Valorization of tequila agroindustrial residues for ruminants feeding

Clementina R. Ramírez-Cortina¹*; María S. Alonso-Gutiérrez²; Luc Rigal²

¹ Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco. San Pablo 180, Colonia Reynosa Tamaulipas, Delegación Azcapotzalco. C. P. 02200. México, D. F. México. Correo-e: crrc@correo.azc.uam.mx (*Autor para correspondencia).

² ENSIACET-INPT. 118 Route de Narbonne, 31077 Toulouse Cedex, France.

RESUMEN

El objetivo de este trabajo fue investigar una tecnología adecuada para el uso del bagazo de Agave tequilana W. var. azul en raciones alimenticias para rumiantes. Las características físicas y químicas del bagazo fueron evaluadas. De acuerdo con dichas caracterizaciones, éste puede ser utilizado como complemento en la alimentación de rumiantes. Sin embargo, un inconveniente es la baja diges-tibilidad del bagazo, debido a su alto contenido de lignina; para disminuirlo se usó un tratamiento con hidróxido de calcio. El tratamiento químico se realizó en un reactor de vidrio (50 L) con las siguientes condiciones: concentraciones de Ca(OH)₂ de 2, 5 y 10 %, humedad del bagazo de 20 y 80 %, temperaturas de 30 y 50 °C. Las pruebas de digestibilidad se realizaron en el bagazo tratado químicamente. La digestibilidad aumentó de 36 % (bagazo no tratado) a 54.5 % con el mejor tratamiento (humedad 80 %, Ca(OH)₂ 10 %, y 50 °C). Con base en los resultados de digestibilidad, se puede concluir que el bagazo tratado con Ca(OH)₂ puede ser utilizado como suplemento en la composición de las raciones alimenticias de los rumiantes.

Palabras Clave: Bagazo de agave, tratamiento alcalino, hidróxido de calcio, digestibilidad, alimento forrajero.

ABSTRACT

The aim of this study was to investigate a suitable technology for the use of bagasse of Agave tequilana W. var. azul in food ratios for ruminants. Physical and chemical characteristics of bagasse were evaluated. According to these characteriztics, bagasse can be used as a supplement in ruminant feeding. However, an inconvenience is the low digestibility of bagasse, due to its high content of lignin, used to decrease this a calcium hydroxide treatment was used. The chemical treatment was conducted in a glass reactor (50 L) with the following conditions: concentration of Ca(OH)₂ of 2, 5 and 10 %, bagasse humidity of 20 and 80 %, temperatures of 30 and 50 °C. Digestibility tests were conducted in chemically treated bagasse. The digestibility increased from 36 % (untreated bagasse) to 54.5 % with the best treatment (80 % moisture, Ca(OH)₂ 10 % and 50 °C). It can be concluded that the bagasse treated with Ca(OH)₂ can be used as supplement in the composition of ruminants diet based on the digestibility results.

Keywords: agave bagasse, alkaline treatment, calcium hydroxide, digestibility, forage

INTRODUCCIÓN

El tequila es una bebida alcohólica originaria de México, que actualmente es conocida y apreciada a nivel mundial. La materia prima de fabricación es el Agave tequilana W. var. azul (Abderrazak, 2000; Alonso & Rigal, 1997; Valenzuela, 2003).

En la fabricación del tequila se obtiene el bagazo de agave, un residuo sólido lignocelulósico, el cual representa un problema para su disposición final. Debido a ello, es importante la transformación de este residuo para su valorización, por medio de tecnologías adecuadas desde el punto de vista técnico-económico. En general, los residuos lignocelulósicos agroindustriales están compuestos principalmente de celulosa, hemicelulosas y lignina (Deys-son, 1982; Hendriks & Zeeman, 2009; Hopkins, 2003). Cada uno de estos compuestos pueden ser separados por diversos métodos químicos (básicos y ácidos), fisico-químicos, biológicos y físicos, con la finalidad de ser comercializados si el estudio técnico-económico resultara adecuado (Alonso, 1993; Chang, Nagwani, Kim, & Holtzapple, 2001; Hendriks & Zeeman, 2009; Kim & Holtzapple, 2005). La solución al problema de la disposición final del bagazo de agave es encontrar una tecnología apropiada para su tratamiento y valoración indirecta, de tal forma que pueda ser integrado al medioambiente (abonos, composta), dentro de la cadena alimenticia (forrajes, levadura forrajera), o en los procesos industriales de interés económico (pasta de papel, materiales aglomerados). Por tal motivo, es importante buscar, de acuerdo con la estructura y análisis físico-químicos del bagazo, vías de valorización que puedan transformarlo en productos con valor agregado para su comercialización (Alonso & Rigal, 1997).

