-maspara la obtenciónde químicosyotrosbieneshasidouncampodealtocrecimientoapartirde lasmásrecientes crisis petroleras. Variosestudios alrededordel planeta hancomprobadoquepormediodelabio-conversión deexcedentesy residuosagroindustriales es factible obtenerdiversos productos químicos y deespecialidadderelevanciaindustrialencantidadesconsiderablesatravésdemétodosdefermentaciónobiorre-finación.Otrafuenteimportantedere-cursossubexplotadoseslaindustria
Rosa Domínguez Espinosa.Doc-tora en ingeniería químicaconespecialidaden fermen-taciones,por laUniversidaddeManchester. Ganadoradel PremionacionalCésarO.BaptistadelIMIQ,2002,alaInvestigacióndeExcelenciaenIngenieríaQuímica.
Daniel Pacho Carrillo.Doctoren ingeniería química conespecialidadenaplicacionesde tomografía eléctricaparacontrol de procesos, por laUniversidaddeManchester.Ganador del Premio na-cionalCésarO.BaptistadelIMIQ,2002,alaInvestigacióndeExcelencia en IngenieríaQuímica.
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Udelosalimentos,quehabitualmentegeneraefluentesprovenientesdesusprocesos, las cuales acarreanmate-rialesprovenientesde losalimentosprocesados,mismosquesonfactiblesdeserreaprovechadoscomomateriaprimaparalaobtencióndecompues-tosdemayorvaloragregado. Laproduccióndeproductosquí-micos de alto potencial comercialrepresentanunaalternativaatractivaparalapuestaenmarchademétodosbiológicosdedegradacióndedesechosgeneradosenelprocesadoindustrialdecerealesyotrosalimentos,nosóloporquepropone lautilizacióndeundesechodepocovalorcomercialyqueen algunos casospuede llegar a ser
altamentecontaminante,sinotambiéncontemplalaproduccióndeinsumosdegran importancia comercial auncostomuybajoconrespectodelama-teriaprimautilizada.Deestamanera,eldiseñodeprocesosbiológicosparalaproduccióndequímicosfinosapar-tirdeestosmaterialespuederesolveralgunosproblemassocioeconómicosgeneradosenelcampoyenlacadenaproductiva.
ELnEJAYOTEYLAInDUSTRIADELnIxTAMALUnaindustriadegranrelevanciaenMéxicoeslatransformacióndelmaízentortillas.Deacuerdoconestimacio-nesextraoficiales(PedrozadeBrenes
Efluentesdelaindustrializacióndelmaíz:¿contaminanteorecursovalioso?
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yDurándeBazúa,1988),elconsumoaparentepromediodemaízgranoenMéxico ascendió a 25.5millonesdetoneladas en el período 2002/2003,cubiertoprincipalmentepor lapro-ducción internayenmenormedidaporlasimportaciones.Elgranonacio-nalcontribuyeenpromedioconel86porcientodelaofertatotal,mientrasque el consumohumanodel granoserealizapredominantementecomotortilla,detalmaneraqueelconsumoper capita esde 350gramosdiarios,quesetraduceaunconsumodeesteproductode12.45millonesdetonela-dasalaño,conunconsumodetortillaascendente ligadoal crecimientodela población (Figura 1). LaCámaranacional delMaíz IndustrializadoestablecequelaindustriadelatortillaenMéxicoestáconstituidaporcercade 45,000 tortillerías, alrededor de10,000molinosdenixtamalycuatro
empresasproductorasdeharinademaíznixtamalizado. Elmaízsesometeaunprocesodecocción alcalina llamadonixtamali-zación,queesbásicamenteunacoccióndelmaízenaguaconcal(hidróxidodecalcio),ypuededescribirsecomounalixiviaciónquelogralagelificacióndelosalmidonesdelcereal.Losproduc-tossonelnixtamal, queeselgranoqueserátransformadoentortillasyelneja-yote oaguaresidualtambiénconocidocomo"caldodecal"(Figura2). Durante la nixtamalizaciónocu-rren cambios en la composicióndelmaíz,entreellossepuedencitarlossiguientes:
a) Hayunincrementoenelcontenidodemineralesdebidoalaintroduc-cióndeionescalcio.
b) El contenidode grasa se reducedebidobásicamentealahidrólisisalcalina de los ácidos grasos, elácidolinoleicoeselqueseveprin-cipalmenteafectado.
