DOI: http://dx.doi.org/10.21930/rcta.vol17_num3_art:514

Artículo de investigación

Caracterización composicional del fruto de 15 variedades de Jatropha curcas L. en el departamento del Tolima, Colombia

Compositional Fruit Characterization of 15 Varieties of Jatropha curcas L. in the Department of Tolima, Colombia

Caracterização composicional do fruto de 15 variedades de Jatropha curcas L. no departamento do Tolima, Colômbia

Luis Fernando Campuzano-Duque,¹ Luis Alberto Ríos,² Fernando Cardeño-López³

¹ PhD, Colegio de Postgraduados y Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo. Investigador PhD, Corpoica. Villavicencio, Colombia. lcampuzano@corpoica.org.co
² PhD, Universidad Técnica de Aachen. Investigador PhD, Universidad de Antioquia. Medellín, Colombia. larios@udea.edu.co
³ Msc, Universidad de Antioquia. Investigador, Universidad de Antioquia. Medellín, Colombia. fernando.cardeno@udea.edu.co

Para citar este artículo: Campuzano-Duque LF, Ríos LA, Cardeño-López F. Caracterización composicional del fruto de 15 variedades de Jatropha curcas L. en el departamento del Tolima, Colombia. Corpoica Cienc Tecnol Agropecuaria. 17(3): 379-390

Resumen

Jatropha curcas L. (JCL) es una planta tropical en proceso de domesticación con uso multipropósito, principalmente, para biodiésel. La caracterización del fruto permitirá reconocer el aprovechamiento del aceite para la sustitución de la energía fósil y el potencial uso de los otros componentes. Por esta razón, se realizó la valoración e identificación de los componentes del fruto y sus posibles usos en un experimento ubicado en el Tolima (Colombia). Se utilizó un diseño de bloques completos al azar, con 15 variedades y 3 repeticiones, mediante el uso de una unidad experimental de 20 plantas establecidas con una distancia de siembra de 3 x 2 m. La valoración del fruto mostró seis componentes: pulpa, semilla, cascarilla, almendra, torta y aceite.

La participación de cada componente fue la siguiente: pulpa 73,9% y semilla 26,1%. La pulpa presentó nitrógeno (1,1%) y potasio (9,7%), además de elementos menores (manganeso, zinc y hierro). La semilla mostró dos componentes: cascarilla (29,9%) y almendra (70,1%), con un valor energético de la cascarilla de 4.155 kcal/kg. De la almendra se obtuvo aceite (44,1%) y torta (55,9%). El aceite presentó en mayor proporción dos ácidos grasos: oleico (40,3%) y linoleico (38,6%), y la torta, un contenido de proteína del 62,0%. El aceite de JCL tiene potencial para biodiésel; la pulpa, como biofertilizante; la cascarilla, para la cogeneración de energía; y la torta, para alimentación animal.

Palabras clave: Jatropha curcas, ácidos grasos, generación de energía, alimentación de los animales, Tolima (Colombia).

Abstract

The Jatropha curcas L. (JCL) is a tropical plant going through a domestication process with a multipurpose use, mainly for biodiesel. The characterization of the fruit will allow recognizing the use of oil in order to replace fossil energy and the potential use of the other components. For this reason, the assessment and identification of the components of the fruit and its possible uses were tested in an experiment that took place in Tolima, Colombia. One random complete block design was used with 15 varieties and three replications, using an experimental unit of 20 plants established with a planting distance of 3 x 2 m. The assessment showed six components of the fruit: pulp, seed husk, almond cake, and oil. The share of each component was: pulp (73.9%) and seed (26.1%). The pulp showed nitrogen (1.1%) and potassium (9.7%), plus some minor elements (manganese, zinc and iron). The seed showed two components: husk (29.9%) and almond (70.1%), with an energy value of 4,155 kcal husk / kg. From the Almond, oil (44.1%) and cake (55.9%) were obtained. The oil showed two fatty acids in higher proportion: oleic (40.3%) and linoleic (38.6%) and the cake showed a protein content of 62.0%. The JCL oil has the potential for biodiesel; the pulp as biofertilizer; the husk for energy cogeneration, and the cake for animal feed.

Keywords: Jatropha curcas, Fatty acids, Energy generation, Animal feeding, Tolima (Colombia).

Resumo

Palavras chave: Jatropha curcas, ácidos gordurosos, geração de energia, alimentação dos animais, Tolima (Colômbia).

