Colecta en campo

La colecta de semillas se realizó mediante recorridos de campo entre los meses de junio de 2014 a mayo de 2015, considerando la disponibilidad anual de las plantas, en 17 municipios de los estados de Zacatecas, San Luis Potosí y Aguascalientes, México. Se utilizaron los siguientes criterios para la selección de las especies en campo: 1) abundancia; 2) disponibilidad de semilla; 3) accesibilidad a los sitios; y 4) antecedentes de uso.

Las especies y las características de su localización se muestran en el Cuadro 1. Las 19 especies colectadas en el área de estudio son: chicalote Argemone mexicana, calabacilla loca Cucurbita foetidissima, chilacayota Cucurbita ficifolia, melón hediondo Apodanthera undulata, aceitilla Bidens odorata, jara Leonotis nepetifolia, toloache Datura inoxia, cardo Datura ferox, cadillo Xanthium strumarium, toritos Proboscidea louisianica, mostacilla Brassica sp., saramago Eruca sativa, sangre de grado Jatropha dioica, huizache Acacia farnesiana, mezquite Prosopis glandulosa, gobernadora Larrea tridentata, maguey Agave sp., pirúl Schinus molle y lampote Helianthus annuus.

Para estimar su produtividad en campo, una vez localizada la planta, se siguió la metodología propuesta por ^{Mostacedo y Fredericksen (2000)}, que recomienda el método de muestreo por parcela cuadrada de 1 m x 1 m para plantas herbáceas, de 5 x 5 m para rastreras y de 10 x 10 m para arbustivas y arbóreas. En cada una de las parcelas se estimó la cobertura, densidad y frecuencia de plantas, así como el número de semillas por planta, de la totalidad de las plantas contenidas en la parcela respectiva. Se emplearon las variables densidad y número de semillas por planta para estimar el rendimiento potencial de semilla extrapolado a una hectárea en condiciones naturales. Para cada sitio de colecta se registraron las coordenadas de ubicación y altitud mediante un GPS y se realizó la georeferenciación utilizando el programa Google Maps.

Caracterización morfológica de semillas

Las semillas limpias se secaron a 60 °C por un periodo de 18 h. Posteriormente, se registró el peso (g) de 100 semillas tomadas al azar de cada una de las especies consideradas en el estudio, mediante una balanza analítica (Vlab V300^®). A 10 semillas de cada una las especies se les midió largo, ancho y espesor (cm) utilizando un vernier y una cinta métrica, de acuerdo a la metodología propuesta por ^{Pérez et al. (2006)}.

Extracción y caracterizacion de aceites

La extracción química de aceite se realizó utilizando un determinador de grasa y aceite (Soxtec System HT 1043), de acuerdo a la técnica aplicada por ^{Loredo (2012)}. Todos los análisis se realizaron por triplicado.

Una vez extraidos los aceites se procedió a llevar a cabo la determinación de los siguientes parámetros, tomando en consideración las Normas Oficiales Mexicanas (NOM): índice de refracción (NMX-F-074-S 1981), índice de saponificación (NMX-F-174-S-1981), índice de acidez (NMX-F-101-1987), índice de yodo (NMX-F-408-S-1981) e índice de peróxidos (NMX-F-154-1987). En este estudio, considerando que cada especie produjo un contenido de aceite diferente, y que en su análisis se requieren diferentes cantidades de muestra, la caracterización realizada se hizo por duplicado, en función de la cantidad de aceite disponible de cada especie y estuvo concentrada en el aspecto químico.

También se realizaron espectros infrarrojos de las muestras extraídas en la región 600 a 4 000 cm^-1, en un espectrofotómetro modelo Nicolet is50^® mediante la comparación de los picos de absorbancia de las señales obtenidas a través del análisis de los grupos funcionales presentes en cada una de las muestras de aceites. Para ello, se emplearon estándares de los ácidos grasos oléico, linoléico, linolénico y palmítico (Sigma-Aldrich^®). Los gráficos se realizaron mediante el Programa Origin Pro 8.

Análisis estádistico

A las variables obtenidas se les calcularon parámetros de estadística descriptiva (medias y desviación estándar) y para rendimiento potencial de semilla y aceite, se realizaron análisis de varianza; la separación de medias se realizó mediante la prueba de Tukey (p≤ 0.05) utilizando el programa SAS (Statiscal Analysis Software, V9.1). Asimismo, se realizó un análisis de componentes principales (ACP) utilizando el programa InfoStat/L.

