ALCANCE DE LA BIOQUÍMICA EN LAS CIENCIAS AGRÍCOLAS – PARTE 1 (bioenergética y carbohidratos)

DICIEMBRE, 25

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
Facultad de Ciencias Agrícolas
Agronomía
Autores: Alejandro Aguirre, Denisse Loya.
Prof. Dr. Venancio Arahana.

“La bioquímica es la ciencia de la vida. Todos nuestros procesos de vida, caminar, hablar, moverse o alimentarse. Así que la bioquímica es en realidad la química de la vida y es sumamente interesante” Aarón Ciechanover

Introducción

     La sociedad entiende como negativa a la química en relación de los alimentos, presenta argumentos como: “consuma tomate sin químicos”, “los vegetales con productos químicos no son buenos”, “si tiene químicos es malo” o que la agricultura es mejor cuando prescinde de químicos; lo cierto es que estos fundamentalismos son anticientíficos y platean un panorama cultural contra el cual la ciencia debe luchar.

El paradigma va más allá de esta discusión y se resuelve comprendiendo que absolutamente todo lo que nos rodea es química, frente a esta premisa el presente artículo se enfoca en orientar la verdadera connotación de la química desde una de sus ramas más importantes, la química de la vida, como se ha llamado etimológicamente a la bioquímica, ciencia que es relativamente joven según lo afirma (Espinoza Pineda, 2012), que sostiene que la bioquímica nace como resultado de importantes acontecimientos científicos en química, física, biología y biomedicina a finales del S. XVIII.

El panorama posterior en el siglo siguiente fue de mucha mayor relevancia siendo la bioquímica una de las disciplinas científicas que han alcanzado mayor desarrollo en el siglo actual es por esta razón que el presente artículo pretende restituir la importancia de esta ciencia dentro de un campo muy importante como lo son las ciencias agrícolas, mismas que se enfrentan a complicados panoramas en el futuro, como el desenfrenado crecimiento poblacional en el mundo que según (Lucena, 2010) “Se necesitarán producciones agrícolas en un 70% superiores a las actuales” para satisfacer las necesidades alimenticias de la población mundial.

Esta incesante pugna entre la población mundial frente a la superficie agrícola por persona concede razón de ser de forma particular, a la bioquímica vegetal, para la solución de este problema, en tal virtud, el profesional agrónomo debe tener total dominio de esta ciencia para la aplicación de soluciones viables a los paradigmas en la producción agrícola.

Desde su definición se estudia la composición molecular de las células vivas, las reacciones químicas que suscitan con los compuestos biológicos y la regulación de las mismas en condiciones de campo y experimental; en este artículo se abarcarán estos ejes dentro de una enfoque aplicativo hacia la agronomía con objeto de derrocar el viejo paradigma de que la química es un factor nocivo en la producción de alimentos.

CAPÍTULO I -GENERALIDADES

Importancia de la Bioquímica para las ciencias agropecuarias (principales generalidades)

 

     La modernización para la producción que implique mejoramiento en los cultivos, optimización, aumento de la masa animal, rentabilidad y buen rendimiento en la producción agropecuaria se sustenta en la investigación científica como base para el mejoramiento de la nutrición del hombre y los animales (Maya, 2013).

Para esta modernización, la bioquímica ofrece a los ingenieros agrónomos y pecuarios métodos efectivos para el mejoramiento de los procesos productivos desde el punto de vista cualitativo y cuantitativo, Espinoza Pineda menciona que “el ingeniero agropecuario halla fundamentos científicos que le permiten encaminar adecuadamente la auto conservación y la autoproducción que es la base fundamental para el aumento del producción agropecuaria” (2012).

Por ejemplo, en el sector ganadero el bioquímico busca formas de solucionar los problemas de rechazo de tejidos en los transplantes médicos e intervenciones quirúrgicas frecuentes en rumiantes, de forma análoga en este mismo sector la base teórica de la bioquímica permite ciertas especialidades en conjunto con la veterinaria y la zootecnia dentro del área genética para la reproducción animal así se optimizan recursos en grandes campos ganaderos.

Ilustración 1 Trasplante de embriones en ovinos. Fuente: http://transferenciadeembriones.blogspot.com/

Otro importante ejemplo suscita con la raza bovina Blanco Azul de Bélgica, reses enormes de gran musculatura obtenidas por una condición genética donde un fenotipo produce doble musculatura volviéndolas multipropósito, la bioquímica tiene mucho que ver con este tipo de producción ganadera extensiva cuyo entrecruzamiento industrial con ganado de leche mejora sustancialmente los rendimientos. El rol bioquímico en este sector es que normalmente en el sector agrícola no existe de forma considerable profesionales bioquímicos que puedan brindar servicio de forma continua, en tal virtud, el ingeniero agrónomo y sus pares se ven en la necesidad de comprender el metabolismo del animal y las necesidades nutricionales del mismo para la mantención de tamaña cantidad de masa muscular, de igual forma, debe estar capacitado para procedimientos de inceminización in vitro y obtención de muestras espermáticas mediante tecnología de punta para la selección de las células sexuales más idóneas para el mantenimiento del fenotipo así lo mencionan (FINKEROS, 2015).

Ilustración 2 Extracción, cultivo e Implante de embriones para Blanco Azul Belga. Fuente: https://www.contextoganadero.com/reportaje/cual-es-el-metodo-de-reproduccion-que-mas-le-conviene-su-ganaderia

Volviendo a los cultivos, las investigaciones bioquímicas sirven de base para para la adopción de métodos de cultivo para un mayor desarrollo y rendimiento económico, es decir, de una forma indirecta esta disciplina se relaciona también con factores financieros y de rentabilidad. Ésta busca alternativas para la creación de insecticidas y fertilizantes que incrementen la biodegradación de las malezas y las diferentes estructuras organizas presentes en el suelo.

Diversos autores sostienen que en definitiva la bioquímica permite conocer los diversos fenómenos naturales que ocurren en el primer eslabón de la cadena trófica, las plantas, estableciendo las bases del crecimiento necesarios para abordar de forma satisfactoria las necesidades para el desarrollo de las mismas.

CAPÍTULO II-BIOENERGÉTICA

La Bioenergética, el primer pilar de la bioquímica.

     El conocimiento profundo de los mecanismos de las reacciones químicas que posibilitan la vida, garantizan al sector agropecuario encontrar soluciones tanto en la producción animal y vegetal, bases irrenunciables de la nutrición humana. Para la profundización de las temáticas a tratar se abordará desde lo más primigenio de la bioquímica, la bioenergética hasta las diversas estructuras químicas de las biomoléculas trascendentales para la vida.

Los organismos vivos son sistemas dinámicos: crecen, se mueven, sintetizan macromoléculas complejas y trasladan selectivamente sustancias dentro y fuera de la célula o entre compartimentos (Arahana, 2018).

Por tal razón, es importante ver a los organismos como un sistema de estudio desde el punto de vista termodinámico, puesto que toda actividad requiere energía existiendo importante intercambio de la misma entre el entorno y los seres vivos y viceversa, el ingeniero agrónomo debe comprender esta premisa y de entre tantos puntos de vista y conceptos que tiene una planta, desde la bioenergética, esta se considera como la entrada de la cadena trófica, que es también un ciclo de energía.

Ilustración 3 Cadenas alimenticias y redes tróficas. Fuente: https://es.khanacademy.org/science/biology/ecology/intro-to-ecosystems/a/food-chains-food-webs

Las plantas obtienen energía desde la luz solar, los animales la obtienen desde las plantas y así sucesivamente hasta que la cadena vuelve a sus orígenes. Todo ello se sustenta sobre la termodinámica misma que rige con sus conceptos en toda la materia y energía existente en el Universo mismo, en él se dan procesos que involucran intercambio de calor y ejecución de trabajo entendidos como intercambios energéticos con el entorno y el sistema para la modificación de la energía interna bajo condiciones de temperatura, presión y volumen, siendo el trabajo y el calor energía de tránsito entre el sistema y el entorno sin ser propiedades del sistema (Mathews y Ahern, Kevin G, 2002).

La pregunta central entorno a la bioergética es ¿cómo pueden ser estos preceptos aprovechables en las ciencias agrícolas? La respuesta se obtiene cuando se pretende manipular en condiciones de laboratorio (invernadero) para la producción de alimentos las condiciones de un sistema, entiéndase al sistema como una Unidad de Producción Agrícola, que puede ser una extensión de territorio destinado a producción o incluso un invernadero lo importante desde el punto de vita bioquímico es entenderlo como un sistema en el cual rigen las leyes de la termodinámica. Los resultados de las investigaciones son asombrosos y se presentan a continuación.

Sistema de energía renovable termodinámica, aplicación de agua caliente para riego de cultivos en invernaderos.

     Una importante empresa española  a incursionado en la aplicación de un sistema termodinámico para el calentamiento de agua para riego en invernaderos, según (Bouchakour, 2018) “La aplicación de este sistema TERMODINÁMICO en los cultivos de invernadero está demostrando que es esta una solución muy eficaz para evitar la parada biológica que sufre la planta en los días fríos de invierno. Este sistema ayuda a que las plantas crezcan. Regar las plantas con agua caliente es beneficioso, acelera su crecimiento, no obstante, debemos controlar la temperatura”.

Ilustración 4 Crean-un-invernadero-climatizado-con-energías-alternativas. Fuente: https://extendaplus.es/indalcant/proyectos/sistema-de-energia-renovable-termodinamica-aplicacion-de-agua-caliente-para-riego-de-cultivos-en-invernaderos/

Las investigaciones sostiene que las plantas que se riegan con agua caliente pueden alcanzar mayor altura que aquellas que que han sido regadas con agua a baja temperatura en periodos invernales, este es un claro ejemplo en el cual el manejo de las condiciones de la temperatura mejoran sustancialmente las tasas de producción en países cuyo clima invernal con temperaturas bajo cero producen una severa “para productiva”, (Bouchakour, 2018) menciona que los invernaderos climatizados han incrementado un 20 % de producción frente a aquellos no climatizados y al utilizar paneles solares generan un ahorro de hasta el 80 % comparado con los sistemas convencionales, en definitiva, los sistemas solares termodinámicos para obtención de agua caliente sanitaria o calefacción son sistemas de bomba de calor, captando la energía solar y ambiental para calentar agua de forma eficiente, con ahorros muy importantes en electricidad.

Las energía de las plantas y su implicancia en la agronomía

     Volviendo al corazón de la termodinámica atrás de la bioenergética vegetal, la energía acumulada por las plantas durante la fotosíntesis se conoce como productividad primaria, por ser la primera y más básica forma de energía almacenada en un ecosistema así lo afirma (Gliessman, 2002), esto es fundamental cuando se pretende conocer el ingreso neto de energía desde un punto de vista calórico en la nutrición humana y animal.

Posterior a la respiración, la energía permanece en la planta para sí, esta se conoce como productividad primaria neta y se mantiene almacenada como biomasa fundamental para la agroindustria. A través de la agricultura usando herramientas como la bioquímica y la termodinámica podemos concentrar esta energía almacenada en la biomasa y usarla como alimento para ejecutar un trabajo.

De forma resumida la bioquímica permite ver a la materia como potencial de energía aprovechable para la producción de alimentos, la misma energía captada por las plantas y almacenada en su interior no es mas que energía potencial lista para ser empleada en producción agraria, una agricultura más óptima que ve en el aprovechamiento de residuos una salida a las problemáticas ambientales entorno a emanación de gases de efecto invernadero.

(Gliessman, 2002) propone un ejemplo con el maíz que es uno de los productos agrícolas más importantes del consumo humano, éste en términos de producción de alimentos por unidad de área de terreno puede producir 15000 kg de peso seco/ciclo/ha, esta biomasa representa un 0.5 % de la energía solar total que llega al campo durante un año durante la época de cultivo, con la papa se tiene un 0.4 % y con el trigo un 0.2 %, y aunque estos porcentajes son relativamente bajos frente a la caña de azúcar (uno de los más altos) con un 4.0 % de eficiencia en conversión energética solar en biomasa altamente aprovechable que en comparación de la de los animales es aun menor debido a que ellos pierden mucha energía en los procesos metabólicos requeridos para su subsistencia.

En tal virtud, la biomasa aprovechable más eficiente proviene de las plantas por ciclo de siembra donde no solo sus frutos o tallos son aprovechables si no también sus residuos en la fabricación de biomasa, composta o incluso reconversión de energía en forma de calor.

Ilustración 5 Las Plantas de biomasa más grandes del mundo. Fuente: https://www.hargassner.es/2014/12/09/finlandia-la-cuna-de-las-plantas-de-biomasa/

Si analizamos la conversión de biomasa vegetal y animal podemos deducir que la mayor cantidad de energía presente en biomasa animal se encuentra en sus proteínas sin embargo, un animal  de granja puede necesitar de entre 20 a 120 unidades de energía procedente de las plantas para producir una unidad de energía y es allí donde radica la verdadera importancia de la energía proveniente de las plantas, agrónomo por tanto conoce esta realidad y ve en la bioquímica una herramienta para el aprovechamiento de la biomasa disponible para el hombre y la producción de biomasa más eficiente para el ganado, mejorando sus pastos o forrajes que le proporcionen al animal una mejor nutrición para la producción de proteína desde los residuos generados en la poscosecha cuya biomasa puede ser enfocada en la nutrición animal.

Ilustración 6 Pastos y Forrajes para  consumo animal. Fuente: https://zoovetesmipasion.com/pastos-y-forrajes/valor-nutricional-los-pastos/

Finalmente la bioquímica reaparece en los procesos metabólicos que empiezan con los hidratos de carbono de los cuales de hablará más adelante; los procesos bioquímicos de transformación de la biomasa en energía son aquéllos que se llevan a cabo mediante diversos tipos de microorganismos, ya sean contenidos en la biomasa original, ya sea añadidos durante el proceso. Estos microorganismos producen la degradación de las moléculas complejas constituyentes de la biomasa a compuestos más simples, de alta densidad energética. Estos procedimientos se utilizan, fundamentalmente, para tratar biomasa natural o residual de alto contenido en humedad que, si fuese tratada por métodos termoquímicos, daría unos rendimientos energéticos especialmente desfavorables, debido al alto calor de vaporización del agua.

Aunque la biomasa puede ser sometida a diversos procesos bioquímicos, también denominado procesos de fermentación, para su transformación en una gran variedad de productos, los procesos de fermentación más corrientes para la obtención de energía son la fermentación alcohólica para producir etanol (alcohol etílico) y la digestión anaerobia, para la producción de metano, un ejemplo clásico de la fermentación se da en la elaboración de la cerveza, producto que por su puesto tiene sus orígenes en el sector agrario.

Ilustración 7 Saccharomyces Cerevisiae, bacteria fermentadora de la cerveza. Fuente: https://www.indiamart.com/proddetail/saccharomyces-cerevisiae-20512452197.html

La calorimetría y su uso para la determinación del contenido energético de los alimentos.

La calorímetria es una importante técnica de anlálisis fundamentada en la termodinámica e implica la medición de los cambios de energía calorífica que ocurren durante una reacción química, sea esta exotérmica o endotérmica así lo define (Logón, 2017).

Normalmente los sistemas cerrados representan bien a los seres vivos puesto que imitan el intercambio de energía entre sistema y entorno si tomar en cuenta la materia, sin embargo, para determinar cantidades calorímetrias en alimentos es muy necesario un cuidado minucioso en las condiciones que se dan dentro del procedimiento calorimétrico.