Introducción

En los planes energéticos de los países desarrollados se están implementando proyectos que permitirán la inclusión de biomasas de primera y segunda generación para la producción de energía renovable. Jatropha curcas L. (JCL) es una especie vegetal en estudio con fines agroenergéticos de segunda generación. Es considerada una planta silvestre en proceso de domesticación, pertenece a la familia Euphorbiaceae y es nativa de Centroamérica, con una distribución amplia desde México hasta Brasil (Colombia, Ecuador, Perú, Argentina y Paraguay), así como en otros lugares del subtrópico africano y asiático (Pandey et al. 2012).

Esta especie es un ejemplo de planta versátil, con atributos económicos y ecológicos, utilizada en varios países tropicales de América, África y Asia como energía alternativa gracias al aceite obtenido de las semillas (Achten et al. 2008; Becker y Makkar 2008). Presenta usos diversos, entre los que se destacan la farmacología, los biofertilizantes, la bioenergía y la alimentación animal y humana (Pabón y Hernández-Rodríguez 2012). En farmacología, Sabandar et al. (2013) presentan las bondades de la JCL como planta medicinal, así como las aplicaciones de esta para el control de insectos-plaga y patógenos en plantas. También tiene usos multipropósito como cerca viva, tutor de otros cultivos, control de la erosión, árbol de sombra y ornato y en modelos agroforestales (Odalys et al. 2008; Pandey et al. 2012).

Los componentes del fruto de JCL tienen diferentes usos. La pulpa presenta contenidos de nitrógeno, fósforo, calcio, magnesio y potasio, que permiten su uso como biofertilizante (Singh et al. 2008; Kumar et al. 2012). Sus semillas quemadas con óxido de hierro se han considerado fuente importante en la preparación de barnices o como un sustituto de aceites industriales (Bart et al. 2013). En Europa, se emplean en el hilado de lana y en manufacturas textiles; adicionadas con ceniza, se utilizan para la elaboración de jabones caseros (Heller 1996).

La cascarilla está constituida por carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre y oxígeno, con un valor de su potencial calorífico de 1.722 MJkg^-1. Esto permite su uso en la generación de gas mediante gasificador de corriente descendiente, con una eficiencia del 64,8% (Maiti et al. 2014), o como combustible sólido para la elaboración de briquetas, o biochar para uso agrícola como biofertilizante (Kumar y Sharma 2008; Wang et al. 2008). No obstante, Adinurani et al. (2015) encontraron que el alto contenido de lignina en la cascarilla ocasiona resistencia a la degradación biológica, enzimática o química. Esta limitante fue resuelta por estos mismos investigadores mediante procesos como la digestión anaeróbica semicontinua.

La semilla y la torta de JCL, por su parte, tienen antinutrientes: inhibidor de tripsina, lectina (curcina y curcusone B), saponina, ácido fítico, ácido curcalónico y un grupo de compuestos tóxicos denominados ésteres de forbol (EF) (Saetae y Suntornsuk 2010a; 2010b). Los inhibidores de tripsina y lectina son lábiles al calor y son inactivados mediante tratamientos térmicos, pero los ésteres de forbol y fitatos permanecen sin cambios. Los fitatos constituyen un importante componente antinutritivo único que no es lábil al calor y que puede tener efectos adversos, en especial, por la disminución en la biodisponibilidad de los minerales, particularmente, calcio, zinc y hierro. Sin embargo, el efecto adverso del fitato puede ser mitigado mediante la adición de minerales en la dieta.

Está restringido el uso para alimentación animal o humana de la torta proveniente de variedades tóxicas, por su contenido de curcina y EF (Devappa et al. 2011). Se ha propuesto que, si estos se retiran total o parcialmente de la torta de semilla, esta podría ser utilizada como un componente rico en proteína en dietas de alimentación humana o animal. Haas et al. (2012) reportan seis tipos de EF con una misma fracción diterpeno. Sin embargo, el forbol ampliamente prevalente es el 4 B-12-O-tetracanoilforbol13-acetato.

Además de su contenido de proteína útil para alimentación animal y humana, la torta tiene propiedades como biomasa para cogeneración de energía y aplicaciones industriales y agrícolas. Para la cogeneración de energía, mediante fermentación anaeróbica y gasificación, presenta un rendimiento de gas de 598l kg^-1 con una eficiencia del 66,7% (Christodoulou et al. 2014), debido a su alto contenido de metano (Vyas y Singh 2007). En la industria y la agricultura, la torta se utiliza para la elaboración de tableros de aglomerados (Hidayat et al. 2014) y también como estimulador natural del crecimiento de las plantas por la presencia de una proteína específica (Selanon et al. 2014).

