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COMITÉ EDITORIAL

M.C. Marisela C. Zamora Martínez EDITORA EN JEFE

Dra. Adriana Rosalía Gijón Hernández EDITORA ADJUNTA

Dra. Cecilia Nieto de Pascual Pola COORDINADORA EDITORIAL

CONSEJO CONSULTIVO INTERNACIONAL Dr. Celedonio Aguirre Bravo Forest Service, United States Department of Agriculture. Estados Unidos de América Dra. Amelia Capote Rodríguez. Instituto de Investigaciones Fundamentales en Agricultura Tropical. La Habana, Cuba Dr. Carlos Rodriguez Franco Forest Service United States Research and Development. Estados Unidos de América Ing. Martín Sánchez Acosta Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria. Argentina Dra. Laura K. Snook International Plant Genetic Resources Institute. Roma, Italia Dr. Santiago Vignote Peña E.T.S.I. de Montes, Universidad Politécnica de Madrid. España

CONSEJO CONSULTIVO NACIONAL Dr. Miguel Caballero Deloya Fundador de la Revista Ciencia Forestal en México Dr. Oscar Alberto Aguirre Calderón Facultad de Ciencias Forestales, Universidad Autónoma de Nuevo León Dr. Francisco Becerra Luna Centro de Investigación Regional - Centro, INIFAP Dra. Patricia Koleff Osorio Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad Ing. Francisco Javier Musálem López Academia Nacional de Ciencias Forestales M.C. Carlos Mallén Rivera Ex-Editor en Jefe de la Revista Mexicana de Ciencias Forestales Dra. María Valdés Ramírez Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional Dr. Alejandro Velázquez Martínez Especialidad Forestal, Colegio de Postgraduados Dr. Hugo Ramírez Maldonado División de Ciencias Forestales, Universidad Autónoma de Chapingo Dr. Jorge Méndez González Departamento Forestal, Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro Dr. Carlos Galindo Leal Dirección de Comunicación Científica, Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad


REVISTA MEXICANA DE CIENCIAS FORESTALES

CO N T E N I D O EDITORIAL

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Dr. César Octavio Monzón

ARTÍCULOS Efecto de la adición de furfural sobre la capacidad adhesiva de la proteína de soya

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Effect of furfural addition over the adhesive ability of soy protein Fernando Hernández-Castorena, José Antonio Silva-Guzmán, Ricardo Manríquez-González, Fernando Antonio López-Dellamary Toral, Raúl Rodríguez-Anda, Rubén Sanjuán-Dueñas y Francisco Javier Fuentes-Talavera

Compósitos biodegradables elaborados a partir de almidón termoplástico y partículas de madera de fresno

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Biodegradable composites made from thermoplastic starch and ash wood particles Arturo Javier Barrios Guzmán, Salvador García Enríquez, Ricardo ManrIquez González, José de Jesús Rivera Prado y María Guadalupe Lomelí Ramírez

Caracterización química de aceites esenciales y extractos de madera de dos especies de pinos del bosque La Primavera

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Chemical characterization of essential oils and wood extracts from two pine species of La Primavera forest Rosa María Iñíguez Guillén, Hilda Catalina Esqueda Reyes, Teófilo Escoto García, Héctor Guillermo Ochoa, Antonio Rodríguez Rivas y Héctor Jesús Contreras Quiñones

Contenido mineral y tamizaje fitoquímico en Physalis chenopodifolia Lam. en condiciones de desarrollo

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Mineral content and phytochemical compounds in Physalis chenopodifolia Lam. on two conditions of vegetal growth Eduardo Salcedo-Pérez, María de Lourdes Arvizu, José de Jesús Vargas-Radillo, Ofelia Vargas-Ponce, Antonio Bernabe-Antonio y Lucía Barrientos-Ramírez

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Conocimiento de los bosques para la gente Knowledge of forests for the people

Vo l . 6 Nú m . 28 m a rz o - a b r il 2 015 Caracterización fisicoquímica de propóleos colectados en el Bosque La Primavera Zapopan, Jalisco

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Physical-chemical description of propolis collected in La Primavera forest, Zapopan, Jalisco state María de Lourdes Delgado Aceves, Jesús Ángel Andrade Ortega y Carlos Alberto Ramírez Barragán

Obtención de azúcares fermentables desde residuos de cartón para cultivar levaduras de interés biotecnológico

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Procurement of fermentable sugars from cardboard waste for the cultivation of yeasts for biotechnological use Yolanda González García, Juan Carlos Meza Contreras, José Anzaldo Hernández y Rubén Sanjuán Dueñas

Obtención de celulosa blanqueada de Ricinus communis L. mezclada con fibra industrial para fabricar papel bond

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Procurement of bleached Ricinus communis L. pulp mixed with industrial fiber for manufacturing bond paper Teófilo Escoto García, Rosa Nallely Murillo Vázquez , Antonio Rodríguez Rivas, José Ansaldo Hernández y J. Jesús Rivera Prado

Destintado de papel de impresión láser mediante ultrasonido con dos frecuencias, 25 y 45 kHz

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Ultrasonic treatment for deinking of laser paper using two frequencies, 25 and 45 kHz Rosalío Gabriel Parra, José de Jesús Vargas Radillo, Fernando Navarro Arzate, José Guadalupe Rutiaga Quiñones, Bruno Becerra Aguilar, Enrique Ramírez Valdovinos y Rogelio Ramírez Casillas

Impacto de la densidad de carga eléctrica del sistema en la estructuración del papel

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Impact of electric charge density of the system in the structure of paper Alma Rosa Saucedo Corona, José Turrado Saucedo, Marcela Guzmán Corona, Rubén Sanjuán Dueñas, Ezequiel Delgado Fornué, José Antonio Silva Guzmán y Hugo Vélez

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Conocimiento de los bosques para la gente Knowledge of forests for the people

Vo l . 6 Nú m . 28 m a rz o - a b r il 2 015 Características anatómicas, físico-mecánicas y de maquinado de la madera de mezquite (Prosopis velutina Wooton)

156

Anatomical, physical-mechanical and machining characteristics of the wood of velvet mezquite (Prosopis velutina Wooton) Raúl Rodríguez Anda , Alejandra María Ramírez Arango , Hilda Palacios Juárez , Francisco Javier Fuentes Talavera, José Antonio Silva Guzmán y Alma Rosa Saucedo Corona

Efecto del volumen del contenedor en la calidad y supervivencia de Pinus hartwegii Lindl. en sistema doble-trasplante

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Effect of container volume on quality and survival of Pinus hartwegii Lindl. using a two-step transplant system Rosario Marilú Bernaola-Paucar, Eulogio Pimienta Barrios, Porfirio Gutiérrez González, Víctor Manuel Ordaz Chaparro, Gelacio Alejo Santiago y Eduardo Salcedo Pérez

Durabilidad natural de tableros aglomerados de cocotero

188

Natural durability of coconut palm trunk chipboards Xóchitl Elizabeth Cervantes Valdez, Jesús Ángel Andrade Ortega, Carlos Alberto Ramírez Barragán y Luis Ramón Bravo García

Diagnóstico de la industria de transformación primaria de las maderas tropicales de México

202

A diagnosis of the primary transformation industry of the tropical woods of Mexico Jose Antonio Silva Guzmán, Alejandra María Ramírez Arango, Francisco Javier Fuentes Talavera, Raul Rodríguez Anda, José Turrado Saucedo y Hans Georg Richter

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Editorial El departamento de Madera, Celulosa y Papel (DMCyP), Ing. Karl Augustin Grellmann, fue creado en 1970, en un inicio como un instituto que dependía de la Escuela de Graduados de la Universidad de Guadalajara; en 1977 se reubicó a las instalaciones que hoy ocupa. Actualmente, pertenece a la División de Ingenierías del Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías (CUCEI) de dicha universidad.

La misión del DMCyP incluye la formación de recursos humanos que respondan a los retos nacionales del presente; proveer de conocimiento de vanguardia a los profesionales del sector; así como, la búsqueda de soluciones a problemas, mediante la innovación e investigación; además de, generar y transferir conocimiento a los sectores académicos, industriales y sociales que promueva el uso responsable de los recursos forestales. El DMCyP es una institución académica dedicada a la investigación científica y el desarrollo tecnológico que busca contribuir a la innovación del uso sustentable de los recursos renovables, principalmente forestales, para incrementar la competitividad del país. Los proyectos de investigación en ejecución cubren aspectos sobre Ciencia y Tecnología de Materiales Lignocelulósicos, Desarrollo y Caracterización de Biomateriales Compuestos, Ciencia en Nano y Microestructuras de Polímeros Naturales, Funcionalización Química y Biológica de Biomateriales, Desarrollo de Materiales Porosos Funcionales, Procesos de Obtención de Celulosa y Papel, Tratamientos Superficiales del Papel, Desarrollo Químico o Biológico de Materiales Biopoliméricos, Estudio de Interacciones Moleculares en Polímeros Vegetales, Diseño e Innovación de Productos Forestales, así como Biocombustibles de segunda generación. En el DMCyP, a través de sus académicos y laboratorios, se imparte la Maestría en Ciencia de Productos Forestales reconocida por el Padrón Nacional de Posgrados de Calidad del Conacyt (PNPC). Condición que favorece la gestión de becas ante el Conacyt para estudiantes mexicanos y extranjeros. Los egresados de este programa se desempeñan tanto en el país, como en el ámbito internacional en actividades profesionales de los sectores educativos, gubernamentales y en la industria forestal. A nivel licenciatura se colabora en la especialidad de Celulosa y Papel para alumnos de la carrera de Ingeniería Química, cuyos egresados laboran en 98 % de las industrias nacionales de Celulosa y Papel. Desde su origen, el personal académico del Departamento ha tenido una estrecha colaboración académica con instituciones educativas dentro y fuera de México; por ejemplo, Universidad de Hamburgo, Universidad de Darmstadt, Washington State University, la Universidad de Gottemburgo, Universidad de Girona, Forest Products Laboratory, North Caroline University, Oregon State University, Virginia Tech y Universidade Federal do Parana. De la misma forma, la vinculación con el sector productivo de la celulosa y papel, empaque y embalaje, transformación primaria de la madera, fabricantes de muebles y biotecnología industrial ha sido constante, y se ha consolidado mediante proyectos de investigación (Proinnova), asesorías, servicios de control de calidad de materia prima y productos, cursos de capacitación especializados y peritajes técnicos.


Los artículos científicos incluidos en el presente número especial de la Revista Mexicana de Ciencias Forestales son el resultado del trabajo académico de los investigadores del DMCyP y la madurez que han alcanzado como cuerpos académicos.

Estos manuscritos buscan contribuir a la difusión de conocimientos para fortalecer las actividades de investigación, desarrollo y vinculación que se realizan en México.

Dr. César Octavio Monzón, Rector del Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías Universidad de Guadalajara

Personal Académico del Departamento de Madera, Celulosa y Papel. CUCEI. UdG.

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol.6 (28): 8-25

Artículo / Article

Efecto de la adición de furfural sobre la capacidad adhesiva de la proteína de soya Effect of furfural addition over the adhesive ability of soy protein Fernando Hernández-Castorena1, José Antonio Silva-Guzmán2, Ricardo Manríquez-González2, Fernando Antonio López-Dellamary Toral3, Raúl Rodríguez-Anda2, Rubén Sanjuán-Dueñas2 y Francisco Javier Fuentes-Talavera2

Resumen Adhesivos para madera como la urea-formaldehído y el fenol-formaldehído son apreciados por su eficacia y el segundo ofrece buena resistencia para usos en ambientes húmedos. Su inconveniente son las emisiones de formaldehído, que en estudios recientes se ha comprobado son nocivos para la salud. El objetivo general del presente trabajo fue desarrollar un adhesivo para madera a partir de proteína de soya y adición de furfural para incrementar su capacidad y hacerlo amigable con el ambiente. Se prepararon diversas formulaciones de proteína de soya-furfural en agua a concentraciones de adhesivo de 10 %,15 % y 20 % y adiciones de furfural base seca de 0 %, 15 %, 25 % y 35 %. La capacidad adhesiva de cada formulación se determinó en ensayo de tensión acorde a la norma ASTM-D 2339-98, mediante probetas de chapas encoladas de pino, a las que se les aplicó una capa uniforme del adhesivo soya-furfural y prensado a 1 MPa, a 150 °C, durante 5 minutos para su curado. Asimismo, se elaboraron y probaron especímenes encolados con urea-formaldehído. Los resultados de resistencia a la tensión fueron de 1.6 a 1.8 MPa sin furfural de 2.5 MPa, con adición de 25 % de furfural a una concentración de 10 %, y a 1.7 MPa con la resina urea-formaldehído. Se concluye que la adición de furfural a la proteína de soya incrementó su resistencia adhesiva, además tuvo mejor desempeño que la resina urea-formaldehído, lo cual permite visualizar su aplicación en la manufactura de tableros.

Palabras clave: Concentración de adhesivo, envejecimiento, furfural, proteína de soya, resistencia a tensión, viscosidad. Abstract Adhesives for wood such as urea-formaldehyde and phenol-formaldehyde are appreciated from its efficiency and the second one offers good resistance to moist environments. Their problem are the formaldehyde emissions, which recent studies have proved that they are harmful to human health. The main objective of this research was to develop a wood adhesive from soy protein and added furfural to increase its ability and make it environmentally friendly. Several furfural-soy protein formulations in water at adhesive concentrations of 10 %, 15 % and 20 % and dry-base furfural additions of 0 %, 15 %, 25 % and 35 %. The adhesive ability of each formulation was determined by tension assay according to the ASTM-D 2339-98 regulation, through glued pine veneer tests, to which was applied a uniform furfural-soy adhesive layer and pressed at 1 MPa, under 150 °C for 5 minutes to be cured. In the same way, glued specimens with urea-formaldehyde were prepared and tested. The results of tensile strength were 1.6 to 1.8 MPa without furfural addition, of 2.5 MPa with added 25 % furfural and 10 % concentration and 1.7 MPa with urea-formaldehyde resin. It is concluded that furfural addition to soy protein increased its adhesive resistance and had a better reaction than urea-formaldehyde resin, which makes it possible to foresee the use of this kind of adhesive formulation for board manufacture.

Key words: Adhesive concentration, ageing, furfural, soy protein, tensile strength, viscosity. Fecha de recepción/date of receipt: 6 de noviembre de 2014; fecha de aceptación/ date of acceptance: 18 diciembre de 2014. 1 Programa de Maestría en Ciencia de Productos Forestales. Departamento. de Madera, Celulosa y Papel. CUCEI. Universidad de Guadalajara. 2 Cuerpo Académico UdG-CA-158. Ciencia y Tecnología de Materiales Lignocelulósicos. Departamento de Madera, Celulosa y Papel. CUCEI. Universidad de Guadalajara. Correo-e: ffuentes@dmcyp.cucei.udg.mx 3 Cuerpo Académico UdG-CA-623. Ciencia y Desarrollo de Biomoléculas y Materiales Complementarios. Departamento de Madera, Celulosa y Papel. CUCEI. Universidad de Guadalajara.


Hernández-Castorena et al., Efecto de la adición de furfural sobre...

Introducción

Introduction

Algunos adhesivos para madera, cuyo origen es el petróleo, tales como la urea-formaldehído y el fenol-formaldehído han probado tener gran eficacia, incluso el segundo ofrece buena resistencia para usos en ambientes húmedos, aun en contacto directo con la humedad. Sin embargo, el inconveniente de estos productos son las emisiones de formaldehído, que en estudios recientes se ha confirmado que son nocivos para la salud. Frihart (2011) declara que la Agencia Internacional de Investigación del Cáncer de la Organización Mundial de la Salud (IARC, 2004) reclasificó al formaldehído como agente cancerígeno en el 2004, por lo que la emisión de estos productos base madera usados en interiores debe ser ≤ 0.1 ppm, acorde a la norma DIN 68 765 (DIN, 1994). Aunado a ello, el fluctuante precio del petróleo y la predicción de su escasez en el mediano plazo direccionan la investigación hacia el desarrollo de opciones amigables con el ambiente y con el ser humano (Qi y Sun, 2011), quien está en contacto directo con productos de madera y base madera que utilizan esos adhesivos; por ejemplo, tableros contrachapados de fibras y de partículas, enlistonados y madera laminada.

Some wood adhesives whose origin is oil, such as urea-formaldehyde and phenol-formaldehyde, have proven very effective, even the second one provides good resistance for use in humid environments or in direct contact to moisture. However, the disadvantage of these products are formaldehyde emissions, which recent studies have confirmed that they are harmful to health. Frihart (2011) states that the International Agency for Research on Cancer of the World Health Organization (IARC, 2004) reclassified formaldehyde as a carcinogen in 2004, so the issue of these wood based products used indoors should be ≤ 0.1 ppm according to DIN 68 765 (DIN, 1994). In addition to this, the fluctuating price of oil and predicting water shortages in the medium term routed research towards the development of friendly options to the environment and humans (Qi and Sun, 2011), who are in direct contact with wood and wood base products using these adhesives, such as plywood, fiberboard, particleboard, plywood and blockboard. Adhesives derived from natural products based on vegetable proteins are a possibility to replace petroleum, particularly those whose main subject is soy, but its drawback is that they are very resistant to moisture and its adhesive properties are lower than those of petroleum (Nordqvist et al., 2010). The advantage of soy adhesives is that they are environmentally friendly and also come from an abundant, renewable resource and they are biodegradable (Song et al., 2011). The production of this grain is widespread, despite its nutritional qualities, only a small part is used for human consumption, as most of it is used for livestock feed (Kumar et al., 2002). Because of this, it is desirable to find industrial options and technological value to the surplus of soy.

Los adhesivos provenientes de productos naturales a base de proteínas vegetales son una posibilidad para sustituir a los derivados del petróleo, en particular aquellos cuya materia principal es la soya, cuyo inconveniente es ser poco resistente a la humedad y sus propiedades adhesivas son inferiores a los procedentes del petróleo (Nordqvist et al., 2010). La ventaja de los adhesivos de soya es que son amigables con el ambiente, además se originan en una fuente abundante, renovable, y son biodegradables (Song et al., 2011). La producción de dicho grano está muy extendida y, a pesar de sus cualidades alimenticias, solo una pequeña parte se destina al consumo humano (Kumar et al., 2002), la mayoría es usada como alimento del ganado; razón por la cual es conveniente buscar opciones industriales y darle valor tecnológico a los excedentes de la soya.

The adhesives of this type can be made from soy flour or its isolated protein. According to Chen et al. (2013), the first ones tend to generate lower tension and moisture resistance because carbohydrates can react with the free amino group of an amino acid. However, its potential to be used as adhesive comes from their low cost, mainly, and their physical and chemical properties.

La formulación de los adhesivos de soya puede efectuarse a partir de su harina o de su proteína aislada. De acuerdo a Chen et al. (2013), los primeros suelen generar menor resistencia a la tensión y a la humedad debido a que los carbohidratos reaccionan con el grupo amino libre de algún aminoácido. No obstante, su potencial para aprovecharse como adhesivo es su bajo costo, principalmente, y por sus propiedades físicas y químicas.

Some investigations have been carried out in this context, a line of which is aimed at increasing its adhesiveness and moisture resistance, by blending in low ratio with petroleum-based resins, thus reducing the formaldehyde emission (Pizzi, 2006). Fan et al. (2010) reinforced a product of this kind with small amounts of melanin-urea-formaldehyde resin; they succeeded by improving the moisture resistance with the aggregation of 20 to 40 % resin. Lei et al. (2014) formulated an adhesive for plywood with soy flour and by adding, individually, melamine and epoxy resin, and mixed in both; they obtained the best mechanical and resistance to moisture results with melamine resin.

Diversas investigaciones se han desarrollado sobre el particular, una línea de las cuales se ha enfocado a incrementar su capacidad adhesiva y su resistencia a la humedad, mediante combinación en baja proporción con resinas derivadas del petróleo, con lo que, también se reduce la emisión de formaldehído (Pizzi, 2006). Al respecto, Fan et al. (2010) reforzaron un producto de este tipo con pequeñas cantidades

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 8-25

de resina melanina-urea-formaldehído, y lograron mejorar la resistencia a la humedad y de tensión, con 20 a 40 % de resina. Lei et al. (2014) formularon un adhesivo para tableros contrachapados con harina de soya y agregaron en forma individual tanto resina melanina y epóxica, como la mezcla de ambas; obtuvieron los mejores resultados de resistencia tanto mecánica como a la humedad, con la resina melamina.

The chemical modification of soy protein is based on its reaction ability as it has many active functional groups. Chen et al. (2003) cross-linked polyurethane, and demonstrated by means of FTIR studies, that -NCO groups react with -NH-, NH2 and -OH groups of soy protein. Wu and Zhang (2001) mixed soy protein with polyethylene glycol, which increased its resistance to moisture, but decreased tension. Kumar and Zhang (2008) modified such protein by adding 2,2-diphenyl-2hydroxyethanoic acid in order to improve its hydrophobicity according to the plasticizing action of the compound used. Soybean flour studies showed that the protein also has the ability to react chemically with substances such as caprolactone and glycerol used for synthesis of plastic polymers, achieving increased tensile strength and hydrophobicity (Chen et al., 2008; Hong et al., 2009).

La modificación química de la proteína de soya se basa en su capacidad reactiva, ya que cuenta con muchos grupos funcionales activos. Chen et al. (2003) entrecruzaron poliuretano, y demostraron, por medio de estudios de FTIR, que los grupos –NCO reaccionan con los grupos –NH-, NH2 y –OH de la proteína de soya. Wu y Zhang (2001) mezclaron proteína de soya con polientilenglicol, lo cual incrementó su resistencia a la humedad, pero la disminuyó a la tensión. Kumar y Zhang (2008) modificaron dicha proteína al agregarle 2,2-difenil-2-ácido hidroxietanóico, con la finalidad de mejorar su hidrofobicidad en función de la acción plastificante del compuesto utilizado. Estudios con harina de soya mostraron que la proteína también tiene la capacidad de reaccionar químicamente con substancias como caprolactona y glicerol, usadas para la síntesis de polímeros plásticos, y con ello se logra incrementar la resistencia a la tensión y la hidrofobicidad (Chen et al., 2008; Hong et al., 2009).

Jang et al. (2011) formulated an adhesive based on soybean flour and one curing agent synthesized from the mixture of epichlorohydrin and ammonium hydroxide, whose evaluation in 5 and 7 plywood layers underwent three cycles of immersion in boiling water for 4 h and 20 h drying, and passed the test of delamination. Rivero et al. (2011) have considered furfural as a formaldehyde substitute to produce to produce formaldehyde-free phenolic resins, which can prevent the release of emissions and maintain the adhesive properties and hydrophobicity. Additionally, this compound can be obtained from agricultural waste, which makes it attractive because they are renewable sources. In this regard, the use of soy protein as adhesive is based on the fact that it is a macromolecule that can react with other chemicals, such as furfural, and achieve to crosslink the protein chains, which gives it better properties of moisture resistance.

Jang et al. (2011) formularon un adhesivo a base de harina de soya y un agente curante sintetizado a partir de la mezcla de epiclorhidrina e hidróxido de amonio, cuya evaluación en tableros contrachapados de 5 y 7 capas, sometidos a tres ciclos de inmersión en agua a ebullición, por 4 h y secado por 20 h superaron la prueba de delaminación. Rivero et al. (2011) señalaron al furfural como substituto del formaldehído para la producción de resinas fenólicas libres del mismo, con lo cual se evita la emisión del formaldehído y se conservan las propiedades adhesivas y de hidrofobicidad. Adicionalmente, este compuesto se puede obtener de residuos agrícolas, lo que resulta atractivo por tratarse de fuentes renovables. Al respecto, el empleo de la proteína de soya como adhesivo se basa en que se trata de una macromolécula que reacciona con otras sustancias químicas; por ejemplo, el furfural, y logra así entrecruzar las cadenas de proteínas, lo que le confiere mejores propiedades de resistencia a la humedad.

The objectives of this study were to determine the most appropriate concentrations of soy protein adhesive; evaluating the influence of the curing temperature and to know the effect of adding different amounts of furfural on the adhesiveness and moisture resistance of a wood adhesive formulated with soy protein.

Materials and Methods For the formulation of soy protein- based adhesive, the following materials and substances were used: soy protein with a protein content of 90.5 % and 5.3 % moisture; reactive furfural; Ammonium hydroxide (NH4OH) 1 M solution; Ammonium chloride (NH4Cl) reactive grade.

Los objetivos del presente trabajo consistieron en determinar las mejores concentraciones del adhesivo base proteína de soya; evaluar la influencia de la temperatura de curado, y conocer el efecto de la adición de diferentes proporciones de furfural sobre la capacidad adhesiva y resistencia a la humedad de un adhesivo para madera formulado con proteína de soya.

Roundwood pine veneer sheets 1.8 mm thick and 150 x 200 mm pre-sized were submitted for adhesiveness tests and urea-formaldehyde resin with 62 % total solids was used for comparative tests.

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Hernández-Castorena et al., Efecto de la adición de furfural sobre...

Materiales y Métodos

Preparation of adhesives

Para la formulación del adhesivo base proteína de soya se utilizaron los siguientes materiales y reactivos: proteína de soya con un contenido proteico de 90.5 % y de humedad de 5.3 %; furfural grado reactivo; Hidróxido de Amonio (NH4OH) solución 1 M; Cloruro de Amonio (NH4Cl) grado reactivo.

a) Adhesive concentration Exploratory tests were made to determine the most appropriate concentrations of soy protein, and then adhesive mixtures were prepared with the dispersal of soy protein in distilled water to 5, 10, 15, 20 and 25 %, solid contents without the addition of furfural. Each formulation was assessed in its adhesive ability through a tension assay in pine veneer tests (Figure 1), according to the ASTM D-2339-98 regulation in order to select the right concentration for the preparation of adhesives of soy protein with furfural (ASTM, 1998).

Chapas de madera de pino desenrollada de 1.8 mm de espesor y predimensionadas en 150 x 200 mm, para las pruebas de adhesividad. Resina Urea-Formaldehído con 62 % de sólidos totales para pruebas comparativas.

Preparación de adhesivos

b) Curing temperature

a) Concentración de adhesivo

Curing temperature is essential for soy protein denaturation, and thus, a soy protein adhesive with 10 % of solid concentration and 25 % of furfural as a reference adhesive was prepared to assess the effect of this factor. With the adhesive mix were glued the pine wood veneers pressed at 130, 140, 150 and 170 °C for 5 min and 1 MPa pressure, in order to assess, later, the effect of temperature over the tensile strength.

Se realizaron pruebas exploratorias para determinar las mejores concentraciones de proteína de soya, para ello se prepararon mezclas adhesivas con la dispersión de proteína de soya en agua destilada a contenidos de sólidos de 5, 10, 15, 20 y 25 %, sin la adición de furfural. A cada formulación se le evaluó su capacidad adhesiva, mediante ensayo de tensión en probetas de chapas de pino (Figura 1) de acuerdo a la norma ASTM D-2339-98 (ASTM, 1998), para seleccionar las concentraciones apropiadas para la preparación de adhesivos de proteína de soya con furfural.

c) Formulation of soya-furfural protein adhesives 100 g of adhesive formulation were prepared by adding to the soy protein furfural rates of 0, 15, 25 y 35 %, according to the data in Table 1. For this experiment the 10, 15 and 20 % adhesive concentrations that in a former assay showed to be the most convenient from its management and tensile strength were used.

b) Temperatura de curado La temperatura de curado es fundamental para la desnaturalización de la proteína de soya, por lo que se preparó un adhesivo de proteína de soya con una concentración de 10 % de sólidos y 25 % de furfural, como adhesivo de referencia, solo para evaluar el efecto de la temperatura. Con esta mezcla adhesiva se encolaron chapas de madera de pino prensadas a temperaturas de 130, 140, 150 y 170 °C por 5 minutos y 1 MPa de presión, para posteriormente evaluar el efecto de la temperatura sobre la resistencia a la tensión.

The amounts of soy protein, furfural and water were weighed on a Sartorius brand, Mod. I-1800 electronic balance, and placed in a 125 mL Erlenmeyer flask to mix well for 30 minutes on a magnetic Termolyne, Mod. Nuova II stirrer; then, the adhesive blends were stored at rest for 20 h to facilitate dispersion of the components. Before they were applied to the veneers, they were magnetically stirred for half an hour.

c) Formulación de adhesivos proteína de soya-furfural

For comparison endings, a control adhesive was prepared with 100 g of urea-formaldehyde resin with a catalyst composed of 1.54 g of NH4Cl and 9 mL of 1 molar solution of NH4OH.

Se hicieron formulaciones adhesivas de 100 g agregando a la proteína de soya proporciones de 0, 15, 25 y 35 % de furfural, conforme a los datos que se muestran en el Cuadro 1. Para este experimento se usaron las concentraciones de adhesivo de 10, 15 y 20 %, que en un ensayo previo mostraron ser más pertinentes, por su manejo y resistencia a la tensión. Las cantidades de proteína de soya, furfural y agua se pesaron en una balanza electrónica marca Sartorius modelo i-1800, y se colocaron en un matraz Erlenmeyer de 125 mL, para mezclarlos por 30 minutos en un agitador

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Figura 1. Probetas para ensayo de resistencia a la tensión. Figure 1. Tests for assays to resistance to tension. magnético Termolyne, modelo Sitirrer Nuova II; a continuación, las mezclas adhesivas se conservaron en reposo por 20 h para facilitar la dispersión de los componentes. Antes de ser aplicadas a las chapas de madera, se agitaron magnéticamente durante media hora.

With each of these formulations (including control) pine veneers for the preparation of test specimens of tensile strength were glued in accordance to ASTM D-2339-98 (ASTM, 1998). First, a uniform layer of soy protein-furfural adhesive was applied with a 1.5“ brush to 150 x 200 x 1.8 mm pine veneers (Figure 2). The amount of applied adhesive is shown in Table 2.

Para efectos de comparación, se preparó un adhesivo de control en el que se agregaron 100 g de resina urea-formaldehído con un catalizador compuesto de 1.54 g de NH4Cl y 9 mL de solución 1 molar de NH4OH.

Subsequently, the adhesive veneer sheets were joined to other similar sheets without adhesive and then they were placed in a hydraulic press at a pressure of 1 MPa at 150 °C for 5 minutes, for hardening. Once the two sheets were together, the tension test specimens were cut to dimensions of 2.54 x 8.25 cm with an adhesive area of 6.45 cm² for assessment (Figure 1).

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Hernández-Castorena et al., Efecto de la adición de furfural sobre...

Cuadro 1. Formulación de los adhesivos base proteína de soya - furfural en medio neutro, a las concentraciones más pertinentes. Table 1. Formulation of the soy protein-furfural based adhesives in neutral medium, at the convenient concentrations. Concentración del adhesivo

% furfural en base seca

(%)

(%)

10

15

20

Cantidad de furfural

Cantidad de proteína de soya (g)

Cantidad de agua (g)

(g)

0

10.56

0

89.44

15

8.96

1.5

89.53

25

7.92

2.5

89.58

35

6.86

3.5

89.62

0

15.84

0

84.16

15

13.46

2.25

84.29

25

11.88

3.75

84.37

35

10.29

5.25

84.46

0

21.12

0

78.88

15

17.94

3

79.06

25

15.83

5

79.16

35

13.72

7

79.48

Con cada una de estas formulaciones (incluida la de control) se encolaron chapas de madera de pino para la elaboración de probetas para ensayo de resistencia a la tensión, conforme a la norma ASTM D-2339-98 (ASTM, 1998). En primera instancia se aplicó una capa uniforme de adhesivo base proteína de soya-furfural, mediante una brocha de 1.5 pulgadas de ancho a chapas de pino de 150 x 200 x 1.8 mm (Figura 2). La cantidad de adhesivo aplicado se muestra en el Cuadro 2. Posteriormente, las chapas con adhesivo se unieron con otras similares sin adhesivo y se procedió a colocarlas en una prensa hidráulica a una presión de 1 MPa, a temperatura de 150 °C durante 5 minutos, para su fraguado. Una vez unidas las dos chapas, se recortaron las probetas para ensayo de tensión a las dimensiones de 2.54 x 8.25 cm, con un área para la evaluación adhesiva de 6.45 cm² (Figura 1).

d) Viscosity of the soy-furfural protein formulations The calculation of the viscosity of the soy-furfural protein formulations was made according to the TAPPI T666 om-91 regulation (TAPPI, 1991); 400 g of each adhesive formulation were prepared. Before this step, each adhesive mix was kept stirring for half an hour. A Brookfield RVT model viscometer was used for this test. The reading was taken 10 seconds after the start of the twist of the rotor of the adhesive machine. This process was repeated 10 times for each one of the formulations. The calculation of viscosity was made by multiplying the average of the 10 readings by the rotor factor used and was expressed in centipoise [cP].

Cuadro 2. Cantidad de adhesivo aplicado a las probetas de ensayo a la tensión. Table 2. Amount of adhesive applied to the assay tests for tension. Concentración del adhesivo (%)

Cantidad de adhesivo, base seca (mg cm-2)

10 (Proteína de soya)

3.1-4.2

15 (Proteína de soya)

4.7-6.4

20 (Proteína de soya)

5.4-8.3

62 (Urea-formaldehído) control

23.7

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Figura 2. Aplicación de adhesivo proteína de soya-furfural en chapa de madera de pino. Figure 2. Application of soy protein-furfural based adhesives to pine wood veneers.

Determination of tensile strength

d) Viscosidad de las formulaciones proteína de soya-furfural

The glued pine wood veneer tests with the soy-based protein adhesives were conditioned at a relative air humidity of 50 ± 2 % and temperature of 23 ± 1 °C until constant weight was achieved. Once the tests were conditioned, the tensile strength was calculated according to the instructions of ASTM D-2339-98 (ASTM, 1998), through a Karl Frank 81105 Model universal machine for physical-mechanical assays of 50 kN maximum load. The strength input was carried out at 1.5 mm min-1. Figure 3 shows the test placed between jaws for the tension assay.

La determinación de la viscosidad de las formulaciones proteína de soya-furfural se realizó de acuerdo a la norma TAPPI T666 om-91 (TAPPI, 1991); se prepararon 400 g de cada formulación de adhesivo. Previo a este paso, cada mezcla adhesiva se mantuvo en agitación por media hora. Se utilizó un viscosímetro marca Brookfield, modelo RVT. La lectura fue tomada a los 10 segundos de iniciado el giro del rotor del aparato en el adhesivo; dicho procedimiento se repitió 10 veces para cada una de las formulaciones. La viscosidad se calculó al multiplicar el promedio de las 10 lecturas por el factor del rotor utilizado, y se expresó en centipoise [cP].

Determination of resistance to moisture To know the effect of moisture over the behavior of the soy protein-furfural based adhesive, a group of glued pine wood veneer tests according to the formulations expressed in Table 1, were submitted to an accelerated ageing process according to ASTM D-1183-03 (ASTM, 2003), which consisted in water immersion for 48 h at 23 ± 1 °C, and later conditioned as described before; this process is known as ageing cycle, and for it, three cycles are necessary. The tests were tried for the tension assay according to ASTM D-2339-98 (ASTM, 1998).

Determinación de la resistencia a tensión Las probetas de chapa de pino encoladas con los adhesivos base proteína de soya fueron acondicionadas a una humedad relativa del aire de 50 ± 2 % y una temperatura de 23 ± 1 °C, hasta lograr su peso constante. Enseguida se les determinó la resistencia a la tensión, conforme a las indicaciones de la norma ASTM D-2339-98 (ASTM, 1998), por medio de una máquina universal de ensayos físico-mecánicos Karl Frank modelo 81105 de una capacidad de carga máxima de 50 kN.

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Hernández-Castorena et al., Efecto de la adición de furfural sobre...

Figura 3. Prueba de ensayo a la tensión. Figure 3. Tension assay test. La aplicación de la fuerza se llevó a cabo a una velocidad de 1.5 mm min-1. En la Figura 3 se muestra la probeta de prueba colocada en las mordazas, para su ensayo a tensión.

Statistical analysis The multifactorial analysis of variance was made with the Statgraphics Centurion XV program in order to know the concentration of furfural and the adhesive upon the tensile strength, based on the levels showed in Table 1. Ten replications were made for each combination of factors. Also, a unifactorial analysis of variance to find statistical differences in tensile strength.

Determinación de la resistencia a la humedad Para conocer el efecto de la humedad sobre el desempeño del adhesivo base proteína de soya-furfural, un grupo de probetas de chapas encoladas conforme a las formulaciones indicadas en el Cuadro 1 fueron sometidas a un proceso de envejecimiento acelerado, con base en la norma ASTM D-1183-03 (ASTM, 2003), el cual consistió en inmersión en agua por 48 h a una temperatura de 23 ± 1 °C, posteriormente se acondicionaron a 50 ± 2 % de humedad relativa del aire y 23 ± 1 °C hasta peso constante; este procedimiento se conoce como ciclo de envejecimiento, para el cálculo se realizaron tres ciclos. Las probetas fueron probadas a ensayo de tensión conforme a la norma ASTM D-2339-98 (ASTM, 1998).

Results and Discussion Adhesive concentration The concentration of soy protein defines the viscosity of the adhesive, also, and this is a very important variable for its application. According to Frihart and Hunt (2010), these products are usually industrially applied over wood surface by a spraying system; in this experiment, the viscosity of the adhesives must be adequate to put it in a uniform way and manually by means of a brush. Kumar et al. (2002) mention a range up

Análisis estadístico Se realizó un análisis de varianza multifactorial, mediante el programa Statgraphics Centurion XV, para determinar el efecto de la concentración del adhesivo y la de furfural sobre la resistencia a la tensión, a partir de los niveles de variables indicados en el Cuadro 1. Se hicieron 10 réplicas para cada combinación de factores. También se utilizó un análisis de varianza unifactorial para detectar diferencias estadísticas de la resistencia a la tensión.

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to 5 000 cP for adhesives to be used in materials with good absorption. Of the concentrations studied, it was observed that in the 5 %, a considerable amount of glue dripping from the brush, in addition to the specimens showed a low tensile strength (0.55 MPa) (Table 3). Moreover, higher concentrations of 25 to 30 %, the consistency was a viscous paste and it was very difficult to apply to the surface of the veneer. The most relevant to its application concentrations were 10, 15 and 20 %, which produced the best values of tension reaction of 1.7, 1.6 and 1.8 MPa, respectively.

Resultados y Discusión Concentración del adhesivo La concentración de proteína de soya define la viscosidad del adhesivo, y es una variable muy importante para su aplicación. De acuerdo a Frihart y Hunt (2010), estos productos suelen ser aplicados industrialmente en la superficie de madera por el sistema de rociado; en el experimento la viscosidad de los adhesivos debió ser la adecuada para ponerlos de forma manual y uniforme por medio de una brocha. Kumar et al. (2002) indican un intervalo de hasta 5 000 cP para adhesivos que se usarán en materiales con buena absorción.

Curing temperature Curing temperature is another important factor, since the denaturation of protein must be reached, that is, the change of quaternary or primary structure. Huson et al. (2011) stated that glycine is the main component of soy protein and has different denaturation temperatures in regard to its moisture content. For example, Mo et al. (1999) recorded that at over 193 °C protein degradation results. For soy protein adhesives with any intercrossing agent, such as furfural, it must be taken into account the temperature at which the curing reaction will occur.

De las concentraciones estudiadas, se observó que en la de 5 %, una cantidad considerable de adhesivo escurría de la brocha, además de que las probetas mostraron una baja resistencia a la tensión (0.55 MPa) (Cuadro 3). Por otra parte, para concentraciones mayores a 25 y 30 %, la consistencia fue de una pasta viscosa muy difícil de aplicar a la superficie de las chapas de madera. Las concentraciones más pertinentes para su aplicación fueron de 10, 15 y 20 %, mismas que generaron los mejores valores de resistencia a la tensión de 1.7, 1.6 y 1.8 MPa, respectivamente.

Figure 4 shows the influence of curing temperature upon tension resistance. It is notorious that there is a tendency of the resistance to increase from 130 to 150 °C, in which it observed a clear descent from 160 and 170 °C. The analysis of variance confirmed the significant statistical difference (P = 0.0178) of resistance at 130 °C with respect to those obtained at 140, 150 and 160 °C, for 95 % of confidence. Those at 140 and 170 °C did not affect tensile strength significantly, and therefore, 150 °C was chosen as the right curing temperature for the soy-furfural protein adhesive, as it favors the greatest average value of tensile strength.

Cuadro 3. Resistencia a la tensión para adhesivos base soya en función de su concentración. Table 3. Tensile strength for soy protein based adhesive according to concentration. Concentración del adhesivo [%]

Resistencia a la tensión [MPa]

5

0.55(0.05)

10

1.7(0.28)

15

1.6(0.26)

20

1.8

Viscosity of the soy-furfural protein adhesive

(0.25)

25

No aplicado

30

No aplicado

Viscosity of the adhesive is a very important physical property as the behavior of the product depends on it when applied to wood. Lambuth (1977) reported that low viscosities are desirable in an adhesive because they allow an easy handling and fluidity to penetrate wood structure, and, thus, a greater contact area. Results for the soy-furfural protein adhesives (Table 4) show that viscosity increased considerably with the concentration of solids, as expected.

Valores entre paréntesis corresponden a la desviación estándar. Values in parenthesis belong to standard deviation.

Temperatura de curado La temperatura de curado es otro factor importante, ya que debe alcanzarse la desnaturalización de la proteína; es decir, el cambio de estructura cuaternaria a primaria. Huson et al. (2011) establecieron que la glicina es el principal componente de la proteína de soya y tiene diferentes temperaturas de desnaturalización, con respecto a su contenido de humedad. Por ejemplo, Mo et al. (1999) registraron que a temperaturas mayores a 193 °C se produce una degradación de la proteína. Para los adhesivos de proteína de soya

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Hernández-Castorena et al., Efecto de la adición de furfural sobre...

Letras diferentes (a, b) indican diferencia estadística significativa. Different letters (a, b) indicate significant statistical differences.

Figura 4. Resistencia a la tensión en función de la temperatura de curado del adhesivo. Figure 4. Tensile strength strength according to curing temperature of the adhesive. con algún agente entrecruzante, como es el caso del furfural, se tiene que tomar en cuenta la temperatura en que ocurrirá la reacción de curado.

Viscosity of adhesives without furfural registered the highest values; for 10 % solid, it was 48.2 cP and for 20 % it went up to 3 660 cP. Furfural addition produced an important reduction, which could be attributed to the fact that an amount of soy is replaced by such product; as its proportion increased, viscosity lowered.

La Figura 4 muestra la influencia de la temperatura de curado sobre la resistencia a la tensión. Es notoria una tendencia a incrementarse la resistencia de los 130 a lo 150 °C, en la que se observa un claro descenso a las temperaturas de 160 y 170 °C. El análisis de varianza corroboró la diferencia estadística significativa (P = 0.0178) de la resistencia a 130 °C, con respecto las obtenidas a 140, 150 y 160 °C, para un 95 % de confiabilidad. Las de 140 a 170 °C no incidieron significativamente en la resistencia a la tensión, por lo que para la selección de la temperatura de curado del adhesivo proteína de soya-furfural, se optó por la de 150 °C, ya que favorece el mayor valor promedio de la resistencia a la tensión.

In all the studied adhesives in this work, such property was in the favorable range to make it possible to put them with a brush or roller according to the instructions of Kumar et al. (2002) and Frihart et al. (2010).

Tensile strength before and after the ageing treatment According to the multifactorial analysis of variance made for the tensile strength dry tests and the third accelerated ageing cycle, the adhesive concentration and furfural addition to the adhesive had significant statistical effects over tensile strength (P < 0.05) (tables 5 and 6).

Viscosidad del adhesivo proteína de soya-furfural La viscosidad del adhesivo es una propiedad física muy importante, ya que de esta depende el comportamiento del adhesivo cuando se aplica en la madera. Lambuth (1977) señala que bajas viscosidades son deseables en un adhesivo porque permiten un fácil manejo y fluidez para penetrar en la estructura de la madera, y por consiguiente una mayor área de contacto. Los resultados de viscosidad para los adhesivos proteína de soya-furfural (Cuadro 4) indican que la viscosidad

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del adhesivo se incrementó considerablemente con la concentración de sólidos, lo cual era esperado.

The addition of 25 % of furfural and 10, 15 and 20 % adhesive concentrations produced the best dry tensile strength compared to the rest of the formulations, among which that of 25 % furfural and 10 % adhesive concentration was outstanding as it reached a 2.5 MP average and, in contrast, to the formulation without furfural, recorded an increment in resistance of 45 % (Figure 5).

La viscosidad de los adhesivos sin furfural registró los valores mayores; para 10 % de sólidos fue de 48.2 cP y para 20 % aumentó hasta 3 660 cP. La adición de furfural produjo una importante disminución de la viscosidad, lo que pudiera atribuirse a que una cantidad de soya es sustituida por dicho producto; conforme fue mayor su proporción, se redujo la viscosidad.

In regard to the assessment after the three accelerated ageing cycles, in Figure 5 is shown that the formulation of 25 % furfural and 20 % adhesive concentration contributed with the highest tensile strength (2.0 MPa), with no statistical difference compared to resistance in dry (P < 0.05) and 33 % higher compared to the 0 % furfural and 20 % adhesive concentration.

En todos los adhesivos estudiados, en este trabajo, dicha propiedad se ubicó en el intervalo favorable para aplicarlos por medio de brocha o rodillo, de acuerdo a especificaciones de Kumar et al. (2002) y de Frihart et al. (2010).

Cuadro 4. Viscosidad de los adhesivos a diferente concentración de sólidos y proporción de furfural. Table 4. Viscosity of the adhesives at different solid concentration and furfural proportion. Concentración

Concentración del furfural 0%

del adhesivo

15 %

25 %

35 %

Viscosidad [cP]

(%) 10

48.2(0.4)

29.9(1.9)

20.9(0.5)

20.1(0.9)

15

886(13.5)

70.7(1.3)

38.9(0.4)

32.6(0.8)

20

3 660(84.3)

482(6.3)

116(0)

89.3(1.5)

Valores entre paréntesis corresponden a la desviación estándar. The numbers in parenthesis refer to standard deviation.

Li et al. (2004) and Frihart (2011) obtained an increment of 5.6 % dry tensile strength and 66 % of increment to moist resistance, when the polyamidoamine-epichlorohydrin curing agent was added to soy protein, which, in regard to the results of this work, the furfural addition improved more efficiently the resistance in dry, but not the moist resistance.

Resistencia a la tensión antes y después del tratamiento de envejecimiento Con base en el análisis de varianza multifactorial realizado para las pruebas de resistencia a la tensión en seco y tercer ciclo de envejecimiento acelerado, la concentración del adhesivo y la adición de furfural tuvieron efectos estadísticamente significativos sobre la resistencia a la tensión (P < 0.05) (cuadros 5 y 6).

The addition of furfural in the adhesive of soy protein increases tensile strength, which could be due to the possible intercrossings of the soy protein chains from furfural,

Cuadro 5. Análisis de varianza para la resistencia a la tensión en seco. Fuente

Suma de Cuadrados

Gl

Cuadrado Medio

Razón-F

Valor-P

0.452427

2

0.226213

3.53

0.0329

B: Concentración de furfural

6.18124

3

2.06041

32.11

0.0000

Interacciones AB

1.41136

6

0.235226

3.67

0.0024

Residuos

6.92969

108

0.0641638

Total (corregido)

14.9747

119

Efectos principales A: Concentración del adhesivo

18


Hernández-Castorena et al., Efecto de la adición de furfural sobre...

Table 5. Analysis of variance for the tensile strength in dry tests. Source

Sum of Squares

FD

Mean Square

F

P

0.452427

2

0.226213

3.53

0.0329

B: Furfural concentration

6.18124

3

2.06041

32.11

0.0000

AB Interactions

1.41136

6

0.235226

3.67

0.0024

Residuals

6.92969

108

0.0641638

Total (corrected)

14.9747

119

Main effects A: Adhesive concentration

Cuadro 6. Análisis de varianza para la resistencia a la tensión después de tres ciclos de envejecimiento acelerado. Suma de Cuadrados

Gl

Cuadrado Medio

Razón-F

Valor-P

A:Concentración adhesivo

1.01016

2

0.505081

11.05

0.0000

B:Concentración furfural

2.78684

3

0.928947

20.32

0.0000

Interacciones AB

0.787654

6

0.131276

2.87

0.0124

Residuos

4.93787

108

0.045721

Total (Corregido)

9.52253

119

F

P

Fuente Efectos principales

Table 6. Analysis of variance for the tensile strength after three accelerated ageing cycles. Source

Sum of Squares

FD

Mean Square

Main effects A: Adhesive concentration

1.01016

2

0.505081

11.05

0.0000

B: Furfural concentration

2.78684

3

0.928947

20.32

0.0000

AB interactions

0.787654

6

0.131276

2.87

0.0124

Residuals

4.93787

108

0.045721

Total (corrected)

9.52253

119

which improve the resistance properties and moisture resistance (Jang et al., 2011). However, the addition of furfural amounts over 25 % lowered the resistance (1.65, 1.75, 1.67 MPa), probably due to the fact that the intercrossing takes place with polar groups of the soy protein (-NH2, -COOH, -OH) (Qi et al., 2013), and when these increase, they leave free a smaller amount of polar groups, which are responsible for the adhesion, as they interact with the polar and not polar groups of wood; however, some sort of hydrophobicity is assumed that was reflected in the dry resistances and after three ageing cycles, as it showed no significant statistical difference (P<0.05) in the 35 % furfural formulations and the 15 and 20 % adhesive concentrations.

La adición de 25 % de furfural y concentraciones de 10, 15 y 20 % del adhesivo generaron las mejores resistencias a la tensión en seco con respecto al resto de formulaciones; entre ellas la formulación de 25 % furfural y 10 % de concentración fue sobresaliente al alcanzar un promedio de 2.5 MPa, y en comparación con la formulación sin furfural, registró un incremento de resistencia de 45 % (Figura 5). Respecto a la evaluación después de tres ciclos de envejecimiento acelerado, en la Figura 5 se observaa que la formulación con 25 % de furfural y 20 % concentración de adhesivo aportó la mejor resistencia a la tensión (2.0 MPa), sin diferencia estadística en comparación con la resistencia en seco (P < 0.05) y 33 % mayor en comparación con la formulación de 0 % furfural y 20 % de adhesivo.

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Figura 5. Resistencia a la tensión en función de la adición de furfural (F) y concentración del adhesivo (C). Figure 5. Tensile strength in terms of furfural (F) addition and adhesive concentration (C). Li et al. (2004) y Frihart (2011) obtuvieron un aumento de 5.6 % en resistencia a la tensión en seco, y 66 % de incremento a la resistencia en húmedo, cuando agregaron el agente de curado poliamidoamina-epiclorhidrina a proteína de soya, a diferencia de lo registrado en este trabajo, en el que la adición de furfural mejoró más eficientemente la resistencia en seco, pero no así la resistencia en húmedo.

In Table 7 are shown the split percentages that occurred in the testing surface. It is worth noting that as furfural addition increased, so did the split area. The greatest split percentage appeared with 25 % furfural formulation and 10 % adhesive concentrations, which is coincidental with the best tensile strength.

Comparison of the soy protein adhesive-furfural with the urea-formaldehyde resine

La adición de furfural en el adhesivo de proteína de soya incrementa la resistencia a la tensión, lo que pudiera deberse a los posibles entrecruzamientos de las cadenas de las proteínas de soya por el furfural, los cuales mejoran la resistencia a la humedad y las propiedades de resistencia (Jang et al., 2011). Sin embargo, la adición de cantidades de furfural superiores a 25 % disminuyeron la resistencia (1.65, 1.75, 1.67 MPa), probablemente, debido a que el entrecruzamiento se lleva a cabo con los grupos polares de la proteína de soya (-NH2, -COOH, -OH) (Qi et al., 2013), y al incrementarse estos dejan disponibles una menor cantidad de dichos grupos polares, los cuales son responsables de la adhesión, al interactuar con los grupos polares y apolares de la madera; sin embargo, también se infiere una cierta hidrofobicidad que se reflejó en que las resistencias en seco y después de tres ciclos de envejecimiento, no presentaron diferencia estadística significativa (P<0.05) en las formulaciones de 35 % furfural y 15 y 20 % de concentración de adhesivo.

Figure 6 shows the comparison of the soy protein base adhesive win the urea-formaldehyde resine (U-F). This adhesive had a concentration of 10 % with 25 % furfural and the U-F resine with 62 % of solid contents. In the dry condition, the tensile strength of the soy adhesive was 48 % over the U-F resine. After a soaking and drying cycle (U-F could not stand more), the soy base adhesive had a 28 % resistance loss, while the urea-formaldehyde adhesive was 36 % and the moisture resistance of the latter is poor, since this resin suffers a depolimerization process in water (Frihart et al., 2010).

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Hernández-Castorena et al., Efecto de la adición de furfural sobre...

This is a useful comparison to establish the probability of commercial use of an adhesive. For example, He et al. (2012) developed an adhesive from hydrolyzed soy flour mixed with melamine, which had similar results than those of the phenol-formaldehyde resin; Wescott et al. (2005) assessed a soy adhesive mixed with phenol-formaldehyde and had similar results as with pure phenol-formaldehyde resin.

En el Cuadro 7 se consignan los porcentajes de ruptura ocurridos en la superficie de prueba. Es notorio que conforme se incrementó la adición de furfural, también creció el área de ruptura. El mayor porcentaje de ruptura se tuvo con 25 % de furfural y una concentración del adhesivo de 10 %, lo que coincide con la mejor resistencia a la tensión.

Cuadro 7. Porcentajes de ruptura en función de proporciones de furfural y concentración de adhesivo. Table 7. Split percentages in terms of furfural formulations and adhesive concentration. Concentración del adhesivo

Concentración del furfural 0%

15 %

25 %

35 %

Ruptura (%)

(%) 10

25(33)

62(35)

94 (13)

72 (37)

15

59(32)

38(45)

88 (28)

87 (29)

20

56(38)

53(36)

89 (26)

64 (41)

Valores entre paréntesis corresponden a la desviación estándar. The numbers in parenthesis refer to standard deviation.

Figura 6. Comparación de la resistencia de adhesivo soya-furfural (S-F) con resina urea-formaldehído (U-F). Figure 6. Comparison of the soy-furfural (S-F) adhesive resistance with a urea-formaldehyde (U-F) resin.

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Comparación del adhesivo proteína de soya-furfural con la resina urea-formaldehído

Conclusions Solid concentrations over 20 % in the adhesive formulation of soy protein make it difficult to handle and apply the gum on the wood surface, and under 10 % provoke low tensile strength.

La Figura 6 muestra la comparación del adhesivo base proteína de soya con la resina urea-formaldehído (U-F). El adhesivo base proteína de soya corresponde a una concentración de 10 % con 25 % de furfural y la resina U-F con un contenido de 62 % de sólidos. En estado seco, la resistencia a la tensión del adhesivo de soya superó en 48 % a la resina U-F. Después de un ciclo de remojo y secado (U-F no soportó más) el adhesivo base soya tuvo una pérdida de resistencia de 28 %, mientras que en el adhesivo de urea-formaldehído fue de 36 % y la resistencia a la humedad de la resina urea-formaldehído resultó baja, debido a que esta tiene un proceso de despolimerización en presencia de agua (Frihart et al., 2010).

Temperatures from 140 to 160 °C favor the curing of the soy protein-furfural adhesive, which revealed a greater tensile strength. The furfural addition to soy protein base adhesives, applied on wood, produced an important increment of tensile strength and a mild moisture resistance. The soy protein-furfural adhesive formulation compared to the urea-formaldehyde resine, showed better resistance in both, the dry condition and after one ageing cycle. In the formulation, the solid concentration and the amount of furfural affected significantly its adhesive resistance. In addition, the viscosity of the product tends to lower as the amount of furfural is higher, which favors it handling and application as a wood adhesive.

Esta comparación es útil para establecer la probabilidad de uso comercial de un adhesivo. Por ejemplo, He et al. (2012) desarrollaron un adhesivo de harina de soya hidrolizada mezclada con melanina, la cual registró resultados similares a los de la resina de fenol-formaldehído; Wescott et al. (2005) evaluaron un adhesivo de soya mezclado con fenol-formaldehído, cuya respuesta fue semejante a la resina fenol-formaldehído pura.

Conflict of interests

Conclusiones

The authors declare no conflict of interests.

Concentraciones de sólidos superiores a 20 % en la formulación adhesiva de proteína de soya dificultan el manejo y aplicación del adhesivo en la superficie de la madera, y menores a 10 %, generan baja resistencia a la tensión.

Contribution by Author Fernando Hernández-Castorena: experimental development, calculations and statistical analysis, writing and correction of the document; José Antonio Silva-Guzmán: original idea, review of experimental results, writing and correction of the document; Ricardo Manríquez-González: review of experimental results; Fernando Antonio López-Dellamary Toral: advice and review of experimental results; Raúl Rodríguez-Anda: advice in test preparation and mechanical assessments, and review of the document; Rubén Sanjuán-Dueñas: advice in experimental development, and review of the document; Francisco Javier Fuentes-Talavera: work planning, negotiation of material and financial resources for the experiment, experimental design, advice and review of results, writing and correction of the document.

Las temperaturas de 140 a 160 °C favorecen el curado del adhesivo proteína de soya-furfural, que se refleja en mayor resistencia a la tensión. La adición de furfural en adhesivos base proteína de soya, aplicados en madera ejerce un importante incremento de la resistencia a la tensión y una moderada resistencia a la influencia de humedad.

End of the English version La formulación adhesiva proteína de soya-furfural en comparación con la resina urea-formaldehído tiene mejores resistencias tanto en estado seco, como después de un ciclo de envejecimiento. En la formulación del adhesivo proteína de soya-furfural, la concentración de sólidos y la proporción de furfural inciden significativamente en su resistencia adhesiva. Adicionalmente, la viscosidad del adhesivo tiende a disminuir en la medida en que se incrementa la cantidad de furfural, lo que favorece su manejo y facilidad de aplicación como adhesivo para madera.

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Hernández-Castorena et al., Efecto de la adición de furfural sobre...

Conflicto de intereses Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Contribución por autor Fernando Hernández-Castorena: desarrollo experimental, cálculos y análisis estadísticos, redacción y corrección del manuscrito; José Antonio Silva-Guzmán: concepción de idea, revisión de resultados del trabajo experimental, redacción y corrección del documento; Ricardo Manríquez-González: revisión de resultados del trabajo experimental; Fernando Antonio López-Dellamary Toral: asesoría y revisión de resultados del trabajo experimental; Raúl Rodríguez-Anda: asesoría en la preparación de probetas y evaluaciones mecánicas, revisión del documento; Rubén Sanjuán-Dueñas: asesoría en el desarrollo del trabajo experimental, revisión del manuscrito; Francisco Javier Fuentes-Talavera: concepción y planeación del trabajo, gestión de recursos materiales y económicos para el desarrollo de experimental, diseño experimental, asesoría y revisión de los resultados, redacción y corrección del documento.

Referencias American Society for Testing and Materials (ASTM). 2003. ASTM D 1183 – 03. Standard practices for resistance of adhesives to cyclic laboratory aging conditions. Copyright© ASTM International. West Conshohocken, PA, USA. 3 p. American Society for Testing and Materials (ASTM). 1998. ASTM D 2339 – 98, Standard Test Method for Strength Properties of Adhesives in TwoPly Wood Construction in Shear by Tension Loading, American Society for Testing and Materials. West Conshohocken, PA, USA. 3 p. Chen, Y., L. Zhang and L. Du. 2003. Structure and properties of composites compression-molded from polyurethane Prepolymer and Various Soy Products. Industrial and Engineering Chemistry Research 42(26): 6786-6794. Chen, P., H. Tian, L. Zhang and P. R. Chang. 2008. Structure and properties of soy protein plastics with caprolactone/Glycerol as binary plasticizers. Industrial and Engineering Chemistry Research 47(23): 9389–9395. Chen, N., Q. Lin, J. Rao and Q. Zeng. 2013. Water resistances and bonding strengths of soy-based adhesives containing different carbohydrates. Industrial Crops and Products 50: 44– 49. Deutsches Institut für Normung (DIN). 1994. DIN 68 765. 1994. Spanplatten. Kunststoffbechichtete decorative Flachpressplatten. Begriff – Anforderungen. Holzfaserplatten, Spanplatten, Sperrholz; Normen Richtlinien. Berlin. Deutsches Institut für Normunge. V. 5 Auf. Berlin, Deutschland. pp. 180-182. Fan, D., T. Qin and F. Chu 2010. A soy flour-based adhesive reinforced by low addition of MUF Resin. Journal of Adhesion Science and Technology 25(1-3): 323-333. Frihart, C. R. 2011. Influence of soy type on wood bonding performance, In: Proceedings of the 34th Annual Meeting of Adhesion Society. February 2011. Savannah, GA, USA. pp. 13-15. Frihart, C. R. and C. G. Hunt. 2010. Adhesives with wood materials. In: Ross, R. J. (ed.). Wood Handbook, Chapter 10. Forest Products Laboratory. Madison, WI, USA. pp 10-16. Frihart, C. R., M. J. Birkeland, A. J. Allen and J. M Wescott. 2010. Soy adhesives that can form durable bonds for plywood, laminated wood flooring, and particleboard. Proceedings of the International Convention of Society of Wood Science and Technology and United Nations Economic Commission for Europe – Timber Committee. October 11-14. Geneva, Switzerland. http://www.fpl.fs.fed.us/ (24 de septiembre de 2013). Frihart, C. R. 2011.Wood adhesives, Vital for producing most wood products. USDA, Forest Products Laboratory. http://www.fpl.fs.fed.us/ (14 de enero de 2014).

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Artículo / Article

Compósitos biodegradables elaborados a partir de almidón termoplástico y partículas de madera de fresno Biodegradable composites made from thermoplastic starch and ash wood particles Arturo Javier Barrios Guzmán1, Salvador García Enríquez2, Ricardo Manríquez-González2, José de Jesús Rivera Prado2 y María Guadalupe Lomelí Ramírez2 Resumen Se han incrementado los estudios para desarrollar productos biodegradables elaborados a partir de polímeros naturales, entre ellos el almidón, porque es un material muy prometedor para este propósito. El presente trabajo consistió en elaborar y describir biocompósitos de almidón de maíz reforzado con partículas de madera de fresno, por el método de termo-compresión. Los biocompósitos se elaboraron con tamaños de partícula de 425 µm, 600 µm y 1.4 mm, así como en diferentes proporciones (5, 10 y 20 %) y una matriz termoplástica (0 % partículas) fue utilizada como referencia. Los resultados obtenidos demostraron que es posible elaborar almidón termoplástico por el método de termo-compresión. Las partículas de madera de fresno incorporadas a la matriz termoplástica contribuyeron a mejorar la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad, con una buena interfase (matriz-partícula) observado en imágenes SEM. El tratamiento térmico (annealing) aplicado a las probetas tuvo un gran efecto en los resultados de resistencia a tracción. Los compósitos con 10 % y 20 % de partículas de madera y tamaño de partícula 600 µm presentaron los mayores valores de resistencia mecánica. Los biocompósitos son inflamables pero tienden a auto-extinguirse. Durante el proceso de plastificación ocurre una ligera degradación térmica que origina la aparición de grupos carbonilos. La incorporación de partículas de madera a la matriz termoplástica disminuyó la absorción de humedad.

Palabras clave: Biocompósito, ensayo a la flama, puente de hidrógeno, tratamiento térmico, tratamiento húmedo, termo-compresión. Abstract The number of studies to develop biodegradable products from natural polymers has increased, among which starch is outstanding because it is a promising material for this purpose. The present work describes the production and characterization of biocomposites of corn starch reinforced with wood particles of ash-tree, for the method of thermo-compression. The biocomposites was prepared with particle sizes, 425 µm, 600 µm and 1.4 mm, as well as, in different ratios (5, 10 and 20 %) and a thermoplastic matrix (0 % particles) was used as reference. The obtained results demonstrated that it is possible to elaborate thermoplastic starch by the thermo-compression method. The ash wood particles incorporated into the thermoplastic matrix contributed to improve the tensile strength and elongation modulus, showing a good interface (matrix-particle) observed in the SEM images. The thermal treatment (annealing) applied to the specimens had a great effect in the results of tensile strength. The composites with 10 and 20 % wood particles and of 600 µm particle size presented the major values of mechanical resistance. The biocomposites are flammable but tend to auto-extinguish. During the process of plastification occurs a slight thermal degradation which causes the formation of carbonyl groups. Incorporating wood particles to the thermoplastic matrix decreased moisture absorption. Key words: Biocomposite, flame test, hydrogen bonding, heat treatment, wet treatment, thermo-compression.

Fecha de recepción/ date of receipt: 11 de noviembre de 2014; Fecha de aceptación/date of acceptance: 14 de enero de 2015. 1 Departamento de Ingeniería Química, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías, Universidad de Guadalajara. 2 Departamento de Madera Celulosa y Papel, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías, Universidad de Guadalajara. Correo-e: glomeli@dmcyp.cucei.udg.mx


Barrios et al., Compósitos biodegradables elaborados a partir de...

Introducción

Introduction

Durante la última década, el volumen del plástico y su eliminación, aunado al largo tiempo necesario para su descomposición, generan problemas ambientales (Vašková et al., 2008). Hoy, más que nunca, existe presión de la sociedad ante la necesidad de reducir la cantidad de plásticos desechados en el medio ambiente. Por ello se han incrementado los estudios para desarrollar productos biodegradables elaborados a partir de polímeros naturales, entre los cuales destaca el almidón, por ser es un material muy prometedor para el efecto (Mali et al., 2008).

During the last decade, the plastic volume and its elimination, together with the long time that is necessary for its decomposition, generates environmental problems (Vašková et al., 2008). More than ever, today exists the pressure from society facing the need to reduce the amount of plastics thrown to the environment. Therefore, the number of studies to manufacture biodegradable products made from natural polymers has increased, among which starch is particularly important for being a very promising material for such purpose (Mali et al., 2008).

El almidón está formado por dos unidades estructurales: amilosa y amilopectina. Las posibilidades de transformar el almidón nativo en un material termoplástico son considerablemente interesantes. No es un polímero termoplástico, sin embargo, bajo ciertas condiciones de procesamiento (presencia de plastificante, temperatura y cizallamiento mecánico) puede convertirse en un material con tales propiedades (Mo et al., 2011).

Starch is made up by two structural units: amylose and amylopectin. The possibilities of transforming native starch into a thermoplastic material are considerably interesting. It is not a thermoplastic polymer, but, under particular conditions of processing (presence of a plasticizer, temperature and mechanical shearing) may become a material with such properties (Mo et al., 2011).

Para convertir el almidón semicristalino en un material amorfo (durante la plastificación), se requiere la sustitución parcial de los puentes de hidrógeno originales entre las macromoléculas de amilosa y amilopectina por los puentes de hidrógeno que se forman con el plastificante. El producto resultante se conoce como almidón desestructurado (AD) o almidón termoplástico (ATP) (Shi et al., 2007); tiene la desventaja de ser muy hidrofílico debido a la existencia de grupos hidroxilo conectados a las unidades glucosídicas que forman este polisacárido, además de ofrecer menor resistencia mecánica en comparación a los polímeros sintéticos, por lo que se ha propuesto que sus propiedades mecánicas pueden incrementarse si se incorporan fibras naturales. Algunos trabajos se han enfocado a investigar las habilidades de refuerzo de residuos como la celulosa de bambú (Liu et al., 2009), las fibras de algodón (Prachayawarakorn et al., 2010), las celulósicas de madera (Duanmu et al., 2010), así como la de coco (Lomelí et al., 2011).

To convert semi-crystalline starch into an amorphous material (during plastification), it is necessary to make a partial substitution of the original hydrogen bonds between the amylose and amylopectin macromolecules by the hydrogen bonds that are formed with the plasticizer. The resulting product is known as destructed starch (AD, for its acronym in Spanish) or thermoplastic starch (ATP, for its acronym in Spanish) (Shi et al., 2007); its disadvantage is that it is highly hydrophilic from the existence of hydroxyl groups linked to the glycosidic units that form this polysaccharide, as well as having a lower mechanical resistance compared to the synthetic polymers, therefore, it has been suggested that its mechanical properties may be increased if natural fibers are included. There are some works focused on finding the reinforcement properties such as bamboo cellulose (Liu et al., 2009), cotton fibers (Prachayawarakorn et al., 2010), wood cellulose fibers (Duanmu et al., 2010) as well as coconut fiber (Lomelí et al., 2011).

La concentración de fibras generalmente varía de 5 % a 30 % en peso del total del termoplástico. Al incorporar fibras vegetales a la matriz termoplástica de almidón se forma un material compuesto o biocompósito. Debido a que todos los componentes son de origen biológico o natural, se le considera totalmente biodegradable (Fowler et al., 2006). Además, se ha propuesto que las fibras contribuyen a mejorar la estabilidad térmica, a disminuir la absorción de humedad y evitan la recristalización del almidón por la interacción entre la fibra y el almidón termoplástico (Kaewtatip y Thongmee, 2012).

In general, the concentration of fibers varies from 5 to 30 % of the total weight of the thermoplastic. When vegetal fibers are incorporated to the thermoplastic matrix of starch, a compound material or biocomposite is formed. Since all the components have a biological or natural origin, it is considered a totally biodegradable compound (Fowler et al., 2006). Also, it has been proposed that fibers contribute to improve the thermal stability, to reduce moisture absorption and avoid the recrystallization of starch (Kaewtatip and Thongmee, 2012). Ash (Fraxinus sp.) wood is widely used for furniture, doors, decoration veneer and several items such as handles, car parts, baseball bats and other sport articles (Kaiser, 2000; Moreno et al., 2005). However, the residues generated from pruning of these trees as well as its transformation and use, can be handled to improve the properties of the materials produced

La madera de fresno (Fraxinus sp.) es utilizada con mucha frecuencia para hacer muebles, puertas, chapa decorativa y diversos artículos como cabos, remos, partes de vehículos, bates de béisbol y otros artículos deportivos (Kaiser, 2000; Moreno et al., 2005). Sin embargo, los residuos generados de

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from thermoplastic starch. The aim of this work is to obtain and describe the biocomposites of corn starch, reinforced with several amounts and seizes of ash wooden particles, made by thermal compression.

su poda, así como de su transformación y aprovechamiento pueden ser utilizados para mejorar las propiedades de los materiales producidos a partir de almidón termoplástico. Este trabajo tiene como finalidad la obtención y caracterización de biocompósitos de almidón termoplástico de maíz, reforzado con diversas proporciones y tamaños de partícula de madera de fresno, elaborados por medio de termo-compresión.

Materials and Methods Materials

Materiales y Métodos

Native corn starch (without modifications) was provided by Almex Company, from Guadalajara, Jalisco. The ash (Fraxinus sp.) wood which was used in the study was made up of branches that came from the pruning of an adult tree in Las Agujas area, Zapopan, Jalisco. Such branches were debarked, and later shattered, ground and sieved to get particles of these sizes: 1.4 mm, 600 μm and 425 μm. The glycerin that was used as plasticizer was of reactive grade Golden Bell.

Materiales Se utilizó almidón nativo (sin modificar) de maíz proporcionado por la Empresa Almex, de Guadalajara, Jalisco. La madera de fresno (Fraxinus sp.) con la que se trabajó en el estudio consistió en ramas obtenidas de la poda de un árbol adulto ubicado en el predio Las Agujas, Zapopan. Dichas ramas fueron descortezadas, y después astilladas, molidas y tamizadas, para obtener partículas de los siguientes tamaños: 1.4 mm, 600 μm y 425 μm. La glicerina que se usó como plastificante fue de grado reactivo de la marca Golden Bell.

Preparation of the composites Glycerin was added to starch in 35 % of its weight; later, the particles (1.4 mm, 600 μm and 425 μm) were added in the following proportions: 5, 10 and 20 %. As a reference, a material without reinforcement was made and that was named matrix (0 % particles). These mixtures were drained into a 170 x 170 x 3 mm stainless steel mold by the thermal- compression method by an hydraulic press (Schwabenthan Brand, Polystat 200 T model). The processing conditions were 150 °C, 180 bar pressure and pressing time of 50 minutes. From the manufactured plaques, were made the different test specimens to characterize the biocomposites.

Preparación de los compósitos La glicerina fue adicionada al almidón en 35% en peso; posteriormente se incorporaron las partículas (1.4 mm, 600 μm y 425 μm) de madera de fresno a la mezcla de almidón-glicerina en las siguientes proporciones: 5, 10 y 20 %. Como referencia fue elaborado un material sin refuerzo que se le denominó matriz (0 % partículas). Estas mezclas se vertieron en un molde de acero inoxidable con dimensiones de 170 x 170 x 3 mm, para formar placas por el método de termo-compresión mediante una prensa hidráulica (Marca Schwabenthan, Modelo Polystat 200 T). Las condiciones de procesamiento fueron 150 °C, presión de 180 bar y tiempo de prensado de 50 minutos. De las placas se cortaron las diferentes probetas para la caracterización de los biocompósitos.

Optical microscopy The studied materials were observed with a stereoscopic microscope (Zeiss brand, 2000-C Stemi model) equipped with an AxioCam camera and a software to measure. The composites were observed with no previous preparation.

Microscopia óptica Assay against flames

Los materiales de estudio fueron observados con un microscopio estereoscópico (Marca Zeiss, Modelo Stemi 2000-C) equipado con cámara AxioCam y software para medición. Los compósitos fueron observados sin preparación alguna.

The studied material was made up by five 100 x 10 x 3 mm specimens, with a shape ending to facilitate the burning based on the ASTM D-635 regulation (ASTM, 2003). For this assay, the samples are approached to a flame of a Bunsen burner for 10 seconds to start burning. The parameters that were measured were the amount and color of smoke, the color of the flame, the kind of combustion, the odor, if fire is self- extinguished and the possible deformation of the test.

Comportamiento a la flama El material de estudio consistió en cinco especímenes de 100 x 10 x 3 mm, terminados en punta para facilitar el inicio de la combustión con base en la norma ASTM D-635 (ASTM, 2003). Para este ensayo, las muestras se aproximan a la flama de un mechero Bunsen durante 10 segundos para comenzar la combustión. Los parámetros que se midieron fueron la cantidad

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y color del humo generado, color de la llama, tipo de combustión, olor, si se auto-extingue el fuego y la posible deformación de la probeta.

Tensile strength The assay was performed in a mechanical assay machine (Instron brand, 4411 model) with M-I type tests, according to the ASTM D-638 (ASTM, 2010) regulation. Twelve tests were divided into two groups to receive one treatment before the mechanical assay: a) Thermal treatment, which consisted on placing the tests in a laboratory oven (Felisa brand, FF 292 model) at 60 °C for 5 h, and b) Wet treatment, where the tensile specimens were placed into a container with an environment with a relative humidity of 75±2 % and under a 22±2 °C temperature for 7 days. In this assay the maximum tensile strength, the elasticity module and the percent of elongation of both treatments are reported.

Resistencia a la tracción El ensayo de tracción se realizó en una máquina de ensayos mecánicos (Marca Instron, Modelo 4411) con probetas Tipo M-I de acuerdo a la norma ASTM D-638 (ASTM, 2010). Un total de 12 probetas se dividieron en dos grupos para recibir un tratamiento antes del ensayo mecánico: a) tratamiento térmico, que consistió en colocar las probetas en una estufa de laboratorio (Marca Felisa, Modelo FF 292) a 60 °C por cinco horas, y b) tratamiento húmedo, en el cual las probetas de tracción se pusieron en un recipiente con un ambiente de humedad relativa de 75±2 % y temperatura de 22±2 °C por siete días. En este ensayo se informa sobre la resistencia máxima a la tracción, el módulo de elasticidad y el porcentaje de elongación de los dos tratamientos.

Through a Hitachi TM 1000 model scanning electron microscope, the fracture surface of the specimens used in the tensile strength test, without gold addition was directly observed.

Microscopia electrónica de barrido

Infrared spectroscopy with attenuated total reflection (ATR)

Mediante un microscopio electrónico de barrido (Marca Hitachi, Modelo TM 1000) se observó la superficie de fractura de las probetas ensayadas a tracción directamente sin metalizarse con oro.

The ATR (Attenuated Total Reflection Technique) was used for this analysis by means of a Perkin-Elmer Spectrum GX model spectrophotometer. IR spectra were the average of 64 scans with a resolution of 4 cm-1 in a frequency range of 4 000-700 cm-1.

Espectroscopía infrarroja con reflectancia total atenuada (ATR)

Conditioning in a relative humidity environment

Scanning electron microscopy (SEM)

Absorption isotherms of the composites (30 x 30 x 3 mm) moisture were made, which were conditioned in a relative humidity of 75±2 % and a temperature of 22±2 °C, and exposed in a dessicant with a saturated solution of sodium chloride (NaCl), which was prepared according to the ASTM E 104 regulation (ASTM, 2012). The specimens were weighted at successive time intervals until the equilibrium moisture was reached. The moisture content was determined by the following equation:

Para el análisis se aplicó la técnica ATR (Reflectancia Total Atenuada) y se utilizó un espectrofotómetro (marca Perkin-Elmer, Modelo Spectrum GX). Todos los espectros IR fueron en promedio de 64 barridos con una resolución en un intervalo de frecuencias de 4 000-700 cm-1.

Acondicionamiento en ambiente de humedad relativa Se elaboraron isotermas de absorción de humedad de compósitos (30 x 30 x 3 mm) acondicionados en un ambiente de humedad relativa de 75±2 % y temperatura de 22±2 °C, expuestos en un desecador con una solución saturada de cloruro de sodio (NaCl) preparada de acuerdo a la norma ASTM E 104 (ASTM, 2012). Los especímenes fueron pesados en intervalos sucesivos de tiempo hasta alcanzar la humedad de equilibrio. El contenido de humedad fue calculado de acuerdo a la siguiente ecuación:

Where: M1 = Weight of the specimen (in grams) at a specific time M0 = Weight of the sample dried in an oven

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Donde:

Results and Discussion

M1 = Peso del espécimen (en gramos) a un tiempo determinado M0 = Peso de la muestra seca en estufa

Optical microscopy Figure 1 show the micrographs taken from the biocomposites with different particle sizes and concentrations. The transparence of the starch matrix allows to observe the uniform and homogeneous distribution of the ash wood particles. According to Canevarolo (2006), one feature of the amorphous polymers is their transparence, and in the case of the thermoplastic starch, the semi-crystalline structure of the starch granule is affected by temperature and pressure, which originates a transparent material with low crystallinity. Transparence is such that it makes it possible to see details of the ash wood. Images also prove that during the plastification process by thermo-compression no bubbles were formed or any parts without plastic were left.

Resultados y Discusión Microscopia óptica La Figura 1 muestra las micrografías obtenidas de los biocompósitos con los diferentes tamaños de partícula y concentraciones. La transparencia de la matriz permite observar la distribución uniforme y homogénea de las partículas de madera de fresno en la matriz de almidón. De acuerdo con Canevarolo (2006), una característica de los polímeros amorfos es su transparencia, y en el caso del almidón termoplástico la estructura semicristalina del gránulo de almidón es afectada por la temperatura y la presión, lo cual origina un material termoplástico transparente y con baja cristalinidad. La transparencia es tal que es posible identificar detalles de la madera de fresno. Las imágenes también confirman que durante el proceso de plastificación por termo-compresión no se formaron burbujas y tampoco quedaron partes sin plastificar.

Figura 1. Fotografías de biocompósitos con microscopio estereoscópico: a) 1.4 mm-5 %; b) 1.4 mm-10 %; c) 1.4 mm-20 %; d) 600 μm-5 %; e) 600 μm-10 %; f) 600 μm-20 %; g) 425 μm-5%; h) 425 μm-10 %; i) 425 μm-20 %. Figure 1. Stereoscopic- microscope photographs of biocomposites: a) 1.4 mm-5 %; b) 1.4 mm-10 %; c) 1.4 mm-20 %; d) 600 μm-5 %; e) 600 μm-10 %; f) 600 μm-20 %; g) 425 μm-5 %; h) 425 μm-10 %; i) 425 μm-20 %.

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Comportamiento a la flama

Assay against flames

El estudio del comportamiento al fuego de los biocompósitos ha recibido poca atención, por lo que existe escasa literatura al respecto. Algunos estudios han establecido que ciertas combinaciones pueden reducir la inflamabilidad, mientras otros aumentan la del material compuesto (Wu et al., 2009; Bocz et al., 2011). La interacción entre la fibra y la matriz polimérica es factor fundamental no solo para las propiedades mecánicas, sino también para la estabilidad de los compósitos cuando son expuestos al calor y al fuego (Chapple y Anandjiwala, 2010). Además de la interacción son esenciales el tipo de fibra, de polímero y la proporción de los materiales que forman el compósito.

The study of the behavior of biocomposites against flames has received poor attention, and, thus, literature is scarce in this topic. Some of them have established that specific combinations may reduce inflammability, while others may increase (Wu et al., 2009; Bocz et al., 2011). The interaction between fiber and the polymer matrix is an essential factor, not only from its mechanical properties, but also from the stability of the composites when exposed to heat and fire (Chapple and Anandjiwala, 2010). Not only interaction is important; the kind of fiber, the polymer and the amount of the materials that form the composite are fundamental.

El comportamiento a la flama de los biocompósitos fue el siguiente: durante la combustión de los especímenes de estudio se produjo poco desprendimiento de humo (color claro, blanquecino); la flama fue de color naranja, las probetas no se deformaron por el fuego, no hubo goteo del polímero, el olor que se percibió fue ligeramente dulzón, con una mezcla de madera carbonizada.

The behavior of biocomposites against flame was as described: during burning of the studied specimens a light smoke appeared (clear, whitish), combustion flame had orange color, specimens were not deformed by fire, no polymer leaks were produced, smell was lightly sweet mixed with a charcoaled wood smell. The starch matrix showed a greater combustion than biocomposites. It was proved that they are flammable but they burn slowly; after a time of burning, the flame became extinguished and a carbon was formed in the burned zone (Figure 2). According to Chapple and Anandjiwala (2010), carbon formation during combustion is an important criterion to determine the inflammability of a polymer, since this material may serve as an obstacle between the ignition source and the internal layers of the polymer even unburned.

La matriz de almidón presentó mayor combustión que los biocompósitos. Se comprobó que estos últimos son inflamables, pero su combustión es lenta; después de cierto tiempo de tal proceso, la flama tendió a extinguirse y se formó carbón en la zona quemada (Figura 2). De acuerdo a Chapple y Anandjiwala (2010), la formación es un criterio importante para determinar la inflamabilidad de un polímero, ya que este producto funge como una barrera entre la fuente de ignición y las capas internas del polímero aún sin arder.

In this work, the progressive increment of wooden particles in the starch matrix contributed to make the carbonization speed more slowly and it finally extinguished, which could be attributed to increase the amount of particles, the proportion of thermoplastic matrix diminishes, that is, the more flammable material. On the other hand, Bocz et al. (2013) determined that the addition of natural fibers into the thermoplastic matrix increased flammability, while the inclusion of a flame retardant diminished combustion.

En el trabajo que aquí se describe, el aumento progresivo de partículas de madera en la matriz de almidón contribuyó a que la velocidad de carbonización fuera más lenta y que al final la llama se extinguiera, lo cual puede atribuirse a que al aumentar la cantidad de partículas, se disminuye la proporción de matriz termoplástica; es decir, el material más inflamable. Por el contrario, Bocz et al. (2013) determinaron que la incorporación de fibras naturales a la matriz de almidón termoplástico incrementó la inflamabilidad, mientras que la adición de un retardante de flama disminuyó la combustión.

Tensile strength In figures 3, 4 and 5 are shown the results of the assay that involved the mechanical tests of the matrix and the biocomposites with 5, 10 and 20 % of ash wood according to the different particle sizes and the type of conditioning treatments (thermal and humid) of the specimens. From the results and the statistical analysis (P-Value 0.0000), the thermal treatment applied to the samples had a significant effect on the matrix and the biocomposites compared to the materials that had the wet treatment. Among

Resistencia a la tracción En las figuras 3, 4 y 5 se muestran los resultados del ensayo de pruebas mecánicas de la matriz y los biocompósitos con 5, 10 y 20 % de madera de fresno en función de los diferentes tamaños de partículas y los dos tipos de tratamientos de acondicionamiento (térmico y húmedo) de las probetas. De acuerdo al análisis estadístico (P-Value 0.0000), el tratamiento térmico aplicado a las probetas tuvo un efecto significativo en la matriz y en los biocompósitos en comparación con los materiales que recibieron el tratamiento húmedo. Entre los especímenes con

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tratamiento húmedo solamente el de la composición con 5 % y malla 600 μm registró diferencia significativa; mientras que en los compósitos con tratamiento térmico, la matriz termoplástica (0 % partículas) fue estadísticamente diferente a los materiales con refuerzo.

the specimens with wet treatment, only the samples with of 5 % and the 600 μm mesh showed significant difference; while in the composites with thermal treatment, the thermoplastic matrix (0 % particles) was statistically different to the materials with reinforcement.

Figura 2. Probetas del ensayo a la flama. Figure 2. Assay specimens against flame. El tipo de tratamiento de acondicionamiento térmico tuvo gran influencia sobre la resistencia a la tracción, el cual presentó un incremento de 5-6 MPa en comparación con el tratamiento húmedo. El tratamiento térmico conocido como Simulated Annealing (SA) (proceso de calentamiento a bajas temperaturas, seguido de un enfriamiento lento y gradual, a fin de hacer el material más duro) es básicamente un recocimiento del almidón termoplástico a bajas temperaturas, que afecta la cristalinidad, por lo que incide en las propiedades físico-mecánicas debido a una discreta organización molecular, y con ello mejora la interacción entre las cadenas del almidón (Jayakody y Hoover, 2008). Específicamente, el tratamiento térmico permite una reorganización de las moléculas de almidón, y las dobles hélices de la amilopectina adquieren una configuración más organizada (Gomes et al., 2005; Zavareze y Guerra, 2011).

The tensile strength was greatly influenced by the thermal conditioning treatment, which had a 5-6 MPa increment compared to the wet treatment. The thermal treatment known as Simulated Annealing (SA) is basically a recooking of the thermoplastic starch at low temperatures, which affects the crystallinity, and therefore has an effect upon the physicalmechanical properties due to a discrete molecular organization, which improves the interaction between the starch chains (Jayakody and Hoover, 2008) and the double helixes of amylopectin develop a more organized composition (Gomes et al., 2005; Zavareze and Guerra, 2011). As it has been mentioned before, the addition of lignocellulosic fibers may improve the mechanical functioning of the thermoplastic starch. From the results of this study (Figure 3), the effect of the reinforcement has a statistical difference (95 % confidence level) in the materials of the 10 % and 20 % composition with particle of 600 μm mesh and 20 % of the 425 μm mesh.

Como ya se ha mencionado, la incorporación de fibras lignocelulósicas puede mejorar el desempeño mecánico del almidón termoplástico. De acuerdo a los resultados obtenidos (Figura 3), el efecto de refuerzo presentó diferencia estadística (nivel de confianza de 95 %) en los materiales de la composición de 10 % y 20 % con partícula de malla 600 μm y con 20 % de la malla 425 μm.

