elocation-id: e3833
El estudio evaluó el contenido lignina y celulosa en los residuos de tres variedades de cacao cultivadas en el cantón Francisco de Orellana (Ecuador); Nacional, CCN-51 y Super Árbol a fin de explorar su potencial como insumo para la producción de papel Kraft. La recolección de realizó en fincas de la asociación Asopriabet y los análisis químicos fueron desarrollados en el Instituto Nacional e Investigaciones Agropecuarias, aplicando metodologías estandarizadas (TAPPI T-222 y Kurschner-Hoffer). Los resultados mostraron que CCN-51 presentó el mayor contenido de lignina (45.13%), mientras que Nacional evidenció el mayor porcentaje de celulosa (28.57%). No obstante, las diferencias entre variedades no fueron estadísticamente significativas. Se concluyó que, a pesar de ello, se respalda el potencial de estos residuos como materia prima alternativa, sugiriendo estudios complementarios que incluyan variabilidad del cultivo, caracterización física de la pulpa y pruebas piloto de producción para validar su aplicabilidad industrial.
agroindustria, biomasa, cultivares, subproductos.
El aprovechamiento de los subproductos agrícolas ha adquirido una gran relevancia en la búsqueda de soluciones sostenibles para diversas industrias, incluyendo la fabricación de papel (Dey et al., 2021; Gómez-García et al., 2021). Entre estos subproductos, los residuos de cacao se destacan como una fuente potencial de celulosa, componente de gran interés para la industria papelera debido a su capacidad para formar fibras resistentes y cohesivas. Aunque estos residuos también contienen lignina, esta suele eliminarse durante el proceso de pulpeo, ya que su presencia afecta negativamente la blancura, durabilidad y calidad de papel (Gutiérrez-Macías et al., 2021; Jakob et al., 2022). No obstante, algunos autores mencionan que para determinar el verdadero potencial de residuo agrícola en la producción de papel Kraft, es necesario considerar otros parámetros además del contenido de celulosa y lignina, tales como la longitud y resistencia de las fibras, presencia de cenizas, rendimiento de pulpa y el índice de Kappa, que indica el grado de lignificación residual (Megra et al., 2022; Hailemariam y Woldeyes, 2024).
Investigaciones previas han explorado la utilización de residuos agrícolas para la fabricación de papel, enfocándose en cultivos como el maíz, bagazo de caña y otros subproductos ricos en fibra vegetal (De Corato et al., 2018; Koul et al., 2022; Siqueira et al., 2022; Enawgaw et al., 2023; Plakantonaki et al., 2023). Sin embargo, pocos estudios han investigado el potencial de los residuos de cacao, a pesar de su disponibilidad en países productores como Ecuador. Cabezas-Andrade et al. (2024) ha documentado que basado en el proceso de postcosecha de cacao se logró obtener la cantidad de residuos de exosperma alrededor de 252 kg ha-1 del peso total de exocarpio y la cantidad de mucílago alrededor de 930 L ha-1 del peso total.
Algunos trabajos recientes han comenzado a evaluar las características químicas y morfológicas de residuos como la cáscara de mazorca de cacao y el tallo de maíz, destacando su contenido de celulosa hemicelulosa, lignina y cenizas. Por ejemplo, se ha encontrado que el tallo del maíz presenta un contenido superior de celulosa (39%) y hemicelulosa (42%), así como un porcentaje menor de lignina (7.38%) en comparación con la cáscara de cacao (Daud et al., 2014). En particular, el análisis de las propiedades químicas de las distintas variedades de cacao, como Nacional, CCN-51 y Super Árbol, en relación con su potencial industrial, sigue siendo limitado (García-Briones et al., 2021; Viteri, 2022; Cevallos, 2024).
El cacao en Ecuador, como uno de los mayores productores de a nivel mundial (Saravia-Matus et al., 2020; Villacis et al., 2022) se generan grandes volúmenes de subproductos que, en muchos casos, no son utilizados adecuadamente, generando un impacto ambiental significativo (Ramos-Ramos et al., 2020). El objetivo principal de este estudio fue evaluar los contenidos de lignina y celulosa, en la cascarilla de cacao en tres variedades; Nacional, CCN-51 y Super Árbol, como materia prima alternativa para papel Kraft. Este análisis busca proporcionar información clave para el desarrollo de prácticas industriales más sostenibles y eficientes en el manejo de subproductos agrícolas.
