CARACTERIZACIÓN ESPECTROSCÓPICA,
MORFOLÓGICA Y POR MICROANÁLISIS
DE LA BIOMASA DE LOS CLADODIOS
DE OPUNTIA CARACASANA SALM- DYCK
SPECTROSCOPIC, MORPHOLOGICAL
AND MICROANALYSIS CHARACTERIZATION OF THE
BIOMASS OF OPUNTIA CARACASANA SALM-DYCK CLADODES
Iliana Jiménez-Ramos1*, Maidys Bermúdez de Ramírez1,
Blanca Rojas de Gáscue 2, José Luis Prin 2& Luisa Rojas de Astudillo3
Recibido: 4 de noviembre 2021 / Aceptado: 14 de enero 2022
DOI 10.26807/ia.v10i1.227
Palabras clave: biomasa, fibra lignocelulósica,
O. caracasana Salm-Dyck, pectina.
Keywords: biomass, lignocellulosic fiber,
O. caracasana Salm-Dyck, pectin.
1 Universidad Politécnica Territorial del Oeste de Sucre “Clodosbaldo Russián”, Cumaná, Venezuela. (*
correspondencia: jimenez.1809@gmail.com, maidysbdr01@gmail.com)
2Universidad de Oriente, Instituto de Investigaciones en Biomedicina y Ciencias Aplicadas “Dra. Susan
Tai”, Cumaná, Venezuela. (blanca.gascue@gmail.com, joseluis_prin@hotmail.com)
3Universidad de Oriente, Departamento de Química, Escuela de Ciencias, Núcleo de Sucre, Cumana,
Venezuela, (lrojas40@yahoo.com)
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DE
OPUNTIA CARACASANA
SALM- DYCK
Jiménez et. al., 143–156
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RESUMEN
En esta investigación se caracterizó espectroscópicamente, morfológicamente
y por microanálisis la biomasa seca de los cladodios de la cactácea Opuntia
caracasana y un material resultante después de su tratamiento con KOH
(MVT). Los resultados del análisis por FTIR indicaron que la biomasa seca
contiene grupos funcionales que señalan la presencia de lignina, celulosa,
hemicelulosa y pectina en los cladodios de la cactácea. Además, en el mate-
rial tratado con KOH se identificaron señales intensas correspondientes al éter
glicosídico de la celulosa presente en la fibra. La morfología de la biomasa
seca se determinó mediante Microscopía Electrónica de Barrido acoplado a
un detector de Energía Dispersiva de Microanálisis de Rayos X, observándose
la presencia de cristales aglomerados en la superficie del material vegetal y
en el material MVT se determinó la presencia de cavidades y fibras. Por medio
del microanálisis de la biomasa seca, el calcio fue detectado como elemento
mayoritario y fue también detectado en el material MVT. Los resultados obte-
nidos permiten inferir que la biomasa seca y el material MVT de O. caracasana
tienen potencialidades para el desarrollo de materiales sustentables que pue-
den ser usados en la industria alimenticia, farmacéutica y como adsorbentes
de contaminantes en medios acuosos.
ABSTRACT
In this investigation, the biomass of Opuntia caracasana and a resulting ma-
terial after treatment with KOH (TVM) were characterized spectroscopically,
morphologically and by microanalysis. The results of the FTIR analysis indi-
cated that the dry biomass contains functional groups that indicate the pre-
sence of lignin, cellulose, hemicellulose and pectin in the cladodes of the
cactus. In addition, strong signals corresponding to the glycosidic ether of ce-
llulose were identified in the material TVM. The morphology of the dry bio-
mass and the material TMV were determined by Scanning Electron Microscopy
coupled to an X- Ray Microanalysis Energy Dispersive Detector (SEM-EDS),
the agglomerated crystals were observed on the surface of de dry biomass and
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DE
OPUNTIA CARACASANA
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the presence of cavities and fibers in the material TVM. By means of microa-
nalysis, calcium was detected as the majority element in the dry biomass and
was also detected in the material TVM. The results obtained allow us to infer
that the dry biomass and the TVM material of O. caracasana have potentialities
for the development of sustainable materials that can be used in the food and
pharmaceutical industries and as adsorbents for pollutants in aqueous media.
INTRODUCCIÓN
La familia de cactáceas constituye
una de las familias de plantas vascu-
lares más representativas de las re-
giones áridas y semiáridas del
continente americano y el Caribe,
siendo el género Opuntia el más re-
presentativo de esta familia, con
cerca de 191 especies, ampliamente
distribuidas en América (Varela et al.,
2016).
