Abstract

Introduction. Jatropha curcas L. (JC) is a specie with the potential to use its oil as a biofuel and its quality is recognized by the composition of the fatty acids present. Objective. The objective of this work was the identification and quantification of fatty acids of JC genotypes of the Jatropha Colombia Collection. Materials and methods. During the years 2012-2014 the experiment was conducted in Espinal-Tolima, Colombia, in a randomized complete block design with fifteen genotypes. The lipid profile of the genotypes was determined by chromatography GC-MS and GC-FID. Results. Ten types of fatty acids were detected in the oil: five saturated (myristic, palmitic, margaric, stearic, arachidic); three monounsaturated (palmitoleic, oleic and eicosenoic), and two polyunsaturated (linoleic and linolenic). The proportion was higher in monounsaturated acids (45.44 %) and polyunsaturated acids (34.18 %) and lower in saturated acids (20.37 %). In the monounsaturated, the oleic predominated (44.62 %); in polyunsaturated linoleic (33.95 %) and in saturated palmitic (12.41 %) and stearic (7.43%). The results found allowed the classification of JC oil as monounsaturated-polyunsaturated (oleic-linoleic), which coincided with what was reported worldwide. Conclusion. Based on the lipid profile, it can be inferred that the oil of the fifteen genotypes evaluated in Colombia is suitable for use as biodiesel.

Introducción

El agotamiento gradual de los combustibles de origen fósil indica que, para cubrir la demanda energética a nivel mundial, será necesario el uso de energías alternativas renovables con la expectativa de una reducción sustancial de la contaminación ambiental (Becker y Makkar, 2008).

A nivel mundial, el aceite de Jatropha curcas L. (JC), ha tomado importancia como energía alternativa, especialmente como biodiesel. Diferentes estudios han reportado la presencia de catorce ácidos grasos en el aceite (Kandpal y Madan, 1995; Akintayo, 2004; Achten et al., 2008) y todos coinciden en la composición dominante de los ácidos grasos oleico, linoleico, palmítico y esteárico (Falasca y Ulberich, 2008; Akbar et al., 2009; Bora y Baruah, 2012; Martiñón et al., 2018).

Esta especie, presente en Mesoamérica y en otros lugares de dispersión en Sur América, Asia y África (Fairless, 2007; Achten et al., 2010), por su condición actual aun silvestre, la variación en el perfil lipídico de los ácidos grasos saturados e insaturados es amplia (Martínez-Díaz et al., 2017). De hecho, la variabilidad genética de las poblaciones silvestres depende además del factor genético, del lugar de origen, la altitud, el agua y la nutrición. Desde lo genético, con base en el origen, la zona denominada Mesoamérica y en especial México, considerada como el probable centro de origen de esta especie (Pecina-Quintero, 2014), presenta los mayores estudios de la variación del perfil lipídico de JC, con reportes para ácido oleico entre 8,4 % y 40,85 %, y linoleico entre 10,2% y 42,3 % (Ovando-Medina et al., 2011; Pecina-Quintero et al., 2014; Martiñón et al., 2018). En otros lugares, diferentes al centro de origen, se reportan valores extremos de 51,4 % para el ácido oleico en un genotipo procedente de Nigeria (Odeyote et al., 2010) y de 53,3 % para el ácido linoleico de un genotipo en Argentina (Montes et al., 2011) o en la India de 16,8 % a 48,0 % para ácido oleico y de 26,2 % a 51,1 % para el ácido linoleico (Wani et al., 2012). Desde lo ambiental, la sequía, por ejemplo, reduce los ácidos grasos poliinsaturados (linoleico y linolénico) y aumenta los monoinsaturados (palmitoleico, oleico y eicosenóico) (Abou y Atta, 2009; Andrade et al., 2017).

Los ácidos grasos presentes en un triglicérido son saturados (Cn: 0), monoinsaturados (Cn: 1) y poliinsaturados con dos o tres dobles enlaces (Cn: 2,3). Las composiciones de estas fracciones en un biodiésel determinan propiedades como el número cetano (NC), el punto de enturbiamiento, la estabilidad a la oxidación (Jain y Sharma, 2011) y emisiones de NOx (Gopinath et al., 2009), así como el desempeño en condiciones de bajas temperaturas en términos de punto de nube y de fluidez (Becker y Makkar, 2008; Jain y Sharma, 2011).

