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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Centro de Desarrollo de Productos Bióticos

Departamento de Biotecnología

Aprovechamiento integral del bagazo de la piña de

Agave tequilana Weber: Caracterización de

fracciones lignocelulósicas obtenidas por un

proceso organosolv.

T E S I S

Que para obtener el grado de Maestría en

Ciencias en Desarrollo de Productos Bióticos.

PRESENTA.

IBQ. Miriam Angelina Quintana Vega.

Directores de tesis

Dr. Antonio Ruperto Jiménez Aparicio

Dra. Brenda Hildeliza Camacho Díaz.

Yautepec, Morelos; Diciembre 2012

El presente trabajo se llevó a cabo en el Departamento de Biotecnología del Centro

de Desarrollo de Productos Bióticos del Instituto Politécnico Nacional bajo la

dirección del Dr Antonio Ruperto Jiménez Aparicio y de la Dra. Brenda Hildeliza

Camacho Díaz. En el laboratorio de Proteínas, laboratorio de Microscopia, bajo la

supervisión de la M. en C. Rita Martínez Velarde y la Dra. Brenda Hildeliza Camacho

Díaz y en el Laboratorio de Posgrado del Instituto Tecnológico de Zacatepec, bajo la

supervisión del Dr. Juan Pablo Pérez Orozco y del Dr. René Salgado Delgado. Para

la realización de los estudios se obtuvo el apoyo económico de la beca CONACYT

(369796), beca del Programa Institucional de Formación de Investigadores ( 2011-

3246, 2012-0490) y del Programa de Becas Institucionales (Beca tesis maestría). La

investigación fue realizada con el financiamiento económico del (los) proyecto (s) de

la Secretaría de investigación y Posgrado SIP 2011-3246; SIP 2012-0490 y

CONACYT 80576.

Aprovechamiento integral del bagazo de la piña de Agave tequilana Weber: Caracterización de fracciones

lignocelulósicas obtenidas por un proceso organosolv

Página i

Resumen

En la industria de producción de tequila, se generan anualmente miles de toneladas

anuales de bagazo de agave, en su mayoría de la especie Agave tequilana Weber, el

cual es rico en moléculas lignocelulósicas. Actualmente este residuo tiene escasas

aplicaciones; sin embargo, por su composición química puede ser utilizado para la

elaboración de productos con un valor agregado. En el presente trabajo se

caracterizaron las fracciones lignocelulósicas obtenidas mediante un proceso

“organosolv”, a partir del bagazo de la piña de agave para la obtención de materiales

fibrosos solubles e insolubles. Se extrajeron las fracciones lignocelulósicas utilizando

dos disolventes: etanol y ácido acético, a diferentes concentraciones (40, 50 y 60%),

empleando HCl al 0.1 % como catalizador y dos tiempos de contacto (5 y 7 h).

Después de la cocción se separaron tres fracciones lignocelulósicas (fibra, pulpa y

licor). La condición más adecuada del proceso organosolv se obtuvo a partir de los

valores del rendimiento del proceso (%), contenido de celulosa (%), contenido de

lignina total (%) y los grupos funcionales determinados mediante espectroscopia de

infrarojo por transformada de Fourier. A continuación se realizó la caracterización

fisicoquímica, funcional y de textura morfológica de las diversas fracciones

lignocelulósicas obtenidas en el proceso de extracción. Los resultados para las

diferentes variables evaluadas del proceso “organosolv” mostraron que las

condiciones más adecuadas de extracción se obtuvieron usando etanol al 40% a un

tiempo de reacción de 5 h, con rendimientos de extracción del 60.77%, celulosa del

29.37% y lignina total en la pulpa del 60%. El FTIR mostró que en ninguno de los

tratamientos utilizados se obtuvo un fraccionamiento total del material lignocelulósico.

Las propiedades fisicoquímicas, funcionales y de textura morfológica indicaron que

las fibras etanosolv / acetosolv y pulpa etanosolv / acetosolv generadas durante el

proceso organosolv, presentaron características similares a otras fibras dietarías

comerciales. Por lo que es posible concluir que éstas podrían ser utilizadas en la

industria farmacéutica y de alimentos, entre otras. Obteniéndose así productos con

valor agregado a partir de los desechos de la industria tequilera.



Página ii

Abstract

The tequila industry generates thousands of tons annually of agave bagasse, mostly

of the species Agave tequilana Weber, the bagasse is rich in lignocellulosic

molecules. Currently this residue has few applications; however, its chemical

composition can be used for developing value-added products. In this paper

lignocellulosic fractions were characterized, the lignocellulosic fraction obtained by a

“organosolv” process from bagasse agave pineapple to for the obtaining soluble and

insoluble fiber materials. Lignocellulosic fractions were extracted using two solvents

ethanol and acetic acid, at different concentrations (40, 50 and 60%) using 0.1% HCl

as catalyst and two contact times (5 and 7 h). After the cooking time three

lignocellulosic fractions (fiber, pulp and liquor) were separated. The condition most

appropriate of organosolv process was obtained from the values of process yield

(%), cellulose content (%), total lignin content (%) and functional groups as

determined by Infrared spectroscopy Fourier Transform. This was followed by

characterization physicochemical, functional and morphological texture of the various

lignocellulosic fractions in the extraction process. The results for the different

variables evaluated of "organosolv" process showed that the conditions more

appropriate extraction were obtained using 40% ethanol at a reaction time of 5 h, with

60.77% extraction yields, 29.37% cellulose and total lignin in pulp 60%. The FTIR

showed that none of the treatments used was obtained a total fractionation the

lignocellulosic material. The properties physicochemical, functional and morphological

texture indicated that the fibers etanosolv / acetosolv and pulp etanosolv / acetosolv

generated during the organosolv process showed characteristics Similar to other

commercial dietary fibers. So it is possible to conclude that these could be used in the

pharmaceutical and food industry, among other. Thus providing value added products

from waste from the tequila industry.



Página iii

I N D I C E

Página

Resumen i

Abstract ii

Índice iii

Índice de figuras v

Índice de cuadros vi

Simbología y abreviaturas vii

1. INTRODUCCIÓN 1

2. REVISIÓN DE LITERATURA 3

2.1 Agave tequilana Weber 3

2.1.1 Usos y aplicaciones del agave 4

2.1.2 Desechos generados de la industria agavera 5

2.2 Bagazo de agave 6

2.2.1 Composición del bagazo 6

2.2.2 Celulosa 7

2.2.3 Hemicelulosa 8

2.2.4 Lignina 9

2.2.5 Usos y aplicaciones del material lignocelulósico 10

2.3 Procesos para la obtención del material lignocelulósico 11

2.3.1 Kraft o Sulfato 12

2.3.2 Organosolv 12

2.4 Material lignocelulósico como fibra dietaría. 13

2.5 Propiedades funcionales de la fibra dietaría.

2.5.1 Fibra dietética total 14

2.5.2 Capacidad de retención de agua 14

2.5.3 Capacidad de hinchamiento 14

2.5.4 Capacidad de absorción de moléculas orgánicas 14

2.5 Análisis morfológico, mediante tratamiento digital de imágenes 15

2.5.1 Homogeneidad, Segundo momento angular 15

2.5.2 Contraste 16



Página iv

2.5.3 Entropía 16

3. JUSTIFICACIÓN 17

4. OBJETIVOS 18

4.1 Objetivo general 18

4.2 Objetivos específicos 18

5. METODOLOGIA 19

5.1 Materia prima 19

5.2 Extracción de material lignocelulósico utilizando un proceso

organosolv

19

5.2.1 Cuantificación de celulosa 22

5.2.2 Determinación de Número Kappa 23

5.2.3 Identificación cualitativa de la fibra y pulpa mediante

espectroscopia infrarroja con transformadas de Fourier

24

5.3 Caracterización funcional del material lignocelulósico 25

5.3.1 Índice de absorción de agua (IAA) 25

5.3 Índice de solubilidad en agua (ISA) 26

5.3.3 Capacidad de Hinchamiento (CH) 26

5.3.4 Capacidad de retención de agua (CRA) 26

5.3.5 Capacidad de absorción de moléculas orgánicas

(CAMO)

27

5.3.6 Densidad aparente 28

5.3.7 Capacidad de retención de agua a diferentes

temperaturas

28

5.3.8 Viscosidad 29

5.3.9 Cromatografía de capa fina 29

5.4 Análisis morfológico, mediante tratamiento digital de imágenes 30

5.5 Determinación de cenizas y fibra dietética total (FDT) 31

5.6 Análisis estadístico 31

6. RESULTADOS Y DISCUSION 32

6.1 Extracción de material lignocelulósico utilizando un proceso

organosolv

26



Página v

6.2 Identificación de los grupos funcionales de la fibra y pulpa

mediante espectroscopia infrarroja por transformadas de Fourier

34

6.3 Caracterización funcional del material lignocelulósico 36

6.3.1 Índice de absorción de agua (IAA) e Índice de

solubilidad de agua (ISA)

37

6.3.2 Capacidad de hinchamiento (CH), retención de agua

(CRA), y absorción de moléculas orgánicas (CAMO)

38

6.3.3 Capacidad de retención de agua a diferentes temperaturas

43

6.3.4 Viscosidad 43

6.3.5 Cromatografía de capa fina 44

6.4 Análisis morfológico mediante tratamiento digital de imágenes 46

6.5 Cuantificación de cenizas y fibra dietética total 49

7. LITERATURA CITADA. 51



Página vi

INDICE DE FIGURAS

Número Figura Página

1 Agave tequilana Weber 3

2 Residuos generados de la industria agavera 5

3 Composición del bagazo 7

4 Representación estructural del polímero de celulosa 8

5 Estructura de la Hemicelulosa 9

6 Estructura de la Lignina 10

7 Diagrama general del trabajo experimental 20

8 Sistema de reflujo empleado durante el método organosolv 21

9 Equipo empleado durante el análisis FTIR 24

10 FTIR de los productos de las muestras analizadas 36

11 Capacidad de retención de agua de diferentes temperaturas.

42

12 Capacidad de absorción de moléculas orgánicas a diferentes temperaturas

42

13 Capacidad de retención de agua a diferentes temperaturas. 43

14 Comportamiento de la viscosidad de los licores 44

15 Placa de cromatografía de capa fina de los licores revelada

con anisaldehido λ= 366.

45

16 Micrografías de las fibras de los diferentes métodos

organosolv evaluados.

46



Página vii

ÍNDICE DE CUADROS

Número Cuadro Página

1 Principales usos de importancia del Agavespp 4

2 Composición química de las fibras obtenidas de agave 7

3 Variables evaluadas del método organosolv 21

4 Variables de respuesta del métodoorganosolv 33

5 Identificación de grupos funcionales del material

lignocelulósico

35

6 Índice de absorción y solubilidad en agua 38

7 Análisis de CH, CRA, CAMO y densidad aparente de las

fibras y el testigo

40

8 Comparación de la fibra de agave con fibras dietéticas comerciales

40

9 Viscosidad de las muestras evaluadas 45

10 Variables evaluadas del análisis morfológico. 48



Página viii

SIMBOLOGIA Y ABREVIATURAS.

b.s. Base seca

h Horas

cm Centímetro

Pa Pascal

s Segundo

°C Grados centígrados

λ Longitud de onda

K Número Kappa

SMA Segundo momento angular

CRA Capacidad de retención de agua

CAMO Capacidad de absorción de moléculas orgánicas

CH Capacidad de Hinchamiento

IAA Índice de absorción de agua

ISA Índice de solubilidad en agua

FDT Fibra dietética total



Página 1

1. INTRODUCCIÓN

En México se generan residuos agroindustriales, los cuales pudieran ser

aprovechados para obtener productos de interés industrial, entre estos desechos se

encuentra el bagazo de Agave tequilana Weber. Estos esquilmos se de los procesos

de producción de tequila generando aproximadamente 1.05 x 108 Kg de bagazo en

México anualmente (Saucedo y col., 2010). Debido a que este material es rico en

moléculas lignocelulósicas, puede ser fraccionado para posteriormente ser utilizado

en la obtención de productos, tales como: alcoholes, ácidos orgánicos, compostas,

bicombustibles, sustrato para la producción de hongos comestibles, alimento para

ganado (ensilados) y en menor proporción, la extracción de otros metabolitos tales

como: enzimas, compuestos fenólicos, biopolímeros y fibras solubles e insolubles

(González y col., 2005).