c) Lacantidaddefibracrudatambiéndisminuye,yaquedurantelanixta-malizaciónseseparaelpericarpiodelgranoyporellavadoaqueesexpuesto el nixtamal se eliminapartedeestepericarpio.
d)El contenidodeproteínasdismi-nuye.Estosedebealasolubilidade hidrólisis de algunas fraccio-nes proteínicas, principalmenteglutelinas, que se pierden en elnejayote. Sinembargo, la calidad
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Figura1Volumen de molienda de maíz para nixtamalización en México registrado
de 1993 a 2002 (InEGI,2002)
Volumenfísicodemolienda
demaíz
Año
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Ude laproteínaquepermanece enel nixtamalmejoranotablementedebidoa lamayordisponibilidadde aminoácidos en las fraccionespeptídicasdespuésdelahidrólisis.Aproximadamenteel10%depro-teínasepierdeduranteelprocesodeelaboracióndetortillas.
e) Los hidratos de carbonodel en-dospermodelmaíztambiénsufrenmodificaciones.Ocurreunagela-tinizaciónparcialde losgránulosde almidón, lo que ocasiona elrompimientode losgránulosy laliberacióndelascadenasdealmi-dón(amilosayamilopectina).Lascadenasasíliberadassonexpuestasa la accióndelmedioalcalino, loqueprovocaunahidrólisis cuyoniveldependedequé tan severosea el tratamiento en cuanto a latemperatura,tiempodeexposiciónal calor y concentración de cal.
Partedelaglucosaproducidaporlahidrólisisdelalmidón,asícomolasmaltodextrinas,dextrinasyal-midón,pasanalnejayote.Durantelaelaboracióndelatortilla,debidoalaaltatemperaturayalacantidadlimitadadeagua,ocurrelafusióndelosgránulosdealmidón,locualayudaaformar laredestructuralbásicadelatortilla.
f) Las vitaminas hidrosolubles sedeterioran.
Losprocesosdenixtamalizaciónque se emplean en el país para laproduccióndemasadenixtamalsonmuyvariados,dependendeltipodeescala, equipodisponible, variedaddemaízutilizadaasícomodelasdi-versasprácticasdemanufactura,sinembargo, en términosgenerales, enpromedioseproduceunmínimodetresunidadesdevolumendeefluentes
Efluentesdelaindustrializacióndelmaíz:¿contaminanteorecursovalioso?
Figura2Proceso de elaboración del nixtamal
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por cadaunidaddemasadegranosprocesada. Parte de los nutrientesperdidosdurante lanixtamalizaciónse acumulan en esos efluentes quesoncompuestosprincipalmenteporelaguaderemojoolavadodelcereal,porloquelacomposicióndeestasaguasessimilaralcereal(Cuadro1)auncuan-doproporcionalmentecontengamásfibra (pericarpiodelmaíz)y cenizas(salesdecalcio)ymenosproteínaqueelgranodemaíz(Calderón,1990).
Elnejayoteesaltamentecontami-nantedebidoaquetienelassiguientescaracterísticas:
• Contienealtasconcentracionesdemateriaorgánicaensuspensiónydisuelta(5a50g/l)loqueocasionaunaaltademandabioquímicadeoxígeno(DBO).
• Saledelprocesoamuyaltatempe-ratura(60a80ºC).
• TieneunpHcercanoallímitemáxi-modealcalinidad(10a14).
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Parámetro
Aminoácido
Isoleucina
Leucina
Fenilalanina
Metionina
Valina
Lisina
Treonina
Humedad Grasa
Proteína Fibra
Cenizas
Maíznormal1
3.82
14.29
5.29
2.89
4.68
2.00
3.48
11.00
4.00
13.03
2.00
——
Sólidossuspendidosdelnejayote2
3.24
10.61
5.39
0.95*
5.20
2.32
3.73
6.90
1.50
4.10
24.60
10.20
Cuadro1Composición del maíz y de sólidos suspendidos presentes en las aguas residuales
de nixtamalización
* Parcialmentedestruidodurantelahidrólisis.1 DeterminadoporMertzycol.,(1964),Science145:279.2 DeterminadoporCIMMYT,ElBatán,México.
