Material vegetal

En este estudio se utilizaron cuatro variantes de nopal de la especie O. megacantha, las cuales se colectaron en el rancho llamado Las Papas de Arriba, del municipio de Ojuelos de Jalisco, Jalisco, México (21°43´51.2”N 101°40´16.1”WO), entre los meses de mayo y julio de 2016 (en esta zona las condiciones medioambientales registradas durante el año son las siguientes: Temperatura = 16.5 °C, Precipitación pluvial = 44 mm en promedio). Para el estudio, se colectó nopal silvestre tierno (ST), silvestre maduro (SM), cultivado tierno (CT) y cultivado maduro (CM). El término “tierno” se aplica a cladodios de 0 a 3 meses de edad y el término “maduro” se aplica para cladodios de 12 a 15 meses de edad. El método de extracción de jugo utilizado consistió en lavar el nopal, retirar las espinas, molerlo en un extractor de jugos y dejarlo decantar por una semana en refrigeración a 4 °C. El jugo clarificado se conservó congelado en recipientes de plástico hasta su utilización.

Análisis químico del jugo clarificado

Se evaluó la humedad y materia volátil (AOAC 930.36), proteína (AOAC 954.04), extracto etéreo (AOAC 954.02), cenizas (AOAC 942.05), fibra cruda (AOAC 962.09), extracto libre de nitrógeno (por diferencia) y materia seca (por diferencia), todas ellas fueron realizadas por duplicado.

Análisis fitoquímico

Para la determinación de los metabolitos secundarios (flavonoides, fenoles, cumarinas, terpenoides, alcaloides, carbohidratos, entre otros), se llevó a cabo un tamizaje fitoquímico empleando técnicas tradicionales (^{Harborne, 1998}). La presencia de flavonoides se evaluó mediante la prueba de Shinoda, flavonas y flavonoles por medio de la prueba de Salkowski, esteroles y terpenoides por el método de Libermann-Burchard, alcaloides por los métodos de Wagner y Dragendorff, fenoles por la prueba de nitrato sódico, taninos con los métodos de gelatina y cloruro férrico, saponinas con la técnica de espuma, cumarinas por medio de los métodos de Ehrlich e hidróxido de sodio, quinonas con las técnicas de ácido sulfúrico e hidróxido de amonio, carbohidratos por Molisch, azúcares reductores con Fehling, pentosas y ácidos urónicos por la técnica de vial y la hidrólisis de la sacarosa con ácido clorhídrico. Las pruebas se llevaron a cabo por triplicado.

Determinación de fenoles

La cuantificación de fenoles totales se llevó a cabo mediante la técnica espectrofotométrica de Folin-Ciocalteu utilizando el ácido gálico como referencia, de acuerdo a ^{Waterman & Mole (1994)}. Se tomaron 0.5 mL de jugo clarificado y se mezcló con 0.75 mL de reactivo de Folin-Ciocalteu 1 N previamente preparado con una dilución del reactivo de Folin-Ciocalteu 2 N (Sigma-Aldrich). Se dejó reposar a temperatura ambiente 5 minutos y en seguida se agregaron 0.75 mL de solución de carbonato de sodio (Baker) al 20%; se trató con ultrasonido 5 minutos y se dejó reposar 90 minutos a temperatura ambiente. Posteriormente se realizó la dilución en proporción 1:50 con agua destilada y se midió la absorbancia a 760 nm en un espectrofotómetro (VELAB modelo VE-5100UV). Los resultados se expresan en mg de ácido gálico equivalente por mL (mg GAE/mL) y mg de ácido gálico equivalente por g (mg GAE/g), el análisis se realizó por duplicado.

