Introducción

La pared celular vegetal está compuesta, principalmente, por celulosa (35-50 %), hemicelulosas (10-35 %) y lignina (15-40 %), por lo que estos compuestos se les conoce en su conjunto como materiales lignocelulósicos (^{Chen, 2014}). Debido al origen biológico de las plantas y a su composición química, se consideran como una fuente potencial para la obtención de energías limpias y diferentes productos químicos. En la madera, la composición lignocelulósica corresponde de 90 a 99 % de su peso seco (^{Fengel y Wegener, 2003}), que varía dentro y entre especies, así como entre individuos que dependen, a su vez, de las combinaciones genéticas, de la edad y de las condiciones de crecimiento de cada taxón (^{Kilpeläinen et al., 2003}; ^{Yang et al., 2012}).

Además de los principales componentes de la madera, existe un pequeño porcentaje de extractivos (4-12 %) que están conformados por grasas, ceras, fenoles, terpenos, ácidos resinosos y gomas, entre otros (^{Rowell et al., 2005}), así como de cenizas, de 0.08 a 2 %. Los extractivos afectan las propiedades de la madera como la durabilidad natural, la densidad básica, el color y la higroscopicidad. También influyen en algunos procesos como el pulpeo y la fabricación de papel, el secado y la adhesión (^{Umezawa, 2001}).

La celulosa es uno de los biopolímeros más abundantes de la naturaleza, del cual se pueden obtener productos textiles, alimenticios o farmacéuticos, pulpa y papel, así como bioetanol; de las hemicelulosas: xilitol, ácido ferúlico y láctico (^{Saha, 2003}); mientras que de la lignina: ligno- sulfonatos, resinas poliméricas y aditivos para adhesivos, compuestos aromáticos como la vainillina que se utiliza en productos farmacéuticos, de limpieza, perfumes, helado y chocolate (^{MacKay et al., 2009}). Los productos derivados de la madera dependen de sus componentes químicos y del conocimiento que se tenga de ellos; por lo tanto, es importante investigar su composición básica para saber las cantidades de los compuestos químicos principales, para evaluar la factibilidad técnica y económica de la obtención de productos (^{Sadhukhan et al., 2014}).

En México existen 46 especies, tres subespecies y 22 variedades de pinos (^{Sánchez, 2008}), que representan 42 % de las especies del mundo. En el estado de Durango se han identificado 20 especies (García y González, 1998), de las cuales 18 se localizan en la región de Pueblo Nuevo (^{Gutiérrez et al., 2008}). Por el volumen disponible, las que más se aprovechan en esa región son Pinus cooperi C. E. Blanco, P. durangensis Martínez, P. teocote Schiede ex Schltdl. & Cham., P. leiophylla Schlecht. ex Cham, P. ayacahuite Ehrenb. ex Schltdl., P. engelmannii Carr., P. herrerae Martínez, P. pseudostrobus Lindley, P. douglasiana Martínez, P. michoacana Martínez, P. oocarpa Schiede y P. maximinoi H. E. Moore (^{Meraz, 2001}).

A pesar de la importancia económica que tiene la madera de los pinos en Durango, no se ha estudiado su composición química y en general, ese tipo de investigaciones en el país están limitados a pocas especies como Pinus ayacahuite, P. cembroides Zucc., P. johannis M.-F. Robert, P. leiophylla, P. maximartinezii Rzedowski, P. michoacana var. cornuta Martínez, P. montezumae Lamb., P. oocarpa, P. patula Schltdl. et Cham, P. pinceana Gordon, P. pringlei Shaw, P. pseudostrobus, P. rudis Endl., P. strobus L. y P. teocote (^{Islas, 1992}; ^{Ávila, 2011}; ^{Bernabé et al., 2013}; ^{Lima, 2013}). Sus resultados indican que la madera de tales taxa contiene celulosa (45.84 ± 12.26 %), hemicelulosas (24.5 ± 8.5 %) y lignina insoluble (27.9 ± 2.3 %); así como extractos, que pueden variar en función del tipo de solvente utilizado, que alcanzan valores de 6.9 ± 6.6 % en agua caliente, de 8.7 ± 6.4 % en etanol-tolueno y de 20.2 ± 6.3 % en hidróxido de sodio (NaOH) al 1 %.

