ABSORCIÓN DE AFLATOXINAS EN ZEOLITA ACTIVADA CON LA ENERGÍA SOLAR.

Guillermo el Tiburcio Munive Ph. D1., Rafael Jordán Hernández, Ph. D2.Universidad de Sonora, Departamento de Ingeniería Química y Metalurgia, Hermosillo, Sonora,

México. Universidad de La Habana, Cuba, Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales, Laboratorio de Tecnología de Materiales.

email: gtmunive@iq.uson.mx 

Resumen

Las zeolitas forman una familia de silicatos de estructura de armazón

caracterizadas por poseer agua zeolítica en sus cavidades

tridimensionales. Las aflatoxinas son una familia de metabolitos

secundarios liberados por hongos, los cuales pueden infestar granos y

otros alimentos, por causa de un manejo o almacenamiento inadecuado,

las mismas pueden provocar efectos negativos muy importante sobre la

salud y rendimiento del ganado, tales como, crecimiento reducido,

daños hepáticos, depresión del sistema inmunológico, etc.

En el trabajo se emplean tres tipos de zeolitas de diversos orígenes a las

cuales se les analiza su capacidad de intercambio catiónico,

composición química y composición mineralógica, como resultado de

este estudio se selecciona la del yacimiento del rancho las Tinajas

municipio de Guaymas como la de mejores características física y

químicas.

Los resultados del empleo de técnicas de absorción/ desorción muestran

lo acertado del proceso.

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ABSORPTION OF AFLATOXINS IN ZEOLITE ACTIVATED WITH THE SOLAR ENERGY.

Guillermo el Tiburcio Munive Ph. D1., Rafael Jordán Hernández, Ph. D2.Universidad de Sonora, Departamento de Ingeniería Química y Metalurgia, Hermosillo, Sonora,

México. Universidad de La Habana, Cuba, Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales, Laboratorio de Tecnología de Materiales.

email: gtmunive@iq.uson.mx 

Abstract:

Zeolites form a silicate family characterized for a frame work structure

with zeolitic water in their tridimensionals cavities. Aflatoxines are a

secondary family of metabolites freed by fungi, which can infect grains

and other feedstocks, due to a improper handling or storage. These

micotoxines can produce severe negative effects on the health of the

livestock like reduced growing, liver damage, and a depressed

inmulogical system. Three types of regional zeolites were previously

evaluated regarding their ionic exchange capabilities, and chemical and

mineralogical compositions. The one from the region of La Tinaja from

Guaymas district, Sonora, was chosen as the most adequate. Results of

the employ of absortion/ desorption techniques shows a proper of process.

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Introducción:

Las aflatoxinas (AT) son una familia de metabolitos secundarios liberados

por hongos de la familia Aspergilliu (A. Flavus y A. Parasiticus) que pueden infestar granos y otros alimentos a causa de un manejo o almacenamiento inadecuado, causando efectos negativos muy importantes sobre la salud y rendimiento del ganado cerdos, aves, etc, lo que provoca un crecimiento menor en los animales, daños al hígado, ictericia y depresión del sistema inmunológico. En el caso particular de los cerdos, el nivel tóxico de las aflatoxinas es de aproximadamente 300 ppb2. La toxicosis crónica producida por la ingestión de bajos niveles de aflatoxinas es muy común, provocando severas pérdidas económicas por la reducción en los rendimientos del animal.El descubrimiento de las aflatoxinas en los años 60 y la identificación de su impacto en la industria ganadera y en la salud humana, ha impulsado la búsqueda de alternativas para la solución de este problema entre los que pueden mencionarse diversos tratamientos fisicoquímicos y biológicos 1,3,4.En la actualidad se conoce del desarrollo de un método práctico para descontaminar granos mico contaminados a gran escala, el cual ha tenido un éxito que se ha visto limitado por diferentes factores, como es el nivel de encapsulamiento que puedan

producir diferentes materiales. Los materiales conocidos para este fin son generalmente zeolitas, aluminosilicatos de sodio y calcio , bentonitas, y carbón activado, entre otros 5,6,7,8,11 En el caso de los aluminosilicatos de sodio y calcio (ASSC) , deben ser modificados estructuralmente, de forma que puedan adsober adecuadamente diferentes materiales. En el caso de las zeolitas, esto puede lograrse mediante un tratamiento o activación térmica de zeolitas naturales como las que se encuentran en diferentes yacimientos del Estado de Sonora. Una vez activada, la zeolita presenta la característica de absorber las moléculas de aflatoxina ya que esta poseen una estructura porosa y un exceso de cagas negativas de cargas que la hacen una molécula altamente polar9,10,13.

