La valorización de residuos y la economía circular: la industria de la tortilla y el manejo de sus efluentes
El maíz es uno de los cereales más importantes del mundo y en México es la base para la elaboración de las tortillas y sus derivados, a través de un proceso ancestral conocido como “nixtamalización”. En los molinos de maíz tradicionales, los granos de este cereal se hierven en agua con cal durante 25 a 45 minutos y dicha mezcla se deja reposar durante toda la noche con la finalidad de desprender la cáscara o pericarpio y suavizar el grano. Posteriormente, el grano nixtamalizado se muele para generar una masa que servirá como materia prima para la fabricación de una gran variedad de alimentos, como la tortilla y sus derivados, que son base de la alimentación mexicana y cuyo consumo se ha expandido a nivel mundial [1].
El agua donde se cuecen los granos de maíz, conocida usualmente como “nejayote”, es separada de los granos y se convierte en un subproducto indeseado que es descartado, comúnmente sin ningún tratamiento, directamente al drenaje o a cursos naturales de agua. Sin embargo, este efluente es considerado altamente contaminante por su pH elevado (pH 12-14) y su alto contenido de materia orgánica (polisacáridos amiláceos y no amiláceos, fenoles, azúcares fermentables y residuos de pericarpio), que dificultan su tratamiento bajo sistemas convencionales (lagunas de oxidación, reactores anaerobios, etc.). Por estas características, el elevado volumen generado (aprox. 1.2 millones de m3 por mes solo en México) y la carencia de opciones tecnológicas para su tratamiento efectivo, su manejo se ha convertido en un tema de preocupación nacional debido a su impacto ambiental [2].
Ante este escenario, el grupo de investigación del Laboratorio de Biotecnología Industrial del Centro de Investigación en Alimentación y Desarrollo (CIAD), liderado por el profesor investigador Ali Asaff Torres, con la colaboración del académico Víctor Contreras Jácquez, ha realizado una serie de proyectos de investigación y desarrollo tecnológico que permitan atender esta problemática nacional mediante la integración de diferentes operaciones unitarias [2,3].
En una primera instancia, se evaluó el fraccionamiento o separación y posterior concentración de los diferentes componentes del nejayote, de acuerdo con su tamaño (representado por su peso molecular), haciendo uso de membranas de ultrafiltración, nanofiltración y/u ósmosis inversa que actúan como tamices. De esta manera, utilizando membranas de ultrafiltración, primeramente, fue posible separar y concentrar las moléculas más grandes, conocidas como arabinoxilanos, que tienen aplicaciones en las industrias farmacéutica y de alimentaria [2].
En un segundo paso, las moléculas más pequeñas conformadas por ácidos fenólicos (ácidos ferúlico y p-cumárico) y azúcares, se concentraron mediante membranas de nanofiltración u ósmosis inversa, recuperando además agua con calidad suficiente para su reuso en el proceso de nixtamalización o para su descarga medioambientalmente segura.
Los fenoles, por sus propiedades antioxidantes, tienen múltiples aplicaciones en las industrias cosmética, alimentaria y biotecnológica como antioxidantes y precursores de aromas y saborizantes. A su vez, los azúcares pueden utilizarse para la producción de biocombustibles avanzados o edulcorantes [2].
En sus inicios, si bien la tecnología de membranas lucía prometedora para el tratamiento del nejayote, estudios a nivel de planta piloto mostraron diversas limitantes que comúnmente se encuentran con los sistemas estáticos de filtración por membranas, asociados a líquidos complejos, como el nejayote [2].
Fenómenos como la polarización por concentración ocasionan una drástica disminución de los flujos o incluso el taponamiento completo de las membranas, por lo que los sistemas estáticos no son una opción técnica y económicamente viable. Para evitar estas limitantes, recientemente se evaluó, también a escala piloto, el desempeño de un novedoso sistema vibratorio de filtración por membranas, denominado “procesamiento mejorado de cizallamiento vibratorio (VSEP, por sus siglas en inglés)”, el cual aplica una intensa vibración u ondas de cizalla en la superficie de las membranas [3].
En comparación con el sistema estático, el sistema VSEP permitió mejorar sustancialmente los rendimientos de filtración, tanto a través de membranas de ultrafiltración, como de nanofiltración y ósmosis inversa, al evitar los fenómenos de polarización por concentración, logrando incrementar y sostener los caudales o flujos de las diferentes corrientes. De igual manera, este sistema permitió también mejorar la separación y el grado de concentración de los compuestos de interés industrial contenidos en el nejayote. Estos estudios demostraron la factibilidad técnica de este tipo de sistemas, estableciendo las bases para los procesos de escalamiento industrial que, por un lado, permitirían un tratamiento efectivo del nejayote y por otro, la expansión de la cadena de valor de la industria del maíz y la tortilla a través de un enfoque de biorrefinería y economía circular.
