Composición química de la madera.

INTRODUCCIÓN.

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 que los contenidos de lignina varían con la morfología de la fibra.

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