Las tres fracciones químicas principales constituyentes del material lignocelulósico

están conformadas sobre todo por tres polímeros: celulosa, hemicelulosa y lignina,

cuya interrelación es compleja y tiene variaciones de acuerdo con la fuente

lignocelulósica de que se trate. Estos constituyentes por si solos o sus derivados

permiten obtener productos de mayor valor añadido y con una amplia variedad de

aplicaciones tecnológicas dado que son susceptibles a separarse bajo esquemas de

fraccionamiento integral empleando procesos de extracción sólido – líquido, por

ejemplo los métodos método “Kraft”, “del sulfito” y “organosolv”, de los cuales, el

último es el más amigable con el ambiente (López y col., 2010).

Los procesos conocidos como “organosolv” usan disolventes orgánicos como medio

de cocción, mezclados con agua y catalizadores ácidos o básicos. La sencillez del

sistema de recuperación de este proceso de extracción es la razón del menor

impacto ambiental respecto a los convencionales ya que los disolventes orgánicos se

recuperan fácilmente de las lejías negras (“lodos”) utilizando destilación.

Otras ventajas residen en los altos rendimientos en la pasta o separación de

celulosa, la poca degradación que sufre la lignina y la facilidad de blanqueo de la

celulosa resultante (Mansouri, 2006). Debido a esto, el proceso organosolv puede



Página 2

fraccionar al material lignocelulósico en celulosa, monosacáridos (fructanos y

glucosa) y lignina. Las fracciones pueden ser utilizadas en diversas industrias de

acuerdo consus propiedades funcionales. Así pues, se utilizan metodologías

adecuadas tales como: propiedades de hidratación, capacidad de absorción de

moléculas orgánicas, propiedades reológicas y propiedades morfológicas de textura

(determinan la calidad de las fibras con respecto a la morfología que presentan), que

permitan evaluar las propiedades funcionales de los materiales lignocelulósicos, con

el fin de controlar el aporte nutricional y las propiedades sensoriales en la

formulación de productos con valor agregado (Shukry y col., 2008).

Hasta el momento, no se dispone de la suficiente información científica que permita

evaluar la factibilidad técnica de utilizar el proceso organosolv para obtener

fracciones lignocelulósicas a partir de los residuos de la industria tequilera.

El presente trabajo propone la obtención y caracterización de material lignocelulósico

a partir del bagazo de la piña de Agave tequilana Weber, mediante un proceso

“organosolv”, para obtener productos con posibilidad de emplearse en la industria

como material fibroso soluble e insoluble (celulosa, hemicelulosa y lignina).



Página 3

2. REVISION DE LITERATURA

2.1 Agave tequilana Weber

El género Agave esconsiderado originario de México, en donde se encuentran 272

de las 310 especies reportadas, de las cuales 135 especies son endémicas (García,

2007).Cabe señalar que debido a factores que afectan las características del agave,

como la temperatura, humedad, ciclos naturales, y promedio anual de la

precipitación, el producto obtenido en cada extensión territorial es completamente

diferente del que se encuentra en cualquier otra región (Iñiguez y col., 2001).

El Agave tequilana Weber (Figura 1), es una planta xerófila (que crece en zonas

áridas y cálidas) con hojas color azul-verdoso, delgadas y casi planas; mide

aproximadamente 1.25 m de largo y 10 cm de ancho y tiene una espina terminal de

color rojo oscuro de 2 cm (Bautista y col., 2001).La parte aérea de la planta está

integrada por dos fracciones principales: hojas y tallo. El tallo y las bases de las hojas

que se unen a él y comprenden la porción conocida con el nombre de cabeza o piña,

la cual posee un alto contenido de fructanos y una vez cosechada se puede utilizar

para la producción de tequila (Montañez y col., 2011).

Figura 1. Agave tequilana Weber



Página 4

2.1.1 Usos y aplicaciones del agave.

Los agaves a través de los años, han tenido una gran importancia para numerosos

pueblos indígenas y mestizos, quienes los han aprovechado durante siglos como

fuente de alimento, bebidas, medicina, combustible, cobijo, ornato, fibras duras

extraídas de las hojas (ixtle), abono, construcción de viviendas y elaboración de

implementos agrícolas, entre otros usos (García, 2007). Actualmente este recurso

aunque con problemas en su uso y manejo, recobra vigencia desde el punto de vista

socioeconómico y agroecológico por los beneficios que trae a los pobladores del

medio rural y al medio ambiente donde se desarrolla, los cuales se muestran en el

Cuadro 1 (García y col., 2010).

Cuadro1. Principales usos de importancia del Agave spp (García y col. 2010).

Usos Producto Parte de la planta

Alimentación

Azúcar

Guisos

Dulce

Envolver barbacoa

Mixiotes

Gusanos blancos

Gusanos rojos

Pan de pulque

Tortillas

Tallo (piña)

Flores y frutos (cápsulas frescas)

Flores y frutos (cápsulas frescas)

Escapo floral (quiote)

Hojas / Cutícula

Cutícula del cogollo

Hojas

Tallo (piña)

Perianto de flores + nixtamal

Bebidas

Aguamiel, miel, atole de aguamiel Pulque,

Mezcal, Tequila, Sotol, Bacanora, Vinagre,

Jarabe

Tallo (piña)

Agrícola

Cerca viva,

Evitar la erosión como formadora de suelo

Abono orgánico (fertilizante)

Planta líder de ecosistemas

Planta completa

Planta completa

Composta de hojas

Planta completa

Forraje

Bovino, caprino, porcino

Hojas, escopos florales, flores, parte de la

inflorescencia y bagazo.



Página 5

Uno de los usos más relevantes del agave es la elaboración de bebidas como el

tequila, actividad económica que es un eje potencial de desarrollo de las regiones

productoras de agave. La planta está disponible para su uso en la elaboración de la

bebida cuando adquiere una edad entre los 7 y los 12 años, ya que está en su punto

de madurez fisiológica, lo cual depende de la especie y de las condiciones

agroecológicas y ambientales a las que hayan sido expuestos (García y col., 2010)

2.1.2 Desechos generados de la industria agavera.

La industria tequilera en México, es de suma importancia. La continua y creciente

demanda del tequila da lugar a la producción de millones de litros anuales de esta

bebida. Sin embargo, aunado a este proceso de producción se encuentra también la

generación de residuos (Figura 2), siendo el bagazo de agave uno de los principales.

Este desecho es la fibra residual que queda después de cocinar, moler y extraer el

jugo fermentable de la piña del Agave tequilana Weber variedad azul. Se considera

que el 40% del peso total del agave consumido corresponde al bagazo residual por lo

que se generan grandes volúmenes de este desecho y su disposición se ha vuelto un

problema ambiental y económico (González y col., 2005).

Figura 2. Residuos generados de la industria agavera.



Página 6

2.2 Bagazo de Agave.

El bagazo es una fibra residual obtenida de la planta de agave utilizada para la

producción de tequila y representa el 40% de la materia prima. De acuerdo a

Saucedo y col. (2010), la producción anual de bagazo en México es

aproximadamente 1.05x108 kg. De la cual, sólo una pequeña porción se utiliza para

preparar abono y el resto es desechado. Por lo cual es evidente que esta situación

en la actualidad está generando nuevas investigaciones para poder darle un mejor

uso al bagazo de agave.

Hasta el momento se conoce que el material lignocelulósico que constituye al bagazo

es considerado como fuente de energía renovable por su consumo en la producción

biocombustibles y/o productos químicos, los cuales representan un gran potencial

para suministrar energía (Saucedo y col., 2010). Sin embargo la producción de estos

es sumamente costosa ya que se requierenataques enzimáticos específicos para su

fermentación.

Tradicionalmente el bagazo de agave ha sido utilizado para la fabricación de ladrillos

y colchones, pero para los grandes volúmenes que se generan este

aprovechamiento no representa un impacto en la utilización de este material (Iñiguez

y col., 2005).

2.2.1 Composición del Bagazo.

Uno de los principales componentes químicos que se ven implicados en el

comportamiento mecánico y estructural del bagazo de agave, es el material

lignocelulósico, que está constituido por un entramado de microfibrillas de celulosa

formando capas recubiertas de hemicelulosas y sobre las que se deposita la lignina

como se observa en la Figura 3 (Borroso, 2010). De acuerdo a Balam y col. (2006),

la fibra obtenida de diferentes tipos de agaves presenta una composición química

distinta (Cuadro2).



Página 7

Figura 3. Composición del bagazo.

Cuadro2. Composición química de las fibras obtenidas de agave (Balam y col., 2006).

Fuente de Fibra Celulosa

(%)

Hemicelulosa

(%)

Lignina

(%)

Extraíbles

(%)

Referencia

Agave tequilana

(hoja) 64.8 5.1 15.9 14

Iñiguez y col.,

2001

Agave tequilana

(tronco) 64.9 5.5 16.8 12.5

Agave fourcroydes

(henequén) 77.6 5.7 13.1 3.6

Cruz y col. 2002

Agave lechuguilla

79.8 3.60 15.3 2.4

Agave sisalana 73.1 13.3 13.3 2.6 Bledzki y Gassan

1999

2.2.2 Celulosa.

La celulosa es una fibra resistente, insoluble en agua, que se encuentra en las

paredes celulares de las plantas particularmente en los tallos, troncos y todas las

partes leñosas de los tejidos vegetales.Es un homopolisacárido no ramificado

compuesto porβ-D-glucopiranosa (moléculas de glucosa) unidas mediante enlaces

glucosidicos (β1-4). En la Figura 4, se observa la estructura del polímero de celulosa,

las cuales al unirse transversalmente unas con otras se agrupan enuna microfibrilla

(Sullivan, 1997).



Página 8

Figura 4.Representación estructural del polímero de celulosa.

Considerando la disposición espacial de estas cadenas lineales, se forman puentes

de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de las cadenas adyacentes, lo que resulta en

la cristalinidad de la celulosa. Así mismo, presenta regiones denominadas cristalinas

donde las cadenas están ordenadas paralelamente, las cuales son separadas por

regiones menos ordenadas conocidas como amorfas. De esta manera, la celulosa es

considerada como una sustancia paracristalina, pero nunca un cristal perfecto. Se

estima que la celulosa presenta aproximadamente 85% de regiones cristalinas y 15%

de regiones amorfas, y que esta característica es mucho más importante que otras

(Larrea, 2003).

Las cadenas de celulosa tienen una grado de polimerización (GP) de

aproximadamente 10 000 unidades de glucopiranosa en la celulosa proveniente de

maderas y de 15 000 en la celulosa proveniente de algodón nativo (Sullivan, 1997).