El tamaño de la molécula de aflatoxina fácilmente se ajusta al tamaño de los conductos de la zeolita, quedando ocluida la molécula de aflatoxina en la estructura zeolítica. No obstante los beneficios, la activación térmica mediante el consumo de combustibles fósiles o energía eléctrica puede ser tan caros que hacen incosteable dicho proceso de activación térmica. En el presente estudio se analiza la factibilidad de utilizar energía solar para la activación térmica de zeolita natural como un método alternativo económicamente viable y ambientalmente aceptable de este tipo de proceso.

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Zeolita: Estructura y propiedades:

Teniendo una composición química análoga a aluminosilicatos de estructura abierta, en un principio el nombre zeolita proviene de las raíces griegas zeo que ebulle, y Iitos piedra, se utilizó para designar una familia de minerales naturales que presentan una capacidad de intercambio iónico apreciable, así como la desorción reversible de agua. En principio, las zeolitas generalmente provienen de rocas sedimentarias de origen volcánico. Estos depósitos suelen ser de un fuerte interés comercial, considerando que en muchas ocasiones se les encuentra con una pureza elevada, aunque siempre en unión de varias fases mineralógicas zeolíticas.En la actualidad, el término se aplica a un gran número de minerales tanto naturales como sintéticos con características estructurales de tetraedros del tipo T04 donde T: Si, Al, B, Ga, Ge, Fe, P , Co, etc., unidos entre sí por átomos comunes de oxígeno. Las estructuras formadas presentan cavidades y poros llamados comúnmente jaulas y ventanas” , en las cuales pueden acomodarse iones, moléculas de agua, sales y otros elementos.

Lógicamente, tanto la capacidad de absorción como su selectividad estarán influenciadas por el tamaño y distribución de la porosidad, puesto que sólo aceptará la entrada de moléculas con un tamaño y forma similar o inferior al de sus poros.

Tabla I. Propiedades generales de las zeolitas

Diámetros de poro 2 12 ־ Å

Superficie interna 100 m2/ g

Capacidad de intercambio 0-650 meq/100 g

Capacidad de adsorción < 0.35 cm3/g

Estabilidad térmica Desde 200oC hasta 1000oC

La estructura tridimensional de las zeolitas ha motivado que hayan sido también llamados mallas moleculares o “tamices moleculares”. Por otro lado, la presencia de iones de compensación específicos y la ocurrencia de sustituciones isomórficas en la red cristalina, confieren a las zeolitas cargas superficiales importantes responsables de sus propiedades de adsorción e intercambio iónico, semejando en algunos aspectos al carbón activado.A la luz de lo todo lo anterior, las aplicaciones de las zeolitas mas importantes son como intercambiadores iónicos, catalizadores y como adsorbentes12. En este último aspecto, su alta capacidad y selectividad ha permitido su uso en procesos de purificación y separación, vislumbrándose

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también la posibilidad de inmovilizar agentes tóxicos, como es el caso de las aflatoxinas13.

Materiales y métodos:

El trabajo se inicia con una toma de muestras y posterior caracterización de diferentes zeolitas sonorenses. Los resultados del muestreo arrojan la siguiente denominación: zeolita del Rancho Las Tinajas de la región de Guaymas (zeolita F1); zeolita de la región de El Cuervo (zeolita F2); y la zeolita de la región de La Maestra (zeolita F3). En todos los casos se toman tamaños de muestras suficientes para la realización de todos los análisis planificados.

Los tratamientos que se le realizan la las muestras son:

1. Molienda del material.

2. Homogeneización de las muestras.

3. Análisis químico mediante absorción atómica (espectrómetro de

absorción atómica de la marca Perkin Elmer, modelo 3110 de doble haz.)

4. Análisis de difracción de rayos x (difractómetro de la marca Brucker

modelo D8 con un ánodo de cobre (Kα)y monocromador secundario con

filtro de níquel).

5. Tratamiento térmico solar.

6. Evaluación de la capacidad de intercambio de las diferentes muestras.

Desarrollo experimental:

Tratamiento térmico de la zeolita:

Se acondiciona el equipo experimental detallado en la Figura 1, que consiste básicamente en una parábola concentradora de la radiación solar de 2 m de diámetro que concentra la energía hacia un depósito cuerpo negro) colocado en su foco, que contiene la zeolita a un tamaño entre las mallas 200 y 325.

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Figura 1. Esquema de tratamiento solar de zeolitas

La operación se realiza por lotes, con una carga de 30 kg de zeolita en cada corrida. La temperatura se eleva hasta los 400oC en 20 minutos de operación y a un máximo de 550oC a los 30 minutos de trabajo con la parábola. La máxima eficiencia del sistema se alcanza durante los soleados meses de verano, cuando la radiación solar es mas intensa y prolongada (entre las 10:00 am y las 5:00 pm) .

