Caracterización química de aceites esenciales y extractos de madera de dos especies de pinos del bosque La Primavera

Chemical characterization of essential oils and wood extracts from two pine species of La Primavera forest

Rosa María Iñíguez Guillén¹, Hilda Catalina Esqueda Reyes¹, Teófilo Escoto García¹, Héctor Guillermo Ochoa¹, Antonio Rodríguez Rivas¹ y Héctor Jesús Contreras Quiñones¹

¹Departamento de Madera, Celulosa y Papel, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías. Universidad de Guadalajara. Correo e: hecont@gmail.com

Recibido el 30 de octubre de 2014
Aceptado el 1 de diciembre de 2014.

Resumen

En México los pinos constituyen el grupo de coníferas que sustenta la industria forestal, tanto en su aspecto maderable como no maderable; en este último sobresale el aprovechamiento de la resina. Se llevó a cabo la caracterización química de aceites esenciales y extractos de madera de Pinus devoniana y P. oocarpa, procedentes del bosque La Primavera, en el estado de Jalisco, mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (CG-EM). Los componentes mayoritarios (alfa y beta pinenos, limoneno y longifoleno) estuvieron presentes en todas las fracciones, aunque en proporciones diferentes. Destaca el alto contenido de pinenos en los extractos de madera de las especies estudiadas, aproximadamente 80 %, equivalente a casi 1 % de la madera seca. Asimismo, cada una de las fracciones tiene compuestos que les son propios; en cuanto a P. devoniana, su aceite esencial se caracteriza por el acetato de borneol y metileugenol; su extracto por contener pinocanfona, alfa-terpineno y acrilato de isobornilo. Respecto a P. oocarpa en su aceite esencial se identifica verbenol y algunos de sus derivados, así como (+)-ciclosativeno; su extracto tiene sabineno y anetol. El rendimiento del aceite esencial, con relación a la madera base seca fue de 0.25 % para P. devoniana y 0.32 % en P. oocarpa; los rendimientos de extractos resultaron semejantes en las dos especies, con un promedio de 1.24 %.

Palabras clave: Aceite esencial, caracterización química, cromatografía de gases (CG-EM), extractos, Pinus devoniana Lindl., Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl.

Abstract

In Mexico, pine trees constitute the group of conifers that sustain the forest industry due to both its timber and non-timber products; outstanding among the latter is the exploitation of resin. The chemical characterization of essential oils and wood extracts from Pinus devoniana and P. oocarpa of the La Primavera forest, in the state of Jalisco, was carried out by gas chromatography and mass spectrometry (GC/MS). The main components (alpha- and beta-pinenes, limonene and longifolene) were present in all the fractions, though in different proportions. The high content of pinenes in the wood extracts of the studied species stands out: approximately 80 %, equivalent to almost 1 % of the dry wood. Furthermore, each of the fractions has its own compounds. P. devoniana's essential oil is characterized by its content of borneol acetate and methyl eugenol, and its extract can contain pinocamphene, alpha terpinene and isobornyl acrylate. Verbenol and some of its by-products, as well as (+)-cyclosativene are identified in P. oocarpa's essential oil; its extract contains sabinene and anethole. The output of essential oil in relation to base dry wood was 0.25 % for P. devoniana and 0.32 % for P. oocarpa; the outputs of extracts were similar in both species, with an average of 1.24 %.

Introducción

Los pinos, con más de 100 especies todas originarias de los países del Hemisferio Norte (Farjon et al., 1997), están representados en México con alrededor de 70 taxa; dentro de los bosques de coníferas del país son los árboles más abundantes. Comúnmente crecen juntas de tres a cinco especies en un mismo bosque, y 12 estados tienen, al menos, 10 de ellas cada uno (Bermejo y Pontones, 1999); por lo que es el país con mayor diversidad de pinos en el mundo.

En el territorio nacional los pinares constituyen el grupo que sustenta la industria forestal y su madera, con todos los usos que implica, es el producto más importante que se obtiene de los pinos; aunque no es el único (Sánchez, 2008). Los denominados "compuestos extraíbles" conforman parte de lo no maderable de los árboles, y en los pinos se distribuyen en las células del parénquima y en los canales resiníferos (Björklund y Nilvebrant, 2009).

La extracción de la resina de pino se concentra en los estados de Michoacán, Estado de México y Jalisco, en donde es una actividad de gran importancia económica para diversas comunidades, ya que su recolección permite que los comuneros tengan una fuente de ingreso individual, adicional y complementaria a los provenientes del aprovechamiento de la madera, y de las actividades agrícolas y ganaderas (Arias y Chávez, 2006).

