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Introducción
La ‘higuerilla’ (Ricinus communis L.), pertenece al orden de las Euphorbiales y a la familia de la Euphorbiaceae (Cronquist, 1981), esta especie oleaginosa se encuentra ampliamente distribuida en México, y posee alto potencial de producción de semilla para la obtención de aceite (Martínez et al., 2012; Solís-Bonilla et al., 2016). A nivel mundial se conoce comúnmente como ‘higuera del infierno’, ‘tártago’, ‘higuereta’, ‘ricino’, ‘palma de cristo’, ‘mamoneira’, ‘mamona’, ‘castor bean’ y ‘castor oil plant’, entre otros (Falasca et al., 2012), es un arbusto cuyo centro de origen es controvertido, aunque se especula que puede ser nativo tanto de Asia como de América, oficialmente se reconoce que proviene de África. Su amplia diversidad genética se traduce en distintas características como altura de planta, color del fruto, tallo y hojas, ausencia o presencia de espinas y dehiscencia en los frutos, así también en tamaño y composición química de la semilla, entre otras características que pueden variar en función del cultivar y de las condiciones agroecológicas donde se encuentren las plantas.
La importancia económica de esta oleaginosa radica en el aceite que contiene su semilla, el cual es empleado como materia prima en diversidad de productos, tales como: pinturas, tintas, lubricantes, poliuretanos, nylon y fluidos funcionales, entre otros (Mutlu y Meier, 2010). Los principales países productores son: India (1.7 millones t), China (40 mil t), Mozambique (69 mil t), Etiopía (11 mil t) y Brasil (37 mil t), aproximadamente (FAO, 2014). Es así y considerando las actuales condiciones de presión sobre la explotación y uso de los hidrocarburos, los aceites vegetales son considerados una fuente alternativa renovable, para obtener compuestos capaces de sustituir a los provenientes de origen fósil (Conceição et al., 2007). Es por ello, que el aceite de ricino recientemente ha despertado gran interés como materia prima en la producción de biodiesel (Berman et al., 2011).
Además del contenido de aceite, la semilla de higuerilla contiene compuestos nutricionales como proteínas, carbohidratos y minerales diversos; así como compuestos tóxicos y alergénicos, los cuales limitan el consumo tanto humano como animal (Audi et al., 2005), estos fitoquímicos presentes en el tejido de la planta y las semillas de higuerilla tienen posibles usos medicinales (Morris, 2004), es así como esta actividad citotóxica se utiliza en terapias experimentales y ensayos clínicos capaces de dirigir estos anticuerpos a células cancerígenas sin dañar las células normales (Olsnes et al., 1981; Lam et al., 2004). A pesar de los múltiples usos industriales que se le ha conferido a la higuerilla, en México se localiza distribuida de manera silvestre, es común considerla como una maleza en áreas urbanas y agrícolas, entre tanto que la producción comercial de esta especie se encuentra en fase inicial en estados como Chiapas, Guanajuato, Querétaro, Sonora y Yucatán, entre otros; mientras en el estado de Oaxaca se siembra desde hace varias décadas.
Particularmente, esta investigación se desarrolla en el marco de un proyecto integral de mejoramiento genético y agronómico de higuerilla, requiriéndose generar información de los materiales genéticos silvestres existentes en el país, para seleccionar y propagar accesiones que tengan potencial como materia prima de uso agroindustrial. Considerando lo anterior, el objetivo de este trabajo fue evaluar doce accesiones de R. communis, provenientes de colectas realizadas en los estados de Aguascalientes, Jalisco, San Luis Potosí y Zacatecas, México con base en su composición química de semilla y calidad de aceite.
Materiales y métodos
Material biológico
Las muestras utilizadas pertenecen al banco de germoplasma del Colegio de Postgraduados, Campus San Luis Potosí, México (Cuadro 1). Durante el año 2013, se colectaron semillas completamente al azar de doce accesiones de higuerilla en los estados de San Luis Potosí, Aguascalientes, Zacatecas y Jalisco, México; las plantas de higuerilla se encontraban en zonas entre 1 400 y 2 400 msnm. Las doce accesiones fueron colectadas siguiendo transectos en las diferentes regiones de influencia, a partir de plantas sin presencia de plagas y enfermedades, vigorosas, con dotación de semilla y características de producción agronómica. Se registraron datos de geo posicionamiento, características de la planta y aspectos agroambientales, así como la descripción e identificación de los materiales colectados (Isaza et al., 2017).