En el caso del biodiésel, por tratarse de ésteres metílicos de ácidos grasos, estos son susceptibles a las reacciones de oxidación; es decir, a la acción del oxígeno sobre las insaturaciones de los ácidos grasos. Por tanto, esta autooxidación será favorecida a medida que aumente la concentración de ácidos grasos insaturados (esteárico, oleico, linoleico y linolénico); los cuales (C18:0, C18:1n-9, C18:2n-6 y C18:3n-3) necesitan menos tiempo para absorber la misma cantidad de oxígeno y por consiguiente, se oxidan más rápido (Becker y Makkar, 2008; Gopinath et al., 2009; Jain y Sharma, 2011).

Cada especie de planta vegetal tiene uno o dos ácidos grasos específicos dominantes, por ejemplo: la palma africana (Elaeis guineensis) está asociada con el ácido palmítico; higuerilla (Ricinus communis) con el ricinoleico; coco (Cocos nucífera) con el láurico; oliva (Olea europaea), cacahuate (Arachis hypogaea) y sésamo (Sesamum indicum) con el oleico; colza (Brassica napus) con el behénico y eurícico; el cacao (Theobroma cacao) con el esteárico y palmitoleico, y el algodón (Gossypium hirsutum), cártamo (Carthamus tinctorius) y lino (Linum usitatissimum) con el linoleico. No obstante, la composición de estos en cada especie puede variar según el genotipo, condiciones de clima y el manejo agronómico como la nutrición y el riego (Benatti et al., 2004). Para el caso de Colombia, aún no se ha caracterizado la composición de los ácidos grasos de los genotipos de JC locales e introducidos. El objetivo del presente trabajo fue la identificación y cuantificación de los ácidos grasos de quince genotipos de Jatropha curcas L. de la Colección Jatropha Colombia.

Materiales y métodos

Localización

La identificación y cuantificación de los ácidos grasos de quince genotipos de Jatropha curcas L. de la Colección Jatropha Colombia, se realizó en el Centro de Investigación Nataima, de la Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (AGROSAVIA), ubicado en el municipio de Espinal, departamento de Tolima, que se encuentra a una altura de 323 msnm, con una temperatura promedio de 29 ºC, precipitación anual de 1380 mm y humedad relativa promedio de 74 %, se localiza a 04º 09’ latitud norte y 74º 53’ longitud oeste (Campuzano et al., 2016).

Diseño experimental

Se utilizó un diseño de bloques completos al azar (DBCA) con quince tratamientos y tres repeticiones. Los tratamientos se constituyeron por quince genotipos de JC, identificados del 1 al 15 con la sigla de CJC (Colección Jatropha Colombia), con 410 accesiones y establecida en el año 2010 en el Centro de Investigación La Libertad de Agrosavia en Villavicencio (Meta-Colombia) (Campuzano, 2008). La procedencia de los materiales fue: V1 al V9 son materiales locales de Colombia de procedencia de la Guajira y de la Orinoquia; V10 de Ecuador; V11 de la India; V12 de México; V13 variedad Cabo Verde; V14 de Tailandia y V15 de Venezuela (Biollanos). La unidad experimental estuvo constituida por veinte plantas de cada genotipo establecidas con una distancia de siembra de 3x2 m.

Cosecha y preparación de muestras

La cosecha se realizó en el año 2014, a los 36 meses de establecido el cultivo, en las veinte plantas de cada unidad experimental, en las cuales solo se tomaron los frutos con coloración amarilla-café, de acuerdo con el índice de color del epicarpio (Campuzano y Cárdeño, 2017). De forma manual se realizó la separación de los componentes del fruto en: cáscara, semilla y almendra. De la almendra, por el método Soxhlet (Jensen, 2007), se obtuvo el aceite, del cual se tomó una muestra de 200 cc para la determinación del perfil de ácidos grasos.