2.2.3 Hemicelulosa.

La hemicelulosa es mezcla de polímeros de diferentes polisacáridos neutros y

ácidos. Estos se adhieren a la superficie de las microfibrillas de celulosa por puentes

de hidrógeno a través de los grupos hidroxilo (OH-1) de los azúcares y mejoran la



Página 9

resistencia de la pared celular. La hemicelulosa esun heteropolisacárido formado por

monómeros de carbohidratos como hexosas (D-glucosa, D-manosa, D-galactosa),

pentosas (D-xilosa, L-arabinosa), desoxi-hexosas (L-ramnosa), y ácidos urónicos (D-

ácido glucurónico, 4-O-metil-D-ácido glucurónico). En la Figura 5 se muestra la

estructura general de la hemicelulosa. Por ser altamente ramificada y poseer tantos

grupos polares en los diversos azúcares, la hemicelulosa es fácilmente soluble en

agua (Segura y col., 2007).

Figura 5. Estructura de la hemicelulosa.

2.2.4 Lignina.

La lignina es un polímero que se diferencia notablemente de las otras

macromoléculas constituyentes de la pared celular; es un polímero aromático

tridimensional que rodea a las microfibrillas de celulosa y a la hemicelulosa, con

algunas uniones covalentes con la hemicelulosa. Es poco sensible al agua; es una

red polimérica heterogénea, amorfa, ópticamente inactiva y altamente ramificada. La

unidad básica estructural de la lignina es un fenilpropano, en la Figura 6, se observa

de forma general la representación química de la estructura de la lignina.

Las sustituciones sobre los anillos aromáticos de los monómeros y la proporción de

estos precursores varían dependiendo del origen botánico y determinan el tipo de

lignina (Segura y col., 2007).



Página 10

Figura 6. Estructura de la Lignina.

La lignina es completamente indigerible tanto para sistemas de digestiones

monogástricos como para poligástricos, y su determinación sirve para predecir la

digestibilidad en materia seca y energía de un alimento, porque se encuentra

envolviendo a la celulosa y hemicelulosa y restringe al acceso a estos carbohidratos,

que sí pueden ser digeribles (Segura y col., 2007).

2.2.5. Usos y aplicaciones del material lignocelulósico.

Las tres fracciones químicas principales constituyentes del material lignocelulósico:

celulosa, hemicelulosa y lignina, son en teoría, susceptibles de separarse bajoun

esquemas de fraccionamiento integral. Estos constituyentes por si solos o sus

derivados permiten obtener productos de mayor valor añadido (López y col., 2010).

De la celulosa pueden derivar polímeros celulósicos, como los que se emplean

diariamente; además es susceptible de hidrolizarse hasta sus monómeros

constituyentes para obtener medios fermentables para producción de etanol y

biocombustibles para transporte. De las hemicelulosas y sus azúcares monoméricos

derivados (pentosas) pueden también derivarse medios fermentables, pero en este

caso y dada la mayor variedad de monómeros y oligómeros constituyentes, las

posibilidades de obtención de diversos productos químicos aumenta en un amplio

espectro. Pueden obtenerse productos que puedan emplearse en la industria de



Página 11

alimentos, cosmética, farmacéutica, algunos tan conocidos como el xilitol, el ácido

acético, el furfural y productos poliméricos con interesantes propiedades dado su

carácter biodegradable en contraste con los plásticos derivados del petróleo.De la

fracción de lignina, existe el uso tradicional como combustible que se aplica en el

sector de la pasta celulósica, el papel y que supone una valorización energética de la

fracción residual. Sin embargo, cobran cada vez más auge las posibilidades de uso

en el sector de materiales, derivados de esteroles con aplicaciones en farmacia o en

alimentos funcionales, aditivos de betunes,antioxidantes, materiales poliméricos y en

la elaboración asfaltos (López y col., 2010).

2.3 Procesos para la obtención de materiales lignocelulósicos.

Las fibras se encuentran fuertemente ligadas a los otros componentes de la planta y

el proceso de separarlas debe hacerse con sumo cuidado, ya que se busca el menor

daño posible. Se han desarrollado procesos mecánicos, biológicos y químicos de

separación de fibras, por lo que se deben estudiar a fondo las propiedades del

material para decidir la estrategia más adecuada en cada caso.El principio de los

procesos químicos es separar los tres componentes principalesde la materia prima

vegetal, es decir, la celulosa, la hemicelulosa y la lignina. En la práctica, son

efectivos para eliminar la mayor parte de la lignina, pero también degradan cierta

cantidad de celulosa, de manera que las fibras resultantes del proceso de

despulpado no corresponden al total del material fibroso original en la planta. Este

procedimiento es muy complejo en términos químicos, puesto que la lignina es

insoluble en todos los disolventes y, por lo tanto, no se puede disolver directamente

sino que se deben romper los enlaces covalentes que la unen con la hemicelulosa. El

rompimiento de los enlaces se hace gracias a una solución química conocida como

“licor blanco” y el líquido resultante de la digestión química se llama “licor negro”, el

cual es considerado un residuo peligroso por su alto contenido de reactivos, lignina,

hemicelulosa, celulosa y resinas (Estrada, 2010).



Página 12

2.3.1 Kraft o al Sulfato.

La designación original de “proceso al sulfato” nace del empleo de sulfato de sodio

como reactivo de reposición, nomenclatura que en la actualidad tiende a desaparecer

reemplazada por “proceso Kraft”, deriva de la notable mayor resistencia de la pulpa

en comparación con la obtenida con otros procesos (el significado de la palabra

alemana kraft es fuerza o resistencia).Sus rendimientos varían entre un 40 y 60% y

ventajosamente requiere tiempos cortos de cocción. El método Kraft tradicional se

caracteriza por una baja selectividad de deslignificación, especialmente durante la

etapa inicial y final del proceso. En este proceso la cocción debe detenerse con alto

contenido de lignina residual a fin de evitar la degradación de carbohidratos, pérdidas

de rendimiento, propiedades de resistencia y blanqueamiento. Sin embargo, el

proceso Kraft convencional, presenta algunas desventajas las cuales se resumen a

continuación (Quintana, 2011):

La deslignificación consume una importante cantidad de álcali y se requieren

tiempos largos de proceso y temperaturas elevadas.

Hay generación de gases de mal olor derivados de la presencia de

compuestos de azufre reducido.

La lignina residual debe eliminarse en un proceso adicional de blanqueo con

problemas de costo y contaminación ambiental.

Lo anterior, ha llevado al desarrollo de nuevos métodos de extracción del material

lignocelulósicotal como el proceso Organosolv.

2.3.2 Organosolv.

El procesoorganosolv es utilizado para la obtención de celulosa a partir de

materiallignocelulósico. Este proceso es una alternativa al método convencional

Kraft, ya que han sido desarrollados con el objetivo de hacer un uso más eficiente de

la materia prima a través de la adecuada separación de sus fracciones (celulosa y

lignina) y la posibilidad de utilización de los subproductos de reacción y la

recuperación y reutilización de sus disolventes (Qi y col., 2012).



Página 13

Este método de fraccionamiento consiste en el ataque al material lignocelulósico con

mezclas agua y disolventes orgánicos con bajo punto de ebullición (por ejemplo

acetona, metanol, etanol, acetato de etilo, dioxano, etc), los cuales pueden ser

fácilmente recuperados por destilación, además también puede existir un ácido

mineral, cuya función sea como catalizador de la reacción de deslignificación (Sun y

col., 2004).Entre la variedad de disolventes orgánicos propuestos en la literatura, el

ácido acético y el etanol han recibido una particular atención dada su habilidad para

lograr una extensiva y selectiva deslignificación (Qi y col., 2012).

2.4 Material lignocelulósico como fibra dietaría.

Se sabe que los desechos del procesamiento de cereales, frutas y subproductos

vegetales son generan fácilmente en grandes cantidades; estos pueden ser

aprovechados mediantela extracción de sus diversos componentes (material

lignocelulósico) a través de un proceso organosolv, para posteriormente ser

utilizados para generar productos con valor añadido incluyendo la fibra dietaría

(Elleuch y col., 2011).

La fibra dietaria (FD) se define como una sustancia de origen vegetal que no puede

ser digerida por las enzimas del tracto digestivo humano. Son polisacáridos

estructurales de las plantas, que incluyen la celulosa, hemicelulosa, betaglucanos,

pectinas, mucilagos, gomas, y lignina. Las diferencias estructurales,la relación fibra

dietética insoluble/fibra dietética soluble (FDI/FDS), el tamaño de la partícula, la

fuente, así como por el grado y el tipo de procesamiento llevado a cabo para cada

uno de los polisacáridos, determinan sus propiedades físicoquímicas y funcionales

diferentes y como consecuencia, comportamientos fisiológicos diversos (Álvarez y

Bague, 2011).

Estas propiedades se determinan por lo general in vitro y sirven para dar una idea de

su comportamiento in vivo.En el tracto digestivo están sometidas a un entorno

fisiológico muy complejo y a una serie de mecanismos que pueden modificarlas.



Página 14

2.5 Propiedades funcionales de la fibra dietaría.

Cuando las fibras son utilizadas en la elaboración de alimentos, las propiedades

fisicoquímicas influyen también en las características físicas de éstos, especialmente

cuando se usan como agentes gelificantes, espesantes y/o estabilizantes (Valencia y

Román, 2006). Debido a lo anteriora continuación se definen algunas propiedades

funcionales de fibras dietéticas.

2.5.1 Capacidad de retención de agua.

La capacidad de retención de agua (CRA), se refiere a la habilidad de la fibra

dietética de atrapar agua dentro de su matriz, y se debe a los numerosos grupos

polares libres de sus azúcares constituyentes. Esta capacidad es de suma

importancia en relación con la formulación y procesamiento de alimentos altos en

fibra, ya que de esta propiedad depende en gran medida el nivel máximo de

incorporación de fibra dietética a un producto. Fisiológicamente también es

importante, puesto que la cantidad de agua retenida por las fibras en la que le dará

una función específica en el organismo, ya que esta propiedad re relaciona con la

solubilidad y viscosidad de la fibra; a mayor retención de agua, mayor solubilidad y

capacidad de volverse viscosas en el estomago. Los factores que influyen en la CRA

de una fibra son: su microestrutura, tamaño de partícula, pH, fuerza iónica y la

presencia de otros compuestos que también retienen agua, como los azucares

(Vergara, 2005).

2.5.2 Capacidad de hinchamiento.

La capacidad de hinchamiento es dependiente de las características de los

componentes individuales y la estructura física (porosidad y cristalinidad) de la matriz

de fibra, esta propiedad es medida como el volumen obtenido para una masa

definida de fibras, tras el equilibrio obtenido en presencia de un exceso de disolvente

que generalmente es agua (Auffret y col., 1994).



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2.5.3 Capacidad de absorción de moléculas orgánicas (CAMO).

La fibra insoluble cuando se añade a cualquier formulación puede absorber el aceite

presente en la solución, el grado de absorción medido se conoce como la capacidad

de absorción de moléculas orgánicas (Raghavendra y col., 2006). Esta propiedad

se aprovecha en los alimentos (productos cárnicos) para mejorar su retención de

grasa que normalmente es perdida durante la cocción. Esto podría beneficiarel sabor

y aumentar el rendimiento tecnológico (Thebaudin y col., 1997).

