IDENTIFICACIÓN DE COMPUESTOS DE INTERÉS EN RESIDUOS DE …

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IDENTIFICACIÓN DE COMPUESTOS DE INTERÉS EN RESIDUOS DE LAS

ESPECIES Allium cepa, Allium fistulosum y Spinacia oleracea

MARÍA DEL MAR SÁNCHEZ BOHÓRQUEZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN

PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN QUÍMICA

BOGOTÁ D.C

2015

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IDENTIFICACIÓN DE COMPUESTOS DE INTERÉS EN RESIDUOS DE LAS

ESPECIES Allium cepa, Allium fistulosum y Spinacia oleracea

MARÍA DEL MAR SÁNCHEZ BOHÓRQUEZ

Proyecto de Grado para optar al título de

Licenciado en Química.

Asesores:

Luis Carlos García Sánchez y Javier Andrés Matulevich Peláez

Profesores T.C. y H.C. Universidad Distrital Francisco José de Caldas

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN

PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN QUÍMICA

BOGOTÁ D.C

2015

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CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 11

2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................. 11

2.1. Descripción del problema ....................................................................................... 11

2.2. Delimitación del problema ..................................................................................... 12

2.3. Pregunta problema .................................................................................................. 12

3. JUSTIFICACIÓN Y ANTECEDENTES ...................................................................... 12

3.1. Justificación ............................................................................................................ 12

3.2. Antecedentes .......................................................................................................... 13

3.2.1. Allium cepa ......................................................................................................... 15

3.2.2. Allium fistulosum ............................................................................................... 16

3.2.3. Spinacia oleracea ................................................................................................ 16

4. HIPÓTESIS ................................................................................................................... 17

5. OBJETIVOS .................................................................................................................. 17

5.1. Objetivo General .................................................................................................... 17

5.2. Objetivos Específicos ............................................................................................. 17

6. MARCO TEÓRICO ...................................................................................................... 17

6.1. Biomasa .................................................................................................................. 17

6.1.1. Humedad: Importancia en las plantas ................................................................. 18

6.1.2. Cenizas ................................................................................................................ 19

6.1.3. Lignina ................................................................................................................ 19

6.1.4. Fenoles ................................................................................................................ 20

6.1.4.1. Fenoles no flavonoides .................................................................................... 21

4

6.1.4.1.1. Ácido Benzoico ........................................................................................... 21

6.1.4.1.2. Ácido Cinámico ........................................................................................... 21

6.1.4.2. Fenoles flavonoides ........................................................................................ 22

6.1.4.2.1. Antocianos ................................................................................................... 22

6.1.4.2.2. Taninos ........................................................................................................ 22

6.1.4.2.3. Flavonoles ................................................................................................... 24

6.2. Residuos de biomasa .................................................................................................. 24

6.2.1. Descomposición de biomasa ............................................................................... 25

6.2.1.1. Producción de lixiviados ................................................................................. 27

6.2.2. Calor de combustión ........................................................................................... 27

7. METODOLOGÍA .......................................................................................................... 28

7.2. Tipo de investigación ............................................................................................. 28

7.3. Muestras para el estudio ......................................................................................... 28

7.4. Procedimiento ......................................................................................................... 29

7.4.1. Selección de muestras para el estudio ................................................................ 29

7.4.2. Almacenamiento de las muestras ........................................................................ 30

7.4.3. Preparación de la muestra ................................................................................... 30

7.4.4. Determinación de humedad ................................................................................ 30

7.4.5. Determinación de cenizas ................................................................................... 30

7.4.6. Determinación de lignina .................................................................................... 31

7.4.7. Análisis elemental ............................................................................................... 31

7.4.8. Calor de combustión ........................................................................................... 32

7.4.9. Preparación de extractos ..................................................................................... 32

7.4.10. Marcha fitoquímica preliminar ....................................................................... 32

5

7.4.11. Determinación de fenoles totales .................................................................... 33

7.4.12. Actividad antioxidante por DPPH ................................................................... 33

7.5. Validez y confiabilidad .......................................................................................... 33

8. RESULTADOS Y ANÁLISIS ...................................................................................... 34

8.1. Pérdida de masa por lixiviados ............................................................................... 34

8.2. Humedad ................................................................................................................ 38

8.3. Cenizas ................................................................................................................... 40

8.4. Lignina .................................................................................................................... 42

8.5. Análisis Elemental .................................................................................................. 45

8.6. Calor de combustión ............................................................................................... 49

8.7. Marcha Fitoquímica ............................................................................................... 51

8.8. Cromatografía en capa fina .................................................................................... 57

8.9. Cuantificación de fenoles totales ............................................................................ 62

8.10. Actividad antioxidante por DPPH ...................................................................... 66

9. CONCLUSIONES ......................................................................................................... 68

10. PARTICIPACIÓN EN EVENTOS DE INVESTIGACIÓN ..................................... 69

11. ANEXOS ................................................................................................................... 70

12. REFERENCIAS ......................................................................................................... 81

6

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Información general de residuos de biomasa de las especies en estudio ................ 24

Tabla 2. Pérdida de masa por lixiviados residuos de Allium cepa ........................................ 35

Tabla 3. Pérdida de masa por lixiviados residuos de Allium fistulosum ............................... 36

Tabla 4. Pérdida de masa por lixiviados residuos de Spinacia oleracea ............................. 36

Tabla 5. Determinación contenido de humedad .................................................................... 39

Tabla 6. Determinación contenido de cenizas ..................................................................... 41

Tabla 7. Contenido de lignina: total, soluble e insoluble ...................................................... 43

Tabla 8. Análisis Elemental: %C,H,N,S ............................................................................... 46

Tabla 9. Entalpías de combustión (J/g) y relación %C ......................................................... 50

Tabla 10. Análisis fitoquímico preliminar: residuos de las especies Allium cepa, Allium

fistulosum y Spinacia oleracea. ............................................................................................ 52

Tabla 11 . Cuantificación de fenoles totales equivalentes a ácido gálico ............................. 63

Tabla 12. Concentración inhibitoria media antioxidante (µg/mL) ....................................... 66

7

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1 Generación de residuos sólidos en Bogotá (UAESP, 2009) ...................................... 13

Fig. 2 Proyección de residuos sólidos de origen domiciliario (UAESP, 2009) ................... 13

Fig. 3 Proyección generación de residuos sólidos por plazas de mercado (UAESP, 2009) 14

Fig. 4 Plan de gestión sostenible de residuos sólidos, Suiza (Magnusson J., Eliasson L.,

2012) ..................................................................................................................................... 15

Fig. 5 Compuestos con actividad antibacteriana, aceite esencial de Allium cepa. (a) sulfuro

de metil 5-metilfurilo (b) disulfuro de metil 3,4-dimetil-2-tienilo (c) disulfuro de 1-

propenil propilo (Chun Lin-Ye, et al, 2012). ........................................................................ 15

Fig. 6 Compuestos con actividad antioxidante, extracto acuoso de Allium fistulosum. (a)

2,5 dimetil tiofeno (b) 3H ácido caproico (c) -hexil-5-metilfurano-3-ona (Lee, Joon-Kyoung

et al; 2005). ........................................................................................................................... 16

Fig. 7 Compuestos de Spinacia oleracea L. (a) β-caroteno (b) luteína (c) 5,3´,4´,

trihidroxy-3-metoxy-6,7-metilendioxyflavona (d) spinacetin (Bergquist S., 2006). ............ 16

Fig. 8 Generación de biomasa (IDAE, 2007) ....................................................................... 18

Fig. 9 Fenilpropanoides de la lignina. Alcoholes (a) Coniferílico (b) Cumárico (c)

Sinapílico (Fuente: María del Mar Sánchez) ........................................................................ 20

Fig. 10 Fenoles no flavonoides derivados del ácido p-hidroxibenzoico (Rebolo S., 2013) 21

Fig. 11 Fenoles no flavonoides derivados del ácido cinámico (Rebolo S., 2013) ............... 22

Fig. 12 Antocianidinas importantes (Rebolo S., 2013) ........................................................ 22

Fig. 13 Taninos hidrolizables (a) Ácido gálico (b) Ácido elágico (c) Vescalina (d)

Castalina (e) Vescalagina (f) Castalagina (Rebolo S., 2013) ................................................ 23

Fig. 14 Catequinas monómeros de taninos condensados (Rebolo S., 2013) ....................... 23

Fig. 15 Flavonoles importantes (Rebolo S., 2013) .............................................................. 24

Fig. 16 Degradación por microorganismos (Badui S., 1993). ............................................. 26

Fig. 17 Mecanismo aerobio enzimático de monooxigenasas y dioxigenasas (Molina A.,

2012). .................................................................................................................................... 26

Fig. 18 Esquema general proceso de combustión (Kurt C., 2006). ..................................... 27

Fig. 19 Esquema de trabajo para análisis químico preliminar ............................................. 29

Fig. 20 Recolección y almacenamiento de lixiviados .......................................................... 34

8

Fig. 21 Pérdida de masa por lixiviados en residuos de Allium cepa .................................... 35

Fig. 22 Tejido protector epidérmico capa externa de cebolla (Shrestha, 2007) ................... 36

Fig. 23 Pérdida de masa por lixiviados en residuos (a) Allium fistulosum (b) Spinacia

oleracea ................................................................................................................................. 37

Fig. 24 Epidermis uniseriada de hoja de cebolla (Shrestha, 2007) ...................................... 38

Fig. 25 Proyección masa de muestras por secado al aire ..................................................... 38

Fig. 26 Porcentaje de humedad ............................................................................................ 40

Fig. 27 Porcentaje de cenizas ............................................................................................... 42

Fig. 28 Contenido de lignina (a) Allium cepa (b) Allium fistulosum (c) Spinacia oleracea 44

Fig. 29 Compuestos azufrados y nitrogenados Allium cepa (Benítez V.,2011) .................. 48

Fig. 30 Compuestos azufrados y nitrogenados Allium fistulosum (Shrestha, 2007). ........... 49

Fig. 31 Estructuras de algunos flavonoides importantes Allium cepa (Benítez V.,2011). ... 53

Fig. 32 Estructuras de algunas saponinas de la Allium cepa. (a) Alliospirósido C (b)

Alliospirósido D (c) Cepagenina (Fuente: Base de datos REAXYS - Elsevier). ................. 54

Fig. 33 Estructuras de algunos esteroides y carotenoides de la Allium cepa. (a) Luteína (b)

Lanosterol (Fuente: Base de datos REAXYS - Elsevier). .................................................... 54

Fig. 34 Estructuras de flavonoides y carotenoide de la Allium fistulosum. (a) Myricetina

(b) Quercetina (c) Canferol (d) Beta-caroteno (Fuente: Base de datos REAXYS - Elsevier).

............................................................................................................................................... 55

Fig. 35 Estructuras de flavonoides de la Spinacia oleracea. (a) Myricetina (b) Quercetina

(c) Canferol (d) Apigenina (e) Luteolina (f) Patuletina (g) Espinacetina (h) Jaceidina (i)

5,3’,4’ - trihidroxi - 3 - metoxi - 6:7 - metilenodioxiflavona - 4’ – glucuron (Subhash,

2010). .................................................................................................................................... 56

Fig. 36 Estructuras de carotenoides de la Spinacia oleracea. (a) Luteína (b) Beta-caroteno

(c) Violaxantina (d) 9’-(Z)-neoxantina (Fuente: Base de datos REAXYS - Elsevier). ........ 57

Fig. 37 Cromatografía en capa fina extractos etanólicos de los residuos de Allium cepa.