Los residuos lignocelulósicos, como las pajas de cereales, son utilizados para la alimentación de rumiantes (bovinos, ovinos, equinos), particularmente en sustitución de forrajes cuando su producción ha sido insuficiente (Bureau au Commun de Pailles, 1991). Debido a su bajo valor forrajero, estos residuos tienen que ser complementados con otros ingredientes, como las pulpas de betabel o las melazas de azúcar. Éstas funcionan como fuentes suplementarias de energía, complementos nitrogenados, azufre, y de otros minerales conocidos por su importancia en la actividad celulolítica al interior del rumen (Centre d'Étude et d'Information sur la Pulpe de betterave française [CEDIP], 1994; Hourna & Graconov, 1994). También los desechos de cáscara de girasol han sido usados para la elaboración de raciones alimenticias con la adición de fuentes suplementarias (Bacvanzki, Vucetic, Cobic, & Fabjan, 1975).

De acuerdo con los análisis reportados por Alonso y Rigal (1997), el bagazo de agave tiene un alto contenido de lignina, lo cual hace que su digestibilidad sea baja (Grabber, 2005). Por esta razón, se debe investigar la forma de disminuir la lignina en el bagazo y así aumentar su digestibilidad para que pueda ser aprovechado como fibra en las raciones alimenticias para los animales rumiantes. Los pretratamientos alcalinos, de acuerdo con las condiciones operatorias, además de saponificar las ceras y las cutículas, también realizan una solubilización de las ligninas y de las hemicelulosas, aumentando así, la digestibilidad de los residuos lignocelulósicos (Alonso, 1993; Fernandes, Kleasse, Zeeman, Sanders, & Van Lier, 2009; Kaar & Hotzapple, 2000; Lai, 2001).

El objetivo de esta investigación fue caracterizar el bagazo de agave, tanto física como químicamente y, en función de ello, establecer un procedimiento de pretrata-miento con hidróxido de calcio para su posible utilización como suplemento de las raciones alimenticias de rumiantes. La primera etapa de esta investigación consistió en analizar el bagazo de agave con el fin de conocer sus características y determinar su digestibilidad para compararla con otros tipos de forrajes. La segunda parte de este trabajo se basó en la investigación del pretratamiento con hidróxido de calcio, para disminuir el contenido de lignina y aumentar su digestibilidad.

MATERIALES Y MÉTODOS

Análisis de las características físicas del bagazo de agave

Análisis químico del bagazo de agave

Los análisis de materia seca, minerales, materia orgánica, constituyentes membranarios (celulosa, he-micelulosa y lignina), grasas y nitrógeno, se realizaron de acuerdo con los métodos de "Análisis Forrajeros" del ENSAT-INPT (1992). La concentración de azúcares reductores se determinó con el método de Fehling en muestras de bagazo húmedo.

Pruebas de digestibilidad con el método "in sacco"

Las pruebas de digestibilidad se realizaron en dos lotes de bagazo provenientes de dos fábricas de teqi-la, de acuerdo con el método "in sacco" de "Análisis Forrajeros" del ENSAT-INPT (1992).

Tratamiento químico y pruebas de digestibilidad

El tratamiento químico se realizó en un reactor de vidrio (50 L) con doble capa, para lograr el control de la temperatura mediante agua caliente suministrada mediante baño maría. El reactor fue equipado con un sistema de agitación para la mezcla del bagazo durante el tratamiento. La adición de reactivos se efectuó en una entrada en la parte superior izquierda del reactor (Figura 1). Las condiciones experimentales fueron: humedad 20 y 80 %, temperatura 30 y 50 °C, concentración del Ca(OH)₂ de 2, 5 y 10 %, y una relación sólido:líquido de 4; los experimentos se realizaron a presión atmosférica. Después de cada tratamiento se hicieron pruebas de digestibilidad (ENSAT-INPT, 1992) del bagazo tratado químicamente. Cada experimento se realizó por triplicado.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Características físicas del bagazo del agave

Los resultados de la caracterización física del bagazo de agave se resumen en el Cuadro 1. Las características de color, textura y tamaño de las fibras, son similares a las reportadas por Alonso (1993) y, Alonso y Rigal (1997). Las características físicas del bagazo dependen de los procesos de cocción y molienda efectuados en la fábrica de tequila de donde provenga el bagazo. Así, tenemos fragmentos de fibras enormes con pulpa quemada, fibras muy finas y fibras de tamaño regular aún cubiertas de pulpa. Las fibras del bagazo, se molieron en un molino de martillos con un tamiz de 0.5 cm, para homogeneizar el tamaño.

