Materiales y preparación de la materia prima

Una mezcla de corteza de Pinus spp fue proporcionada por una empresa localizada en la región central del Estado de Paraná, Brasil, la cual utiliza la corteza como sustrato (in situ) comercial para la producción de plántulas de orquídeas. Las cortezas fueron fragmentadas para su dimensión comercial en tamaños de 2 cm × 2 cm. El delineamiento experimental para la extracción de taninos está representado en la tabla 1, en ella se muestran los métodos aplicados para la termomodificación de la corteza y para la evaluación de los compuestos tánicos.

Extracción de taninos

Las cortezas inicialmente fueron secadas al aire libre y posteriormente fragmentadas en molino de martillo para obtener partículas menores que permitieran la extracción de taninos. Estas partículas fueron trituradas en molino Willey con tamices de 0,8 mm y el material resultante fue homogeneizado y separado por tamices con dimensiones de abertura entre 0,42 mm y 0,25 mm (mallas granulométricas 40 y 60), Luego, las partículas fueron almacenadas en ambiente con condiciones controladas de 25 °C de temperatura y 65% de humedad relativa.

Para potencializar la extracción de taninos de la corteza de pino se utilizó agua destilada y sales de sulfito de sodio (Na₂SO₃) y carbonato de sodio (Na₂CO₃), ambas en una proporción de 5% en relación con la masa seca de la corteza. El proceso de extracción fue realizado en un equipo de reflujo con un matraz volumétrico y un condensador por dos horas, con una relación corteza/licor de 1:15 (p/v), 10 g de corteza y 5% de sal en 150 mL de agua destilada. Luego fue usado un filtro de vidrio sinterizado con placa porosa número 2 sobre un recipiente vacío y se determinaron los contenidos de taninos y otras sustancias extraíbles, a partir del número de Stiasny (NS) y la reactividad ultravioleta (^{Vieira et al., 2011}; ^{Almeida, 2010}). Del extracto filtrado, se tomó una muestra de 50 mL para determinar la cantidad de polifenoles reactivos del licor mediante el índice de Stiasny, a partir de la adición de 4 mL de formaldehido (37%) y 1 mL de ácido clorhídrico (HCl). Esta solución fue mantenida en una manta térmica sobre reflujo durante 30 min.

La absorción del extracto (reactividad) se realizó empleando un espectrofotómetro UV (Bel, UV-M51) de 280 nm, se usó 1 mL del material filtrado, diluido en 200 mL de agua destilada; esta solución se sometió a las lecturas de tamaño de ondas determinadas para el ensayo. La reactividad de los taninos fue calculada mediante la relación entre las diferencias de la absorción del extracto antes y después de la reacción de “Stiasny” (Ec. 1)

donde:

RUV: reactividad ultravioleta

A _a : absorción antes de la adición de formaldehído y ácido clorhídrico

A _d : absorción después de la adición de formaldehído y ácido clorhídrico

El contenido de extractivos totales fue determinado a partir de la diferencia de masa contenida en 25 mL del extracto, después de ser secado en estufa a 103 ºC ± 2 ºC y obtener una masa constante. El porcentaje de taninos fue obtenido mediante el producto del número de Stiasny y por el contenido de extractivos totales. A partir de la diferencia entre el contenido de extractivos y de taninos se puede estimar el porciento de otras sustancias extraíbles.

Propiedades tecnológicas del tanino como adhesivo

El tratamiento con mayor rendimiento de tanino fue sometido a dos procesos subsecuentes de extracción en autoclave vertical (con capacidad de 75 L) durante dos horas. Posteriormente, el extracto fue filtrado con filtro de vidrio sintetizado con placa porosa número 2 y llevado para secado previo en estufa a temperatura de 60 °C, luego en secado completo en estufa a 103 °C ± 3 °C durante ocho horas.

El proceso descrito anteriormente fue realizado para obtener el material seco y macerado en un recipiente de cerámica. El material triturado fue tamizado en una malla de 53 µm de abertura (malla granulométrica 270) para obtener el tanino puro en polvo. Luego, fue preparada una solución de 45% de extractos tánicos homogeneizadas con agua destilada para subsecuentes análisis de las propiedades tecnológicas (pH, densidad, viscosidad, tiempo de gel, contenido de sólidos) con el propósito de utilizarlo como adhesivos para la manufactura de tableros aglomerados de madera y otros materiales lignoce-lulósicos.