Una vez que el material zeolítico alcanza la temperatura ambiente se somete a las técnicas de absorción de las micotoxinas, reportándose los resultados de absorción obtenidos de acuerdo a la metodología empleada14 Los resultados de los análisis difractométricos los resultados que pueden apreciarse en la figuras 2,3 y 4. Asimismo puede observarse los resultados del análisis químico y mineralógico realizados a las muestras en las Tablas II y III.

Finalmente se reportan los resultados obtenidos de la capacidad de absorción de las zeolitas estudiadas, valores que se reportan en la Tabla IV.

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Figura 2. Difractograma de la zeolita de Las Tinajas.

Figura 3. Difractograma de la zeolita del yacimiento El Cuervo

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Figura 4. Difractograma de la zeolita del yacimento La Maestra.

Tabla II. Composición química de las zeolitas estudiadas.

Composición química de las zeolitas (% en masa)

óxidos Zeolita F1 Zeolita F2 Zeolita F3

SiO2 66.61 62.89 64.32

Al2O3 12.18 12.67 9.45

Fe2O3 2.01 1.37 2.20

CaO 3.18 3.55 3.28

MgO 0.78 1.25 0.90

Na2O 1.56 0.87 2.00

K2O 1.27 2.18 1.05

PPC 11.00 14.34 15.26

Total 98.59 99.12 98.46

SiO2/Al2O3 9.28 8.42 11.55

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Tabla III. Composición mineralógica de las zeolitas estudiadas.

Composición mineralógica de las zeolitas (% en masa)fase Zeolita F1 Zeolita F2 Zeolita F3

Clinoptilolita 16.00 45.00 48.00Mordenita 40.00 24.00 16.00

Montmorillonita 1.00 ND NDCalcita ND traza Traza

Feldespato - - -Cuarzo ND ND NDTotal 77.00 69.00 84.00

Tabla IV. Capacidad de intercambio catiónico de las zeolitas estudiadas.

Capacidad de intercambio catiónico (meq/100g)muestras Ca Mg Na K CIC total NH4

F1 40.2 11.0 60.4 0.90 112.50 150.3F2 29.7 10.2 50.6 0.70 91.20 102.0F3 23.8 11.4 40.3 0.80 76.30 55.2

Tabla V. Resultados de las pruebas de absorción/desorción de toxinas en zeolitas.

Temperatura a 400oC

ToxinasAnalizadas

zeolitas

Absorción (%) Desorción (%)Conc.Toxina usada

F1 F2 F3 F1 F2 F3

Aflatoxinas 92.64 90.10 96.18 10.16 9.8

3.19 4g/mlToxina T2 61.91 52.30 74.18 5.19 5.12 2.17 4g/ml

Zearalenona 31.40 0 46.31 9.31 9.25 3.68 4g/mlOchratoxina 26.31 20.10 31.30 3.39 3.12 6.61 10g/ml

Temperatura a 530oC

ToxinasAnalizadas

zeolitas

Absorción (%) Desorción (%)Conc.Toxina usada

F1 F2 F3 F1 F2 F3

Aflatoxina 91.17 92.6 97.68 9.12 10.16 2.18 4g/mlToxina T2

Zearalenona56.38 61.9 70.28 7.71 5.10 3.34 4g/ml

Zearalenona 27.12 31.40 44.11 6.74 9.30 7.36 4g/ml

Ochratoxina 19.11 26.30 22.16 5.58 3.10 3.94 10g/ml

Discusión de los resultados:

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Partiendo de los resultados obtenidos en los ensayos de difracción de rayos x se observa que tanto a zeolitas del yacimiento de Las Tinajas (F1) como la del yacimiento del Cuervo (F2) tienen menor cantidad de fases no zeolíticas acompañantes, sin embargo este detalle no afecta la calidad de la absorción de las mismas como puede observarse en la Tabla V. Resulta muy interesante que la muestra F3 presenta la mayor proporción de fase Clinoptilolita, que también se corresponde con menores proporciones de Mordenita lo que se relaciona directamente con su capacidad de absorción mayor.Con relación al estudio de absorción practicado, puede verse que los mayores valores de absorción de toxinas estudiadas se corresponde precisamente con las Aflatoxinas, sin embargo es necesario destacar que los valores de desorción que en las dos temperaturas de trabajo corresponden los menores valores a la zeolita F3, a la que corresponde además la mayor relación SiO2/Al2O3 y la segunda mayor proporción de zeolita, con la mayor proporción de clinoptilolita.La Tabla V muestra las capacidades de retención para las tres muestras estudiadas de zeolita respecto a los dos lotes de activación realizados a 400 y 530oC respectivamente. La técnica utilizada fue de absorción-desorción. Resulta notable que no hay gran diferencia entre las capacidades de absorción de Aflatoxinas con respecto a la activación a diferentes temperaturas, es decir que la temperatura de activación solo ha tenido influencia sobre el agua zeolítica de la fase Clinoptilolita (alrededor de 117oC), y no afecta el agua zeolítica comprometida en las fases Mordenita y Heulandita que pudiera estar presente en las muestras pero que no fueron reportados en los análisis difractométricos llevados a cabo. Es necesario señalar que se necesita elevar la temperatura, aunque esta no influya en el proceso de absorción/desorción de las zeolitas propiamente dichas, por cuanto se trata de toxinas y muchas de ellas son termo resistentes, luego este proceso de calentamiento es necesario, aún cuando se conoce que puede perderse parte del agua zeolítica de una de las fases, responsable de la capacidad de intercambio de las zeolitas

