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Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)Arnaldoa 24 (1): 289 - 300, : 1815-8242 (edición impresa)ISSN: 2413-3299 (edición online)Extracción de azúcares reductores totales ARTpor métodos físicos y químicos de planta de Zeamays (Poaceae) “maíz amarillo duro”Extraction of total reducing sugars TRS by physicaland chemical methods from plant of Zea mays(Poaceae) “hard yellow maize”Karen Chauca Espinoza, César A. Grosso Gamboa, José Cabrera Matara, CarlosLeón Torres, Julio Arellano Barragán, Carlos Norberto Rodríguez & OrlandoPretel SevillanoFacultad de Ciencias Biológicas. Universidad Nacional de Trujillo, Trujillo, Perú. karen13688@gmail.com;agrossogamboa@gmail.com24 (1): Enero - Junio, 2017289(VWH HV XQ DUWtFXOR GH DFFHVR DELHUWR EDMR OD OLFHQFLD && B 1& KWWSV FUHDWLYHFRPPRQV RUJ OLFHQVHV E\ QF
Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)Recibido: 11-I-2017; Aceptado: 22-III-2017; Publicado: VI-2017; Edición online: 31-V-2017ResumenLa lignina y la celulosa no siempre pueden emplearse en su forma natural, por ello debenhidrolizarse, y esto puede llevarse a cabo con enzimas, con ácidos o con bases; las dos últimaspresentan la ventaja de mejorar la hidrólisis de la celulosa. La alternativa de emplear residuoslignocelulósicos en la producción de bioetanol y de proteína unicelular constituye hoy día unaposibilidad altamente prometedora por su amplia disponibilidad en el mundo. En el presente trabajose evaluaron los diferentes métodos de hidrólisis del residuo lignocelulósico de la planta de Zeamays (Poaceae) “maíz amarillo duro” con la finalidad de determinar el método más adecuado parala máxima obtención de azúcares reductores totales ART y poder así utilizarlos como sustrato enprocesos fermentativos para la producción de proteínas unicelulares y bioetanol. La materia primaempleada fue planta seca y fraccionada de un tamaño de partícula 1,0 mm y se evaluó mediantemétodos de hidrólisis químicos, físicos y la combinación de ambos, utilizando como solucionesextractantes agua destilada estéril, ácido sulfúrico e hidróxido de sodio al 1,25 %. La relación plantasolvente utilizada en todos los tratamientos fue de 1:10. La determinación de los azúcares reductorestotales se realizó en los filtrados obtenidos de cada uno de los tratamientos empleando el métodode Folin-Wu. Los resultados indican que la máxima concentración de azúcares reductores totalesobtenidos corresponde a 82,94 y 84,18 g/L, y se obtienen después de realizar la hidrólisis mixtacomo resultado de la combinación del método físico y físico-químico.Palabras clave: azúcares reductores totales, planta, hojas, tallo, Zea mays.AbstractThe lignin and the cellulose can not always be used in their natural form, they need to behydrolyzed, and it can be carried out by enzymes, with acids or with bases; the last ones havethe advantage of improving the hydrolysis of the cellulose. The alternative of using lignocellulosicresidues in the production of bioethanol and single-cell protein is today a highly promisingpossibility due to its wide availability in the world. In the present work, different methods ofhydrolysis of the lignocellulosic residue of plant of Zea mays (Poaceae) “hard yellow maize” wereevaluated with the purpose of determining the most appropiate method for the extraction of totalreducing sugars TRS and then use them as substrate in fermentative processes for single-cell proteinand bioethanol production. We used dry and fractionated plant with particle size 1.0 mm andwe evaluated it through chemical and physical hydrolysis methods and the combination of bothusing as extractant solutions sterile distilled water, sulfuric acid and sodium hydroxide 1.25 %. Therelation plant-solvent used in all treatments was 1:10. The determination of total reducing sugarswas