Rendimiento potencial de semilla y de aceite

El análisis estadístico realizado muestra que existe diferencia estadística para el rendimiento potencial de semilla y rendimiento de aceite, en función de las especies vegetales en estudio (p≤ 0.05). Agave sp., resultó superior y estadísticamente diferente (DSH= 2457) al resto de las especies, al registrar un rendimiento potencial de semilla de 24 305 kg ha^-1. No obstante, ésta representa un caso especial dado que en las especies grandes de este tipo de plantas la maduración puede ocurrir entre los 10 y 25 años, mientras que en las plantas pequeñas de esta especie se puede presentar entre los cuatro y cinco años (^{García-Mendoza, 2002}).

En la Figura 1 se destaca que cuatro especies registraron rendimientos potenciales de semilla superiores a 1 000 kg ha^-1, pero sobresalen, además de Agave sp., A. mexicana, P. louisianica y D. inoxia. Por el contrario, siete especies presentaron valores de rendimiento de semilla menores a 100 kg ha^-1, destacando entre ellas L. tridentata con sólo 0.8 kg ha^-1 a pesar de haber registrado densidades altas. Un grupo de especies se ubicaron con rendimientos potenciales de semilla intermedios, con excepción de P. glandulosa, todas ellas son de porte medio-bajo, herbáceas y rastreras. Respecto a B. odorata, resalta que a pesar de registrar una densidad alta por unidad de superficie y de contar con un alto número de semillas, no se reflejó en su rendimiento potencial debido al bajo peso de éstas. Similar comportamiento se observó con L. tridentata dado que sus semillas son muy livianas.

Figura 1 Relación entre rendimiento potencial de semilla y contenido de aceite. 

En X. strumarium su reducido rendimiento pudo estar asociado a la presencia de un bajo número de semillas (dos semillas por fruto); sin embargo, es una especie a considerar ya que su semilla contiene 20.4% de aceite. En el caso particular de Brassica sp., su bajo rendimiento pudo ser resultado de su baja densidad y tamaño pequeño de semillas; no obstante, posee un alto porcentaje de aceite (30.3%) lo cual resulta interesante sobre todo si se considera pueda cultivarse de manera intensiva a fin de aumentar su rendimiento en semilla.

En otras oleaginosas cultivadas se han observado resultados muy contrastantes en el rendimiento, sobre todo si consideramos que muchos son en condiciones experimentales. ^{Mazzani (2007)} señala que R. communis puede llegar a producir entre 350 y 700 kg ha^-1 cuando se le proporcionan cuidados mínimos y hasta 1 250 kg ha^-1 en siembras ya tecnificadas. En Cuba, al evaluar diferentes accesiones de la misma especie se obtuvieron rendimientos de hasta 4 398 kg ha^-1 (^{Machado et al., 2012}).

Los resultados obtenidos para rendimiento de aceite de las especies estudiadas se muestran en la Figura 1. A. mexicana resultó la especie con el rendimiento más alto de aceite con 1315 kg ha^-1, estadísticamente diferente al resto de las especies (DSH= 773.2). A. mexicana resultó tan competitiva o mejor que algunos cultivos comerciales empleados actualmente en la producción de biodiesel, tales como soya Glycine max (335 kg ha^-1), girasol Helianthus annuus (568 kg ha^-1), cacahuate Arachis hypogaea (712 kg ha^-1), colza Brassica napus (832 kg ha^-1), piñón Jatropha curcas (950 kg ha^-1), higuerilla Ricinus communis (1 133 kg ha^-1), tung Aleurites fordii (1 204 kg ha^-1), según los reportan ^{Martínez-Valencia et al. (2011)}. A. undulata y P. lousianica mostraron rendimientos interesantes de aceite de 743 y 730 kg ha^-1.

Estos son derivados de su gran número de frutos, tamaño y cantidad semillas y sobre todo de sus contenidos de aceite superiores a 30%. Sin embargo, sus valores son más bajos a los 5 772 L ha^-1 obtenidos en girasol por el ^{INTA (1997)}, pero cercanos a los consignados por ^{Rebora y Gómez (2007)} para colza, donde en variedades con manejo se obtuvieron 1 466 L ha^-1. Por su parte, A. mexicana registró un rendimiento potencial de aceite de 1 315.9 kg ha^-1, valor superior al encontrado por ^{Singh (2010)} de 190 L ha^-1, por lo que se puede considerar que, con un manejo adecuado y altas densidades de plantas, los rendimientos podrían incrementarse. Se destaca que este rendimiento de aceite es superior al obtenido en R. communis en Cuba (1 130.2 kg ha^-1) (^{Machado et al., 2012}).