Cuando los cambios de energía se dan a presión constante, como ocurre en la mayoría de los casos, el calor sera igual a la energía intercambiada entre un determinado sistema y su entorno, lo que se conoce como cambio de entalpías (Mathews, C; van Holde, K; Ahern, 2002).

Durante una reacción química la liberación de energía al entorno significará que el sistema pierde energía, por consiguiente el diferencial entalpías sera negativo, caso contrario ocurre cuando para llevarse acabo la reacción se absorbe calor del entorno y los productos obtenidos presentan una mayor energía interna que los reactivos de partida (Logón, 2017). Cada sustancia puede absorber calor en mayor o en menor grado, esa capacidad que tienen las sustancias a absorber calor sin que su temperatura se vea afectada, es la que se conoce como capacidad calorífica.

Determinación del contenido calórico de los alimentos

Para conocer el aporte energético (bioenergética) que nos suministran los alimentos, información nutricional y calorías es trascendental la comprensión de la calorímetría asi lo afirma Logón (2017), pues ella la que nos ofrece la respuesta; una caloría equivale al calor necesario para aumentar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua y a través de un balance energético en donde se consideran todas las masas del sistema y sus respectivas capacidades caloríficas se puede establecer con bastante proximidad  dicha información presente en un alimento.

El método tradicional para llevar a cabo este procedimiento es a través de la combustion controlada en un calorímetro denominádo “bomba calorimétrica” o cámara de combustión, ésta mantiene la presión constante mientras el alimento se combustiona qué al mismo tiempo transfiere su energía en forma de calor hacía una especie de cámara contigua donde se deposita una muestra de agua pura que registra los cambios de temperatura dados siguiendo la siguiente relación:

Contenido Calórico =

∆H = mH₂O*CpH₂O *∆T

dónde:

m: Masa del agua en gramos.
ΔT: Diferencial de temperaturas (T final – T inicial).
Cp: Capacidad calorífica del agua.

Y de esta manera a través de la utilización de la termodinámica podemos determinar este parámetro que cada día es mas importante conocer en los alimentos.

Ilustración 8 Bomba Calorimétrica. Fuente: https://steemit.com/stem-espanol/@joseleogon/fundamentos-de-la-calorimetria-y-su-uso-para-la-determinacion-del-contenido-energetico-de-los-alimentos

Es importante mencionar que las grandes industrias realizan un cálculo más detallado y meticuloso para estimas los valores calóricos de los alimentos, normalmente en muestras de 100 gramos, en Ecuador, la normativa legislada desde la Agencia de Regulación y Control Sanitario, ARCASA, basa sus parámtros en los procedimientos estandarizados por las Normas INEN en vigencia.

CAPÍTULO III – CARBOHIDRATOS

Importancia, presencia y aplicación de los Hidratos de Carbono.

Los hidratos de carbono, conocidos como carbohidratos o glúcidos son compuestos de carácter orgánico de alta abundancia en la naturaleza. Estas sustancias se utilizan como alimento directamente o como materia prima para la elaboración de múltiples productos industriales, la importancia de ellos radica en su elevado valor energético y se constituye como fuente primaria de energía en la nutrición animal y vegetal.

Ilustración 9 carbohidratos presentes en algunos alimentos. Fuente: https://www.salud180.com/nutricion-y-ejercicio/que-son-los-carbohidratos.

“Los carbohidratos son los principales componentes de casi todas las plantas, comprenden del 60 al 90% de su masa seca”(Luis Espinoza Pineda y de Lípidos, 2011).

En contraste, el tejido animal contiene una cantidad comparativamente pequeña de carbohidratos (menos del 1% en el ser humano). Los carbohidratos incluyen a los azúcares, almidones, celulosa y otras sustancias encontradas en raíces, tallos y hojas de las plantas, productos de síntesis.

Dependiendo de la complejidad de las estructuras que presentes se clasifican en cuatro grupos: monosacáridos, disacáridos, trisacáridos, polisacáridos.

Tabla 1 Clasificación de los carbohidratos. Elaborada por: Alejandro Aguirre.

Función de los hidratos de carbono en el aspecto nutricional

     Según (Instituto Tomás Pacual Sanz, 2010) los carbohidratos tienen múltiples funciones:

• El principal rol de los carbohidratos es suministrarle energía a la planta o animal. Independientemente de su tamaño normalmente aportan 4 kcal por gramo. Los hidratos de carbono pueden almacenarse en forma de glucógeno tanto en músculo como hígado en forma de grasa.
• Facilitan el metabolismos de las grasas e impiden la degradación oxidativa de proteínas
• Intervienen en la regulación de funciones gastrointestinales: fermentación de la lactosa y disminuye la absorción del colesterol.
• Tienen funciones estructurales ya que algunas pentosas forman parte del ADN y el ARN.

Los hidratos de carbono como medios de cultivo en microbiología.

     Uno de los sistemas más importantes para la identificación de microorganismos es observar su crecimiento en sustancias alimenticias artificiales preparadas en el laboratorio. El material alimenticio en el que crecen los microorganismos es el “Medio de Cultivo” y el crecimiento de los microorganismos es el “Cultivo”. Se han preparado más de 10.000 medios de cultivo diferentes, la microbiología es una disciplina científica de gran utilidad en el sector agrario, debido a que es cotidiano la realización de análisis microbiológicos de suelos, frutos, semillas, etc.

En los diferentes medios de cultivo se encuentran numerosos materiales de enriquecimiento como hidratos de carbono, suero, sangre completa, bilis, etc. Los hidratos de Carbono se adicionan por dos motivos fundamentales: para incrementar el valor nutritivo del medio y para detectar reacciones de fermentación de los microorganismos que ayuden a identificarlos (FCEN,). El suero y la sangre completa se añaden para promover el crecimiento de los microorganismos menos resistentes.

Ilustración 10 El agar o agar-agar es una sustancia carragenina, un polisacárido sin ramificaciones obtenido de la pared celular de varias especies de algas de los géneros Gelidium, Eucheuma y Gracilaria, entre otros, resultando, según la especie, de un color caracter.

Para que las bacterias crezcan adecuadamente en un medio de cultivo artificial debe reunir una serie de condiciones como son: temperatura, grado de humedad y presión de oxígeno adecuadas, así como un grado correcto de acidez o alcalinidad. Un medio de cultivo debe contener los nutrientes y factores de crecimiento necesarios y debe estar exento de todo microorganismo contaminante.

Aplicación de hidratos de carbono en geles para retención de humedad en el suelo.(hidrogel)

     Las substancias capaces de formar geles se han utilizado en la producción de alimentos elaborados desde hace mucho tiempo. Entre las sustancias capaces de formar geles está el almidón y la gelatina, La gelatina, obtenida de subproductos animales, solamente forma geles a temperaturas bajas, por lo que cuando se desea que el gel se mantenga a temperatura ambiente, o incluso más elevada, debe recurrirse a otras substancias. El almidón actúa muy bien como espesante en condiciones normales, pero tiene tendencia a perder líquido cuando el alimento se congela y se descongela.

Algunos derivados del almidón tienen mejores propiedades que éste, y se utilizan también. Los derivados del almidón son nutricionalmente semejantes a él, aportando casi las mismas calorías (Fallas y Mata, 2011).

Se utilizan también otras sustancias, bastante complejas, obtenidas de vegetales o microorganismos indigeribles por el organismo humano. Por esta última razón, al no aportar nutrientes, se utilizan ámpliamente en los alimentos bajos en calorías. Algunos de estos productos no están bien definidos químicamente, al ser exudados de plantas, pero todos tienen en común el tratarse de cadenas muy largas formadas por la unión de muchas moléculas de azúcares más o menos modificados. Tienen propiedades comunes con el componente de la dieta conocido como “fibra”, aumentando el volumen del contenido intestinal y su velocidad de tránsito.

El hidrogel por su parte es una de las principales tecnologías bioquímicas empleadas en los nuevos métodos agrícolas, este es una sustancia  creada a base de un polisacárido de potasio cuya principal función y característica es la retención de agua, que absorbe entre 200 y 300 veces su tamaño y hasta 1000 veces su volumen, es decir, una retención del 90 % según afirman (Jardinería Plantas y Flores, 2018).

Ilustración 11 Aplicación de hidrogel para enraizado y humedecimiento de plantas. Fuente: http://www.hidrogelplantas.com/hidrogel-para-plantas/

El hidrogel para plantas, tiene un funcionamiento muy sencillo. El hidrogel es una sustancia en seco, en polvo, que al echarle agua, en vez de disolverse en ella, la absorbe, creando una estructura esponjosa llena de agua. Una vez ha absorbido el agua, la suelta a necesidad del suelo. Además una vez la ha soltado, vuelve a absorber agua, aguantando hasta más de 3 años y más de 50 ciclos de riego (HIDROGELPLANTAS.COM, 2019).

Beneficios de usar hidrogel para plantas

Algunos de los motivos por los que el hidrogel es bueno para las plantas sería

• Incrementa la capacidad de retención del suelo
• Reduce la frecuencia necesaria de riego
• Reduce los costes asociados con el riego y con el mantenimiento del mismo.
• Previene la pérdida de nutrientes necesarios.
• Aumenta los ratios de supervivencia de árboles nuevos y arbustos.
• Mejora la calidad de las plantas
• Permite el crecimiento de las plantas en zonas extremadamente calientes y secas.

Bibliografía

Arahana, V. 2018. BIOENERGÉTICA. : 61.

Bouchakour, V. 2018. SISTEMA DE ENERGÍA RENOVABLE TERMODINÁMICA, APLICACIÓN DE AGUA CALIENTE PARA RIEGO DE CULTIVOS EN INVERNADEROS. INDALCANT. ES. https://extendaplus.es/indalcant/proyectos/sistema-de-energia-renovable-termodinamica-aplicacion-de-agua-caliente-para-riego-de-cultivos-en-invernaderos/ (accessed 25 noviembre 2019).

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Jardinería Plantas y Flores. 2018. ¿Qué es y cómo usar el hidrogel para plantas? Jard. Plantas y Flores. https://jardineriaplantasyflores.com/que-es-como-usar-hidrogel-para-plantas/ (accessed 27 noviembre 2019).

Logón, J. 2017. Fundamentos de la calorimetría y su uso para la determinación del contenido energético de los alimentos. stem-español. https://steemit.com/stem-espanol/@joseleogon/fundamentos-de-la-calorimetria-y-su-uso-para-la-determinacion-del-contenido-energetico-de-los-alimentos (accessed 27 noviembre 2019).

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Maya, M. 2013. IMPORTANCIA DE LA BIOQUÍMICA Y SU RELACIÓN CON OTRAS CIENCIAS. Univ. Técnica Machala: 1. http://bioqmayamaria.blogspot.com/2013/10/importancia-de-la-bioquimica-y-su_24.html (accessed 25 noviembre 2019).

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APLICACIÓN DEL LÍMITE EN LAS CIENCIAS AGRÍCOLAS

Alejandro Alfredo Aguirre Flores.

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Introducción

Las ciencias agrícolas se componen de un conjunto de conocimientos de diversas áreas del saber cómo la matemática aplicada, la física o la química, estas ciencias permiten poner en practica sus conceptos en el cultivo de la tierra. En el caso particular de las matemáticas su uso trasciende a todas las ciencias, sin embargo, en el campo agrario resultan una herramienta de vital importancia para la resolución de diversos problemas sea desde el álgebra, la geometría o el cálculo.

Con respecto a este último nace de las mentes prodigiosas de Newton y Leibniz en el último tercio del siglo XVII de forma independiente, tras unificarse en dos conceptos generales, la integral y la derivada, desarrollaron un simbolismo que originó entre teoremas las reglas formales del “cálculo” aplicables a funciones algebraicas aplicables y trascendentes (Martins, 2010).

El punto de partida fue la definición misma de función en conjunto con el concepto de continuidad y con él, el concepto de limite; concepto que empieza sus orígenes con John Wallis en el siglo XVII y que diera punto de partida a Louis Cauchy (1821) quien define en su “Cours d´analyse algébrique” al límite de una función de la siguiente manera:

“Cuando los valores atribuidos sucesivamente a una variable se aproximan indefinidamente a un valor fijo para llegar por último a definir de este valor en una cantidad tan pequeña como se desee, entonces dicho valor fijo recibe el nombre de límite de todos los demás valores”.(Izumorin, 2012)

El concepto se fue puliendo con el épsilon y delta (números reales próximos a cero) de Karla Weierstrass. Finalmente, los valores de una determinada función f(x) se aproximan a un limite L a medida que x se aproxima a un numero constante (a) si el valor absoluto de la diferencia entre f(x) y L se puede hacer tan pequeño como queramos tomando x suficientemente cerca a a, pero no igual a a, definido formalmente en la formula siguiente (Leithold, 1978).

El límite se define también como un valor de frontera, su utilidad radica en la posibilidad de delimitar puntos específicos en una función. El presente trabajo de investigación indaga de diversas fuentes de consulta acreditadas las diferentes aplicaciones del concepto de limites en las ciencias agrícolas, particularmente para la carrera de agronomía, considerando a esta una especialidad técnica fundamentada en las ciencias exactas.

APLICACIONES DEL LÍMITE EN LA AGRONOMÍA

El fundamento de límites sustenta una parte del cálculo en los sistemas agrarios, las aplicaciones son variables y en su mayoría implica límites de cálculo directo, es decir, explícitos cuyo tratamiento implica la utilización de los teoremas básicos del Límite y la continuidad.

El presente documento recopila de fuentes contrastadas la utilización de limites en:

• Cálculo de errores en equipos de control de sistemas agropecuarios de producción.
• Límites en sistemas biológicos (poblaciones) son limites que tienen al infinito por ser funciones de tiempo de crecimiento o decrecimiento poblacional.

Límites y su aplicación en sistemas de control

Un sistema agrícola de producción de alimentos de calidad centrado en métodos respetuosos con la salud humana y el medio ambiente requiere de un control prolífico de los insumos y fertilizantes que se emplean en la producción. Los objetivos mundiales plantean minimizar el uso de productos agroquímicos de esta manera se prevé optimizar los métodos de producción y la disminución de residuos . En el pasado los controles en los sistemas productivos eran cien por ciento manuales e implicaban técnicas matemáticas para la generación de datos para informes en fincas e invernaderos. Gracias a la revolución tecnológica actualmente existen softwares destinados al ordenamiento de datos obtenido en el agro, la mecatrónica ha desarrollado estos sistemas y aplicaciones desde la tabulación procedente de variables de entrada, el sistema y variables de salida.

Un sistema de control se caracteriza por una serie de elementos que pueden incidir en el funcionamiento del sistema. Si consideramos al sistema agropecuario como objeto de estudio sabremos que en el campo existen muchas condiciones que implican una toma constante de datos por ejemplo la luz, la lluvia, el viento, el color, el pH, la humedad, etc. son tan solo una muestra de las múltiples variables que puede tener un sistema agropecuario.

Ilustración 1 sensor luminoso.

