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Introducción
Jatropha curcas comúnmente denominada como piñón botija en Cuba es considerada como una fuente prometedora de aceite no comestible que se puede utilizar como materia prima para la producción de biodiésel (Ahmad y Sultan, 2015). Es un árbol resistente a la sequía que pertenece a la familia Euphorbiaceae, compuesto por un 60% de la semilla + mesocarpo y un 40% de la cáscara, cuyas semillas producen hasta un 50% de aceite no comestible que puede ser utilizado para la producción de combustible sin afectar el sector alimentario (Singh, Vyas, Srivastava y Narra, 2008; Makkar, 2016).
J. curcas es cultivada en muchos países en áreas tropicales y subtropicales. En Cuba, está presente en casi todas las provincias y la isla de la juventud y se desarrolla de forma silvestre como cerca viva (Rodríguez-Calle et al., 2016). Puede ser utilizada en la agricultura, industria farmaceútica y la medicina, entre muchas otras aplicaciones, pero el aceite es su derivado más valioso, ya que se ha convertido en una gran promesa para la producción de biodiésel (Kalam, Ahamed y Masjuki, 2012; Phulia et al., 2017; Phulia et al., 2018).
Un aspecto importante es que el proceso para la producción de biodiésel, genera residuos para los cuales se deben buscar alternativas de uso o tratamiento con la finalidad de completar su ciclo de vida (Eboibi, Eboibi, Okputu y Okpohwo, 2018). Durante la producción de biodiésel son generados diversos coproductos como: cáscara, cascarilla y torta de prensado. El fruto de J. curcas seco contiene alrededor de 37.5% de cáscara y 62.5% de semilla, y las semillas contienen un 42% de cascarilla y un 58% de núcleo (Gomes et al., 2018). Aunque la utilización integral de todas las fracciones generadas en la producción de biodiésel es un requerimiento para la sostenibilidad del proceso, hasta ahora no se ha prestado mucha atención a los usos de los residuos generados durante el descascarillado del fruto de J. curcas y la decortización de sus semillas para la extracción del aceite.
J. curcas posee contenidos de fibra cruda de 83% (Gübitz, Mittelbach y Trabi, 1999), aspecto importante dado que el alto contenido de fibra es un componente significativo en la dieta para el ganado (Jørgensen, Zhao y Eggum, 1996), por lo que el uso y aprovechamiento de la cascarilla como subproducto representa un índice de valor agregado como complemento de las dietas de aves de corral y el ganado vacuno (Eze y Ibe, 2005).
La cáscara del fruto de J. curcas es una fuente potencial de fibra. Los datos reportados de fibra consideran a la cáscara como una fuente de combustible por su alta cantidad de energía bruta, además de ser útil en la producción de composta (Abou-Arab y Abu-Salem, 2010).
En tal sentido, para la utilización y el aprovechamiento de los coproductos del proceso de obtención de biodiésel a partir de J. curcas se hace necesario su caracterización para conocer su composición, la calidad de sus componentes y la cantidad que se genera, aspecto imprescindible para definir las tecnologías más apropiadas para su utilización.
Desarrollar innovaciones que permitan la generación de tecnologías para el aprovechamiento o utilización de coproductos ricos en proteína y energía para su empleo en la alimentación animal, constituye una de las alternativas de mayor prioridad para la ganadería cubana, por lo que el objetivo de este estudio fue caracterizar la composición química de la cáscara del fruto de J. curcas.
Materiales y Métodos
Materia prima
Los frutos de J. curcas, provenientes de la cosecha de 2017, fueron suministrados por el Centro de Aplicaciones Tecnológicas para el Desarrollo Sostenible (Guantánamo, Cuba). Los frutos fueron secados, descascarados y descortezados con el objetivo de separar la cáscara de la semilla, para lo cual tres muestras de 1 kg de frutos de J. curcas fueron pelados.