Para el análisis de pH de las soluciones, se usó un potenciómetro pH (Alfakit, AT 355), la medición fue después de 3 min de contacto con el adhesivo en ambiente climatizado a 25 °C. La densidad fue obtenida utilizando un recipiente de volumen conocido, mediante la relación entre la masa del adhesivo y el volumen del recipiente conocido.

Por su parte, la viscosidad fue determinada mediante un viscosímetro rotativo digital de mesa (Marte, MVD-8), adecuado a 2-3-4 y con rotación de 60 min-1 en 150 mL de la solución. El tiempo de gel fue determinado a partir de 10 g de la solución de extractos tánicos con la adición de 20% de formaldehído con base en el contenido de sólidos, en baño maría a 90 °C hasta el cambio de fase. Este proceso corresponde con la polimerización o gel time del adhesivo durante un tiempo determinado. También fue evaluado el contenido de sólidos, este se realizó mediante el secado de una muestra de 1,0 g del adhesivo en estufa en condiciones de temperatura de 102 °C ± 3 °C durante tres horas. El porcentaje de solidos fue calculado a partir de la relación de la masa seca final por la masa húmeda inicial. En este proceso fueron realizadas tres repeticiones y evaluadas para cada propiedad indicada anteriormente.

Estadística aplicada

Las propiedades tecnológicas de los extractos tánicos fueron evaluadas mediante un delineamiento casualizado con tres repeticiones. La normalidad fue evaluada de acuerdo con la prueba de Kolmorogov - Sminov y la homogeneidad de varianza de los datos por la de Kruskal-Wallis. Los valores medios fueron evaluados mediante la prueba de Dunnet (p < 0,05).

Caracterización química de la corteza de pino

Los valores medios obtenidos para cada uno de los ensayos desarrollados en la investigación están representados en la tabla 2. De manera general, la adición de sales proporcionó los mejores resultados en relación con el contenido de taninos extraídos de la corteza de pino, valores entre 14,06% y 20,55% para Na₂SO₃, y valores entre 17,60% y 20,56% para el Na₂CO₃, mientras que para la extracción con agua destilada se obtuvieron valores entre 4,04% y 4,97%.

Se observó que los contenidos de taninos con la adición de carbonato de sodio fueron superiores a los valores obtenidos con la adición de sulfito de sodio. Resultados publicados por ^{Santiago et al. (2019)} en la extracción de taninos a partir de corteza de eucalipto demuestran que el Na₂CO₃ presenta una mayor eficiencia en el proceso de extracción en comparación con el sulfato de sodio.

Estudios realizados por ^{Ferreira et al. (2009)} y ^{Vieira et al. (2014)}, en cuanto a los contenidos de extractivos en corteza de Pinus oocarpa mediante el uso de sulfito de sodio, obtuvieron valores medios entre 30,1% y 32,49%, estos valores fueron superiores a los encontrados en este estudio (20,55%), lo cual puede estar dado por el posible efecto de los procesos térmicos utilizados antes de la extracción.

Los tratamientos térmicos con menores contenidos de extractivos fueron los más eficientes en la obtención de los extractos tánicos. En comparación con el testigo, el tratamiento térmico a 60 °C con agua destilada presentó mayor eficiencia en el contenido de extractos tánicos, dado que estos últimos presentaron valores entre 4,04% y 4,27%.

Los resultados muestran que, a partir de la adición de sales, se puede favorecer la solubilidad de los polifenoles en comparación con las extracciones obtenidas a partir de agua. Con excepción del tratamiento IV, los valores mayores de número de Stiasny (NS) en los diferentes tratamientos térmicos fueron obtenidos con la adición de carbonato de sodio. Valores similares fueron encontrados por ^{Vieira et al. (2014)} en extractos de corteza de Pinus oocarpa con la adición de sulfito de sodio a 5%.

Los valores NS encontrados en los diferentes métodos de extracción, con excepción del tratamiento térmico a 120 °C, fueron inferiores a los encontrados por ^{Vásquez et al. (2001)}, cuyos valores medios obtenidos a partir de diferentes concentraciones de hidróxido de sodio en corteza de Pinus pinaster variaron entre 81,2% y 96,5%.