The same reaction occurred in MOE (module of elasticity). In Figure 4 shows that the modules were larger in those materials with the thermal treatment compared to the wet treatment, with statistical difference and 95 % significance. The modules of the

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Figura 3. Resultados de resistencia a tracción de los biocompósitos. Figure 3. Results of the tensile strength of biocomposites. El mismo efecto se verificó en el MOE (módulo de elasticidad). En la Figura 4 se puede advertir que los módulos fueron mayores en los materiales con el tratamiento térmico en comparación con el tratamiento húmedo, con diferencia estadística y nivel de significancia de 95 %. Los módulos de los especímenes con tratamientos húmedos no tuvieron diferencia estadística entre ellos. Los materiales con tratamiento térmico, la matriz y los compósitos con 10 y 20 % de las mallas 600 μm mostraron diferencias significativas (nivel de confianza de 95 %).

specimens with wet treatments had no statistical difference among them. In regard to the materials with thermal treatments, the matrix and composites with 10 and 20 % of the 600 μm mesh showed significant differences (95 % level of confidence). The lower performance in specimens with wet treatment may be attributed to the fact that wood and the matrix of thermoplastic starch are hydrophilic, i.e., they absorb moisture, which causes swelling; this expansion can damage the interface area between the matrix and the reinforcement, resulting in decrease in the mechanical properties, as was observed by Kuciel and Liber-Knecht (2009).

El menor desempeño en los especímenes con tratamiento húmedo es atribuible a que la matriz de almidón termoplástico y la madera son hidrofílicos, es decir, absorben humedad del ambiente, lo que provoca hinchamiento; esta expansión, que suele dañar la zona de interfase entre la matriz y el refuerzo, ocasiona disminución en las propiedades mecánicas (Kuciel y Liber-Knec, 2009).

The module of elasticity is a parameter that describes the behavior of an elastic material, and based upon the results obtained in this sense, it can be stated that biocomposites with thermal treatment were resistant and with small ability to deform. In contrast, those under the wet treatment were not resistant, or had great elongation. The size of the particles that had greater tensile strength and elasticity module values were 425 and 600 μm, while the 1.4 mm particle had a smaller reinforcement effect. It is known that the geometry of the fiber/particle, the morphology, the direction, volume and density have great influence upon the mechanical properties of the compound materials (Joseph et al., 2000).

El módulo de elasticidad es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, y con base en los resultados obtenidos, se confirma que los biocompósitos con tratamiento térmico fueron resistentes y con poca capacidad de deformación. En contraste, los correspondientes al tratamiento húmedo no fueron resistentes, ni tuvieron gran elongación. Los tamaños de partícula que registraron mayores valores de resistencia a la tracción y módulo de elasticidad fueron 425 y 600 μm, mientras que la de 1.4 mm proporcionó menor efecto de refuerzo. Se conoce que la geometría de la fibra/partícula, la morfología, la orientación, el volumen y la densidad tienen gran influencia en las propiedades mecánicas de los materiales compuestos (Joseph et al., 2000).

In Figure 5 are the results of the percentage of elongation (deformation) of the studied materials under the two treatments (thermal and wet). This condition was affected by the inclusion of the wood particle which restricted the mobility of the starch chains during the assay. Therefore, at a greater reinforcement, the deformation was smaller. The thermal treatment, as aforementioned, also had an impact over elasticity, as the chains (amylose and amylopectin) had lower mobility, they are better packed, and thus, there is a

En la Figura 5 se ilustran los resultados del porcentaje de elongación (deformación) de los materiales de estudio con las dos tratamientos (térmico y húmedo). La elongación fue

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Figura 4. Módulo de elasticidad de la matriz y los biocompósitos. Figure 4. Module of elasticity of the matrix and the biocomposites. afectada por la incorporación de la partícula de madera que restringió la movilidad de las cadenas del almidón durante el ensayo. Por lo tanto, a mayor cantidad de refuerzo, la deformación del material fue menor. El tratamiento térmico, como ya se mencionó, también impactó la elasticidad debido a que al haber menos movilidad de las cadenas (amilosa y amilopectina), están mejor empaquetadas, y, entonces, existe mayor interacción entre las cadenas de almidón al estar más próximas entre sí, lo que favorece una mayor resistencia y menor capacidad de deformación. La matriz (0 % refuerzo) presentó cierta elongación aun con el tratamiento térmico. En comparación, la matriz y los biocompósitos con tratamiento húmedo no fueron resistentes, ni flexibles, como ya se mencionó la humedad absorbida repercutió en su desempeño mecánico.

greater interaction among the starch chains as they are closer, which provokes a more resistant material with lower deforming potential. The matrix (0 % reinforcement) showed some elongation, even with the thermal treatment. In contrast, the matrix and the biocomposites with wet treatment were not resistant, or flexible, as mentioned before, the absorbed moisture had an effect on its mechanical performance

Scanning electron microscopy (SEM) In Figure 6 are shown the micrographies of scanning electron microscopy of the surface of the fracture of some assayed tensile strength samples under thermal under thermal treatment; in the b and c images it can be observed that the

Figura 5. Elongación (deformación) de la matriz y los biocompósitos. Figure 5. Elongation (deformation) of the matrix and biocomposites.

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composites with 600 μm and 425 μm particles had a good adherence (marked with arrows) with the starch matrix, which is reflected in higher resistance and module values and a lower elongation percentage.

Microscopía electrónica de barrido En la Figura 6 se muestran las micrografías de microscopía electrónica de barrido de la superficie de fractura de algunas probetas del ensayo de tracción, bajo tratamiento térmico; en las imágenes b y c se observa que los compósitos con tamaños de partícula 600 μm y 425 μm tuvieron buena adherencia (señaladas con flechas) con la matriz de almidón, lo cual se reflejó en valores de resistencia y módulos mayores, así como un porcentaje de elongación menor.

On the other hand, Figure 6 (a) refers to the 1.4 mm particle, in which a deficient contact zone between the particle and the starch matrix outstands, which surrounds or covers the fiber without being in close contact to provide a good reinforcement effect; this was confirmed by the tests of this particle size which recorded lower tensile strength values. The corresponding to letters d, e and f are the samples with the wet treatment in which it can be observed that the material had a poor adherence (marked by arrows) between the matrix and wood, which explains why these materials had values of resistance and elasticity modulus clearly under those of the thermal treatment.

La Figura 6 (a) se refiere al biocompósito con tamaño de partícula 1.4 mm, en la que destaca una deficiente zona de contacto entre la partícula y la matriz de almidón, misma que rodea o cubre a la fibra, pero sin estar en contacto estrecho para proporcionar un buen efecto de refuerzo; lo anterior se comprobó en las probetas con dicho tamaño de partícula que resultaron con valores de resistencia a la tracción inferiores. Las letras d, e y f corresponden a las probetas con tratamiento húmedo en las que se aprecia que el material tuvo poca adherencia (señalada por las flechas) entre la matriz y la madera, razón por lo cual esos materiales tuvieron valores de resistencia y módulos muy por debajo de los cifras de los que recibieron tratamiento térmico.

The absorbed moisture by the examples during the seven days affected severely the interphase zone, which is considered a drawback when it is compared with other polymers or synthetic origin. Oniszczuk and Janssen (2009) mention that an interphase with a good adherence between the particle and

Figura 6. Micrografías SEM de biocompósitos: Tratamiento térmico: a) 1.4 mm-20 %, b) 600 μm-20 %, c) 425 μm-20 %; Tratamiento húmedo: d) 1.4 mm-10 %, e) 600 μm-10 %, c) 425 μm-20 %. Figure 6. TEM micrographies of biocomposites: thermal treatment: a) 1.4 mm-20 %, b) 600 μm-20 %, c) 425 μm-20 %; Wet treatment: d) 1.4 mm-10 %, e) 600 μm-10%, c) 425 μm-20%.

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La humedad absorbida por los ejemplares en los siete días afectó seriamente la zona de interfase, lo que es considerada una desventaja cuando se compara con otros polímeros de origen sintético. Oniszczuk y Janssen (2009) mencionan que una interfase con buena adherencia entre la partícula y la matriz polimérica puede reflejar el efecto del refuerzo durante el ensayo, pues el esfuerzo de tensión se transfiere a la matriz, que se traduce en un incremento en la resistencia mecánica, lo que no ocurrió con los materiales bajo tratamiento húmedo.

the polymeric matrix may exhibit the effect of the reinforcement during the assay, as the tension effort is transferred to the matrix, that is translated into an increment of the mechanical resistance, which did not happen with the materials with wet treatment.

Infrared spectroscopy with attenuated total reflection (FTIR-ATR) Figure 7 shows the FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy with attenuated total reflection (FTIR-ATR) spectra of the biocomposites with different particle sizes and different amounts of wood; the matrix and native starch are added as a reference. In the case of the native starch, its spectrum exhibits regular signals of carbohydrates with glucopyranose rings with O-H groups 3 300 cm-1, stretching vibration of the C-H aliphatic groups in 2 926 cm-1, the signal of the adsorbed water at 1 650cm-1, C-C and C-O groups stretching in 1 160 cm-1 and bending vibration of the C-O-H groups at 1 005 cm-1.

Espectroscopía infrarroja con reflectancia total atenuada (FTIR-ATR) La Figura 7 muestra los espectros FTIR (Espectrometría Infrarroja con Transformada de Fourier) de los biocompósitos con los diferentes tamaños de partícula y proporciones de madera; la matriz y el almidón nativo se anexan como referencia. El espectro del almidón nativo muestra las señales comunes de los carbohidratos con anillos de glucopiranosa con grupos O-H en bandas 3 300 cm-1, vibración de estiramiento de grupos alifáticos C-H en 2 926 cm-1, la señal de agua adsorbida a 1 650 cm-1, estiramiento de grupos C-C y C-O en 1 160 cm-1 y vibración de flexión de grupos C-O-H a 1 005 cm-1.

It can be observed that the matrix specters and those of the biocomposites show a band related to the O-H groups between 3 000 y 3 500 cm-1; this band has a different intensity in the native starch. In all the specters that were obtained, it can be seen that band around 2 925 cm-1 which is related to the vibrations of the C-H aliphatic groups of the major hydrocarbonated chain of the matrix and the biocomposites.

Se advierte que los espectros de la matriz y los biocompósitos presentan una banda relacionada con los grupos O-H entre 3 000 y 3 500 cm-1, misma que tiene una intensidad diferente en el almidón nativo. En todos los espectros obtenidos se detecta la banda alrededor de 2 925 cm-1, que se relaciona con vibraciones de grupos C-H alifáticos de cadena principal hidrocarbonada en ambos compuestos.

In the spectra of matrix and biocomposites, a difference in the water absorption peak intensity at 1 635 cm-1 was found, as wood particles are added; this can be due to the weakening of the intra and intermolecular interaction of starch during plastification, as well as to the formation of new interactions of hydrogen bonds between starch and the wood particles, from their chemical similitude (Dai et al., 2009).

En los espectros de estos últimos se identifica una diferencia en la intensidad del pico de absorción de agua en 1 635 cm-1, conforme se incorporan partículas de madera, esto puede deberse al debilitamiento de las interacciones intra e intermoleculares del almidón durante la plastificación, así como también a la formación de nuevas interacciones de puentes de hidrógeno entre el almidón y la partícula de madera, por la semejanza química (Dai et al., 2009).

Compared to the spectrum of the native starch, those of the matrix and the biocomposites appears a new peak at around 1 715 cm-1. According to Wu (2005), this peak is attributed to vibrations in the stretching of carbonyl groups (C=O) in the samples. The carbonyl signals do not appear in the native starch as it has not this type of groups in its chemical structure. The formation of this group in the matrix and the biocomposites may be attributed to the thermal-compression process, which could have provoked a slight decomposition of the temperature treatment and the processing time. This decomposition produces carbonyl compounds such as aldehydes, ketones and carboxylic acids; however, this process does not affect the physical-mechanical properties as was reported by Lomelí et al. (2014). Even when this new band of the carbonyl group (C=O) emerges, it does not imply a complete decomposition of the thermoplastic starch, since most of the spectra of the produced materials stay without changes (very similar to the native starch), which means that they are not severely affected by the thermal-compression process.

En comparación con el espectro del almidón nativo, en el de la matriz y los biocompósitos aparece un nuevo pico en 1 715 cm-1, aproximadamente. De acuerdo con Wu (2005) este pico es atribuido a vibraciones de estiramiento de grupos carbonilo (C=O) en las muestras. La señal de carbonilo no aparece en el almidón nativo porque no tiene ningún grupo carbonilo en su estructura química. La aparición de este grupo en la matriz y en los biocompósitos se atribuye a que el proceso de termo-compresión pudo haber provocado una ligera descomposición por el tratamiento de temperatura y el tiempo de procesamiento. Descomposición que produce compuestos de carbonilos tales como aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos; sin embargo, el proceso no afecta

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Figura 7. Espectros FTIR del almidón, matriz y biocompósitos. Figure 7. FTIR spectra of starch, the matrix and biocomposites. las propiedades físico-mecánicas como fue registrado por Lomelí et al. (2014). Aun cuando surge la nueva banda del grupo carbonilo (C=O), su presencia no indica una descomposición completa del almidón termoplástico ya que la mayor parte de los espectros de los materiales elaborados permanecen sin modificar (muy similares al almidón nativo), lo que significa que no son fuertemente afectados por el proceso de termo-compresión.

Conditioning in a relative humidity environment The great sensibility of the composites that were manufactured from thermoplastic starch to the absorption of moisture of the environment, is one of the most important factors to choose these materials for some practical uses, since moisture affects its mechanical properties (Müller et al., 2009).

Acondicionamiento en ambiente de humedad relativa

In Table 1 are listed the values of equilibrium humidity percentage that the matrix and the biocomposites reached with the different particle sizes and the amount of wood particles under a relative humidity around 75 %. With the 1.4 mm particles, humidity absorption was less compared to the other particles sizes.

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La gran sensibilidad de los compósitos elaborados a partir de almidón termoplástico a la absorción de humedad del medio ambiente es uno de los factores más importantes que se considera en su selección para algunas aplicaciones prácticas, ya que la humedad modifica sus propiedades mecánicas (Müller et al., 2009).

The matrix had the greatest value while the biocomposites with the 20 % particles showed a lower moisture content. According to Sarifuddin et al. (2012), this reduction of the humidity absorption is attributed to the strong hydrogen bonds that are formed between the matrix and wood, but it also can be explained when including more wood pieces, the amount of thermoplastic matrix is reduced, which is the responsible matter of the hydrophilic condition.

En el Cuadro 1 se ordenan los valores del porcentaje de humedad de equilibrio a los que llegaron la matriz y los biocompósitos con los diferentes tamaños de partícula y proporción de partícula de madera en ambiente de humedad relativa de aproximadamente 75 %. Con el tamaño de partícula 1.4 mm, la absorción de humedad fue menor en comparación con otros tamaños. La matriz presentó el mayor valor mientras que en los compósitos con las de 20 % registraron el menor contenido de humedad. De acuerdo a Sarifuddin et al. (2012), esta reducción se atribuye a los fuertes enlaces de hidrógeno que se forman entre la matriz y la madera, pero también puede obedecer a que al incorporar más partículas de madera, se disminuye la cantidad de matriz termoplástica que es la responsable del carácter hidrofílico.

The values of the equilibrium humidity depend on the state of the factors of conditioning, material, reinforcement and amount of the fiber material. Ma et al. (2005) report results in this context of 37 % for the thermoplastic corn starch and of 21 to 24 % for the fiber reinforced materials (5 to 20 %) in a 75 % of relative humidity. Meanwhile, Bodirlau et al. (2014) obtained values of 68 % for the corn starch matrix and of 64 % for biocomposites with fibers (4 %) of Populus alba L.

Cuadro 1. Contenido de humedad de equilibrio de la matriz y los biocompósitos. Table 1. Equilibrium humidity content of the matrix and the biocomposites. 5%

10 %

Matriz

20 %

29.4 (1.0)

1.4 mm

21.7 (0.2)

21.8 (0.2)

20.9 (0.3)

600 μm

24.8 (0.3)

22.6 (0.1)

22.5 (0.3)

25.6 (0.8)

26.9 (3.2)

25.9 (1.0)

425 μm

Los valores entre paréntesis corresponden a la desviación estándar. The values in parenthesis refer to standard deviation.

Los valores de humedad de equilibrio dependen de las condiciones de los factores de acondicionamiento, del material, refuerzo y proporción de material fibroso. Ma et al. (2005) refieren resultados de absorción de humedad de equilibrio de 37% para la matriz de almidón termoplástico de maíz y de 21 a 24 % para los materiales reforzados con fibra (5 a 20% de fibra) en un ambiente de 75 % de humedad relativa. Mientras que Bodirlau et al. (2014) obtuvieron valores de humedad de equilibrio de 68 % para la matriz de almidón de maíz y de 64 % para biocompósitos con fibras (4 %) de Populus alba L.

Conclusions It was possible to produce biocomposites by the thermal-compression method up to 20 % of ash wood reinforcement. The starch matrix had good transparence and allowed to observe the homogeneous distribution of wood particles in it. It was proved that the thermoplastic starch with wood particles is flammable but its ignition tends to auto-extinguish. The addition of wood and the largest particle size (1.4 mm) decreased combustion. The thermal treatment applied before the mechanical assay of tensile strength favored values of high resistence and modulus of eslasticity, but lower deformation. The wet treatment seriously affected the tensile strength and the modulus of elasticity, and thus, recorded very low ciphers during the assay. Biocomposites with a 600 μm particle size had the highest values for the mechanical resistance for the 10 % and 20 % reinforcement mixtures.

Conclusiones Fue posible elaborar los biocompósitos por el método de termo-compresión hasta con 20 % de refuerzo de madera de fresno. La matriz de almidón presentó buena transparencia y permitió observar la distribución homogénea de las partículas

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de madera en ella. Se comprobó que el almidón termoplástico con partículas de madera es inflamable, pero su ignición tiende a auto-extinguirse. La incorporación de madera y el tamaño mayor de partícula (1.4 mm) disminuyeron la combustión. El tratamiento térmico aplicado antes del ensayo mecánico de tracción generó valores altos de resistencia y de módulos de elasticidad, pero menor deformación. El tratamiento húmedo afectó seriamente la resistencia a la tracción y los módulos de elasticidad, además registró valores muy bajos durante el ensayo. Los biocompósitos con tamaño de partícula 600 μm tuvieron los mayores valores de resistencia mecánica para las composiciones de 10 % y 20 % de refuerzo.

The analysis of FTIR proved the chemical compatibility among corn starch, glycerin and ash wood that is attributed to the hydrogen bond associations.. The prepared materials with different amounts of ash particles and with the different particle sizes exhibited similar bands in the spectra. During the plastification process occurs a light thermal degradation that originates the outcome of carbonyl groups (1 715 cm-1). However, this decomposition did not affect the mechanical properties of the materials. The inclusion of wood particles into the thermoplastic matrix diminished moisture absorption. The size of the particle that had a greater effect in the lowering of humidity absorption was 1.4 mm.

El análisis de FTIR comprobó la compatibilidad química entre el almidón de maíz, la glicerina y la madera de fresno que se atribuye a la asociación de puentes de hidrógeno. Los materiales preparados con diferentes cantidades de partículas de fresno y tamaños de partículas mostraron patrones similares de bandas en los espectros. Durante el proceso de plastificación ocurre una ligera degradación térmica que origina la aparición de grupos carbonilos (1 715 cm-1). Sin embargo, esta descomposición no afectó las propiedades mecánicas de los materiales.

Conflict of interests The authors declare no conflict of interests.

Contribution by author Arturo Javier Barrios Guzmán: experimental development; writing and correction of the manuscript; Salvador García Enríquez: review of the results from the experimental work; Ricardo Manríquez González: analysis and review of the results form the experimental work; José de Jesús Rivera Prado: advice and review of the results from the experimental work; writing and correction of the manuscript; and María Guadalupe Lomelí Ramírez: negotiation of materials and financial resources. Experimental design, advice and review of the results from the experimental work; writing and correction of the manuscript.

La incorporación de partículas de madera a la matriz termoplástica disminuyó la absorción de humedad. El tamaño de partícula que tuvo mayor efecto en la disminución de absorción de humedad fue 1.4 mm.

End of the English version

Conflicto de intereses Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Contribución por autor Arturo Javier Barrios Guzmán: desarrollo experimental; redacción, corrección de manuscrito; Salvador García Enríquez: revisión de los resultados del trabajo experimental; Ricardo Manríquez González: análisis y revisión de los resultados del trabajo experimental; José de Jesús Rivera Prado: asesoría y revisión de los resultados del trabajo experimental; redacción y corrección de manuscrito; y María Guadalupe Lomelí Ramírez: gestión de materiales y recursos económicos, diseño experimental, asesoría y revisión de los resultados del trabajo experimental; redacción y corrección de manuscrito.

Referencias American Society for Testing and Materials (ASTM). 2003. ASTM D 635-03. Standard test method for rate of burning and/or extent and time of burning of plastics in a horizontal position. Book of Standards Volume: 08.02. West Conshohocken, PA, USA. 7 p. American Society for Testing and Materials (ASTM). 2010. ASTM D 638-10. Standard test method for tensile properties of plastics. Book of Standards Volume: 08.01. West Conshohocken, PA, USA. 16 p. American Society for Testing and Materials (ASTM). 2012. ASTM E 104-02. Standard practice for maintaining constant relative humidity by means of aqueous solutions. Book of Standards Volume: 11.07. West Conshohocken, PA, USA. 5 p.

Bocz, K., B. Szolnoki, M. W£adyka-Przybylak, K. Bujnowicz, G. Harakály, B. Bodzay, E. Zimonyi, A. Toldy and G. Marosi. 2013. Flame retardancy of biocomposites based on thermoplastic starch. Polimery 58 (5): 385-394. Bodirlau, R., C. A. Teaca and I. Spiridon. 2014. Green composites comprising thermoplastic corn starch and various cellulose-based fillers. BioResources 9(1): 39-53. Canevarolo, S. V. 2006. Ciência dos polímeros. Artliber Editora Ltda. São Paulo, Brasil. 277p. Chapple, S. and R. Anandjiwala. 2010. Flammability of natural fiber-reinforced composites and strategies for fire retardancy: a review. Journal of Thermoplastic Composite Materials 23: 871-893.

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Barrios et al., Comp贸sitos biodegradables elaborados a partir de...

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Artículo / Article

Caracterización química de aceites esenciales y extractos de madera de dos especies de pinos del bosque La Primavera Chemical characterization of essential oils and wood extracts from two pine species of La Primavera forest Rosa María Iñíguez Guillén1, Hilda Catalina Esqueda Reyes1, Teófilo Escoto García1, Héctor Guillermo Ochoa1, Antonio Rodríguez Rivas1 y Héctor Jesús Contreras Quiñones1 Resumen En México los pinos constituyen el grupo de coníferas que sustenta la industria forestal, tanto en su aspecto maderable como no maderable; en este último sobresale el aprovechamiento de la resina. Se llevó a cabo la caracterización química de aceites esenciales y extractos de madera de Pinus devoniana y P. oocarpa, procedentes del bosque La Primavera, en el estado de Jalisco, mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (CG-EM). Los componentes mayoritarios (alfa y beta pinenos, limoneno y longifoleno) estuvieron presentes en todas las fracciones, aunque en proporciones diferentes. Destaca el alto contenido de pinenos en los extractos de madera de las especies estudiadas, aproximadamente 80 %, equivalente a casi 1 % de la madera seca. Asimismo, cada una de las fracciones tiene compuestos que les son propios; en cuanto a P. devoniana, su aceite esencial se caracteriza por el acetato de borneol y metileugenol; su extracto por contener pinocanfona, alfa-terpineno y acrilato de isobornilo. Respecto a P. oocarpa en su aceite esencial se identifica verbenol y algunos de sus derivados, así como (+)-ciclosativeno; su extracto tiene sabineno y anetol. El rendimiento del aceite esencial, con relación a la madera base seca fue de 0.25 % para P. devoniana y 0.32 % en P. oocarpa; los rendimientos de extractos resultaron semejantes en las dos especies, con un promedio de 1.24 %.

Palabras clave: Aceite esencial, caracterización química, cromatografía de gases (CG-EM), extractos, Pinus devoniana Lindl., Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl. Abstract In Mexico, pine trees constitute the group of conifers that sustain the forest industry due to both its timber and non-timber products; outstanding among the latter is the exploitation of resin. The chemical characterization of essential oils and wood extracts from Pinus devoniana and P. oocarpa of the La Primavera forest, in the state of Jalisco, was carried out by gas chromatography and mass spectrometry (GC/MS). The main components (alpha- and beta-pinenes, limonene and longifolene) were present in all the fractions, though in different proportions. The high content of pinenes in the wood extracts of the studied species stands out: approximately 80 %, equivalent to almost 1 % of the dry wood. Furthermore, each of the fractions has its own compounds. P. devoniana’s essential oil is characterized by its content of borneol acetate and methyl eugenol, and its extract can contain pinocamphene, alpha terpinene and isobornyl acrylate. Verbenol and some of its by-products, as well as (+)-cyclosativene are identified in P. oocarpa’s essential oil; its extract contains sabinene and anethole. The output of essential oil in relation to base dry wood was 0.25 % for P. devoniana and 0.32 % for P. oocarpa; the outputs of extracts were similar in both species, with an average of 1.24 %.

Key words: Essential oil, chemical characterization, gas chromatography (GC-MS), extracts, Pinus devoniana Lindl., Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl. Fecha de recepción/ date of receipt: 30 de octubre de 2014; Fecha de aceptación/date of acceptance: 1 de diciembre de 2014. 1 Departamento de Madera, Celulosa y Papel, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías, Universidad de Guadalajara, México.Correo-e: hecont@gmail.com


Iñíguez et al., Caracterización química de aceites esenciales...

Introducción

Introduction

Los pinos, con más de 100 especies todas originarias de los países del Hemisferio Norte (Farjon et al., 1997), están representados en México con alrededor de 70 taxa; dentro de los bosques de coníferas del país son los árboles más abundantes. Comúnmente crecen juntas de tres a cinco especies en un mismo bosque, y 12 estados tienen, al menos, 10 de ellas cada uno (Bermejo y Pontones, 1999); por lo que es el país con mayor diversidad de pinos en el mundo.

Pine trees, with more than 100 species, all of them native to countries in the Northern Hemisphere (Farjon et al., 1997), are represented in Mexico with about 70 taxa; in the country’s conifer forests they are the most abundant trees. Generally, three to five species grow together in the same forest, and 12 states have at least 10 of each (Bermejo and Pontones, 1999), so it is the country with the greatest diversity of pine trees in the world.

En el territorio nacional los pinares constituyen el grupo que sustenta la industria forestal y su madera, con todos los usos que implica, es el producto más importante que se obtiene de los pinos; aunque no es el único (Sánchez, 2008). Los denominados “compuestos extraíbles” conforman parte de lo no maderable de los árboles, y en los pinos se distribuyen en las células del parénquima y en los canales resiníferos (Björklund y Nilvebrant, 2009).

In the national territory, pine groves constitute the group that sustains the forest industry, and wood, with all the uses it entails, is the most important product obtained from pine trees, although not the only one (Sánchez, 2008). The so-called “extractable compounds” make up part of the non-wood products from the trees. In the pine trees, they are distributed in the cells of the parenchyma and in the resin channels (Björklund and Nilvebrant, 2009).

La extracción de la resina de pino se concentra en los estados de Michoacán, Estado de México y Jalisco, en donde es una actividad de gran importancia económica para diversas comunidades, ya que su recolección permite que los comuneros tengan una fuente de ingreso individual, adicional y complementaria a los provenientes del aprovechamiento de la madera, y de las actividades agrícolas y ganaderas (Arias y Chávez, 2006).

Extraction of pine resin is concentrated in the states of Michoacán, Jalisco and the State of Mexico, where this activity bears great economic importance for various communities, since it allows the people to have a source of additional individual income to complement the income from the exploitation of wood and from farming and livestock-related activities (Arias and Chávez, 2006).

La resina de pino es una mezcla compleja de terpenos, lignanas, silbanas, flavonoides y otros compuestos aromáticos, grasas, ceras, ácidos grasos, alcoholes y esteroides, así como hidrocarburos de cadena larga. Los terpenos son compuestos volátiles que forman parte de los aceites esenciales, y son los responsables del olor característico del pino; representan una gran variedad de productos naturales, y se han identificado más de 7 500 estructuras (Fengel y Wegener, 1989). Tienen aplicaciones muy diversas, y gran demanda por parte de la industria química-farmacéutica, cosmética, textil y para la elaboración de artículos de limpieza (Bakkali et al., 2008; Raut y Karuppayil, 2014).

Pine resin is a complex mix of terpenes, lignans, stilbenes, flavonoids and other aromatic compounds, fats, waxes, alcohols, and steroids, as well as long-chain hydrocarbons. Terpenes are volatile compounds that are part of the essential oils; they are responsible for the pine trees’ characteristic smell. They represent a great variety of natural products and more than 7 500 structures have been identified (Fengel and Wegener, 1989). They have very diverse applications and are in high demand by several industries (chemical-pharmaceutical, cosmetic, textile and for the production of cleaning products) (Bakkali et al., 2008; Raut and Karuppayil, 2014). Thus, to carry out a comprehensive exploitation of forest resources it is necessary to have a thorough chemical characterization of the extractable compounds of the various taxa (Kelkar et al., 2006). The present study focuses on pine wood from trees in Western Mexico. It is important to note this, since the content and composition of the extractable compounds vary between the different parts of the tree (xylem, roots, bark, branches and leaves) and between different species; there are even variations in terms of the geographical site and the season of the year (Sjöström, 1993).

Así, para llevar a cabo un aprovechamiento integral de los recursos forestales es necesario contar con una caracterización química detallada de los extraíbles de los diferentes taxa (Kelkar et al., 2006). En el presente estudio el interés está centrado en la madera de pinos del Occidente de México; aclaración importante, pues el contenido y composición de los extraíbles varía entre las diferentes partes del árbol (xilema, raíces, corteza, ramas y hojas), especie, e incluso hay variaciones en función del sitio geográfico y la estación del año (Sjöström, 1993).

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Materiales y Métodos

Materials and Methods

Se cortaron dos troncos de Pinus devoniana Lindl. y dos de P. oocarpa Schiede ex Schltdl. procedentes del Bosque Escuela de la Universidad de Guadalajara, ubicado en el bosque de La Primavera, municipio Tala, Jalisco, México (20°34’57.66” N y 103°37’57.63” O), en un intervalo altitudinal de 1 380 a 1 580 m. Los pinos se seleccionaron sin plagas o algún daño físico, a partir del aclareo que necesitaba la zona. Los árboles tenían una edad aproximada de 18 años.

Two Pinus devoniana Lindl. and two P. oocarpa Schiede ex Schltdl. stems were cut. They came from the School Forest (Bosque Escuela) of the Universidad de Guadalajara, located in the La Primavera forest, in the municipality of Tala, Jalisco, México (20°34’57.66” N and 103°37’57.63” W), in an altitudinal interval between 1 380 and 1 580 m. The pines selected were aged 18 years and they were free of pests or any physical damage; they cutting was based on the thinning required in the area.

Los troncos se descortezaron con machete. Se tomaron diferentes muestras a todo lo largo, las cuales incluyeron albura y duramen (para garantizar la representatividad de los resultados) y enseguida se astillaron en un equipo Bruks Mekanika AB tipo 980 AH. El material obtenido se tamizó en un tamiz OY Lorentzen Wettre AB tipo FI 117, y se eligió el que quedó entre las mallas 3 y 4, del que se tomaron muestras para la determinación del contenido de humedad.

The bark was stripped from the stems with a machete. Different samples were taken longitudinally, including sapwood and heartwood, to ensure the representativeness of the results; immediately afterwards they were chipped in a Bruks Mekanika AB typo 980 AH equipment. The material obtained was sieved in an OY Lorentzen Wettre AB FI 117 type sieve. Samples were taken from the material that remained between meshes 3 and 4 in order to determine the moisture content.

Se obtuvieron por duplicado los aceites esenciales de P. devoniana y P. oocarpa, mediante destilación de astillas de madera por arrastre de vapor en agua destilada, técnica usada para separar sustancias orgánicas insolubles en agua y ligeramente volátiles, de otras no volátiles presentes en la muestra (Graikou et al., 2012). Se usaron 1 000 g de astillas de madera, base húmeda, en un reactor conectado a un condensador recto con trampa de vapor; se dejó en ebullición alrededor de 4 a 5 horas. El aceite esencial obtenido se cuantificó y determinó el rendimiento, a partir de la relación entre la cantidad de aceite esencial con el material tratado, base seca. Este aceite se analizó directamente para determinar su composición química.

P. devoniana and P. oocarpa’s essential oils were obtained in duplicate by subjecting the wood chips to steam distillation in distilled water; this technique is used to separate slightly volatile organic substances that are not soluble in water from other non-volatile substances present in the sample (Graikou et al., 2012). One thousand (1 000) g of wood chips, wet basis, were used in a reactor connected to a straight condenser with a steam trap; it was left to boil for 4 to 5 hours. The essential oil obtained was quantified and its output determined, according to the relation between the amount of essential oil and the material treated, dry base. This oil was analyzed directly to determine its chemical composition.

La obtención de extractos se llevó a cabo también por duplicado, mediante una extracción con solvente orgánico (éter etílico) (Holmbom, 1999); se utilizaron 500 g de astillas base húmeda, en un reactor de vidrio de boca ancha con tapa de vidrio de cuatro entradas, conectado a un condensador recto y trampa de vapor. El solvente inundó completamente las astillas, y se llevó el sistema a ebullición con una mantilla de calefacción con regulador; esta condición y reflujo se mantuvo por 5 horas. La mezcla extracto-solvente orgánico se separó con un Rotavapor RE120.

The extracts was also obtained in duplicate, using an organic solvent (ethylic ether) (Holmbom, 1999); 500 g of wet basis chips were used in a large mouth glass reactor with a 4-inlet glass lid connected to a straight condenser with a steam trap. The chips were thoroughly drenched in the solvent, and the system was brought to boil in a heating blanket with a regulator; this condition and reflux were maintained during 5 hours. The extract-organic solvent mix was separated with a Rotavapor RE120. Determination of the chemical composition of the fractions was carried out by means of gas chromatography and mass spectrometry (GC/MS), in a 320 model GC/MS/MS Varian equipment from the Universidad de Santiago de Compostela in Spain. A 30 m long DB‐WAX column with a 0.25 mm internal diameter and a 0.25-mm-thick film was used. Due to the presence of volatile compounds in the analyzed samples, the Headspace injection mode was used, with a temperature of 80 °C and an incubation time of 30 min. The operating conditions were the following: temperature of the syringe, 80 °C; electronic impact in complete scanning mode, 40 to 350 uma; electron energy, 70 eV;

La determinación de la composición química de las fracciones se hizo mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC-MS), en un equipo Varian modelo 320 GC/MS/MS, de la Universidad de Santiago de Compostela, España; se empleó una columna DB-WAX de 30 m de longitud, 0.25 mm de diámetro interno y 0.25 mm de espesor de película. Debido a la presencia de compuestos de tipo volátil en las muestras analizadas, se trabajó con el modo de inyección Headspace, con una temperatura y tiempo de incubación de 80 °C y 30 min, respectivamente.

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Iñíguez et al., Caracterización química de aceites esenciales...

Las condiciones de operación del equipo fueron las siguientes: temperatura de la jeringa, 80 °C; impacto electrónico en modo de barrido completo, 40 a 350 uma; energía de electrones, 70 eV; presión de la fuente de iones, 12 mtorr; temperatura de la fuente de iones, 250 °C; temperatura de la línea de transferencia, 280 °C; gas de arrastre helio, flujo: 1 mL min-1, split 1:50.

ion source pressure, 12 mTorr; temperature of the ion source, 250 °C; temperature of the transference line, 280 °C; helium carrier gas, flow: 1 mL min-1, split 1:50. The equipment’s software shows the mass spectrum of each compound; it also indicates the retention time and the three best correlations with the spectra stored in the database of the analysis system. These databases are Wiley Registry of Mass Spectral Data, 9th Edition (McLafferty, 2009) and a collection of aromas from the Universidad de Santiago de Compostela in Spain. The three best correlations concerning the identity of the compound are suggested. They are not assignations, so they have to be checked very carefully; that is why the mass spectra were also cross checked with the digitalized spectrum database The Mass Spectral Search Program, version 2.0f (NIST, 2009), widely renowned and used for this type of activities.

Los programas computacionales del equipo muestran los espectros de masas de cada compuesto, e indican su tiempo de retención, y las mejores tres correlaciones con los espectros almacenados en la base de datos del sistema de análisis. Estas bases de datos son Wiley Registry of Mass Spectral Data 9th Edition (McLafferty, 2009) y una colección de Aromas de la Universidad de Santiago de Compostela, España. Las tres mejores correlaciones son propuestas sobre la identidad del compuesto, no son asignaciones, por lo que deben revisarse cuidadosamente; para ello se cotejaron, además, los espectros de masas con la espectróteca computarizada The Mass Spectral Search Program, versión 2.0f (NIST, 2009), reconocida y muy utilizada para esas actividades.

Results and Discussion There was a 0.25 % output, with respect to the dry base. This figure corresponds to the normal intervals for this type of materials (Callaham, 1956; Judžentienė et al., 2006).

Resultados y Discusión

In relation to this, the essential oils of cones corresponding to five species of pine trees had the following outputs: 0.13 % (Pinus sylvestris L.) to 0.48 % (P. brutia Ten.), and all three recorded outputs that were similar to the ones obtained here: 0.19 % for P. pinea L., 0.20 % for P. halepensis Mill. and 0.30 % for P. nigra J. F. Arnold (Tumen et al., 2010).

Se tuvo un rendimiento de 0.25 %, respecto al material base seca; valor que se considera dentro de los intervalos normales para este tipo de materiales (Callaham, 1956; Judžentienė et al., 2006). Al respecto, los aceites esenciales de conos correspondientes a cinco especies de pino tuvieron rendimientos de 0.13 % (Pinus sylvestris L.) a 0.48 % (P. brutia Ten.); y tres registraron rendimientos semejantes a los aquí obtenidos, 0.19 % para P. pinea L., 0.20 % en P. halepensis Mill. y 0.30 % de P. nigra J. F. Arnold (Tumen et al., 2010).

Figure 1 shows the chromatogram of Pinus devoniana essential oil, at a time interval between 0.13 to 61.07 minutes. There is a wide variety of peaks. The ones that stand out correspond to minutes 4.130 and 6.148. The first one is an alpha-pinene, one of the main components of the extractable compounds from pine trees (Fengel and Wegener, 1989). Table 1 shows the compounds identified in this fraction, ordered according to their abundance and with their CAS identification number, since each of them can have up to 10 synonyms.

En la Figura 1 se muestra el cromatograma del aceite esencial de Pinus devoniana, a un intervalo de tiempo de 0.13 a 61.07 minutos. Se tiene una gran variedad de picos; sobresalen los de 4.130 y 6.148 minutos; el primero corresponde alfa-pineno, uno de los principales componentes de los extraíbles de pino (Fengel y Wegener, 1989). En el Cuadro 1 se consignan los compuestos identificados en esta fracción, ordenados por abundancia y con su número de identificación CAS, pues cada uno de ellos puede tener hasta 10 sinónimos.

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Figura 1.Cromatograma de aceite esencial de madera de Pinus devoniana Lindl., intervalo total de 0 a 62 min. Figure 1.Chromatogram of Pinus devoniana Lindl. wood essential oil, total interval – 0 to 62 min. Cuadro 1. Compuestos presentes en el aceite esencial de madera de Pinus devoniana Lindl. Table 1. Compounds present in the Pinus devoniana Lindl. wood essential oil.

Número

Nombre

CAS

Fórmula

% en aceite

1

alfa-Pineno

80-56-8

C10H16

43.022

2

beta-Pineno

127-91-3

C10H16

35.515

3

Limoneno

138-86-3

C10H16

3.908

4

Estragol

140-67-0

C10H12O

2.758

5

Longifoleno

475-20-7

C15H24

2.696

6

Mirceno

123-35-3

C10H16

2.124

7

L-alfa-Terpineol

10482-56-1

C10H18O

1.813

8

Canfeno

79-92-5

C10H16

1.643

9

4-Terpineol

562-74-3

C10H18O

0.731

10

beta-Felandreno

555-10-2

C10H16

0.505

11

o-Cimeno

527-84-4

C10H14

0.488 continúa Cuadro 1...

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Iñíguez et al., Caracterización química de aceites esenciales...

Continuación Cuadro 1...

Número

Nombre

CAS

Fórmula

% en aceite

12

Tricicleno

508-32-7

C10H16

0.365

13

D-Canfeno

5794-03-6

C10H16

0.333

14

L-Pinocarveol

547-61-5

C10H16O

0.261

15

L-Fenchona

7787-20-4

C10H16O

0.177

16

alfa-Longipineno

5989-08-2

C15H24

0.165

17

(-)-Alcanfor

464-48-2

C10H16O

0.155

18

exo-Fenchol

22627-95-8

C10H18O

0.154

19

Longicicleno

1137-12-8

C15H24

0.151

20

Acetato de fenchilo

13851-11-1

C12H20O2

0.129

21

Deshidrosabineno

36262-09-6

C10H14

0.120

22

Mirtenal

564-94-3

C10H14O

0.108

23

Deshidro-p-cimeno

1195-32-0

C10H12

0.105

24

p-Cimen-8-ol

1197-01-9

C10H14O

0.104

25

Acetato de borneol

92618-89-8

C12H20O2

0.086

26

3-Metilcanfenilanol

465-31-6

C10H18O

0.083

27

(+)-Sativen

3650-28-0

C15H24

0.069

28

Terpinoleno

586-62-9

C10H16

0.061

29

alfa-Felandren-8-ol

1686-20-0

C10H16O

0.039

30

Ciclosativeno

22469-52-9

C15H24

0.038

31

cis-3-Pinanona

15358-88-0

C10H16O

0.034

32

3-(4-metil-3-pentenil)-furano

539-52-6

C10H14O

0.031

33

Hidrato de alfa-Fencheno

514-02-3

C10H18O

0.024

34

L-Verbenona

1196-01-6

C10H14O

0.024

35

alfa-Tujeno

2867-05-2

C10H16

0.022

36

1,8-Cineol

470-82-6

C10H18O

0.019

37

Metileugenol

93-15-2

C11H14O2

0.019

38

Bornileno

464-17-5

C10H16

0.018

39

beta-Farneseno

18794-84-8

C15H24

0.010

CAS = Identificación numérica única para compuestos químicos, Chemical Abstracts Services. CAS = Unique numerical identification for chemical compounds, Chemical Abstracts Services.

The main component is alpha-pinene: almost 43 % of the essential oil; an important content of beta-pinene was also identified, but not as significant as that of alpha-pinene (Adams, 2007). These two pinene isomers make up almost 80 % of the pine tree essential oil. In regions dominated by conifers, monoterpenes constitute the main component of the emission of volatile biogenetic organic

El componente mayoritario es el alfa-pineno, con casi 43 % del aceite esencial, además se identificó el beta-pineno, con un contenido importante, pero menor al alfa-pineno (Adams, 2007). Estos dos isómeros del pineno conforman casi 80 % del aceite esencial de pino. En las regiones dominadas por coníferas, los monoterpenos son el compuesto mayoritario en la

47


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 42-57

emisión de los compuestos orgánicos volátiles biogenéticos, Y son los responsables de aproximadamente 10 % de la emisión de los monoterpenos a nivel mundial (Amin et al., 2013). Otros pinos, cuyo componente principal es el alfa-pineno son P. nigra (45.36 %), y P. halepensis (47.09 %) 2010), valores muy parecidos al obtenido para P. devoniana.

compounds, and they are responsible of approximately 10 % of the emission of monoterpenes worldwide (Amin et al., 2013). Other pine species whose main component is alpha-pinene include P. nigra (45.36 %) and P. halepensis (47.09 %) 2010), with very similar values to those obtained for P. devoniana. Other predominant compounds include: limonene, estragole, longifolene, myrcene, L-alpha-terpineol, camphene and 4-terpineol, which are representative compounds of pine-tree extractable products, although in lower amounts. (Ro, 2011). The third compound is limonene (83.908 %), which is characteristic of Mexican pine trees (Mirov, 1954). The presence of 3-(4-methyl-3-pentenyl)-furane is worth noting: it appears to be the product of the reaction between some of the essential oil components and the solvent. A compound that appears only in the P. devoniana essential oil is borneol acetate (compound number 25 in Table 1). Pinus peuce Griseb. has a similar compound, in which bornyl acetate has been identified (Koukos et al., 2000).

También destacan limoneno, estragol, longifoleno, mirceno, L-alfa-terpineol, canfeno y 4-terpineol, compuestos representativos de los extraíbles de pino aunque en menores cantidades (Ro, 2011). El tercer compuesto más abundante es el limoneno, con 3.908 %, característico de los pinos mexicanos (Mirov, 1954); llama la atención la presencia de 3-(4-metil-3-pentenil)-furano, que parece ser producto de la reacción de algunos de los componentes del aceite esencial con el solvente. Un compuesto que solo aparece en el aceite esencial de P. devoniana, es el acetato de borneol (compuesto número 25 en el Cuadro 1); Pinus peuce Griseb. posee un compuesto semejante, en el que se ha identificado acetato de bornilo (Koukos et al., 2000).

Caracterización del extracto de madera de Pinus devoniana

Characterization of Pinus devoniana wood extract In Figure 2, the peaks that correspond to minutes 1.473 and 4.099 are the most prominent.

En la Figura 2 sobresalen los picos que corresponden a 1.473 y 4.099 minutos.

Table 2 shows the compounds identified in the Pinus devoniana wood extract, ordered according to their abundance and with their CAS identification number. The highest peak, at minute 1.473, corresponded to ethylic ether, residual solvent from the extraction process, with a content of 59.942 %. The figures in Table 2 are corrected to show the percentage of compounds in the extract, without solvent.

En el Cuadro 2 se anotan los compuestos identificados en el extracto de madera de P. devoniana, ordenados por abundancia y número de identificación CAS. El pico más alto, a 1.473 minutos fue de éter etílico, solvente residual del proceso de extracción, con un contenido de 59.942 %. Los valores del Cuadro 2 están corregidos para dar el porcentaje de compuestos en el extracto sin solvente.

Figura 2. Cromatograma de extracto de madera de Pinus devoniana Lindl., intervalo total de 0 a 62 min. Figure 2. Chromatogram of Pinus devoniana Lindl. wood extract, total interval 0 to 62 min. 48


Iñíguez et al., Caracterización química de aceites esenciales...

Cuadro 2. Compuestos presentes en el extracto de madera de Pinus devoniana Lindl. Table 2. Compounds present in the Pinus devoniana Lindl. wood extract. Número

Nombre

CAS

Fórmula

% en extracto

1

alfa-Pineno

80-56-8

C10H16

59.731

2

beta-Pineno

127-91-3

C10H16

22.917

3

Limoneno

138-86-3

C10H16

2.693

4

Canfeno

79-92-5

C10H16

2.149

5

Mirceno

123-35-3

C10H16

1.612

6

Longifoleno

475-20-7

C15H24

1.431

7

D-Canfeno

5794-03-6

C10H16

0.590

8

Tricicleno

508-32-7

C10H16

0.577

9

Terpinoleno

586-62-9

C10H16

0.506

10

beta-Felandreno

555-10-2

C10H16

0.368

11

4-Terpineol

562-74-3

C10H18O

0.309

12

L-alfa-Terpineol

10482-56-1

C10H18O

0.253

13

(-)-Alcanfor

464-48-2

C10H16O

0.220

14

o-Cimeno

527-84-4

C10H14

0.204

15

L-Fenchona

7787-20-4

C10H16O

0.179

16

alfa-Longipineno

5989-08-2

C15H24

0.120

17

Longicicleno

1137-12-8

C15H24

0.089

18

Pinocanfona

547-60-4

C10H16O

0.077

19

Deshidrosabineno

36262-09-6

C10H14

0.074

20

Estragol

140-67-0

C10H12O

0.074

21

alfa-Terpineno

99-86-5

C10H16

0.069

22

gamma-Terpineno

99-85-4

C10H16

0.059

23

alfa-Felandreno

99-83-2

C10H16

0.046

24

cis-3-Pinanona

15358-88-0

C10H16O

0.043

25

Bornileno

464-17-5

C10H16

0.041

26

(+)-Sativen

3650-28-0

C15H24

0.041

27

Metilcanfenilanol

465-31-6

C10H18O

0.041

28

2,6-di-terc-butil-p-Cresol

128-37-0

C15H24O

0.041

29

alfa-Tujeno

2867-05-2

C10H16

0.031

30

Acrilato de isobornilo

5888-33-5

C13H20O2

0.031

31

Acetato de fenchilo

13851-11-1

C12H20O2

0.028

32

Frontalina

28401-39-0

C8H14O2

0.026

CAS = Identificación numérica única para compuestos químicos, Chemical Abstracts Services. CAS = Unique numerical identification for chemical compounds, Chemical Abstracts Services.

49


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 42-57

El contenido de alfa y beta pinenos es alto, lo que hace a la madera del P. devoniana una buena fuente de estos compuestos, juntos y por sí solos representan alrededor de 82 % con un rendimiento de 1.27 %; es decir, casi 1 % de la madera seca. En cuanto al rendimiento de extraíbles en solvente orgánico, en los pinos es muy variable; Fengel y Wegener (1989) indican que se pueden tener valores de 0.5 hasta 10 % en extracciones con etanol-benceno, según la especie. Backlund et al. (2014) obtuvieron rendimientos de extractos 0.5 a 3.5 %, en Pinus contorta Douglas, en una plantación, con hexano como solvente. El valor aquí documentado está dentro de lo normal para extraíbles de pino.

The content of alpha and beta pinenes is high, which renders P. devoniana a good source of these compounds; together and by themselves the represent about 82 % of the content with an output of 1.27 %, i.e., almost 1 % of the dry wood. As for the output of extractable compounds in an organic solvent, it is very variable in pine trees. Fengel and Wegener (1989) note that one might come across figures between 0.5 % and 10 % in extractions with ethanol-benzene, according to the species. Backlund et al. (2014) got an output of extractable compounds between 0.5 % and 3.5 % in a plantation of Pinus contorta Douglas, using hexane as solvent. The value documented here is within the normal range for pine tree extractable compounds.

Respecto a los otros compuestos, sobresalen el limoneno, canfeno, mirceno y longifoleno, sustancias también presentes en el aceite esencial. En contraste, hay tres compuestos del extracto de madera que no se identificaron en el aceite esencial: bornileno, alfa-felandreno, alfa y gama terpinenos; los cuales constituyen alrededor de 0.2 % del extracto, los que se han citado para otras especies. Latta et al. (2000) indican que además del alfa y beta pinenos, el limoneno y mirceno son los más abundantes en Pinus ponderosa Douglas ex C.Lawson; además hay cantidades detectables de canfeno, gama terpineno y beta-felandreno.

Other predominant compounds, including limonene, camphene, myrcene and longifolene, are also present in the essential oil. In contrast, there are compounds from the wood extract that were not identified in the essential oil: bornilene, alfaphellandrene, alpha and gamma terpinenes; these constitute about 0.2 % of the extract and they have been noted in other species. Latta et al. (2000) point out that besides alpha and beta pinenes, limonene and myrcene are the most abundant compounds in Pinus ponderosa Douglas ex C. Lawson; there are also detectable amounts of camphene, gamma terpinene and beta-phellandrene.

Es importante enfatizar que los compuestos comunes en las diferentes fracciones, así como los que son únicos, y la presencia de ciertas sustancias, o incluso de sus isómeros indican el tipo de pino, y si está siendo atacado por insectos (Seybold et al., 2006), hongos (Krauze-Baranowska et al., 2002; Amri et al., 2012), o bien se trata de una respuesta a la contaminación ambiental (Shpak et al., 2007; Kupcinskiene et al., 2008).

It is worth noting that the common compounds in the different fractions, as well as the ones that are unique, and the presence of certain substances, or even of their isomers, point to the type of pine tree and indicate whether it is being attacked by insects (Seybold et al., 2006) or fungi (Krauze-Baranowska et al., 2002; Amri et al., 2012), or whether it’s a response to environmental pollution (Shpak et al., 2007; Kupcinskiene et al., 2008).

Caracterización del aceite esencial de madera de Pinus oocarpa

Characterization of Pinus oocarpa wood essential oil

En la Figura 3 se observa una gran variedad de picos, sobresalen los de 4.130 y 6.148 minutos. Los más prominentes corresponden a tiempos de retención de 4.232 y 4.229 minutos. Al igual que en el aceite esencial de P. devoniana pertenece al alfa-pineno, componente mayoritario del aceite esencial, con 72.85 % (Cuadro 3). Es el más alto de las tres muestras estudiadas; en los casos anteriores la mezcla de alfa y beta pineno era alrededor de 80 %, mientras que en P. oocarpa es superior a 70 %. Resultado interesante, si se considera que los terpenoides no solo son los compuestos que dan el olor característico a los pinos, sino que también tienen propiedades biológicas (Raut y Karuppayil, 2014).

Figure 3 shows a wide variety of peaks, among which the ones corresponding to minutes 4.130 and 6.148 stand out. The most prominent ones correspond to retention times of 4.232 and 4.229 minutes. As in the case of the P. devoniana essential oil, alpha-pinene is the main component of Pinus oocarpa essential oil, 72.85 % (Table 3). It is the highest figure in the three samples studied. In the previous cases, the mix of alpha and beta pinenes corresponded to about 80 %, while in P. oocarpa it is above 70 %. This is an interesting result, if its is considered that terpenoids are not only the compounds that give pine trees their characteristic smell, but they also display other biological properties (Raut and Karuppayil, 2014).

50


Iñíguez et al., Caracterización química de aceites esenciales...

Figura 3. Cromatograma de aceite esencial de madera de Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl., intervalo total de 0 a 62 min. Figure 3. Chromatogram of Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl wood essential oil, total interval 0 to 62 min. Cuadro 3. Compuestos presentes en el aceite esencial de madera de Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl. Table 3. Compounds present in the Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl wood essential oil.

Número

Nombre

CAS

Fórmula

% en aceite

1

alfa-Pineno

80-56-8

C10H16

72.849

2

L-Limoneno

5989-54-8

C10H16

7.394

3

beta-Pineno

127-91-3

C10H16

4.821

4

Longifoleno

475-20-7

C15H24

4.428

5

Estragol

140-67-0

C10H12O

1.854

6

Canfeno

79-92-5

C10H16

1.673

7

Mirceno

123-35-3

C10H16

1.134

8

Tricicleno

508-32-7

C10H16

0.856

9

Longicicleno

1137-12-8

C15H24

0.463

10

Deshidrosabineno

36262-09-6

C10H14

0.440

11

alfa-Longipineno

5989-08-2

C15H24

0.363

12

L-Verbenona

1196-01-6

C10H14O

0.307 continúa Cuadro 3...

51


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 42-57

Continuación Cuadro 3...

Número

Nombre

CAS

Fórmula

% en aceite

13

Verbenol

473-67-6

C10H16O

0.269

14

o-Cimeno

527-84-4

C10H14

0.225

15

L-Pinocarveol

547-61-5

C10H16O

0.183

16

p-Cimen-8-ol

1197-01-9

C10H14O

0.163

17

(+)-Sativen

3650-28-0

C15H24

0.161

18

L-alfa-Terpineol

10482-56-1

C10H18O

0.146

19

Mirtenal

564-94-3

C10H14O

0.103

20

(+)-Ciclosativeno

22469-52-9

C15H24

0.100

21

alfa-Felandren-8-ol

1686-20-0

C10H16O

0.064

22

Deshidro-p-cimeno

1195-32-0

C10H12

0.048

23

D-Canfeno

5794-03-6

C10H16

0.044

24

Carvona

99-49-0

C10H14O

0.040

25

(-)-Alcanfor

464-48-2

C10H16O

0.037

26

4-Terpineol

562-74-3

C10H18O

0.032

27

3-(4-metil-3-pentenil)-furano

539-52-6

C10H14O

0.025

28

cis-3-Pinanona

15358-88-0

C10H16O

0.025

29

trans-acetato de Verbenilo

33522-69-9

C12H18O2

0.024

30

beta-Felandreno

555-10-2

C10H16

0.021

31

1,8-Cineol

470-82-6

C10H18O

0.018

32

beta-Farneseno

18794-84-8

C15H24

0.018

33

Ilangeno

14912-44-8

C15H24

0.017

34

L-Fenchona

7787-20-4

C10H16O

0.012

35

3-Metilcanfenilanol

465-31-6

C10H18O

0.011

36

2-metoxi-p-Cimeno

6379-73-3

C11H16O

0.009

CAS = Identificación numérica única para compuestos químicos, Chemical Abstracts Services. CAS = Unique numerical identification for chemical compounds, Chemical Abstracts Services.

En dos aspectos se tuvo un comportamiento diferente a P. devoniana. En primer lugar, un rendimiento ligeramente mayor de 0.32 % con respecto al peso de las astil as base seca, que sigue estando en concordancia por lo señalado en la literatura; Krauze-Baranowska et al. (2002) obtuvieron valores de 0.3 % para Pinus ponderosa, y 0.4 % en P. strobus. En segundo lugar, aunque el alfa-pineno es el componente mayoritario, el segundo es el L-limoneno, con 7.4 %; evidentemente, si se desea la obtención de limoneno para aplicaciones industriales, P. oocarpa será una mejor elección.

Two aspects displayed a behavior different from that of P. devoniana. In the first place, there was an output slightly above 0.32 % with respect to the weight of the dry-base chips, which is still in accordance with what has been reported in the literature. Krauze-Baranowska et al. (2002) obtained values of 0.3 % for Pinus ponderosa and of 0.4 % for P. strobus. In the second place, even though alpha-pinene is the main component, the second one is L-limonene, 7.4 %; therefore, it is evident that if limonene is extracted for industrial applications, P. oocarpa will be a better choice.

52


Iñíguez et al., Caracterización química de aceites esenciales...

Se identificaron concentraciones importantes de longifoleno, estragol, canfeno, mirceno, tricicleno, longicicleno y deshidrosabineno; es decir, contiene casi todos los compuestos del aceite esencial de P. devoniana, aunque en proporciones diferentes, y una sustancia única, el deshidro-p-cimeno.

Important concentrations of the following compounds were also found: longifolene, estragole, camphene, myrcene, tricyclene, longiciclene and dehydro-sabinene. In other words, P. oocarpa contains almost all the compounds present in P. devoniana essential oil, although in different proportions, as well as a unique substance: dehydro-p-cimene.

Caracterización del extracto de madera de Pinus oocarpa

Characterization of Pinus oocarpa wood extract

En la Figura 4 se observa una gran variedad de picos, resalta el de 1.480 minutos que corresponde al solvente utilizado en la extracción, éter etílico, del que se tiene una gran cantidad, 65 %. Como en P. devoniana, del total del extracto obtenido se consideró que 65 % era solvente, con lo que el rendimiento corregido fue de 1.21 %, muy parecido al extracto de madera de P. devoniana. Las concentraciones anotadas en el Cuadro 4 también se corrigieron para expresar la concentración de los compuestos en porcentaje con respecto a la madera seca.

Figure 4 shows a great variety of peaks; the one at minute 1.480 stands out and corresponds to the solvent used in the extraction –ethylic ether–, which was very abundant (65 %). As in the case of P. devoniana, it was considered that out of the total of extract obtained, 65 % was solvent, and so the corrected output was 1.21 %, which is very similar to that of the P. devoniana wood extract. The concentrations noted in Table 4 were also corrected to express the concentration of the compounds in percentages with respect to the dry wood.

Figura 4. Cromatograma de extracto de madera de Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl., intervalo total de 0 a 62 min. Figure 4. Chromatogram Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl wood extract, total interval 0 to 62 min.

53


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 42-57

Cuadro 4. Compuestos presentes en el extracto de madera de Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl. Table 4. Compounds present in the Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl wood extract. Número

Nombre

CAS

Fórmula

% en extracto

1

alfa-Pineno

80-56-8

C10H16

64.529

2

beta-Pineno

127-91-3

C10H16

16.541

3

o-Cimeno

527-84-4

C10H14

2.922

4

Longifoleno

475-20-7

C15H24

2.350

5

L-Limoneno

5989-54-8

C10H16

2.227

6

Mirceno

123-35-3

C10H16

1.010

7

Terpinoleno

586-62-9

C10H16

0.699

8

alfa-Tujeno

2867-05-2

C10H16

0.495

9

Sabineno

3387-41-5

C10H16

0.491

10

Canfeno

79-92-5

C10H16

0.445

11

cis-Óxido de limoneno

4680-24-4

C10H16O

0.280

12

beta-Felandreno

555-10-2

C10H16

0.265

13

Longicicleno

1137-12-8

C15H24

0.253

14

Tricicleno

508-32-7

C10H16

0.242

15

alfa-Longipineno

5989-08-2

C15H24

0.242

16

p-Cimen-8-ol

1197-01-9

C10H14O

0.230

17

alfa-Felandren-8-ol

1686-20-0

C10H16O

0.165

18

D-Canfeno

5794-03-6

C10H16

0.161

19

gamma-Terpineno

99-85-4

C10H16

0.142

20

(+)-Sativen

3650-28-0

C15H24

0.100

21

Anetol

104-46-1

C10H12O

0.081

22

Caproaldehído

66-25-1

C6H12O

0.065

23

Verbeneno

4080-46-0

C10H14

0.065

24

Ciclosativeno

22469-52-9

C15H24

0.065

CAS = Identificación numérica única para compuestos químicos, Chemical Abstracts Services. CAS = Unique numerical identification for chemical compounds, Chemical Abstracts Services.

El compuesto con mayor cantidad fue el alfa-pineno (64.5 %). Le sigue el beta-pineno, ambas sustancias representan 81 % del extracto de madera, con un rendimiento, de casi 1% de la madera, base seca. Es un buen contenido, por lo que esta especie es una buena fuente de esos terpenos.

The most abundant compound was alpha-pinene (64.5 %), followed by beta-pinene; both substances account for 81 % of the wood extract, with an output of almost 1 % of the dry-base wood. Such high contents render Pinus oocarpa a good source of these monoterpenes.

Los otros componentes mayoritarios del extracto de madera de P. oocarpa son el o-cimeno, longifoleno, L-limoneno, mircenol, terpinoleno, alfa-tujeno, sabineno y canfeno. El extracto tuvo la naturaleza química que se esperaba, y los compuestos no identificados en el aceite esencial fueron

The other main components of the Pinus oocarpa wood extract include: ocimene, longifolene, L-limonene, myrcenol, terpinolene, alpha-thujene, sabinene and camphene. The extract displayed the chemical nature expected, and the unidentified compounds in the essential oil were anethole, a by-product of limonene; cis-Limonene oxide; sabinene, and verbenene. 54


Iñíguez et al., Caracterización química de aceites esenciales...

anetol, un derivado del limoneno; el cis-óxido de limoneno; sabineno y verbeneno.

Compared to the P. devoniana extract, its content amounted to almost 5 % more alpha-pinene, a minor difference in terms of these pine trees’ essential oils. Some of their differences are subtle, like an isomeric form of a compound. For example, the P. devoniana extract contains alpha-phellandrene, while the P. oocarpa extract contains alpha-phellandren-8-ol.

En comparación con el extracto de P. devoniana, su contenido fue casi 5 % más de alfa-pineno, diferencia menor en comparación con los aceites esenciales de estos pinos. Algunas de sus diferencias son sutiles, con alguna forma isomérica de compuestos; por ejemplo, el extracto de P. devoniana tiene alfa-felandreno, mientras que el de P. oocarpa alfa-felandren-8-ol.

Comparison of the P. devoniana and P. oocarpa essential oils and extracts

Comparación de los aceites esenciales y extractos de P. devoniana y P. oocarpa

Although their essential oils and extracts show common components, the proportions of these substances tend to be different, as expected since they are different species. Both are considered good sources of alpha- and beta- pinenes, even though P. oocarpa has more, making it the best choice. Although essential oils and extracts are found in low concentrations in pine wood, they are highly valued products. For example, alpha-pinene, present in all the fractions studied, is mainly used as a raw material for the production of chemical reagents and resins, as well as fragrances and flavoring food additives (Björklund and Nilvebrant, 2009).

No obstante que sus aceites esenciales y extractos muestran componentes comunes, las proporciones entre ellos suelen ser diferentes, como era de esperarse por ser especies diferentes. Las dos se consideran buenas fuentes de alfa y beta pinenos, aunque P. oocarpa tiene más, por lo que debe ser la mejor opción. A pesar de que las concentraciones de los aceites esenciales y extraíbles fueron pequeñas en la madera de pino, constituyen sustancias de alto valor; por ejemplo, el alfa-pineno, presente en todas las fracciones estudiadas, se usa principalmente como materia prima para la manufactura de reactivos químicos y resinas, así como fragancias y saborizantes (Björklund y Nilvebrant, 2009).

Besides the omnipresent alpha- and beta-pinenes, there are seven compounds present in all the samples, most of them in very high concentrations: limonene, ocimene, camphene, myrcene, alpha-longipinene, longifolene and beta-phellandrene. Among these, limonene has become quite important in recent years, due to its demand as a biodegradable industrial solvent. It also has applications as an aromatic component and is widely used to synthetize new compounds (Kerton and Marriott, 2009).

Además de los omnipresentes alfa y beta pineno hay siete compuestos en todas las muestras, la mayoría en las concentraciones más altas: limoneno, o-cimeno, canfeno, mirceno, alfa-longipineno, longifoleno y beta-felandreno. Entre ellos, el limoneno ha adquirido una singular importancia en años recientes, debido a su demanda como disolvente biodegradable e industrial. También tiene aplicaciones como componente aromático y es ampliamente usado para sintetizar nuevos compuestos (Kerton y Marriott, 2009).

On the other hand, certain compounds were identified only in one of the studied fractions. In the case of P. devoniana, its essential oil is characterized by the presence of borneol acetate and methyl-eugenol, and its extract is characterized by the presence of pinocamphene, alpha-terpinene and isobornil acrylate. P. oocarpa’s essential oil contains verbenol and some of its by-products, as well as (+)-cyclosativene; its extract has sabinene and anethole.

Por otro lado, hay compuestos que solo se identificaron en una de las fracciones estudiadas. En cuanto a P. devoniana, su aceite esencial se caracteriza por la presencia de acetato de borneol y metil-eugenol; su extracto por contener pinocanfona, alfa-terpineno y acrilato de isobornilo. Respecto a P. oocarpa su aceite esencial contiene verbenol y algunos de sus derivados, así como (+)-ciclosativeno; y su extracto sabineno y anetol.

The main component found in the pine tree species studied is alpha-pinene, whereas in other species, such as Pinus brutia Ten., it is beta-pinene; in P. pinea and Pinus heldreichii Christ, it is limonene (Tumen et al., 2010; Graikou et al., 2012).

En las especies de pinos estudiadas el componente mayoritario es el alfa-pineno, mientras que en otras especies, como Pinus brutia Ten. es el beta-pineno; en P. pinea y en Pinus heldreichii Christ es el limoneno (Tumen et al., 2010; Graikou et al., 2012).

Conclusions The characterization of Pinus devoniana and P. oocarpa essential oils and extracts provides a chemical profile that allows to distinguish between both species. Although alphapinene is the main component in both species, the content of this substance is significantly different in both species: 43 % in the case of P. devoniana essential oil and almost 73 % in the case of P. oocarpa essential oil. The differences are also

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related to compounds that are present only in one of the fractions: borneol acetate (P. devoniana essential oil) bornilene, alpha-terpinene and alpha-phellandrene (P. devoniana extract), dehydro-p-cimene (P. oocarpa essential oil), anethole, cis-limonene oxide, sabinene and verbenene (P. oocarpa extract).

Conclusiones La caracterización de los aceites esenciales y extractos de Pinus devoniana y P. oocarpa proporcionan un perfil químico que permite distinguir entre ambas especies. Aunque el alfa-pineno es el componente mayoritario en las dos especies, su contenido es significativamente desigual de 43 % (aceite esencial de P. devoniana) a casi 73 % (aceite esencial de P. oocarpa). Las diferencias también implican compuestos que solo aparecen en alguna de las dos fracciones, como el acetato de borneol (aceite esencial de P. devoniana), bornileno, alfa-terpineno y alfa-felandreno (extracto de P. devoniana), deshidro-p-cimeno (aceite esencial de P. oocarpa), anetol, cis-óxido de limoneno, sabineno y verbeneno (extracto de P. oocarpa).

Limonene, myrcene, camphene, ocimene, longifolene, alpha-longipinene and beta-phellandrene were identified in all of the fractions of both species. These, along with their proportions, complete the chemical profile of Pinus devoniana and P. oocarpa, and more specifically, of the individuals located in Western Mexico. Thus, useful information hs been produced for the whole use of the studied pines, in particular in regard to the non-wood part. The tables are the components present in the essential oils and wood extractives of Pinus devoniana and P. oocarpa, as well as its content, undoubtedly are of great importance to propose an exploitation scheme. At a first sight, the high content of pinenes in the extractives is outstanding, around 80%, which is equivalent to almost 1% of dry wood.

El limoneno, mirceno, canfeno, o-cimeno, longifoleno, alfa-longipineno y beta-felandreno se identifican en todas las fracciones de ambas especies. Estos, junto con sus proporciones complementan el perfil químico de Pinus devoniana y P. oocarpa, y más específicamente, a sus individuos ubicados en el Occidente de México.

Conflict of interests

Así, se ha generado información útil para un aprovechamiento integral de los pinos estudiados, específicamente en lo que se refiere a la parte no maderable. Los cuadros con los componentes presentes en los aceites esenciales y extractos de la madera de Pinus devoniana y P. oocarpa, así como su contenido, sin duda son de gran valor para plantear un esquema de explotación. A simple vista destaca el alto contenido de pinenos en los extractos, aproximadamente 80 %, equivalente a casi 1 % de la madera seca.

The authors declare no conflict of interests.

Contribution by author Rosa María Iñíguez Guillén: procurement of Pinus devoniana essential oils and extracts, calculations, writing and editing of the paper; Hilda Catalina Esqueda Reyes: procurement of Pinus oocarpa essential oils and extracts, calculations, writing and editing of the paper; Teófilo Escoto García: consultancy, preparation of wood for extraction, review and correction of calculations; Héctor Guillermo Ochoa: design of experimental size, review of experimental results, writing and editing of the paper; Antonio Rodríguez Rivas: selection, cutting and transportation of Pinus devoniana and Pinus oocarpa, writing and editing of the paper; Héctor Jesús Contreras Quiñones: design of experimental word, consultancy, review of experimental results, writing and editing of the paper.

Conflicto de intereses Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Contribución por autor

Acknowledgements

Rosa María Iñíguez Guillén: obtención de aceites esenciales y de extractos de Pinus devoniana, cálculos, redacción y corrección del documento; Hilda Catalina Esqueda Reyes: obtención de aceites esenciales y de extractos de Pinus oocarpa, cálculos, redacción y corrección del documento; Teófilo Escoto García: asesoría, preparación de la madera para extracción, revisión y corrección de cálculos; Héctor Guillermo Ochoa: diseño de tamaño experimental, revisión de resultados experimentales, redacción y corrección del documento; Antonio Rodríguez Rivas: selección, corte y transporte de Pinus devoniana y Pinus oocarpa, redacción y corrección del manuscrito; Héctor Jesús Contreras Quiñones: diseño de trabajo experimental, asesoría y revisión de resultados experimentales, redacción y corrección del documento.

The authors wish to express their gratitude to the Secretaría de Educación Pública, which supported the project “Diagnosis and management of forest plantations of pine trees in pole stage: protection and preliminary studies for a comprehensive exploitation” (Diagnóstico y manejo de plantaciones forestales de pino en fase latizal: protección y estudios preliminares para un aprovechamiento integral – Clave CA-193) through PROMEP’s Program for the Strengthening Academic Bodies (Programa para el Fortalecimiento de los Cuerpos Académicos).

End of the English version

Agradecimientos Los autores agradecen a la Secretaría de Educación Pública, que mediante el Programa para el Fortalecimiento de los Cuerpos Académicos de PROMEP, apoyó el proyecto: Diagnóstico y manejo de plantaciones forestales de pino en fase latizal: protección y estudios preliminares para un aprovechamiento integral (Clave CA-193).

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Iñíguez et al., Caracterización química de aceites esenciales...

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Artículo / Article

Contenido mineral y tamizaje fitoquímico en Physalis chenopodifolia Lam. en condiciones de desarrollo Mineral content and phytochemical compounds in Physalis chenopodifolia Lam. on two conditions of vegetal growth Eduardo Salcedo-Pérez1, María de Lourdes Arvizu1, José de Jesús Vargas-Radillo1, Ofelia Vargas-Ponce2, Antonio Bernabe-Antonio3 y Lucía Barrientos-Ramírez1 Resumen Dada su riqueza forestal, México cuenta con numerosas especies silvestres del género Physalis (Solanaceae) que poseen potencial para su aprovechamiento, desde el punto de vista fitoquímico; además tiene importantes propiedades medicinales. Physalis chenopodifolia es una de ellas. Taxon de amplia presencia en el territorio nacional, pero poco estudiado. Por este motivo, el objetivo del presente trabajo fue la caracterización mineral y el tamizaje fitoquimico del fruto y las hojas (follaje) de especímenes recolectados en condiciones silvestres y en plantas cultivadas bajo condiciones controladas. Se determinó mayor contenido de minerales en las muestras procedentes de cultivo. En el fruto: K y Mn, principalmente, y en hoja: K, N, Mn y Fe. Respecto al perfil fitoquímico, la mayor variedad de compuestos biológicos correspondió al tallo y hojas; los solventes acuosos e hidroalcóholicos fueron los medios de extracción más eficientes. Los metabolitos con mayor presencia resultaron ser los esteroides/terpenos, fenoles y flavonoides, los cuales se determinaron de forma cualitativa. La experiencia en el manejo agronómico y tecnficado de Physalis chenopodifolia en diversas regiones permite establecer que se trata de una planta de fácil incorporación al cultivo y constituye una fuente potencial de metabolitos de interés alimentario y biomédico, lo que la hace una especie forestal no maderable relevante.

Palabras clave: Actividad biológica, metabolitos secundarios, minerales, producto forestal no maderable, tamizaje, uso medicinal. Abstract Due to its abundant forestry resources, Mexico has numerous species of the Physalis genus (Solanaceae), plants with a phytochemical potential and important medicinal properties. Physalis chenopodifolia, one of these Solanaceae with a widespread presence in our country, has been little studied. Therefore, the purpose of this work was the mineral characterization and phytochemical screening of the fruits and leaves (foliage) of the plants collected under both wild and controlled conditions. A higher mineral content was found in the cultured samples: K and Mn in the fruits, and K, N, Mn and Fe in the leaves. As for the phytochemical profile, a greater variety of biological compounds was found in the stem and leaves, using aqueous and hydroalcoholic solvents as the most effective means of extraction. Terpenes/steroids, phenols and flavonoids, the most prevalent metabolites, were qualitatively determined. Experience in the technical and agronomic management of this species in various regions makes it possible to establish that this species can be easily cultivated and is an important potential source of metabolites of biomedical interest, and therefore, a forest species with an important non-timber potential. Key words: Biological activity, secondary metabolites, minerals, non-timber forest products, phytochemical screening, medical use.

Fecha de recepción/date of receipt: 17 de noviembre de 2014; Fecha de aceptación/date of acceptance: 30 de enero de 2015. 1 Departamento de Madera, Celulosa y Papel: CUCEI, Universidad de Guadalajara. Correo-e: lbarrien@dmcyp.cucei.udg.mx 2 Departamento de Botánica y Zoología, Universidad de Guadalajara. 3 Departamento de Química, Universidad Autónoma de Morelos.


Salcedo-Pérez et al., Contenido mineral y tamizaje fitoquímico en Physalis...

Introducción

Introduction

Physalis, al igual que otras solanáceas, es un género que incluye especies de importancia económica y cultural; algunas son cultivadas por su carácter alimenticio, como el caso del tomate verde (Physalis philadelphica Lam.) en México y Guatemala (Zamora et al., 2015) y la uchuva (P. peruviana L.) cultivada en Sudamérica, de valor comercial por sus frutos dulces (Herrera et al., 2011).

Physalis, like other solanaceans, is a genus that includes species with an economic and cultural importance; some are cultivated due to their nutritional nature, such as tomatillos (Physalis philadelphica Lam.) in Mexico and Guatemala (Zamora et al., 2015) and inca berries (P. peruviana L.), a species cultivated in South America with a commercial importance due to the sweetness of its fruits (Herrera et al., 2011).

Se tiene evidencia que desde tiempos precolombinos varias etnias de América consumen diversos taxa silvestres de Physalis, los cuales forman parte de la cocina tradicional, y el fruto en fresco (Herrera et al., 2011; Kindscher et al., 2012). También se reconoce el empleo de partes de la planta (fruto, hojas, raíz, cáliz) en la herbolaria y medicina tradicional (Rengifo y Vargas, 2013).

There is evidence that several ethnias in the American continent consume various wild Physalis taxa from pre-Columbian times; these taxa are part of their traditional cuisine, and they eat the fruits fresh (Herrera et al., 2011; Kindscher et al., 2012). The use of different parts of the plant (fruits, leaves, root, calyx) in herbal and traditional medicine is also acknowledged (Rengifo and Vargas, 2013).

En el ámbito mundial, una de las especies más conocida y con mayor atención científica es Physalis peruviana, la cual se identifica como una planta utilizada en el tratamiento de diversas afecciones: el cáncer, leucemia, malaria, etcétera. Se han hecho pruebas in vitro e in vivo (Pinto et al., 2009; Franco et al., 2007; Arun y Asha, 2007), por lo que es de interés etnobotánico, además de que se cultiva y aprovecha para diversos fines. Entre los taxa tropicales no recolectados, Physalis es un modelo muy prometedor. La perpectiva comercial en el género se ha incrementado en varias regiones del mundo en la última década, debido a la creciente demanda internacional e importancia como cultivo frutícola (e.g. uchuva) y hortícola (tomate verde), ambos casos por el valor nutritivo de sus frutos (Zamora et al., 2015), y el interés por su análisis nutricional se ha extendido a otras especies como Physalis pubescens Lam. (Donkor et al., 2012).

One of the best-known species in the world and that has received most attention from scientists is Physalis peruviana, identified as a plant that is utilized in the treatment of various illnesses: cancer, leukemia, malaria, etc. In vitro and in vivo tests have been carried out (Pinto et al., 2009; Franco et al., 2007; Arun and Asha, 2007); this species is therefore of ethnobotanic interest; and, it is cultivated and exploited for various purposes. Among the uncollected tropical genera, Physalis is a very promising model. The great commercial interest in this genus has increased in various regions of the world during the last decade due to the growing international demand and to importance as a fruit (e.g. inca berries) and horticultural (tomatillos) crop, in both cases due to the nutritional value of its fruits (Zamora et al., 2015), and the interest in its nutritional analysis has extended to other species such as Physalis pubescens Lam. (Donkor et al., 2012).

Varias propiedades benéficas del fruto son asociadas, principalmente, a su composición nutricional: agua (77-86 %); carbohidratos (11-20 %); lípidos (0.2-0.5 %); además contiene componentes biológicamente activos como vitaminas A, B y C (20–43 mg 100 g-1), E y K, fitoesteroles, minerales esenciales (potasio; 210–467, magnesio 7-19, Calcio 2-28, fósforo 27–55.3, todas en mg 100 g-1) (Puente et al., 2011); asimismo se han extraído withanólidos, alcaloides, glicósidos y flavonoides (An et al., 2006) con importante actividad antibiótica, antiinflamatoria y antioxidante. En particular, los withanólidos, considerados el metabolito secundario característico de las solanáceas, son esteroides que al oxidarse forman un anillo de γ ó δ-lactona (Guimaraes et al., 2009) a los que se les atribuye acción antitumoral, citotóxica (Ramadan, 2011), antiparasitaria (Puente et al., 2011), antimicrobial; y funciones como la de activar el crecimiento de neuritas, promover la inducción de quinona reductasa, tener acción tripanocida, así como propiedades antinflamatorias (Yu-Zhou et al., 2014).

Various beneficial properties of the fruit are associated mainly to its nutritional composition: water (77-86 %); carbohydrates (11-20 %); lipids (0.20.5 %). Furthermore, it contains biologically active components such as vitamins A, B and C (20-43 mg 100 g -1), E and K, phytosterols, essential minerals (potassium 210-467, magnesium 7-19, calcium 2-28, phosphorus 27-55.3, all of these expressed in mg 100 g-1) (Puente et al., 2011); withanolides, alkaloids, glycosides and flavonoids (An et al., 2006) with an important antibiotic, anti-inflammatory and antioxidant activity have also been extracted. Particularly withanolides, considered as the secondary metabolites characteristic of the solanaceans, are steroids that form a ring of γ- or δ-lactone when they oxidate (Guimaraes, 2009). These compounds are ascribed as of antitumoral action and a cytotoxic (Ramadan, 2011), anti-parasitic (Puente et al., 2011) and antimicrobial activity, as well as the functions of activating the growth of neurites, promoting the induction of quinone reductase, and having a trypanocidal action and anti-inflammatory properties (Yu-Zhou et al., 2014).

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 58-73

México, debido a su riqueza forestal, cuenta con numerosas especies silvestres de Physalis con potenciales propiedades medicinales, entre ellas: las de tipo antibacterial, antinflamatorios y anticancerígenas, de las cuales aún no se ha aislado el principio bioactivo, por lo que es necesario realizar más evaluaciones y esfuerzos en el campo de la fitoquímica (Rengifo y Vargas, 2013). Existe un creciente interés popular por el aprovechamiento de otras especies, tal es el caso de Physalis chenopodifolia Lam., cuyo fruto (baya) es de color naranja, con tonalidades rojizas al madurar, de sabor dulce y que ha sido sujeto de consumo por los Mazahuas del centro del país (Williams, 1993); asimismo se documentó su respuesta favorable a las prácticas agrícolas y al cultivo intensivo (Valdivia, 2014). No obstante, hay poca información relacionada con la composición fitoquímica, el valor nutritivo y contenido de minerales, a pesar de su alta disponibilidad.

Thanks to its forest richness Mexico has numerous wild Physalis species with potential medicinal properties, including antibacterial, anti-inflammatory and anticancer qualities, the bioactive principle of which has not yet been isolated and therefore requires further evaluations and efforts in the field of phytochemistry (Rengifo and Vargas, 2013). There is a growing popular interest in the exploitation of other species, including Physalis chenopodifolia Lam., whose fruit (berry) has an orange color, with reddish hues when ripe, and a sweet flavor to which it owes being consumed by the Mazahua people of the central part of the country (Williams, 1993), as well as having a favorable response to agricultural practices and intensive culture (Valdivia, 2014). However, there is little information regarding its phytochemical composition, its nutritional value and its mineral content, despite its high availability. The objectives of this work were to determine the mineral content in Physalis chenopodifolia fruits and leaves and to carry out a preliminary analysis of the main phytochemical compounds in the stem, leaves, calyx and fruits of wild plants and of plants subjected to intensive culture.

Los objetivos del presente trabajo fueron determinar el contenido mineral en frutos y follaje de Physalis chenopodifolia, y hacer un análisis preliminar de los principales compuestos fitoquímicos en tallo, hojas, cáliz y fruto de plantas silvestres y sometidas a cultivo intensivo.

Materials and Methods

Materiales y Métodos

Collection

Recolecta

Physalis chenopodifolia. It is distributed in 19 states of the Mexican republic, some of them in the northern regions, but mainly in central Mexico and, southward, all the way to Guerrero (Figure 1).

Physalis chenopodifolia. Se distribuye en 19 estados de la república mexicana, en algunos del norte, principalmente en el Centro de México y hacia el sur hasta Guerrero (Figura 1).

Fuente: Vargas et al. (2003). Source: Vargas et al. (2003).

Figura 1. Mapa de distribución de Physalis chenopodifolia Lam. en la república mexicana. Figure 1. Distribution map of Physalis chenopodifolia Lam. in Mexico.

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Salcedo-Pérez et al., Contenido mineral y tamizaje fitoquímico en Physalis...

Especie forestal herbácea, perenne, endémica del país. Se caracteriza por ser una planta erecta, con un tallo central de hasta 70 cm de largo. Las hojas son alternas, geminadas y desiguales en tamaño, el borde de la lámina exhibe varios dientes irregulares (Vargas et al., 2003); el fruto es una baya de color naranja, con tonalidades rojizas al madurar (Figura 2C); se desarrolla en áreas forestales, en lugares abiertos y laderas dentro del bosque de pino-encino (Figura 2A).

Herbaceous perennial, endemic forest species of Mexico. It is characterized by being a straight plant with a central stem up to 70 cm long. The leaves are alternate, geminate and of unequal sizes; the edge of the blade has several irregular teeth (Vargas et al., 2003); the fruit is an orange-colored berry, with reddish hues when ripe (Figure 2C); it grows mainly in forest areas, in open places and slopes within pine-oak forests (Figure 2A).

Se recolectaron ejemplares silvestres en una de las poblaciones con más abundancia del taxon de interés, ubicada en la localidad de San Nicolás de Los Ranchos municipio Cholula, Puebla (19°04’17.6’’ N, 98°30’04.07’’ O); donde crecen en lugares abiertos de laderas y en la parte alta dentro del bosque de encino (Figura 2A). También se emplearon plantas germinadas a partir de semilla silvestres y cultivadas en predios del Centro Universitario de Ciencias Biológico Agropecuarias (CUCBA) de la Universidad de Guadalajara, en Zapopan, Jalisco (20°44’41.18” N, 103°30’58.53” O) (Figura 2B).

Wild specimens were collected in one of the locations where the species is most abundant, in San Nicolás de los Ranchos, in Cholula municipality, Puebla (19°04’17.6’’ N, 98°30’04.07’’ W); where they grow in open places on the slopes and on the upper part of the oak forest (Figure 2 A). Plants germinated from wild and cultivated plots in land owned by the Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias (CUCBA), Universidad de Guadalajara, in Zapopan (20°44’41.18” N, 103°30’58.53” W) (Figure 2B).

Figura 2. Physalis chenopodifolia Lam. en estado silvestre y cultivado. Figure 2. Wild and cultivated Physalis chenopodifolia Lam.

Condiciones edafo-climáticas y de cultivo de los sitios de recolecta

Edapho-climatic and culture conditions of the collection sites

Las condiciones ambientales y edáficas en las localidades de estudio presentan contrastes entre si (Cuadro 1). A partir de los datos cartográficos (Inegi-INE-Conagua, 2007), Cholula, Puebla tiene un clima templado subhúmedo, con lluvias en verano; mientras que en Zapopan, Jalisco es semicálido subhúmedo con lluvias en verano.

