Artículos Científicos

CARACTERIZACIÓN ESPECTROSCÓPICA, MORFOLÓGICA Y POR MICROANÁLISIS DE LA BIOMASA DE LOS CLADODIOS DE OPUNTIA CARACASANA SALM- DYCK

SPECTROSCOPIC, MORPHOLOGICAL AND MICROANALYSIS CHARACTERIZATION OF THE BIOMASS OF OPUNTIA CARACASANA SALM-DYCK CLADODES

Jiménez-Ramos, Iliana; Bermúdez de Ramírez, Maidys; Rojas de Gáscue, Blanca; Prin, José Luis; Rojas de Astudillo, Luisa

Iliana Jiménez-Ramos

jimenez.1809@gmail.com

Universidad Politécnica Territorial del Oeste de Sucre Venezuela

Maidys Bermúdez de Ramírez

maidysbdr01@gmail.com

Universidad Politécnica Territorial del Oeste de Sucre Venezuela

Blanca Rojas de Gáscue

blanca.gascue@gmail.com

Universidad de Oriente Venezuela

José Luis Prin

joseluis_prin@hotmail.com

Universidad de Oriente Venezuela

Luisa Rojas de Astudillo

lrojas40@yahoo.com

Universidad de Oriente Venezuela

infoANALÍTICA

Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Ecuador

ISSN: 2602-8344

ISSN-e: 2477-8788

Periodicidad: Semestral

vol. 10(1), 2022

revistainfoanalitica@gmail.com

Recepción: 04 Noviembre 2021

Aprobación: 14 Enero 2022

URL: http://portal.amelica.org/ameli/journal/157/15729961572996007/

Modelo de publicación sin fines de lucro para conservar la naturaleza académica y abierta de la comunicación científica

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Resumen: En esta investigación se caracterizó espectroscópicamente, morfológicamente y por microanálisis la biomasa seca de los cladodios de la cactácea Opuntia caracasana y un material resultante después de su tratamiento con KOH (MVT). Los resultados del análisis por FTIR indicaron que la biomasa seca contiene grupos funcionales que señalan la presencia de lignina, celulosa, hemicelulosa y pectina en los cladodios de la cactácea. Además, en el material tratado con KOH se identificaron señales intensas correspondientes al éter glicosídico de la celulosa presente en la fibra. La morfología de la biomasa seca se determinó mediante Microscopía Electrónica de Barrido acoplado a un detector de Energía Dispersiva de Microanálisis de Rayos X, observándose la presencia de cristales aglomerados en la superficie del material vegetal y en el material MVT se determinó la presencia de cavidades y fibras. Por medio del microanálisis de la biomasa seca, el calcio fue detectado como elemento mayoritario y fue también detectado en el material MVT. Los resultados obtenidos permiten inferir que la biomasa seca y el material MVT de O. caracasana tienen potencialidades para el desarrollo de materiales sustentables que pueden ser usados en la industria alimenticia, farmacéutica y como adsorbentes de contaminantes en medios acuosos.

Palabras clave: biomasa, fibra lignocelulósica, O. caracasana Salm-Dyck, pectina.

Abstract: In this investigation, the biomass of Opuntia caracasana and a resulting material after treatment with KOH (TVM) were characterized spectroscopically, morphologically and by microanalysis. The results of the FTIR analysis indicated that the dry biomass contains functional groups that indicate the presence of lignin, cellulose, hemicellulose and pectin in the cladodes of the cactus. In addition, strong signals corresponding to the glycosidic ether of cellulose were identified in the material TVM. The morphology of the dry biomass and the material TMV were determined by Scanning Electron Microscopy coupled to an X- Ray Microanalysis Energy Dispersive Detector (SEM-EDS), the agglomerated crystals were observed on the surface of de dry biomass and the presence of cavities and fibers in the material TVM. By means of microanalysis, calcium was detected as the majority element in the dry biomass and was also detected in the material TVM. The results obtained allow us to infer that the dry biomass and the MVT material of O. caracasana have potentialities for the development of sustainable materials that can be used in the food and pharmaceutical industries and as adsorbents for pollutants in aqueous media.

