Identificación de especies vegetales con potencial para la producción de biocombustibles líquidos en Durango, México*

Identification of plant species with potential use in liquid biofuels production in Durango, Mexico

Fanny Olivia Reveles Saucedo¹, Rigoberto Rosales Serna^2§, Cynthia Adriana Nava Berúmen², Efrén Delgado Licón³, Evenor Idilio Cuéllar Robles², Francisco Óscar Carrete Carreón¹ y Julio César Ríos Saucedo²

¹ Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia. Universidad Juárez del Estado de Durango. UJED. Carretera Durango-El Mezquital, km 11.5. C. P. 34170. Durango, México. Tel. 01 618 8189932 y 8100703. (fannyors@yahoo.com.mx), (focc1928mx@yahoo.com.mx).

³ Posgrado en Ingeniería Bioquímica. Instituto Tecnológico de Durango. Boulevard Felipe Pescador 1830 Ote. C. P. 34000. Durango, México. Tel. 01 618 8186936. Ext. 105. (edelgad@itdposgrado-bioquimica.com.mx).

* Recibido: enero de 2009
Aceptado: febrero de 2010

Resumen

En México se requieren materias primas para producir biocombustibles sin competir con la producción de alimentos. El objetivo fue identificar especies vegetales con potencial para producir biocombustibles líquidos en el estado de Durango, México. Se colectaron 56 muestras aleatorias de tubérculos, tallos, frutos, semillas, exudados y jugo de plantas silvestres y cultivadas. Se obtuvo el análisis químico proximal para evaluar contenido de grasa, extracto libre de nitrógeno (carbohidratos solubles) y proteínas. En las especies, mezquite (Prosopis laevigata) y sorgo dulce (Sorghum bicolor), seleccionadas para producir etanol, se determinaron los azúcares reductores totales y °Bx. Para elaborar etanol, se disolvió harina de mezquite y se obtuvo jugo de sorgo dulce para fermentarlos con Saccharomyces cerevisiae. Se obtuvieron diferencias altamente significativas (p<0.01) entre especies para el contenido de grasa, extracto libre de nitrógeno y proteína. Las especies seleccionadas para la producción de biodiesel por su alto contenido de grasa fueron chicalote (Argemone spp.) (39.8% ± 0.02) e higuerilla (Ricinus communis) M2 (38.2% ± 2.9). El extracto libre de nitrógeno más alto se observó en la goma de mezquite (92.4% ± 0.3) y tubérculos de camote (Ipomoea batatas) M1 (86.0% ± 0.3) y M2 (84.8% ± 0.1) y calabacilla loca (Cucurbita foetidissima) (80.5% ± 0.2). Para la producción de etanol se seleccionaron las especies de mayor disponibilidad y que mostraron el rendimiento de alcohol más alto, que fueron sorgo dulce (42% ± 4) y vainas de mezquite (20% ± 0.5). El contenido de proteína más alto se observó en semillas de calabaza (Cucurbita spp.) M2 (32.6% ± 0.3) y M1 (30.4% ± 0.2), calabacilla loca (28.7% ± 0.2) y frutos de trueno (Ligustrum spp.) (24.5% ± 0.3). Existen materias primas que pueden utilizarse para producir biocombustibles sin comprometer cultivos básicos para la alimentación.

Palabras clave: agroindustria, biocombustibles, insumos.