El cálculo fundamenta el desarrollo de la programación en los instrumentos de control agrario, por ejemplo, en sensores, controladores o displays cuya finalidad es obtener datos para la determinación de errores de estado estacionarios en un sistema, el sistema se entiende como una función de transferencia Y(s) que para el caso de sensores depende de una señal de salida G(s) y una de entrada R(s), que según (Miranda, 2017) sigue la siguiente función:

Para estas funciones se define el error de estado estacionario de posición (es decir la diferencia entre la salida esperada y salida obtenida) por la expresión:

Como se puede apreciar el autor propone la medida de un sensor cuya señal de entrada y de salida permiten determinar un error estacionario fundamentado en el limite de tolerancia designado formalmente en las funciones que maneje el operador.

Las funciones son dos tanto para valores de entrada y salida medidos por el sensor:

Para calcular el límite de cada función:

El error esta dado entonces:

El autor propone este ejemplo como para identificar un error de 0 cuando el parámetro ese tiende idealmente a 0, en la experimentación la tendencia tiene valores dados por el operador y errores más significativos.

Para la segunda función el límite será dado por:

El error esta dado entonces:

En torno a esta temática los prototipos salen de la idealidad y dependiendo de la variable a medir van adquiriendo funciones más complejas para la determinación de errores y parámetros más complejos de determinar adentrándose en el campo de la mecatrónica y la programación.

LÍMITES EN SISTEMAS BIOLÓGICOS

Según mencionan (Alberto & Cadena, 2007), es muy importante saber detectar la continuidad y discontinuidad de una función ya que cuando estos representan una magnitud real, en el caso de una discontinuidad puede representar fenómenos relevantes como una explosión un choque, un corte o una intersección discontinua en una parcela, esto puede afectar notoriamente en el modelo matemático planteado.

Por otra parte, el análisis asintótico predice el comportamiento de una fusión, en biología esta puede representar el crecimiento poblacional de una especie, en agronomía una especie vegetal, que en las proximidades de los puntos de un modelo matemático no está definido.

La principal utilidad en sistemas biológicos es el límite para análisis de poblaciones en función del tiempo y la determinación de extinción de especies así lo menciona (Departamento de Ecuaciones Diferenciales, 2016) como lo muestra el siguiente ejercicio de aplicación.

EJEMPLO MODELO DE APLICACIÓN DE LÍMITES E POBLACIONES:

La población de una especie sigue la siguiente función P(t):

Donde P(t) es el número de individuos de la población (medida en miles) y t el tiempo (medido en meses) y a es una constante positiva.

1. a) Calcular a sabiendo que inicialmente había 3000 individuos.
2. b) ¿En qué momento alcanza la población un máximo? ¿Cuánto es el valor de dicho máximo?
3. c) ¿A qué tiende la población en el futuro?
4. d) Si se sabe que una población está en peligro de extinción cuando el número de individuos es menor que 1000, ¿tiene esta población peligro de extinción?

RESOLUCIÓN:

a) Tenemos que ver para qué valor de a se tiene

P(0) = 3 (3000 individuos) ⇐⇒ a = 3

b) El máximo absoluto de:

en el intervalo [0, +∞) sólo puede ser un máximo relativo o el punto t = 0.

Veamos si P tiene algún máximo relativo:

Claramente se tiene, puesto que e^−t/2 > 0 ∀t ∈ R, que:

Luego P tiene un máximo relativo en t = 2 que, claramente, es también máximo absoluto en [0, +∞).

El máximo absoluto de P en [0, +∞) se alcanza en t = 2 y P(2) ≈ 3.736 (3736 individuos).

IMPLICACIÓN DEL LÍMITE EN EL EJERCICIO

c) Para ver a qué tiende la población tenemos que calcular:

Lo que significa que la población tiende a estabilizarse en 3000 individuos

d) Obviamente, no hay peligro de extinción:

• P(0) = 3 y P es creciente entre t = 0 y t = 2.
• P es decreciente en (2, +∞), pero no desciende del valor 3, al que tiende asintóticamente.

Es decir, la población no desciende de 3000 individuos.

CONCLUSIÓN

Los limites se encuentran presentes en las ciencias exactas como una herramienta que permite establecer un valor referencial que se toma en las ordenadas cuando nos acercamos a un determinado valor en la abscisa, pero este no es tomado.

Las ciencias agrícolas emplean el concepto de límite indirectamente en los sistemas y software que se usan para control biológico y de los sistemas de producción.

El concepto de límites al infinito ampliamente empleado y aceptado en el análisis demográfico  (poblacional) de una determinada especie en función del tiempo.

Referencias bibliográficas

Alberto, A., & Cadena, Z. (2007). “ Matemáticas Aplicadas a la Ingeniería ”.

Departamento de Ecuaciones Diferenciales. (2016). Matemáticas Aplicadas a la Biología. Recuperado de http://departamento.us.es/edan/php/asig/GRABIO/GBM/ColeccionEjercicios.pdf

Izumorin. (2012). Concepcion del proyecto (p. 17). p. 17. Recuperado de https://es.slideshare.net/izumorin/presentacin-historia-del-concepto-de-limite?from_action=save

Leithold, L. (1978). El cálculo con geometría analítica (segunda; J. Villamizar, Ed.). México: HARLA S.A. de C.V.

Martins, M. (2010). Historia del Análisis Matemático. Recuperado de https://www.ugr.es/~mmartins/material/Historia_parte_2.pdf

Miranda, D. (2017). Límites aplicados en la Ingenieria Mecatrónica. Recuperado de file:///C:/Users/Alejo/Downloads/Limites_aplicados_a_la_ingenieria_mecatr.pdf

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Datos curiosos de la Química. VII. 46-50

Alejandro Alfredo Aguirre Flores.

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     En la entrega anterior se habló de cinco curiosos nombres para algunas sustancias químicas y minerales de naturaleza bastante peculiar como el oropimente o álcali orinoso, por lo que antes de iniciar los invito a visitar la entrega anterior en el siguiente enlace: Datos curiosos de la Química. (Parte VI. 41-45) ESPECIAL NOMBRES CURIOSOS 2. Bienvenidos a esta nueva entrega de curiosidades de la química, hoy hablaremos sobre algunas sustancias mitificadas entorno a sus propiedades.

46.- MIRISTICINA, supuesto causante de alucinaciones de la Nuez Moscada

Este curioso compuesto de carácter orgánico es un fenilpropano que se encuentra en cantidades mínimas en el aceite esencial de la nuez moscada y su fórmula química es C₁₁H₁₂O_3.  En 1963, Alexander “Sasha” Shulgin, reconocido químico farmacéutico norteamericano; especuló por primera vez sobre las supuestas propiedades psicoactivas y psicodélicas de la nuez moscada, sin embargo, su hipótesis resultó no ser tan correcta

 puesto que en cantidades culinarias es inofensiva. Esto no significa que no posea propiedades de esta naturaleza según (Baselt, 2008), la sobre dosis de nuez moscada produce intoxicación clínica con nauseas, vómito, alucinaciones, ansiedad y comportamiento irracional. Este compuesto se halla presente en especies como el perejil y el eneldo puede ser empleado como insecticida y aracnicida que actúa principalmente como neurotoxina sobre las células de los insectos.

47.- EL TUNGSTENO, el alma de las bombillas eléctricas.

Bombilla Edison Filamento de Tungsteno

Después de la patente de Thomas Alva Edison en 1879, múltiples fueron los avances por mejorar la eficiencia de la bombilla eléctrica. En un principio la bombilla de Edison logró mantenerse prendida 48 horas de forma ininterrumpidas, un tiempo relativamente corto entorno a la eficiencia que en la actualidad se demanda en estos importantes dispositivos. Así fue como el físico y químico inglés, Joseph Wilson Swan quien utilizara por primera vez un filamento de Wolframio (Tungsteno) en su bombilla, creando de esta manera la famosa BOMBILLA INCANDESCENTE la idea de usar este elemento era su extrema resistencia al desgaste dureza similar al diamante, punto de fusión elevado (3422 ºC) estabilidad y alta conductividad eléctrica este compuesto es relativamente inerte y se considera amigable con el medio ambiente (SALORO, 2018). Posteriormente colaboró con Edison mejorando sus dispositivos, así nace en 1883, la ALAN & Swan United Electric Light Company, más conocida como General Electric. En la actualidad se emplean filamentos de celulosa y gases para obtener una mejor calidad de la luz, lo que hoy en día se conoce como luces LED (álef, 2014).

Wolframio (Tungsteno)

48.- Relación del FENOL con el ADN.

Resulta curioso que el fenol se utiliza frecuentemente para la separación del ADN celular de las proteínas este es uno de los pasos que conduce a la clonación de un gen, según menciona (Wade, 2003) el fenol es muy tóxico para las células y es absorbido rápidamente por la piel por lo que debe ser manipulado con mucho cuidado. En la actualidad la extracción por fenol y precipitación con etanol resulta algo antigua, sin embargo, fuentes más actualizadas mencionan este procedimiento como fundamental en la purificación de ácidos nucleicos y lisado celular; la técnica consiste en una extracción con solventes orgánicos mediante una mezcla de fenol, cloroformo y alcohol isoamílico, obteniendo un alto rendimiento así lo mencionan (Orfao & Morent, 2011).

Este dato puede resultar útil a la hora de enseñar sobre alcoholes en la química general y orgánica puesto que puede despertar mucho interés en estudiantes que se sientan atraídos por las ciencias químico-biológicas.

49.- La NITROGLICERINA un bum! También para el corazón.

La nitroglicerina es un componente principal de mezclaz explosivas como la dinamita, misma que la contiene en un 65%. Su nombre IUPAC es  1,2,3-trinitroxipropano o simplemente TNG. Este compuesto orgánico se obtiene de la mezcla de ácido nítrico acido sulfúrico y glicerina. El químico Alfred Nobel sintetizó la dinamita tras absorber la TNG en materia porosa cuya explosión supero a la pólvora negra. Por otro lado, la nitroglicerina también se utiliza para aliviar anginas de pecho situación en la que el corazón no recibe suficiente oxigeno esto se caracteriza por un fuerte dolor en el pecho producido por estrés o excesivo ejercicio físico. (Wade L. G., 2004)

50.-  Anticongelantes

Los anticongelantes normalmente contienen etilenglicol que al ser metabolizado puede ser mortal para los seres humanos (Tall & Cute, 2018). Una de las enzimas responsables de su degradación es la enzima alcohol deshidrogenasa, esta utiliza normalmente el alcohol como sustrato por lo que embriagarse podría ser un buen tratamiento ante una intoxicación con metanol. En ocasiones diversas toxinas, drogas y productos químicos afectan al cuerpo humano debido a este tipo de “errores” por parte de las proteínas. En muchos casos las soluciones pasan por utilizar una mayor cantidad del sustrato “natural” que compita con el agente nocivo. Por ejemplo, las intoxicaciones de monóxido de carbono se tratan en muchos casos respirando oxígeno puro.

Etilenglicol

Referencias

álef. (27 de 05 de 2014). álef. LIBRERIA EL CONOCIMIENTO. Obtenido de Sir Joseph Wilson Swan, le disputó a Edison la paternidad del invento de la bombilla eléctrica: http://alef.mx/sir-joseph-wilson-swan-le-disputo-a-edison-la-paternidad-del-invento-de-la-bombilla-electrica/

Baselt, R. (2008). Miristicin. En R. Baselt, Disposition of Toxic Drugs and Chemicals in Man, 8th edition (págs. 1067-1068). Foster City, CA.: Biomedical Publications.

Orfao, A., & Morent, M. M. (2011). Red Nacional de Biobancos – ISCIII. Obtenido de Protocolo de Extracción de Ácidos Nucleicos: http://www.redbiobancos.es/Pages/Docs/PNT_Acidos_Nucleicos.pdf

SALORO. (2018). SALORO. Obtenido de PROPIEDADES DEL WOLFRAMIO: https://saloro.com/es/wolframio/propiedades-del-wolframio/

Tall & Cute. (1 de Diciembre de 2018). Tall & Cute. Obtenido de 10 curiosidades bioquímicas sobre nuestro cuerpo: https://tallcute.wordpress.com/2008/12/01/10-curiosidades-bioquimicas-sobre-nuestro-cuerpo/

Wade, L. C. (2003). Acidez de los fenoles. En L. C. WADE, Química Orgánica (págs. 417-418). Mexico: Pearsons Prentice Hall.

Wade, L. G. (2004). Química Orgánica. Barcelona: McGrawHill.

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Datos curiosos de la Química. (Parte VI. 41-45)ESPECIAL NOMBRES CURIOSOS 2

Alejandro Alfredo Aguirre Flores.

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     En la entrega anterior se habló de nombres muy curiosos para algunas sustancias químicas de naturaleza bastante peculiar, por lo que antes de iniciar los invito a visitar la primera parte de este especial en el siguiente enlace: Datos curiosos de la Química. (Parte V. 36-40) ESPECIAL DE NOMBRES CURIOSOS. Bienvenidos.

41.- OROPIMENTE

El oropimente es un mineral bastante raro del arsénico y se presenta con la fórmula As₂S₃, su color se constituye como un verdadero atractivo para la vista, presenta tonalidades amarillentas y doradas. Algunos historiadores en química sostienen que fue Alberto Magno el primero en aislar arsénico a partir de este mineral en el siglo XIII [1], aunque en la actualidad se Considera descartada dicha posibilidad. Lo cierto es que Plinio el Viejo es el primero en citar al oropimente denominándole “auri pigmentum” (pigmento dorado) por su semejanza al oro. Lo curioso del oropimente, es que en repetidas ocasiones era confundido por oro propiamente dicho, otros alquimistas en la edad media lo confundían por cobre y lo que llama la atención es que la bibliografía menciona que dichos alquimistas esperaban obtener plata de este curioso mineral, para lo que procedían a quemarlo en el aire de modo que se producía anhídrido arsenioso, un toxico tan poderoso que terminaba matándolos.

 

42.-  FLORES MARCIALES

Este curioso nombre etimológicamente hablando viene de la traducción latina “Flores de Marte”, este curioso nombre se usa para designar al tetracloroferrato (III) de amonio (NH₄ FeCl₄) dentro de la química de complejos de coordinación, junto con éste todas las sales de hierro que se forman en la soluciones de cloruro de amonio [1]. Las flores marciales amoniacales eran utilizadas como excitantes y emenagogo para preparar algunas aguas y soluciones minerales ferruginosas, por esta razón también era denominado como Muriato de amoniaco ferruginoso.

 

43.- ÁCIDO CÓMICO

Un nombre algo alejado de la realidad y que más bien precede de una mala traducción, su nombre original en inglés es el “commic acid” que en realidad debe escribirse ácido commico y al contrario de lo que aparentaría su nombre este compuesto se encuentra dentro de algunas especies vegetales como la Commiphora pyracanthoides, especie perteneciente a la flora africana en Mozambique, esta especie pertenece a la familia de la mirra, y nada tiene que ver con el buen humor, la IUPAC  a su vez no reconoce al “ácido cómico” como un nombre adecuado para este compuesto por lo que se recomienda su correcta escritura.

Commiphora pyracanthoides subsp. pyracanthoides

44.- ÁLCALI ORINOSO

La mayoría de soluciones acuosas de amoniaco han tomado diversos nombres durante la historia debido principalmente a sus potentes hedores, en el siglo XVIII se les denominaba álcalis orinosos precisamente por la similitud que presenta su olor con el de la orina con el paso del tiempo, se denominaron también “soluciones agrio amoniacales”, “espíritu alcalino volátil” e incluso “espíritu de cuerno de venado”, este último nombre se utilizó en procedimientos que implicaban la destilación de las soluciones con virutas extraídas de los cuernos de estos animales y su potente olor se le atribuía al espíritu del venado macho [1].

