Un bosque representa algo distinto para cada uno de
nosotros; para algunos puede ser una fuente de la que se obtiene
leña, un producto
esencial o un lugar para pasear o incluso un rincón de
esparcimiento espiritual. Para otros, en cambio, es una
fuente de agua pura para
beber o materia prima
para aserrar. Nuestras distintas percepciones hacen, a veces,
más difícil comprender las perspectivas y
necesidades de los demás, aunque podamos concordar en la
importancia del uso sostenible de los bosques (Ahtesaari,
1999)
Este uso sostenible de los bosques recae sin más
sobre el desafío al que se enfrenta el sector forestal en
la actualidad, que consiste en satisfacer las necesidades de
productos
madereros y no madereros atendiendo al mismo tiempo a la
demanda de
servicios
ambientales y sociales que se esperan de los bosques. (FAO,
1999)
La madera es el
principal producto
comercial procedente del bosque. Actualmente países como
Australia, Portugal, España,
Brasil, por
solo citar algunos, disponen de plantaciones de eucaliptos
destinadas a las Industrias de la
Elaboración Primaria de la Madera, la
Industria de
la Celulosa y Papel y otros
variados usos, no obstante, se considera que el género
eucalyptus presenta alternativas de uso que no se han
explotado.
Los extraordinarios adelantos alcanzados en los
últimos años en la ciencia y
la tecnología, representan un reto
difícil, específicamente para los países en
desarrollo.
El
conocimiento de la composición química de la madera
y es especial de los eucaliptos son avances que brindan nuevas
oportunidades en la implantación de tecnologías,
que para aprovecharlas los países deben aumentar
rápidamente su capacidad para asimilarlas en
correspondencia con las condiciones socioculturales y ambientales
existentes.
Palabras claves: eucalipto, composición
química, madera, celulosa, pulpa, lignina, hemicelulosas,
extractivos
1. –
Composición química de la madera.
La madera está compuesta de forma general por
tres grupos de
sustancias, las que conforman la pared celular, donde se
encuentran las principales macromoléculas, celulosa,
poliosas (hemicelulosas) y ligninas, que están presente en
todas las maderas; el otro grupo lo
conforman las sustancias de baja masa molar conocidas
también como sustancias extraíbles que se
encuentran en menor cantidad, y las sustancias minerales. La
proporción y composición química de la
lignina y las poliosas difiere para las maderas de
coníferas y latifolias, mientras que la celulosa es
uniforme en composición en todas las maderas. ( Browning,
B.L., 1967); (Fengel, D., 1984).
La madera está formada por componentes
estructurales y no estructurales, los estructurales son los que
componen la pared celular y los no estructurales son denominados
como sustancias extraíbles.( Bland, D.E.,
1985).
La proporción de estos componentes varía
con la especie, entre la madera de árboles
de la misma especie y en diferentes partes del propio
árbol, en la madera de la albura y duramen, en dirección radial y longitudinal.
Los parámetros edafoclimáticos influyen en
la composición química, así, se presentan
diferencias entre maderas que provienen de zonas templadas con
las que provienen de zonas tropicales. (Fengel, D.,
1984).
Fig. ( 1 ) Esquema general de los
componentes químicos de la madera, según Browning,
B.L (1967), Fengel, D., (1984)
1.1 – Componentes de la pared celular de la
madera.
1.1.2 –La celulosa.
La celulosa es el homopolisacárido que se
encuentra en mayor proporción en la madera, es una
estructura
básica de las células de
las plantas y la
sustancia más importante producida por este organismo vivo
(Marx– Figini,
M., 1964), siendo el principal componente de la pared celular.
(Fengel, D., 1984).
La celulosa consiste en unidades de anhidro- ß –
D(+) glucopiranosa en conformación C1, unidos
por enlaces glicosídicos ß -1-4, por lo que se puede
describir como un polímero lineal de glucanos. La unidad
estructural de la celulosa es la celobiosa (disacárido)
con una longitud de 1,03nm. (Fengel, D., 1984).
