Introducción

La materia orgánica (MO) del suelo es considerado como un factor esencial para la fertilidad de este, por sus numerosas cualidades, los componentes orgánicos del suelo están relacionados con la productividad y el desarrollo benéfico de las plantas, ya sea que se acople íntegramente con los factores del medio, siendo biológicos o climáticos; las sustancias húmicas (SH) tienen una influencia directa en el crecimiento y nutrición vegetal, incrementando la productividad de los cultivos⁽¹⁾. Las SH provienen de desechos animales y plantas descompuestos química y microbiológicamente, son de color oscuro, con carácter ácido, elevado peso molecular, resistentes al ataque microbiano y con propiedades refractarias^(2,3), en el suelo se encuentran formando complejos macromoleculares que pueden estar ligados a cationes como el Ca (II), Fe (III) y Al (III), combinados con los minerales de las arcillas, o asociados a algunas sustancias no húmicas como los carbohidratos, mediante uniones de carácter débil, aunque también se pueden unir covalentemente^(3,4). El contenido de materia orgánica y SH difiere con el tipo de suelo, en los suelos naturales este porcentaje es mayor que en los suelos destinados a la agricultura, donde el tipo de cultivo y el grado de mecanización aplicado incrementa la mineralización de la materia orgánica, por lo que los nutrientes liberados asimilados por las cosechas⁽⁵⁾, los contenidos de sustancias húmicas según el tipo de suelo van a oscilar entre el 33-75% del total de materia orgánica del suelo y dentro de un mismo suelo, el contenido y tipo de SH también difiere con la profundidad en el perfil del mismo^(6,7), con el tiempo⁽⁸⁾ y los factores ambientales^(9,10) ya que en razón de su dinámica se van transformando además de evolucionar sin cesar, con ello la procedencia de las sustancias húmicas es un factor determinante en sus propiedades fisicoquímicas. Hoy en día, las tendencias a utilizar productos orgánicos permiten a los agricultores incrementar sus rendimientos sin alterar el medio ambiente, los ácidos fúlvicos han despertado un gran interés en los productores del campo, entre sus múltiples beneficios posibilitan un mejor aprovechamiento de fertilizantes foliares y radiculares, además de estimular el crecimiento general de la planta, lo cual se traduce en un aumento de rendimientos y mejor calidad de cosechas. Además de que mejoran la estructura del suelo al favorecer la formación de agregados y la reproducción exponencial de microorganismos⁽¹¹⁾. Los ácidos húmicos y fúlvicos son componentes principales de los complejos órgano-minerales presentes en los suelos, por ello es determinante conocer sus propiedades fisicoquímicas, se han establecido técnicas de extracción, separación y purificación que permiten su caracterización y su dosificación a suelos para diferentes tipos de plantas, la esferificación se propone como una alternativa de fertilización de liberación controlada, la esferificación es una gelificación controlada de un líquido que, sumergido en un recipiente conteniendo una solución de sales de calcio, forma pequeñas esferas con un líquido a su interior, con la esferificación se desea modificar las propiedades texturales de los alimentos, fertilizantes o medicamentos, por lo anterior el objetivo de este trabajo fue el de desarrollar, formular y evaluar la esferificación de ácidos húmicos y fúlvicos para ser empleados en la fertilización de liberación controlada para plantas de ornato con alto valor comercial, generando así una alternativa de reducción en el impacto ambiental provocado por otros tipos de fertilizantes para los mismos fines.