carried out in the filtrates obtained with each treatment using the Folin-Wu method. The resultsindicate that the maximum concentration of total reducing sugars obtained are 82.94 and 84.18 g/L,after carrying out the mixed hydrolysis as a result of the combination of physical and physicochemical methods.Keywords: total reducing sugars, plant, leaves, stem, Zea mays.IntroducciónLa energía como una forma concreta deexistencia de la materia posee diferentesmanifestaciones, pero como elemento delos factores de producción constituye uncomponente fundamental para el desarrollode las fuerzas productivas, toda vez que es29024 (1): Enero - Junio, 2017la fuerza capaz de poner en movimiento,mediante procesos físicos y químicos, elconjunto de herramientas y mecanismosque satisface las necesidad del progreso, eltrabajo y de la sociedad. Por otra parte, lasposibilidades de obtención de energía seencuentra determinada por la viabilidad dela transformación de un recurso o la síntesis
Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)o fusión de varios de estos, existiendo unagran preocupación internacional al respecto,fundamentalmente a partir de la crisis delpetróleo de la década del 70, debido a que elorigen de sus fuentes primarias son finitas,al provenir de combustibles fósiles (MesaGarriga et al., 2007).La bioenergía es una de las fuentes deenergía renovables que puede reemplazaren parte el uso de los combustibles fósiles.Contribuye a la diversificación de la energíade los países y a la apropiación de tecnologíasde energías emergentes, reduciendo lasemisiones de gas invernadero, la generaciónde empleo en el área rural y la sustituciónde la importación de combustibles (Islas etal., 2006).El material lignocelulósico es atractivopor su bajo costo y alta disponibilidaden diversos climas y localidades, sinembargo, el principal impedimento parasu utilización es la falta de una tecnologíade bajo costo para degradar la fracciónrecalcitrante de la biomasa. Aunque existenmétodos fisicoquímicos que permitenutilizar la biomasa en la producciónde biocombustibles, una alternativaprometedora son los métodos biológicosque utilizan organismos celulolíticos paraobtener azúcares fermentables (Lynd et al.,2002).Los sustratos más utilizados paraproducir biocombustibles son la “cañade azúcar” y el “maíz”, siendo Brasil elmayor productor de bioetanol a partir de“caña de azúcar” y Estados Unidos queemplea el “maíz”; las fuentes celulósicaspotencialmente utilizables son los desechosde la industria maderera, residuos decosechas (bagazos), hierbas, aserrín ydesechos sólidos de animales (Gray et al.,2006).La biomasa lignocelulósica tiene trescomponentes principales, los polisacáridos,la lignina y otras sustancias que no formanparte de la pared celular. El componentepolisacárido comprende carbohidratos dealto peso molecular (celulosa y hemicelulosa),que representan entre el 60-80% del totalde los materiales lignocelulósicos. Lacelulosa, componente mayoritario de lasparedes celulares de las fibras de madera,es un polímetro lineal de β-D-Glucosa conun peso molecular de ituidas por polímetros de unidadesde anhidroazúcares unidos por enlacesglucosídicos. Formados por más de un tipode azúcar (hexosas o pentosas) y ademáspresentan ramificaciones y sustituciones.Su papel es suministrar la unión entrela lignina y la celulosa. La lignina es unpolímero tridimensional amorfo formadopor la polimerización deshidrogenativade unidades de fenilpropano ligados pordiferentes tipos de enlaces que se alteran demanera desordenada. (Oliva, 2003).Los residuos de las industriasimportadoras de “maíz”han sidoconsiderados como biomasa de tipo residualy fuente de energía renovable debido asu naturaleza lignocelulósica formadamediante el proceso de fotosíntesis. Sinembargo la utilización de estos residuosagrícolas como materia prima para procesosfermentativos, involucra como etapafundamental la extracción de azúcaresreductores o fermentables a partir decelulosa o hemicelulosa, razón por locual se hacen necesarios realizar pretratamientos que permitan modificar ydestruir la compleja estructura del materiallignocelulósico (Ballesteros, 2000).Se han establecido diferentes métodosde pre tratamientos para poder liberarlos azúcares presentes en los materialeslignocelulósicos. Estos incluyen métodos24 (1): Enero - Junio, 2017291
Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)físicos, químicos y biológicos, los cualespresentan eficiencia variada de acuerdo ala composición de la biomasa. Pero tambiénpresentan diferentes variables que facilitanlos procesos de hidrólisis sin importar eltipo de material que se pretenda hidrolizar,dentro de las cuales se propone comoprimer paso cortar o moler el materiallignocelulósico hasta obtener partículasfinas de aproximadamente 1 mm detamaño, lo cual produce no sólo rotura de lascélulas, sino también reduce la cristalinidady el grado de polimerización de la celulosa,facilitando de esta forma su degradación amonómeros (Doelle et al., 1992).El departamento de La Libertad esconsiderado como la primera productorade “maíz amarillo” duro superando alos departamentos de Lima, San Martín,Lambayeque, Ancash, Cajamarca, entreotros (Portal Informativo de La Libertad,2009).El presente trabajo tiene como objetivoevaluar los métodos de hidrólisis de laplanta de Zea mays (Poaceae) “maíz amarilloduro” con la finalidad de determinar elmétodo de hidrólisis más adecuado parala extracción de ART que podría utilizarseposteriormente en procesos fermentativos,como para la obtención de biocombustibles(bioetanol).El término biocombustible engloba atodos aquellos combustibles derivadosde la biomasa vegetal. Se trata por tanto,de combustibles de origen vegetal quetienen características parecidas a las delos combustibles fósiles, lo que permite suutilización en motores sin tener que efectuarmodificaciones importantes. Además, nocontiene azufre, uno de los principalescausantes de la lluvia ácida, ni contribuye aaumentar la cantidad de CO2 a la atmósfera(Oliva, 2003).29224 (1): Enero - Junio, 2017Material y métodosObtención del material biológico:La planta de Z. mays (Poaceae) “maízamarillo duro” fue obtenida por donaciónde los campos de Moche, La Libertad, Perú.Acondicionamiento del sustrato:Se acondicionó la muestra mediante elproceso de secado y fraccionado. Se colocóla planta fresca sobre papel periódicopara absorber el exceso de humedaddurante 3 días a temperatura ambiente23 /- 2oC. Una vez seca se fraccionó conayuda de tijera y cuchillos, para facilitar suacondicionamiento en la estufa la cual fuesometida entre 80-90 oC durante 4- 6 horas.Luego, con la ayuda de un molino deacción mecánica la planta fue trituradahasta lograr pasar por un cedazo de 0,5 mma 1,0 mm de poro.Proceso de extracción de azúcaresreductores totales ART de la planta de Z.mays (Poaceae) “maíz amarillo duro”:La planta se sometió a la acción dediferentes solventes con la finalidad derealizar la extracción de ART. Se utilizó laplanta previamente tratada y H2SO4, NaOHy H2O como solventes, en una relaciónplanta-solvente de 1:10. La concentraciónde H2SO4 y NaOH utilizada fue de 1,25% entodo los tratamientos.Los procesos de extracción se realizaronen un total de 15 tratamientos en los cualesse combinaron métodos químicos y físicosde extracción de la siguiente manera:Tratamientos T1, T2 y T3. Extracción deART mediante hidrólisis química usandoH2SO4 1,25% v/v, NaOH 1,25% p/v y H2Orespectivamente en un sistema de decocciónpor 30 minutos.Tratamientos T4, T5 y T6. Extracción de
Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)ART mediante hidrólisis química-físicausando H2SO4 1,25% v/v, NaOH 1,25% p/vy H2O respectivamente en un sistema deautoclave a 120 ºC, 15 atm. por 30 minutos.Tratamientos T7, T8 y T9. Extracción deART, mediante hidrólisis mixta (químicafísica y química) en continuo, usandoH2SO4 1,25% v/v, NaOH 1,25 % p/v y H2Orespectivamente.Tratamientos T10, T11 y T12. Extracciónde ART de la fracción no soluble de lostratamientos T4, T5 y T6 Extracción poragotamiento mediante hidrólisis química,usando solamente H2SO4 1,25% v/v en cadatratamiento, en un sistema de decocción por30 minutos.Tratamientos T13, T14 y T15. Combinaciónde las fracciones solubles de los tratamientos(T4 T10, T5 T11, T6 T12) respectivamente.físicos se muestran en las siguientes tablas.En la tabla 1, se pueden observar losdiferentes tratamientos y los respectivosestimadores aritméticos, destacándose eltratamiento 7 ó T7 con 84,18 g/L de ART,seguido del tratamiento 4 ó T4 con 82,94g/L de ART; pertenecientes al método dehidrólisis mixta e hidrólisis química-físicarespectivamente. En la tabla 2 se observael análisis de comparación de medias porel método Duncan con una significancia de(α 0,05) destacándose los tratamiento N 7(T7) y N 4 (T4). Así también, en el diagrama1 muestra la similitud entre los tratamientosdonde se destaca al tratamiento 7 ó T7 yal tratamiento 4 ó T4 como diferentes atodos los demás. Encontrándose tambiénsimilitudes entre algunos de ellos.Cuantificacióndelosazúcaresreductores totales ART extraídos de laplanta de Z. mays (Poaceae) “maíz amarilloduro”:Los ART se cuantificaron utilizando elfiltrado que se ha obtenido en los diferentestratamientos (químico, químico-físico ymixto) empleándose para esto el método deFolin-Wu.Análisis estadístico:Los resultados obtenidos en los 15tratamientos fueron analizados medianteel método de ANOVA. La determinaciónde homogeneidad y heterogeneidad detratamientos se realizó mediante la pruebaDuncan.ResultadosLos resultados obtenidos de la extracciónde ART de la planta de “maíz amarillo duro”por métodos químicos, físicos y químico-24 (1): Enero - Junio, 2017293
Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)TABLA 1: Valores originales y sus estimadores aritméticos de los azúcares reductorestotales ART extraídos de la planta de Zea mays (Poaceae) “maíz amarillo duro” mediantehidrólisis química, física y oSoluciónREPETICIONES123ESTIMADORES 7.820.650.420.08Leyenda: Lo valores en negrita muestran los valores más altos de ART promedio.29424 (1): Enero - Junio, 2017
.4VIIT3Leyenda: Valores en negrita no presentan diferencias significativas (α ------82.94XIVT4-------84.18XVT7TABLA 2: Comparación de medias por el método de Duncan de los azúcares reductores totales ART extraídos de la planta de Zea mays(Poaceae) “maíz amarillo duro” mediante métodos químicos, físicos y físico-químicos.Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)24 (1): Enero - Junio, 2017295
296IRango24 (1): Enero - Junio, 2017IIT8IIIT5IVT14VT11VIT10VIIT3VIIIT6Leyenda: Las líneas continuas indican homogeneidad de los tratamientos.Homogeneidad yHeterogenidadT2NºIXT15DIAGRAMA 1: Resultados del test de comparación de promedios (Método de Duncan).XT12XIT9XIIT1XIIIT13XIVT4XVT7Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)
Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)DiscusiónLa planta del “maíz” es un residuo deorigen lignocelulósico que es obtenida delas empresas desgranadoras de “maíz”durante el envasado el mismo. SegúnCardona et al. (2009). El cultivo de “maíz”genera una gran cantidad de biomasa aérea,de la cual el 50% es cosechada en forma degrano, correspondiendo el resto a diversasestructuras de la planta. Estos residuospueden ser procesados para obtener fibraaltamente digerible para alimentaciónanimal, carbohidratos para la producciónde etanol o alimentos y proteínas paraconsumo humano (DDS Technologies,2002). Sin embargo, en este proyecto seutilizó la planta de “maíz” (tallo y hojas)que es un recurso