Artículo escrito por Alberto Silva (redes: Instagram y LinkedIn), colaborador de Alimentología.
Alberto es: Graduado en Ciencia y Tecnología de los Alimentos (ULE) | Máster Oficial en Avances en Calidad y Tecnología Alimentaria (UGR) | Máster Propio en Calidad, Seguridad Alimentaria, Nutrición y Dietética (UAH).

Desde el comienzo del siglo XXI, el fortalecimiento de las leyes de protección medioambiental ha presionado a la industria alimentaria hacia un modelo más sostenible. Todas las empresas en su proceso de producción generan una serie de residuos que, además de tener un impacto medioambiental importante, poseen unos costes debido a su gestión.

En la Unión Europea el Reglamento (CE) nº 1069/2009 obliga a las empresas a gestionar los subproductos animales generados en el proceso para reducir riesgos medioambientales y garantizar la seguridad de la cadena alimentaria. Estos subproductos van categorizarse según su riesgo, de forma que van a destruirse o ser destinados para consumo animal o humano.

En el caso de que los subproductos sean aptos para consumo humano, deben de ser manipulados y procesados de acuerdo a condiciones muy controladas, debiendo cumplir unos límites microbiológicos y de contaminantes. Por ello, uno de los retos industriales en la actualidad es encontrar líneas de investigación que no solo reduzcan los costes, sino que permitan obtener réditos económicos.

Vamos a conocer varios ejemplos de aprovechamiento de residuos en diferentes sectores:

  • Sector Lácteo: el lactosuero, residuo generado en la realización del queso, supuso grandes quebraderos de cabeza hasta hace pocas décadas. Hoy en día es empleado en multitud de procesos, como la elaboración de proteína de suero lácteo.
  • Sector Pesquero: entre el 60-70% de la industria del pescado corresponde a subproductos (cabezas, colas, espinas, piel, vísceras). Estos tienen multitud de aplicaciones, como los hidrolizados de proteína, cada vez más empleados en la alimentación humana (Halim et al., 2016).
  • Sector Cárnico: entre el 50-60% son despojos (cualquier producto de un animal que no sea estrictamente la canal limpia). Entre los múltiples empleos de estos subproductos se encuentran las carnes recuperadas mecánicamente (empleadas en la reconstitución de alimentos) y aprovechamiento de distintas fracciones de la sangre (albúmina, hemoglobina, suero sanguíneo) para industria farmacéutica e industria alimentaria (Toldrá et al., 2012).
  • Sector Agrícola: se generan tanto residuos secos (paja, rastrojos, restos de poda) como residuos húmedos (estiércol, restos animales, forraje y hierba fresca). Entre sus múltiples aplicaciones se encuentran: la producción de energía (biogás, bioetanol, biohidrógeno) y la síntesis de sustancias (ácido cítrico, ácido láctico) para el sector farmacéutico (Sabiiti, 2011).

Sin embargo, a pesar de que se encuentre salida para gran parte de estos subproductos, existe un daño medioambiental que necesita ser reparado. En este sentido, uno de los problemas que más preocupan es la contaminación del agua por efluentes industriales, dando lugar a niveles de metales pesados que, debido a su alta capacidad de persistir durante largos periodos, atentan contra los seres vivos y su ecosistema.

En la siguiente tabla se muestran los efectos toxicológicos producidos por la exposición de algunos metales pesados:

METAL PESADOCONCENTRACIÓN LÍMITEEFECTOS TOXICOLÓGICOSREFERENCIA
Plomo10 µg/LNiños: déficits neurológicos e intelectuales.
Mujeres embarazadas: reducción del tamaño del feto y nacimiento prematuro.
Adultos: problemas reproductivos, reducción de la función renal y problemas cardiovasculares.
Jaishankar,
2014; Lanphear et
al., 2005; Braun
et al., 2006.
Cadmio5 µg/LOsteomalacia , problemas renales y problemas pulmonares.WHO, 2011.
Cromo50 µg/LProblemas respiratorios, dérmicos, oculares, nefrotóxicos y hepatotóxicos.Jaishankar, 2014.
Cobre2 mg/LA dosis altas: Sangrado intestinal. hemólisis, hepatotoxicidad e insuficiencia renal aguda.
A dosis bajas: cefaleas, náuseas, vómitos y diarrea.
Jaishankar,
2014.
Tabla 1. Concentraciones límites de metales pesados en aguas potables (Real Decreto 140/2003) y efectos toxicológicos. Adaptación propia.