La recolecta de cascarilla de cacao se llevó a cabo en el cantón Francisco de Orellana perteneciente a la Provincia de Orellana, Ecuador, cuyas coordenadas son: -0.4625 latitud norte, 76 984 167 longitud oeste. Situado al noroeste de la Región Amazónica Ecuatoriana, este territorio forma parte de la Zona de Planificación 2 compuesta por las provincias de Pichincha, Napo y Orellana. El territorio cantonal abarca 7 047 km2, con altitudes que van desde 100 hasta 720 m (GADM Francisco de Orellana, 2023).
Se recolectaron tres muestras de cascarilla de cacao por triplicado, de 3 kg cada una, en tres fincas del cantón Francisco de Orellana (Figura 1), pertenecientes a la asociación Asopriabet, como parte del proyecto de revalorización de la cascarilla de cacao amazónico para la producción sostenible de papel Kraft.
La caracterización química de la biomasa de cascarilla de cacao se realizó en el Instituto Nacional de Investigaciones Agropecuarias (INIAP), en la Estación Experimental Central de la Amazonía. Se determinaron los contenidos de celulosa, hemicelulosa y lignina. La celulosa se cuantificó mediante el método Kurschner-Hoffer (Kürschner y Hoffer, 1931; Kapun et al., 2024) y la lignina mediante el método TAPPI T-222 (TAPPI, 2002a). Preparación de la muestra: se pesaron 500 g de muestra y se envolvieron con papel periódico. Posteriormente, se sometió la muestra a un tratamiento térmico controlado, a 65 °C durante 24 h o hasta alcanzar un peso constante. Se extrajo la muestra y se trituró con un mortero hasta obtener una homogeneización adecuada. Los fragmentos resultantes se almacenaron en bolsas de plástico debidamente codificadas para su posterior análisis.
En un matraz aforado se vertieron 665 ml de ácido sulfúrico concentrado de manera gradual sobre 300 ml de agua destilada, seguido de un ajuste con agua destilada hasta llegar a un volumen total de 1 000 ml. Se pesó 1 g de muestra libre de extractos y se colocó en un recipiente. Se añadieron 15 ml de ácido sulfúrico al 72% mientras se agitaba constantemente. La mezcla se dejó reposar a temperatura ambiente (26 °C) durante 2 h, hasta que adquirió un tono oscuro. Posteriormente, se transfirió la mezcla al equipo Dosi-fiber, modelo DF-6, marca Selecta (España), junto con 560 ml de agua para obtener una solución de H2SO4 al 4%. Esta mezcla se llevó a ebullición durante 4 h mediante un proceso de reflujo. Posteriormente, se separó la muestra por decantación y se lavó el residuo sólido con agua destilada caliente. Finalmente, se secó en una estufa a una temperatura de 105 ±3 °C hasta alcanzar un peso constante. Todo el procedimiento se repitió por triplicado.
Para la determinación del porcentaje de lignina se aplicó la siguiente fórmula.
Inicialmente, se pesó una muestra libre de extractos, equivalente a 1 g en el crisol poroso y se colocó en el dispositivo Dosi-fiber. Se añadieron 20 ml de etanol y 5 ml de ácido nítrico concentrado a la muestra. La mezcla se llevó a ebullición durante 30 min mediante un sistema de reflujo. Después de este paso, se procedió a filtrar la solución. El residuo sólido resultante se sometió a una segunda digestión utilizando 20 ml de etanol y 5 ml de ácido nítrico concentrado, repitiendo el proceso de ebullición durante 30 min con condiciones de reflujo. Se decantó la solución y el residuo sólido se sometió a una tercera digestión con 100 ml de agua destilada durante una hora.
Posteriormente, se filtró la solución y se realizaron lavados con agua destilada caliente, seguidos por un lavado con 100 ml de una solución saturada de acetato de sodio y finalmente, con 500 ml adicionales de agua destilada caliente. El siguiente paso implicó secar el residuo en una estufa a una temperatura de 105 ±3 °C. Una vez completado el proceso de secado, se enfrió el residuo en un desecador y se pesó con la ayuda de una balanza analítica.
Para su determinación se aplicó la siguiente fórmula.