45.- ANTIPAIN

Antipain dihydrochloride (C₂₇H₄₄N₁₀O₆•2HCl)

No te dejes engañar por su nombre, este compuesto químico no actúa como un inhibidor del dolor como podría creerse a simple vista, en realidad actúa como un inhibidor de proteasa [2] para evitar la degradación de proteínas. Éste es un compuesto altamente tóxico que irónicamente produce dolores muy insoportables al contacto con la piel [1], según la fuente es un oligopéptido que se aísla a partir de bacterias (actinomicetos o actinobacterias) mismas que producen largos filamentos al crecer, demostrándonos así que la química puede ser muy irónica en sus nombres.

Actinomicetos, bacterias grampositivas anaeróbicas que se parecen a los hongos.

Referencias

[1]	D. Pleé, «Pontificia Universidad Católica del Perú,» Revista de Química PUCP, vol. 27, nº 1-2, pp. 33-36, 2013.
[2]	Alfa Aesar, «Alfa Aesar by thermo Fisher Scientific,» J63680 Antipain dihydrochloride, 2001. [En línea]. Available: https://www.alfa.com/es/catalog/J63680/. [Último acceso: 18 03 2019].

 

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NUTRIGENÓMICA

Mackilff Carolina [1]

[1] ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO /FACULTAD DE SALUD PÚBLICA / ESCUELA DE NUTRICIÓN Y DIETÉTICA

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     La definición inicial de nutrigenómica hacia referencia a los efectos que los nutrientes y/o alimentos bioactivos sobre la expresión de los genes de un individuo. Hoy en día esta definición es más amplia puesto que también involucra los estudios sobre los factores nutricionales que actúan protegiendo el genoma. Esta nueva ciencia busca entender la influencia que tienen los componentes de la dieta sobre el genoma, el transcriptoma, el proteoma y el metaboloma. La nutrigenómica sentó sus bases a finales del siglo XVIII, sin embargo, las antiguas civilizaciones de Egipto, Grecia, Roma, Persia, China y la India ya eran conscientes del vínculo existente entre la alimentación y la salud.

Ofrendas de alimentos en la tumba de Menna (1400 A.E.C.). Se ven, entre otros alimentos patos, peces y ánforas de vino.

Nuestra relación con los alimentos es compleja y se encuentra en constante cambio. En la actualidad sabemos que desde la lactancia, la expresión de nuestros genes, se ve influenciada por los nutrientes que contiene. Asimismo, las diferencias regionales en la comida y la cultura han dejado su huella en nuestro genoma. Los nutrientes desde una perspectiva nutrigenómica actúan como señales, las cuales son detectadas por los sistemas sensores que tienen nuestras células, lo que influencia directamente sobre la expresión de los genes y posteriormente en la producción de metabolitos.

La nutrigenómica tiene un vínculo estrecho con la epigenética, que estudia las modificaciones del ADN y proteínas que pueden causar cambios en la estructura de la cromatina, sin cambiar la secuencia de los nucleótidos. Un ejemplo de esta interacción es el suplemento de ácido fólico, antes y durante el embarazo, el cual disminuye el riesgo de que se presenten defectos del tubo neural, esto a través de favorecer la metilación del ADN.

El ácido fólico es un tipo de vitamina B. Es la forma artificial (sintética) del folato que se encuentra en suplementos y se le agrega a los alimentos.

La nutrigenómica nos muestra una nueva forma de visualizar a la nutrición, la cual permitirá una mejor comprensión de cómo los alimentos interfieren con la expresión de los genes y cómo el organismo responde a estas interferencias. Esto seguramente derivará en estrategias y programas que permitan alcanzar una dieta saludable que nos conduzcan a una mejor calidad de vida.

• Nutrigenómica propiamente dicha, que estudia el efecto de los nutrientes en la actividad génica.
• La nutrigenética, que analiza cómo la variabilidad del genoma afecta a la manera en que utilizamos los nutrientes, y cómo esta variabilidad está ligada a la aparición de enfermedades.

 

APLICACIONES DE LA NUTRIGENÓMICA

Desarrollar nuevos sistemas de detección y autenticación de ingredientes, presencia de microorganismos, residuos alérgenos, efectos del procesado de los alimentos sobre la eficacia de los componentes, etc. Que permitirán incrementar la seguridad alimentaria, especialmente entre las poblaciones con mayor riesgo.

Ámbito clínico: utilizado como una herramienta para el tratamiento de las diferentes enfermedades.

Ámbito poblacional: utilizado como herramienta preventiva y de tratamiento de la obesidad y la enfermedades cardiovasculares entre otras.

Intervención en los periodos críticos del desarrollo y la capacidad de modificar la susceptibilidad genética a ciertas enfermedades a través de la alimentación.

RETOS Y ALCANCES DE LA NUTRIGENÓMICA

Es importante identificar la nutridinámica de los alimentos, es decir como interaccionan con el organismo, para personalizar la dieta de un individuo con respecto a la expresión de su genoma, así contribuiremos de manera efectiva a controlar patologías que se pueden adquirir.

NUTRIGENÓMICA Y MEDICINA CLÍNICA.

Las posibles aplicaciones terapéuticas y preventivas de la genómica nutricional son amplias: en personas con deficiencias enzimáticas, predisposición Genética para enfermedades complejas como dislipidemias, diabetes y cáncer o en personas que ya las padezcan, en personas con alteraciones del estado de ánimo o memoria, en el proceso de envejecimiento, en mujeres embarazadas, e incluso en personas sanas como método preventivo.

NUEVAS TECNOLOGÍAS EN LA NUTRIGENÓMICA.

La nutrigenómica utiliza las técnicas tradicionales en metabolismo y nutrición; pero también las nuevas tecnologías bioquímicas y en particular las denominadas tecnologías ómicas (transcriptòmico, proteómico, metabólico) que se nutren de los rápidos avances en el conocimiento de los genes que conforman el genoma y se benefician de los grandes progresos en el conocimiento de la bioquímica y la fisiología humana y en concrétamente del metabolismo.

HERRAMIENTAS DE LA NUTRIGENÓMICA.

Actualmente se propone un enfoque más global y ambicioso: el fenotipo nutricional con un enfoque genómico y metabólico. Basado en un los micro ensayos de ADN complementario, utilizados para la expresión génica en condiciones de normalidad o estados patológicos así como para la caracterización de la respuesta genómica que se desencadenarían ante un fármaco específico.

• La cromatografía de gases con espectrometría de masas.
• La cromatografía líquida o la electroforesis por capilaridad acoplada a la espectrometría de masas.

Equipo cromatografía Gases/Masas/Masas

POSTULADOS DE LA NUTRIGENÓMICA

• Bajo ciertas circunstancias y en algunos individuos la dieta puede ser un factor de riesgo importante para varias enfermedades.
• Las sustancias químicas comunes en la dieta alteran de manera directa o indirecta la expresión genética o la estructura genética.
• La influencia de la dieta en la salud depende de la constitución genética del individuo.
• Algunos genes o sus variantes normales comunes son regulados por la dieta, lo cual puede jugar un papel en las enfermedades crónicas.
• Las intervenciones dietéticas basadas en el conocimiento de los requerimientos nutricionales, el genotipo pueden ser utilizadas para desarrollar planes nutrición individual que optimicen la salud.

MECANISMOS DE LA NUTRIGENÓMICA

Intentos por confirmar ciertos inventos han llevado a la nutrigenómica a realizar investigaciones entre genes nutrientes, aunque interacciones no resultan ajenas algunas son inconsistentes al momento de evaluar los resultados.

 

¿POR QUÉ LA NUTRIGENÓMICA ES LLAMADA LA NUTRICIÓN PERSONALIZADA?

Es llamada la nutrición personalizada ya que busca que a través de la investigación del genoma se lleve a que una persona pueda adquirir una dieta individual que contraste con la expresión de su genoma y así pueda tener una vida amable con su genoma.

NUTRIGENOMICA EN LA MEDICINA CARDIOVASCULAR

La dieta y las enfermedades cardiovasculares: la dieta siempre ha sido considerada como uno de los principales factores de riesgo causante de las enfermedades cardiovasculares, otros factores que intervienen son el cambio de comportamiento, las modas, la presión de los medios de comunicación, el sedentarismo, intervenciones deficientes en materia de salud.

NUTRIGENÓMICA, OBESIDAD Y SALUD PÚBLICA

Una intervención nutricional en periodos críticos del desarrollo y la capacidad de modificar la susceptibilidad genética a ciertas enfermedades a través de la alimentación es el gran reto de la nutrigenómica, más allá del diseño de dietas o alimentos funcionales personalizados.

INTERACCIONES ENTRE GENES Y NUTRIENTES

GENÓMICA NUTRICIONAL

Variaciones genéticas y requerimientos dietéticos, Interacciones directas entre genes y nutrientes e interacciones epigenéticas “Entendiendo la regulación epigenómica como una adaptación al entorno, es por tanto imprescindible la preservación del epigenoma a lo largo de la vida. La influencia de la alimentación en este sentido no se limita a las acciones directas de los nutrientes presentes en los alimentos (colina, ácido fólico, vitamina B6, B12) sobre la conservación de los patrones de metilación epigenéticos. Otros componentes (aditivos, pesticidas, tóxicos) pueden ser capaces de producir alteraciones en la metilación del ADN.” Situación actual de la nutrigenómica, (esperanza o realidad).

Las investigaciones actuales nos muestran que aunque existen unas pautas generales pueden que no se adecuen a las necesidades de todo el mundo. Cada vez se hace más evidente que los nutrientes interaccionan con los genes y esto parece indicar que ciertos alimentos con compuestos bioactivos son capaces de interactuar con regiones del genoma para conseguir una acción protectora frente a algunos mecanismos de iniciación de enfermedades mientras que otros pueden provocar el efecto contrario.

La genómica nutricional podría considerarse de gran importancia en el área de la salud pública porque permitiría que desde el momento de nacer se tuviese en cuenta los polimorfismos “informativos” para tenerlos en cuenta en forma de predecir la predisposición genética futura a las enfermedades, facilitando la implantación de técnicas de prevención (consejos dietéticos, estilo de vida, alimentos funcionales para determinados perfiles genéticos, etc.).

POLIMORFISMO EN LA EXPRESIÓN Y REGULACIÓN GENÉTICA

El polimorfismo genético hace referencia a la existencia en una población de múltiples alelos de un gen. Es decir, un polimorfismo es una variación en la secuencia de un lugar determinado del ADN en los cromosomas (locus) entre los individuos de una población. Hablamos de polimorfismo (que viene de las palabras griegas “poli” -múltiples- y “morfismo” -forma-) cuando estas formas representan al menos al 1% de la población.

Aquellos polimorfismos que afectan a la secuencia codificante o reguladora y que producen cambios importantes en la estructura de la proteína o en el mecanismo de regulación de la expresión, pueden traducirse en diferentes fenotipos (por ejemplo, el color de los ojos o el color de cabello).

Tipos de polimorfismo

• Polimorfismo de Secuencia

Son aquellos donde el orden de los nucleótidos se ve alterado. Normalmente, al tratarse del mismo locus su diferencia no es muy notable, pero no forman exactamente la misma secuencia. Una clase de estos polimorfismos son los SNPs (Single Nucleotide Polimorphism) que afectan a un sólo nucleótido, es decir, el cambio de una base (A, T, C, G) dentro de la secuencia del ADN.

• Polimorfismo de Longitud

Son variantes del mismo locus pero que se diferencian por la longitud, es decir el número de nucleótidos dentro del fragmento de ADN. Cada polimorfismo tiene en sus extremos una secuencia que delimita su posición y permite identificarlo. La mayoría de estos polimorfismos de longitud son secuencias repetitivas en tándem; es decir, una serie ordenada de nucleótidos más corta que se repite una y otra vez. Las veces que cada secuencia se repite varían, por lo que cuantas  más repeticiones se den, más larga será la longitud del locus del ADN total.

• Polimorfismo de Nucleótido Único

Es una variación en la secuencia de ADN que afecta a una sola base (adenina (A), timina (T), citosina (C) o guanina (G)) de una secuencia del genoma. Estas variaciones tienen la cualidad de hacernos más fuertes o más débiles frente al desarrollo de enfermedades o la absorción de medicamentos, haciendo de los SNPs la base fundamental de nuestros estudios y la piedra angular del Mapa de Salud.

EJEMPLOS:

• Los Grupos Sanguíneos ABO

Los grupos sanguíneos son creados por moléculas presentes en la superficie de las células rojas de la sangre (y a menudo en otras células también). Los grupos sanguíneos ABO fueron los primeros en ser descubiertos (en 1900), y son los más importantes para asegurar las transfusiones de sangre seguras.

• El Factor RH

Los antígenos Rh son proteínas transmembrana con bucles expuestos en la superficie de las células rojas de la sangre. Parecen ser utilizado para el transporte de dióxido de carbono y / o amoníaco a través de la membrana plasmática.

• El Complejo Mayor de Histocompatibilidad (MHC)

El complejo mayor de Histocompatibilidad es una familia de genes cuyos productos están implicados en la diferenciación de lo propio y lo ajeno en el sistema inmunitario.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA: MÚLTIPLE Y COMPLEJA

• El estudio de la expresión genética a escala genómica ha sido un avance crucial para establecer que la variación de la expresión genética entre una persona y otra es un fenómeno común y que se vincula con un fenotipo.
• El propósito de esta revisión es resumir los avances recientes de las medidas ideadas para la identificación de SNP en regiones reguladoras (rSNP), su validación funcional y el estudio de su profundo efecto fisiopatológico consecutivo a la sobreexpresión, subexpresión o expresión aberrante de un gen.
• Se analiza el hecho de que la identificación de SNP reguladores (rSNP) abre un campo promisorio a la búsqueda de determinantes genéticos de afecciones de origen multifactorial. Como preámbulo, se presenta una breve introducción a los conceptos actuales sobre la regulación de la expresión genética. Los aspectos generales de la búsqueda de determinantes genéticos en enfermedades complejas se han descrito en otras investigaciones.

      Factores Externos

1. Genoma: cromatina, histonas, metilación del ADN (epigenética)
2. Transcripción: Factores de transcripción
3. Procesado y transporte del ARNm
4. Degradación o inhibición de la traducción de ARNm por ARN de interferencia o silenciación (microARNs)

INTERRELACIÓN CON ASPECTOS PROTEÓMICOS Y METABOLÓMICOS

PROTEÓMICA

La proteómica es el análisis del proteoma, el conjunto de proteínas presentes en las células o tejidos, el proteoma es dinámico en el sentido de que cambia en función de las condiciones ambientales y otros factores, y de gran interés para la nutrigenómica.

Características

• La descripción del proteoma permite tener una imagen dinámica de todas las proteínas expresadas, en un momento dado y bajo determinadas condiciones concretas de tiempo y ambiente.
• La proteómica es una ciencia relativamente reciente. Para su despegue definitivo, ha sido necesaria la consolidación definitiva de la espectrometría de masas como técnica aplicada al análisis de moléculas biológicas y el crecimiento exponencial en el número de entradas correspondientes a genes y/o proteínas en las bases de datos.
• Para entender las bases genéticas de algunas enfermedades, se debe estudiar tanto el proteoma como el genoma de los individuos que las presentan. El cáncer es una de las enfermedades más estudiadas y para detectarlo en sus inicios se utiliza la aproximación proteómica, a través de la identificación de proteínas cuya expresión se ve afectada durante el proceso de la enfermedad.