Métodos analíticos
El contenido de humedad, cenizas, sustancias extractivas y lignina, se determinó según los protocolos analíticos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable de Estados Unidos (Sluiter et al., 2008a; Sluiter et al., 2008b; Sluiter, Ruiz, Scarlata, Sluiter y Templeton, 2008c; Sluiter et al., 2008d). La humedad se determinó gravimétricamente después de secar el material hasta peso constante a 105 oC (Sluiter et al., 2008a). Los componentes minerales se determinaron como cenizas después de incinerar una alícuota del material a 575 oC (Sluiter et al., 2008b). Los compuestos extractivos se determinaron por extracción con etanol en un aparato de Soxhlet (Sluiter et al., 2008c). El contenido de polisacáridos y lignina se determinó por hidrólisis ácida analítica (Sluiter et al., 2008d). La lignina se determinó gravimétricamente como el residuo sólido obtenido en la hidrólisis.
El contenido de Fibra Bruta (FB) y Proteína Bruta (PB) fue determinado por Latimer (2016). Los compuestos fenólicos totales fueron determinados según la metodología descrita por Singleton, Orthofer y Lamuela (1999).
Resultados y Discusión
El contenido de humedad de la cascarilla en esta investigación fue del 12.35% (Cuadro 1), que es muy similar al reportado por otros autores que encontraron que la humedad oscila entre 4.75% y 19.57% (Gunaseelan, 2009; Kongkasawan, Nam y Capareda, 2016).
Los extractivos están conformados por proteínas, vitaminas, lípidos, minerales, clorofila y esencias responsables de la coloración amarilla-verdosa extraída y el aroma dulce desprendido en el momento de la extracción, causado también por el valor apreciable de lignina determinada, dado que está formada por la extracción irreversible del agua de los azúcares, creando compuestos aromáticos. Las sustancias extractivas con disolventes son, principalmente, terpenos, resinas, fenoles y algunos otros, incluidos hidratos de carbono de bajo peso molecular y lignina soluble. El conjunto de todos ellos se conoce como componentes secundarios (Barroso-Casillas, 20101). El contenido de extractivos fue del 5.55 por ciento.
Cuadro 1: Composición química de la cáscara del fruto de J. curcas. Universidad de Matanzas, Estación Experimental de Pastos y Forrajes Indio Hatuey, Matanzas, Cuba, 2017-2018. C
Table 1: hemical composition of the fruit shell of J. curcas. Matanzas University, Indio Hatuey Pastures and Forage Experimental Station, Matanzas, Cuba, 2017-2018.
| Componente | Contenido |
| (%) | |
| Humedad | 12.35 |
| Extractivos | 5.55 |
| Celulosa | 33.71 |
| Hemicelulosa | 9.65 |
| Holocelulosa | 43.36 |
| Lignina | 47.53 |
| Cenizas | 5.48 |
| Proteína Bruta | 3.71 |
| Fibra Bruta | 77.17 |
Se obtuvo un valor de ceniza de la cáscara del fruto de J. curcas de 5,48%. En cuanto al contenido de proteína bruta, la cáscara del fruto de J. curcas sólo contiene 3.71%; así como un 77.17% de fibra bruta.
A pesar de que el contenido de humedad obtenido en esta investigación fue muy similar a otros valores reportados en la literatura, las variaciones dependen fuertemente de varios factores como la variedad de la planta, propiedades del suelo y el sistema de cultivo (monocultivo o policultivo) (Gunaseelan, 2009; Kongkasawan et al., 2016).