Fase móvil CHCl3: MeOH 95:5. Revelado: Vainillina / H2SO4 ........................................... 59

Fig. 38 Cromatografía en capa fina extractos etanólicos de los residuos de Allium

fistulosum. Fase móvil CHCl3: MeOH 95:5. Revelado: Vainillina / H2SO4 (a) Inicio del

calentamiento (b) Fase dos del calentamiento (c) Finalización del calentamiento. .............. 59

9

Fig. 39 Cromatografía en capa fina extractos etanólicos de los residuos de Spinacia

oleracea. Fase móvil CHCl3: MeOH 95:5. Revelado: Vainillina / H2SO4 (a) Inicio del

calentamiento (b) Finalización del calentamiento. ............................................................... 60

Fig. 40 Cromatografía en capa fina comparativa entre especies. Fase móvil CHCl3: MeOH

95:5. Revelado: Vainillina / H2SO4 (a) Inicio del calentamiento (b) Finalización del

calentamiento. ....................................................................................................................... 60

Fig. 41 Curva de calibración cuantificación de fenoles totales. Patrón: Ácido Gálico ........ 62

Fig. 42 Concentración de fenoles totales (ppm) .................................................................. 63

Fig. 43 Fenoles presentes en piel de Allium cepa (a) Canferol (b) Ácido p-hidroxibenzoico

(c) Quercetina (d) Ácido Vanílico (Shrestha H., 2004) ........................................................ 64

Fig. 44 Fenoles presentes en Allium fistulosum (a) Ácido cafeíco (b) Ácido ferúlico (c)

Ácido p-cumárico (d) Ácido Sinápico (Shrestha H., 2004) .................................................. 65

Fig. 45 Fenoles presentes en Spinacia oleracea (a) Ácido p-cumárico (b) Ácido o-

cumárico (c) Ácido ferúlico (Fuente: Base de datos REAXYS - Elsevier). ......................... 65

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LISTA DE ANEXOS

Anexo 1. ANOVA simple para porcentaje lignina soluble por semanas de descomposición

............................................................................................................................................... 70

Anexo 2. ANOVA simple para análisis elemental %C, H, N, S por semanas de

descomposición ..................................................................................................................... 70

Anexo 3. ANOVA simple para calor de combustión (J/g) por semanas de descomposición

............................................................................................................................................... 71

Anexo 4. Controles positivos Marcha fitoquímica preliminar .............................................. 71

Anexo 5. Marcha fitoquímica preliminar, pruebas por grupo de metabolitos secundarios .. 74

Anexo 6. Bandas y colores de cromatografías en capa fina .................................................. 75

Anexo 7. ANOVA simple para concentración de fenoles (ppm) por semanas de

descomposición ..................................................................................................................... 76

Anexo 8. Tabla percentiles para IC50 de actividad antioxidante. Análisis Probit, Minitab 17

............................................................................................................................................... 76

Anexo 9. Certificados de participación en eventos de investigación .................................... 78

11

1. INTRODUCCIÓN

La presente investigación tuvo como objetivo identificar compuestos de interés con

actividad biológica y/o industrial contenidos en residuos de las especies Allium cepa

(cebolla cabezona), Allium fistulosum (cebolla larga) y Spinacia oleracea (espinaca) para

lograr un aprovechamiento de estos residuos y que se puedan proyectar en un futuro a gran

escala. La realización de esta investigación se hace necesaria debido a que la ciudad de

Bogotá desecha a diario cientos de toneladas de residuos de biomasa, entre estos se

encuentran bagazos y cáscaras de frutas, tallos y hojas de verduras. Para lograr dicho

objetivo se planteó la realización de algunos análisis químicos preliminares: humedad y

cenizas, análisis elemental, calor de combustión, marcha fitoquímica, cuantificación de

fenoles totales, lignina soluble e insoluble. Estos se realizaron semanalmente durante seis

semanas con el propósito de evidenciar los cambios en el transcurso de la descomposición

de las tres muestras de biomasa. De acuerdo a los resultados obtenidos se identificaron

posibles compuestos de interés que contribuyan al aprovechamiento de la biomasa.

2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

2.1. Descripción del problema

La ciudad de Bogotá desecha a diario cientos de toneladas de residuos de biomasa, entre

estos se encuentran bagazos y cáscaras de frutas, tallos y hojas de verduras. Estos residuos

se generan mayoritariamente de la recolección domiciliaria, grandes generadores y plazas

de mercado. Dichos residuos actualmente no tienen un aprovechamiento a gran escala, pues

sólo una parte es aprovechada en compostaje y lombricultura (UAESP, 2009).

Los gases de efecto invernadero producto de la descomposición de la materia orgánica, por

acción de los microorganismos en los rellenos sanitarios son liberados a la atmósfera,

sumándose a las 5,8 Gt de CO2 que son lanzadas anualmente a la atmósfera, producto de la

deforestación mundial (Galindo. et al., IDEAM 2011) incrementando el problema del

calentamiento global.

12

Si se piensa, además, en los compuestos con posible actividad biológica, contenidos en

estos residuos, que no están siendo aprovechados por ser desconocidos, surge la duda de

cuantas oportunidades de curar enfermedades o controlar plagas, contrarrestar hongos, o de

tener precursores de compuestos que cumplan estas funciones se están perdiendo.

Como profesionales en el área se tiene la responsabilidad social de investigar, resolviendo

tales dudas y buscando nuevas oportunidades de desarrollo científico para nuestro país.

Prácticamente partimos de la premisa que la naturaleza ya ha sintetizado estos compuestos

y nos corresponde extraerlos, purificarlos, analizarlos y aplicarlos.

2.2. Delimitación del problema

En este trabajo se buscará identificar los compuestos de interés biológico y/o industrial

además del potencial calorífico, contenidos en los residuos de las especies Allium cepa

(cebolla cabezona), Allium fistulosum (cebolla larga) y Spinacia oleracea (espinaca).

2.3. Pregunta problema

¿Qué compuestos de interés biológico y/o industrial están contenidos en los residuos de las

especies Allium cepa (cebolla cabezona), Allium fistulosum (cebolla larga) y Spinacia

oleracea (espinaca)?

3. JUSTIFICACIÓN Y ANTECEDENTES

3.1. Justificación

Colombia es un gran generador de biomasa debido a su privilegiada posición global. Esto

por cuanto la mayor parte del territorio está cubierto por los más extensos bosques

tropicales que tiene el planeta (Phillips et al. IDEAM 2011).

Consecuentemente, Colombia debe aprovechar sus recursos en biomasa para obtención de

compuestos de interés biológico (metabolitos secundarios, pesticidas, etc), de interés

industrial (colorantes, aceites naturales, derivados de lignina, celulosa, etc) y generación de

energía.

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3.2. Antecedentes

La cantidad de residuos sólidos generados en Bogotá son alarmantes. La mayor parte de

estos tiene origen domiciliario; en menor proporción los grandes generadores

(supermercados de cadena), las plazas de mercado, corte de césped y poda de árboles

(Figura 1).

Fig. 1 Generación de residuos sólidos en Bogotá (UAESP, 2009)

Actualmente, en la ciudad de Bogotá se producen alrededor de 4000 toneladas al día de

residuos sólidos de origen domiciliario, de los cuales la fracción orgánica constituye

aproximadamente el 68% (UAESP, 2009). Teniendo en cuenta el crecimiento poblacional,

se proyecta un aumento lineal en la producción de estos residuos (Figura 2).

Fig. 2 Proyección de residuos sólidos de origen domiciliario (UAESP, 2009)

14

En cuanto a las plazas de mercado, en el distrito capital hay 39 plazas: 20 privadas y 19

distritales. Todas ellas tienen la tendencia a disminuir las cantidades de residuos entregadas

a las concesionarias de aseo, aclarando que no se trata de una disminución de residuos, sino

de un aprovechamiento de dichos materiales para evitar el relleno sanitario como su

disposición final (Figura 3). La plaza de mercado Corabastos, una de las más grandes de

Latinoamérica, de los residuos sólidos que produce el 70% son orgánicos. Dentro de estos

el 20% son de frutas, 40% verduras y 40% hortalizas (UAESP, 2009).

Fig. 3 Proyección generación de residuos sólidos por plazas de mercado (UAESP, 2009)

Internacionalmente Suiza tiene un manejo adecuado de sus residuos sólidos, a través de la

“Asociación Internacional de recuperación de residuos”, un programa de formación de dos

semanas sobre la gestión de residuos sostenible. El objetivo general del programa es

contribuir al intercambio de experiencias y desarrollo de capacidades en la gestión

sostenible de residuos. Esto se realiza en la Universidad de Borås, Suiza. El alcance del

trabajo del proyecto durante el programa es hacer un análisis global de la situación actual

del sistema de gestión de residuos incluyendo un análisis DOFA (debilidades,

oportunidades, fortalezas y amenazas). Esto realizado a partir de las áreas sociales, medio

ambiente, economía y aspectos políticos relacionados con el sistema de gestión de residuos

en su región específica. Con este proyecto los participantes tienen la oportunidad de crear

una base para un plan de residuos futuro. El programa se divide en cinco módulos

(Magnusson J., Eliasson L., 2012):

1. La gestión sostenible de los residuos

2. Herramientas para el análisis de la situación

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3. Tratamiento de los residuos

4. Aplicación del sistema de gestión de residuos

5. Cambio de actitudes

Actualmente, para la gestión de residuos emplean como estrategias minimizar, reusar,

reciclar, extracción de energía con los residuos orgánicos y producción de abono orgánico

(Figura 4).

Fig. 4 Plan de gestión sostenible de residuos sólidos, Suiza (Magnusson J., Eliasson L., 2012)

3.2.1. Allium cepa

En diversos estudios se han encontrado compuestos azufrados (Figura 5) en el aceite

esencial de esta especie, los cuales presentan una actividad antibacteriana (Chun Lin-Ye, et

al, 2012). No hay estudios reportados con los residuos de dicha especie, en todos los casos

se estudia el bulbo y raíz de la planta.

Fig. 5 Compuestos con actividad antibacteriana, aceite esencial de Allium cepa. (a) sulfuro

de metil 5-metilfurilo (b) disulfuro de metil 3,4-dimetil-2-tienilo (c) disulfuro de 1-

propenil propilo (Chun Lin-Ye, et al, 2012).

16

3.2.2. Allium fistulosum

Estudios del extracto acuoso del bulbo de Allium fistulosum econcontraron compuestos con

actividad antioxidante por su inhibición a especies reactivas del oxigeno intracelulares

(Lee, Joon-Kyoung et al; 2005).

Fig. 6 Compuestos con actividad antioxidante, extracto acuoso de Allium fistulosum. (a)

2,5 dimetil tiofeno (b) 3H ácido caproico (c) -hexil-5-metilfurano-3-ona (Lee, Joon-Kyoung

et al; 2005).

3.2.3. Spinacia oleracea

Un estudio doctoral de “baby spinach”, reveló que los componentes principales de la

misma son carotenoides y flavonoides principalmente (Figura 7) (Bergquist S., 2006).

Fig. 7 Compuestos de Spinacia oleracea L. (a) β-caroteno (b) luteína (c) 5,3´,4´,

trihidroxy-3-metoxy-6,7-metilendioxyflavona (d) spinacetin (Bergquist S., 2006).

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4. HIPÓTESIS

¿Existen compuestos con actividad biológica y/o industrial en residuos en descomposición

de las especies Allium cepa (cebolla cabezona), Allium fistulosum (cebolla larga) y Spinacia

oleracea (espinaca)?

5. OBJETIVOS

5.1.Objetivo General

Identificar los compuestos de interés biológico y/o industrial además del potencial

calorífico, contenidos en los residuos de las especies Allium cepa (cebolla cabezona),

Allium fistulosum (cebolla larga) y Spinacia oleracea (espinaca).

5.2.Objetivos Específicos

Realizar análisis químico preliminar en residuos de las especies Allium cepa (cebolla

cabezona), Allium fistulosum (cebolla larga) y Spinacia oleracea (espinaca)

semanalmente durante seis semanas de descomposición.

Auscultar la presencia de compuestos con posible actividad biológica e interés

industrial.

Sugerir las posibles aplicaciones para los tres residuos de biomasa.

6. MARCO TEÓRICO

6.1. Biomasa

La biomasa es el conjunto de materiales orgánicos producidos en la cadena biológica

(Giraldo G., 2009). Estos materiales son susceptibles de un aprovechamiento energético.

Entre ellos se encuentran los residuos forestales, podas de jardines, industrias

agroforestales, residuos de origen vegetal, animal o humano. Según la especificación

técnica europea CEN/TS 14588 la biomasa es “todo material de origen biológico

excluyendo aquellos que han sido englobados en formaciones geológicas sufriendo un

proceso de mineralización” (IDAE, 2007).

http://www.euro-biomass.com/SP/Burgos/Documents/CEEI-Burgos_CARTIF.pdf

http://www.energiasrenovables.ciemat.es/adjuntos_documentos/Biomasa.pdf

18

Fig. 8 Generación de biomasa (IDAE, 2007)

La diversidad de los materiales vegetales representa una variedad de sustancias física y

químicamente heterogéneas. Los constituyentes químicos de los vegetales se han divido en

siete categorías (Lincoln T. y Zeiger E., 2006):

Celulosa: Es el constituyente químico más abundante del material vegetal, se encuentra

entre el 15 - 60% de masa seca.

Hemicelulosa: Generalmente alcanza el 10 - 30% de masa.

Lignina: Comúnmente constituye el 5 - 30% de la planta.

Fracción soluble en agua: Allí se incluyen azúcares simples, fenoles, aminoácidos y

ácidos alifáticos, que constituyen del 5 al 30% la masa total de la planta.

Fracción soluble en éter y alcohol: Contiene grasas, aceites, ceras, resinas y pigmentos.

Proteínas: Tienen en su estructura parte del nitrógeno y azufre del vegetal.

Fracción mineral (cenizas): Los constituyentes minerales varían desde el 1 al 13% de la

masa total.

6.1.1. Humedad: Importancia en las plantas

La humedad ambiental es la cantidad de vapor de agua en el aire. Las plantas necesitan

determinada humedad para realizar el proceso de transpiración1, el cual es indispensable

para la absorción de agua y nutrientes del suelo, además de mantener la temperatura de la

1 La transpiración es el proceso por el cual las plantas liberan vapor de agua a la atmósfera a través de los

estomas (Botanical-online, 2014).

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planta (Botanical-online, 2014), contribuyendo a un óptimo metabolismo primario de las

mismas.

El grado de humedad de las plantas se afecta por la temperatura, corrientes de aire y luz.

La humedad de las plantas depende de la humedad ambiental, se consideran plantas muy

húmedas aquellas con un porcentaje de humedad relativa del 90% o superior, alta humedad

del 75-90% y secas del 0-35%. Los altos niveles de humedad ambiental reducen la

transpiración de la planta, aumentando su temperatura, ocasionando que se marchiten

(Botanical-online, 2014).

6.1.2. Cenizas

Las cenizas son aquellas sustancias inorgánicas no combustibles como sales minerales2. Las

plantas utilizan las cenizas del suelo como nutrientes para su crecimiento y desarrollo.