Así, el objetivo de este trabajo fue determinar la composición lignocelulósica, el contenido de extractos en etanol-benceno y etanol, además de la cantidad de cenizas de la madera de tres de las especies de pino más aprovechadas en Pueblo Nuevo, Durango (Pinus ayacahuite, P. leiophylla y P. herrerae) como una aportación al conocimiento técnico que las describe.

Materiales y Métodos

Se eligieron y derribaron seis árboles de Pinus ayacahuite en la comunidad denominada “Peña” (23°34’38.24” N, 105°22’22.44” O), seis de P. leiophylla en la de “Mesa del Venado” (23°26’45” N, 105°21’56” O) y cinco de P. herrerae en la “Colorada” (23°24’35” N, 105°23’4” O) del ejido Pueblo Nuevo, Durango. Se tomaron muestras de hojas y conos de cada árbol derribado para realizar la identificación taxonómica, la cual estuvo bajo la responsabilidad de la curadora del Herbario Nacional Forestal “Luciano Vela Gálvez” (INIF) del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias. Los individuos seleccionados estaban sanos, con fuste recto y libres de daños externos visibles. Las dimensiones fueron de 32.5 a 42.5 cm de diámetro normal (DN) y de 17 a 23.5 m de altura para Pinusayacahuite, de 32 a 39 cm de DN y de 15 a 22m de altura para P. leiophylla y de 32 a 40 cm de DN y de 17 a 25 m de altura para P. herrerae.

De cada árbol se tomaron dos trozas de 3 m en la parte baja, que fueron aserradas para producir una sección de 7 cm de ancho de la parte central de cada una y después piezas de 5 cm x 5 cm x 3 m; se hizo una elección aleatoria de dos piezas por troza y una porción de 20 cm de largo de cada una (Figura 1), libre de defectos como nudos o porciones de resina. Por la forma de seleccionar las muestras no fue posible separar la madera de albura y de duramen.

Figura 1 Ilustración de la obtención de muestras. 

Las piezas de 5 cm x 5 cm x 20 cm fueron cepilladas en un canteador eléctrico Mizutti de dos cuchillas para obtener la viruta, la cual se secó a temperatura ambiente (20 °C); la correspondiente a cada pieza se mezcló, se molió en un molino tipo Thomas Wiley y se tamizó en mallas de los números 40 (0.425 mm) y 60 (0.250 mm). Para las diferentes determinaciones se utilizó el material molido que fue retenido en la malla 60; se hicieron cinco repeticiones por determinación por individuo, lo que dio un total de 25 a 30 mediciones por especie.

Para el análisis químico, las muestras se prepararon de acuerdo con la norma TAPPI T264 cm-97 (^{TAPPI, 2007c}) y la cuantificación de extractos en etanol-benceno y en etanol se efectuó con base en los procedimientos de la norma TAPPI T 204 cm-97 (^{TAPPI, 2007a}); la cuantificación de lignina se llevó a cabo con la técnica de la norma TAPPI T 222 om-02 (^{TAPPI, 2007b}). El procedimiento descrito por ^{Rowell et al. (2005)} se usó para determinar la holocelulosa y la norma ASTM D103-77 (^{ASTM, 1977}) para la de celulosa, mientras que las hemicelulosas se calcularon por diferencia de peso.