Keywords: biomass, lignocellulosic fiber, O. caracasana Salm-Dyck, pectin.

INTRODUCCIÓN

La familia de cactáceas constituye una de las familias de plantas vasculares más representativas de las regiones áridas y semiáridas del continente americano y el Caribe, siendo el género Opuntia el más representativo de esta familia, con cerca de 191 especies, ampliamente distribuidas en América (Varela et al., 2016).

Las especies del género Opuntia pueden tolerar la sequía prolongada, altas temperaturas, viento y suelos erosionados. Esto se debe principalmente a que son plantas con metabolismo ácido de crasulácea (plantas CAM), una adaptación fotosintética al estrés ambiental. La fotosíntesis CAM reduce significativamente el consumo de agua de la planta al capturar el CO2 durante la noche (Astello-García et al., 2015). Esta habilidad de tolerancia puede ser usada para disminuir la acumulación de CO2 en la atmósfera y también como reserva de agua en zonas áridas y semiáridas. Además, las hacen ideales para el desarrollo de la agricultura en áreas afectadas por el cambio climático y la desertificación. Desde el año 2006, la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) ha exhortado a las naciones para formular estrategias globales de desarrollo y explotación integral del cultivo de plantas del género Opuntia, y elaborar programas específicos para cada región o país. (Ochoa & Barbera, 2018).

Por otra parte, en los últimos años, los materiales obtenidos a partir de la biomasa han recibido un gran interés a nivel industrial, esto es debido al deseo humano de consumir productos sostenibles y ecológicos (Mannai et al., 2020a). Una revisión realizada por Nharingo & Moyo (2016) destacó los numerosos usos de la especie Opuntia ficus indica, los cuales van desde aplicaciones farmacéuticas hasta tratamiento de agua. Un ejemplo de este tipo de aplicaciones la reseña González et al. (2015), en ese estudio se comparó la efectividad de la Opuntia ficus indica y la Opuntia wentiana (Opuntia caracasana) como coagulantes en la clarificación del agua. También, la fibra celulósica presenta muchas ventajas interesantes, entre ellas, su abundancia, baja densidad, buenas propiedades mecánicas y biodegradabilidad (Mannai et al., 2020a). Por lo que el reciclaje de la biomasa procedente de residuos del cultivo de Opuntias y convertirla en subproductos de alto valor añadido, implica no sólo una reducción de los costes de gestión de los cultivos, sino que podría generar una diversificación de ingresos para los agricultores que se dediquen a este tipo de cultivos (Procacci et al., 2021).

En Venezuela se conocen 40 especies de cactáceas con distribución geográfica bastante disímiles y, en este país, pese a su importancia ecológica y potencial uso económico, este tipo de plantas ha sido relativamente poco estudiadas. Actualmente se encuentran sometidas a diversas fuentes de impacto ambiental, tales como la erosión eólica e hídrica, sobrexplotación urbana y pérdida de vegetación perenne; y estos problemas atentan contra la biota de las zonas áridas y semiáridas del país (Nassar et al., 2013). En ese sentido, es importante realizar investigaciones que permitan fomentar la conservación, agricultura ecológica y uso sostenible de este tipo de plantas. Por lo que el propósito de esta investigación fue caracterizar la biomasa del cladodio de Opuntia caracasana, una planta autóctona y distribuida ampliamente en Venezuela, y por medio de la caracterización espectroscópica, morfológica y el microanálisis determinar algunas propiedades para fomentar su valoración como posible fuente para el desarrollo de materiales sustentables.