Por otro lado, el valor de humedad fue bajo en comparación con el valor de humedad medido en las cáscaras de frutas como el banano de rechazo, donde es aproximadamente del 81.9 al 89.10% (Naranjo, Cardona y Higuita, 2014; Ingale, Joshi y Gupte, 2014; Gebregergs, Gebresemati y Sahu, 2016; Hossain, Zaini y Mahlia, 2017; Sánchez, Granados, Navarrete, Rangel y Bustos, 2018). El contenido de humedad de las materias primas es un atributo clave para obtener diferentes bioproductos energéticos y no energéticos. La reducción de la cantidad de agua en la biomasa minimiza los costos de transporte y aumenta la eficiencia en diferentes procesos como la molienda (López-Giraldo, Cuarán, Arenas y Flórez, 2014; Nilsson, Pettersson, Thörnqvist y Nylinder, 2016; Daassi-Gnaba et al., 2016; Daassi-Gnaba et al., 2018).
Otros autores afirman que el contenido de agua en los gránulos de madera puede actuar como un agente aglutinante que afecta la durabilidad mecánica de este combustible sólido, dañando la calidad de los gránulos (Huang et al., 2017). Se obtuvo un contenido de extractivos del 5.55%. Otros autores han encontrado altos valores de extractivos en frutas, por ejemplo cáscara de aguacate tiene aproximadamente el 35.9% (Dávila, Rosenberg, Castro y Cardona, 2017). Al igual que la humedad, el porcentaje de extractivos de una materia prima se encuentra condicionado por factores como la temporada y prácticas de cultivo. Cabe recalcar que dentro de los extractivos de la semilla de J. curcas se encuentra el aceite, del cual se obtiene biodiésel y glicerina (Navarro-Pineda, Baz, Handler y Sacramento, 2016).
Los materiales lignocelulósicos constituyen fuentes renovables abundantes y ricas en compuestos fenólicos, de los cuales se tiene la lignina, utilizada para la producción de resinas como la bakelita (Cruz, 20142), y carbohidratos como la celulosa y la hemicelulosa, para la elaboración de xilosa, oligosacáridos, etanol celulósico (García et al., 2014), y carbón activado, entre otros muchos productos de alto valor agregado. El contenido de celulosa obtenido en esta investigación fue del 33.71%; el de hemicelulosa 9.65%; lignina 47.53% y el de holocelulosa de un 43.36%.
El contenido de celulosa obtenido en este estudio resultó similar a los valores reportados en la literatura para otras cáscaras, resultando en el caso de la cáscara de arroz un 36.03% y en el de la cáscara de café un 36.70%, resultados elevados, los cuales son ideales para la conversión de celulosa en azúcares más simples (xilosa, glucosa, arabinosa) y por fermentación a etanol (Dávila et al., 2017). De la celulosa se puede obtener glucosa (Naranjo et al., 2014; Dávila et al., 2017), que es una plataforma para obtener productos de valor agregado como: bioetanol (Kongkasawan et al., 2016), bioplásticos a base de celulosa y polihidroxialcanoatos (Álvarez-Chávez, Edwards, Moure y Geiser, 2012).
Respecto al contenido de hemicelulosa fue muy similar a lo reportado: 7.7% del pericarpio del fruto (Navarro-Pineda et al., 2016), 8.50% de la cáscara seca de la semilla (Adinurani et al., 2015) y es menor a 13.04 y 26.8% de la torta de la semilla de J. curcas (Jourabchi, Gan y Kiat-Ng, 2014; Navarro-Pineda et al., 2016), respectivamente. Del contenido de hemicelulosa de dicha cáscara se puede obtener xilosa (Dávila et al., 2017), pentosa (Mohapatra, Mishra y Sutar, 2010), bioetanol y ácido láctico (Dávila, Rosenberg y Cardona, 2016; Dávila et al., 2017).
Con respecto al porcentaje de lignina obtenido para la cáscara del fruto de J. curcas fue mayor si lo comparamos con el 25 y 28.84% correspondiente al valor de lignina de la torta de la semilla (Hidayat, Keijsers, Prijanto, van Damb y Heeresc, 2014; Jourabchi et al., 2014). El contenido de lignina presenta una oportunidad para obtener biocombustibles sólidos-líquidos (Mohapatra et al., 2010) y una serie de bioproductos de valor agregado como: pesticidas, vainillina, dispersantes de carbón negro, paneles de yeso, limpiadores industriales, emulsionantes, conservantes de madera, retención de papel, adhesivos (Doherty, Mousavioun y Fellows, 2011; Moncada-Botero, 20123) entre otros.