La resina de pino es una mezcla compleja de terpenos, lignanas, silbanas, flavonoides y otros compuestos aromáticos, grasas, ceras, ácidos grasos, alcoholes y esteroides, así como hidrocarburos de cadena larga. Los terpenos son compuestos volátiles que forman parte de los aceites esenciales, y son los responsables del olor característico del pino; representan una gran variedad de productos naturales, y se han identificado más de 7 500 estructuras (Fengel y Wegener, 1989). Tienen aplicaciones muy diversas, y gran demanda por parte de la industria química-farmacéutica, cosmética, textil y para la elaboración de artículos de limpieza (Bakkali et al., 2008; Raut y Karuppayil, 2014).

Así, para llevar a cabo un aprovechamiento integral de los recursos forestales es necesario contar con una caracterización química detallada de los extraíbles de los diferentes taxa (Kelkar et al., 2006). En el presente estudio el interés está centrado en la madera de pinos del Occidente de México; aclaración importante, pues el contenido y composición de los extraíbles varía entre las diferentes partes del árbol (xilema, raíces, corteza, ramas y hojas), especie, e incluso hay variaciones en función del sitio geográfico y la estación del año (Sjöström, 1993).

Materiales y Métodos

Los troncos se descortezaron con machete. Se tomaron diferentes muestras a todo lo largo, las cuales incluyeron albura y duramen (para garantizar la representatividad de los resultados) y enseguida se astillaron en un equipo Bruks Mekanika AB tipo 980 AH. El material obtenido se tamizó en un tamiz OY Lorentzen Wettre AB tipo FI 117, y se eligió el que quedó entre las mallas 3 y 4, del que se tomaron muestras para la determinación del contenido de humedad.

Se obtuvieron por duplicado los aceites esenciales de P. devoniana y P. oocarpa, mediante destilación de astillas de madera por arrastre de vapor en agua destilada, técnica usada para separar sustancias orgánicas insolubles en agua y ligeramente volátiles, de otras no volátiles presentes en la muestra (Graikou et al., 2012). Se usaron 1 000 g de astillas de madera, base húmeda, en un reactor conectado a un condensador recto con trampa de vapor; se dejó en ebullición alrededor de 4 a 5 horas. El aceite esencial obtenido se cuantificó y determinó el rendimiento, a partir de la relación entre la cantidad de aceite esencial con el material tratado, base seca. Este aceite se analizó directamente para determinar su composición química.

La obtención de extractos se llevó a cabo también por duplicado, mediante una extracción con solvente orgánico (éter etílico) (Holmbom, 1999); se utilizaron 500 g de astillas base húmeda, en un reactor de vidrio de boca ancha con tapa de vidrio de cuatro entradas, conectado a un condensador recto y trampa de vapor. El solvente inundó completamente las astillas, y se llevó el sistema a ebullición con una mantilla de calefacción con regulador; esta condición y reflujo se mantuvo por 5 horas. La mezcla extracto-solvente orgánico se separó con un Rotavapor RE120.

La determinación de la composición química de las fracciones se hizo mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC-MS), en un equipo Varian modelo 320 GC/MS/MS, de la Universidad de Santiago de Compostela, España; se empleó una columna DB-WAX de 30 m de longitud, 0.25 mm de diámetro interno y 0.25 mm de espesor de película. Debido a la presencia de compuestos de tipo volátil en las muestras analizadas, se trabajó con el modo de inyección Headspace, con una temperatura y tiempo de incubación de 80 °C y 30 min, respectivamente.

Las condiciones de operación del equipo fueron las siguientes: temperatura de la jeringa, 80 °C; impacto electrónico en modo de barrido completo, 40 a 350 uma; energía de electrones, 70 eV; presión de la fuente de iones, 12 mtorr; temperatura de la fuente de iones, 250 °C; temperatura de la línea de transferencia, 280 °C; gas de arrastre helio, flujo: 1 mL min^-1, split 1:50.

Los programas computacionales del equipo muestran los espectros de masas de cada compuesto, e indican su tiempo de retención, y las mejores tres correlaciones con los espectros almacenados en la base de datos del sistema de análisis. Estas bases de datos son Wiley Registry of Mass Spectral Data 9th Edition (McLafferty, 2009) y una colección de Aromas de la Universidad de Santiago de Compostela, España. Las tres mejores correlaciones son propuestas sobre la identidad del compuesto, no son asignaciones, por lo que deben revisarse cuidadosamente; para ello se cotejaron, además, los espectros de masas con la espectróteca computarizada The Mass Spectral Search Program, versión 2.0f (NIST, 2009), reconocida y muy utilizada para esas actividades.