Materiales y métodos

Resultados

Se determinó el potencial de hidrogeno de la muestra de AH/AF y de un aminoácido que se tomó como blanco, cada una de las muestras se analizó por triplicado por un potenciómetro obteniéndose un pH promedio para la muestra de AH/AF de 9.81 y para el aminoácido un pH de 6.23 (Tabla 1). La determinación de la viscosidad de las muestras de AH/AF y del aminoácido (muestra de referencia), fue desarrollado por un viscosímetro Saybolt. La cuales se realizó por triplicado obteniéndose un promedio, para después calcular la viscosidad cinemática la cual fue para la muestra de AH/AF de 5.08 centistokes y para el aminoácido de 3.14 centistokes aproximadamente, las cantidades de la viscosidad medidas se muestra en la Tabla 1. Tomando en cuenta los datos del desarrollo experimental se realizó las mediciones del AH/AF, aminoácido y agua como celda de referencia en un espectrofotómetro para obtener la absorbancia y tener el tamaño aproximado de partículas de las muestras. Los resultados obtenidos se pueden observar en la Tabla 2. La mitad de esta relación estará inversamente proporcionada con el tamaño de partículas de los ácidos, una baja relación indica un tamaño mayor de partícula y alta relación, lo inverso. Se realizó el procedimiento correspondiente para encontrar el tamaño de partículas de los acido dando una baja relación para el AH/AF de 9.666X10^-3 dando como significado que contiene partículas de tamaño considerable.

Tabla 1.  Medición del potencial de hidrogeno y viscosidad 

Tabla 2.  Densidades ópticas medición de absorbancia 

Se realizó la estandarización de la formulación acorde a la relación de Alginato de Sodio y de Cloruro de Calcio, se tomaron como criterios esenciales la formación de la esfera, el tamaño de esta, así como la forma obtenida y su resistencia a temperaturas. La esferificación indica que la mezcla de ácidos deberá de unirse al Alginato de Sodio (2.2, 2.3, 2.5 % m/v), utilizando así mismo un estabilizador (goma xantana) en un 2% dependiendo de la mezcla y posterior a ello se sumergirá en el baño con Cloruro de Calcio al 8 % m/v alrededor de 10 min para obtener un esferificado más consistente, posteriormente se sumergirá en un baño de agua destilada para quitar el contenido de cloruro de calcio sobrante de la esfera. La formación de la esfera se basó en el tiempo que se mantenía la muestra de AH/AF con alginato de sodio en la solución de cloruro de calcio, el tamaño de la esfera fue proporcional a la boquilla de una jeringa de 10 ml obteniendo un tamaño aproximado entre 5 mm a 7 mm, la forma obtenida de la esfera fue vista como óvalos o esferas con protuberancias (ver Figura 1a). La realización de la mezcla utilizada para las esferas, en caso de el ácido húmico y fúlvico, se tomaron 0.210 gr de alginato de sodio en 10 ml de AH/AF y 0.190 de goma xantana, se utilizó una licuadora para que la muestra sea uniforme, para el aminoácido se tomaron 0.230 gr de alginato de sodio en 10 ml del reactivo y 0.200 gr de goma xantana y al igual que el anterior se le licuo la mezcla hasta quedar uniforme (Figura 1b).

Figura 1.  Productos esferificados, a) Esferificación de aminoácidos control, b) Esferificación de AH/AF 

Se determinó el grosor promedio de las esferas utilizando un vernier como herramienta de medición, midiendo el largo y ancho de un total de 20 esferas para después obtener un promedio aproximado de 6 mm. La determinación de pH se realizó a través del método electrométrico, utilizando un potenciómetro usando un electrodo de vidrio con un electrodo de referencia y obteniendo la medición directa de las esferas. Se determino, pesando directamente las esferas en una balanza analítica al menos por triplicado para obtener su masa. Para la determinación de esta prueba, se hizo por medio de la observación de al menos 10 esferas de cada una de las muestras, para ver la tonalidad de cada una de ellas. El ensayo determinado para la textura de las esferas fue mediante el tacto, se comprobó la resistencia y la deformación de las esferas analizadas. Se estimo el tiempo de gelificación, mediante el procedimiento de la jeringa de 10 ml tomando la muestra del AH/AF y liberando gota a gota en la solución de cloruro del calcio y se cuantifico el tiempo en que tarda en esferificarse y se adiciono el tiempo en que tardo en lavarse en el agua destilada. El mismo procedimiento se aplicó para el aminoácido (ver Tabla 3).