También se puede observar que el contenido de holocelulosa en la cáscara del fruto de J. curcas fue de un 43.36%, la holocelulosa está constituida por celulosa y hemicelulosa; al determinar el contenido de celulosa se obtiene que 1 g de holocelulosa tiene 0.3041 g correspondiendo a un 12.16% del 43.36%, lográndose calcular la hemicelulosa, la cual dio como resultado 0.6959 g y un porcentaje del 31.20%. Estos resultados son similares a los reportados para la cáscara de la piña, que se encuentran alrededor del 40% (Ramírez-Alfonso y Reyes-Nieto, 20174). La cantidad de hemicelulosa obtenida comparada con las maderas duras 24 - 40% (Montaño-Morales, 20145; Sevilla, 2017; Vargas y Pérez, 2018) es similar, en cuanto a la celulosa ésta da un valor mayor con respecto a las maderas (40 - 55%) (Jaramillo-Torres, Morales y Quintero, 2017), ésto se puede deber a que la cáscara del fruto de J. curcas contiene más celulosa, y los residuos recogidos tenían combinación de ambas (Cuadro 1).
El valor de ceniza de la cáscara del fruto de J. curcas estuvo dentro del rango reportado en la literatura (Karaj y Müller, 2010, García et al., 2015).
Según lo reportado por Yeo y Shahidi (2015), la mayoría de los compuestos fenólicos se sintetizan en el espacio intracelular, especialmente en el retículo endoplásmico y son almacenados en las vacuolas como compuestos fenólicos libres. Por otro lado, algunos otros compuestos fenólicos son transportados desde el espacio intracelular y son localizados en las paredes celulares formando enlaces covalentes con macromoléculas insolubles como celulosa, arabinoglicano, algunas proteínas y por autopolimerización. Se obtuvo un 1.89% de compuestos fenólicos totales (Cuadro 2).
Cuadro 2: Contenido de minerales y compuestos fenólicos totales de la cáscara del fruto de J. curcas. Universidad de Matanzas, Estación Experimental de Pastos y Forrajes Indio Hatuey, Matanzas, Cuba, 2017-2018.
Table 2: Content of minerals and total phenolic compounds of the fruit shell of J. curcas. Matanzas University, Indio Hatuey Pastures and Forage Experimental Station, Matanzas, Cuba, 2017-2018.
| Componente | Contenido |
| (%) | |
| Na | 0.78 |
| K | 4.51 |
| Ca | 0.59 |
| Si | 0.08 |
| S | 0.03 |
| P | 0.72 |
| Compuestos fenólicos totales | 1.89 |
Na = sodio; K = potasio; Ca = calcio; Si = silicio; S = azufre; P = fósforo.
Na = sodium; K = potassium; Ca = calcium; Si = silicon; S = sulfur; P = phosphorus.
En cuanto al contenido de proteína, la cáscara del fruto de J. curcas presentó valores muy bajos, situación que puede indicar un bajo valor nutritivo para este componente de la semilla. Sin embargo, si se lograra separar la cáscara de las almendras antes del proceso de extracción de aceite, este material biológico podría destinarse a la producción y energía o bien, para la obtención de compuestos fenólicos (Akintayo, 2004; Navarro-Pineda et al., 2016). Además, hay otras investigaciones en las que se encontraron contenidos de proteína bajos en este fruto de 12.26 a 18.15 % para Brasil e India (Karaj y Müller, 2010).