El grado de polimerización es del orden de los
15,000, lo que equivale a una masa molar en el orden de los 2,3
millones. Debido al tipo de enlace (ß-1-4) la
molécula de celulosa tiene una forma lineal, estabilizada
por la formación de numerosos puentes de hidrógeno
intracadenales e intercadenales. Entre 40 y 70 moléculas
se encuentran agrupadas en fibrillas elementales de un espesor de
3,5 y 7,5 nm y una longitud de varios µm. En ellas las
moléculas de celulosa están orientadas
longitudinalmente formando un agregado cristalino fuertemente
ordenado, en el que todas las moléculas presentan la misma
polaridad, lo que indica que tienen su extremo reductor orientado
hacia el mismo extremo de la microfibrilla. En estos agregados
las moléculas de celulosa no están unidas
covalentemente, estabilizándose su estructura
solamente por puentes de hidrógeno
(C3-C6) y (C2-C5),
que aunque muy débiles individualmente, su elevado
número hace de la fibra de celulosa una estructura muy
firme y poco sensible a la degradación. (Guardiola, J.L.;
Amparo, G.L.,
1995)
Las microfibrillas construyen las macrofibrillas y estas
a su vez las fibras de celulosa. (Browning, B.L., 1967);
(Sjöstrom, E., 1981)
La estructura cristalina de la celulosa de la madera ha
sido estudiada por análisis de Difracción de Rayos X y
métodos
basados en absorción de luz Infrarroja
polarizada. Mediante los espectros Infrarrojo de la celulosa se
puede obtener información sobre los cambios estructurales
de la celulosa oxidada, u obtenida por diferentes métodos.
(Higgins, H.G., McKenzie, A.W., 1956), (Browning, B.L.,
1967)
La celulosa presenta un alto grado de cristalinidad,
pero no es 100% cristalina, dependiendo de la materia prima
de donde proviene. La presencia de hemicelulosas en la celulosa
de las maderas parece causar disturbios en la cristalinidad.
Cuanto más cristalina es la celulosa mayor es su densidad.
(Browning, B.L., 1967)
La cristalinidad de la celulosa se encuentra en función de
la gran cantidad de puentes de hidrógeno, hecho que
además explica por qué la celulosa no es soluble en
los sistemas de
solventes usuales. Ella es la responsable de determinadas
propiedades físicas y mecánicas de las maderas por
constituir el material de sostén del árbol,
dándole resistencia y
tenacidad. (Coronel, E.O., 1994)
Los análisis térmicos realizados a la
celulosa en muchos casos han sido relacionados con el empleo de la
madera y los materiales
celulósicos, con fines energéticos y como una
materia prima
importante en la Industria
Química de los Derivados. Los análisis
térmicos realizados con más frecuencia a este tipo
de material, son los relacionados con el Análisis
Termicogravimétrico (TG), Análisis Térmico
Diferencial (DTA) y la Calorimetría Diferencial de Barrido
(DSC). (Hirata, T., y Nishimoto, T., 1991); (Márquez, F.,
1999).
El análisis mediante Calorimetría
Diferencial de Barrido (DSC), brinda información termodinámica relacionada con cada paso de
la descomposición térmica del material analizado a
un intervalo de temperatura,
sobre el carácter
termodinámico del proceso, el
intervalo de temperatura de
óptimo aprovechamiento energético, así como
de la pureza de cada componente presente en el material. (Skoog,
D. A., 1985).
1.1.3 –Las hemicelulosas.
Las poliosas o hemicelulosas son
heteropolisacáridos de alta masa molar, que se encuentran
constituidos por diferentes unidades de monosacáridos:
pentosas, hexosas y ácidos
urónicos, enlazados entre sí por enlaces
glicosídicos, formando estructuras
ramificadas y en general amorfas.