Tabla 3.  Pruebas fisicoquímicas del producto esferificado 

Para la determinación de cenizas se empleó para saber lo que queda de la combustión total de la esferificación, para esto se pesaron 3-5 g de la muestra deshidratada y se colocó en una capsula de porcelana puesta a peso constante posteriormente la muestra se carbonizo en una estufa a mecha directa. Una vez carbonizada la muestra se pasó a una mufla a 400°C por 3 horas. La cápsula de porcelana se pasó a una estufa a 110°C para su enfriamiento, y luego se colocó en un desecador hasta enfriarse a temperatura ambiente. Finalmente, se pesó y se obtuvo el porcentaje de cenizas dividiendo el peso de éstas entre el peso de la muestra inicial, multiplicado por 100. La determinación del porcentaje de humedad fue calculando por medio del porcentaje de la materia seca total. La muestra ya completamente seca se colocó 2-5 g de esta muestra en un crisol a peso constante y este se introdujo en una estufa a 100 °C durante 12 horas. Posterior a ello se calculó la diferencia de pesos tomando en cuenta el peso del crisol con muestra seca restado al peso del crisol solo y dividido entre el peso de la muestra inicial y el resultado se multiplicará por 100 %. Para determinar la humedad como tal se restará al 100 % el % de materia seca total. Se pesaron 0.1 - 1 g de muestra seca y se realizó una digestión de la muestra con 5 ml de ácido sulfúrico concentrado en presencia de 1.5 g de mezcla digestora como catalizador. El matraz Kjeldhal se dejó enfriar y después se agregó 130 ml de agua destilada y 6 ml de ácido bórico al 4 % agregando también 10 gotas de indicador Shiro Toshiro. La solución ácida se alcalinizo con 8 ml de una solución de hidróxido de sodio 1:1. La solución se llevó al aparato de destilación kjeldhal; donde se recogió 80 ml de la solución y posteriormente se tituló con una solución de ácido sulfúrico al 0.01787 N, calculando con ello el % de N que contiene la muestra, después se realizó el cálculo para la determinación total de proteína cruda. Para determinar el contenido de extracto etéreo se pesó 1-2 g de muestra deshidratada en tubos de celulosa, los cuales se depositaron en el equipo de extracción aparato Soxleth. Se utilizarán 250 ml de éter de petróleo, para la extracción de lípidos por reflujo durante 6 h, los matraces fueron llevados a peso constante en una estufa a 40°C durante 12 h. El porcentaje de grasa se obtendrá por la diferencia en peso del matraz antes y después de la extracción dividido entre la cantidad de muestra por 100 %. Se utilizaron 0.1 - 0.5 g de muestra (W₁) y el contenido de fibra fue determinado por una digestión secuencial con un digestor utilizando 100 ml de H₂SO₄ al 0.255 N, esto se llevó a ebullición y se mantuvo el reflujo durante 30 minutos, se filtró y lavo 3 veces con agua destilada caliente utilizando 50 ml aproximadamente en cada lavado. Posteriormente con NaOH al 0.3 N al igual se llevó a ebullición y se mantuvo el reflujo durante 30 minutos para después filtrarlo y lavar con agua destilada como se hizo con el ácido, al finalizar con el procedimiento anterior se lavó 3 veces con acetona y se llevó los crisoles a la estufa a 130 ºC por una hora, se sacó los crisoles de la estufa enfriándolos en el desecador para posteriormente pesarlos (W₂) y se trasladó a una mufla a 300 ºC para finalmente enfriarlo en un desecador y pesarlo (W₃). Por diferencia entre el primer peso (antes de la incineración) y el de las cenizas se obtendrá el de la fibra cruda (ver Tabla 4). Se determinó la estabilidad mediante la pérdida de humedad de las esferas en donde se utilizó una balanza analítica y se empleó 10 gramos de muestra fresca y revisando periódicamente a los 30, 60 y 90 minutos. Al pasar el tiempo, se observó que la forma se mantuvo alrededor esos intervalos de tiempo y por lo consiguiente el líquido se mantuvo en el interior de la esfera.