MATERIALES Y MÉTODOS

Procesamiento del cladodio de Opuntia caracasana

La recolección de un kilogramo de cladodios se realizó en el sector Las Charas, Cumaná, Venezuela. Posteriormente, las muestras se trasladaron al laboratorio para remover las espinas y se realizó el lavado con agua desionizada. Después, se separó el mucílago de los cladodios para la extracción de pectina con ácido cítrico, usando la metodología sugerida por Maldonado et al. (2010), obteniéndose los mejores resultados de la hidrólisis ácida, utilizando ácido cítrico a 0,2 mol/L, a pH 3,88, a una temperatura de 80 oC, durante 50 minutos de agitación constante. El resto de los cladodios (biomasa) se secó a temperatura ambiente. Luego, se realizó la molienda de la biomasa, utilizando un molino manual de uso doméstico y siguiendo la metodología de Lárez-Velasquez et al. (2014). El polvo de la biomasa se secó en una estufa a 80 ºC, durante 8 horas. De este polvo, se tomó 1 g para hacer caracterizaciones respectivas, y 5 g para el tratamiento alcalino con 15 mL de KOH al 20 % m/v, con agitación por 5 horas a temperatura ambiente, seguido del lavado con agua desionizada y filtrado con membranas de 0,45 micras, se verificó el pH del agua de lavado hasta que se obtuvo pH neutro. Finalmente, el material vegetal tratado con KOH (MVT) se colocó a secar en una estufa a 105 ºC antes de la caracterización.

Caracterización de los materiales

El estudio de caracterización de los grupos funcionales presentes en los materiales (biomasa seca y MVT) se realizó mediante espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) en un equipo Perkin Elmer modelo Spectrum Frontier. La preparación de la pastilla para el análisis de la muestra en el FTIR consistió en pesar por separado aproximadamente 0,015 g de biomasa seca y de MVT, seguido de 0,450 g de bromuro de potasio (KBr). Los materiales en estudio y el KBr se colocaron en una estufa a 60 ºC para remover toda la humedad, luego cada material se mezcló con KBr y por compresión se realizó una pastilla para su posterior análisis en el esprectrómetro FTIR. La morfología de ambos materiales, además de la composición elemental semicuantitativa, se determinó con un Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) marca Hitachi modelo S2400, acoplado con un detector de Energía Dispersiva de Microanalisis de Rayos X (EDS), operado con un voltaje de aceleración de 20 KeV.

RESULTADOS

El análisis mediante FTIR permitió identificar los grupos funcionales presentes en la biomasa seca y en el MVT. En la Figura 1A correspondiente al espectro FTIR de la biomasa se observó una señal importante alrededor de los 3390 cm-1, la cual se puede asignar a la vibración del enlace O-H presente en la estructura. En adición, a 2900 cm-1 se observa una señal que puede ser originada por la presencia de los enlaces H-C-H en la celulosa y hemicelulosa. También se observa una señal significativa alrededor de 1620 cm-1 que se atribuye al estiramiento del enlace C=O en el anillo aromático presente en la lignina, en 1420 cm-1 apareció otra señal importante debido al acoplamiento entre la flexión O-H en el plano y el estiramiento del enlace C-O en los ácidos carboxílicos, esa señal también identifica al enlace H-C-H en la hemicelulosa. De igual manera cercano a 1300 cm-1 se observó una señal correspondiente al grupo C-O presente en el anillo aromático de los polisacáridos.

Figura 1.
Espectro de infrarrojo de A) biomasa seca (Línea negra). B) MVT (Línea roja)

En la Figura 1B se presenta el espectro del material obtenido después del tratamiento con KOH, donde se evidenciaron cambios en algunas señales: específicamente disminuyó la intensidad de la señal en 1420 cm-1, aumentó la señal cercana a 1300 cm-1 y la de 1150 cm-1 que corresponde al enlace del éter glicosídico de la celulosa. La técnica MEB permitió obtener información respecto a la morfología superficial, tanto de la biomasa seca del cladodio molido de O. caracasana, como de los cambios que ocurrieron en el material (MVT) después del tratamiento con KOH, y el estudio mediante MEB-EDS permitió identificar de manera semicuantitativa la composición elemental de los materiales. En la Figura 2A se evidenció que las partículas de la biomasa del cladodio tenían forma heterogénea y estaban distribuidas de manera dispersa. También se pudo distinguir la textura rugosa del material vegetal, y unas partículas depositadas encima del tejido vegetal. En Figura 2B de mayor aumento, se observan varios cristales aglomerados, y el estudio mediante MEB-EDS reafirmó la presencia mayoritaria de C y O en la biomasa analizada, de igual manera se evidenció el contenido de otros nutrientes en la biomasa del cladodio como: Ca, Mg, Zn, Mo, K siendo el calcio el elemento mayoritario.