Determinación del perfil de ácidos grasos

El perfil lipídico se determinó por cromatografía GC-MS y CG-FID en los quince genotipos de JC, para diez tipos de ácidos grasos clasificados en tres grupos: 1) ácidos grasos saturados: mirístico, palmítico, margárico, esteárico, araquídico; 2) ácidos grasos monoinsaturados: palmitoleico, oleico y eicosenóico, y 3) ácidos grasos poliinsaturados: linoleico y linolénico.

Ácidos grasos saturados, monoinsaturados y poliinsaturados

Se calcularon mediante la sumatoria de los valores en porcentaje obtenidos en cada genotipo de los ácidos grasos definidos como: ácidos grasos saturados: mirístico + palmítico + margárico + esteárico + araquídico; ácidos grasos monoinsaturados: palmitoleico + oleico + eicosenóico, y ácidos grasos poliinsaturados: linoleico + linolénico. Se organizaron en tres grupos con base en la longitud de la cadena de carbonos: i) ácidos grasos saturados: mirístico (C14:0), palmítico (C16:0), margárico (C17:0), esteárico (C18:0) y araquídico (C20:0); ii) ácidos grasos monoinsaturados: palmitoleico (C16:1n-7), oleico (C18:1n-9) y eicosenóico (C20:1n-9), y iii) ácidos poliinsaturados: linoleico (C18:2n-6) y linolénico (C18:3n-3).

Análisis estadístico

Para todas las variables asociadas a los ácidos grasos se realizaron los siguientes procedimientos estadísticos: 1) la prueba de Shapiro Wilk para la homogeneidad de varianza, 2) transformación de datos originales (porcentaje) mediante el uso de la fórmula de arcoseno, 3) análisis individual de varianza y 4) la comparación de medias mediante la prueba de Tukey (p=0,01).

Resultados

El análisis de varianza para los ácidos grasos monoinsaturados, poliinsaturados y saturados, y sus componentes constitutivos (mirístico, palmítico, margárico, esteárico, araquídico, palmitoleico, oleico, eicosenóico, linoleico y linolénico) no mostró diferencias estadísticas para el factor genotipo (Cuadro 1).

Cuadro 1 Fórmula simplificada, nombre sistemático y común, promedio, cuadrado medio para genotipos y coeficiente de variación (CV, %) de diez de ácidos grasos presentes en quince genotipos de Jatropha curcas L. de la Colección Jatropha Colombia. Tolima, Colombia. 2014. Table 1. Simplified formula, systematic and common name, average, mean square for genotypes, and coefficient of variation (CV, %) of ten fatty acids present in fifteen genotypes of Jatropha curcas L. of the Jatropha Colombia Collection. Tolima, Colombia. 2014. Cuadro 1 Fórmula simplificada, nombre sistemático y común, promedio, cuadrado medio para genotipos y coeficiente de variación (CV, %) de diez de ácidos grasos presentes en quince genotipos de Jatropha curcas L. de la Colección Jatropha Colombia. Tolima, Colombia. 2014.

La participación promedio de cada uno de los aceites constitutivos en los quince genotipos de JC fue mayor en los monoinsaturados y poliinsaturados con valores de 45,44 % y 34,18 %, respectivamente; y menor en los saturados con 20,37 %. El ácido graso predominante en los monoinsaturados fue el ácido oleico (44,62 %), en los poliinsaturados el ácido linoleico (33,95 %) y en los ácidos saturados predominaron el ácido palmítico (12,41 %) y el esteárico (7,43 %) (Cuadro 1).

Para el caso de los ácidos grasos saturados el ácido palmítico presentó un intervalo de valores entre 11,77 % en el genotipo CJC2 y 13,70 % en el genotipo CJC8, el ácido graso esteárico entre 6,88 % en el genotipo CJC4 y 8,20 % en el genotipo CJC9. Los valores de los otros ácidos grasos (mirístico, margárico y araquídico) no presentaron valores superiores al 0,5 % (Cuadro 2). El ácido oleico fue el de mayor participación en los monoinsaturados, y presentó una variación entre 41,59 % en el genotipo CJC10 y 48,30 % en el genotipo CJC2. Los otros dos ácidos grasos (palmitoleico y eicosenóico), no presentaron valores superiores al 0,8 %. En los poliinsaturados, el ácido linoleico fue el más representativo con un intervalo de 30,61 % en el genotipo CJC3 y de 36,95 % en el genotipo CJC10. El ácido graso linolénico no fue importante en su participación (Cuadro 3).