Tabla 4.  Análisis bromatológico del producto esferificado 

Discusión

Qiao et al., en el 2016⁽¹³⁾, menciona que la agricultura abastece a la población mundial en rápido crecimiento con alimentos, ropa y otras necesidades de la vida diaria, y es indispensable para el surgimiento de la civilización humana⁽¹⁴⁾. Para satisfacer la creciente demanda de alimentos y otros productos agrícolas, se han empleado grandes cantidades de diversos fertilizantes (N, P y K) para mejorar los rendimientos de los cultivos. Sin embargo, la eficiencia de la mayoría de los fertilizantes, especialmente el nitrógeno se reduce en gran medida debido a la volatilización y la lixiviación de los nutrientes. También, esto da lugar a la contaminación ambiental y a problemas de salud debido a la eutrofización del agua y emisiones peligrosas (NH₃, N₂O, etc.) resultante de la hidrólisis de nutrientes y por la acción de microorganismos⁽¹⁵⁾. Se han desarrollado fertilizantes de liberación lenta que podrían satisfacer al mismo tiempo las necesidades de nutrientes de las plantas, mejorando los rendimientos de los cultivos al tiempo que reducen pérdida de nutrientes en el entorno. Los fertilizantes de liberación lenta se preparan físicamente encapsulando los fertilizantes solubles con materiales hidrofóbicos inorgánicos y/o materiales orgánicos que actúan como una barrera para suprimir la "explosión" repentina de los fertilizantes. Entre esos materiales de recubrimiento inorgánicos insolubles tales como el azufre solían ser candidatos atractivos, ya que no solo podrían retrasar la liberación de nutrientes de los fertilizantes sino también tienen funciones adicionales como planta secundaria nutrientes y agentes que neutralizan la alcalinidad del suelo⁽¹⁶⁾. Después de ello, los polímeros fueron ampliamente utilizados como materiales de revestimiento, como películas formadas en la superficie de los gránulos de fertilizantes, pero resultaron ser frágiles ya que presentaron algunas grietas y poros⁽¹⁷⁾, y también son vulnerables a los microorganismos. Por los altos costos, complejidad del proceso y contaminación ambiental ya que algunos polímeros eran a base de petróleo, se optó por usar biopolímeros renovables como la lignina⁽¹⁸⁾, la celulosa y el almidón se utilizan como alternativa de materiales de recubrimiento para mejorar el rendimiento de liberación lenta en fertilizantes, por lo anterior propusieron una mezcla de matrices que involucraban almidones, acrilamidas, nitratos de amonio, y etil celulosa, ellos encontraron que el emplear etil celulosa como parte de membranas internas y almidones en la parte externa, todo ello permite que exista una absorción mucho más adecuada de agua y con ello se presenta una liberación controlada del fertilizante funcionando como una alternativa viable en la producción de productos agrícolas.