Los datos de porcentaje de lignina y celulosa se analizaron bajo un diseño completamente al azar. Se desarrolló la comparación entre variedades de cacao mediante un análisis de varianza (Anova) con un nivel de significancia de p ≤ 0.05. Cuando se detectaron diferencias significativas, se aplicó la prueba de Tukey para la separación de medias, con un nivel de confianza del 95% ( ∝ = 0.05). El análisis estadístico fue realizado utilizando software RStudio versión 2024.09.01.
La variedad CNN-51 presentó el mayor contenido promedio de lignina (45.13%) y un contenido intermedio de celulosa (25.13%). Por su parte, la variedad Super Árbol registró un contenido ligeramente menor de lignina (42.88%) y el valor más bajo de celulosa (20.77%). En contraste, la variedad Nacional evidenció el menor contenido de lignina (38.97%), pero el mayor porcentaje de celulosa (28.57%) (Cuadro 1).
| Variedad de cacao | Contenido promedio de lignina (%) | Contenido promedio de celulosa (%) |
|---|---|---|
| Súper Árbol | 42.88 | 20.77 |
| CCN-51 | 45.13 | 25.13 |
| Nacional | 38.97 | 28.57 |
Realizando los análisis estadísticos, no mostraron diferencias estadísticamente significativas entre los porcentajes de lignina dado que el factor de variedad de cacao presentó un p-valor mayor a 005 (0.1607). Este resultado se repitió para la celulosa en el factor variedad de cacao (Cuadro 2).
El estudio tuvo como finalidad evaluar las propiedades químicas, específicamente los contenidos de lignina y celulosa, en los residuos de las variedades de cacao Nacional, CCN-51 y Super Árbol, con el objetivo de explorar su potencial como materia prima alternativa para papel Kraft. Si bien se observaron diferencias numéricas en los valores promedio de lignina y celulosa entre las variedades, el diseño experimental empleado- basado en repeticiones dentro de cada variedad sin considerar unidades experimentales independientes no permitió establecer diferencias estadísticas concluyentes entre ellas. En este sentido, las variaciones reportadas deben interpretarse de manera descriptiva, sin atribuirlas necesariamente a efectos propios de la variedad.
De acuerdo con Grzyb et al. (2020), factores como las prácticas de cultivo, condiciones del suelo y el clima pueden influir en el contenido de lignina en residuos vegetales, lo cual podría tener relevancia en estudios futuros con diseños que contemplen estas variables de manera controlada. Este comportamiento podría deberse a que esta variedad es altamente híbrida y puede responder de manera diferente a factores externos, como lo sugieren otros estudios en cultivos tropicales híbridos (Kumar y Kunhamu, 2022). En comparación, investigaciones han indicado que un menor contenido de lignina es favorable para la industria papelera, ya que facilita el procesamiento químico y mejora la calidad del papel en términos de flexibilidad y resistencia (Hawanis et al., 2024).
Si bien la variedad Nacional presentó un menor porcentaje promedio de lignina, este resultado no puede ser considerado estadísticamente significativo debido a las limitaciones del diseño experimental, que no contempló unidades independientes por variedad. Por tanto, no es posible afirmar diferencias reales entre las variedades evaluadas. En la fabricación de papel Kraft, la eliminación de lignina es un paso importante del proceso, ya que esta sustancia afecta negativamente la calidad y flexibilidad del papel (Bajpai, 2015). En este sentido, un menor contenido de lignina en los residuos vegetales puede facilitar el tratamiento químico necesario, pero no implica por sí mismo una ventaja concluyente sin un análisis más robusto.
Hallazgos como el de Romruen et al. (2022) destacan que los subproductos agrícolas con alto contenido de lignina pueden tener aplicaciones específicas, pero su uso en papelería dependerá del tipo de producto final y del tratamiento aplicado. Aunque los valores de lignina en la variedad Super Árbol mostraron poca variación entre las muestras analizadas, esta aparente consistencia no puede ser interpretada como un indicador de estabilidad composicional, ya que el diseño experimental no estuvo orientado a evaluar la influencia de factores ambientales ni la variabilidad entre unidades de cultivo. Las muestras utilizadas por variedad correspondieron únicamente a repeticiones necesarias para el análisis de laboratorio y no representan una evaluación estadística de la estabilidad química.