¿Existe algún subproducto que pueda resolver este problema?

La tecnología empleada actualmente en el tratamiento de aguas residuales es cara y presenta una baja eficiencia. En la siguiente tabla se pueden observar las principales desventajas en los métodos convencionales:

MÉTODODESVENTAJAS
Precipitación químicaBaja eficiencia a bajas concentraciones y formación de fangos.
Tecnología de membranasElevado coste y mala resistencia a agentes químicos e intervalos de pH.
Extracción mediante disolventeInversión económica elevada y mala eficiencia.
Intercambio iónicoElevado coste de instalación y gran empleo de agentes químicos.
Tratamientos electroquímicosElevado coste e interferencia con otros metales.
Adsorción con carbón activo con modificaciones superficialesAlto precio.
Tabla 2. Desventajas de los métodos convencionales. Adaptado de Ronda (2016).

Aún así, aunque no haya sido llevado a escala industrial, existen alternativas prometedoras mediante residuos agrícolas. Estas alternativas se basan en la biosorción, la capacidad de hacer que estos residuos retengan en su estructura los metales pesados. Este proceso es debido a la afinidad del biosorbente (residuo) por los iones metálicos.

Dentro de estas alternativas destacan los desechos cítricos, tanto por su potencial como por su biodisponibilidad. España es el sexto productor mundial de naranjas con una producción anual de casi 3,5 millones de toneladas de naranjas, lo que supondría un 5% del total de la producción mundial (Sanfeliu, 2016). Se estima que en el mundo se generan entre 110 y 120 millones de toneladas de desechos cítricos. (Mahato et al., 2020).

Pero… ¿Por qué los Cítricos?

Los residuos cítricos poseen una estructura muy rica en grupos funcionales, como grupos hidroxilo, aminas, esteres alcoholes, carbonilos y grupos que contienen azufre, los cuales se pueden unir a los iones metálicos mediante una serie de mecanismos químicos (Ronda, 2016):

  • Microprecipitación: tiene lugar cuando la solubilidad del metal pesado alcanza su límite.
  • Complejación: mecanismo por el que se forma un complejo entre el metal y uno o varios centros activos situados sobre el biosorbente.
  • Adsorción física: el metal se une al biosorbente mediante interacciones físicas de naturaleza débil, como las fuerzas de Van der Waals.
  • Intercambio iónico: es uno de los mecanismos más importantes de la biosorción, produciéndose entre los polisacáridos de los cítricos (celulosa, hemicelulosa y pectinas) con los iones divalentes.
Figura 1. Adaptación propia.

¿Qué inconvenientes plantea?

En estado natural presentan poca capacidad de biosorción, por lo que hay que realizarles un pretratamiento físico y/o químico para mejorar su porosidad, número de sitios activos y su posibilidad de formar interacciones que permitan retener a los metales pesados. También presentan una saturación rápida, por lo que se tienen que regenerar frecuentemente (Ronda, 2016). Sin embargo, su método de preparación sigue siendo mucho más rentable que las alternativas empleadas en la actualidad. Por cada tonelada de cítricos se gastarían 48$ frente a los 400-1500$/t del carbón activado (Mahato et al., 2020).

¿Realmente los Cítricos presentas resultados tan eficaces?

Para poder cuantificar su eficacia, tomaremos de referencia dos modelos matemáticos:

  1. A fin de comparar la eficacia como biosorbente del residuo cítrico, se suele partir del ajuste de los datos experimentales a la isoterma de Langmuir. Este modelo asume que estos metales pesados van a llenar los sitios activos del cítrico hasta formar una capa, de forma que no puede volver a ocurrir una sorción en un sitio activo ocupado. Como parámetro esencial en esta isoterma, se van a comparar diferentes estudios, evaluando sus valores de Qm, un parámetro que se define como los mg de metal que se han adsorbido por gramo de biosorbente empleado. Por lo que el mejor biosorbente será aquel que en misma cantidad, sea capaz de adsorber el máximo de metales.
  1. Como isoterma complementaria a la de Langmuir, se evaluará también, la isoterma de Freundlich. En este modelo, el parámetro n permite comparar entre tratamientos, puesto que nos aporta información sobre la intensidad de adsorción y la afinidad del adsorbente por el adsorbato.