Determinación de azúcares

El jugo clarificado y filtrado de O. megacantha fue analizado por medio de cromatografía líquida de alta resolución, en un cromatógrafo SHIMADZU modelo SCL-10A con una columna Aminex HPX-87P, utilizando un detector de índice de refracción (RID). Se utilizó como fase móvil agua desionizada a un flujo de 0.6 mL/min. Los estándares utilizados para la identificación de carbohidratos fueron D-glucosa, D-galactosa, L-arabinosa, D-xilosa, L-ramnosa monohidratada, ácido D-galacturónico y ácido glucurónico, todos ellos de la marca Sigma-Aldrich. Se realizó una curva de calibración de cada monosacárido, para la identificación y cuantificación de los presentes en la muestra problema, las corridas se realizaron por duplicado.

Muestras y pruebas mecánicas de un biopolímero

Las muestras a partir de un biopolímero se elaboraron mezclando el jugo decantado de cladodios silvestres tiernos con proteína animal, glicerol y cera natural, manteniendo una proporción de 3:1:0.5:0.5 sobre una parrilla con agitación a 60 °C. Se generaron películas por medio de la técnica de gel casting de acuerdo a las especificaciones de la norma ASTM D882 y se evaluaron las pruebas mecánicas de resistencia a la tensión, módulo de Young y Elongación a la rotura mediante un ensayo de tracción realizado en una máquina universal modelo 4411, todos los ensayos fueron realizados por duplicado y se reporta el promedio de los resultados en cada prueba.

Estadística

Para la comparación de las características químicas de los jugos se utilizó un diseño completamente al azar, considerándose como variables experimentales el grado de madurez y forma de cultivo del nopal y como variables dependientes los diferentes análisis hechos al jugo.

Los resultados se analizaron estadísticamente utilizando la prueba de ANOVA y la comparación de medias por Tukey con un nivel de confiabilidad de 95%, en el software Statgraphics Centurion 15.

Rendimiento del jugo

De los cladodios de nopal silvestre tierno (ST), se obtuvo el mayor rendimiento de jugo con un 62% en promedio, mientras que en los cladodios de nopal silvestre maduro (SM) y cultivado tierno (CT), el rendimiento fue el más bajo con un promedio de 44%, intermedios se encuentran los cladodios de nopal cultivado maduro (CM), con un rendimiento del 54%.

Análisis químico

Los resultados se presentan en la Tabla I. Se obtuvo diferencia estadística significativa en todos los parámetros determinados (p ≤ 0.05). Los contenidos de proteína y extracto etéreo de los jugos de cladodios tiernos ST y CT se presentan en mayor cantidad, en comparación con los presentes en los jugos de cladodios maduros SM y CM. De las muestras analizadas, la muestra ST es la que presenta mayor porcentaje en relación al contenido de proteínas y lípidos. Este resultado referente al mayor contenido de estos dos parámetros en cuanto a lípidos y proteínas coincide con el encontrado por otros investigadores; ^{Contreras et al. (2012)}, que establecen que el contenido de extracto etéreo (lípidos), disminuye con la edad; de igual manera, se ha observado que en algunas especies de nopal la concentración de proteína disminuye con la edad del cladodio (^{Rodríguez et al., 2007}; ^{Sáenz, 1997}), en este caso se encontró el mismo comportamiento al analizar el jugo de O. megacantha. Por otra parte, en relación a la fibra cruda, las variantes maduras tienen mayor contenido, lo que concuerda con los resultados de ^{Pimienta (1990)}, en los que la fibra cruda se incrementa al aumentar la edad del cladodio. De acuerdo con ^{Mondragón & Pérez (2003)}, en los forrajes entre ellos el nopal, el contenido de nutrientes valiosos, en este caso la proteína disminuye con la edad debido al aumento de la cantidad de fibra. Así mismo, el extracto libre de nitrógeno (carbohidratos), presenta la misma tendencia que la fibra cruda, siendo los jugos de cladodios maduros los que presentan mayor contenido, lo cual es coincidente con lo reportado por ^{Ribeiro et al. (2010)}, quienes encontraron que los cladodios maduros contienen mayor cantidad de azúcares. Finalmente, para el caso del contenido de cenizas el jugo CT presenta mayor cantidad, siendo el jugo CM el que tiene menor porcentaje ^{Guzmán & Chávez (2007)} reportan que la especie Opuntia ficus-indica presenta calcio, potasio, sodio y hierro siendo los brotes maduros de O. ficus-indica los que presentan un incremento en las cenizas respecto a los brotes tiernos; para la especie O. megacantha del presente estudio resulta lo contrario.