Materiales y métodos

Localización

El estudio fue realizado en el Centro de Investigación Nataima, de Corpoica, localizado en el municipio de El Espinal, departamento del Tolima. El municipio se encuentra ubicado a una altura de 323 msnm, con una temperatura promedio de 29 ºC, una precipitación anual de 1.380 mm, humedad relativa promedio de 74% y una localización de 04º 09’ LN y 74º 53’ LO.

Diseño experimental

Se utilizó un diseño de bloques completos al azar (DBCA), con 15 tratamientos y 3 repeticiones. Los tratamientos se constituyeron por 15 variedades de JCL, identificados del 1 al 15 con la sigla JC. La unidad experimental estuvo constituida por 20 plantas de cada variedad, establecidas con una distancia de siembra de 3 x 2 m.

Preparación de componentes

La cosecha del fruto de JCL se realizó a los 36 meses de establecido el cultivo. Se tomaron 50 frutos con coloración amarilla-café, de acuerdo con la escala de color del pericarpio (Dranski et al. 2010, ajustada por Campuzano-Duque y Cardeño 2015), en 20 plantas de cada unidad experimental. El fruto fue desagregado por sus componentes: pulpa, semilla, cascarilla, almendra, torta y aceite. La pulpa y la semilla se obtuvieron mediante separación manual. La cascarilla y la almendra de la semilla fueron obtenidas igualmente por separación manual. De la almendra, se obtuvieron la torta y el aceite por extracción química con el método Soxhlet (AOAC 2007).

Determinaciones del perfil bromatológico

El perfil bromatológico se consiguió con una muestra de 150 g, obtenida de la mezcla de 10 g de pulpa de cada variedad, previamente secada en estufa a 70 ºC durante 48 horas. Los elementos, determinados mediante el método 3052 (EPA 1996), fueron nitrógeno, fósforo, potasio, calcio, magnesio, azufre, hierro, cobre, manganeso, zinc y boro.

En cada unidad experimental (variedades) y repetición se tomó una muestra de 100 gramos de semilla y se realizó la extracción del contenido de aceite mediante el método Soxhlet (AOAC 2007). Así mismo, en el Laboratorio de Física y Química de Aceites (Universidad de Antioquia), con una muestra de 100 g de torta de cada variedad y repetición, se determinó el perfil lipídico utilizando cromatografía GC-MS (marca Agilent Technologies, referencia CG-7890B, con detector de masas 5975C).

Preparación de extractos para el análisis de proteína

Se molieron 100 g de la torta de cada variedad de JCL en un molino con mallas de 0,4 mm. Se utilizó 1 g de harina para realizar la extracción en las siguientes soluciones: cloruro de sodio 0,5 M, preparado en amortiguador de fosfatos 0,03 M pH 7,4; 70% v/v de etanol; y ácido acético 0,05 M. Se realizaron tres extracciones sucesivas hasta completar 30ml de cada extracto de acuerdo con el método descrito por Osborne (1907).

Determinación de proteínas

La cantidad de proteína presente en los extractos de JCL se determinó con el equipo Technicon Autoanalyzer II, en pares de muestras alícuotas, cada una de 1 ml, y por el método de Lowry et al. (1951), en el cual se emplearon pares de muestras alícuotas de 5 µl del sobrenadante de los extractos centrifugados (22.000 x g durante 15 minutos, a 10 ºC).

Determinaciones térmicas

Se tomaron 250 g de cascarilla para realizar la prueba de poder calorífico, con el método de la bomba calorimétrica descrito por Bailly (1971), expresada en kcal/kg.

Análisis estadístico

Para las variables de peso de fruto, pulpa, semilla, cascarilla, almendra, torta y aceite se realizaron los siguientes procedimientos estadísticos: 1) análisis individual de varianza para determinar la variabilidad entre las variedades; 2) prueba de homogeneidad de varianzas del error según la prueba de Bartlett (Bartlett 1937); y 3) comparación de medias mediante la prueba de Tukey (p = 0,01). Para las variables de caracterización bromatológica de la pulpa y el contenido de proteína en la almendra, se calculó el promedio por variedad.