La Figura 1 resalta la tendencia de C. ficifolia, ya que presenta una combinación de alto rendimiento de semilla y contenido de aceites. Por el contrario, se observan los contrastes de las especies A. undulata de obtener un alto contenido de aceite con un rendimiento bajo de semillas y el caso particular de S. molle de generar gran número de semillas, pero con reducido porcentaje de aceite.

Porcentaje de aceite

En la Figura 2, se presentan los porcentajes de aceite obtenidos de las semillas de las especies utilizadas. Se destaca que seis especies presentaron porcentajes mayores a 30%, entre las que destacan: C. ficifolia (34.1), C. foetidissima (33.90), P. louisanica (33.6), A. undulata (31.40), J. diodica (32.86) y Brassica sp. (30.33). Estos valores son menores a los reportados por ^{Martínez-Valencia et al. (2011)} para oleaginosas cultivadas comercialmente como girasol Helianthus annuus (45-55%), canola Brassica napa (40-44%), palma Elaeis guineensis (44-57%), coco Cocus nucifera (65-75%), cacahuate Arachis hypogaea (48-50%) y cártamo Carthamus tinctorius (35-40%); o al reportado por ^{Calderón et al. (2013)} de 51% para palma. Los rendimientos más altos por su parte, se encuentran dentro de los valores observados por ^{Cruz et al. (2015)} para diversas accesiones de Jatropha curcas, que oscilaron entre 31 y 49%, así como dentro de aquellos mencionados por ^{Martínez-Valencia et al. (2011)} para esta misma planta que van de 20 a 60% y para Ricinus communis (26-66%). No obstante, resultan superiores a los rendimientos de soya Glycine max (18-20%) y algodón Gossypium hirsutum (18-25%), según los reportan ^{Martínez-Valencia et al. (2011)}. En la Figura 2, también se aprecia que cinco de las especies utilizadas obtuvieron un porcentaje de aceite entre 10 y 30% y seis resultaron con un porcentaje de aceite menor al 10%.

Figura 2 Porcentaje de aceite obtenido de las especies de plantas colectadas. 

La Figura 3, elaborada con los dos primeros componentes principales, muestra que las variables de campo que influyen en el porcentaje y contenido de aceite son la densidad de plantas y el peso de 100 semillas (g), ya que especies como: A. mexicana, D. inoxia, A. undulata, P. louisianica, C. ficifolia y C. foetidissima, se encuentran agrupadas, lo que indica un comportamiento similar de estas especies. En el caso de especies con mayor altura como S. molle, A. farnesiana, L. tridentata y P. glandulosa se asocian con una baja frecuencia y un bajo contenido de aceite. Asimismo, se observó la tendencia que la variable altura de planta se relaciona negativamente con el contenido de aceite, ya que ninguna de las especies arbóreas presentó porcentaje alto de aceite. Aunque también se observa que la variable de altura de planta muestra una tendencia a producir un rendimiento potencial de semillas más alto. En cuanto a los componentes, los dos primeros explican en conjunto un total de 49% de la variabilidad contenida en los datos.

Figura 3 Comportamiento de 19 especies y las variables con los componentes principales 1 y 2.Caracterización físico-química de aceites 

La calidad y la eficiencia del biodiesel dependen del proceso y la calidad del aceite generado por el cultivo; es decir, aceites con baja concentración de ácidos grasos libres, altos en ácidos grasos monoinsaturados y sin gomas e impurezas, entre otras propiedades fisicoquímicas (^{Martínez-Valencia et al., 2011}). ^{Martínez-Sánchez et al. (2015)} señalan que las características químicas más usadas para la clasificación y determinación de la calidad comercial de los aceites son: índice de yodo, saponificación, peróxidos y acidez, dentro de las características físicas destacan la gravedad específica, el índice de refracción, densidad y el punto de fusión. Los valores de los índices de refracción, saponificación, yodo, acidez y peróxidos, de los aceites contenidos en las especies estudiadas, se muestran en el Cuadro 2.

El índice de refracción (IR) de los aceites, registraron valores muy homogéneos, oscilando entre 1.473-1.487. El aceite de R. communis, uno de los aceites más utilizados en la producción de biodiesel presenta un valor de 1.47 o muy cercanos (^{ASTM, 2008}). Algunas de las especies sobresalientes que mostraron esta característica fueron Datura ferox (1.47), Datura inoxia (1.472), A. mexicana (1.473) y C. foetidissima (1.475).