De acuerdo con ^{Fabra, Talens & Chiralt (2010)}, las propiedades mecánicas como son: resistencia a la tensión, módulo de elasticidad y alargamiento de las películas plásticas, se relacionan con la composición química de las mismas. En un estudio que se hizo, las películas adicionadas con lípidos producen resistencia a la tensión y módulo de elasticidad menores, contrario a lo que sucedió con el alargamiento. En las películas plásticas existen interacciones moleculares entre lípidos y proteínas que favorecen el aumento de la resistencia y flexibilidad.

Análisis fitoquímico

En la tabla II están los resultados de las diferentes pruebas, se utilizó el sistema de cruces para denotar la presencia o ausencia del metabolito en la muestra. Se observa la presencia moderada de cumarinas en los jugos provenientes de cladodios maduros y son escasas en los jugos de cladodios tiernos, además se observa la presencia escasa de fenoles en los cuatro tipos de jugo, mientras que se presentaron carbohidratos abundantes en todos ellos,^{Torres et al. (2015)}, aseguran que el nopal contiene diferentes carbohidratos. En cuanto a los azúcares reductores, pentosas y ácidos urónicos, se presentan en forma abundante en el jugo SM, en forma moderada en el jugo CM y escasa en los jugos de los cladodios tiernos. Para la prueba de hidrólisis de sacarosa se observa que los jugos obtenidos de cladodios tiernos presentan abundancia de sacarosa, mientras que los jugos de cladodios maduros tienen una cantidad moderada de la misma. No se detectó presencia de flavonoides en ninguno de los cuatro jugos analizados, ^{Fernández, Almeda, Obón & Castellar (2010)}, mencionan que el contenido de estos compuestos puede depender de la especie o la forma de cultivo. En el trabajo de ^{López & Peña (2016)} se reportan contenidos de fenoles, flavonoides y terpenoides en diferentes especies de Opuntia, entre ellas O. megacantha, sin embargo, en el presente trabajo sólo se detectó la presencia de fenoles.