Además, las cenizas son usadas en la agricultura ecológica para proteger las plantas de

plagas y hongos. El porcentaje de cenizas en los vegetales varía según la procedencia de la

planta y las características del suelo. Generalmente, en las plantas, las cenizas tienen altas

cantidades de potasio y sodio (Ecoagricultura, 2013). Existen dos tipos de cenizas, foránea

e inherente (Melissari B., 2012):

Ceniza foránea: partículas minerales de la tierra donde han sido cultivadas y son

introducidas durante la cosecha, transporte y comercialización.

Ceniza inherente: sales unidas químicamente a la estructura de la biomasa.

6.1.3. Lignina

La lignina es la sustancia orgánica más abundante en las plantas después de la celulosa. Se

encuentra en la pared celular, tiene función de soporte y transporte. La lignina está formada

por tres fenilpropanoides diferentes: alcoholes coniferílicos, cumárico y sinapílico (Lincoln

T. y Zeiger E., 2006).

2 Las sales minerales son moléculas ionizables en agua: silicatos, carbonatos, fosfatos, etc.

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Fig. 9 Fenilpropanoides de la lignina. Alcoholes (a) Coniferílico (b) Cumárico (c)

Sinapílico (Fuente: María del Mar Sánchez)

No se conoce una estructura precisa de la lignina debido a que las proporciones de las tres

estructuras monoméricas varían entre especies, órganos vegetales y capas de la pared

celular. Adicionalmente, hay una dificultad en extraer la lignina de las plantas debido a que

se encuentra covalentemente unida a la celulosa y polisacáridos de la pared celular (Lincoln

T. y Zeiger E., 2006).

6.1.4. Fenoles

Los fenoles son compuestos que se encuentran muy difundidos en la naturaleza. Tienen

importantes aplicaciones biológicas como lo son:

Propiedades antibacterianas frente a microorganismos patógenos, mediante alteraciones

fisiológicas desarrolladas en la parte digestiva.

Propiedades antitóxicas frente a la toxicidad de alcoholes, demostradas

experimentalmente con animales de laboratorio.

Valor vitamínico P3, tiene una alta actividad antioxidante.

Los fenoles son susceptibles a la oxidación y por ello la composición polifenólica de las

especies varia con su envejecimiento.

La biosíntesis de compuestos fenólicos ocurre a partir de las hexosas por el ciclo de

pentosas fosfato, donde se forma eritrosa-4-fosfato y por ruta del ácido Shikímico se

3 La vitamina P son los bioflavonoides, moléculas hidrosolubles que se encuentran en frutas y vegetales.

Biológicamente tienen una alta actividad antioxidante gracias a la formación de hidroxil-radical.

21

forman ácidos benzoicos y aminados, que terminan en la formación de fenoles (flavonas,

antocianos, flavonoles, taninos, etc.). Por la glucólisis, a partir de tres moléculas de ácido

pirúvico y una posterior ciclación para generar el benceno, también se da origen a los

fenoles (Rebolo S., 2013).

6.1.4.1. Fenoles no flavonoides

Entre ellos se encuentran los derivados de ácido benzoico (C6-C1) y de ácido cinámico

(C6-C3).

6.1.4.1.1. Ácido Benzoico

Son los derivados del ácido p-hidroxibenzoico. Estos ácidos por lo general son incoloros, se

tornan amarillos luego de su oxidación y por la acción de microorganismos pueden

transformarse en fenoles volátiles cuyos olores son muy característicos (Rebolo S., 2013).

Fig. 10 Fenoles no flavonoides derivados del ácido p-hidroxibenzoico (Rebolo S., 2013)

6.1.4.1.2. Ácido Cinámico

Debido al doble enlace del radical propeno presentan dos formas isoméricas, en la

naturaleza se encuentran en la forma trans, ya que es la más estable, pero se isomerizan

fácilmente por la acción de la luz (Rebolo S., 2013).

22

Fig. 11 Fenoles no flavonoides derivados del ácido cinámico (Rebolo S., 2013)

6.1.4.2.Fenoles flavonoides

6.1.4.2.1. Antocianos

Son pigmentos solubles en agua responsables de los colores en las plantas4.

Estructuralmente son dos bencenos unidos por un anillo heterocíclico, esterificados con uno

o más azucares. Químicamente los antocianos son los glicósidos de las antocianidinas, y

estas últimas son las agliconas de los antocianos (Rebolo S., 2013).

Fig. 12 Antocianidinas importantes (Rebolo S., 2013)

6.1.4.2.2. Taninos

Son compuestos fenólicos caracterizados por ser capaces de combinarse de manera estable

con las proteínas y polisacáridos. Estos se clasifican en taninos hidrolizables (o gálicos) y

taninos condensados (Rebolo S., 2013).

Taninos hidrolizables: Son muy solubles en medio hidroalcohólicos.

4 La coloración se debe a los dobles enlaces conjugados de la estructura, debido a la presencia del catión

flavilio.

23

Fig. 13 Taninos hidrolizables (a) Ácido gálico (b) Ácido elágico (c) Vescalina (d)

Castalina (e) Vescalagina (f) Castalagina (Rebolo S., 2013)

Taninos condensados: Son polímeros complejos de 3-flavanoles (catequinas). Se

localizan principalmente en semillas y en pulpa.

Fig. 14 Catequinas monómeros de taninos condensados (Rebolo S., 2013)

24

6.1.4.2.3. Flavonoles

Son pigmentos de color amarillo, se encuentran en la naturaleza glucosilados en la posición

3, entre los glucósidos que se encuentran en mayor proporción están la galactosa, xilosa y

arabinosa (Rebolo S., 2013).

Fig. 15 Flavonoles importantes (Rebolo S., 2013)

6.2. Residuos de biomasa

Los residuos de biomasa están constituidos por aquella fracción orgánica que se desecha

(no se consume). Entre estos se encuentran cáscaras de frutas y verduras, bagazos de frutas,

hojas y tallos de verduras. A nivel global las tecnologías de aprovechamiento de residuos

de biomasa más utilizadas son el compostaje, lombricompostaje y biometanización

(UAESP, 2009). En la presente investigación se estudian los residuos de las especies Allium

cepa (cebolla cabezona), Allium fistulosum (cebolla larga) y Spinacia oleracea (espinaca).

En la tabla 1 se muestra la clasificación taxonómica de las especies en estudio (SIB,

Navegador taxonómico).

Tabla 1. Información general de residuos de biomasa de las especies en estudio

CEBOLLA

CABEZONA

CEBOLLA LARGA ESPINACA

25

Reino

División

Clase

Orden

Familia

Subfamilia

Tribu

Género

Especie

Plantae

Magnoliophyta

Liliopsida

Asparagales

Amaryllidaceae

Allioideae

Allieae

Allium

Allium cepa

Plantae

Magnoliophyta

Liliopsida

Asparagales

Amaryllidaceae

Allioideae

Allieae

Allium

Allium fistulosum

Plantae

Magnoliophyta

Magnoliopsida

Caryophyllales

Amaranthaceae

Chenopodioideae

Spinacia

Spinacia

Spinacia oleracea

RESIDUO Cascaron externo Hoja Hojas maltratadas y

algunos tallos

TEJIDO

VEGETAL

(Fuente:

Shrestha, 2007)

Protector epidérmico Protector epidérmico

uniseriado

Protector epidérmico

uniseriado

IMAGEN

(Fuente: María

del Mar

Sánchez)

6.2.1. Descomposición de biomasa

Toda la materia orgánica está sujeta a la descomposición espontánea, cuyas

transformaciones químicas dejan una alta fuente de carbono útil para los microorganismos

por dos razones: suministro de energía para su crecimiento y fuente de carbono para la

formación del nuevo material celular5. La presencia de microorganismos degrada

aminoácidos, lignina y metabolitos secundarios como flavonoides, fenoles, taninos,

lignanos y quinonas (Badui S., 1993).

5 Las células de la mayoría de los microorganismos contienen, aproximadamente el 50% de su peso seco como

carbono (López J. et al, 1980).

26

Fig. 16 Degradación por microorganismos (Badui S., 1993).

Existen dos tipos de descomposición: aerobia y anaerobia (López J. et al, 1980).

Descomposición aerobia: Requiere la presencia de oxígeno y la circulación del aire.

Es un proceso relativamente rápido, cuya humedad óptima es de 40-65%, puede alcanzar

temperaturas de 48-71 ᵒC. Este tipo de descomposición no produce muchos olores, a

diferencia de la descomposición anaerobia (López J. et al, 1980). En este proceso por

acción de los microorganismos es muy común la transformación de compuestos aromáticos

en compuestos oxigenados, esto se basa en el uso del oxígeno molecular para la rotura del

anillo aromático (Figura 17). Este es un mecanismo enzimático realizado por oxigenasas

(monoxigenasas y dioxigenasas), enzimas que utilizan el oxígeno como cosustrato y lo

incorporan al anillo aromático (Wackett and Hershberger, 2001; Burton, 2003).

Fig. 17 Mecanismo aerobio enzimático de monooxigenasas y dioxigenasas (Molina A.,

2012).

27

Descomposición anaerobia: Se produce en ausencia de oxígeno. El alto grado de

descomposición lo ocasiona la alta humedad que varía desde 60% hasta saturación

completa. La temperatura máxima que alcanza este tipo de descomposición es de 51 ᵒC.

Sucede en dos fases: no-metánica y metagónica. La primera, prepara la materia

orgánica para la segunda fase, donde se produce metano, dióxido de carbono y en

ocasiones sulfuro de hidrógeno que se reconoce por su mal olor (López J. et al, 1980).

El metabolismo anaerobio bacteriano transforma una gran variedad de compuestos

aromáticos hidroxilados en intermediarios aromáticos centrales monocíclicos (Molina

A., 2012).

6.2.1.1. Producción de lixiviados

La producción de lixiviados se genera gracias a la acción disolvente del agua que se filtra a

través de la materia orgánica como consecuencia del proceso de descomposición biológica.

La descomposición y el proceso disolvente (lixiviación) se afectan por la disponibilidad de

humedad, temperatura, longevidad, dimensiones de las partículas y humedad de la materia

en descomposición. Durante el periodo de descomposición biológica, gran parte de

sustancias solubles en agua se van con los lixiviados (López J. et al, 1980).

6.2.2. Calor de combustión

Todas las sustancias al someterse a una combustión desprenden calor, este es el calor de

combustión. El calor de combustión suele determinarse con el combustible y aire, a presión

y temperatura normales: 298 K y 101 kPa (Kurt C., 2006). La figura 18, muestra el

esquema general del proceso de combustión.

Fig. 18 Esquema general proceso de combustión (Kurt C., 2006).

28

Siguiendo el esquema general del proceso de combustión, matemáticamente el calor de

combustión (Qc) se expresa así:

∑ (1)

Dónde:

m= masa

h= entalpía

1= combustible

2= aire

3= productos de la combustión

Con frecuencia el calor de combustión se determina por mol. Entonces la ecuación 1 se

escribe así (Kurt C., 2006):

∑

(2)

Dónde:

N= Número de moles

h1, h2, h3 = entalpías basadas en un mol de sustancia

7. METODOLOGÍA

7.2. Tipo de investigación

La investigación se enmarca dentro de la corriente cualitativa y cuantitativa. Se realizarán

análisis cualitativos: marcha fitoquímica preliminar, cromatografía en capa fina, y

cuantitativos: humedad y cenizas, análisis elemental, calor de combustión, cuantificación de

lignina soluble, insoluble, fenoles y evaluación actividad antioxidante.

7.3. Muestras para el estudio

Son tres muestras correspondientes a los residuos de las especies vegetales Allium cepa

(cebolla cabezona), Allium fistulosum (cebolla larga) y Spinacia oleracea (espinaca). Estas

29

fueron recolectadas en el supermercado “Don Camilo” ubicado en el barrio Cundinamarca,

Calle 19B # 34-40. Los residuos de cebolla cabezona, cebolla larga y espinaca los

constituyen el cascaron externo, rama verde, hojas maltratadas y tallos, respectivamente.

7.4. Procedimiento

Se llevó a cabo un análisis químico preliminar (Figura 19), dicho análisis completo se

realizó una vez por semana (durante seis semanas) a las tres muestras de biomasa

estudiadas Allium cepa (cebolla cabezona), Allium fistulosum (cebolla larga) y Spinacia

oleracea (espinaca), con el propósito de evidenciar los cambios en el transcurso de su

descomposición.

Fig. 19 Esquema de trabajo para análisis químico preliminar

7.4.1. Selección de muestras para el estudio

La selección de muestras para este estudio fue basada en un ensayo previo donde se

tomaron 18 residuos provenientes de plazas de mercado y residuos domiciliarios, entre

estos: cáscaras de frutas y verduras, bagazos de frutas, hojas y tallos de verduras. Dichas

muestras se prepararon y llevaron a análisis elemental, sólo cuatro de estas presentaron

porcentaje de azufre: cebolla cabezona, cebolla larga, espinaca y tomillo. De acuerdo a esto

se estudiaron los residuos de biomasa de las tres especies Allium cepa (cebolla cabezona),

Allium fistulosum (cebolla larga) y Spinacia oleracea (espinaca) debido a la presencia de

30

azufre en común. El tomillo no se estudió, ya que, las cantidades de residuos que de esta

especie se generan no son muy altas, en comparación con las otras tres especies.