Las especies del género Opuntia
pueden tolerar la sequía prolongada,
altas temperaturas, viento y suelos
erosionados. Esto se debe principal-
mente a que son plantas con meta-
bolismo ácido de crasulácea (plantas
CAM), una adaptación fotosintética
al estrés ambiental. La fotosíntesis
CAM reduce significativamente el
consumo de agua de la planta al
capturar el CO2durante la noche
(Astello-García et al., 2015). Esta ha-
bilidad de tolerancia puede ser
usada para disminuir la acumula-
ción de CO2en la atmósfera y tam-
bién como reserva de agua en zonas
áridas y semiáridas. Además, las
hacen ideales para el desarrollo de
la agricultura en áreas afectadas por
el cambio climático y la desertifica-
ción. Desde el año 2006, la Organi-
zación de las Naciones Unidas para
la Agricultura y la Alimentación
(FAO) ha exhortado a las naciones
para formular estrategias globales de
desarrollo y explotación integral del
cultivo de plantas del género Opun-
tia, y elaborar programas específicos
para cada región o país. (Ochoa &
Barbera, 2018).
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InfoANALÍTICA 10(1)
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Por otra parte, en los últimos años,
los materiales obtenidos a partir de
la biomasa han recibido un gran in-
terés a nivel industrial, esto es de-
bido al deseo humano de consumir
productos sostenibles y ecológicos
(Mannai et al., 2020a). Una revisión
realizada por Nharingo & Moyo
(2016) destacó los numerosos usos
de la especie Opuntia ficus indica,
los cuales van desde aplicaciones
farmacéuticas hasta tratamiento de
agua. Un ejemplo de este tipo de
aplicaciones la reseña González et
al. (2015), en ese estudio se com-
paró la efectividad de la Opuntia
ficus indica y la Opuntia wentiana
(Opuntia caracasana) como coagu-
lantes en la clarificación del agua.
También, la fibra celulósica presenta
muchas ventajas interesantes, entre
ellas, su abundancia, baja densidad,
buenas propiedades mecánicas y
biodegradabilidad (Mannai et al.,
2020a). Por lo que el reciclaje de la
biomasa procedente de residuos del
cultivo de Opuntias y convertirla en
subproductos de alto valor añadido,
implica no sólo una reducción de
los costes de gestión de los cultivos,
sino que podría generar una diversi-
ficación de ingresos para los agricul-
tores que se dediquen a este tipo de
cultivos (Procacci et al., 2021).
En Venezuela se conocen 40 espe-
cies de cactáceas con distribución
geográfica bastante disímiles y, en
este país, pese a su importancia eco-
lógica y potencial uso económico,
este tipo de plantas ha sido relativa-
mente poco estudiadas. Actualmente
se encuentran sometidas a diversas
fuentes de impacto ambiental, tales
como la erosión eólica e hídrica, so-
brexplotación urbana y pérdida de
vegetación perenne; y estos proble-
mas atentan contra la biota de las
zonas áridas y semiáridas del país
(Nassar et al., 2013). En ese sentido,
es importante realizar investigacio-
nes que permitan fomentar la con-
servación, agricultura ecológica y
uso sostenible de este tipo de plan-
tas. Por lo que el propósito de esta
investigación fue caracterizar la bio-
masa del cladodio de Opuntia cara-
casana, una planta autóctona y
distribuida ampliamente en Vene-
zuela, y por medio de la caracteriza-
ción espectroscópica, morfológica y
el microanálisis determinar algunas
propiedades para fomentar su valo-
ración como posible fuente para el
desarrollo de materiales sustenta-
bles.
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Procesamiento del cladodio de
Opuntia caracasana
La recolección de un kilogramo de
cladodios se realizó en el sector Las
Charas, Cumaná, Venezuela. Poste-
riormente, las muestras se traslada-
ron al laboratorio para remover las
espinas y se realizó el lavado con
agua desionizada. Después, se se-
paró el mucílago de los cladodios
para la extracción de pectina con
ácido cítrico, usando la metodología
sugerida por Maldonado et al.