Análisis químico del bagazo de agave

Determinación de la digestibilidad del bagazo de A. tequilana

Las pruebas de digestibilidad fueron realizadas en dos lotes de bagazo provenientes de dos fábricas de tequila. Las medidas de dispersión de los resultados (Cuadro 4) muestran que el método de digestibilidad utilizado es confiable.

El valor de digestibilidad del bagazo de agave se sitúa entre los valores reportados para las cáscaras de girasol y las pajas (Cuadro 5). Esto es coherente con la proporción celulosa-hemicelulosa-lignina en las fibras de estos tres sustratos. En el Cuadro 5 también se puede observar que el contenido de lignina en el bagazo se encuentra en un valor intermedio del reportado para las pajas y desechos del girasol. Sin embargo, esta clasificación en función del contenido de lignina, debe ser ponderada debido a que el bagazo de agave contiene una proporción relativamente elevada de azúcares libres (entre 5 y 10 %) que contribuyen fuertemente al aumento de la digestibilidad. Por tanto, es razonable deducir que el bagazo agotado en azúcares tendrá una tasa de digestibilidad netamente disminuida. En consecuencia, la presencia de una fuerte proporción de azúcares libres en el bagazo fresco (22 % de la materia seca) constituye un beneficio para su utilización directa en las porciones alimenticias del rumiante.

Tratamiento químico alcalino y pruebas de digestibilidad

El tratamiento alcalino del bagazo de agave se realizó con Ca(OH)₂ (Alonso, 1993; Mosier et al., 2005). Las condiciones experimentales y las digestibilidades del bagazo después de cada tratamiento se muestran en el Cuadro 6.

La digestibilidad aumentó cuando en las pruebas se incrementó la concentración de Ca(OH)₂, la humedad y la temperatura, sin efectos de interacción negativa (Figura 2). La ganancia de la digestibilidad fue mayor en comparación con la del bagazo sin tratamiento (36 %). La di-gestibilidad aumentó a 54.5 % con el mejor tratamiento (humedad 80 %, temperatura 50 °C, hidróxido de calcio 10 %) después de 24 h de su aplicación, es decir, una ganancia de 18 % en relación con el bagazo no tratado. Este resultado se atribuye a que el Ca(OH)₂ es una base fuerte, apta para donar iones OH^- para la solvatación de las uniones de hidrógeno y la hidrólisis de las uniones ésteres que asocian a los constituyentes fibrosos. La relación sólido:líquido y la temperatura elevada del proceso son todavía más importantes que la relación Ca(OH)₂:sustrato, ya que aumentan la solubilidad del Ca(OH)₂ en el agua. Además el ion Ca++ protege la degradación de los azúcares con los OH^- formando complejos con éstos. Así, la degradación de los azúcares en álcalis polihidroxilados es más lenta con Ca(OH)₂ que con hidróxido de sodio (Alonso, 1993; Dubois, 1982). En resumen, un mejoramiento de la digestibilidad del bagazo de agave seco (5 % de humedad original) puede lograrse con un tratamiento con Ca(OH)₂ a una concentración de 10 % a 50 °C, con 80 % de humedad y un tiempo de contacto de 24 h. La digesti-bilidad del bagazo de agave después del tratamiento con Ca(OH)₂ (54.5 %), llega a tener valores equivalentes a los subproductos del maíz (tallos, hojas y olotes) (45 %), y valores inferiores a la alfalfa (65 %) o de la torta de soya (84 %).

CONCLUSIONES

El bagazo de agave es un residuo que puede ser valorizado como complemento fibroso en las porciones alimenticias de los rumiantes. Aun cuando la digestibi-lidad de este residuo es baja, puede mejorarse con un tratamiento con Ca(OH)₂. La digestibilidad del bagazo de agave aumentó de 36 a 54.5 % con el tratamiento de Ca(OH)₂ al 10 %, 50 °C, 80 % de humedad y un tiempo de reacción de 24 h. El tratamiento con Ca(OH)₂ directamente en el bagazo fresco (62 % de humedad) evitaría la etapa de secado, responsable de la desaparición de una importante cantidad de azúcares libres. Además, la concentración de Ca(OH)₂ en el tratamiento da un aporte de calcio bastante importante, lo que es benéfico para la composición de las raciones de alimento animal.

AGRADECIMIENTOS

A CONACYT por la beca de estudios de doctorado con registro 52333 y número de orden 57759.