Análisis químico proximal de las accesiones de R. communis L.
Para el análisis químico proximal se utilizaron semillas de higuerilla con cáscara. Las determinaciones fueron realizadas mediante técnicas recomendadas por la AOAC (2002). El contenido de proteína (954.01) se determinó en un sistema Kjeldahl (Labconco, USA) utilizando un factor de conversión a proteína de 6.25. El contenido de fibra cruda (962.09) fue obtenido por digestión con ácido sulfúrico e hidróxido de sodio en un equipo digestor (Ankom, USA). La humedad se determinó por método gravimétrico (7.003), utilizando horno de secado (Felisa, México). Para el contenido de cenizas se empleó la calcinación (923.03) utilizando una mufla de terrígeno (Novatech, México). El contenido de aceite se determinó de acuerdo a la metodología descrita por Loredo et al. (2012), en un sistema de extracción de aceite (Soxtec, USA). Finalmente, los carbohidratos fueron calculados por diferencia de los demás componentes ya determinados (Bello-Pérez et al., 2001).
Extracción y evaluación de calidad del aceite de R. communis L.
El aceite fue extraído por método mecánico a través de un prototipo en acero inoxidable con capacidad máxima de 400 g de semilla, provisto de un cilindro para contener la semilla y un émbolo para ejercer presión acoplados a una prensa hidráulica (Mikel, México) con capacidad máxima de presión de 700 kg F cm-2. Para evaluar la calidad del aceite obtenido, se determinaron parámetros como: viscosidad, densidad, índice acidez (IA) y porcentaje de ácidos grasos libres (% AGL). Para la determinación de viscosidad y densidad se utilizó un equipo Stabinger VM 3000 (Anton Paar, Austria), con la metodología reportada en la norma ASTM D 445. La densidad fue calculada como la relación entre la masa y el volumen (g cm-3) a las mismas condiciones de presión y temperatura. El porcentaje de ácidos grasos libres (AGL) e índice de acidez (IA) fueron determinados de acuerdo a la ISO660:1983 y a la metodología descrita por Firestone (1996), utilizando titulación con hidróxido de potasio 0.1N y fenolftaleína como indicador. El IA fue expresado como la cantidad en miligramos de KOH, que se requiere para neutralizar los ácidos grasos libres en un gramo de aceite (mg KOH g-1).
Análisis estadístico
Los resultados fueron expresados como la media de tres experimentos independientes ± desviación estándar (DE). Diferencias entre medias se analizaron mediante la prueba de Tukey (p< 0.05). Se realizó un análisis de componentes principales (ACP) por el método de Ward y se graficó en un dendrograma. Los análisis estadísticos se efectuaron con los programas Minitab 17® y R®.
Resultados y discusión
Análisis químico proximal
Los resultados obtenidos para la composición químico proximal de las accesiones son presentados en el Cuadro 2. El contenido para cada uno de los parámetros evaluados en las semillas de higuerilla presentaron diferencia estadísticamente significativa (p< 0.05). Dichas diferencias se pueden atribuir a distintos factores entre los que se destacan la variabilidad genética, las condiciones del sitio de colecta, la estacionalidad y otros factores ecológicos y de crecimiento (Hidalgo et al., 2009). Debido a estas diferencias en todas las variables de respuesta, es aliciente la implementación de estrategias multivariadas.
Los resultados son expresados como la media de tres réplicas ± desviación estándar (expresados en base seca). Diferentes letras en la misma columna expresan diferenciassignificativas (p< 0.05) en la prueba de Tukey. *= factor de conversión: 6.25; CHO= carbohidratos obtenido por diferencia.
Cuadro 2 Análisis químico proximal de las accesiones de R. communis L.
