Efluentes de la industrialización del maíz: ¿contaminante o recurso

54 • Revista de la Universidad aUtónoma de YUcatán

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.

número 227 • cUarto trimestre de 2003 • 55

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?


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

RosaDomínguezEspinosa-DanielPachoCarrillo

Figura1Volumen de molienda de maíz para nixtamalización en México registrado

de 1993 a 2002 (InEGI,2002)

Volumenfísicodemolienda

demaíz

Año


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


Figura2Proceso de elaboración del nixtamal


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).


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.


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




(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


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.


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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