In Mexico alternative plant material is needed for the biofuels industry in order to avoid the use of human food crops. The objective was to identify plant species with potential use in liquid biofuels production in the state of Durango, Mexico. Fifty six random samples were taken for tubercles, stalks, fruits, seeds, exudates and juice of wild and cultivated plants. Proximate analysis were performed to evaluate fat, nitrogen-free extract (water soluble carbohydrates) and protein content. Total reducing sugars content and °Bx were also determined in species intended for ethanol production such as mesquite (Prosopis laevigata) and sweet sorghum (Sorghum bicolor). For ethanol production water dissolved mesquite pod-flour and sweet sorghum juice were fermented using Saccharomyces cerevisiae. Highly significant (p<0.01) differences were observed among species for fat, nitrogen-free extract and protein. Species selected for biodiesel production using higher fat content as selection criterion were mexican prickly poppy (Argemone spp.) (39.8% ± 0.02) and castor bean (Ricinus communis) M2 (38.2% ± 2.9). Highest nitrogen-free extracts were observed in mesquite gum (92.4% ± 0.3) and tubercles of sweet potato (Ipomoea batatas) M1 (86.0% ± 0.3) y M2 (84.8% ± 0.1) and buffalo gourd (Cucurbita foetidissima) (80.5% ± 0.2). For ethanol production plant species were selected according to its availability and higher alcohol yield, such as sweet sorghum (42% ± 4) and mesquite (20% ± 0.5). Highest protein content was observed in pumpkin seeds (Cucurbita spp.) M2 (32.6% ± 0.3) and M1 (30.4% ± 0.2), buffalo gourd (28.7% ± 0.2) and privet fruits (Ligustrum spp.) (24.5% ± 0.3). There are alternative plants that can be used for biofuels production avoiding the utilization of food crops.

Key words: agro-industry, biofuels, inputs.

INTRODUCCIÓN

En la actualidad existe la tendencia para producir biocombustibles líquidos, como etanol y biodiesel, que complementen el uso de combustibles fósiles. También se busca reducir la contaminación ambiental y el calentamiento global, provocados principalmente por el incremento en la concentración atmosférica de los gases con efecto invernadero como son dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄) y óxido nitroso (N₂O) (Reay, 2007). Los valores actuales y tasa de crecimiento para los gases de efecto invernadero son: CO₂ 335 ppm y 0.5%; metano 1.72 ppm y 0.9% y N₂O 310 ppmm y 0.8%. Se considera que de continuar la acumulación de gases de efecto invernadero la temperatura global se incrementará a un ritmo de 0.004 a 0.008 °C anuales, por lo que en 2 100 se acumulará un aumento entre 1 y 6 °C; el cambio en la temperatura global provocará cambios en la frecuencia, cantidad y distribución de la lluvia; incrementos en la evaporación y la sequía; derretimiento de nieve, hielo marino y capas de hielo; cambios de las corrientes oceánicas e inundaciones provocadas por el aumento en el nivel del mar de 15 a 95 cm (Vargas y Leo, 2003).

En México, el gobierno federal promueve la elaboración de biocombustibles sin descuidar la seguridad alimentaria y el aprovechamiento eficiente de la materia prima derivada de las actividades agrícolas, forestales y pecuarias; así como aquella derivada de algas y procesos enzimáticos y biotecnológicos (DOF, 2008). La conservación de la biodiversidad y el uso eficiente del agua y suelo también deben considerarse en la obtención de materia prima para la producción de biocombustibles (Ganduglia, 2008; Keeney y Nanninga, 2008). Es necesario identificar especies vegetales que muestren potencial para producir biodiesel y etanol, con lo cual se evitará el uso de cultivos básicos para la alimentación humana en la industria de los biocombustibles, tal como se estipula en la ley de bioenergéticos (DOF, 2008).

México es un país muy diverso, donde es posible encontrar especies vegetales endémicas e introducidas que pueden utilizarse en la producción de biocombustibles. En la actualidad varias especies ruderales, arvenses, ornamentales y cultivadas son subutilizadas debido al desconocimiento de los componentes químicos de sus órganos. El uso integral y sustentable de las plantas puede incrementar los ingresos obtenidos por los agricultores en áreas marginales del Altiplano Semiárido de México. Varias especies de plantas arvenses y ruderales como el chicalote (Argemone spp.), lampote (Tithonia spp.), calabacilla loca (Cucurbita foetidissima) y cuernitos (Proboscidea louisianica) producen semillas y tubérculos (calabacilla loca) que pueden utilizarse en la industria de los biocombustibles.