Pueden ser clasificadas como pentosanos y hexosanos,
aunque también se clasifican en dependencia de su origen,
su composición estructural y solubilidad en
álcalis. (Tanner, W. y Loewus, F.A.,1981)
Las maderas están conformadas por azúcares
neutros de seis átomos de carbono:
glucosa, manosa, galactosa y de cinco átomos de carbono: la
xilosa y arabinosa. Algunas poliosas contienen adicionalmente
ácido urónico. Se pueden encontrar los mananos,
glucomananos, glucanos, xiloglucanos, ramnogalactouronanos, y en
los xilanos encontramos los arabinoxilanos y O-acetil- 4- O-
metilglucuronoxilano. (Tanner, W. y Loewus, F.A., 1981). Las
hemicelulosas se encuentran asociadas con la celulosa mediante
fuertes interacciones polisacárido –
polisacárido. El contenido de poliosas varía
radialmente en la madera aumentando hacia el centro y variado en
su composición de azúcares. (Fengel, D., 1984). El
tipo y contenido de hemicelulosas presentes en la madera
varía con la especie, la edad, parte del árbol, y
en muchas especies su regularidad está relacionada con
criterios taxonómicos.
Las hemicelulosas de las coníferas no son las
mismas que las de las latifolias, siendo las de las
coníferas más complejas. Diferencias existen
también entre las hemicelulosas del tronco, de las ramas,
de las raíces y de la corteza del propio árbol,
así como diferencias en cuanto a contenido y
composición entre la madera de compresión,
tensión y normal.
En las maderas de fibra corta o latifolias, sólo
pueden separarse dos tipos de hemicelulosa en cantidades
significativas y por extracción alcalina directamente de
la madera, ellas son los xilanos y los arabinogalactanos.
(Sjöström, E., 1981)
En las latifolias puede encontrarse el O-acetil- 4-O-
metilglucuronoxilano que son las más abundantes,
cantidades de glucomananos, entre 1-3% de arabinogalactano, y
aparecen glucanos entre 0-3% con enlaces ß 1-3. (Guardiola,
J.L.; Amparo, G.L.,
1995)
Las hemicelulosas son importantes en la madera y su
localización cobra singular significación, pues
todas las células
contienen de 50-60% de carbohidratos
a excepción de las células del parénquima de
las latifolias que pueden llegar a poseer hasta 80% de
O-acetil-4-O-metilglucuronoxilano.
Se conoce que las hemicelulosas se encuentran a lo largo
de toda la pared celular, desde la lámina media, hasta la
capa S3 de la pared secundaria. Las hemicelulosas
presentes en estas paredes son: ß (1-3), ß (1-4)
glucanos, calosa ß (1-3), que normalmente se encuentran en
pequeñas cantidades y se acumulan como respuesta a una
lesión o durante la deformación de las placas
cribosas en el floema. (Guardiola, J. L.; Amparo, G. L., 1995);
(Fuller, G., 1996)
La función de
las hemicelulosas en la madera parece ser de intermediario entre
la celulosa y la lignina, tal vez facilitando la
incrustación de las microfibrillas. Probablemente no
exista enlace
químico alguno entre las hemicelulosas y la celulosa,
mas suficiente adhesión mutua que es fortalecida por los
puentes de hidrógeno y las fuerzas de Van der Walls.
(Fuller, G., 1996)
Las hemicelulosas son importantes en la
fabricación de pulpa ya que aumenta su rendimiento y
aumentan la resistencia del
papel.
Algunas, como los arabinogalactanos después de separados
pueden constituir un subproducto de la fabricación de
celulosa, y ser utilizadas como tensoactivo en la industria de
tintas. (Guardiola, J. L.; Amparo, G. L., 1995), (Kottes Andrews,
B. A. y Reinhardt, R. M., 1996)
1.1.4 –La lignina.
La lignina es una macromolécula componente de la
madera, de naturaleza
polímera especial, formada por la polimerización
deshidrogenativa al azar de alcoholes
parahidroxicinámicos (alcohol
p-cumarílico, alcohol
coniferílico y alcohol sinapílico), en
reacción catalizada por enzimas
vía radicales libres. Las unidades de fenil propano
(C9) se unen por enlaces C-O-C y C-C, presentando en
su estructura grupos
hidroxilos, carbonilos, metoxilos y carboxilos.