METABOLÓMICA

Es el estudio y comparación de los metabolomas, es decir, la colección de todos los metabolitos (moléculas de bajo peso molecular) presentes en una célula, tejido u organismo en un momento dado. Estos metabolitos incluyen a intermediarios del metabolismo, hormonas y otras moléculas de señalización, y a metabolitos secundarios.

APLICACIONES PRESENTES Y FUTURAS DE LA METABOLÓMICA

• Un enorme potencial en la monitorización de intervenciones nutricionales, a partir de la medida del cambio provocado por un determinado alimento (o régimen) sobre determinados grupos de metabolitos, especialmente los triglicéridos y colesteroles.
• Muy eficaz en la monitorización de los transplantes de órganos, ya que a partir de una muestra de orina o suero, permite analizar la evolución de un conjunto de metabolitos que  nos indican, en estadios incipientes,  si se producirá o no el rechazo del órgano implantado.
• Un ámbito de aplicación emergente es el diagnóstico de enfermedades, especialmente en cáncer, enfermedades neurológicas y metabólicas.  En un estudio reciente (5) se ha comprobado que la sarcosina es un potencial biomarcador del cáncer de próstata; en el caso de confirmarse el estudio, el impacto clínico sería enorme, ya que podría diagnosticarse la enfermedad a partir de un simple análisis de orina.
• Otro ámbito realmente interesante al que la  investigación metabolómica puede contribuir es la detección de factores de riesgo en poblaciones.  A partir de un análisis de orina (o suero), sería realmente extraordinario poder conocer para un individuo determinado, qué factores de riesgo presenta, a qué tipo de enfermedades está predispuesto (antes de desarrollarlas), y una estimación sobre la probabilidad de desarrollarlas.

INTERACCIÓN GEN DIETA

El concepto de la nutrición personalizada basada en los genes, también conocida como nutrigenética o nutrigenómica, no es nuevo. Su aplicación en la práctica médica apareció en el siglo pasado como medida necesaria para la prevenir los graves efectos, a veces letales, de errores congénitos del metabolismo

Como por ejemplo la fenilcetonuria y la galactosemia. Estos, como su nombre indica, son hereditarios y debidos a mutaciones genéticas que alteran el metabolismo del individuo pero que, a menudo, pueden ser subsanados mediante regímenes dietéticos personalizados. Estos errores metabólicos son poco frecuentes (menos de 1 de cada diez mil nacimientos) en la población, de ahí que se denominen “enfermedades raras”. Sin embargo, a pesar de su rareza, el impacto a nivel individual y familiar en aquellos que lo padecen puede ser devastador. Afortunadamente, la manifestación de la enfermedad asociada a estos defectos metabólicos o metabolopatías puede ser eliminada totalmente –o al menos disminuida en gran medida gracias a los programas de detección precoz neonatal de errores congénitos del metabolismo y a la instauración del tratamiento paliativo (ej. dieta personalizada). Así pues, las enfermedades raras innatas y monogénicas – así como el desarrollo por la industria alimentaria y farmacéutica de productos diseñados para ciertos genes – fueron la primera aplicación de la nutrigenómica.

LOS ALIMENTOS ESCULPEN EL GENOMA

La baja frecuencia de las metabolopatías “raras” se debe a la carencia de una ventaja evolutiva asociada a las mutaciones que la causan. Sin embargo, otras mutaciones han contribuido de manera muy importante a los hábitos alimentarios de la población, así como a las diferencias interindividuales en el consumo de alimentos más allá de las resultantes de nuestros gustos peculiares.

Desde el punto de vista de la nutrición, el depender de un amplio espectro de productos nos daba la variedad predicada en una dieta saludable. Lo que este estilo de vida ancestral no nos daba era estabilidad ya que lo que primaba era el nomadismo. Por el contrario, la agricultura proporcionó una “estabilidad” que pudo desencadenar un gran crecimiento demográfico. El compromiso fue el perder la variedad alimentaria al depender de una pequeña fracción de cosechas que aprendimos a cultivar y de animales que conseguimos domesticar.

El problema más acuciante desde el punto de vista de la salud pública son las enfermedades complejas, comunes y poligénicas que se han clasificado como epidémicas en los países industrializados. Para su prevención, se han ido diseñando diferentes guías prácticas de alimentación, que en sus versiones más recientes adoptaron las formas de pirámide o de plato. Sin embargo, estas recomendaciones no tienen en cuenta la realidad biológica de nuestra individualidad genética y no están además optimizadas para las diferentes fases de nuestras vidas. Al objeto de incorporar la genética las recomendaciones nutricionales se iniciaron, hace ya más de dos décadas, estudios de identificación de variaciones genéticas en rutas metabólicas de interés (por ejemplo el metabolismo de las lipoproteínas) al objeto de acumular conocimiento al respecto de cómo algunas de estas variantes podían predecir desajustes metabólicos y riesgo de enfermedad, así como la respuesta a diferentes componentes de la dieta.

Aunque los genes, el genoma, y la genómica han ocupado desde hace años el estrellato de la prensa científica y popular, no olvidemos que al fin y al cabo las proteínas son las que hacen la mayoría del trabajo y forman la mayoría de las estructuras.

De momento, una de las áreas más activas de adquisición, almacenamiento, tratamiento e interpretación de datos a gran escala corresponde al estudio de las variaciones del genoma humano. Para ello lo primero que necesitamos es obtener una imagen detallada del mismo. Es decir, de cómo las regiones codificantes y otras secuencias del genoma (recordemos que el 98% del mismo está en esa sección de “otras”) funcionan y se coordinan entre ellas y en respuesta a factores ambientales (por ejemplo, la dieta). Este conocimiento debería suponer un impacto tremendo en la manera en que las enfermedades, o mejor dicho el riesgo a padecerlas, son prevenidas, diagnosticadas y como última medida tratadas. Para ello vamos a necesitar una serie de avances, algunos de ellos tecnológicos y otros conceptuales, referentes a cómo asumimos estas revoluciones en la sociedad. El primer paso incluye el desarrollo de pruebas genéticas fiables que posibiliten un diagnóstico preciso del riesgo de un individuo asintomático de padecer la enfermedad, en muchos casos con décadas de antelación.

De hecho, cientos de test genéticos ya se comercializan en la actualidad para usos clínicos y un número probablemente mucho mayor se encuentra en fase de desarrollo. Bien es verdad que la mayoría de los que ya están en el mercado y además son fiables lidian con enfermedades monogénicas poco comunes. Este hecho contrasta con lo que ocurre con las enfermedades más comunes, en las que gran cantidad de genes pueden estar implicados. Este es el caso de la fibrosis quística, de la distrofia muscular de Duchenne, de varias anemias, o de la enfermedad de Huntington por citar alguna. El aspecto positivo es que los test genéticos pueden predecir estas enfermedades con gran precisión; el negativo es que todavía hay poco que podamos hacer para prevenir o paliar los efectos de muchas de ellas. Más recientemente las pruebas genéticas están comenzando a penetrar el mercado de enfermedades mucho más comunes, pero también mucho más complejas dado el número de factores implicados. Entre ellas se encuentran los test para la detección de diferentes tipos de cánceres, como el de mama, el de ovario y el de colon. Estas pruebas tienen todavía grandes limitaciones, pero pueden utilizarse para hacer estimación de riesgo en individuos asintomáticos con un historial familiar de la enfermedad. Tales pruebas genéticas podrían ayudar a los médicos a atender al paciente de una manera más eficaz.

Durante muchos años, los estudios de nutrigenómica enfocados hacia las enfermedades comunes de la población (obesidad, diabetes, cáncer, cardiovasculares, etc.) se han llevado a cabo a imagen y semejanza de los estudios de las enfermedades monogénicas raras. Es decir, limitando los estudios a una variante en un solo gen, un factor de riesgo (ej. Colesterol en plasma) y un único nutriente (ej. grasa saturada). De esta manera se ha conseguido establecer el concepto de la interacción gen-dieta y se ha demostrado su potencial de aplicación clínica en casos específicos. Algunos ejemplos dignos de destacar incluyen interacciones entre una variante funcional del gen de la lipasa hepática (LIPC -514 C/T), el consumo habitual de grasa y los niveles de colesterol en HDL; o el de otra variante funcional, en este caso en el gen de la apolipoproteinaA2 (APOA2 -265 T/C), consumo de grasa saturada y el riesgo de obesidad.

La lipasa hepática es un enzima producido principalmente en el hígado cuya función principal es la hidrólisis de fosfolípidos y triglicéridos en lipoproteínas plasmáticas. Su actividad se ha asociado con niveles en plasma de estas lipoproteínas, especialmente las HDL. El gen que la codifica está localizado en el brazo largo del cromosoma 15 y sus variantes han sido estudiadas en relación a diferentes dislipidemias, así como el riesgo de enfermedad cardiovascular. Una de es-tos polimorfismos es conocido como LIPC -514 C/T, localizado en la zona promotora del gen, es decir la región que interacciona con factores que determinan cuando y en qué niveles el gen se expresa en respuesta a las necesidades del organismo. El alelo más común en las poblaciones de origen europeo se caracteriza por la presencia de C en esta posición, mientras que la forma mutada es la que contiene T en este locus. La frecuencia varía en diferentes grupos étnicos siendo más alta en asiáticos y africanos. Lo interesante de este polimorfismo, desde el punto de vista de la nutrigenómica, es su uso potencial para clasificar la respuesta de HDL al consumo de grasa en la dieta. En un estudio llevado a cabo por nuestro grupo en la población del Estudio de Framingham demostramos una respuesta diametralmente opuesta del colesterol en HDL al consumo de grasa en los homocigotos (TT) para el alelo menos común y en aquellos homocigotos para el alelo más común (CC). Es decir, en sujetos que tenían el genotipo CC, el consumo de grasa estaba asociado directamente con los niveles de colesterol en HDL (más consumo de grasa, más colesterol HDL). Por lo tanto, estos sujetos podrían consumir un amplio espectro de dietas, desde las bajas a las altas en grasa, sin modificar su riesgo cardiovascular ya que los ni-veles de HDL parecen ajustarse para mantener la relación entre HDL (protectora) y LDL (aterogénica) constante independientemente de la dieta consumida. Este no es el caso de los sujetos con el genotipo TT, ya que un mayor consumo de grasa está asociado con niveles más bajos de colesterol en HDL. Esto se traduce desde el punto de vista clínico y de asesoramiento nutricional en la necesidad/recomendación de que estos sujetos reduzcan su consumo de grasa en la dieta al objeto de mantener los niveles de colesterol HDL en niveles saludables. Estos resulta-dos también ofrecen una explicación parcial acerca de por qué los resultados de los estudios poblacionales e incluso de intervención son tan variables ya que los mismos dependerán en parte de la constitución genética de los participantes.

De esta manera vamos viendo aparecer en la literatura estudios de interacción gen-dieta que incluyen decenas de miles de sujetos. Interacciones genes-dieta y sus implicaciones en la práctica clínica.

Al estudio conjunto de múltiples genes e incluso barridos completos del genoma. Gracias a ello podemos empezar a vislumbrar ya esas aplicaciones clínicas que guiarán al médico, al profesional de la salud a distribuir el portafolio de recomendaciones dietéticas (macronutrientes y micro-nutrientes) y conductuales comportamientos (actividad física, etc.) acordes con las necesidades reales del individuo basado en su genoma/genotipo. Un ejemplo del progreso llevado a cabo utilizando estas nuevas aproximaciones al estudio de la nutrigenómica queda plasmado por un reciente estudio en el que se investigó la relación entre el consumo de bebidas azucaradas y el riesgo de obesidad modulado por la genética. Este es un tópico de gran relevancia debido al énfasis reciente en relacionar el consumo de estas bebidas con el aumento en la prevalencia de obesidad. Sin embargo, lo que desconocíamos era el papel de los genes en la relación entre el consumo de bebidas azucaradas y la obesidad. Al objeto de investigar dicha cuestión, el grupo de Lu Qi en Harvard analizó esta interacción en un consorcio que incluía tres estudios individuales con una población total de aproximadamente unos 33.000 sujetos, todos ellos con datos genéticos, antropométricos y nutricionales7.

Un score de predisposición genética a la obesidad fue calculado utilizando variantes en 32 genes asociados con el índice de masa corporal (IMC). En general, la asociación del score genético con IMC fue significativamente más marcada en aquellos sujetos con un score genético más alto – es decir, aquellos sujetos con una predisposición genética a la obesidad – que en aquellos con una baja predisposición genética a la obesidad, En consecuencia, el consumo de bebidas azucaradas dispara el riesgo de obesidad en aquellos que están genéticamente predispuestos. Por el contrario, en aquellos sujetos que no son susceptibles genéticamente a la obesidad, el consumo de bebidas azucaradas no se traducía en aumento de peso

Este es un ejemplo más de cómo el conocimiento de los genes podría ayudar a combatir la obesidad, primero mediante la determinación de la predisposición genética y segundo medianteunas recomendaciones más personalizadas y apropiadas para conseguir los objetivos. Por ejemplo, recomendando de manera específica el evitar o limitar las bebidas azucaradas en sujetos con alto score genético o limitando el consumo de grasas saturadas en aquellos que sean portadores del genotipo CC en el polimorfismo citado anteriormente para la APOA2.

Resultados más alentadores con relación a este mismo gen fueron aquellos derivados del estudio PREDIMED, que han demostrado que la dieta Mediterránea no sólo reduce la glucosa en ayunas de los individuos con el genotipo de riesgo (TT), de forma que se observa un mayor efecto protector en aquellos que más lo necesitan y no al contrario como en el ejemplo anterior,sino que además la adherencia a la dieta Mediterránea también disminuye su riesgo a sufrir. De esta forma, aquellos individuos con mayor riesgo a sufrir accidentes cerebrovasculares como consecuencia de su genotipo pueden anular esta predisposición adoptando una dieta Mediterránea. De forma similar, el consumo de vegetales y frutas ha sido también relacionado con una disminución del riesgo de infarto de miocardio y enfermedad cardiovascular en los estudios.

INTERHEART y FINRISK, enfocados a estudiar las interacciones entre SNPs en la región y factores medioambientales como la dieta, la actividad física y el tabaquismo en 5 etnias diferentes (Europea, China, Sudasiática, Latinoamericana y Árabe) en el caso del INTERHEART y en una población Finlandesa en el caso del FINRISK obteniendo resultados consistentesapoyando su hipótesis.

La hora de considerar las interacciones entre nuestro genoma y la dieta tenemos que hacerlo de una manera global incluyendo el ambiente en su totalidad, poniendo énfasis en la relación tan estrecha que existe entre nuestro aparato digestivo y el cerebro. No debemos olvidar que “no estamos solos” y que estamos acompañados de genomas presentes en nuestro microbioma y cuya contribución al nuestro sólo estamos empezando a comprender. Otro as-pecto que será de gran interés será el epigenoma que apenas empezamos a entender y por último y como ya he destacado, el factor tiempo, la cronobiología, debe ocupar un papel importante en las investigaciones y las recomendaciones.La medicina del futuro se ha definido como de las cuatro “Ps” (predicción, prevención, personalización, participación). Para que así ocurra la genética debe jugar un papel esencial para conseguir esa elusiva salud y prolongarla el mayor tiempo posible.