La desagregación del fruto presentó seis componentes: pulpa, semilla, cascarilla, almendra, torta y aceite. La participación de cada uno de estos componentes fue la siguiente: pulpa 73,9% y semilla 26,1%; de la semilla se obtuvo la cascarilla (29,9%) y la almendra (70,1%), y de esta, el aceite (44,1%) y la torta (55,9%) (figura 1).

El análisis de varianza presentó diferencias altamente (p=0,01). Los valores de intervalo expresados en significativas para todos los componentes del fruto gramos mostraron para cada componente lo estudiados (tabla 1). Los coeficientes de variación siguiente: fruto: 476,0 ( JC6) - 721,9 ( JC13); observados fueron en todos los casos menores a 5,0%, lo cual indica el grado de confiabilidad de los datos. Los valores de los componentes a través de variedades mostraron diferencias estadísticas (p=0,01). Los valores de intervalo expresados en gramos mostraron para cada componente lo siguiente: fruto: 476,0 (JC6) - 721,9 (JC13); pulpa: 340,8 (JC6) - 543,3 (JC13); semilla: 135,2 (JC6) - 178,6 (JC13); cascarilla: 40,1 (JC6) - 53,6 (JC13); y almendra: 95,1 (JC6) - 125,0 (JC13) (figura 2).

La variedad JC6 mostró en todos los componentes del fruto los menores valores, y la variedad JC13 presentó en todos los casos los mayores valores. Esto indica el reconocimiento de una importante fuente genética de partida ( JC13) para fines de mejoramiento genético de esta especie en Colombia, lo que posiblemente permita la selección de genotipos en un esquema dirigido a modificar la participación de los componentes del fruto con énfasis en el incremento del rendimiento en almendra y cantidad de aceite.

Los resultados reportados de los componentes del fruto aún son diversos y heterogéneos, debido a la condición silvestre de la especie en proceso de domesticación, con una dominancia de polinización cruzada que conlleva una estructura genética heterogénea alta. Aunado a esto, los estudios genéticos de algunos atributos asociados a la morfología del fruto indican valores de heredabilidad bajo, que evidencian no solo alta variabilidad, sino también alta interacción con el ambiente: ancho del fruto (20,5%) (Sharma y Kumar 2013), peso del fruto (20,1%) y peso de la semilla (18,2%) (Gairola et al. 2011).

La composición química del fruto y su heterogeneidad depende, además, del contenido de humedad, de lignina, celulosa y hemicelulosa, y de sólidos volátiles y cenizas. Por ejemplo, Singh et al. (2008) encontraron una composición del fruto de JCL que difiere de lo hallado en el estudio: 35-40% de pulpa y 60-65% de semilla y, en esta última, el 58-60% está compuesto por almendra. En la almendra, Li et al. (2006) encontraron un contenido de aceite que varió entre 51,3% y 61,2%, valores superiores al encontrado en los materiales evaluados en Colombia (44,1%) y similares a los reportados por Wan et al. (2008) (37,6% a 41,4%).

La pulpa estuvo constituida principalmente por dos elementos: nitrógeno (1,1%) y potasio (9,7%), con contenidos de manganeso, zinc y hierro. Los valores de estos tres elementos, expresados en mg/kg, presentaron los siguientes intervalos: manganeso, entre 78,5 y 213,4; zinc, entre 53,7 y 84,2; y hierro, entre 36,0 y 93,4 (tabla 2). La composición bromatológica de la pulpa se asocia con el uso potencial de este insumo como fuente para la elaboración de biofertilizantes.

La cascarilla y la almendra, componentes de la semilla, presentaron un promedio en gramos de 47,9 (cascarilla) y 111,8 (almendra), con una participación del 29,9% y 70,1%, respectivamente. Las variedades de JCL mostraron valores de cascarilla que oscilaron entre 40,1 g ( JC6) y 53,6 g ( JC14), y en la almendra, entre 95,1 g para la variedad JC6 y 125,0 g para la variedad JC13 (figura 2).

La valoración de la cascarilla presentó un valor promedio de 4.155,62 kcal/kg, con valores que oscilaron entre 4.087,54 y 4.222,66 kcal/kg para las variedades JC1 y JC4, respectivamente (figura 3). El potencial de este componente se sugiere como fuente de cogeneración de energía en procesos agroindustriales.