(2010), obteniéndose los mejores re-
sultados de la hidrólisis ácida, utili-
zando ácido cítrico a 0,2 mol/L, a
pH 3,88, a una temperatura de 80
oC, durante 50 minutos de agitación
constante. El resto de los cladodios
(biomasa) se secó a temperatura am-
biente. Luego, se realizó la molienda
de la biomasa, utilizando un molino
manual de uso doméstico y si-
guiendo la metodología de Lárez-
Velasquez et al. (2014). El polvo de
la biomasa se secó en una estufa a
80 ºC, durante 8 horas. De este
polvo, se tomó 1 g para hacer carac-
terizaciones respectivas, y 5 g para
el tratamiento alcalino con 15 mL de
KOH al 20 % m/v, con agitación por
5 horas a temperatura ambiente, se-
guido del lavado con agua desioni-
zada y filtrado con membranas de
0,45 micras, se verificó el pH del
agua de lavado hasta que se obtuvo
pH neutro. Finalmente, el material
vegetal tratado con KOH (MVT) se
colocó a secar en una estufa a 105
ºC antes de la caracterización.
Caracterización de los materiales
El estudio de caracterización de los
grupos funcionales presentes en los
materiales (biomasa seca y MVT) se
realizó mediante espectroscopía in-
frarroja con transformada de Fourier
(FTIR) en un equipo Perkin Elmer
modelo Spectrum Frontier. La prepa-
ración de la pastilla para el análisis
de la muestra en el FTIR consistió en
pesar por separado aproximada-
mente 0,015 g de biomasa seca y de
MVT, seguido de 0,450 g de bro-
muro de potasio (KBr). Los materia-
les en estudio y el KBr se colocaron
en una estufa a 60 ºC para remover
toda la humedad, luego cada mate-
rial se mezcló con KBr y por com-
presión se realizó una pastilla para
MATERIALES Y MÉTODOS
su posterior análisis en el esprectró-
metro FTIR. La morfología de ambos
materiales, además de la composi-
ción elemental semicuantitativa, se
determinó con un Microscopio Elec-
trónico de Barrido (MEB) marca Hi-
tachi modelo S2400, acoplado con
un detector de Energía Dispersiva de
Microanalisis de Rayos X (EDS), ope-
rado con un voltaje de aceleración
de 20 KeV.
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InfoANALÍTICA 10(1)
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RESULTADOS
El análisis mediante FTIR permitió
identificar los grupos funcionales
presentes en la biomasa seca y en el
MVT. En la Figura 1A correspon-
diente al espectro FTIR de la bio-
masa se observó una señal
importante alrededor de los 3390
cm-1, la cual se puede asignar a la vi-
bración del enlace O-H presente en
la estructura. En adición, a 2900 cm-
1se observa una señal que puede ser
originada por la presencia de los en-
laces H-C-H en la celulosa y hemi-
celulosa. También se observa una
señal significativa alrededor de 1620
cm-1 que se atribuye al estiramiento
del enlace C=O en el anillo aromá-
tico presente en la lignina, en 1420
cm-1 apareció otra señal importante
debido al acoplamiento entre la fle-
xión O-H en el plano y el estira-
miento del enlace C-O en los ácidos
carboxílicos, esa señal también
identifica al enlace H-C-H en la he-
micelulosa. De igual manera cer-
cano a 1300 cm-1 se observó una
señal correspondiente al grupo C-O
presente en el anillo aromático de
los polisacáridos.
Figura 1. Espectro de infrarrojo de
A) biomasa seca (Línea negra).
B) MVT (Línea roja)
En la Figura 1B se presenta el espec-
tro del material obtenido después
del tratamiento con KOH, donde se
evidenciaron cambios en algunas se-
ñales: específicamente disminuyó la
intensidad de la señal en 1420 cm-1,
aumentó la señal cercana a 1300
cm-1 y la de 1150 cm-1 que corres-
ponde al enlace del éter glicosídico
de la celulosa. La técnica MEB per-
mitió obtener información respecto
a la morfología superficial, tanto de
la biomasa seca del cladodio molido
de O. caracasana, como de los cam-
bios que ocurrieron en el material
(MVT) después del tratamiento con
KOH, y el estudio mediante MEB-
EDS permitió identificar de manera
semicuantitativa la composición ele-
mental de los materiales. En la Fi-
gura 2A se evidenció que las
partículas de la biomasa del clado-
dio tenían forma heterogénea y esta-
ban distribuidas de manera dispersa.
También se pudo distinguir la textura
rugosa del material vegetal, y unas
partículas depositadas encima del
tejido vegetal. En Figura 2B de
mayor aumento, se observan varios
cristales aglomerados, y el estudio
mediante MEB-EDS reafirmó la pre-
sencia mayoritaria de C y O en la
biomasa analizada, de igual manera
se evidenció el contenido de otros
nutrientes en la biomasa del clado-
dio como: Ca, Mg, Zn, Mo, K siendo
el calcio el elemento mayoritario.