2.6 Texturamorfométrica mediante tratamiento digital de imágenes.

Las fracciones del material lignocelulósico también pueden ser caracterizadas a

través de un tratamiento digital de imágenes el cual nos proporciona las

características de textura de las fibras, que se encuentra ligado con las propiedades

funcionales debido a que a partir de este análisis podemos conocer que tan poroso,

rugoso o suave se encuentran las superficies de las fibras, además de que también

nos da una idea de cómo se encuentra el arreglo estructural del material

constituyente; debido a esto es importante el estudio de esta propiedad.

A través de un tratamiento digital de imágenes surge una representación diferente de

una imagen digital a partir de la cual es posible deducir un par de conceptos

adicionales. Supongamos que en un espacio de tres dimensiones se grafica una

banda cualquiera de una imagen multiespectral, colocando en el plano x-y la

posición de cada pixel y en el eje z su valor, obteniendo de esta manera una

superficie (Figura 7) con las siguientes características espaciales: suave, donde los

pixeles cambian poco su valor y rugosa, donde lo hacen rápidamente. Si en una zona

de la imagen, para una dirección dada, cambian los valores de los pixeles en forma

relativamente rápida, la consecuencia en la superficie mencionada es una sucesión

de crestas y valles cuya amplitud y alternancia determinan la rugosidad del área. El

concepto de rugosidades se asocia con el concepto de texturas, por lo cual se

introduce la siguiente definición (Lira, 2002).



Página 16

Textura: Manifestación espacial organizada de un arreglo local de tonos (pixeles) de

la imagen(Lira, 2002).

Ésta es una generalización de la idea de textura que se tiene en cuanto al relieve de

una superficie sólida. La textura es local, puede cambiar de un lugar a otro de la

imagen y depende de la escala a la cual se le observe; también se manifiesta

diferente de banda a banda de la imagen multiespectral. Aunque la textura es un

concepto difícil de definir, dada la subjetividad con la cual la psicovisión responde

ante ésta, es posible establecer tres características básicas:

1. Un cierto orden local se repite sobre una región que es la relativamente

grande comparada con el tamaño del orden.

2. El orden consiste en un cierto arreglo de partes elementales.

3. Las partes están compuestas de entidades aproximadamente uniformes,

teniendo más o menos las mismas dimensiones dentro de la región de textura;

dichas partes pueden ocurrir en cualquier dirección.

La psicovisión humana no es muy eficiente para distinguir y clasificar texturas;

aquellas que difieren más allá del tercer momento estadístico son confundidas por un

ser humano. Para analizar texturas existen básicamente dos enfoques: el sintáctico

(por primitivos) y el estadístico (global) (Lira, 2002).

Figura 7. Superficie generada por los valores de los pixeles de la banda de una imagen



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Para cuantificar la textura se requiere de un modelo matemático que exprese la

relación espacial que existe entre pixeles vecinos. Así como el histograma es una

aproximación a la función de densidad que proporciona una medida de densidad

conjunta expresa la posibilidad de que ocurran pares de pixeles en direcciones pre-

especificadas. La función de densidad mide el contraste global de una imagen y la

función de densidad conjunta establece la heterogeneidad espacial de los pixeles en

una vecindad dada. Una aproximación a la función de densidad conjunta es la que se

obtiene por medio de la matriz de co-ocurrencia, cuya definición es como sigue: Sea

δ un conjunto convexo y compacto establecido en el espacio de la imagen como una

ventana rectangular de tamaño impar y sea β un operador vectorial de posición que

relaciona la localización espacial relativa de un par de pixeles de la ventana. Para

caracterizar el contenido de información textural de la matriz de co-ocurrencia se

emplean los llamados descriptores; los más importantes son (Lira, 2002):

Contraste

𝐶𝑛 = (𝑖 − 𝑗)2𝑗𝑖 𝑐(𝑖, 𝑗) ….. Ec. 1

Entropía

𝜀 = − 𝑐 𝑖, 𝑗 𝑙𝑜𝑔 𝑐(𝑖, 𝑗) 𝑗𝑖 ….. Ec. 2

Homogeneidad

𝐻 = 𝑐2(𝑖, 𝑗)𝑗𝑖 ….. Ec. 1

donde c(i,j) son los elementos de la matriz de co-ocurrencia para una β y δ dadas. En

algunas ocasiones no basta con uno solo de estos descriptores para cuantificar el

contenido textural de una imagen; de aquí que en estas situaciones se contribuya un

vector de descriptores que conjuntamente pueden medir tal contenido. A partir de

este vector se genera una imagen multiespectral sintética, donde cada banda

representa el valor espacial de cada descriptor (Lira, 2002).



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3. JUSTIFICACIÓN

En la actualidad, la industria tequilera tiene un gran auge; ésta utiliza como materia

prima la piña de Agave tequilana Weber, por lo que se generan grandes cantidades

de residuos de bagazo anualmente. Esta situación ha generado unfoco de

contaminación orgánica importante, ya que sólo un mínimo porcentaje es utilizado en

composteo y como material de forraje.

Debido a lo anterior se propone una alternativa sustentable para el fraccionamiento

de material lignocelulósico mediante un proceso organosolv a partir del bagazo de

agave, lo que permitirá proponer usos de materiales con un valor agregado;

incluyendo productos para la industria alimentaria o farmacéutica.



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4. OBJETIVOS

4.1 Objetivo General

Caracterizar las fracciones lignocelulósicas obtenidas por un proceso

organosolv a partir de bagazo de la piña de Agave tequilana Weber.

4.2 Objetivos específicos.

Establecer las condiciones de extracción mediante un proceso organosolv en

función del tipo de disolvente, concentración y tiempo de reacción para el

fraccionamiento del material lignocelulósico a partir del bagazo de la piña de

Agavetequilana Weber.

Caracterizar las propiedades funcionales y fisicoquímicas del material

lignocelulósico.

Evaluarlas características de textura morfológica de las fracciones

lignocelulósicas.



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5. MATERIALES Y MÉTODOS.

El trabajo fue realizado, en el Laboratorio de Proteínas y en el Laboratorio de

Microscopia del Departamento de Biotecnología del Centro de Desarrollo de

Productos Bióticos – IPN, contando con el apoyo del Instituto Tecnológico de

Zacatepec. En la Figura 8, se muestra el diagrama experimental que se siguió para el

presente trabajo.

5.1 Materia Prima.

El bagazo de Agavetequilana Weber fue adquirido de la destiladora Yautli S.A. de

C.V., ubicada en Yautepec, Morelos (México). El bagazo se secó a la intemperie (luz

solar) durante un período de 3 a 4 días hasta obtener una humedad residual (b.s.)

del 5%. Posteriormente se disminuyó el tamaño de partícula del bagazo de manera

manual, hasta un tamaño de partícula aproximado de 0.8 cm de largo.

5.2 Extracción por medio del procesoorganosolv.

El proceso organosolv consiste en la cocción de la materia prima en disolventes

orgánicos con el fin de que partede la lignina se solubilice y las fibras se disgreguen,

formando una suspensión. Constituye, además, un proceso de menor impacto

ambiental, ya que la recuperación de los disolventes orgánicos es sencilla.

Primeramente se planteó establecer las condiciones adecuadas del proceso

organosolv, mediante un diseño factorial 2 x 3, evaluando el tipo de disolvente, su

concentración y tiempo de reacción, tal como se muestra en la Cuadro 3.

En cada experimento se utilizaron 10g de bagazo de agave, empleando un volumen

de 200mL de la disolución, utilizando como catalizador HCl al 0.1%; la reacción se

llevó a cabo en un sistema de reflujo utilizando temperatura de ebullición (Figura 9).

Una vez transcurrido el tiempo de reacción, la suspensión se filtro empleando una



Página 21

malla plástica con un tamaño de poro de aproximadamente 1.5 mm; la torta

resultante fue la parte fibrosa (celulosa) del proceso (Figura 10) .

Figura 8. Diagrama general del trabajo experimental



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Cuadro 3. Variables evaluadas del método organosolv

Disolvente Tiempo (h) Concentración del

Disolvente

Eta

nol

5

40 %

50%

60%

7

40 %

50%

60%

Áci

do a

céti

co

5

40 %

50%

60%

7

40 %

50%

60%

Figura 9. Sistema de reflujo empleado durante el método organosolv.

(Imagen fotográfica del autor)

El filtrado se centrifugó durante 45 minutos a 1,000 xg obteniendo una pulpa (lignina

y hemicelulosa) y el licor, el cual se empleó para la recuperación del disolvente. Con

ello se determinó el rendimiento del proceso utilizando la Ecuación 4.



Página 23

% 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 = 1−𝑃𝑓

𝑃𝑖 ∗ 100 ….. (Ec. 4).

Donde:

𝑃𝑓= peso final de la fracción fibrosa.

𝑃𝑖= peso inicial del bagazo.

Figura 10. Esquema del fraccionamiento del material lignocelulósico

5.2.1 Cuantificación de celulosa.

Se empleó el método modificado de Kurschner y Hoffer de la Technical Association

for the Pulp and Paper Industries (1978), reportado por Hernao L. y col. (2009). Para

ello, se pesaron 0.5 g de la fibra etanosolv y la fibra acetosolv, se mezcló con una

solución de etanol y ácido nítrico concentrado (4:1 v/v); la mezcla se llevó a reflujo en

un baño de agua durante 30 minutos (este procedimiento se llevó a cabo dos veces)

y posteriormente se filtró. Cada experimento se realizó por duplicado.

Al residuo se le realizó un lavado con agua destilada caliente durante una hora y

después se sometió a un lavado con una solución saturada de acetato de sodio, y



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por último se adicionó nuevamente agua destilada caliente. El residuo se secó a

105°C, en una estufa de convección (Imperial V, Lab-line), posteriormente se enfrió

en un desecador y finalmente se pesó. El porcentaje en peso (b.s.) de la celulosa se

calculó empleando la Ecuación 5.

% 𝒅𝒆 𝑪𝒆𝒍𝒖𝒍𝒐𝒔𝒂 =POR

PO∗ 100…..(Ec. 5)

Donde:

POR = peso seco del residuo.

PO=peso del material celulósico.

5.2.2Determinación de Número Kappa(K).

Este método se aplicó para la determinación del grado de deslignificación de la pulpa

etanosolv y de la pulpa acetosolv (“blanqueamiento”). El Número Kappa se define

como el volumen (mL) de permanganato de potasio 0.1N consumidos por 1g de

pulpa seca(Tasman y Berzins, 1957). En un matraz Erlenmeyer de 250 mL se

pesaron 0.05 g. de la fracción de pulpa (b.s.), se adicionaron 45 mL de agua

destilada, y empleando agitación magnética, se obtuvo una suspensión homogénea;

posteriormente se inició la reacción adicionando 0.5 mL ácido sulfúrico 4N y 10 mL

de permanganato de potasio 0.1 N dejando reaccionar la suspensión por un tiempo

de 10 min manteniendo la temperatura constante a 25 °C. La reacción se detuvo

adicionando 1 mL de una solución saturada de yoduro de potasio e inmediatamente

el iodo liberado se tituló con tiosulfato de sodio al 0.02 N, usando una solución de

almidón al 0.2%, como indicador cerca del “punto final” de la titulación, cada

experimento se realizó por duplicado.Para eltestigo de la reacción se empleó

exactamente el mismo procedimiento anterior, pero sin la fracción de la pulpa.El

número kappa se calculó de acuerdo a las Ecuaciones (6) y(7).