Aceite
La mayoría de las accesiones de higuerilla presentaron un contenido de aceite promedio de 50%; sin embargo, accesiones como SLPS3C1, AGSS3C1 y AGSS4C1 evidenciaron una disminución hasta de 8%. Contenidos similares, fueron reportados por Armendáriz et al. (2015), quienes registraron valores entre 42% y 50.5% para semillas de higuerilla colectadas en varios estados de México. Por su parte, Goytia-Jiménez et al. (2011) registraron valores entre 12.2% y 64.84% en 151 accesiones colectadas en el estado de Chiapas. Autores como Bello-Pérez et al. (2001), obtuvieron valores similares a los registrados en este trabajo en semillas oleaginosas como cacahuate (Arachis hypogaeae) y girasol (Helianthus annuus) (47% y 51%, respectivamente). Asimismo, Martín et al. (2010) evidenciaron contenidos semejantes en semillas con potencial bioenergético como piñón mexicano (Jatropha curcas) (49.1%), nim (Azadirachta indica) (39.7%), moringa (Moringa oleifera) (38.1%), trisperma (Aleurites trisperma) (62%) y nuez de la India (Aleurites moluccana) (56.3%). Por consiguiente, se confirma que la semilla de higuerilla constituye una materia prima para la producción de aceite, que puede ser utilizado en la industria farmacéutica, cosmetológica, de lubricantes y para la producción de bioenergía (Mosquera et al., 2016)
Proteína
La accesión SLPS11C1 presentó el mayor contenido de proteína (16.02 ±0.36%), éste resultado se encuentra acorde con Reveles et al. (2010), quienes reportaron valores de 16.7% y 18.6% en semillas silvestres de higuerilla provenientes del estado de Durango-México. Onyeike y Acheru (2002), quienes describen contenidos promedio de 14.4% en semillas de higuerilla de origen Nigeriano. Por su parte, contenidos mayores fueron reportados por Perea et al. (2011) quienes encontraron hasta 28.48% en semillas de higuerilla variedad Tiripiteo. No obstante, diferencias en el contenido de proteína pueden depender de la composición genética y de las condiciones ambientales de la planta (Ortega y Rodríguez, 1979). Por otra parte, el contenido de proteína obtenido en las accesiones evaluadas podría ser potencialmente utilizado como un complemento en la dieta de ganado vacuno, ovino, caprino y peces, entre otros. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la presencia de sustancias tóxicas (alcaloides, alérgenos, entre otros) es una limitante para el uso directo de estas semillas en la alimentación animal o humana, debido a lo cual se requiere de una detoxificación previa.
Fibra cruda
Los valores promedio de fibra cruda, oscilaron entre 12.62% y 21.15%, siendo menor para la accesión SLPS6C1 y mayor para JAL3C1. Makkar, (1998) reportó valores semejantes de fibra cruda en semillas de piñón mexicano (14.6% y 16.4%). De igual forma, datos similares son registrados en algunos tipos de forrajes para animales, tales como harina de soya (12%) y harina de girasol (19%), aunque menores al de heno de alfalfa (45%) (Van-Soest et al., 1991). Con base en los datos obtenidos, se recomienda la utilización de la harina detoxificada de higuerilla, en animales rumiantes, pues la ingesta de alimentos con alto contenido de fibra en animales mono gástricos puede ser causante de problemas de digestión.
Cenizas
El contenido de cenizas obtenido para las doce accesiones de higuerilla se encuentra en un intervalo entre 2.24% y 3.41%, siendo mayor para la accesion SLPS6C1 y menor para AGSS2C1. Lucena et al. (2010) reportaron valores entre 3.01% y 6.95% en una variedad de R. communis brasileña, a diferentes estados de madurez. La cantidad de cenizas presente en las accesiones de higuerilla evidencia el contenido total de minerales, permitiendo conocer de esta forma la presencia de elementos inorgánicos para generar coproductos que generen valor agregado a esta materia prima. Por su parte, Severino et al. (2004) destacan el contenido de minerales presentes en las semillas de higuerilla como un excelente acondicionador de suelo.
Humedad
Contenidos de humedad entre 4.49% y 5.75% fueron obtenidos en las diferentes accesiones de higuerilla. Perdomo et al. (2013); Perea et al. (2011) reportaron valores de 3.89% y 5.64% respectivamente, en colectas de origen mexicano. Variaciones en el contenido de humedad podrían obedecer a condiciones climáticas, desarrollo del cultivo y el tiempo de cosecha de frutos. Sin embargo, los resultados obtenidos para las semillas de higuerilla muestran bajo contenido de humedad (< 6%), característica que las hace menos susceptibles a procesos de deterioro por acciones de microorganismos, pudiendo ser almacenadas y conservadas durante un tiempo determinado sin afectar su viabilidad (Souza et al., 2016).