Resultados y Discusión

Se tuvo un rendimiento de 0.25 %, respecto al material base seca; valor que se considera dentro de los intervalos normales para este tipo de materiales (Callaham, 1956; Judzentienè et al., 2006).

En la Figura 1 se muestra el cromatograma del aceite esencial de Pinus devoniana, a un intervalo de tiempo de 0.13 a 61.07 minutos. Se tiene una gran variedad de picos; sobresalen los de 4.130 y 6.148 minutos; el primero corresponde alfa-pineno, uno de los principales componentes de los extraíbles de pino (Fengel y Wegener, 1989). En el Cuadro 1 se consignan los compuestos identificados en esta fracción, ordenados por abundancia y con su número de identificación CAS, pues cada uno de ellos puede tener hasta 10 sinónimos.

Figura 1.Cromatograma de aceite esencial de madera de Pinus devoniana Lindl., intervalo total de 0 a 62 min.
Figure 1.Chromatogram of Pinus devoniana Lindl. wood essential oil, total interval – 0 to 62 min.

Cuadro 1. Compuestos presentes en el aceite esencial de madera de Pinus devoniana Lindl.
Table 1. Compounds present in the Pinus devoniana Lindl. wood essential oil.
]]> CAS = Identificación numérica única para compuestos químicos, Chemical Abstracts Services.
CAS = Unique numerical identification for chemical compounds, Chemical Abstracts Services.

El componente mayoritario es el alfa-pineno, con casi 43 % del aceite esencial, además se identificó el beta-pineno, con un contenido importante, pero menor al alfa-pineno (Adams, 2007). Estos dos isómeros del pineno conforman casi 80 % del aceite esencial de pino. En las regiones dominadas por coníferas, los monoterpenos son el compuesto mayoritario en la emisión de los compuestos orgánicos volátiles biogenéticos, y son los responsables de aproximadamente 10 % de la emisión de los monoterpenos a nivel mundial (Amin et al., 2013). Otros pinos, cuyo componente principal es el alfa-pineno son P. nigra (45.36 %), y P. halepensis (47.09 %) 2010), valores muy parecidos al obtenido para P. devoniana.

También destacan limoneno, estragol, longifoleno, mirceno, L-alfa-terpineol, canfeno y 4-terpineol, compuestos representativos de los extraíbles de pino aunque en menores cantidades (Ro, 2011). El tercer compuesto más abundante es el limoneno, con 3.908 %, característico de los pinos mexicanos (Mirov, 1954); llama la atención la presencia de 3-(4-metil-3-pentenil)-furano, que parece ser producto de la reacción de algunos de los componentes del aceite esencial con el solvente. Un compuesto que solo aparece en el aceite esencial de P. devoniana, es el acetato de borneol (compuesto número 25 en el Cuadro 1); Pinus peuce Griseb. posee un compuesto semejante, en el que se ha identificado acetato de bornilo (Koukos et al., 2000).

Caracterización del extracto de madera de Pinus devoniana

En la Figura 2 sobresalen los picos que corresponden a 1.473 y 4.099 minutos.

Figura 2. Cromatograma de extracto de madera de Pinus devoniana Lindl., intervalo total de 0 a 62 min.
Figure 2. Chromatogram of Pinus devoniana Lindl. wood extract, total interval 0 to 62 min.

Cuadro 2. Compuestos presentes en el extracto de madera de Pinus devoniana Lindl.
Table 2. Compounds present in the Pinus devoniana Lindl. wood extract.

CAS = Identificación numérica única para compuestos químicos, Chemical Abstracts Services.
CAS = Unique numerical identification for chemical compounds, Chemical Abstracts Services.

El contenido de alfa y beta pinenos es alto, lo que hace a la madera del P. devoniana una buena fuente de estos compuestos, juntos y por sí solos representan alrededor de 82 % con un rendimiento de 1.27 %; es decir, casi 1 % de la madera seca. En cuanto al rendimiento de extraíbles en solvente orgánico, en los pinos es muy variable; Fengel y Wegener (1989) indican que se pueden tener valores de 0.5 hasta 10 % en extracciones con etanol-benceno, según la especie. Backlund et al. (2014) obtuvieron rendimientos de extractos 0.5 a 3.5 %, en Pinus contorta Douglas, en una plantación, con hexano como solvente. El valor aquí documentado está dentro de lo normal para extraíbles de pino.