A los datos obtenidos en cada una de las determinaciones se les aplicó las pruebas de normalidad de Shapiro-Wilk (^{Razali y Wah, 2011}) y de Bartlett para homogeneidad de varianzas (^{Milliken y Johnson, 2009}). Las diferencias entre especies se calcularon mediante una comparación múltiple de medias por el método de Bonferroni (^{Milliken y Johnson, 2009}). En estos análisis se usó un nivel de significancia de α = 0.05, así como los procedimientos UNIVARIATE, GLM y MIXED, respectivamente, del programa SAS (^{SAS, 2000}). El procedimiento GLM también se empleó para la variación dentro de cada especie e interespecífica.

Resultados y Discusión

Los resultados de las pruebas de normalidad de las observaciones y de homogeneidad de varianzas para cada una de las determinaciones se muestran en el Cuadro 1, en el cual se advierte que los datos siguen una tendencia normal; sin embargo, las varianzas de los contenidos de lignina, holocelulosa, celulosa y cenizas no son homogéneas, por ello, la comparación de medias se realizó con el modelo lineal mixto, que, a diferencia del modelo lineal general que utiliza el ajuste de mínimos cuadrados ordinarios, maximiza la verosimilitud restringida de los datos por medio del ajuste de mínimos cuadrados generalizados (^{SAS, 2010}). Con excepción del contenido de cenizas, se obtuvieron diferencias significativas entre especies (p < 0.05), para los valores promedio.

Cuadro 1 Resumen de las pruebas de normalidad de datos y homogeneidad de varianzas. 

El contenido de cenizas es una medida aproximada de las sales minerales y otro material inorgánico de la madera (^{Rowell et al., 2005}). En este estudio, el contenido de cenizas no presentó diferencias significativas entre la madera de las tres especies (Cuadro 2). Los valores para la madera de P. ayacahuite son mayores a los citados (0.15 %) por ^{Islas (1992)}; en P. leiophylla, son menores a los señalados por ^{Bernabé et al. (2013)} y ^{Lima (2013)}, con 0.30 y 0.31 %, respectivamente. Para P. herrerae no existen valores de cenizas. En general, este contenido está dentro de los valores de 0.26 a 0.30 % registrados para, P. michoacana, P. montezumae, P. oocarpa, P. patula, P. strobus y P. teocote (^{Islas, 1992}; ^{Bernabé et al., 2013}; ^{Lima, 2013}), pero es inferior respecto al de 0.34 a 0.52 % correspondiente a P. caribea, P. cembroides, P. johannis, P. maximartinezii, P. pinceana, P. pringlei, P. pseudostrobus y Pinus rudis.

Cuadro 2 Composición lignocelulósica, extractos y cenizas de la madera de tres especies de Pinus. 

^† = Los valores con la misma letra no son significativamente diferentes (p < 0.05); * = Valores con base en el peso anhidro de las muestras libres de extractos.

En la extracción de la madera con etanol-benceno se eliminan ceras, grasas, resinas, fotoesteroles, hidrocarburos no volátiles, carbohidratos de bajo peso molecular, sales y otras sustancias solubles en agua (^{TAPPI, 2007a}). El contenido de extractos de la madera en etanol-benceno fue significativamente (p < 0.05) mayor en P. ayacahuite que en P. leiophylla y P. herrerae (Cuadro 2). Los valores obtenidos están dentro del intervalo de extractos en etanol-benceno (0.5 - 12 %) documentados para diferentes especies de pinos en otros países (^{Shimizu, 1991}; ^{Shupe et al., 1997}; ^{Fengel y Wegener, 2003}; ^{Hafızoğlu y Usta, 2005}; ^{Rowell et al., 2005}). En México, no existen registros para este tipo de extractos. El alto contenido de extractos en la madera de P. ayachauite podría causar problemas en los procesos de pulpeo, pegado y acabado (^{Umezawa, 2001}).

Durante la extracción de la madera con etanol se remueven compuestos que incluyen: ceras, grasas, resinas, taninos, gomas, azúcares, almidones y pigmentos (^{ASTM, 2012}). Los extractos en etanol mostraron diferencias significativas (p < 0.05) entre la madera de P. herrerae (1.28 %), la de P. ayacahuite (1.02 %) y P. leiophylla (1.06 %) (Cuadro 2). Los valores están por abajo de los determinados por ^{Lemos et al. (2005)} para la madera de Pinus oocarpa (3.01 %).