Además de los procesos de filtración mencionados, el grupo de investigación también ha estudiado y desarrollado tecnologías complementarias para la generación de bienes intermedios o bienes de consumo a partir de las diferentes corrientes de los procesos de filtración. Es así como, por ejemplo, se seleccionaron los métodos de secado más convenientes de los arabinoxilanos contenidos en la corriente concentrada de ultrafiltración, demostrando que el secado por espray es la operación más eficiente y barata, lo cual haría factible su uso en diferentes áreas, incluso para el enriquecimiento de las mismas tortillas, al ser considerada fibra dietética, de boga hoy en día, debido a sus múltiples beneficios para la salud humana [1].
Igualmente, junto con colegas de otras instituciones, como el grupo del profesor Carlos Mateos Díaz, del Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco (Ciatej), se han estudiado y desarrollado diversos procesos biotecnológicos que permiten la transformación del ácido ferúlico y otros ácidos fenólicos contenidos en la fracción concentrada resultante del proceso de nanofiltración u ósmosis inversa, en sustancias de mayor valor comercial y que pueden ser aplicadas en otras áreas. Por ejemplo, el ácido ferúlico puede transformarse por vía microbiana en 4-vinil guayacol y vainillina, dos aromas ampliamente utilizados en la industria alimentaria y cosmética [4,5]. Igual sucede con su transformación por vía enzimática en otros derivados con aplicaciones que van desde antifúngicos de uso agrícola e ingredientes cosméticos antienvejecimiento hasta biomateriales para la regeneración neuronal [6,7].
Referencias
[1] Berlanga-Reyes C, Guerrero-Elias H Y, Ignacio-Pacheco M, Contreras-Jácquez V, Camacho-Ruíz R, Mateos-Díaz JC, Nevárez-Moorillón V, Asaff-Torres A (2021) Effect of drying method and process conditions on physicochemical and rheological properties of arabinoxylans extracted from corn-lime-cooking-liquor on a pilot plant scale. Food Hydrocolloids. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.106819.
[2] Contreras-Jácquez V, Valenzuela-Vázquez U, Grajales-Hernández D, Mateos-Díaz JC, Arellano-Plaza M, Jara-Marini M, Asaff-Torres A (2021) Pilot-scale integrated membrane system for the separation and concentration of high-value fractions from tortilla industry wastewater (nejayote). Waste and Biomass Valorization. https://doi.org/10.1007/s12649-021-01530-x.
[3] Contreras-Jácquez V, Virgo-Cruz JM, García-Fajardo J, Obregón-Solís E, Mateos-Diaz JC, Asaff-Torres A. (2022). Pilot-scale nanofiltration vibratory shear enhanced processing (NF-VSEP) for the improvement of the separation and concentration of compounds of biotechnological interest from tortilla industry wastewater (nejayote). Separation and Purification Technology, 121921. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.121921.
[4] Contreras-Jácquez V, Grajales-Hernández D, Armendáriz-Ruíz M, Rodríguez-González J, Asaff-Torres A, Mateos-Díaz J C (2021) In-Cell Crosslinked Enzymes technique: Improving Bacillus megaterium whole-cell biocatalyst stability for the decarboxylation of ferulic acid. Process Biochemistry. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2021.07.020
[5] Contreras-Jácquez V, Rodríguez-González J, Mateos-Díaz J, Valenzuela-Soto E, Asaff-Torres A (2020) Differential Activation of Ferulic Acid Catabolic Pathways of Amycolatopsis sp. ATCC 39116 in Submerged and Surface Cultures. Applied Biochemistry and Biotechnology. https://doi.org/10.1007/s12010-020-03336-4.
[6] Grajales-Hernández D, Armendáriz-Ruíz M, Contreras-Jácquez V, Mateos-Díaz JC (2021) Biotransformation of phenolic acids from by-products using heterogeneous biocatalysts: One more step towards a circular economy. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2021.100550
[7] Ojeda-Hernández DD, Gomez-Pinedo U, Hernández-Sapiéns MA, Canales-Aguirre AA, Espinosa-Andrews H, Matias-Guiu J, Mateos-Díaz, JC (2021) Biocompatibility of ferulic/succinic acid-grafted chitosan hydrogels for implantation after brain injury: A preliminary study. Materials Science and Engineering. https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111806
Colaboración de Ali Asaff Torres y Víctor Eduardo Contreras Jácquez, investigadores del Laboratorio de Biotecnología Industrial de la Coordinación de Ciencia de los Alimentos del CIAD.