Edapho-climatic and culture conditions of the collection sites contrast with each other in certain aspects (Table 1). From the cartographic data (INEGI-INE-Conagua, 2007), Cholula, Puebla, has a temperate subhumid climate with summer rains, while Zapopan, Jalisco, is semi-warm, subhumid, with rains in the summer. Samples of wild plants collected between the months of October and November 2011, as well as individuals cultivated during July 2012 from seeds of wild fruits sprouted in a tray and under greenhouse conditions and transplanted to field (year 2012) with a density of 13 778 plants ha-1 were placed in furrows with plastic mulching and a drip irrigation band, since they were cultivated during the dry season (January to May). Also, foliar fertilizer, earthworm

61


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 58-73

Cuadro 1. Condiciones ambientales y topográficas en las dos áreas de desarrollo de Physalis chenopodifolia Lam. Puebla

Jalisco

(silvestres)

(cultivadas)

2 520

1 662

873

943

mm año

1 919

---

Temperatura máxima

°C

23.9

32.1

Temperatura media

°C

15.4

20.5

Temperatura mínima

°C

6.9

8.4

Humedad relativa

%

75

---

Exposición

Punto cardinal

Norte

Abierta

Pendiente

%

5-15

<5

Tipo

Lomerío

Plano

Condición

Unidad

Altitud

msnm

Precipitación pluvial Evaporación total

Relieve

mm -1

msnm = metros sobre el nivel de mar

Table 1. Environmental and topographical conditions in the two development areas of Physalis chenopodifolia Lam. Puebla

Jalisco

(wild)

(cultivated)

2520

1662

873

943

mm year

1919

---

Maximum temperature

°C

23.9

32.1

Medium temperature

°C

15.4

20.5

Minimum temperature

°C

6.9

8.4

Relative moisture

%

75

---

Cardinal direction

North

Open

Slope

%

5-15

<5

Relief

Type

Hills

Plain

Condition

Unit

Altitude

masl

Rain precipitation

mm

Total evaporation

Exposure

-1

masl = Meters above sea level

Se consideraron muestras de plantas silvestres recolectadas entre octubre y noviembre del 2011, así como individuos cultivados en el mes de julio del 2012, estas últimas provenían de semillas de fruto silvestres germinadas en charola y bajo condiciones de invernadero, las cuales fueron trasplantadas a campo (año 2012) con una densidad de 13 778 plantas ha-1, en surco con acolchado plástico, y cintilla de riego por goteo, ya que el cultivo fue en época seca (enero a mayo). Además se aplicó fertilizante foliar, con humus de lombriz y dos fórmulas de nitrógeno-fósforo-potasio (NPK): una durante el desarrollo vegetativo (proporción de fertilizante, 30:30:30) y otra en la floración y fructificación (15:45:25); se realizaron aplicaciones preventivas de insecticida sistémico para evitar el ataque de

humus and two nitrogen-fósforo-potassium (NPK) formulas one during the vegetative development (30:30:30 fertilizer proportion) were applied and the other during the flowering and fruition (15:45:25) stages. Systemic insecticide was preventively applied in order to avoid attack by pests, the main of which are the greenhouse whitefly {Trialeurodes vaporariorum (Westwood, 1856)}, the leaf mining fly {Liriomyza trifolii Burguess)} and the subflexus straw moth {Heliothis subflexa (Guenée)}; weeding was carried out manually. The cultivation work met the conditions established by Valdivia (2014).

62


Salcedo-Pérez et al., Contenido mineral y tamizaje fitoquímico en Physalis...

plagas, de ellas, sobresalen la mosca blanca {Trialeurodes vaporariorum (Westwood, 1856)}, el minador de la hoja {Liriomyza trifolii (Burgess)} y el gusano barrenador del fruto {Heliothis subflexa (Guenée)}; se realizó deshierbe de manera manual. El trabajo agronómico del cultivo se llevó a cabo con base en las condiciones establecidas por Valdivia (2014).

Soil analysis The physical and chemical characterization of the soil fertility was performed according to the norm NOM-021 (Semarnat, 2002), from a compound sample collected in two study sites, which was sieved and left to dry at room temperature before the analysis. The FAO/UNESCO/ISRIC classification system was used (FAO, 1988).

Análisis del suelo La caracterización física y química de la fertilidad del suelo se basó en la norma NOM-021 (Semarnat, 2002), a partir de una muestra compuesta recolectada en los dos sitios de estudio; tamizada y secada al ambiente antes de su análisis. Se utilizó el sistema de clasificación FAO/UNESCO/ISRIC (FAO, 1988).

Sample preparation Materials from the stem, fruit, calyx and leaves of both wild and cultivated plants were used in the analysis. The samples were manually separated, washed by immersion in potable water and rinsed with distilled water. They were left in a dry place at room temperature until the excess water was removed. The leaves, stem and calyx were ground with a SK100 model cross beater Retsch GmbH mill; they were then sieved, and the sample retained in the 60 mesh was reserved. This was stored in sealed polythylene bags and preserved at a temperature of -20 °C until the corresponding analyses were carried out. The fruits were manually separated, selecting only the healthy and vigorous specimens. These were washed with abundant water and rinsed with distilled water and ground in a blender. The pulp was stored in polythene bags that were sealed, weighed and preserved at a temperature of -20 °C.

Preparación de la muestra Para el análisis se utilizó material procedente de tallo, fruto, cáliz y hojas, tanto de las plantas silvestres como de las cultivadas. Las muestras fueron separadas manualmente, lavados por inmersión en agua potable y enjuagada con agua destilada. Después, se dejaron en un sitio seco a temperatura ambiente hasta que se les eliminó el exceso de agua. Las hojas, tallo y cáliz se molieron con un molino de impacto de palas Retsch GmbH, modelo SK100; se tamizaron y reservó la muestra retenida en la malla 60. Se almacenaron en bolsas de polietileno selladas y se conservaron a temperatura de -20 °C, hasta la realización de los análisis correspondientes. Los frutos se separaron manualmente y seleccionaron solo aquellos ejemplares vigorosos y sanos. Enseguida, se lavaron con abundante agua y se enjuagaron con agua destilada, molieron en licuadora. La pulpa se guardó en bolsas de polietileno, se selló, pesó y conservó a -20 °C.

Mineral content The nitrogen content was determined using the Kjeldahl method (Purcell and King, 1996). The minerals (Ca, Mg, K, Cu, Mn, Zn, Na, Fe, Cu) were evaluated by “wet digestion”, with the concentrated mix of nitric/perchloric acid and atom absorption spectrophotometry (AOAC, 1990), recording the flame emission and absorbance values.

Contenido mineral El nitrógeno se determinó por el método del Kjeldahl (Purcell y King, 1996). Los minerales (Ca, Mg, K, Cu, Mn, Zn, Na, Fe, Cu) se evaluaron por “digestión húmeda”, con la mezcla concentrada de ácido nítrico-perclórico y espectrofotometría de absorción atómica (AOAC, 1990), con emisión de llama y registro de los valores de absorbancia.

Phytochemical assays Extraction. Processed and ground samples were utilized. These were subjected to extractions using growing polarity solvents: hydroalcoholic (1:1 proportion), dichloromethane, hexane and aqueous solvents. The extracts were filtered with Whatman No. 3 paper and with a vacuum concentration at a temperature of 40 °C, until the solvent was removed. They were then preserved in refrigeration (-4 °C).

Ensayos fitoquímicos Extracción. Se utilizaron las muestras procesadas y molidas. Se sometieron a extracciones con solventes de polaridad creciente; hidroalcohólico (proporción 1:1), diclorometano, hexano y acuoso. Los extractos se filtraron en papel Whatman 3 y concentración al vacío a 40 °C, hasta eliminar el solvente. Se conservó en refrigeración (-4 °C).

Screening Samples of the stem, leaves, calyx and fruits were used for the identification of such compounds as alkaloids (Dragendorff and Mayer reagents); flavonoids, sterols and methyl sterols (Shinoda’s reaction); steroids and terpenoids (Liebermann-Burchard reagent), based on the Harbone methodologies (1998).

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 58-73

Phytochemical screening is a usual protocol in the study of bioactive compounds, providing qualitative results based on precipitate formation or visible changes of color expressed as (+) for presence and (-) for absence.

Tamizaje Se utilizaron muestras de tallo, hojas, cáliz y fruto para la identificación de compuestos tales como alcaloides (reactivo de Dragendorff y reactivo de Mayer); flavonoides, esteroles y metilesteroles (reacción de Shinoda); esteroides y terpenoides (reactivo de Liebermann-Burchard), con base en las metodologías de Harbone (1998). El tamizaje fitoquímico es un protocolo usual en el estudio de compuestos bioactivos, que provee resultados cualitativos sustentados en la formación de precipitados o cambios visibles de color expresados como (+) para presencia y (-) para ausencia.

Thin layer chromatography (TLC). 3 X 10 cm aluminum sheets pre-coated with silica gel 60 F254 with a particle size of 2-2.5 µm were used. Assays were made using different solvent mixtures in order to determine the system with the best performance that would allow observing the largest amount of spots from the extract and use these as a mobile phase in the column chromatography. The selected mixture consisted of chloroform, methanol and water (2:8:1). After the assay, the sheets were observed with the aid of UV light at a wavelength of 254 nm and 365 nm. The next step was the evaluation and structural characterization of the components by means of a column chromatography.

Cromatografía de capa fina (TLC). Se usaron placas cromatográficas base de aluminio de 3 x 10 cm, con gel de sílice con granulometría de 60 F254, tamaño de partícula 2-2.5 µm. En principio, se hicieron ensayos con diferentes mezclas de solventes para determinar el sistema con el mejor rendimiento, que permitiera observar la mayor cantidad de manchas a partir del extracto y emplearlo como fase móvil en la cromatografía de columna. La mezcla seleccionada fue la compuesta por cloroformo-metanol-agua (2:8:1). Después de efectuado el ensayo se observaron las placas con el auxilio de luz UV a una longitud de onda de 254 nm y 365 nm. El siguiente paso consistió en evaluar y caracterizar estructuralmente los componentes mediante la cromatografía en columna.

Statistics The vegetal analyses were practiced on compound samples of the various sections of 30 plants, both wild and cultivated. The soil analysis was practiced on the mixture from five areas of both sites. Data for soils and minerals, obtained by duplicate, were processed using Tukey’s method and the SAS 9.1 statistic software package (SAS, 2002).

Estadística

Results and Discussion

Los análisis vegetales fueron practicados sobre muestras compuestas de las diferentes secciones de 30 plantas, tanto cultivadas como silvestres. El análisis del suelo se practicó sobre la mezcla de cinco zonas de ambos sitios. El procesamiento de los datos (suelo y minerales), obtenidos por duplicado, fue por el método de Tukey, en el programa estadístico SAS 9.1 (SAS, 2002).

The environmental conditions of climate and topography (Table 1) and the physical characteristics and chemical properties of the soils in the sampling sites (Table 2) show differences. These were found to be statistically significant (Tukey P ≤ 0.05) in relation to the edaphic characteristics. The cultivation site has a clayey loamy soil and a higher content of silt, usable water, EC, nitrogen and potassium; whereas the site with the wild plants has sandy soil with a higher content of organic matter, CEC and calcium.

Resultados y Discusión

The soils of both sites have a CEC betwe en 5 and 30 mEq 100 g -1, considered to be an adequate value, since soils with a CEC <5 mEq 100 g-1 are poor, sandy soils which are limited for plant life. Conversely, soils with a CEC >30 mEq100 g-1 are very clayey and scarcely permeable. The soil of the sampling site with wild individuals has normal EC values, while the EC of the cultivation site is slightly saline. The reaction of the soil turned out to be acid under the two conditions, particularly that of Zapopan (pH=4.4); therefore, the application of dolomitic lime is suggested to enhance mineral availability, and the evaluation of its effect on the cultivation of the studied species is advised. This practice increases the pH and contributes Ca and Mg, which will improve the cation balance.

Las condiciones ambientales de clima y topografía (Cuadro 1), así como las características físicas y las propiedades químicas de los suelos en los sitios de muestreo (Cuadro 2), denotan diferencias. En relación con las características edáficas, estas fueron estadísticamente significativas (Tukey P ≤ 0.05). Al sitio de cultivo le corresponde un suelo franco arcilloso y tiene mayor contenido de limo, agua aprovechable, CE, nitrógeno y potasio; mientras que en el sitio con las plantas silvestres, el

64


Salcedo-Pérez et al., Contenido mineral y tamizaje fitoquímico en Physalis...

suelo es arenoso con mayor contenido en materia orgánica, CIC y calcio.

Differences in the presence of minerals in the leaves and fruits were registered (Table 3). The fruit of cultivated specimens had more potassium, manganese, phosphorus and sodium. The wild materials had slightly higher nitrogen, zinc and copper contents. The contents of the rest of the minerals were similar.

Los suelos de ambos sitios tienen CIC entre 5 y 30 meq 100 g-1, que se considera un valor adecuado, ya que suelos con CIC <5 meq 100 g-1 son suelos pobres, arenosos, limitados para la vida de las plantas; en cambio suelos con CIC >30 meq 100 g-1 son muy arcillosos y poco permeables. Respecto a los valores de CE el suelo del sitio de muestreo con individuos silvestres es normal, mientras que la CE del sitio de cultivo es ligeramente salino. La reacción del suelo resultó ácida en las dos condiciones, sobretodo en el de Zapopan (pH=4.4); por lo que se sugiere la aplicación de cal dolomítica para mejorar la disponibilidad de minerales; además de evaluar su efecto en el cultivo de la especie bajo estudio; con esta práctica se incrementa el pH, y se aporta Ca y Mg, lo que ayudará a mejorar el balance de cationes.

The leaves of the cultivated sample had more nitrogen, phosphorus, potassium, manganese, zinc and iron, while the wild leaves had higher calcium values. In this regard, there is a direct relationship between the edapho-climatic conditions, soil type and fertilization during the cultivation, and the production and quality of the fruit. According to the results described, plants from the fertilized culture site showed higher mineral contents in the leaves and fruit, and therefore have a higher quality.

Cuadro 2. Análisis de suelo en los sitios de recolecta. Característica

Unidad

Sitio

Sitio

(plantas silvestres)

(plantas cultivadas)

Franco arenoso

Franco arcilloso

(Feozem)

(Regosol)

Clasificación textural (método de Bouyoucos)

-

Arena

%

84±2.83a

55.20±4.24b

Arcilla

%

1.36±0.06b

17.80±1.31a

Limo

%

14.64±1.39b

27.00±2.83 a

Agua aprovechable

%

6.00±0.45b

16.00±0.71 a

Densidad real

g cc-1

2.42±0.04a

2.24±0.03b

Densidad aparente

g cc-1

1.16±0.06a

1.48±0.14a

Materia orgánica

%

6.34±0.08a

2.64±0.03b

pH

--

5.00±0.0a

4.40±0.0b

CE

ds m-1

1.9±0.14b

2.7±0.0b

CIC

meq 100g-1 suelo

19.40±0.57a (Media)

13.00±0.93b (Baja)

Nitrógeno nítrico

ppm

8.23±0.33b

12.34±0.28 a

Nitrógeno amoniacal

ppm

80±0.0a

80±0.0a

Fósforo

ppm

50±2.83 a

25±0.71b

Potasio

ppm

180±5.66b

250±2.83 a

Calcio

ppm

1600±113.14 a

500±12.73b

Magnesio

ppm

50±1.41 a

25±2.83b

ppm

ND

5±0.29

Manganeso

CE = Conductividad eléctrica; ds m = DeciSiemens/metro; CIC = Capacidad de intercambio catiónico; meq = Miliequivalentes químicos; ND = No detectado Medias ± desviación estándar seguidas de la misma letra entre columnas son estadísticamente iguales (Tukey P ≤ 0.05). -1

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 58-73

Table 2. Soil analysis in the collection sites. Characteristic

Texture classification (Bouyoucos method)

Site

Site

(wild plants)

(cultivated plants)

Sandy

Clayey

loam

loam

(Phaeozem)

(Regosol)

Unit

--

Sand

%

84±2.83a

55.20±4.24b

Clay

%

1.36±0.06b

17.80±1.31a

Silt

%

14.64±1.39b

27.00±2.83a

Usable water

%

6.00±0.45b

16.00±0.71a

Real density

g cc-1

2.42±0.04a

2.24±0.03b

Apparent density

g cc-1

1.16±0.06a

1.48±0.14a

Organic matter

%

6.34±0.08a

2.64±0.03b

pH

--

5.00±0.0a

4.40±0.0b

EC

ds m-1

1.9±0.14b

2.7±0.0b

19.40±0.57a CEC

mEq 100g soil

13.00±0.93b (Low)

-1

(Medium) Nitric nitrogen

ppm

8.23±0.33b

12.34±0.28 a

Ammoniacal nitrogen

ppm

80±0.0a

80±0.0a

Phosphorus

ppm

50±2.83a

25±0.71b

Potassium

ppm

180±5.66b

250±2.83 a

Calcium

ppm

1600±113.14 a

500±12.73b

Magnesium

ppm

50±1.41 a

25±2.83b

Manganese

ppm

ND

5±0.29

EC = Electric conductivity; ds m-1 = DeciSiemens/meter; CEC = Cation exchange capacity; mEq = Chemical milliequivalents; ND = Not detected Measures ± standard deviation followed by the same letter are statistically equal between columns (Tukey P ≤ 0.05).

Respecto a la presencia de minerales en la hoja y fruto, se registraron diferencias (Cuadro 3). El fruto de los ejemplares cultivados tuvo más potasio, manganeso, fósforo y sodio. El material silvestre fue ligeramente mayor en su contenido de nitrógeno, zinc y cobre. Los valores para el resto de los minerales fue similar.

These results agree with those of similar experiments with inca berry (Physalis peruviana) in significantly different soils with sandy loamy and clayey loamy texture, particularly in regard to the content of organic matter content and of certain elements (N, K, Ca and Mg); these conditions agree with those of the soils studied in this paper (Roveda et al., 2012). The abovementioned study recommends sandy-clayey soils with a good drainage for the development of the inca berry, while the truly different parameter –the one with the strongest impact– was the content of organic matter, for which the two sites where the work was performed were 10 to 15 % above the values determined in the study on Physalis chenopodifolia documented here (2.6 for the cultivated site and 6.4 for the wild site).

66


Salcedo-Pérez et al., Contenido mineral y tamizaje fitoquímico en Physalis...

Cuadro 3. Composición de minerales en hoja y fruto de Physalis chenopodifolia Lam. silvestre y cultivado. Fruto

Hojas

Silvestre

Cultivado

Mineral

Silvestre

Cultivado

ppm

Nitrógeno

28.1 ± 1.4a

21.1 ± 0.07a

36.8 ± 1.40b

53.1 ± 1.18a

Fósforo

2.2 ± 0.06a

2.6 ± 0.30a

1.7 ± 0.03b

3.2 ± 0.04a

Potasio

0.8 ± 0.69b

34.7 ± 0.14a

18.5 ± 1.1b

33.3 ± 1.4b

Sodio

0.6 ± 0.01a

0.7 ± 0.01a

0.7 ± 0.01a

0.8 ± 0.04a

Calcio

1.0 ± 0.03a

1.9 ± 0.04a

15.5 ± 1.55 a

6.3 ± 0.04b

Magnesio

1.2 ± 0.00a

1.1 ± 0.00b

1.9 ± 4.03a

1.7 ± 0.04a

Manganeso

17.0 ± 0.57b

29.1 ± 1.06a

42.7 ± 0.28b

294.9 ± 2.39a

Zinc

0.28 ± 0.34a

0.22 ± 2.90a

0.28 ± 2.51b

0.37 ± 1.39a

Cobre

4.45 ± 0.35a

3.95 ± 0.07a

4.70 ± 0.28a

4.65 ± 0.07a

Fierro

52.14 ± 22.1a

53.5 ± 12.31a

243.5 ± 1.73b

272.27 ± 0.56a

Medias con la misma letra son estadísticamente iguales entre columnas en fruto y entre columnas en hoja (Tukey P ≤ 0.05).

Table 3. Mineral composition of the fruits and leaves of wild and cultivated Physalis chenopodifolia Lam. Fruits

Leaves

Wild

Cultivated

Mineral

Wild

Cultivated

ppm

Nitrogen

28.1 ± 1.4a

21.1 ± 0.07a

36.8 ± 1.40b

53.1 ± 1.18a

Phosphorus

2.2 ± 0.06a

2.6 ± 0.30a

1.7 ± 0.03b

3.2 ± 0.04a

Potassium

0.8 ± 0.69b

34.7 ± 0.14a

18.5 ± 1.1b

33.3 ± 1.4b

Sodium

0.6 ± 0.01a

0.7 ± 0.01a

0.7 ± 0.01a

0.8 ± 0.04a

Calcium

1.0 ± 0.03a

1.9 ± 0.04a

15.5 ± 1.55 a

6.3 ± 0.04b

Magnesium

1.2 ± 0.00a

1.1 ± 0.00b

1.9 ± 4.03a

1.7 ± 0.04a

Manganese

17.0 ± 0.57b

29.1 ± 1.06a

42.7 ± 0.28b

294.9 ± 2.39a

Zinc

0.28 ± 0.34a

0.22 ± 2.90a

0.28 ± 2.51b

0.37 ± 1.39a

Copper

4.45 ± 0.35a

3.95 ± 0.07a

4.70 ± 0.28a

4.65 ± 0.07a

Iron

52.14 ± 22.1a

53.5 ± 12.31a

243.5 ± 1.73b

272.27 ± 0.56a

Measures with the same letter are statistically equal between the columns for the fruits and the between the columns for the leaves (Tukey P ≤ 0.05).

En la hoja, la muestra cultivada tuvo más nitrógeno, fósforo, potasio, manganeso, zinc y fierro, mientras que el material silvestre presentó mayor valor en calcio. Al respecto, existe una relación directa entre las condiciones edafo-climáticas, el tipo de suelo y la fertilización en el cultivo, con la producción y calidad del fruto. De acuerdo con los resultados descritos, las plantas provenientes del sitio de cultivo fertilizado tuvieron contenido mineral más alto en follaje y fruto, lo que les adjudica una calidad superior.

Martínez et al. (2008) point out that the cultivation of inca berry plants deficient in nitrogen and potassium reduced the fresh and dry weight of their fruits to a considerable degree. The application of smaller amounts of boron, nitrogen and potassium caused a reduction of over 90 % in the amount of fruits produced; on the other hand, a smaller amount of phosphorus caused a reduction of 50 %. Cooman et al. (2005) point out that the yields of the crop diminished due to the calcium and copper deficiency; however, no boron deficiency was found.

67


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 58-73

Cuadro 4. Resultados del tamizaje de los extractos de tomate silvestre y cultivado. Extracto

Fenólicos

Flavonoides

Alcaloides

Esteroides/Terpenos

Fruto silvestre

Hidroalcohólico

-

-

-

+++

Fruto cultivado

Hidroalcohólico

+

-

-

+

Fruto silvestre

Diclorometano

-

-

-

+++

Fruto cultivado

Diclorometano

-

-

-

+

Fruto silvestre

Hexano

-

-

-

-

Fruto cultivado

Hexano

-

-

-

-

Fruto silvestre

Acuoso

+

+

+

+++

Fruto cultivado

Acuoso

+

+

+

-

Hoja silvestre

Hidroalcohólico

++

++

-

-

Hoja cultivado

Hidroalcohólico

++

+

-

-

Hoja silvestre

Diclorometano

++

+

-

-

Hoja cultivado

Diclorometano

++

+

-

-

Hoja silvestre

Hexano

+

+

Hoja cultivado

Hexano

-

-

-

-

Hoja silvestre

Acuoso

++

++

-

++

Hoja cultivado

Acuoso

+++

++

++

+

Tallo silvestre

Hidroalcólico

+

+

+

+++

Tallo cultivado

Hidroalcólico

++

+

+

++

Tallo silvestre

Diclorometano

-

-

+

+++

Tallo cultivado

Diclorometano

+

-

+

+

Tallo silvestre

Hexano

+

+

+

+++

Tallo cultivado

Hexano

-

-

+

+

Tallo silvestre

Acuoso

++

++

+

++

Tallo cultivado

Acuoso

+

+

+

-

Cáliz silvestre

Hidroalcólico

+

-

+

+++

Cáliz cultivado

Hidroalcólico

+

-

+

-

Cáliz silvestre

Diclorometano

-

+

+

+++

Cáliz cultivado

Diclorometano

+

+

+

+

Cáliz silvestre

Hexano

-

-

+

+

Cáliz cultivado

Hexano

-

-

+

-

Cáliz silvestre

Acuoso

+

+

+

+

Cáliz cultivado

Acuoso

+

+

+

-

+ = Presencia escasa; ++ = Presencia media; +++ = Presencia alta; - = Ausencia

68

++


Salcedo-PĂŠrez et al., Contenido mineral y tamizaje fitoquĂ­mico en Physalis...

Table 4. Results of the screening of the extracts from wild and cultivated tomatillo. Extract

Phenolic

Flavonoids

Alkaloids

Steroids/Terpenes

Wild fruit

Hydroalcoholic

-

-

-

+++

Cultivated fruit

Hydroalcoholic

+

-

-

+

Wild fruit

Dichloromethane

-

-

-

+++

Cultivated fruit

Dichloromethane

-

-

-

+

Wild fruit

Hexane

-

-

-

-

Cultivated fruit

Hexane

-

-

-

-

Wild fruit

Aqueous

+

+

+

+++

Cultivated fruit

Aqueous

+

+

+

-

Wild leaf

Hydroalcoholic

++

++

-

-

Cultivated leaf

Hydroalcoholic

++

+

-

-

Wild leaf

Dichloromethane

++

+

-

-

Cultivated leaf

Dichloromethane

++

+

-

-

Wild leaf

Hexane

+

+

Cultivated leaf

Hexane

-

-

-

-

Wild leaf

Aqueous

++

++

-

++

Cultivated leaf

Aqueous

+++

++

++

+

Wild stem

Hydroalcoholic

+

+

+

+++

Cultivated stem

Hydroalcoholic

++

+

+

++

Wild stem

Dichloromethane

-

-

+

+++

Cultivated stem

Dichloromethane

+

-

+

+

Wild stem

Hexane

+

+

+

+++

Cultivated stem

Hexane

-

-

+

+

Wild stem

Aqueous

++

++

+

++

Cultivated stem

Aqueous

+

+

+

-

Wild calyx

Hydroalcoholic

+

-

+

+++

Cultivated calyx

Hydroalcoholic

+

-

+

-

Wild calyx

Dichloromethane

-

+

+

+++

Cultivated calyx

Dichloromethane

+

+

+

+

Wild calyx

Hexane

-

-

+

+

Cultivated calyx

Hexane

-

-

+

-

Wild calyx

Aqueous

+

+

+

+

Cultivated calyx

Aqueous

+

+

+

-

+ = Scarce presence; ++ = M edium presence; +++ = High presence; - = Absence

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++


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 58-73

Resultados que coinciden con los de experimentos similares con uchuva (Physalis peruviana), en suelos significativamente diferentes, en particular en cuanto a los contenidos de materia orgánica y de algunos elementos (N, K, Ca y Mg); con clase textural franco arenosa y franco arcillosa, condiciones que concuerdan con las de los suelos del presente trabajo (Roveda et al., 2012). En dicho estudio se recomiendan los suelos areno-arcillosos, con un buen drenaje para el desarrollo de la uchuva, mientras que el parámetro, realmente, diferente y de mayor impacto fue el contenido de MO, pues en los sitios donde se realizó el trabajo fue entre 10 y 15 %, muy por arriba a lo determinado en el estudio con Physalis chenopodifolia que aquí se documenta (2.6 para el sitio de cultivo y 6.4 para el sitio silvestre).

Phytochemical screening Table 4 summarizes the results of the analysis. The highest content of metabolites was determined to be in the stem, calyx and leaves. The presence of steroids/tarpenes, phenols and flavonoids was outstanding. The aqueous and hydroalcoholic extracts turned out to be more efficient in terms of performance. Prominent among the secondary metabolites of biological and pharmacologial interest were whitanolides and phenolic metabolites, as well as alkaloids, in a lesser proportion. These have been found in other solanaceans, specifically solanine, scopolamine, atropine, hioscyamine and nicotine (Zeiger, 1998; Hu et al., 1999). Other studies cite the presence of alkaloids, saponines, tannins, steroids and flavonoids in Physalis peruviana, from which they were extracted using glacial acetic acid (Pfoze et al., 2013).

Martínez et al. (2008) indican que en el cultivo de la uchuva, plantas deficientes en nitrógeno y potasio redujeron el peso fresco y seco de sus frutos, considerablemente. Una menor aplicación de boro, nitrógeno y potasio ocasionó una disminución superior a 90 % en la cantidad de frutos producidos, y una menor cantidad de fósforo provocó una caída de 50 %. Por su parte, Cooman et al. (2005) señalan que los rendimientos en cosecha disminuyeron por la deficiencia de calcio y cobre, pero el boro no incidió en este aspecto.

Thin-layer chromatography Figure 3 shows the thin-layer chromatograms with hydroalcoholic extract. Spots with different retention factor (Rf) values are observed. A sample seen under a UV light with λ =254 showed 10 spots with Rf values ranging from 0.21 to 0.91, while the sample seen under a UV light with λ =365 nm showed three spots with Rf values of 0.80, 0.80 and 0.88.

Tamizaje fitoquímico El resultado del análisis se resume en el Cuadro 4. En el tallo, cáliz y hojas se determinó el mayor contenido de metabolitos. Por presencia destacan esteroides/terpenos, fenoles y flavonoides. Los extractos acuoso e hidroalcohólico fueron más eficientes, en cuanto a desempeño. El rendimiento y tipo de metabolitos dependen del extracto utilizado. Entre los metabolitos secundarios de interés biológico y farmacológico destacaron, por su significativa presencia, los whitanólidos y fenólicos, en menor proporción los alcaloides. Estos se han registrado en otras solanáceas, específicamente la solanina, escopolamina, atropina, hiosciamina, y nicotina (Zeiger, 1998; Hu et al., 1999). Diversos estudios citan la presencia de alcaloides, saponinas, taninos, esteroides y flavonoides en hojas de Physalis peruviana extraídas con ácido acético glacial (Maobe et al., 2013), así como en extractos metanólicos de hojas, en los que se identificaron alcaloides, flavonoides y taninos, pero no saponinas (Pfoze et al., 2013).

Cromatografía en capa delgada A) Visto con luz de λ de 254 nm; B) Visto con luz de λ de 365 nm. A) Seen with a UV light of λ = 254 nm; B) Seen with a UV light of λ = 365 nm.

En la Figura 3 se presentan los cromatogramas de capa fina con el extracto hidroalcohólico. Se observan manchas con diferente relación de recorrido (Rf). La muestra vista con luz UV de λ =254 presentó 10 manchas con Rf de 0.21 a 0.91, mientras que la muestra vista con luz UV de λ =365 nm, presentó tres manchas con Rf de 0.80, 0.80 y 0.88.

Figura 3. Imágenes de capa fina del extracto hidroalcohólico de Physalis chenopodifolia Lam. Figure 3. Thin-layer chromatograms of the hydroalcoholic extract of Physalis chenopodifolia Lam.

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Salcedo-Pérez et al., Contenido mineral y tamizaje fitoquímico en Physalis...

La cromatografía de capa fina verifica el mejor extracto o sistema de solventes para obtener la mayor cantidad de metabolitos antes y después del fraccionamiento en columna, además de que permite identificar y agrupar metabolitos similares.

The thin-layer chromatography verifies the best extract or system of solvents to obtain the largest amount of metabolites before and after column fractionation and allows identification and grouping of similar metabolites.

Las familias de metabolitos secundarios determinados en los extractos de P. chenopodifolia como witanólidos, flavonoides, cumarinas y alcaloides han demostrado tener propiedades biológicas útiles.

The families of secondary metabolites determined in the P. chenopodifolia extracts, such as whitanolides, flavonoids, coumarins and alkaloids have been proven to have useful biological properties.

Debido a que en México se desarrollan una gran cantidad de solanáceas, es importante fijar las condiciones agronómicas de cultivo tecnificado, con el propósito de llevar a cabo su aprovechamiento como alimento o fuente de sustancias de interés biomédico. En este contexto, Gordillo et al. (2004) señalan que existe un claro efecto, en el rendimiento y calidad del fruto de Physalis peruviana, de las prácticas de aplicación de fertilizantes y de riego en su cultivo, lo cual es importante puesto que se trata de un producto de exportación importante en la economía de Colombia. Esta especie ha pasado de carecer de manejo agronómico a recibir prácticas de culturales tecnificadas, con la finalidad de conseguir frutos de mayor tamaño y lograr las características que exigen los mercados externo e interno.

Since a large amount of solanaceans grow in Mexico, it is important to determine the agronomical conditions for their high technology cultivation with the purpose of exploiting them for food or as the sources of substances of biomedical interest. Within this context, Gordillo et al. (2004) point out that the practices of applying fertilizers and irrigation when cultivating Physalis peruviana have a clear effect on the yield and quality of its fruits; this is important because it is a major export in Colombian economy. This species has gone from a lack of agronomical management technology to receiving high technology management in order to obtain larger fruits with the characteristics demanded by domestic and foreign markets.

El uso potencial de Physalis chenopodifolia requiere de fomentar trabajos de investigación (Valdivia, 2014) en aspectos como la cuantificación de sus componentes bioactivos, identificaciones estructurales por medio de purificación en columna cromatográfica y cromatografía de gases-espectrometría de masas, así como de sus posibles propiedades biológicas y biomédicas. Asimismo es importante evaluarlo como fuente de metabolitos, iniciando por su caracterización fitoquímica.

The potential use of Physalis chenopodifolia requires further research (Valdivia, 2014) on such aspects as the quantification of its bioactive components, structural identifications by means of chromatographic column purification and gas chromatography–mass spectrometry, as well as on its potential biological and biomedical properties. It is also important to evaluate it as a source of metabolites, starting with its phytochemical characterization.

Conclusiones

Conclusions

Las condiciones edáficas y ambientales tienen influencia en la presencia de minerales y componentes fitoquímicos de Physalis chenopodifolia. El contenido mineral de las plantas cultivadas, respecto de las silvestres mostró mayores valores en calcio, fosforo, potasio, manganeso, nitrógeno y fierro, lo cual es favorable desde el punto de vista de su calidad alimenticia, así como por su participación en los procesos de biosíntesis de componentes activos biológicamente.

The edaphic and environmental conditions have an influence on the presence of minerals and phytochemical components of Physalis chenopodifolia. Cultivated plants showed higher values for calcium, phosphorus, potassium, manganese, nitrogen and iron than the wild plants; this is favorable from the point of view of its nutritional quality, as well as for its participation in the biosynthesis of biologically active components. The various sections of P. chenopodifolia showed the presence (positive screening reaction) of compounds with a high biological interest due to their beneficial antioxidant properties, which prevent risk of disease. Prominent among these compounds are tarpenes/steroids, flavonoids and phenols, particularly in the leaves and stem.

Las diferentes secciones de P. chenopodifolia evidenciaron la presencia (reacción positiva en el tamizaje) de compuestos de alto interés biológico, por sus propiedades antioxidantes benéficas para la salud y en la prevención del riesgo de enfermedades. Se destaca la identificación de terpenos/esteroides, flavonoides y fenoles, sobre todo en hoja y tallo.

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Conflicto de intereses

Conflict of interests

Los autores declaran no tener conflicto de intereses

The authors declare no conflict of interests.

Contribución por autor

Contribution by author

Eduardo Salcedo-Pérez: dirección y asesoría del proyecto; así como en la escritura del manuscrito; María de Lourdes Arvizu: realización de la parte experimental, redacción del texto; José de Jesús Vargas-Radillo: elaboración y redacción del manuscrito, y respuesta a las observaciones del arbitraje; Ofelia Vargas-Ponce: contribuyó con la localización de la muestra, muestreo y revisión del texto; Antonio Bernabe-Antonio: colaboración y asesoramiento estadístico; Lucía Barrientos-Ramírez: asesoría y dirección del proyecto, escritura del manuscrito y respuesta a las observaciones arbitrales.

Eduardo Salcedo-Pérez: director and advisor of the Project and writing of the manuscript; María de Lourdes Arvizu: accomplishment of the experimental part, and writing of the manuscript; José de Jesús Vargas-Radillo: making and writing of the manuscript, as well as response to the suggested corrections; Ofelia Vargas-Ponce: finding of the simple, sampling and review of the manuscript; Antonio Bernabé-Antonio: contribution and statistical advice; Lucía Barrientos- Ramírez: advice and direction of the project, as well as in the writing of the manuscript and response to the suggested corrections.

End of the English version

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Artículo / Article

Caracterización fisicoquímica de propóleos colectados en el Bosque La Primavera Zapopan, Jalisco Physical-chemical description of propolis collected in La Primavera forest, Zapopan, Jalisco state María de Lourdes Delgado Aceves1, Jesús Ángel Andrade Ortega2 y Carlos Alberto Ramírez Barragán2 Resumen El propóleo es un material resinoso producido por las abejas a partir de recursos naturales vegetativos; tiene propiedades antimicrobianas, antifúngicas, antivirales y antiparasitarias, las cuales varían en función de su fuente natural geográfica. El objetivo de este trabajo fue la caracterización fisicoquímica de propóleo y de su extracto etanólico [EEP], de Apis mellifera colectados en la región Zapopan, Jalisco, México. Se obtuvieron extractos etanólicos de propóleo desgrasado [EEPd], que fueron analizados de acuerdo a la Norma Ramal Cubana 932-88. Se determinó la cantidad de flavonoides y fenoles totales, y se obtuvieron sus perfiles espectroscópicos de UV-Vis, fluorescencia y FTIR. Los resultados evidenciaron que el mayor porcentaje en peso se distribuye entre ceras (47 %) y material insoluble en etanol (16 %); sin embargo, el rendimiento del extracto etanólico del propóleo (EEP) fue de 33 %. Se determinó un contenido de fenoles totales de 260 mg equivalentes de ácido gálico por gramo de EEP y 130 mg de flavonoides equivalentes de quercetina por gramo de EEP. Las huellas espectroscópicas de los EEP muestran bandas de absorbancia (UV-Vis) en los mismos intervalos de longitud de onda en los que las presentan los fenoles; en cuanto a la fluorescencia, las señales de los EEP son similares a las de las moléculas del tipo flavonoides. Los espectros FTIR son consistentes con los de la literatura para otros propóleos, lo que significa que se siguió un buen proceso de obtención.

Palabras clave: Bosque La Primavera, composición química, espectroscopia, fenoles, flavonoides, propóleo. Abstract Propolis is a resinous material produced by bees from vegetative natural sources. It has antimicrobial, antiviral and antiparasitic properties, which show variations according to its natural original source and geographic location. The aim of this work was the physicochemical characterization of propolis and its ethanolic extract [EPP] of Apis mellifera collected in Zapopan, Jalisco, Mexico. Ethanolic propolis extracts were obtained from defated propolis [EPPd] according to the Ramal Cubana 932-88 standards. Spectroscopic profiles of UV-Vis, fluorescence and FTIR were obtained. Results show that the main percent by weight is composed for waxes (47 %) and ethanol insoluble material (16 %). The yield of ethanolic extract [EEP] was 33 %. The quantification of phenolics compounds were 260 mg of gallic acid equivalents per gram of EEP (expressed as total phenol content) and 130 mg of flavonoids as quercetin equivalent per gram of EEP. The spectroscopic fingerprints (UV-VIS, fluorescence and FTIR spectra) features of the EEP showed absorbance bands in the same wavelength region described by phenols. In the instance of fluorescence, the EEP signals are similar to those reported for flavonoid type molecules. FTIR spectra are consistent with those published in the literature for other propolis, as an indication of a suitable process used in this work.

Key words: La Primavera forest, chemical composition, spectroscopy, phenols, flavonoids, propolis. Fecha de recepción/date of receipt: 12 de noviembre de 2014; Fecha de aceptación/date of acceptance: 20 de enero de 2015. 1 Licenciatura en Biología, Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias, Universidad de Guadalajara. 2 Centro de Investigación en Biomateriales, Departamento de Madera, Celulosa y Papel, CUCEI, Universidad de Guadalajara. Correo-e: aandrade@dmcyp.cucei.udg.mx


Delgado et al., Caracterización fisicoquímica de propóleos...

Introducción

Introduction

El nombre de propóleo proviene del griego propolis, pro “en defensa de” y polis “ciudad”; es decir, en defensa de la ciudad, que en el caso de las abejas se refiere a la colmena. El propóleo es una mezcla de resinas y exudados vegetales recolectados por las abejas (Apis mellifera Linnaeus, 1758), con el fin de sellar herméticamente su colmena e impedir que se forme dentro de ella cualquier tipo de contaminación, ya que actúa como un agente microbicida; por lo anterior se le ha usado de manera amplia y popular como un remedio medicinal desde tiempos remotos (Asís, 1991; Farré et al., 2004; Li-Chang et al., 2005).

The name comes from the Greek propolis, pro for “defending” and polis “city”, i. e., in defense of the city, which in the case of bees refers to the hive. Propolis is a mixture of resins and plant exudates collected by bees (Apis mellifera Linnaeus, 1758) in order to hermetically seal their hive and prevent it from forming inside any contamination because it acts as a microbicidal agent; for this property, propolis has been used widely and popularly as a medicinal remedy since ancient times (Assisi, 1991; Farré et al., 2004; Li-Chang et al., 2005). The antimicrobial, antifungal, antiviral and antiparasitic qualities attributed to this product, are also known as biological activity or just bioactivity (Banskota et al., 2001; Choi et al., 2006; Cruz et al., 2008; Vargas et al., 2013) which varies depending on the geographical natural source from where it comes (phytogeography) (Catalin et al., 2010; Yaghoubi et al., 2007).

Las propiedades antimicrobianas, antifúngicas, antivirales y antiparasitarias que se le atribuyen a este producto, también denominadas como actividad biológica o simplemente bioactividad (Banskota et al., 2001; Choi et al., 2006; Cruz et al., 2008; Vargas et al., 2013) varían en función de la fuente natural geográfica de donde es extraído (fitogeografía) (Catalin et al., 2010; Yaghoubi et al., 2007);y se atribuyen a la presencia de componentes químicos identificados como familias de polifenoles, flavonoides, ácidos fenólicos, etcétera, que pueden llegar a superar los 150 compuestos en un propóleo (Palomino et al., 2010). Entre las moléculas farmacológicamente activas destacan las de tipo flavonoides y ácidos fenólicos con sus ésteres.

The aforementioned properties are attributed to the presence of chemical components identified as families of polyphenols, flavonoids, phenolic acids, etc., which can reach more than 150 compounds in propolis (Palomino et al., 2010). Among the pharmacologically active molecules include the type of flavonoids and phenolic acids and their esters. In samples from tropical countries, which also have similar biological activity, terpenoid type molecules have been found prenylated derivatives of r-cumaric acids, lignans and prenylated benzophenones (Martínez et al., 2012). On the other hand, in Brazil main constituents of this bee product, terpenoids and prenylated derivatives of p-cumaric acids were found (Marcucci, 1995), while in Chile lignans were majorly detected, and in Venezuela, Brazil and Cuba prenylated benzophenones were found (Palomino et al., 2010).

En muestras provenientes de países del trópico, que tienen una actividad biológica similar, se han identificado moléculas de terpenoides, derivados prenilados de ácidos r-cumáricos, lignanos y benzofenonaspreniladas (Martínez et al., 2012). En Brasil se han aislado como sus constituyentes principales terpenoides y derivados prenilados de ácidos p-cumáricos (Marcucci, 1995), mientras que en Chile se han detectado, predominantemente, lignanos, y en Venezuela, Brasil y Cuba se hallaron benzofenonaspreniladas (Palomino et al., 2010).

Propolis originating from temperate zones (West Asia, Europe and North America) have a similar chemical composition between them; the main compounds of them are phenolic (flavonoids, cinnamic acids and derivatives).

Los propóleos originarios de zonas templadas (oeste de Asia, Europa y América del Norte) poseen una composición química parecida entre ellos en la que sobresalen los fenólicos (flavonoides, ácidos cinámicos y derivados).

Unfortunately few studies have been developed using Mexican propolis (Lotti et al., 2010), but what is clear is that all this suggests that the biological activity of propolis is due to the combination and synergy of the different compounds it contains.

Lamentablemente, pocos estudios han sido desarrollados con propóleos mexicanos (Lotti et al., 2010), pero es evidente que todo lo anterior sugiere que su actividad biológica se debe a la combinación y sinergias de los diferentes compuestos que contiene.

While the composition of propolis is very complex and varied, an estimate of the main constituents can be made, which are: 50 % resin, 30 % wax, 5 % pollen, 10 % essential oil, and 5 % other organic waste . It should be noted that most of the studies are not intended to determine the complete chemical composition, if only some of the components of interest, and the quantification thereof (Bracho, 2003).

Si bien, la composición del propóleo es muy compleja y variada, se puede hacer una estimación de sus componentes más importantes: resinas, 50 %; cera, 30 %; polen, 5 %; aceites

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esenciales, 10 %; y 5 %, de otros residuos orgánicos. Debe señalarse que la mayoría de los estudios no pretenden determinar la composición química completa, si no tan solo algunos de los elementos de interés, así como la cuantificación de los mismos (Bracho, 2003).

In recent works, analytical methods have been incorporated to those traditionally used (FTIR, UV-Vis absorbance and chromatography); such is the case of visible / near-infrared spectroscopy (Vis / NIR) fluorescence, Raman spectroscopy and nuclear magnetic resonance (NMR) (Cruz et al., 2008; Peña, 2008). It is assumed that spectral changes of analyzed propolis are directly linked to a change in chemical composition. Due to the variety of tree species from which the bees collect propolis, each region produces complex mixtures of compounds which in turn produce unique spectra, which can be considered as “fingerprints” of each one of them (Hacura, 2006; Yan-Wen et al., 2008; Cai et al., 2012).

En trabajos recientes se han incorporado métodos analíticos a los ya tradicionalmente usados (FTIR, absorbancia UV-Vis y cromatografía); tal es el caso de la espectroscopía infrarroja visible/cercana (Vis/NIR), fluorescencia, espectroscopía Raman y resonancia magnética nuclear (RMN) (Cruz et al., 2008; Peña, 2008). Se asume que cambios espectrales de un propóleo analizado están directamente ligados a una modificación en la su composición química. Debido a la variedad de especies de árboles de las que las abejas recolectan el propóleo, cada región produce mezclas complejas de compuestos que a su vez producen espectros únicos, los cuales se consideran como “huellas digitales” individuales (Hacura, 2006; Yan-Wen et al., 2008; Cai et al., 2012).

The objective of this work was the physicochemical characterization of propolis and its ethanolic extract [EEP] collected in Zapopan, Jalisco, Mexico, by Apis mellifera region. For this, the proportion of the main components (moisture, ashes and removable in ethanol) was determined; by spectrophotometric analytical techniques the content of total phenols, flavonoids was quantified and the spectral fingerprints (UV-Vis, fluorescence and FTIR) were obtained. Notably descriptive data are the first of a propolis in the region.

El objetivo del presente trabajo fue la caracterización fisicoquímica de propóleo y de su extracto etanólico [EEP] recolectado en la región Zapopan, Jalisco, México, por Apis mellifera, mediante la determinación de la humedad, cenizas, ceras y extraíbles en etanol; con técnicas analíticas espectrofotométricas se cuantificó el contenido de fenoles totales, flavonoides y se obtuvieron las huellas espectrales (UV-Vis, fluorescencia y FTIR). Cabe destacar que estos son los primeros datos descriptivos de un propóleo en la región de estudio.

Materials and Methods Study Area and propolis recruitment Propolis were taken from Africanized honeybees in the apiary of the Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias (CUCBA) of the Universidad de Guadalajara at km 15.5 of the Guadalajara-Nogales highway, Las Agujas, Nextipac property, Zapopan, Jalisco, Mexico, within 20°44’50.3” north and 103°30’43.6” west at 1 662 m. CUCBA is located near by the “La Primavera”Forest.

Materiales y Métodos Sitio de estudio y obtención de propóleos Los propóleos se obtuvieron de abejas melíferas africanizadas en el apiario del Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias (CUCBA) de la Universidad de Guadalajara, localizado en el km 15.5 de la carretera Guadalajara-Nogales, en el predio Las Agujas, Nextipac, municipio Zapopan, Jalisco, México; de acuerdo a las coordenadas: 20°44’50.3” de latitud norte y 103°30’43.6” de longitud oeste y una altitud de 1 662 m.

Samples were taken during fall, from September to November, 2013, by the plastic mesh method. The dominant vegetation around the apiary includes tree species such as: Quercus resinosa Liebm., Q. magnoliifolia Née, Q. castanea Née, Clethra rosei Britton, Arbutus xalapensis Kunth, Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl., P. devoniana Lindl., P. douglasiana Martínez, P. lumholtzii B. L. Rob. & Fernald, P. luzmariae Pérez de la Rosa and Arbutus glandulosa Mart. & Galleotti. The material was stored under refrigeration (2 °C) and without light for 72 h.

Las muestras se recolectaron en el otoño, de septiembre a noviembre de 2013, por el método de malla plástica. La vegetación predominante alrededor del apiario incluye especies arbóreas: Quercus resinosa Liebm., Q. magnoliifolia Née, Q. castanea Née, Clethra rosei Britton, Arbutus xalapensis Kunth, Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl., P. devoniana Lindl., P. douglasiana Martínez, P. lumholtzii B. L. Rob. & Fernald, P. luzmariae Pérez de la Rosa y Arbutus glandulosa Mart. & Galleotti. El material se almacenó en refrigeración (2 °C) y ausencia de luz durante 72 h.

Physical-chemical properties Analysis were performed thrice. The methods that were used are included in the Norma Ramal Cubana 932-88 (Asís, 1991); the use of this regulation obeys to the latitude reciprocation of the study region, which suggests that compositions are similar. To the ethanolic extract of propolis (EEP) were detected

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the contents of polyphenols and flavonoids and the UV-Vis fluorescence and infrared (FTIR) spectra were obtained. The physical-chemical tests were the following:

Propiedades fisicoquímicas. Los análisis se realizaron por triplicado. Los métodos utilizados correspondieron a los de la Norma Ramal Cubana 932-88 (Asís, 1991), cuyo uso obedece a la correspondencia de latitudes de la región de estudio, lo que hace suponer que se trata de composiciones similares. Al extracto etanólico de los propóleos (EEP) se le identificó el contenido de polifenoles y flavonoides y se aplicó espectrofotemetría de UV-Vis, fluorescencia e infrarrojo (FTIR). Las pruebas fisicoquímicas realizadas fueron las siguientes:

Ashes. They were gravimetrically determined when 0.5 g of the sample were charcoaled in a muffle at 500 °C for 4 h; afterwards, it was put into a desiccant until a constant weight was reached. Moisture. It was calculated by thermogravimetry; 0.5 g of the sample were dried in an Felisa FE-292AD oven at 105 ± 2 °C until a constant weight.

Cenizas. Se determinaron gravimétricamente al calcinar 0.5 g de muestra en mufla a 500 °C, durante 4 h; posteriormente se pasó a un desecador hasta alcanzar un peso constante.

Oxidation index. It was carried outs by the methodology of Salamanca et al. (2007) and Asís (1991). The method is based on the time that it takes to discolor a sodium permanganate solution by the reduction action of propolis in an acid medium, with some modifications, as described as follows: 0.2 g of propolis were weighted in an amber jar with cap; afterwards, 3 mL ethanol (96 %) were added and it was left 48 h stirring at 25 °C. This mixture was slowly passed through a filter paper. Next, 1 mL of this filtered and was dissolved in 25 mL distilled water in a volumetric flask. 0.5 mL of this solution was drained into a test tube, to which 0.5 mL distilled water and 1 mL 20 % H2SO4 were added and it was stirred for 1 min. Next, 50 μL of KMnO4 (0.1 N) solution were added.

Humedad. Se calculó de forma termogravimétrica; se secaron 0.5 g de muestra en estufa (Felisa FE-292AD) a 105 ± 2 °C hasta llegar a un peso constante. Índice de oxidación. Se realizó de acuerdo con la metodología de Salamanca et al. (2007) y Asís (1991). El método se basa en el tiempo que demora en decolorar una solución de permanganato de potasio por la acción reductora del propóleo en medio ácido, con modificaciones: se pesaron 0.2 g de propóleo en un frasco ámbar con tapa; enseguida se le adicionaron 3 mL de etanol (96 %) y se le dejó en agitación por 48 h a 25 °C. La mezcla obtenida se pasó lentamente a través de un papel filtro. A continuación, se tomó 1 mL del filtrado y se diluyó con agua destilada hasta 25 mL en un matraz aforado. De esta disolución se vertieron 0.5 mL a un tubo de ensayo, se le agregaron 0.5 mL de agua destilada y 1 mL de H2SO4 al 20 %, y se agitó durante 1 min; después de ese lapso se añadieron 50 μL de solución de KMnO4 (0.1 N).

Wax. Calculation was made through gravimetry (mass difference) between the original y the residual obtained through hexane extraction (40-60 °C) in a Soxhlet equipment for 8 h. Insoluble material in ethanol. 1 g of lean propolis was weighted and 10 mL of ethilic alcohol (96%) and it was left stirring for 24 h and at the end, it was filtered in Whatman No. 41 paper in a vacuum; the solid residue was dried at room temperature in a glass desiccant until constant weight, which corresponds to the insoluble material in ethanol.

Cera. Se determinó por gravimetría (diferencia de masas) entre una muestra original y el residuo obtenido mediante una extracción con hexano (40-60 °C) en un equipo Soxhlet, durante 8 h.

Exctracts in ethanol. Based upon the former methodological description, the difference of mass between the original sample and the insoluble material in ethanol is named “exctracts in ethanol”.

Material insoluble en etanol. Se pesó 1 gramo de propóleo desgrasado, y se le añadieron 10 mL de alcohol etílico (96 %); se dejó 24 h en agitación, al término se filtró a vacío en papel Whatman Núm. 41; el residuo sólido remanente se secó a temperatura ambiente en desecador de vidrio hasta peso constante, que corresponde al material insoluble en etanol.

Obtainment of the extracts. 5 g of lean prosopis were weighted, which were submitted to exhaustive extraction by stirring with 96 % ethanol (1g 10 mL-1) for 24 h at room temperature and without light. Later a vacuum was used for filtering with Whatman No. 41 paper; the solid fraction was put into Petri boxes, which were kept in a desiccant until in order to know the yield. The ethanolic fraction was subjected to an evaporation in a vacuum and at 40 °C, until de dry point. The resulting resine (EEPd) was bottled in amber phials and refrigerated under -12 °C for its later use. In the same way the raw propolis extract (not lean, EEPo) was produced.

Extraíbles en etanol. Basado en la descripción metodológica anterior, la diferencia de masa entre la muestra original y el material insoluble en etanol se denomina “extraíbles en etanol”. Obtención de los extractos. Se pesaron 5 g de propóleo desgrasado, los cuales se sometieron a extracción exhaustiva en agitación con etanol de 96 % (1 g 10 mL-1) durante 24 h, a temperatura ambiente y en ausencia de luz. Después se

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usó vacío para la filtración con papel filtro Whatman Núm. 41; la fracción sólida se colocó en cajas de Petri que se mantuvieron en desecador hasta alcanzar un peso constante, con el propósito de conocer el rendimiento. La fracción etanólica se sometió a un proceso de evaporación al vacío y temperatura de 40 °C, hasta el punto de sequedad. La resina resultante (EEPd) fue envasada en viales ámbar y refrigerada a -12 °C hasta su posterior utilización. De la misma forma se produjo el extracto de propóleo en crudo (sin desgrasado, EEPo).

Preparation of the ethanol propolis extracts (EEP) solutions. 0.33 g of EEP (lean and not lean) were weighted and were solved into 10 mL ethanol.

Quantitative determination of total phenols and flavonoids The total phenol content in the extract was determined by the Folin Ciocalteu (Singleton and Rossi, 1965) method, with Gallic acid as reference standard; calibration curves (100, 200, 300 and 400 ppm) were drawn and absorbance was read at 760 nm; the content of total flavonoids was quantified by the AlCl3 method (Woisky and Salatino, 1998), with quercetin as reference standard (40, 60, 80, 100 and 120 ppm) and absorbance was recorded at 420 nm; in both cases an Ocean Optics USB 4000 spectrophotometer and 96 % ethanol as target were used.

Preparación de las soluciones de extractos etanólicos de propóleo (EEP). Se pesaron 0.33 g de EEP (tanto desgrasado como sin desgrasar) y se disolvieron en 10 mL de etanol.

Determinación cuantitativa de fenoles totales y flavonoides El contenido de fenoles totales en el extracto fue determinado por el método de Folin Ciocalteu (Singleton y Rossi, 1965), con ácido gálico como estándar de referencia; se graficaron curvas de calibración (100, 200, 300 y 400 ppm) y se leyó la absorbancia a 760 nm; el contenido de flavonoides totales se cuantificó por el método del AlCl3 (Woisky y Salatino, 1998), con quercetina como estándar de referencia (40, 60, 80 100 y 120 ppm) y se registró la absorbancia a 420 nm; en ambos casos se usó un espectrofotómetro Ocean Optics USB 4000 y etanol al 96 % como blanco.

Spectroscopic analysis UV-Vis Spectroscopy. From the ethanolic extract (EEP) were made dilutions in 96 % ethanol and later were obtained the profiles of the absorbance in UV-Vis by an Ocean Optics USB 4000 equipment in a 200 to 450 nm range. Spectrofluorescence. In the same way and with the same solutions as with the UV-Vis Spectroscopy it was proceeded in order to establish the fluorescence profiles, only that the readings were made at a 400 a 650 nm range with an Ocean Optics USB 2000 FL.

Análisis espectroscópicos Espectroscopía UV-Vis. A partir de las soluciones de extracto etanólico (EEP) se hicieron diluciones en etanol al 96 % y enseguida se produjeron los perfiles de absorbancia en UV-Vis, mediante un equipo Ocean Optics USB 4000 en un intervalo de 200 a 450 nm.

FTIR Spectroscopy. The FTIR spectra of lean propolis (EEPd), which were prepared by the solution of 1 g in 10 mL ethanol. These analysis were made with a Perkin Elmer Spectrum GXTM model equipment in a 700 a 4 000 cm-1 range. In all the spectroscopic analysis there were also found the compound spectrum used as standards for the determination of total phenols and flavonoids: Gallic acid (SAG), quercetin (SQ) and a mixture in both (MAGQ).

Espectrofluorescencia. Se procedió de igual forma y con las mismas soluciones que en la espectroscopia UV-Vis, para establecer los perfiles de fluorescencia, solo que las lecturas se llevaron a cabo en un intervalo de 400 a 650 nm con un equipo Ocean Optics USB 2000 FL.

Results and Discussion

Espectroscopía FTIR. Se lograron los espectros de FTIR de soluciones de propóleo desgrasado (EEPd), las cuales se prepararon a partir de la disolución de 1 g en 10 mL de etanol. Estos análisis se efectuaron en un equipo Perkin Elmer modelo Spectrum GX® con aditamento de cristal de diamante, en un intervalo de 700 a 4 000 cm-1.

The physical-chemical assessment, total phenols and flavonoids of propolis as well as of its ethanolic extract are in Table 1. The per cent values of ashes and moisture (2.5 % and 4.0 %, respectively) in the studied propolis were considered right as a higher number than 5 % of the first one would be associated to a higher metal content, including some that are toxic, such as lead; in regard to moisture content, a value over 10 % indicates the presence of possible fermentations, which forms non desirable or polluting products that might be toxic and harmful for health (Palomino et al., 2010).

En todos los análisis espectroscópicos también se obtuvieron los espectros de los compuestos usados como estándares para la determinación de fenoles totales y flavonoides: ácido gálico (SAG), quercetina (SQ) y una mezcla de ambas (MAGQ).

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Delgado et al., Caracterización fisicoquímica de propóleos...

Cuadro 1. Caracterización del propóleo de estudio y su comparación con valores estandarizados. Table 1. Description of the studied propolis and its comparison with standard values.

Propóleo de este trabajo Norma Ramal Cubana 932-88

Humedad

Cenizas

Cera

Material insoluble

Extraíbles

Fenoles

Flavonoides

(%)

(%)

(%)

en etanol(%)

con etanol (%)

(%)

(%)

4

2.5*

47

16

33

8.6 **

4.3 **

≤10

≤5

≤ 45

≤ 30

≥30

-

-

*Las cenizas se consideran dentro de impurezas mecánicas. **Dentro de extraíbles con etanol. *Ashes are considered within the mechanical impurities **Within extractables with ethanol

The amount or wax in propolis was high (47 %); this value might be influenced by multiple factors: time of the year when it was collect, incorrect handling by the beekeeper, bee species that made the collection (Arrate, 2008; Londoño et al., 2008; Martínez et al., 2012). A high content of wax in raw propolis samples is unfavorable because in this fraction are present the phenolic compounds, which are associated to the biological activity (Cupull et al., 2013).

Resultados y Discusión La evaluación fisicoquímica, contenido de fenoles totales y flavonoides del propóleo y de su extracto etanólico se presentan en el Cuadro 1. Los valores porcentuales de cenizas y humedad (2.5 % y 4.0 %, respectivamente) se consideran adecuados debido a que un valor superior a 5 % de cenizas estaría asociado a un mayor contenido de metales, incluso algunos que resultan nocivos, como el plomo; en cuanto al contenido de humedad, un porcentaje superior a 10 % sería indicativo de ocurrencia de posibles fermentaciones, lo que genera productos no deseados o contaminantes, que pueden ser tóxicos y perjudiciales para la salud (Palomino et al., 2010).

In addition to the wax content, another parameter that notably influences the quality of propolis is the content of soluble resines in ethanol since, the higher this value of this fraction becomes, better would be the quality of the final product, since there is where the compounds of interest are. In the particular case of this study, the value of 33 % is favorable, starting from the wax content that was found. Also, the insoluble material is an element of popolis that does not have the active principles and its high presence depreciates the product (Arrate, 2008). The result for this parameter in the studied propolis was 16 %, that is, it has almost no mechanical impurities, which places it 50 % under what the Ramal Cubana 932-88 regulation states (Asís, 1991).

La cantidad de cera presente en el propóleo resultó alta (47 %), y posiblemente esté influenciado por múltiples factores: la época del año en que se recolectó, por una mala manipulación del apicultor, o por la especie de abeja que llevó a cabo la recolección (Arrate, 2008; Londoño et al., 2008; Martínez et al., 2012). Un gran contenido de ceras en muestras de propóleos crudos es desfavorable, porque en esta fracción no están los compuestos fenólicos, los cuales se asocian con la actividad biológica (Cupull et al., 2013).

Finally, a fast determination of the antioxidant (related to the biological activity of propolis), is the oxidation index. Results for this tests were seven seconds in average, a number that is a good indicator of the presence of phenolic compounds, or with oxidating functional groups (Palomino et al., 2010), as the Ramal Cubana regulation defines 22 seconds as maximum (Asís, 1991).

Además del contenido de ceras, otro parámetro que incide notablemente en la calidad del propóleo son las resinas solubles en etanol, ya que cuanto mayor sea el valor de esta fracción, mejor será el producto final, debido a que es en ella donde están los compuestos de interés. En el caso particular del estudio que se documenta, el valor de 33 % resulta favorable, si se considera el contenido de ceras determinado. Adicionalmente, el material insoluble es un elemento que no contiene los principios activos y su elevada presencia deprecia el producto (Arrate, 2008). En el propóleo analizado, este parámetro fue de 16 %; es decir, casi no contiene impurezas mecánicas, y se ubica 50 % por debajo de lo establecido en la norma Ramal Cubana 932-88 (Asís, 1991).

The quantification of total phenolic compounds in the EEP showed a content of 260 mg equivalent to Gallic acid / g of the sample. On the other hand, the flavonoid concentration obtained in EEP was 130 mg equivalent to quercetin g-1 of the sample. Lotti et al. (2010) recorded, for the first time, the existence of isoflavonoids in Mexican propolis; the importance of the presence and concentration of phenolic compounds lies in the fact that it is to these molecules to which are attributed the biological properties of propolis, mainly the flavonoid compounds that are associated to antimicrobial activity (Manrique, 2006; Mihai et al., 2012).

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Una determinación rápida de la capacidad antioxidante (asociada a la actividad biológica del propóleo) es el índice de oxidación. Los resultados para esta prueba fueron en promedio de siete segundos, número que representa un buen indicador de la presencia de compuestos de naturaleza fenólica, o con grupos funcionales oxidables (Palomino et al., 2010), ya que la norma de Ramal Cubana (Asís, 1991) establece 22 segundos como máximo.

When referring to these compounds in per cent terms in regard to raw propolis, there are 8.6 % of total phenols, an amount that seems to be low; however, the content of flavonoids is 43 %, that is, its proportion within the total phenols is 50 %, a relevant and important value due to the properties to which are linked this kind of molecules.

La cuantificación de compuestos fenólicos totales en los EEP arrojó un contenido de 260 mg equivalentes de ácido gálico por gramo de muestra. Por otra parte, la concentración de flavonoides obtenida en EEP fue de 130 mg equivalentes de quercetina g-1 de muestra. Lotti et al. (2010) registraron por primera vez la existencia de isoflavonoides en propóleos mexicanos; la importancia de la presencia y concentración de compuestos fenólicos radica en que se les atribuyen las propiedades biológicas del propóleo, principalmente, los tipo flavonoides que se asocian a la actividad antimicrobiana (Manrique, 2006; Mihai et al., 2012).

Since Gallic acid and quercetin are used to determine the phenol and flavonoid content (bioactive molecules) respectively, in the propolis (Cai et al., 2012) were obtained the spectral fingerprints of absorbance for the pure molecules, as well as a mixture of them, which are shown in Figure 1a. In the case of SAG were observed the characteristic signals reported by Hernández et al. (2013) at 220 and 267 nm (221 and 267 in the solution of this study); in SQ are appreciated the signals previously described by Dimarco et al. (2012) that are located in 260 and 375 nm (255 and 376 in the actual study). In addition, one more pair of signs at 210 and 230 nm appeared. When the mixture of standard solutions was analyzed, the MAGQ specter was found, which if carefully observed, is the result of the addition of signals of the individual standard spectra; in the 200 to 300 nm zone, the peaks of quercetin are screened for the greatest absorbance of the Gallic acid.

UV-Vis Spectroscopy

Al referirse a estos compuestos, en términos porcentuales respecto al propóleo bruto, hay 8.6 % de fenoles totales, cantidad que parece ser baja; sin embargo, el contenido de flavonoides es de 4.3 %; por lo que su proporción dentro de los fenoles totales es de 50 %, valor relevante e importante debido a las propiedades a las que se asocian esas moléculas.

Figure 1b shows the absorbance spectrum of the EEPo and EEPd, that show two characteristic and distinctive signals: at 211 and at 292 nm; the difference of intensities between EEPo and EEPd are associated to the difference in the content of wax and grease that were removed in EEPd; therefore, the behavior of absorbance is the same for both EEP, which seems to be basically governed by the content of total phenolic compounds which is based on the signals at 211 nm for both EEP, which is very close to that of MAGQ at 223 nm, while the 292 nm signal looks displaced to the right compared to the MAGQ which is at 262 nm and further (to the left) of 373 nm. This tendency (two signals) in the EEP atypical in contrast to absorbance spectra of other porpolis, as most the them have only one single signal between 200 and 230 nm, or either a wide curve of 210 to 300 nm (Samara et al., 2011; Bedascarrasbure et al., 2004).

Espectroscopía UV-Vis Dado que se emplean tanto el ácido gálico, como la quercetina en la determinación del contenido en el propóleo de fenoles y flavonoides (moléculas bioactivas), respectivamente (Cai et al., 2012), se obtuvieron las huellas espectrales de absorbancia para las moléculas puras, así como una mezcla de las (Figura 1a). En el caso de SAG se distinguen las señales características registradas por Hernández et al. (2013) a 220 y 267 nm (221 y 267 en la solución del estudio); en la SQ también se aprecian señales previamente establecidas por Dimarco et al. (2012) que se ubican en 260 y 375 nm (255 y 376 en el estudio). Además, se evidencian un par de señales más a 210 y 230 nm. Al analizar la mezcla de las soluciones estándar, se obtuvo el espectro de la MAGQ que, si se observa con atención, es el resultado de la suma de las señales de los espectros de los estándares individuales; en la zona de los 200 a los 300 nm los picos de la quercetina son apantallados por la mayor absorbancia del ácido gálico. La Figura 1b muestra el espectro de absorbancia de los EEPo y EEPd que presentan dos señales características y distintivas: a 211 y 292 nm; las distintas intensidades entre EEPo y EEPd se asocian a la diferencia en el contenido de ceras y grasas que fueron removidas en el caso del EEPd; por ello, el comportamiento de la absorbancia es casi el mismo para

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ambos EEP, lo que parece estar regido, básicamente, por el contenido de compuestos fenólicos totales, esto obedece a las señales a 211 nm para ambos EEP muy cerca de la que presenta MAGQ a los 223 nm, mientras que la señal a los 292 nm aparece desplazada a la derecha, con respecto al de la MAGQ que está a 262 nm y lejos (hacia la izquierda) de la de 373 nm. Esa tendencia (dos señales) en los EEP es atípica en comparación con espectros de absorbancia de otros propóleos, pues la mayoría tiene una sola señal entre 200 y 230 nm o bien una amplia curva de 210 a 300 nm (Samara et al., 2011; Bedascarrasbure et al., 2004).

Spectrofluorometry The spectra that were obtained by the spectrofluorometry method are shown in figures 2a and 2b. When analyzing the one of the SAG, SQ and MAGQ standard (Figure 2a), it can be recognized how SAG has low fluorescence intensity compared to SQ, an effect that seems to be associated to what has been called “molecular stiffness”, which involves the number of rings and double links in the standard molecule, and that, in this case, favors the mostly combined flavonoid type molecule as quercetin (SQ). The signals of fluorescence intensity

Figura 1. Espectros de absorbancia: a) comparación entre solución estándar de ácido gálico (SAG), solución estándar de quercetina (SQ) y mezcla (MAGQ). b) Extractos etanólicos de propóleo (EEPo y EEPd) y MAGQ. Figure 1. Absorbance spectra: a) comparison between the standard solution of Gallic acid (SAG), the standard solution of quercetin (SQ) and mixture (MAGQ); b) Ethanolic extracts of propolis (EEPo and EEPd) and MAGQ. in literature (Frederice et al., 2010; Singh et al., 2013) of 490 and 540 nm for SAG and of 496cand 532 nm for SQ are consistent with those of the actual work (494 and 535 nm for SAG and SQ); surprisingly, the MAGQ mixture seems to provoke a “quenching” effect, since it reduces drastically the intensity of fluorescence to 535 and 494 nm. Also, a new band is generated in an inverse sense to Stokes displacement (to the left) at 406 nm, even though of medium intensity.

Espectrofluorometría Los espectros obtenidos por el método de espectrofluorometría se muestran en las figuras 2a y 2b. Al analizar el de las soluciones estándar SAG, SQ y MAGQ (Figura 2a), se puede reconocer como SAG, tiene poca intensidad de fluorescencia en comparación con SQ, efecto que parece estar asociado a lo que se denomina “rigidez molecular”, que involucra la cantidad de anillos y dobles enlaces en la molécula del estándar, y que en este caso favorece a la molécula mayormente conjugada tipo flavonoide como la quercetina (SQ). Las señales de intensidad de fluorescencia consignadas en la literatura (Frederice et al., 2010; Singh et al., 2013) de 490 y 540 nm para SAG y de 496 y 532 nm para SQ son consistentes con los aquí documentadas (494 y 535 nm para SAG y SQ); sorprendentemente, la mezcla

The fluorescence spectra for EEPo and EEPd are similar between them (Figure 2b), with signals of maximum intensity at 540 and 535 nm, regardless of wether EEP is lean or not; also, such value coincides with the maximum fluorescence intensity for SAG, SQ and MAGQ which is de 535 nm. From tendency and intensity, it seems that flavonoids are analyzed by similitude to the SQ spectrum.

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MAGQ parece provocar un efecto de “quenching” ya que reduce de forma drástica la intensidad de fluorescencia a 535 y 494 nm. Asimismo, se genera una nueva banda en sentido contrario al desplazamiento de Stokes (hacia la izquierda) a 406 nm, aunque de mediana intensidad.

FTIR Spectroscopy Infrared spectra were formed with the aim to identify the main functional groups and links of the components in the resulting propolis (EEPd). In Figure 3 can be observed the infrared spectra in transmittance for the EEPd and its comparison with Gallic acid and quercetin.

Figura 2. Espectros de intensidad de fluorescencia: a) comparación entre solución estándar de ácido gálico (SAG), solución estándar de quercetina (SQ) y mezcla (MAGQ). b) Extractos etanólicos de propóleo (EEPo y EEPd) y MAGQ. Figure 2. Fluorescence intensity spectra: a) comparison between the standard solution of Gallic acid (SAG), the standard solution of quercetin (SQ) and mixture (MAGQ); b) Ethanolic extracts of propolis (EEPo and EEPd) and MAGQ. Los espectros de fluorescencia para EEPo y EEPd son similares entre sí (Figura 2b), con señales de máxima intensidad a 540 y 535 nm, independientemente de si está desgrasado o no el EEP; además, dicho valor coincide con la máxima intensidad de fluorescencia para SAG, SQ y MAGQ que es de 535 nm. Por tendencia e intensidad, parece que se analizan flavonoides por su similitud al espectro de SQ.

As it can be appreciated, the main signals are coincidental among them, only with slight displacements, which could be related with the presence of different kinds of phenols in the EEPd extract, while the signals of the spectrum of Gallic acid are just one of them in particular. This too can be seen with more detail in Table 2, in which a summary of the main signals for phenols and flavonoids are shown and it is easy to find that most of the characteristic signals of phenols do coincide with those obtained for the EEPd extract.

Espectroscopía FTIR

Something alike happens with the EEPd and the quercetin spectra (Figure 3), in which almost all the signals exist, in SQ and in the extract, in a similar way only with a slight displacement, which have already been registered by some authors for this kind of samples (Yan-Wen et al., 2008). In an analogous way (Table 2), there is high correspondence of the signals of the sample analyzed in the laboratory (EEPd) with those in literature (Yan-Wen et al., 2008; Cai et al., 2012) for phenols and flavonoids; this can be considered as a strong indicator of

Se generaron espectros de infrarrojo con el objetivo de identificar los principales grupos funcionales y enlaces de los componentes en el propóleo obtenido (EEPd). En la Figura 3 se observan los espectros de infrarrojo en transmitancia para la muestra EEPd y su comparación con ácido gálico y quercetina. Como se aprecia, las principales señales se corresponden entre sí, tan solo con ligeros desplazamientos, lo cual es factible que se relacione con la presencia de diferentes tipos de fenoles en el extracto EEPd, mientras que las señales del espectro de ácido gálico son solo de uno de ellos en particular. Lo anterior

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Delgado et al., Caracterización fisicoquímica de propóleos...

también se advierte con mayor detalle en el Cuadro 2, en el que se ofrece un resumen de las principales señales para fenoles y flavonoides, y es fácil visualizar que la mayoría de las señales características de los fenoles se corresponden con las obtenidas para el extracto EEPd.

the presence of both types of compounds in the extract, which can be explained with the main characteristic signals for them are: vibration and bending at 1 450 cm -1 (for this study, 1 450-1 455 cm-1), of vibration and bending at 1 369 cm-1 (for this study, 1 380 cm-1) and of vibration, lengthening and

Cuadro 2. Principales señales de FTIR para el extracto (EPPd) y su comparación con los de la literatura (Yan-Wen et al., 2008). Table 2. Main FTIR signals for the extract (EPPd) and its comparison with those in literature (Yan-Wen et al., 2008). Frecuencia, cm-1 (literatura)

Frecuencia, cm-1 (este trabajo)

Tipo de señal

Tipo de enlace

Asignación

3335

3339

Alargamiento

O–H y N–H

Hidroxilos y aminas

2917

2973

Alargamiento asimétrico

C–H

grupos CH2 de saturación

2849

2880

Alargamiento simétrico

C–H

Hidrocarbonos

1699

1653

Vibración de flexión asimétrica

C=O

Lípidos, flavonoides y aminoácidos

1661

1653

Vibración de alargamiento (C–O) y flexión (C–OH)

C–O y C–OH

Lípidos y alcoholes terciarios

1513

-

Alargamiento

Compuestos aromáticos

Flavonoides y anillos aromáticos

1450

1450-1455

Vibración de flexión

C-H de grupos CH2 y CH3, aromáticos

Flavonoides y anillos aromáticos

1369

1380

Vibración de flexión

C-H

grupo CH3 de flavonoides

1269

1274

Vibración de flexión (O–H) y de flexión asimétrica (C–CO)

O–H y C–CO

Hidrocarburos

1088

1087

Vibración de alargamiento (C-C) y flexión (C–OH)

C–C y C–OH

Flavonoides y grupos alcohólicos secundarios

1043

1046

Alargamiento (=C-O-C), Alargamiento (C-C) y flexión (C-OH)

=C–O–C, C–C y C– OH

Grupos alcohólicos primarios

881

880

Estiramiento simétrico

C-C-O

Alcoholes primarios y secundarios

Algo similar ocurre con la comparación entre los espectros de EEPd y la quercetina (Figura 3), en la que prácticamente todas las señales existen, tanto en SQ como en el extracto, de modo parecida tan solo con ligeros desplazamientos, los cuales has sido ya registrados por algunos autores para este tipo de muestras (Yan-Wen et al., 2008). De forma análoga (Cuadro 2), hay alta correspondencia de las señales de la muestra analizada en el laboratorio (EEPd) con las dadas a conocer por diversos autores (Yan-Wen et al., 2008; Cai et al., 2012) para fenoles y flavonoides; lo cual se puede considerar como un fuerte indicativo de la presencia de los dos compuestos en el extracto, y se explica porque las señales características principales para ambos son vibración y flexión a 1 450 cm-1 (para este estudio, 1 450-1 455 cm-1), de vibración y flexión a

bending at 1 088 cm-1 (for this study, 1 087 cm-1). The signal at 880 cm-1 is related to primary and secondary alcohols, and specifically ethanol shows a symmetrical stretching at 880-881 cm-1 (for this study, 800 cm-1), which obeys to the fact that the extracts are dissolved into ethanol.

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1 369 cm-1 (en el presente trabajo, 1 380 cm-1) y de vibración, alargamiento y flexión a 1 088 cm-1 (para el caso analizado, 1 087 cm-1). La señal a 880 cm-1 está asociada a alcoholes primarios y secundarios y específicamente en el etanol se da un estiramiento simétrico a 880-881 cm-1 (para este estudio, 800 cm-1), en respuesta a que los extractos están disueltos en etanol.

The infrared spectra for the EPPd sample may be considered as a “fingerprint” of the studied propolis in particular. It has been recorded by other authors (Zimnicka and Hacura, 2006; Shang, 2011) that the composition of propolis may vary with the area and the season in which they are collected.

Figura 3. Espectros de FTIR de A) propóleo desgrasado (EEPd), B) ácido gálico (SAG) y C) quercetina (SQ). Figure 3. FTIR spectra of: A) lean propolis (EEPd), B) Gallic acid (SAG) and C) quercetin (SQ). Los espectros de infrarrojo obtenidos para la muestra EPPd se considera como una “huella digital” del propóleo estudiado. Ha sido consignado por otros autores (Zimnicka y Hacura, 2006; Shang, 2011) que la composición de los propóleos pueden variar con el área y la estación del año en los que se recolectan.

Therefore, it can be proposed the use of the spectroscopic techniques (UV-VIS, Fluorescence, FTIR) to monitor the composition of propolis or infections of the beehive by bacteria or virus along time and use the changes in the spectra as indicators of the modifications in the environment, which may take place in the tree species from which bees take the different ingredients to make this important product.

Por lo anterior se propone el uso de las técnicas espectroscópicas (UV-VIS, Fluorescencia, FTIR) para dar un seguimiento a la composición del propóleo o a infecciones de la colmena por bacterias o virus a lo largo del tiempo, y usar los cambios en los espectros como indicadores de las modificaciones en el medio ambiente, las cuales son factibles de verificarse en las especies de árboles de las que las abejas obtienen los diferentes componentes para elaborar este importante producto.

Conclusions This is the first study of the physical-chemical description of propolis collected in La Primavera Forest, in which the analyzed sample showed characteristics which place it within the parameters established in the Ramal Cubana 932-88 regulation, according to which it is considered that it has a great potential to develop biological activity and possible applications in the health area.

Conclusiones

The obtained spectra suggest that the UV-Vis profile is atypical since it has two particular and differentiated signals; this kind of result would be more linked to the existence and concentration of total phenols. The fluorescence profile suggests

El estudio que se presenta constituye la primera descripción fisicoquímica de propóleo procedente del Bosque La Primavera, en el que la muestra analizada presenta características ubicadas

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Delgado et al., Caracterización fisicoquímica de propóleos...

compounds with combined rings and a great amount of double links, such as the flavonoid type of molecules have, which have a unique fluorescent emission spectrum. About the analysis by FTIR, the spectra revealed almost the total representative signals of the chemical groups of phenols and flavonoids, which is an indicator of such compounds of the studied propolis.

dentro de los parámetros establecidos en la norma Ramal Cubana 932-88, en función de los cuales se considera que tiene un gran potencial para desempeñar actividad biológica y, por lo tanto, tener aplicaciones en el área de la salud. Los espectros obtenidos sugieren que el perfil UV-Vis es atípico, ya que tiene dos señales particulares y diferenciadas; resultados más asociado a la existencia y concentración de fenoles totales. El perfil de fluorescencia evidencia compuestos con anillos conjugados y gran cantidad de dobles enlaces, como los que se observan en las moléculas tipo flavonoide, los cuales poseen un espectro de emisión fluorescente único. En cuanto al análisis mediante FTIR, los espectros revelaron prácticamente la totalidad de las señales representativas de los grupos químicos correspondientes a fenoles y flavonoides, indicador de la presencia de dichos compuestos en el propóleo estudiado.

Conflict of interests The authors declare no conflict of interests.

Contribution by author María de Lourdes Delgado Aceves: experimental development, calculations and writing of the manuscript; Jesús Ángel Andrade Ortega: original idea and planning of the work, negotiation of material and financial resources, review of experimental results, writing and correction of the manuscript; Carlos Alberto Ramírez Barragán: experimental development, review of results of the experimental work, writing and correction of the manuscript.

Conflicto de intereses Los autores declaramos no tener conflicto de intereses.

Acknowledgements

Contribución por autor

The authors would like to express their gratitude to Mtro. Rafael Ordaz Briseño for the provided facilities for the collection of propolis in the apiary of the Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias (CUCBA) de la Universidad de Guadalajara.

María de Lourdes Delgado Aceves: desarrollo experimental, cálculos y redacción; Jesús Ángel Andrade Ortega: concepción y planeación del trabajo, gestión de recursos materiales y económicos, revisión de resultados de trabajo experimental, redacción y corrección del manuscrito y Carlos Alberto Ramírez Barragán: desarrollo experimental, revisión de resultados de trabajo experimental, redacción y corrección del documento.

End of the English version

Agradecimientos Los autores desean expresar al Mtro. Rafael Ordaz Briseño por las facilidades otorgadas en el muestreo de propóleo en el apiario del Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias (CUCBA) de la Universidad de Guadalajara.

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Delgado et al., Caracterizaci贸n fisicoqu铆mica de prop贸leos...

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Artículo / Article

Obtención de azúcares fermentables desde residuos de cartón para cultivar levaduras de interés biotecnológico Procurement of fermentable sugars from cardboard waste for the cultivation of yeasts for biotechnological use Yolanda González García1, Juan Carlos Meza Contreras1, José Anzaldo Hernández1 y Rubén Sanjuán Dueñas1 Resumen Se estudió el efecto de diferentes condiciones de hidrólisis ácida (tipo y concentración de ácido, relación sólido: líquido, temperatura) sobre la obtención de azúcares fermentables a partir de residuos de cartón. El hidrolizado resultante se describió en términos de la concentración y tipo de azúcares así como del contenido de compuestos fenólicos. Después dicho hidrolizado se evaluó como fuente de carbono para el crecimiento de las levaduras oleaginosas de Rhodotorula glutinis y Cryptococcus curvatus, que fue previamente destoxificado con carbón activado, con el fin de disminuir la concentración de compuestos inhibidores del crecimiento microbiano, tales como derivados fenólicos generados durante el proceso de hidrólisis ácida. Se obtuvo un hidrolizado con una concentración máxima de azúcares fermentables de 20.9 g L-1 bajo las siguientes condiciones: catalizador, ácido sulfúrico al 10 %, temperatura, 125 °C, relación sólido: líquido, 60 g L-1. La glucosa resultó ser el principal carbohidrato presente y se detectó una pequeña proporción de oligosacáridos. Se encontraron 328.7 mg L-1 de compuestos fenólicos totales como subproductos de la hidrólisis del cartón. Respecto al crecimiento microbiano, los resultados sugieren que R. glutinis es tolerante al hidrolizado sin destoxificar, alcanzando hasta 8.1 g L-1 de biomasa, mientras que C. curvatus no fue capaz de desarrollarse en este, a pesar de haberse destoxificado con diferentes concentraciones de carbón activado. Se concluye que los residuos de cartón son una fuente importante de azúcares para ser utilizados en procesos de fermentación.

Palabras clave: Azúcares fermentables, cartón, compuestos fenólicos, Cryptococcus curvatus (Diddens & Lodder) Golubev, 1981, levaduras oleaginosas, Rhodotorula glutinis (Fresen.) F. C. Harrison (1928). Abstract The effect of different acid hydrolysis conditions (acid concentration, solid:liquid ratio and temperature) on the production of fermentable sugars from cardboard waste was studied. The hydrolysate so obtained was characterized with regard to the sugar concentration and specific monosaccharides composition as well as to the phenolic compounds content. Next its use as carbon source for the growth of the yeasts Rhodotorula glutinis and Cryptococcus curvatus was evaluated. The hydrolysate was previously detoxified with activated charcoal in order to decrease the concentration of growth-inhibitory compounds, such as phenolics produced during the acid hydrolysis process. An hydrolysate with a maximum fermentable sugars concentration of 20.9 g L-1 was obtained under the following conditions: catalyst, sulfuric acid 10 %, temperature, 125 °C, solid:liquid ratio, 60 g L-1. The main carbohydrate present in the hydrolysate was glucose. Concerning to the hydrolysis byproducts it was found 328.7 mg L-1 of phenolic compounds. About the microbial growth, the results suggest that R. glutinis is able to tolerate the inhibitory compounds present in the hydrolysate producing up to 8.1 g L-1 of biomass, while C. curvatus was unable to growth on this carbon source. It is concluded that the findings of the present study demonstrated that the cardboard waste is a potential source of fermentable sugars to be used in biotechnology processes for obtaining microbial metabolites of commercial interest.

Key words: Fermentable sugars, cardboard, phenolic compounds, Cryptococcus curvatus (Diddens & Lodder) Golubev, 1981, oleaginous yeasts, Rhodotorula glutinis (Fresen.) F. C. Harrison (1928). Fecha de recepción/date of receipt: 25 de noviembre de 2014; Fecha de aceptación/date of acceptance: 10 de febrero de 2015. 1 Departamento de Madera, Celulosa y Papel. Universidad de Guadalajara. Correo-e: yolacea@yahoo.com


González et al., Obtención de azúcares fermentables desde residuos...

Introducción

Introduction

En la actualidad, existe gran interés por el uso de biomasa lignocelulósica como productora de azúcares fermentables para obtener compuestos de importancia comercial tales como bioetanol, ácido láctico, xilitol y proteína unicelular (Kuloyo et al., 2014; Guerfali et al., 2014; Wu et al., 2014).