El contenido de lignina fue significativamente mayor (p < 0.05) en la madera de P. ayacahuite, con 28.6 %, seguido de P. leiophylla (27.50 %) y P. herrerae (26.3 %) (Cuadro 2). La cantidad de lignina en P. ayacahuite es menor a 29.9 %, de acuerdo a lo indicado por ^{Islas (1992)}; mientras que para P. leiophylla el valor es inferior a 28.5 % y 29.4 % según ^{Bernabé et al. (2013)} y ^{Lima (2013)}, respectivamente, aunque estos autores aplicaron una técnica de cuantificación de lignina diferente a la utilizada en el presente estudio. En comparación con otras especies de pinos, la cantidad de lignina es más alta a lo consignado (24- 25.3 %) para Pinus michoacana, P. montezumae, P. oocarpa, P. pringlei y P. teocote (^{Ávila, 2011}; ^{Bernabé et al. 2013}); es similar a los valores de 26.1 a 28.5 % determinados para Pinus caribea, P. montezumae, P. patula, P. pseudostrobus, P. rudis y P. strobus (^{Islas, 1992}; ^{Lima, 2013}) y menor a los calculados (28.9-30.4 %) para P. cembroides, P. johannis, P. maximartinezii y P. pinceana. Los contenidos de lignina que se documentan también están dentro del intervalo de 20.2 a 30.3 %, citado en la literatura para la madera de pinos (^{Shimizu, 1991}; ^{Shupe et al., 1997}; ^{Fengel y Wegener, 2003}; ^{Hafızoğlu y Usta, 2005}; ^{Rowell et al., 2005}).

Se obtuvieron diferencias significativas (p < 0.05) en el contenido de holocelulosa de la madera de las tres especies de pinos, la mayor correspondió a P. herrerae, con 70.0 % y la más baja a P. leiophylla, con 66.7 % (Cuadro 2). El valor de holocelulosa para P. ayacahuite fue menor (69.1 %) al determinado por ^{Islas (1992)}; mientras que para P. leiophylla el valor fue inferior a 60.7 %, estimado por ^{Lima (2013)} y a 69.2 %, registrado por ^{Bernabé et al. (2013)}. La cantidad de holocelulosa de las tres especies es mayor a lo que se consigna (63.6-65.9 %) para la madera de Pinus cembroides, P. montezumae, P. pringlei y P. pseudostrobus (^{Ávila, 2011}; ^{Lima, 2013}), pero es menor a lo señalado (71.5-74.7 %) para la madera de P. caribea, P. michoacana, P. oocarpa, P. patula, P. rudis, P. strobus y P. teocote (^{Islas, 1992}; ^{Bernabé et al., 2013}). La cantidad de holocelulosa de la madera en los pinos estudiados coincide con el intervalo de 62.9 a 79.8 % indicado para pinos de otros países (^{Shimizu, 1991}; ^{Shupe et al., 1997}; ^{Fengel y Wegener, 2003}; ^{Hafizoğlu y Usta, 2005}; ^{Rowell et al., 2005}).