Página 25

𝑝 = 𝑏−𝑎 ∗𝑁

0.1 ….. (Ec. 6)

𝐾 =𝑝∗𝑓

𝑤 ….. (Ec. 7)

Donde:

K =número kappa.

f =factor para corregir a 50% al consumo de permanganato de potasio, obtenido de la norma: T 236-cm-85.

w =peso de muestra de pulpa seca (g).

p =cantidad de permanganato de potasio 0.1N consumida por la muestra (mL).

b =cantidad de tiosulfato consumido en la determinación del blanco (mL).

a =cantidad de tiosulfato consumido por la muestra ensayada (mL).

N =normalidad del tiosulfato de sodio.

5.2.3 Identificación de los grupos funcionales de la fibra y pulpa mediante

espectroscopia infrarroja con transformadas de Fourier (FTIR).

La espectroscopia infrarroja se fundamenta en la absorción de la radiación Infrarroja

por las moléculas en vibración, es decir, la molécula comienza a vibrar de una

determinada manera debido a la energía que se le suministra mediante luz infrarroja,

distinguiéndose dos categorías básicas de vibraciones: de tensión y de flexión

(Piqué y Vázquez, 2012).

Se efectuó la identificación cualitativa en la fibraetanosolv, fibra acetosolv, pulpa

etanosolv, y en la pulpa acetosolv de todos los tratamientos del proceso organosolv

evaluados, para lo cual se elaboraron comprimidos (pastillas) de las muestra

mezclados con KBr; posteriormente el comprimido se colocó en el equipo (Figura 11)

y el análisis consistió en aplicar 16 barridos desde una longitud de onda de 3700 cm-1

hasta 650 cm-1. Se utilizó un equipo marca MIDAC, modelo PR5, empleando el



Página 26

programa MIDAC GRAMS_32 versión 4.11, que se encuentra en el laboratorio de

Posgrado del Instituto Tecnológico de Zacatepec.

Figura 11. Equipo empleado para el análisis FTIR, (a) Prensa para elaborar el comprimido con KBr,

(b) Equipo utilizado.

5.3 Caracterización funcional y fisicoquímica del material lignocelulósico.

Una vez obtenidas las condiciones adecuadas del proceso organosolv para cada

disolvente evaluado, se caracterizaron algunas propiedades funcionales y

fisicoquimicas de las tres fases obtenidas del material lignocelulósico: pulpaetanosolv

/ acetosolv, fibraetanosolv / acetosolv y licoretanosolv y acetosolv(Cuadro4), cabe

señalar que cada muestra se realizó por triplicado.

5.3.1 Índice de absorción de agua (IAA).

Se determinó de acuerdo con el método descrito por Larrea (2003), se pesó 1.0 g de

la fracción fibrosa (por triplicado) tratada con el proceso organosolv y del bagazo sin

tratamiento. La muestra se suspendió en 25 mL de agua destilada a 25°C, en tubos

de centrifuga de 50 mL, pesados anticipadamente, posteriormente se sometieron a



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agitación constante por 30 minutos y se centrifugaron a 2500 xg durante 10 minutos.

El sobrenadante de cada tubo fue cuidadosamente transferido a una caja petri (de

peso conocido), y por último el tubo con muestra fue pesado. El índice de absorción

de agua fue obtenido por la división del peso de la muestra hidratada entre el peso

de la muestra seca, y expresada en g de agua / g de materia seca. Se realizó el

mismo procedimiento para la determinación la pulpa.

Cuadro4. Caracterización funcional y fisicoquímica de las fracciones obtenidas del material

lignocelulósico.

Fracciones del material lignocelulósico.

Fibra Pulpa Licor

Propiedades

funcionales

evaluadas.

Índice de absorción de agua.

Índice de solubilidad en agua.

Capacidad de hinchamiento.

Capacidad de retención de

H2O.

Capacidad de absorción de

moléculas orgánicas.

Densidad aparente.

Análisis de textura mediante

TDI.

Determinación de cenizas

FDT

Índice de absorción de

agua.

Índice de solubilidad

en agua.

Viscosidad.

Viscosidad.

Análisis

cualitativo del

licor mediante

TLC.

5.3.2 Índice de solubilidad en agua (ISA).

El sobrenadante obtenido en la sección 5.3.1 fue colocado en las cajas petri y se

llevaron a sequedad, por evaporación en una estufa a 100°C hasta peso constante.

El índice de solubilidad en agua fue obtenido dividiendo el peso de los sólidos secos

recuperados entre el peso de la muestra inicial. Se realizó el mismo procedimiento

para la pulpa (Larrea, 2003).



Página 28

5.3.3 Capacidad de Hinchamiento (CH).

Se realizó de acuerdo con la metodología descrita por Valencia y Román, (2006).

Para ello, se pesaron 2g de cada muestra (por duplicado) en una probeta graduada

de 25 ml y se midió el volumen ocupado por las fibras (volumen inicial); se

adicionaron 10 ml de agua destilada y se agitó manualmente durante 5 min. Se dejó

en reposo durante 24 h a temperatura ambiente. Posteriormente se midió el volumen

final de las muestras. La CH (mL/g) se calculó mediante la Ecuación 5.

𝐶𝐻 = 𝑣1−𝑣𝑜

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎…..(Ec. 5)

Donde:

CH= Capacidad de Hinchamiento.

V1= Volumen Final.

Vo= Volumen Inicial.

5.3.4Capacidad de retención de agua (CRA).

Se pesaron 0.5g de cada muestra, se adicionaron 10 mL de agua destilada y se

agitaron manualmente durante 10 minutos. Las muestras se dejan en reposo durante

24 h a temperatura ambiente; se centrifugó a 3000 r.p.m durante 10 minutos,

inmediatamente se retiró el sobrenadante y se pesó el sedimento. La CRA (%) se

calculó mediante la Ecuación 6 (Valencia y Román, 2006).

𝐶𝑅𝐴 = 𝑃1−𝑃𝑜

𝑃𝑜∗ 100 ….. (Ec. 6)

Donde:

CRA= Capacidad de retención de agua.

Po= Peso de la muestra.

P1= Peso del sedimento.



Página 29

Cabe señalar que para las mejores condiciones de extracción se hizo una cinética de

CRA, a las 1, 4, 6, y 24 h con el objetivo de identificar el comportamiento de la fibra

etanosolv con respecto al tiempo.

5.3.5 Capacidad de absorción de moléculas orgánicas (CAMO).

Se pesaron 0.5g de cada muestra en tubos de centrifuga de 50 mL, se adicionaron

10 mL de aceite comestible comercial y se agitó manualmente durante 10 minutos,

luego se dejó en reposo durante 24 h a temperatura ambiente y se centrifugó a 3000

r.p.m durante 10 minutos, inmediatamente se retiró el sobrenadante y se pesó el

sedimento. La Capacidad de absorción de moléculas orgánicas (mL/g) se calcula

mediante la Ecuación 7(Valencia y Román, 2006).

𝐶𝐴𝑀𝑂 = 𝑃1−𝑃𝑜

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎∗ 100 ….. (Ec. 7)

Donde:

CAMO = Capacidad de absorción de moléculas orgánicas.

Po = Peso de la muestra

P1= Peso del sedimento.

De igual manera que en la sección 5.3.4., se hizo una cinética del comportamiento de

de la CAMO con respecto al tiempo (1, 4, 6 y 24 h) de la extracción organosolv más

adecuada.

5.3.6 Densidad Aparente

Se determinó a partir de los datos obtenidos del promedio de tres determinaciones

de peso y volumen de muestras de la fracción de pulpa correspondiente a cada

tratamiento, empleando la siguiente ecuación (Larrea, 2003).



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𝐷. 𝑎𝑝 = 𝑀(1−𝑤

100 )

𝑉− 𝑀(𝑤 100 ) ….. (Ec. 8)

Donde:

D. ap= Densidad aparente

M = Masa de la muestra

V= Volumen ocupado por la muestra

w= gramos en peso seco

5.3.7 Capacidad de retención de agua a diferentes temperaturas (CRA).

Se pesaron 250 mg de muestra seca, después se le adicionaron 25 mL de agua

destilada y se mantuvo en agitación constante a diferentes temperaturas (40°, 60° y

80 °C) por una hora, posteriormente se centrifugó a 3000 xg a 4°C y los residuos se

pesaron. La CRA a diferentes temperaturas se calculó empleando la Ecuación 6

(Larrauri y col., 1996).

5.3.8 Viscosidad.

La viscosidad de los licores y pulpas obtenidos por organosolv fue determinada en

un Reómetro rotacional (TA instruments modelo ARG2) utilizando una geometría de

cilindros concéntricos (dimensión de la copa 78.44 mm de altura por 15 mm de radio,

dimensión del cilindro 50.74 por 14mm de radio). La muestra fue colocada en el

cilindro, a una altura de 27.7 mm. La medición se realizó a 25°C, empleando una

apertura entre el cilindro y la copa de 2.77 mm y manteniendo un esfuerzo de corte

de 0.01 Pa.

Se determinó la viscosidad de los licores de etanol al 40% y acido acético al 40%

(fracción liquida) así como de la pulpa de ambas extracciones a una concentración

del 5%.



Página 31

5.3.9 Cromatografía de capa fina.

Se realizó el análisis del licor etanosolv y licor acetosolv (condiciones adecuadas) por

cromatografía de capa fina, para lo cual, se utilizó el equipo Linomat 5

automuestreador semiautomático (Linomat, CAMC, Suiza). Como soluciones

estándar se usaron la sacarosa, fructosa, glucosa, y fructanos.

Las soluciones de interés fueron inyectadas en una placa de aluminio, y

posteriormente se marcó el frente de eluyente, y, se colocó la placa en la fase móvil

(butanol 50 mL, metanol 25 mL, agua destilada 20 mL y acido acético 1 mL) y se

corrió la muestra por capilaridad hasta el frente de eluyente marcado.

Posteriormente se sacó la placa de la fase móvil y se dejo secar a temperatura

ambiente, y esta fue colocada nuevamente en la fase móvil.

Después de haber secado la placa, ésta fue fijada mediante calentamiento a 180 °C

por 10 min; se dejó enfriar a temperatura ambiente. A continuación se asperjó el

revelador previamente preparado con etanol 9 mL, anisaldehido 0.5 mL, y ácido

sulfúrico 0.5 mL), se dejó secar la placa y se calentó a 120 °C para lograr el revelado

de los compuestos.

Las placas se observaron y capturaron mediante el equipo “Visual Laiser” , utilizando

una longitud de onda (λ): de 366 nm. Por último se identificaron los compuestos del

licor acuerdo su polaridad y se determino el Rf de cada componente.

5.3.9.1 Determinación de cenizas y fibra dietética total (FDT).

Cenizas.Se utilizó el método oficial de la AOAC (1990). Se calculó el porcentaje de

cenizas cuantificando la pérdida en peso de 3g de muestra después de incineración

a 560°C durante 4h en una mufla(Thermolyne 6000 furnace, Equipar S.A de C.V.).

Fibra dietética total. Se utilizó el método oficial 985.29de la AOAC(1997), las

muestra seca y libre de grasa fue hidrolizada parcialmente con α- amilasa y digerida



Página 32

enzimáticamente con la proteasa y la amiloglucosidasa para eliminar la proteína

residual y almidón presente en la muestra, posteriormente, fue añadido etanol para

precipitar la fibra dietética soluble. El residuo se filtro y se lavo con etanol y acetona.

El residuo fue secado en una estufa a 100°C y una vez a peso contante se obtuvo el

peso final del residuo. La mitad de la muestra fue analizada para proteínas y la otra

mitad fue incinerada. La fibra dietética total fue el peso del residuo, menos el peso de

la proteína y cenizas.