7.4.2. Almacenamiento de las muestras

Se almacenaron ~3 kg de cada muestra en tres recipientes individuales con algunas

perforaciones, en la parte inferior, para el drenaje de lixiviados los cuales fueron

recolectados mediante una adaptación de manguera hacia un recipiente; y en la parte

superior para favorecer una descomposición aerobia. Estos recipientes se pesaron

diariamente para llevar el control de la pérdida de masa en lixiviados de cada muestra.

También se homogenizó la muestra diariamente, en cada uno de los recipientes, por mezcla

manual con una tabla de madera

7.4.3. Preparación de la muestra

La preparación de las muestras para los extractos se realizó siguiendo el protocolo

“Preparation of samples for compositional analysis (B. Hames et al, 2008) of National

Renewable Energy Laboratory, NREL. El método, tomado del protocolo, para la

preparación de la muestra fué secado al aire.

7.4.4. Determinación de humedad

Se realizó de manera indirecta, por diferencia con la determinación de sólidos totales

siguiendo el protocolo “Determination of total solids in biomass and total disolved solids in

liquid process samples” (A. Sluiter et al, 2008) of National Renewable Energy Laboratory,

NREL. Los cálculos se realizaron siguiendo las fórmulas planteadas en el protocolo, estos

se ejecutaron en Excel (Ec. 3 y 4)

(3)

(4)

7.4.5. Determinación de cenizas

Se realizó siguiendo el protocolo “Determination of ash in biomass” (A. Sluiter et al, 2008)

of National Renewable Energy Laboratory, NREL. Los cálculos se realizaron siguiendo las

fórmulas planteadas en el protocolo, estos se ejecutaron en Excel (Ec. 5)

31

(5)

7.4.6. Determinación de lignina

Se realizó siguiendo el protocolo “Determination of lignin: contents of heat-treated fibers”.

La determinación fué de lignina soluble e insoluble, por el método de Klason (Brauns F. y

Brauns D., 1960). Para lignina soluble las lecturas se realizaron a 205 nm en el

espectrofotómetro UV/VIS Perkin Elmer λ10, equipo de los laboratorios de química de la

UD. Los cálculos se realizaron siguiendo las fórmulas planteadas en el protocolo, estos se

ejecutaron en Excel (Ec. 6)

(

) (6)

(7)

Dónde:

V= Volumen total del filtrado (mL)

C= Concentración de lignina soluble en el filtrado (g/L)

(

) (

) (8)

Dónde

A= Absorbancia a 205 nm

7.4.7. Análisis elemental

Se realizó según los parámetros operacionales del Analizador elemental Thermo, equipo de

los laboratorios de química de la UD. En dichos análisis se obtuvieron los porcentajes de

carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre. Se usaron cápsulas de estaño y la masa de muestra

tomada fue entre 1-2 mg.

32

7.4.8. Calor de combustión

Se realizó según los parámetros operacionales del Calorímetro de combustión IKA C2000,

equipo de los laboratorios de química de la UD.

7.4.9. Preparación de extractos

Se realizó siguiendo el protocolo “Determination of extractives in biomass” (A. Sluiter et

al, 2008) of National Renewable Energy Laboratory, NREL. El método para la preparación

de extractos fué por extracción Soxhlet, el cual se aplicó para extractos etanólicos y

acuosos.

7.4.10. Marcha fitoquímica preliminar

Se realizó siguiendo un protocolo consolidado a partir de diversos autores expertos en

productos naturales (Dominguez X., 1973; Sanabria A., 1983; Bilbao M.R., 1997; Guzman

J., 2007). Los metabolitos secundarios que se analizaron fueron: carotenoides, esteroides y

triterpenoides, taninos, flavonoides, quinonas, saponinas, cardiotónicos,

sesquiterpenlactonas, cumarinas y alcaloides. Dichos resultados cualitativos se contrastaron

con controles positivos, tales como: β-caroteno - Daucus carot, Ácido tánico, Hibiscus

sabdariffa L., Quercetina, Ananas comosus, Antrona, Alizarina, Chamaemelum nobile,

Lupinus mirabilis. Los metabolitos encontrados fueron contrastados con aquellos

reportados en la literatura.

Adicionalmente, se corrieron cromatografías en capa fina fase normal usando placas de

sílica gel en Alumnio marca Merck. Se realizaron corridas comparativas entre semanas de

residuos de la misma especie e interespecie. La fase móvil utilizada fue CHCl3: MetOH en

proporción 95:5. El revelado utilizado fue Vainillina/H2SO4, por medio de aspersión de dos

soluciones:

-Solución 1: Vainillina en etanol al 1%

-Solución 2: H2SO4 en etanol al 10%

33

7.4.11. Determinación de fenoles totales

Se realizó por el método de Folin-Ciocalteau, el cual permite determinar el contenido total

de componentes de tipo fenólico presentes en los extractos etanólicos. El análisis empleó

una técnica espectrofotométrica visible, usando como patrón ácido gálico (Stanojević et al.,

2009; Singleton, Orthofer y Lamuera, 1999; García, 2005). Las lecturas se realizaron en un

espectrofotómetro UV/VIS Perkin Elmer λ10, a una longitud de onda de 765 nm, equipo de

los laboratorios de química de la UD.

7.4.12. Actividad antioxidante por DPPH

A partir de extractos secos de cada una de las muestras, se prepararon extractos metanólicos

a una concentración de 500 µg/mL y a partir de esta, se realizaron diluciones en serie 1/2

obteniendo concentraciones de 250, 125, 62.5, 31.25, 15.625 y 7.813 µg/mL. En cada pozo

se agregaron 190µL de DPPH metanólico (20 ppm) y posteriormente se adicionaron 20µL

de extractos de cada concentración en cada uno de ellos. El ensayo se hizo por duplicado y

se realizaron tres lecturas a 520 nm: en un tiempo inicial, después de 30 minutos y de 1

hora. De igual manera se realizó la medición de un control negativo (DPPH + Metanol) y

un patrón de ácido gálico preparado a las mismas concentraciones antes enunciadas. Las

lecturas se realizaron en un lector de microplacas Elisa Accu Reader M965, de la

Universidad Juan N. Corpas.

Los cálculos del porcentaje de inhibición se realizaron mediante la siguiente fórmula:

(9)

Para el cálculo de IC50 se utilizó el software Minitab 17.

7.5. Validez y confiabilidad

Según antecedentes, los protocolos seleccionados fueron válidos para la presente

investigación ya que, estos, se adaptaban a estudios realizados con biomasa. Para la

confiabilidad de los métodos se realizaron análisis estadísticos de desviación estándar para

la reproducibilidad de las distintas mediciones. Estadísticamente se empleó el software

34

STATGRAPHICS para la realización de análisis de varianza (ANOVA) y MINITAB 17

para el cálculo de IC50 de la actividad antioxidante por análisis de Probit.

8. RESULTADOS Y ANÁLISIS

8.1. Pérdida de masa por lixiviados

Teniendo en cuenta que la producción de lixiviados se genera como consecuencia del

proceso de descomposición biológica (López J. et al, 1980) se analiza que la cantidad de

lixiviados que se produjo en el presente estudio fue alta, ya que, evidentemente la masa de

cada una de las muestra se reducía a diario gracias a la producción de estos. En la presente

investigación no fueron objeto de estudio los lixiviados, pero estos se recolectaron y

almacenaron en un recipiente oscuro para un posterior estudio (Figura 20).

Fig. 20 Recolección y almacenamiento de lixiviados

La pérdida de masa por lixiviados se manejó en porcentajes de masa, donde el 100%

corresponde a la masa inicial de cada una de las muestras. La tabla 2 muestra la pérdida de

masa por lixiviados de los residuos de Allium cepa. Allí se evidencian las masas y su

equivalencia en porcentaje de masa, datos obtenidos diariamente durante las semanas del

estudio.

35

Tabla 2. Pérdida de masa por lixiviados residuos de Allium cepa

Gráficamente la pérdida de masa por lixiviados en los residuos de Allium cepa tienen un

comportamiento de descenso lineal como se observa en la Figura 21.

Fig. 21 Pérdida de masa por lixiviados en residuos de Allium cepa

De acuerdo a la pérdida de masa por lixiviados en residuos de Allium cepa y su

comportamiento lineal con un coeficiente de correlación bastante bueno, cercano a la

unidad, se analizó que dicho comportamiento se debe a que el tejido vegetal de la capa

externa – piel de cebolla, corresponde a un tipo de tejido protector epidérmico (Figura 22),

cuyas células son alargadas longitudinalmente y uniformes entre sí (Shrestha, 2007). Esto

indica que al ser un tejido con células uniformemente distribuidas la ruptura de la pared

celular, de las mismas, durante la descomposición, para la producción de lixiviados,

también se da de manera uniforme y, por ello, este comportamiento lineal de pérdida de

masa, por lixiviados, a lo largo del proceso de descomposición. Para esta especie se realizó

el control de pérdida de masa por lixiviados tres semanas adicionales al tiempo estimado (6

Semana

Día 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

Masa muestra (kg) 2,85 2,80 2,70 2,65 2,65 2,60 2,50 2,40 2,35 2,35 2,30 2,25 2,10 2,05 1,70 2,00 1,95 1,95

% Masa de muestra 100,00 98,25 94,74 92,98 92,98 91,23 87,72 84,21 82,46 82,46 80,70 78,95 73,68 71,93 59,65 70,18 68,42 68,42

Semana

Día 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

Masa muestra (kg) 1,75 1,70 1,65 1,65 1,60 1,60 1,60 1,40 1,35 1,35 1,30 1,30 1,25 1,05 1,05 1,00 1,00 1,00

% Masa de muestra 61,40 59,65 57,89 57,89 56,14 56,14 56,14 49,12 47,37 47,37 45,61 45,61 43,86 36,84 36,84 35,09 35,09 35,09

Semana

Día 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

Masa muestra (kg) 0,95 0,80 0,75 0,75 0,70 0,70 0,65 0,50 0,40 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,20 0,15 0,10 0,10

% Masa de muestra 33,33 28,07 26,32 26,32 24,56 24,56 22,81 17,54 14,04 14,04 12,28 10,53 8,77 7,02 7,02 5,26 3,51 3,51

1 2 3

4 5 6

7 8 9

36

semanas), para un total de nueve semanas, con el fin de corroborar su comportamiento

lineal, además de aprovechar la muestra que aún quedaba disponible.

Fig. 22 Tejido protector epidérmico capa externa de cebolla (Shrestha, 2007)

Las tablas 3 y 4 muestran la pérdida de masa por lixiviados de los residuos de Allium

fistulosum y Spinacia oleracea.

Tabla 3. Pérdida de masa por lixiviados residuos de Allium fistulosum

Tabla 4. Pérdida de masa por lixiviados residuos de Spinacia oleracea

Gráficamente la pérdida de masa por lixiviados en los residuos de Allium fistulosum y

Spinacia oleracea tienen un comportamiento de descenso exponencial como se observa en

la Figura 23.

Semana

Día 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

Masa muestra (kg) 3,20 2,15 1,85 1,75 1,65 1,55 1,40 1,30 1,25 1,10 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,75 0,60 0,45

% Masa de muestra 100,00 67,19 57,81 54,69 51,56 48,44 43,75 40,63 39,06 34,38 29,69 28,13 26,56 25,00 23,44 23,44 18,75 14,06

Semana

Día 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

Masa muestra (kg) 0,45 0,45 0,40 0,40 0,25 0,25 0,20 0,20 0,15 0,15 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

% Masa de muestra 14,06 14,06 12,50 12,50 7,81 7,81 6,25 6,25 4,69 4,69 1,56 1,56 1,56 1,56 1,56 1,56 1,56 1,56

4 5 6

1 2 3

Semana

Día 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

Masa muestra (kg) 3,00 2,95 2,90 2,80 2,65 2,25 1,90 1,65 1,45 1,35 1,10 1,05 1,00 0,95 0,95 0,75 0,60 0,65

% Masa de muestra 100,00 98,33 96,67 93,33 88,33 75,00 63,33 55,00 48,33 45,00 36,67 35,00 33,33 31,67 31,67 25,00 20,00 21,67

Semana

Día 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

Masa muestra (kg) 0,60 0,55 0,40 0,35 0,30 0,30 0,30 0,25 0,10 0,10 0,10 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

% Masa de muestra 20,00 18,33 13,33 11,67 10,00 10,00 10,00 8,33 3,33 3,33 3,33 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67

1 2 3

4 5 6

37

Fig. 23 Pérdida de masa por lixiviados en residuos (a) Allium fistulosum (b) Spinacia

oleracea

De acuerdo a la pérdida de masa por lixiviados en residuos de Allium fistulosum y Spinacia

oleracea, se analizó que este comportamiento exponencial se debe a que dichas muestras

comparten el mismo tejido vegetal ya que, ambas, son hojas. Esto corresponde a un tejido

protector epidérmico uniseriado (Shrestha, 2007) también conocido como epidermis

uniseriada (Figura 24). La característica de este tejido es que presenta paredes exteriores

engrosadas, también conocida como capa cuticular gruesa6, lo cual indica que una vez se

rompa esa capa cuticular gruesa, se continuarán rompiendo las paredes vegetales de las

células interiores de manera exponencial debido a la ausencia de esta capa cuticular cuya

función es de protección. Comparativamente se observa, en la Figura 23, que se

descomponen más rápido los residuos de Allium fistulosum comparado con Spinacia

oleracea. Esto evidenciado en el rápido descenso en masa de muestra en la primera semana.