Figura 2. Micrografías de la biomasa
seca de los cladodios
y su microanálisis MEB-EDS
En la micrografía de material MVT,
presentada en la Figura 3A, se obser-
van algunas cavidades que indican
mayor porosidad y área específica.
El tratamiento alcalino con KOH fa-
voreció la separación de las fibras
presentes en la biomasa del cladodio
(Figura 3B), debido a la solubiliza-
ción de algunos componentes como
la hemicelulosa y la pectina, mante-
niéndose como un material lignoce-
lulósico. Otro aspecto importante es
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SALM- DYCK
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Element Weight
CK 66,19
OK 28,27
MgK 8,31
ClK 8,55
KK 8,72
CaK 3,56
ZnK 8,12
MoL 8,29
que después del tratamiento con
KOH y el lavado con agua desioni-
zada no fueron detectados los ele-
mentos K, Mg, Mn, Mo y Zn en el
material MVT, solo se evidenció la
presencia mayoritaria de carbono,
oxígeno y un menor porcentaje de
calcio (6,22 %).
Figura 3. Micrografías del material MVT
obtenido después del tratamiento con
KOH y su microanálisis MEB-EDS
150
InfoANALÍTICA 10(1)
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Element Line Weight %
CK 57,52
OK 36,26
CaK 6,22
DISCUSIÓN
La presencia del grupo funcional
OH se encuentra en los ácidos car-
boxílicos, como el ácido galacturó-
nico, que es uno de los
componentes estructurales de la
pectina (Belkheiri et al., 2021), un
compuesto importante que también
se ha reportado en las plantas del gé-
nero Opuntia (Castellano et al.,
2021) y que en este estudio se ob-
tuvo con un rendimiento de 1,68 %,
un porcentaje mayor al obtenido por
Montilla et al. (2020) para otras es-
pecies autóctonas de Venezuela,
Opuntia elatior (0,144 %), Opuntia
boldinguii (0,131 %) y Opuntia ficus
indica (0,153 %). La pectina es de
gran interés para la industria de ali-
mentos y para la síntesis de biopolí-
meros (Belkheri et al., 2021), con lo
cual se abre la posibilidad de estu-
diar las posibles aplicaciones de la
pectina de O. caracasana para obte-
ner bioproductos. La presencia de
los enlaces H-C-H en la celulosa y
hemicelulosa, son indicadores de las
unidades de glucosa que conforman
la celulosa y en los demás carbohi-
dratos que integran la hemicelulosa
(xylosa, manosa, glucosa, galactosa)
(Procacci et al., 2021). Los hallazgos
obtenidos mediante la caracteriza-
ción espectroscópica de la biomasa
seca de O. caracasana son similares
a los reportados por Castellano et al.
(2021) para las especies Opuntia
maxima y Opuntia dilenii y a los re-
portados para la Opuntia ficus indica
(Lárez-Velásquez et al., 2014; Nha-
ringo & Moyo, 2016). En la Figura 1,
se evidenciaron cambios en algunas
señales: específicamente aumentó la
intensidad de la señal cercana a
1150 cm-1 que corresponde al en-
lace del éter glicosídico de la celu-
losa. En la literatura consultada,
específicamente Lima de Assis et al.
(2019) indicó que el tratamiento de
la holocelulosa de Opuntia ficus in-
dica (material con celulosa y hemi-
celulosa) con KOH al 24 % permitió
la separación y cristalización de las
fibras de celulosa, ricas en grupos
éteres C-O, que es lo que evidenció
el incremento de la señal de 1150
cm-1.