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U Sin embargo, el nejayote enmu-chasocasiones sedesechaendrena-jes,cenotes(cuandoéstosexisten),oarrojándosedirectamentealasinme-diacionesdelmolino.EstotienecomoconsecuenciadirectaelquenocrezcanplantasdebidoaquecambiaelpHdelsuelo,obienlamuertedepecesyotrosseres acuáticospor faltadeoxígeno(PedrozayDurán,1992). Existen varias tecnologías parareducirlacantidaddenejayoteprodu-cidodurantelanixtamalización,talescomoelrecircularelaguadentrodelprocesoeinclusoevitarquesegeneredeltodo;tambiénesposiblereducirlacantidaddematerialorgánicoquecon-tiene,removiendolamateriainsolubleporclarificaciónysedimentación,ylamateriasolublepormediodelaaccióndemicroorganismosaerobiosoanae-robios a través de un sistema detratamientobiológicoconocidocomotratamientosecundariodeaguasresi-duales.Peseaquesedisponedeestetipodedesarrollostecnológicosydeunalegislaciónambientalquetratadeevitarsuemisiónalambiente,actual-mentesiguesiendounproblemagravedecontaminacióncomúnalambienteeldesechodelnejayotesintratamientoprevio (DurandeBazúa, 1988).Losprocesosmicrobianosquehansidode-sarrolladoshantenidocomoobjetivoprincipallaeliminacióndelamateriaorgánicacontaminantedelefluenteylaproduccióndeproteínadeorigenmicrobianomixtoparadietasanima-
les(DurándeBazúa,1988;Arámbula,1999).Sinembargo,estosco-productosdeltratamientobiológicodelnejayotesondebajovalorcomercial,porloqueenmuchoscasoselcosto-beneficiodeltratamiento biológico resulta pocoatractivo para los productores denixtamal. Hastaahoranosehabíacontempla-dolaposibilidaddeobtenerquímicosdeinteréscomercialapartirdelneja-yoteatravésdesufermentaciónconmicroorganismos específicos (cepaspuras). Esta alternativa brindaunaperspectivadeseablealtratamientodelosefluentes,permitiendolaposibili-daddeobtenergananciasadicionales(lo cualno seobtieneen cantidadessuficientesdeseablesenlosotrosusosalternos del nejayote) que puedenhacerque el sistemade tratamientosea rentabledesdeelpuntodevistaeconómico(Domínguezycol.,2002).
UTILIZACIónDEEFLUEnTESDEnIxTAMAL(nEJAYOTE)PARAPRODUCCIónDEInSUMOSDEVALORCOMERCIALDentrode la granvariedaddepro-ductos químicos que pueden sergeneradosporvíasbiológicas,lapro-duccióndebiocatalizadores(enzimas)es uno de losmás importantes. Elusodeestosagentessepuedeubicaren cuatro áreasprincipales: agentesterapéuticos, herramientas para lamanipulacióndematerialesbiológicos
Efluentesdelaindustrializacióndelmaíz:¿contaminanteorecursovalioso?
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(porejemplo:genes),comoreactivosanalíticosycomocatalizadoresindus-triales.Losefluentesdelnixtamalpue-denserusadosparaproducirenzimas,enparticular,amilasas. Lasenzimasamilasastienencapaci-daddedegradaralmidónysusderiva-dos.Estoscatalizadoresseusanenlaindustriaalimentariaparaeliminarelalmidóndelosextractosdefrutas,enlaproduccióndepectinaapartirdelbagazodemanzanas,para clarificarlaturbiedaddebidaalalmidónenlosvinos,enlacervezayenlosjugosdefrutas,paraconvertirenjarabesdulceslosalmidonesprocedentesdecerealesy leguminosas, en la fabricacióndelpanyparasacarificarelalmidónenlasmasasqueseutilizanenlafermenta-ciónalcohólica.Perotambiénseusanenotrosprocesosindustrialescomo:aditivosparadetergentesbiológicos,investigación, comodesenco-lantesen la industria textil, elaboracióndepapel,alternativaeconómicaalamo-dificacióndelalmidónylaelaboraciónde jarabes ricosenglucosa (KnorrySoinskey,1985).