Las ligninas son fracciones no carbohidratadas de la
madera libre de extraíbles, extremadamente complejas y
difíciles de caracterizar. Constituyen un polímero
aromático, heterogéneo, ramificado, donde no existe
ninguna unidad repetida definidamente. Las ligninas de la madera
se clasifican en lignina de madera de coníferas, lignina
de madera de latifolias. (Carballo, L.R., 1990).
La madera de coníferas presenta ligninas del tipo
G-H con 85-90% de unidades aromáticas de guayacil mientras
que la madera de las latifolias presenta ligninas del tipo G-S en
razón de 1:5 aproximadamente. (Carballo, L.R.,
1990).
Poseen propiedades aglutinantes que conforman la
consistencia fibrosa de las maderas (revistiendo las
células del xilema), donde realizan la función
mecánica de sostén. Su
composición depende de muchos factores, entre ellos, el
método
utilizado para aislarlas, la especie que se estudie, la edad,
parte del árbol, condiciones ambientales en que se ha
desarrollado el árbol, etc.(Browning, B.L., 1967;
Carballo, L.R., 1989).
Esta sustancia amorfa es localizada como componente de
la lámina media y también en la pared secundaria.
Durante el desarrollo de
la
célula, la lignina es incorporada como último
componente de la pared celular interpenetrando las fibrillas y
fortaleciendo la pared celular.( Fengel, D., 1984).
La separación de la lignina conlleva una
degradación de su estructura por lo que resulta
difícil obtener una lignina idéntica a la que se
encuentra en la madera (lignina nativa) aunque la
separación cuidadosa de la lignina se considera
representativa de la lignina total en la madera.
La lignina no puede ser descrita como una simple
combinación de uno o varios monómeros o uno o
varios tipos de cadenas como es el caso de la celulosa. Su
estructura es rígida como modelo
material. Sakakibara, K., (1980), describió un modelo para la
lignina de maderas blandas. Este demuestra una sección con
28 unidades de C9 con elementos estructurales
alternativos avalados por datos
analíticos.
El más reciente modelo de lignina es el expresado
por Glasser, W.G. (1981). Este modelo comprende 94 unidades
correspondiendo a la masa molar total de más de 17 000 y
es basado en un amplio rango de determinaciones
analíticas.
1.1.5 – Componentes extraíbles de la
madera.
Existen numerosos compuestos que pueden tener gran
influencia en las propiedades y calidad de la
madera, aunque ellos contribuyan sólo en algún
porcentaje en la masa total de la madera. A este grupo de
compuestos se les denomina comúnmente sustancias
extraíbles de la madera. Los componentes químicos
aquí presentes son de diferentes clases y pueden ser
divididos a su vez, y de forma más simple en componentes
orgánicos y componentes inorgánicos, siendo estos
últimos en los que se puede encontrar ciertos iones
metálicos que son esenciales para el normal desarrollo del
árbol. Entre los compuestos
orgánicos se pueden encontrar hidrocarburos
alifáticos y aromáticos, alcoholes,
fenoles, aldehídos, cetonas, ácidos
alifáticos, ceras, glicéridos, y compuestos
nitrogenados. ( Fengel, D., 1984)
1.1.6 -Componentes inorgánicos de la
madera.
Los componentes inorgánicos o sustancias minerales,
varían en el árbol en dependencia de la parte que
se estudie: Altos contenidos pueden encontrarse en las hojas,
ramas, corteza, raíces, por lo que es común
encontrar diferencias entre las maderas de latifolias y las de
coníferas; diferencias existen entre la madera joven y la
tardía. Las condiciones del suelo y la edad
influyen en los contenidos de sustancias minerales, según
plantea Carballo, L.R. (1990)
2. –
Composición química de la madera de
Eucalipto.
Por ser el género
eucalyptus tan representado en la naturaleza por
especies y subespecies (más de 670), es de esperar
singulares variaciones en su composición química,
si a esto se le añade, el grado de expansión
geográfica que ha alcanzado, entonces aumentarán
considerablemente las variaciones que se puedan
encontrar.
2.1 – Componentes de la pared celular de la
madera de eucalipto.