Carbohidratos
Cuatro accesiones (SLPS6C1, SLPS3C1, AGSS3C1, AGSS4C1) de doce evaluadas presentaron valores superiores al 20%. Annongu y Joseph (2008) encontraron contenidos del 24.88% para carbohidratos en semillas de higuerilla previamente desgrasadas. De acuerdo con los resultados, las semillas de higuerilla pueden ser una buena fuente de energía y complemento para la nutrición de animales, considerando, su previa detoxificación, como ya ha sido mencionado anteriormente. De comprobarse estos contenidos de carbohidratos en las semillas estudiadas, se podría utilizar este subproducto (pasta resultante de la extracción del aceite) en la producción de etanol (Melo et al., 2008).
Calidad de aceite
Los resultados obtenidos para la evaluación de calidad de aceite de doce accesiones de higuerilla se presentan en el Cuadro 3.
Los resultados son expresados como la media de tres réplicas ± desviación estándar. Diferentes letras en la misma columna expresan diferencias significativas (p<0.05) en la prueba de Tukey. Viscosidad y densidad fueron evaluados a 40 °C.
Cuadro 3 Calidad de Aceite de las doce accesiones colectadas de R. communis L.
Viscosidad
Se determinaron valores de viscosidad en el aceite de R. communis desde 250.04 a 265.84 mm² s-1. Estos resultados se encuentran dentro de lo reportado por autores como Costa y Rossi (2000); Scholz y Silva (2008) quienes reportan valores de 248.8 mm² s-1 y 296.87 mm² s-1 para aceites obtenidos de semilla de higuerilla, respectivamente. Se ha reportado que la presencia de un grupo hidroxilo (OH) en el carbono 12, sería el responsable de la alta viscosidad del aceite de ricino (Scholz y Silva, 2008), éstas características le confieren estabilidad extra al aceite y sus derivados para prevenir la formación de hidroperóxidos (Ogunniyi, 2006). Una alta viscosidad y lubricidad en un amplio rango de temperaturas y la insolubilidad en combustibles y solventes petroquímicos alifáticos, lo hacen directamente aplicable como lubricante para equipos que operan en condiciones extremas, así como en la utilización en pinturas, barnices, entre otras (Mutlu y Meier, 2010).
Densidad
La densidad promedio obtenida para los aceites extraídos de las doce accesiones fue de 0.9463 g cm-3 (Cuadro 3). Resultados similares son reportados por Perdomo et al. (2013) quienes encontraron valores promedio de 0.9418 g cm-3 en aceites provenientes de semillas de origen mexicano. Mientras Conceição et al. (2007) reportaron valores de 0.9573 g cm-3 en semillas provenientes de Brasil. Diferencias en la determinación de este parámetro pueden obedecer a pequeñas trazas de agua o impurezas presentes en los aceites, afectando de esta forma la densidad de la sustancia.
Índice de acidez
Los valores para este índice de calidad oscilaron desde 0.5415 hasta 2.2178 mg KOH g-1, Pradhan et al. (2012), caracterizaron aceite de higuerilla para producción de biodiesel con un valor de 0.91 mg KOH g-1. Por su parte, Ogunniyi (2006) señala que el aceite de ricino es un compuesto polihidroxilado de origen natural, el cual presenta como limitante una ligera reducción del índice de hidroxilo y del índice de acidez durante el almacenamiento. La reducción de estos valores puede ser causada por la reacción entre los grupos hidroxilo y carboxilo de la molécula de aceite dando lugar a la formación de estolidez. El índice de acidez en el aceite crudo se ve influenciado por los tratamientos poscosecha y de almacenamiento como temperatura, humedad entre otras.
Porcentaje de ácidos grasos libres
Los resultados obtenidos para el porcentaje de ácidos grasos libres presentaron diferencia significativa (p< 0.05) con variaciones desde 0.272% a 1.1156% para las doce accesiones evaluadas. Valores menores de (%) AGL fueron encontrados en las accesiones SLPS11C1< ZACS2C1< JALS2C1. De acuerdo con los requerimientos del sector industrial, un porcentaje de ácidos grasos libres óptimo debe ser menor al 0.5%; sin embargo, para la obtención de biodiesel es permitido hasta 3%, utilizando catalizadores básicos homogéneos como hidróxido de sodio o potasio (Moser, 2009).