De modo general, los tratamientos térmicos favorecen la obtención de valores menores de NS, con excepción del tratamiento térmico IV. Esto demuestra que la eficiencia de temperaturas de 120 °C en la obtención de taninos para la corteza adherida al tronco es baja. El tratamiento donde fue aplicada temperatura de 120 °C directamente sobre las cortezas presentó menores valores de NS y fue el más eficiente en la remoción de extractos tánicos. Estas condiciones permiten que sea utilizado para la producción de plantas ornamentales ya que el tanino, por ser un metabolito secundario de carácter fenólico (^{Lima et al., 2007}), puede actuar como inhibidor del crecimiento radicular debido a los efectos alelopáticos (^{Fan et al., 2003}).

La adición de carbonato de sodio y sulfito de sodio solubilizó mayores cantidades de extractivos. Además, los mayores contenidos de extractivos de NS y taninos se encontraron en las extracciones con carbonato de sodio, con excepción del tratamiento IV. Sin embargo, se encontraron mayores cantidades de sustancias extraíbles (azúcares solubles), las cuales pueden influir negativamente en la aplicación de adhesivo (^{Marra, 1992}).

Los resultados obtenidos, en relación con el tratamiento testigo, muestran diferencias respecto a los contenidos de taninos encontrados. Por ejemplo, se obtuvo 10,77% de taninos extraídos con 5% de sulfito de sodio; estos valores son inferiores a los encontrados por ^{Vieira et al. (2014)} y ^{Ferreira et al. (2009)} con medias de 22,5% y 31,6%, respectivamente, utilizando también 5% de sulfito de sodio en corteza de Pinus oocarpa. La diferencia entre los valores obtenidos en esta investigación y los publicados por los autores citados puede estar relacionada con la heterogeneidad de la mezcla del material estudiado (residuo).

Al analizar el contenido de sustancias extraíbles (no taninos) de la muestra testigo con la adición de 5% sulfito de sodio, el valor obtenido (4,74%) fue superior al encontrado en las mismas condiciones por ^{Vieira et al. (2014)} en corteza de Pinus oocarpa (2,9%). Estos resultados fueron similares a los obtenidos por ^{Ferreira et al. (2009)}, quienes encontraron valores promedio de 4,77% en cuatro variedades de la especie Pinus caribaea.

Los resultados obtenidos en relación con la reactividad de los polifenoles por el método UV muestran valores inferiores de reactividad en aquellos tratamientos donde fue aplicada temperatura de 60 ºC y 120 °C (solamente agua destilada en la extracción). En los demás métodos fue evidente una elevada reactividad de los polifenoles obtenidos con la adición de carbonato de sodio y sulfito de sodio.

Los valores de la reactividad UV de los compuestos tánicos con la adición de 5% de sulfito de sodio, fueron semejantes a los obtenidos por ^{Carvalho et al. (2014b)}, quienes encontraron para Pinus caribaea var. bahamensis valores de reactividad de 95,4%. Por su parte, ^{Vieira et al. (2014)} en corteza de Pinus oocarpa encontraron valores medios de 99,53%, los cuales son próximos a los obtenidos en este trabajo (entre 91,64% y 96,83%). Teniendo en cuenta estos resultados, se puede inferir que para los tratamientos donde se aplicó vapor a 120 °C directamente sobre las cortezas adheridas al tronco, se pueden obtener los mayores rendimientos en todos los parámetros.

Evaluación de las propiedades tecnológicas de los adhesivos

Los resultados muestran que el menor porcentaje de contenido de sólido fue encontrado con la extracción de taninos a partir de carbonato de sodio (19,16%), los cuales tienen diferencias estadísticas en relación con los demás adhesivos. Los valores de contenido de sólidos del adhesivo a base de tanino de la corteza de Pinus spp. extraído con sulfito de sodio (43,53%) no mostró diferencias estadísticas para los valores obtenidos en relación con el adhesivo comercial de Acacia mearnsii (39,98%) (Tabla 3). Esto indica una buena solubilidad de los materiales evaluados. De acuerdo con ^{Almeida (2010)}, los porcentajes ideales de contenidos de sólidos en adhesivos a base de tanino deben variar entre 44% y 55%. Por su parte, ^{Vieira et al. (2014)} obtuvieron valores inferiores del contenido de sólidos en adhesivos al substituir parte de las resinas sintéticas por extracto tánico de Pinus oocarpa, indicando interferencia del tanino en el contenido de sólidos de los adhesivos.