Cuadro 2 Contenido promedio y total de ácidos grasos saturados en porcentaje de quince genotipos de Jatropha curcas L., de la Colección Jatropha Colombia. Tolima, Colombia. 2014. Table 2. Average and total content of saturated fatty acids in percentage of fifteen genotypes of Jatropha curcas L., from the Jatropha Colombia Collection. Tolima, Colombia. 2014. Cuadro 2 Contenido promedio y total de ácidos grasos saturados en porcentaje de quince genotipos de Jatropha curcas L., de la Colección Jatropha Colombia. Tolima, Colombia. 2014.

Cuadro 3 Contenido promedio y total en porcentaje de ácidos grasos monoinsaturados (MI) y poliinsaturados (PI), de quince genotipos de Jatropha curcas L., de la Colección Jatropha Colombia. 2014. Table 3. Average and total percentage content of monounsaturated (MI) and polyunsaturated fatty acids (PI), of fifteen genotypes of Jatropha curcas L., from the Jatropha Colombia collection. 2014. Cuadro 3 Contenido promedio y total en porcentaje de ácidos grasos monoinsaturados (MI) y poliinsaturados (PI), de quince genotipos de Jatropha curcas L., de la Colección Jatropha Colombia. 2014.

Discusión

El reconocimiento y cuantificación de los ácidos grasos de un grupo de genotipos de JC en Colombia permite reconocer tres situaciones: a) los genotipos de JC evaluados coinciden con el perfil lipídico de genotipos reportados a nivel mundial (Falasca y Ulberich, 2008; Akbar et al., 2009; Bora y Baruah, 2012; Martiñón et al., 2018), en el aceite calificado como oleico-linoleico, con predominancia de ácidos grasos monoinsaturados y poliinsaturados; b) los valores obtenidos del ácido graso oleico de los quince genotipos de la CJC (41,59 % a 48,30 %) fueron superior al mayor valor reportado por Pecina-Quintero et al. (2014) (38,2 %) y Ovando-Medina et al. (2011) (38,75); c) los quince genotipos de JC evaluados cumplen con los requisitos del perfil lipídico apropiado para la producción de biocombustible, especialmente por su constitución en los ácidos oleico y linoleico que confieren propiedades al biodiésel para un buen desempeño a la oxidación y fluidez en frío (Becker y Makkar, 2008; Gopinath et al., 2009; Jain y Sharma, 2011).

No obstante que los valores obtenidos de los ácidos grasos saturados (mirístico, palmítico, margárico, esteárico y araquídico), ácidos grasos monoinsaturados (palmitoleico, oleico y eicosenóico) y polinisaturados (linoleico y oleico), no fueron diferentes entre genotipos, la variación de los valores, medidos a través del coeficiente de variación, sí fueron menor al valor de referencia de cuarenta reportes a nivel mundial (2000 a 2018), especialmente para los ácidos oleico y linoleico (Cuadro 4, Figura 1).

Cuadro 4 Promedio, rango y coeficiente de variación (C.V), en porcentaje, de los cuatro ácidos grasos predominantes de quince genotipos de Jatropha curcas en Colombia y de cuarenta investigaciones a nivel mundial. Tolima, Colombia. 2014. Table 4. Average, range and coefficient of variation (C.V), as a percentage, of the four predominant fatty acids of fifteen Jatropha curcas genotypes in Colombia and forty research worldwide. Tolima, Colombia. 2014. Cuadro 4 Promedio, rango y coeficiente de variación (C.V), en porcentaje, de los cuatro ácidos grasos predominantes de quince genotipos de Jatropha curcas en Colombia y de cuarenta investigaciones a nivel mundial. Tolima, Colombia. 2014.