Los contenidos de celulosa, hemicelulosa y lignina en
los eucaliptos varían en rangos apreciables, así,
la celulosa se puede encontrar entre 40 y 60%; las hemicelulosas
entre 12 y 22 % y entre 15 y 22% las ligninas. (Hillis, W.E.,
1984). No obstante, algunas especies de eucalipto manifiestan
variaciones considerables con respecto a los datos
anteriores.
Dadswell, H.E., et. al. (1962), encontraron para el E.
regnans, contenidos de hemicelulosas entre 14 y 20%,
holocelulosas de 75 a 82% y lignina de 20 – 27%. Dillner,
B., et. al., (1970) en Portugal, publica valores de
celulosa entre 36 y 57% en maderas de E. globulus
Labill.
Las hemicelulosas de eucalipto contienen alta
proporción de grupos capaces de producir ácido
acético, por la presencia de O-acetil-
4-O-metilglucuronoxilano. (Penner, M. H., 1996)
La tensión en la madera da como resultado
variaciones en el contenido de celulosa, hemicelulosas y
ligninas, los que se han verificado en maderas de tensión
con respecto a la madera normal. ( Ona, T. et.al.
1995a)
En la madera tensionada de E. cypellocarpa, se
registró un incremento del contenido de celulosa de 44 a
57%, decreciendo el porcentaje de pentosanos de 15,1 a 11%, los
grupos acetilo variaron de 3 a 1,9% y la lignina de 29,5 a 13,8%,
según resultados alcanzados por Bland, D.E. et. al. y
citados por Hillis, W.E., (1984).
La lignina de los eucaliptos es del tipo siringil
– guayacil (G-S), ver epígrafe 1.6.1.3, con menor
variación dentro del propio árbol. Esta
variación puede ir aumentando entre especie y entre
árboles. La variación de los
contenidos de lignina dentro del propio árbol puede ser
diferente, lo que puede afectar su desarrollo, ocasionando su
debilitamiento. ( Hillis, W.E., 1984), (Bland, D.E.,
1985).
2.2 – Componentes extraíbles de las
maderas de eucalipto.
El contenido de extraíbles y su
composición en las maderas de eucaliptos varía
grandemente entre especies y también dentro de las
diferentes partes del propio árbol.
Las sustancias extraíbles están formadas
principalmente por compuestos alifáticos (grasas y ceras),
terpenos, terpenoides y compuestos fenólicos
En las maderas de eucalipto se han encontrado una gran
diversidad de compuestos, en lo fundamental de taninos
condensados, ácidos terpénicos, vainillina,
ácido siríngico y sitosterol, entre otros. (Swan,
B. et. al., 1967).
Los contenidos de extraíbles en los eucaliptos
son relativamente superiores comparados con otros géneros
de árboles y son considerables las variaciones existentes
dentro de la misma especie.
Según publican Bamber, R.K. y Curtin, R.A.
(1974), el contenido de extraíbles en el E. pelularis
(Australia) varió en el rango de 7,4% y 8,4% en el
duramen, hasta 2,9% en la albura para esta especie.
Nelson y Heather, (1972) citado por Hillis, W.E.,
(1984), muestran que el duramen del E. grandis contiene 1/3 del
valor
encontrado en la parte exterior de árboles maduros de esta
especie, asociando los colores característicos de estas maderas con los
contenidos de sustancias extraíbles.
Las sustancias solubles en agua caliente
para el exterior del duramen en el E. camaldulensis de edades
entre 18-20 años en Israel, fueron
mayores de 14,3 % y en el interior del duramen 12,1%. Para la
albura se obtuvo el valor de 7,4%
según publica Teschler, (1976), citado por Hillis, W.E.,
(1984).
Los contenidos de sustancias extraíbles en estas
especies presentan diferentes valores, en la
dirección radial y longitudinal, mostrando
variaciones con la edad, la altura del árbol, la especie
que se estudie y las condiciones de sitio en que se han
desarrollado. (Hillis, W.E., 1984).
Los extractos alcohólicos de las maderas de estas
especies contienen fenoles y principalmente polifenoles
polimerizados y ocasionalmente otros compuestos.