APLICACIONES EN LA PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS

En el año 2003 se hizo pública la secuencia que conforma nuestro genoma, el genoma humano. Somos poco más de veintitrés mil genes interaccionando con el ambiente. Pero lo que somos no depende de nuestro color de piel, ni de nuestro credo político o religioso; está escrito en ese alfabeto molecular y se traduce en función de nuestro ambiente físico o cultural. Es evidente el impacto de la genómica en nuestra vida cotidiana y ello ha dado lugar a la aparición de dos nuevas disciplinas científicas: la nutrigenética y la nutrigenómica. Por nutrigenética entendemos la disciplina científica que estudia el efecto de las variaciones genéticas entre individuos en la interacción entre dieta y enfermedad. Por nutrigenómica, aquella que estudia el efecto de los nutrientes de los alimentos sobre la expresión de nuestros genes. Con su empleo empezamos a entender cómo se va a definir en el futuro una alimentación a la carta en función de lo que podríamos llamar pasaporte genético.

Puede que a muchos les aterre, pero quizás no lo vean tan grave si piensan en la ventaja que para un recién nacido puede suponer que sus padres sean informados sobre una posible mutación en su genoma que le predisponga a desarrollar una enfermedad cardiovascular si su alimentación no es adecuada. Está claro el enorme potencial que el conocimiento del genoma humano puede tener en las pautas de alimentación, pero no será menor el que tenga la secuenciación de los genomas de otros organismos vivos de interés agroalimentario. Hasta ahora se han secuenciado totalmente más de quinientos genomas distintos y hay más de setecientos proyectos de secuenciación en marcha. Algunos de ellos se refieren a animales, plantas o microorganismos de relevancia alimentaria, como, por ejemplo, el arroz, la levadura panadera, la bacteria Bifidobacterium bifidum —usada en muchos productos probióticos— o patógenos responsables de toxoinfecciones alimentarias,como Escherichia coli.

El conocimiento de los genes que componen el genoma de estos organismos permite conocer sus genes clave para así definir estrategias de mejora por genética clásica —la llamada mejora asistida por marcadores—oporingeniería genética, desarrollar mecanismos de defensa frente a su patogenicidad o descubrir nuevas funciones fisioló- gicas con impacto nutricional. La secuenciación de genomas ha sido hasta ahora una técnica costosa en tiempo y dinero. Hace apenas un año, se describió una nueva técnica de secuenciación basada en el empleo de nanomateriales. Dicha técnica se denomina pirosecuenciación y permite secuenciar genomas de forma masiva en mucho menos tiempo y a un menor costo. Por ejemplo, la tecnología clásica de secuenciación aplicada en un laboratorio convencional tardaba en secuenciar el genoma de una bacteria láctica un tiempo variable de entre uno y tres años. Con la tecnología de pirosecunciación, es posible hacerlo en sólo ocho horas y por un precio en costo de materiales diez veces menor al de la tecnología convencional. Sin duda, la pirosecuenciación va a revolucionar la secuenciación de genomas y también de los llamados metagenomas.

Con este último sustantivo se hace referencia a la secuenciación de ADN extraído de un ecosistema, de modo que, a partir de los datos de secuencia, es posible inferir los organismos presentes en dicho nicho ecológico. Su aplicación en alimentación y nutrición es más próxima de lo que muchos imaginan. Por ejemplo,recientemente se han llevado a cabo proyectos de secuenciación masiva en voluntarios humanos, determinándose que más de trece mil cepas bacterianas distintas pueblan nuestro tracto digestivo. También mediante el empleo de metagenómica se han detectado diferencias en la composición de la flora microbiana del tracto digestivo de individuos obesos. Son los primeros resultados de una tecnología potente que permitirá conocer aspectos nuevos de nuestra fisiología y su relación con la alimentación. Podemos concluir por todo lo expuesto que el futuro de la genética en la alimentación es importante. La época en que los tecnólogos de alimentos eran expertos en el manejo de las tuberías de las instalaciones industriales ha quedado lejos. La nueva tecnología de alimentos precisa de nuevos profesionales que entiendan la importancia de la biotecnología y la genética y también que puedan discutir sobre conocimientos de otros campos del saber, como la farmacología, la nutrición, el control automático de sistemas o las nanotecnologías.

EL EMPLEO DIRECTO DE LA GENÉTICA EN LA ALIMENTACIÓN: MEJORA GENÉTICA DE LOS ALIMENTOS

La comunidad científica entiende por biotecnología el uso de un organismo vivo con un propósito industrial. Biotecnología de alimentos no es más que el uso de seres vivos en la producción de alimentos, lo que incluye toda la alimentación, porque todo cuanto comemos son, o han sido, seres vivos, ya sean animales, vegetales o alimentos o bebidas fermentadas por un microorganismo. Pero el consumidor, sobre todo el europeo, tiene una percepción distinta de lo que es y entiende que éste término hace referencia a la aplicación de la genética en la alimentación. En otras palabras, los consumidores europeos entienden por biotecnología de alimentos «poner genes en su sopa». Hay que recordar a los consumidores que la genética se ha aplicado en la alimentación desde que comenzó la agricultura y la ganadería. Desde entonces, el hombre ha mejorado empíricamente el genoma de las variedades vegetales comestibles, las razas animales y los fermentos. Esta mejora se ha fundamentado en la aparición de mutantes espontáneos, la variabilidad natural y la aplicación del cruce sexual o hibridación.

De esta forma se han obtenido variedades de trigo con espigas incapaces de dispersar sus semillas en la naturaleza, pero capaces de generar unas harinas panaderas con inmejorable aptitud tecnológica, o patatas comestibles al contener niveles mínimos de alcaloides tóxicos. Desde hace treinta años, los científicos aíslan en el laboratorio fragmentos concretos que portan genes determinados. Esos genes se pueden variar en el tubo de ensayo y se pueden reintroducir en el organismo natural o en uno distinto generando un transgénico. Al global de estas técnicas lo llamamos ingeniería genética, y cuando se aplica en el diseño de un alimento surgen los llamados alimentos transgénicos. Hoy se comercializan muchos alimentos transgénicos en todo el mundo, sobre todo en Estados Unidos, Australia, Canadá y China. Los más conocidos son la soja resistente al herbicida glifosato y el maíz Bt, aunque existen muchos más. Son de gran importancia los que hacen referencia a la mejora nutricional de los alimentos. Desde algunas organizaciones ecologistas se acusa a los alimentos transgénicos de ser un veneno para la salud y el medio ambiente. No es cierto. Desde hace más de quince años, FAO, OCDE y OMS han establecido grupos de trabajo para evaluar la seguridad para el consumidor de los alimentos transgénicos. Se ha llevado a cabo una evaluación de riesgos sanitarios de todos los alimentos transgénicos comercializados atendiendo al contenido nutricional, la posible presencia de alérgenos y el nivel de toxicidad.

Son los alimentos más evaluados de la historia de la alimentación y no disponemos de un dato científico que indique que representen un riesgo para la salud del consumidor superior al que implica la ingestión del alimento convencional correspondiente. Este hecho ha sido puesto de manifiesto por la OMS en su página de Internet. Es interesante destacar que, tras la publicación de esta decisión, dichos grupos han variado su estrategia y apenas hablan de los riesgos sanitarios de los transgénicos pero sí de los riesgos ambientales. Ahí las cosas son menos claras, porque hay una falta de metodologías para analizar este tipo de riesgos que afectan tanto a las plantas transgénicas como a las convencionales. Aun así, debemos afirmar con contundencia que existen tres posibles riesgos: la transferencia de los genes exógenos desde la variedad transgénica a variedades silvestres, la pérdida de biodiversidad y los efectos dañinos que ciertas plantas transgénicas resistentes a insectos pueden tener sobre poblaciones de insectos distintos de aquellos contra los que protegen. Todos estos riesgos ya existen con las variedades convencionales. Por ello, la cuestión clave es conocer si el empleo de transgénicos acelerará la aparición de estos riesgos. Parece que no, siempre que se mantengan y mejoren las normas de evaluación que empleamos actualmente con las plantas transgénicas.

Finalmente, debemos considerarlos riesgos económicos. El 90% de los agricultores que utilizaron semillas transgénicas en el 2006 eran agricultores pobres de países en desarrollo. Una realidad muy lejana del estereotipo que hace de lo transgénico un negocio en manos de pocas compañías multinacionales. Pero conviene debatir acerca de la opinión del consumidor sobre los transgénicos. En general, y destacando la falta de formación e información en biotecnología de nuestra sociedad, así como la constante presencia de los grupos en contra en los medios de comunicación, los perciben como algo peligroso. Por ello resulta importante la divulgación de los datos reales que desde la ciencia tenemos de estos productos.

Alimentos “nutriactivos”

Lo más importante en este aspecto, es que la genómica nutricional permitirá cruzar la información genómica individual con la alimentación y los componentes de los alimentos, de modo que el efecto sea positivo para la salud del individuo. La idea es que los alimentos riesgosos puedan reemplazarse con otros potencialmente menos nocivos.

El perfil genómico individual puede ayudar a mejorar la nutrición y la salud, y en este nuevo escenario la genómica y la bioinformática cumplirán un papel crucial en la identificación de variantes genéticas que causen enfermedades, lo cual está siendo realizado mediante investigación de las bases de datos del genoma humano. En este sentido, es fundamental conocer los cambios que se producen dentro de la célula, sus modelos de interacción con el transcriptoma y el metaboloma, para poder personalizar los efectos de una dieta sana en la corrección de un metabolismo alterado. La comparación de un genotipo individual con una base de datos genómica permitirá la recomendación de nutriente individualizado genotipo-dependiente de acuerdo a los requerimientos y necesidades de cada individuo.

Los recientes desarrollos de la proteómica aplicados a la nutrición, están revolucionando los conceptos de alimentos “nutriactivos” como inductores de la expresión de ciertos genes y el consiguiente procesamiento de proteínas cuya acción es fundamental para el funcionamiento normal del metabolismo celular (metaboloma).

Referencias:

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• Parra, Sergio, (2016), “¿Qué es la Nutrigenómica?”; disponible en https://www.xatakaciencia.com/genetica/que-es-la-nutrigenomica ; recuperado el 21-01-2018.
• Marulanda, Daniela, (2013), “Nutrigenómica”; disponible en https://prezi.com/kybapjamn3ld/nutrigenomica/ ; recuperado el 21-01-2018.
• Berciano, Silvia. “Nutrigenómica. Interacciones gen-dieta y sus implicaciones en la práctica clínica”. Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/277670480_Nutrigenomica_Interacciones_gen-dieta_y_sus_implicaciones_en_la_practica_clinica ; recuperado 21-01-2018.
• Blog CeFeGen ,(2015) “Polimorfismos genéticos” ; disponible en

https://cefegen.es/blogs/polimorfismos-geneticos-definicion-ejemplos

• Sonia Osorio Algar (S. Osorio), (2008) “Proteómica y Metabolómica”; disponible en http://www.uma.es/master-en-biotecnologia-avanzada/navegador_de_ficheros/asignaturas/descargar/gpm.pdf ; recuperado el 21-01-2018.
• Diana Cruz-Bustillo, (2016)”Regulación de la Expresión Génica”; disponible el http://fbio.uh.cu/sites/genmol/confs/conf7/index_euc.htm ; recuperado el 21-01-2018.
• FEDOROFF, N.(2004). Mendelin the kitchen. Washington: Joseph Henry Press. PAFUNDO, S.; AGRIMONTI, C.; MAESTRI, E.; MARMIROLI, N. (2007). «Applicability of SCAR markers to food genomics: Olive oil traceability».

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La nutrigenética y nutrigenómica como herramientas de prevención de enfermedades no transmisibles

Valeria Flores Rea. [1]

[1] ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO /FACULTAD DE SALUD PÚBLICA / ESCUELA DE NUTRICIÓN Y DIETÉTICA

TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS © Copyright 2019

     La nutrigenética es la rama de la genética que estudia la relación entre los genes y la respuesta individual a la dieta.  Es una rama de la genómica nutricional, que tiene como objetivo estudiar como las distintas variantes genéticas de las personas influyen en el metabolismo de los nutrientes, la dieta y las enfermedades asociadas a ésta. De forma análoga estudia nuestro ADN para conocer las predisposiciones negativas que nos afectan. Todos compartimos el 99,9% de esa información genética y es el 0,01% lo que nos hace diferentes y determina nuestras características antropométricas, fisiológicas, metabólicas y de comportamiento. Finalmente tiene como objetivo generar recomendaciones nutricionales de acuerdo con el acervo genético de las personas.

¿CÓMO SE APLICA LA NUTRIGENÉTICA EN LA DIETA?

En la actualidad, los avances en  nutrigenética nos ayudan a establecer qué alimentación debemos seguir para prevenir una serie de enfermedades identificadas a partir del análisis de nuestro ADN y que pueden evitarse o modularse mediante unas pautas dietéticas concretas. De esta forma, se alcanza la máxima personalización de la dieta.

¿CÓMO FUNCIONA UN TEST NUTRIGENÉTICO?

Los test nutrigenéticos estudian el ADN a través de un análisis de saliva con el objetivo de observar e identificar las variables genéticas de la persona que le hacen reaccionar de manera distinta a los alimentos y tener mayor o menor predisposición a determinados problemas de salud.

Por ejemplo, se conocen más de 40 genes asociados al desarrollo de la obesidad. Una persona que tenga la mayoría de estos marcadores genéticos tendrá más probabilidades de ser obesa, si no cuida la dieta.

BASE CIENTÍFICA:

Debido a los procesos evolutivos, los seres humanos difieren en su ADN, precisamente en los llamados SNPs (abreviatura de “Single Nucleotide Polymorphism” (Polimorfismo de nucleótido simple) que influyen en la forma en que los individuos absorben y procesan los nutrientes.

• La actividad fisiológica en el organismo humano que concierne el consumo o el transporte de los nutrientes también está conectado con diferentes variantes genéticas. Esta relación constituye la base de las ciencias nutrigenéticas.
• Los diferentes procesos nutrigenéticos en el cuerpo humano puede implicar una ventaja en términos de selección natural. Así, por ejemplo, la evolución instó al ser humano a digerir la lactosa de la leche de vaca.

 

MÉTODOS DE ANÁLISIS NUTRIGENÉTICOS

La identificación del genotipo necesario se lleva a cabo por medio de un análisis de sangre o de saliva. Posteriormente, se analiza el ADN de diferentes maneras. Una forma común de estudiar los datos genéticos es el llamado “gen candidato” cuando se identifica un posible gen de riesgo. Después de los experimentos en cultivos celulares, animales o seres humanos los científicos pueden establecer una correlación positiva o negativa entre la expresión de este gen candidato y los aspectos nutricionales.

OBESIDAD

Un objetivo importante para los investigadores nutrigenéticos es identificar los genes que hacen que algunas personas sean más susceptibles a la obesidad y las enfermedades relacionadas con la obesidad. La hipótesis “gen ahorrador” es un ejemplo de un factor nutrigenético en la obesidad. Actualmente se han detectado más de sesenta genes asociados con la obesidad. Avances actuales en la investigación nutrigenética demuestran potencialmente la existencia de genes ahorradores, así como también se empiezan a plantear contra-efectos con el fin de prevenir la obesidad y las enfermedades relacionadas con la obesidad.