6 Tomado de: Atlas de Histología Vegetal y Animal. Departamento de Biología Funcional y Ciencias de la

Salud. Universidad de Vigo. España, 2014 [En línea] http://mmegias.webs.uvigo.es/2-organos-v/o-imagenes-

grandes/raiz-primaria-m.php (Fecha de consulta: Mayo 3 de 2015)

http://mmegias.webs.uvigo.es/2-organos-v/o-imagenes-grandes/raiz-primaria-m.php

http://mmegias.webs.uvigo.es/2-organos-v/o-imagenes-grandes/raiz-primaria-m.php

38

Fig. 24 Epidermis uniseriada de hoja de cebolla (Shrestha, 2007)

De acuerdo a la pérdida de masa por lixiviados de las tres especies se analizó que los

residuos de Allium fistulosum son aquellos que se descomponen más rápido, seguido de los

de Spinacia oleracea y por último Allium cepa.

8.2. Humedad

Teniendo en cuenta que la preparación de la muestra para los diferentes análisis químicos

se realizó por el método de secado al aire, se elaboró una proyección de masa de las

muestras en este secado (Figura 25) con el fin de determinar los días que estas tardarían en

llegar a la masa constante y así continuar la preparación de molienda y tamizado para cada

una de las muestras según los protocolos seleccionados.

Fig. 25 Proyección masa de muestras por secado al aire

En la figura 25 se observó que las tres muestras llegan a mantener una masa constante

después del tercer día de secado al aire, por lo tanto era óptimo continuar la preparación de

39

las muestras después del tercer día. En esta investigación las muestras se secaron al aire

durante una semana.

Por lo anteriormente expuesto, es evidente que la pérdida de humedad mayoritariamente se

da en el proceso de lixiviación y secado al aire, pero estas conservan un pequeño porcentaje

de humedad que sólo se perderá en el proceso de secado en horno y el cual es indispensable

para pasar las muestras a análisis instrumentales como análisis elemental y calor de

combustión. La tabla 5 muestra los datos resumidos para la determinación de humedad

según el protocolo seleccionado. Dichos promedios se sacaron de 20 datos obtenidos para

cada determinación.

Tabla 5. Determinación contenido de humedad

En la figura 26 se observa el comportamiento de la humedad a lo largo de las seis semanas

del estudio, allí se analizaron los porcentajes de humedad de cada especie, estos difieren

entre sí debido a sus diferentes características morfológicas vegetales que permiten una

mayor o menor retención de humedad. En esta determinación influyeron notoriamente las

condiciones ambientales (humedad relativa ambiental, temperatura y corrientes de aire), ya

Muestra SemanaPromedio

Masa Inicial (g)

Promedio

Masa Final (g)

Desviación

Estándar % Humedad

1 1,000 0,889 0,0007 11,13

2 1,001 0,886 0,0007 11,52

3 1,001 0,900 0,0006 10,06

4 1,000 0,895 0,0005 10,48

5 1,001 0,906 0,0006 9,52

6 1,000 0,920 0,0006 7,99

1 1,001 0,931 0,0005 6,95

2 1,000 0,924 0,0004 7,59

3 1,001 0,939 0,0007 6,16

4 1,001 0,937 0,0006 6,42

5 1,000 0,933 0,0007 6,72

6 1,001 0,938 0,0007 6,26

1 1,000 0,888 0,0010 11,22

2 1,001 0,872 0,0007 12,86

3 1,001 0,883 0,0007 11,76

4 1,000 0,886 0,0007 11,42

5 1,001 0,900 0,0005 10,08

6 1,000 0,906 0,0007 9,45

Allium

Cepa

Allium

Fistulosum

Spinacia

Oleracea

40

que, la humedad es un factor de equilibrio entre un sistema y su entorno. En este estudio las

condiciones ambientales no fueron controladas, por lo cual hay una variabilidad entre

semanas que nos muestra picos altos (semana 2 y 4) y bajos (semana 3 y 6).

Fig. 26 Porcentaje de humedad

Los tres residuos estudiados después del secado al aire quedaron con un muy bajo

porcentaje de humedad, al ser este inferior al 30% es factible su aprovechamiento

energético en vías de procesos térmicos, como combustión directa, pirólisis o gasificación

(Escalante H., et al, 2009). De acuerdo a la humedad el potencial para el aprovechamiento

energético es mayor en Allium fistulosum, seguido de Allium cepa y Spinacia oleracea

respectivamente.

8.3. Cenizas

La tabla 6 muestra los datos resumidos para la determinación de cenizas según el protocolo

seleccionado. Dichos promedios se sacaron de 20 datos obtenidos para cada determinación.

41

Tabla 6. Determinación contenido de cenizas

En la figura 27 se observa el comportamiento del contenido de cenizas a lo largo de las seis

semanas del estudio, el contenido de cenizas en los diferentes residuos de biomasa es

variado, puede ser desde del 0,5% al 20%, este último si están contaminados con tierra de la

cosecha (Melissari B., 2012). En la figura 27 se analizó que el contenido de cenizas no

sigue un comportamiento predecible, ya que, estos valores se ven afectados por la presencia

de ceniza foránea, las cuales son partículas minerales que se adhieren a la biomasa desde el

proceso de cosecha, distribución y generación del residuo. El porcentaje real de cenizas en

la biomasa está dado por la ceniza inherente, la cual está unida y hace parte de los tejidos,

este tipo de ceniza presenta una mayor movilidad (Melissari B., 2012), por lo cual se

analizó que en las semanas que ocurre un descenso en las cenizas (semana 3-4) es porque

esta ceniza se ha drenado en los lixiviados. Cuando el porcentaje de cenizas aumenta

(semana 1-2 y 5-6) posiblemente se debe a que en el proceso de formación de las cenizas,

las cenizas livianas se aglomeraron para formar unas cenizas gruesas mayores a 10 micras

(Melissari B., 2012) lo cual evidentemente generó cambios de forma, tamaño y

composición de las mismas, aumentando su contenido; esto depende de muchos factores,

Muestra SemanaPromedio

Masa inicial (g)

Promedio

Masa final (g)

Desviación

Estandar % Cenizas

1 0,889 0,812 0,0005 8,65

2 0,886 0,798 0,0006 9,89

3 0,900 0,794 0,0005 11,83

4 0,895 0,798 0,0006 10,88

5 0,906 0,806 0,0006 11,04

6 0,920 0,818 0,0006 11,11

1 0,931 0,826 0,0005 11,33

2 0,924 0,766 0,0005 17,14

3 0,939 0,796 0,0006 15,20

4 0,936 0,829 0,0009 11,41

5 0,933 0,820 0,0006 12,16

6 0,938 0,813 0,0006 13,29

1 0,888 0,839 0,0005 5,57

2 0,872 0,798 0,0006 8,43

3 0,883 0,790 0,0005 10,49

4 0,886 0,805 0,0006 9,10

5 0,900 0,822 0,0005 8,71

6 0,906 0,807 0,0006 10,89

Allium

Cepa

Allium

Fistulosum

Spinacia

Oleracea

42

principalmente de la morfología y composición química del residuo de biomasa, la

temperatura y el tiempo de formación de ceniza (Melissari B., 2012).

Fig. 27 Porcentaje de cenizas

De acuerdo al contenido de cenizas el potencial calorífico para un aprovechamiento

energético es mayor cuando el contenido de cenizas es bajo (Escalante H., et al, 2009).

porque este disminuye el material combustible. Consecuentemente, Spinacia oleracea

tendría un mayor potencial calorífico, seguido de Allium cepa y Allium fistulosum

respectivamente.

8.4. Lignina

La tabla 7 muestra los datos obtenidos en la determinación de lignina insoluble, soluble y

total, estos se calcularon siguiendo las fórmulas establecidas en el protocolo (Ec. 6-8). En

los cálculos el volumen total del filtrado fue de 82 mL, y la alícuota para la medición

espectrofotométrica fue de 5 mL de filtrado que se llevaron a 10 mL con H2SO4 al 3%, lo

cual indica un factor de dilución de 2 para el cálculo del contenido de lignina soluble en el

filtrado. En cuanto a la lignina insoluble, se realizó la corrección de dicho porcentaje

restando el porcentaje de cenizas.

43

Tabla 7. Contenido de lignina: total, soluble e insoluble

En la figura 28 se observa el comportamiento del contenido de cenizas a lo largo de las seis

semanas del estudio para las diferentes especies. En todos los casos se observa un alto

contenido de lignina insoluble, el cual debe tener una corrección por contenido de cenizas y

proteínas (Prinsen P.,2010) esta última no realizada, ya que, no estuvo contemplada dentro

del protocolo empleado y por ende en los análisis investigativos planteados, de igual

manera para la especie Allium cepa, la cual presentó uno de los porcentajes de lignina

insoluble más altos, tiene reportados bajos porcentajes de proteínas, en material fresco del

1,2% (Benítez, 2011). Se recomienda para un posterior estudio de lignina de estos residuos,

realizar una eliminación del material proteínico con el fin de obtener un valor más real del

contenido de lignina, la literatura reporta contenidos de lignina total entre el 5 al 30% para

material fresco (Lincoln T. y Zeiger E., 2006). Evidentemente, los contenidos de lignina

total fueron muy altos para todas las especies y estos variaron semanalmente, en la figura

26 fue muy notorio un aumento del porcentaje lignina en las primeras tres semanas, este fue

Muestra Semana Lignina Insoluble (%) Lignina Soluble (%) Lignina Total (%)

1 70,17 3,51 73,68

2 57,87 4,05 61,92

3 68,12 3,47 71,59

4 55,05 4,45 59,50

5 48,79 3,70 52,49

6 6,73 3,67 10,40

1 46,94 3,76 50,70

2 59,15 4,34 63,49

3 57,71 4,10 61,81

4 64,00 3,20 67,20

5 52,33 2,78 55,11

6 50,07 3,32 53,39

1 25,97 4,16 30,13

2 41,97 4,18 46,15

3 66,83 3,68 70,51

4 58,98 3,85 62,83

5 46,59 3,02 49,61

6 36,59 4,25 40,84

Allium

Cepa

Allium

Fistulosum

Spinacia

Oleracea

44

muy pronunciado en Spinacia oleracea (Figura 28c), esto debido a que durante estas

primeras semanas descomposición hubo una acelerada pérdida de los otros componentes

del material vegetal, siendo la lignina una estructura muy resistente cuya función es de

soporte vegetal, esta permaneció estable durante estas semanas constituyendo altos

porcentajes dentro de la masa total de los residuos de biomasa, y por ello este

comportamiento en las gráficas. A partir de la semana 4, se observó un descenso del

contenido de lignina para todas las especies, y este fue muy pronunciado en especial la

última semana del estudio, lo cual indica que el proceso de descomposición se encontraba

finalizando, pues ya se estaban rompiendo las estructuras más fuertes que posee el vegetal

en su pared celular como lo es la lignina.

Para todas las especies se observó una tendencia con poca variación entre semanas de la

lignina soluble, lo cual indica que esta disminuye de manera proporcional con la masa de

los residuos a medida que ocurre la descomposición. Estadísticamente se comprobó la

influencia de las semanas de descomposición en el porcentaje de lignina soluble mediante

la realización de ANOVA simple (Anexo 1) para cada una de las especies. En dicho

análisis se obtuvieron valores-P de 0,0005 – 0,0002 y 0,0009 para Allium cepa, Allium

fistulosum y Spinacia oleracea respectivamente. Estos valores al ser menores del 0,05

indica que el factor “semanas de descomposición” si influye significativamente en la

variable de salida “Porcentaje de Lignina soluble” con un 95,0% nivel de confianza.

Fig. 28 Contenido de lignina (a) Allium cepa (b) Allium fistulosum (c) Spinacia oleracea

45

De acuerdo al alto contenido de lignina presente en los residuos de biomasa analizados,

estos pueden tener un gran aprovechamiento para suministro energético (Princen P., 2010)

debido a su amplio tamaño molecular y por ende porcentajes de carbono. También, la

lignina sin modificaciones puede ser utilizada como copolímero para incorporarse en

resinas. Además, la lignina tiene aplicaciones directas como ligno-sulfonatos, los cuales se

usan como pesticidas, emulsificantes y secuestradores de metales pesados (Chavez M. y

Dominé M., 2013). Consecuentemente, Allium cepa tendría un mayor uso industrial por el

alto contenido de lignina, seguido de Allium fistulosum y Spinacia oleracea

respectivamente. Adicionalmente, altos contenidos de lignina son limitantes en procesos

industriales para la producción de papel (Princen P., 2010), por ende no se recomienda el

uso de estos residuos para producción de pasta de papel, pues su alto contenido de lignina

requiere un proceso de degradación de la misma para maximizar el rendimiento de la pasta,

lo cual eleva costo y no sería rentable industrialmente. Para la Spinacia oleracea se ha

reportado un bajo porcentaje de celulosa siendo del 5,02% (Doñate T., 2013).

8.5. Análisis Elemental

La tabla 8 muestra los porcentajes de carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre obtenidos

mediante análisis elemental para cada una de las muestras durante las seis semanas de

estudio. En dichos valores se observaron porcentajes considerables de nitrógeno entre el 1-

4% y azufre entre el 0,1-0,6%.