La torta presentó un valor promedio de proteína de 59,83%, con valores que oscilaron entre 48,56% para la variedad JC2 y 63,65% para JC5 (figura 4). Estos valores de proteína concuerdan con la mayoría de los reportes de investigación realizados (Heller 1996; Makkar y Becker 2009; Pal et al. 2012; Xiaoyu et al. 2016). Este componente se constituye en una importante fuente para la alimentación humana y animal, previo tratamiento para la eliminación de los metabolitos secundarios, principalmente, de ésteres de forbol.

La torta también tiene una aplicación en la agricultura como sustituto de productos inorgánicos en la estimulación del crecimiento de los cultivos (Selanon et al. 2014). Por sus propiedades mecánicas, la torta tiene aplicación industrial para la elaboración de materiales aglomerados en sustitución de la madera (Hidayat et al. 2014).

El análisis de varianza en el aceite presentó diferencias estadísticas significativas para el ácido esteárico y altamente significativas para los ácidos oleico y linoleico; el ácido palmítico no presentó diferencias estadísticas entre las variedades estudiadas (tabla 3).

Cada género de plantas tiene uno o dos ácidos grasos específicos dominantes, por ejemplo, la palma africana (Elaeis guineensis) está asociada con el ácido palmítico; la higuerilla (Ricinus communis L.), con el ricinoleico; el coco (Cocos nucifera), con el laúrico; la oliva (Olea europaea), el cacahuate (Arachis hypogaea) y el sésamo (Sesamum indicum), con el oleico; la colza (Brassica napus), con el behénico y eurícico; el cacao (Theobroma cacao L.), con el esteárico y palmitoleico; y el algodón (Gossypium hirsutum L.), el cártamo (Carthamus tinctorius) y el lino (Linum usitatissimum), con el linoleico. No obstante, la composición de estos en cada especie puede variar dependiendo del genotipo, de las condiciones del clima y del manejo agronómico, como la nutrición y el riego (Benatti et al. 2004).

Estos resultados del perfil lipídico del aceite corroboran que los genotipos de JCL evaluados en Colombia coinciden con lo reportado a nivel mundial, pues dicho perfil está calificado como oleicolinoleico con predominancia de ácidos grasos monoinsaturados y poliinsaturados (principalmente, oleico y linoleico). Tal constitución lipídica le confiere al biodiésel producido con JCL propiedades que redundan en un mejor desempeño a bajas temperaturas; a diferencia del biodiésel de aceite de palma, que tiene mayor dominancia de ácidos saturados, principalmente, de ácido palmítico, lo que le otorga malas propiedades de flujo en frío.

La composición predominantemente oleica-linoleica del aceite de JCL, de los genotipos evaluados en el departamento del Tolima (Colombia), le confiere propiedades especiales en relación directa con la calidad, costo y eficiencia en el proceso de transesterificación para la obtención de biodiésel. El mayor contenido de ácidos grasos monoinsaturados y poliinsaturados hace que el proceso de obtención de biodiésel sea más eficiente, debido al requerimiento de temperaturas más bajas para el proceso y a la presencia de una mayor oxidación en el corto plazo (Pedraza y Cayón 2010); en comparación con el aceite de palma, que posee mayor proporción de ácidos grasos saturados y monoinsaturados en una relación aproximada de 50% y 50% (Habib 2000).

Conclusiones

La desagregación del fruto de 15 variedades de la colección colombiana de JCL presentó seis componentes: pulpa, semilla, cascarilla, almendra, torta y aceite, todos ellos con diferentes usos y aplicaciones y con potencial para la estructuración de un modelo agroindustrial de JCL en Colombia con visión de biorrefinería.

La composición del fruto presentó las siguientes características: la pulpa mostró una riqueza composicional en nitrógeno, potasio, manganeso, zinc y hierro, con uso como biofertilizante. La cascarilla, con un poder calorífico de 4.155 kcal/kg, mostró un uso potencial para la cogeneración de energía. La torta presentó un contenido de proteína promedio de 59,8%, considerado alto y potencial para la alimentación humana y animal, y considerado también como sustituto de productos para la estimulación del crecimiento en las plantas y la elaboración de aglomerados. La almendra, finalmente, presentó un contenido de aceite de 44,1%, con un perfil lipídico predominantemente oleico-linoleico apto para biodiésel.

Agradecimientos

Los autores hacen un reconocimiento a Nataly Campos, estudiante de Agronomía de la Universidad de los Llanos, por la toma de los datos de campo como parte de su pasantía profesional en Corpoica.

Descargos de responsabilidad

Referencias

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