5.4 Caracterización morfológica de textura mediante un TDI.

La fibra etanosolv, la fibra acetosolv, y la fibra sin tratamiento, fueron observadas en

un estereoscopio Nikon (ZMV-500) con un zoom de 11.25 X. Las imágenes fueron

capturadas utilizando el programa MetaMorph versión 6.1r (se capturaron 30

imágenes de cada tratamiento).

Posteriormente se realizó el tratamiento digital de imágenes utilizando el programa

ImageJ 1.40, de la National Institute of Health (Bethesd, USA), a partir del cual se

realizó un análisis de textura digital de las fibras realizando mediciones de los

siguientes parámetros: dimensión fractal de textura, entropía, segundo momento

angular y contraste; para lo cual se usaron 30 microscopías de cada tratamiento

evaluado. Así mismo se realizó la representación tridimensional de textura de las

fibras, para lo cual se siguieron los siguientes pasos.

a) Se realizaron cortes cuadrados de las micrografías de las fibras etanosolv,

acetosolv y testigo, de 60 x 60 pixeles, para lo cual se utilizó la herramienta

“duplícate”, y después se convirtió la imagen a escala de grises (8 bit).

b) La representación tridimensional de textura se obtuvo a partir de la

herramienta surface plot.

c) Los parámetros de segundo momento angular, contraste y entropía se

obtuvieron empleando la herramienta GLCM texture.

d) Por último se determinó la dimensión fractal de textura empleando la

herramienta Standard box counting (SDBC).



Página 33

5.5 Análisis Estadístico.

Se utilizó el análisis estadístico de varianza de una vía para evaluar individualmente

cada una de las variables respuesta (porcentaje de celulosa, porcentaje de lignina

total, y rendimiento del proceso) con respecto a las concentraciones de cada

disolvente evaluado, y posteriormente se realizó el ANOVA con respecto a los

tiempos evaluados del proceso organosolv. Para lo cual se empleo el software Sigma

Plot versión 11.1; seguido de una prueba de medias siguiendo la metodología de

Tukey.



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6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

6.1 Extracción de material lignocelulósico utilizando un procesoorganosolv.

Los resultados del proceso de extracción con respecto a las concentraciones de cada

disolvente evaluado se presentan en el Cuadro 5, siendo las variables de respuesta

evaluadas: rendimiento del proceso, porcentaje de celulosa y porcentaje de lignina

total. Se encontró que las concentraciones para cada disolvente utilizado con

respecto a la cantidad de celulosa, lignina y rendimiento de extracción no

presentaron diferencia estadísticamente significativa (P ≥.0.05)

Cuadro5. Variables respuesta del proceso organosolv con respecto a las concentraciones de cada

disolvente evaluado.

Disolvente Tiempo

(h)

Concentración

(%)

Rendimiento

del proceso

(%)

Celulosa

(%)

Lignina

Total

(%)

Etanol

5

40 60.77 29.37 60.02

50 59.3 34.24 51.46

60 62.02 37.04 50.45

7

40 62.47 41.47 49.62

50 53.42 35.55 53.05

60 57.94 37.32 64.91

Ácido

acético

5

40 67.07 47.16 46.19

50 65.17 43 48.37

60 66.1 42.76 43

7

40 59.3 39.71 42.14

50 61.51 39.94 41.27

60 63.95 41.54 41.3

Sin embargo, evaluando los resultados de las variables de respuesta con respecto a

los tiempos de reacción de cada disolvente (Cuadro 6), mostraron diferencia

estadísticamente significativa (P ≥ 0.05).



Página 35

Por lo cual, la evaluación entre los tiempos de reacción con relación al porcentaje de

rendimiento del proceso presentó diferencia entre el tratamiento con etanol a las 7h

con respecto a los tratamientos restantes.

Por otro lado los tiempos de reacción con relación al porcentaje de celulosa

presentaron una diferencia entre el tratamiento con ácido acético a las 5 h de

procesamiento, con respecto a los tratamientos restantes.

Por su parte, la evaluación entre los tiempos de reacción con respecto al porcentaje

de lignina total presentó diferencia entre el tratamiento con ácido acético a las 7 h,

con respecto a los tratamientos restantes, como se muestra en el Cuadro 6.

Cuadro6. Variables respuesta del proceso organosolv con respecto a los tiempos de cada disolvente

evaluado.

Disolvente Tiempo

(h)

Rendimiento

del proceso (%)

Celulosa

(%)

Lignina

Total (%)

Etanol

5 60.697 ±

1.36a

33.55 ±

3.88a

53.97 ±

5.26a

7 57.941 ±

4.52b

38.11 ±

3.04ª

55.86 ±

8.02a

Ácido acético

5 66.113 ±

0.95a

44.3 ±

2.47b

45.85 ±

2.70a

7 61.58 ±

2.33a

40.39 ±

0.99ª

41.57 ±

0.49b

Media de tres repeticiones ± DE

Letras diferentes en una misma columna indican diferencias estadísticamente significativas (p < 0.05)

De acuerdo al análisis anterior se seleccionó al tratamiento con etanol al 40%

durante 5 h, ya que este presentó las mejores condiciones de extracción, debido a

que se obtuvo el mayor porcentaje de lignina total presente en la pulpa, lo que

implicó que se está generando un mayor fraccionamiento del material lignocelulósico.

Sin embargo el rendimiento del proceso y el porcentaje de celulosa fueron menores



Página 36

con respecto a los otros tratamientos evaluados. Esto se debe posiblemente a que el

bagazo presentó una mayor liberación de lignina y hemicelulosa debido al proceso

utilizado. Por lo tanto, las moléculas de celulosa presentes en la parte fibrosa

quedaron más expuestas a una hidrolisis generándose así moléculas más pequeñas

que pudieran estar presentes en la pulpa y licor (Saad y col., 2008).

De acuerdo a Bonn y col. (1988), el proceso de extracción organosolv habitualmente

genera un mayor fraccionamiento del material lignocelulósico, dando como resultado

moléculas más pequeñas de azúcares y de fenilpropano. Estos autores realizaron un

análisis de las fracciones obtenidas durante un tratamiento hidrotérmico, seguido de

un proceso organosolv de paja de trigo reportando la presencia de moléculas de

ácidos orgánicos como: ácido fórmico, ácido glicérico, ácido láctico, ácido acético.

Como se comentó líneas arriba, se eligió el etanol como el disolvente más apropiado

para este proceso organosolv, ya que las moléculas constituyentes del material

lignocelulósico probablemente sólo presentaron una hidrólisis intermolecular (Ingram

y col., 2011), lo que involucró una despolimerización parcial del material

lignocelulósico menos “agresiva”, generando así moléculas de celulosa, lignina y

hemicelulosa con mayor integridad estructural y con posibles distintas aplicaciones

industriales.

Por otra parte el material lignocelulósico tratado con ácido acético presentóuna

hidrólisis que se infiere pudiese ser tanto intramolecular como intermolecularmente

por lo cual las moléculas del material lignocelulósico presentaron un mayor grado de

fraccionamiento y por lo tanto moléculas de menor tamaño. En este sentido, el

análisis FTIR podrá corroborar esta característica.

Resultados similares fueron obtenidos por Castro y col. (2007), quienes realizaron

una investigación sobre los mecanismos de reacción presentes en los tratamientos

hidrotérmicos de residuos orgánicos. Estos autores identificaron que durante una

conversión principalmente de celulosa a monómeros, se presentó una

despolimerización por hidrólisis y obteniendo oligosacáridos, los cuales presentaron

deshidratación y condensación retro-aldol, para transformarse en furfurales y ácidos



Página 37

carboxílicos. También observaron que los otros componentes del material

lignocelulósico como la lignina, presentan rutas de reacción en las que coexisten la

hidrólisis y la pirólisis. Es decir, de manera general una hidrolisis “suave” da como

resultado moléculas íntegras estructuralmente, mientras que una hidrólisis más

“severa” produce moléculas de menor tamaño molecular como las referidas

anteriormente.

6.2 Identificación de los grupos funcionales de la fibra y pulpa mediante

espectroscopía infrarroja por transformadas de Fourier.

En la Figura 12, se muestran los resultados obtenidos del producto fibroso (celulosa)

de las muestras tratadas con etanol y ácido acético a las diferentes concentraciones

y tiempos de reacción. En este análisis cualitativo se observó la presencia de los

picos característicos de los grupos funcionales propios del material lignocelulósico

(Cuadro 7), los cuales se presentaron en la longitud de onda de los 1750 - 1732 cm-1,

donde se identificó el estiramiento del C=O, y en la longitud de onda de los 1500 cm-

1 donde se presentó el enlace C=C del anillo aromático. Ambos grupos son

característicos de la estructura de la lignina.

Cuadro 7. Identificación de grupos funcionales del material lignocelulósico.

λ (cm-1) Señal* Grupo Funcional

1062 1 C-O-C

1500 2 C = C

1750-1732 3 C = O

*El número de señal se identifica en el espectro FTIR que se encuentra en la Figura 10.

En todos los tratamientos de extracción analizados se presentaron residuos de

lignina en las fibras; no obstante se corroboró la presencia de lignina en la pulpa



Página 38

generada después del proceso de extracción. De aquí que en primera instancia, las

condiciones del proceso organosolv propuestas sí generaron un fraccionamiento del

material lignocelulósico.

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

25

30

35

40

45

50

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

15

20

25

30

35

40

45

50

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

25

30

35

40

45

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

% d

e t

ran

smita

nci

a

(cm-1)

Blanco

% d

e t

ran

smita

nci

a

(cm-1)

Etanol 40% -5h

etanol 50% - 5h

etanol 60% - 5h

ac. Acetico 40 - 5h

Ac acetico 50 % -5h

Ac acetico 60 % -5h

% d

e t

ran

smita

nci

a

(cm-1)

etanol 40% - 7h

etanol 50% - 7h

etanol 60% - 7h

Ac acetico 40 % -7h

Ac acetico 50 % -7h

Ac acetico 60 % -7h

% d

e t

ran

smita

nci

a

(cm-1) pulpa de ac. Acetico 50% 7h

pulpa de Etanol 50% 7h

Figura 12. FTIR de los productos de las muestras analizadas, a) muestra de bagazo sin tratar, b)

muestra de bagazo tratadas con los diferentes solventes con un tiempo de reacción de 5h, c) muestra

de bagazo tratadas con los diferentes solventes con un tiempo de reacción de 7h, d) muestras de la

pulpa obtenida con los solventes al 50% y 7h de tiempo de reacción

Este análisis cualitativo coincide con lo reportado por Sun y col. (2004), quienes

realizaron un análisis FTIR a muestras de celulosa obtenidas mediante tratamientos

organosolv de paja de trigo. Estos autores identificando el estiramiento del C=O en

la banda de los 1732 cm-1.

A)

B)

C) D)

1

2

3



Página 39

Por su parte Morán y col. (2008), reportaron una caracterización FTIR de celulosa

extraída a partir de fibra de agave sisal, observando que la lignina presentó picos

característicos en la región 1500 a 1600 correspondientes a la vibración de la

estructura de anillos aromáticos.

El FTIR mostró que existe una diferencia en el proceso de hidrolisis con respecto al

tratamiento con etanol con respecto al tratamiento con acido acético; corroborando

que utilizando el disolvente etanol, dicha hidrolisis es más “suave” y generan

moléculas de lignina, hemicelulosa y celulosa con mayor integridad estructural que

cuando se utiliza ácido acético.