Las plantas arvenses y ruderales representan una fuente importante de grasas vegetales y carbohidratos solubles que pueden ser utilizados en la producción de biodiesel y etanol. El mezquite [Prosopis laevigata (Humb. & Bonpl. ex Willd.) M. C. Johnst.] es una planta prominente en amplias áreas del Altiplano de México (INE, 1994; Rodríguez y Maldonado, 1996; López et al., 2006), la cual cumple con una importante función ecológica y tiene usos múltiples (Rodríguez y Maldonado, 1996; Golubov et al., 2001; Bakewell-Stone, 2006). Las poblaciones naturales de mezquite también pueden ser utilizadas como alimento de animales domésticos, extracción de proteína y producción de etanol (Merlín et al., 2007; Rosales et al., 2008b; Rosales et al., 2008c).

La selección individual practicada por los agricultores con base en la dulzura ha incrementado el contenido de carbohidratos solubles en las vainas de mezquite (Merlín et al., 2007) y tallos de algunas poblaciones criollas de sorgo dulce del estado de Durango [Sorghum bicolor (L.) Moench] conocidas localmente como "cañas" (Rosales et al., 2008a). Los individuos y poblaciones seleccionadas para estas especies muestran adaptación en condiciones de sequía y pueden reproducirse para incrementar el área cultivada y la calidad de los órganos de la planta que serán utilizados como materia prima en la producción de biocombustibles. El exudado del mezquite (goma) debe ser analizado para evaluar su utilidad como materia prima en la elaboración de etanol. Algunas plantas ornamentales como la lila (Melia azedarach) y trueno (Ligustrum spp.), producen frutos que son comúnmente desperdiciados; por lo tanto, el objetivo fue identificar especies vegetales que muestren potencial para producir biocombustibles en Durango, sin utilizar productos agrícolas importantes en el consumo humano.

MATERIALES Y MÉTODOS

Recolección de muestras

Se colectaron de manera aleatoria 56 muestras vegetales en el estado de Durango, México, de acuerdo con los órganos y subproductos de interés como son tubérculos, tallos, frutos, semillas, goma y jugo (Cuadro 1).

El tamaño de la muestra varió entre 1 kg para semillas y goma, hasta 30 kg para vainas de mezquite; en el muestreo se incluyeron especies arvenses como son aceitilla (Bidens spp.), lampote (Tithonia spp.), chicalote (Argemone spp.), frutos de plantas semi-domesticadas como el mezquite (Prosopis laevigata) y ornamentales como la lila (Melia azedarach) y trueno (Ligustrum spp.). Se incluyeron también semillas de plantas cultivadas como el girasol (Helianthus annuus cv. M91), maíz (Zea mays cv. Cafime) y frijol (Phaseolus vulgaris cv. Pinto Saltillo). Se evaluaron subproductos vegetales como la goma del mezquite, jugo de sorgo dulce y tubérculos de calabacilla loca (Cucurbita foetidissima), jícama (Pachyrhizus erosus) y camote (Ipomoea batatas). Las muestras fueron colectadas durante la maduración de los frutos y semillas durante 2007 y 2008.

Análisis proximal

Se realizó el análisis proximal para determinar el contenido de cenizas, grasa cruda, fibra cruda, proteína cruda y extracto libre de nitrógeno. La cantidad de cenizas se cuantificó mediante la incineración de una submuestra a 550 °C. El contenido de grasa se midió por el método de extracción continua en el aparato Soxhlet con éter de petróleo (AOAC, 1990). La fibra cruda fue determinada después de digerir las submuestras, libres de grasa, en soluciones de ácido sulfúrico concentrado (97.2%) e hidróxido de sodio (40%) y luego de la calcinación de los residuos (AOAC, 1990). El contenido de proteína fue determinado mediante el método microKjeldahl, multiplicando el valor de nitrógeno total por el factor de 6.25 (AOAC, 1990). El extracto libre de nitrógeno (carbohidratos solubles) se determinó mediante la sustracción, con respecto al 100%, de las fracciones: proteína, cenizas, extracto etéreo y fibra cruda, expresadas en base seca. La fibra detergente neutro fue determinada mediante el método descrito por Goering y van Soest (1991).