Pérez en el 2016⁽¹⁹⁾, menciona que la agricultura depende en gran medida de la adición de fertilizantes, el uso excesivo de fertilizantes se ha asociado con la contaminación causada por altos niveles de nutrientes en el suelo y en aguas superficiales^(20-22), causando problemas de salud, ambientales y aumentando los costos de purificación de agua^(21).La degradación de la calidad del suelo después de muchos ciclos de uso agrícola intensivo conduce a una mayor demanda para la fertilización, el riego y la energía para mantener la productividad de esos suelos⁽²³⁾. Un enfoque para reducir los problemas asociados con el uso excesivo de fertilizantes es idear un método que reduzca la cantidad y frecuencia de su aplicación⁽²⁴⁾. Una forma de lograr este objetivo es utilizar fertilizantes de liberación controlada (FLC), estos productos agroquímicos usan una barrera física para reducir la velocidad de disolución de los fertilizantes, sus características físicas (reservorio o sistema de matriz), a lo largo de con el mecanismo que rige la liberación de fertilizante (difusión, hinchazón o degradación de la matriz polimérica), puede modular el patrón de liberación de nutrientes⁽²⁵⁾. El costo es un parámetro importante al analizar la viabilidad de los FLC para la fabricación industrial. La producción de los FLC que utilizan hidrogeles como matrices portadoras todavía tiene un mayor costo que el uso de fertilizantes minerales convencionales⁽²⁶⁾. Algunos polímeros pueden caracterizarse como de "bajo costo", ya que requieren poco procesamiento, son abundantes en la naturaleza y son subproductos o materiales de desecho de otros procesos industriales. Por ello el objetivo de su estudio fue investigar la viabilidad de un método simple de preparación de hidrogeles no contaminantes basados en mezclas de quitosano y almidón para usar en la industria agrícola como matrices para la liberación controlada de fertilizantes. Macroesferas se prepararon por entrecruzamiento ionotrópico de quitosano usando sodio tripolifosfato, las condiciones de preparación (tiempo de reticulación y composición de las mezclas) fueron analizados para producir un bajo costo de macroesferas con el menor contenido posible de quitosano, los hidrogeles que prepararon fueron caracterizados para dilucidar su estructura, propiedades termales y morfológicas. La estructura final de las esferas determinó su comportamiento durante la absorción, que es la principal determinante de la capacidad y liberación cinética de carga de fertilizantes. Como resultado final encontraron, que la realización de macroesferas por entrecruzamiento ionotrópico de quitosano con almidón son excelentes candidatos como alternativa de fertilizantes de liberación controlada con ello puede tener amplia cabida en la agroindustria.

De acuerdo con el porcentaje establecido con la elaboración de las esferas (microencapsulados) dentro de la experimentación pertinente realizada, la cual será utilizada para el cultivo de plantas ornamentales, está en el margen porcentual de otras experimentaciones de liberación controlada. Por ejemplo, para la producción de plantas de Pinus halepensis, utilizaron dosis de fertilizantes de liberación controlada recubiertos de OSMOCOTE 9-13-18 y OSMOCOTE 16-8-9 con porcentajes (1.5¬; 3.25 y 5 g/l) y (3.25; 5 y 7 g/l) respectivamente, dando un buen aporte de fosforo, potasio y nitrógeno a la planta^(27). El éxito al esferificar con alginato de sodio y cloruro de calcio es darle a la esfera una consistencia adecuada, además al agregarle un porcentaje de la goma xantana se le dio mayor firmeza, resistencia y forma requerida. El recubrimiento antes mencionado es amigable con el suelo donde se encontrará la planta de ornato. Dando una efectividad a la experimentación realizada con los datos obtenidos en base a otras investigaciones.

Conclusiones

A manera de conclusión podemos decir que, la esferificación, en base a lo recabado experimentalmente dando la certeza al procedimiento realizado satisface los parámetros establecidos al inicio de la propuesta. Aplicando todos los análisis fisicoquímicos de los ácidos y aminoácidos ocupados experimentalmente, como el potencial de hidrogeno (pH), viscosidad (μ), y densidades ópticas (DO), para facilitar la estandarización adecuada de la membrana semipermeable para la correcta esferificación con alginato de sodio y cloruro de calcio de los aminoácidos y los ácidos pertinentes, aplicando como método una esferificación directa, dándole resistencia, firmeza y durabilidad, logrando así su fácil manipulación y aplicación. Beneficiando y fortaleciendo minuciosamente al crecimiento y desarrollo adecuado de las plantas de ornato dándole todos los nutrimentos necesarios (Nitrógeno-Potasio-Fosforo) tanto a ella como al suelo en su periodo de crecimiento. La esferificación aplicada a los agroquímicos da una vida útil más prologada al fertilizante, una resistencia a cambios de temperaturas ambientales, protegiendo así la mayoría de su propiedades y nutrientes, para que sean aprovechadas en su totalidad por las plantas de aplicación y el suelo dando a este ultimo mayor fertilidad para el crecimiento notorio de las plantas. En el estado de Oaxaca la esferificación a fertilizantes de liberación controlada es un tema muy poco explotado, ya que se trata de un proceso tardado de realizar siguiendo minuciosamente sus cuidados, sin embargo, podemos inferir que ello le puede otorgar beneficios a un largo periodo de tiempo a los cultivos aplicados.