46

Tabla 8. Análisis Elemental: %C,H,N,S

De acuerdo a la tabla anterior y la realización de un análisis estadístico ANOVA simple

(Anexo 2) para cada uno de los porcentajes obtenidos por análisis elemental, se comprobó

que el factor “semanas de descomposición” no tiene una influencia estadísticamente

significativa sobre los porcentajes de carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre (variables de

salida), por presentar valores-P superiores al 0,05 con un nivel del 95,0% de confianza. Los

valores-P fueron: 0,7109 para el porcentaje de carbono, 1,0000 para porcentaje de

hidrógeno, 0,0905 para porcentaje de nitrógeno y 0,4460 para porcentaje de azufre.

Por lo mencionado anteriormente y teniendo en cuenta la amplia actividad biológica del

azufre y el nitrógeno, se analizó que los compuestos nitrogenados y azufrados se pierden

proporcionalmente a medida que ocurre la descomposición, manteniendo un porcentaje

relativamente constante dentro de la masa total en cada una de las muestras.

Muestra Semana Carbono (%) Hidrógeno (%) Nitrógeno (%) Azufre (%)

1 41,424133300 5,3680858610 1,0748938320 0,2607120275

2 41,484905240 5,4735774990 1,5704336170 0,2202411741

3 41,146289830 5,3980078700 1,8724960090 0,2793428600

4 41,263301850 5,3535881040 2,3717815880 0,3852459192

5 42,281894680 5,5255126950 2,1662304400 0,2672425508

6 42,335926060 5,5847239490 2,3727514740 0,2374665737

1 34,389541630 4,325905800 2,406709671 0,4528830349

2 33,072589870 4,327405930 3,494629860 0,5598620772

3 33,214687350 4,371332645 3,457689762 0,5032811165

4 34,987224580 4,663005829 3,708860397 0,6783668995

5 34,337177280 4,544292450 3,436859608 0,5246742964

6 34,111434940 4,482131004 3,310887814 0,4685616791

1 36,446224210 4,835808754 4,953351498 0,2757637203

2 34,182842250 4,544425011 3,998180866 0,2176903635

3 35,483139040 4,681593895 4,466035366 0,2162649632

4 35,022006990 4,658601761 4,407589912 0,2577607036

5 32,825508120 4,363659382 4,283131123 0,2149277329

6 32,558151250 4,358835697 4,082083702 0,1966220289

Allium

Cepa

Allium

Fistulosum

Spinacia

Oleracea

47

Se infiere que el nitrógeno presente en las muestras se perdió de manera proporcional a

medida que ocurrió la descomposición, basado en un proceso de nitrificación y

desnitrificación, en el cual el amonio es oxidado por bacterias autótrofas a nitrato en

presencia de oxígeno y carbono inorgánico, para la posterior eliminación de nitrógeno

molecular 7.

Al igual que el nitrógeno, se analizó que el azufre se perdió de forma proporcional gracias a

la acción bacteriana durante el proceso de descomposición. Las reacciones principales que

se realizan para los procesos de desulfuración aerobia son la sulfatorreducción y posterior

sulfoxidación (UAM, 2010).

a) Sulfatorreducción: Es una reducción de los sulfatos a SH2 realizada por bacterias

sulfatorreductoras, como lo son Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobacter,

Desulfonema, Desulfosarcina.

(9)

b) Sulfoxidación: El SH2(ac) en presencia de oxígeno es usado como fuente de energía por

los microorganismos quimiolitotrofos como Beggiatoa, Thiovulum, Thiothrix, Thermothrix.

(10)

Otras especies termoacidófilas como Sulfolobus obtienen energía a partir de la oxidación de

S0.

(11)

De acuerdo a lo anterior se pudo analizar que dicho proceso de desulfuración fue evidente

porque en el ambiente se percibieron olores desagradables característicos de este proceso.

Adicionalmente, se evidenció una corrosión en las láminas metálicas que permitían el

drenaje de los lixiviados, esto se presume como consecuencia de la producción de ácido

sulfúrico por las bacterias termoacidófilas (Ec. 11).

7 Tomado de: Nitrificación-desnitrificación NDN. Agencia de residuos de Catalunya. España, 2004 [En línea]

http://www.arc-cat.net/es/altres/purins/guia/pdf/ficha5.pdf (Fecha de consulta: Mayo 5 de 2015)

48

De acuerdo a la literatura, a los compuestos azufrados y nitrogenados de la especie Allium

cepa que se muestran en la figura 29 se les atribuye la influencia en los porcentajes de

nitrógeno y azufre determinados. Allí se observa que los compuestos azufrados son

mayoritariamente sulfuros, sulfóxidos y tioles; y los nitrogenados son aminoácidos y

derivados de estos. De los compuestos azufrados del género Allium los que se encuentran

en mayor proporción son los alquenil-cistein-sulfóxidos (S-ACSOs). Un estudio doctoral de

la especie Allium cepa reveló que el contenido de azufre es mayor hacia la parte interna de

la cebolla, y menor en la piel marrón, y el contenido de S-ACSOs representa el 19% en

cebolla entera y entre el 15-35% en los residuos8 (Benítez V.,2011).

Fig. 29 Compuestos azufrados y nitrogenados Allium cepa (Benítez V.,2011)

8 Los residuos considerados en este estudio fueron piel marrón y base-cuello.

49

Para la especie Allium fistulosum se ha reportado la presencia del compuesto azufrado 3,5-

Dimetil-1,2,4-tritiolano (figura 30) (Shrestha, 2007), al cual se le atribuye el alto contenido

de azufre según análisis elemental, además de los aminoácidos azufrados presentes en las

proteínas: metionina y cisteína. Se infiere que el porcentaje de nitrógeno presente en los

residuos de esta especie se debe al contenido proteico.

Fig. 30 Compuestos azufrados y nitrogenados Allium fistulosum (Shrestha, 2007).

Se analizó que en la especie Spinacia oleracea el contenido de azufre presente en los

residuos se atribuye a los sulfatos9 por tratarse principalmente de hojas maltratadas como

residuo estudiado, debido a que las hojas de las plantas almacenan sulfatos en las vacuolas,

estos se redistribuyen por la planta desde las hojas maduras para la formación de hojas

nuevas (Benítez V.,2011) y el porcentaje de nitrógeno se debe a su alto contenido proteico

del 22,75% (Doñate T., 2013).

Los residuos de biomasa de las especies Allium cepa y Allium fistulosum pueden tener una

actividad antifúngica, antibacteriana, antiparasitaria y antiviral (Corzo, 2007) debido al

contenido de azufre encontrado, siendo estos compuestos potentes agentes antimicrobianos

(Rose, 2005).

8.6. Calor de combustión

En la tabla 9 se muestran las entalpías de combustión (J/g) para algunas muestras

analizadas. En dicho proceso se analizaron inicialmente muestras de las cuatro primeras

semanas de la especie Allium cepa con el fin de observar el comportamiento que estas

9 Los sulfatos son industrialmente usados como aditivos en fabricación de vidrios y de cartones especiales.

Tomado de: http://www.textoscientificos.com/quimica/inorganica/azufre/sulfatos (Fecha de consulta: Junio 3

de 2015).

50

seguían durante la descomposición. Estadísticamente, mediante la realización de un

ANOVA simple (Anexo 3), se comprobó que el factor “semanas de descomposición” si

tiene un efecto estadísticamente significativo sobre la variable de salida “entalpía de

combustión” para los residuos de la especie Allium cepa. Esto debido a la obtención de un

valor-P de 0,0000 inferior a 0,05 con un nivel del 95,0% de confianza. Para las especies

Allium fistulosum y Spinacia oleracea sólo se determinaron las entalpías de combustión

para la primera y última semana del estudio.

Tabla 9. Entalpías de combustión (J/g) y relación %C

De acuerdo a las entalpías de combustión determinadas para las muestras se analizó que

dicho comportamiento no presentó demasiada variación con respecto a las semanas de

descomposición debido a que el porcentaje de carbono mantiene un comportamiento casi

constante y este no depende del tiempo de descomposición según análisis estadístico

teniendo en cuenta que el contenido energético de un compuesto es proporcional a las

cadenas carbono-carbono en su estructura (Escalante H., et al, 2009). Las entalpías de

combustión obtenidas para las muestras analizadas son altas comparadas con la madera

seca como combustible sólido, la cual tiene uno de los poderes caloríficos más altos

19000J/g10

. Industrialmente, muchos procesos requieren la vaporización del agua, siendo

10

Tomado de: Poder calorífico de maderas y residuos agrícolas. Termodinámica y termotecnia. Tema 3:

Combustibles [En línea] http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/tablas_tema_3.pdf (Fecha

de consulta: Mayo 7 de 2015)

Muestra Semana Entalpia (J/g) Carbono (%)

1 13799 41,42413330

2 14898 41,48490524

3 14377 41,14628983

4 13783 41,26330185

1 14149 34,38954163

6 14489 34,11143494

1 13896 36,44622421

6 12950 32,55815125

Allium

Cepa

Allium

Fistulosum

Spinacia

Oleracea

51

esta entalpía un valor determinante para la selección de los combustibles a emplear en

dichos procesos. La entalpia de vaporización del agua es 2256 J/g11

lo cual indica que los

residuos de las tres especies analizadas tienen una entalpia de combustión seis y siete veces

mayor que la de vaporización del agua. Es decir, por cada gramo de residuo seco, de las

especies estudiadas, se pueden evaporar 6 y 7 gramos de agua equivalentes a igual cantidad

en mililitros de agua. Por ello, se concluye que resulta muy útil un aprovechamiento de

estos residuos como combustible para diferentes procesos industriales que requieren

evaporación de agua, por ejemplo las hidroeléctricas, disminuyendo el uso de carbón

mineral en calidad de combustible y preservándolo en la naturaleza.

Se comprueba de acuerdo al contenido de lignina, porcentaje de carbono y entalpias de

combustión que Allium cepa tiene un mayor potencial calorífico, seguido de Allium

fistulosum y Spinacia oleracea respectivamente.

8.7. Marcha Fitoquímica

En la tabla 10 se resumen los resultados obtenidos del desarrollo de una marcha fitoquímica

preliminar (Anexo 5) realizada de acuerdo con la metodología descrita (Dominguez X.,

1973; Sanabria A., 1983; Bilbao M.R., 1997; Guzman J., 2007) a las muestras de residuos

provenientes de las especies: Allium cepa (cebolla cabezona), Allium fistulosum (cebolla

larga) y Spinacia oleracea (espinaca) durante las seis semanas de estudio. Dichos

resultados cualitativos se compararon con controles positivos enunciados en la metodología

(Anexo 4).

Los datos obtenidos muestran que el extracto etanólico del residuo de la especie Allium

cepa contiene los siguientes metabolitos secundarios: taninos (presentes en pequeña

cantidad semanas 3 y 6), glicósidos cardiotónicos (presentes en alta cantidad semanas 1 a la

5 y en pequeña cantidad semana 6), sesquiterpenlactonas (presentes en alta cantidad

semanas 2 y 4) y coumarinas (presentes en alta cantidad semana 2). Shenoy et al. (2009)

reportaron en extractos etanólicos de Allium cepa los siguientes metabolitos secundarios:

11

Tomado de: Tablas calor de vaporización. Benphaze. 2015 [En línea]

http://benphaze.com/ (Fecha de consulta: Mayo 7 de 2015)

52

flavonoides (en alta concentración), glicósidos cardiotónicos (en mediana concentración) y

taninos (en baja concentración); asimismo en otro estudio realizado a extractos etanólicos

de esta misma especie (Bidkar et al., 2012), revelaron la existencia de flavonoides,

glicósidos cardiotónicos, saponinas y taninos como fitoconstituyentes principales. De

acuerdo con lo anterior, se encontró que en las condiciones de las pruebas preliminares

realizadas a los extractos, estos presentaron una concordancia cualitativa con lo

determinado por otros autores (Shenoy et al, 2009; Bidkar et al, 2012) en cuanto a la

determinación de taninos y glicósidos cardiotónicos y una discordancia en relación a

sesquiterpelactonas, coumarinas, flavonoides y saponinas. La especie Allium cepa presenta

concentraciones superiores de flavonoides a la existente en otros vegetales (Benítez

V.,2011). Se presume que la cantidad de estos, en los extractos obtenidos, no estuvieron

dentro del límite de sensibilidad de las pruebas realizadas para su identificación.

Igualmente, se sospecha que esto haya ocurrido también con las saponinas que deberían

haber estado presentes en los extractos de acuerdo con la verificación bibliográfica de los

trabajos realizados por Shrestha. (2007) y Bidkar et al. (2012).

Tabla 10. Análisis fitoquímico preliminar: residuos de las especies Allium cepa, Allium

fistulosum y Spinacia oleracea.

Notas: Presente en alta cantidad (++), baja cantidad (+), no detectable (-).

53

Benítez (2011) reporta que entre los flavonoides caracterizados de la especie Allium cepa

se destacan la quercetina (acción antihistamínica y antioxidante) y sus derivados,

isoramnetina y canferol conjugados (Figura 31); siendo los derivados glicosilados de la

quercetina los de mayor importancia. El principal azúcar es la glucosa que se une a la

quercetina en las posiciones 3, 4’ y 7. Además, han sido identificados derivados análogos

del canferol y la isoramnetina como pigmentos minoritarios (Benítez V.,2011).