Figura 2.
Micrografías de la biomasa seca de los cladodios y su microanálisis MEB-EDS

En la micrografía de material MVT, presentada en la Figura 3A, se observan algunas cavidades que indican mayor porosidad y área específica. El tratamiento alcalino con KOH favoreció la separación de las fibras presentes en la biomasa del cladodio (Figura 3B), debido a la solubilización de algunos componentes como la hemicelulosa y la pectina, manteniéndose como un material lignocelulósico. Otro aspecto importante es que después del tratamiento con KOH y el lavado con agua desionizada no fueron detectados los elementos K, Mg, Mn, Mo y Zn en el material MVT, solo se evidenció la presencia mayoritaria de carbono, oxígeno y un menor porcentaje de calcio (6,22 %).

Figura 3.
Micrografías del material MVT obtenido después del tratamiento con KOH y su microanálisis MEB-EDS

DISCUSIÓN

La presencia del grupo funcional OH se encuentra en los ácidos carboxílicos, como el ácido galacturónico, que es uno de los componentes estructurales de la pectina (Belkheiri et al., 2021), un compuesto importante que también se ha reportado en las plantas del género Opuntia (Castellano et al., 2021) y que en este estudio se obtuvo con un rendimiento de 1,68 %, un porcentaje mayor al obtenido por Montilla et al. (2020) para otras especies autóctonas de Venezuela, Opuntia elatior (0,144 %), Opuntia boldinguii (0,131 %) y Opuntia ficus indica (0,153 %). La pectina es de gran interés para la industria de alimentos y para la síntesis de biopolímeros (Belkheri et al., 2021), con lo cual se abre la posibilidad de estudiar las posibles aplicaciones de la pectina de O. caracasana para obtener bioproductos. La presencia de los enlaces H-C-H en la celulosa y hemicelulosa, son indicadores de las unidades de glucosa que conforman la celulosa y en los demás carbohidratos que integran la hemicelulosa (xylosa, manosa, glucosa, galactosa) (Procacci et al., 2021). Los hallazgos obtenidos mediante la caracterización espectroscópica de la biomasa seca de O. caracasana son similares a los reportados por Castellano et al. (2021) para las especies Opuntia maxima y Opuntia dilenii y a los reportados para la Opuntia ficus indica (Lárez-Velásquez et al., 2014; Nharingo & Moyo, 2016). En la Figura 1, se evidenciaron cambios en algunas señales: específicamente aumentó la intensidad de la señal cercana a 1150 cm-1 que corresponde al enlace del éter glicosídico de la celulosa. En la literatura consultada, específicamente Lima de Assis et al. (2019) indicó que el tratamiento de la holocelulosa de Opuntia ficus indica (material con celulosa y hemicelulosa) con KOH al 24 % permitió la separación y cristalización de las fibras de celulosa, ricas en grupos éteres C-O, que es lo que evidenció el incremento de la señal de 1150 cm-1.

Con el estudio mediante MEB-EDS se detectó la presencia de los elementos en la biomasa del cladodio (Ca, K, Zn, Mg) y el calcio destacó como elemento mayoritario. En relación con la presencia de este elemento en las plantas de la familia Opuntia spp. se ha reportado que los cladodios de éstas cactáceas pueden acumular calcio, en algunas especies como la Opuntia ficus índica y la Opuntia sheptacantha Lemaire se ha reportado que pueden contener cristales de oxalato de calcio (Contreras-Padilla et al., 2015). Además, autores como Contreras- Padilla et al. (2011) también han reportado la presencia de otros compuestos como cloruro de potasio y óxido de magnesio. En cuanto a la presencia de zinc en la biomasa del cladodio, le da un valor significativo, porque este elemento podría ser requerido para varias funciones biológicas, entre ellas para mantener saludable el sistema inmunológico y para construir proteínas (Bakari et al., 2017). Otro de los elementos detectados en la biomasa de la O. caracasana fue el magnesio, el consumo de este elemento permite relajar los músculos, contribuye en la conversión de la vitamina D en su forma activa y por tanto conduce a la formación de Trifosfato de adenosina (ATP) (Bakari et al., 2017). Por tanto, es importante continuar las investigaciones en O. caracasana para evaluar su contenido nutricional y su posible potencial farmacéutico, tal como ha sido encontrado en la O. ficus indica (Nharingo & Moyo, 2016).