DISEñOCOnCEPTUALDEUnAPLAnTABIOTRAnS-FORMADORADEnEJAYOTEEstudios realizados en la Facultadde IngenieríaQuímicade laUADYhanpermitidodesarrollar una tec-nologíaparalaposibleutilizacióndelos efluentes de la nixtamalizacióncomomedio de fermentación para
Figura4Estabilidad de la actividad de amilasas en refrigeración, obtenidas en la
bioconversión de nejayote por A. awamori
Figura3Actividad amilolítica del extracto crudo de la fermentación
de agua de nejayote por A. awamori
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UEfluentesdelaindustrializacióndelmaíz:¿contaminanteorecursovalioso?
la obtenciónde compuestosde altovaloragregado. En un ensayo llevado a cabo selogró la degradación biológica delnejayote produciendo enzimas conactividadamilolíticayproteolítica adiferentescondicionesdecultivo.Lamayoractividadamilolíticafuede16UIdespuésdeunprocesodefermen-taciónde100h(Figura3)apHinicialde4.5yunrégimendeagitaciónde300rpm.Lavariacióndelaaeraciónnotuvoefectoaparenteysualmacena-mientoenrefrigeracióna4ºCresultóestable(Figura4).EstaconcentracióndeenzimasamilolíticasfuemayorquelaobservadaenotrosestudiosdondeelhongoA. awamori haalcanzadoacti-vidadesamilolíticasde1.2Uy2.56Uentiemposde72y90h(WebbyWang,1997;DomínguezyWebb, 1998). Seobservaronenlapreparacióncrudani-velesbajosdeactividadproteolíticadetipoácido(aproximadamente10vecesmenorquelaamilolítica),loqueindicabuenaestabilidaddelpreparadoenzi-máticoenalmacén.Deigualmanera
seobservaronreduccionesdesólidossolublesenelnejayotecercanasaun42%y reducciones importantesdelDBO5hastaun21%delvalororiginaldespuésde170hde iniciada la fer-mentación(Cuadro2). Con base en los rendimientosobtenidos, es posible realizar unaevaluación económica preliminarpara el proceso. La instalación delaplantaprocesadora (Figura 5)denejayoteresultaviableparaunaca-pacidaddeprocesamientopor lotesdesde 10m3 de nejayote, con unrendimientode80litrosdeextractocrudoenzimáticoporcada100litrosde nejayote procesado, 13.5 g depolvo liofilizado con una potenciade82UI/gy695gdebiomasacomosubproductodefermentación,elcualpuede ser comercializado como su-plementodealimentoanimalyaquetieneun contenidodeproteínadel18%.Paraunprocesodeestetiposehaestimadounainversióninicialde$18'181,683.00,recuperablealsegun-doañodeoperacióndelaplanta.
Cuadro2Composición del nejayote antes y después de la fermentación
nejayote
*Antesbiodegradación
Despuésbiodegradación
Sólidostotales(g/l)
14.49±0.22
9.51(1)±0.16
DBO5(mg/l)
432.77±0.32
340±0.12
Proteína(g/l)
0.762±0.067
0.518±0.0201
nitrógenolibre(g/l)
0.135±0.08
0.0918±0.0024
Sólidossolubles(g/l)
11.92±0.58
2.56±.93
SólidosTotales1(g/l)
14.49±0.22
9.51(1)±0.16
* AjustadoapH5antesdeinocular.1 Incluyebiomasamicrobianageneradadurantelabiodegradación.
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COnCLUSIOnESLossólidosfermentablesdemaízcon-tenidosenlosefluentesdesusprocesoscomunesdeindustrialización(nejayote)seencuentranenconcentracionessufi-cientesparasostenerelcrecimientodecepas fúngicasdeutilidad industrial,obteniendoproductosdealtovaloragre-gado,comosonlasamilasas,haciendoatractivasucanalizaciónyusocomomateriasprimasparaprocesosbiotec-nológicosindustriales.
AGRADECIMIEnTOSLosautoresdeestetrabajoagrade-cenal IngenieroJorgeLugoMaga-ña, de "nixtamalera de Productos
deMaízyDerivadosS.A.deC.V",sucooperaciónenlarealizacióndeesteestudio.AMarvinVera,ÁngelAguilar,HerbertGonzálezyAraceliGonzález,porsuparticipaciónenlarealizacióndeltrabajo.
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Figura5Diseño de la Planta Procesadora de Nejayote
nejayote Acondicionamientofisicoquímicodelnejayote
Sistemadeesterilización
Tanquedeprealimentaciónconagitación
Inóculo Fermentador
SeparaciónSuplementoalimenticioanimal Extractoenzimáticocrudo
Liofilizado PrecipitaciónUsoindustrial
Tratamientoderesiduos
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