Figura 1 Ubicación de los grupos de ácidos grasos saturados, monoinsaturados y polinsaturados de quince genotipos de Jatropha curcas de Colombia (puntos color negro) y de los genotipos a nivel mundial (puntos de color rojo). 2014. Figure 1. Location of saturated, monounsaturated and polyunsaturated fatty acid groups of fifteen Jatropha curcas genotypes from Colombia (black dots) and genotypes worldwide (red dots). 2014. Figura 1 Ubicación de los grupos de ácidos grasos saturados, monoinsaturados y polinsaturados de quince genotipos de Jatropha curcas de Colombia (puntos color negro) y de los genotipos a nivel mundial (puntos de color rojo). 2014.

La composición predominante de los ácidos oleico y linoleico le confiere propiedades especiales al aceite con relación directa con la calidad, el costo y la eficiencia en el proceso de transesterificación para la obtención de biodiésel. El mayor contenido de ácidos grasos insaturados (monoinsaturados y poliinsaturados) hace que el proceso de obtención de biodiésel sea más eficiente por el requerimiento de temperaturas más bajas para el proceso y una mayor oxidación en el corto plazo, y menores emisiones de carbono y mejoramiento del rendimiento del motor (Pedraza-Sánchez y Cayón-Salinas, 2010).

Los altos contenidos de ácido oleico y linoleico encontrados en los genotipos colombianos estarían asociados con un alto índice de cetano y buena estabilidad oxidativa del biodiésel, dos características indicadoras de la calidad de un biocombustible (Knothe, 2005; Nascimento et al., 2015). Los reportes a nivel mundial coinciden y destacan el aceite de JC como una importante fuente de materia prima para la producción de biodiésel por sus características fisicoquímicas (Becker y Makkar, 2008; Wani et al., 2012; Martínez-Díaz et al., 2017; Martiñón et al., 2018). Para efectos del mejoramiento genético de esta especie en las condiciones de Colombia, el conocimiento de los genes KASII y FAD2-1, responsables de la síntesis de ácido oleico y linoleico (Lovio-Fragoso et al., 2018) y la alta heredabilidad del carácter (Ovando-Medina et al., 2011) constituyen una fuente genética para lograr avances significativos.

Conclusiones

Se encontraron diez ácidos grasos presentes en el aceite de quince genotipos de JC evaluados en Colombia y clasificados como 1) ácidos grasos saturados (C14:0- mirístico; C16:0 palmítico; C17:0 margárico; C18:0 esteárico; C20:0 araquídico); 2) ácidos grasos monoinsaturados (C16:1 palmitoleico; C18:1 oleico; C20:1 eicosenóico) y 3) ácidos grasos poliinsaturados (C18:2 linoleico; C18:3 linolénico).

La proporción de los aceites fue predominante de ácidos monoinsaturados (45,44 %) y poliinsaturados (34,18 %) y en menor proporción los saturados (20,37 %). El ácido graso predominante fue el ácido oleico (44,62 %) en los monoinsaturados; el ácido linoleico (33,95 %) en los poliinsaturados y en menor proporción el palmítico (12,41 %) y esteárico (7,43 %) en los ácidos saturados.

Los genotipos de JC evaluados en Colombia coinciden con los genotipos a nivel mundial en su perfil lipídico del aceite que se califica como oleico-linoleico con predominancia de ácidos grasos insaturados (monoinsaturados y poliinsaturados). Para aplicaciones en biocombustibles esta constitución le confiere al biodiésel de JC, un mejor desempeño en propiedades de flujo en frío.

Desde el punto de vista genético, diferencias en los contenidos de los ácidos grasos, los valores de los ácidos oleico y linoleico fueron mayores a los reportados en el centro de origen de la JC (México); siendo estos dos ácidos los que mayor injerencia tienen en la calidad del aceite para biodiésel. Esto constituye a la JC en una fuente importante para usar mediante introgresión en los programas de mejoramiento genético con fines de lograr variedades con mayor contenido de ácidos grasos oleico y linoleico.