Perfil de ácidos grasos

En cuatro de las especies seleccionadas para la extracción de grasa (chicalote, higuerilla, calabacilla loca y girasol) se evaluó el perfil de ácidos grasos mediante cromatografía de gases de alta resolución (Erwin et al., 1961). Se utilizó un aparato Hewlett Packard 3890, con una columna capilar HP-Inowax de 30 m, 0.32 mm de diámetro interno, 25 µm de espesor en la película interna, detector de ionización de flama (FID) y con un flujo de 40 mL min-1 para el hidrógeno y 400 mL min^–1 para el aire. El gas de acarreo fue nitrógeno con un flujo constante de 1.8 mL min^–1, en la proporción de muestra útil a descarte 1:90. La temperatura del inyector fue de 240 °C, para el detector 250 °C y en el horno rampa se inició el proceso con una temperatura de 50 °C sostenida durante un minuto y luego se incrementó la temperatura 25 °C min^–1 hasta alcanzar 200 °C. Como estándares se utilizaron esteres metílicos de aceite de soya (Sigma Chemical Co., St Louis MO).

Preparación del mosto

El mosto de mezquite se preparó disolviendo 500 g de harina de vainas en 1 L de agua destilada (50% v/v) a 65 °C. El mosto de sorgo se preparó usando 5 L de jugo obtenido de tallos de la variedad criolla TOM2 cultivada en el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) Durango, durante 2008. Después de la extracción del jugo, éste se mantuvo a una temperatura de 4 °C hasta el inicio del proceso de fermentación. Antes de iniciar y al término del proceso de fermentación se midieron los °Bx en ambos mostos usando el refractómetro Vee Gee y se determinó el contenido de azúcares reductores totales mediante la prueba de Fehling (Onwukaeme et al., 2007).

Proceso de fermentación y destilación

El proceso de fermentación se inició en ambos mostos agregando 2 g L^–1 de una cepa de levadura Saccharomyces cerevisae (TradiPan^®), se agitó durante un periodo de 3 min y se incubó a 32 ºC hasta que el contenido de azúcares reductores totales llegó a 2%. Se destilaron dos muestras de 1 L obtenidas del líquido resultante del proceso de fermentación. El equipo de destilación consistió de un matraz esférico y un condensador enfriado por agua reciclada con una bomba eléctrica. El proceso de destilación se desarrolló hasta que se obtuvieron dos muestras de 100 mL y después se registraron las lecturas de alcohol (% v/v) a una temperatura de 20 °C usando una probeta graduada y alcoholímetro.

Análisis estadístico

Se realizó un análisis de varianza en bloques completos al azar con 56 especies y dos repeticiones; la prueba de comparación de medias se obtuvo con la diferencia mínima significativa (DMS0.05). En la elaboración de gráficas se calculó el error estándar de la media para las evaluaciones de todas las muestras usando las lecturas por duplicado obtenidas en el análisis proximal (grasa, extracto libre de nitrógeno y proteína), azúcares reductores totales, °Bx y contenido de alcohol.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El análisis de varianza detectó diferencias altamente significativas (p<0.01) entre especies para el contenido de grasa, proteína y extracto libre de nitrógeno (Cuadro 2). El contenido más alto de grasa fue observado en el chicalote (39.8% ± 0.02), que resultó significativamente superior al de girasol cv. M91 (28.4% ± 0.5) que se usó como testigo (Figura 1, Cuadro 3). Estos resultados concuerdan con reportes anteriores en los que se demostró el contenido alto de aceite en chicalote (400 g kg-1) de la especie Argemone mexicana (Mayworm et al., 1998). La higuerilla colectada en Las Mercedes, Cuencamé, Durango. M1 registró un contenido de grasa de 38.2% ± 2.9 y la obtenida en Durango M2 38 % ± 1.9. Estos valores fueron inferiores a los reportados por otros autores que obtuvieron semilla de higuerilla con contenidos de grasa entre 45-55% (Ocrospoma, 2008). Otras especies silvestres con contenido alto de grasa fueron los cuernitos (37.5% ± 0.4), calabacilla loca (27.6% ± 0.4) y lampote 3 (22.5% ± 0.5).