6.3 Caracterización funcional y fisicoquímica del material lignocelulósico.

Se realizó la caracterización de las fracciones lignocelulósicas (fibra etanosolv /

acetosolv, pulpa etanosolv / acetosolv, licor etanosolv / acetosolv y de la fibra sin

tratamiento), con el fin de realizar un estudio de las características funcionales y

físico químicas que proporcionan dichas fracciones. Y con ello, surge su posible

utilización en la industria de alimentos, biotecnológica ó bioingeniería, como un

nuevo campo de aplicación de los subproductos generados de los residuos de la

industria tequilera.

6.3.1 Índice de absorción de agua (IAA) e Índice de solubilidad de agua (ISA).

En el Cuadro 8, se muestran los resultados correspondientes a los índices de

absorción y de solubilidad deagua de los subproductos (fibraetanosolv / acetosolv y

pulpaetanosolv / acetosolv), con relación a un testigo (fibra sin tratamiento)

generados del proceso organosolv.

Respectoal IAA se observó que la muestra de fibra sin tratamiento presentó un

menor índice (4.8 g H2O /g fibra) en comparación con la fibraetanosolv / acetosolv y

pulpa etanosolv / acetosolv. Este comportamiento puededeberse al tamaño de



Página 40

partícula de las fibras y pulpa, debido a que éste tiende a disminuir después de la

aplicación del organosolv.

Un comportamiento similar lo obtuvieron Larrea (2003), y Santillán y col. (2011),

quienes manifestaron que el valor del IAA tiende a incrementarse probablemente

debido a una reducción en el tamaño de las partículas; así como una mayor

liberación de grupos hidroxilo (OH-1) que estarían disponibles para ligarse con

moléculas de agua. Dichos autores también indicaron que es difícil comparar los

valores de IAA en los diferente productos, porque dependen de las condiciones

experimentales evaluadas del proceso de extracción de las fibras(temperatura,

tiempo, y concentraciones de los disolventes).

Respecto al ISA, se encontró que la fibra sin tratamiento es más soluble que la pulpa

etanosolv / acetosolv, y a su vez la pulpa es más soluble que la fibra etanosolv /

acetosolv. Esto puede explicarse debido que la fibra sin tratamiento contiene material

lignocelulósico y residuos de azúcares procedentes del proceso de cocción y

extracción del jugo de la piña de agave, por lo cual contiene una mayor cantidad de

moléculas solubles en agua. Similarmente la pulpa etanosolv / acetosolv presentó

más moléculas disponibles para interactuar con las moléculas de agua que la

muestra de fibra etanosolv / acetosolv.

Larrea (2003), sugiere que generalmente el ISA, depende de la cantidad de

moléculas solubles y está relacionado con el grado de hidrolisis de lamateria dado

por el proceso de fraccionamiento.

En el presente trabajo, se encontró que la hidrólisis no es tan “severa” en el caso del

etanol, por lo que se pudo atribuir que el comportamiento del ISA (7.27 ± 1.58) para

la fibra etanosolv, fue menor a las demás fracciones analizadas. Esta característica

pudo deberse a que las moléculas se obtienen con una mayor integridad estructural,

dando como resultado el presentar enlaces no disponibles para interactuar con las

moléculas de agua disminuyendo su solubilidad en ésta.



Página 41

Cuadro 8. Índice de absorción y solubilidad en agua.

Muestra

IAA*

(g H20/g

fibra)

ISA*

(%)

Fibra sin

tratamiento

4.837 ± 0.13

23.922

± 1.55

Fibra

Etanosolv

5.902 ±0.15

7.271 ± 1.58

Fibra

Acétosolv

6.333 ±0.15

8.598 ±

0.02

Pulpa

Etanosolv

6.153 ± 0.01

19.710

± 0.29

Pulpa

Acétosolv

5.671 ±0.18

16.289 ± 0.56

*IAA.Índice de absorción de agua. *ISA. Índice de solubilidad en agua. Media de tres repeticiones ± DE

6.3.2 Capacidad de hinchamiento (CH), retención de agua (CRA), y absorción

de moléculas orgánicas (CAMO).

En el Cuadro 9, se observan los resultados de las propiedades de hidratación de la

fibraetanosolv / acetosolv que fueron determinadas a través de la CH, la CRA, y

CAMO.

Se encontróque la fibra sin tratamiento presentó una menorCH que la fibraetanosolv /

acetosolv. De acuerdo a Raghavendra y col.(2006), este parámetro depende de las

características de sus componentes individuales y de la estructura física

correspondiente a la porosidad y la cristalinidad de la matriz de la fibra. Debido a ello

se podría suponer que, el proceso de deslignificación hace que las fibras etanosolv /

acetosolv, estas presentar una estructura más porosa lo que permitió mayor

disponibilidad por moléculas de agua, es decir una mayor CH.



Página 42

Referente a la CRA, se encontró que las fibras sin tratamiento presentó una menor

CRA comparada con el análisis realizado a las fibras etanosolv / acetosolv. Este

comportamiento puede suponerse que se debió al tamaño de partícula, temperatura,

tiempo de contacto y velocidad de centrifugación empleados durante el análisis de la

CRA. Valencia y Román (2006), realizaron un análisis a concentrados comerciales

de trigo, avena y manzana de fibra dietética. Estos autores mencionaron que la CRA

es afectada por la susceptibilidad de las fibras al estrés debido a la fuerza centrifuga.

Por otra parte,la densidad aparente de cada muestra evaluada, indicó que la fibra sin

tratamiento presentó una mayor densidad aparente que las fibras etanosolv /

acetosolv; lo que pudo deberse a que la fibra generada después del tratamiento de

extracción, disminuyó el tamaño de partícula de la fibra pero a su vez aumentó el

volumen de las mismas debido al incremento de su porosidad (Larrea, 2003).

Por último, se observó que la fibra etanosolv / acetosolvpresentó una mayor CAMO

en comparación con las fibras sin tratamiento. Esta propiedad puede relacionarse,

con el comportamiento de la fibra dietaría en el intestino, en el cual posiblemente

puedan ligar las sales biliares, colesterol, drogas, compuestos tóxicos y

carcinogénicos permitiendo su extracción por las heces (Valencia y Román, 2006).

Cuadro 9. Análisis de CH, CRA, CAMO y Densidad aparente de las fibras y el testigo.

Muestra CH* (mL/g)

CRA*

(g de H2O/

g MS*)

CAMO*

(g de aceite/

g de MS*)

Densidad

Aparente*

(g/mL)

Testigo 1.272 ±

0.32

3.33 ±

0.11

2.567 ±

0.04

0.516 ±

0.02

Fibra Etanol

40%

2.17 ±

0.04

5.321 ±

0.20

5.392 ±

0.13

0.214 ±

0.02

Fibra Acético

40%

2.49 ±

0.03

6.180 ±

0.41

5.580 ±

0.42

0.23 ±

0.02 *CH. Capacidad de hinchamiento, *CRA. Capacidad de retención de agua, *CAMO. Capacidad de absorción de moléculas orgánica, *MS. Muestra seca. Media de tres repeticiones ± DE.



Página 43

Las propiedades de hidratación de las fibras etanosolv, se compararon con fibras

dietarías comerciales, los resultados se observan en el Cuadro 10. La CRA y la

CAMO de la fibra etanosolv es mayor que las fibras comerciales tales como: la fibra

de manzana, trigo y zanahoria, a excepción de la remolacha de azúcar la cual

presenta resultados semejantes.

Con respecto a la CH se identificó que las fibras comerciales presentan una mayor

CH con respecto a la fibra etanosolv, esto fue posiblemente a su estructura

molecular. De acuerdo a Valencia y Román (2006), cuando la CH es pequeña

involucra la posibilidad de provocar una menor saciedad, repercutiendo en la

disminución del bolo fecal.

Cuadro 10.Comparación de la fibra de agave con fibras dietéticas comerciales

Tipo de Fibra

Propiedades de Hidratación

CRA* (g/g)

CH*

(mL/g) CAMO*

(g/g) Referencia.

Manzana 3.50 9.00 1.30 Thebaudin y col.

(1997)

Chícharo 2.70 5.50 1.00 Thebaudin y col.

(1997)

Trigo 2.50 7.50 1.30 Thebaudin y col.

(1997)

Zanahoria 3.10 7.50 1.20 Thebaudin y col.

(1997)

Remolacha de

azúcar 5.00 10.50 5.10

Thebaudin y col.

(1997)

Fibra de agave 5.32 2.17 5.39 Nuestra

investigación CH. Capacidad de hinchamiento, CRA. Capacidad de retención de agua, CAMO. Capacidad de

absorción de moléculas orgánica

Para la caracterización de la fibra etanosolv, fue importante conocer el

comportamiento de la CRA (Figura 13) y el comportamiento de la CAMO (Figura 14)

con respecto al tiempo realizando la cinética a la 1, 4, 6, y 24 h.



Página 44

Se encontro que la fibra etanosolv presentó una mayor CRA y CAMO con respecto a

la fibra sin tratamiento como se observa en las Figuras 11 y 12. Este comportamiento

pudo deberse al efecto provocado en la fibra después del tratamiento organosolv, lo

que implicó que el efecto de cizalladura que presentó la pared celular, ocasionó el

colapso de la estructura de la matriz de la fibra (Cadden, 1987). Debido a lo anterior

pudó incrementar el área superficial teórica y el volumen de los poros lo que provoco

que la fibra etanosolv fuera vulnerable a la CRA y CAMO.

El comportamiento de las cinéticas evaluadas, describió que la fibra etanosolv

presentó a las 6 h una mayor CRA y a las 4 h una mayor CAMO. De acuerdo a lo

reportado por Raghavendra y col. (2006), este comportamiento de las propiedades

funcionales se pudo deber a que después de los tiempos idóneo de contacto entre la

fibra y las moléculas con las que interaccionó, la matriz de la fibra comenzó a sufrir

daños y sus poros se comenzaron a colapsar por lo que la fibra etanosolv después

de llegar a un punto de equilibrio comenzó a disminuir su CRA y CAMO.

Figura 13. Cinética de la capacidad de retención de agua (n= 3)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

0 4 8 12 16 20 24

CR

A (

%)

Tiempo (h)Fibra etanosolvFibra sin tratamiento



Página 45

Figura 14. Cinética de la capacidad de absorción de moléculas orgánicas (n=3).

6.3.3 Capacidad de retención de agua a diferentes temperaturas.

En la Figura 15, se observó el comportamiento de la capacidad de retención de

moléculas de agua a diferentes temperaturas (40°, 60° y 80°C), encontrando de

manera general, que la CRA aumentó al someter a las fibras sin tratamiento a un

calentamiento. Esto pudo deberse a que parte de la constitución de la fibra es

material soluble el cual permite la interacción de las moléculas de agua con los

componentes estructurales de la fibra (Vergara, 2005).

Por último se observo que las fibras etanosolv y acetosolv, no cambian

notablemente su CRA con respecto al efecto causado por la temperatura. Lo cual

puede deberse a que la CRA está ligada al material soluble como se mencionó

anteriormente. Y dado que las fibras etanosolv y acetosolv presentan una menor

cantidad de moléculas solubles como resultado del proceso organosolv, este método

extrae en mayor cantidad moléculas solubles.

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

0 4 8 12 16 20 24

CA

MO

(%

)

Tiempo (h) Fibra etananosolvFibra sin tratamiento



Página 46

Figura 15. Capacidad de retención de agua a diferentes temperaturas (n=3).