Los valores de estos parámetros serán estudiados teniendo en cuenta el coeficiente de correlación, debiendo ser este mayor a 0,95 para considerar que el modelo escogido predice adecuadamente los resultados experimentales.

ECUACIÓNPARÁMETROS
Langmuir –> Qe = (Qm·b·Ce) / (1+b·Ce)Qm: cantidad máxima de metal/peso de adsorbente utilizado.
b: es la afinidad de los sitios de unión.
Qe,Ce: concentración del metal en el biosorbente y en el agua.
Freundlich –> Qe = Kf·Ce^1/nKf: indicador de la capacidad de adsorción.
n: intensidad de adsorción.
Qe,Ce: concentración del metal en el biosorbente y en el agua.
Tabla 3. Parámetros de las isotermas de adsorción de Langmuir y Freundlich. Adaptado de Tejada et al. (2015).

En las siguientes tablas he elaborado una recolección de diferentes tratamientos en cítricos para su empleo en la adsorción de cobre y plomo. Todos los valores son estadísticamente significativos. Se puede observar cómo los tratamientos químicos presentan una alta capacidad de adsorción. Además, su combinación con tratamientos de descomprensión parece mejorar su eficacia.

Tabla 4. Resultados biosorción para el Cu (II). Adaptación propia.
Tabla 5. Resultados biosorción para el Cd (II). Adaptación propia.

En las siguientes dos tablas se puede observar una comparación de diferentes residuos agrícolas respecto los cítricos con un mismo pretratamiento, presentando los cítricos muy buenos resultados.

BiosorbenteCapacidad máxima de adsorción Qm (mg Cd(II)/g biosorbente)
Gramínea28
Residuos de té31,48
Cáscara de avellana5,42
Mazorca de maíz55,7
Lenteja negra40
Cáscara de naranja modificada químicamente114,31
Tabla 6. Adaptación de Li et al. (2008)
BiosorbenteCapacidad máxima de adsorción Qm (mg Cu(II)/g biosorbente)
Salvado de trigo deshidratado51,51
Cáscara de soja43
Residuos de zanahoria99,05
Pulpa de remolacha azucarera114,07
Cáscara de naranja modificada por hidrólisis de copolímero injertado289
Cáscara de pomelo modificada por descomprensión + tratamiento químico109,28
Tabla 7. Adaptación de Khormaei et al. (2007)

Más artículos sobre Ciencia y Tecnología de los Alimentos: alimentologia.com/categorias/ciencia-y-tecnologia-alimentaria