Gracias a la nutrigenética los nutricionistas y médicos pueden individualizar las recomendaciones de salud y la dieta. De la misma manera, la medicina preventiva, diagnóstica y realiza terapias que podrían ser optimizadas. De hecho, los ensayos comparativos, como un estudio demuestran que los consejos de salud basados en los resultados de un análisis nutrigenético es más exitoso que los consejos de una dieta convencional.

GENÓMICA NUTRICIONAL

Genómica: es la ciencia que estudia las variaciones a nivel estructural del ADN. Además de ser la conformación de los genes y la variación poblacional de los polimorfismos genéticos.

La genómica nutricional es la interacción de genes–nutrientes, siendo así la nutrigenética a la interacción gen – nutriente denominado también como polimorfismos y nutrigenómica a la interacción nutriente-gen denominado también como la expresión de los genes.

Así decimos que la nutrigenómica es la constitución genética que determina la respuesta a la ingesta de determinados nutrientes. Así, la genómica nutricional pretende contestar preguntas como: ¿por qué algunas personas que consumen muchas grasas no padecen enfermedad cardiovascular?, o ¿por qué hay personas que no consumen muchas grasas, pero tienen niveles altos de colesterol?. La respuesta a estas interrogantes probablemente se encuentre en la calidad y cantidad de enzimas y proteínas que intervienen en el metabolismo lipídico, que se encuentra determinada genéticamente en cada individuo.

La genómica nutricional se basa en 4 principios:

• Las dietas pueden ser un factor de riesgo importante para variar enfermedades;
• Las sustancias químicas alteran directa o indirectamente la estructura genética;
• La influencia de la dieta en la salud depende de la constitución genética del individuo; y
• Las intervenciones dietéticas basadas en conocimientos nutricionales, estado nutricional y el genotipo pueden ser utilizadas para optimiza la salud de prevenir enfermedades crónicas.

Estos principios se basaron en dos hipótesis:

1. La herencia genética confiere una amplia gama de posibles fenotipos y que las restricciones metabólicas – ambientales y la disponibilidad de nutrientes determinan el fenotipo final de un indicio.
2. La suposición de que la progresión de un fenotipo saludable a un fenotipo enfermo crónico esta ligada a cambiar en la expresión genética o a diferencias en la actividad de enzimas y proteínas que alteran la respuesta a diferentes factores ambientales (incluida la dieta).

Siendo así Ambiente + Genotipo = Fenotipo

¿QUÉ NO ES LA GENÓMICA NUTRICIONAL?

• La genómica nutricional no es una dieta milagro.
• La genómica nutricional no da soluciones a corto plazo, pero si prevención a largo plazo.
• La genómica nutricional tiene efectos que no se pueden compararse con los efectos farmacogenómicos.

ENFERMEDADES RELACIONADAS CON AL NUTRIGENÓMICA

• Aspectos Negativos: Se encontraron heredabilidades significativas de los fenotipos relacionados a las enfermedades relacionadas con alto grado de adiposidad, resistencia a la insulina y las enfermedades del llamado síndrome metabólico en poblaciones de América Latina, incluso existen genes candidatos para la aparición de diabetes tipo 2. La alimentación compulsiva relacionada a la obesidad, así como otros trastornos metabólicos poseen componentes genéticamente relevantes.
• Aspectos Positivos: mejoramiento de las propiedades nutricionales de los alimentos tanto vegetales como los de origen animal.

 

DIETAS MODERNAS UTILIZANDO LA NUTRIGENÓMICA

Relaciona a los nutrientes con el metabolismo. La genómica nutricional ha demostrado que los alimentos modulan el balance de numerosos procesos fisiológicos que están directamente asociados con la expresión de los genes.

ENFERMEDADES METABÓLICAS

Se entienden por enfermedades metabólicas o del metabolismo aquellas que interfieren con los procesos bioquímicos del organismo involucrados en el crecimiento y conservación de la buena salud de los tejidos orgánicos, en la eliminación de productos de desecho y en la producción de energía para llevar a cabo las funciones corporales. Así, por ejemplo, el cuerpo puede tener un exceso o un déficit de determinadas sustancias (proteínas, grasas, hidratos de carbono). Este desequilibrio a menudo interfiere con las funciones normales de los tejidos y órganos del ser humano.

Las enzimas y las hormonas son los componentes responsables de las reacciones químicas del metabolismo. Los trastornos metabólicos se deben fundamentalmente a la escasez o demasiada audacia de enzimas u hormonas o al mal funcionamiento de las mismas. Entonces se produce una imposibilidad de la metabolización o una metabolización inadecuada de las sustancias químicas y esto puede conllevar a una falta de sustancias que son necesarias para el buen funcionamiento del organismo o a la aparición de toxinas como consecuencia de una mala metabolización.

Pueden ser hereditarias o adquiridas, pueden ser debidas a la interrupción de una cadena de síntesis por ausencia de una enzima a una anomalía endocrina o alimentaria puede afectar el equilibrio de los glúcidos, de los nucleótidos de los prótidos, de los lípidos los equilibrios ácido- básico, iónico, osmótico, hídrico, mineral, fosfocálcico, vitamínico, etc.

En pacientes con patologías médicas graves es frecuente el trastorno global de la función cerebral. Estas encefalopatías metabólicas con frecuencia comienzan por alteraciones en el estado de alerta (somnolencia) seguidas de agitación, confusión, delirium o psicosis, progresando a estupor o coma.

Las principales enfermedades metabólicas que afectan a la población actual son:

• HIPERTIROIDISMO: Se caracteriza porque la tiroides produce demasiada hormona tiroidea.
• HIPOTIROIDISMO: La tiroides produce poca hormona tiroidea.
• DIABÉTES: Consiste en el exceso de glucosa en la sangre u otra.
• OBESIDAD: Aunque esta enfermedad puede responder a muchas causas, algunas tienen su origen en problemas metabólicos. Ciertas enfermedades endocrinas como las alteraciones en la tiroides pueden desencadenar o favorecer la obesidad.
• DISLIPEMIA: Alteración del metabolismo de las grasas.
• HIPODIPILEMIA: Alteración del metabolismo de las grasas consistente en a presencia de bajos hipertiroidismo. Infecciones crónicas o estados inflamatorios, desnutrición, cáncer o abuso del alcohol, niveles de grasas en la sangre.
• GALACTOSEMIA: Enfermedad metabólica congénita caracterizada por la imposibilidad de digerir adecuadamente la leche.
• ALBINISMO: Falta de melanina.

Las enfermedades metabólicas pueden ocasionar problemas neurológicos, digestivos y hepáticos.

Las enfermedades metabólicas tratan de aquellas patologías causadas por anormalidades en sistemas enzimáticos implicados en el metabolismo intermediario. Las anormalidades pueden ser congénitas o adquiridas. Las congénitas son producidas por alteraciones genéticas que van a dar lugar a enzimas defectuosas (errores congénitos del metabolismo), mientras que las adquiridas son debidas a enfermedades de órganos endocrinos o al fallo de órganos metabólicamente activos. En las enfermedades metabólicas hereditarias el diagnóstico precoz es importante para conseguir un tratamiento efectivo.

Las enfermedades metabólicas o errores innatos del metabolismo son hereditarias, provocadas por el bloqueo de alguna de las diversas reacciones bioquímicas que ocurren dentro de las células del organismo. Estos bloqueos afectan con mayor frecuencia a la utilización de los diferentes grupos de alimentos como fuente de energía, pero también a la formación o degradación de las diversas moléculas que forman nuestro organismo.

En su mayoría se presentan en recién nacidos y niños, pero también puede afectar a adolescentes y adultos.

La enfermedad puede ocasionar daños a nivel neurológico, digestivo y hepático provocado retraso del desarrollo psicomotor, epilepsia, hipotonía o falta de fuerza muscular, falta de tolerancia al ejercicio, compromiso de conciencia recurrente, movimientos anormales (síndrome extra piramidal) falta de apetito, vómitos recurrentes, mal incremento de peso, desnutrición, hepatitis de causa poco clara, crecimiento anormal del hígado o del bazo e hipoglicemia o baja de azúcar en la sangre.

CAUSAS DE LAS ENFERMEDADES METABÓLICAS

¿PORQUÉ SE PRODUCE? Las enzimas y las hormonas son los componentes responsables de las reacciones químicas del metabolismo. Los trastornos metabólicos se deben fundamentalmente a la escasez o demasiada abundancia de enzimas u hormonas o al mal funcionamiento de las mismas.

En estos casos se produce una imposibilidad de metabolización o una metabolización adecuada de las sustancias químicas. Ello puede conllevar a una falta de sustancias que son necesarias para el buen funcionamiento del organismo o a la aparición de toxinas como consecuencia de una mala metabolización. En ambos casos pueden producir trastornos orgánicos.

CARACTERÍSTICAS DE LAS ENFERMEDADES METABÓLICAS

Las enzimas y las hormonas son los componentes responsables de las reacciones químicas del metabolismo. Los trastornos metabólicos se deben fundamentalmente a la escasez o demasiada abundancia de enzimas u hormonas o al mal funcionamiento de las mismas. Entonces se produce una imposibilidad de metabolización o una metabolización inadecuada de las sustancias químicas y esto puede conllevar a una falta de sustancias que son necesarias para el buen funcionamiento del organismo o a la aparición de toxinas como consecuencia de una mala metabolización.

Pueden ser hereditarias o adquiridas, ser debidas a la interrupción de una cadena de síntesis por ausencia de una enzima a un anomalía endocrina o alimentaria, puede afectar el equilibrio de los glúcidos (por ejemplo, diabetes, glucogénesis, galactosemia congénita) de los nucleótidos (por ejemplo, gota) de los prótidos (por ejemplo las aminoacidopatías) de los lípidos (por ejemplo, obesidad, dislipidosis), los equilibrios ácido básico, iónico, osmótico, hídrico, mineral, fosfocálcico, vitamínico,etc

En pacientes con patologías médica grave es frecuente el trastorno global de la función cerebral. Estas encefalopatías metabólicas con frecuencias comienzan por alteraciones en el estado de alerta (somnolencia), seguidas de agitación confusión, progresando a estupor y coma.

VARIABILIDAD EN LA RESPUESTA A LAS INTERVENCIONES DIETÉTICAS

Las intervenciones dietéticas se centran en la corrección de las prácticas y los hábitos personales. La adición de nutrientes a alimentos básicos se denomina “enriquecimiento”, mientras que la “suplementación” se refiere al aporte de determinados nutrientes o mezclas de nutrientes al margen de los alimentos.

REVISIÓN DE LA EVALUACIÓN DIETÉTICA 

El estado nutricional es uno de los predictores más importante de riesgo en la salud.

DIETAS RICAS EN:

• Frutas
• Verduras
• Granos enteros
• Carne Magra de aves de corral
• Pescado

Inversamente asociadas con riesgo de enfermedades crónicas relacionadas con la edad:

• Enfermedades cardiovasculares
• Cáncer
• Diabetes

DIETAS ALTAS EN:

• Granos refinados
• Azúcares agregados

PERO BAJAS EN:

• Alimentos de origen vegetal

Incrementan el riesgo de Obesidad y enfermedades relacionadas con la Obesidad:

• Enfermedades cardiovasculares
• Cáncer
• Diabetes
• La variabilidad del día a día en la ingesta de alimentos puede ser tan grande que puede ser difícil identificar cualquier patrón consistente subyacente.
• La evaluación dietética es una tarea compleja tanto para investigadores como para clínicos.

La nutrición personalizada está cobrando cada día mayor relevancia para conseguir una mayor eficiencia en la consecución de los ON (cereales refinados). Tras décadas en las que se prestaba menos atención a las particularidades de cada persona en cuanto a preferencias alimentarias, dificultades en el seguimiento de las dietas, etc, los profesionales de la nutrición son cada vez más conscientes del mayor porcentaje de éxito en el resultado de una intervención dietética si se dedica una mayor atención a las características individuales de la persona participante para adaptar mejor las dietas.

Además de esta personalización basada en variables sociodemográficas (sexo, edad, nivel de estudios, etc.), conductuales, psico culturales y fenotípicas (mayor o menor peso, presencia o ausencia de hipercolesterolemia, hiperglucemia, etc.), existe también otro nivel más profundo de individualización de las dietas basado en el genoma. En este sentido, desde hace varias décadas, decenas de investigaciones han demostrado diferencias interindividuales en la respuesta fenotípica de los individuos a la dieta, fundamentalmente en el ámbito de las ECV, la obesidad, la DM, etc. Aunque en los estudios publicados se expresan los resultados de las intervenciones dietéticas como valores medios para los individuos analizados, lo cierto es que al examinar los datos de manera individual para cada participante en el estudio nos encontramos con una gran variabilidad en los resultados de la intervención.

Podemos encontrar individuos en los que la dieta apenas ha producido ningún cambio en el parámetro estudiado, otros en los que la dieta ha producido cambios más grandes que los esperados, y aquellos en los que la dieta produce el cambio medio esperado. Varios estudios han clasificado a los individuos en normorrespondedores, hiporrespondedores o hiperrespondedores en función de si su respuesta fenotípica a la dieta era la esperada, menor a la esperada o superior a la esperada, respectivamente. Sin embargo, a pesar del conocimiento de esta distinta respuesta interindividual a la dieta, los mecanismos que la explican no se conocen, ya que en décadas pasadas pocas veces los investigadores se han interesado por estudiar esta variabilidad de manera detallada.

Es más, en algunas ocasiones se ha atribuido la diferencia interindividual en las respuestas a las intervenciones dietéticas a un distinto cumplimiento de la dieta por parte de los participantes en los estudios, pero se ha comprobado que no siempre es así. Por ello, se piensa que el conocimiento del genoma humano puede ser muy importante para ayudar a descifrar los mecanismos moleculares que determinan dicha respuesta interindividual y generar así una serie de biomarcadores de respuesta que permitan conocer con antelación a la intervención dietética, el posible éxito de la misma.

Todavía no disponemos de estos biomarcadores genéticos para aplicarlos con validez en las intervenciones dietéticas destinadas a conseguir una nutrición personalizada, pero muchos grupos de investigación en todo el mundo están trabajando de manera rigurosa en la elucidación de los mismos y en un futuro próximo se espera disponer de paneles de tales biomarcadores para aplicarlos a las distintas intervenciones dietéticas específicas de cada problema de salud.

Generalidades del genoma humano y su aplicación en el estudio de la variabilidad

Aunque antes de la década de 1980 ya se había realizado la secuenciación de genes aislados de algunos organismos, así como de genomas de entidades subcelulares (algunos plásmidos y virus), el conocimiento del genoma humano era tremendamente limitado. Ante esta precariedad de conocimientos y siendo cada vez más reconocida la importancia de la dotación genética en los procesos de salud-enfermedad, no es de extrañar que en 1985 surgiera la iniciativa de secuenciar el genoma humano. A finales de los 80 y principios de los 90, se oficializa el inicio del denominado Proyecto Genoma Humano.

El siglo XXI comenzó con la publicación de los resultados de uno de los proyectos de mayor envergadura, colaboración internacional y potenciales repercusiones sobre la salud que se hayan realizado en todos los tiempos: el Proyecto Genoma Humano, cuya fecha oficial de finalización se dató en abril de 2003 para hacerla coincidir con los 50 años transcurridos desde que en abril de 1953 Watson y Crick describieran la estructura de la doble hélice del ADN.