Con el estudio mediante MEB-EDS
se detectó la presencia de los ele-
mentos en la biomasa del cladodio
(Ca, K, Zn, Mg) y el calcio destacó
como elemento mayoritario. En rela-
ción con la presencia de este ele-
mento en las plantas de la familia
Opuntia spp. se ha reportado que los
cladodios de éstas cactáceas pueden
acumular calcio, en algunas espe-
cies como la Opuntia ficus índica y
la Opuntia sheptacantha Lemaire se
ha reportado que pueden contener
cristales de oxalato de calcio (Con-
treras-Padilla et al., 2015). Además,
autores como Contreras- Padilla et
al. (2011) también han reportado la
presencia de otros compuestos
como cloruro de potasio y óxido de
magnesio. En cuanto a la presencia
de zinc en la biomasa del cladodio,
le da un valor significativo, porque
este elemento podría ser requerido
para varias funciones biológicas,
entre ellas para mantener saludable
el sistema inmunológico y para
construir proteínas (Bakari et al.,
2017). Otro de los elementos detec-
tados en la biomasa de la O. caraca-
sana fue el magnesio, el consumo de
este elemento permite relajar los
músculos, contribuye en la conver-
sión de la vitamina D en su forma
activa y por tanto conduce a la for-
mación de Trifosfato de adenosina
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CARACTERIZACIÓN DE LA BIOMASA DE LOS CLADODIOS
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(ATP) (Bakari et al., 2017). Por tanto,
es importante continuar las investi-
gaciones en O. caracasana para eva-
luar su contenido nutricional y su
posible potencial farmacéutico, tal
como ha sido encontrado en la O.
ficus indica (Nharingo & Moyo,
2016).
El material MVT presenta alta poro-
sidad y grupos funcionales oxigena-
dos, estas propiedades son favora-
bles para posibles aplicaciones
como la adsorción de contaminantes
en matrices acuosas (Nharingo &
Moyo, 2016). El tratamiento alcalino
con KOH favoreció la obtención de
un material lignocelulósico, mos-
trando que esta base actúa sobre los
componentes estructurales de las fi-
bras naturales permitiendo su sepa-
ración, por lo que el material MVT
presentó características morfológicas
similares a las observadas al de
Opuntia ficus índica (Aquino et al.,
2012) en cuanto a la separación de
la red lignocelulósica, y posible-
mente puede competir con otras fi-
bras naturales, también se abre la
posibilidad de estudiar su aplicación
como material de refuerzo para po-
límeros (Mannai et al., 2020a) y con-
creto (Aquilina et al., 2018). Otro
aspecto importante es que después
del tratamiento con KOH y el lavado
con agua desionizada no fueron de-
tectados los elementos K, Mg, Mn,
Mo y Zn en el material MVT, solo se
evidenció la presencia mayoritaria
de carbono, oxígeno y un menor
porcentaje de calcio (6,22 %). En re-
lación con la presencia de calcio en
biomateriales, Carballo-Meilan et al.
(2020) señalan que la presencia de
este elemento en un material que
funciones como bioadsorbente
puede intervenir en la captación de
metales pesados mediante el pro-
ceso de intercambio iónico.
Es de resaltar que las fibras lignoce-
lulósicas de las plantas Opuntia se
consideran como uno de los mate-
riales disponibles más fuertes y rígi-
dos a partir de biomasa vegetal
renovable. Por lo que los resultados
alcanzados van acordes con las ne-
cesidades de realizar más investiga-
ciones hacia la producción de fibras
naturales (Mannai et al., 2020b).
152
InfoANALÍTICA 10(1)
Enero 2022
Mediante el microanálisis se detectó
el calcio como elemento mayorita-
rio, por lo que se sugiere evaluar sus
propiedades nutricionales para la
formulación de alimentos y de pro-
ductos farmacéuticos.
Este es el primer reporte de la pre-
sencia de pectina en cladodios de O.
caracasana, compuesto de gran inte-
rés para la industria de alimentos y
farmacéutica.
En cuanto al material MVT, posee
grupos funcionales oxigenados de
gran interés en materiales adsorben-
tes y el tratamiento alcalino con
KOH propició cambios morfológicos
en la biomasa del cladodio, desta-
cando la presencia de cavidades y la
separación de fibras celulósicas. Lo
cual da un valor agregado a O. cara-
casana, siendo el primer estudio
como materia prima para obtener fi-
bras vegetales de gran interés cientí-
fico y tecnológico.
En atención a la problemática mun-
dial respecto al cambio climático,
los resultados fomentan las investi-
gaciones relacionadas con el uso
sostenible de las especies autóctonas
de las zonas áridas y semiáridas.
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CARACTERIZACIÓN DE LA BIOMASA DE LOS CLADODIOS
DE
OPUNTIA CARACASANA
SALM- DYCK
Jiménez et. al., 143–156
CONCLUSIÓN
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al Prof. José
Véliz, del Departamento de Biología
de la Universidad de Oriente, Vene-
zuela, por la identificación de la
planta Opuntia caracasana Salm-
Dyck.
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InfoANALÍTICA 10(1)
Enero 2022