El material MVT presenta alta porosidad y grupos funcionales oxigenados, estas propiedades son favorables para posibles aplicaciones como la adsorción de contaminantes en matrices acuosas (Nharingo & Moyo, 2016). El tratamiento alcalino con KOH favoreció la obtención de un material lignocelulósico, mostrando que esta base actúa sobre los componentes estructurales de las fibras naturales permitiendo su separación, por lo que el material MVT presentó características morfológicas similares a las observadas al de Opuntia ficus índica (Aquino et al., 2012) en cuanto a la separación de la red lignocelulósica, y posiblemente puede competir con otras fibras naturales, también se abre la posibilidad de estudiar su aplicación como material de refuerzo para polímeros (Mannai et al., 2020a) y concreto (Aquilina et al., 2018). Otro aspecto importante es que después del tratamiento con KOH y el lavado con agua desionizada no fueron detectados los elementos K, Mg, Mn, Mo y Zn en el material MVT, solo se evidenció la presencia mayoritaria de carbono, oxígeno y un menor porcentaje de calcio (6,22 %). En relación con la presencia de calcio en biomateriales, Carballo-Meilan et al. (2020) señalan que la presencia de este elemento en un material que funciones como bioadsorbente puede intervenir en la captación de metales pesados mediante el proceso de intercambio iónico.

Es de resaltar que las fibras lignocelulósicas de las plantas Opuntia se consideran como uno de los materiales disponibles más fuertes y rígidos a partir de biomasa vegetal renovable. Por lo que los resultados alcanzados van acordes con las necesidades de realizar más investigaciones hacia la producción de fibras naturales (Mannai et al., 2020b).

CONCLUSIÓN

Mediante el microanálisis se detectó el calcio como elemento mayoritario, por lo que se sugiere evaluar sus propiedades nutricionales para la formulación de alimentos y de productos farmacéuticos.

Este es el primer reporte de la presencia de pectina en cladodios de O. caracasana, compuesto de gran interés para la industria de alimentos y farmacéutica.

En cuanto al material MVT, posee grupos funcionales oxigenados de gran interés en materiales adsorbentes y el tratamiento alcalino con KOH propició cambios morfológicos en la biomasa del cladodio, destacando la presencia de cavidades y la separación de fibras celulósicas. Lo cual da un valor agregado a O. caracasana, siendo el primer estudio como materia prima para obtener fibras vegetales de gran interés científico y tecnológico.

En atención a la problemática mundial respecto al cambio climático, los resultados fomentan las investigaciones relacionadas con el uso sostenible de las especies autóctonas de las zonas áridas y semiáridas.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Prof. José Véliz, del Departamento de Biología de la Universidad de Oriente, Venezuela, por la identificación de la planta Opuntia caracasana Salm-Dyck.

LISTA DE REFERENCIAS

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Notas

[1] Universidad Politécnica Territorial del Oeste de Sucre "Clodosbaldo Russián", Cumaná, Venezuela. (* correspondencia: jimenez.1809@gmail.com, maidysbdr01@gmail.com)

2 Universidad de Oriente, Instituto de Investigaciones en Biomedicina y Ciencias Aplicadas "Dra. Susan Tai", Cumaná, Venezuela. (blanca.gascue@gmail.com, joseluis_prin@hotmail.com)

3 Universidad de Oriente, Departamento de Química, Escuela de Ciencias, Núcleo de Sucre, Cumana, Venezuela, (lrojas40@yahoo.com)