Por el contrario, el contenido de fibra bruta obtenido fue muy alto, el cual resultó mayor a lo reportado por Ceballos y Montoya (2013) para la cáscara de aguacate, la cual se encuentra en un 53.40% en el estado de madurez fisiológica, así como en un 51.49% en el estado de madurez de consumo. Los componentes de la fibra insoluble, especialmente la celulosa que está compuesta de múltiples unidades de D-glucosa, unidas por enlaces glicosídicos ß-(1.4), le confieren una disposición bastante rígida y muy estable. Los materiales que contienen celulosa, tienen un importante valor comercial, ya que éstos pueden ser utilizados como materias primas en procesos de fermentaciones para la producción de diversos productos de uso industrial, como azúcares fermentables para la posterior producción de etanol. Además, la celulosa es utilizada como la principal fuente de energía de muchos organismos para la producción de metabolitos primarios y secundarios de uso industrial, como es la producción de ácidos orgánicos, estatinas, colorantes, aditivos alimenticios, fármacos, entre otros (Ángelo, 2004). La cáscara de Jatropha se convierte en una alternativa para ser utilizada como materia prima de sustratos de procesos de fermentación para la obtención de metabolitos de diferentes tipos de organismos con utilidad industrial como los mencionados anteriormente.
Según lo reportado por Yeo y Shahidi (2015), la mayoría de los compuestos fenólicos se sintetizan en el espacio intracelular, especialmente en el retículo endoplásmico y son almacenados en las vacuolas como compuestos fenólicos libres. Por otro lado, algunos otros compuestos fenólicos son transportados desde el espacio intracelular y son localizados en las paredes celulares formando enlaces covalentes con macromoléculas insolubles como celulosa, arabinoglicano, algunas proteínas y por autopolimerización.
Se obtuvo un 1.89 % de compuestos fenólicos totales (Cuadro 2), muy similar a lo reportado para mezclas de café Arábica a diferentes niveles de tostado procedentes de diferentes regiones de México (en el estado de Veracruz para un nivel de tostado alto se obtuvo un 1.04%; en Nayarit y en Oaxaca para un nivel de tostado medio se obtuvieron un 1.09% y un 1.31% respectivamente) (Pérez-Hernández, Chávez, Medina y Gámez, 2013; Lazcano-Sánchez, Trejo, Vargas y Pascual, 2015).
El contenido de potasio en las cenizas de la cáscara de J. curcas resultó elevado respecto a otras biomasas, por lo tanto se lo puede considerar como fuente de potasio. Es deseable que las cenizas sean lo más bajas posible ya que absorben calor, ensucian los filtros, erosionan los conductos y pueden llegar a producir sinterizaciones (Vasco-Leal et al., 2017).
Conclusiones
Se concluye que la cáscara del fruto de J. curcas posee un alto contenido de fibra, por lo que, previamente cuantificados los ésteres de forbol, podría convertirse en una alternativa como complemento de las dietas en la alimentación animal.
La cáscara del fruto de J. curcas contiene gran cantidad de materiales lignocelulósicos, los cuales constituyen fuentes renovables abundantes y ricas en compuestos fenólicos.
La alta composición fenólica sugirió la necesidad de profundizar, desde el punto de vista cualitativo y cuantitativo, en los elementos orgánicos que la componen y determinar si hay presencia de ésteres de forbol.
Declaración de Ética
El análisis de laboratorio se realizo con apego a las normatividades de los laboratorios de bromatología de la Estación Experimental Indio Hatuey, de la Universidad de Matanzas, Cuba.
Contribución de los Autores
Idea de la investigación, definición de la metodología y ánalisis de los datos: J.M.O.G, R.M.R.C. y J.S.H. Análisis, discusión e interpretación de los resultados: J.M.O.G, R.M.R.C, J.S.H. y G.R.L. Organización y escritura del borrador original: J.M.O.G. y R.M.R.C. Revisión del borrador original y edición del documento acorde a las normas editoriales de la revista: G.R.L.