renovable potencialpara la obtención de azúcares reductoresdestinados a procesos fermentativos. Perolo más importante es encontrar el métodoa utilizar para lograr la hidrólisis de lacelulosa.Según Fabelo (1998), la biomasalignocelulósica presenta una estructuracompleja, cuya fracción mayoritaria es lacelulosa. Este polisacárido está formadopor largas cadenas de glucosa unidasentre sí por enlaces β (1-4) que a su vez seagrupan en estructuras superiores de grancristalinidad, lo cual dificulta el proceso dehidrólisis enzimática por lo que es necesariorealizar pretratamientos de la biomasa.En este trabajo se realizaron métodos dehidrólisis ácida y básica con H2SO4 y NaOHrespectivamente. Lázaro et al. (1994), afirmanque la hidrólisis básica es recomendablecuando se precisa hacer un pretratamientodel material lignocelulósico como pasoprevio a una hidrólisis enzimática puestoque la acción del NaOH es lograr solubilizarparcialmente la lignina produciendohinchamiento de la biomasa lo que conducea un aumento del área superficial interna ydescenso de la cristalinidad dejando así másaccesible la celulosa a la acción enzimática;razón por la cual, su actividad extractantede azúcares reductores como la glucosa esmucho menor que la de los ácidos, hechoque ha sido corroborado por los resultadosobtenidos en el presente trabajo, los mismosque indican que el H2SO4 logra realizar unamejor extracción de azúcares reductores dela planta de “maíz” que el NaOH.Según Larsson (2000), la hidrólisis ácidatransforma las cadenas de polisacáridosque forman la biomasa en sus monómeroselementales y puede utilizarse ácidosconcentrados con los cuáles se puedeobtener alto rendimiento de hidrólisis perotiene la desventaja de un costo elevado y lademanda de una etapa de neutralizaciónde la fracción líquida obtenida lo cualaumenta aún más el costo del proceso. Esposible emplear ácidos diluidos como serealizó en este trabajo, lo cual disminuyenel costo del proceso, pero se requieren altastemperaturas para alcanzar rendimientosaceptables de conversión de celulosa aglucosa, por lo que se realizó la hidrólisismixta, es decir, la hidrólisis químicaseguida de la hidrólisis física, utilizandoH2SO4 y colocando al autoclave la muestrarespectivamente.El efecto de la temperatura produce laalteración física de las fibras lignocelulósicas,ocasionando separación y ruptura de lasmismas, mientras que, los ácidos puedendespolimerizar y lograr la ruptura deenlaces liberando así los monómeros quelos constituyen.Según Sun y Cheng (2002), el efectomecánico está causado por la rápidadespresurización que provoca evaporacióndel agua interna, creando fuerzas decizalladura que producen la separación de24 (1): Enero - Junio, 2017297
Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)las fibras, principalmente de las regionesmás débiles (celulosa amorfa). Esto puedeexplicar los resultados los cuáles indicanque al realizar la hidrólisis “mixta” seobtuvo mayor concentración de azúcares,de concentraciones 84,18 g/L y 82,94g/L,correspondiente al tratamiento N 7 (T7) y altratamiento N 4 (T4) respectivamente.Estos resultados son muy aceptables alser comparados con los estudios realizadospor Urbaneja et al. (1997) que reportan entre5,2 y 8,6 g/L al hidrolizar la pulpa del “café”,a los señalados por Gonzáles et al. (1986)en la hidrólisis de la paja de “trigo” conH2SO4 al 2% con lo cual se obtuvieron 2,0g/L de azúcares reductores en equivalentesde glucosa y a los estudios realizados porBardales et al. (2009) al realizar diferentesmétodos de hidrólisis de la “peladilla” de“espárrago” lo cual se obtuvo 7 g/L deazúcares reductores totales.ConclusionesLa planta de Zea mays (Poaceae) “maízamarillo duro” sometida a hidrólisis mixta(métodos físico-químico) presenta buenacantidad de ART lo cual puede utilizarsecomo fuente de energía renovable enprocesos