At present, there is great interest for the use of lignocellulosic biomass as a producer of fermentable sugars to obtain compounds of commercial value such as bioethanol, lactic acid, xylitol and unicellular protein (Kuloyo et al., 2014; Guerfali et al., 2014; Wu et al., 2014).

Una de las principales fuentes de material celulósico residual es sin duda la industria de la madera, celulosa y papel, que genera una gran cantidad de productos y subproductos ricos en carbohidratos. Entre estos destacan los lodos de papel y los residuos de cartón que representan 13.8 % de los residuos sólidos municipales de México (Semarnat, 2012); dichos materiales contienen de 20 a 75 % de celulosa y hemicelulosa en base seca, aunque también incluyen lignina, recubrimientos y aditivos. Su alto contenido de hidratos de carbono los convierte en fuente de azúcares para el cultivo de diferentes microorganismos (Ming-Jun et al., 2011).

One of the major sources of residual cellulosic material is, undoubtedly, the wood, cellulose and paper industry, which generates a great amount of products and sub-products rich in carbohydrates. Among them, the paper muds and the cardboard wastes are outstanding, as they make up 13.8 % of the municipal solid residues produced in Mexico (Semarnat, 2012); such materials have between 20 and 75 % of cellulose and hemicellulose in dry base, even when they include, as well, lignin, coverings and additives. Its high content of carbon hydrates makes them a sugar source for the cultivation of different microorganisms (Ming-Jun et al., 2011).

Al comparar con otros efectos lignocelulósicos (MLig) como el olote de maíz, la paja de trigo, de arroz, y los bagazos, los residuos de papel y cartón son más susceptibles a los tratamientos de hidrólisis debido a que ya han sido expuestos a un extenso procesamiento mecánico y químico durante el pulpeo (Marques et al., 2008). La hidrólisis y fermentación de estos residuos para obtener etanol han sido previamente estudiados (Fan y Lynd, 2007; Marques et al., 2008), sin embargo, no existen trabajos documentados sobre su uso para el cultivo de levaduras oleaginosas como Rhodotorula glutinis (Fresen.) F. C. Harrison (1928) y Cryptococcus curvatus (Diddens & Lodder) Golubev, 1981 que son capaces de acumular aceite como materia prima para producir biodiesel. Una opción viable para la producción biotecnológica de lípidos es el cultivo de estas levaduras con residuos de bajo costo (Gao et al., 2014), como los materiales mencionados previamente. En este sentido, la principal limitante para aprovechar la biomasa celulósica como fuente de carbohidratos para fermentaciones es la disponibilidad de los azúcares simples, como glucosa y xilosa, ya que estos forman parte de los polímeros de celulosa y hemicelulosa.

When comparing other lignocellulosic options (MLig) such as corncob, wheat straw, rice straw and chaff, paper and cardboard wastes are more prone to the hydrolysis treatments, since they have already been exposed to a great mechanical and chemical processing during pulping (Marques et al., 2008). Hydrolysis and fermentation of these wastes to get ethanol have been previously studied (Fan y Lynd, 2007; Marques et al., 2008), however, there are not documented works about their use for the cultivation of oil yeasts such as Rhodotorula glutinis (Fresen.) F. C. Harrison (1928) and Cryptococcus curvatus (Diddens & Lodder) Golubev, 1981 which are able to store oil as raw material for biodiesel production. One viable option for the biotechnological production of lipids is the cultivation of these yeasts with low cost wastes (Gao et al., 2014), with the aforementioned materials. In the actual study the main limitation to use cellulosic biomass as a carbohydrate source for fermentations is the availability of simple sugars, such as glucose and xylose, since they are part of the polymers of cellulose and hemicellulose. Based on the previous arguments, it is necessary to carry out a hydrolysis process to obtain these assimilable sugars by microorganisms. The most documented of them are the biological kind (by using microorganisms and enzymes) and the chemical (by using acids or alkali). The acid hydrolysis is the mostly used method and it has been applied at a commercial scale since 1909 at the United States of America, some European and Asian countries, to produce fermentable sugars and take wood as the substrate for the fabrication of bioethanol (Tsao et al., 1978). From hydrolyzed acids coming from agribusiness wastes, fermentations have been produced to obtain unicellular protein and several chemical compounds (Ferrer et al., 2002).

Por lo anterior es necesario llevar a cabo un proceso de hidrólisis para la obtención de los azúcares asimilables por los microorganismos. Los procesos más documentados son el biológico (por medio de microorganismos o enzimas) y el químico (mediante el uso de ácidos o álcalis). La hidrólisis ácida es el método más empleado y se ha implementado a escala comercial desde 1909 en Estados Unidos de América y algunos países de Europa y Asia para generar azúcares fermentables y utilizar madera como sustrato para la producción de bioetanol (Tsao et al., 1978). Incluso, a partir de hidrolizados ácidos de residuos agroindustriales se han desarrollado también fermentaciones para obtener proteína unicelular y otros compuestos químicos (Ferrer et al., 2002).

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Algunos de los parámetros más estudiados en este proceso han sido la temperatura y el tipo de ácido entre los que destacan el clorhídrico y el sulfúrico, de los cuales el último ofrece mayores ventajas (Pedersen et al., 2010). Sin embargo, los hidrolizados obtenidos por el proceso ácido contienen inhibidores del crecimiento microbiano como el ácido acético, el ácido fórmico, el furfural (Chandel et al., 2013) y compuestos fenólicos que se derivan de la compleja estructura de la lignina (Binder y Raines, 2010), por lo que es importante evaluar el efecto de los mismos sobre el proceso de fermentación.

Some of the mostly studied parameters in this process have been temperature and the kind of acid, among which the hydrochloric acid and the sulphuric acid are outstanding, and the latter offers interesting advantages (Pedersen et al., 2010). However, the hydrolyzed obtained from the acid process have microbe growth inhibitors such as the acetic acid, the formic acid (Chandel et al., 2013) and phenolic compounds that come from the complex structure of lignin (Binder and Raines, 2010); so, it is important to assess the effect of them upon the fermentation process. In this research, it was studied the procurement and chemical description of an acid hydrolyzate of cardboard wastes under different reaction conditions, its treatment with activated carbon to eliminate microbe growth inhibitors and is later use as a carbon source for the cultivation of oil yeasts.

En este trabajo se estudió la obtención y caracterización química de un hidrolizado ácido de residuos de cartón bajo diferentes condiciones de reacción, su tratamiento con carbón activado para eliminar compuestos inhibidores del crecimiento microbiano y su uso posterior como fuente de carbono para el cultivo de levaduras oleaginosas.

Materials and Methods

Materiales y Métodos

Cardboard wastes

Residuos de cartón

Corrugated cardboard wastes (40 mesh) were handled. Samples were taken from five different sets and were described according to the TAPPI regulations (TAPPI, 2007), in regard to the following criteria: humidity, total extractives, cellulose, hemicellulose, lignin and ashes.

Se trabajó con residuos de cartón corrugado (malla 40). Se tomaron muestras de cinco lotes diferentes y se describieron de acuerdo a las normas TAPPI (TAPPI, 2007), de acuerdo a los siguientes criterios: humedad, extraíbles totales, celulosa, hemicelulosa, lignina y cenizas.

Cardboard acid hydrolysis

Hidrólisis ácida del cartón

Hydrochloric acid (HCl) and sulphuric acid (H2SO4) were tested for cardboard waste hydrolysis. Their effect upon their concentration, temperature and the solid:liquid ratio effect over the hydrolysis efficiency (yield) and the fermentable sugar concentration were analyzed. A 23 factorial experimental design with two replications was applied with the three factors in tow levels: acid concentration, 2 and 10 %; hydrolysis temperature, 100 and 125 °C; solid:liquid ratio (cardboard:acid), 20 and 60 g L-1.

Se ensayaron el ácido clorhídrico (HCl) y el ácido sulfúrico (H2SO4) para la hidrólisis de los residuos de cartón. Se analizó el efecto de su concentración, la temperatura y la relación sólido:líquido sobre la eficiencia de hidrólisis (Rendimiento) y la concentración de azúcares fermentables. Se aplicó un diseño experimental factorial 23 con dos réplicas, con los tres factores cada uno en dos niveles: concentración de ácido, 2 y 10 %; temperatura de hidrólisis, 100 y 125 °C; relación sólido: líquido (cartón:ácido), 20 y 60 g L-1.

An analysis of variance (ANOVA) of the results from each acid was made, by using the Statgraphics Plus 5.1 software (Manugistics, 2005).

Se realizó un análisis. Obtención de azúcares fermentables obtenidos con cada ácido, con apoyo del software Statgraphics Plus 5.1 (Manugistics, 2005).

The hydrolysis process was made in 25 mL glass tubes that were placed into an autoclave for 120 min, along which samples were taken every 30 min to assess the kinetics of the conversion of cardboard wastes into fermentable sugars; the 3 5-dinitrosalisylic acid (DNS) (Miller, 1959) technique was used for its calculation. The scarification efficiency (yield) was determined by the following formula:

El proceso de hidrólisis se llevó acabo en tubos de vidrio de 25 mL que fueron colocados en una autoclave durante 120 min, a lo largo de los cuales se tomaron muestras cada 30 min para evaluar la cinética de conversión de los residuos de cartón en azúcares fermentables para lo cual se aplicó la técnica del ácido 3, 5-Dinitrosalisílico (DNS) (Miller, 1959). La eficiencia de sacarificación (rendimiento) se hizo con la siguiente fórmula:

% = g reducting sugars x 100 g dry cardboard

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González et al., Obtención de azúcares fermentables desde residuos...

Afterwards, when using the most efficient method, a second kinetics hydrolysis and samples were taken every 20 min, to which reducing sugars by the same technique (Miller, 1959) as total phenolic compounds (hydrolisys by-products) by the Folin-Ciocalteu Method (Singleton et al., 1999). The experiment was made in duplicate.

% = g azúcares reductores x 100 g cartón seco Posteriormente, al utilizar el método más eficiente, se efectuó una segunda cinética de hidrólisis, y se tomaron muestras cada 20 min, a las cuales se les determinó tanto azúcares reductores, por la misma técnica (Miller, 1959) como compuestos fenólicos totales (subproductos de hidrólisis) por el Método de Folin-Ciocalteu (Singleton et al., 1999). El experimento se realizó por duplicado.

Description of the hydrolyzate Cardboard waste was processed according to the procedure previously set and moisture was measured with a MB45 Hohaus analizer; the amount of reducing sugars (Miller, 1959), total phenolic compounds (Singleton et al., 1999), total sugar concentration was analyzed by the phenol-sulfuric method (Dubois et al., 1956) and the specific composition of carbohydrate (HPLC). For the latter technique was used a Walters 600 liquid chromatographer equipped with a refractive index detector (Waters R401), quaternary pump system and a BioRad (Aminex HPX-87C) oven and column. Operating conditions were: column temperature at 80° C; eluent flow (water), 0.6 mL min-1; sample volume, 20 mL.

Caracterización del hidrolizado Los residuos de cartón fueron procesados según el procedimiento establecido previamente y se midió la humedad con un analizador Hohaus modelo MB45, la cantidad de azúcares reductores (Miller, 1959), de compuestos fenólicos totales (Singleton et al., 1999), la concentración de azúcares totales por el Método de Fenol-Sulfúrico (Dubois et al., 1956) y la composición específica de carbohidratos (HPLC). Para esta última técnica se usó un cromatógrafo de líquidos Walters 600 provisto de un detector de índice de refracción (Waters R401), un sistema de bombas cuaternarias, horno y columna BIO RAD (Aminex HPX-87C). Las condiciones de operación fueron las siguientes: temperatura de la columna a 80 °C; flujo eluyente (agua), 0.6 mL min-1; volumen de muestra, 20 mL.

Activation and conservation of strains The yeasts studied were Rhodotorula glutinis (ATCC 204091) and Cryptococcus curvatus (ATCC 20509) purchased from the American Type Culture Collection, (ATCC), which were activated and propagated in YPD medium. For conservation 1.5 mL of cell suspension of each yeast collected in the exponential growth phase was frozen with a CH25 Torrey freezer at -20 °C in 2 mL vials with 0.5 mL of 20 % glycerol.

Activación y conservación de cepas Las levaduras que se estudiaron fueron Rhodotorula glutinis (ATCC 204091) y Cryptococcus curvatus (ATCC 20509) adquiridas de la Colección Americana de Cultivo Tipo, conocida como ATCC por sus siglas en inglés, las cuales fueron activadas y propagadas en medio YPD. Para su conservación 1.5 mL de suspensión celular de cada levadura colectada en la fase de crecimiento exponencial se metió en un congelador Torrey modelo CH25 a -20 °C en viales de 2 mL con 0.5 mL de glicerol al 20 %.

Evaluation of yeast growth in the hydrolyzate Due to the degradation of carbohydrates and lignin, during cardboard chemical hydrolysis by-products that may be inhibitory for microbial growth are generated. Therefore, the ability of yeasts to grow directly in the hydrolyzate, without being detoxified and previously detoxified with activated carbon to remove inhibiting compounds, was evaluated. It is noteworthy that the pH of the hydrolyzate was previously adjusted to 5.5 by using calcium hydroxide, and later 20, 50 or 100 g L-1 of activated carbon were added and it was stirred constantly for 12 h. Finally, carbon was removed with a Varifugue Heraeus centrifuge and the concentration of sugars and the supernatant phenolic compounds were analyzed, in order to determine the efficiency of removal of inhibitors from the carbon and the amount of carbohydrates in the adsorbed material.

Evaluación del crecimiento de las levaduras en el hidrolizado Durante el proceso de hidrólisis química del cartón, debido a la degradación de carbohidratos y lignina, se generan subproductos que pueden resultar inhibitorios para el crecimiento microbiano. Por lo tanto, se evaluó la capacidad de las levaduras para crecer directamente en el hidrolizado, sin destoxificar, y en hidrolizado previamente destoxificado con carbón activado para remover compuestos inhibidores. Cabe mencionar que el pH del hidrolizado fue previamente ajustado a 5.5 mediante hidróxido de calcio y después se le añadió 20, 50 o 100 g L-1 de carbón activado, y se

Detoxified hydrolyzates were used as basis for preparing culture medium for the yeasts to which were added, also, other nutrients (for each hydrolyzate L): (NH4)2SO4, 4 g Peptone, 1 g; KH2PO4, 3 g; MgSO4, 1 g; Trace elements, 1 mL. The composition

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agitó constantemente durante 12 horas. Por último, el carbón se removió con una centrifuga Heraeus modelo Varifugue y se analizó la concentración de azúcares y de compuestos fenólicos al sobrenadante, a fin de determinar la eficiencia de remoción de inhibidores por parte del carbón y la cantidad de carbohidratos adsorbidos en el material.

of the latter is (by each L): CaCl2, 3.6 g; ZnSO4, 0.75 g; CuSO4, 0.13 g; MnSO4, 0.5 g; CoCl2, 0.13 g; Na2MoO4, 0.17 g; FeSO4, 0.025 g; EDTA, 0.04 g. As a control, glucose was used as carbon source (20 g L-1) and all other compounds mentioned previously which were dissolved in distilled water instead of the hydrolyzate. The pH of the media was adjusted to 5.5 and 16 g L-1 of agar were added to the solid medium.

Los hidrolizados destoxificados fueron utilizados como base para preparar medio de cultivo para las levaduras al que se le adicionaron, también, otros nutrientes (por L de hidrolizado): (NH4)2SO4, 4 g; peptona, 1 g; KH2PO4, 3 g; MgSO4, 1 g; elementos traza, 1 mL. La composición de estos últimos es (por L): CaCl2, 3.6 g; ZnSO4, 0.75 g; CuSO4, 0.13 g; MnSO4, 0.5 g; CoCl2, 0.13 g; Na2MoO4, 0.17 g; FeSO4, 0.025 g; EDTA, 0.04 g. Como medio control se utilizó glucosa como fuente de carbono (20 g L-1) y todos los demás compuestos mencionados previamente disueltos en agua destilada en lugar de en hidrolizado. El pH de los medios se ajustó a 5.5 y para medio sólido se añadieron 16 g L-1de agar.

For the sowing of yeasts in agar-hydrolyzed cardboard boxes, a pre-inoculum in YPD medium (20 g L-1 yeast extract; 20 g L-1 peptone; 20 g L-1 dextrose) was developed for 24 h, after which 10 μL of the cell suspension (OD 600 = 0.3) were collected and inoculated on agar (10 inoculation sites). The boxes were placed into a DHP9162 Luzeren incubator at 30 °C for 72 h and then the grown colonies were quantified. Growth kinetics in a liquid medium (control and hydroxylated base) was also performed to determine the profile of yeast growth (biomass production). This culture was carried out in a 500 mL Erlenmeyer flask with baffles and incubated at 30 °C under stirring at 200 rpm.

Para la siembra de las levaduras en las cajas agar-cartón hidrolizado, se desarrolló un pre-inóculo en medio YPD (extracto de levadura, 20 g L-1; peptona, 20 g L-1; dextrosa, 20 g L-1) durante 24 h, al término de las cuales se tomaron 10 μL de la suspensión celular (DO600 = 0.3) y se inocularon sobre el agar (10 puntos de inoculación). Las cajas se metieron en una incubadora Luzeren modelo DHP9162 a 30 °C durante 72 h y posteriormente se cuantificaron las colonias desarrolladas. También se realizó una cinética de crecimiento en medio líquido (control y base hidrolizada) para determinar el perfil de crecimiento de las levaduras (producción de biomasa). Este cultivo se llevó a cabo en un matraz Erlenmeyer de 500 mL con deflectores y se incubó a 30 °C en agitación a 200 rpm.

Results and Discussion Cardboard description Most products (paper and cardboard) and by-products of the paper industry (recycled fibers and sludge) contain carbohydrates (cellulose and hemicellulose) in the range of 20-75 %, including lignin, coatings and fillers (Zhu et al., 2011). In the experimental results shown in Table 1, a total amount of 65.6 % polysaccharides (cellulose and hemicellulose), a higher amount to that observed in the woods of Eucalyptus globulus Labille. (62.3 %) (Parajó et al., 1993) or Pinus pinaster Ait. (59.6 %) (Parajó et al., 1995). The results shown indicate that the cardboard used in this study has a high content of polysaccharides, which is appropriate for the production of fermentable sugars. In the case of cardboard fiber content, the value found was higher than reported by Yuan et al. (2012) (57 %) and similar to Yañez et al. (2004), while the hemicellulose that was found was less than half of the latter mentioned author (13.8 %).

Resultados y Discusión Descripción del cartón La mayoría de los productos (papel y cartón) y subproductos de la industria papelera (fibras recicladas y lodos) contienen carbohidratos (celulosa y hemicelulosa) en el intervalo de 20 a 75 %, incluyendo lignina, revestimientos y rellenos (Zhu et al., 2011). En los resultados experimentales mostrados en el Cuadro 1, se observa una cantidad total de polisacáridos de 65.6 % (celulosa y hemicelulosa), una proporción superior a la observada en maderas de Eucalyptus globulus Labille. (62.3 %) (Parajó et al., 1993) o en Pinus pinaster Ait. (59.6 %) (Parajó et al., 1995). Los resultados mostrados indican que el cartón utilizado en este estudio tiene un alto contenido de polisacáridos, lo cual es apropiado para la producción de azúcares fermentables.

Hemicellulose is the second polysaccharide in the cell wall of plants and it generally makes up around 20 to 35 % of the vegetal biomass (Wyman et al., 2005). However, the quantified amount of this material in cardboard (5.6 %) was lower than that recorded in other MLig such as bagasse, straw and wood. Probably this is a consequence of the chemical pulping used in the cardboard production process (usually, Kraft), or it is related to the possible use of fibers or recycled pulp for such ending. One of the main components of the MLig is lignin, which confers sturdiness to the vegetal structure, since it keeps cellulose and hemicellulose together (Ragauskas et al., 2006); also, the latter resists biological attack and the chemical agents, which acts as an obstacle to the efficient hydrolysis of the

Para el caso del contenido de celulosa en cartón, el valor fue superior al citado por Yuan et al. (2012) (57 %) y similar al de Yañez

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González et al., Obtención de azúcares fermentables desde residuos...

et al. (2004), mientras que el de hemicelulosa resultó ser menos de la mitad al mencionado por este último autor (13.8 %).

polysaccharides of the cellulosic biomass. The lignin content of cardboard (Table 1) was similar to what Yañez et al. (2004) found and less than the observed in forest cellulosic and agriculture materials (15-30 %), probably as a result of its removal during the Kraft pulping process.

La hemicelulosa es el segundo polisacárido en la pared celular de plantas, usualmente constituye alrededor de 20-35 % de la biomasa vegetal (Wyman et al., 2005). Sin embargo, la cantidad cuantificada de ese material en el cartón (5.6 %) fue más baja a la registrada en otros MLig como bagazos, pajas y madera. Este hecho se debe posiblemente al tipo de pulpeo químico empleado en el proceso de producción de cartón (Kraft, por lo general), o al probable uso de fibras o pulpa reciclada para dicho propósito. Otro de los principales componentes de los MLig es la lignina, la cual le confiere solidez a la estructura vegetal, debido a que mantiene unidas a la celulosa y hemicelulosa (Ragauskas et al., 2006); además es resistente al ataque biológico y agentes químicos, lo que constituye un obstáculo a la eficiente hidrólisis de los polisacáridos de la biomasa celulósica. El contenido de lignina en el cartón (Cuadro 1) fue similar al documentado por Yañez et al. (2004) y menor al observado en materiales celulósicos forestales y agrícolas (15-30 %), quizás como consecuencia de la remoción de esta durante el proceso de pulpeo Kraft.

Cuadro 1. Composición de los residuos de cartón. Table 1. Composition of cardboard wastes. Componente

Porcentaje (%)

Humedad

5.9

Extraíbles totales

10.2

Celulosa

59.9

Hemicelulosa

5.6

Lignina

10.5

Cenizas

7.9

Acid hydrolysis Acid hydrolysis as MLig pretreatment promotes the breakdown of hemicellulose and cellulose polymers, oligosaccharides, glucose or other monomers. Acids at high concentrations are effective to hydrolyze many MLig, which brings high yields of xylose or glucose from cellulose or hemicellulose, low temperature and low generation of degradation products. Also, the use of dilute solutions of acids (H2SO4, HCl, H3PO4, HNO3, CH3COOH) have been extensively investigated for this purpose, being the sulfuric and hydrochloric acids the most commonly used (Linde et al., 2008).

Hidrólisis ácida La hidrólisis ácida como pretratamiento de MLig favorece el rompimiento de los polímeros de hemicelulosa y celulosa, a oligosacáridos, glucosa u otros monómeros. Los ácidos a altas concentraciones son muy efectivos para hidrolizar muchos MLig, lo que da altos rendimientos de glucosa o xilosa a partir de celulosa o hemicelulosa, a baja temperatura y con baja generación de productos de degradación. También el uso de soluciones diluidas de ácidos (H2SO4, HCl, H3PO4, HNO3, CH3COOH) han sido ampliamente investigadas para dicho fin, las de ácido sulfúrico y clorhídrico son las más comúnmente usadas (Linde et al., 2008).

In this study, the acid hydrolysis was assessed as one of the most efficient techniques for MLig processing by comparing the hydrochloric acid (HCl) and the sulphuric acid (H2SO4). Results show the effect of type and concentration of acid (Figure 1A and B) and the concentration of solids (cardboard) and temperature on the production and yield of sugars from cardboard. In the case of HCl, the factors found to have a significant influence on the amount of generated fermentable sugars were acid concentration and solid (cardboard) and their interaction (tables 2 and 3). The maximum concentration of sugars (14.8 g L-1) was achieved with the following combination of factors: HCl 10 %; 60 g L-1 of solids concentration (cardboard); temperature of 100 or 125 °C. The hydrolysis yield under these conditions was 25.8 %.

En este estudio, se evaluó la hidrólisis ácida como una de las técnicas más eficientes para el procesamiento de Mlig, comparando el ácido clorhídirico (HCl) y ácido sulfúrico (H2SO4). Los resultados muestran el efecto del tipo y la concentración de ácido (Figura 1A y B), así como la concentración de sólidos (cartón) y la temperatura, sobre la producción y rendimientos de azúcares a partir de cartón. En el caso del HCl, los factores que resultaron tener una influencia significativa sobre la cantidad de azúcares fermentables generados, fueron la concentración del ácido y de sólidos (cartón) así como su interacción (cuadros 2 y 3). La máxima concentración de azúcares (14.8 g L-1) se alcanzó con la siguiente combinación de factores: HCl 10 %; 60 g L-1 de concentración de sólidos (cartón); temperatura de 100 o 125 °C. El rendimiento de la hidrólisis en estas condiciones fue de 25.8 %.

In the case of hydrolysis with H2SO4 (Figure 1B), the three factors studied were significant as well as the interaction between the acid concentration and solids (tables 4 and 5). By using the following combination of factors the highest sugar concentration (19.2 g L-1) was obtained: H2SO4 10 %; 60 g L-1 of solids concentration (cardboard) and 125 °C. Under these conditions the hydrolysis yield was 31.2 %.

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Cuadro 2. Análisis de varianza de los tres factores estudiados en la hidrólisis de cartón para la obtención de azúcares fermentables, usando como catalizador HCl. Table 2. Analysis of variance of the three factors studied in cardboard hydrolysis to obtain fermentable sugars, using HCl as a catalyst. Fuente de variación

Suma de Cuadrados

Gl

Cuadrado Medio

Razón-F

Valor-P

A: Concentración de HCl

67.28

1

67.28

12.56

0.0076

B:Temperatura

1.06

1

1.06

0.20

0.6688

C: Relación sólido:líquido

225.38

1

225.38

42.08

0.0002

AxB

0.77

1

0.77

0.14

0.7144

AxC

32.23

1

32.23

6.02

0.0397

BxC

0.42

1

0.42

0.08

0.7867

AxBxC

5.09

1

5.09

0.95

0.3579

Error total

42.84

8

5.36

Total (corr.)

375.07

15

Nivel de confianza del 95% Confidence level of 95 %

In general it was observed that when using the low load of solids (20 g L-1), the yield of the hydrolysis increases, even though hydrolyzates of low sugar content are got, conversely, then the solids load is increased (60 g L-1) yield diminishes but the sugar concentration that results is higher.

Para el caso de la hidrólisis con H2SO4 (Figura 1B), los tres factores estudiados resultaron significativos, así como la interacción entre la concentración de ácido y de sólidos (cuadros 4 y 5). Al utilizar la siguiente combinación de factores se obtiene la mayor concentración de azúcares (19.2 g L-1): H2SO410 %; 60 g L-1 de concentración de sólidos (cartón) y temperatura de 125 °C. En estas condiciones el rendimiento de la hidrólisis fue de 31.2 %.

The greatest sugar production in both acids came from using both, the highest concentration of them (100 %) as well as of solids (60 g L-1 cardboard) in the reaction mix. In addition, these values were achieved when a higher temperature was applied (125 °C), even though in the case of HCl it was 100 °C and significant carbohydrate levels were accomplished as well.

Cuadro 3. Medias de los niveles que tuvieron un impacto significativo en la obtención de azúcares fermentables usando como catalizador HCl. Table 3. Means levels had a significant impact on the production of fermentable sugars using HCl as a catalyst. Factor Concentración de HCl Relación sólido:líquido

Nivel

Media LS

2

6.49

10

10.59

20

4.78

60

12.29

H2SO4 under the mentioned conditions favored 30 % more sugars (19.2 g L-1) and their higher yield than 20 % (31.2 %) to that found with HCl (Figure 1 A and B). In this regard, Yañez et al. (2004) recorded higher numbers of sugar (29 g L-1) and hemicellulose conversion yield (78 %) when testing 10 % cardboard and 3 % of H2SO4, even using a time (180 min) and temperature (130 °C) much higher to those of this work. Recently, Escorza et al. (2011) hydrolyzed cardboard chemically (60 % H2SO4) and biologically (Phanerochaete sp.). With the acid treatment, their yield calculation was 20 %, while the biological test was almost twice (39 %) and a sugar concentration as high as 10 g L-1 in a 2 % cardboard load medium. This number was smaller than that of the actual study (19.2 g L-1) under the best hydrolysis state (10 % H2SO4, 60 g L-1 cardboard and 125 °C) (Figure 1B).

Diferencia -4.10 -7.51

Prueba LSD de Fisher; casos, 8; Sigma LS, 0.82; Limites, +/-2.67. Fisher LSD test; cases, 8; Sigma LS, 0.82; Limits, +/- 2.67

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González et al., Obtención de azúcares fermentables desde residuos...

Cuadro 4. Análisis de varianza de los tres factores estudiados en la hidrólisis de cartón para la obtención de azúcares fermentables, usando como catalizador HCl. Table 4. Analysis of variance of the three factors studied in cardboard hydrolysis to obtain fermentable sugars, using HCl as a catalyst. Fuente

Suma de Cuadrados

Gl

Cuadrado Medio

Razón-F

Valor-P

A: Concentración de H2SO4

47.13

1

47.13

37.81

0.0003

B: Temperatura

8.67

1

8.67

6.96

0.0298

460.75

1

460.75

369.65

0.0000

AxB

0.15

1

0.15

0.12

0.7391

AxC

10.08

1

10.08

8.09

0.0217

BxC

1.07

1

1.07

0.86

0.3810

AxBxC

1.946

1

1.95

1.56

0.2468

Error total

9.97

8

1.25

Total (corr.)

539.77

15

C: Relación sólido:líquido

Nivel de confianza de 95 % Confidence level of 95 %.

En general se observó que al utilizar la carga de sólidos baja (20 g L-1), el rendimiento de la hidrólisis incrementa, sin embargo se obtienen hidrolizados con bajo contenido de azúcares; mientras que al aumentar la carga de sólidos (60 g L-1) el rendimiento disminuye, pero la concentración de azúcares que se obtiene es superior.

Cuadro 5. Medias de los niveles que tuvieron impacto significativo en la obtención de azúcares fermentables usando como catalizador H2SO4. Table 5. Mean levels that had significant impact on the production of fermentable sugars using H2SO4 as catalyst. Factor

La mayor producción de azúcares en ambos ácidos se obtuvo al utilizar tanto la concentración más alta de ellos (10 %), como de sólidos (60 g L-1 cartón) en la mezcla de reacción. Adicionalmente, estos valores fueron alcanzados cuando se aplicó la temperatura más alta (125 °C), aunque para el caso de HCl a 100 °C también se lograron niveles significativos de azúcares.

Concentración de H2SO4 Temperatura Relación sólido:líquido

El H2SO4 en las condiciones mencionadas permitió obtener 30 % más de azúcares (19.2 g L-1) y un rendimiento de estos superior a 20 % (31.2 %), al registrado con HCl (Figura 1 A y B). Al respecto, Yañez et al. (2004) determinaron las cantidades más altas de azúcares (29 g L-1) y rendimiento de conversión de hemicelulosa (78 %), cuando utilizaron 10 % de cartón y 3 % de H2SO4, aunque con un tiempo (180 min) y temperatura (130 °C) muy superiores a las del presente trabajo. Recientemente, Escorza et al. (2011) hidrolizaron química (60 % H2SO4) y biológicamente (Phanerochaete sp.) cartón. Los autores indican con el tratamiento ácido un rendimiento de 20 % de azúcares reductores, mientras que con el biológico fue casi del doble (39 %), para una concentración de 10 g L-1 de azúcares en el medio a una carga de cartón de 2 %; esta concentración de carbohidratos fue menor a la registrada en el estudio que aquí se documenta (19.2 g L-1) en las mejores condiciones de hidrólisis (10 % H2SO4, 60 g L-1 cartón y125 °C) (Figura 1B).

Nivel

Media LS

2

9.87

10

13.30

100

10.85

125

12.32

20

6.22

60

16.95

Diferencia -3.43 -1.47 -10.73

Prueba, LSD de Fisher; casos, 8; Sigma LS, 0.39; Limites, +/-1.29. Test, Fisher LSD, cases, 8; Sigma LS, 0.39; Limits, +/- 1.29.

Similar concentrations of these compounds have been recorded by Aguilar et al. (2002), (24.6 g L-1) by hydrolyzing sugar cane bagasse (6 %) with H2SO4 (2 %, 122 °C, 24 min) and solubilizing 90 % hemicellulose. The effect of temperature identified in this study is consistent with previously published values above 100 °C (120-130 °C), which favor higher concentrations and yields of sugars (Camargo et al., 2014; Reales et al., 2013; Laopaiboon et al., 2010; Yañez et al., 2004; Aguilar et al., 2002). In recent times there have also been significant amounts of reducing sugars (33 g L-1) from high loads of plant biomass of water hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms, 12 %) and diluted acid solutions (2.5 % H2SO4), with a temperature of 121 °C and time of 20 min, similar to those maintained in this study (Reales et al., 2013).

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Figura 1. Producción y rendimiento de azúcares obtenidos por hidrólisis con HCl (A) y H2SO4 (B), en diferentes condiciones de temperatura y concentración de sólidos (cartón). Figure 1. Production and yield of sugars obtained by hydrolysis with HCl (A) and H2SO4 (B) and in different temperature conditions and concentration of solids (cardboard). Concentraciones similares de estos compuestos han sido citados por Aguilar et al. (2002), (24.6 g L-1) al hidrolizar bagazo de caña de azúcar (6 %) con H2SO4 (2 %, 122 °C, 24 min) y solubilizar 90 % de hemicelulosa. El efecto de la temperatura identificado es congruente con lo publicado, donde se menciona que con valores mayores a 100 °C (120-130 °C) generan tanto las concentraciones como los rendimientos más importantes de azúcares (Camargo et al., 2014; Reales et al., 2013; Laopaiboon et al., 2010; Yañez et al., 2004; Aguilar et al., 2002). Recientemente, también se han consignado cantidades relevantes de azúcares reductores (33 g L-1) a partir de cargas elevadas de biomasa vegetal de jacinto de agua (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms, 12 %) y soluciones ácidas diluidas (2.5 % H2SO4), con una temperatura de 121 °C y tiempo de 20 min, condiciones similares a las manejadas en la presente investigación (Reales et al., 2013).

Furthermore, cardboard enzymatic hydrolysis at different concentrations (5-10 %) has also been made and sugars yields ranging from 56-80 % have been reached (Kádár et al., 2004; Wayman et al., 1992), as well as newspaper (10 % solids) (Li et al., 2007) and paper sludge (6 % solids) (Kádár et al., 2004) of which 40 % and 59 % conversion of cellulose, respectively were obtained. The production of sugars from MLig seems to be limited by the high degree of complexity inherent in the processing of these raw materials. This is related to the nature and chemical composition of the lignocellulosic biomass. The two main constituent polymers are cellulose and hemicellulose, whose hydrolysis provides fermentable sugars, which can be converted to high value-added products (Sánchez and Cardona, 2008). Removing hemicellulose and / or lignin leads to structural changes in MLig, facilitating the accessibility of chemicals and enzymes to the cellulose chains. Dilute acid pretreatments have been employed for this purpose as they improve yields of sugars (Saha and Bothast, 1999), as they increase the surface area, porosity and wetting MLig, and makes polysaccharides more susceptible to chemical or enzymatic hydrolysis.

Por otro lado, se ha realizado la hidrólisis enzimática de cartón a diferentes concentraciones (5-10 %) y se alcanzaron rendimientos de azúcares que varían entre 56 y 80 % (Kádár et al., 2004; Wayman et al., 1992), de papel periódico (10 % sólidos) (Li et al., 2007) y lodos de papel (6 % sólidos) (Kádár et al., 2004), con 40 % y 59 % de conversión de celulosa, respectivamente.

The effectiveness of the pretreatment and hydrolysis improvement has been correlated with removal of hemicellulose,

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La producción de azúcares a partir de MLig parece estar limitada por el alto grado de complejidad inherente en el procesamiento de estas materias primas, lo cual se relaciona con la naturaleza y composición química de la biomasa lignocelulósica. Los dos principales polímeros que la constituyen son la celulosa y la hemicelulosa, cuya hidrólisis provee azúcares fermentables que pueden convertirse en productos de alto valor agregado (Sánchez y Cardona, 2008). La eliminación de hemicelulosas o de lignina conduce a cambios estructurales en los MLig, lo que facilita la accesibilidad de agentes químicos y enzimas a las cadenas de celulosa. Los pretratamientos con ácidos diluidos han sido empleados para dicho propósito, pues mejoran los rendimientos de azúcares (Saha y Bothast, 1999), ya que incrementan el área superficial, la porosidad y la humectación del MLig, y hace a los polisacáridos más susceptibles a la hidrólisis química o enzimática.

lignin and reducing cellulose crystallinity (Yang and Wyman, 2008; Sun and Cheng, 2002; Mansfield et al., 1999). In a MLig pretreatment with dilute acids, the hemicellulose is preferably attacked followed by amorphous cellulose (du Toit et al., 1984). Critical parameters in acid pretreatment include temperature, time and the acid: solids ratio (solids concentration). The kinetics of hydrolysis of waste cardboard using H2SO4 or HCl in optimum conditions according to the statistical analysis of the experimental design show different sugars release profiles (Figure 2), which quickly started production between 30 and 60 min for HCl. However, in both cases it was observed that at 90 min the maximum concentration of sugar is reached which is 30 % over for H2SO4, to become evident, later, a degradation process of them. Similar results of effectiveness between HCl and H2SO4 (0.5 %) have also been previously registered in the pretreatment of delignified sugarcane bagasse (6.6 % solids, 120 °C, 4 h) (Laopaiboon et al., 2010), from which concentrations of sugars of 19 and 16 g L-1, respectively, were produced. Although the HCl allowed the generation of a slightly higher amount of carbohydrate, the disadvantage noted was that it promoted the production of furfural (0.7 g L-1), one of the major toxic compounds for microbial growth (Laopaiboon et al., 2010).

La efectividad del pretratamiento y mejoramiento de la hidrólisis se correlaciona con la remoción de hemicelulosa, lignina y con la reducción de la cristalinidad de la celulosa (Yang y Wyman, 2008; Sun y Cheng, 2002; Mansfield et al., 1999). En un pretratamiento de MLig con ácidos diluidos, la hemicelulosa es, preferentemente atacada, seguida por la celulosa amorfa (du Toit et al., 1984). Los parámetros críticos en los pretratamientos ácidos incluyen la temperatura, el tiempo y la relación ácido:sólidos (concentración de sólidos).

Hydrolysis of cellulose to glucose by using dilute acid is a relatively simple process, which produces moderate high yields in relatively short times. The small size allows them to have proton catalysis accessibility of the glycosidic bonds without problem. However, the sugars produced can be susceptible to acid-catalyzed reactions in the same medium and temperature, to generate degradation products.

Las cinéticas de hidrólisis de residuos de cartón en las que se usaron H2SO4 o HCl en las condiciones óptimas, según el análisis estadístico del diseño experimental utilizado, muestran perfiles diferentes de liberación de azúcares (Figura 2), que inició rápidamente su producción entre los 30 y 60 min, para el caso del HCl. Sin embargo, con ambos ácidos se observó que a los 90 min se alcanza la máxima concentración de azúcares, la cual fue 30 % superior para el H2SO4; posteriormente, se evidencia un proceso de degradación de los mismos.

Unfortunately, while obtaining higher yields of sugars as temperature increases, also degradation products, such as furfural, hydroxymethylfurfural, acetic acid, formic acid, levulinic acid, etc., are formed (Kumar et al., 2009). To evaluate the generation of products (phenolic compounds) during the hydrolysis process, the conditions previously described were replicated (which resulted in the highest concentration of sugars): 10 % H2SO4, 60 g L-1 of solids and 125 °C. During the process, samples were taken every 20 min for determining such compounds and sugars.

Resultados similares de efectividad entre el HCl y el H2SO4 (0.5 %) han sido registrados en el pretratamiento de bagazo de caña de azúcar (6.6 % sólidos, 120 °C, 4h) deslignificado producen concentraciones de azúcares de 19 y 16 g L-1, respectivamente (Laopaiboon et al., 2010). A pesar de que el HCl permitió generar una cantidad ligeramente superior de carbohidratos, la desventaja fue que promovió la producción de furfural (0.7 g L-1), uno de los principales compuestos tóxicos para el desarrollo microbiano (Laopaiboon et al., 2010).

In Figure 3 it is noted that the generation of phenolic compounds, lignin derivatives present in cardboard, is related to the production of sugars. That is, as the cellulose hydrolysis is performed, lignin is affected, and the time at which the maximum carbohydrate concentration is reached is the same as for phenolic compounds (90 min). Then sugars degrade and concentration of compounds no longer increases. Gupta et al. (2009) reported that the release of sugars increased with increasing acid concentration until the optimum value is achieved. After this, the formation of toxic compounds inhibitors raises and, as

La hidrólisis de celulosa a glucosa mediante ácidos diluidos es un proceso relativamente simple, el cual origina rendimientos moderadamente altos en tiempos cortos. El tamaño pequeño

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a consequence, so does the reduction of the concentration of sugars.

de los protones les permite tener accesibilidad a la catálisis de los enlaces glucosídicos sin problema. No obstante, los azúcares producidos pueden ser susceptibles a reacciones catalizadas en medio ácido y, por la misma temperatura, se generan productos de degradación.

However, this kind of pretreatment has been applied to several MLig, such as degreased sunflower seeds (10 %) with H2SO4 (6 %, 121 °C, 20 min) with which 54 g L-1 of sugars and a recovery of hemicellulose of 75.5 % were obtained. In addition, inhibition compounds were formed (3.9 g L-1 phenols; 1.9 g L-1 acetic acid; 0.018 g L-1 furfural; 0.051 g L-1 hidroximetilfurfural), phenols in particular (2.5 times more) when the reaction time was extended up to 60 min (Camargo et al., 2014). Under acid conditions, lignin depolymerizes and degrades into a wide variety of aldehydic aromatic and phenolic monomers and oligomers. Low molecular weight phenolic compounds strongly inhibit enzymes and microorganisms. Vanillin, syringaldehyde and hydroxybenzaldehyde are some of the inhibitory compounds released by the acid hydrolysis.

Aumentar la temperatura, además de incrementar los rendimientos de obtención de azúcares tiene como desventaja la formación de los productos de degradación, tales como furfural, hidroximetilfurfural, ácido acético, fórmico, levulínico, etcétera (Kumar et al., 2009). Para evaluar la generación de subproductos (compuestos fenólicos) durante el proceso de hidrólisis, se utilizaron las condiciones descritas, previamente (de las cuales resultó la mayor concentración de azúcares): H2SO4 al 10 %, 60 g L-1 de sólidos y 125 °C. Durante el proceso se tomaron muestras cada 20 min para determinar azúcares y compuestos fenólicos.

Figura 2. Cinética de hidrólisis de residuos de cartón utilizando como catalizador HCl y H2SO4 bajo las mejores condiciones de obtención de azúcares (concentración del ácido, temperatura, y contenido de sólidos). Figure 2. Kinetics of hydrolysis of waste cardboard with HCl and H2SO4 as catalysts under the best conditions for obtaining sugars (acid concentration, temperature and solid content).

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En la Figura 3 se observa que la generación de compuestos fenólicos, derivados de la lignina presente en el cartón, está relacionada con la producción de los azúcares. Es decir, a medida que se realiza la hidrólisis de la celulosa se ataca químicamente a la lignina, y el tiempo al que se alcanza la máxima concentración de carbohidratos es el mismo que para compuestos fenólicos (90 min). Posteriormente, los azúcares se degradan y la concentración de compuestos fenólicos ya no se incrementa. Gupta et al. (2009) señalaron que la liberación de azúcares es mayor al aumentar la concentración de ácido hasta alcanzar el valor óptimo. Después, crece la formación de compuestos inhibidores tóxicos y como consecuencia disminuye la concentración de azúcares.

Description of the hydrolyzate The sugars from cardboard may be used as good fermentation media for the biotechnological production of an important variety of chemical compounds of industrial relevance. Among

Figura 3. Cinética de hidrólisis de residuos de cartón para la obtención de azúcares fermentables y de subproductos de degradación (H2SO4 10 %, 60 g L-1 de sólidos, 125 °C). Figure 3. Hydrolysis kinetics of cardboard wastes to obtain fermentable sugars and degradation byproducts (H2SO4 10 %, 60 g L-1 solids, 125 °C).

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Sin embargo este tipo de pretratamiento ha sido aplicado a diversos MLig, como los residuos de semillas de girasol desengrasadas (10 %) con H2SO4 (6 %, 121 °C, 20 min) de los que se obtuvieron 54 g L-1 de azúcares y una recuperación de 75.5 % de hemicelulosa. Además, se produjeron compuestos inhibidores (fenoles: 3.9 g L-1; ácido acético: 1.9 g L-1; furfural: 0.018 g L-1; hidroximetilfurfural: 0.051 g L-1), que se incrementaron de manera significativa, sobre todo de fenoles (hasta 2.5 veces), al prolongar el tiempo de reacción hasta 60 min (Camargo et al., 2014). La lignina bajo condiciones ácidas se despolimeriza y degrada en una amplia variedad de monómeros y oligómeros aldehídicos, aromáticos y fenólicos. Los compuestos fenólicos de bajo peso molecular inhiben a enzimas y microorganismos. La vainillina, siringaldehído e hidroxibenzaldehído son algunos de estos compuestos liberados en hidrólisis ácida.

them celullases and xylanases can be mentioned (Moretti et al., 2012), methane (Yuan et al., 2012), bioethanol (Wang et al., 2012) and lactic acid (Yañez et al., 2005), among others. The composition of the hydrolyzate is of great importance because the yeasts in question have different affinity for carbohydrate intake, with greater capacity to absorb glucose than xylose. It was expected that these two carbohydrates might be present in the hydrolyzate of this investigation because the composition of cardboard is mainly cellulose but it also contains hemicellulose, which is the source of xylose. However, an analysis by liquid chromatography (HPLC) revealed that the actual carbohydrate in the highest proportion was glucose, and xylose was not detected or any other monosaccharide (Figure 4). Another relevant fact is that most of the carbohydrates in the hydrolyzate are monosaccharides (glucose) and only a small proportion are oligosaccharides. Yeasts studied herein have no enzymatic systems to degrade polysaccharides, so having a greater amount of simple sugars means that there is a better conversion of such substrate by the microorganism.

Caracterización del hidrolizado Los azúcares provenientes del cartón pueden ser empleados como medios de fermentación apropiados para la producción biotecnológica de una variedad importante de compuestos químicos de relevancia industrial; algunos ejemplos son las celulasas y xilanasas (Moretti et al., 2012), el metano (Yuan et al., 2012), bioetanol (Wang et al., 2012) y el ácido láctico (Yañez et al., 2005).

Evaluation of yeast growth in the hydrolyzate Once characterized, the yeast culturing was followed in the detoxified or non-detoxified hydrolyzate as there are previous

Figura 4. Determinación de la composición de carbohidratos del hidrolizado obtenido con H2SO4. (10 %, 60 g L-1 de sólidos, 125 °C) por cromatografía de líquidos (HPLC). Figure 4. Determination of the composition of the hydrolyzate resulting from H2SO4. (10 %, 60 g L-1 solids, 125 °C) by liquid chromatography (HPLC).

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La composición del hidrolizado es de interés porque las levaduras en cuestión tienen diferente afinidad para el consumo de carbohidratos, con mayor capacidad para asimilar glucosa que xilosa. Se esperaba que estos dos carbohidratos pudieran estar en el hidrolizado debido a que el cartón está constituido principalmente por celulosa, aunque contiene hemicelulosa que es la fuente de la xilosa. Sin embargo en el análisis del hidrolizado por cromatografía de líquidos (HPLC) se determinó la mayor proporción de glucosa, no se detectó xilosa, ni otro monosacárido (Figura 4). Cabe señalar que gran parte parte de los carbohidratos presentes en el hidrolizado están como monosacárido (glucosa) y solo una pequeña proporción corresponde a oligosacáridos. Lo anterior es relevante, ya que las levaduras estudiadas en este trabajo carecen de sistemas enzimáticos para degradar polisacáridos, así que el tener una mayor cantidad de azúcares en forma simple implica una mejor conversión de dicho substrato por el microorganismo.

reports of oilseed yeast hydrolysates of lignocellulosic wastes, in which it is mentioned the toxic effect of the inhibitor compounds and the need for detoxification methods (Huang et al., 2009). Table 6 shows the description of the hydrolyzed after subjecting it to a treatment with activated charcoal to remove inhibiting compounds. It is clear that after detoxifing the hydrolyzate, the concentration of phenolic compounds decreases dramatically although there is also an effect of retention of sugars. To determine if the hydrolyzate must be detoxified before being used as a medium for yeast growth, such microorganisms were sown in solid medium prepared on the basis of the untreated hydrolyzate or charcoal treated (treatments I, II, III). A mineral medium with glucose as carbon source was used as control, that is, a medium without hydrolyzate. It was observed that both yeasts (based on glucose medium) were performing as expected in control, however C. curvatus was unable to grow in the hydrolyzate cardboard (detoxified or not), suggesting that it is sensitive to the inhibition compounds at the concentrations present even after the treatments with activated charcoal. For the cultivation of this yeast sorghum bagasse and corn fiber hydrolyzates have been handled (Liang et al., 2014). In the first case yeast growth was favorable despite the amount of inhibiting compounds, whereas in the corn fiber hydrolyzate C. curvatus had no reaction to that effect, not even after having been fortified with other nutrients.

Evaluación del crecimiento de las levaduras en el hidrolizado Una vez caracterizado, se procedió con el cultivo de las levaduras en el hidrolizado destoxificado o sin destoxificar, ya que existen estudios previos de cultivo de levaduras oleaginosas en hidrolizados de residuos lignocelulósicos, en los que se hace mención del efecto tóxico de los compuestos inhibidores y la necesidad de aplicar métodos de destoxificación (Huang et al., 2009). En el Cuadro 6 se resume la caracterización del hidrolizado después de someterlo a tratamiento con carbón activado para remover compuestos inhibidores. Se observa que después de destoxificar el hidrolizado la concentración de compuestos fenólicos disminuye drásticamente, aunque hay un efecto de retención de azúcares.

R. glutinis colonial development was advantageous both in the control medium and in the non- detoxified hydrolyzate, so it can be inferred that this strain has increased resistance to the inhibitory compounds or may possess an enzymatic mechanism or process to degrade or transform them so that they will not be toxic for its development. In relation to this result, this strain was grown in hydrolyzates of wheat straw; of Populus euramevicana Guinier leaves; Miscanthu ssp. (Mast et al., 2014.) and rice straw (Yen and Chang, 2014) among others. The results regarding the toxicity of the hydrolyzate for this yeast are contrasting. Researchers as Chen et al. (2009) indicate that some of the degradation products of MLig inhibit their growth, while in other studies (Yu et al., 2011; Tao et al., 2010) reported not a negative effect, since R. glutinis was able to grow without detoxified hydrolyzate, and growth was even higher than in detoxified hydrolyzate.

Para determinar si el hidrolizado requiere ser destoxificado antes de usarse como medio para el crecimiento de las levaduras, estas fueron sembradas en medio sólido preparado en base al hidrolizado sin tratar o tratado con carbón (tratamiento I, II, III). Como control se utilizó un medio mineral con glucosa, como fuente de carbono; es decir un sin hidrolizado. Se observó que las dos levaduras crecieron satisfactoriamente en el control (medio en base a glucosa); C. curvatus no se desarrolló en el hidrolizado de cartón (destoxificado o sin destoxificar), lo cual sugiere que es sensible a los compuestos de inhibición a las concentraciones presentes, aún después de los tratamientos con carbón activado. Para el cultivo de esta levadura se han utilizado hidrolizados de bagazo de sorgo y fibra de maíz (Liang et al., 2014). En el primer caso el crecimiento fue favorable a pesar del contenido de compuestos inhibidores, mientras que con el hidrolizado de fibra de maíz, C. curvatus no tuvo ninguna reacción en ese sentido, pese haberlo enriquecido con otros nutrientes.

This strain was selected to continue with the growth study in liquid medium. A glucose based medium was used as well as in a cardboard hydrolyzate basis, and results are shown in Figure 5. It can be seen that the growth profile is very similar in both media, and the maximum biomass concentration that was achieved looks very much alike, as well (7 a 8 g L-1) regardless of the cultivation medium involved. This result coincides with that observed in the solid medium, which suggests that R. glutinis is tolerant to the inhibitory compounds produced during the cardboard hydrolysis process, and even as Yu et al. (2011)

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Cuadro 6. Caracterización del hidrolizado después de llevar a cabo la destoxificación con carbón activado a diferentes concentraciones. Table 6. Description of the hydrolyzate after detoxification with activated carbon at different concentrations. Tratamiento

Carbón activado (g L-1)

Azúcares reductores (g L-1)

Compuestos fenólicos (mg L-1)

I

20

18.1+0.89

75.7+ 12.4

II

50

17.1+ 0.74

51.2+ 8.4

III

100

13.8+0.91

35.1+ 10.7

stated, the biomass production was slightly higher when using the based on the hydrolyzate without detoxification medium. This same tendency was confirmed in regard to growth speed which was 0.46 h-1 in the control medium, while in the based on cardboard hydrolysate medium it was 0.51 h-1

R. glutinis tuvo un desarrollo colonial favorable tanto en el medio control, como en el hidrolizado sin destoxificar, por lo que se deduce que cuenta con una mayor resistencia a los compuestos inhibitorios, o bien posee un mecanismo enzimático para degradarlos o transformarlos, de manera que no le resulten tóxicos para su desarrollo. Al respecto, esta cepa se ha cultivado en hidrolizados de paja de trigo; de hojas de Populus euramevicana Guinier; Miscanthu ssp. (Mast et al., 2014); y paja de arroz (Yen y Chang, 2014). Los resultados de la toxicidad del hidrolizado son contrastantes. Los investigadores como Chen et al. (2009) indican que algunos de los productos de degradación de los MLig inhiben su crecimiento, mientras que en otros estudios (Yu et al., 2011; Tao et al., 2010) se informa que no presentan un efecto negativo, ya que R. glutinis fue capaz de crecer en hidrolizado sin destoxificar, e incluso el crecimiento fue superior en comparación de lo observado en hidrolizado destoxificado.

Figura 5. Cinética de crecimiento de Rhodotorula glutinis en medio mineral y a base de hidrolizado de cartón sin destoxificar. Figure 5. Kinetics of R. glutinis growth in mineral medium and on cardboard nondetoxified hydrolyzate.

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Esta cepa fue seleccionada para continuar con el estudio de crecimiento en medio líquido. Se utilizó el medio en base a glucosa y en base a hidrolizado de cartón. Los resultados se exhiben en la Figura 5.

Conclusions

Se aprecia que el perfil de crecimiento es muy similar en ambos medios, y que se alcanzó una concentración máxima de biomasa muy parecida (7 a 8 g L-1). Resultado que coincide con lo observado en medio sólido, lo que sugiere que R. glutinis es tolerante a los compuestos inhibitorios generados durante el proceso de hidrólisis de cartón, e incluso, tal como observó Yu et al. (2011), la producción de biomasa fue ligeramente mayor cuando se utiliza medio en base a hidrolizado sin destoxificar. La misma tendencia se observó respecto a la velocidad de crecimiento la cual fue de 0.46 h-1 en el medio control, mientras que en el medio en base a hidrolizado de cartón fue de 0.51 h-1.

Cardbord, as a major waste of the paper industry, contains a substantial amount of polysaccharides (cellulose and hemicellulose), which is a potential source of fermentable sugars for the biotechnological generation of product source of industrial interest. Acid hydrolysis of this residue, especially with H2SO4, was an efficient method for obtaining sugars, however, increased hydrolysis time beyond 120 minutes caused a breakdown of carbohydrates and a raising in the concentration of phenolic compounds, which are microbial growth inhibitors. Applying activated carbon by hydrolyzing the concentration of these inhibitors significantly decreases but so does the concentration of sugars. R. glutinis yeast hydrolyzate grew favorably even without detoxify cardboard with activated carbon, which shows its tolerance to degradation byproducts and its potential for microbial oil obtained from this carbon source.

Conclusiones

Conflict of interests

El cartón como uno de los principales residuos de la industria papelera contiene una cantidad importante de polisacáridos (celulosa y hemicelulosa), la cual constituye una fuente potencial de azúcares fermentables para la generación biotecnológica de productos de interés. La hidrólisis ácida de este residuo, en especial con H2SO4, fue un método eficiente para la obtención de azúcares, sin embargo, el incremento en el tiempo de hidrólisis más allá de 120 min provocó la degradación de los carbohidratos y un incremento en la concentración de compuestos fenólicos, inhibidores del crecimiento microbiano. Al aplicar carbón activado al hidrolizar, la concentración de los inhibidores disminuye de manera importante, aunque sucede lo mismo con la concentración de azúcares. La levadura R. glutinis creció favorablemente en el hidrolizado de cartón aún sin destoxificar con carbón activado, lo que evidencia su tolerancia a los subproductos de degradación y su potencial para la obtención de aceite microbiano, a partir de esta fuente de carbono.

The authors declare no conflict of interests.

Contribution by author Yolanda González García: design of the experiment, execution, analysis and discussion of results; Juan Carlos Meza Contreras: definition of hydrolysis conditions, analysis and discussion of results of the chemical hydrolysis; José Anzaldo Hernández: execution of the characterization of the raw material; Rubén Sanjuán Dueñas: analysis and discussion of results of the characterization of the raw material.

Acknowledgements This work was performed under the Conacyt-Sener project Study of alternative lipid sources for the production of third generation biodiesel: microbial oil from cellulosic waste (code: 152663).

End of the English version

Conflicto de intereses Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Contribución por autor Yolanda González García: diseño del experimento, ejecución, análisis y discusión de resultados; Juan Carlos Meza Contreras: definición de las condiciones de hidrólisis, análisis y discusión de resultados de la hidrólisis química; José Anzaldo Hernández: ejecución de la caracterización de la materia prima; Rubén Sanjuán Dueñas: análisis y discusión de resultados de la caracterización de la materia prima.

Agradecimientos Este trabajo fue realizado en el marco del proyecto Conacyt-Sener Estudio de fuentes alternativas de lípidos para la producción de biodiesel de tercera generación: aceite microbiano a partir de residuos celulósicos (clave: 152663).

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Artículo / Article

Obtención de celulosa blanqueada de Ricinus communis L. mezclada con fibra industrial para fabricar papel bond Procurement of bleached Ricinus communis L. pulp mixed with industrial fiber for manufacturing bond paper Teófilo Escoto García1, Rosa Nallely Murillo Vázquez 2, Antonio Rodríguez Rivas1, José Anzaldo Hernández1 y J. Jesús Rivera Prado1 Resumen En este estudio se describe el procedimiento para obtener celulosa de Ricinus communis blanqueada y mezclada con fibra industrial para su evaluación e incorporación en la fabricación de papel bond. Se extrajo una muestra del tallo, se le descortezó y astilló; posteriormente, se aplicó el proceso alcalino para celulosa (sosa y Kraft). Mediante un modelo factorial, se determinó el número de Kappa y de viscosidad, y se llevó acabo la evaluación fisicomecánica de las pulpas al sulfato y a la sosa, así como de la industrial, denominadas fibra corta (FC) y fibra larga (FL). En la segunda etapa, se caracterizó la pulpa de la especie señalada y se le blanqueó con la secuencia OD (OP) D; enseguida, se aplicaron las variables de mezcla fibrosa (100, 80, 60, 40 y 20 %) y se calificó, de nuevo, para determinar la mejor. Los resultados indican que la celulosa de R. communis blanqueada por el proceso señalado y obtenida por medio de la cocción de alcalinos (sosa-Kraft), sí puede proponerse como componente fibroso del papel bond, acompañado de fibra larga en un intervalo de 40 a 80 % Esto representaría una disminución en los costos de la fibra corta industrial (FC), y favorecería el aprovechamiento de una fuente fibrosa no convencional, clasificada como maleza vegetal.

Palabras clave: Blanqueo de pulpa, celulosa, fibra industrial, papel bond, procesos alcalinos, Ricinus communis L. Abstract This study describes the procedure to obtain Ricinus comunis cellulose bleached and mixed with industrial fiber for its evaluation and incorporation in the manufacture of bond paper. A stem sample of it was extracted, peeled and chipped; subsequently, the alkaline cellulose process (soda and Kraft) was applied. Using a factorial model, the Kappa number and viscosity were determined, and just as well, the physicochemical assessment of sulphate pulps and soda was carried out, as well as the industrial short fiber (FC) and long fiber (FL) pulps. In the second stage, the pulp of the indicated species was characterized and was bleached with the DO (OP) D sequence; afterwards, fibrous mixture variables (100, 80, 60, 40 and 20 %) were applied and scored again to determine the best. Results indicate that the Ricinus communis pulp bleached by the process as defined and obtained by means of alkaline cooking (soda-Kraft), can be proposed as the bond paper fibrous component together with long fibers in a range of 40 to 80 % This would represent a reduction in the costs of industrial staple fiber (CF), and favor the use of an unconventional fibrous source classified as a vegetable brush.

Key words: Pulp bleaching, cellulose, industrial fiber, bond paper, alkaline processes, Ricinus communis L. Fecha de recepción/date of receipt: 11 de noviembre de 2014; Fecha de aceptación/date of acceptance: 12 de enero de 2015. Departamento de Madera, Celulosa y Papel. Universidad de Guadalajara. Correo-e: tescoto@dmcyp.cucei.udg.mx 2 Facultad de Ciencias Químicas. CUCEI. Universidad de Guadalajara. 1 1


Escoto et al., Obtención de celulosa blanqueada...

Introducción

Introduction

La producción de celulosa y papel se basa casi exclusivamente en la madera de pino (Paz et al., 2011); sin embargo, hay un consenso unánime en afirmar que es indispensable contar con un abastecimiento de pulpa de fibra corta que permita complementar las pastas destinadas a la fabricación de determinados tipos de papel. El aprovechamiento de esta pulpa en una serie de productos de consumo interno significaría el desplazamiento de la fibra larga que podría destinarse a otros usos más favorables u ofrecerse en los mercados madereros. La escasez mundial de recursos fibrosos y la preocupación por los problemas generados por la deforestación han despertado un gran interés por la revisión y desarrollo de procesos de alto rendimiento, el reciclado de papel, así como la utilización de materias primas fibrosas no convencionales (malezas, arbustos y no maderables), susceptibles de utilizarse para la obtención de celulosa y su aplicación en papel (Agarwal et al., 1992; Nagaty et al., 1982).

Pulp and paper production are based, almost exclusively, on pine wood (Paz et al., 2011); however, there is a unanimous consensus in stating that it is essential to count with a short fiber supply that allows to complete the paste for the fabrication of some kinds of paper. The use of this pulp in a series of internal consumption products would mean the displacement of the present consumption of long fiber that could be used in other in more convenient uses or could be offered in the wood markets. The world scarcity of fiber resources and the concern for the generated problems for deforestation have awakened a greatest interest for the review and development of processes of high yield, the paper cycling, as well as the non-conventional use of fibrous raw materials (weeds, scrubs and non-wood), which can be applied to obtain cellulose and its application on paper (Agarwal et al., 1992; Nagaty et al., 1982). The forest cover of Mexico, in addition to hardwoods and softwoods, which are the most used for pulp and paper (88 %), includes a great diversity of annuals, weeds and non-woods (12 %), which have not been studied for their use and applicability in this field; however, they are essential for the natural welfare and, at the same time, have a great economic potential (Paz et al., 2011).

La cubierta forestal de México, además de árboles de coníferas y latifoliadas, que son los más utilizados para la obtención de pulpa y papel (88 %), reúne una gran diversidad de plantas anuales, malezas y vegetales no maderables (12 %), las cuales no han sido estudiadas para su aprovechamiento en este contexto; sin embargo, son una parte fundamental del patrimonio natural y al mismo tiempo representan un gran potencial económico (Paz et al., 2011).

Within this diversity, Ricinus communis L. is worldwide considered as a weed that naturally grows in fields and lands, but the only use it has is limited to its seed for the extraction of ricin oil, which is used in the manufacture of plastics, lubricants and cosmetics among other products (Sánchez, 2006). At present, there are some records that it is intended for fuel (biodiesel) or a gasoline additive (Sánchez, 2006). Another possible application, and in this area is where this research study is focused, is the use of its stem as a cellulose source for paper, and, therefore, to accomplish a substitution of short fiber from non-conventional wood resources, as Eucalyptus globulus Labille is at present (Paz et al., 2011; Igartúa and Monteoliva, 2010).

Dentro de toda esa diversidad, Ricinus communis L. es considerada, en todo el mundo, como una maleza que crece en campos y terrenos, su utilidad se restringe a su semilla en la extracción del aceite de ricino o castor oil empleado en la fabricación de plásticos, lubricantes y cosméticos, entre otros materiales (Sánchez, 2006). En la actualidad se tienen registros para destinarla a la producción de combustible (biodiesel) o un añadido de la gasolina (Sánchez, 2006). Otra de sus probables aplicaciones es el uso de su tallo como una fuente de celulosa para la elaboración de papel y, así, lograr la sustitución de la fibra corta proveniente de recursos maderables no convencionales como Eucalyptus globulus Labille, este ámbito es en el que básicamente se enfoca el presente trabajo, (Paz et al., 2011; Igartúa y Monteoliva, 2010).

In general and according to the Economic and Commercial Office of the Embassy of Spain in Mexico (ICEX, 2014), paper industry is divided, mainly, into three groups: writing and printing paper, packing paperboard and tissue paper (facial and sanitary), from which the second one is that of greatest demand (60 %) and between the other two, the resting 40 % is distributed (writing and imprint paper, 21-23 % and facial and sanitary, 17 and 19 %).

En general, y de acuerdo a la Oficina Económica y Comercial de la Embajada de España en México (ICEX, 2014), la industria del papel se divide en tres grupos: papeles de escritura e impresión, cartones para envase y embalaje, y papel tisú (facial y sanitario), de los cuales el segundo es el de mayor demanda (60 %), y entre los otros dos, se distribuye el restante 40 % (escritura e impresión 21-23 %; facial y sanitario 17 y 19%).

On the other hand, according to the Manufacturing Companies of Papers and Paperboards, the importance of wood as raw material for the paper industry lies in the fact that it has around 60 % of alpha, beta and gamma cellulose; however, the use of non -woods is growing, mainly, from the increase in demand of fibrous raw material and the use of

Por otro lado, de acuerdo a las compañías manufactureras de papeles y cartones, la importancia de la madera como

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materia prima para la industria papelera radica en que contiene alrededor de 60 % de alfa, beta y gamma celulosa; sin embargo, el aprovechamiento y uso de productos no maderables está creciendo, debido, principalmente, al aumento en la demanda de materia prima fibrosa y a la utilización de los recursos naturales de cada país (plantas tropicales); un ejemplo de ello son China e India que en la actualidad incorporan de 80 a 40 %, respectivamente, de fibras no maderables para dicho propósito (CMPC, 2014).

natural resources of each country (tropical plants); for example, China and India at present, include around 80 and 40 %, respectively, of non- wood fibers for this ending (CMPC, 2014). Some data published by the Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático (INECC, 2014) indicate that there are no plantations for industrial purposes in Mexico because there has not been a clear forest policy that would have allowed to get raw material within a specified geographical radius. Hence, this sector has been forced to get it from remote areas and often very difficult to access, which increases costs and reduces their competitiveness; therefore, Mexico is still considered a secondary fiber consumer and is among the top ten countries of recyclable paper collectors worldwide with a collection rate of 46.7 %, and among the top three recyclers in the world, with an index of use of secondary fiber of 78.6 %.

Algunos datos publicados por el Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático (INECC, 2014) indican que no hay plantaciones con fines industriales en México, porque no ha existido una clara política forestal que permita disponer de materia prima dentro de un radio geográfico determinado. De ahí que el sector se ha visto obligado a conseguirla en zonas lejanas y, con frecuencia, de muy difícil acceso, lo que aumenta los costos y reduce su competitividad; por lo tanto, México es aún considerado consumidor de fibra secundaria y se ubica entre los diez primeros países recolectores de papel reciclable a nivel mundial, con un índice de recolección de 46.7 %, y entre los tres primeros recicladores del mundo, con un índice de utilización de fibra secundaria de 78.6 %.

However, secondary fiber not always satisfies amount and quality demands, which makes it necessary to look for different fiber sources that would make it possible or replace or simply to promote the use of different materials or non- wood origin, such as R. communis which is fast growing and its plantations are managed at low costs (INECC, 2014).

Sin embargo, la fibra secundaria no siempre cumple con las demandas de cantidad y calidad, por lo que es necesario recurrir a otras fuentes fibrosas que posibiliten sustituirla o simplemente promover el uso de materiales de origen no maderable como R. communis, especie de rápido crecimiento (3 a 4 años), cuyo manejo en plantaciones es de bajo costo (INECC, 2014).

On the face of an increment in the demand of greater production of pulp to manufacture paper and a reduction of industrial costs, the following objective was stated: to propose the use of bleached cellulose from the stem of R. communis as a substitute of different raw materials (eucalyptus and sugar cane fiber) that are industrially used at present for bond paper.

Ante un incremento en la demanda de mayor producción de pulpa destinada a la elaboración de papel y una reducción de costos en la industria, se planteó el siguiente objetivo: proponer la utilización de celulosa blanqueada obtenida a partir del tallo de R. communis en sustitución de otras materias primas (eucalipto y bagazo de caña) que actualmente se manejan en la industria para fabricar papel bond.

Materials and Methods Description of the plant

Descripción de la planta

According to González (2008), R. communis is commonly called “fig”, “ devil fig “ or castor; it is a monoecious perennial diclinous shrub (lives more than two years; flowers and seeds produced more than once per year), and it can reach up to 6 m tall, with shallow root and stem thickened and branched, cylindrical, hollow, green-wine-colored, coated with a thin crust of a thin layer of wax (Figure 1).

De acuerdo a González (2008), R. communis es llamada comúnmente “higuerilla”, “higuera del diablo” o “ricino”; es un arbusto perenne diclino monoico (vive más de dos años; florece y produce semillas más de una vez), puede alcanzar hasta 6 m de altura; de raíz superficial; tallo engrosado y ramificado, cilíndrico, hueco, color verde-vinoso, recubierto por una delgada corteza con una tenue capa de cera (Figura 1). Presenta flores (Figura 1) de ambos sexos, masculinas con perianto de 6 a 12 mm y 5 sépalos con numerosos estambres de color amarillo; y femeninas con perianto de 4 a 8 mm de largo, con un cáliz caduco que circunda completamente al ovario, el cual es trilocular, densamente

Also, it has flowers (Figure 1) of both sexes, male with perianth of 6-12 mm and 5 sepals with numerous yellow color stamens and female perianth 4-8 mm long, with a deciduous calyx which completely surrounds the ovary which is trilocular; the ovary is densely covered with long soft tubers, which seem coarse hairs, has short pendulum and occur in a terminal cluster. The fuit (Figure 2) is a capsule containing a trilocular seed per locule and is externally coated with no sharp spines; tends to dehiscence, i.e., when the pericarp ripens, it opens to eject the seeds. The seed is oval, ranging in size from 5 to 20 mm depending on the variety; the integument is leathery, with a

Materiales y Métodos

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Figura 1. Ricinus communis L. y aspecto de las hojas y flores. Figure 1. Ricinus communis L. and general look of leaves and flowers. cubierto por largos tubérculos blandos, que parecen pelos gruesos, su pedúnculo es corto y se producen en racimos terminales. El fruto (Figura 2) es una cápsula trilocular que contiene una semilla por lóculo y exteriormente está recubierto por espinas no punzantes; tiene tendencia a la dehiscencia; es decir, al madurar se abre el pericarpio para expulsar la semilla. Esta es de forma oval, de tamaño variable entre 5 y 20 mm, según la variedad; el tegumento es coriáceo, de superficie lisa y lustrosa, con manchas marmoleadas, además del aceite contiene ricina y ricinina (tóxicos); el contenido de aceite en la semilla es de alrededor de 46 % (Herbotecnia, 2014).

smooth and glossy surface, with marbled stains, in addition to oil (46 %), it also contains ricin and ricinine (toxic) (Herbotecnia, 2014). The right weather conditions for its development are the following: direct sun or middle shadow with warm or mild climate (21 to 27 °C) and a subhumid environment, 58 % relative humidity; it does not resist intense or long frosts; it can stand some soil properties, among which, there are a few nutrients but abundant organic matter and good drainage (González, 2008).

Figura 2. Aspecto del fruto y de la semilla de Ricinus communis L. Figure 2. General look of Ricinus communis L. fruit and seed.

Las condiciones climáticas para su desarrollo son las siguientes: sol directo o media sombra, con clima cálido o

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templado (21 a 27 °C) y ambiente subhúmedo, 58 % humedad relativa, no resiste heladas severas o muy prolongadas; tolera varias características de suelo, entre ellas: pocos nutrientes, pero con abundante materia orgánica y buen drenaje (González, 2008).

Collection and sampling The collection of the stem of R. communis was conducted in the Experimental Forest School of the Universidad de Guadalajara, located in Cuxpala, Jalisco, which belongs to the Bosque La Primavera area. The selected specimen measured 4.5 m in height, 12.5 cm average diameter, and 3.8 months average age; it was felled and sectioned in different parts (main stem and main branches) and the leaves and branches of smaller diameter (Figure 3) were eliminated. They were taken to the Departamento de Madera, Celulosa y Papel/CUCEI Universidad de Guadalajara, where they were manually debarked with a knife and spatula; the barkless trunks and branches were dried at room temperature to a moisture of 15 to 30 % (Figure 3).

Recolección y muestreo La recolección del tallo de R. communis se llevó a cabo en el Campo Experimental Bosque Escuela de la Universidad de Guadalajara, ubicado en Cuxpala, Jalisco, que pertenece al área Bosque La Primavera. El espécimen seleccionado medía 4.5 m de altura, 12.5 cm de diámetro promedio y su edad promedio, 3.8 meses; se le derribó y seccionó en diferentes partes (tallo principal y ramas principales) y se eliminaron las hojas y ramas de menor diámetro (Figura 3). Se trasladó al Departamento de Madera, Celulosa y Papel/CUCEI de la Universidad de Guadalajara, en donde se descortezaron manualmente, con una navaja y una espátula; los troncos y ramas sin corteza se dejaron secar a temperatura ambiente, hasta una humedad de 15 a 30 % (Figura 3).

The chipping operation of trunks and branches was accomplished with a Bruks Mekaniska chipper in which wood was divided into small chips (Figure 4). The obtained chips were classified through sieves of different size: 1 inch, ¾ inch and ½ inch; those that were retained in the ¾ inch were those used for pulping.

Figura 3. Derribo y descortezado del tronco de Ricinus communis L. Figure 3. Felling and debarking of Ricinus communis L. stem. La operación de astillado de troncos y ramas se realizó en una astilladora en la que la madera se fraccionó en astillas pequeñas (Figura 4), las que se clasificaron mediante tamices de diferentes tamaños: 1 pulgada, ¾ de pulgada y ½ pulgada de abertura respectivamente; las astillas retenidas en la criba de ¾ de pulgada fueron las utilizadas para la obtención de pulpa.

Pulping processes (soda, Kraft) Moisture was determined to the classified chips, according to the T258 om-89 regulation (Tappi, 1998); they were weighted in a Sartorius scale, Universal 5000 model and put into bags to prepare the different cooking treatments according to Table 1.

Figura 4. Astillado y clasificación de troncos y ramas del Ricinus communis L. Figure 4. Chipping and classification of trunks and branches of Ricinus communis L. 110


Escoto et al., Obtención de celulosa blanqueada...

Procesos de obtención de pulpa (Sosa, Kraft) A las astillas clasificadas se les determinó la humedad de acuerdo a la norma T258 om-89 (Tappi, 1998); se pesaron en una balanza Sartorius modelo Universal 5000 y se embolsaron para preparar los diferentes tratamientos de cocción, de acuerdo al Cuadro 1. Cuadro 1. Condiciones para la cocción a la sosa y al sulfato. Table 1. Conditions for soda and sulphate cooking. Proceso Sosa

Temperatura

Tiempo

NaOH

NaOH

Astillas base seca(g)

(°C)

(min)

(%)

(g)

859.5

165

120

23

203.53

Proceso Kraft

Temperatura

Tiempo

Na2S

Astillas base seca (g)

(°C)

(min)

(%)

859.5

165

120

26

Los tratamientos de cocción se llevaron a cabo en un digestor tipo Jayme modelo R25W/3 (Figura 5), y se calentaron con resistencias eléctricas; las astillas, junto con el licor de cocción se vaciaron en el interior del digestor con un hidromódulo 5:1 para ambos procesos. Al término del tiempo de cocción, se despresurizó el digestor, se enfrió y se abrió para sacar las astillas, que se lavaron para eliminar el licor de cocimiento residual; posteriormente, se desfibraron en un refinador de discos Sprouth Waldron M105A (Figura 5), con una abertura entre discos de 12 milésimas de pulgada.

Na2S + NaOH (g) 223.47

The cooking treatments were carried out in a Jayme type digester, R25W/3 model (Figure 5), and were heated with electric resistances; the chips together with the cooking liquor were emptied into the digester with a 5:1 hydromodule for both processes. At the end of the cooking time, the digester was depressurized, cooled and was opened to take out the cooked chips, that were washed to remove the liquor of residual cooking; later, the chips were shred in a Sprouth Waldron M105A disk refiner (Figure 5), with an opening between disks of 12 thousandths of an inch.

Figura 5. Cocción, desfibración y obtención de pulpa de Ricinus communis L. Figure 5. Cooking, shredding and procurement of the pulp of Ricinus communis L. Finalmente, la pulpa desfibrada se pasó a un depurador de diafragma Lorentzen Wettre modelo FI-117- MT3 con placa ranurada de 0.25 mm; se separó la pulpa aceptada de los rechazos o material “crudo” (Figura 6).

Finally, the shredded pulping was passed through a Lorentzen Wettre diaphragm, FI-117- MT3 model, with a 0.25 mm slotted sheet; the accepted pulp was rejected as well as the uncooked material (Figure 6).

111


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 106-125

Figura 6. Depuración de la pulpa en equipo Lorentzen Wettre. Figure 6. Pulp purifying in a Lorentzen Wettre equipment. La pulpa aceptada para los dos procesos de cocción sosa y Kraft se homogeneizó y se le calculó la humedad, el rendimiento, el número de Kappa y la viscosidad por el método T-236 (Tappi, 1998). La evaluación fisicomecánica de las pulpas se realizó de acuerdo a Escoto (2002), mediante curvas de refinación en molino Jokro (Figura 7), según la norma ISO 5264/3 (ISO, 1998). Los puntos de refinación se establecieron en 0, 8, 16 y 24 minutos, también se determinó el grado de refinación en función al método ISO5267/1 (ISO, 1998) con un equipo Schopper Riegler KF – GMBH (Figura 7); se elaboraron hojas de papel de cada tiempo de refinación en formador estándar (Figura 7). Las pruebas fisicomecánicas en las hojas de papel estándar se aplicaron según las normas Tappi (1998) que incluyen la resistencia al rasgado (T-414), resistencia a la tensión (T-404), resistencia a la explosión (T-403), resistencia al doblez (T-423), espesor o calibre (T-411) y porosidad (T-460).

The accepted pulp for both cooking processes, soda and Kraft, was homogenized and the calculation of its moisture, yield, Kappa number and viscosity values was made according to the T-236 method (Tappi, 1998). The physicomechanical assessment of the pulps was made according to Escoto (2002), through refining curves in a Jokro mill (Figure 7) following the ISO 5264/3 regulation (ISO, 1998); the refining points were established at 0, 8, 16 and 24 minutes. The refining degree was determined according to the ISO5267/1 method (ISO, 1998), with a KF - GMBH Schopper Riegler equipment (Figure 7); paper sheets were manufactured in each refining time in a standard former (Figure 7). The physicomechanical tests on the standard paper sheets were applied following the Tappi (1998) regulations: resistance to tear (T-414), tensile strength (T-404), resistance to explosion (T-403), resistance to bending (T-423), thickness or caliber (T-411) and porosity (T-460).

Figura 7. Refinación, medición del grado de refinación y formación de hojas. Figure 7. Refining, evaluation of the refining degree and sheet manufacture.

Blanqueo y mezcla de pulpas (fibras celulósicas)

Bleaching and pulp (celullose fibers) mixture

A las pulpas a la sosa y al sulfato obtenidas (después de depuración) se les aplicó el tratamiento de blanqueo con cuatro secuencias: oxígeno (Cuadro 2), dióxido de cloro (Cuadro 3), oxígeno/peróxido (Cuadro 4) y dióxido (Cuadro 5) [O D0 (O P) D1].

To the soda and sulphate pulps obtained (after depuration), was applied the bleaching treatment with four sequences: with oxygen (Table 2), with chloride dioxide (Table 3), with oxygen/peroxide (Table 4) and with dioxide (Table 5) [O D0 (O P) D1].

112


Escoto et al., Obtención de celulosa blanqueada...

Cuadro 2. Condiciones de primer secuencia con oxígeno. Table 2. Conditions of the first sequence with oxygen.

Cuadro 3. Condiciones segunda secuencia con dióxido de cloro. Table 3. Conditions of the second sequence with chloride dioxide.

Proceso de cocción

Sosa

Kraft

Proceso de cocción

Sosa

Kraft

Pulpa base seca inicial (g)

180

180

Pulpa base seca inicial (g)

157.93

157.72

Sosa NaOH (g)

3.24

2.7

Clorito de sodio (g)

1.72

2.69

Consistencia (%)

10

10

Ácido sulfúrico (g)

0.079

1.39

90

100

Consistencia (%)

10

10

5

5

Temperatura (˚C)

60

60

Sulfato de magnesio (g)

0.9

0.9

pH al inicio del proceso

7.60

4.3

pH al inicio del proceso

12.32

12.1

Tiempo (min)

60

60

60

60

Temperatura (˚C) Presión de oxígeno (kg cm ) -2

Tiempo (min)

Cuadro 4. Condiciones tercera secuencia con oxígeno-peróxido. Table 4. Conditions of the third sequence with oxygen/peroxide. Proceso de cocción

Sosa

Kraft

145.45

127.66

1.72

0.62

5

5

Peróxido (g)

1.43

0.99

Sosa (g)

1.43

1.39

Consistencia (%)

10

10

Temperatura (˚C)

98

100

Tiempo (min)

60

60

Pulpa base seca inicial (g) Sulfato de magnesio (g) Presión de oxígeno (kg cm-2)

Cuadro 5. Condiciones cuarta secuencia con dióxido de cloro. Table 5. Conditions of the fourth sequence with chloride dioxide Proceso de cocción

Sosa

Kraft

123.30

116.36

Clorito de Sodio (g)

1.69

1.17

Ácido Sulfúrico (g)

0.67

0.58

% Consistencia (%)

10

10

Temperatura (˚C)

80

80

Tiempo (min)

180

180

Pulpa base seca inicial (g)

Pulp bleaching was made for the sequences with oxygen and oxygen/peroxide, in the Jayme reactor, R25W/3 model (Figure 8) and for the sequences with dioxide was used a bath of water with controlled temperature. In both cases, and after each one of the bleaching sequences, the pulp (Kraft and soda) was washed, squeezed and homogenized (Figure 8) for a later determination of whiteness, opacity and viscosity, in addition to the application, one more, of a refining curve to know the physical-mechanical properties. To the bleached industrial pulps (long fiber, FL and short fiber, FC), the same characteristics were assessed and a refining curve was applied as well.

El blanqueo de la pulpa se hizo para las secuencias con oxígeno, y oxígeno/peróxido, en el reactor Jayme modelo R25W/3 (Figura 8) y para las secuencias con dióxido se utilizó un baño de agua con temperatura controlada. En ambos casos y posterior a cada una de las secuencias de blanqueo, la pulpa (Kraft y sosa) se lavó, se exprimió y se homogeneizó (Figura 8) para después determinar su blancura, opacidad y viscosidad; además de aplicar nuevamente una curva de refinación para conocer sus propiedades fisicomecánicas. A las pulpas blanqueadas industriales (fibra larga, FL y fibra corta, FC), también se les evaluaron las características anteriores y se llevó a cabo la curva de refinación.

Figura 8. Blanqueo de la pulpa, lavado y homogeneizado. Figure 8. Pulp bleaching, washing and homogenization.

113


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 106-125

Con base en los resultados de las curvas de refinación, se eligieron los tiempos óptimos para cada una de las pulpas blanqueadas (fibra de Ricinus a la sosa, fibra de Ricinus al sulfato, fibra corta y fibra larga industrial) de acuerdo al Cuadro 6; en un equipo formador TMI, se elaboraron ocho hojas para cada variable con un gramaje de 60 g m-2 de acuerdo al método Tappi T – 205 (Tappi, 1998).

Based on the results that came from refining curves, were elected the optimal times for each one of the bleached pulps (soda Ricinus fibers, sulphate Ricinus fibers, short industrial fiber, and long industrial fiber) according to Table 6; in a TMI formation equipment, 8 sheets for each variable of 60 g m-2 were made following the Tappi T – 205 method (Tappi, 1998).

Cuadro 6. Diseño experimental para mezclas fibrosas en %. Table 6. Experimental design for fibrous mixtures in per cent (%) Fibra larga Industrial

Fibra Corta Industrial

Fibra a la Sosa

Fibra Kraft

Ref. 30 min

Ref. 16 min

Ref. 8 min

Ref. 12 min

100 %

0%

0%

0%

80 %

20 %

20 %

20 %

70 %

30 %

30 %

30 %

60 %

40 %

40 %

40 %

40 %

60 %

60 %

60 %

20 %

80 %

80 %

80 %

0%

100 %

100 %

100 %

Las pruebas en las hojas de papel estándar fueron las mismas de la etapa sin blanqueo y las respectivas al papel bond, las cuales son: blancura Tappi T- 525 (Tappi, 1998) y opacidad Tappi T-519 (Tappi, 1998); para esta prueba se utilizó el equipo Elrepho 3000 Datacolor (Figura 9). La rugosidad y la absorción superficial se evaluaron mediante el equipo IGT de acuerdo a Tappi T-499 (Tappi, 1998) (Figura 9). Los resultados se calcularon directamente a partir de las fórmulas dadas en las técnicas Tappi antes mencionadas.

The tests determined in the sheets of standard paper were the same of the bleaching stage, and those referring to bond paper, which are: Tappi T- 525 whiteness (Tappi, 1998) and Tappi T-519 opacity (Tappi, 1998); for this test an Elrepho 3000 Datacolor equipment was used (Figure 9). The identification of roughness and superficial absorption was made with the aim of an IGT equipment according to Tappi T-499 (Tappi, 1998) (Figure 9). The calculation of results was directly made from the formulae offered in the Tappi techniques formerly mentioned.

Figura 9. Equipo Elrepho e IGT para medir la blancura, opacidad y rugosidad en papel. Figure 9. Elrepho and IGT equipment to measure paper whiteness, opacity and roughness.

114


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Resultados y Discusión

Results and Discussion

Respecto al proceso de cocción a la sosa y al sulfato, el rendimiento, el número de Kappa y la viscosidad son muy parecidos; sin embargo, el proceso a la sosa presentó mejores resultados debido, probablemente, al menor porcentaje de álcali activo aplicado en el proceso de cocción inicial (sosa, 23 % y Kraft, 26 %) (Cuadro 7).