Fig. 31 Estructuras de algunos flavonoides importantes Allium cepa (Benítez V.,2011).

54

Acorde con lo hallado en la revisión bibliográfica, se han aislado de Allium cepa en las

últimas décadas algunas saponinas (Benítez V., 2011), entre las que se destacan

Alliospirósidos C y D (Figura 32), de los cuales se deriva la sapogenina Cepagenina

(Kravets et al, 1897). Shrestha (2007) ha referenciado la presencia en bajas concentraciones

de esteroides y carotenoides (figura 33): el lanosterol (acción fúngica) y la luteína

(antioxidante).

Fig. 32 Estructuras de algunas saponinas de la Allium cepa. (a) Alliospirósido C (b)

Alliospirósido D (c) Cepagenina (Fuente: Base de datos REAXYS - Elsevier).

Fig. 33 Estructuras de algunos esteroides y carotenoides de la Allium cepa. (a) Luteína (b)

Lanosterol (Fuente: Base de datos REAXYS - Elsevier).

55

De acuerdo con las pruebas fitoquímicas realizadas a los extractos de los residuos de

cebolla larga, Allium fistulosum (Tabla 10), se encontraron en estos la presencia de: taninos

(presentes en baja cantidad semanas 1,5 y 6) y glicósidos cardiotónicos (presentes en baja

cantidad semanas 3 y 6; y en alta cantidad semanas 4 y 5). Además, conforme a la literatura

se han encontrado flavonoides como: myricetina, canferol, quercetina (Figura 34) y sus

derivados, como también la presencia de carotenoides como el beta-caroteno, este último

provitamina A, importante para el ciclo visual (Lako et al, 2012).

Fig. 34 Estructuras de flavonoides y carotenoide de la Allium fistulosum. (a) Myricetina

(b) Quercetina (c) Canferol (d) Beta-caroteno (Fuente: Base de datos REAXYS - Elsevier).

Al igual que en la Allium fistulosum, en la Spinacia oleracea se determinaron (Tabla 10) en

los extractos analizados la presencia de: taninos (presentes en baja cantidad semanas 4 a 6)

y glicósidos cardiotónicos (presentes en baja cantidad semanas 5; y en alta cantidad

semanas 4 y 6). Para la especie Spinacia oleracea se ha reportado la presencia de taninos,

flavonoides y carotenoides (Subhash et al, 2010; Chaturvedi,2013).

La espinaca es un vegetal rico en flavonoides, entre los cuales se ha reportado la presencia

de: myricetina; quercetina y sus derivados; canferol; apigenina; luteolina; patuletina;

espinacetina; jaceidina; 5,3’,4’- trihidroxi - 3 - metoxi - 6:7 - metilenedioxiflavona - 4’ –

56

glucuronido (Figura 35); 3,5,7,3’,4’pentahydroxi-6-metoxiflavona; entre otros (Subhash,

2010).

Fig. 35 Estructuras de flavonoides de la Spinacia oleracea. (a) Myricetina (b) Quercetina

(c) Canferol (d) Apigenina (e) Luteolina (f) Patuletina (g) Espinacetina (h) Jaceidina (i)

5,3’,4’ - trihidroxi - 3 - metoxi - 6:7 - metilenodioxiflavona - 4’ – glucuron (Subhash, 2010).

También se ha revelado en la espinaca la presencia de diferentes carotenoides (Figura 36)

como: luteína, beta-caroteno, violaxantina y 9’-(Z)-neoxantina (Subhash, 2010).

57

Fig. 36 Estructuras de carotenoides de la Spinacia oleracea. (a) Luteína (b) Beta-caroteno

(c) Violaxantina (d) 9’-(Z)-neoxantina (Fuente: Base de datos REAXYS - Elsevier).

8.8. Cromatografía en capa fina

Se realizaron cromatografías en capa fina (CCF) de sílica gel a los extractos etanólicos

obtenidos de los residuos de cada una de las especies estudiadas (Figura 37 a 39). Se

utilizó, como fase móvil, una mezcla de cloroformo-metanol (95:5) y como revelador

vainillina en ácido sulfúrico. Estas se realizaron con el fin de comprobar los metabolitos

secundarios identificados en la marcha fitoquímica preliminar y aquellos que no se

identificaron por MFP (por la sensibilidad de las pruebas) pero están reportados en la

literatura.

Seguidamente se efectuó una cromatografía en capa fina comparativa (Figura 40) utilizando

la misma fase móvil y el mismo revelado a los extractos de las diferentes especies que

presentaron una mayor cantidad de bandas cromatográficas, para realizar la comparación de

los diferentes metabolitos secundarios presentes en éstas. Acorde con lo encontrado en las

CCF realizadas, se observó que las semanas que presentaron el mayor número de bandas

fueron: la 3 (7 bandas) y 6 (5 bandas) para Allium cepa; la 1 y 2 (7 bandas cada una) para la

Allium fistulosum; y la 1 (7 bandas) para la Spinacia oleracea.

58

Evidentemente, los extractos etanólicos de los residuos de cada especie, presentan una alta

cantidad de metabolitos secundarios de mediana y baja polaridad, esto evidenciado por el

alto número de bandas identificadas para cada cromatografía. Debido a que las

cromatografías realizadas fueron en fase normal, allí no es posible identificar metabolitos

de alta polaridad, por ejemplo los fenoles no flavonoides (derivados de ácido benzoico y

ácido cinámico).

Siendo la cromatografía en capa fina un método cualitativo, se analizaron las bandas

cromatográficas de acuerdo a los colores (Anexo 6) revelados con vainillina/H2SO4

(finalizado el calentamiento) y la migración de las mismas de acuerdo a la fase móvil

CHCl3: MeOH (95:5).

El reactivo de vainillina en ácido sulfúrico, es un revelador utilizado ampliamente en la

identificación y detección de metabolitos secundarios por cromatografía en capa fina. Los

flavonoides producen manchas de coloración amarilla-naranja y este reactivo se colorea

rosa con los derivados del resocinol y floroglucinol que no tienen grupos carbonilo

contiguos al anillo (flavandioles y catequinas) (Dominguez X., 1973). Con este reactivo los

esteroides producen color azul violáceo, los triterpenoides y en general los terpenos

producen manchas con una gran variedad de colores (rosa, rojo, violeta, azul y gris). El

reactivo de vainillina con la digitoxina y otros cardiotónicos se revelan de color azul

violáceo y otros esteroides producen coloraciones rosadas, rojas, violetas, azules o verdes.

Las saponinas revelan dando una coloración rosa-violeta o café (Bilbao M.R., 1997). Las

cumarinas no revelan con vainillina.

59

Fig. 37 Cromatografía en capa fina extractos etanólicos de los residuos de Allium cepa.

Fase móvil CHCl3: MeOH 95:5. Revelado: Vainillina / H2SO4

Fig. 38 Cromatografía en capa fina extractos etanólicos de los residuos de Allium

fistulosum. Fase móvil CHCl3: MeOH 95:5. Revelado: Vainillina / H2SO4 (a) Inicio del

calentamiento (b) Fase dos del calentamiento (c) Finalización del calentamiento.

60

Fig. 39 Cromatografía en capa fina extractos etanólicos de los residuos de Spinacia

oleracea. Fase móvil CHCl3: MeOH 95:5. Revelado: Vainillina / H2SO4 (a) Inicio del

calentamiento (b) Finalización del calentamiento.

Fig. 40 Cromatografía en capa fina comparativa entre especies. Fase móvil CHCl3: MeOH

95:5. Revelado: Vainillina / H2SO4 (a) Inicio del calentamiento (b) Finalización del

calentamiento.

La determinación por CCF reveló la presencia de flavonoides (bandas amarillas a amarillas-

naranjas) en las especies Allium fistulosum (bandas A2, B1, C1 y F4) y Spinacia oleracea

(bandas A2 y B1). Asimismo, se observaron bandas características de este tipo de

estructuras en las muestras utilizadas en el análisis de CCF comparativa (bandas A2, B1,

B3, C2, C3, D2, D3 y E2); se presume que posiblemente estas bandas se deban a la

existencia de derivados glicosilados de la myrecetina, canferol y quercetina (Benítez

61

V.,2011; Lako et al, 2012; Subhash, 2010), según lo reportado en la bibliografía. También,

se identificó una serie de bandas características para saponinas (bandas rosa-violeta o café)

en la especie Allium cepa (bandas B1 y C1) y para todas las especies en la CCF

comparativa (bandas B2, C1, C2 y E1). Se sospecha que probablemente las bandas

asociadas a Allium cepa se deba a la presencia de saponinas como Alliospirósidos C y D

(Kravets et al, 1897). El alto grado de retención que presentaron las bandas atribuidas

anteriormente a flavonoides y saponinas, se puede inferir que es debido a la presencia de

estructuras con un alto grado de grupos hidroxilo enlazados a la molécula o en formas

glicosidadas, que incrementan la afinidad hacia la fase estacionaria. Por ende, su mayor

retención y corrimiento más lento. Cabe destacar igualmente que las saponinas son una

clase de metabolitos secundarios difíciles de separar por CCF, debido a las similitudes de

las polaridades de muchos miembros de este grupo (Anaya et al, 2001).

Para las diferentes CCF realizadas, se observó la presencia de bandas de colores rosas,

rojas, violetas, azules, azul-violáceas y grises que son características para esteroides,

triterpenoides y terpenos (rosa, rojo, violeta, azul y gris) así como cardiotónicos (azul-

violácea). La mediana retención que presentan los glicósidos cardiotónicos se debe a la

porción de monosacáridos que representan de 3-5 moléculas que por lo general son

metilpentosas o desoxiazúcares muy especiales (Dominguez X., 1973), ya que la polaridad

que pueden presentar estas incrementa la afinidad de toda la molécula cardiotónica por la

fase estacionaria de silica gel que tiene un carácter polar. Opuesto a esto, los esteroides,

triterpenoides y terpenos presentan un alto carácter apolar por ende una baja afinidad por la

fase estacionaria y una mayor facilidad para eluir. Para la especie Allium cepa, se puede

atribuir la aparición de bandas propias de esteroides a la presencia de derivados del

lanosterol (Shrestha, 2007).

De acuerdo a lo anteriormente analizado, se recomienda para estudios fitoquímicos de los

residuos de especies estudiadas, realizar cromatografías en capa fina comparativas con

patrones de metabolitos secundarios, con el fin de hacer corrección de factor de retención y

así mismo poder analizar bandas con Rf reportados.

62

8.9. Cuantificación de fenoles totales

La cuantificación de fenoles totales se realizó mediante espectrofotometría basada en la

medida del complejo azul formado. Esto aprovechando el carácter reductor de los fenoles

con el reactivo de Folin-Cicocalteau, cuyos constituyentes son el ácido fosfomolíbdico y

fosfotúngstico (Benítez V., 2011). En dicho análisis se construyó una curva de calibración

(Figura 41) empleando como patrón ácido gálico y siguiendo el protocolo planteado por

Stanojević et al., 2009; Singleton, Orthofer y Lamuera, 1999; García, 2005.

Fig. 41 Curva de calibración cuantificación de fenoles totales. Patrón: Ácido Gálico

Inicialmente se midieron las absorbancias para las muestras semana 1 de cada una de las

especies del estudio, de acuerdo a los resultados obtenidos se calcularon los factores de

dilución que se debían seguir para las demás muestras teniendo en cuenta que dichas

absorbancias estuvieran entre el 20-80% de los límites de la curva de calibración con el fin

de reportar los resultados con el mínimo error espectrofotométrico. Los factores de

dilución establecidos fueron 7, 3 y 2 para Allium cepa, Allium fistulosum y Spinacia

oleracea respectivamente. La tabla 11 muestra los resultados de absorbancia con las

concentraciones calculadas mediante el despeje del valor X de la ecuación de la curva de

calibración, cuyo coeficiente de correlación fue bastante cercano al modelo de la recta

R2=0,9988.

Concentración (ppm) Absorbancia

0 0,0000

10 0,0934

20 0,1953

30 0,3048

40 0,4264

50 0,5489

60 0,6605

70 0,7833

80 0,8860

63

Tabla 11 . Cuantificación de fenoles totales equivalentes a ácido gálico

Mediante la realización de ANOVA simple (Anexo 7), se comprobó para cada una de las

especies que existe una diferencia estadísticamente significativa entre la concentración de

fenoles totales (ppm) entre un nivel de semana y otro, con un nivel del 95,0% de confianza,

esto debido a la obtención de valores-P de 0,0000 inferiores al 0,05. La variación de

concentración de fenoles totales se observa en la figura 42.

Fig. 42 Concentración de fenoles totales (ppm)

64

En la figura 42 se observan las semanas en las cuales la concentración de fenoles desciende

(1-3 para Allium cepa, 5-6 para Allium fistulosum y Spinacia oleracea). Se analiza que

este descenso se debe a la pérdida de compuestos fenólicos por lixiviación. En aquellas

semanas en las cuales la concentración de fenoles aumenta (5-6 para Allium cepa, 1-3 para

Allium fistulosum y 1-2 para Spinacia oleracea) se piensa que dicho comportamiento es

debido a la posible incorporación de compuestos de tipo fenólico gracias a la

descomposición de lignina y taninos condensados principalmente. También pudo deberse a

la acción de microorganismos presentes en la descomposición aerobia, los cuales gracias a

las enzimas oxigenasas hidroxilan los compuestos aromáticos, incrementando así el

contenido de fenoles totales.