fermentativos para la producciónde bioetanol y biomasa microbiana.AgradecimientosA los maestros y personal técnico delDepartamento de Química Biológica yFisiología Animal de la Facultad de CienciasBiológicas de la Universidad Nacionalde Trujillo por el apoyo brindado para laejecución de este trabajo.Literatura citadaBallesteros, I. 2000. Obtención de etanol a partir debiomasa lignocelulósica mediante un proceso desacarificación y fermentación simultánea (SFS).Tesis doctoral. Universidad de Alcalá de Henares.España.29824 (1): Enero - Junio, 2017Bardales, C.; C. Torres; J. Mostacero; J. Arellano; C.Rodríguez; O. Pretel & M. Salazar. 2009. Extracción de azúcares reductores totales ART de “peladilla” de Asparagus officinalis “espárrago”. Arnaldoa16 (1): 69-73.Cardona, A. C.; T. O. Sánchez; M. M. Rodríguez & Q.J. Suárez. 2005. Producción de etanol carburante: material lignocelulósico una nueva alternativa.Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente,núm. 3, 2005, pp. 47-55. Colombia.DDS Technologies. USA, 2002. Disponible endds:www.ddstechusa.com/spanish/corn.htmDoelle, H. W.; D. A. Mitchell & C. Rolz. 1992. Solidsubstrate cultivation. Elsevier science publisherLtd. Great Britain.Fabelo, J. 1998. Determinación de los costos de producción de la etapa de fermentación alcohólica conutilización de diferentes sustratos. Rev. Centro Azúcar. 3,12-15.González, G.; J. López Santón; G. Caminal & C. Sola.1986. Dilute acid hidrolysis of wheat straw hemicellulose at moderate temperatura: A simplifiedkinetic model. Biotecnology and biongenering.28:288-293.Gray K. S, Zhao L. & M. Emptage. 2006. Bioethanol.Curr. Opin. Chem. Biol. 10:141-146.Islas J.; F. Manzini & O. Masera. 2006. A prospective study of bioenergy use in Mexico. Energy. 32:2306-2320.Larsson, S. 2000. Ethanol from lignocellulose-Fermentation inhibitors, detoxification and geneticengiuneering of saccharomyces cerevisege forenhenced resistente. Tesis dostoral. Lund. Suecia.Lázaro, L. & J. Arauzo. 1994. Aprovechamiento deresiduos de la industria de conservas vegetales.Hidrólisis enzimática. Universidad de Zaragoza. Zaragoza. España.Lynd, L.; P. Weimer; W. van Zyl & I. Pretorius. 2002.Microbial Cellulose Utilization: Fundamentals andBiotechnology. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 3: 506–577.Mesa- Garriga, L.; M. Morales-Zamora; E. GonzálezSuárez & E. Castro. 2013. Estrategia de reconversión de la industria diversificada de la caña deazúcar para la producción conjunta de bioetanol ycoproductos. Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia, (66), 189-198. RetrievedFebruary 13, 2017.
Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)Oliva, D. J. 2003. Efecto de los productos de degradación Originados en la explosión por vapor de Biomasa de chopo sobre Kluyveromyces marxianus.Tesis Doctoral. 160 páginas. ISBN: 84-669-17098.Portal Informativo de La Libertad. 2009. La Libertadlidera producción de “espárragos”, “maíz” y “trigo”. La Libertad-Perú.Sun y Cheng, J. 2002. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review. BioresurceTechnology. 83: 1-11.Urbaneja, G.; J. Ferrer; G. Páez; L. Arenas de Moreno;G. Coloina & L. Sandoval. 1997. Hidrólisis áciday caracterización de carbohidratos de la pulpa decafé revista de la facultad de Agronomía (LUZ).Universidad de Zulia. Maracaibo. Venezuela. 14:265-275.24 (1): Enero - Junio, 2017299
Chauca et al.: Extracción de azúcares reductores totales por métodos físicos y químicos de Zea mays (Poaceae)30024 (1): Enero - Junio, 2017
Los procesos de extracción se realizaron en un total de 15 tratamientos en los cuales se combinaron métodos químicos y físicos de extracción de la siguiente manera: Tratamientos T 1, T 2 y T 3. Extracción de ART mediante hidrólisis química usando H 2 SO 4 1,25% v/v, NaOH 1,25% p/v y H 2 O respectivamente en un sistema de decocción por .