Respecto a los otros compuestos, sobresalen el limoneno, canfeno, mirceno y longifoleno, sustancias también presentes en el aceite esencial. En contraste, hay tres compuestos del extracto de madera que no se identificaron en el aceite esencial: bornileno, alfa-felandreno, alfa y gama terpinenos; los cuales constituyen alrededor de 0.2 % del extracto, los que se han citado para otras especies. Latta et al. (2000) indican que además del alfa y beta pinenos, el limoneno y mirceno son los más abundantes en Pinus ponderosa Douglas ex C.Lawson; además hay cantidades detectables de canfeno, gama terpineno y beta-felandreno.

Es importante enfatizar que los compuestos comunes en las diferentes fracciones, así como los que son únicos, y la presencia de ciertas sustancias, o incluso de sus isómeros indican el tipo de pino, y si está siendo atacado por insectos (Seybold et al., 2006), hongos (Krauze–Baranowska et al., 2002; Amri et al., 2012), o bien se trata de una respuesta a la contaminación ambiental (Shpak et al., 2007; Kupcinskiene et al., 2008).

En la Figura 3 se observa una gran variedad de picos, sobresalen los de 4.130 y 6.148 minutos. Los más prominentes corresponden a tiempos de retención de 4.232 y 4.229 minutos. Al igual que en el aceite esencial de P. devoniana pertenece al alfa-pineno, componente mayoritario del aceite esencial, con 72.85 % (Cuadro 3). Es el más alto de las tres muestras estudiadas; en los casos anteriores la mezcla de alfa y beta pineno era alrededor de 80 %, mientras que en P. oocarpa es superior a 70 %. Resultado interesante, si se considera que los terpenoides no solo son los compuestos que dan el olor característico a los pinos, sino que también tienen propiedades biológicas (Raut y Karuppayil, 2014).

Figura 3. Cromatograma de aceite esencial de madera de Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl., intervalo total de 0 a 62 min.
Figure 3. Chromatogram of Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl wood essential oil, total interval 0 to 62 min.

Cuadro 3. Compuestos presentes en el aceite esencial de madera de Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl.
Table 3. Compounds present in the Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl wood essential oil.
]]> CAS = Identificación numérica única para compuestos químicos, Chemical Abstracts Services.
CAS = Unique numerical identification for chemical compounds, Chemical Abstracts Services.

En dos aspectos se tuvo un comportamiento diferente a P. devoniana. En primer lugar, un rendimiento ligeramente mayor de 0.32 % con respecto al peso de las astillas base seca, que sigue estando en concordancia por lo señalado en la literatura; Krauze-Baranowska et al. (2002) obtuvieron valores de 0.3 % para Pinus ponderosa, y 0.4 % en P. strobus. En segundo lugar, aunque el alfa-pineno es el componente mayoritario, el segundo es el L-limoneno, con 7.4 %; evidentemente, si se desea la obtención de limoneno para aplicaciones industriales, P. oocarpa será una mejor elección.

Se identificaron concentraciones importantes de longifoleno, estragol, canfeno, mirceno, tricicleno, longicicleno y deshidrosabineno; es decir, contiene casi todos los compuestos del aceite esencial de P. devoniana, aunque en proporciones diferentes, y una sustancia única, el deshidro-p-cimeno.

Caracterización del extracto de madera de Pinus oocarpa

En la Figura 4 se observa una gran variedad de picos, resalta el de 1.480 minutos que corresponde al solvente utilizado en la extracción, éter etílico, del que se tiene una gran cantidad, 65 %. Como en P. devoniana, del total del extracto obtenido se consideró que 65 % era solvente, con lo que el rendimiento corregido fue de 1.21 %, muy parecido al extracto de madera de P. devoniana. Las concentraciones anotadas en el Cuadro 4 también se corrigieron para expresar la concentración de los compuestos en porcentaje con respecto a la madera seca.

Figura 4. Cromatograma de extracto de madera de Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl., intervalo total de 0 a 62 min.
Figure 4. Chromatogram Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl wood extract, total interval 0 to 62 min.

Cuadro 4. Compuestos presentes en el extracto de madera de Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl.
Table 4. Compounds present in the Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl wood extract.

CAS = Identificación numérica única para compuestos químicos, Chemical Abstracts Services.
CAS = Unique numerical identification for chemical compounds, Chemical Abstracts Services.

El compuesto con mayor cantidad fue el alfa-pineno (64.5 %). Le sigue el beta-pineno, ambas sustancias representan 81 % del extracto de madera, con un rendimiento, de casi 1% de la madera, base seca. Es un buen contenido, por lo que esta especie es una buena fuente de esos terpenos.

Los otros componentes mayoritarios del extracto de madera de P. oocarpa son el o-cimeno, longifoleno, L-limoneno, mircenol, terpinoleno, alfa-tujeno, sabineno y canfeno. El extracto tuvo la naturaleza química que se esperaba, y los compuestos no identificados en el aceite esencial fueron anetol, un derivado del limoneno; el cis-óxido de limoneno; sabineno y verbeneno.