In regard to the soda and sulphate cooking processes, as it can be observed in Table 7, the yield, Kappa number and viscosity values are rather similar; however, the soda one showed better results, as, probably, it was due to the smaller per cent of active alkali applied to the initial cooking process (soda, 23 % and Kraft, 26 %).

Cuadro 7. Resultados del proceso de cocción. Table 7. Results of the cooking process.

The results of the refining curve of the four pulps (Figure 10) showed two tendencies; for the short fibers of soda and Kraft of R. communis and short industrial fiber (FCI) it can be appreciated for the first two, that the refining degrees are very similar, but that for the short industrial fiber, that the maximum refining time (24 min) does not achieve to increase the same refining level (28 °SR), which, at equal times, the R. communis pulps demand less energy to accomplish the highest levels (44 and 46 °SR).

Proceso de cocción

Rendimiento %

Núm. de Kappa

Viscosidad cp

Sosa

41

17.46

8.1

Kraft

39

15.09

7.9

Los resultados de la curva de refinación de las cuatro pulpas (Figura 10) presentan dos tendencias; para las fibras cortas a la sosa y Kraft de R. communis y fibra corta industrial (FCI) se detectó que para las dos primeras, los grados de refinación son muy parecidos, pero para la fibra corta industrial, el tiempo de refinación máximo (24 min) no logró incrementar el mismo nivel (28 °SR), por lo que a tiempos iguales, las pulpas de R. communis requieren menor energía para llegar a niveles más altos (44 y 46 °SR).

The second tendency in the pulp with industrial long fiber (FLI) demands greater refining time (45 min) to get to the same level of the R. communis pulps, that is, the industrial long fiber needed twice the refining time, since at the minute 45, it reached around the 44 °SR, which obtained the pulps of the studied species after 24 minutes (44 and 46 °SR). The clear difference upon the refining treatment between the short fibers and the long fibers, in general, show this kind of effect due, mainly, to the cell morphology and the length of the fiber; regularly, the size of the long fiber (pines) varies between 2 800 and 3 200 µm long and the size of the short fibers of Eucalyptus spp., for example, is in a range between 863.6 and 830.2 µm (Igartúa and Monteoliva, 2010) and those of R. communis from 0.960 to 1 058 µm (Escoto et al., 2013);

La segunda tendencia en la pulpa con fibra larga industrial (FLI) demandó mayor tiempo de refinación (45 min) para llegar al mismo nivel alcanzado por las pulpas de R. communis; es decir, la fibra larga industrial necesitó del doble de tiempo de refinación, ya que al minuto 45 alcanzó aproximadamente los 44 °SR que obtuvieron las pulpas de la especie de interés en 24 minutos (44 y 46 °SR).

Figura 10. Efecto del tiempo de refinación sobre el grado de refinación en pulp (°SR). Figure 10. Effect on pulp of the refining time upon the degree of refining (°SR).

115


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 106-125

La diferencia marcada en el tratamiento de refinación entre las fibras cortas y fibras largas, en general, presentan este tipo de efecto debido, principalmente, a la morfología celular y a la longitud de la fibra; por lo regular, el tamaño de la fibra larga (pinos) varía entre 2 800 y 3 200 µm de longitud, y el tamaño de las fibras cortas de Eucalyptus spp., por ejemplo, se ubica en un intervalo de 863.6 y 830.2 µm (Igartúa y Monteoliva, 2010). Las de R. communis de 0.960 a 1 058 µm (Escoto et al., 2013); por ello es necesario aplicar mayor energía en el tratamiento de refinación, para lograr una fibrilación interna y externa que mejore las características fisicomecánicas del papel.

therefore, more energy is necessary in the refining treatment to accomplish an internal and external fibrillation that improves the physic-mechanical characteristics of paper. The results of the physicochemical assessment of the unbleached R. communis soda and sulfate pulps are exhibited in tables 8 and 9; the long and short fiber industrial pulps were not evaluated as refining curve, only refining time and optimum properties were considered.

Los resultados de la evaluación fisicomecánica de las pulpas sin blanquear de R. communis a la sosa y al sulfato se reúnen en los cuadros 8 y 9: Las pulpas industriales de fibra corta y fibra larga no se evaluaron como curva de refinación, solamente se tomaron los tiempos de refinación y de propiedades óptimas. Cuadro 8. Propiedades físico-mecánicas de la pulpa de Ricinus communis L. a la sosa sin blanquear. Table 8. Physical-mechanical properties of the Ricinus communis L unbleached soda pulp. Tiempo de refinación (min)

0

8

16

24

Índice de explosión (kPa m2 g-1)

1.64

3.59

4.12

5.04

Porosidad (s/100 cc)

6

34

27

57

Doblez (no)

9

124

128

130

Índice de doblez (10^no)

0.92

2.09

2.11

2.11

Índice de tensión (Nm g-1)

32.45

61.69

65.32

66.99

38.00

48.89

51.56

59.73

Índice de rasgado (Nm kg )

5.9

7.3

7.9

9.2

Espesor (µm)

1.22

1.02

0.91

0.92

Resistencia al rasgado (gf) 2

-1

Cuadro 9. Propiedades físico-mecánicas de la pulpa de Ricinus communis L. Kraft sin blanquear. Table 9. Physical-mechanical properties of the Ricinus communis L. unbleached Kraft pulp. Tiempo de refinación (min)

0

8

16

24

2.18

3.99

4.71

4.72

Porosidad (s/100cc)

8

36

78

106

Doblez (no)

75

118

271

334

Índice de doblez (10^no)

1.87

2.07

2.43

2.52

Índice de tensión (Nm g-1)

22.28

62.99

75.17

69.64

36.00

47.60

41.07

41.00

Índice de rasgado (Nm kg )

5.6

7.1

6.2

6.2

Espesor (µm)

1.23

1.05

0.97

0.94

Índice de explosión (kPa m2 g-1)

Resistencia al rasgado (gf) 2

-1

Como se advierte en los cuadros 8 y 9, las propiedades de resistencia fisicomecánica en 24 minutos de refinación para la pulpa Kraft, el índice de tensión fue de 69.64 Nm g-1, la resistencia al doblez de 334 y la porosidad de 106, mientras

As can be noted in tables 8 and 9, the physical-mechanical resistance properties in 24 minutes of refining were interlaced as in Kraft pulp the tension index of 69.64 Nm g-1, the bending strength of 334 and porosity of 106 indicate better results; 116


Escoto et al., Obtención de celulosa blanqueada...

que en la pulpa a la sosa, el índice de explosión tuvo un valor de 5.04 kPa m2 g-1 y el índice de rasgado de 9.2 Nm2 kg-1. A partir de que no existen grandes diferencias entre los resultados para cada tiempo de refinación, y por el ahorro de energía en el tratamiento de refinación, se optó por seleccionar el de 8 minutos para la pulpa a la sosa y 12 minutos para la pulpa Kraft; para la fibra corta industrial se eligió el de 16 minutos y para la fibra larga industrial 30 minutos.

however in soda pulp, burst index of 5.04 kPam2 g-1 and tear index of 9.2 Nm2 kg-1 are better in Kraft pulp. Since there are no major differences between the results obtained for each refining time and energy saving in the refining treatment, it was decided to select the time of 8 minutes for soda pulp and 12 minutes for the Kraft pulp; for industrial short fiber, 16 minutes were chosen and 30 minutes for the industrial long fiber. The results of the whiteness property in the bleached pulps shown in Table 10 and Figure 11, indicate that the percentage of whiteness was increased as the different bleaching sequences were implemented, although Kraft pulp achieved a better response (82.22 %) in each one of the bleaching sequences with respect to soda pulp (81.87 %).

El porcentaje de blancura se incrementó en la medida en la que se aplicaron las diferentes secuencias de blanqueo, aunque la pulpa Kraft logró mejor respuesta (82.22 %) en cada una de las secuencias de blanqueo, con respecto a la pulpa a la sosa (81.87 %) (Cuadro 10, Figura 11).

Cuadro 10. Porcentaje de blancura en las etapas de blanqueo en pulpa de Ricinus communis L. Table 10. Percentage of whiteness in the pulp bleaching stages of Ricinus communis L. Pulpa

Sin blanquear

Oxígeno (O)

Dióxido de cloro (D˳)

Oxígeno-Peróxido (O P)

Dióxido de cloro (D)

Sosa

30.27 %

44.77 %

62.35 %

75.02 %

81.87 %

Kraft

29.04 %

47.15 %

67.79 %

78.51 %

82.22 %

Figura 11. Efecto de las secuencias de blanqueo en pulpa de Ricinus communis L. Figure 11. Effect on Ricinus communis L. pulp of the bleaching sequences.

Los resultados de la mezcla de fibras y sus propiedades fisicomecánicas, ópticas y rugosidad superficial se ordenan en los cuadros 11, 12 y 13; en ellos se observa que para la mezcla fibra larga industrial (FLI) /fibra corta industrial (FCI) (Cuadro 11), las

The results of the mixture of fibers and its physical-mechanical properties, optical and surface roughness are arranged in tables 11, 12 and 13; it can be seen in them that for the long industrial fiber mixture FLI / Industrial short fiber FCI (Table 11),

117


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 106-125

mejores propiedades se ubican en las bandas con 70 % FLI / 30 % FCI (índice de rasgado 11.76 Nm2 g-1 e índice de doblez 2.42 log10) y en la banda 20 % FLI /80 % FCI (índice de tensión 87.62 Nm g-1, índice de explosión 4.07 kPam2 g-1, blancura 82.88 % y opacidad 83.09 %); valores superiores a los registrados al 100 % de fibra larga industrial (índice de rasgado 8.74 Nm2 g-1, índice de tensión 74.68 Nm g-1, índice de explosión 3.04 kPam2 g-1, blancura 81.02 % y opacidad 77.66 %). La rugosidad se beneficia en la mezcla 40 % FLI /60 % FCI (1.21 mm2 cm-2), con respecto al 100 % FLI (0.91 mm2 cm-2).

the best properties are located in the bands FLI 70 % / 30 % FCI (11.76 N.m2 g-1 and tear index 2.42 log10 bending rate) and in the 20 % band FLI / 80 % FCI (87.62 Nm g-1 tension index, 4.07 kPa.m2 g-1 explosion index, 82.88 % whiteness and 83.09 % opacity); higher values than those recorded at 100 % industrial long fiber (8.74 N.m2 g-1 tear index, 74.68 Nm g-1 tension index, 3.04 kPam2 g-1 explosion index, 81.02 % whiteness and 77.66 % opacity). Roughness benefits in the 40 % FLI /60 % FCI (1.21 mm2cm-2) mix, with respect to 100 % FLI (0.91 mm2 cm-2).

Cuadro 11. Pruebas fisicomecánicas en fibra larga industrial / fibra corta industrial. Table 11. Physical-mechanical tests in Industrial Long Fiber/ Industrial Short Fiber. Índice de rasgado (Nm2 g-1)

Índice de doblez (10^no)

Índice de tensión (Nm g-1)

Blancura (%)

Opacidad (%)

Rugosidad

Porosidad

(%)

Índice de explosión (kPam2 g-1)

(mm /cm )

(s/100cc aire)

100

3.04

8.74

2.68

74.68

81.02

77.66

0.91

0.20

80

3.81

8.96

2.38

82.27

80.51

78.43

1.13

0.15

70

3.63

11.76

2.42

80.88

81.65

80.80

1.10

0.10

60

3.96

9.39

2.39

82.02

82.12

79.55

1.00

0.10

40

3.54

8.81

2.28

79.34

82.78

81.61

1.21

0.08

20

4.07

8.89

2.30

87.62

82.88

83.09

1.07

0.07

100FCI

3.18

9.93

2.14

76.59

84.47

83.17

0.99

0.05

Fibra larga ind.

Para la mezcla fibra larga industrial (FLI) / fibra de R. communis a la sosa (FRS) (Cuadro 12), las mejores propiedades están en las bandas de 70 - 80 % FLI / 30 - 20 % FRS (índice de tensión 77.69 Nm g-1, índice de rasgado 8.51 Nm2 g-1 e índice de doblez 2.38 log10) y en la banda 60 - 20 % FLI /40 - 80 % FRS (índice de explosión 4.28 kPam2 g-1, blancura 79.83 % y opacidad 87.08 %); a excepción de la blancura, índice de doblez e índice de rasgado, el resto de propiedades son relativamente superiores a las registradas al 100 % de fibra larga industrial. La rugosidad se beneficia en la mezcla 20 % FLI /80 % FRS (1.04 mm2cm-2), con respecto al 100 % FLI (0.91 mm2/cm-2).

2

2

For the long industrial fiber mixture FLI / soda R. communis fiber FRS (Table 12), the best properties are in the band 70 - 80 % FLI / 30 - 20 % FRS (77.69 Nm g-1, 8.51 Nm2 g-1 tension index and 2.38 log10 bending rate) and in the band 60 - 20 % FLI /40 - 80 % FRS (4.28 kPam2 g-1 explosion index, 79.83 % whiteness and 87.08 % opacity; except for whiteness, bending index and tear index, the rest of the properties are rather higher than those reported at 100 % of long industrial fiber. Roughness benefits in the 20 % FLI /80 % FRS (1.04 mm2cm-2) mixture in regard to 100 % FLI (0.91 mm2cm-2).

Cuadro 12. Pruebas fisicomecánicas en fibra larga industrial/fibra de Ricinus communis L. a la sosa. Table 12. Physical-mechanical tests in Industrial Long Fiber/ soda Ricinus communis fiber. Índice de rasgado (Nm2g-1)

Índice de doblez

(%)

Índice de explosión (kPam2g-1)

100

3.04

80

(10^no)

Índice de tensión (Nm g-1)

Blancura (%)

Opacidad (%)

Rugosidad (mm2 cm-2)

(s/100cc aire)

8.74

2.68

74.68

81.02

77.66

0.91

0.20

3.59

8.51

2.38

61.89

79.13

77.23

0.79

0.19

70

3.46

7.74

2.19

77.69

79.79

81.33

0.94

0.19

60

4.28

8.03

2.16

64.42

79.83

82.67

0.95

0.26

40

3.23

6.76

2.30

65.53

77.73

86.34

0.89

0.30

20

2.74

5.40

1.91

62.04

78.02

87.18

1.04

0.28

100 FRS

3.45

4.73

1.85

62.87

78.67

88.69

1.01

0.35

Fibra larga ind.

118

Porosidad


Escoto et al., Obtención de celulosa blanqueada...

En el caso de la mezcla fibra larga industrial (FLI)/fibra de R. communis Kraft (FRK) (Cuadro 13), las propiedades superiores se concentran en las bandas con 70 – 40 % FLI / 30 - 60 % FRK (índice de rasgado 6.93 Nm2 g-1, índice de doblez 2.36 log10, índice de tensión 78.38 Nm g-1, índice de explosión 3.37 kPam2 g-1, blancura 77.32 % y opacidad 86.77 %); también en este caso, a excepción de la blancura, índice de doblez e índice de rasgado, el resto de propiedades son relativamente mayores a las registradas al 100 % de fibra larga industrial. La rugosidad fue inferior (0.71 mm2cm-2) con respecto al 100 % FLI (0.91 mm2 cm-2).

For the long industrial fiber mixture FLI / Kraft Ricinus communis fiber FRK (Table 13), the best properties concentrate in the band 70 - 40 % FLI / 30 - 60 % FRK (6.93 Nm2 g-1 tear index, 2.36 log10 bending rate, 78.38 Nm g-1 tension index, 3.37 kPam2g-1 explosion index, 77.32 % whiteness and 86.77 % opacity); except for whiteness, in this case too, the bending index and tear index, the rest of the properties are rather higher than those reported at 100% of long industrial fiber. Roughness was lower (0.71 mm2cm-2) in regard to 100 % FLI (0.91 mm2cm-2).

Cuadro 13. Pruebas fisicomecánicas en fibra larga industrial / fibra de Ricinus communis L. Kraft. Table 13. Physical-mechanical tests in Industrial Long Fiber/ Kraft Ricinus communis L. fiber. Fibra larga ind.

Índice de explosión

Índice de rasgado

Índice de doblez

Índice de tensión

(%)

(kPam2 g-1)

(Nm2 g-1)

(10^no)

(Nm g-1)

100

3.04

8.74

2.68

74.68

80

3.55

7.29

2.49

70

3.37

6.67

60

3.37

40

Opacidad

Porosidad

(%)

Rugosidad (mm2 cm-2)

(s/100cc aire)

81.02

77.66

0.91

0.20

74.88

75.24

80.70

0.65

0.51

2.23

73.35

77.32

80.41

0.71

0.51

6.93

2.36

78.38

76.78

83.31

0.69

0.55

3.39

6.13

2.28

72.88

77.15

86.77

0.63

0.57

20

3.29

5.58

1.96

70.86

76.96

85.91

0.61

0.51

100 FRK

3.38

4.88

1.98

56.64

79.66

86.83

0.61

0.59

Para visualizar el comportamiento y el efecto del incremento de fibra de R. communis a la sosa y Kraft sobre las propiedades fisicomecánicas, ópticas y de rugosidad, con respecto a las mezclas con fibra larga industrial y fibra corta industrial, se presentan las figuras 12 a la 17. En la primera, se aprecia claramente que el índice de explosión se eleva al adicionar fibras de la especie de interés hasta en 40 % mezclada con 60 % de fibra larga industrial (4.28 kPam2 g-1). Aunque, las combinaciones 20, 60 y 80 % de fibra corta industrial con 80, 40 y 20 % de fibra larga industrial, también ofrecen muy buena resistencia (3.81, 3.96 y 4.01 kPam2 g-1), respectivamente.

Blancura (%)

To visualize the behavior and effect of the increment of soda and Kraft R. communis fiber upon the physical-mechanical, optical and roughness properties, in regard to the mixtures with Industrial Long Fiber and Industrial Short Fiber, here are included figures 12 to 17. In the first one, it can be seen clearly that the explosion index gets higher when the fibers of the studied species were added up to 40 % mixed with 60 % of industrial long fiber (4.28 kPam2 g-1). Even though the 20, 60 and 80 % of industrial short fiber with 80, 40 and 20 % of industrial long fiber combination also offer very good resistance (3.81, 3.96 and 4.01 kPam2 g-1), respectively.

En la Figura 13, relativa al índice de rasgado, se evidencia que la adición de fibras de R. communis incidió positivamente, pero el proceso a la sosa reveló mejor índice de rasgado en la mezcla 20 % con 80 % de fibra larga industrial (8.51 Nm2 g-1), con respecto a la pulpa Kraft (7.29 Nm2 g-1); en este caso, la tendencia observada para el último índice es negativa al incrementar la fibra de R. communis, por ambos procesos. Por otro lado, se advierte que el nivel más alto alcanzado correspondió al suministro de 70 % de fibra larga industrial / 30 % de fibra corta industrial (11.76 Nm2 g-1), lo cual es normal debido a que la fibra larga incrementa notablemente dicha resistencia.

In Figure 13 related to the tear index, the addition of R. communis fibers did not benefit this property, though the soda process revealed a better index in the 20 % mixture with 80 % of industrial long fiber (8.51 Nm2 g-1), compared to the Kraft pulp (7.29 Nm2 g-1); in this case, the observed tendency for the last one is negative to increase the fiber of R. communis for both processes. On the other hand, it can be detected that the highest achieved level in this resistance belonged to the 70 % industrial long fiber / 30 % industrial short fiber (11.76 Nm2 g-1), which is regular since the long fiber notably increases this resistance.

Para el índice de tensión (Figura 14), añadir fibras de R. communis tiene un efecto positivo, ya que con 30 % de fibra

For the tension index (Figure 14), the addition of soda R. communis fibers partially benefits this property, since with 30 %

119


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 106-125

de Ricinus y 70 % de fibra larga industrial (77.79 Nm g-1) se supera el valor obtenido al 100 % con fibra larga industrial (74.68 Nm g-1); sin embargo, ninguna de las otras mezclas con Ricinus mejoran la cualidad. Es importante señalar que la mezcla con fibra corta industrial y fibra larga industrial producen resultados más sobresalientes en ese rubro.

of Ricinus fibers mixed with 70 % of industrial long fiber (77.79 Nm g-1) is overcome the obtained value at 100 % with industrial long fiber (74.68 Nm g-1); however, none of the other mixtures with Ricinus improve this quality. It is important to point out that the mixture with industrial short fiber and industrial long fiber produce better results in this category.

En la Figura 15 (% blancura) se muestra que la adición de fibra de R. communis (sosa y Kraft) en 30 % mezclada con 70 % de fibra larga industrial presenta valores aceptables de blancura (79.83 % y 77.32 %), en relación con la fibra larga industrial (81.02 %); no obstante, las mezclas fibrosas con 60 y 80 % de fibra corta industrial mezcladas con 40 y 20 % de fibra larga industrial tuvieron valores más altos (81.61y 83.09 %) de blancura.

In Figure 15 (whiteness %) it can be seen that the addition of 30 % R. communis fiber (soda and Kraft) mixed with 70 % of industrial long fiber, shows good whiteness values (79.83 % and 77.32 %) compared to the industrial long fiber (81.02 %); however, the fibrous mixtures with 60 and 80% of industrial short fiber mixed with 40 and 20 % industrial long fiber, get over these numbers (81.61and 83.09 % whiteness).

La opacidad (Figura 16) parece tener un efecto inverso al de la blancura; es decir, al incrementar la fibra de R. communis la opacidad lo hizo notablemente en las mezclas con 60 y 80 % de fibra de Ricinus (sosa y Kraft) con 40 y 20 % de fibra larga industrial (86.77 y 85.91 %). En comparación con los valores de opacidad obtenidos al 100 % de fibra corta industrial (83.17 %) y fibra larga industrial (77.66 %), fueron mayores los que resultan de la incorporación de R. communis

Opacity seems to have an inverse reaction to whiteness (Figure 16), that is, when R. communis increased, so did opacity in an outstanding way in the 60 and 80 % (soda and Kraft) Ricinus mixtures with 40 and 20 % with industrial long fiber (86.77 and 85.91 %). Compared to the opacity values at 100 % of industrial short fiber (83.17 %) and industrial long fiber (77.66 %), were higher than those where R. communis was involved. In regard to roughness (Figure 17), the aggregation of R. communis fibers lowers the roughness index; in this case, the Kraft Ricinus pulps from 60 % onwards in average, shows a smaller value (0.62) than soda pulp (0.89), but the industrial short fiber (1.21) and the industrial long fiber (1.07) in this same fibrous mixture level registered a higher roughness index. For offset papers, a higher number (>10) could generate ink deposits at the time of printing and a lower number (< 0.5) could produce ink drain (Del Peral, 1973), which means that the R. communis fibers improve this superficial characteristic; thus, it is advised to add 60 % of this fiber with 40 % of industrial long fiber to favor this property.

Respecto a la rugosidad (Figura 17) al añadir fibras de R. communis disminuye el índice de rugosidad; sobre el particular, la adición de pulpa Kraft de Ricinus a partir de 60 % presenta en promedio, un menor valor (0.62) que la pulpa a la sosa (0.89), pero la fibra corta industrial (1.21) y la fibra larga industrial (1.07) en este mismo nivel de mezcla fibrosa registran un índice superior. Para el caso de papeles offset, un aumento en dicho indicador (> 1.0) podría generar depósitos de tinta al momento de imprimir y una disminución (< 0.5) generaría escurrimiento de las tintas (Del Peral, 1973), por lo que las fibras de R. communis mejoran esta característica superficial; así, se recomendaría la adición de 60 % de fibra de la especie estudiada con 40 % de fibra larga industrial para enriquecer dicha propiedad.

FLI = Fibra larga industrial; FCI = Fibra corta industrial; FRS = Fibra Ricinus sosa; FRK = Fibra Ricinus Kraft. FLI = Industrial long fiber; FCI = Industrial short fiber; FRS = Soda Ricinus communis fiber; FRK = Kraft Ricinus communis fiber.

Figura 12. Efecto de la composición fibrosa en la resistencia a la explosión. Figure 12. Effect of the fibrous composition in the resistance to explosion. 120


Escoto et al., Obtenci贸n de celulosa blanqueada...

FLI = Fibra larga industrial; FCI = Fibra corta industrial; FRS = Fibra Ricinus sosa; FRK = Fibra Ricinus Kraft. FLI = Industrial long fiber; FCI = Industrial short fiber; FRS = Soda Ricinus communis fiber; FRK = Kraft Ricinus communis fiber.

Figura 13. Efecto de la composici贸n fibrosa en la resistencia al rasgado. Figure 13. Effect of the fibrous composition in the resistance to tearing.

FLI = Fibra larga industrial; FCI = Fibra corta industrial; FRS = Fibra Ricinus sosa; FRK = Fibra Ricinus Kraft. LI = Industrial long fiber; FCI = Industrial short fiber; FRS = Soda Ricinus communis fiber; FRK = Kraft Ricinus communis fiber.

Figura 14. Efecto de la composici贸n fibrosa en la resistencia a la tensi贸n. Figure 14. Effect of the fibrous composition in the tensile strength.

121


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 106-125

FLI = Fibra larga industrial; FCI = Fibra corta industrial; FRS = Fibra Ricinus sosa; FRK = Fibra Ricinus Kraft. FLI = Industrial long fiber; FCI = Industrial short fiber; FRS = Soda Ricinus communis fiber; FRK = Kraft Ricinus communis fiber.

Figura 15. Efecto de la composici贸n fibrosa en la blancura del papel. Figure 15. Effect of the fibrous composition in paper whiteness.

FLI = Fibra larga industrial; FCI = Fibra corta industrial; FRS = Fibra Ricinus sosa; FRK = Fibra Ricinus Kraft. FLI = Industrial long fiber; FCI = Industrial short fiber; FRS = Soda Ricinus communis fiber; FRK = Kraft Ricinus communis fiber.

Figura 16. Efecto de la composici贸n fibrosa en la opacidad del papel. Figure 16. Effect of the fibrous composition in paper opacity.

122


Escoto et al., Obtención de celulosa blanqueada...

FLI = Fibra larga industrial; FCI = Fibra corta industrial; FRS = Fibra Ricinus sosa; FRK = Fibra Ricinus Kraft. FLI = Industrial long fiber; FCI = Industrial short fiber; FRS = Soda Ricinus communis fiber; FRK = Kraft Ricinus communis fiber.

Figura 17. Efecto de la composición fibrosa en la rugosidad del papel. Figure 17. Effect of the fibrous composition in paper roughness. Al comparar los resultados de Nagaty et al. (1982) con los aquí registrados en pulpa Kraft de R. communis blanqueada bajo secuencia CEH y refinada a 50 °SR, sus valores fueron más altos en doblez, 711 (334) e índice de explosión, 5.13 kPam2 g-1 (3.4 kPam2 g-1), pero en índice de tensión, 50.23 Nm g-1 (59.75 Nm g-1) y de rasgado, 2.66Nm2 g-1 (4.8 Nm2 g-1) fueron inferiores a los registrados en el presente trabajo. Dichos autores no incluyeron la blancura, la opacidad y la viscosidad.

When comparing the results from Nagaty et al. (1982) in bleached Kraft pulp of R. communis under the CEH sequence and refined at 50 °SR, their value were higher in bending, 711 (334), and explosion index 5.13 kPam2 g-1 (3.4 kPam2 g-1), but in tension index, 50.23 Nm g-1 (59.75 Nm g-1), and tear index, 2.66 N.m2 g-1 (4.8 Nm2 g-1), they were lower than those found in this study. Such authors did not include whiteness, opacity and viscosity data.

Para pulpa a la sosa blanqueada de Ricinus communis, con secuencia O D [OP] D, Escoto et al. (2014) obtuvieron los siguientes resultados: doblez 429 (334) e índice de explosión 4.81kPam2 g-1 (3.4 kPam2 g-1), los cuales son superiores a los aqui documentados; sin embargo, los correspondientes al índice de tensión, 59.91 Nm g-1 (59.75 Nm g-1), son prácticamente iguales. Solo, el índice de rasgado, 2.24Nm2 g-1 (4.8 Nm2 g-1), fue más alto. Respecto a la blancura 82.68 % (79.66 %), opacidad 89.85 % (88.69 %) y viscosidad 10.75 Cp (8.1 Cp) también resultaron relativamente inferiores.

For soda R. communis bleached pulp through the O D [OP] D sequence, Escoto et al. (2014) found the following results: bending, 429 (334) and explosion index, 4.81 kPam2 g -1 (3.4 kPam2 g-1), which were higher than those of the actual study; however, those corresponding to the tension index, 59.91 N.m g-1 (59.75 N.m g-1), they are almost the same. Only the tear index, 2.24 N.m2 g-1 (4.8 N m2 g-1), was higher. The whiteness, 82.68 % (79.66 %), opacity, 89.85 % (88.69 %) and viscosity 10.75 Cp (8.1 Cp) data were rather lower.

Conclusions

Conclusiones

Within the cooking process (soda – Kraft), it was found that the digestion conditions did not significantly affect numerically (mainly in the viscosity section), but for the yield percentage and the Kappa number, there were differences.

Dentro del proceso de cocción (Sosa – Kraft), se determinó que las condiciones de digestión no influyen significativamente en términos numéricos (sobre todo en la parte de viscosidad), pero para el porcentaje de rendimiento y el número de Kappa, sí se detectaron diferencias.

The results of the refining curve showed that at equal refining times, the Ricinus communis pulps demand less energy to accomplish higher levels, which means that, the industrial

Los resultados de la curva de refinación mostraron que a tiempos de refinación iguales, las pulpas de R. communis

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 106-125

necesitan menor energía para llegar a niveles más altos, por lo que la pulpa con fibra larga industrial requirió del doble de tiempo de este paso para obtener el mismo grado de refinación que alcanzaron las pulpas de R. communis a los 24 minutos. Los tiempos de refinación óptimos fueron: 8 minutos para la pulpa a la sosa, 12 minutos para la pulpa Kraft, 16 minutos para la fibra corta industrial y 30 minutos para la fibra larga industrial.

long fiber needed twice the time in this stage to get the same refining degree that the R. communis pulps accomplished after 24 minutes. The optimum refining times were: 8 minutes for soda pulp, 12 minutes for Kraft pulp, 16 minutes for industrial short fiber and 30 minutes for industrial long fiber. In regard to the physical-mechanical properties developed in the soda and Kraft unbleached pulps, it was found that they were rather similar.

Respecto a las propiedades fisicomecánicas desarrolladas en las pulpas a la sosa y Kraft sin blanquear estas son relativamente muy parecidas.

Pulp bleaching [OD0 (OP) D1] achieved a better response in terms of whiteness of the Kraft pulp compared to soda pulp.

El blanqueo de pulpas [OD0 (OP) D1] logró mejor respuesta en el porcentaje de blancura en la pulpa Kraft con respecto a la pulpa a la sosa.

About the results of fiber mixture and their physical-mechanical properties, optical and superficial roughness, that of the industrial long fiber (FLI)/industrial short fiber (FCI) concentrated the best properties in the 70 % FLI / 30 % FCI band and in the 20 % FLI /80 % FCI band, which are higher values than those recorded at 100% of industrial long fiber.

Sobre los resultados de la mezcla de fibras y sus propiedades fisicomecánicas, ópticas y rugosidad superficial, la correspondiente a la fibra larga industrial (FLI) / fibra corta industrial (FCI) concentan las mejores propiedades en las bandas con 70 % FLI / 30 % FCI y en la banda 20 % FLI /80 % FCI, que son valores superiores a los registrados al 100 % de fibra larga industrial.

In the industrial long fiber (FLI)/ soda Ricinus communis fiber (FRS) mixture, the best properties were found in the 70 - 80 % FLI / 30 - 20 % FRS band and in the 60 - 20 % FLI /40 - 80 % FRS band, in general, also higher to those of 100 % of industrial long fiber.

En la mezcla fibra larga industrial (FLI) / fibra de R. communis a la sosa (FRS) las mejores propiedades se tienen en las bandas 70 - 80 % FLI / 30 - 20 % FRS y en la banda 60 - 20 % FLI /40 - 80 % FRS, en general, igualmente superiores a las de 100 % de fibra larga industrial.

In the case of the industrial long fiber (FLI) / Kraft Ricinus communis fiber (FRK) mixture, the best properties concentrated in the 70 – 40 % FLI / 30 - 60 % FRK band; also, except for whiteness, bending index and tear index, the rest of the properties are rather above those at 100 % of the industrial long fiber.

En el caso de la mezcla fibra larga industrial (FLI) / fibra de R. communis Kraft (FRK) las mejores propiedades se concentran en las bandas con 70 – 40 % FLI / 30 - 60 % FRK; igualmente, a excepción de la blancura, el índice de doblez y el índice de rasgado, el resto de las propiedades son relativamente superiores a las reconocidas al 100 % de fibra larga industrial.

It can be stated that the procurement and application of bleached cellulose from Ricinus communis mixed with industrial short fiber (FCI) to produce bond paper, is expressed as follows: • The industrial short fiber (FCI) pulp showed rather better physical-mechanical characteristics compared to the Kraft R. communis fiber (FRK) and the soda R. communis fiber (FRS).

Es factible precisar que la obtención y aplicación de celulosa blanqueada a partir de R. communis mezclada con fibra corta industrial (FCI) para fabricar papel bond, se expresa en lo siguiente: •

• The industrial short fiber (FCI) pulp mixed with the Kraft R. communis fiber (FRK) and the soda R. communis fiber (FRS), in general, improved the physical-mechanical properties in terms of thickness, tear index, roughness, whiteness and opacity.

La pulpa con fibra corta industrial (FCI) presenta relativamente mejores características físico-mecánicas con respecto a las pulpas de comparación fibra de R. communis Kraft (FRK) y fibra de R. communis sosa (FRS).

Finally, based on the former, the Ricinus communis pulp extracted through two alkali cooking processes (soda and Kraft) and bleached [OD0 (OP) D1], can be suggested as a fiber ingredient of bond paper in a range of 40 to 80 %, mixed with industrial long fiber from pines; besides improving opacity and roughness, it could mean energy saving in refining times and in the raw material cost compared to the industrial short fiber from Eucalyptus, since this plant is a shrub that can be used to produce cellulose pulp.

La pulpa con fibra corta industrial (FCI) mezclada con fibra de R. communis Kraft y sosa (FRK y FRS), en general mejoraron sus propiedades físico-mecánicas en espesor, índice de rasgado, rugosidad, blancura y opacidad.

Con base en lo anterior, la pulpa de R. communis obtenida a través de procesos de cocción alcalina (sosa y Kraft) y blanqueada [OD0 (OP) D1], sí puede ser sugerida como 124


Escoto et al., Obtención de celulosa blanqueada...

componente fibroso del papel bond en un intervalo de 40 a 80 %, mezclada con fibra larga industrial proveniente de los pinos; además de mejorar la opacidad y rugosidad, lo que generaría un ahorro de energía en los tiempos de refinación y en el costo de materia prima con respecto a la fibra corta industrial proveniente de eucaliptos, ya que R. communis es una maleza arbustiva que puede aprovecharse para producir pulpa celulósica.

Conflict of interests The authors declare no conflict of interests.

Contribution by author Teófilo Escoto García: original idea and study planning, negotiation and organization of materials and chemical reagents for the experimental work, advice, review of experimental results, writing and correction of the document; Rosa Nallely Murillo Vázquez: ejecution of the experiment, writing of the document; Antonio Rodríguez Rivas: advice and review of the document; José Ansaldo Hernández: advice and review of the document; J. Jesús Rivera Prado: advice and review of the document.

Conflicto de intereses Los autores declaramos no tener conflicto de intereses.

Acknowledgements

Contribución por autor

The authors express their gratitude to Ing. José Luis Mesa Coria, Chief of the Technical Area of Grupo Papelero Scribe S.A. de C.V. in Morelia, Michoacán State, Mexico, for the facilities provided to get fibrous samples (long and short fibers) to carry out this study.

Teófilo Escoto García: concepción y planeación del trabajo, gestión y organización de los materiales y reactivos químicos para el desarrollo experimental, asesoría, revisión de los resultados experimentales, redacción y corrección del documento; Rosa Nallely Murillo Vázquez: desarrollo de la parte experimental, redacción del documento; Antonio Rodríguez Rivas: asesoría y revisión del documento; José Ansaldo Hernández: asesor y revisión del documento; J. Jesús Rivera Prado: asesor y revisión del documento.

End of the English version

Agradecimientos Se agradece la colaboración del Ing. José Luis Mesa Coria Gerente del Área Técnica del Grupo Papelero Scribe S.A. de C.V. en Morelia, Michoacán, México, por las facilidades otorgadas en la aportación de muestras fibrosas (fibra larga y fibra corta) para el desarrollo de este trabajo.

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Artículo / Article

Destintado de papel de impresión láser mediante ultrasonido con dos frecuencias, 25 y 45 kHz Ultrasonic treatment for deinking of laser paper using two frequencies, 25 and 45 khz Rosalío Gabriel Parra1, José de Jesús Vargas Radillo2, Fernando Navarro Arzate2, José Guadalupe Rutiaga Quiñones1, Bruno Becerra Aguilar2, Enrique Ramírez Valdovinos1,3 y Rogelio Ramírez Casillas2 Resumen El objetivo de esta investigación fue analizar los efectos de un tratamiento de ultrasonido, combinado con las etapas de flotación y lavado, para mejorar la eficiencia del proceso de destintado del papel de desecho impreso con tecnología láser. El papel oficio de desperdicio fue cortado en piezas pequeñas de alrededor de 3 cm2, y posteriormente desintegrado en un dispositivo especial para obtener una suspensión base agua. Este proceso se hizo con una consistencia de 1.5 % por cinco minutos. Después de desintegrada, la suspensión de fibra se trató en un baño de ultrasonido con dos frecuencias, 25 y 45 kHz. Se tomaron datos a partir de un diseño experimental 25-1 y como factores se consideraron la frecuencia, consistencia, temperatura, el tiempo de tratamiento y el modo de la modulación de la frecuencia (barrido, desgasificación o sin modulación). El tamaño de la partícula y el número de partículas por metro cuadrado en cada etapa del proceso de destintado fueron evaluadas como variables de respuesta. Los resultados indican que la eficiencia en el rompimiento de las partículas de tinta depende de la frecuencia y del modo de modulación usado durante la fase de ultrasonido. El número máximo de partículas de tinta en el intervalo de 50-100 μm (tamaño óptimo por remoción de partícula) se obtuvo al usar la frecuencia de 25 kHz, 0.5 % de consistencia, modulación de 1 y tratamiento de 20 minutos de duración.

Palabras clave: Destintado, flotación, lavado, modulación de la frecuencia, papel láser, tratamiento de ultrasonido. Abstract The aim of this research was to analyze the effects of applying an ultrasonic treatment, combined with flotation and washing stages, to improve the efficiency of deinking process of waste paper printed with laser technology. Waste office paper was hand cut in small sizes of about 3 cm2, and then disintegrated in a specialized device to get a water-based suspension. This process was done using 1.5 % consistency for 5 minutes. After disintegrated, the fiber suspension was treated in an ultrasonic bath using two frequencies, 25 and 45 kHz. Experimental data was collected by means of an experimental design 25-1 using frequency, consistency, temperature, treatment time, and frequency modulation mode (sweep, degass or no modulation), as factors. Ink particle size and number of particles per square meter in each stage of the deinking process, were evaluated as response variables. Results showed that the efficiency in breakdown of the toner particles was dependent of the frequency and the modulation mode used during the ultrasonic stage. The maximum number of ink particles in the range of 50-100 μm (optimal size for particle removal), was obtained by using a frequency of 25 kHz, 0.5 % consistency, 55 °C, modulation of 1 and treated for 20 min.

Key words: Deinking, flotation, washing, frequency modulation, laser paper, ultrasonic treatment.

Fecha de recepción/date of receipt: 20 de noviembre de 2014; Fecha de aceptación/date of acceptance: 23 de febrero de 2015. 1 Departamento de Tecnología de la Madera e Ingeniería. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. 2 Departamento de Madera, Celulosa y Papel. Departamento de Investigación. Universidad de Guadalajara. Correo- e: roramire@dmcyp.cucei.udg.mx 3 Departamento de Productos Forestales. Universidad Autónoma de Nuevo León. Campus Linares.


Parra et al., Destintado de papel de impresión láser mediante...

Introducción

Introduction

Las industrias de celulosa y de productos de papel están entre los negocios más grandes del mundo. Cada año se producen varios tipos de calidades de papel comercial. Dichos productos se consumen en mercados locales e internacionales y tienen gran demanda. Es bien sabido que la madera es la principal fuente de materias primas para fabricar papel; sin embargo, debido a malas prácticas forestales en algunos países, la tala de árboles ha deteriorado severamente algunos ecosistemas. Además, muchos países han adoptado nuevas políticas para promover la biomasa de madera como materia energética para reducir su dependencia de combustibles fósiles no-renovables. Tales políticas han motivado cambios sustanciales en el marcado de los productos forestales, debido a los incentivos públicos vigorosos y a normas preferenciales (Aguilar et al., 2011). En años recientes, el reciclamiento del papel ha surgido como una opción alternativa para la elaboración de papel. Dicha tendencia ha reducido el impacto que las formas de hacer papel ha tenido en el medio ambiente y ha cambiado muchas disposiciones en la industria moderna. Hoy en día la pulpa reciclada de papel se ha convertido en el componente principal de diversos productos, que son más amigables con el ambiente y tienen costos reducidos.

The industries of cellulose and paper products are amongst the biggest business in the world. Each year, several types of commercial paper grades are produced. Such products are consumed by local and international markets, and are highly demanded. It is well known that wood is the main source of raw materials for paper making; however, due to poor forestry policies practiced in some countries, wood harvesting practices have deteriorated many ecosystems. In addition, many countries have adopted new policies to promote woody biomass as energy feedstock, to reduce their dependence of non-renewable fossil fuels. These policies have motivated substantial changes on the forest products market, due to strong public incentives and preferential regulations (Aguilar et al., 2011). In recent years, paper recycling has emerged as an alternative source for paper making. Such trend has reduced the impact that traditional paper making processes have had in the environment and changed many policies in modern industry. Today, recycled pulp has become the main component in several paper products, which are more eco-friendly and have reduced costs. In many cases, before its use, recycled fiber must be subjected to a deinking process; generally, the removal of inks from waste paper involves a two stage treatment: flotation and washing. Both are mainly based on physicochemical procedure (Ramírez et al., 2004). Flotation involves air bubbles into the pulp suspension, to carry loss ink particles to the surface, and remove them as foam. Due to various phenomena of this sort, the size of ink particles that can be removed during the flotation stage is limited to 50-150 μm. On the other hand, the washing stage is highly effective to remove ink particles having a size smaller than 10 μm, but it requires large quantities of water (Fricker et al., 2007). Paper deinking involves the combined use of surfactants, detergents, dispersants and foamy chemicals, to modify the interphase between fiber surface and ink particles. The use of a surfactant is required to attach the hydrophobic ink particles to the wall of the water-air bubbles. The latter facilitates the removal of ink particles in the floating and washing stages. Depending of the desired paper product, different combinations of these two stages can be applied to achieve the corresponding pulp characteristics (Ramírez, 2004).

En muchos casos, la fibra reciclada debe someterse a un proceso de destintado antes de usarla; por lo general, la remoción de tintas de residuos de papel involucra un tratamiento en dos etapas: flotación y lavado. Ambas se basan en aspectos físico-químicos (Ramírez et al., 2004). La de flotación incluye burbujas de aire en la suspensión de pulpa para acarrear partículas de tinta perdidas y llevarlas a la superficie y eliminarlas como espuma. Debido a varios fenómenos de este tipo, el tamaño de las partículas que pueden retirarse se limita a 50-150 μm. Por un lado, la etapa de lavado es altamente efectiva para remover partículas de un tamaño inferior a 10 μm, pero requiere grandes cantidades de agua (Fricker et al., 2007). El destintado del papel involucra el uso combinado de surfactantes, detergentes, dispersantes y químicos espumosos para modificar la interfase entre la superficie de la fibra y las partículas de tinta. El uso de surfactantes se necesita para adherir las partículas hidrofóbicas de tinta a la pared de burbujas de agua-aire. Esta última facilita la eliminación de las partículas de tinta en las etapas de flotación y lavado. En función del producto papelero deseado, diferentes combinaciones de estas dos etapas pueden aplicarse para conseguir las características de pulpa correspondientes (Ramírez, 2004).

Conventional deinking involves the use of large amounts of alkali to adjust the pH of the pulp slurry to a value between 9.5 and 11.0. Under these conditions the fibers swell and become more flexible, and facilitate the removal of the ink from the cellulose. The released ink particles are then removed from the pulp slurry, in the flotation and washing stages. Traditional deinking is highly effective to recycle most lithographic and flexographic paper waste. However, the waste paper printed with toner and UV-cured inks cannot be cleaned efficiently by conventional deinking, due to the inks chemical composition and the way

El destintado convencional implica el uso de grandes cantidades de álcali para ajustar el pH de la pulpa el lodo líquido a un valor entre 9.5 y 11.0. Bajo tales condiciones, las fibras se hinchan y se hacen más flexibles y facilitan la remoción

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de la tinta de la celulosa. Las partículas de tinta liberadas son retiradas del lodo líquido en las fases de flotación y lavado. El destintado tradicional es altamente efectivo para reciclar residuos de papel litográfico y flexográfico. Sin embargo, el papel residual impreso con toner de tintas curadas por UV no puede ser eficientemente limpiado por el destintado convencional, debido a la composición química de las tintas y de la forma en la que se adhieren a la fibra (Fricker et al., 2007; Zhenying et al., 2009). Las partículas de toner usadas en la impresión láser están hechas de negro de carbón, óxido de hierro, poliestireno, poliamida y poliéster, entre otros productos, y se usan para adherir el negro de carbón al papel cuando se derrite durante el proceso de impresión. La impresión láser involucra fenómenos complejos que propician la dificultad de destintar este tipo de papel de deshecho por procedimientos convencionales, lo que incrementa la atención de los expertos para encontrar nuevas tecnologías para ese propósito (Manning y Thompson, 2004).

they adhere to the fiber (Fricker et al., 2007; Zhenying et al., 2009). The toner particles used in laser printing are made of carbon black, iron oxide and thermoplastic resins. The latter can be fabricated from vinyl acetate copolymerized with ethylene, polystyrene, polyamide and polyester, among others, and are used to adhere the carbon black to the paper, when they melt during a printing process. Laser printing involves complex phenomena which arise the difficulty of the deinking of this kind of waste paper by conventional processes, increasing the attention of experts to find new technologies for this ending (Manning and Thompson, 2004). Due to the introduction of the toner and UV-cured inks, which present difficulties during a conventional deinking process, the use of ultrasound emerged as a new promising technology to assist the recycling of this type of office waste paper. In the mid-90s, a novel research was published, reporting the use of ultrasonic devices having frequencies of 22, 34 and 54 kHz, as a stand-alone treatment method for the deinking of laser printed waste papers. The authors (Norman et al., 1994) mentioned that toner particles cannot be easily removed from the pulp slurry, by a conventional deinking process, due to their larger size. Their results demonstrated that the use of low frequencies (22 kHz) were more effective to break down ink particles larger than 400 microns, while higher frequencies facilitated the removal of smaller ink particles, by flotation.

Dado que la introducción del toner y de las tintas curadas por UV presentan dificultades durante el proceso convencional de destintado, el uso de ultrasonido surgió como una opción tecnológica prometedora para apoyar el reciclamiento de este tipo de papel de desperdicio oficial. A la mitad de la década de los años 90, una novedosa investigación fue publicada en términos del uso de dispositivos ultrasónicos con frecuencias de 22, 34 y 54 kHz como un método de tratamiento autónomo para destintar papeles de desecho impresos con láser. Los autores (Norman et al., 1994) mencionan que las partículas de toner no pueden ser removidas del lodo de papel por procesos regulares, por su gran tamaño. Sus resultados demostraron que las bajas frecuencias (22 kHz) fueron más efectivas para romper las partículas de tinta mayores a 400 micrones, mientras que las altas frecuencias facilitaron la remoción de partículas pequeñas por flotación.

The effects of the ultrasonic treatment on the fiber properties during the ink removal process were also studied, reporting that the paper made from ultrasonic treated fibers showed an increase in density, brightness and tensile strength. However, it was required 40 % more energy, than a conventional flotation deinking process (Tatsumi et al., 2000). Other research works reported the use of ultrasonic treatments for the removal of xerographic particles, focusing on the effect of parameters of interest such as pH (Scott and Gerber, 1995; Fricker, 2007), amplitude of the ultrasonic wave (Ramasubramanian et al., 2006) and temperature (Gaquere-Parker et al., 2009; Thompson et al., 2000).

También se estudiaron los efectos del tratamiento ultrasónico en las propiedades de la fibra durante la remoción de la tinta, de lo cual resultó que el papel producido a partir de fibras tratados por ultrasonido tuvo un incremento en densidad, brillantez y fuerza de tensión. Sin embargo, se requirió 40 % más energía que en el proceso de destintado por flotación convencional (Tatsumi (Tatsumi et al., 2000). Otros trabajos de investigación se refieren al uso de tratamientos con ultrasonido para retirar partículas xerográficas y se enfocan en el efecto de los parámetros de interés tales como el pH (Scott y Gerber, 1995; Fricker, 2007), amplitud de la onda ultrasónica (Ramasubramanian et al., 2006) y la temperatura (Gaquere-Parker et al., 2009; Thompson et al., 2000).

The main goal of this study was to analyze the effects of an ultrasonic treatment at two frequencies (25 and 45 kHz), applied under three types of pulsated modulation, and combined with flotation and washing stages; to improve the deinking efficiency of waste paper printed with laser technology.

Materials and Methods Materials

La meta principal de este estudio fue analizar los efectos de un tratamiento de ultrasonido en dos frecuencias (25 y 45 kHz), aplicados bajo tres tipos de modulación pulsada y combinado con etapas de flotación y lavado, a fin de mejorar

Waste laser printed office paper, grammage of 60 g m-2, was collected from several offices of our research center. The selected paper was reduced in size by hand, from which 3 by 2 cm pieces were obtained and stored in plastic bags. 128


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la eficiencia del destintado del papel de desperdicio impreso con tecnología láser.

Humidity content determination

Materiales y Métodos

The humidity content of the paper samples was measured by drying the specimens in a Model MAH-43M, TERLAB, conventional lab oven at 105 ± 3 °C, until constant weight, according to Tappi Test method T 412 om-11 (TAPPI, 2011a).

Materiales

Paper disintegration and hand sheet forming

Se recolectaron desperdicios de papel de oficina con impresión láser, de 60 g m-2 provenientes de varias oficinas del centro de investigaciones en el que laboran los investigadores responsables del presente estudio. El material seleccionado fue reducido de tamaño de forma manual, de modo que se obtuvieron piezas de 3 x 2 cm, que fueron almacenadas en bolsas de plástico.

The waste paper was disintegrated according to the Tappi test method T 205 sp-12 (TAPPI, 2012). Paper specimens of 25 g (oven dried basis) were diluted into 2 000 mL of deionized water at room temperature, to obtain a consistency of 1.25 %. Then, the pulp was disintegrated in a Karl Frank GMBH, type 95967 standard disintegrator at 3 000 rpm, until fibers were dispersed (about 5 minutes). After the fiber dispersion, hand sheets weighing approximately 4 g were formed using the Tappi test method T 218 sp-11, Büchner funnel procedure (TAPPI, 2011b). The latter procedure was repeated for specimens collected from each of the deinking stages.

Determinación del contenido de humedad El contenido de humedad de las muestras de papel se midió por deshidración de los especímenes en un horno convencional de laboratorio TERLAB, modelo MAH-43M a 105 ± 3 °C hasta alcanzar peso constante, de acuerdo al método TAPPI T 412 om-11 (TAPPI, 2011a).

Deinking method Figure 1 shows a flow diagram of a traditional deinking process versus the modified process used in this study. As shown, the traditional process involves the use of surfactants and bleaching chemicals, using only flotation stages. In this research, the deinking process was carried in sequential stages of disintegration, ultrasonic treatment (25 and 45 kHz), flotation and washing.

Desintegración del papel y formación de hojas para manos El papel de desperdicio se desintegró con el método TAPPI T 205 sp-12 (TAPPI, 2012). Los epecímenes de 25 g (secados en horno) se diluyeron en 2 000 mL de agua desionizada a temperatura ambiente, a fin de obtener una consistencia de 1.25 %. Posteriormente, la pulpa se procesó en un desintegrador estándar Karl Frank GMBH, modelo 95967 a 3 000 rpm hasta que las fibras se dispersaron (alrededor de 5 minutos). Una vez dispersadas las fibras, se formaron hojas para manos que pesaban 4 g aproximadamente mediante el método TAPPI T 218 sp-11 y el procedimiento del embudo Büchner (TAPPI, 2011b). Esto último se repitió para especímenes colectados en cada una de las etapas de destintado.

The ultrasonic treatment was carried out in an ELMA, TI-H-15 model ultrasonic bath with two operating frequencies, 25 and 45 kHz. This apparatus was put to work under three different modes: sweep, standard and degass, which allowed the modulation of the frequency applied during the ultrasonic treatment, in a pulsated form. The deinking process was analyzed by applying an factorial experimental design 25-1 with two central points., in which the factors of interest were pulp consistency (0.5 to 2.0 %), frequency (25 and 45 kHz), temperature (25 to 55 °C), treatment time (1 to 20 minutes), and pulsated modulation using as the degass mode as the low limit, and the sweep mode as the high limit. The ink particles sizes from each deinking stage were chosen as response variables. The main goal of the experimental design was to optimize the parameters involved in the ultrasonic

Método de destintado La Figura 1 ilustra un diagrama de flujo de un proceso tradicional de destintado frente a al procedimiento modificado en este estudio. Como se puede advertir, el primero incluye el uso de surfactantes y blanqueadores únicamente utilizando la fase de flotación. En esta investigación, el destintado se llevó a cabo en etapas secuenciadas de desintegración, tratamiento ultrasónico (25 and 45 kHz), flotación y lavado. El tratamiento de ultrasonido se realizó en un baño ultrasónico ELMA, modelo TI-H-15, con dos frecuencias de operación, 25 y 45 kHz; dicho aparato se usó en tres modalidades:

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barrido, estándar y desgasificación, con lo que se favoreció la modulación de la frecuencia aplicada durante el tratamiento de ultrasonido, en una forma pulsada.

treatment, to maximize as much as possible the number of ink particles having a size within 50-100 and 100-150 micron range. The latter ink particle sizes facilitate the removal of such particles in the flotation and washing stages, respectively. The collected data were analyzed using a statistical software (StatgraphicsTM) (Statgraphics, 2012).

El proceso de destintado se analizó al aplicar un diseño experimental factorial 25-1 con dos puntos centrales, en los cuales los factores de interés fueron la consistencia de la pulpa (0.5 a 2.0 %), frecuencia (25 y 45 kHz), temperatura (25 a 55 °C), tiempo de tratamiento (1 a 20 minutos) y modulación

Figura 1. Esquema del proceso tradicional de destintado para la producción de pulpa (a) contra el proceso modificado de destintado con la agregación de una fase ultrasçonica (b). En el diagrama se muestran los posibles sitios de adición para químicos de destintado y blanqueado.

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Figure 1. Schematic layout of (a) traditional deinking process for the production of deinked pulp versus (b) modified deinking process with the addition of an ultrasonic stage. In the diagram it is shown the possible addition places for deinking and bleaching chemicals.

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pulsada, mediante el modo de desgasificación como el límite inferior y el modo de barrido como el límite superior. Los tamaños de las partículas de tinta de cada etapa de destintado fueron seleccionadas como variables de respuesta. La meta principal del diseño experimental fue optimizar los parámetros involucrados en el tratamiento de ultrasonido para maximizar, en lo posible, el número de partículas de tinta en los intervalos de 50-100 y de 100-150 micrones. Los últimos tamaños de partículas facilitan la remoción de las mismas en las etapas de flotación y lavado, respectivamente. Los datos recolectados fueron analizados mediante un paquete estadístico (StatgraphicsTM) (Statgraphics, 2012).

The flotation stage was done in a flotation cell, using DIN-685 as surfactant, as an aid chemical for ink removal. Treatment was applied according to the method PTS-RH 010/87 (PTS, 1987), for 10 minutes. After finished, pulp sample was collected for further analysis. The washing of the pulp suspension was carried in a specially designed cell, Degussa type, for 10 minutes. ISTEMUL-780 was used as a dispersant agent. Pulp specimens were collected, for further analysis. After each deinking stage, paper specimens with a weight basis of 130 g cm-2 were made, according to TAPPI T 218 sp-11 (TAPPI, 2011b). Ink size and particle count was done on such paper samples, using a Dot counter apparatus (COCAP, Mod. 2.0). Data was collected for particles having sizes in the range of 50-100 and 100-150 microns.

La etapa de flotación se llevó a cabo en una celda de flotación, con DIN-685 como surfactante, y apoyo químico para la remoción de tinta. El tratamiento fue aplicado de acuerdo al método PTS-RH 010/87 (PTS, 1987) por 10 minutos. Una vez concluido, la muestra de pulpa fue recolectada para un análisis subsiguiente.

Cuadro 1. Análisis de las partículas de tinta (Número de partículas m-²) de hojas de papel para manos, elaborada después del proceso de destintado propuesto*. Condiciones experimentales Número de partículas de tinta m-2 x 100 Desintegración Ultrasonido Flotación Lavado Exp. Frec. Tiempo Cons. Temp. Mod. # (kHz) (min) 50-100 μ m 100-150 μ m 50-100 μ m 100-150 μ m 50-100 μ m 100-150 μ m 50-100 μ m 100-150 μm (%) (°C) 1

25

20

2

55

-1

712

447

1 008

373

709

269

957

508

2

45

1

2

55

-1

685

398

417

249

211

152

316

199

3

45

1

0.5

55

1

1151

618

1 088

582

357

263

427

267

4

35

10.5

1.25 40

0

309

198

525

261

176

104

425

253

5

25

1

2

55

1

811

457

529

291

249

169

399

278

6

45

1

0.5

25

-1

648

338

694

368

197

135

271

230

7

25

1

2

25

-1

468

270

388

200

275

136

328

169

8

45

1

2

25

1

431

246

543

200

143

84

161

102

9

45

20

0.5

25

1

654

353

698

383

281

183

408

234

10

25

20

0.5

55

1

863

549

1 403

739

362

205

312

198

11

25

20

0.5

25

-1

531

284

525

296

221

160

331

232

12

45

20

2

25

-1

497

280

828

346

288

153

303

165

13

45

20

2

55

1

468

242

468

242

362

231

497

315

14

25

1

0.5

25

1

394

267

460

257

491

231

464

280

*Se presentan los datos de acuerdo a las condiciones utilizados en el diseño experimental. Exp. # = Número de experimento; Frec. = Frecuencia; Cons. = Constancia; Temp. = Temperatura.

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Table 1. Ink particle analysis (Number of ink particles m-²) of paper hand sheets, made after each of the proposed deinking process.* Experimental conditions Number or ink particles m-2 x 100 Disintegration Ultrasound Flotation Washing Exp. Freq. Time Cons. Temp. Mod. # (kHz) (min) 50-100 μ m 100-150 μ m 50-100 μ m 100-150 μ m 50-100 μ m 100-150 μ m 50-100 μ m 100-150 μm (%) (°C) 1

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2

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712

447

1 008

373

709

269

957

508

2

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1

2

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*Data are presented according to the conditions used in the experimental design. Exp. # = Experiment number; Freq. = Frequency; Cons. = Constancy; Temp. = Temperature

El lavado de la suspensión de la pulpa se hizo en una célula especialmente diseñada para el efecto, del tipo Degussa, por 10 minutos. Se usó ISTEMUL-780 como agente dispersante. Los especímenes de pulpa se recolectaron, también para su posterior análisis.

Results and Discussion In this study, the effect of modulated frequency applied on enhancing the deinking of laser printed paper was evaluated. Deinking experiments were performed on waste paper printed with laser technology, by means of 14 experimental runs. Each run involves 4 different stages: disintegration, ultrasonic treatment, flotation and washing. The results obtained after the analysis of the paper specimens elaborated after each deinking stage, are shown in Table 1. Size range and number of ink particles per square meter were reported for each stage. As mentioned before, a flotation treatment is effective in removing ink particles having a size between 100-150 μm, while smaller particles can be removed by a washing stage. Table 1 shows only the count of ink particles having a size within the range of interest, which could be detected by the dot counter. This device works only at a resolution of 600 dpi because it was designed by TAPPI as an industry standard, thus the software is limited to detect ink particles having a size larger than 48 μm (Moon and Nagarajan, 1998).

Después de cada etapa de destintado, se elaboraron ejemplares de papel con una base de peso de 130 g cm-2, de acuerdo a TAPPI T 218 sp-11 (TAPPI, 2011b). El tamaño de la tinta y el conteo de las partículas se hizo en dichas muestras de papel, mediante un contador de puntos Dot COCAP, modelo 2.0. Los datos se recolectaron para partículas con tamaños entre los 50-100 y los 100-150 micrones.

Resultados y Discusión En este estudio se evaluó el efecto de la frecuencia modulada aplicada para mejorar el destintado de papel impreso con láser. Se realizaron experimentos de destintado en los residuos de papel impreso con dicha tecnología, por medio de 14 corridas experimentales. Cada ejecución implica 4 etapas diferentes: desintegración, tratamiento ultrasónico, flotación y 133


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lavado. Los resultados obtenidos tras el análisis de las muestras de papel elaboradas después de cada etapa de eliminación de tinta se reúnen en el Cuadro 1. Se registró el intervalo de medidas y el número de partículas de tinta por metro cuadrado para cada etapa. Como se mencionó antes, un tratamiento de flotación es eficaz en la eliminación de partículas de tinta que tienen un tamaño entre 100-150 μm, mientras que las partículas más pequeñas pueden ser removidas con una etapa de lavado. El Cuadro 1 muestra solo el recuento de partículas de tinta que tienen un tamaño dentro del intervalo de interés, lo que podría ser detectado por el contador de puntos. Este dispositivo únicamente funciona a una resolución de 600 dpi, ya que fue diseñado por TAPPI como un estándar de la industria, por lo que el software se limita a detectar partículas de tinta que tienen un tamaño mayor aå 48 μm (Moon y Nagarajan, 1998).

Figure 2 illustrates the performance achieved, related to experimental conditions and particle size reduction, within the two frequencies used (25 and 45 kHz) in the ultrasonic treatment, and compared with the data obtained by disintegration only (0 KHz). The highest count of ink particles having a size between 50-100 μm, was obtained by applying an ultrasonic treatment with a frequency of 25 kHz and the following parameters: low consistency (0.5 %), temperature of 55 °C, 20 minutes of treatment time, and a pulsated modulation using the sweep mode. According to literature (Fricker et al., 2007), the highest efficiency of ink particles removal from the flotation and washing stages, can be achieved by reducing the ink particles within the 50-100 μm size range. The ultrasonic treatment was analyzed using several surface response graphs considering a confidence interval of 95 %. The effectiveness of the frequencies and temperatures applied to increase the number of ink particles within the 50-100 micron range, is illustrated in Figure 3. As shown, the highest number of ink particles, within the 50-100 μm range, was obtained with the use of a low frequency (25 kHz) and high temperature (55 °C), while a fixed condition for treatment time (20 min), consistency (0.5 %) and modulation (1) was maintained. Such behavior is in accordance with the results published by Norman et al. (1994) and Sell et al. (1995) who reported that the use of low frequencies (22 kHz) improved the reduction of large ink particles, while high frequencies (57 kHz) showed a high efficiency in reducing ink particles having smaller sizes.

La Figura 2 ilustra el rendimiento alcanzado, que está relacionado con las condiciones experimentales y la reducción del tamaño de la partícula, dentro de las dos frecuencias utilizadas (25 y 45 kHz) en el tratamiento de ultrasonido, y en comparación con los datos obtenidos por la desintegración, (0 kHz). El más alto recuento de las partículas de tinta que tiene un tamaño entre 50-100 μm se obtuvo mediante la aplicación de un tratamiento referido con una frecuencia de 25 kHz y los siguientes parámetros: baja consistencia (0.5 %), temperatura de 55 °C, 20 minutos de tiempo de tratamiento, y una modulación pulsada con el modo de barrido. Según la literatura (Fricker et al., 2007), la más alta eficiencia de eliminación de partículas de tinta desde las etapas de flotación y lavado se puede lograr mediante la reducción de las partículas de tinta dentro del intervalo de tamaño de 50-100 μm.

Figure 4 shows a surface response graph which illustrates the effect of the applied frequencies and treatment times. As shown, the highest number of ink particles within the 50-100 micron range, was obtained by using low frequencies and higher treatment times (20 min). Norman et al. (1994) founded that the use of larger treatment times (15 min) during the ultrasonic stage, was more effective to increase the number of ink particles having an appropriate size for its removal during the flotation and washing stages, than shorter treatment times.

Se analizó el tratamiento ultrasónico mediante varios gráficos de respuesta de superficie, con un intervalo de confianza de 95 %. La eficacia de las frecuencias y temperaturas aplicadas para aumentar el número de partículas de tinta dentro de la gama de 50-100 micras, se ilustra en la Figura 3. El mayor número de partículas de tinta, dentro del intervalo referido, se obtuvo con el uso de una frecuencia baja (25 kHz) y alta temperatura (55 °C), mientras que se mantuvo una condición fijada para el tiempo de tratamiento (20 min), consistencia (0.5 %) y de modulación (1). Tal comportamiento coincide con los resultados publicados por Norman et al. (1994) y Sell et al. (1995), quienes establecieron que el uso de bajas frecuencias (22 kHz) mejoró la reducción de las partículas de tinta de gran tamaño, y las altas (57 kHz) mostraron una mayor eficiencia en la disminución de las partículas de tinta que tienen tamaños más pequeños.

The main goal of this study was to analyze the effect of applying ultrasound with two frequencies (25 and 45 kHz), under pulsated modulation in deinking of laser printer waste paper. The operation mode of the ultrasonic device and how it affected the efficiency of the ultrasonic treatment was analyzed in the experimental design. Figure 4 shows the corresponding surface response graph. As shown, the modulation had a strong effect in the efficiency of the ultrasonic treatment to break down the ink particles. The lowest count of ink particles were obtained when the ultrasonic device was operated in the degass mode (modulation = -1). In the sweep mode, the frequency varies permanently within a defined range. This allows a more homogeneously distributed load of the ultrasound transformer. On the other hand, when the modulation was set to 1 (sweep mode) a high count in the number

La Figura 4 muestra también un gráfico de la respuesta de superficie que ilustra el efecto de las frecuencias aplicadas a los tiempos de tratamiento. Como se observa, el mayor número de partículas de tinta dentro de la gama de 50-100 micras, se obtuvo mediante el uso de bajas frecuencias y tiempos de tratamiento más

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Figura 2. Conteo de partículas de tinta/m² x 100, a diferentes frecuencias (kHz), tamaños de partículas de tinta (μm), modulación, consistencia (%), tiempo de tratamiento (min) y temperatura (°C). Figure 2. Ink particle count/m² x 100, at different frequencies (kHz), ink particle sizes (μm), modulation, consistency (%), treatment time (min) and temperature (°C). amplios (20 min). Norman et al. (1994) argumentaron que el uso de tiempos de tratamiento más grandes (15 min) durante la etapa de ultrasonido, fue más eficaz para aumentar el número de partículas de tinta que tiene un tamaño apropiado para su eliminación durante las etapas de flotación y lavado, que si se acortan los tiempos de tratamiento.

of ink particles having a size within the 50-100 μm range, was obtained. In the degass mode, the set power is interrupted for a short period so that the bubbles are not retained by the ultrasonic forces. The latter effect is stronger and more efficient with high ultrasonic frequencies due to the directional diffusion; thus, the breakdown of the ink particles by the ultrasonic waves was highly reduced. According to Figure 5, the use of the sweep mode was more effective in reducing the size of the ink particles, within the entire range of the frequencies studied. However, the latter effect was stronger when low frequencies were applied.

El objetivo principal de este estudio fue analizar el efecto de la aplicación de ultrasonido con dos frecuencias (25 y 45 kHz), bajo modulación pulsada en el destintado de papel de desperdicio de impresora láser. Se analizó el modo de funcionamiento del dispositivo ultrasónico y cómo se afecta la eficiencia del tratamiento ultrasónico en el diseño experimental. La Figura 4 corresponde al gráfico de superficie de respuesta. Como se muestra, la modulación tuvo un fuerte efecto en la eficiencia del tratamiento con ultrasonidos para romper las

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Figura 3. Gráfico de la respuesta de superficie del tamaño de la partícula de tinta y su conteo por m2. Los parámetros de entrada son la frecuencia (kHz) y la temperatura (°C). Figure 3. Response surface plot of the Ink particle size and count/m2. Input parameters, Frequency (kHz) and Temperature (°C). partículas de tinta. El recuento más bajo de partículas de tinta se registró cuando el dispositivo ultrasónico se hizo funcionar en el modo de desgasificación (modulación = -1). En el modo de barrido, la frecuencia varía de forma permanente dentro de un intervalo definido. Esto permite una carga más distribuida homogéneamente del transformador de ultrasonido. Por otro lado, cuando la modulación se establece en 1 (modo de barrido) un alto recuento del número de partículas de tinta que tienen un tamaño dentro del intervalo de 50-100 μm, se obtuvo. En el modo de desgasificación, el poder conjunto se interrumpe durante un corto período de manera que las burbujas no son retenidas por las fuerzas de ultrasonidos. Este último efecto es fuerte y más eficiente con altas frecuencias ultrasónicas debido a la difusión direccional; por lo tanto, la ruptura de las partículas de tinta por las ondas ultrasónicas fue muy reducido. De acuerdo con la Figura 5, el uso del modo de barrido fue más eficaz en la reducción del tamaño de las partículas de tinta, dentro de toda la gama de las frecuencias estudiadas. Sin embargo, el último efecto fue más fuerte cuando se aplicaron las bajas frecuencias.

The statistical analysis of the data collected during the ultrasonic stage, revealed that the optimal conditions to maximize the number of ink particles having a size within the range of interest, were as follows: frequency of 25 kHz, 20 minutes of treatment time, consistency of 0.5 %, temperature of 55 °C and the use of the ultrasonic apparatus in the sweep mode. These results suggest that the use of pulsated modulation when applying ultrasound at 25 kHz, using a low power device, to assist the deinking of laser printer waste paper, enhance the efficiency of the ultrasonic treatment. The properties of the sheets prepared after each deinking stage are in Figure 6. The micrograph of the sheet prepared with the untreated pulp (Figure 6a) shows a great number of ink particles having a large size, giving a bluish tone to the paper. The appearance of the surface analyzed from the hand sheet prepared with the pulp obtained after the ultrasonic treatment (25 kHz) is shown in Figure 6b. As illustrated, a lower number of large ink particles can be observed, compared with the surface of the hand sheet formed with the untreated pulp (Figure 6a). However, a bluish tone was also identified after the ultrasonic treatment, as a consequence of the size reduction of the ink particles.

El análisis estadístico de los datos recabados durante la etapa de ultrasonido reveló que las condiciones óptimas para maximizar el número de partículas de tinta, que tienen un tamaño dentro del intervalo de interés, fueron los siguientes: frecuencia de 25 kHz, 20 minutos de tiempo de tratamiento, consistencia de 0.5 %, temperatura de 55 °C y uso del aparato de ultrasonido en el modo de barrido. Estos resultados sugieren que el uso de la modulación pulsada al aplicar ultrasonido a 25 kHz, mediante un dispositivo de baja potencia, para ayudar

Figure 6c is an image of the sheet prepared with pulp obtained after the ultrasonic and flotation stages. As can be seen, a high number of the ink particles were removed and the paper sheet showed a reduction in the bluish tone originally observed. However, some agglomerations of ink particles still remained in the pulp. Finally, the properties of the

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Figura 4. Gráfico de la respuesta de superficie del tamaño de la partícula de tinta y su conteo por m2. Los parámetros de entrada son la frecuencia (kHz) y el tiempo de tratamiento (minutos). Figure 4. Response surface plot of the Ink particle size and count/m2. Input parameters, Frequency (kHz) and Treatment time (minutes).

Figura 5. Gráfico de la respuesta de superficie del tamaño de la partícula de tinta y su conteo por m2. Los parámetros de entrada son la frecuencia (kHz) y la modulación (-1 = desgasificación, 0 = estándar y 1 = barrido). Figure 5. Response surface plot of the Ink particle size and count/m2. Input parameters, Frequency (kHz) and Modulation (-1=degass, 0=standard and 1=sweep).

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Figura 6. Imágenes de la superficie de las hojas para manos preparadas a partir de papel de residuos de oficina: (a) pasta papelera no tratada, (b) destintada con ultrasonido, (c) destintada con ultrasonido y un tratamiento de flotación, y (d) tratado con ultrasonido, flotación y etapas de lavado. Figure 6. Surface images of hand sheets prepared from waste office paper: (a) untreated pulp, (b) deinked with an ultrasonic treatment, (c) deinked with ultrasound and a flotation treatment, and (d) treated with ultrasound, flotation and washing stages. a la eliminación de tinta del papel de desperdicio impreso con tecnología láser mejora la eficiencia del tratamiento de ultrasonido. Las propiedades de las hojas preparadas después de cada etapa de extracción de la tinta se ilustran en la Figura 6. La micrografía de la hoja preparada con la pasta papelera no tratada (Figura 6a) muestra un gran número de partículas de tinta que tiene un tamaño grande, lo que da un tono azulado al papel. La apariencia de la superficie analizada de la hoja para manos elaborada con la pulpa obtenida posterior al tratamiento de ultrasonido (25 kHz) corresponde a la Figura 6b. Como se advierte hay un menor número de partículas grandes, en comparación con la superficie de la hoja para manos formada con la pasta papelera no tratada (Figura 6a). Sin embargo, también se observó un tono azulado después del tratamiento con ultrasonido, como consecuencia de la reducción de tamaño de las partículas de tinta.

sheet prepared after the application of the ultrasonic, flotation and washing stages are shown in Figure 6d. As illustrated, this pulp showed the greatest reduction of ink particles, giving a whitest and brightest tone to the paper.

Conclusions The use of a pulsated modulation where the frequency varies permanently within a defined range (sweep mode), showed the best efficiency on getting a breakdown of ink particles within the 50-100 μm range. The highest ink particle count, having a size within this range, was achieved by using an ultrasonic treatment of 25 kHz, sweep mode pulsated modulation, 0.5 % consistency, temperature of 55 °C, and 20 minutes of treatment. By using these conditions during the ultrasonic stage, it was possible to achieve a better ink removal during the subsequent floating and washing stages, and reducing the amount of chemicals (surfactant) used in the floating treatment.

La Figura 6c es una imagen de la hoja preparada con pasta obtenida posteriormente a las etapas de ultrasonido y de flotación. Como puede verse, se eliminaron un gran número de las partículas de tinta y la hoja de papel mostró una reducción en el tono azulado observado originalmente. No obstante, algunas aglomeraciones de partículas de tinta

Based on the obtained results, it is concluded that the use of a modulated frequency during the ultrasonic treatment of

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aún permanecían en la pulpa. Finalmente, las propiedades de la lámina preparada después de la flotación y del lavado por ultrasonido se muestran en la Figura 6d. Esta pulpa presenta la mayor reducción de partículas de tinta, lo que dio un tono más blanco y más brillante al papel.

waste laser paper, had a significant enhancing effect on the breakdown of toner ink particles.

Conflict of interests The authors declare have no conflict of interests.

Conclusiones

Contribution by author

El uso de una modulación pulsada en la que la frecuencia varía de forma permanente dentro de un intervalo definido (modo de barrido) mostró la mejor eficiencia para conseguir un desglose de partículas de tinta en la gama de 50-100 μm. El recuento más alto de partículas de tinta, que tiene un tamaño comprendido en este intervalo, se logró mediante un tratamiento de ultrasonido de 25 kHz, modo de barrido y modulación pulsada, 0.5 % de consistencia, temperatura de 55 °C y 20 minutos de tratamiento. Mediante estas condiciones durante la etapa de ultrasonido fue posible lograr una mejor eliminación de la tinta durante las etapas de flotación y lavado posteriores, y reducir la cantidad de productos químicos (surfactante) utilizado en el tratamiento flotante.

Rosalío Gabriel Parra: experimental development, calculations and statistical analysis; José de Jesús Vargas Radillo: review of results; Fernando Navarro Arzate: review of results, support in planning of the manuscript; José Guadalupe Rutiaga Quiñones: review of results and experimental work; Bruno Becerra Aguilar: advice in the development of the experimental work; Enrique Ramírez Valdovinos: co-worker in the experimental development and review of results; Rogelio Ramírez Casillas: conception of the research topic; review of results of the experimental work, writing and correction of the manuscript.

End of the English version

A partir de los resultados obtenidos, se concluye que el uso de una frecuencia modulada durante el tratamiento de ultrasonido de papel de residuos impreso con láser tuvo un efecto potenciador significativo sobre la descomposición de las partículas de tinta de toner.

Conflicto de intereses Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Contribución por autor Rosalío Gabriel Parra: desarrollo experimental, cálculos y análisis estadísticos; José de Jesús Vargas Radillo: revisión de resultados, Fernando Navarro Arzate: revisión de resultados, auxiliar en planeación de manuscrito; José Guadalupe Rutiaga Quiñones: revisión de resultados y trabajo experimental; Bruno Becerra Aguilar: asesoría en el desarrollo del trabajo experimental; Enrique Ramírez Valdovinos: participación en el desarrollo experimental y análisis de resultados; Rogelio Ramírez Casillas: concepción del tema de investigación, revisión de resultados del trabajo experimental, redacción y corrección del manuscrito.

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Artículo / Article

Impacto de la densidad de carga eléctrica del sistema en la estructuración del papel Impact of electric charge density of the system in the structure of paper Alma Rosa Saucedo Corona1, José Turrado Saucedo1, Marcela Guzmán Corona2, Rubén Sanjuán Dueñas1, Ezequiel Delgado Fornué1, José Antonio Silva Guzmán1 y Hugo Vélez2 Resumen Los nuevos retos en el uso del papel demandan propiedades de respuesta que solo se logran con la incorporación de productos químicos en la estructura fibrosa. El objetivo de este estudio fue aportar conocimiento del comportamiento coloidal que integra el sistema residual de productos químicos en la suspensión fibrosa y su neutralización, a fin de disminuir su impacto negativo sobre los nuevos productos químicos que permitan mejorar la distribución uniforme de fibras y el incremento de sus propiedades de respuesta. La materia prima fibrosa fue papel Kraft de primer reciclado y papel Kraft con “n” reciclados en una proporción de 50 % cada uno. La neutralización de la densidad de carga eléctrica se llevó a cabo con poliacrilamida de alta densidad de carga (barredor). La densidad de carga eléctrica de la suspensión fibrosa se modificó durante la estructuración de la hoja de papel al dosificar floculante de diferente peso molecular y densidad de carga eléctrica, calificada con la técnica de medición densidad de carga eléctrica (Mütek); como propiedad de respuesta se evaluó en hojas estándar de laboratorio de 60 g m-2, mediante técnicas de análisis de imágenes, mientras que la incidencia sobre las propiedades físicas se hizo de acuerdo a técnicas TAPPI. La adición de 0.1 % de floculante de bajo peso molecular registró 69.3 % de área uniformemente distribuida, y la resistencia a la tensión, 12 % de incremento; esto indica que la aplicación de floculante de bajo peso molecular con alta densidad de carga eléctrica produjo mejor propiedad de respuesta.

Palabras clave: Densidad de carga eléctrica, distribución de fibras, estructuración de la hoja de papel, fibra reciclada, floculante, reciclado de papel posconsumo.

Abstract The new challenges in the use of paper demand response properties which can be achieved with the addition of chemicals into the fiber structure. The aim of this study was to provide knowledge of the colloidal behavior that integrates the residual chemicals system in the fiber suspension and its neutralization, to lessen its negative impact on new chemicals that enhance the uniform distribution of fibers increasing the response properties of the paper. The fibrous raw material used in this study was Kraft paper from the first recycling and Kraft paper from n recycling cycle in a ratio of 50 % each one. Neutralizing of electrical charge density is carried out with polyacrylamide high charge density (sweeper). The electric charge density of the fibrous suspension was modified during the paper structuring by dispensing flocculant with different molecular weight and electric charge density; this property was evaluated with the electric charge density technique (Mütek), as response property was evaluated in laboratory standard sheets with 60 gm-2 fiber distribution is accepted as formation of the sheet of paper, this evaluation was performed with image analysis techniques, while the effect on the physical properties are evaluated according to TAPPI techniques. The addition of 0.1 % of low molecular weight flocculant reported 69.3 % uniformly distribution area, while the tensile strength was increased by 12 %. This means that the application of low molecular weight with high electric charge density registered a better response ability. Key words: Electric charge density, fiber distribution, structuring of paper sheet, recycled fiber, flocculant, post- consumption paper recycling. Fecha de recepción/date of receipt: 21 de noviembre de 2014; Fecha de aceptación/date of acceptance: 26 de febrero de 2015. 1 Departamento de Madera, Celulosa y Papel/CUCEI-Universidad de Guadalajara. 2 Maestría en Ciencias, Departamento de Madera, Celulosa y Papel-CUCEI-Universidad de Guadalajara.


Saucedo et al., Impacto de la densidad de carga eléctrica...

Introducción

Introduction

La industria del papel a nivel mundial opera principalmente en la cadena forestal sustentable, en la cual no incide de forma directa en aquellos países que carecen de recursos forestales. En el ámbito nacional, la tasa de recuperación de papel posconsumo solo alcanza 56.7 % con respecto a la producción de papel, por lo que es necesario importar 1 280 mil toneladas de papel posconsumo para satisfacer la demanda nacional de materia prima fibrosa (CNCP, 2014).

Paper industry works in the sustainable forest chain worldwide, but it does not directly act over it in countries without forest resources. At a national scope, the recovery rate of post-consumption paper only get up to 56.7 % in regard to paper production, which makes it necessary to import 1 280 thousand tons of it to satisfy the national demand of fibrous raw material (CNCP, 2014). Making paper involves a mix of fibers, fiber fines, chemical auxiliary products for the process such as mineral charges, colorants, flocculants or retention agents, all of them with the aim to achieve a good performance according to the expected use. The addition of secondary fiber is a challenge, since the conformation of the fiber net must be obtained; all the solved introduced substances during disintegration interfere the chemical part of the fibrous suspension, and consequently, affect the phenomena that take place during the formation of the paper sheet.

La elaboración de papel involucra una mezcla de fibras; finos de fibras; productos químicos auxiliares, como cargas minerales, colorantes, floculantes o agentes de retención; todos ellos con el fin de lograr su buen desempeño según el uso deseado. La incorporación de fibra secundaria es un reto, dado que se debe obtener la conformación de la red fibrosa. Las sustancias introducidas disueltas durante la desintegración interfieren en la parte química de la suspensión fibrosa y, en consecuencia, afectan los fenómenos que se desarrollan durante la elaboración de la hoja de papel.

Since 1980 started the addition of micro-particles to the paper formation system, which favored the operation speed increment, to eliminate water faster resulting in paper conformation, as well as optimizing the additive retention. The increment of the participation of the secondary fiber has implied a greater attention to the colloidal system in the fiber suspension. Newspaper is made-up by fiber that comes from mechanical paste; agroindustry paper of Kraft pulp; the magazine paper is made up of bleached Kraft fiber with a high content of mineral loads. These are a few examples of products that during the recycling system each component influence with their own chemical characteristic, the density of the electric charge of the system, which is in continuous change, either for the closed cycles of water use or by the raw material that is in a continuous modification as well.

A partir de 1980 se inició la agregación de micropartículas al sistema de formación del papel, que permitieran incrementar la velocidad de operación, eliminar agua más rápidamente dando la conformación del papel, así como para la optimización en la retención de los aditivos. El aumento de la participación de fibra secundaria ha implicado una mayor atención al sistema coloidal en la suspensión fibrosa. El papel periódico está constituido por fibra proveniente de pasta mecánica; el papel agroindustrial de pulpa Kraft; el papel de revista consta de fibra Kraft blanqueada con alto contenido de cargas minerales. Esto ejemplifica algunos productos que durante el sistema de reciclado cada componente incidirá con su propia característica química en la densidad de carga eléctrica del sistema, mismo que está en un continuo cambio, ya sea por los ciclos cerrados de uso de agua o por la materia prima que se ajusta constantemente.

The making of the paper sheet since its origin has been based upon the structuring of the fibrous net supported by the water of the process for the formation of hydrogen bonds between fibers. The elimination of water and the orientation of the fibers in a paper machine is the fundamental aim, in order to elaborate paper with specific properties such as high tensile strength, uniform surfaces, delamination resistance, hydrophilic or hydrophobic surfaces, etc. These are properties of specific responses because each one of these characteristics demands a particular design. To include paper additives, mineral charges to make closer papers, agents of dry resistance or to control water absorption in paper, these additives interfere in the relation and structuring of the fiber net, by altering the chemical balance (conductivity, pH, density of the electric charge). The

La formación de la hoja de papel desde su origen se ha basado en la estructuración de la red fibrosa auxiliado por el agua del proceso para la formación de puentes de hidrógeno entre fibras. La eliminación del agua y la orientación de las fibras en una máquina de papel es el objetivo fundamental, a fin de constituir un material con propiedades específicas como alta resistencia a la tracción, superficies uniformes, resistencia a la delaminación, superficies hidrofílicas o hidrofóbicas, etcétera. Estas son propiedades de respuesta particulares porque cada una de esas características requiere de un diseño específico. Incluir aditivos al papel, cargas minerales para hacer papeles más cerrados, agentes de resistencia en seco o para controlar la absorción de agua interfieren en la relación y estructuración de la red fibrosa y alteran el balance químico (conductividad, pH, densidad de carga eléctrica). Las fibras

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de celulosa poseen carga eléctrica negativa debido a los grupos hidroxilos en la cadena de alfa-celulosa, al mezclarse las fibras con los aditivos en la preparación de la suspensión fibrosa se altera la carga eléctrica que conforma el potencial de carga en el sistema.

cellulose fibers have a negative charge from the hydroxyl groups in the alpha-cellulose chain, when these fibers mix with the additives in the preparation of the fibrous suspension in which the electric charge that makes up the electric charge density of the system is altered.

El acondicionamiento de la suspensión fibrosa para mejorar el diseño y estructuración del papel incluye fenómenos de coagulación y floculación de las fibras (Scott, 1996). La coagulación como sistema físico-químico se representa por dos fases: la primera se refiere a las partículas sólidas en forma individual, las cuales corresponden a la fase dispersa; y la segunda es una fase continua, que constituye el medio móvil de la suspensión. Se denomina floculación al proceso de desestabilización de una dispersión coloidal hidrófoba, mediante la unión de partículas coloidales utilizando polímeros, generalmente sintéticos de elevado peso molecular (>106 g mol-1) o floculantes (Hernández, 2001). La floculación ocurre en el momento en que se forma un aglomerado de fibras en el agua a través de interacciones electroquímicas.

The conditioning of the fibrous suspension to improve the design and structuring of paper considers fiber coagulation and flocculation phenomena (Scott, 1996). The coagulation as a physical-chemical system represents two phases: the first one refers to the solid particles individually, which correspond to the dispersion phase; and the second one which is a continuous phase, which is the moving means of the suspension. Flocculation is the destabilizing process of a hydrophobic colloidal dispersion, by the union of colloidal particles by using polymer, generally synthetic of high molecular weight (>106 gmol-1) or flocculants (Hernández, 2001). Flocculation occurs at the time in which a fiber clump is formed in the water through electro-chemical interactions.