La fracción de polifenoles contiene
frecuentemente flavonoides polimerizados, además de
ácido gálico, ácido
hexahidroxidifénico y sus derivados, según
resultados de Hillis, W.E., (1984), quien expone además
que el E. saligna Smith, E. diversicolor, E. grandis y E.
camaldulensis contienen grandes proporciones de flavonoides, con
significativas cantidades de ácido elágico,
metilelágico, ácido gálico y elagitaninos.
(Stafford, A. M. y Pazoles, C. J:, 1997)
2.3 – Componentes minerales de las maderas de
eucalipto.
Los componentes minerales generalmente son expresados
como cenizas. Para el caso de las maderas de eucalipto, estos
valores pueden alcanzar desde 0,1% hasta 1,9%. Dadswell, H.E.,
(1962), señala, que las variaciones en las sustancias
minerales se pueden deber a la humedad no detectada en la madera
y la fertilidad del suelo donde se
desarrolla la planta.
La gran reabsorción de fósforo (P) y
potasio (K), cuando la albura es transformada en duramen fue
estudiada por Bamber, P.K., (1976) en el E. grandis, el contenido
de fósforo fue entre 0,0103% y 0,0007% y el de potasio
entre 0,1087% y 0,0238%. Cuando el duramen es formado en el E.
pelularis, el fósforo puede variar de 0,0043% a 0,0005% y
el de potasio entre 0,494% y 0,007%.
2.4 – Composición química de la
madera de eucalipto a diferentes alturas del
fuste.
La alta expansión geográfica que ha
alcanzado el eucalipto, ha permitido que se encuentre en la
bibliografía mundial
una gran diversidad de trabajos científicos dedicados al
estudio de la composición química de este
género, pero no son muchos los científicos que han
dedicado sus esfuerzos a realizar estudios concernientes a la
variabilidad de la composición química con la
altura del árbol. En este sentido se pueden encontrar
trabajos recientes realizados en Japón,
Portugal, y España,
entre otros.
Pereira, H., (1984), al estudiar la composición
química del E. globulus Labill en España a seis
alturas del fuste, encontró irregularidades en la
variación de la composición química de las
sustancias extraíbles, lo que sucedió
también al estudiar la del E. saligna Smith, en el que
encontró mayores variaciones, atribuyendo este comportamiento
a las características anatómicas de la
fibra en esta madera.
En cuanto a los componentes de la pared celular,
encontró una ligera disminución con la altura del
contenido de celulosa, corroborando los resultados alcanzados por
Sardinhas, R., (1979).
Pereira, H., (1991), publica un comportamiento
similar, al estudiar la misma especie a diferentes alturas del
fuste, a diferentes edades y en diferentes sitios, encontrando un
aumento de las sustancias extraíbles y ligeras variaciones
de los componentes de la pared celular con la edad del
árbol, pero pequeñas variaciones a lo largo del
fuste.
Ona, T., (1995b), al estudiar los contenidos de lignina
a lo largo del fuste observó también ciertas
variaciones, con valores que oscilan entre 21,6% y 42,8%. Este
autor realizó 10 mediciones a lo largo del fuste del
árbol en el E. globulus Labill procedente de Australia.
Resultados similares fueron observados al estudiar al E.
camaldulensis a 12 alturas diferentes. (Yoshinaga, A. et.al.,
1993).
Ona, T. (1997) demostró, que los contenidos de
sustancias extraíbles para el E. globulus Labill y el E.
camaldulensis, presentan diferencias porcentuales entre ambas
especies, diferencias que disminuyen dentro del mismo
árbol a las diferentes alturas estudiadas. Este autor
sugiere, que este comportamiento está relacionado con las
condiciones climáticas en que las plantas crecen,
así como las propias características
genéticas de cada especie en particular. Por otra parte,
Wu, J. et.al., (1992); Fukushima, K. et. al. , (1994), Subrayan
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Autores:
Dr. Uvaldo Orea Igarza
Dra. Leila Rosa Carballo Abreu
Dra. Elena Cordero Machado
Profesores Investigadores del Centro de Estudios
Forestales y Profesores del Departamento de Química de la
Facultad de Forestal y Agronomía de la Universidad de
Pinar del Río, Cuba.