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Conclusiones:

1. La activación de la zeolita a diferentes temperaturas no incrementa la

absorción de aflatoxinas.

2. Es importante que el producto no lleve otros tipos de hongos

provocados por la humedad del mineral.

3. La exposición del mineral a 400oC durante 15 min. garantiza la

deshidratación y esterilización sin afectar la calidad del producto y

por lo tanto su ingestión .

4. Las zeolitas de las tres regiones tienen características de absorción

muy similares pero las que presentan mayor afinidad hacia la

Aflatoxina, Toxina T2 y Zearalenona es la zeolita F3 del yacimiento La

Maestra.

Bibliografía:

1. Johri T. S.,Beura C.K.,: Efficacy of absorb+feed supplement in

alleviating adverse effects of aflatoxins in briolers (2000) Pultry

times of India, 4

2. Lawlor P. G., Lynch P. B.,: Mycotoxins in pig feeds 2: clinical

aspects (2001) Irish Veterinary Journal, 54 (4) 172-176

3. Bailey R. H., Kubena L. F., Harvey R. B., Buckley S. A.,

Rothinhaus G. E.,: Efficacy of various inorganic sorbents to

reduce the toxicity of aflatoxin and T-2 toxin in broiler chickens

(1988) Poultry Science 77: 1623-1630

4. Vincelli P., Mc Neill M.,:Aflatoxins in corn.

http://www.ca.uky.edu/agc/pubs/pubs.htm

5. Edrington T. S., Kubena L. F., Harvey R. B., Rothinghaus G. E.,:

Influence of superactivated charcoal on the toxic effects of

aflatoxins or T-2 toxin in growing broilers (1997). Poultry

Science 76: 1205-1211

6. Kubena L. F., Harvey R. B., Phillips T. D., Corrier D.E., Huff

W.E.,: Diminution of aflatoxicosis in growing chickens by dietary

addition of a hydrated sodium calcium aluminosilicate.(1990)

Poultry Science 69:727-735

11

7. Phillips T.D., Kubena L.F., Harvey R.B., Taylor D.S.,

Heidelbaugh N.D.,: Hydrated sodium aluminosilicate: A high

affinity sorbent for aflatoxin (1988) Poultry Sci. 67: 243-247

8. Andrew R. D., Shaw J.W.,: Zeoponic Inc.

http://www.zeoponix.com/produts.htm.

9. Kececi T.,Oguz H., Kurtoghu V., Demet O.,: Effects of

polyvinylpolypyrrolidone, synthetic zeolite and bentonite on

serum biochemical and haematological characters of broiler

chickens during aflatoxicosis (1998) British Poultry Science 39:

452-458

10. Parlat S. S., Yildiz A. O., Oguz H.,:Effect of clinoptilolite on

performance of japanese quail (cotumix cotumix japónica)

during experimental aflatoxicosis (1999) British Poultry Sci. 40:

495-500

11. Huwig A., Freimund S., Kappeli O., Dutler H.,: Mycotoxin

detoxication of animal feed by different absorbents (2001)

Toxicology letters 122: 179-188

12. Witlow L. W.,Hagler W. M.,: Micotoxin toxicity, treatment and

prevention: Mid-south Rumiant Nutrition Conference (Texas

1999) http://txanc.org/proceedings/1999/ mycotreatment.pdf

13. Armsbruster T.,: Clinoptilolite-heulandite. Aplications and basic

research. Zeolites and mesoporous materials at the Dawn of the

21ts Century, Galarnau A., Di Renzo F., Faujula F., Vedrine J.

Editors (2001) Elsevier Science, 67: 243-247

14. Dildey D. D.,: Are mycotoxins causing problems in dairy cattle?

The western dairymen, Oct. (1998) pp: 14-15

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