Con base en el contenido alto de aceite se seleccionaron las especies chicalote, higuerilla, cuernitos y calabacilla loca, para la producción de biodiesel. El chicalote es una especie arvense adaptada a la sequía y temperaturas bajas del invierno, la cual crece en terrenos en descanso después de la cosecha de frijol y otros cultivos en Durango (González et al., 2004). La higuerilla es una especie introducida que muestra adaptación en canales permanentes de riego y jardines. Los cuernitos es otra planta arvense que crece en áreas perturbadas de la vegetación en Durango, aunque su disponibilidad baja hace que sea poco recomendable para producir biodiesel. La calabacilla loca es una planta ruderal, que crece en las orillas de los caminos y canales de riego y produce numerosos frutos que son considerados como un desperdicio por el olor desagradable que emiten.

La calidad nutrimental de los productos de bovinos puede mejorarse con los residuos de las especies seleccionadas para la extracción de aceite para biodiesel, si se considera el ácido linoleico conjugado que se genera en el rumen a partir de alimentos ricos en este compuesto. El ácido linoleico conjugado se obtiene para la nutrición humana durante la digestión de la carne y productos lácticos, se considera como un componente dietético importante para el control del cáncer, diabetes y obesidad (Khanal y Olson, 2004). A pesar de los resultados obtenidos, es necesario evaluar la presencia y métodos de eliminación de los compuestos tóxicos y antinutrimentales contenidos en chicalote, higuerilla y calabacilla loca.

El extracto libre de nitrógeno (carbohidratos solubles) más alto se observó en la goma de mezquite (92.4% ± 0.3) (Figura 2; Cuadro 3), seguida del tubérculo de camote rojo (M1) (86% ± 0.3) y amarillo (M2) (84.8% ± 0.1), calabacilla loca (80.5% ± 0.2) y jícama (73.4% ± 0.1). La mayoría de estas especies superaron significativamente al maíz, incluido como testigo (70.8% ± 0.5). Aunque la goma de mezquite mostró un contenido alto para el extracto libre de nitrógeno, registró también un nivel bajo de azúcares reductores totales (5%), por lo cual se omitió su fermentación para la producción de biocombustibles (etanol). Las vainas de mezquite y sorgo dulce fueron utilizadas para establecer el rendimiento de etanol, debido a su disponibilidad de materia prima y contenido alto de azúcar. La muestra 1 de vainas de mezquite utilizada en la fermentación, mostró valores altos para el extracto libre de nitrógeno (56.8% ± 0.3), 7.5 °Bx y azúcares reductores totales de 7.4%. El sorgo dulce cv. TOM2 mostró 13 °Bx y 10.6% para los azúcares reductores totales. Después de la fermentación y destilación se observó que el rendimiento de etanol alcanzó el 42% ± 4 v/v para sorgo dulce y 20% ± 0.5 v/v en el mezquite.

El contenido más alto de proteína fue observado en las semillas de calabaza (Cucurbita spp.) "de Castilla" M2 (32.6% ± 0.3) y M1 (30.4% ± 0.2) (Figura 3). Otras especies con alto contenido de proteína en las semillas fueron la calabacilla loca (28.7% ± 0.2) y trueno (24.5% ± 0.3) que superaron significativamente al frijol (Phaseolus vulgaris cv. Pinto Saltillo) usado como testigo (17.5% ± 0.1). Los resultados demostraron que existen o pciones múltiples en Durango que pueden utilizarse en la obtención de materia prima para biocombustibles y obtener beneficios adicionales utilizando los residuos de la extracción de grasas y carbohidratos solubles, los cuales pueden servir como ingredientes proteicos en la elaboración de alimentos procesados para animales domésticos eliminando sus factores antinutricionales.

CONCLUSIONES

Se identificaron poblaciones, variedades e individuos de diferentes especies de plantas adaptadas en Durango, para la obtención de materia prima suficiente en la producción de biocombustibles líquidos, como etanol y biodiesel. Se observó variabilidad para el contenido de grasa, extracto libre de nitrógeno y proteínas.

La higuerilla y chicalote pueden ser utilizadas en la producción de biodiesel. Las vainas de mezquite y el sorgo dulce fueron utilizadas con éxito para producir etanol usando levadura comercial. La calabacilla loca puede utilizarse para la extracción de grasa, carbohidratos y proteína.

AGRADECIMIENTOS

LITERATURA CITADA

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