Investigaciones de Rempelos et al. (2020); Hameed et al. (2020) han señalado que ciertas variedades agrícolas pueden mantener composiciones químicas estables bajo condiciones controladas, sin embargo, para establecer afirmaciones de este tipo de residuos de cacao, se requerirían investigaciones con diseños experimentales más complejos que incluyan múltiples fuentes de variación. En el estudio, la variedad Super Árbol, presentó el promedio más bajo de contenido de celulosa en comparación con las otras dos variedades evaluadas. No obstante, debido a que las muestras analizadas correspondieron únicamente a repeticiones para el análisis técnico y no a unidades experimentales independientes, no es posible establecer conclusiones estadísticas sobre diferencias entre variedades.
Por lo tanto, cualquier aparente tendencia de contenido de celulosa debe interpretarse con precaución. Aun así, estudios, como el de Balea et al. (2020) han destacado que un alto contenido de celulosa es un factor importante para la resistencia , flexibilidad y viabilidad del papel en aplicaciones industriales. Si bien la variedad Nacional, presentó el promedio más alto de celulosa y valores numéricos que sugieren menor variabilidad, el diseño experimental empleado no permite establecer diferencias entre variedades. Por lo tanto, desde el punto de vista estadístico, no es posible afirmar que una variedad sea superior a otra para su uso en la fabricación de papel Kraft.
Estudios como el de Gil-Martín et al. (2022), han demostrado que algunas variedades agrícolas pueden presentar composiciones químicas estables pero insuficientes para aplicaciones industriales específicas. Sin embargo, para validar la aplicabilidad de los residuos de cacao como materia prima serían necesario un enfoque experimental que permita evaluar diferencias reales entre variedades y su respuesta bajo distintas condiciones de cultivo. Esto sugiere que, aunque esta variedad podría no ser ideal para la fabricación de papel Kraft, podría tener aplicaciones alternativas en productos de menor exigencia técnica. Investigaciones han identificado que variedades híbridas o cultivadas en condiciones variables tienden a mostrar dispersión en sus contenidos químicos, lo que puede limitar su predictibilidad para ciertas aplicaciones (Mayakannan et al., 2023; Jagadeesan et al., 2023).
El estudio permitió explorar el potencial de los residuos del cacao como materia prima alternativa en la fabricación de papel Kraft, enfocándose en las propiedades químicas de lignina y celulosa en tres variedades cultivadas en el cantón Francisco de Orellana, Ecuador. Aunque se observaron diferencias numéricas entre las variedades analizadas, no se establecieron diferencias estadísticas significativas concluyentes. Los residuos de cacao, tanto de lignina como de celulosa, presentaron características químicas que los posicionan como una alternativa dentro de estrategias de aprovechamiento sostenible, sin embargo, su aplicación efectiva en la industria papelera requiere estudios complementarios con diseños más robustos que incluyan múltiples condiciones de cultivo y evaluación de desempeño en procesos industriales específicos.
Cabezas-Andrade, D.; Jiménez-Gutiérrez, M. Y.; Torres-Castillo, R. M. and Bustamante-Cuenca, J. C. 2024. Huella de carbono en residuos postcosecha de Theobroma cacao L. y la economía circular. Agroecología Global. Revista Electrónica de Ciencias del Agro y Mar. 6(11):4-20. https://doi.org/10.35381/a.g.v6i11.4143.
Cevallos, A. G. 2024. Evaluación de las propiedades físicas y mecánicas del papel kraft obtenido a partir de la biomasa lignocelulósica de la cascarilla de cacao (Theobroma cacao L.) tras someterse a un proceso de blanqueo con peróxido de hidrógeno. Tesis de grado, ESPOCH. http://dspace.espoch.edu.ec/handle/123456789/22667.
De-Corato, U.; De-Bari, I.; Viola, E. and Pugliese, M. 2018. Assessing the main opportunities of integrated biorefining from agro-bioenergy co/by products and agroindustrial residues into high-value added products associated to some emerging markets: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 88:326-346.
Rempelos, L.; Almuayrifi, M. S. B.; Baranski, M.; Tetard-Jones, C.; Barkla, B.; Cakmak, I.; Ozturk, L.; Cooper, J.; Volakakis, N.; Hall, G.; Zhao, B.; Rose, T. J.; Wang, J.; Kalee, H. A.; Sufar, E.; Hasanalieya, G.; Bilsborrow, P. and Leifert, C. 2020. The effect of agronomic factors on crop health and performance of winter wheat varieties bred for the conventional and the low input farming sector. Field Crops Research. 254:107822 .