La iniciación de flóculos en la suspensión fibrosa se debe, principalmente, a la adsorción de los polímeros en la superficie de las fibras, lo cual sucede mediante dos modelos: modelo de parches cargados y el de formación de puentes. El primero tiene lugar cuando se presenta un policatión de alta densidad de carga y bajo/medio peso molecular, mientras que el segundo resulta de un policatión de baja/media densidad de carga y alto peso molecular.

The floc initiation in the fibrous suspension is due mainly, to the adsorption of the polymers at the surface of the fibers, which occurs by two models: loaded patches model and bond formation model. The first one takes place when there is a polycation of high charge density and low or middle molecular weight, while the second one results form a polycation of low to middle charge density and high molecular weight. When having a polyelectrolite of opposite charge to the particles the flocculation resulting of the attraction forces of short approach is favored.

Al tener un polielectrolito de carga opuesta a las partículas se favorece la floculación producto de las fuerzas de atracción de corto alcance.

The flocculation mechanism is divided in six stages (Hernández, 2001):

El mecanismo de floculación se divide en seis etapas (Hernández, 2001):

a) Dispersal of the polymer in the medium b) Diffusion of the polymer towards the solid-liquid interphase c) Adsorption of the polymer in the surface d) Re-organization of the polymer chain e) Growth of floc by collisions and adsorptions between floc f) Breaking of floc

a) Dispersión del polímero en el medio b) Difusión del polímero hacia la interface sólido-líquido c) Adsorción del polímero en la superficie d) Reorganización de las cadenas de polímeros e) Crecimiento de flóculos por colisiones y adsorciones entre flóculos f) Ruptura de flóculos

The reorganization of the polymer chains to obtain a compact conformation depends on time; with it, the microfloc favor collisions and produce a greater number of bonds between particles that provoke the growth of floc (Hubbe et al., 2009). The flocculant activity of the cationic acrylamide depends on the present substance, in particular from the anionic compounds, organic fines and mineral charges, which interfere in the polyacrylamide adsorption over the alpha-cellulose chains of the fibers (Swanson, 2003).

La reorganización de las cadenas de los polímeros para obtener una conformación compacta está en función del tiempo; con ello los microflóculos favorecen las colisiones y producen mayor número de puentes entre partículas, que dan lugar al crecimiento de flóculos (Hubbe et al., 2009). La actividad floculante de la acrilamida catiónica depende de las sustancias presentes, en especial de los compuestos aniónicos, finos orgánicos y cargas minerales, las cuales interfieren en la adsorción de la poliacrilamida sobre las cadenas de alfa-celulosa de las fibras (Swanson, 2003).

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Saucedo et al., Impacto de la densidad de carga eléctrica...

La resistencia al cizallamiento en una suspensión de fibras de celulosa se incrementa al adicionar poliacrilamida de alto peso molecular, lo que está en función del número de fibras activas en la red, así como del aumento de los puntos de enlace entre fibras. La influencia del floculante de poliacrilamida catiónico en las propiedades reológicas se da por una adsorción del mismo sobre las fibras que modifica su densidad de carga (Swerin, 1998). El empleo de cargas minerales reduce la efectividad de la floculación (Ovenden y Xiao, 2002). La capacidad de adsorción de polímeros sobre la superficie de las fibras a partir de su proceso de obtención se puede realizar a través de isotermas (Marais y Wågberg, 2012).

Resistance to shearing in a cellulose fiber suspension increases when high molecular weight polyacrylamide is added, which depends on the number of active fibers in the net, as well as the increase of the bonding points between fibers. The influence of the cationic polyacrylamide flocculant in the rheological properties results from its adsorption upon the fibers and changes its charge density (Swerin, 1998). The use of mineral charges lessens the effectivity of flocculation (Ovenden and Xiao, 2002). The ability of polymer adsorption over the surface of the fibers from its production process may be analyzed by isothermals ( (Marais y Wågberg, 2012). The actual study is aimed to help in the analysis of control of the electric charge density during the process of recycling of post-consumption paper, as well as its impact in the elaboration of paper when adding polyacrylamide of high and low molecular weight with different density charge previous to paper structuring.

El presente trabajo busca contribuir al análisis del control de la densidad de carga eléctrica durante el proceso de reciclado de papel posconsumo, así como su impacto en la conformación del papel al adicionar poliacrilamida de alto y bajo peso molecular con densidad de carga diferente, previo a la estructuración del papel.

The presence of high and low molecular weight upon recycled fiber in the formation of this products, which was measured in regard to the distribution of fibers. A 2k experimental design was taken as a basis, with the following variables: addition of high molecular weight and low electric charge density and low molecular weight flocculant with high electric charge density; reaction time and temperature. As response factors, the electric charge density, the distribution of fibers in the laboratory sheets and the resistance to tension were assessed. The greatest electric charge of a polymer does not guarantee the best result in the distribution of fibers taken as the uniform formation of the structure of paper or in the tensile strength.

Se determinó la presencia de floculante de alto y bajo peso molecular sobre fibra reciclada en la formación de este producto, lo que se midió en función de la distribución de fibras. Se tomó como base un diseño experimental 2k, con las variables: adición de floculante de alto peso molecular con baja densidad de carga eléctrica y otro de bajo peso molecular con alta densidad de carga eléctrica; tiempo de reacción y temperatura. Como factores de respuesta se evaluaron la densidad de carga eléctrica, la distribución de fibras en hojas de laboratorio y la resistencia a la tensión. La mayor densidad de carga eléctrica de un polímero no garantiza el mejor resultado en la distribución de fibras considerada como la formación uniforme de la estructura del papel, ni en la resistencia a la tensión.

Materials and Methods

Materiales y Métodos

The study was carried out at the Laboratory of Paper of the Departamento de Madera, Celulosa y Papel (Department of Wood, Cellulose and Paper) of the Universidad de Guadalajara, with the aim to generate knowledge related to the management of the recycled fiber for the design and structuring of paper.

El estudio se llevó acabo en el laboratorio de Papel del Departamento de Madera, Celulosa y Papel de la Universidad de Guadalajara, con la finalidad de generar conocimiento en el manejo de fibra reciclada para el diseño y estructuración de papel.

Chemical products

Productos químicos

Two polyacrylamides were chosen as flocculants, one of high molecular weight and low electric charge density and low molecular weight and high charge density. Both were prepared in a solution with a 100:1 distilled water solution.

Como floculantes se seleccionaron dos poliacrilamidas, una de alto peso molecular y baja densidad de carga eléctrica y otra de bajo peso molecular y alta densidad de carga. Ambas se prepararon en solución con agua destilada a una relación 100:1.

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La neutralización de la densidad de carga eléctrica fibrosa se realizó con poliacrilamida de alta densidad de carga eléctrica (barredor), la cual se preparó en solución acuosa en una relación de 10:1.

The neutralization of the fibrous electric charge density was made with polyacrylamide of electric charge density (sweeper), which was prepared in a water solution in a 10:1 ratio. The suspension was titrated with Poly diallyl dimethyl ammonium chloride, P-DADMAC with a 0.007 N concentration, in order to determine the charge potential.

Para determinar el potencial de carga se tituló la suspensión con cloruro de dimetil amonio dialil poli, P-DADMAC con una concentración de 0.007 N.

Fiber

Fibra

The fibrous raw material was first cycle post-consumption Kraft paper (65.6 % long fiber), and n-cycles post-consumption Kraft paper (48 % long fiber), in a 50 % proportion each.

La materia prima fibrosa fue papel Kraft posconsumo de primer reciclo (fibra larga de 65.6 %) y papel Kraft posconsumo con n reciclados (fibra larga de 48 %) en una proporción de 50 % cada una.

Paste preparation

Preparación de la pasta

The fibrous mix was moistened during 4 h and was disintegrated for 7 min at 3 000 rev according to the T-205 sp-02 regulation (TAPPI, 2014). Later, the fiber was refined at 360 °CSF with a Jokro mill (ISO 5264/3) (ISO, 1998).

La mezcla fibrosa se humectó durante 4 h y se desintegró por 7 min a 3 000 rev de acuerdo a la norma T-205 sp-02 (TAPPI, 2014). Posteriormente, la fibra se refinó a 360 °CSF en molino Jokro (ISO 5264/3) (ISO, 1998).

Fiber description

Descripción de la fibra

The fibrous mix was described according to T-211 sp-02 in regard to the ash content and with T 233 sp-06 the Bauer-McNett fiber was classified (TAPPI, 2004).

La mezcla fibrosa se caracterizó de acuerdo a T-211 sp-02 respecto al contenido de ceniza y con la T-233 sp-06 se hizo la clasificación de fibra Bauer-McNett (TAPPI, 2014).

Determination of electric charge density

Determinación de densidad de carga eléctrica

The fibrous electric charge density suspension was assessed by a V2.5, BTG Inc Mütek equipment and a poly- Dadmac (diallyl dimethyl ammonium chloride) cationic solution and an anionic PES-Na (Sodium polysulphonate ethyl) solution was used.

La densidad de carga eléctrica de la suspensión fibrosa se evaluó mediante el equipo Mütek V2.5, BTG Inc., y se utilizó una solución catiónica de poly-Dadmac (Dialil-dimetil cloruro de amonio) y una solución aniónica PES-Na (Polietilsulfonato de sodio).

Flocculant treatment

Tratamiento del floculante

The flocculant was applied to the fibrous suspension according to the 23 experimental design with the following controlled variables: addition of flocculant of high molecular weight with low electric charge density and low molecular weight with high electric charge density, reaction time and temperature; and as response factors the electrical charge density, the distribution of fibers in laboratory sheets and tensile strength were evaluated.

El floculante se aplicó a la suspensión fibrosa de acuerdo al diseño experimental 23, con las variables controladas: adición de floculante de alto peso molecular con baja densidad de carga eléctrica y bajo peso molecular con alta densidad de carga eléctrica, tiempo de reacción y temperatura; y como factores de respuesta se evaluaron la densidad de carga eléctrica, la distribución de fibras en hojas de laboratorio y resistencia a la tensión.

Sheet formation Sheet formation of standard laboratory paper was made according to T-205 sp-02, 60 gm-2 (TAPPI, 2014). Fiber is preserved in a 0.8 % consistency solution at permanent shake. The area of the formed sheet is 0.0202 m².

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Saucedo et al., Impacto de la densidad de carga eléctrica...

Formación de hojas

Evaluation of the sheet structuring

La formación de hojas de papel estándar de laboratorio se efectuó de acuerdo a T-205 sp-02, de 60 g m-2 (TAPPI, 2014); la fibra se conserva en una suspensión al 0.8 % de consistencia con agitación constante. El área de la hoja formada es de 0.0202 m².

The accepted fiber distribution as formation was assessed by using image analysis techniques and a MZ7.5 Laica stereomicroscope and LAS Image Laica software.

Evaluación de la estructuración de la hoja

The formed sheets were conditioned at 23 °C and 50 % relative humidity according to T-402 sp-02; tests were taken to assess the tensile strength according to T-494 sp-02 (TAPI, 2014).

Mechanical resistance

La distribución de fibras aceptada como formación se evaluó utilizando técnicas de análisis de imágenes, para lo cual se usó un estereomicroscopio MZ7.5 Laica y software LAS Image Laica.

Methodology

Resistencia mecánica

The experiment was carried out with refined fiber fitted to the pre-established conditions, the addition of chemical products and response factors according to the 2k experimental design with two replications. The dependent variables were: high and low molecular weight (0.05, 0.075 and 0.1 %) flocculant dosage; reaction time (0, 15 and 30 min) and temperature (30, 37.5 and 45 °C); the treatments of the experimental design are shown in Table 1. As response factors, the electric charge density, the distribution of fibers and tensile strength were assessed with tests of the laboratory sheets. As a constant of the process, electric charge of high density at 0.3 % polyacrylamide was added as a sweeper to neutralize the initial electric charge density of the suspension, as well as the shaking speed of 65 rpm. Results were statistically analyzed with the Statgraphics Centurion (Statpoint Technologies, 2006) software tools.

Las hojas formadas se acondicionaron a 23 °C y 50 % de humedad relativa de acuerdo a T-402 sp-02, se tomaron probetas para evaluar la resistencia a la tensión de acuerdo a T-494 sp-02 (TAPPI, 2014).

Metodología El experimento se llevó a cabo con fibra refinada ajustada a las condiciones preestablecidas, la aplicación de productos químicos y factores de respuesta de acuerdo al diseño experimental 2k con dos repeticiones. Las variables dependientes consideradas fueron: dosificación de floculante para alto y bajo peso molecular (0.05, 0.075 y 0.1 %), tiempo de reacción (0, 15 y 30 min) y temperatura (30, 37.5 y 45 °C); los tratamientos del diseño experimental se muestran en el Cuadro 1. Como factores de respuesta se evaluaron la densidad de carga eléctrica, la distribución de fibras y la resistencia a la tensión con probetas de las hojas de laboratorio. Como constante del proceso se adicionó como barredor poliacrilamida de alta densidad de carga eléctrica al 0.3 % para neutralizar la densidad de carga eléctrica inicial de la suspensión, así como la velocidad de agitación de 65 rpm. Los resultados se analizaron estadísticamente al aplicar las herramientas del software Statgraphics Centurion (Statpoint Technologies, 2006).

Results and Discussion The analysis of the raw material shows a high per cent of long fiber caught in a 30 mesh (57 %), with the presence of 23 % fines and 5.4 % of ash contents (Table), which suggests the existence of mineral charges. Results from the high molecular weight and low electric charge density flocculant dosage treatments are summarized in Table 3, in which the response variables are shown: charge density, distribution of fibers and tensile strength for each one of the treatments.

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Cuadro 1. Diseño experimental 23. Table 1. 23 Experimental design. Floculante

Tiempo de reacción

Temperatura

(Alto y Bajo PM) %

min

°C

1

0.075

15

37.5

2

0.1

0

30

3

0.1

0

45

4

0.1

30

30

5

0.1

30

45

6

0.05

0

30

7

0.05

0

45

8

0.05

30

30

9

0.05

30

45

10

0.075

15

37.5

Número de tratamiento

Before the dosage of the flocculant, a sweeper was applied in order to guarantee the neutralization of residual electric charges. As a reference of the charge density, the paper sheet was structured without flocculant or neutralizer of the initial electric charge (sweeper).

Resultados y Discusión El análisis de la materia prima muestra un alto porcentaje de fibra larga retenido en malla 30 (57 %), con presencia de finos de 23 % y un contenido de ceniza de 5.4 % (Cuadro 2), lo cual indica la existencia de cargas minerales.

Cuadro 2. Caracterización de la materia prima en mezcla. Table 2. Description of the mixed raw material.

Los resultados obtenidos de los tratamientos de dosificación de floculante de alto peso molecular y baja densidad de carga eléctrica se resumen en el Cuadro 3, en el que se muestran las variables de respuesta: densidad de carga, distribución de fibras y resistencia a la tensión para cada uno de los tratamientos. Previo a la dosificación del floculante se aplicó el barredor para así asegurar la neutralización de cargas eléctricas residuales. Como referencia de la densidad de carga se estructuró la hoja de papel con fibra sin floculante, ni neutralizador de carga eléctrica inicial (barredor).

Retenido en malla

Retenido %

30

57

50

18

100

2

200

1

Finos

23

The statistical analysis reveals that the presence of the flocculant coordinates with the reaction time (interaction of the AB factors) reaches a 1.1 standardized effect in the distribution of fibers and a value of 67.1 %, information that came from the Pareto diagram (Figure 1). The analysis of the surface of response of the data obtained in the treatment with the highest level of flocculant with the least reaction time records the greatest value in fiber distribution, which allows the achievement of a better quality in the formed sheet (Figure 2).

148


Saucedo et al., Impacto de la densidad de carga eléctrica...

Cuadro 3. Resultados de la aplicación del floculante de alto alto peso molecular y baja densidad de carga eléctrica de acuerdo al diseño experimental y el valor de referencia sin tratamiento. Table 3. Results of the application of a high molecular weight and low electric charge density flocculant according to the experimental design and the reference value without treatment. Floculante de alto peso molecular

Densidad de carga

Distribución de fibras

Resistencia a la tensión

mV

%

kgf 15 mm-1

30

165

55.5

5.1

30

30

146

64.5

5.5

0.05

30

45

98

64.3

5.1

0.1

0

45

101

67.1

5.7

0.1

0

30

115

67.1

5.8

0.075

15

37.5

100

64.7

5.4

0.1

30

45

100

60.7

5.8

0.05

0

45

101

66.1

5.1

0.1

30

30

106

63.6

5.6

0.05

0

30

158

64.3

5.5

0.075

15

37.5

105

61.2

5.7

Tiempo de reacción

Temperatura

min

°C

0

0

0.05

%

The distribution of the fibers when a high molecular weight flocculant is present in figures 3 and 4. The first one belongs to the conditions of 0.1 %; flocculant, reaction time of 0 min and temperature of 30 °C, which results in a fiber distribution of 67.1 %. Figure 4 illustrates a value of 64.7 % in this respect, from

El análisis estadístico revela que la presencia del floculante en coordinación con el tiempo de reacción (interacción de los factores AB) alcanza un efecto estandarizado de 1.1 en el proceso de distribución de fibras y un valor de 67.1 %, información rescatada del diagrama de Pareto (Figura 1).

A = Floculante; B = Tiempo de reacción; C = Temperatura A = Flocculant; B = Reaction time; C = Temperature

Figura 1. Diagrama de Pareto del análisis de distribución de fibras (formación) para el floculante de alto peso molecular y baja densidad de carga. Figure 1. Pareto diagram of the fiber distribution analysis (formation) for the high molecular weight and low electric charge density flocculant.

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 142-155

El análisis de la superficie de respuesta de los datos obtenidos en el tratamiento con el nivel más alto de floculante con el menor tiempo de reacción registra el mayor valor en la distribución de fibras, lo que permite lograr una mejor calidad en la hoja formada (Figura 2).

the addition of the 0.075 % flocculant; reaction time of 15 min and temperature of 37.5 °C. Tensile strength was 5.8 and 5.4 kgf, respectively, in specimens of 15 mm wide.

Figura 2. Estimación de la superficie de respuesta del análisis de distribución de fibras (formación) con floculante de alto peso molecular y baja densidad de carga eléctrica. Figure 2. Estimation of the surface of response from the fiber distribution analysis (formation) with high molecular weight and low electric charge density flocculant. La distribución de fibras al aplicar floculante de alto peso molecular se representa en las figuras 3 y 4. La primera corresponde a las condiciones de floculante de 0.1 %; tiempo de reacción de 0 min y temperatura de 30 °C, lo que da como resultado una distribución de fibras de 67.1 %. La Figura 4 ilustra un valor de 64.7 %, por la adición de floculante de 0.075 %; tiempo de reacción de 15 min y temperatura de 37.5 °C. La resistencia a la tensión fue de 5.8 y 5.4 kgf, respectivamente, en probetas de 15 mm de ancho.

The results from the treatments of the addition of low molecular weight flocculant are in Table 4, as well as the values from the response variables: charge density, fiber distribution and strength resistance. The previous table indicates that the dosage of 0.05 % of low molecular weight and high electric charge density flocculant without reaction time of 30 min and a temperature of 30 °C, produces a charge density of 254 mV and a fiber distribution of 64.2 %, while for a 0.1 % flocculant with no reaction time and 30 °C generates 162 mV and a fiber distribution of 69.3 %. The analysis shows that the impact of the electric charge density proper to the added flocculant as it is a low molecular weight polymer and high charge density; at a low concentration it has a greater motion in the fibrous suspension, which recorded a greater electric charge density in the suspension without reaction time.

Los resultados de los tratamientos con respecto a la adición del floculante de bajo peso molecular se reúnen en el Cuadro 4, así como los valores obtenidos para las variables de respuesta: densidad de carga, distribución de fibras y resistencia a la tensión.

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Saucedo et al., Impacto de la densidad de carga eléctrica...

Figura 3. Distribución de fibras de 67.1 %. Figure 3. Fiber structure of 67.1%.

Figura 4. Distribución de fibras de 64.7%. Figure 4. Fiber structure of 64.7%.

Cuadro 4. Resultados de la aplicación del floculante de bajo peso molecular y el valor de referencia sin tratamiento. Table 4. Results of the addition of low molecular weight flocculant and the reference value without treatment. Floculante de bajo peso molecular

Tiempo de reacción

Densidad de carga

Distribución de fibras

Resistencia a la tensión

%

min

°C

mV

%

kgf 15 mm-1

0

0

30

165

55.5

5.1

0.05

30

30

150

68.5

5.6

0.05

30

45

182

66.3

5.6

0.1

0

45

183

67.8

4.9

0.1

0

30

162

69.3

5.8

0.075

15

37.5

172

63.2

5.9

0.1

30

45

128

67

5.4

0.05

0

45

146

66

5.8

0.1

30

30

203

59

5.1

0.05

0

30

254

64.2

5.6

0.075

15

37.5

171

62.1

5.8

Temperatura

151


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El cuadro anterior muestra que la dosificación de 0.05 % de floculante de bajo peso molecular y alta densidad de carga eléctrica, sin tiempo de reacción y temperatura de 30 °C genera una densidad de carga eléctrica de 254 mV y una distribución de fibras de 64.2%, mientras que con 0.1 % de floculante, sin tiempo de reacción y temperatura de 30 °C origina una densidad de carga eléctrica de 162 mV y una distribución de fibras de 69.3 %. El análisis muestra el efecto de la densidad de carga eléctrica propia del floculante adicionado por ser un polímero de bajo peso molecular y alta densidad de carga; a baja concentración tiene más movilidad en el seno de la suspensión fibrosa, con un registro superior de la densidad de carga eléctrica en la suspensión y sin tiempo de reacción.

The relation of the low molecular weight and high electric charge density and reaction time (interaction of the AB factors) are dominant variables in the process of fiber distribution since it reaches a standardized effect of 1.5 and the fiber distribution of 69.3 %. This confirms the Pareto Diagram (Figure 5). The analysis of the response surface records that the flocculant concentration with the least reaction time reaches the highest fiber in the experimental range (Figure 6). The fiber distribution in the laboratory sheets is shown in figures 7 and 8. The first one corresponds to the addition of the low molecular weight flocculant (0.1 %), reaction time (0 min) and temperature of 30 °C shows a fiber distribution of 69.3 %. Figure 8 refers to the treatment with flocculant of 0.1 %, a reaction time of 30 min and a temperature of 30 °C shows a fibrous distribution of 59 %; while the results of tensile strength are 5.8 and 5.1 kgf in 15 mm wide tests, respectively.

La relación de floculante de bajo peso molecular con alta densidad de carga eléctrica y tiempo de reacción (interacción de los factores AB) son variables dominantes en el proceso de distribución de fibra, ya que alcanza un efecto estandarizado de 1.5 y la distribución de fibras de 69.3 %. Lo anterior se confirma en el diagrama de Pareto (Figura 5).

A = Floculante; B = Tiempo de reacción; C = Temperatura

A = Flocculant; B = Reaction time; C = Temperature

Figura 5. Diagrama de Pareto del análisis de distribución de fibras (formación) para el floculante de bajo peso molecular y alta densidad de carga eléctrica. Figure 5. Pareto Diagram of the analysis of fiber distribution (formation) for the low molecular weight and high electric charge density flocculant.

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Saucedo et al., Impacto de la densidad de carga eléctrica...

El análisis de la superficie de respuesta registra que la concentración de floculante con el menor tiempo de reacción alcanza la mayor distribución de fibras en el intervalo experimental (Figura 6).

This study indicates that the fiber distribution that allows a better paper sheet formation is that which offers the lowest electric charge density in the system, and that is coincidental with the parameters of the wet part of the paper machine, which is attributed to the number of contacts between fibers and bonding force between them (Cho et al., 2006).

Figura 6. Estimación de la superficie de respuesta del análisis de distribución de fibras (formación) para el floculante de bajo peso molecular y alta densidad de carga eléctrica Figure 6. Estimation of the response surface of the analysis of fiber distribution (formation) for the low molecular weight and high electric charge density flocculant.

La distribución de fibras en las hojas de laboratorio se muestra en las figuras 7 y 8. La primera corresponde a la adición de floculante de bajo peso molecular (0.1 %), tiempo de reacción de 0 min y temperatura de 30 °C presenta distribución de fibras 69.3 %. La Figura 8 se refiere al tratamiento con adición de floculante de 0.1 %, tiempo de reacción de 30 min y temperatura de 30 °C con distribución fibrosa de 59 %, mientras que los resultados de resistencia a la tensión son de 5.8 y 5.1 kgf en probetas de 15 mm de ancho, respectivamente.

The fluctuations in fiber distribution and electric charge density of the system is explained by the composition of the used raw material, consisting of 57 % long fiber and 5.4 % ash, the latter of which are considered mineral charges, parameters that help to the floc formation and hamper the uniform fiber distribution. This coincides with the impact analysis of long fibers, short fibers and inorganic particles, in which it is determined that the long ones become part of the flocculation process, in addition to the presence of short fibers and inorganic particles (Hartley and Banerjee, 2008).

Este estudio indica que la distribución de fibras permite la mejor formación de la hoja del papel es aquella que ofrece la menor densidad de carga eléctrica en el sistema, lo que concuerda con los parámetros de la parte húmeda de la máquina de papel que se atribuye al número de contactos entre fibras y la fuerza del enlace entre ellas (Cho et al., 2006). Las fluctuaciones en la distribución de fibras y densidad de carga eléctrica del sistema se atribuye a la composición de la materia prima empleada, la cual está constituida con 57 % de fibra larga y 5.4 % de ceniza, estas últimas consideradas como cargas minerales, parámetros que contribuyen a la formación

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Figura 7. Distribución de fibras 69.3 %. Figure 7. 69.3 % Fiber distribution.

Figura 8. Distribución de fibra 59 %. Figure 8. 59 % Fiber distribution.

de flóculos y dificultan la distribución uniforme de fibras. Esto concuerda con el análisis del impacto de las fibras largas, fibras cortas y partículas inorgánicas, en el que se determina que las largas participan en el proceso de floculación, aunado a la presencia de fibras cortas y partículas inorgánicas (Hartley y Banerjee, 2008).

Conclusions The actual work recorded good levels of paper sheet formation when the low molecular weight and high electric charge density flocculant when registering 69.3 % of fiber distribution, which represents an increment of 20 %. Also, the tensile strength increased 12 % and reached 5.9 Kgf 15 mm-1.

Conclusiones

The low molecular weight and high electric charge density flocculant kept values of tensile strength from 5.1 to 5.8 kgf assessed in 15 mm wide specimens.

El presente trabajo registró niveles aceptables de formación en la hoja de papel, cuando se adicionó floculante de bajo peso molecular con alta densidad de carga eléctrica al registrar 69.3 % de distribución de fibras, lo cual representa un incremento de 20 %. Asimismo la resistencia a la tensión se incrementó 12 % y alcanzó 5.9 kgf 15 mm-1.

The electric charge density of the flocculant affects the fiber-fiber bond formation since the tensile strength depends on the ability of the hydrogen bonds as well as on the fiber length. This paper leaves clear the continuous control of the electric charge of the system to keep stable fiber distribution, since the greatest electric charge of a polymer does not guarantee the best result in fiber distribution, considered as the uniform formation of paper structure or in tensile strength.

El floculante de alto peso molecular y baja densidad de carga eléctrica mantuvo valores de resistencia a la tensión en un margen de 5.1 a 5.8 kgf evaluadas en probetas de 15 mm de ancho. La densidad de carga eléctrica del floculante incide en la formación de enlaces fibra-fibra, ya que la resistencia a la tensión es función de la capacidad de enlaces o de puentes de hidrógeno, así como del largo de la fibra.

Conflict of interests The authors declare no conflict of interests.

Se evidencia que el control continuo de la carga eléctrica del sistema para mantener estable la distribución de fibras, ya que la mayor densidad de carga eléctrica de un polímero

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Saucedo et al., Impacto de la densidad de carga eléctrica...

no garantiza el mejor resultado en la distribución de fibras, considerada como la formación uniforme de la estructura del papel, ni en la resistencia a la tensión.

Contribution by author Alma Rosa Saucedo Corona: assistant and reviewer of the research study; José Turrado Saucedo: chief of the research study; Marcela Guzmán Corona: coworker in the research study; Rubén Sanjuán Dueñas: advisor of the research study; Ezequiel Delgado Fornué: co-director of the research study; José Antonio Silva Guzmán: coworker and reviewer of the research study; Hugo Vélez: coworker and external reviewer of the research study.

Conflicto de intereses Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

End of the English version

Contribución por autor Alma Rosa Saucedo Corona: colaborador y revisor de trabajo de tesis de investigación; José Turrado Saucedo: director de trabajo de tesis de investigación; Marcela Guzmán Corona: estudiante de posgrado, trabajo de tesis de investigación; Rubén Sanjuán Dueñas: asesor de trabajo de tesis de investigación; Ezequiel Delgado Fornué: co-director del trabajo de tesis de investigación; José Antonio Silva Guzmán: colaborador y revisor de trabajo de tesis de investigación; Hugo Vélez: colaborador y revisor externo de trabajo de tesis de investigación.

Referencias Cámara Nacional de las Industrias de la Celulosa y el Papel (CNCP). 2014. Informe anual. México, D. F., México. pp. 25- 41. Cho, B. U., G. Garnier, T. G. van de Ven and M. Perrier. 2006. A bridging model for the effects of a dual component flocculation system on the strength of fiber contacts in flocs of pulp fibers: implications for control of paper uniformity. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 287(1): 117-125. Hartley, W. H. and S. Banerjee. 2008. Imaging c-PAM induced flocculation of paper fibers. Journal of Colloid and Interface Science 320: 159-162. Hernández M., A. 2001. Depuración y desinfección de aguas residuales. 5a ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid, España. 1 151 p. Hubbe, M. A., H. Nanko and M. R. McNeal. 2009. Retention aid polymer interactions with cellulosic surfaces and suspensions: a review. BioResources 4(2):850-906. International Organization for Standardization (ISO). 1998. Paper, board and Pulp. Laboratory beating. Part III. Jokro Mill. ISO 5264/3. Genèneve, Switzeland. pp.354-358. Marais, A. and L. Wågberg. 2012. The use of polymeric amines to enhance the mechanical properties of lignocellulosic fibrous networks. Cellulose 19 (4): 1437. Ovenden, C. and H. Xiao. 2002. Flocculation behavior and mechanisms of cationic inorganic microparticle/polymer systems. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 197(1): 225-234. Swanson, J. W. 2003. Colloid Chemistry of papermaking materials Tappi Press. Atlantla, GA, USA. pp. 135-151.

Swerin, A. 1998. Rheological properties of cellulosic fiber suspensions flocculated by cationic polyacrylamides. In: Journal of Colloid and Interface Science 133: 279-294. Scott, W. E. 1996. Principles of wet end chemistry. Basic properties of papermaking fibers and fiber fines important to wet end chemistry. TAPPI Press. Atlanta, GA, USA. pp. 11-33. Statpoint Technologies. 2006. Statgraphics Centurion Ver. XV. Warrenton, VA, USA. s/p. Technical Association Pulp and Paper Industry (TAPPI). 2014. Forming handsheets for physical test of pulp. T- 205 sp-02. http://www.tappi.micronexx. com (8 de enero de 2014). Technical Association Pulp and Paper Industry (TAPPI). 2014. Ash in Wood, Pulp, Paper, and Paperboard: Combustion at 525°C. T- 211 sp-02. http:// www.tappi.micronexx.com (8 de enero de 2014). Technical Association Pulp and Paper Industry (TAPPI). 2014. Fiber Length of Pulp by Classification T- 233 sp-06. http://www.tappi.micronexx.com (8 de enero de 2014). Technical Association Pulp and Paper Industry (TAPPI). 2014. Standard Conditioning and Testing. Atmospheres for Paper, Board, Pulp Handsheets and Related Products. T- 402 sp-02. http://www.tappi. micronexx.com (26 de febrero de 2014). Technical Association Pulp and Paper Industry (TAPPI). 2014. Tensile properties of paper and paperboard. T- 494 sp-02. http://www.tappi.micronexx. com (26 de febrero de 2014).

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Artículo / Article

Características anatómicas, físico-mecánicas y de maquinado de la madera de mezquite (Prosopis velutina Wooton) Anatomical, physical-mechanical and machining characteristics of the wood of velvet mesquite (Prosopis velutina Wooton) Raúl Rodríguez Anda 1, Alejandra María Ramírez Arango 2, Hilda Palacios Juárez 1, Francisco Javier Fuentes Talavera 1, José Antonio Silva Guzmán 1 y Alma Rosa Saucedo Corona 1 Resumen Las características anatómicas, físico-mecánicas y de maquinado de la madera de mezquite (Prosopis velutina) fueron determinadas. Se recolectaron en el estado de Sonora cinco trozas de dos metros a partir del tocón. El estudio anatómico se efectuó conforme a lo estipulado por la IAWA. Las propiedades físico-mecánicas se evaluaron de acuerdo a las normas DIN. El maquinado se efectuó de forma manual y para la evaluación de la superficie se tomó como base la norma ASTM D 1666-87. La madera presentó porosidad difusa a semianular. Duramen con abundantes depósitos de color ámbar en vasos, parénquima axial y radial. Longitud y espesor promedio de fibras de 863 µm y 4.3 µm. Parénquima paratraqueal aliforme, confluente de alas anchas. Radios medulares homocelulares. Cristales prismáticos abundantes en cámaras de parénquima axial. Densidad básica de la madera muy alta (0.79 g cm-3) y con buena estabilidad dimensional. La resistencia a la flexión se clasificó como media (117 N mm-2), y bajo módulo de elasticidad (11 232 N mm-2). En resistencia a la compresión longitudinal se clasificó como muy alta (87 N mm-2), y el módulo de elasticidad bajo (11 915 N mm-2). La resistencia al impacto es regular (51 kJ m-2). Al cizallamiento se considera como dura (19 N mm-2). La dureza Brinell se califica como muy alta (tangencial 72 y radial 73 N mm-2, longitudinal 96 N mm-2). Buena respuesta al encolado (Nivel 5; 7 N mm-2). Su maquinado se califica como bueno, por lo que se deben utilizar herramientas de corte provistas con pastillas de carburo de tungsteno.

Palabras clave: Anatomía de la madera, estabilidad dimensional, maquinado de la madera, propiedades mecánicas, Prosopis velutina Wooton, resistencia de la madera. Abstract The anatomical, physical-mechanical and machining characteristics of the wood of velvet mezquite (Prosopis velutina) were determined. Five two-meter logs were collected from stumps in the state of Sonora. The anatomical study was carried out in compliance with IAWA. The physical-mechanical properties were evaluated according to the DIN standards. The machining was done manually, and the surface was evaluated according to the norm ASTM D 1666-87. The wood was found to have a diffuse to semi-annular porosity. Heartwood with abundant amber-colored deposits in the vessels and in the axial and radial parenchyma. Average length and thickness of the fibers of 863 µm and 4.3 µm, respectively. Paratracheal winged-aliform parenchyma. Homocellular core radii. Prismatic crystals abound in the chambered axial parenchyma. The basic density of the timber is very high (0.79 g cm-3) and its dimensional stability is good. Resistance to flexion was classified as medium (117 N mm-2), and the modulus of elasticity, as low (11 232 N mm-2). Resistance to longitudinal compression was classified as very high (87 N mm-2), and the modulus of elasticity, as low (11 915 N mm-2). Resistance to impact is rated fair (51 kJ m-2). In the presence of shearing, it is considered to be hard (19 N mm-2). Its Brinell hardness is rated very high (72 N mm-2 tangential; 73 N mm-2 radial and 96 N mm-2 longitudinal). Its response to gluing is considered to be good (Leve l 5; 7 N mm-2). Its machining is classified as good, and therefore cutting tools with tungsten carbide valve seats are required.

Key words: Wood anatomy, dimensional stability, machining of the wood, mechanical properties, Prosopis velutina Wooton, wood resistance. Fecha de recepción/date of receipt: 11 de noviembre de 2014; Fecha de aceptación/ date of acceptace: 12 de enero de 2015. 1 Departamento de Madera, Celulosa y Papel. Universidad de Guadalajara. Correo-e. rrodrigu@dmcyp.cucei.udg.mx 2 Posgrado del Departamento de Madera, Celulosa y Papel. Universidad de Guadalajara


Rodríguez et al., Características anatómicas, físco-mecánicas y ...

Introducción

Introduction

El recurso forestal mexicano de bosques y selvas tiene una cobertura de 675 564 km2, que corresponde a 34.48 % de la superficie del país. El matorral xerófito cubre 578 447.3 km2, que representa 29.52 % del área total de la república mexicana (Inegi, 2012). Algunas de las especies de la vegetación xerófita son del género Prosopis, mejor conocidas como mezquite, que pertenecen a la familia Fabaceae, subfamilia Mimosoideae. En los estados de Sonora, San Luis Potosí, Tamaulipas, Guanajuato, Zacatecas, Durango, Coahuila y Nuevo León destacan por su producción forestal de mezquite; con menor importancia se ubican Aguascalientes, Baja California Sur, Chihuahua, Jalisco, Querétaro y Sinaloa (Cervantes, 2005). Prosopis spp. se considera una planta invasiva que puede reducir el hábitat de especies nativas, e incluso causar cambios ecológicos (Mirik y Ansley, 2012). No obstante, en la actualidad se utilizan como plantas para la reforestación por su alta capacidad de adaptación a condiciones de salinidad, sequías y altas temperaturas (Pometti et al., 2009; Bolzón et al., 2010).

Mexico has a forest and rainforest cover of 675 564 km2, corresponding to 34.48 % of the total surface of the country. Xerophytic shrubs cover 578 447.3 km2, represent 29.52 % of the total area of the Mexican Republic (Inegi, 2012). Some xerophytic species belong to the Prosopis genus, better known as mezquite, pertaining to the Fabaceae family and the Mimosoideae subfamily. The states of Sonora, San Luis Potosí, Tamaulipas, Guanajuato, Zacatecas, Durango, Coahuila and Nuevo León stand out for their forest mezquite production; it is less abundant in Aguascalientes, Southern Baja California, Chihuahua, Jalisco, Querétaro and Sinaloa (Cervantes, 2005). Prosopis spp. are considered to be invasive plants that may reduce the habitat of native species and even cause ecological changes (Mirik and Ansley, 2012). However, they are used today in reforestation due to their high adaptability to conditions of salinity, drought and high temperatures (Pometti et al., 2009; Bolzón et al., 2010). Mezquite has multiple uses: its fruits are utilized as forage and for human consumption; the wood is used as fuel (charcoal), and the resin exuding from its trunk is employed in the manufacture of glues and varnishes, while its flowers play a major role in the production of honey (Rodríguez et al., 2014). In the construction field, wood is used for building rural housing, pilings and a large number of household articles, including tools and toys (Carrillo-Parra et al., 2011; Rodríguez et al., 2014). Despite this, the exploitation of mezquite is somewhat incipient and empirical and is carried out with very little technology, which has limited its potentiality.

El mezquite posee múltiples usos: sus frutos se emplean como forraje y alimento del hombre; la madera como combustible (carbón); con la resina que exuda del tronco se fabrican pegamentos y barnices; mientras que sus flores juegan un papel muy importante en la producción de miel (Rodríguez et al., 2014). En el área de la construcción, la madera se utliza en la edificación de viviendas rurales, pilotes y un numerosos artículos para el hogar: herramientas y juguetes (Carrillo-Parra et al., 2011; Rodríguez et al., 2014). A pesar de ello, su aprovechamiento es un tanto incipiente y empírico, ya que se efectúa con escasa tecnología, lo que ha limitado su potencialidad.

The correct use of wood demands knowledge of both its anatomical and physical-mechanical characteristics based on international standards which allow to determine the conditions for its use and processing according to its properties. It is important to know the anatomical characteristics of the wood in order to infer its potential behaviors under various handling and transformation processes; for instance, the presence or absence of tylosis or extractable substances in the vessels influence the drying period (Fuentes et al., 1996); on dimensional stability and on the natural durability of the wood, among others (Carrilo-Parra et al., 2011). The formation of prismatic crystals or silica influences the wear of working tools and reduces their lifetime (Darmawan et al., 2012). The development of cross-threading has a direct impact on machining and on the qualities of the surface. The mechanical properties define the behavior and the capacity of wood to resist external forces. Its mechanical resistance values are crucial for its applications in construction and in the manufacture of products subjected to mechanical efforts, as its sizing will be done according to the resistance of wood and deformation.

El uso correcto de la madera demanda del conocimiento de sus características, tanto anatómicas como de sus propiedades físico-mecánicas, mediante la aplicación de estándares internacionales que permitan, con base en sus propiedades, determinar las condiciones para su utilización y procesamiento. Es importante conocer las características anatómicas para así inferir posibles comportamientos de la madera bajo diferentes procesos de manejo y transformación; por ejemplo, la presencia o ausencia de tilosis o sustancias extraíbles en los vasos influyen en los tiempos de secado (Fuentes et al., 1996); en la estabilidad dimensional y en la durabilidad natural de la madera, entre otros (Carrillo-Parra et al., 2011). La formación de cristales prismáticos o sílice incide en el desgaste de las herramientas de trabajo y reducción de su tiempo de uso (Darmawan et al., 2012). El desarrollo de hilo entrecruzado impacta directamente en el maquinado y en las calidades de superficie. Las propiedades mecánicas definen el comportamiento y capacidad que tiene la madera para resistir fuerzas externas. Los valores de resistencia mecánica son de suma importancia para aplicaciones tanto en la construcción como en la elaboración de productos sujetos a esfuerzos

In Mexico, studies on the physical-mechanical and anatomical properties of the Prosopis genus are relatively scarce, among them those by Sotomayor and Villaseñor (2005, 2006)

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mecánicos, pues su dimensionamiento estará en función de la resistencia y deformación de la madera.

regarding the behavior to flexion in modified test tubes and the viscoelastic behavior of wood. On their part, Carrillo et al. (2011) determined the density, resistance and elasticity module to flexion tests in Prosopis laevigata (Humb. et Bonpl. ex Willd.) M. C. Johnst; they carried out biodeterioration tests and determined the loss of dynamic elasticity modulus through nondestructive methods in this species.

En México son relativamente escasos los trabajos sobre las propiedades físico-mecánicas y anatómicas del género Prosopis, entre ellos están los realizados por Sotomayor y Villaseñor (2005, 2006) referentes al comportamiento a la flexión en probetas modificadas y el comportamiento viscoelástico de la madera. Por su parte, Carrillo et al. (2011) determinaron la densidad, resistencia y módulo de elasticidad al ensayo de flexión en Prosopis laevigata (Humb. et Bonpl. ex Willd.) M.C.Johnst; Carrillo-Parra et al. (2011) realizaron ensayos de biodeterioro y determinaron la pérdida del módulo de elasticidad dinámico, mediante métodos no destructivos en la misma especie.

In the face of what has been exposed, and given that the Prosopis genus has little importance from the perspective of the timber industry, the objective of the present study was to generate relevant information on the anatomical (structural) characteristics and physical-mechanical and machining properties of Prosopis velutina Wooton in order to sustain the technology-based exploitation and adequate use of the wood.

Ante lo expuesto, y dado que el género Prosopis tiene poca importancia, desde la perspectiva maderera, el objetivo del presente estudio fue generar información relevante de Prosopis velutina Wooton sobre sus características anatómicas (estructurales), propiedades físico-mecánicos y de maquinado, que sustente su aprovechamiento tecnológico y una adecuada utilización de la madera.

Materials and Methods Study materials The samples were collected at Ejido San Miguel, located in the town of San Miguel de Horcasitas, in central Sonora, at 29°29’ N and 110°44’ W and at an altitude of 400 m, with a mean annual temperature of 23 °C and a mean annual precipitation of 300 mm (Inegi, 2009). Five Prosopis velutina trees were felled, and a 2 m log and slices cut from the diameter at breast height (DBH) were obtained from the stump of each tree for physical and anatomical studies. Herbarium samples were also collected for purposes of taxonomic identification.

Materiales y Métodos Material de estudio Las muestras se recolectaron en el ejido San Miguel situado en el poblado de San Miguel de Horcasitas, en el centro del estado de Sonora, 29°29’N y 110°44’O; a una altitud de 400 m; con temperatura media anual de 23 °C y precipitación media anual de 300 mm (Inegi, 2009). Se derribaron cinco árboles de Prosopis velutina, obteniéndose una troza de 2 m de cada árbol a partir del tocón, y rodajas al diámetro altura de pecho (DAP) para los estudios físicos y anatómicos. También se recolectaron muestras de herbario para la identificación taxonómica.

Log sawing Logs were sawed into 100 x 15 to 30 x 5 cm planks with radial orientation, using a model A21 Industrias Mecánicas saw. The planks were predried during 30 days in a solar dryer manufactured by the Universidad de Guadalajara at the Departamento de Madera, Celulosa y Papel, where they reached a moisture content level (HC) of 20 %. Later, they were pre-sized to lengths of 40 x 4 x 4 x cm, and were subsequently dried to 12 % of their HC in a 3608 Squaroid model laboratory vacuum oven at 50 °C and a vacuum pressure of 74 kPa.

Aserrío de trozas Las trozas se aserraron en un equipo Industrias Mecánicas modelo A21 tablones de 100 x 15 a 30 x 5 cm, con orientación radial. Fueron presecadas por 30 días, en un secador solar elaborado por el Departamento de Madera, Celulosa y Papel perteneciente a la Universidad de Guadalajara, donde alcanzaron un nivel de contenido de humedad (CH) de 20 %. Posteriormente, los tablones se predimensionaron a longitudes de 40 x 4 x 4 cm, y se procedió a secarlos hasta 12 % de CH, en una estufa de vacío de laboratorio Squaroid modelo 3608, a temperatura de 50 °C y presión de vacío de 74 kPa.

Anatomical study Five 1.5 x 1.5 cm cross-sectional specimens out of every 3 cm thick slice were cut from the DBH core, following the radius from the center to the periphery, with an E-4210 model Rockwell Invicta–Euromex saw. These specimens were softened during 24 hours in a Pyrex glass beaker with boiling hot water in order not to alter their structure. Next, 10 to 20 μ thick cuts were made on each anatomic side using an American Optical 860 model sliding microtome. The observations were made in a M-12 83632 Wild Heerbrugg model clear field microscope, 158


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with a coupled KP-D51 Hitachi color video camera. In order to capture the images of the histological cuts, Matrox PC-VCR version 02.10.10 was used. The cellular elements were measured using ArcView GIS 3.2. The anatomical description of the wood was carried out according to IAWA (1989).

Estudio anatómico De cada rodaja cortada del DAP (3 cm espesor) se recortaron cinco especímenes de 1.5 x 1.5 cm de sección transversal, siguiendo el radio medular del centro a la periferia, con un Rockwell Invicta – Euromex E-4210. Estos se ablandaron durante 24 horas, en un vaso de precipitado Pyrex con agua a ebullición para no alterar su estructura. A continuación se realizaron cortes entre 10 y 20 micras de espesor de cada una de las caras anatómicas, en un micrótomo de deslizamiento American Optical modelo 860. Las observaciones se hicieron en un microscopio de campo claro Wild Heerbrugg modelo M-12 83632, con cámara de video acoplada Hitachi KP-D51 color. Para capturar las imágenes de los cortes histológicos se utilizó el programa Matrox PC-VCR versión 02.10.10. La medición de los elementos celulares se llevó a cabo mediante ArcView GIS 3.2. La descripción de la anatomía de la madera se efectuó conforme a lo estipulado por la IAWA (1989).

Physical properties These were evaluated according to the German DIN Standards (DIN, 2000). The humidity content, density and dimensional stability were determined in 25 x 25 x 10 cm test specimens of the slices cut from the DBH core, as per standards DIN 52 183, DIN 52 182 and DIN 52 184, respectively. For the sake of the dimensional stability of the wood, the material was sequentially conditioned to 65, 85, 35 and 0 % relative air humidity in a model 506ª ETS (Electro techsystem) conditioning chamber, at 25 °C.

Propiedades físicas

Mechanical properties

Se evaluaron de acuerdo a las Normas Alemanas DIN (DIN, 2000). El contenido de humedad, densidad y estabilidad dimensional se determinaron en ejemplares de prueba de 25 x 25 x 10 cm de las rodajas cortadas al DAP, con base en las normas DIN 52 183, DIN 52 182 y DIN 52 184, respectivamente.

All tests, with the exception of the Brinell hardness test, were carried out according to the DIN German Standards (DIN, 2000). The specimens for the mechanical tests were developed from the pre-sized pieces (40 x 4 x 4 cm) and dried in a 3608 Squaroid model laboratory vacuum oven. The evaluation of the wood through static flexion tests was carried out according to the DIN 52 186 standard, with 20 x 20 x 360 mm samples. The DIN 52 185 standard was applied to 20 x 20 x 60 mm specimens in order to determine their resistance to longitudinal compression. The work to rupture by impact test was carried out according to DIN 52 189, with 20 x 20 x 250 mm materials. The resistance to radial-longitudinal cutting was determined according to standard DIN 52 17, with 37 x 37 x 37 mm samples. The hardness test was performed using the Brinell method stipulated in the European standard DIN EN 1534 (DIN, 2000); the dimensions used were 37 x 37 x 37 mm.

Para la estabilidad dimensional de la madera, el material se acondicionó secuencialmente a las humedades relativas del aire de 65, 85, 35 y 0 % en una cámara de acondicionamiento ETS (Electro techsystem) modelo 506ª, a una temperatura de 25 °C.

Propiedades mecánicas Con excepción de la prueba de dureza Brinell se realizaron siguiendo las Normas Alemanas DIN (DIN, 2000). De las piezas predimensionadas (40 x 4 x 4 cm) y secadas en una estufa de vacío de laboratorio Squaroid modelo 3608, se elaboraron los especímenes para los ensayos mecánicos. La evaluación de la madera al ensayo de flexión estática se utilizó la norma DIN 52 186, con muestras de 20 x 20 x 360 mm. En la determinación de resistencia a la compresión longitudinal se aplicó la norma DIN 52 185, con especímenes de 20 x 20 x 60 mm. El ensayo del trabajo a la ruptura por impacto se realizó de acuerdo a DIN 52 189, con materiales de 20 x 20 x 250 mm. La determinación de la resistencia al corte longitudinal radial se efectuó conforme a lo estipulado en DIN 52 187, con muestras de 37 x 37 x 37 mm. El ensayo de dureza se hizo con el método Brinell estipulado en la norma Europea DIN EN 1534 (DIN, 2000), las dimensiones utilizadas fueron de 37 x 37 x 37 mm.

The mechanical tests were carried out in a 81105 model Karl Frank universal machine with a load capacity of 50 000 N and a 53580 model Karl Frank striking pendulum with a capacity of 300 J.

Gluing tests Gluing was assessed according to the DIN EN 205 standard (DIN, 2003), with 20 x 10 x 150 mm materials for the tension test; the adhesive used was the commercial glue Resistol 850.

Machining The machining was done manually, subjecting the wood to longitudinal cuts with an A21 model Industrias Mecánicas tape

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Los ensayos mecánicos se hicieron en una máquina universal Karl Frank modelo 81105, con una capacidad de carga de 50 000 N, y un péndulo de golpe Karl Frank modelo 53580, con capacidad de 300 J.

saw and a 2858 model Rockwell Invicta–Euromex circular saw; crosscuts with a Black & Decker 790 circular saw; planing (Rockwell Invicta–Euromex 8430), boring (TE 60116), chiseling and molding. The cutting surfaces were based on the norm ASTM D 1666-87 (ASTM, 2007). The classification of the machining as based on the classification proposed by Frühwald et al. (1992), according to which class 1 is very good, without defects; class 2 is good, with minimal defects; class 3 is satisfactory, the defects may disappear in the next machining step; class 4, sufficient, the defects may disappear in the next machining step, but more effort is required; class 5 is deficient, with serious defects. The tests were carried out at the time of preparing the specimens for the various mechanical tests, and therefore, the machining was continually assessed.

Ensayos de encolado La evaluación del encolado se llevó a cabo conforme a DIN EN 205 (DIN, 2003), con materiales de 20 x 10 x 150 mm, para el ensayo de tensión, el adhesivo utilizado fue el pegamento blanco comercial Resistol 850.

Maquinado El maquinado se efectuó de forma manual, sometiéndose a cortes longitudinales con sierra cinta Industrias Mecánicas A21 y circular Rocwell Invicta – Euromex modelo 2858; cortes transversales con sierra circular Black & Decker 790; cepillado (Rockwell Invicta – Euromex 8430), barrenado (TE 60116), escopleado y moldurado. En el caso de las superficies de corte se tomó como base la norma ASTM D 1666-87 (ASTM, 2007); así como, la clasificación del maquinado propuesta por Frühwald et al. (1992), cuya clase 1 es muy buena, sin defectos; clase 2, buena, defectos de intensidad mínima; clase 3, satisfactorio, los defectos pueden desaparecer en el siguiente paso de trabajado; clase 4, suficiente, los defectos pueden desaparecer en el siguiente paso de trabajo, pero con mayor aplicación; clase 5, deficiente, defectos graves. Las pruebas fueron llevadas a cabo al momento de elaborar los especímenes de los diferentes ensayos mecánicos, por lo que el maquinado se evaluó de manera continua.

Longitudinal cuts were made with a model A21 Industrias Mecánicas tape saw, with manually-fed 60 mm wide flywheels with a 112 mm diameter at 1 740 rpm. A tape with teeth of flat tungsten carbide valve seats, alternated with a LenoxTri-master Carbide Tipped trapezium. The longitudinal cuts with a circular saw were made using manually-fed Rockwell Invicta equipment at 3 520 rpm; a disk with a diameter of 300 mm with 28 Leitz tungsten carbide tipped teeth with the nomenclature 150-4-GA 069524. Crosscuts were made with a Black & Decker hand saw at 2 850 rpm, with a disk of 300 mm of diameter with 60 Leitz tungsten carbide tipped teeth with the nomenclature WK 270-2-87 068601. The planing was done with a Rockwell Invicta edge banding machine at 4 390 rpm with manually fed rollers with three steel blades, at edge angles of 40°. In the boring test, a 60116 TE model column drill bit was used at 360 rpm to bore metal with an edge angle of 30°, a diameter of 12 mm and a length of 100 mm, commonly used in carpentry shops.

Los cortes longitudinales con sierra cinta se hicieron en un equipo de Industrias Mecánicas modelo A21, con volantes de 112 mm de diámetro y 60 mm de ancho, a 1 740 rpm, de alimentación manual. Se empleó una cinta con dientes de pastillas de carburo de tungsteno de forma plana, alternada con trapecio Lenox Tri-master Carbide Tipped. Los cortes longitudinales con sierra circular se obtuvieron en un equipo Rockwell Invicta a 3 520 rpm de alimentación manual, para ello se empleó un disco de 300 mm de diámetro con 28 dientes de pastillas de carburo de tungsteno Leitz con nomenclatura WK 150-4-GA 069524.

The chiseling was done in a Rockwell Invicta manually-fed pedal router at 18 3000 rpm, with a straight cutting drill bit, a couple of tungsten carbide tablets, a 40° edge angle, a diameter of 12 mm and a length of 35 mm. The molding was carried out by using a Black & Decker hand router at 25 000 rpm; the drill bit had two tungsten carbide tips cutting at an angle of 30°, with a height of 13 mm, and a diameter of 29 mm.

Los cortes transversales se llevaron a cabo en una sierra Black & Decker a 2 850 rpm de desplazamiento manual, con un disco de 300 mm de diámetro, con 60 dientes de pastillas de carburo de tungsteno Leitz con nomenclatura WK 270-2-87 068601. El cepillado se practicó en una canteadora Rockwell Invicta a 4 390 rpm con rodillos de tres navajas de acero, con ángulos de filo de 40° y de alimentación manual. En el ensayo de barrenado se usó un taladro de columna TE modelo 60116 de 360 rpm, la broca fue para barrenar metal

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Rodríguez et al., Características anatómicas, físco-mecánicas y ...

de 30° de ángulo de filo, de 12 mm de diámetro y 100 mm de longitud, que comúnmente se emplean en las carpinterías.

Results and Discussion Species identification

El escopleado se realizó en un router de pedal y de alimentación manual Rockwell Invicta a 18 300 rpm, la broca fue de corte recto, con un par de pastillas de carburo de tungsteno, con ángulos de filo de 40° de 12 mm de diámetro y 35 mm de longitud.

Staff members of the Herbario de Botánica of the Departamento de Botánica of the Centro de Ciencias Biológicas y Agrícolas de la Universidad de Guadalajara identified the botanical samples; the species was:

En la ejecución del moldurado se utilizó un router manual Black & Decker a 25 000 rpm, la broca estuvo provista de dos pastillas de carburo de tungsteno a 30° de ángulo de corte de 13 mm de altura y 29 mm de diámetro.

Prosopis velutina Wooton. Family: Fabaceae.

Resultados y Discusión

Common names: mezquite (Mx.), velvet mesquite (USA), fluweel prosopis (Southafrica)

Identificación de la especie

It has bipinnate, petiolate leaves; oblong, pubescent folioles with whole margins; the surfaces of the leaves show glandular, unicellular trichomes and wax crystals that produce a velvety texture. The flowers form spike shaped clusters with a length of 5 to 15 cm, with small light yellow-green flowers.

Personal del Herbario del Departamento de Botánica del Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias de la Universidad de Guadalajara identificó las muestras botánicas, la especie correspondió a:

Anatomical study

Prosopis velutina Wooton Familia. Fabaceae

Table 1 summarizes the results of the measurements of the anatomical elements in the wood of Prosopis velutina.

Nombres comunes: mezquite (Mx.), velvet mesquite (USA), fluweel prosopis (Sudáfrica)

Porosity

Presenta hojas bipinnadas, pecioladas, foliolos oblongos y pubescentes con márgenes enteros; las superficies de las hojas muestran tricomas glandulares, unicelulares y cristales de cera, lo que produce una textura aterciopelada al tacto. Las flores forman racimos con forma de espiga, de 5 a 15 cm de largo, con florecillas amarillo-verduzco claras.

The wood of Prosopis velutina had diffuse to semi-annular porosity (Figure 1A). An average of 11 mm-2 tangentially arranged vessels, in radial groups of two to five, with an average diameter of 188 mm. Solitary early wood vessels, occasionally clustered (Figure 1B.1). It seems that these types of porosities are characteristic of the genus. Bolzon et al. (2010) observe the same tendency in Prosopis nigra Griseb. On the other hand, León (2008) registers a diffuse porosity in Prosopis juliflora (Sw) DC., and Carrillo-Parra (2007) in P. laevigata. Other researchers mention the wood of Prosopis alba Griseb. as semi-annular (Bolzón et al., 2010) and P. laevigata (Palacios et al., 2013). The type of porosity may be associated to the environment where these species grow. Under conditions of scarce precipitation, they develop a semi-annual porosity, and in environments with more precipitation they form a diffuse porosity (Carrillo-Parra, 2007; Aguilar-Rodríguez et al., 2001).

Estudio anatómico En el Cuadro 1 se resumen los resultados de las mediciones de los elementos anatómicos de la madera de Prosopis velutina.

Porosidad La madera de Prosopis velutina tuvo porosidad difusa a semianular (Figura 1A). En promedio 11 vasos mm-2, dispuestos en patrón tangencial, en grupos radiales de dos a cinco, con diámetro promedio de 188 mm. Vasos de madera temprana solitarios, ocasionalmente en racimos (Figura 1B.1). Tal parece que estos tipos de porosidades son característicos del género. Bolzon et al. (2010) observan la misma tendencia en Prosopis nigra Griseb. Por otro lado, León (2008) registra porosidad difusa en Prosopis juliflora (Sw.) DC., y Carrillo-Parra (2007) en

Because of these types of porosity (diffuse to semi-annular), Prosopis spp. affords advantages when an adhesive or a coating is applied to the wood, because the amount of the product is smaller, compared to a timber with annular porosity, in which the vessels are larger or more abundant.

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P. laevigata. Otros investigadores mencionan como semianular para Prosopis alba Griseb. (Bolzón et al., 2010) y P. laevigata (Palacios et al., 2013). El tipo de porosidad puede asociarse al ambiente donde crecen estas especies. En condiciones de poca precipitación pluvial desarrollan porosidad semianular y en ambientes con mayor precipitación forman porosidad difusa (Carrillo-Parra, 2007; Aguilar-Rodríguez et al., 2001). Por los tipos de porosidad (difusa a semianular) Prosopis spp. ofrece ventajas cuando se aplica un adhesivo o recubrimiento a la madera, puesto que la cantidad del producto es menor, en comparación con una madera de porosidad anular, en la que los vasos son más grandes o abundantes. Cuadro 1. Mediciones anatómicas de la madera de Prosopis velutina Wooton. Vasos Por mm2

Radios

Diámetro

Ancho

Altura

(µm)

(µm)

(µm)

Fibras Por mm

Longitud

Diámetro

(µm)

(µm)

Espesor de pared (µm)

Promedio

11

188

63

346

4

863

12.8

4.3

Valor máximo

21

260

93

963

7

1 099

17.5

6.0

Valor mínimo

5

141

30

125

2

272

9.6

2.3

Desviación Estándar

4.2

27.0

12.2

162.8

1.1

179

2.0

0.95

Coeficiente de Variación

36.8

14.3

19.4

47.1

26.6

20.8

15.8

22.2

Table 1. Anatomical measurements of Prosopis velutina Wooton wood. Vessels

Radii

Per mm2

Diameter

Width

Height

(µm)

(µm)

(µm)

Average

11

188

63

346

Maximum value

21

260

93

Minimum value

5

141

Standard deviation

4.2

Variation coefficient

36.8

Fibers Length

Diameter

Wall thickness

(µm)

(µm)

(µm)

4

863

12.8

4.3

963

7

1 099

17.5

6.0

30

125

2

272

9.6

2.3

27.0

12.2

162.8

1.1

179

2.0

0.95

14.3

19.4

47.1

26.6

20.8

15.8

22.2

Per mm

Fibras

Fibers

Fibras con punteaduras simples, muy finas, de longitud, diámetro y espesor de pared celular promedio de 863, 12.8 y 4.3µm, respectivamente. Clasificadas, conforme a IAWA (1989) como paredes de espesor grueso (Figura 1C.1). Tamarit (1996) señala para P. juliflora un espesor de pared celular de 5 µ. Palacios et al. (2013) y Tamarit (1996) consignan espesores de pared celular de 4 a 5 µm, respectivamente para P. laevigata.

Fibers with simple, very fine dots, with an average cell wall length, diameter and thickness of 863, 12.8 and 4.3 µm, respectively, classified as thick walls according to IAWA (1989) (Figure 1C.1). Tamarit (1996) points out a cell wall thickness of 5 µ for P. juliflora. Palacios et al. (2013) and Tamarit (1996) register cell wall thicknesses of 4 to 5 µm, respectively, for P. laevigata.

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Rodríguez et al., Características anatómicas, físco-mecánicas y ...

La cantidad total de las fibras presentes en la madera asociada a la longitud, diámetro y espesor de la pared celular influyen directamente en la densidad de la madera (Aguilar-Rodríguez et al., 2001; Carrillo-Parra, 2007), y en las propiedades mecánicas del papel (Tamarit, 1996).

The total number of fibers present in the wood associated to cell wall length, diameter and thickness directly influence the density of the Wood (Aguilar-Rodríguez et al., 2001; Carrillo-Parra, 2007), and in the mechanical properties of paper (Tamarit, 1996).

A.1) Demarcación de anillos estacionales. B.1) Vasos en racimo. B.2) Parénquima paratraqueal aliforme. B.3) Parénquima paratraqueal aliforme confluente. B.4) Parénquima apotraqueal difuso. C.1) Engrosamiento de la pared celular. D.1) Parénquima marginal con cristales. D.2) Parénquima marginal con vasos de menor tamaño. D.3) Depósitos en vasos. E.1) Parénquima axial con cristales prismáticos. F.1) Radio medular. F.2) Cristales prismáticos A.1) Demarcation of seasonal rings. B.1) Clustered vessels. B.2) Aliform paratracheal parenchyma. B.3) Confluent aliform paratracheal parenchyma. B.4) Diffuse apotracheal parenchyma. C.1) Thickening of the cell wall. D.1) Marginal parenchyma with crystals. D.2) Marginal parenchyma with smaller vessels. D.3) Deposits in the vessels. E.1) Axial parenchyma with prismatic crystals. F.1) Core radius. F.2) Prismatic crystals.

Figura 1. Cortes anatómicos de la madera de Prosopis velutina. Wooton. Figure 1. Anatomical cuts of Prosopis velutina Wooton wood.

Parénquima

Parenchyma

Parénquima marginal en bandas discontinuas más delgadas que los radios medulares (Figura 1D. líneas punteadas), frecuentemente con presencia de cristales prismáticos (Figura 1D.1) y vasos de menor diámetro (Figura 1D.2). La demarcación de anillos de crecimiento para el género, con frecuencia se aprecia por la presencia de finas bandas continuas a discontinuas de parénquima marginal (Figura 1A.1).

Marginal parenchyma in discontinuous bands thinner than core radii (Figure 1D, dotted lines), often with the presence of prismatic crystals (Figure 1D.1) and vessels with a smaller diameter (Figure 1D.2). The demarcation of rings for this genus can often be perceived as thin continuous to discontinuous marginal parenchyma bands (Figure 1A.1). Axial, paratracheal aliform (Figure 1B.2) and confluent winged-aliform parenchyma (Figure 1B.3). Diffuse apotracheal parenchyma (Figure 1B.4). In general, axial parenchyma stores extractable nutritional substances and amorphous or crystal salts (Figure 1E.1); according to their abundance and position, they are an important feature for the characterization and taxonomic identification of woods; equally, they may influence the appearance or natural design of the wood and, therefore, its decorative aspect (Burguer and Richter, 1991).

Parénquima axial, paratraqueal aliforme (Figura 1B.2) y aliforme confluente de alas anchas (Figura 1B.3). Parénquima apotraqueal difuso (Figura 1B.4). El parénquima axial, en general, almacena sustancias nutritivas extraíbles, sales amorfas o cristalinas (Figura 1E.1); según su abundancia y posición son un rasgo importante en la caracterización e identificación taxonómica de las maderas; que de igual forma pueden influir en la apariencia o diseño natural de la madera y, por tanto, en

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 156-173

Their abundance results in a weak tissue that affects the final resistance of the wood. The wear may be increased by the application of a coating.

su aspecto decorativo (Burguer y Richter, 1991). Su abundancia repercute en un tejido débil que afecta la resistencia final de la madera. En caso de aplicar un recubrimiento, es factible que el gasto se incremente.

Radii

Radios

Procumbent homocellular multiseriate radii (Figure 1F.1), with an average width and height of 63 µm and 346 µm, respectively, with four radii per milimiter, in average.

Radios multiseriados homocelulares procumbentes (Figura 1F.1), de ancho y altura promedio 63 µm y 346 µm, respectivamente, con cuatro radios por milímetro, en promedio.

Multiseriate radii generate weak points in the wood compound because mechanical efforts tend to cause fissures along them; this influences the quality of the wood (Burguer and Richter, 1991). The presence of abundant polyseriate core radii may have a negative impact on the mechanical properties and on the tangential contraction of the wood (Bárcenas et al., 2002); however, it is a positive contribution to its aesthetic characteristics.

Los radios multiseriados generan puntos débiles en el compuesto madera, debido a que esfuerzos mecánicos tienden a originar fisuras a lo largo de ellos, lo cual influye en la calidad de la madera (Burguer y Richter, 1991). La presencia de abundantes radios medulares poliseriados puede incidir negativamente en las propiedades mecánicas y en la contracción tangencial de la madera (Bárcenas et al., 2002). Aunque, contribuye de manera positiva en sus características estéticas.

Mineral substances

Sustancias minerales

Prismatic crystals are often observed in radius cells, but they are very abundant in chambered axial parenchyma (Figure 1F.2). Crystals are present in long chains, with septated crystalbearing cells and one crystal per cell (Figure 1E.1). Calcium oxalate crystals are arranged differently according to the genus (IAWA, 1989); however, in some cases this is a confirmative taxonomic feature (Burguer and Richter, 1991). They are profuse in P. velutina and may therefore cause blunting of the cutting tools (Darmawan et al., 2012).

En varias ocasiones se observan cristales prismáticos en células radiales, pero son muy abundantes en cámaras de parénquima axial (Figura 1F.2) Presencia de cristales en cadenas largas; células cristalíferas septadas; un cristal por célula (Figura 1E.1). Los cristales de oxalato de calcio, según el género, presentan diferentes arreglos (IAWA, 1989); sin embargo en pocos casos esto es un rasgo taxonómico confirmativo (Burguer y Richter, 1991). Para P. velutina son profusos, lo que incide en el desafilado de las herramientas de corte (Darmawan et al., 2012).

Extracts Amber colored deposits are abundant in the heartwood vessels (Figure 1D.3), axial parenchyma and radial parenchyma, being less frequent in the fibers. They favor a better resistance to pathogenic organisms and dimensional stability. When they are very abundant, they may saturate the teeth of the cutting tools (Burguer and Richter, 1991; Rodríguez et al., 2007).

Extractos En duramen hay abundantes depósitos de color ámbar en vasos (Figura 1D.3), parénquima axial y parénquima radial; y menos frecuente en fibras; favorecen una mejor resistencia contra organismos patógenos y la estabilidad dimensional. Cuando son muy abundantes, es factible que saturen los dientes de las herramientas de corte (Burguer y Richter, 1991; Rodríguez et al., 2007).

Physical properties Density

Propiedades físicas

The average value of the basic density was 0.79 g cm-3; the density, with 12 % HC (normal density), 0.89 g cm-3, and the anhydrous density, 0.84 g cm-3. According to the classification by Prospect (1997), the wood was rated as high density. Carrillo-Parra (2007) cites normal and anhydrous density values of 0.84 and 0.76 g cm-3, respectively, for Prosopis laevigata. Vignote (1999) records a normal density of 0.75 g cm-3 for Prosopis alba Sotomayor and Villaseñor (2006) estimate a value of 0.73 g cm -3 for the Prosopis genus. For their part, Carrillo et al. (2011) register

Densidad El valor promedio de la densidad básica fue de 0.79 g cm-3, la densidad con 12 % de CH (densidad normal) de 0.89 g cm-3, y densidad anhidra de 0.84 g cm-3. Conforme a la categorización de Prospect (1997), la madera se clasificó como de densidad muy alta. Carrillo-Parra (2007) cita valores de densidad normal y

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Rodríguez et al., Características anatómicas, físco-mecánicas y ...

the basic density for Prosopis laevigata as 0.76 g cm-3. Pometti et al. (2009) estimate basic densities of 0.69, 1.11, 0.90 and 0.74 g cm-3 for Prosopis alba, P. kuntzei Harms, P. nigra and P. ruscifolia Griseb., respectively.

anhidra de 0.84 y 0.76 g cm-3, respectivamente para Prosopis laevigata. Vignote (1999) consigna una densidad normal de 0.75 g cm-3 para Prosopis alba. Sotomayor y Villaseñor (2006) indican un valor de 0.73 g cm-3 para el género Prosopis. Por su parte, Carrillo et al. (2011) registran la densidad básica para Prosopis laevigata de 0.76 g cm-3. Pometti et al. (2009) señalan densidades básicas para Prosopis alba, P. kuntzei Harms, P. nigra y P. ruscifolia de 0.69, 1.11, 0.90 y 0.74 g cm-3, respectivamente.

The density of the P. velutina wood estimated in this study was similar to that of P. laevigata and notoriously different from those of the rest of the abovementioned species. As with other timber-yielding species, it may be ascribed to the quality of the growth site of the plant, as it influences its development and, therefore, the density of the wood due to the physical conditions and the chemical properties of the soil (Kokutse et al., 2004). Another important aspect is the age of the tree, as has been observed in such taxa as teak (Tectona grandis L.), which shows a high variability of densities in relation to that variable (Pérez and Kanninen, 2005; Kokutse et al., 2004).

La densidad de la madera de P. velutina en el presente trabajo resultó similar a la de P. laevigata y notoriamente diferente a las del resto de las especies citadas. Un posible factor al que se le puede atribuir, y que sucede con otros taxa maderables, es la calidad de sitio del crecimiento de la planta, ya que este incide en su desarrollo y por ende en la densidad de la madera, debido a las condiciones físicas y propiedades químicas del suelo (Kokutse et al., 2004). Otro aspecto relevante es la edad del árbol, lo cual se ha observado en taxa como la teca (Tectona grandis L. f), que muestra una alta variabilidad de la densidad, con respecto a esa variable (Pérez y Kanninen, 2005; Kokutse et al., 2004).

Dimensional stability Table 2 summarizes the contraction values and anisotropies of the velvet mesquite wood. The normal contraction due to drying (ßN) and the maximum contraction (ßmax) in its radial and tangential axes are considered to be very small (Prospect, 1997).

Estabilidad dimensional En el Cuadro 2 se resumen los valores de contracción y anisotropías que tuvo la madera de mezquite. La contracción normal por secado (ßN), así como la contracción máxima (ßmáx) en sus ejes radial y tangencial se consideran muy pequeñas (Prospect, 1997).

With respect to the anisotropies (A), which are related to the dimensional stability of wood, the values obtained evince the good dimensional stability of the P. velutina wood as proposed by Silva et al. (2010).

Con respecto a las anisotropías (A), las cuales se relacionan con la estabilidad dimensional de la madera, los valores obtenidos evidencian la buena estabilidad dimensional de la madera de P. velutina conforme a lo propuesto por Silva et al. (2010). Cuadro 2. Índices de contracción de madera de Prosopis velutina Wooton. Contracción Normal

Anisotropía

Máxima (ßmáx.)

(ßn)

Volumétrica

Normal

Máxima

Diferencial

Rad

Tang

Rad

Tang

(ßv)

(Aßn)

(Aßmáx.)

(Aq)

Promedio

0.6

1.2

1.8

3.4

5.1

2.2

1.9

1.8

Valor máximo

0.8

1.9

2.4

5.0

6.9

2.9

2.6

2.5

Valor mínimo

0.3

0.6

1.3

2.3

3.6

1.3

1.3

1.4

Desviación Estándar

0.1

0.3

0.3

0.7

0.9

0.4

0.3

0.3

Coeficiente de Variación

24.5

26.7

14.3

21.1

17.3

17.2

15.8

14.8

165


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Table 2. Contraction indices of Prosopis velutina Wooton wood. Contraction Normal (ßn)

Anisotropy

Maximum (ßmax.)

Volumetric

Normal

Maximum

Differential

Rad

Tang

Rad

Tang

(ßv)

(Aßn)

(Aßmax.)

(Aq)

Average

0.6

1.2

1.8

3.4

5.1

2.2

1.9

1.8

Maximum value

0.8

1.9

2.4

5.0

6.9

2.9

2.6

2.5

Minimum value

0.3

0.6

1.3

2.3

3.6

1.3

1.3

1.4

Standard deviation

0.1

0.3

0.3

0.7

0.9

0.4

0.3

0.3

Variation coefficient

24.5

26.7

14.3

21.1

17.3

17.2

15.8

14.8

En comparación con otros taxa de Prosopis, Carrillo-Parra (2007) anota una contracción máxima radial y tangencial de 1.8 y 2.6, respectivamente para P. laevigata, valores similares a la contracción máxima radial del presente estudio y muy por debajo, con respecto a la tangencial. Burns et al. (1998) citan 4.7 % de contracción volumétrica para P. glandulosa Torr.; Pometti et al. (2009) determinan valores de contracción volumétrica de 4.8, 5.5, 7.3 y 7.3 para P. alba, P. kuntzei, P. nigra y P. ruscifolia. Perpiñan y Pietrarelli (1992) consignan contracciones volumétricas de 6.3 y 6.9 para P. flexuosa DC. y P. nigra. Los resultados que aquí se documentan para P. velutina se ubican entre P. nigra y P. alba de Pometti et al. (2009). La variabilidad entre especies puede responder al contenido de extractos tales como taninos y compuestos fenólicos que son almacenados, generalmente, en la madera de duramen y que afectan la permeabilidad y estabilidad dimensional (Pizzo et al., 2011; Carrillo-Parra et al., 2011).

Compared to other Prosopis taxa, Carrillo-Parra (2007) records maximum radial and tangential contractions of 1.8 and 2.6, respectively, for P. laevigata; these values are similar to the maximum radial contraction estimated in the present study and are far below the maximum tangential contraction. Burns et al. (1998) published a volumetric contraction of 4.7 % for P. glandulosa Torr.; Pometti et al. (2009) determine volumetric contraction values of 4.8, 5.5, 7.3 and 7.3 for P. alba, P. kuntzei Harms, P. nigra and P. ruscifolia. Perpiñan and Pietrarelli (1992) record volumetric contractions of 6.3 and 6.9 for P. flexuosa DC. and P. nigra. The results documented herein for P. velutina are between those estimated by Pometti et al. (2009) for P. nigra and P. alba. The variability between species may be due to the content of extracts such as tannins and phenolic compounds that are generally stored in the heartwood and which have an impact on the permeability and the dimensional stability (Pizzo et al., 2011; Carrillo-Parra et al., 2011).

Por lo anterior, los bajos valores de P. velutina son indicativos de una buena estabilidad dimensional que la hace apta para trabajos de carpintería exterior, ebanistería, talla y escultura, cubiertas de construcciones navales, instrumentos musicales como flautas, mástiles-diapasones en guitarras eléctricas y acústicas.

For these reasons, low values for P. velutina are indicative of a good dimensional stability which renders it appropriate for outdoor carpentry, for cabinetmaking, carving and sculpture, ship building, for making music instruments such as recorders, and fretboards for electric and acoustic guitars.

Propiedades mecánicas

Mechanical properties

En el Cuadro 3 se integran los resultados correspondientes a los diferentes ensayos mecánicos de la madera de Prosopis velutina.

Table 3 integrates the results of the various mechanical tests of Prosopis velutina wood.

Módulo de elasticidad a flexión (MOE)

Modulus of elasticity to flexion (MOE)

El valor promedio del módulo de elasticidad a flexión fue de 11 232 N mm-2, clasificado como bajo de acuerdo con Prospect (1997). A pesar de que las trozas recolectadas fueron de la misma procedencia, el coeficiente de variación es ligeramente alto, lo que refleja la variabilidad dentro de la misma troza y entre árboles, que bien puede considerarse propia de las características de crecimiento.

The average value of the modulus of elasticity to flexion was 11 232 N mm-2, classified by Prospect (1997) as good. Although the collected logs all had the same origin, the variation coefficient is slightly high, which reflects variability within the same log as well as between trees; this can be considered as particular to the characteristics of growth.

166


Rodríguez et al., Características anatómicas, físco-mecánicas y ...

Otros estudios proporcionan MOE de 6 000 N mm-2 para madera de P. alba (Vignote, 1999), 11 370 N mm-2, para P. laevigata (Carrillo et al., 2011). Por su parte Sotomayor y Villaseñor (2006) realizaron ensayos no destructivos en Prosopis sp. y obtuvieron un promedio de 7 040 N mm-2; Sirmah et al., (2008) registran 15 200 N mm-2 para P. juliflora. De los módulos de elasticidad registrados en la literatura, se aprecia una alta variabilidad entre especies, de ellas los valores de P. laevigata (Carrillo et al., 2011) son los que más concuerdan con P. velutina.

Other studies estimated a MOE of 6 000 N mm-2 for P. alba timber (Vignote, 1999) and 11 370 N mm-2 for P. laevigata (Carrillo et al., 2011). For their part, Sotomayor and Villaseñor (2006) carried out non-destructive tests in Prosopis sp. and obtained an average of 7 040 N mm-2; Sirmah et al. (2008) register 15 200 N mm-2 for P. juliflora. The modules of elasticity recorded in the literature show a high variability between species, among which the values of P. laevigata (Carrillo et al., 2011) are the most similar to those found for P. velutina.

Las propiedades de resistencias y elásticas de la madera se deben tomar en cuenta en el uso práctico, para el diseño de elementos constructivos o bien en la fabricación de muebles, en los que frecuentemente se observan deformaciones (pandeo) de entrepaños de libreros, credenzas, asientos de sillas, sillones y hasta cubiertas de mesas, precisamente por ignorar su comportamiento mecánico.

The resistance and elasticity properties of the timber must be taken into account for their practical uses, such as the design of building elements or the manufacture of furniture, in which the presence of deformations (bends) may be observed in bookshelves, credenzas, chair seats, armchairs and even covers for tables, due precisely to a lack of knowledge of its mechanical behavior.

Cuadro 3. Resistencia de Prosopis velutina Wooton a los diferentes ensayos mecánicos, y la resistencia a tensión del encolado. Flexión (Nmm-2)

Compresión longitudinal

Impacto

Cizalla

(N mm-2)

(kJ m )

(N mm )

-2

MOE

MOR

MOE

MOR

Promedio

11 232

117

11 915

87

51

Valor máximo

15 031

183

16 577

113

Valor mínimo

6 957

51

7 390

Desviación Estándar

2 092

33

19

28

Coeficiente de Variación

Dureza Brinell

Encolado

(N mm-2)

-2

(N mm-2)

long

rad

tang

19

96

73

72

7

115

25

140

99

100

11

57

17

14

72

50

55

3

2 124

12

23

2

15

10

10

2

18

14

45

12

16

14

14

28

Los valores de resistencia se obtuvieron a un contenido de humedad promedio de 11 %.

Table 3. Resistance of Prosopis velutina Wooton against the various mechanical tests, and resistance to gluing. Flexion (N mm-2)

Longitudinal compression

Impact

Shearing

(N mm-2)

(kJ m )

(N mm )

-2

MOE

MOR

MOE

MOR

Average

11 232

117

11 915

87

51

Maximum value

15 031

183

16 577

113

Minimum value

6 957

51

7 390

Standard deviation

2 092

33

Variation coefficient

19

28

Brinell Hardness (N mm-2)

-2

Gluing (N mm-2)

long

rad

tang

19

96

73

72

7

115

25

140

99

100

11

57

17

14

72

50

55

3

2 124

12

23

2

15

10

10

2

18

14

45

12

16

14

14

28

Resistance values were estimated for an average humidity content of 11 %.

Módulo de ruptura a flexión (MOR)

Modulus of rupture to flexion (MOR)

La resistencia al ensayo de flexión que mostró la madera de mezquite fue de 117 N mm-2, que la clasifica como media,

The resistance to the flexion test shown by the velvet mezquite wood was 117 Nmm-2, classified as medium by Prospect (1997).

167


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 156-173

conforme a Prospect (1997). El coeficiente de variación fue alto, con un amplio intervalo entre el valor mínimo y el máximo. Esta variación obedece probablemente a la dirección irregular de la fibra, propia del género.

The variation coefficient was high, with a broad interval between the minimum and the maximum values. This variation is probably due to the irregular direction of the fiber, which is characteristic of the genus.

La resistencia a la flexión en especies de Prosopis es muy variada; por ejemplo, Vignote (1999) consigna 63.4 N mm-2 para P. alba, clasificándolo como pequeño; Carrillo et al. (2011) documentan resistencias promedio de 173 N mm-2 para P. laevigata. Sotomayor y Villaseñor (2005) mediante ensayos no destructivos para P. juliflora citan promedios 94 N mm-2. Sirmah et al. (2008) indican valores de 124.1 y 113.7 N mm-2 para P. juliflora, los cuales son más cercanos a los estimados para P. velutina en la presente investigación.

Resistance to flexion of Prosopis species is quite varied; for example, Vignote (1999) records 63.4 N mm-2 for P. laevigata and classifies it as small; Carrillo et al. (2011) document average resistances of 173 N mm-2 for P. laevigata. Sotomayor and Villaseñor (2005) obtained average values of 94 N mm-2 for P. juliflora through non-destructive tests. Sirmah et al. (2008) indicate values of 124.1 and 113.7 N mm-2 for P. juliflora, which are closer to those estimated for P. velutina by the present research.

Longitudinal modulus of elasticity

Módulo de elasticidad a compresión longitudinal

This was classified as low according to Project (1997), with 11 915 N mm-2. It is worth noting that there are no bibliographic records available for this property in Prosopis.

Se clasificó como bajo según la clasificación de Prospect (1997), con 11 915 N mm-2. Cabe señalar la falta de registros bibliográficos para esta propiedad, en Prosopis.

Longitudinal modulus of rupture (MOR)

Módulo de ruptura a compresión longitudinal (MOR)

The average resistance to longitudinal compression was 87 N mm-2, classified as very high by Prospect (1997) based on the low variation of individual values between the logs and within the same tree; the variation coefficient is rated as normal. The high value of the resistance is related to the cell wall thickness of the fibers, classified as medium to thick according to IAWA (1989); furthermore, the abundance of these has a significant impact on their behavior in the presence of compression (Kollman and Côté, 1968).

La resistencia promedio a la compresión longitudinal fue de 87 N mm-2, muy alta según la clasificación de Prospect (1997) con base en la baja variación de los valores individuales entre trozas y dentro del mismo árbol, el coeficiente de variación se considera normal. El alto valor de la resistencia está relacionado con el espesor de las paredes celulares de las fibras, clasificado como medio a grueso conforme a IAWA (1989), asimismo la abundancia de estas incide de manera importante en su comportamiento a la compresión (Kollmann y Côté, 1968).

Carrillo-Parra (2007) records resistances to longitudinal compression of 66 N mm-2 in P. laevigata; Vignote (1999) estimated 48 N mm-2 for P. alba; Sirmah et al. (2008), 73 and 62 N mm-2 for P. laevigata; Pometti et al. (2009) determine 51, 66, 58 and 47 N mm-2 for P. alba, P. kuntzei, P. nigra and P. ruscifolia, respectively. The resistances estimated in the present research have higher values. Given its high resistance to compression, the P. velutina can be used for structural elements and trellises, among other uses.

Carrillo-Parra (2007) indica resistencias a la compresión longitudinal en P. laevigata de 66 N mm-2; Vignote (1999) de 48 N mm-2 para P. alba; Sirmahet al. (2008) de 73 y 62 N mm-2 en P. laevigata; Pomettiet al. (2009) determinan 51, 66, 58 y 47 N mm-2 en P. alba, P. kuntzei, P. nigra y P. ruscifolia, respectivamente. La resistencia obtenida en el trabajo que aquí se documenta son superiores. Dada su alta resistencia a la compresión, la madera de P. velutina es recomendable para elementos estructurales y pérgolas, entre otros usos.

Impact

Impacto

Work of rupture by impact was estimated in 51 kJ m-2, classified by Prospect (1997) as fair. High variation coefficients are very common in this type of test; in the case of velvet mesquite, it was 45 %, mostly because of the direction of the irregular fiber, as well as the type of porosity, of which the annular is the most appropriate. The literature provides no references for other mezquite taxa that might allow a comparative analysis.

El trabajo de ruptura por impacto resultó de 51 kJ m-2, clasificado como regular de acuerdo a Prospect (1997). En este tipo de ensayo es muy común determinar coeficientes de variación elevados, en el caso del mezquite fue de 45 %, en gran medida, debido a la dirección de la fibra irregular, así como al tipo de porosidad, la anular es la más apropiada. En la literatura no hay referencias para otros taxa de mezquite que permitieran hacer un análisis comparativo. 168


Rodríguez et al., Características anatómicas, físco-mecánicas y ...