Determinación de fenoles

El contenido de fenoles totales en las muestras analizadas no presentó diferencia estadística significativa, se encontró que varía entre 2.18 y 3.61 mg GAE/g; (Tabla III). Existen algunos trabajos realizados con cladodios, en el de ^{Flores, Vergara & Guerrero (2011)}, se reportan fenoles totales entre 33.55 y 45.44 mg GAE/g para cladodios frescos de Opuntia cochenillifera, el contenido difiere por la especie y porque el jugo sólo contiene una parte de los fenoles totales del cladodio. En otro trabajo (^{Apodaca, Martínez, Robles & Rodríguez, 2016}), encontraron diferencias significativas en el contenido de fenoles totales de acuerdo a la variedad y al grado de desarrollo de los cladodios del nopal verdura. Ellos sugieren que las diferencias encontradas entre las variedades son intrínsecas a la variedad en contraste con otros estudios (^{Guevara et al., 2010}), que sugieren que las diferencias se deben al clima; en el presente trabajo al estudiar la misma variedad y colectarse en la misma plantación no existieron diferencias estadísticas en la cantidad de fenoles totales. Existen reportes de la cantidad de fenoles en el jugo de frutos de diferentes especies de Opuntia (^{Coria, Ochoa & Nazareno, 2011}), encontraron un contenido total entre 0.54 y 1.2 mg GAE/g en jugo de tunas púrpura de Opuntia spp, púrpura oscuro de O. ficus-indica y naranjas de O. megacantha, siendo estas últimas las que presentaron los niveles más altos; ^{Repo & Encina (2008)}, encontraron en tunas rojas de Perú 52 mg GAE/100 g cuyo contenido en ambos estudios fue menor a los encontrados en el jugo de O. megacantha de este trabajo, por otro lado (^{Chávez, Gutiérrez & Serna, 2009}; ^{Sumaya et al., 2011}), reportan cantidades de fenoles totales en el jugo de tunas amarillas, verdes y rojas semejantes a las del jugo de O. megacantha de este trabajo; ^{Ndhlala et al. (2007)} y ^{Figueroa et al. (2010)}, encontraron mayor cantidad de fenoles totales, entre 334 y 2,262 mg GAE/g; y 141.44 y 420.66 mg/L respectivamente en tunas de Opuntia spp. comparada con la cantidad encontrada en O. megacantha de este estudio, pero menor en el jugo de tunas blancas (entre 14.24 y 22.78 mg/L); algo similar a los resultados de los trabajos de ^{Abdel-Hameed, Nagaty, Salman & Bazaid (2014)} y ^{Jiménez, López, Hernández, Gutiérrez & Welti (2015)}, en los cuales se reportan cantidades mayores de fenoles totales en los jugos de pulpa y de cáscaras de tunas rojas, verdes y amarillas entre 667.82 y 1152.97 mg GAE/100 mL; y entre 1.89 y 12.75 g GAE/kg respectivamente, comparadas con las cantidades encontradas en este trabajo en el jugo de cladodios de O. megacantha; lo mismo sucede con la cantidad de fenoles totales para pulpa y cáscara de xoconostles (^{Osorio, Ortiz, Álvarez, Dorantes & Giusti, 2011}), de 15.01 y 19.9 mg GAE/g respectivamente, que es mayor a la encontrada en esta investigación para O. megacantha. Estos reportes señalan que los compuestos fenólicos actúan como defensa de la planta contra la luz ultravioleta y como prevención del eventual ataque de patógenos.

La actividad antioxidante está correlacionada a la cantidad de fenoles totales (^{Pan et al., 2008}), esto ha sido motivo de estudio en la producción de películas comestibles de almidón (^{Cenobio, Pimentel, Vargas, Güemes & Campos, 2015}), quienes mencionan que los compuestos fenólicos se utilizan en envases de alimentos debido a que disminuyen la oxidación y la producción de microorganismos; y en la producción de películas de quitosano (^{Wang, Dong, Men, Tong & Zhou, 2008}), ellos afirman que los compuestos fenólicos quedan inmersos en la matriz del polímero de acuerdo a la cantidad de extracto adicionado y disminuyen con el paso del tiempo. De acuerdo con ^{Ciannamea, Stefani & Ruseckaite (2016)}, algunos de los compuestos fenólicos pueden reaccionar con proteínas y favorecer la formación de películas comestibles, ya que actúan como plastificantes, además de que favorecen las propiedades antioxidantes de los biopolímeros obtenidos; ^{Arcan &Yemenicioglu (2011)}, afirman que los compuestos fenólicos pueden aumentar la flexibilidad de las películas por el efecto plastificante. De acuerdo con ^{Nie, Gong, Wang & Meng (2015)}, si se incorporan fenoles a las películas proteicas se puede aumentar la flexibilidad y reducir la permeabilidad al vapor de agua. Los compuestos fenólicos pueden enlazarse con polisacáridos y proteínas, ya que poseen anillos aromáticos hidrofóbicos y grupos hidroxilohidrofílicos que favorecen la formación de puentes de hidrógeno (^{Saura, 2010}).