En comparación con el extracto de P. devoniana, su contenido fue casi 5 % más de alfa-pineno, diferencia menor en comparación con los aceites esenciales de estos pinos. Algunas de sus diferencias son sutiles, con alguna forma isomérica de compuestos; por ejemplo, el extracto de P. devoniana tiene alfa-felandreno, mientras que el de P. oocarpa alfa-felandren-8-ol.

Comparación de los aceites esenciales y extractos de P. devoniana y P. oocarpa

Además de los omnipresentes alfa y beta pineno hay siete compuestos en todas las muestras, la mayoría en las concentraciones más altas: limoneno, o-cimeno, canfeno, mirceno, alfa-longipineno, longifoleno y beta-felandreno. Entre ellos, el limoneno ha adquirido una singular importancia en años recientes, debido a su demanda como disolvente biodegradable e industrial. También tiene aplicaciones como componente aromático y es ampliamente usado para sintetizar nuevos compuestos (Kerton y Marriott, 2009).

Por otro lado, hay compuestos que solo se identificaron en una de las fracciones estudiadas. En cuanto a P. devoniana, su aceite esencial se caracteriza por la presencia de acetato de borneol y metil-eugenol; su extracto por contener pinocanfona, alfa-terpineno y acrilato de isobornilo. Respecto a P. oocarpa su aceite esencial contiene verbenol y algunos de sus derivados, así como (+)-ciclosativeno; y su extracto sabineno y anetol.

En las especies de pinos estudiadas el componente mayoritario es el alfa-pineno, mientras que en otras especies, como Pinus brutia Ten. es el beta-pineno; en P. pinea y en Pinus heldreichii Christ es el limoneno (Tumen et al., 2010; Graikou et al., 2012).

Conclusiones

La caracterización de los aceites esenciales y extractos de Pinus devoniana y P. oocarpa proporcionan un perfil químico que permite distinguir entre ambas especies. Aunque el alfa-pineno es el componente mayoritario en las dos especies, su contenido es significativamente desigual de 43 % (aceite esencial de P. devoniana) a casi 73 % (aceite esencial de P. oocarpa). Las diferencias también implican compuestos que solo aparecen en alguna de las dos fracciones, como el acetato de borneol (aceite esencial de P. devoniana), bornileno, alfa-terpineno y alfa-felandreno (extracto de P. devoniana), deshidro-p-cimeno (aceite esencial de P. oocarpa), anetol, cis-óxido de limoneno, sabineno y verbeneno (extracto de P. oocarpa).

El limoneno, mirceno, canfeno, o-cimeno, longifoleno, alfa-longipineno y beta-felandreno se identifican en todas las fracciones de ambas especies. Estos, junto con sus proporciones complementan el perfil químico de Pinus devoniana y P. oocarpa, y más específicamente, a sus individuos ubicados en el Occidente de México.

Así, se ha generado información útil para un aprovechamiento integral de los pinos estudiados, específicamente en lo que se refiere a la parte no maderable. Los cuadros con los componentes presentes en los aceites esenciales y extractos de la madera de Pinus devoniana y P. oocarpa, así como su contenido, sin duda son de gran valor para plantear un esquema de explotación. A simple vista destaca el alto contenido de pinenos en los extractos, aproximadamente 80 %, equivalente a casi 1 % de la madera seca.

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Contribución por autor

Rosa María Iñíguez Guillén: obtención de aceites esenciales y de extractos de Pinus devoniana, cálculos, redacción y corrección del documento; Hilda Catalina Esqueda Reyes: obtención de aceites esenciales y de extractos de Pinus oocarpa, cálculos, redacción y corrección del documento; Teófilo Escoto García: asesoría, preparación de la madera para extracción, revisión y corrección de cálculos; Héctor Guillermo Ochoa: diseño de tamaño experimental, revisión de resultados experimentales, redacción y corrección del documento; Antonio Rodríguez Rivas: selección, corte y transporte de Pinus devoniana y Pinus oocarpa, redacción y corrección del manuscrito; Héctor Jesús Contreras Quiñones: diseño de trabajo experimental, asesoría y revisión de resultados experimentales, redacción y corrección del documento.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Secretaría de Educación Pública, que mediante el Programa para el Fortalecimiento de los Cuerpos Académicos de PROMEP, apoyó el proyecto: Diagnóstico y manejo de plantaciones forestales de pino en fase latizal: protección y estudios preliminares para un aprovechamiento integral (Clave CA-193).

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