Based on the average resistance obtained, P. velutina has properties classified by the DIN 68 340 standard (DIN, 1989) as “B” quality for the manufacture of tool end pieces subjected to impact, e.g. hammers, axes, picks, shovels, etc. However, the high variation coefficient of the results, an important factor for its selection compared to other timber-yielding species, must be taken into account.

A partir de la resistencia promedio obtenida, la madera de P.velutina reúne las propiedades de DIN 68 340 (DIN, 1989) como calidad “B” para la elaboración de cabos de herramientas sujetos a trabajos de impacto; por ejemplo, martillos, hachas, picos, palas; sin embargo, se tiene que tomar en cuenta el alto coeficiente de variación de los resultados, que constituye un factor importante para su elección, con respecto a la madera de otras especies.

Shearing

Cizallamiento

The average values for P. velutina were 19 N mm-2, and therefore it is classified as hard according to Prospect (1997). The variation coefficient was low, although the direction of the irregular fibers usually has an impact in the wood’s resistance to shearing.

Se obtuvieron valores promedio de 19 N mm , dura de acuerdo a Prospect (1997). El coeficiente de variación fue bajo; no obstante que la dirección de fibra irregular suele incidir en la resistencia al cizallamiento. -2

The behavior of P. velutina in the presence of shearing coincides with that described for other taxa: 20 N mm-2, for P. juliflora (Sirmah et al., 2008); 20, 25, 20 and 18 N mm-2, for P. alba, P. kuntzei, P. nigra and P. ruscifolia, respectively (Pometti et al., 2009), and differs widely from the value of 40 N mm-2 quoted for P. juliflora (Sotomayor, 2008).

El comportamiento a cizallamiento de P. velutina coincide con el señalado para otros taxa: 20 N mm-2, para P. juliflora (Sirmah et al., 2008); 20, 25, 20 y 18 N mm-2, para P. alba, P. kuntzei, P. nigra y P. ruscifolia, respectivamente (Pometti et al., 2009); y muy diferente en comparación al valor de 40 N mm-2 citado para P. juliflora (Sotomayor, 2008).

Brinell Hardness

Dureza Brinell

The average values for Brinell hardness in P. velutina were 96 N mm-2 for the transversal side, and 73 and 72 N mm-2, in the radial and tangential sides, respectively; it is therefore classified as very hard (Mörath in Lohmann, 1991). Evidently, the transversal hardness is much higher than the radial and the tangential hardnesses as a result of the effort in regard to the layout of the fibers in the wood.

Los promedios de la dureza Brinell en P. velutina fueron de 96 N mm-2 en la cara transversal; 73 y 72 N mm-2, en la radial y tangencial, respectivamente; por lo que su dureza es muy alta (Mörath en Lohmann, 1991). Evidentemente, la dureza transversal es mucho mayor que la radial y tangencial, por la relación del esfuerzo con respecto a la disposición de las fibras en la madera.

Vignote (1999) registers a Brinell hardness perpendicular to the fiber of 77 N mm-2, for P. alba. For the cross-surface area, Carrillo-Parra (2007) registers average values of 74 N mm-2 in P. laevigata. Brinell hardnesses of 50, 112, 62 and 52 N mm-2, respectively, are quoted for P. alba, P. kuntzei, P. nigra and P. ruscifolia, without specifying the anatomical surface of application of the load (Pometti et al., 2009).

Vignote (1999) consigna una dureza Brinell perpendicular a la fibra de 77 N mm-2, para P. alba. En el caso de la cara transversal, Carrillo-Parra (2007) anota valores promedio de 74 N mm-2, en P. laevigata. En P. alba, P. kuntzei, P. nigra y P. ruscifolia se citan durezas de Brinell 50, 112, 62 y 52 N mm-2, respectivamente, sin especificar la cara anatómica de aplicación de la carga (Pometti et al., 2009)

Because of its hardness and dimensional stability, P. velutina is a suitable wood for the construction of ships, machining, carving, sculpture, kitchen counters, as well as for parquet and solid, laminated wooden floor boarding in heavy-traffic areas.

Por su dureza y estabilidad dimensional P. velutina es una madera apta para la construcción naval, tornería, talla, escultura, cubiertas de cocina, así como para pisos de parquet y duelas de madera sólida y laminada de tráfico pesado.

Gluing performance

Desempeño al encolado

Glued pieces of P. velutina wood had an average resistance to stress of 7 N mm-2, with rupture surfaces of 85 %, classified as level 5 (good response) according to DIN EN 205 (DIN, 2003). A variation coefficient was observed, probably in response to the variation in the size of its vessels, to its porosity (diffuse to semi-annular), and to the amount of amber colored

Las piezas encoladas de madera de P. velutina presentaron resistencias a tensión promedio de 7 N mm-2, con superficie de rupturas de 85 %, que la clasifican en nivel 5 (buena respuesta) de acuerdo a DIN EN 205 (DIN, 2003). Se observó un alto coeficiente de variación, probablemente en respuesta

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a la variación del tamaño de sus vasos, por la porosidad que posee (difusa a semianular); y a la cantidad de depósitos de color ámbar existentes tanto en vasos, como en parénquima axial y radial. En la literatura no hubo referencias de otras especies de mezquite.

deposits existing both in the vessels and in the axial and radial parenchyma. The literature includes no references to other mezquite species. An oxidation of the glue with the extracts contained in the wood was also observed on the gluing line, causing a darkening of the glue (Figure 2). It is recommended to avoid or clean up spills outside the gluing area at the time of applying the adhesive, when manufacturing products that require adhesive unions.

También se observó en la línea de encolado una oxidación del pegamento con los extractos contenidos en la madera, ocasionando un oscurecimiento del pegamento (Figura 2), se recomienda evitar o limpiar los escurrimientos fuera del área de encolado al momento de la aplicación del adhesivo, cuando se elaboran manufacturas que requieren de uniones adhesivas.

Figura 2. Reacción del pegamento con los extractos de la madera en la línea de encolado. Figure 2. Reaction of the glue to the extracts of the wood on the gluing line.

Maquinado

Machining

En general, la madera de P. velutina resultó con buen maquinado, solamente en el corte longitudinal con sierra circular, y en el barrenado tuvo la calificación de satisfactoria (Cuadro 4).

In general, the machining of P. velutina wood was very good; only longitudinal cuts with a circular saw and boring were classified as satisfactory (Table 4).

Cuadro 4. Maquinado de la madera de Prosopis velutina Wooton. Ensayo

Calidad

Corte Longitudinal con sierra cinta

Clase 1: muy buena sin defectos

Corte Longitudinal con sierra circular

Clase 3: Satisfactorio

Corte Transversal con sierra circular

Clase 1, con astillamiento en aristas

Cepillado

Clase 2: Buena, defectos de baja intensidad

Barrenado

Clase 3, con vellosidad en orificio de penetración y astillamiento en orificio de salida.

Escopleado

Clase 1: muy buena sin defectos

Moldurado

Clase 1: muy buena sin defectos

Table 4. Machining of Prosopis velutina Wooton wood. Test

Quality

Longitudinal cut with tape saw

Class 1: very good, without defects

Longitudinal cut with circular saw

Class 3: Satisfactory

Cross-cut with circular saw

Class 1, with splintering at the edges

Planing

Class 2: Good, low intensity defects

Boring

Class 3, with hairiness in the inlet hole and splintering in the outlet hole.

Chiseling

Class 1: very good, without defects

Molding

Class 1: very good, without defects 170


Rodríguez et al., Características anatómicas, físco-mecánicas y ...

En la Figura 3 se ilustran las superficies de corte correspondientes a cada una de las pruebas de maquinado.

Figure 3 illustrates the cutting surfaces used in each of the machining tests.

Figura 3. A) Corte longitudinal radial con sierra circular. B) Orificio de entrada al barrenado. C) Orificio de salida del barrenado. D) Cepillado en el plano radial. E) y F) Corte transversal con sierra circular. G) Moldurado. H) Escopleado. Figure 3. A) Radial longitudinal cut with a circular saw. B) Bored inlet hole. C) Bored outlet hole. D) Radial planing. E) and F) Cross cut with a circular saw. G) Molding. H) Chiseling.

Conclusiones

Conclusions

La madera de Prosopis velutina tiene porosidad difusa a semianular; fibras con paredes gruesas; y longitud promedio de 863 μm; con presencia de cristales prismáticos y abundantes depósitos de color ámbar.

Prosopis velutina wood has a diffuse to semi-annular porosity, fibers with thick walls and an average length of 863 μm, with prismatic crystals and abundant amber colored deposits. The physical properties of P. velutina are a very high density and good dimensional stability.

Las propiedades físicas de P. velutina son de muy alta densidad y buena estabilidad dimensional.

The mechanical properties are a low modulus of elasticity, medium resistance to flexion, very high resistance to longitudinal compression. Work of rupture due to regular impact, with high resistance to shearing and a very high Brinell hardness.

Las propiedades mecánicas son de bajo módulo de elasticidad; resistencia a la flexión media, muy alta resistencia a la compresión longitudinal. Trabajo de ruptura por impacto regular, con alta resistencia al cizallamiento y muy alta dureza Brinell. 171


Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 156-173

Because of its physical mechanical properties, P. velutina wood is suitable for a broad range of manufactures for other than traditional uses, which increases the added value of its timber.

Por sus propiedades físico mecánicas, la madera de P. velutina es apta para una amplia gama de manufacturas, con usos alternativos a los tradicionales, lo que incrementa el valor agregado de la madera.

It has a Class response to gluing, and the (white) commercial adhesive reacts to the extractables of the wood causing darkening of the glue.

Muestra respuesta al encolado clase 5, y el adhesivo (blanco) comercial reacciona con los extraíbles de la madera ocasionando oscurecimiento del pegamento.

Due to the presence of prismatic crystals in the wood, the tools used for its machining must be tungsten carbide tipped in order to prevent quick blunting and to offer better cutting surfaces.

Por la presencia de cristales prismáticos en la madera, las herramientas utilizadas para su maquinado deben estar provistas de pastillas de carburo de tungsteno, para evitar su rápido desafilado y ofrecer mejores superficies de corte.

In general terms, P. velutina timber is considered to be well suited for machining.

En términos generales, la madera de P. velutina se considera de buen maquinado.

Conflict of interest The authors declare no conflict of interests.

Conflicto de intereses

Contribution by authors

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Raúl Rodríguez Anda conceived and planned the document and was in charge of the resource management, the review of the results of the experiments, and the writing and editing of the document; Alejandra María Ramírez Arango led the experimental development of the stability tests, the physical-mechanical tests and the calculation of the results; Hilda Palacios Juárez developed the organoleptic description of the timber and was in charge of the anatomical cuts, of measuring the cell elements, and of writing and editing the document; Francisco Javier Fuentes Talavera participated as a consultant, reviewed the results of the experimental work for the stability tests of the wood, and contributed to the writing and reviewing of the document; José Antonio Silva Guzmán provided counseling and reviewed the results of the experimental work involved in the physical mechanical tests. Alma Rosa Saucedo Corona participated as a consultant and reviewed the manuscript.

Contribución por autor Raúl Rodríguez Anda: concepción y planeación del documento, gestión de recursos, revisión de resultados experimentales, redacción y corrección del documento; Alejandra María Ramírez Arango: desarrollo experimental de los ensayos de estabilidad de la madera, físico-mecánicos y cálculos de los resultados; Hilda Palacios Juárez: desarrollo de la descripción organoléptica de la madera, cortes anatómicos, medición de elementos celulares, redacción y corrección de documento; Francisco Javier Fuentes Talavera: asesoría y revisión de resultados del trabajo experimental de los ensayos de estabilidad de la madera, redacción y revisión del documento; José Antonio Silva Guzmán: asesoría, revisión de resultados del trabajo experimental de los ensayos físico-mecánicos; Alma Rosa Saucedo Corona: asesoría y revisión del manuscrito.

End of the English version

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Rodríguez et al., Características anatómicas, físco-mecánicas y ...

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Artículo / Article

Efecto del volumen del contenedor en la calidad y supervivencia de Pinus hartwegii Lindl. en sistema doble-trasplante Effect of container volume on quality and survival of Pinus hartwegii Lindl. using a two-step transplant system Rosario Marilú Bernaola-Paucar1, Eulogio Pimienta Barrios1, Porfirio Gutiérrez González2, Víctor Manuel Ordaz Chaparro3, Gelacio Alejo Santiago4 y Eduardo Salcedo Pérez2 Resumen El éxito de la reforestación está determinado por el sistema de producción, la calidad de planta, el manejo y las condiciones edáficas y climáticas. El sistema de producción intensivo en charola bajo invernadero es de los más utilizados para planta forestal. El objetivo del presente estudio fue evaluar el efecto del volumen de contenedor sobre la calidad de planta de Pinus hartwegii y la supervivencia en campo. Los ejemplares vegetales fueron propagadas en sistema intensivo y cultivadas durante doce meses en charolas (0.165 L por cavidad) y se trasladaron al vivero temporal del sito de plantación. 350 plantas se dejaron en las charolas (T0), 350 fueron trasplantadas a contenedores de un litro (T1) y 350 a contenedores de cinco litros (T2), y se mantuvieron durante ocho meses más. Las variables de crecimiento, índices de calidad y el porcentaje de supervivencia fueron ponderadas. El análisis de varianza mostró diferencias significativas (P ≤ 0.05) entre los tratamientos para todas las variables. Las plantas obtenidas del T2 registraron mayor altura (cm), diámetro del tallo (mm), volumen aéreo (cm3), peso aéreo (g), volumen radical (cm3) y los mejores índices de calidad y el mayor porcentaje de supervivencia (96 %). El índice de Dickson (IQ) no presentó diferencia estadística entre el tratamiento 1 y 2; por el contrario, el índice de contenedor raíz (ICR) si mostró diferencia entre tratamientos, por lo que se propone como un indicador de la calidad de planta y de la supervivencia en campo.

Palabras clave: Calidad de planta, contenedor, índice de Dickson, Pinus hartwegii Lindl., reforestación, vivero forestal. Abstract The success of reforestation is determined by the production system, the forest plant quality, management and of the environmental conditions. The production forest planting container nursery is the mostly used method. The aim of the study was to evaluate the effect of the volume container in the plant quality of Pinus hartwegii and to determine survival rate in the field. The plants were grown in container of 0.165 L during 12 months and then were moved at the reforestation site for their acclimatization. 350 plants were grown in the same container (T0), 350 plants were transplanted in container of 1L (T1) and 350 plants in container of 5L (T2). The plants were kept in this condition for 8 months. Growth variables, quality index and survival rate were evaluated. The analysis of variance showed significant differences (P ≤ 0.05) among treatments for all variables. The plants of T2 exhibited the best height of plant (cm), stem diameter (mm), aerial biomass (cm3), aerial biomass (g), root volume (cm3), and the best quality index nursery and the highest survival rate (96 %) was also presented. The Dickson index (IQ) did not show statistical difference between treatments 1 and 2. On the contrary, the root container index (ICR) did show differences between treatments and so it is proposed in this study as an indicator to evaluate plant quality and the survival rate in the field.

Key words: Quality of plant, container, Dickson Index, Pinus hartwegii Lindl., reforestation, forest nursery. Fecha de recepción/date of receipt: 26 de noviembre de 2014; Fecha de aceptación/date of acceptance: 19 de febrero de 2015. 1 Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias, Universidad de Guadalajara. 2 Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingeniería, Departamento de Madera, Celulosa y Papel, Universidad de Guadalajara. Correo-e: esalcedo@dmcyp.cucei.udg.mx 3 Programa de Edafología, Colegio de Postgraduados. 4 Universidad Autónoma de Nayarit.


Bernaola-Paucar et al., Volumen del contenedor en calidad y...

Introducción

Introduction

El propósito de todo vivero forestal es hacer más eficiente la producción de planta, individuos de bajo costo y en menor tiempo. La interacción de las condiciones edáficas y climáticas de los sitios de plantación y el manejo en campo impactan también, de manera directa, en el porcentaje de supervivencia (Bernaola, 2012). En México, los programas de reforestación no han tenido el efecto esperado, ya que a nivel nacional, en promedio, se tiene un porcentaje de 50 % de supervivencia en campo durante el primer año, lo cual se relaciona a la presencia constante de sequías, la fecha inadecuada de plantación y la baja calidad de las plantas (Conafor, 2010).

The purpose of all forest nurseries is to produce plant more efficiently, individuals of low cost and in less time. The interaction of soil and climatic conditions of planting sites and field management directly impact on the survival rate (Bernaola, 2012). In Mexico, reforestation programs have not been as successful as expected, since at a national scope, the average survival percentage in the field during the first year has been 50 %, which is related to the constant presence of drought, incorrect planting dates and poor quality of plants (Conafor, 2010). In this context, the container volume, the type and physical state of the substrate and the forestry nursery management are important factors in improving the quality of plant (Ritchie, 1983; Folk and Grossnickle, 1997; Birchler et al., 1998); this is valid, as well, for the ability of the plant to meet the expectations of survival and growth in the field (Duryea, 1985), from its form and structure, and vital functions and metabolic processes (Johnson and Cline, 1991; Cortina et al., 2006). South (2000) and Prieto et al. (1999) believe that the initial reaction of a plantation is influenced by environmental conditions, management, morphological and physiological processes in plants, which strongly affects their survival after the period of transplantation stress especially under conditions of prolonged seasonal drought which favors high mortality (Haase and Rose, 1993).

En este contexto, el volumen del contenedor, el tipo y estado físico del sustrato y el manejo silvicultural en vivero son factores importantes para mejorar la calidad de planta (Ritchie, 1983; Folk y Grossnickle, 1997; Birchler et al., 1998); esto es extensivo a la capacidad que tiene la planta para alcanzar las expectativas de supervivencia y crecimiento en campo (Duryea, 1985), a partir de su forma, estructura, así como de las funciones vitales y procesos metabólicos (Johnson y Cline, 1991; Cortina et al., 2006). South (2000) y Prieto et al. (1999) opinan que la respuesta inicial de la plantación está influida por las condiciones ambientales, el manejo, las características morfológicas y procesos fisiológicos de los ejemplares, lo cual incide fuertemente en su supervivencia después del periodo de estrés por el trasplante, sobre todo bajo sequía estacional prolongada, que propicia una mayor mortalidad (Haase y Rose, 1993).

The production system of double-transplant is based on the transfer of the plants from the tray to higher volume containers in order to produce larger individuals, which morphologically and physiologically adapt to the conditions in which the plantation is established (Salcedo et al., 2012).

El sistema de producción de doble-trasplante se basa en el traspaso de las plantas de la charola a contenedores de mayor volumen con la finalidad de producir ejemplares mas grandes, que logren adaptarse morfológica y fisiológicamente a las condiciones en las que se establecerá la plantación (Salcedo et al., 2012).

The container-container system generates large and good morphological quality plants but it raises costs (Hahn, 1984). Studies by Pineda et al. (2004) in Pinus greggii Engelm. under three production systems revealed that container bare-root system plants accomplished better results on all morphological aspects than those under the container-container system and tray without transplant; this quality is attributed to a larger space in the growth- bed for its development without restriction. Becerra et al. (2013) demonstrated better quality in plants transplanted to larger volume containers (10 L). In contrast, Hahn (1990), Owston (1990) and Dumroese et al. (1998) have recorded some operational and economic drawbacks by implementing these systems.

El sistema contenedor-contenedor genera plantas grandes y de buena calidad morfológica, pero eleva los costos (Hahn, 1984). Estudios realizados por Pineda et al. (2004) en Pinus greggii Engelm. con tres sistemas de producción, evidenciaron que las plantas producidas bajo el sistema contenedor-raíz desnuda tuvieron mejores resultados, en todas las variables morfológicas, que las de contenedor-contenedor y charola sin trasplante; se atribuye esta calidad a un mayor espacio en la cama de crecimiento para su desarrollo. Becerra et al. (2013) obtuvieron mejor calidad en las plantas trasplantadas a contenedores de mas capacidad (volumen de 10 L). En contraste Hahn (1990), Owston (1990) y Dumroese et al. (1998) han registrado inconvenientes operativos y económicos por la implementación de estos sistemas.

Moreover, Bernaola (2012) reported 94 % survival for Pinus hartwegii Lindl. under the double-transplant option when using five-liter containers, after two years of being installed in the field. It also stresses that at the end of production, the benefit-cost ratio under this mode is feasible if one takes into account the percentage of survival since the unit cost of nursery production was $ 16.00 Mexican pesos.

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Por otra parte Bernaola (2012) registró una supervivencia de Pinus hartwegii Lindl. de 94 % con la opción de doble-trasplante al usar contenedores de cinco litros, a los dos años de haberlos instalados en campo. Además, destaca que al final de la producción, la relación beneficio-costo bajo este contexto es viable si se toma en cuenta el porcentaje de supervivencia, pues el costo unitario de producción en vivero fue de $16.00.

In this context, the objective of this study was to evaluate the effect of the volume of the container on the quality of P. hartwegii plant at the nursery and its survival at the field after one year of its establishment.

Materials and Methods The study area

En este contexto, el objetivo del presente trabajo fue evaluar el efecto del volumen del contenedor sobre la calidad de planta de P. hartwegii en vivero y la supervivencia en campo a un año de su establecimiento.

The study was conducted in two stages. The first was to assess the quality of ground in two forest nurseries: the Masvi production nursery located in the village of San Andrés, Ciudad Guzmán, Jalisco, located at 1 543 masl; and temporary nursery Pico del Águila (Eagle Pick) at 3 849 m at the Nevado de Colima National Park, in the southern region of the state of Jalisco.

Materiales y Métodos El área de estudio

The second stage was the evaluation in the field, in the area called Pico del Águila, at an altitude of 3 849 m, between 19°30’21”N, 103°54’42” W, with semi-dry climate, annual average temperature of 20 °C (27 °C to 12.1 °C), rainfall of 694.4 mm and 10 frost days in annual average (Conanp, 2006).

El estudio se realizó en dos etapas. La primera consistió en evaluar la calidad de planta en dos viveros forestales: el vivero de producción “Masvi”, situado en la localidad de San Andrés, Ciudad Guzmán, Jalisco, ubicado a 1 543 msnm; y el vivero temporal Pico del Águila, a 3 849 msnm en el Parque Nacional Nevado de Colima, en la región sur del estado de Jalisco.

The soil at the site is of the Andosol type, vegetation is represented by pine (Pinus hartwegii) together with fir (Abies flinckii Rushford), pasture (Agrostis sp.) and other species (Arenarya bryoides Boiss., Senecio tolucans DC., Solanum verrucosum Schlechtd., Pteridium feei (W. Schaffn ex Fée.) Faull and Brassica campestris L.) (Inegi, 1999; Conanp, 2006).

La segunda etapa fue la evaluación en campo, en la zona denominada Pico del Águila, a una altitud de 3 849 msnm, entre los 19°30’21” N y 103°54’42” O, con clima semi-seco, temperatura media anual de 20 °C (27 °C a 12.1 °C), precipitación media de 694.4 mm y 10 días con heladas en promedio anual (Conanp, 2006).

Materials

El suelo del lugar es de tipo Andosol, la vegetación está representada por bosques de pino (Pinus hartwegii), acompañado de oyamel (Abies flinckii Rushford), pastizales (Agrostis sp.) y otras especies (Arenarya bryoides Boiss., Senecio tolucans DC., Solanum verrucosum Schlechtd., Pteridium feei (W. Schaffn. ex Fée) Faully Brassica campestris) (Inegi, 1999; Conanp, 2006).

Pinus hartwegii of 12 months old from Masvi nursery were used in polystyrene trays 60 cm long x 36 cm wide x 10.4 cm high and 60 cavities of 0.165 L. The description of plants measured at the beginning of the experiment are presented in Table 1 which were determined in the Forestry Department Laboratory of Pulp and Paper, Universidad de Guadalajara.

Materiales

Black polypropylene containers specially designed for the development of conifers (of semi-conical shape, with vertical interior ribs and only the base cover with a square grid) were used. The one liter container had a wall thickness of 118 mm, 18.5 cm long and diameter of 10.7 cm above and less than 8.2 cm at the bottom. The five liter container was 152 mm in terms of the first feature, over 45 cm long, diameter of 17.8 cm at the top and 14.5 cm at the bottom.

Se utilizaron plantas de Pinus hartwegii de 12 meses de edad procedentes del Vivero “Masvi”, en charolas de poliestireno de 60 cm de largo x 36 cm de ancho x 10.4 cm de alto y con 60 cavidades de 0.165 L de volumen. La descripción de las plantas medidas al inicio del experimento se presenta en el Cuadro 1, las cuales fueron determinadas en el Laboratorio Forestal del Departamento de Celulosa y Papel, Universidad de Guadalajara.

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Cuadro 1. Promedio de las variables: altura, diámetro y biomasa de Pinus hartwegii Lindl. al inicio de la evaluación (12 meses de edad) en el vivero de producción Masvi. Table 1. Mean of height, diameter and biomass variables of Pinus hartwegii Lindl. at the beginning of the evaluation (12 months old) in Masvi production nursery. Altura (cm) 4.3 (0.4)

Diámetro (mm)

Volumende la parte aérea (cm3)

Peso de la parte aérea (g)

Volumenradicular (cm3)

Peso radicular (g)

5.17 (0.3)

5.67 (0.5)

1.52 (0.2)

3.53 (0.3)

0.91 (0.1)

*El valor entre paréntesis es el error estándar. *The number in parenthesis is standard error.

Se usaron contenedores de polipropileno negro con diseño especial para el desarrollo de coníferas (semicónico, con costillas interiores verticales y con la base cubierta solo con una malla cuadriculada). El contenedor de un litro tenía un espesor de pared de 118 mm, 18.5 cm de largo y diámetro superior a 10.7 cm e inferior a 8.2 cm. El de cinco litros era de 152 mm en cuanto a la primera característica, largo de 45 cm y diámetro superior a 17.8 cm e inferior a 14.5 cm.

The substrate used for transplantation was described in the Laboratorio de Física de Suelos del Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, Estado de México (Laboratory of Soil). It was composed of compost made up by crushed pine bark, with a total porosity of 59 %, aeration, 18 %, water retention, 41 %, with particle size (weight average diameter) of 4.7 mm and a bulk density of 0.25 g cm-3. In order to prevent damage by pathogens, this material was disinfected with a broad spectrum fungicide (WB BUSAN 30, TCMTB-tiacinometiltiobenzotrazol).

El sustrato utilizado para el trasplante lo describieron en el Laboratorio de Física de Suelos del Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, Estado de México. Estaba compuesto por composta de corteza de pino triturada, con una porosidad total de 59 %, de aireación de 18 %, de retención de agua de 41 %, con tamaño de partícula (diámetro medio ponderado) de 4.7 mm y una densidad aparente de 0.25 g cm-3. Con el fin de prevenir daños por patógenos, este material se desinfectó con un fungicida de amplio espectro (BUSAN 30 WB, TCMTBtiacinometiltiobenzotrazol).

First stage: Establishment nursery The plants from the Masvi nursery were moved in trays into Pico del Águila temporary nursery. The plants produced in the same tray with volume cavity of 0.165 L were considered as control (treatment T0), while containers with volumes of 1 and 5 L as T1 and T2 treatments, respectively. Each one consisted of 350 plants or experimental units and three treatments were kept in the temporary nursery for eight months. All of them received periodic watering every other day, generating an expense of 1.13 L s-1, with slight variations depending on weather conditions. Additionally, a foliar nutrient solution based on magnesium nitrate (40 g), calcium nitrate (40 g), monopotassium phosphate (50 g), nitropotassium (50 g), urea (40 g); Gro-green® (40 g) and Multi-micro Haifa® (10 g) dissolved in 25 L were applied twice a week in 527 m2 covered by plants.

Primera etapa: Establecimiento en vivero Las plantas procedentes del vivero Masvi se trasladaron en charolas al vivero temporal Pico del Águila. Las producidas en la misma charola con volumen de cavidad de 0.165 L se consideraron como testigo (tratamiento T0), mientras que los contenedores con volúmenes de 1 y 5 L como tratamientos T1 y T2, respectivamente. Cada uno de ellos estaba integrado por 350 plantas o unidades experimentales y los tres tratamientos se mantuvieron en vivero temporal durante ocho meses más. Todos ellosrecibieron riegos periódicos cada dos días, lo que generó un gasto de 1.13 L seg-1, con leves variaciones dependiendo de las condiciones climáticas. Además, soluciones nutritivas foliares a base de nitrato de magnesio (40 g); nitrato de calcio (40 g); fosfato monopotásico (50 g); nitropotasio (50 g); Urea (40 g); Gro-green® (40 g) y Multi-micro Haifa® (10 g) disueltas en 25 L fueron aplicadas dos veces por semana en 527 m2 cubiertos por planta.

Experimental design at the nursery For the first stage, the three container volumes of T0 (0.165 L), T1 (1L) and T2 (5L) were considered as treatments. The treatments were arranged in a complete block design at random. Each treatment consisted of three replications and five randomly selected plants per replication (15 samples as total).

Diseño experimental en vivero Para la primera etapa, se consideraron como tratamientos los tres volúmenes de contenedor T0 (0.165 L), T1 (1 L) y T2 (5 L). Los 177


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tratamientos se distribuyeron en un diseño en bloques completamente al azar. Cada tratamiento consistió de tres repeticiones y se seleccionaron aleatoriamente cinco plantas por cada repetición (15 plantas).

Evaluation at the nursery The evaluation (eight months after transplantation) of plant quality was conducted from growth variables. The variables were: height (cm), stem diameter at the base of the neck of the root (mm), volume of air and root portion (cm3) by water displacement (Harrington et al., 1994), stem and root dry weight (g). With these data robustness index was calculated, the ratio air/root part, Dickson Index (Dickson et al., 1960) and root index container (ICR) which is a ratio of the volume of the container (cm3) and the root volume (cm3).

Evaluación en vivero La evaluación (ocho meses después del trasplante) de la calidad de planta se realizó a partir de las variables de crecimiento: altura (cm), diámetro de tallo en la base del cuello de la raíz (mm), volumen de la parte aérea y radicular (cm3) por desplazamiento de agua (Harrington et al., 1994), peso seco del tallo y de la raíz (g). Con estos datos se calculó el Índice de Robustez, la relación parte aérea/raíz, el Índice de Dickson (Dickson et al., 1960) e Índice de Contenedor de Raíz (ICR), el cual consiste en un cociente entre el volumen del contenedor (cm3) y el volumen de la raíz (cm3).

In June 2011, plants were added to the field in the area called Pico del Águila (330 plants per treatment); these plantations were established under different spacings, 3 x 3 m, 4 x 4 m and 5 x 5 m (T0, T1 and T2, respectively) and the soil characteristics of the planting area are in Table 2.

En junio de 2011, las plantas se incorporaron al campo en la zona denominada Pico del Águila (330 plantas por cada tratamiento); dichas plantaciones fueron establecidas bajo diferentes distanciamientos 3 x 3 m, 4 x 4 m y 5 x 5 m (T0, T1 y T2, respectivamente) y el área de plantación presentó las características edáficas descritas en el Cuadro 2.

During the first year of planting, the samples were under silvicultural management primarily of protection; the soil from each hole was fertilized at planting time with 10 g of the commercial mixture “Nutriforest” (23 % phosphorus, 9 % nitrogen 14 % potassium 4 % magnesium and 0.1 % boron) and irrigations were not.

Durante el primer año de la plantación, los ejemplares estuvieron bajo manejo silvícola primordialmente de protección; el suelo de cada hoyo fue fertilizado al momento de la plantación con 10 g de la mezcla comercial “Nutriforest” (23 % de fósforo, 9 % de nitrógeno, 14 % de potasio, 4 % de magnesio y 0.1 % de boro) y no se aplicaron riegos.

Experimental design at the field The three treatments set out in the nursery (T0, T1 and T2), which were distributed in a randomized complete block design with three replications per treatment (110 plants) were considered; the effect of distancing that occurred in each treatment, in order to evaluate its effect on survival in the first year after planting was blocked.

Cuadro 2. Composición química del suelo de la zona Pico del Águila- Parque Nacional Nevado de Colima. Table 2. Soil chemical composition of the Pico del Águila area - Nevado de Colima National Park. CE

Textura

pH

Arena migajonosa

5.88

0.04

Carbono orgánico total (%)

Potasio

7

Nitrógeno amoniacal (mg kg-1) 40.0

MO %

(dS m-1)

6.5

C.I.C

Nitrógeno total

(meq 100 g-1)

(mg g-1)

19.67

1.34

Magnesio

Calcio

(meq 100 g )

(meq 100 g )

(meq 100 g )

(meq 100 g-1)

0.47

0.65

O.65

0.28

-1

-1

Sodio -1

Fuente: Delgado. (2012). Source: Delgado. (2012).

Diseño experimental en campo

Field evaluation

Se consideraron los tres tratamientos establecidos en vivero (T0, T1 y T2), los cuales se distribuyeron en un diseño en

The field evaluation was made after six and twelve months of having established the treatments (December 2011 and July

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bloques completamente al azar con tres repeticiones por cada tratamiento (110 plantas); se bloqueó el efecto del distanciamiento que se dio en cada tratamiento, con la finalidad de evaluar su efecto en la supervivencia al primer año de su plantación.

2012), with a systematic sampling of 100 %; each treatment was divided into three 3 sub-blocks.

Statistical Analysis The generated data were captured and organized in the Microsoft Excel 2007 program. An analysis of variance following the unifactor model in the Statgraphics Centurion XV.II Version 2.15.06 program and normality preliminary tests (CHI- square and the Shapiro- Wilk W-test). As differences between treatments (P ≤ 0.05) were observed, comparison of means by the Least Significant Difference (LSD), with a confidence level of 95 % was applied.

Evaluación en campo La evaluación en campo se llevó a los seis y doce meses de ser establecidos los tratamientos (diciembre de 2011 y julio de 2012), con un muestreo sistemático de 100 % a cada tratamiento se dividió en tres 3 sub-bloques.

Análisis estadístico

Results and Discussion

Los datos generados se capturaron y organizaron en el programa Excel de Microsoft 2007. Se realizó un análisis de varianza mediante el modelo unifactorial en el programa Statgraphics Centurion XV.II Versión 15.2.06; así como previas pruebas de normalidad (CHI- cuadrada y Estadístico W de Shapiro-Wilk). A partir de las diferencias entre tratamientos (P ≤ 0.05), se aplicó una comparación de medias con la prueba de Diferencia Mínima Significativa (LSD, por sus siglas en inglés), con un nivel de confianza de 95 %.

Morphological variables A direct relationship was found among the assessed variables, plant quality and the container volume. The plants from the 5 L container (T2) showed a significant statistical difference (P ≤ 0.05) in the development of the morphological variables except for height and root weight compared to the rest of the treatments (Table 3).

Resultados y Discusión

Results show that the size of the container (T2) has a positive influence on plant height (16.11 cm), because small plants with lower photosynthetic area have lower growth, while large plants with higher photosynthetic surface have a better aerial development. However, when selecting plant at the nursery, it is preferable to consider that they have the height according to their root volume, enabling it to adapt to field conditions and grow vigorously (Thompson, 1985; Prieto et al., 1999).

Variables morfológicas Se obtuvo una relación directa entre las variables evaluadas, la calidad de planta y el volumen del contenedor. Las plantas del contenedor de cinco litros (T2) presentaron diferencia estadística significativa (P ≤ 0.05) en el desarrollo de las variables morfológicas con excepción de la altura y el peso radicular en comparación con los demás tratamientos (Cuadro3).

Cuadro 3. Comparación de medias entre los tratamientos y P-valor del ANOVA de la altura, diámetro y biomasa de Pinus hartwegii Lindl. en el vivero temporal Pico del Águila. Table 3. Comparison of media between treatments and the P-value of ANOVA in terms of height, diameter and biomass of Pinus hartwegii Lindl. in Pico del Águila temporary nursery. Tratamientos

Altura (cm)

Diámetro (mm)

Volumen de la parte aérea (cm3)

Peso de la parte aérea(g)

Volumen radicular (cm3)

Peso radicular (g)

T0

10.4 (0.6)a

7.8 (0.2)a

13.63 (1.1)a

3.98 (0.3)a

8.17 (0.7)a

2.63 (0.1)a

T1

12.53 (0.6)a

9.89 (0.4)b

26.07 (1.9)b

5.87(0.3)b

15.47(0.9)b

3.77(0.2)b

T2

16.11(0.9)b

11.36 (0.4)c

40.33 (2.2)c

8.31(0.4)c

18.87 (1.3)c

4.10 (0.2)b

0.000*

0.000*

0.000*

0.000*

0.000*

0.000*

ANOVA (gl = 2)

T0 = Contenedor de 0.165 L; T1 = Contenedor de 1 L; T2 = Contenedor de 5 L; gl = Grados de libertad. Las medias seguidas por la misma letra en columna no difieren significativamente entre sí (n = 15, P ≤ 0.05, LSD); * = Significancia con un nivel de confianza de 95 %. T0 = 0.165 L container; T1= 1 L container; T2= 5 L container; gl = Degrees of freedom. The means followed by the same letter in column do not significantly differ among them (n = 15, P ≤ 0.05, LSD); (*) = Significance with a 95 % confidence level.

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Los resultados demuestran que el tamaño del contendor (T2) influye positivamente sobrela altura de la planta (16.11 cm), debido a que plantas pequeñas con menor superficie fotosintética presentan menor crecimiento, mientras que plantas grandes con mayor superficie fotosintética tienen un mejor desarrollo aéreo. Sin embargo, al seleccionar la planta en vivero, es preferible considerar que tenga la altura acorde a su volumen radicular, que le permita adaptarse a las condiciones de campo y crecer vigorosamente (Thompson, 1985; Prieto et al., 1999).

The stem diameter of T2 was greater in regard to T0 and T1 plants. Those with large diameters tend to develop larger root systems, which produce plants with better support, greater resistance to extreme temperatures and provide a larger amount of reserve substances, so they suffer less damage from heat or drought (Cleary et al., 1978). In addition, Mexal and Landis (1990) point out that if plants have diameters between 5 and 6 mm, it is possible to achieve a higher survival rate up to 80 %. The plants of larger containers (T2) showed the largest leaf (40.33 cm3) and root (18.87 cm3) volume relative to other treatments (T0 and T1); therefore, it is considered that a individuals with a greater volume of roots at the time of planting offer promising survival rates and better initial growth in height and diameter than those with a lower volume after the first year in the field, which is consistent with the results of Quiroz et al. (2014). In addition, established plants under natural conditions depend only on the characteristics of their roots and their ability to absorb water and nutrients from the soil and those possessing more powerful roots are able to tolerate better transplant stress, due to the efficient hydraulic conductivity of such structures (Ritchie, 2003; Quiroz et al., 2014).

El diámetro de tallo del T2 fue mayor en relación a la plantas del T0 y T1. Aquellas con diámetros grandes tienden a desarrollar sistemas radicales mayores, lo cual produce plantas con mejor soporte y resistencia contra temperaturas extremas y proveen cantidades superiores de sustancias de reserva, por lo que sufren pocos daños por calor o sequía (Cleary et al., 1978). Además Mexal y Landis (1990) señalan que individuos con diámetros entre 5 y 6 mm logran un porcentaje de supervivencia superior a 80 %. Las plantas de contenedores más grandes (T2) registraron el volumen foliar (40.33 cm3) y el volumen radicular (18.87 cm3) más alto con respecto a los demás tratamientos (T0 y T1); por ello se considera que las que portan mayor volumen de raíces al momento de la plantación ofrecen porcentajes de supervivencia más prometedores y mejor crecimiento inicial en altura y diámetro que aquellas con un menor volumen después del primer año en campo, lo que concuerda con los resultados de Quiroz et al., (2014). Además, las plantas establecidas en condiciones naturales dependen solo de las características de sus raíces y de su capacidad de absorción de agua y nutrientes del suelo y las que poseen raíces más poderosas son capaces de tolerar mejor el estrés al trasplante, debido a la eficiente conductividad hidráulica de tales estructuras (Ritchie, 2003; Quiroz et al., 2014).

Under these conditions, as the growth season goes forward, soil temperature gets lower, and thus, the plants that have larger root volume showed a greater ability for water absorption against those of smaller volume, which demands water in the drought season. On the other hand, the greater water offer also favors the increment in the survival in species with more abundant root volume, since, in addition, it allows a better absorption and distribution of nutrients for their growth (Rose et al., 1991; Wenny et al., 1998; Quiroz et al., 2014).

Quality indexes For the aerial part: root ration index, the best plant quality according to Thompson (1985) is that in which the distribution of its aerial and root biomass is in equilibrium, which guarantees a higher survival as it prevents that transpiration exceeds its water absorption capacity (May, 1984).

En estas condiciones, a medida que la temporada de crecimiento avanza, la temperatura del suelo disminuye, por lo tanto las plantas de más volumen radical presentaron mayor capacidad para la absorción de agua sobre aquellas con menor volumen, los cuales requieren de la aplicación de agua en la temporada de sequía. Por otra parte, la oferta de agua más grande también favorece el incremento en la supervivencia en especies con volumen de raíz más abundante, debido a que, le permite una mejor absorción y distribución de nutrimentos para su crecimiento (Rose et al., 1991; Wenny et al., 1998; Quiroz et al., 2014).

In this experiment, such index was of regular quality for the T2 treatment, since the aerial part increased more than the root part, from the effect of the container volume (Figure 1). In spite of it, in treatments T0 and T1 there was no statistical significant difference and they were the closest to the recommended value of 1.5 and 2 (Sáenz et al., 2010). In this sense, it will be important to check if the use of this relation is really useful to assess the quality of plant for other Mexican pine species and thus to predict with certainty their survival at the field, when they are produced in larger volume containers.

Índices de calidad Para el índice de relación parte aérea y raíz, la mejor calidad de planta de acuerdo con Thompson (1985), es aquella donde la distribución de su biomasa aérea y radical esta equilibrada, lo que garantiza una mayor supervivencia porque se evita

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Bernaola-Paucar et al., Volumen del contenedor en calidad y...

que la transpiración de la planta exceda a su capacidad de absorción de agua (May, 1984).

According to the results from P. hartwegii, as the size of the container becomes bigger, the increment in the aerial and root weight resulted non proportional as expected. In this sense, the results found by Pineda et al. (2004) coincide with those obtained in the actual study, since the tray production showed the most convenient number for this relation (1.8 L); conversely, for the tray-container treatment and tray-naked root treatment, their ciphers were much higher than those expected (3.02 and 2.84, respectively).

En el presente trabajo, dicho índice resultó ser de regular calidad para el tratamiento T2, debido a que la parte área aumentó más que la parte radical, por efecto del volumen del contenedor (Figura 1). A pesar de ello, en los tratamientos T0 y T1 no se registró diferencia estadística significativa alguna y fueron los que estuvieron más cerca del valor recomendado de 1.5 a 2 (Sáenz et al., 2010). Por lo anterior será importante verificar si el uso de esta relación es realmente útil para evaluar la calidad de planta para otras especies de pinos mexicanos y con ello predecir con certeza la supervivencia en campo, cuando su producción se realice en contenedores de mayor volumen.

The robustness index (IR) is linked to a strong plant and a vigorous stem, which should have a value under 6 according to Thompson (1985); therefore, this index became right for the plant and assessed specie in the treatments of the actual study (Figure 1), values that agree with those reported by Sáenz et al. (2010).

De acuerdo con los resultados obtenidos para P. hartwegii, a medida que aumenta el tamaño del contenedor, el incremento del peso aéreo y peso radicular se manifestó de manera no proporcional a lo que se esperaba.Al respecto, los resultados de Pineda et al. (2004) concuerdan con los obtenidos en este estudio, ya que la producción en charola fue la que registró el valor más adecuado para dicha relación (1.8 L); por el contrario, para los tratamientos de charola- contenedor y charola–raíz desnuda sus valores fueron muy superiores a lo esperado (3.02 y 2.84, respectivamente).

Just as these latter authors stated, Dickson’s Index (IQ) must be above 0.5. The IQ data of T1 and T2 treatments did not have significant differences, but did get the best values compared to T0 (Figure 1); therefore, this quality index also was revealed as a valuable parameter to predict survival at the field. It includes the values of the most influential morphological variables in plant quality, which make it one of the most important to define forest plant quality in the nursery (Thompson, 1985), and that has been recognized by other authors to assess different pine species and to predict their future behavior (Sánchez et al., 2008; Maldonado et al., 2011).

El índice de robustez (IR) está asociado a un planta robusta y con tallo vigoroso, el cual deberá presentar un valor menor a 6 de acuerdo a Thompson (1985); por lo tanto, el índice resultó ser adecuado para la planta y la especie evaluada en los tratamientos del presente estudio (Figura 1), valores concordantes a los indicados por Sáenz et al. (2010). Según estos últimos autores, el Índice de Dickson (IQ) debe ser mayor a 0.5. Los datos del IQ en los tratamientos T1 y T2 no tuvieron diferencias significativas, pero sí los mejores valores comparados con T0 (Figura 1); por ello ese índice de calidad también se reveló como parámetro valioso para predecir la supervivencia en campo. Incluye los valores de las variables morfológicas más influyentes en la calidad de las plantas, lo que lo convierte en uno de los más importantes para definir la calidad de planta forestal en vivero (Thompson, 1985), y que ha sido reconocido por diversos autores para evaluar otras especies de pino y predecir su comportamiento futuro (Sánchez et al., 2008; Maldonado et al., 2011).

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T0= Contenedor de 0.165 L, T1 = Contenedor de 1 L; T2 = Contenedor de 5 L. Las medias seguidas por la misma letra dentro del mismo índice no difieren significativamente entre sí (n=15, P ≤ 0.05, LSD). T0 = 0.165 L container; T1 = 1 L container; T2 = 5 L container; gl = Degrees of freedom. The means followed by the same letter do not significantly differ among them (n=15, P≤ 0.05, LSD)

Figura 1. Comparación de medias entre los tratamientos sobre los Índices de calidad del Pinus hartwegii Lindl. en el vivero temporal Pico del Águila. Figure 1. Comparison of means among treatments over the quality indexes of Pinus hartwegii Lindl. at Pico del Águila temporary nursery.

Índice de contenedor raíz (ICR) y porcentaje de supervivencia en campo

Root container index (ICR) and percentage of survival at the field

El ICR es una propuesta nueva obtenida en el presente trabajo. Este índice resulta del cociente entre el volumen del contenedor (cm3) y el volumen radicular (cm3), se reconoce que cuanto más alto sea su valor, se obtendrá mayor porcentaje de supervivencia en campo. Se fundamenta en el buen desarrollo de la raíz y su mejor distribución en el sustrato, a partir de una relación directa con el volumen del contenedor utilizado. Con los resultados del volumen del contenedor y el volumen de la raíz, se determinó un cociente que resultó ser un buen indicador de calidad de planta en vivero y asegura la supervivencia en campo de P. hartwegii para el sistema doble trasplante (Cuadro 4). El tratamiento T2 registró el mayor índice (284.64), con una diferencia significativa en referencia a T0 y T1, los cuales presentaron los mejores valores, que se relacionaron de manera directa con la supervivencia obtenida en campo a un año de su establecimiento; es decir las plantas del T2 registraron 96.07 % de supervivencia contra 9.7 % para las del T0.

ICR is a new proposal from the actual research. This index comes out of the quotient between the container volume (cm3) and the root volume (cm3); it recognizes that as far as values get higher, a greater percentage of survival at the field is got. It is based on the good development of the root and its better distribution in the substrate, from a direct relation with the volume in the container used. With the results of the container volume and the root volume, a quotient that was a good indicator of plant quality at the nursery and to guarantee the survival at the field of Pinus hartwegii for the double-transplant system was determined (Table 4). This index was established because T2 recorded the greatest index (284.64) with a significant difference in regard to treatments T0 and T1, which had the highest values and that relate directly with the survival in the field after one year of their establishment; that is, the plants of T2 had 96.07 % of survival against 9.7 % for those of T0.

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Bernaola-Paucar et al., Volumen del contenedor en calidad y...

Cuadro 4. Comparación de medias entre los tratamientos del índice de contenedor raíz (ICR) en plantas de Pinus hartwegii Lindl. producidas en el vivero temporal Pico del Águila. Table 4. Comparison of means among the treatments of the root container index (ICR) in Pinus hartwegii Lindl. plants produced in Pico del Águila temporary nursery. Volumen de contenedor

Volumen radicular

(cm )

(cm )

Índice de contenedor raíz(ICR)

T0

165

8.17 (0.7)a

23.56 (2.9)a

T1

1000

15.47 (0.9)b

68.32 (4.3)b

T2

5000

18.87 (1.3)c

284.64 (20)c

Tratamiento

3

3

T0 = Contenedor de 0.165 L; T1 = Contenedor de 1 L; T2=Contenedor de 5 L. Las medias seguidas por la misma letra no difieren significativamente entre sí (n = 15, P≤ 0.05, LSD). T0 = 0.165 L container; T1 = 1 L container; T2 = 5 L container; gl = Degrees of freedom. The means followed by the same letter do not significantly differ among them (n=15, P ≤ 0.05, LSD).

Los parámetros descritos para la producción de plantas ayudan a tener un mejor manejo en vivero y facilitan la toma de decisiones de acuerdo al destino final de las plantaciones forestales: conservación o comerciales (Montoya y Cámara, 1996). Sin embargo, aunque los índices considerados en este trabajo son los más comunes (ITR, IR e IQ) para evaluar la calidad de planta en vivero, no se verificó una congruencia en la selección en vivero del tratamiento que tendrá mejor desempeño en campo. Por el contrario, el ICR resultó ser el índice más confiable que definió a los tratamientos con una diferencia estadística significativa; las correspondientes al T2 fueron las que mejor respondieron (Cuadro 5).

The described parameters for plant production help to have a better management at the nursery and facilitate decision making according to the last destination of forest conservation or commercial plantations (Montoya and Cámara, 1996). However, even though the indexes considered in this study are very common (ITR, IR and IQ) to assess plant quality at the nursery, there was found no congruence in the selection of the treatment which will have a better development at the field. Conversely, ICR was the most reliable index which defined a statistical significant difference to the treatments. The plants from T2 were those which reacted better (Table 5).

Cuadro 5. Evaluación de los tratamientos mediante los índices de calidad de Pinus hartwegii Lindl. en el vivero temporal Pico del Águila. Table 5. Assessment of the treatments by quality index of Pinus hartweggi Lindl. in Pico del Águila temporary nursery Tratamientos

Relación parte aérea y raíz

Índice de robustez

Índice de Dickson

Índice de contenedor

(IR)

(IQ)

raíz (ICR)

(ITR) To

X

X

T1

X

T2

T0 = Contenedor de 0.165 L; T1 = Contenedor de 1 L; T2 = Contenedor de 5 L. Índice que califica los tratamiento como adecuados (√) e inadecuados (X) en la supervivencia en campo. T0 = 0.165 L container; T1 = 1 L container; T2 = 5 L container. Index that grades the treatments as proper (√) and unsuitable (X) in survival at the field.

Después de 6 meses de haber sido incorporados a la plantación, los ejemplares de los tratamientos T1 y T2 mostraron un porcentaje de supervivencia aceptable con 61.83 y 97.6, respectivamente; sin embargo en las evaluaciones realizadas a los 12 meses disminuyeron hasta 43.03 y 96.07 %, mientras que el testigo (T0) llegó hasta 9.7 % (Figura 2). No obstante, se pudo advertir que las plantas del contenedor de mayor volumen (T2) lograron el porcentaje de supervivencia en campo más alto, en comparación con los de menor volumen (T0 y T1) en los que se registró un valor inferior con respecto a T2. En este sentido, Becerra et al., (2013) recomiendan también el uso de contenedores

After six months of having been placed into the plantation, the samples of treatments T1 and T2 showed a rather good survival percentage with 61.83 and 97.6, respectively; however, in the assessments made after 12 months, they got lower, up to 43.03 and 96.07 %, while control (T0) reached 9.7 % (Figure 2). Nevertheless, it was possible to observe that the plants in the container of greatest volume (T2) accomplished the highest survival at the field, compared to those of less volume (T0 and T1) in which a lower value in regard to T2 was recorded. In this sense, Becerra et al. (2013) advise too, the use of containers over one liter for the cultivation of native forest plants in Mediterranean

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mayores a un litro para el cultivo de plantas forestales nativas en ambientes mediterráneos. Los resultados demuestran que las plantas en contenedores de mayor volumen y cultivadas en el vivero temporal por ocho meses desarrollan elementos morfológicos más importantes, así como una mejor adaptación a las condiciones ambientales de los sitios de la plantación, que aquellas producidas en contenedores de menor volumen.

environments. These results show that the plants in containers of greater volume and cultivated in the temporary nursery for eight months, developed greater morphological as well as a better adaptation to environmental conditions of the plantation sites than those produced in smaller volume container.

T0 = 0.165 L container; T1 = 1 L container; T2 = 5 L container. The means followed by the same letter do not significantly differ among them (n=15, P ≤ 0.05, LSD). T0 = 0.165 L container; T1 = 1 L container; T2 = 5 L container. The means followed by the same letter do not significantly differ among them (n=15, P ≤ 0.05, LSD).

Figura 2. Porcentaje de supervivencia de Pinus hartwegii Lindl. a los seis y 12 meses de plantadas en campo, bajo tres tratamientos. Figure 2. Survival percentage of Pinus hartwegii Lindl. after six and 12 months of plantation at the field under three treatments. Finalmente en la selección del contenedor, además de considerar su funcionalidad en el crecimiento de las plantas, también se deben tomar en cuenta los costos de producción. Sin embargo, en los programas de reforestación, es necesario revisar la relación del costo de aplicar un sistema de producción con doble trasplante para mejorar las características morfológicas y la aclimatación al sitio de reforestación, con el beneficio que esto aportaría al éxito de la plantación (Salcedo et al., 2012).

Finally, when selecting the container, in addition to their functionality in plant growth it must be considered as well, production costs. However, in reforestation programs, it is necessary to review the relation of the costs when applying a double transplant production system to improve the morphological characterization and acclimatization to the reforestation site, with the benefits that it brings to the success of the plantation (Salcedo et al., 2012).

Conclusions

Conclusiones

The container volume is mandatory in plant quality at the nursery, which, by itself, is directly proportional to the percentage of survival at the field.

El volumen del contenedor es determinante en la calidad de planta en vivero, y ésta a su vez tiene una relación directamente proporcional con el porcentaje de supervivencia en campo.

In this study, the index that best defines plant quality at the nursery, and that even predicts with greater certainty the survival at the field of P. hartwegii is the Index of volume and root container (ICR).

En este trabajo, el índice que mejor define la calidad de planta en vivero y que también predice con mayor certeza la supervivencia en campo para P. hartwegii es el Índice 184


Bernaola-Paucar et al., Volumen del contenedor en calidad y...

El sistema de doble trasplante en contenedores de mayor volumen es un método que garantiza la mejor calidad de planta y el mayor porcentaje de supervivencia de P. hartwegii en el Nevado de Colima.

The double transplant system in containers of greater volume is a method that guarantees the best plant quality and the greatest survival percentage of P. hartwegii in Nevado de Colima.

Conflict of interest

Conflicto de intereses

The authors declare no conflict of interests.t.

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Contribution by author

Contribución por autor Rosario Marilú Bernaola-Paucar: responsable del trabajo experimental, redacción y corrección del escrito; Eulogio Pimienta Barrios: facilidades de laboratorio e infraestructura para evaluar los árboles y realización de sugerencias para mejorar el escrito; Porfirio Gutiérrez González: apoyo en los análisis estadísticos de los datos y en la redacción correspondiente a esta sección; Víctor Manuel Ordaz Chaparro: revisión del manuscrito y apoyo en las correcciones; Gelacio Alejo Santiago: colaboración en las determinaciones de minerales junto con la responsable del trabajo y en la revisión de la redacción correspondiente; Eduardo Salcedo Pérez: responsable de la propuesta de investigación, redacción y correcciones del escrito.

Rosario Marilú Bernaola-Paucar: responsible of the experimental work, writing and correction of the manuscript; Eulogio Pimienta Barrios: provider of the infrastructure and laboratory facilities to assess trees and application of suggestions to improve the document; Porfirio Gutiérrez González: statistical analysis and writing of the corresponding part of the manuscript; Víctor Manuel Ordaz Chaparro: review of the manuscript and colaboration in the application of its corrections; Gelacio Alejo Santiago: helping in the mineral determinatios with the responsible of the actual work and in writing the corresponding section of the manuscript; Eduardo Salcedo Pérez: responsible of the original research project, and collaboration in the writing of the manuscript and corrections. investigación, redacción y correcciones del escrito.

Agradecimientos

Acknowledgements

Se agradece al DAAD, a la dirección del patronato del Parque Nacional Volcán Nevado de Colima, al Departamento de Madera, Celulosa y Papel, al Laboratorio Forestal de la Universidad de Guadalajara y alLaboratorio de Física de Suelos del Colegio de Postgraduados, por el apoyo en la presente investigación.

The authors would like to thank the support provided by the DAAD, the administration of the Parque Nacional Volcán Nevado de Colima patronage, the Departamento de Madera, Celulosa y Papel (Department of Wood, Cellulose and Paper) and the Laboratorio Forestal (Forest Laboratory) of the Universidad de Guadalajara and to the Laboratorio de Física de Suelos (Soil Physics Laboratory) from Colegio de Postgraduados).

Referencias

End of the English version

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Bernaola-Paucar et al., Volumen del contenedor en calidad y...

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Artículo / Article

Durabilidad natural de tableros aglomerados de cocotero Natural durability of coconut palm trunk chipboards Xóchitl Elizabeth Cervantes Valdez1, Jesús Ángel Andrade Ortega2, Carlos Alberto Ramírez Barragán2 y Luis Ramón Bravo García2

Resumen La industria de fabricación de tableros aglomerados (TA) emplea, tradicionalmente, descartes de madera de pino como materia prima y, en ocasiones, bagazo de caña. Se han realizado trabajos para incorporar otras materias primas no convencionales, cuidando que las propiedades físico-mecánicas no desmerezcan respecto a las habituales. La resistencia al biodeterioro a través del tiempo es una cualidad que no ha sido investigada. El objetivo de este trabajo fue estudiar la durabilidad de los TA de estopa de coco (TAEC) y de fuste de palma de coco (TAFPC) frente al ataque de hongos xilófagos. Se empleó la norma ASTM D-2017-71 para durabilidad de madera, que se basa en la pérdida de peso y cambio de dimensiones de los bloques de prueba (2.5 x 2.5 cm) ante el ataque de hongos, en incubadora (65-70 % de humedad relativa, 26-27 °C), por un periodo de hasta 16 semanas; se hizo una modificación a dicha norma que consistió en cambiar el método de propagación de los hongos de bloque-suelo por un medio de cultivo: agar malta dextrosa (MEA) y agar papa dextrosa (PDA). Como referencia se empleó un TA de pino comercial (TAP). Los hongos de degradación fueron tres de pudrición parda y uno de pudrición blanca (Laetiporus sulphureus, Neolentinus suffrutescens, Postia placenta y Phanerochaete chrysosporium respectivamente). Los datos obtenidos indican que los TAEC y TAFPC resultaron altamente resistentes a los cuatro hongos, lo cual es atribuible a las características propias de los materiales de prueba.

Palabras clave: Biodeterioro, Cocos nucifera L., descomposición por hongos, hongos xilófagos, propiedades físico-mecánicos, tableros aglomerados de partículas.

Abstract The agglomerate chipboard (AC) industry has traditionally used discarded pine wood, and occasionally sugar cane mash, as raw materials. Research has been conducted in order to incorporate non-traditional raw materials in the manufacture of chipboards, taking care that the physical-mechanical properties of the new boards do not detract from those of traditional boards. AC resistance to biodeterioration is a phenomenon that has not been researched before. The aim of this work was to study the durability of the ACs made of coconut husk fibers (CHFAC) and coconut trunk fibers (CPTAC) against attack by fungi in terms of the ASTM Standard (D-2017-71). This methodology is commonly used to determine the weight loss and dimensional changes of solid wood blocks (2.5 x 2.5 cm) against fungal attack within the incubator (65-70 % HR, 26-27 °C) during 16 weeks. In this work the propagation method of the fungi was changed from soil-block to agar-block (malt dextrose agar –MDA– and potato dextrose agar –PDA). A commercial pine wood chipboard (PWAC) was used. Three brown-rot and three white-rot fungi were used (Laetiporus sulphureus, Neolentinus suffrutescens, Postia placenta and Phanerochaete chrysosporium respectively). Results show that both CHFACs and CPTACs were resistant to attack by the four fungi studied in terms of weight loss, owing to the particular properties of the tested lingnocellulosic materials.

Key words: Biodeterioration, Cocos nucifera L., fungal decay, xylophagous fungi, physical-mechanical properties, particle boards. Fecha de recepción/ date of receipt: 12 de noviembre de 2014; Fecha de aceptación/ date of acceptance: 23 de febrero de 2015. 1 Departamento de Farmacobiología, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías (CUCEI), Universidad de Guadalajara 2 Centro de Investigación en Biomateriales, Departamento de Madera, Celulosa y Papel, (CUCEI), Universidad de Guadalajara. Correo-e: aandrade@dmcyp.cucei.udg.mx


Cervantes et al., Durabilidad natural de tableros aglomerados...

Introducción

Introduction

Los tableros aglomerados de partícula (TA) se definen como hojas de dimensiones variables obtenidas por aglutinación y prensado de partículas de madera o algún otro material lignocelulósico fibroso (corteza, paja, bagazo, fibras vegetales diversas y fibras orgánicas), así como por sustancias cementantes. La fabricación y uso de los TA a base de madera, se han incrementado en forma constante (Moslemi, 1994) de tal manera que en la actualidad es posible utilizarlos en diversos campos, los cuales eran exclusivos de la madera aserrada.

Agglomerate chipboards (ACs) are defined as sheets of variable sizes obtained through the agglutination and compression of wood chips or some other fibrous lignocellulosic materials (bark, straw, mash, and a variety of vegetal and organic fibers), as well as cementing substances. The manufacture and use of wood-based chipboards has increased constantly (Moslemi, 1994), so that these may today be given various uses that were formerly exclusive to sawn wood. The success of ACs may be attributed to the fact that the production process allows the use of a large variety of materials, and thereby obtain a cheaper product than when solid wood or plywood is used. For instance, Hiziroglu (2013) suggests using non-timber yielding species and underused woods; Hashim et al. (2011) proposes a more thorough exploitation of biomass (from the bark to the leaves) of an Asian palm tree, with results that meet the Japanese standards in this regard; Ahmad et al. (2011) document a series of lignocellulosic materials that may be used in the manufacture of ACs, such as bamboo, sugar cane mash, linen, cotton, cereal stubble, peanut shells and coconut palm. At the Departamento de Madera, Celulosa y Papel of the Universidad de Guadalajara (Department of Wood, Cellulose and Paper), research has been carried out for the last 25 years on agave, coconut husk and lechuguilla fibers (Fuentes et al., 1988; Fuentes, 1989; Fuentes et al., 1991).

El éxito de los TA se puede atribuir a que el proceso de producción permite la utilización de una gran diversidad de materiales, y con ello obtener un producto más económico que la madera sólida o los contrachapados. Por ejemplo, Hiziroglu (2013) plantea el uso de especies no maderables y maderas subutilizadas; Hashim et al. (2011) proponen un aprovechamiento más integral de la biomasa (desde la corteza hasta las hojas) de una palmera asiática, con resultados que están acordes a los estándares japoneses en la materia; Ahmad et al. (2011) documentan una serie de materiales lignocelulósicos susceptibles de uso en la elaboración de los TA como: bambú, bagazo de caña, lino, algodón, rastrojo de cereales, cáscara de cacahuate, y cocotero. En el Departamento de Madera, Celulosa y Papel de la Universidad de Guadalajara, México, se ha investigado desde hace 25 años y continúa haciéndose sobre fibra de agave, henequén, estopa de coco, lechuguilla (Fuentes et al., 1988; Fuentes, 1989; Fuentes et al., 1991).

The coconut palm (Cocos nucifera L.) and in general other palm trees are candidates for use in the manufacture of ACs, for both their wood and their other lignocellulosic elements; thus, Rocha et al. (2002) used babassu coconut (Orbignya sp.) shells to produce wood-ce ment chipboards; Sulaiman (2009) carried out an assessment of the convenience of using certain adhesives to manufacture plywood sheets from oil palm trunks; Jumhuri et al. (2014) determined the effect of a treatment for the particles of chipboards manufactured with oil palm on the final properties of the ACs.

En la búsqueda de biomasa para la fabricación de TA, la palma de coco (Cocos nucifera L.) y, en general, otros palmeras son candidatas para este tipo de aprovechamiento, tanto su madera como los otros elementos lignocelulósicos que las componen; así, Rocha et al. (2002) utilizaron cáscara de coco de babaçu (Orbignya sp.) para producir tableros de partículas de madera-cemento; Sulaiman (2009) realizó una evaluación sobre la conveniencia de usar algunos adhesivos para elaborar láminas de madera contrachapada a partir de troncos de palma de aceite; Jumhuri et al. (2014) determinaron el efecto de un tratamiento a las partículas de tableros manufacturados con palma de aceite sobre las propiedades finales del TA.

The ACs must meet certain quality requirements (defined by the chipboard industry), mainly related to their physical-mechanical properties; however, these are not the only important ones that should be taken into account to obtain good quality ACs; there is a durability test which, however, few manufacturers carry out. In more specific terms, in this case, durability is considered as the ability of the AC to keep its original properties and shape in the face of damage caused by biological, chemical and physical agents over time (Nicholas, 1973; Zabel, 1992; Touza, 2013). In relation to the former, xylophagous fungi are the main causes of deterioration of wood or lignocellulosic materials; therefore they are considered to be likely to damage the ACs made with these materials.

Los TA deben reunir requisitos de calidad (definidas por la industria del tablero) referentes, principalmente, a sus propiedades físico-mecánicas; sin embargo, estas no son las únicas importantes para considerar que los TA son de buena calidad, existe la prueba, que en pocos lugares se realiza, denominada durabilidad. En términos más específicos, en este caso, la durabilidad se considera como la capacidad del TA para mantener sus propiedades y forma original frente al deterioro causado por agentes biológicos, químicos y físicos a través del tiempo (Nicholas, 1973; Zabel, 1992; Touza, 2013). En relación con los primeros, los hongos xilófagos son los principales que

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The objective of this work was to determine the durability (the resistance to attack by xylophagous fungi) of two types of agglomerate chipboards made with untraditional raw materials based on the biomass of the coconut palm (CHFACs and CPTACs) according to the ASTMD-2017-71 norm, with a modification in the method for the propagation of the fungi, which consisted in replacing the soil-blocks with the agar malt extract (MDA) and agar potato dextrose (APD) culture media.

degradan la madera o los materiales lignocelulósicos; por lo que se considera que también pueden ocasionar daños a los TA elaborados con esos materiales. El objetivo del presente trabajo fue determinar la durabilidad (la resistencia al ataque de hongos xilófagos) de dos tipos de tableros aglomerados elaborados con materias primas no tradicionales a base de la biomasa de la palma de coco (TAEC y TAFPC), mediante la norma ASTM D-2017-71 con una modificación en el método de propagación de hongos, que consistió en cambiar la propagación bloque-suelo por los medios de cultivo extracto de malta agar (EMA) y papa dextrosa agar (PDA).

Materials and Methods Figure 1 shows a flow chart depicting the general scheme of the experimental work.

Materiales y Métodos

Raw materials

En la Figura 1 se muestra el diagrama de flujo correspondiente al esquema general del trabajo experimental.

Coconut husk fiber (CHF) and coconut palm trunk (CPT) chipboards were used; these were provided by the Centro de Investigaciones del Departamento de Madera, Centro de Investigación en Propiedades y Usos de la Madera, del Departamento de Madera, Celulosa y Papel of the Universidad de Guadalajara. The conditions in which the manufacturing process took place were: application of urea-formaldehyde resin at 12 % and a press time of 10 minutes for both types of materials; a pressure of 2.7 N mm2and a temperature of 170 °C for the CPT chipboard, and a pressure of 3.6 N mm2 and a temperature of 150 °C for the CHF chipboard.

Materia prima Se emplearon tableros de estopa de coco (TAEC) y de fuste de palma de coco (TAFPC), los cuales fueron proporcionados por el Centro de Investigación en Propiedades y Usos de la Madera, del Departamento de Madera, Celulosa y Papel, de la Universidad de Guadalajara. Las condiciones del proceso de su elaboración consistieron en: aplicación de resina ureaformaldehído al 12 % y tiempo de prensado de 10 minutos para ambos casos; presión de 2.7 N mm2 y temperatura de 170 °C para el tablero TAFPC y presión de 3.6 N mm2 y temperatura de 150 °C para el tablero TAEC.

Selection and preparation of the test and control blocks The CHF, CPT and pine wood (PW) chipboards were cut into blocks of 2.5 x 2.5 cm (the chipboards were 1.5 cm thick); next, those blocks that were free of defects, abnormal amounts of resin and visible evidence of fungal infection were selected. They were identified with a marker on one of their ends to facilitate their handling as well as a better control. The blocks were measured with a Model 530-104 Mitutoyo caliper, in order to obtain more precise measurements and to facilitate the comparison between the conditions before and after exposure to fungal testing.

Selección y preparación de los bloques de prueba y testigo Los tableros TAEC, TAFPC y TAP se cortaron en bloques de 2.5 x 2.5 cm (el espesor de los tableros fue de 1.5 cm); a continuación se eligieron aquellos libres de defectos, de cantidades anormales de resina y de evidencia visible de infección por hongos. Se identificaron por uno de sus extremos con un marcador para facilitar su manejo y un mejor control sobre ellos. Los bloques se midieron con un vernier Mitutoyo, modelo 530-104, a fin de tener una mayor exactitud de sus dimensiones y facilitar la comparación del cambio antes y después de la exposición a los hongos de prueba.

Initial conditioning The blocks were subjected to an initial conditioning, which consisted in a treatment of drying in a Model FE-292AD Felisa oven at a temperature of 90 °C until a constant weight was obtained (96 hours); this was recorded as the baseline value and was the basis for determining the loss of weight at the end of the process due to rotting.

Acondicionamiento inicial Los bloques se sometieron a un acondicionamiento inicial, el cual consistió en un tratamiento de secado en una estufa Felisa, modelo FE-292AD a una temperatura de 90 °C, hasta obtener peso constante (96 horas), que se registró como el valor inicial y fue la base para determinar la pérdida de peso al final del proceso, causada por la pudrición. 190


Cervantes et al., Durabilidad natural de tableros aglomerados...

Figura 1. Diagrama de flujo general del trabajo experimental realizado.

Figure 1. General flow chart of the experimental work carried out.

Acondicionamiento final: esterilización.

Final conditioning: sterilization

Previo al proceso de pudrición, los bloques de prueba, el testigo y la referencia se esterilizaron en autoclave marca FT Goley modelo 12 x 20 de doble tambor a 121 °C durante 20 minutos y una presión de 1.05 kg cm-2; finalmente, se colocaron en frascos inoculados con los hongos xilófagos.

Before rotting, the test blocks, the control and the reference were sterilized in an autoclave (12 x 20 double drum FT Goley model) at 121 °C during 20 minutes and at a pressure of 1.05 kg cm-2; finally, they were placed in jars inoculated with the xylophagous fungi.

Las características de los hongos xilófagos empleados se resumen en el Cuadro 1 (Gómez et al., 1978; Bonnarme et al., 1993; Herrera et al., 1980). Cuadro 1. Resumen de los hongos de estudio.

Table 1 summarizes the characteristics of the xylophagous fungi used (Gómez et al., 1978; Bonnarme et al., 1993; Herrera et al., 1980).

Sinónimos

Tipo de pudrición

Degrada:

Phanerochaete chrysosporium Burdsall***

Chrysosporium pruinosum (J. C. Gilman & E. V. Abbott) J. W. Carmich., Sporotrichum pulverulentum Burdsall).

Blanca

Carbohidratos y lignina

Laetiporus sulphureus (Bull.) Murrill*

Polyporus sulphureus Bullex Fr (poliporo azufrado); Leptoporus sulphureus Bull, ex. Fr.; Tyromyces S. Donk; Grifola sulphurea Pil.; Polyporus caudicinus Schroet; Polypilus caudicinus Karst.

Parda

Carbohidratos

Neolentinus suffrutescens (Brot.) T. W. May & A. E. Wood*

Lentinus squamosus (Schaeff.) Quél. (lentino escamoso); Agaricus squamosus Pers., Lentodium squamulosum Morgan, Lentinus lepideus (Fr.) Fr.

Parda

Carbohidratos

Postia placenta (Fr.) M. J. Larsen & Lombard**

Poria placenta (Fr.) Cooke, Poria monticola Murrill

Parda

Carbohidratos

Hongo

* Proporcionados por el Laboratorio de Micología del Instituto de Botánica, (CUCBA) de la Universidad de Guadalajara. ** Donado por el Instituto de Ecología de Xalapa, Veracruz. ***Facilitado por el Laboratorio de Bioingeniería ahora parte del Centro de Investigación en Fibras, Pulpeo y Blanqueo del Departamento de Madera, Celulosa y Papel, “Ing. Karl Augustin Grellmann” de la Universidad de Guadalajara

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Table 1. Summary of the studied fungi. Fungus

Synonyms

Type of rot

Degrades:

Phanerochaete chrysosporium Burdsall***

Chrysosporium pruinosum (J .C. Gilman & E. V. Abbott) J. W. Carmich., Sporotrichum pulverulentum Burdsall).

White

Carbohydrates and lignine

Laetiporus sulphureus (Bull.) Murrill*

Polyporus sulphureus Bullex Fr. (Poliporo azufrado); Leptoporus sulphureus Bull, ex. Fr.; Tyromyces S. Donk; Grifola sulphurea Pil.; Polyporus caudicinus Schroet; Polypilus caudicinus Karst.

Brown

Carbohydrates

Neolentinus suffrutescens (Brot.) T. W. May & A .E. Wood*

Lentinus squamosus (Schaeff.) Quél., (Lentino escamoso); Agaricus squamosus Pers., Lentodium squamulosum Morgan, Lentinus lepideus (Fr.) Fr.

Brown

Carbohydrates

Postia placenta (Fr.) M. J. Larsen & Lombard**

Poria placenta (Fr.) Cooke, Poria monticola Murrill

Brown

Carbohydrates

* Provided by the Laboratorio de Micología del Instituto de Botánica, CUCBA (Mycology Laboratory of the Institute of Botany) of the Universidad de Guadalajara (University of Guadalajara). ** Donated by the Instituto de Ecología (Institute of Ecology) of Xalapa, Veracruz. ***Facilitated by the Laboratorio de Bioingeniería (Bioengineering Laboratory), today a part of the Centro de Investigación en Fibras, Pulpeo y Blanqueo (Research Center on Fibers, Pulping and Bleaching) of the “Ing. Karl Augustin Grellmann” Departamento de Madera, Celulosa y Papel (Department of Wood, Cellulose and Paper) of the Universidad de Guadalajara.

Preparación de hongos de prueba

Fungal test preparation

Los hongos se cultivaron en cajas Petri con los medios nutritivos de papa dextrosa agar (PDA) para Phanerochaete chrysosporium Burdsall y agar con extracto de malta (EMA) para las otras tres especies. A cada caja se les adicionó 20 mL de los medios de cultivo, se esterilizaron a 121 °C durante 15 min; se agregó el inóculo y se incubaron durante una semana a 27 °C. Así se obtuvieron los cultivos para la posterior inoculación en los frascos de prueba.

The fungi were cultivated in Petri dishes using agar dextrose and potato (APD) nutritional mediums for Phanerochaete chrysosporium Burdsall and with a malt extract (MEA) for the other three species. 20 mL of the culture mediums were added to each dish; they were sterilized at 121 °C during 15 min; the inoculums was added, and the fungi were incubated during one week at 27 °C. Thus, cultures were obtained for subsequent inoculation of the test jars.

Preparación de frascos de prueba

Preparation of test jars

En frascos de cultivo de vidrio de 270 mL de capacidad y diámetro de 5.5 cm, con tapa rosca de plástico sin empaque, se colocaron 80 mL de medio de cultivo (EMA y PDA); enseguida se esterilizaron en autoclave en posición vertical durante 15 min, a 121 °C y presión de 1.05 kg cm-2; posteriormente, los frascos se dejaron enfriar hasta la completa solidificación del medio.

80 mL of culture mediums (MEA and APD) were placed in 270 mL glass cultivation jars of 5.5 cm diameter and with a pink plastic screw lid without a gasket; next, they were sterilized in an autoclave in a vertical position during 15 min at a temperature of 121 °C and a pressure of 1.05 kg cm-2; finally, the jars were left to cool until the medium was completely solidified.

Inoculación de frascos con hongos

Inoculation of the jars with fungi

Cuando el medio se endureció, se llevó a cabo la inoculación con 1 cm2 de medio de cultivo con micelio, el cual se transfirió asépticamente a la superficie de agar, colocándose aproximadamente en el centro del medio de cultivo. Los frascos de prueba inoculados, se colocaron en una incubadora VWR 1560 (de dos compartimentos individuales con controles independientes), a 27 °C, con las tapas ligeramente flojas por una vuelta desde la posición cerrada, por un periodo de 8 días (tiempo que le llevó al hongo formar una capa de micelio sobre la superficie del medio).

Once the medium hardened, it was inoculated with 1 cm2 of culture medium with mycelium, which was aseptically transferred to the agar surface, roughly at the center of the culture medium. The inoculated test jars were placed in a VWR 1560 incubator (having two individual compartments with independent controls) at a temperature of 27 °C, with the lids slightly loose by one turn from the closed position, during an 8-day period (the time it took for the fungus to form a mycelium layer on the surface of the medium).

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Exposición de bloques a los hongos

Exposure of the blocks to the fungi

Los bloques de TA esterilizados, se dejaron enfriar y, en condiciones de asepsia, se colocaron uno por uno en cada frasco sobre el micelio desarrollado; las tapas de los frascos se aflojaron ligeramente con el fin de permitir la entrada de oxígeno. El material se dejó en incubación el tiempo indicado en la prueba de referencia.

The sterilized AC blocks were left to cool and were individually placed in each jar, under aseptic conditions, on the developed mycelium; the lids of the jars were slightly loosened in order to allow the entry of oxygen. The material was left in incubation during the time indicated in the reference test. The severity test was performed with the commercial PWAC blocks to determine the minimum exposure time of the study material based on the progress of its rotting, using this as a guideline to conclude the incubation with the respective test fungi. At the eighth week, three PWAC blocks were extracted and dried at a temperature of 90 °C during 96 hours, until a constant weight was obtained, and the weight loss was estimated.

La prueba de severidad se realizó con los bloques TAP comercial para determinar el tiempo mínimo de exposición del material de estudio con base en el progreso de su pudrición, empleándose esta como guía para concluir la incubación con los respectivos hongos de prueba. A partir de la semana ocho, se extrajeron tres bloques de TAP para secarlos a 90 °C, hasta obtener un peso constante (96 horas) y se calculó la pérdida de peso.

The reference test was the test carried out on the controls to observe the weight loss of the material under the general testing conditions without the presence of fungi, in order to define the criterion to be followed in the adjustments for the weight loss due to the experimental conditions (without fungi): if the control has a weight loss below 5 %, no adjustments are made; if it ranges between 5 and 10 %, it is deducted by means of a correction factor, and if it is above 15 %, the test is rejected for the species of interest.

La prueba de referencia es la de control, que se realizó con el objeto de observar la pérdida de peso en el material bajo las condiciones generales de la prueba, sin presencia de los hongos. Para definir el criterio a seguir en los ajustes, respecto a las pérdidas de peso por las condiciones experimentales (sin hongos); es decir, si el testigo tiene una pérdida de peso inferior a 5 % no se hace ningún ajuste, si varía entre 5 y 10 %, se deduce mediante un factor de corrección, y si es mayor a 15 %, se rechaza la prueba para la especie de interés.

Final conditioning

Acondicionamiento final

At the end of the eighth week of incubation, the commercial PWAC blocks subjected to the severity test began to be extracted, carefully removing the mycelium from the block with a brush with soft bristles; the blocks were then transferred to a drying oven at a temperature of 90 °C during 96 hours until they attained a constant weight, which was registered as the final weight. This procedure was carried out on a weekly basis for the commercial PWAC blocks.

Al término de la octava semana de incubación se comenzaron a extraer bloques de TAP comercial correspondientes a la prueba de severidad, sacando tres bloques por cada hongo de prueba, quitando cuidadosamente el micelio del bloque con un cepillo de cerdas suaves para pasarlos a una estufa de secado a una temperatura de 90 °C hasta obtener un peso constante (96 horas), registrándose este como peso final. El procedimiento se realizó semanalmente, para los bloques de TAP comercial.

The period of exposure of the CPTAC and CHFAC blocks to fungi was extended to 29 weeks; at the end of this period, the jars were discarded. The test blocks were cleaned, removing the mycelium of the surface with a brush with soft bristles; all the blocks were then subjected to the conditioning described in the previous paragraph in order to obtain the final weight of each block.

El período de exposición de los bloques de TAFPC y TAEPC a los hongos se extendió hasta las 29 semanas; al final de dicho periodo se retiraron de los frascos. Los bloques de prueba se limpiaron, el micelio superficial con un cepillo de cerdas suaves; después, todos los bloques fueron sometidos al acondicionamiento descrito en el párrafo anterior, para obtener el peso final de cada bloque.

Method to determine durability The weight loss was estimated for each block with a i1800 model Sartorius precision scale, expressed as a percentage of its original weight (always on a dry base), as indicated in equation No. 1. This value is a marker of the degree of damage caused by the test fungus, according to norm ASTM D-2017-71 (a standard method for the quick lab test for the natural resistance

Método para la determinación de durabilidad Se calculó la pérdida de peso de cada bloque con una balanza de precisión marca Sartorius modelo i1800, expresado como porcentaje, con respecto a su peso original (siempre en base

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seca), como se indica en la ecuación 1. Este valor es un indicativo del grado de deterioro causado por el hongo de prueba, de acuerdo a lo señalado en la norma ASTM D-2017-71 (método estándar para la prueba rápida de laboratorio de la resistencia natural de la madera sólida a la pudrición); además y con la finalidad de evaluar los cambios en los bloques, en cuanto a sus dimensiones después de la exposición a los hongos de prueba, se midieron el largo, ancho y espesor de cada bloque, y se compararon con sus dimensiones iniciales (ecuaciones 2 y 3) (ASTM, 1971). % de pérdida de peso = ((Peso inicial – Peso final) / (Peso inicial) *100

(1)

% de hinchamiento = ((Espesor final - Espesor inicial) / (Espesor inicial)*100

(2)

Densidad = P / (A) (L) (e)

(3)

of the solid wood to rotting); furthermore, and in order to assess the changes in the blocks as to their dimensions after exposure to the test fungi, the length, width and thickness of each block were measured and compared to the baseline dimensions (equations 2 and 3) (ASTM, 1971). % weight loss = ((Initial weight – Final weight) / (Initial weight) *100

(1)

% of swelling = ((Final thickness – Initial thickness) / (Initial thickness)*100

(2)

Density = P / (A) (L) (e)

(3)

Where: Wd = Width (cm) Wt = Weight L = Length (cm) Density = g cm-3 T = Thickness (cm)

Donde: A = Ancho (cm) P= Peso L = Largo (cm) Densidad = g cm-3 e = Espesor (cm)

Results and Discussion Severity Test Figure 2 shows the results of the severity test, i.e. the relationship between weight loss (expressed in %) and the exposure time of the commercial PWACs to xylophagous fungi.

Resultados y Discusión Prueba de severidad

The ASTM D2017-71 norm establishes a weight loss of 60 % in relation to the initial weight of the test material, or a period of 16 weeks, as the parameter signaling the end of the period of exposure to xylophagous fungi. In this study no weight loss value was observed to be close to that cited in the norm for commercial PWACs, for any of the four species of fungi included; for this reason the decision was made to prolong the test as much as possible. Thus, the monitoring was continued at weeks 18, 20, 23, 25, 27 and 29 (i.e. 2, 4, 7, 9, 11 and 13 weeks after the 16-week incubation period), during which no significant changes in weight were observed; the test was therefore concluded precisely at the end of week 29.

En la Figura 2 se representan los resultados de la prueba de severidad; es decir, la relación de pérdida de peso (expresado en %) con respecto al tiempo de exposición de los TAP comercial a los hongos xilófagos. La norma ASTM D2017-71 establece una pérdida de 60 % del peso inicial del material de prueba, o bien un periodo de 16 semanas para dar por concluido el periodo de exposición a los hongos xilófagos. En este estudio, no se observó un valor de pérdida de peso cercano al citado en la norma para los TAP comercial, para ninguna de las cuatro especies de hongos que se incluyeron, razón por la cual se decidió extender la prueba lo más posible. De tal forma, que se continuó el monitoreo a las 18, 20, 23, 25, 27 y 29 semanas (2, 4, 7, 9, 11 y 13 semanas después del período de incubación de 16 semanas), sin que se observaran cambios significativos de peso; por lo que se concluyó la prueba precisamente a las 29 semanas.

P. chrysosporium caused the greatest weight loss, by far, in the commercial PWACs; the maximum value — 22.4 % — was registered at 11 weeks (Figure 2); this is a white-rot fungus, and therefore its relatively better activity may be related to the nature of its nutrition, which consists of cellulose (carbohydrates) and lignine. Laetiporus sulphureus (Bull.) Murrill also caused a relatively significant weight loss of 7.8 % at week 18, despite being a brown-rot fungus and feeding exclusively on carbohydrates like cellulose. Neolentinus suffrutescens (Brot.) T. W. May & A. E. Wood and Postia placenta (Fr.) M. J. Larsen & Lombard displayed very similar tendencies, although neither had a value above 3.5 %; both species are brown-rot fungi.

P. chrysosporium provocó, con mucho, la mayor pérdida de peso en los TAP comercial, el valor máximo se registró a las 11 semanas, con 22.4 % (Figura 2); este hongo es de pudrición blanca, por lo que su relativa mejor actividad estaría relacionada a su tipo de alimentación, que consiste en celulosa (carbohidratos) y lignina. Laetiporus sulphureus (Bull.) Murrill, también ocasionó una pérdida relativamente significativa de peso, con 7.8 % en la semana 18; a pesar de ser un hongo de pudrición

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Cervantes et al., Durabilidad natural de tableros aglomerados...

parda y que solo se alimenta de carbohidratos, como la celulosa. Neolentinus suffrutescens (Brot.) T. W. May & A. E. Wood y Postia placenta (Fr.) M. J. Larsen & Lombard, presentaron tendencias muy similares, aunque ninguno de ellos tuvo un valor por arriba de 3.5 %; ambas especies son de pudrición parda.

Lentinus lepideus (Fr.) Fr can attack pine wood, so this has been classified as non-resistant to attacks by this fungus (Gómez et al., 1978). Therefore, the results of the severity test indicate that the additives used in the formulation of the chipboards (urea-formaldehyde binder) interfere with the activity of the fungi that cause rotting and weight loss in commercial PWACs.