Los índices de saponificación (IS) registrados en los aceites de C. foetidissima, P. louisianica y Brassica sp., son muy semejantes a los valores obtenidos para R. communis (174.6, 176.3 y 173.8 mg KOH g^-1) señalados por ^{Danlami et al. (2015)}, los aceites de estas especies podrían ser empleados en la producción de biodiesel. Vale la pena resaltar que algunos de los aceites obtenidos de las plantas estudiadas comparten características con los aceites de girasol, colza y ricino mencionados por ^{CORPODIB (2003)}. Asimismo, en la industria de los cosméticos, ^{Ruiz y Huesa (1991)} observaron valores de IS para el aceite de Karité (Butyruspermum parki) de 180-190 mg KOH g^-1, dichos valores son similares con los aceites de C. foetidissima (180.02 mg KOH g^-1) y P. louisianica (182.83 mg KOH g^-1), lo que posibilita su potencial uso en la industria de los cosméticos.

^{Cruz et al. (2015)} obtuvieron en J. curcas, uno de los insumos más empleados en la obtención de biodiesel, IS que oscilaron de 192 y 196 mg KOH g^-1, sólo P. louisianica se acercó a estos valores.

En relación al índice de acidez (IA), ^{Martínez-Valencia et al. (2011)} mencionan que valores mayores de 5% indican que el aceite contiene alta cantidad de ácidos grasos libres, generado por un alto grado de hidrólisis, lo cual afecta negativamente la eficiencia de la transesterificación en el proceso de producción de biodiesel. En el Cuadro 2, se aprecia que el aceite de las especies con IA menor de 5% son Cucurbita ficifolia (0.68%), Brassica sp. (3.13%), Eruca sativa (4.24%), Proboscidea louisianica (3.50%) y Xanthium strumarium (1.79%), lo que los hace aptos para la elaboración de biodiesel sin necesidad de llevar a cabo un pretratamiento del aceite para neutralizar los ácidos grasos libres. El aceite del resto de las especies presenta IA mayores de 5%, de las cuales Datura ferox, Leonotis nepetifolia y Schinus molle presentaron los valores mayores con 29.66, 36.17 y 26.8%, respectivamente.

Otros aceites utilizados para elaborar biodiesel como el de soya muestran un IA de 1.5% (^{Pinzi et al., 2009}), en tanto que los de palma de aceite (Elaeis guineensis), piñón mexicano (Jatropha curcas) e higuerilla (Ricinus communis) presentan valores para este índice de 4.95, 3.19 y 1.77%, respectivamente (^{Martínez-Valencia et al., 2011}). Por su parte, ^{Lafargue-Pérez et al. (2012)} reportan para J. curcas valores de 11.84%.

El índice de yodo (IY) del aceite en las especies estudiadas mostró una fuerte oscilación de entre 23.35 a 141.26 g I₂ 100 g^-1 (Cuadro 2). Valores altos de IY indican altos grados de insaturación en los ácidos grasos de los triglicéridos, que provoca el biodiesel elaborado a partir de ellos, una tendencia mayor a oxidarse y bajos números de cetano, lo que a su vez redunda en un biodiesel poco estable y de baja calidad de combustión en los motores diesel (^{Martínez-Valencia et al., 2011}). Por esa razón, la norma europea EN-14214 establece un límite superior para el IY de 120 g I₂ 100 g^-1. En ese sentido, los aceites de A. undulata y C. foetidissima, con 123.8 y 141.26 g I₂ 100 g^-1, respectivamente, podrían producir un biodiesel que no se ajusta a la norma. No obstante, aceites con IY alto pueden ser empleados en la fabricación de cosméticos por la facilidad de absorberse por la piel (^{Londoño et al., 2011}) o bien en la obtención de aceites alimenticios de alta calidad.

Por otro lado, bajos valores de IY indican una mayor presencia de ácidos grasos saturados y una menor presencia de poliinsaturados, lo que brinda mayor estabilidad al ser menos propensos a la oxidación y con mayores números de cetano; sin embargo, estos ácidos grasos saturados tienden a solidificar a temperaturas más altas, por lo cual su uso para biodiesel se debe restringir a regiones tropicales, ya que en regiones con climas fríos los motores diesel pueden presentar problemas de arranque (^{Martínez-Valencia et al., 2011}). Lo más deseable en los IY, es que presenten valores bajos, dado que esto permite una mayor estabilidad del aceite en almacenamiento (^{Martínez-Sánchez et al., 2015}).

Aceites con valores bajos se pueden también emplear en productos de higiene personal. El IY registrado para el aceite de la palma africana Elaeis guineensis es de 52.29 g I₂ 100 g^-1 (^{Calderón et al., 2013}) y de 53 a 57 g I₂ 100 g^-1 (^{Martínez-Valencia et al., 2011}).