La madera de Pinus herrerae presentó el contenido más alto de celulosa (45.6 %), con respecto a la de P. ayacahuite (43.9 %) y de P. leiophylla (43.3 %) (Cuadro 2). ^{Islas (1992)} calculó un contenido de celulosa en P. ayacahuite de 58 %, mientras que ^{Lima (2013)} de 60.7 % para P. leiophylla. Estos valores son superiores a los alcanzados en la presente investigación para las mismas especies. Los autores arriba citados estimaron valores mayores de celulosa de 56.7 a 64.8 % para la madera de P. caribea, P. montezumae, P. patula, P. pseudostrobus, P. rudis y P. strobus. Sin embargo, contenidos menores de celulosa fueron identificados en Pinus cembroides (36 %), P. johannis (35.5 %), P. maximartinezii (37.6 %) y P. pinceana (35.6 %) (Revilla, 201, citado por ^{Bernabé et al., 2013}). La cantidad de celulosa en los pinos de estudio queda comprendida dentro del intervalo de 30 a 61.6 % registrado para especies de pinos (^{Shimizu, 1991}; ^{Shupe et al., 1997}; ^{Fengel y Wegener, 2003}; ^{Hafızoğlu y Usta, 2005}; ^{Rowell et al., 2005}).

Las mayores concentraciones de hemicelulosas se obtuvieron en la madera de Pinus ayacahuite y P. herrerae en comparación con la de P. leiophylla (Cuadro 2), pero son inferiores a las de Pinus cembroides (29.9 %), P. johannis (30.9 %), P. maximartinezii (30.6 %) y P. pinceana (31.1 %). La cantidad en la madera en pinos extranjeros varía de 18 a 41.2 % (^{Shimizu, 1991}; ^{Shupe et al., 1997}; ^{Fengel y Wegener, 2003}; ^{Hafızoğlu y Usta, 2005}; ^{Rowell et al., 2005}), por lo que el contenido de estos compuestos (23.4-24.4 %) está en el intervalo de pinos extranjeros.

Los resultados del procedimiento GLM de SAS indican que la variación en la composición química intraespecífica fue menor a la observada entre especies (Cuadro 3). La más alta ocurrió en Pinus ayacahuite y en P. leiophylla para el contenido de extractos en etanol, mientras que en P. herrerae fue en el contenido de extractos en etanol-benceno (Cuadro 3). La variación interespecífica más pronunciada se verificó en los contenidos de cenizas y extractos, tanto en etanol-benceno como en etanol. Dentro de las especies es importante para el mejoramiento genético, mientras que entre especies es fundamental para el pulpeo en la producción de papel y para la conversión química en productos químicos derivados de la madera (^{Yang et al., 2012}).

Cuadro 3 Variación de la composición química (%) dentro y entre las especies de pinos estudiadas. 

En general, la madera con bajos contenidos de lignina y extractos puede ser más fácil de deslignificar y favorecer el proceso de pulpeo, así como la bioconversión para la producción de biocombustibles líquidos (^{Sable et al., 2012}; ^{Zeng et al., 2014}). La madera de P. herrerae presentó contenidos de lignina y extractos totales más bajos que los de las otras especies, por lo cual sería más conveniente para producir pulpa para papel y en la bioconversión por su alto contenido de celulosa.

La diferencia y la variación de la composición química de la madera de los taxa estudiados pueden deberse a las características genéticas de cada taxon, a la edad y las condiciones de crecimiento (^{Campbell et al., 1990}; ^{Berrocal et al., 2004}; ^{Yang et al., 2012}); sin embargo, es necesario realizar trabajos más específicos que consideren estas variables.

Conclusiones

La madera de Pinus ayacahuite, P. herrerae y P. leiophylla presentan diferencias estadísticas significativas (p < 0.05) en sus componentes lignocelulósicos y sus contenidos de extractos, con una variación mayor entre especies que dentro de especies. La primera reúne un alto contenido de extractos totales (13 %) y contenido de lignina superior. En contraste, la de P. herrerae registra menores contenidos de extractos totales (5.6 %) y de lignina, así como mayores contenidos de holocelulosa y celulosa. La madera de P. leiophylla tiene menores contenidos de holocelulosa, celulosa, hemicelulosas y cenizas, respecto a las otras dos.

En general, los valores la composición química y extractivos permite considerar la madera de las especies estudiadas como materia prima para la obtención de pulpa para papel y para biocombustibles líquidos, aunque P. ayacahuite podría dificultar estos procesos por su alto contenido de extractos.