REFERENCIAS

Abderrazak, M. (2000). Dictionnaire de botanique des Phanérogames (2^ème ed.). París, France: DUNOD.         [ Links ]

Alonso, G. M. S. (1993). Reporte de investigación bibliográfica del Diplome d'Etudes á Profundité (DEA), Valorisation de la bagasse d'agave dans l'industrie de la tequila. Francia: ENSCT-INPT.         [ Links ]

Alonso, G. M. S., & Rigal, L. (1997). Caracterización y valorización del bagazo de Agave tequilana Weber de la industria del tequila. Revista Chapingo, Serie Horticultura, 3(2), 31-39. Obtenido de http://www.chapingo.mx/revistas/horticultura/contenido.php?id_articulo=786        [ Links ]

Bacvanzki, S., Vucetic, S., Cobic, T., & Fabjan, M. (1975). Sunflower seed hulls as a source of fibre in complete rations for feeding calves. Cuban Journal of Agricultural Science, 9 (1), 5-14.         [ Links ]

Bazus, A. (1990). Raffinage des agroresourses: Extraction et caracte-risation des glucuroxylanes des coques de tournesol, Thèse de Doctorat INPToulouse, Francia.         [ Links ]

Bureau au Commun de Pailles. (1991). La filière paille: Son organisation et le developpement des marchés. Francia.         [ Links ]

Centre d'Étude et d'Information sur la Pulpe de betterave française (CEDIP). (1994) Dijon, France.         [ Links ]

Chang, V. S., Nagwani, M., Kim, M., & Holtzapple, C. H. (2001). Oxidative lime pretreatment of high-lignin biomasse. Applied Biochemistry and Biotechnology (94), 1-28. doi : 10.1385/ ABAB:94:1:01        [ Links ]

Deysson, G. (1982). Physiologie et Biologie des plantes vasculaires. Tome III. Première partie. Nutrition et métabolisme (5^éme ed). France: Societé d'Edition d'Enseigement Superiéur.         [ Links ]

Dubois, M. F. (1982). Valorisation chimique du fructose : Synthése d'acides levulimiques, arabonique et lactique, Thèse de Doctorat INPToulouse, France.         [ Links ]

ENSAT-INPT (1992). Laboratoire de Productions Animales. Analyse Fourragere. Document de Travaux Practiques. Toulouse, France: Autor.         [ Links ]

Fernandes T. V., Klaasse, B. B. J., Zeeman, G., Sanders J. P. M., & Van Lier, J. B. (2009). Effects of thermo-chemical pretreatment on anaerobic biodegradability and hydrolysis of linocellulosic biomass. Bioresource Technology, (100), 2575-2579. doi : 10.1016/j.biortech.2008.12.012        [ Links ]

Graber, J. H. (2005). How do lignine composition, structure, and cross-linking, affect degradability? A review of cell wall model studies. Crop Science, 845, 820-831. doi: 10.2135/cropsci2004.0191        [ Links ]

Hendriks, A. T. W. M., & Zeeman, G. (2009). Pretraetement to enhance the digestibility of lignocellulosic biomasse. Bioresourse technology, 100, 10-18. doi : 10.1016/j.biortech.2008.05.027        [ Links ]

Hopkins, W. G. (2003). Physiologie Végétale. España : De Boeck & Laicier        [ Links ]

Hourna, N., & Garconov, R. (1994). La pulpe sèche de betterave: l'énergie cellulose. Dijon, France: CEDIP (Centre d'Étude et d'Information sur la Pulpe de betterave française)        [ Links ]

Kaar, W. E., & Holtzapple, M. T. (2000). Using lime pretreatment to facilitate the enzime hydrolysis of corn stover. Biomass and Bio-energy, 1-11. doi: 10.1016/S0961-9534(99)00091-4        [ Links ]

Kim, S., & Holtzaple, M. T. (2005). Lime pretreatment and enzymatic hydrolysis of corn stover. Bioresource Technology, (96), 1942006. doi: 10.1016/j.biortech.2005.01.014        [ Links ]

Laberche, J. C. (1999). Biologie végétale (3ème ed.). Paris, France: DUNOD.         [ Links ]

Lai, Y. Z. (2001). Chemical degradation. In D. N Hon, & N. Shiraishi (Eds.), Wood and Cellulose Chemistry (pp. 443-512). New York, Basel: Marcel Dekker, Inc.         [ Links ]

Magro, C. (1995). Valorisation des pailles de blé par fractionnement thermo mecano chimique dans a réactor bi vis, Thèse de Doctorat INP Toulouse, France.         [ Links ]

Monties, B. (1982). Les polyméres vegetaux (2 ème ed.). Paris, France: Gautuier-Villars.         [ Links ]

Mosier, N., Wyman, C., Dale, B., Elander, R. Y. Y., Holtzapple, M., & Ladisch, M. (2005). Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomasse. Bioresource Technology, 24, 673-686. doi : 10.1016/j.biortech.2004.06.025        [ Links ]

Valenzuela, A. G. (2003). El agave tequilero, cultivo e industria de México (1a ed.). México: Ediciones Mundi-Prensa.         [ Links ]