No obstante, de acuerdo con ^{Gunstone et al. (2004)} alrededor de 82% del aceite E. guineensis son ácidos grasos saturados, por lo que tiende a solidificarse a bajas temperaturas, de ahí que se recomiende usar el biodiesel elaborado a partir de éste solo en climas cálidos. Se podría inferir que los aceites de Brassica sp., H. annuus, L. nepetifolia y X. strumarium, con IY de 29, 29, 31 y 23 g I₂ 100 g^-1, podrían producir un biodiesel con ese problema. Estos mismos autores señalan valores de 121-143, 96-117, 127-142, 96-101 y 85 g I₂ 100 g^-1, para los cultivos de soya, colza, girasol, piñón mexicano e higuerilla, respectivamente. Por su parte, ^{Armendáriz et al. (2015)} mencionan, para biodiesel producido a partir de R. communis, un IY de 85 g I₂ 100 g^-1, valores similares a los de B. odorata, C. ficifolia, E. sativa y S. molle.

Los índices de yodo (IY) obtenidos en los aceites de las especies estudiadas, por su grado de insaturación, se pueden considerar secantes, semi secantes y no secantes. Los secantes, por lo regular, son los que presentan un IY alto (^{Bailey, 1984}) y pueden ser empleados en la producción de pinturas y barnices. Para este fin se podrían utilizar los aceites de las especies C. foetidissima, J. dioica, D. inoxia, y P. louisianica ya que tienen IY de 141.26, 113.49, 114.95 y 116.65 g I₂ 100 g^-1, respectivamente. Dentro de los no secantes se encuentran los aceites de A. farnesiana, B. odorata, Brassica sp., C. ficifolia, E. sativa, H. annuus, L. nepetifolia, S. molle y X. strumarium. Estos aceites por sus características en condiciones de clima normales no solidifican. Como semisecantes se pueden considerar a A. undulata, A. mexicana, D. inoxia, J. dioica y P. louisianica, con características semejantes a aceites comerciales como el de ajonjolí y el de maíz (^{Ortega y Vázquez, 1993}).

Los peróxidos son conocidos como compuestos de la descomposición primaria de la oxidación de las grasas y aceites (^{Gómez, 2010}), por lo que aquellos valores de índice de peróxido (IP) cercanos a 0 meq kg^-1, se relacionan con un nivel de rancidez bajo; es decir, se oxidan lentamente permitiendo que el aceite conserve por más tiempo su calidad, dándoles una ventaja para su posible utilización posterior. Un valor alto de IP indica la presencia de oxidación; en este estudio los aceites de la mayoría de las especies vegetales estudiadas presentaron un IP menor a 1. De acuerdo con ^{Luna-Guevara y Guerrero-Beltrán (2012)} el IP y el IA son considerados indicadores de calidad y frescura de los aceites. Para aceite de palma africana se obtuvieron valores muy altos de peróxidos de 31.3 meq kg^-1 (^{Calderón et al., 2013}).

Espectrometría FTIR

En la Figura 4 se observa el espectro de los estándares de los ácidos grasos palmítico, oleico, linoleico y linolénico, determinado. De esta manera se confirmó el patrón de pureza de los estándares y permitió compararlos con las muestras de aceites de las especies estudiadas. Se observa, que el palmítico expresa en la huella dactilar siete picos ubicados en la región 1 187-1 319 cm^-1 que diferencian de los otros ácidos grasos los cuales no presentaron esos picos característicos.

Figura 4 Espectro de infrarrojo de los ácidos grasos utilizados como patrón. 

De acuerdo al espectro de los ácidos grasos y por comparación se detectaron los ácidos grasos presentes en cada una de las especies estudiadas. En el Cuadro 3 se aprecia una predominancia de los ácidos oleico y palmítico en la mayoría de las especies. En el caso de C. foetidissima, A. undulata y J. dioica se registraron los ácidos linoleico y linolénico, los cuales son importantes en la dieta ya que el cuerpo no los sintetiza, lo que les da un mayor valor agregado para su posible uso como aceites comestibles (^{Koolman and Röhm, 2004}).

Vale la pena destacar que el ácido graso oleico (mono insaturado), además de ser de los componentes mayoritarios de los principales aceites comestibles, puede contribuir a reducir los niveles de glucosa y colesterol en la sangre, así como reducir el riesgo de enfermedades cardiovasculares y la obesidad (^{Luna-Guevara y Guerrero-Beltrán, 2012}).