Consultorías alimentarias: alimentologia.com/consultorias

Referencias y bibliografía

  • Bernard A. Cadmium & its adverse effects on human health. Indian J Med. 2008; 128(4): 557-564.
  • Braun J, Kahn R, Froehlich T, Auinger P, Lanphear B. Exposures to Environmental Toxicants and Attention Deficit Hyperactivity Disorder in U.S. Children. Environmental Health Perspectives. 2006; 114(12): 1904-1909.
  • Feng N, Guo X, Liang S. Adsorption study of copper (II) by chemically modified orange peel. Journal of Hazardous Materials. 2009; 164(2-3): 1286-1292.
  • Halim N, Yusof H, Sarbon N. Functional and bioactive properties of fish protein hydolysates and peptides: A comprehensive review. Trends In Food Science & Technology. 2016; 51: 24-33.
  • Jaishankar, M., Tseten, T., Anbalagan, N., Mathew, B., & Beeregowda, K. (2014). Toxicity, mechanism and health effects of some heavy metals. Interdisciplinary Toxicology, 7(2), 60-72.
  • Khormaei, M., Nasernejad, B., Edrisi, M., & Eslamzadeh, T. (2007). Copper biosorption from aqueous solutions by sour orange residue. Journal Of Hazardous Materials, 149(2), 269-274.
  • Lanphear, B., Hornung, R., Khoury, J., Yolton, K., Baghurst, P., & Bellinger, D. et al. (2005). Low-Level Environmental Lead Exposure and Children’s Intellectual Function: An International Pooled Analysis. Environmental Health Perspectives, 113(7), 894-899.
  • Li, X., Tang, Y., Cao, X., Lu, D., Luo, F. and Shao, W., (2008). Preparation and evaluation of orange peel cellulose adsorbents for effective removal of cadmium, zinc, cobalt and nickel. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 317(1-3), pp.512-521.
  • Li, X., Tang, Y., Xuan, Z., Liu, Y. and Luo, F. (2007). Study on the preparation of orange peel cellulose adsorbents and biosorption of Cd2+ from aqueous solution. Separation and Purification Technology, 55(1), pp.69-75.
  • Mahato, N., Sharma, K., Sinha, M., Baral, E., Koteswararao, R., & Dhyani, A. et al. (2020). Bio-sorbents, industrially important chemicals and novel materials from citrus processing waste as a sustainable and renewable bioresource: A review. Journal Of Advanced Research, 23, 61-82.
  • Real Decreto 1429/2003, de 21 de noviembre, por el que se regulan las condiciones de aplicación de la normativa comunitaria en materia de subproductos de origen animal no destinados al consumo humano.
  • Reglamento (CE) n ° 853/2004 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 29 de abril de 2004, por el que se establecen normas específicas de higiene de los alimentos de origen animal.
  • Reglamento (CE) nº 2073/2005 de la Comisión, de 15 de noviembre de 2005 , relativo a los criterios microbiológicos aplicables a los productos alimenticios.
  • Reglamento (CE) nº 1069/2009 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 21 de octubre de 2009 , por el que se establecen las normas sanitarias aplicables a los subproductos animales y los productos derivados no destinados al consumo humano y por el que se deroga el Reglamento (CE) nº 1774/2002 Reglamento sobre subproductos animales).
  • Reglamento (CE) nº 1881/2006 de la Comisión, de 19 de diciembre de 2006, por el que se fija el contenido máximo de contaminantes contaminados en los productos alimenticios.
  • Reglamento (CE) nº 852/2004 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 29 de abril de 2004, relativo a la higiene de los productos alimenticios.
  • Romero-Cano, L., Gonzalez-Gutierrez, L. and Baldenegro-Perez, L. (2016). Biosorbents prepared from orange peels using Instant Controlled Pressure Drop for Cu(II) and phenol removal. Industrial Crops and Products, 84, pp.344-349.
  • Romero-Cano, L., González-Gutiérrez, L., Baldenegro-Pérez, L. and Carrasco-Marín, F. (2017). Grapefruit peels as biosorbent: characterization and use in batch and fixed bed column for Cu(II) uptake from wastewater. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 92(7), pp.1650-1658.
  • Ronda, A. (2016). Preparación y aplicación de biosorbentes activados químicamente para la eliminación de plomo de medios acuosos [tesis]. Universidad de Granada. Disponible: https://hera.ugr.es/tesisugr/26191921.pdf
  • Sabiiti, E. (2011). UTILISING AGRICULTURAL WASTE TO ENHANCE FOOD SECURITY AND CONSERVE THE ENVIRONMENT. African Journal Of Food, Agriculture, Nutrition And Development, 11(6), 3-6. Retrieved 1 June 2020, from.
  • Sanfeliu, I. (2016). La citricultura en España. Presente y futuro. Comité de Gestión de Cítricos, Valencia. Disponible en: https://www.agronegocios.es/digital/files/planstar/Sanfeliu_pstar_citricos_valencia.pdf
  • Tejada, C., Villabona, Á., Garcés, L. (2015). Adsorption of heavy metals in waste water using biological materials. Tecno Lógicas. 18(34). pp 109-123.
  • Toldrá, F., Aristoy, M., Mora, L., & Reig, M. (2012). Innovations in value-addition of edible meat by-products. Meat Science, 92(3), 290-296. https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2012.04.004
  • World Health Organization. (2011). Cadmium in Drinking water (pp. 1-6).

0