Análisis multivariado
El análisis de correlación de Pearson al 99% de confianza para las variables estudiadas (Figura 1), expresan valores puntuales de las diferentes relaciones entre las variables. El rango de variación de la correlación es de -1 a 1. Los resultados encontrados permitieron determinar que a mayor contenido de aceite, proteína y fibra cruda (67 - 86%) se tendrá menor contenido de cenizas, humedad y carbohidratos en semilla y viscosidad en aceite. Mientras que el índice de acidez y los ácidos grasos libres tienen una correlación de 100%.
Figura 1 Coeficiente de correlación entre la composición química y la calidad de aceite de R. communis. Aceite(%); proteína (%); FC= fibra cruda (%); cenizas (%),humedad (%); CHO= carbohidratos (%); viscosidad (mm² s-1); densidad (g cm-³); IA= índice de acidez (mg KOH g-1); AGL= ácidos grasos libres (%).
Análisis de componentes principales
Por su parte, los resultados de los agrupamientos y relaciones entre las doce accesiones de higuerilla estudiadas se presentan con base al análisis de componentes principales de seis variables del análisis químico proximal y cuatro variables para la calidad del aceite. En el Cuadro 4, se concluye que con al menos cuatro componentes principales se explica 88.1% de la varianza total acumulada de los datos.
El componente principal 1 (CP1), permite explicar el 46.9% de la varianza global; con valor propio de 4.69, este componente principal presenta una mayor asociación con las siguientes cuatro variables: carbohidratos (41.8%), proteína (41.1%), lípidos (38.2%) y fibra cruda (38.2%), los cuales tienen alta participación en la definición del CP1, por lo que se puede interpretar que altos valores presentes en este componente principal tienen tendencia a valores promedios altos en estos cuatro nutrientes mencionados anteriormente.
Por su parte, el componente principal 2 (CP2), participa con un valor propio (1.98) y el 19.8% de la varianza explicada, en la cual se encuentra la variable humedad (60.7%), viscosidad (55.5%) y densidad (55.3%), dos variables que hacen referencia a la calidad del aceite y una a la semilla. En el componente principal (CP3), se encuentra índice de acidez (46.2%) y ácidos grasos libres (46%), este componente está conformado solo por atributos de calidad del aceite. Finalmente el último en el CP4 se encuentra cenizas la cual no se asocia con ninguna otra variable, el considerar está componente permite adicionar 7.6% de la variación del proceso explicado.
Análisis por conglomerados
De acuerdo con el análisis por conglomerados (Figura 2), las doce accesiones de higuerilla se clasificaron en grupos relativamente homogéneos, usando una similitud de 66.6%, por medio de la distancia euclidiana como método de agrupación. Se identificaron tres conglomerados predominantes para las doce accesiones. El primero conformado por: SLPS11C1, ZACS3C1y AGSS2C1, el segundo integrado por: ZACS2C1, JALS1C1, ZACS1C1, JAL3C1 y JALS2C1; y el tercero por: SLPS6C1, AGSS3C1, AGSS4C1 y SLPS3C1.
Conclusiones
Los resultados obtenidos sugieren que la relación entre la composición química y la calidad del aceite de la semilla puede estar afectada por características ambientales y genéticas asociadas a su origen silvestre de manera independiente al sitio de colecta. SLPS11C1 presentó mayor contenido de aceite y proteína, a diferencia de JAL3C1 quien presentó mayor contenido de fibra cruda. Por su parte, AGSS2C1 reportó una mayor viscosidad, mientras SLPS11C1 un menor índice de acidez y porcentaje de ácidos grasos libres. Aunque los resultados sugieren que SLPS11C1 y AGSS2C1 pueden ser accesiones útiles para la explotación integral del cultivo, estas semillas de higuerilla pueden ser consideradas como materia prima estratégica industrial o bioenergética. Para lo cual, se recomienda realizar trabajos de determinación de carbohidratos, contenido de azúcares, almidón y celulosa. Finalmente, los datos obtenidos en el presente trabajo pueden ser considerados para futuros trabajos de mejoramiento genético y agronómico.