Determinación de azúcares

Los resultados se presentan en la Tabla IV, el análisis permite observar que la muestra CT contiene el mayor número de azúcares, mientras que la muestra SM contiene la menor cantidad de monosacáridos: ácido glucurónico, D-glucosa y D-galactosa, aunque en mayor concentración. Los jugos SM y CM presentan las más altas concentraciones de los monosacáridos que contienen. Sólo en el jugo de O. megacantha cultivado tierno (CT), fue posible la detección de D-glucosa, para los demás no fue detectable. ^{López, Peña, Rodríguez & Reyes (2016)}, reportan diferencias en los contenidos de azúcares presentes en las especies de nopal silvestre y cultivado, lo que coincide con los resultados de esta investigación donde se encontraron diferencias estadísticas en los contenidos de azúcares de las diferentes variantes estudiadas, no sólo por el manejo sino también en cuanto al grado de madurez. ^{Paulsen & Lund (1979)} al igual que ^{Trachtenberg & Mayer (1981)}, reportan que el mucílago de O. ficus-indica contiene L-arabinosa, D-galactosa, ácido D-galacturónico, L- ramnosa y D-xilosa, siendo la D-galactosa la que está presente en mayor cantidad. En este trabajo D-galactosa estuvo presente en los cuatro tipos de jugos estudiados. Así mismo, el jugo de O. megacantha cultivado maduro (CM) fue el único en el cual se ha encontrado cierta concentración de L-ramnosa, mientras que en el resto de los jugos no fue detectable este monosacárido, esto es relevante, ya que en otros estudios (^{Ribeiro et al., 2010}), en ningún tipo de jugo fue detectable el azúcar D-xilosa. De acuerdo con ^{McGarvie & Parolis (1979)}, la especie O. megacantha contiene L-arabinosa, D-galactosa, L-ramnosa, ácido glucurónico y trazas de D-xilosa coincidiendo con los resultados del presente trabajo.

Los polisacáridos tienen diferentes aplicaciones en la industria alimenticia, entre ellas se encuentra: la elaboración de películas comestibles para recubrimientos, las gomas guar, gellan y xantana que han sido estudiadas para estas aplicaciones (^{Domínguez & Jiménez, 2012}), estas gomas incorporan algunos monosacáridos presentes en el jugo de O. megacantha como la D-galactosa, el ácido glucurónico, L-ramnosa y D-glucosa. En el trabajo de ^{Saberi, Chockchaisawasdee, Golding, Scarlett & Stathpoulos (2017)}, se encontró que D-galactosa tiene un efecto plastificante importante en películas comestibles de almidón y goma guar; en general los monosacáridos mostraron características comparables a las de polioles comúnmente utilizados como plastificantes en cuanto a las propiedades mecánicas, de barrera y ópticas.

Pruebas mecánicas del biopolímero

Los resultados de las pruebas mecánicas en películas formuladas con jugo clarificado de cladodios silvestres tiernos de O. megacantha, se desprenden del ensayo de tracción que se muestra en la Gráfica 1. Se tuvo una resistencia a la tensión de 1.42 + 0.17 MPa semejante a las de las películas de albúmina de huevo (^{Gennadios, Brandenburg, Weller & Testin, 1993}), del gluten de trigo (Gennadios et al., 1993; ^{Anjum et al., 2007}), de la proteína de cacahuate (^{Liu, Tellez & Castell, 2004}; ^{Hwang et al.,2010}) y del aislado de la proteína de soya (^{Gennadios et al., 1993}), con respecto a la elongación a la rotura, ésta fue de 124.16 + 15.04% en el presente trabajo y es similar a la de las películas de aislado de la proteína de soya (^{Gennadios et al., 1993}) y de la proteína de cacahuate (^{Liu et al., 2004}; ^{Hwang et al., 2010}), tanto la resistencia a la tensión como la elongación a la rotura de películas producidas con mucílago de nopal y glicerol; y de mucílago de nopal, glicerol y calcio en el trabajo de ^{Espino et al. (2010)}, son menores a las de las películas preparadas con jugo de nopal decantado de O. megacantha, proteína animal, glicerol y cera del presente trabajo. El módulo de Young de las películas del presente estudio fue 1.77 + 0.42 MPa.

Gráfica 1 Ensayo de tracción en películas de jugo de cladodios silvestres tiernos de O. megacantha.