La piel marrón de la especie Allium cepa tiene reportados los fenoles canferol, ácido p-

hidroxibenzoico, quercetina y ácido vanílico (Shrestha H., 2004) (figura 43). Por ello, se

analizó que dichas estructuras son las que confieren el alto contenido fenólico equivalente a

ácido gálico entre 250 y casi 400 ppm según lo determinado.

Fig. 43 Fenoles presentes en piel de Allium cepa (a) Canferol (b) Ácido p-hidroxibenzoico

(c) Quercetina (d) Ácido Vanílico (Shrestha H., 2004)

La especie Allium fistulosum tiene reportados los fenoles no flavonoides como el ácido

cafeíco, ferúlico, p-cumárico y sinápico (Shrestha H., 2004) como se muestran en la figura

44.

65

Fig. 44 Fenoles presentes en Allium fistulosum (a) Ácido cafeíco (b) Ácido ferúlico (c)

Ácido p-cumárico (d) Ácido Sinápico (Shrestha H., 2004)

La especie Spinacia oleracea, la cual presentó menor concentración de fenoles equivalentes

a ácido gálico tiene reportados los fenoles ácido p-cumárico, o-cumárico y ferúlico como se

muestra en la figura 45 (Base de datos REAXYS - Elsevier).

Fig. 45 Fenoles presentes en Spinacia oleracea (a) Ácido p-cumárico (b) Ácido o-

cumárico (c) Ácido ferúlico (Fuente: Base de datos REAXYS - Elsevier).

De acuerdo a la concentración de fenoles totales, se analiza que los residuos de las especies

Allium cepa pueden presentar una mayor acción antioxidante, seguido de Allium fistulosum

y Spinacia oleracea respectivamente. Para comprobar esto se escogieron las tres muestras

que presentaron mayor concentración de fenoles totales, para cada una de las especies

estudiadas, con el fin de hacer una evaluación de la acción antioxidante por método DPPH.

Las muestras con mayor concentración de fenoles fueron: Allium cepa – semana 1, Allium

fistulosum – semana 3 y Spinacia oleracea – semana 2.

66

8.10. Actividad antioxidante por DPPH

La tabla 12 muestra los resultados de IC50 para las tres muestras a las cuales se les evaluó la

actividad antioxidante por método DPPH. El IC50 fue calculado por medio del software

Minitab 17 empleando un análisis de Probit (Anexo 8). Los datos insertados en el programa

fueron los siguientes:

-Número de eventos: % inhibición (Ecuación 9)

-Número de ensayos: Total 100%

-Estímulos: Concentraciones 500, 250, 125, 62.5, 31.25, 15.625 y 7.813 µg/mL.

Los cálculos de porcentaje de inhibición fueron realizados con las absorbancias medidas

transcurridos 60 minutos de reacción, teniendo en cuenta que a medida que transcurría el

tiempo el radical DPPH se decoloraba (pasando de violeta a amarillo), disminuyendo así la

absorbancia para las muestras analizadas y consecuentemente aumentando el porcentaje de

inhibición por acción de neutralización del radical. Para los cálculos del porcentaje de

inhibición se tomó como control negativo DPPH y metanol, debido a que los extractos

analizados fueron metanólicos. El control negativo se realizó en 16 pozos, para el cálculo

de porcentaje de inhibición se tomó el promedio de las absorbancias de todos los pozos

transcurridos los 60 minutos (A= 0,527). Como control positivo se realizó la evaluación de

la actividad antioxidante en las mismas condiciones a un patrón de ácido gálico en metanol.

Tabla 12. Concentración inhibitoria media antioxidante (µg/mL)

De acuerdo a la tabla anterior se analizó que los residuos de la especie Allium cepa tienen la

mayor acción antioxidante seguido de Allium fistulosum y Spinacia oleracea

respectivamente, esto en concordancia con los resultados obtenidos en cuantificación de

fenoles totales. Comparando los valores de IC50, los residuos de la especie Allium cepa

67

presentan tres veces mayor actividad antioxidante que la especie Allium fistulosum, y esta

última casi tres veces que Spinacia oleracea. Evidentemente, el patrón de ácido gálico tiene

una actividad antioxidante bastante alta, pues su IC50 es una baja concentración de 26,116

µg/mL, esto relacionado con el IC50 de la especie Allium cepa indica que esta especie

presenta una actividad antioxidante 13 veces menor que el ácido gálico. De acuerdo a esta

última especie, la cual presentó mayor actividad antioxidantes se ha reportado que la piel

marrón tiene el mayor contenido de fenoles totales (52,7 mg equivalentes a ácido gálico)

comparado con la cebolla entera, capas internas, capas externas y base-cuello; dicha

actividad antioxidante de la piel marrón de Allium cepa se atribuye a la quercetina (Benítez

V., 2011). Por lo tanto, se sugiere un aprovechamiento del residuo de Allium cepa como

antioxidante.

68

9. CONCLUSIONES

Se realizó el estudio de humedad, cenizas, lignina soluble e insoluble, análisis

elemental, calor de combustión y cuantificación de fenoles totales durante seis semanas

de descomposición en residuos de las especies Allium cepa (cebolla cabezona), Allium

fistulosum (cebolla larga) y Spinacia oleracea (espinaca). Dichas determinaciones

presentaron diferentes variaciones de acuerdo a la morfología vegetal de las distintas

especies y al proceso de descomposición que estas tuvieran. De acuerdo a la pérdida de

masa en lixiviados se descomponen más rápido los residuos de Allium fistulosum y

Spinacia oleracea (descenso de masa exponencial), por último Allium cepa (descenso

de masa lineal).

Por el alto calor de combustión los tres residuos de biomasa analizados pueden ser

empleados, de manera directa, para la generación de energía calórica.

Los residuos de la especie Allium cepa debido a su alto contenido de lignina total

(73,68% semana 1) pueden tener aplicación industrial como copolímero de resinas y

como ligno-sulfonatos pueden usarse como pesticida, secuestrador de metales pesados y

agente emulsificante. Por el porcentaje de azufre y su relación con la presencia de

compuestos azufrados como aliina, S-propil-cistein-sulfoxido y S-metil-cistein-

sulfoxido (15-35% en residuos) se sugiere una aplicación como fungicida, bactericida y

antiparasitaria debido a estos compuestos. Biológicamente, debido al alto contenido de

fenoles en los residuos de esta especie y el reporte de los compuestos quercetina

canferol, ácido p-hidroxibenzoico y ácido vanílico, dichos residuos tienen actividad

antioxidante en concordancia con el resultado obtenido de IC50 345,713 µg/mL. Por los

metabolitos secundarios reportados se sugieren actividades antihistamínicas

(quercetina), fúngicas (lanosterol), emulsificantes (Alliprósidos C y D, cepagenina) y

antioxidante (luteína y quercetina).

Los residuos de la especie Allium fistulosum debido a su alto contenido de cenizas (11-

17%) pueden tener aplicación en ecoagricultura, donde son empleadas para la

protección de plagas y hongos. Estos, por presentar los contenidos de azufre más altos

(0,4-0,7%) entre las especies del estudio, y los cuales según reportes se deben al

compuesto 3,5-Dimetil-1,2,4-tritiolano, pueden tener actividad fungicida, bactericida y

69

antiparasitaria. Por los altos contenidos de lignina total (50-67%), dichos residuos

pueden tener aplicación industrial como copolímeros de resinas y ligno-sulfonatos. Por

la reportada presencia de fenoles no flavonoides: ácido cafeico, ferúlico, p-cumárico y

sinápico, en concordancia con el IC50 911,229 µg/mL, dichos residuos biológicamente

presentan actividad antioxidante. Según los metabolitos secundarios reportados,

biológicamente se sugiere el aprovechamiento del canferol como antibacteriano y del

beta-caroteno para tratamientos de pacientes con problemas visuales.

Los residuos de la especie Spinacia oleracea por el porcentaje de azufre (0,20-0,28%)

el cual se atribuye a los sulfatos, pueden tener aplicación industrial debido al uso de

estos como aditivos en fabricación de vidrios y de cartulina-cartones especiales. Según

los flavonoides reportados: myricetina, quercetina, canferol, apigenina, luteolina,

patuletina, espinacetina y jaceidina, se sugieren aplicaciones biológicas para el

tratamiento de problemas cardiovasculares y antihistamínicos. Por el contenido de

carotenoides luteína, beta-caroteno, violaxantina, neoxantina, dichos residuos pueden

emplearse industrialmente como pigmentos.

10. PARTICIPACIÓN EN EVENTOS DE INVESTIGACIÓN

El presente trabajo ha sido presentado previamente en tres eventos de investigación

(Anexo 9).

-Evento: XII Encuentro regional de semilleros de investigación (Redcolsi)

Bogotá D.C, Mayo 2014

-Evento: XVII Encuentro Nacional y XI Internacional de semilleros de investigación

(Redcolsi)

Tunja, Octubre 2014

-Evento: XIII Encuentro regional de semilleros de investigación (Redcolsi)

Bogotá D.C, Mayo 2015

70

11. ANEXOS

Anexo 1. ANOVA simple para porcentaje lignina soluble por semanas de descomposición

Anexo 2. ANOVA simple para análisis elemental %C, H, N, S por semanas de

descomposición

71

Anexo 3. ANOVA simple para calor de combustión (J/g) por semanas de descomposición

Anexo 4. Controles positivos Marcha fitoquímica preliminar

Carotenoides β-caroteno - Daucus carota Salkowski

Ácido tánico 5%

Hibiscus sabdariffa L

Malvaceae

Ácido tánico 10%


Malvaceae

Ácido tánico 10% Gelatina - sal

Cloruro férrico

Acetato de Plomo

Taninos

72

Shinoda

Ananas comosus

Quercetina Leucoantocianidinas

Antrona 5% Bornträger – Kraus

Antrona 5%

Comportamiento ante

ácido y donador de

electrones

Antrona 5%

Alizarina 5%

Quercetina

Flavonoides Rosenhein

Rodamina y amoniaco

Quinonas

73

Chamaemelum nobile Hidroxamato Ferrico

Erlich

Fluorescencia

Dragendorff

Valser

Mayer

Wagner

Schleiber


Malvaceae

Cumarinas y

Sesquiperlactonas

Lupinus mirabilisAlcaloides

74

Anexo 5. Marcha fitoquímica preliminar, pruebas por grupo de metabolitos secundarios

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

Carotenoides Salkowski

Liebermann – Burchard

Dienos homoanulares

Esteroides (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+)

Cloruro férrico (+) (+) (+) (+)

Acetato de plomo (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+)

Gelatina – sal (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+)

Shinoda (+)

Rosenhein

Leucoantocianidinas

Bornträger – Kraus

Comportamiento ante ácido y

donador de electrones (+) (+) (+)

Rodamina y amoniaco (+)

Espuma (+) (+) (+)

Rosenthaler

Baljet (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+)

Tollens (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+)

Antrona (+) (+) (+) (+) (+)

Molish (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+)

Sesquiterpenlactonas Hidroxamato férrico (+)

Hidroxamato férrrico (+) (+)

Erlich (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+)

Valser (+) (+) (+) (+)

Mayer

Dragendorff

Schleiber (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+) (+)

Wagner (+)

Esteroides y

triterpenoides

METABOLITO

SECUNDARIOPRUEBA

Allium Cepa Allium Fistulosum Spinacia Oleracea

Alcaloides

Taninos

Flavonoides

Quinonas

Saponinas

Cardiotónicos

Coumarinas

75

Anexo 6. Bandas y colores de cromatografías en capa fina

BandaColor

Vainillina/H2SO4Banda

Color

Vainillina/H2SO4

A1 Indigo C7 Indigo

A2 Magenta D1 Violeta

B1 Café claro D2 Indigo

B2 Indigo E1 Gris

B3 y B4 Magenta E2 Violeta

C1 Café claro E3 Indigo

C2 Gris F1 Gris

C3 Gris F2 Indigo

C4 Indigo F3 Indigo

C5 Magenta F4 Magenta

C6 Magenta F5 Indigo

Allium Cepa

BandaColor


Color


Color


Color


Color

Vainillina/H2SO4

A1 Amarillo-Café B1 Amarillo C1 Café D1 Café E1 Café

A2 Amarillo B2 Café C2 Amarillo D2 Amarillo E2 Amarillo

A3 Orquidea B3 Amarillo C3 Amarillo D3 Amarillo E3 Orquidea

A4 Indigo B4 Gris oscuro C4 Azul oscuro D4 Gris E4 Azul Rey

A5 Violeta B5 Orquidea C5 Vinotinto D5 Vinotinto E5 Violeta

A6 Morado B6 Morado C6 Morado D6 Morado E6 Morado

A7 Magenta B7 Magenta C7 Magenta D7 Magenta E7 Indigo

Allium Cepa Allium Fistulosum Spinacia Oleracea

CROMATOGRAFÍA COMPARATIVA

76

Anexo 7. ANOVA simple para concentración de fenoles (ppm) por semanas de

descomposición

Anexo 8. Tabla percentiles para IC50 de actividad antioxidante. Análisis Probit, Minitab 17

78

Anexo 9. Certificados de participación en eventos de investigación

81

12. REFERENCIAS

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