6.3.4 Viscosidad.

Se determinó la viscosidad del licoretanosolv / acetosolv y de la pulpaetanosolv /

acetosolv. Los resultados mostraron que, tanto los licores etanosolv y acetosolvcomo

la pulpa etanosolv y acetosolvpresentaron un comportamiento newtoniano

característico, en virtud que el esfuerzo de corte exhibido es proporcional a la

velocidad de deformación aplicada como se muestra en la Figura 16; dando

comoresultado una línea recta.

Losvalores obtenidos de la viscosidad que se muestran en el Cuadro 11, fueron

pequeños y casi no varían con respecto a los licores etanosolv y acetosolv;

observando que presentaron una mayor viscosidad con respecto a la pulpa

etanosolv y acetosolv. Estas pequeñas variaciones, podrían ser producto del tipo y

concentración de hidratos de carbono (mono, oligo o polisacáridos) contenidos en las

diferentes licores analizados.

En general, se conoce que los azúcares en solución exhiben este tipo de

comportamiento (Elleuch y col. 2011); sin embargo algunas soluciones

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

40 60 80

CR

A(g

de H

2O

/ g M

S)

Temperatura (°C)

F. Etanosolv

F. Acetosolv

F. sin tratamiento



Página 47

depolisacáridos de alto peso molecular o ramificados (pectinas, almidones etc.)

pueden presentar comportamientos de flujo no newtonianos,por lo que cuando

aumenta la velocidad de deformación la viscosidad aumenta o disminuye. En el caso

del presente estudio, se sugiere que los componentes del licor y la pulpa son hidratos

de carbono poco ramificados o compuestos mayoritariamente por oligosacáridos,

producto del proceso de extracción.

Figura 16. Comportamiento de flujo de los licores.

Cuadro 11. Viscosidad de las muestras evaluadas.

Muestra Viscosidad

(mPa.s)

Licor

etanol 2.94

Licor

acético 2.24

Pulpa

etanol 1.64

Pulpa

acético ≈ 1.64

0.0

0.1

1.0

4 40

Esfu

erz

o d

e c

ort

e(P

a)

Velocidad de deformación(1/s)

Licor Etanol

Licor Acético

Pulpa Etanol

Estandar Acético

Estandar Etanol



Página 48

6.3.5 Cromatografía de capa fina.

El análisis de cromatografía de capa fina (TLC) de los licores etanosolv y acetosolv,

realizó una separación de sus componentes de acuerdo su polaridad y a la polaridad

de la fase móvil, empleando como estándares sacarosa, fructosa, glucosa, y

fructanos. Por lo cual, al observar la placa de cromatografía de capa fina (Figura 17),

se observó que en los licores etanosolv y acetosolv hay una banda claramente

marcada que presentó un Rf = 0.64; el cual corresponde al Rf = 0.65 que presentan

los estándares de glucosa y fructosa (Cuadro 12). La presencia mayoritaria de estos

componentes podría deberse a que en el licor etanosolv y acetosolv se cree que se

encuentra la mayor presencia de monómeros (fructuosas y glucosas) generados de

los azucares residuales del bagazo, y del proceso de fraccionamiento que sufrió el

material lignocelulósico debido al método organosolv

Figura 17. Placa de cromatografía de capa fina de los licores revelada con anisaldehido, λ=366.

También se identificó que hay componentes más pequeños que los estándares

analizados, los cuales de acuerdo al trabajo que se realizó Bonn y col. (1988),

podrían ser productos generados del método organosolv tales como ácidos



Página 49

orgánicos, así como también fracciones generadas de los residuos del proceso de

deslignificación. Por último se propone la identificación de los componentes de menor

tamaño molecular, debido a que podrían ser moléculas con un amplio interes para la

investigación

Cuadro 12. Rf de cada banda de las muestras analizadas.

Muestra Rf

Sacarosa

0.6158

Fructosa

0.6594

Glucosa

0.656

Licor acetosolv

0.6477, 0.7232,0.9396

Licor etanosolv

0.6426, 0.7232, 0.8339

Fructanos

0.3557, 0.3926, 0.4547

6.3.5 Cuantificación de cenizas y fibra dietética total.

Con respecto al porcentaje de cenizas, se realizó el análisis comparativo entre la

fibra etanosolv, la fibra acetosolv y la fibra sin tratamiento, identificando que la fibra

sin tratamiento presentó un 7.144% de cenizas, obteniendo un mayor porcentaje de

cenizas (materia inorgánica) que las fibras etanosolv(5.3% de cenizas) y la

fibraacetosolv (5.96% de cenizas), esto pudo deberse a que el método organosolv

presentó la capacidad de realizar un fraccionamiento del material lignocelulósico, y,

a su vez hubo una mayor eliminación de la materia inorgánica presente en la

muestra a través de dicha hidrólisis.

La determinación de fibra dietética total se realizó al método organosolv más

adecuado para el material lignocelulósico, reportando que la fibra etanosolv presentó

un 80 % de FDT, por lo cual se identificó que el subproducto obtenido es rico en fibra

dietaría total (FDT).



Página 50

Estos resultados pueden coincidir con lo publicado por Valencia y Román (2006),

quienes realizaron una caracterización de extractos comerciales de fibra dietética

micropulverizada de trigo y avena reportando un 98.4% y 96.7% de fibra dietaría

total, y un 1.3% y 1% de cenizas respectivamente. Debido a esto, se podría

considerar que la muestra presentó una proporción de componentes similar a la que

contienen fuentes comerciales de fibra dietética. Este podría ser una ventaja para

darle un nuevo uso a la fibra etanosolv generada del bagazo del agave, para la

industria de alimentos.

6.4 Caracterización morfológica de textura mediante TDI.

Se realizó la caracterización morfológica de textura de las fibras etanosolv, fibra

acetosolv y de la fibra sin tratamiento, ya que este parámetro brinda la capacidad de

deducir como es la textura superficial de la fibra refiriéndose a características físicas

de porosidad, suavidad, y rugosidad; lo que permite a su vez establecer la calidad

de la fibra y como está íntegramente relacionada con sus propiedades funcionales.

De acuerdo a las micrografías presentadas en la Figura 18, se identificó que las

fibras sin tratamiento fueron gruesas y con una textura homogénea en comparación

con las fibras etanosov y acetosolv. Lo cual, podría atribuirse a la estructura de la

fibra, que se encuentra constituida por celulosa unida con el material lignocelulósico

y recubierta por azúcares residuales.

Debido a lo anterior, las fibras sin tratamiento presentaron una mayor regularidad

aparente de la superficie con respecto a las fibras etanosolv y acetosolv. Estas fibras

presentaron texturas irregulares, debido a la presencia de canales superficiales,

formados por el fraccionamiento del material lignocelulósico; dejando así expuestas

y visibles a las fibras de celulosa.

Lo mencionado anteriormente, se puede corroborar de acuerdo a la determinación

de las características de textura: contraste, entropía, dimensión fractal y segundo

momento angular (SMA) (Sahoo, 2011), las cuales se describen a continuación:



Página 51

N Fibra sin tratamiento Acético 5h Acético 7h

Etanol 5h Etanol 7h

De manera general se identificó que el contraste presentó diferencias numéricas

notables entre las fibras evaluadas. El contraste de la fibra sin tratamiento (377.24

±18.96) fue menor con respecto al contraste de las fibras etanosolv (567.6 ± 18.96) y

las fibras acetosolv (490.68 ±29.40); lo cual se debió que entre más homogénea sea

la textura de la fibra el valor del contraste decrece

Esta particularidad posiblemente se presentó debido a que la fibra etanosolv sufrió

una mayor despolimerización del material lignocelulósico, por lo cual la textura de la

fibra fue rugosa y ordenada; (Albregtsen, 2008), ésto de acuerdo al gráfico de la

representación tridimensional de textura que se observa en el Cuadro 13.

Figura 18. Micrografías de las fibras etanosolv, fibras acetosolv y fibras sin tratamiento, Zoom (11x)

Con el análisis de entropía se observó que la fibra etanosolv presentó un mayor

ordenamiento de su textura ya que su entropía fue mayor (7.766 ± 0.02), que la del

tratamiento con acidó acético (7.756 ± 0.054) (Albregtsen, 2008).



Página 52

Por otra parte, la dimensión fractal proporciona datos sobre la regularidad o

irregularidad de la textura de la fibra.

En este sentido se obtuvo que la fibra acetosolv presentó una mayor irregularidad de

la estructura superficial del material lignocelulósico (DF= 2.24 ± 0.0075). Es decir

valores de DF más cercanos al 3, representan una textura de mayor volumen e

irregularidad que aquellas cuyos valores de DF tienden a 2. Este aspecto, podría ser

resultado de la hidrolisis, la cual se presentó con rompimientos al azar

(desordenada).

Por último el SMA, se refiere a la homogeneidad que se encuentra íntegramente

ligada al nivel de grises, permitiendo inferir que tan porosa es la textura de fibra;

entre mayor es el nivel de grises la textura es menos porosa (más homogénea). De

los dos tratamientos evaluados se observó que la fibra etanosolv presentó una

textura (5.6x10-4) más porosa con respecto a la fibra sin tratamiento (6.5x10-4)) y la

fibra acetosolv (6x10-4). Esto podría deberse a que el etanol solo realizó una

despolimerización (hidrolisis parcial) del material lignocelulósico dejando más

expuestos y ordenados los canales de la estructura de celulosa (Albregtsen, 2008).

Aprovechamiento integral del bagazo de la piña de Agave tequilana Weber: Caracterización de fracciones lignocelulósicas obtenidas por un proceso

organosolv

Página 53

Cuadro 13. Variables evaluadas del análisis morfológico.

Muestra Segundo momento

angular Contraste Entropía

Dimensión

Fractal de

textura

Representación

tridimensional de textura

Blanco

0.00065

±

2.65E-05

377.242

±

18.96

7.648

±

0.041

2.204

±

0.0065

Etanol

0.00056

±

1.54E-05

567.604

±

18.96

7.766

±

0.022

2.240

±

0.0043

Ácido

Acético

0.00060

±

3.60E-05

490.684

±

29.40

7.756

±

0.054

2.245

±

0.0075



Página 54

CONCLUSIONES.

Las condiciones más adecuadas del proceso organosolv para la obtención de

fracciones de material lignocelulósico a partir bagazo de Agave tequilana Weber, se

obtuvieron mediante la extracción con etanol al 40% durante 5 horas; ya que se

obtuvieron fracciones con mayor integridad estructural.

Las propiedades funcionales evaluadas del material lignocelulósico, mostraron que

las fibras etanosolv / acetosolvy las pulpas etanosolv / acetosolv son una fuente rica

en fibra dietética total con propiedades similares a las fuentes comerciales.

Con estos subproductos es posible generar. productos con valor agregado para la

industria biotecnológica o de alimentos.

El licor etanosolv / acetosolv, son fuente identificó que es una buena fuente de

monosacáridos y disacáridos, que pueden ser utilizados en la obtención de

biocombustibles.

Las propiedades de textura evaluadas para las fibras etanosolv, fibras acetosolv y

fibra sin tratamiento, indicaron que la textura de las fibras se modifico notablemente

después de someterlas a un fraccionamiento organosolv. Las fibra provenientes del

proceso etanosolv presento una textura rugosa con un patrón ordenado, a diferencia

la fibra acetosolv, la cual presentó una textura rugosa. Las fibras sin tratamiento

presentaron una textura suave, lo cual está íntegramente ligado con la distribución de

sus componentes.



Página 55

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