Lentinus lepideus (Fr.) Fr. es capaz de atacar la madera de pino, a tal grado que ha sido clasificada como no resistente a su ataque (Gómez et al., 1978); de tal forma que los resultados de la

Figura 2. Resultados de la prueba de severidad. Figure 2. Severity test results. prueba de severidad indicarían que los aditivos empleados en la formulación de los tableros (aglutinante de urea-formaldehido) interfieren con la actividad de los hongos para provocar pudrición y pérdida de peso en los TAP comercial.

Test block durability The assessment data for the durability of the CHFAC and CPTAC test blocks are summarized in Table 2. Given that the final weight variations were lower than 5 %, it was not necessary to apply the correction factor (0.05 % for coconut husk fiber and 0.35 % for palm trunk chipboards)

Durabilidad de los bloques de prueba Los datos correspondientes a la evaluación de la durabilidad de los bloques de prueba TAEC y TAFPC se resumen en el Cuadro 2. Dado que las variaciones de peso final fueron menores a 5 %, no fue necesario aplicar el factor de corrección (de 0.05 % para tableros de estopa y de 0.35 % para el de palma).

Table 2 shows that, while the brown-rot fungus L. sulphureus caused the greatest weight loss in both types of ACs ––above that caused by P. chrysosporium (a white-rot fungus), this species produced the most intense attack in the severity test. It is significant that CHF chipboards proved to be more resistant to all four species of fungi than CPTACs. The highest values for weight loss were those of N. suffrutescens and P. placenta, which caused at least 80 % more damage to CPT chipboards than to CHFACs.

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Cuadro 2. Pérdida de peso, expresada en porcentaje, en bloques de prueba expuestos a pudrición. Bloques de prueba TAFPC

Hongos de prueba

TAEC

Pérdida de peso (%)

Desviación estándar

Pérdida de peso (%)

Desviación estándar

Laetiporus sulphureus (Bull.)Murrill

6.9

0.5

4.5

0.8

Phanerochaete chrysosporium Burdsall

3.9

1.4

2.3

0.2

Neolentinus suffrutescens (Brot.) T. W. May & A .E. Wood

4.2

0.6

1.5

0.5

Postia placenta (Fr.) M. J. Larsen & Lombard

3.0

1.0

1.7

0.5

Table 2. Weight loss undergone by the test blocks exposed to rotting, expressed as percentages. Test blocks CPTAC

Test fungi

CHFAC

Weight loss (%)

Standard deviation

Weight loss (%)

Standard deviation

Laetiporus sulphureus (Bull.) Murrill

6.9

0.5

4.5

0.8

Phanerochaete chrysosporium Burdsall

3.9

1.4

2.3

0.2

Neolentinus suffrutescens (Brot.) T. W. May & A .E. Wood

4.2

0.6

1.5

0.5

Postia placenta (Fr.) M. J. Larsen & Lombard

3.0

1.0

1.7

0.5

En el Cuadro 2 se observa que en los dos tipos de TA, el hongo de pudrición parda L. sulphureus ocasionó la mayor pérdida de peso, incluso superior a la provocada por P. chrysosporium (pudrición blanca); a diferencia de lo que ocurrió en la prueba de severidad, en la cual este fue el produjo el ataque más intenso. Resulta significativo que los TAEC fueron más resistentes a las cuatro especies de hongos, que los TAFPC. Destacan los valores de pérdida de peso por N. suffrutescens y P. placenta a los TAFPC que representan mínimo 80% más daño que el registrado por los TAEC.

According to Herrera et al. (1976; 1980), N. suffrutescens and P. placenta attacked angiosperm species, and although from a rigorously botanical perspective the coconut palm is not considered to be a tree, it is part of this group of plants, a fact that may account for the observed trend. The resistance of CHFACs to attack by fungi compared to CPTACs is related to the content of native phenolic compounds (with anti-microbial activity) in this type of lignocellulosic material (Esquenazi et al., 2002). Venkataraman et al. (1980) also document anti-mycotic activity in alcoholic extracts from coconut husk fibers, which are mainly phenolic compounds.

De acuerdo con Herrera et al. (1976; 1980), N. suffrutescens y P. placenta atacaron especies de angiospermas y, aunque la palma de coco no es considerada, en términos rigurosamente botánicos, un árbol, sí forma parte de ese grupo de plantas, lo que explicaría la tendencia observada.

According to the ASTM D2017-71 norms for the interpretation of the results in this type of test, Table 3 shows the generally used classification of weight loss and residual weight by percentages; both values refer to the initial dry weight of the test chipboard blocks.

La resistencia de los TAEC al ataque de hongos, con respecto a los TAFPC se relaciona con el contenido de sustancias fenólicas nativas (con actividad antimicrobiana) en este tipo de material lignocelulósico (Esquenazi et al., 2002). Venkataraman et al. (1980), también documentan actividad antimicótica en extractos alcohólicos de estopa de coco, constituidos principalmente de compuestos fenólicos.

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Cervantes et al., Durabilidad natural de tableros aglomerados...

Con base en las normas ASTM D2017-71 para la interpretación de resultados en este tipo de prueba, en el Cuadro 3 se registra la clasificación para uso general sobre la pérdida porcentual de peso o de la proporción porcentual de peso residual, referidos uno u otro a los pesos secos iniciales de los bloques de tableros de prueba.

Based on the classification described above, both the CHFAC and the CPTAC chipboards are highly resistant, since they have an average weight loss of 0 to 10 %. However, due to the potential interference of the binders with attack by fungi, this classification must be revised or reinforced with other parameters, such as the changes in dimensions and density of the ACs.

Cuadro 3. Criterio para clasificar la resistencia del material de estudio, con base en las normas ASTM D2017-71. Promedio de pérdida de peso (%)

Promedio de peso residual (%)

Grado de resistencia al hongo de prueba

Clase

0 - 10

90 – 100

Altamente resistente

A

11 - 24

76 – 89

Resistente

B

25 - 44

56 – 75

Moderadamente resistente

C

Más de 45

55 ó menos

Ligeramente o no resistente

D

Table 3. Criterion for classifying the resistance of the study material based on the ASTM D2017-71 norms. Average weight loss (%)

Average residual weight (%)

Degree of resistance to the test fungus

Class

0 - 10

90 – 100

Highly resistant

A

11 - 24

76 – 89

Resistant

B

25 - 44

56 – 75

Moderately resistant

C

Over 45

55 or less

Slightly resistant or non-resistant

D

A partir de la clasificación antes descrita tanto los TAEC como los TAFPC son altamente resistentes pues corresponden al promedio de pérdida de peso de 0 a 10 %. Sin embargo, debido a la posible interferencia de los aglutinantes sobre el ataque de los hongos, esta clasificación requiere de ser revisada o reforzada con otros parámetros como los cambios en las dimensiones y la densidad de los TA.

Changes in the dimensions of the material The dimensions (length, width and thickness) of the ACs are affected by the conditions of the tests used and by the action of fungi. The changes in length and width were minimal, unlike those in thickness. The latter are the basis for estimating the absolute swelling of the chipboard; the average swelling values shown in Table 4 were estimated based on seven repetitions per fungus.

Cambios en las dimensiones del material

The swelling of the CPTAC blocks exposed to L. sulphureus could not be determined because they crumbled apart. The fungus and the moisture available in the rotting chamber produced additional moisture during the attack (water drops were observed in the jars), contributing to further size instability. Another change was observed in the density of the study material, which was estimated based on the data from the weight losses and changes in the dimensions of the blocks (Table 5).

Las dimensiones (largo, ancho y espesor) de los TA son afectadas por las condiciones de prueba empleadas y la acción de los hongos. Se observó que los cambios en largo y ancho fueron mínimos, no así los del espesor. A partir de este último, se calcula el hinchamiento absoluto del tablero, los datos promedio de esta propiedad se muestran en el Cuadro 4 que se estimaron con base en siete repeticiones por hongo.

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 188-201

Cuadro 4. Hinchamiento en los bloques de estopa de coco (TAEC) y de fuste de palma de coco (TAFPC). Hinchamiento TAFPC

Hongo de prueba

TAEC

TAP

%

Desviación estándar

%

Desviación estándar

%

Desviación estándar

--

--

89.4

1.3

--

--

Phanerochaete chrysosporium Burdsall Neolentinus suffrutescens (Brot.) T. W. May & A. E. Wood Postia placenta (Fr.) M. J. Larsen & Lombard

42.2 40.1 45.6

2.5 0.5 0.5

26.2 36.4 45.9

1.3 1.9 1.7

39.7 28.9 46.4

3.6 0.6 1.0

Testigo

32.4

2.3

31.0

0.4

--

--

Laetiporus sulphureus (Bull.) Murrill

-- = Tableros desbaratados o desintegrados.

Table 4. Swelling in coconut husk fiber (CHFAC) and coconut palm trunk (CPTAC) blocks. Swelling CPTAC

Test fungus

CHFAC

PWAC

%

Standard deviation

%

Standard deviation

%

Standard deviation

--

--

89.4

1.3

--

--

Phanerochaete chrysosporium Burdsall

42.2

2.5

26.2

1.3

39.7

3.6

Neolentinus suffrutescens (Brot.) T. W. May & A. E. Wood

40.1

0.5

36.4

1.9

28.9

0.6

Postia placenta (Fr.) M. J. Larsen & Lombard

45.6

0.5

45.9

1.7

46.4

1.0

Control

32.4

2.3

31.0

0.4

--

--

Laetiporus sulphureus (Bull.) Murrill

-- = Crumbled or disintegrated chipboards.

Para los bloques TAFPC expuestos a L. sulphureus no fue posible determinar su hinchamiento, debido a que se desbarataron. El hongo, además de la humedad disponible en la cámara de pudrición produjo humedad durante su ataque (se observaron gotas de agua en los frascos), lo que contribuyó a una mayor inestabilidad dimensional. Otro cambio en el material de estudio fue en su densidad, la cual se estimó con los datos obtenidos de las pérdidas de peso y los cambios en las dimensiones de los bloques (Cuadro 5).

As was to be as expected, all the blocks, including the controls, decreased in density, since weight loss is not the only factor that causes this reduction: swelling plays a decisive role in the density trends of the AC blocks. The combination of the experimental conditions and the test fungi produce ruptures and rotting of the materials they attack (Lomelí, 1991; Bonnarme et al., 1993). In terms of the overall results, in this case the resistance of an AC is not determined by weight loss but by size stability.

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Cervantes et al., Durabilidad natural de tableros aglomerados...

Cuadro 5. Densidades de los tableros de estopa y palma de coco en el estudio. Densidad (g cm-3) TAEC

Hongo de prueba Inicial

Final

Laetiporus sulphureus (Bull.) Murrill

0.62

0.29

Phanerochaete chrysosporium Burdsall

0.64

Neolentinus suffrutescens (Brot.) T. W. May & A. E. Wood

TAFPC Pérdida

Pérdida

Inicial

Final

53.2

0.68

--

--

0.46

28.1

0.69

0.42

39.1

0.61

0.42

31.1

0.69

0.45

34.8

Postia placenta (Fr.) M.J. Larsen & Lombard

0.63

0.40

36.5

0.66

0.43

34.8

Testigo

0.59

0.45

23.7

0.67

0.46

31.3

(%)

(%)

-- = Tableros desbaratados o desintegrados.

Table 5. Densities of the coconut husk fiber and palm trunk chipboards used in the study. Density (g cm-3)

Test fungus

CHFAC Initial

Final

Laetiporus sulphureus (Bull.) Murrill

0.62

0.29

Phanerochaete chrysosporium Burdsall

0.64

Neolentinus suffrutescens (Brot.) T. W. May & A. E. Wood

CPTAC Loss

Loss

Initial

Final

53.2

0.68

--

--

0.46

28.1

0.69

0.42

39.1

0.61

0.42

31.1

0.69

0.45

34.8

Postia placenta (Fr.) M. J. Larsen & Lombard

0.63

0.40

36.5

0.66

0.43

34.8

Control

0.59

0.45

23.7

0.67

0.46

31.3

%

%

-- = Crumbled or disintegrated chipboards.

Como era de esperarse, todos los bloques disminuyen su densidad, incluso los bloques testigo, ya que no solo la pérdida de peso provoca una disminución en los valores de esta propiedad. El hinchamiento juega un papel determinante en las tendencias de la densidad de los bloques de TA. La combinación de las condiciones experimentales y los hongos de prueba producen ruptura y descomposición del material que atacan (Lomelí, 1991; Bonnarme et al., 1993). En función de los resultados globales, en este caso, no es la pérdida de peso la que determina la resistencia de un TA, sino la estabilidad dimensional.

Conclusions CHFACs and CPTACs are highly resistant to attacks by Laetiporus sulphureus, Phanerochaete chrysosporium, Neolentinus suffrutescens and Postia placenta in regard to weight loss.

Conclusiones

Modification of the standard for the utilized agar-block method is convenient due to its short duration but has several drawbacks: if the testing time is exceeded, the culture medium will become compacted as a consequence of the temperature in the incubation chamber; there is competition for space, air and moisture between the objects being tested within the incubation area.

Los TAEC y TAFPC son altamente resistentes ante el ataque de Laetiporus sulphureus, Phanerochaete chrysosporium, Neolentinus suffrutescens y Postia placenta, en función de la pérdida de peso.

Moisture is a decisive factor, since it affects the properties of the material –i.e. the size stability of the blocks, particularly their thickness– due to the conditions of the process; consequently, the density was also modified.

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The combination of the experimental conditions and the test fungi cause rotting of the material and affect the size stability of the blocks; weight loss is therefore not the only factor to be considered when assessing the durability of ACs.

La modificación a la norma para el método agar-bloque empleado es práctica por su corta duración, pero tiene algunos inconvenientes: si se excede el tiempo de prueba, el medio de cultivo comienza a compactarse, debido a la temperatura presente en la cámara de incubación; existe competencia por espacio, aire y humedad de los objetos de prueba en la zona de incubación.

Conflict of interests The authors declare no conflict of interests.

La humedad es un factor determinante, ya que por las condiciones del proceso se apreció que afecta las propiedades del material, principalmente, en lo referente a la estabilidad dimensional de los bloques, y en especial en el espesor, en consecuencia también cambió la densidad.

Contribution by author Xóchitl Elizabeth Cervantes Valdez: experimental design, statistical analysis, writing of the manuscript; Jesús Ángel Andrade Ortega: advice, review and correction of the manuscript; Carlos Alberto Ramírez Barragán: advice and review of the manuscript; Luis Ramón Bravo García: research planning, negotiation of the financial and material resources for the experimental work, advice and review of the experimental results, writing and correction of the manuscript.

La combinación de las condiciones experimentales y los hongos de prueba producen descomposición del material y afectan la estabilidad dimensional de los bloques; no solo la pérdida de peso debe ser considerada para la evaluación de durabilidad de TA.

End of the English version

Conflicto de intereses Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Contribución por autor Xóchitl Elizabeth Cervantes Valdez: desarrollo experimental, análisis estadístico, redacción y elaboración del manuscrito; Jesús Ángel Andrade Ortega: asesoría, revisión y corrección del manuscrito; Carlos Alberto Ramírez Barragán: asesoría, revisión del manuscrito; Luis Ramón Bravo García: planeación de la investigación, gestión de los recursos económicos y materiales para la realización del trabajo experimental, asesoría, revisión de los resultados experimentales, redacción y corrección del escrito.

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28): 202-221

Artículo / Article

Diagnóstico de la industria de transformación primaria de las maderas tropicales de México A diagnosis of the primary transformation industry of the tropical woods of Mexico Jose Antonio Silva Guzmán1,Alejandra María Ramírez Arango2, Francisco Javier Fuentes Talavera1, Raul Rodríguez Anda1, José Turrado Saucedo1 y Hans Georg Richter1 Resumen Se presenta el diagnóstico de la industria de transformación primaria de maderas tropicales del Sureste Mexicano, elaborado con el propósito de generar información que contribuya a la implementación de estrategias que impulsen el desarrollo del sector. Los aspectos considerados incluyen las especies maderables utilizadas, estatus tecnológico de la industria de transformación primaria, y datos de comercialización. Se hicieron entrevistas a integrantes de la cadena productiva e industrias ubicadas en Campeche, Quintana Roo, Tabasco, Yucatán, Jalisco y Distrito Federal. La población de empresas encuestadas se obtuvo del Programa de Cadenas Productivas de la Comisión Nacional Forestal, de los centros de almacenamiento y transformación de materias primas forestales de la Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales y de la Cámara Nacional de la Industria Maderera. Los resultados evidenciaron que en la productividad de la industria inciden el flujo inestable de materia prima, falta de alianzas estratégicas en la cadena productiva y la antigüedad de la maquinaria. Respecto al mercado maderero, la mayor participación correspondió a Eucaliptus spp. y Gmelina arborea provenientes de plantaciones forestales comerciales; además de Swietenia macrophylla y Lysiloma latisiliquum procedentes de bosque natural. Las maderas con menor participación fueron Metopium brownei, Swartzia cubensis, Enterolobium cyclocarpum, Lonchocarpus castilloi y Cedrela odorata. La mayoría de la maquinaria de aserrío tiene entre 11 y 30 años y recibe poco mantenimiento. Los residuos forestales del proceso de aserrío no se utilizan por desconocimiento de tecnologías y falta de incentivos para su aprovechamiento.

Palabras clave: Coeficiente de aserrío, comercialización, industria forestal, maderas tropicales, materia prima forestal, transformación primaria. Abstract This paper provides a diagnosis of the primary transformation industry of tropical woods of Southeast Mexico, with the purpose of generating information that may contribute to implement strategies to promote the development of the sector. The aspects considered include the utilized timber-yielding species, the technological status of the primary transformation industry and commercialization data. Members of the productive chain and industries in the states of Campeche, Quintana Roo, Tabasco, Yucatán, Jalisco and Mexico City were interviewed. The population of the businesses surveyed was obtained from the National Forest Commission’s Program of Productive Chains, from the forest raw materials storage and transformation centers of the Department of the Environment and Natural Resources (Semarnat) and from the National Chamber of the Timber Industry. The results evidenced that the unstable flow of raw materials, the lack of strategic alliances in the productive chain and the use of old machinery all have an impact on the industry’s productivity. As for the timber market, the largest participation was that of Eucaliptus spp. and Gmelina arborea from commercial forest plantations, as well as Swietenia macrophylla and Lysiloma latisiliquum from natural forests. The timbers with the lowest level of participation were Metopium brownei, Swartzia cubensis, Enterolobium cyclocarpum, Lonchocarpus castilloi and Cedrela odorata. Most of the sawmill machinery is between 11 and 30 years old and receives little maintenance. The forest residues of the milling process are not used due to the lack of incentives for their exploitation, as well as of knowledge of the appropriate technologies for this purpose.

Key words: Sawmilling coefficient, commercialization, forest industry, tropical woods, forest raw materials, primary transformation. Fecha de recepción/date of receipt: 3 de noviembre de 2014; Fecha de aceptación/date of acceptance: 15 de diciembre de 2014. 1 Departamento de Madera, Celulosa y Papel. Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías. Universidad de Guadalajara. Correo-e: jasilva@dmcyp.cucei.udg.mx. 2 Maestría en Ciencia de Productos Forestales, Departamento de Madera, Celulosa y Papel. Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías. Universidad de Guadalajara.


Silva et al., Diagnóstico de la Industria de transformación primaria...

Introducción

Introduction

En México se requiere impulsar el uso de especies nativas con potencial industrial y comercial de la región tropical del Sureste Mexicano mediante un aprovechamiento sustentable.

The sustainable exploitation and use of those native species of the tropical region of Southeast Mexico with an industrial and commercial potential need to be promoted.

Merino (2014) indica que los recursos forestales son un capital productivo importante que ha permitido a las comunidades forestales operar con márgenes de ganancia, desarrollar empresas, realizar inversiones productivas y generar fuentes de empleos.

According to Merino (2014), forest resources are a major productive capital that has allowed forest communities to operate with profit margins, develop businesses, make productive investments and generate employment sources. Tropical woods contribute 4.4 % of the national timber production, although they have lost their participation in various segments of the market due to an insufficient offer, low quality, and poor commercialization capacity (Semarnat, 2013). The states of Southeast Mexico –especially Campeche and Quintana Roo– participate with 30 % of the national tropical wood production (Semarnat, 2013); these woods are exploited mostly in natural areas, under the communal property regime (89 %) and on private lands (11 %).

Las maderas tropicales contribuyen con 4.4 % de la producción maderable nacional, aunque han perdido su participación en varios segmentos del mercado debido a una oferta insuficiente, baja calidad y débil capacidad de comercialización (Semarnat, 2013). Los estados del Sureste Mexicano participan con 30 % de la producción nacional de maderas tropicales, destacan Campeche y Quintana Roo (Semarnat, 2013), y el aprovechamiento se lleva a cabo principalmente en áreas naturales, bajo el régimen de propiedad ejidal (89 %) y predios particulares (11 %).

According to the Instituto Tecnológico Autónomo de México (ITAM, 2012), some of the main causes of deterioration of the Mexican forests are deforestation and degradation, scarcely competitive industries and an unfavorable environment for forest development. All this has caused a lower dynamic in the sector than that observed in other spheres of economy. In the international trade, the forest sector has remained at a deficit.

De acuerdo con el Instituto Tecnológico Autónomo de México (ITAM, 2012) algunas de las principales causas del deterioro de los bosques mexicanos son la deforestación y degradación, las industrias poco competitivas y un entorno desfavorable para el desarrollo forestal. Lo anterior ha ocasionado que el sector mantenga una dinámica menor que la de otros ámbitos de la economía. En relación con el comercio internacional, el sector forestal ha mantenido un saldo deficitario.

Torres (2004) points out that the lack of knowledge of the technological properties of forest species, the imperfections in the market of consumable goods, the deficient promotion of new species and products propitiate the selective use of forest resources. This brings about an increase in the extraction and transportation costs due to the low volumes obtained, as well as to a limited capacity to compete within a market that demands constant volumes and a homogenous quality. Furthermore, the production costs are high as a result of the high prices of the raw materials and the large demand of labor for primary transformation (ITTO, 2005).

Torres (2004) señala que el desconocimiento de las propiedades tecnológicas de las especies forestales, las imperfecciones en el mercado de insumos, la deficiente promoción de nuevas especies y productos, en conjunto, propician el uso selectivo de este recurso. Lo anterior origina un aumento en los costos de extracción y transporte debido a los volúmenes pequeños que se obtienen, así como a una limitada capacidad para competir en un mercado que exige volúmenes constantes y calidad homogénea. Asimismo, los costos de producción son altos como resultado del elevado precio de la materia prima y la gran demanda de mano de obra para la transformación primaria (ITTO, 2005).

The exploitation, extraction and industrialization of tropical woods is affected by the diversity of rain forests, characterized by a low number of trees of each taxon, together with the difficulties of the terrain and the climate, which have an impact on the increase in the exploitation and extraction costs. On the other hand, the various sizes of the logs and the variation in the density and properties of the wood render the process more difficult, compared to that of conifers.

El aprovechamiento, extracción e industrialización de las maderas tropicales es afectado por la diversidad de las selvas, caracterizadas por un bajo número de árboles de cada taxon, aunados a las dificultades del terreno y el clima, lo que incide en el incremento de los costos de aprovechamiento y extracción. Por otro lado, los diferentes tamaños de las trozas, la variación en densidad y propiedades de la madera ocasionan que el proceso sea más difícil, en comparación con el de las coníferas.

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La Food and Agriculture Organization (FAO) (Torres, 2004) indica que la sobreexplotación de los bosques mexicanos se debe a diversas causas, entre las que sobresalen la tala clandestina y la extracción de leña.

The Food and Agriculture Organization (Torres, 2004) states that the overexploitation of Mexican forests has several causes, the most prominent of which are the clandestine felling of trees and the extraction of timber.

En un estudio realizado por Ríos et al. (2012) en los ejidos de Noh Bec y Xhazil del estado de Quintana Roo registran que la actividad forestal generó importantes ingresos económicos, capital social y cultural en torno al manejo y aprovechamiento forestal, a partir del Plan Piloto Forestal implementado en los años ochenta.

According to a study by Ríos et al. (2012) at the Noh Bec and Xhazil ejidos of the state of Quintana Roo, forest activity has generated an important income and social and cultural capital around forest management and exploitation since the implementation of the Forest Pilot Plan in the 1980s. According to the International Tropical Timber Organization (ITTO), the forest industries of Southeast Mexico, which work with precious and common tropical woods, are small (producing 5 100 m3r per year); they have a rudimentary technology and a low yield rate of raw materials (sawmill coefficient). The poor quality of the sawn wood is due to: i) unoptimized cutting; ii) variations in thickness, and iii) inadequate saw maintenance (ITTO, 2005).

De acuerdo con la Organización Internacional de Maderas Tropicales (ITTO por sus siglas en inglés), las industrias forestales del sureste mexicano, que trabajan con maderas preciosas y tropicales comunes, son pequeñas (5 100 m3r anuales), tienen tecnología rudimentaria y una tasa reducida de rendimiento de la materia prima (coeficiente de aserrío). La poca calidad de la madera aserrada se debe a: i) trocería no optimizada; ii) variación de espesor; e iii) inadecuado mantenimiento de la sierra (ITTO, 2005).

The ability to add value to the produced sawn wood is limited by the following factors: the low quality of the final product and the insufficiency of drying ovens. One of the problems of the current technological status of forest industries is their obsolete equipment (Conafor, 2014). According to Flores et al. (2007), although the sawmill industry increased its installed capacity, it was unable to increase its utilized capacity, since the raw material requirements also increased, and thereby a larger idle capacity was generated in the industry, which caused the number of sawmills without a continuous log supply to increase. Another cause of this behavior was the dead time due to lack of maintenance of the equipments and poor training of the personnel.

La capacidad de agregar valor a la madera aserrada producida está limitada por los siguientes factores: la baja calidad del producto final y las insuficientes estufas de secado. Uno de los problemas del estado tecnológico actual de las industrias forestales es su obsoleto equipamiento (Conafor, 2014). De acuerdo con Flores et al. (2007), la industria del aserrío, a pesar de aumentar su capacidad instalada, no fue capaz de incrementar su capacidad utilizada, ya que los requerimientos de materia prima también crecieron, lo cual generó una mayor capacidad ociosa en la industria, y con ello fue más grande el número de aserraderos sin abastecimiento continuo de trozas. Otra causa de este comportamiento fue el tiempo muerto, por falta de mantenimiento de los equipos y la escasa capacitación del personal.

According to the 2014–2018 Program (Programa Nacional Forestal) included in the 2013-2018 Plan (Plan Nacional de Desarrollo) (Conafor, 2014), some of the main problems of the Mexican forest sector are the low capacity to transform standing timber or roundwood; the technological backwardness in the timber industry; the difficulties to commercialize forest products, as well as the existence of scarcely competitive forest enterprises.

El programa Nacional Forestal 2014 – 2018, incluido en el Plan Nacional de Desarrollo 2013-2018 (Conafor, 2014) señala que algunos de los principales problemas del sector forestal mexicano son la baja capacidad para la transformación de madera en pie o en rollo; el rezago tecnológico en la industria de la madera; las dificultades para la comercialización de los productos forestales; así como la existencia de empresas forestales poco competitivas.

The Instituto Tecnológico Autónomo de México (ITAM, 2010) states that the main problems of the timber forest chain are concentrated in the production of roundwood and sawn wood, due to the lack of infrastructure, the low quality of the raw materials, the scarcely competitive prices and the limited certainty, sufficiency and constancy in timber supply.

El Instituto Tecnológico Autónomo de México (ITAM) (2010) indica que los principales problemas de la cadena forestal maderable se concentran en la producción de madera en rollo y aserrada, debido a la falta de infraestructura, baja calidad de la materia prima, precios poco competitivos y limitada seguridad, suficiencia y constancia en el suministro de la madera.

The sawmill coefficient (SC) represents a percentage of the volume of the sawn wood, based on the amount of processed logs. Its value is an important indicator of the degree of efficiency of wood production. The SC registered for the tropical timber industry is below 50 % (Acosta et al., 2012), depending, above all,

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on the type and size of the logs, the machinery and the available equipment, the types of timber products, and the training of the workers.

El coeficiente de aserrío (CA), representa un porcentaje del volumen de madera aserrada, calculado a partir de la cantidad de trozas procesadas. Su valor es un indicador importante del grado de eficiencia de la producción de madera. El CA registrado para la industria de las maderas tropicales es menor a 50 % (Acosta et al., 2012), el cual depende, principalmente, del tipo y tamaño de las trozas, la maquinaria y del equipo disponible, así como de los tipos de productos de madera y de la capacitación de los operarios.

Because tropical woods are found in smaller volumes than conifers and therefore are not very attractive from the economic point of view, they have a low participation in the national market of timber products (Flores et al., 2007). However, they have always been in high demand within the country, and consequently they are expensive (ITTO, 2007a).

La baja participación en el mercado nacional de los productos elaborados con maderas tropicales se debe a su menor volumen con respecto al de las coníferas, lo que las convierte en especies poco atractivas desde el punto de vista económico (Flores et al., 2007), aunque su demanda en el ámbito nacional siempre ha sido alta, y en consecuencia, se propicia su encarecimiento (ITTO, 2007a).

The cost of the standing timber depends on such factors as the degree of industrial integration and the social-economic characteristics of the area, as well as the accessibility of the areas under exploitation. Prices are set based on a cost tabulation that includes profits and logging rights (standing timber price), variables negotiated among producing communities, which together form a cartel of producers –a strategy resulting in an increased cost of standing timber (Torres, 2004).

El costo de la madera en pie depende de factores como el grado de integración industrial y las características socioeconómicas en la zona, además de la accesibilidad a las áreas bajo aprovechamiento. Los precios se fijan con base en un tabulador de costos que incluye utilidades y derecho de monte (precio de la madera en pie), variables negociadas entre comunidades productoras, las cuales forman un cartel de productores que da como resultado una estrategia que aumenta el costo de la madera en pie (Torres, 2004).

The impact of the financial support granted by the National Forest Commission (Comisión Nacional Forestal, Conafor) for production, productivity and competitiveness has been very limited (Salas, 2014). Investments in productive assets are low due to the high cost of financing and the limited knowledge of the current technological possibilities of the timber; this affects the quality and the price of the products, and therefore reduces the efficiency within the productive chain (Semarnat, 2009). In addition, the traditional intervention of middlemen both in the purchase of raw materials and in the sale of the product increases the production costs.

El impacto de los apoyos económicos otorgados por la Conafor en los rubros de producción, productividad y competitividad han sido muy limitados (Salas, 2014). Las inversiones en activos productivos son reducidas por el alto costo del financiamiento y el limitado conocimiento de las actuales posibilidades tecnológicas de la madera, lo que afecta la calidad de los productos y su precio, con la consecuente baja en la eficiencia de la cadena productiva (Semarnat, 2009). Adicionalmente, la tradicional intervención de intermediarios tanto en la compra de materia prima, como en la venta del producto, incrementa los costos de producción.

Based on the above, it is necessary to generate information on the current status of the primary tropical wood transformation industry in Mexico. In the face of this scenario, the objective of the present study was to elaborate a diagnosis of the utilized timber species, the technological status of the primary transformation industry and of the commercialization of tropical woods in Mexico.

A partir de lo antes expuesto, se requiere generar información sobre el estado actual que guarda la industria de transformación primaria de madera tropical en México; ante este panorama, el objetivo del presente estudio fue elaborar un diagnóstico sobre especies de madera utilizadas, el estado tecnológico de la industria de transformación primaria y de la comercialización de las maderas tropicales en México.

Materials and Methods Study area The study was carried out in four states of Southeast Mexico: Campeche, Quintana Roo, Tabasco and Yucatán, as well as in Mexico City and in Guadalajara, Jalisco, two of the main urban transformation and consumption centers.

Materiales y Métodos El área de trabajo El estudio se realizó en cuatro estados del sureste mexicano: Campeche, Quintana Roo, Tabasco y Yucatán, así como en la

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Ciudad de México, D. F. y en Guadalajara, Jalisco, por ser algunos de los principales centros urbanos de transformación y consumo.

Population size determination and simple design The population of the primary transformation companies was determined based on those registered in the Programa de Cadenas Productivas de la Comisión Nacional Forestal (National Forest Commission’s Productive Chain Program) and the list of forest raw material storage and transformation centers of the Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (Semarnat), obtained through the Federal Government’s Infomex system. Furthermore, support was provided by the Cámara Nacional de la Industria Maderera (National Chamber of the Timber Industry) through its regional delegations. The information was verified and filtered in order to corroborate the existence and availability of the companies to participate in the survey. The data were collected mainly through visits and telephone interviews with timber industrialists, government agents, researchers, and people related to the timber trade and with primary transformation industries.

Determinación del tamaño de la población y diseño de muestreo La población de las empresas de transformación primaria se definió con base en las inscritas en el Programa de Cadenas Productivas de la Comisión Nacional Forestal y el listado de centros de almacenamiento y transformación de materias primas forestales de la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, el cual se obtuvo por medio del sistema Infomex del Gobierno Federal. Además, se contó con el apoyo de la Cámara Nacional de la Industria Maderera, a través de sus delegaciones regionales. Se realizó un proceso de verificación y depuración de la información para corroborar la existencia y disponibilidad de las compañías para participar en la encuesta. La información se recolectó principalmente mediante visitas y entrevistas telefónicas con industriales madereros, agencias gubernamentales, investigadores, personas relacionadas con el gremio maderero e industrias de transformación primaria.

Surveys were applied in 30 tropical wood forest companies corresponding to 20 sawmills, three lumberyards, three sawmills-lumberyards, two sawmills and plywood factories, a sawmill and veneer factory, as well as a commercialization company. In most cases, the interviews were carried out at the sawmills, with the manager of the company or of the production area.

Se aplicaron encuestas en 30 empresas forestales de maderas tropicales, que correspondieron a 20 aserraderos, tres madererías, tres aserraderos-madererías, dos aserraderos y fábricas de tablero contrachapado, un aserradero y fábrica de chapas, así como una comercializadora. En la mayoría de los casos se entrevistó al gerente de la empresa o al encargado del área de producción, en los aserraderos.

The questionnaire used during the interviews was developed in collaboration with professors of the Departamento de Madera, Celulosa y Papel de la Universidad de Guadalajara (DMCyP) (Wood, Cellulose and Paper Department of the University of Guadalajara (DMCyP)), del Centro Internacional de Excelencia Empresarial (CIEE) del Centro Universitario de Ciencias Económico Administrativas de la Universidad de Guadalajara (the International Center for Business Excellence (CIEE) the University Center for Economic Administrative Sciences of the University of Guadalajara) and the Department of Timber Science and Engineering of Oregon State University’s College of Forestry of the United States. Comments and suggestions by timber industrialists were also considered. The survey included general data of the company, the employees, raw materials, productive process, manufactured products, commercialization, administration, and environmental and social impact of the industry.

El cuestionario utilizado durante las entrevistas se elaboró en colaboración con profesores del Departamento de Madera, Celulosa y Papel de la Universidad de Guadalajara (DMCyP), del Centro Internacional de Excelencia Empresarial (CIEE) del Centro Universitario de Ciencias Económico Administrativas de la Universidad de Guadalajara y del Departamento de Ciencia e Ingeniería de la Madera del Colegio Forestal de la Universidad Estatal de Oregon (EUA). También se incluyeron comentarios y sugerencias de industriales de la madera y datos generales de la empresa, empleados, materia prima, proceso productivo, productos elaborados, comercialización, administración, impacto ambiental y social de la industria.

Determinación del coeficiente de aserrío (CA)

Sawmill coefficient (SC) determination

El CA se determinó de la relación del volumen de trozas aserradas (m3) y el volumen de madera producida durante un turno de 8 horas (un día) en cada uno de los cinco aserraderos, elegidos al azar, para esta parte de la investigación.

The SC was determined based on the relationship between the volume of sawn logs (m3) and the volume of timber produced during an 8-hour shift (one day) in each of the five sawmills, selected at random, for this part of the research.

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Resultados y Discusión

Results and Discussion

En el Cuadro 1 se muestra el número de empresas seleccionadas en cada estado, destacan Quintana Roo (33 %), Campeche (27 %) y Yucatán (13 %), los cuales en su conjunto representan 73 % de las industrias forestales de madera tropical encuestadas.

Table 1 shows the number of businesses selected in each state. The most prominent of these are Quintana Roo (33 %), Campeche (27 %) and Yucatán (13 %), which together represent 73 % of the surveyed tropical forest industries.

Cuadro 1. Número de empresas consideradas en el estudio.

Table 1. Number of companies included in the study.

Número de empresas

Porcentaje

Quintana Roo

10

33

Campeche

8

Tabasco

Number of companies

Percentage

Quintana Roo

10

33

27

Campeche

8

27

5

17

Tabasco

5

17

Yucatán

4

13

Yucatán

4

13

Guadalajara

2

7

Guadalajara

2

7

Ciudad de México

1

3

Mexico City

1

3

Total

30

100

Total

30

100

En Campeche y Quintana Roo, las industrias forestales de transformación primaria se ubicaron cerca de las áreas forestales de aprovechamiento, mientras que en Yucatán en los centros industriales y de consumo. La Semarnat (2009) consigna alrededor de 200 industrias localizadas en la región de estudio; sin embargo, durante las visitas se corroboró la existencia de aproximadamente 70 empresas, ya que varias habían cambiado de nombre o razón social, algunas ya no existían y otras estaban cerradas. Debido a la falta de información confiable la cantidad de empresas existentes resultó difícil de establecer.

In Campeche and Quintana Roo, the primary wood-transforming forest industries were located close to the forest exploitation areas, while in Yucatán, they were at the industrial and consumption centers. Semarnat (2009) registers around 200 industries within the study region; however, during the visits, the existence of only 70 businesses approximately, since some had changed name or had melded with a corporation, some of them no longer existed and others were closed. It was difficult to establish the amount of existing companies due to the lack of reliable information.

Raw materials – timber species

Materia prima - especies de madera

According to the production volume, the most processed species were Eucalyptus spp. (eucaliptus) and Gmelina arborea Roxb. (beechwood), from commercial forest plantations (CFPs) (Figure 1a). This proves that woods from CFPs may be an alternative source of raw materials for the primary transformation industry of tropical woods. Diameters at breast height of 31.23 cm, a height of 14.9 and a mere 22 % as end product for sale in the market were obtained from a G. arborea CFPs with 30 and 60 % slopes (Espinoza, 2013).

De acuerdo con el volumen de producción, las especies más procesadas fueron Eucalyptus spp. (eucalipto) y Gmelina arborea Roxb. (melina), provenientes de PFC (Figura 1a). Lo anterior muestra que las maderas provenientes de PFC pudieran ser una alternativa de abastecimiento de materia prima para la industria de transformación primaria de las maderas tropicales. En PFC de G. arborea, con 30 y 60 % de pendiente se obtuvieron diámetros a la altura del pecho de 31.23 cm y una altura de 14.9 m y solo 22 % como producto final aprovechable para su venta en el mercado (Espinoza, 2013).

As for woods from natural forests, Swietenia macrophylla King (mahogany) is the species with the highest participation in the market (21 %), followed by Lysiloma latisiliquum (L.) Benth (false tamarind) (9 %). There is a high demand for mahogany in the international markets, and this species is processed only in Quintana Roo. The four taxa mentioned above participate with 73 % of the total volume of timber produced (Figure 1a). Only L. latisiliquum was produced or commercialized in all the southeastern states considered, which indicates its abundance and demand. According to López et al. (2005), L. latisiliquum is

Respecto a las maderas procedentes de bosques naturales, Swietenia macrophylla King (caoba) es la especie con mayor participación en el mercado (21 %) seguida de Lysiloma latisiliquum (L.) Benth (tzalam) (9 %). La caoba tiene una alta demanda en los mercados internacionales y es procesada solamente en Quintana Roo. Los cuatro taxa antes mencionados participan con 73 % del volumen total de madera producida (Figura 1a). Y únicamente L. latisiliquum se produjo o comercializó en todos

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los estados del sureste considerados, lo cual es un indicativo de su abundancia y demanda. De acuerdo con López et al. (2005) L. latisiliquum tiene reproducción, establecimiento y regeneración continuos, y requiere de 20 a 25 años para alcanzar la categoría diamétrica de 35 cm, requerida para su aprovechamiento comercial.

continually reproduced, established and regenerated and requires 20 to 25 years to reach a diameter of 35 cm, as required for its commercial exploitation. There were differences among the states in the production and uses of the sawn woods (Figure 1b). S. macrophylla boards (classified as Mill-run) are prominent in Quintana Roo. The production of Yucatán focuses on the dock construction industry and therefore it presents a more differentiated product with a lower production and generally uses hard woods such as Bucida buceras L. (pukté or bullet tree). Campeche provides roundwood from natural forests for the industries of other states and has a diverse forest industry with such products as veneers and plywood.

Referente a la producción y usos de las maderas aserradas existieron diferencias entre los estados, (Figura 1b). En Quintana Roo sobresale S. macrophylla en tablas (clasificadas como Mill run). La producción de Yucatán está enfocada a la industria de la construcción de muelles, por lo que presenta un producto más diferenciado, con una menor producción y generalmente utilizan maderas duras como Bucida buceras L. (pukté). Campeche es proveedor de madera en rollo procedente de bosques naturales para las industrias de otras entidades federativas y, a su vez, cuenta con una industria forestal diversa con productos como chapas y tableros contrachapados.

Figura 1. (a) Principales especies comercializadas en el sureste mexicano, m³mes-1 y porcentaje. (b) Proporción de la mezcla de especies de madera procesada por estado y en el Distrito Federal. Figure 1. (a) Main commercialized species in Southeast Mexico, m³month-1 and percentage. (b) Proportion of the mixture of timber species processed by state and in the Distrito Federal.

Volumen de madera utilizada

Volume of utilized wood

Entre los aserraderos incluidos en las encuestas (23 empresas) se determinó una gran variabilidad, con respecto al volumen de madera en rollo procesada. En total utilizaron 15 044 m3mes-1, con un promedio de 654.11 m3 mes-1, y un coeficiente de variación de 159 %; con un intervalo de 22 m3 mes-1 a 5 010 m3 mes-1. La mayoría de los aserraderos procesaron menos de 500 m3 mes-1 (Figura 2). Una empresa localizada en Tabasco tuvo el mayor consumo de madera en rollo (5 010 m3 mes-1 de eucalipto) y, finalmente, en Yucatán el menor (22 m3 mes-1).

A great variability was found between the sawmills included in the survey (23 companies) in relation to the volume of processed roundwood. A total of 15 044 m3 month-1 were used, with an average of 654.11 m3 month-1 and a variation coefficient of 159 %; an interval ranging between 22 m3 month-1 and 5 010 m3 month-1. Most sawmills processed less than 500 m3 month-1 (Figure 2). A company located in Tabasco had the highest consumption of roundwood (5 010 m3 month-1 of eucalyptus), while Yucatán had the lowest (22 m3 month-1).

El análisis de varianza arrojó que existen diferencias significativas en el consumo de madera en rollo entre Tabasco y los otros estados, debido a la gran variedad entre empresas

The variance analysis showed that there are significant differences in the consumption of roundwood between Tabasco and the other states due to the great variety in the production

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en la producción de madera aserrada. Campeche, Quintana Roo, Jalisco (Guadalajara) y Distrito Federal estuvieron al mismo nivel que Yucatán, con un consumo de madera en rollo similar. La mitad (50 %) de los aserraderos utilizan entre 167 y 677 m3 mes-1. Estos valores se relacionan con el diámetro y forma de las trozas por procesar; la clase de madera y su calidad; el patrón de corte y el tipo de sierra empleado para transformar la materia prima, ya que esos factores determinan el coeficiente de aserrío (Acosta, 2012).

of sawn wood between companies. Campeche, Quintana Roo, Jalisco (Guadalajara) and the Distrito Federal were at the same level as Yucatán, with a similar roundwood consumption. Half (50 %) of the sawmills use between 167 and 677 m3 month-1. These values are related to the diameter and shape of the logs to be processed; the type and quality of the wood; the cutting pattern and the type of saw utilized to transform the raw materials, all of which determine the sawmill coefficient (Acosta, 2012). A company may use much roundwood and yet its efficiency to produce boards may be very low. The training of the employees is also important, since it is possible to have adequate machinery and the best saws and still have low results due to a poor handling of technology. Appropriate exploitation of the raw materials is relevant to the forest industry, since approximately 50 % of the costs correspond to roundwood. Efficiency in its transformation is therefore a basic theme in the management of a business. In countries like the United States of America, timber industrialists consider it basic to invest in technology and machinery that will allow them to obtain the best results in their productive process (Perkins, 2009).

Es factible que se use mucha madera en rollo, pero su eficiencia para producir tablas puede ser muy baja. La capacitación de los empleados también es importante, ya que es posible contar con la maquinaria adecuada y las mejores sierras, sin embargo los resultados son bajos por el mal manejo de la tecnología. El buen aprovechamiento de la materia prima es relevante para la industria forestal, dado que alrededor de 50 % de los costos corresponden a la madera en rollo. Por lo tanto, la eficiencia en su transformación es un tema fundamental en el manejo de una empresa. En países como Estados Unidos de América, los industriales madereros consideran como elemento básico invertir en tecnología y maquinaria que les permita obtener los mejores resultados en su proceso productivo (Perkins, 2009).

Figura 2. Consumo de madera en rollo en los aserraderos. Figure 2. Histogram of roundwood consumption at the sawmills.

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Proceso de producción - Capacidad instalada

Production process – Installed capacity

La capacidad total instalada fue de 1 099.4 m3turno-1, con un promedio de 37.9 m3 turno-1de 8 horas (Figura 3a). En cada aserradero resultó muy variable, ya que procesaron desde 1.9 hasta 350 m3 turno-1(coeficiente de variación de 204.5 %), Tabasco registró el valor más grande (350 m3 turno-1), seguido de Campeche (61.92 m3 turno-1) que, a su vez, cuenta con las empresas de mayor capacidad instalada, y contrastan con Yucatán (10.0 m3 turno-1) y el Distrito Federal (3.5 m3 turno-1). Esto obedece, principalmente, a la existencia de empresas que transforman madera proveniente de PFC y que están dedicadas a la elaboración de productos genéricos, básicos y sin mayor diferenciación entre sus variedades, mientras que en Yucatán 50 % de las industrias registraron una capacidad instalada de 9.4 a 16.5 m3 turno-1, lo que indica que son pequeñas, se caracterizan por elaborar productos más diferenciados, pero con un volumen menor de comercialización.

The total installed capacity was 1 099.4 m3shift-1, with an average of 37.9 m3 per 8-hour shift (Figure 3a). The capacity in each sawmill was very variable, since between 1.9 and 350 m3 shift-1 were processed (variation coefficient of 204.5 %). Tabasco had the highest value (350 m3 shift -1), followed by Campeche (61.92 m3 shift-1), where the companies with the largest installed capacity are located, and which contrast with Yucatán (10.0 m3 shift-1) and the Distrito Federal (3.5 m3 shift-1). This is mainly due to the existence of companies that transform wood from CFPs and which are dedicated to the manufacture of generic and basic products without differentiating between their varieties, while in Yucatán 50 % of the industries registered an installed capacity of 9.4 to 16.5 m3 shift-1, which indicates that they are small and are characterized by manufacturing more differentiated products but have a smaller commercialization volume. The low utilization rate of the installed capacity is not new, since according to ITTO (2005), the sawmill industry in the states of Campeche and Quintana Roo works with a utilization rate of 15 to 20 %, and many productive units remain without operating due to the lack of economic incentives. In Tabasco and Yucatán the industry is almost at a standstill or works with raw materials from other states.

La baja tasa de utilización de la capacidad instalada no es nueva, ya que de acuerdo con la ITTO (2005) en los estados de Campeche y Quintana Roo, la industria de aserrío trabaja con una tasa de utilización de 15 a 20 %, y muchas unidades productivas permanecen sin operar debido a la falta de incentivos económicos. En cuanto a Tabasco y Yucatán, la industria está casi parada o funciona con base en la materia prima procedente de otros estados.

The limited size of the forest industries is not a common topic exclusive of Mexico but it concerns all Latin American countries. According to McKenzie (2004), Brazil is the country with the best development in the region; it has approximately ten industrial companies with a capacity above 100 000 m³year-1 of sawn wood; however, the capacity of most companies is under 20 thousand m3year-1 (Tomaselli, 2004).

El tamaño reducido de las industrias forestales no es un tema exclusivo de México, sino de todos los países de América Latina. De acuerdo con McKenzie (2004), Brasil es el país con mejor desarrollo de la región con una decena de empresas industriales, cuya capacidad de producción supera 100 000 m³ año-1 de madera aserrada, pero la mayoría tienen una capacidad menor a 20 mil m³año-1 (Tomaselli, 2004).

Tropical wood sawmills use obsolete technology, although on certain occasions they have invested in their modernization; however, due to the lack of technical assistance, they have acquired inadequate equipment (ITAM, 2010). Furthermore, the lack of training of the workers generates unsatisfactory results in the sizing, planning down and drying of the wood, all of which are important factors that render Mexican wood less competitive.

Los aserraderos de maderas tropicales utilizan tecnología obsoleta, no obstante que en algunas ocasiones han invertido en su modernización, pero ante la falta de asistencia técnica han adquirido equipo inadecuado (ITAM, 2010). Además, la nula capacitación de los trabajadores genera resultados insatisfactorios en el dimensionado, cepillado y secado de la madera; factores importantes que restan competitividad a la madera mexicana.

Monthly production The companies had a production of 339 m3 month-1, with a variation coefficient of 167 %. According to the data, the production ranges between 11.3 and 3 000 m3 month-1; this indicates a great variability in the monthly production. Additionally 50 % of the companies registered a production of 100 to 353 m3 month-1 (Figure 3b). Distrito Federal was the area with the smallest production (79 m3 month-1), whereas the state of Tabasco had a production of 850 m3 month-1. The total volume of sawn wood was 10 173 m3 month-1, which is a low production considering the national volume of sawn wood.

Producción mensual Las empresas tuvieron una producción de 339 m3 mes-1, con un coeficiente de variación de 167 %. Los datos se ubican en un intervalo de 11.3 hasta 3 000 m3 mes-1, lo que indica una gran variabilidad en la producción mensual. Adicionalmente, 50 % de las compañías registraron entre 100 y 353 m3 mes-1 (Figura 3b). El Distrito Federal fue la zona con menor producción (79 m3 mes-1), en contraste con el estado de Tabasco que presentó

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Silva et al., Diagnóstico de la Industria de transformación primaria...

850 m3 mes-1. El volumen total de madera aserrada fue de 10 173 m3 mes-1, cifra baja si se consideran los volúmenes nacionales de madera aserrada.

Drying of the wood 30 % of the studied companies had a drying kiln. Only those of Distrito Federal, Jalisco and a company in Campeche sell oven-dried wood. Some use the oven chambers for storage or have them abandoned. The highest percentage of companies with drying chambers (10 %) was found in Campeche, while no such equipment was found in Yucatán (Figure 4); all the companies in Guadalajara and Mexico City had drying chambers.

Secado de la madera De las empresas bajo estudio 30 % tenían estufa de secado. Solamente las del Distrito Federal, Jalisco y una de Campeche venden madera estufada. Algunas usan las cámaras de las

Figura 3. (a) Capacidad instalada de las industrias forestales. (b) Producción mensual de las industrias forestales. Figure 3. (a) Installed capacity of forest industries. (b) Monthly production of the forest industries.

Figura 4. Distribución regional de las cámaras de secado en la industria de la madera tropical. Figure 4. Regional distribution of the drying chambers in the tropical timber industry.

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 202-221

estufas como bodegas o las tienen abandonadas. En Campeche se consignó el mayor porcentaje de empresas con cámaras de secado (10 %), mientras que en Yucatán se carecía de dicho equipo (Figura 4), y en las ciudades de Guadalajara y México todas lo tenían.

Torres (2004) points out that the sawmill industry in Brazil has an insufficient drying capacity; this shows that lack of drying is a problem that prevails in Latin America.

Torres (2004) señala que en Brasil la industria de aserrío presenta una insuficiente capacidad de secado, indicativo de que la falta de secado es un problema presente en Latinoamérica.

The average age of the sawmill machinery was 21.7 years, with a variation coefficient of 66.5 % and a minimum of 2 years and a maximum of 55 years (Table 2); i. e., only 20 % of the companies had a main saw with less than 10 years of use, while 50 % had a main saw with 11 to 20 years of use. This proves that sawmills carry out their milling process with machinery that is old and in some cases inadequate for the wood that they utilize.

Utilized machinery and technology

Maquinaria y tecnología empleada La maquinaria de los aserraderos tuvo una antigüedad promedio de 21.7 años, con un coeficiente de variación de 66.5 %, y un mínimo de 2 años y máximo de 55 años (Cuadro 2); es decir solo 20 % de las empresas contaba con una sierra principal con menos de 10 años de uso, mientras que 50 % tenía una sierra principal con un tiempo de uso entre 11 y 20 años. Lo anterior evidencia que los procesos se realizan con maquinaria vieja, y, en algunos casos, inadecuada para la madera que emplean.

In Southeast Mexico, it was determined that 54 % of the companies have “makeshift” machinery made in artisanal workshops which do not have the technological support of a company with experience in the manufacture of machinery. The main saw in all the sawmills lacks an attachment with a scanner or a computerized system that may allow optimal use of raw materials. Only a sawmill that works with small sized wood has

Cuadro 2. Marca y antigüedad de la sierra principal empleada en los aserraderos del Sureste Mexicano. Marca Número de empresas

Tipo

Antigüedad Porcentaje

Intervalo (años)

Número de empresas

Porcentaje

1–5

3

12

“Hechiza”

14

54

6 – 10

2

8

Nacional

6

23

11 – 20

13

50

Importada

6

23

21 – 30

4

15

> 30

4

15

Table 2. Brand and age of the main saw utilized in the sawmills of Southeast Mexico. Brand Type

Number of companies

Age Percentage

Interval (years)

Number of companies

Percentage

1–5

3

12

“Makeshift”

14

54

6 – 10

2

8

National

6

23

11 – 20

13

50

Imported

6

23

21 – 30

4

15

> 30

4

15

En el sureste mexicano se determinó que 54 % de las empresas cuentan con maquinaria elaborada en talleres artesanales, “hechiza”, la cual no tiene el respaldo tecnológico de una compañía experta en la elaboración de maquinaria. La sierra principal, en todos los aserraderos, carece de un aditamento

a multiple circular saw. According to Perkins (2009), in the east of the United States of America, the use of an optimized vertical tape saw to increase the output is rated 4.3 in importance (based on a 1 to 5 scale), and an optimized blunting machine is assigned a rating of 4.11, which shows the importance of

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Silva et al., Diagnóstico de la Industria de transformación primaria...

con escáner o sistema computarizado que permita optimizar el uso de la materia prima. Solamente uno, que trabaja con madera de pequeñas dimensiones, posee una sierra circular múltiple. Perkins (2009) cita que en el este de los Estados Unidos de América le dan una importancia del 4.3 (en una escala de 1 a 5) al uso de sierra cinta vertical optimizada para incrementar sus rendimientos y a la despuntadora optimizada le asignan una calificación de 4.11, lo cual evidencia la importancia de realizar mejoras tecnológicas a la maquinaria utilizada en la transformación de la madera. No obstante, este fenómeno es un común denominador en las industrias forestales de Latinoamérica.

carrying out technical improvements on the machinery used in wood transformation. Nevertheless, the lack of adequate machinery is a common denominator in the forest industries of Latin America. The lack of sufficient opportunities to obtain credits and the unstable macro-economic conditions increase the financing costs and restrict access to new technological resources; therefore, investments in productive assets are limited in Mexico, and as a consequence, the development of the forest sector is curtailed (Merino, 2014). This coincides with the statement by ITAM (2012) in the sense that the low levels of investment in the Mexican forest industry are mainly due to the high risk, the characteristics of the market and the historical high financing cost, which generate an unfavorable environment for investments. Technological change is a factor to which insufficient attention is paid, although it has been proven that it enhances the efficiency of forest industries, since it allows a larger production, it reduces costs and minimizes the generation of waste (ITAM, 2012).

Las pocas posibilidades de obtener créditos y las condiciones macroeconómicas inestables aumentan el costo de financiamiento y restringen el acceso a nuevos recursos tecnológicos; por lo tanto, las inversiones en activos productivos son reducidas en México, en consecuencia se acota el desarrollo del sector forestal (Merino, 2014). Lo anterior coincide con lo señalado por el ITAM (2012) en el sentido de que los bajos niveles de inversión en la industria forestal mexicana se deben, fundamentalmente, al alto riesgo, las características del mercado y el histórico precio elevado del financiamiento que generan un ambiente desfavorable para las inversiones. El cambio tecnológico es un factor al cual se le presta poca atención, a pesar de que se ha demostrado que incrementa la eficiencia de las industrias forestales, ya que permite producir más, reducir costos y minimizar la generación de desperdicios (ITAM, 2012).

Sawmill coefficient (SC) The evaluated sawmills had an average SC of approximately 50 %, a variation coefficient of 11.9 %, with a minimum of 39 % and a maximum of 60 %. The chart in Figure 5 shows that 50 % of the companies had an SC of 47 to 57 %. Jalisco (Guadalajara) and Tabasco had the highest SCs (59 %), unlike Quintana Roo, which had the lowest: 48 %. These differences are due to the type of wood utilized, which in Tabasco comes from CFPs and is constituted by more uniform logs, allowing better outputs. On the contrary, the wood of natural forests is much more diverse in sizes and log quality, which reduces their output (Torres, 2004).

Coeficiente de aserrío (CA) Los aserraderos evaluados tuvieron, en promedio, un CA cercano a 50 %, un coeficiente de variación de 11.9 %, con un mínimo de 39 % y un máximo de 60 %. En el diagrama de la Figura 5 se advierte que 50 % de las empresas tuvieron un CA entre 47 y 57 %. Jalisco (Guadalajara) y Tabasco presentaron los mayores CA (59 %), en contraste con Quintana Roo que tiene el menor con 48 %. Esas diferencias se deben al tipo de madera, en Tabasco procede de PFC, y está conformada por trozas más uniformes que permiten obtener mejores

The average SC for S. macrophylla was 48 %, while it was lower (an average of 41 %) for L. latisiliquum and B. buceras. The larger diameters of the S. macrophylla logs sawn in Quintana Roo (Acosta et al., 2012). The frequent presence of defects in hard woods –cracks, heartwood damage by rot fungi and spotting– may be responsible for the observed difference in SC. A value

Figure 5. Box-plot diagram of the sawmill coefficient (%) of the studied sawmills. Figure 5. Box-plot diagram of the sawmill coefficient (%) of the studied sawmills.

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rendimientos. Por el contrario, la madera de bosques naturales es mucho más diversa en tamaños y calidad de troza, lo que disminuye su rendimiento. Asimismo influye en el bajo rendimiento de las industrias de aserrío mexicanas el escaso grado de mecanización, de automatización, y la poca calificación de la mano de obra (Torres, 2004).

of 41.3 %, which is similar to the value obtained in this study, was registered for Lonchocarpus castilloi Standl. The sawmill coefficient registered for sawmills in Nigeria is 56 % (Olufemi, 2012), while the SC in countries with advanced industrialized economies is 60 %. In countries with emerging industrialized economies, which have a growing dependence on wood from CFPs, the SC is 50 % (FAO, 1998).

En el aprovechamiento de S. macrophylla, el CA fue superior, con un promedio de 48 %; mientras que en las maderas de L. latisiliquum y B. buceras fue menor (41 %, en promedio). Los diámetros más grandes de las trozas de S. macrophylla aserrada en Quintana Roo (Acosta et al. (2012). La alta frecuencia de defectos en las maderas duras (grietas, duramen dañado por hongos de pudrición y manchado) pueden ser responsables de la diferencia del CA observado. Un valor de 41.3 %, similar al obtenido en este estudio, se registró para madera de Lonchocarpus castilloi Standl. (machiche). El coeficiente de aserrío consignado para aserraderos en Nigeria es de 56 % (Olufemi, 2012). Por el contrario, para los países con economías industrializadas avanzadas, se documenta un CA de 60 %. En países con economías industrializadas emergentes, los cuales tienen una dependencia creciente de madera proveniente de PFC, el CA es de 50 % (FAO, 1998).

Commercialization Types of customers. Figure 6a summarizes the distribution channels of wood produced in Southeast Mexico; 66 % of the sawn wood is sold to wholesale vendors, and 16 %, to final consumers (carpenters, cabinetmakers). In Campeche almost all of it (97 %) is sold to wholesale vendors, while in Jalisco (Guadalajara) there are two sales channels. Only five businesses (17 %) have or have had an export market. The importance of the intermediaries in this type of market and the poor administrative capacity of the tropical wood sawmills were evidenced. According to Chapela (2012), the amount of operations carried out with tropical woods is relatively limited, and therefore the commercialization channels have restrictions due to the high quota of fixed expenses of maintaining campaigns, representations and operations at a modest scale.

Comercialización Tipo de clientes. En la Figura 6a se resumen los canales de distribución de la madera producida en el sureste mexicano, se observa que 66 % de la madera aserrada se vende a mayoristas y 16 % a consumidores finales (carpinteros, ebanistas). En Campeche se vende casi toda (97 %) a mayoristas, mientras que en Jalisco (Guadalajara) existen los dos canales de venta. Solo cinco empresas (17 %) tienen o han tenido un mercado de exportación. Se evidenció la importancia de los intermediarios en este tipo de mercado y la escasa capacidad administrativa de los aserraderos de madera tropical.

The sales price of those businesses that sold exclusively wholesale was far below that of retail sellers, and therefore they were able to have more competitive prices. The high participation of wholesale vendors and intermediaries in the tropical wood market in Mexico is opposite to the worldwide tendency in the market of forest products. Juslin and Hansen (2003) write that the intermediaries are being eliminated from the distribution channels in order to favor direct distribution. In the 1970s, small sawmills could use a distribution channel that included export and import agents, an importer and a distributor. However, by the 1990s this had changed significantly, with large companies that used more vertical structures with more stages under their immediate control. Perkins (2009) records that 37 % of the broadleaf wood produced by US sawmills is sold to manufacturing companies (the final consumer), while wholesale vendors have a participation of 23 %; this percentage contrasts with the 66 % sold to wholesale vendors by Mexican sawmills.

Chapela (2012) establece que la cantidad de operaciones con maderas tropicales es relativamente reducida, por lo que los canales de comercialización tienen limitaciones debidas a la elevada cuota de costos fijos, que conllevan a mantener campañas, representaciones y operaciones en escalas modestas. Las empresas que comercializaron únicamente al mayoreo tuvieron un precio de venta muy por debajo de las que vendieron al menudeo, lo que les permitió tener precios más competitivos.

Figure 6b shows that companies that commercialize their products directly to the final consumer have better sales per volume. This shows the importance of eliminating intermediaries and

La alta participación de los mayoristas e intermediarios en el mercado de madera tropical en México es opuesta a la tendencia mundial en el mercado de los productos forestales. Juslin y Hansen (2003) anotan que los intermediarios están siendo eliminados de los canales de distribución con el fin de favorecer la distribución directa. En los años 70, los pequeños

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Silva et al., Diagnóstico de la Industria de transformación primaria...

aserraderos podían utilizar un canal de distribución que incluía agentes de exportación e importación, un importador y un distribuidor. Sin embargo, para los 90 esto había cambiado significativamente, con grandes compañías que usaban estructuras más verticales con más etapas bajo su control inmediato. Perkins (2009) registra que 37 % de la madera producida por los aserraderos estadounidenses de maderas de latifoliadas se vende a las empresas de manufactura (consumidor final), mientras que los mayoristas tienen una participación de 23 %; en contraste con el dato de 66 % de las ventas a mayoristas de los aserraderos mexicanos.

seeking more effective options to commercialize the products. According to Juslin and Hansen (2003), today there are less intermediaries in the market of forest products than in the past; this is partially a result of large consumers, producing companies, and the power offered to these by the market. Target markets. Most companies sell their products in the regional market (50 %), at a national level (17 %), and at regional and national (13 %), regional, national and export (13 %), and regional and export levels (7 %). The type of market has an impact on the sales by volume; the companies that export their products obtain better sales prices than those that sell exclusively to the national market.

En la Figura 6b se observa que las empresas que comercializan sus productos directamente al consumidor final presentan mejores ventas por volumen. Esto muestra la

Figura 6. (a) Proporción de los canales de distribución del total de la madera producida por estado. (b) Tipos de clientes de las empresas estudiadas en el sureste mexicano. Figure 6. (a) Proportion of the distribution channels of the total timber produced by the state. (b) Types of customers of the studied companies in Southeast Mexico. importancia de eliminar intermediarios y buscar opciones más efectivas para comercializar los productos. Juslin y Hansen (2003) indican que en la actualidad hay en el mercado de los productos forestales menos intermediarios que en el pasado, lo cual es parcialmente un resultado de los grandes consumidores, compañías productoras y el poder que les ofrece el mercado.

Volume and sales price. The monthly sales of the sawmills showed great variability between companies, with an average of 2.13 million pesos and a coefficient of variation of 118.7 %, with an interval of $83 000 to $11 700 000. The highest figures were registered in Tabasco, with an average of $3 330 000, while Yucatán had the lowest figures, with $960 000. Thus, the companies with the largest timber production are located in Tabasco, and those with the smallest production, in Yucatán. Of the total of companies considered in the study, 25 % obtain less than $570 000, and another 25 %, more than $2 850 000 per month (Figure 7).

Mercados objetivo. La mayoría de las empresas venden sus productos en el mercado regional (50 %), a nivel nacional (17 %), regional y nacional (13 %), regional, nacional y de exportación (13 %), y regional y de exportación (7 %).

An average of $7 744 m3 -1 was obtained from the sale of sawn wood, with an interval of $2 014 to $12 720 m3 -1. The lowest average ($5 496m3 -1) was registered in Tabasco, and the highest ($12 296m3 -1), in Distrito Federal. Probable reasons for this are the transportation costs, the demands of the market and the added value of the wood, since it is sold dry and planed down in Distrito Federal.

El tipo de mercado influye en las ventas por volumen, las empresas que exportan sus productos obtienen un mejor precio de venta, en comparación con las que solo lo llevan a cabo en el ámbito nacional.

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 202-221

Volumen y precio de venta. Las ventas mensuales de los aserraderos mostraron una gran variabilidad entre las empresas, con un promedio de 2.13 millones de pesos y un coeficiente de variación de 118.7 %, con un intervalo de $83 000 a $11 700 000. En Tabasco se registraron las cifras

The cost of Mexican tropical wood is higher than that of tropical wood exported from Brazil, the main exporter of Latin America. Tuoto (2009) points out that the FOB sales price of tropical sawn wood in Brazil is US$500, which is below the

Figura 7. Histograma de frecuencias de las ventas totales de las empresas estudiadas en el Sureste Mexicano. Figure 7. Histogram of the frequency of total sales of the studied companies in Southeast Mexico. más altas con un promedio de $3 330 000, mientras que a Yucatán le correspondieron las menores con $960 000. Lo anterior resulta de que en Tabasco se localizan las empresas de mayor producción de madera y en Yucatán las de menor tamaño. Del total de compañías consideradas en el estudio, 25 % obtiene menos de $570 000 y otro 25 % más de $2 850 000 mensuales (Figura 7).

price registered in Mexico; this justifies the increase in the volume of imported tropical wood. Productivity information. Tabasco had the highest values in terms of productivity (m3man-hour-1), followed by Quintana Roo, and the least productive state was Jalisco (Table 3). As for the days of operation of the sawmills per year, it was observed that there are less work days in Quintana Roo and Campeche. This may be because the two states concentrate the largest portion of communal industries with an exploitation volume assigned by Semarnat, which in most cases is below their installed capacity of transformation. The conversion costs are represented by the amounts charged by certain industries for the maquila work that they perform; Quintana Roo was the state with the highest costs, while Campeche had the lowest.

Respecto al precio de venta de la madera aserrada, se obtuvo un promedio de $7 744 m3 -1, con un intervalo de $2 014 a $12 720 m3 -1. En Tabasco se registró el promedio más bajo ($5 496m3 -1) y el mayor en el Distrito Federal ($12 296m3 -1); una probable razón son los costos de transporte, las exigencias del mercado y el valor agregado de la madera, ya que en el Distrito Federal se vende seca y cepillada. El costo de la madera tropical mexicana es superior al de la madera tropical de exportación de Brasil, principal exportador de América Latina. Tuoto (2009) señala que el precio de venta

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Silva et al., Diagnóstico de la Industria de transformación primaria...

FOB en Brasil de la madera tropical aserrada es de US$500, el cual es menor al precio registrado en México y que justifica el incremento en el volumen de madera tropical importada.

According to Acosta et al. (2012), the productivity of L. castilloi (machiche) wood is 0.027 m3man-hour-1 in a sawmill whose purpose is to obtain wood with a large heartwood content. The productivity raises as the diameter, the length of the logs and the feed rate increase.

Información de productividad. En términos de productividad (m3hombre-hora-1), Tabasco tuvo los valores más altos, seguido por Quintana Roo y el menos productivo fue Jalisco (Cuadro 3). Con respecto a los días operados por los aserraderos al año, se observó que en Quintana Roo y Campeche se labora un número menor de días al año; esto puede deberse a que en ellos se concentra la proporción más grande de industrias ejidales que cuentan con un volumen de aprovechamiento asignado por la Semarnat, el cual en la mayoría de los casos es inferior a su capacidad instalada de transformación. Los costos de conversión están representados por lo que cobran algunas industrias por la maquila que realizan; al respecto, Quintana Roo fue el que tuvo los mayores costos, mientras que en Campeche se determinaron los más bajos.

Handling and uses of the residues. 42 % of the studied companies give the residues away, 18 % sell them, and 15 % burn them (Table 4); these actions have a negative environmental impact and imply a lack of knowledge of the potential use of the residues. Perkins (2009) points out that 93 % of the broadleaf wood sawmills in the east of the United States commercialize the shavings, with an average price of US$27.86 per ton, and 89 % sell the sawdust at an average price of US$17.24 per ton. According to ITTO (2007b), the main limiting factors for the use of the residues of the tropical forest industry are the enormous distances between the production sites and the potential markets, the lack of investment in technology and of incentives for the use of

Cuadro 3. Datos de productividad mensuales para los 23 aserraderos en los que se aplicaron encuestas. Concepto

Productividad

Costos de conversión*

Estado

(m hombre-hora )

Días operadas por el aserradero al año

Tabasco

0.30

365

Quintana Roo

0.06

241

2.65

Yucatán

0.04

365

2.50

Campeche

0.04

273

2.45

Jalisco

0.03

365

Promedio total

0.06

284

2.60

3

-1

($ pt-1)

*Son los costos presentados por las empresas que realizan maquila del aserrado de la madera.

Table 3. Monthly productivity data for the 23 sawmills surveyed.

Concept

Productivity

Conversion costs*

(m man-hour )

Days of operation of the sawmill per year

State Tabasco

0.30

365

Quintana Roo

0.06

241

2.65

Yucatán

0.04

365

2.50

Campeche

0.04

273

2.45

Jalisco

0.03

365

Total average

0.06

284

2.60

3

-1

($ pt-1)

* These are the costs presented by the companies that perform maquila work sawing the wood.

Acosta et al. (2012) consignan una productividad de 0.027 m3hombre-hora-1 para madera de L. castilloi (machiche) en un aserradero, cuyo objetivo es la obtención de madera de largas dimensiones del duramen. La productividad se incrementa a medida que aumentan el diámetro, la longitud de las trozas y la velocidad de alimentación.

wood residues, inadequate environmental regulations, absence of vertical and horizontal integrations in the industries, and failure to adopt sustainable forest management practices.

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Manejo y usos de los residuos. En las compañía sujetas a estudio, 42 % regalan los residuos, 18 % los venden y 15 % los queman (Cuadro 4), acciones que implican un impacto ambiental negativo y un desconocimiento del uso potencial de los desperdicios. Perkins (2009) indica que en los aserraderos de madera de latifoliadas del este de Estados Unidos de América, 93 % comercializa la viruta, con un precio promedio de $US27.86 la tonelada; y 89 % el aserrín, a un precio promedio de $US17.24 la tonelada. De acuerdo con la ITTO (2007b), las principales limitantes para el uso de los residuos de la industria tropical forestal son las grandes distancias de los sitios de producción a los posibles mercados, la falta de inversión tecnológica e incentivos para el uso de residuos de madera, regulaciones ambientales inadecuadas, ausencia de integraciones verticales y horizontales en las industrias, así como no adopción de prácticas de manejo forestal sustentable.

In Brazil, most residues generated by the tropical forest industry are burnt or accumulated in the factories. A similar situation was observed in the sawmills of Southeast Mexico. The ITTO (2007b) documents that in Brazil improvements have been made for their exploitation in the generation of thermal energy by large and medium-sized sawmills. Furthermore, some industries are using them, as a substitute for diesel, to produce their own electricity.

Cuadro 4. Disposición de los residuos producidos en el aserradero. Costeras Usos

Viruta

Aserrín

Número empresas

Porcentaje

Número empresas

Porcentaje

Número empresas

Porcentaje

Regala

9

31

12

42

15

52

Vende

8

28

5

17

3

10

Leña/carbón

5

17

1

3

0

0

Quema

1

3

6

21

6

21

Otros

6

21

5

17

5

17

Table 4. Disposal of the waste produced at the sawmill. Chips Uses

Shavings

Sawdust

Number of companies

Percentage

Number of companies

Percentage

Number of companies

Percentage

Gives away

9

31

12

42

15

52

Sells

8

28

5

17

3

10

Firewood/charcoal

5

17

1

3

0

0

Burns

1

3

6

21

6

21

Others

6

21

5

17

5

17

En Brasil, la mayoría de los residuos generados por la industria forestal tropical son quemados o acumulados en las fábricas. Una situación similar se observó en los aserraderos del sureste mexicano. La ITTO (2007b) documenta que en Brasil se han realizado mejoras para su aprovechamiento en la generación de energía térmica por parte de los aserraderos medianos y grandes. Además, algunas industrias están usándolos para producir su propia electricidad, como sustituto del diesel.

Conclusions The efficiency and productivity of the primary tropical wood transformation industry is affected by an unstable flow of raw materials and by the insufficient strategic alliances between the various links of the productive chain.

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Silva et al., Diagnóstico de la Industria de transformación primaria...

Most machinery utilized by the primary tropical wood transformation industry is 11 to 30 years old, receives little preventive maintenance and is inappropriate for the type of available raw wood materials, all of which results directly in a low productivity.

Conclusiones La eficiencia y productividad de la industria de transformación primaria de maderas tropicales es afectada por un flujo inestable de materia prima y la escasa presencia de alianzas estratégicas entre los diferentes eslabones de la cadena productiva.

The most widely commercialized woods are Eucaliptus spp. and Gmelina arborea, from CFPs; Swietenia macrophylla and Lysiloma latisiliquum, from natural forests and, in a lesser proportion, Metopium brownie (Jacq.) Urb., Swartzia. cubensis (Britton & P. Wilson) Standl., Enterolobium cyclocarpum (Jacq.) Griseb., Lonchocarpus castilloi and Cedrela odorata L.

La mayoría de la maquinaria que utiliza la industria de transformación primaria de maderas tropicales tiene entre 11 y 30 años de antigüedad, recibe poco mantenimiento preventivo y es inapropiada para el tipo de madera prima disponible, lo cual incide directamente en una baja productividad.

The scarce technological and road infrastructure of Southeast Mexico is a limiting factor for the positioning of the industries in the national and international markets, since they increase extraction, exploitation and transportation costs, and therefore raise the price of the wood.

Las maderas con mayor comercialización son Eucaliptus spp. y Gmelina arborea, provenientes de PFC; además de Swetenia macrophylla y Lysiloma latisiliquum procedentes de bosques naturales. En menor proporción: Metopium brownei (Jacq.) Urb., Swartzia cubensis (Britton & P. Wilson) Standl. Enterolobium cyclocarpum (Jacq.) Griseb., Lonchocarpus castilloi Standl. y Cedrela odorata L.

The forest residues of the sawing process are not utilized due to lack of knowledge of the appropriate technologies and of incentives for their exploitation. Most of these residues are given away, sold or burnt.

La escasa infraestructura tecnológica y vial del Sureste Mexicano es una limitante para el posicionamiento de las industrias en el mercado nacional e internacional, debido a que incrementan los costos de extracción, aprovechamiento y transporte que, a su vez, elevan el costo de la madera.

Conflict of interests The authors declare no conflict of interests.

Los residuos forestales del proceso de aserrío no se utilizan por desconocimiento de tecnologías y falta de incentivos para su aprovechamiento. La gran mayoría se regalan, venden o queman.

Contribution by author Jose Antonio Silva Guzmán: original idea, planning and work coordination, negotiation of materials and financial resources for the development of the experiment, advice and review of experimental results, writing and correction of the manuscript; Alejandra María Ramírez Arango: execution of the experiment and data collection, calculation and statistical analysis and correction of the manuscript; Francisco Javier Fuentes Talavera: conception of the original idea, review of results of the experimental work, writing and correction of the document; Raúl Rodríguez Anda: advisor of the experimental work and review of the manuscript; José Turrado Saucedo: advisor of the experimental work and review of the manuscript; Hans Georg Richter: co-worker of the project, advisor of the experimental work and review of the document.

Conflicto de intereses Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Contribución por autor Jose Antonio Silva Guzmán: concepción, planeación, y coordinación del trabajo, gestión de recursos materiales y económicos para el desarrollo experimental, diseño experimental, asesoría y revisión de resultados experimentales, redacción y corrección del manuscrito; Alejandra María Ramírez Arango: desarrollo experimental y colecta de datos, cálculos y análisis estadísticos, redacción y corrección del escrito; Francisco Javier Fuentes Talavera: concepción de la idea, revisión de resultados de trabajo experimental, redacción y corrección del documento; Raúl Rodríguez Anda: asesor del trabajo experimental y revisión del manuscrito; José Turrado Saucedo: asesor del trabajo experimental y revisión del escrito; Hans Georg Richter: colaborador del proyecto, asesor del trabajo experimental, revisión de los resultados y del texto.

Acknowledgements This research was made possible thanks to the support provided by the International Tropical Timber Organization through the PD 385 05 Project Rev 4 (IF): Industrialization, commercialization and sustainable management of ten native species.

End of the English version

Agradecimientos Esta investigación fue posible gracias al apoyo otorgado por la Organización Internacional de Maderas Tropicales, mediante el proyecto PD 385 05 Rev 4 (IF): Industrialización, comercialización y manejo sostenible de diez especies nativas mexicanas.

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol. 6 (28) : 202-221

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Silva et al., Diagn贸stico de la Industria de transformaci贸n primaria...

221


222


CONSEJO ARBITRAL Argentina Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria.- M.Sc. Leonel Harrand Museo Argentino de Ciencias Naturales.- Dra. Ana María Faggi Instituto Argentino de Investigaciones de las Zonas Áridas (Iadiza).- Dr. Eduardo Martínez Carretero

Canadá Universitè Laval, Québec.- Ph. D. Roger Hernández

Cuba Instituto de Investigaciones Fundamentales en Agricultura Tropical.- Dra. Amelia Capote Rodríguez Unión Nacional de Escritores y Artistas de Cuba.- Dra. Raquel Carreras Rivery

Chile Universidad del Bío Bío.- Dr. Rubén Andrés Ananias Abuter

España CIFOR-INIA.- Dr. Eduardo López Senespleda, Dr. Gregorio Montero González, Dr. Sven Mutke Regneri Fundación CEAM.- Dra. María José Sánz Sánchez Universidad de Oviedo.- Dr. Elías Afif Khouri Universidad Politécnica de Madrid.- Dr. Alfredo Blanco Andray, Dr. Luis Gil Sánchez, Dr. Alfonso San Miguel-Ayanz, Dr. Eduardo Tolosana, Dr. Santiago Vignote Peña

Estados Unidos de América New Mexico State University.- Ph.D. John G. Mexal Northern Arizona University .- Ph.D. Peter Z. Fulé University of Colorado at Denver.- Ph.D. Rafael Moreno Sánchez University of Florida.- Ph.D. Francisco Javier Escobedo Montoya United States Department of Agriculture, Forest Service.- Dr. Mark E. Fenn, Dr. Carlos Rodriguez Franco

Italia International Plant Genetic Resources Institute.- Dra. Laura K. Snook

México .Asociación Mexicana de Arboricultura.- Dr. Daniel Rivas Torres. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.- Dr. José F. Conrado Parraguirre Lezama. Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C. Dra. Luz María del Carmen Calvo Irabién Ph.D. José Luis Hernández Stefanoni Centro de Investigación y Docencia Económicas.- Dr. Alejandro José López-Feldman Centrogeo / Conacyt.- Dra. Alejandra López Caloca. Colegio de la Frontera Sur.- Dr. Bernardus H. J. de Jong, Dr. Mario González Espinosa, Ph.D. Jorge E. Macías Sámano, Dr. Neptalí Ramírez Marcial, Dr. Cristian Tovilla Hernández, Dr. Henricus Franciscus M. Vester Colegio de Postgraduados.- Dr. Arnulfo Aldrete, Dr. Dionicio Alvarado Rosales, Dr. Víctor M. Cetina Alcalá, Dra. Ma. de Lourdes de la Isla de Bauer, Dr. Héctor M. de los Santos Posadas, Dr. Armando Equihua Martínez, Dr. Ronald Ferrara-Cerrato, Dr. Edmundo García Moya, Dr. Manuel de Jesús González Guillén, Dr. Jesús Jasso Mata, Dr. Lauro López Mata, Dr. Javier López Upton, Dr. Martín Alfonso Mendoza Briseño, Dr. Antonio Trinidad Santos, Dr. Juan Ignacio Valdés Hernández, Dr. José René Valdez Lazalde, Dr. J. Jesús Vargas Hernández, Dra. Heike Dora M. Vibrans Lindemann El Colegio de México.- Dra. María Perevochtchikova

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El Colegio de Tlaxcala, A.C..- M.C. Noé Santacruz García Instituto de Ecología, A. C..- Dr. Pedro Guillermo Ángeles Álvarez, Dr. Ismael Raúl López Moreno Instituto Politécnico Nacional.- Dr. Alejandro Daniel Camacho Vera, Ph.D. José de Jesús Návar Cháidez, M.C. D. Leonor Quiroz García, Ph.D. Sadoth Sandoval Torres Servicios Ambientales y Cambio Climático, A. C.-.- Dr. José A. Benjamín Ordoñez Díaz Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro.- Dr. Eladio Heriberto Cornejo Oviedo, M.C. Salvador Valencia Manzo Universidad Autónoma Chapingo.- M.C. Beatriz Cecilia Aguilar Valdez, M.C. Baldemar Arteaga Martínez, Dra. Emma Estrada Martínez, M.C. Mario Fuentes Salinas, M.C. Enrique Guízar Nolazco, Dra. María Isabel Palacios Rangel, Dr. Hugo Ramírez Maldonado, Dr. Dante Arturo Rodríguez Trejo, Dr. Leonardo Sánchez Rojas, Dr. Enrique Serrano Gálvez, Dra. Ernestina Valadez Moctezuma, Dra. María Isabel Palacios Rangel Universidad Autónoma de Baja California Sur.- Dr. José Antonio Martínez de la Torre Universidad Autónoma de Chihuahua.- Ph.D. Concepción Luján Álvarez, Ph.D. Jesús Miguel Olivas García Universidad Autónoma de Guadalajara.- Dr. Mauricio Alcocer Ruthling Universidad Autónoma de Nuevo León .- Dr. Glafiro J. Alanís Flores, Dr. Enrique Jurado Ybarra, Dr. José Guadalupe Marmolejo Monsiváis, Dr. Eduardo Javier Treviño Garza Universidad Autónoma de Querétaro.- Dr. Luis Gerardo Hernández Sandoval Universidad Autónoma de San Luis Potosí.- M.C. Carlos Arturo Aguirre Salado Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo.- Dra. Ana Laura López Escamilla, Dr. Ángel Moreno Fuentes Universidad Autónoma del Estado de México.- Dr. Darío Ibarra Zavala, Dr. Armando Burgos-Solorio Universidad Autónoma Indígena de México.- Dra. Hilda Susana Azpiroz Rivero Universidad Autónoma Metropolitana.- Dr. Héctor Castillo Juárez, Dra. Carmen de la Paz Pérez Olvera Universidad de Guadalajara.- Dr. Luis Ramón Bravo García, Dr. Ezequiel Delgado Fourné, Dr. Francisco Javier Fuentes Talavera, Dra. María Guadalupe Lomelí Ramírez, M.C. Roberto Novelo González, Dr. Rubén Sanjuán Dueñas Universidad del Mar.- M.C. Verónica Ortega Baranda Universidad Juárez del Estado de Durango.-Dr. Javier Leonardo Bretado Velázquez, Dr. Hermes Alejandro Castellanos Bocaz, Dr. José Javier Corral Rivas, Ph.D. José Ciro Hernández Díaz, Dr. Marín Pompa, García, Dr. José Ángel Prieto Ruíz Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.- Dr. José Cruz de León, M.C. Marco Antonio Herrera Ferreyra, Dr. Alejandro Martínez Palacios, Dr. José Guadalupe Rutiaga Quiñones, Dr. David Zavala Zavala Universidad Nacional Autónoma de México.- Dra. María del Consuelo Bonfil Sanders, Dr. Humberto Bravo Álvarez, Dra. Eliane Ceccón, Dr. Joaquín Cifuentes Blanco, Dr. Abisaí Josué García Mendoza, Dr. Roberto Garibay Orijel, Dr. Julio Alberto Lemos Espinal, Dr. Daniel Piñero Dalmau, Dr. Américo Saldívar Valdés, Dra. Teresa Terrazas Salgado, M.C. Verónica del Pilar Reyero Hernández, Dra. Ana Laura Wegier Briuolo Universidad Veracruzana.- Dr. Lázaro Rafael Sánchez Velásquez Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias.- Dr. Miguel Acosta Mireles, Dr. Juan de Dios Benavides Solorio, Dr. Fernando Carrillo Anzures, Dr. Carlos Román Castillo Martínez, Dr. José Gilberto Chávez León, Dr. José Germán Flores Garnica, M.C. Antonio González Hernández, Dr. Vidal Guerra de la Cruz, Dr. José Amador Honorato Salazar, Dr. Fabián Islas Gutiérrez, Dr. Emiliano Loeza Kuk, M.C. José Francisco López Toledo, Dr. Martín Martínez Salvador, Dra. Aixchel Maya Martínez, Dr. José Isidro Melchor Marroquín, M.C. Carlos Mallén Rivera, Dr. Ramiro Pérez Miranda, Dr. Guillermo Sánchez Martínez, Dr. Erasto Domingo Sotelo Ruiz, Dr. Arturo Gerardo Valles Gándara, Dr. José Villanueva Díaz, M.C. Eulalia Edith Villavicencio Gutiérrez. Dr. Fernando Carrillo Anzures, Dr. Francisco Becerra Luna, M.C. Georgel Moctezuma López, M.C. Francisco Moreno Sánchez M.C. Martín Enrique Romero Sánchez, Dr. Juan Carlos Tamarit Urias, M.C. Efraín Velasco Bautista Consultores Privados.- Dr. Gustavo Cruz Bello, M.C. Juan Islas Gutiérrez, M.Sc. Rosalía A. Cuevas Rangel, Dra. Teresita del Niño Jesús Marín Hernández

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Revista Mexicana de Ciencias Forestales Vol 6, no 28  
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