El adhesivo de la corteza de pino con 5% de sulfito de sodio y formulación de 45% de tanino presentó menor valor de densidad (7,56 g/cm³), mientras que el adhesivo comercial no se diferenció estadísticamente del adhesivo obtenido (9,09 g/cm³). En cuanto al tiempo de formación de gel, el tanino comercial se diferenció estadísticamente de los adhesivos obtenidos en este estudio, presentando valor medio de 6 min y 18 s. Ambos adhesivos obtenidos a partir de la corteza de Pinus sp. presentaron valores de formación de gel próximos a 1 min. Es importante tener en cuenta esos criterios en la fase de colado y en el proceso productivo de tableros y aglomerados, ya que pueden determinar el tiempo operacional de la etapa productiva a escala industrial.

En estudios realizados por ^{Carvalho et al. (2014b)} se evalúa el tiempo de formación de gel obtenido de la corteza de Pinus caribaea var. bahamensis, estos autores obtuvieron buenos resultados para un tiempo de 1 min y 10 s, valores próximos a los encontrados en este estudio. Además, el tiempo de gel para los adhesivos de la corteza de Pinus caribaea también presentó valores inferiores en comparación con el tiempo de gel de adhesivo comercial. Teniendo en cuenta la evaluación del incremento de tanino natural en adhesivos sintéticos, es posible inferir que los extractos tánicos, obtenidos de corteza de Pinus spp o de acacia negra pueden reducir el tiempo de gel de los adhesivos.

En la figura 1 se presentan los valores medios de pH y viscosidad de los adhesivos, con significancia por el análisis de variancia (p < 0,05). La adición de carbonato de sodio en el proceso de extracción del tanino en autoclave elevó el valor de pH del adhesivo, lo cual representa una diferencia estadística en los valores obtenidos en relación con el adhesivo comercial.

*Promedios con la misma letra para las propiedades distintas, no difieren estadísticamente por la prueba de Dunnet

Figura 1 Valores medios de pH y viscosidad de los adhesivos.  

Se considera que el tanino es naturalmente ácido, esto permite inferir que la extracción con carbonato de sodio conduce a la producción de adhesivos con menores índices de pureza, esto puede retardar el proceso de curado del adhesivo durante la manufactura de tableros aglomerados debido a que la acidez interfiere en la reacción de condensación del tanino con el formaldehido (^{Vieira et al., 2014}), además de interferir en la viscosidad del adhesivo (Vásquez et al., 2009; ^{Carvalho et al., 2014b}).

Los valores de pH del adhesivo obtenidos con sulfito de sodio no presentaron diferencias estadísticas en relación con el tanino comercial, presentando carácter ácido (pH 5,24). Esta condición puede explicar la menor viscosidad del adhesivo en comparación con el adhesivo de carácter básico (pH 8,36) obtenido con el carbonato de sodio.

Los valores mayores de viscosidad fueron encontrados en los adhesivos obtenidos con el carbonato de sodio (4634,7 mPa·s). De acuerdo con ^{Gonçalves y Lelis (2009)} y con Brito (1995), la viscosidad con valores superiores a 1500 mPa·s tiende a disminuir la eficiencia del proceso de colado de tableros de madera, lo cual afecta la capacidad de distribución, humedad y adhesión del adhesivo, además de la funcionalidad tecnológica de los tableros. Por lo tanto, ambos adhesivos presentan valores de viscosidad no deseables. Es importante destacar que las unidades flavonoides que componen las moléculas de taninos son diferentes para aquellos provenientes de acacia negra y de corteza de Pinus oocarpa (^{Vieira et al., 2014}), como fue observado en los valores de viscosidad y pH.

Estudios realizados por ^{Carvalho et al. (2014b)} evalúan el incremento de extractos tánicos de Pinus caribaea var. bahamensis en adhesivos de Acacia mearnsii con tres niveles de porcentaje (90:10; 80:20; 75:25), se puede observar una tendencia en el aumento de la viscosidad a partir del incremento del tanino obtenido de Pinus sp. (180,1 mPa·s; 190,2 mPa·s y 196,8 mPa·s), a pesar de no presentar diferencias estadísticamente significativas.

A partir de estudios realizados por diferentes investigadores relacionados con el tema, se puede inferir que los valores de viscosidad elevada en extractos tánicos conducen a una menor fluidez en los adhesivos naturales en comparación con los sintéticos. Esto se debe a los fenoles de las moléculas de tanino que presentan alto peso molecular y fuerte atracción electrostática (puentes de hidrógeno) entre los polifenoles y sus interacciones con los azúcares solubles contenidos en el extracto, lo cual forma agregados moleculares que no se rompen con la simple dilución en agua (^{Pizzi y Mittal, 1994}).