Watson y Crick

De acuerdo con la visión de Collins en la publicación conmemorativa de la finalización del Proyecto Genoma Humano, la secuenciación del genoma humano tan sólo constituye los cimientos de un edificio sobre el cual se tienen que levantar distintas plantas que suponen. En la actualidad, no sólo se ha determinado la secuencia de varios miles de millones de pares de bases en el genoma humano, sino que se han desarrollado instrumentos y técnicas que permiten obtener resultados de análisis genéticos cada vez más rápidos y económicos, al tiempo que se han realizado enormes esfuerzos con impresionantes frutos en el ámbito de la bioinformática con potentes bases de datos de secuencias, de proteínas de vías metabólicas, etc, que ponen a disposición de la comunidad científica una ingente cantidad de información nunca antes generada.

Por tanto cada día son más accesibles los chips que permiten realizar análisis de alta densidad de polimorfismos en el ADN de cada paciente, generando al mismo tiempo información sobre 500.000 (500 K), 1.000.000 (1.000 K) o un número mayor de polimorfismos genéticos. Las variaciones en el genoma no sólo se limitan a los polimorfismos de un solo nucleótido, conocidos como SNP por sus siglas en inglés (sencillo Nucleotide Polymorphism), y entre los que se encontraría por ejemplo el polimorfismo rs9939609 en el gen FTO (fat mass and obesity gene), recientemente relacionado con mayor riesgo de obesidad. En la Figura 2A, se presenta un esquema que contiene el nombre de los diferentes tipos de variaciones en el ADN y el rango de los tamaños de los fragmentos implicados. De acuerdo con el tamaño de los fragmentos, además de los SNP, podemos encontrar inserciones y deleciones de pequeñas secuencias de ADN en cualquier lugar de las distintas aplicaciones de la información generada por el mismo en varios ámbitos con creciente nivel de complejidad. Así, el genoma que pueden dar lugar a cambios de las pautas de lectura.

LINCOGRAFÍA DE REFERENCIA:

• https://es.slideshare.net/LauraRosRos/enfermedades-metablicas-69572840
• https://www.idf.org/e-library/epidemiology-research/diabetes-atlas.html
• http://medicinasalud.org/dolor-enfermedad-enfermedades-trastorno-mal-trastornos/enfermedades-metab-licas-tratamiento-causas-s-ntomas-diagn-stico-y-prevenci-n/
• http://www.who.int/diabetes/global-report/es/
• http://www.scielo.sa.cr/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0001-60022014000200001
• https://www.cinfasalud.com/areas-de-salud/cuidado-diario/nutricion/nutrigenetica/
• https://es.wikipedia.org/wiki/Nutrigen%C3%A9tica

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Materiales de Laboratorio. (PARTE VIII. Desecador Sheibler, frascos de Woolf, cuba hidroneumática, cubas de vidrio y campanas de cristal)

Alejandro Alfredo Aguirre Flores. [1]

[1] Universidad Central del Ecuador-Fac. Ciencias Químicas-Química de Alimentos

TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS © Copyright 2018

En esta octava entrega de “Materiales y aparatos de Laboratorio” tengo el agrado de traer cinco nuevos instrumentos de gran utilidad para el análisis químico, a su vez si necesitas mayor información sobre éstos y otros materiales puedes ingresar a nuestra categoría sobre esta temática dándole click en: Categoría: MATERIALES Y APARATOS DE LABORATORIO.

BIENVENIDOS

Desecador Sheibler, frascos de Woolf, cuba hidroneumática, cubas de vidrio y campanas de cristal

 

1) DESECADOR DE SHEIBLER

El desecador Sheibler de cámara confinada según lo menciona (Carrillo A. 1990), es un recipiente de vidrio de forma especial, éste posee una tapa de carácter hermético y que dependiendo del fabricante puede o no tener esmerilado para un cierre hermético mediante el uso de vaselina. Este instrumento tiene por finalidad desecar (Dejar seca una muestra, eliminando la humedad que contiene.) una  muestra o sustancia sólida e incluso líquida; posee en su interior un disco de porcelana perforado en circunferencias más pequeñas capaces de alojar cápsulas de porcelana o crisoles que contengan principalmente sustancias ávidas de humedad (hidrofílicas) como la cal viva, el cloruro de calcio, el ácido sulfúrico concentrado, silicagel, entre otros.

Si se coloca en el desecador un sólido húmedo y éste emite vapores que tienden a saturar el ambiente se puede apreciar como el deshidratante se apodera de ellos, volviendo a la atmósfera del interior nítida y seca; finalmente el sólido acabará por secarse por efecto del deshidratante.

2) FRASCOS DE WOOLF

Dentro del extenso mundo de las soluciones químicas, existen aquellas que se preparan mediante la disolución de gas en líquido, para lo cual es necesario hacer burbujear el gas en el líquido (solvente). Una forma sencilla de conseguir estas soluciones, en química analítica, es mediante el uso de frascos de Woolf, estos recipientes de vidrio poseen dos o tres cuellos de vidrio de corta longitud y en ocasiones son de carácter esmerilado para unirse a otros instrumentos o para la colocación respectiva de sus tapas o corchos. Son de amplia utilidad y una alternativa de eso es para procedimientos que implican el lavado de gases, captura de gases en una determinada reacción química. En diferentes catálogos o artículos se puede identificar a este instrumento como frasco de Woulff.

Montaje realizado para la captura de gases emanados por reacción entre un solido y un líquido que desciende hasta el matraz Erlenmeyer a través de un tubo de seguridad y finalmente el gas es conducido hasta el frasco de  Woolf, que desplaza el agua en su interior hacia el vaso de precipitados.

3) CUBA HIDRONEUMÁTICA

Es de latón, plástico o  vidrio, su forma es prismática rectangular de medidas variables, de forma general, es suficientemente honda para permitir receptar tubos de ensayo, vasos de precipitación, probetas y matraces en todas sus presentaciones como se vio anteriormente en: Materiales de laboratorio de química (Parte I: tubos, vasos, matraces y probetas). Posee en su interior una placa perforada sujetada por ambos lados de la cuba.

Su principal utilidad implica el capturar gases, para lo cual se llena de agua la cuba y de igual manera el recipiente que contendrá al gas, a este último se lo invierte dentro de la cuba procurando que no ingrese aire a su interior, posteriormente la boca del tubo de ensayo o matraz es colocado sobre la perforación de la placa interna de la cuba, es recomendable el uso de tubos de desprendimiento para esta finalidad, a continuación se coloca una manguera desde el matraz donde se produce la reacción química y se libera el gas de interés y finalmente se conduce hasta el interior del tubo invertido donde se hará burbujear; la presión del gas empujara el agua hacia la cuba. Finalmente cuando se captado el gas y se observa un equilibrio entre el liquido de la cuba y el recipiente se procede a tapar el recipiente y a retirar el gas capturado.

4) CUBAS DE VIDRIO

Son de forma cilíndrica o prismática (rectangular o cúbica), son fabricadas en vidrio reforzado y grueso capaces de soportar presiones moderadas, son empleadas en electrolisis química, es decir,  procedimientos como celdas electromagnéticas, niquelado, cobreados, dorados, etc. De forma análoga con los instrumentos y aparatos nombrados anteriormente, estas también son utilizadas en procedimientos de manipulación y captura de gases.

5) CAMPANAS DE CRISTAL

Estos recipientes de vidrio con forma acampanada, se denominan también como campanas de desecado, poseen en la parte superior un bulbo o perilla del mismo material que facilita su manejo. Otras campanas presentan una tubuladura con tapón. Son empleados en la determinación de puntos de ebullición de líquidos a presiones bajas, sirven también para establecer la presión de vapor a diferentes temperaturas (en procesos de equilibrio termodinámico), al igual que los instrumentos anteriores son empleados en la captura de gases en una superficie líquida y finalmente son puntualmente útiles en conservar sustancias fuera de ka humedad variable del aire.

Existen varias clases de campanas: con botón, ordinario para gases, con tubuladura (con o sin esmeril), con llave esmerilada (para procedimientos al vacío) y campanas graduadas.

REFERENCIA:

Ing. Carrillo Alfonso A. (1990). Materiales y aparatos para laboratorio de química. Gráficas Mediavilla Hnos. Quito-Ecuador

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Aplicaciones de los Ácidos Carboxílicos y sus derivados

Lucía Jaramillo Cando. [1]

Lesly Espinoza Buitrón. [1]

Alejandro Aguirre F. [1]

[1] Universidad Central del Ecuador-Fac. Ciencias Químicas-Química de Alimentos

TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS © Copyright 2018

INTRODUCCIÓN

Los ácidos carboxílicos son compuestos orgánicos usados en procesos químicos e industriales, que naturalmente provienen de grasas, aceites vegetales, lácteos, frutos cítricos. Se caracterizan por estar formados por un conjunto de átomos unidos entre sí mediante enlaces covalentes carbono-carbono, denominado grupo carboxilo, que cuando se unen a otros elementos como hidrógeno, oxígeno o nitrógeno, integrando una infinidad de compuestos diferentes así lo menciona (Cornejo Arteaga, 2017). Químicamente los ácidos carboxílicos son una serie homóloga en la que los compuestos presentan este grupo funcional (-COOH) mientras que la formula general en la que se muestran dichos ácidos es: CnH2n+1COOH.
Los ácidos carboxílicos son derivados de hidrocarburos en los que uno o más de los átomos de hidrógeno del hidrocarburo han sido reemplazados por un grupo carboxílico. Los primeros cuatro ácidos carboxílicos derivados de los alcanos son el ácido metanoico (HCOOH), el ácido etanoico (CH3COOH), el ácido propanoico (C2H5COOH) y el ácido butanoico (C3H7COOH).
Los ácidos carboxílicos al ser de los compuestos más abundantes en la naturaleza ameritan un estudio minucioso que complemente la formación principalmente del estudiante de la carrera de Química de Alimentos; la función química de los ácidos carboxílicos es de carbono primario que contiene tanto al carbonilo, así como el hidroxilo en sí mismo, se nombran anteponiendo la palabra ácido con el sufijo oico.

Palabras clave: carboxilo, química, carbono, ácido, grupo, carboxílico.

DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN

Importancia de los ácidos carboxílicos en las industrias.

En términos generales no solamente los ácidos carboxílicos son importantes, sino el grupo carboxilo, del cual se generan una gran cantidad de compuestos que son usados por diferentes sectores industriales como en la industria alimentaria:

• Aditivos, conservantes (ácido sórbico y benzoico), regulador de alcalinidad, agente antimicrobiano, acidulante en bebidas carbonatadas.
• Ayudante a la maduración del queso suizo (ácido propiónico), elaboración de col fermentada y bebidas suaves (ácido láctico).
• Conservantes (Ácido sórbico y ácido benzoico).
• Regulador de la alcalinidad de muchos productos.
• Producción de refrescos.
• Agentes antimicrobianos ante la acción de los antioxidantes. En este caso, la tendencia son los antimicrobianos líquidos que posibiliten la bio-disponibilidad.
• Principal ingrediente del vinagre común (Ácido acético).
• Acidulante en bebidas carbonatadas y alimentos (Ácido cítrico y ácido láctico).
• Ayudante en la maduración del queso suizo (Ácido propiónico).
• Elaboración de queso, chucrut, col fermentada y bebidas suaves (Ácido láctico).

El ácido fórmico en las agroindustrias y alimentos.

La agricultura es una actividad económica de alto impacto e importancia para el ser humano en las sociedades modernas, y en torno al uso de ácido fórmico este sector representa un porcentaje elevado de consumo por sus propiedades antibacterianas.
El ácido fórmico es un químico irritante presente en el veneno pulverizado de algunas especies de hormigas y en la secreción liberada por algunas ortigas, así lo menciona el portal especializado (ACIDO CLORHIDRICO.org, 2010).

El ácido metanoico o ácido fórmico es un conocido conservante antimicrobiano y pesticida, siendo entonces un importante aliado del sector agrícola y alimentario. Sin embargo el mismo es muy peligroso en altas concentraciones; al ser empleado como agente antimicrobiano se puede controlar el aparecimiento de bacterias de origen industrial o agrícola, éste al ser consumido en mínimas cantidades no ocasiona intoxicación alguna en humanos ni animales, por lo tanto es empleado como aditivo en alimentos de animales así como al ensilado producido como producto de la molienda y del cultivo, dicho ensilado es suministrado a animales de corral como vacas y bovinos.

Tras tratar el ensilado con ácido fórmico, éste actúa como precursor de la fermentación de azucares en el animal, que en el caso de las reses favorece la producción láctea reduciendo el tiempo de producción natural de la misma, sin alterar el valor nutricional ni calidad de la leche para consumo humano.

La fuente afirma que puede ser muy peligroso en concentraciones anormalmente altas, el ácido fórmico es en realidad un aditivo alimentario y un químico industrial muy versátil y extremadamente útil. Cuando se consume a niveles normales, es muy rápida y fácilmente metabolizada por nuestros cuerpos, y eliminada de una manera segura y saludable. Sin embargo, se ha encontrado que ingerir cantidades altamente concentradas de ácido fórmico puede resultar en daño renal y hepático. Como tal, es importante entender tanto los usos como los peligros de este producto químico tan versátil. (ACIDO CLORHIDRICO.org, 2010)

Aplicaciones del ácido acético en las industrias de alimentos.

El ácido acético es un aditivo de alta incidencia en las industrias alimenticias por su capacidad de regular la acidez y basicidad en los alimentos, es el principal ingrediente del vinagre. Su nombre se deriva del latín acetum, que significa agrio. Conocido y usado hace bastante tiempo por la humanidad, se emplea como condimento y conservante de alimentos (Fennema, Hablemos Claro: Ácido Acético, 2000).

Entre sus aplicaciones más comunes se encuentran:
• Salsas de mesa y para cocinar.
• Alimentos en conserva.
• Pan y productos de panadería.
• Aderezos y vinagre.
• Condimento para botanas.
• Industria de plástico y aplicaciones químicas de tipo analítico.
• Industria textil, entre otras.

Su principal uso industrial es la preservación de alimentos, principalmente conservas. Tradicionalmente éste ácido era generado como producto de la fermentación de frutos como la manzana, uvas y diversos cereales denominándolo tradicionalmente como vinagre. Con los años y gracias a los avances en torno a la química orgánica la obtención de este ácido se ha ido perfeccionando, siendo posible en la actualidad obtenerlo por fermentación controlada o síntesis química orgánica así lo afirma (Editores “Mestrillo”, 2018).
Dentro de la industria alimenticia, el ácido acético, como se ha mencionado, se emplea para la limpieza y conservación de alimentos. También se le da utilidad en el hogar como aderezo para comidas, y es capaz de regular la acidez de muchos alimentos.

Aplicaciones del ácido cítrico en las industrias de alimentos.

El ácido cítrico es el responsable de la acidez de las frutas cítricas. Para uso industrial, el ácido cítrico es fabricado por la fermentación aeróbica del azúcar de caña (sacarosa) o azúcar de maíz (dextrosa) por una cepa especial de Aspergillus niger. Su mayor empleo es como acidulante en bebidas carbonatadas y alimentos.

En la industria alimenticia el ácido cítrico también es conocido como E330 y es un buen conservante y antioxidante natural que se añade de forma industrial en el envasado de muchos alimentos. En el organismo humano el ácido cítrico ingerido se incorpora al metabolismo normal, degradándose totalmente y produciendo energía en una proporción comparable a los azúcares. Es perfectamente inocuo a cualquier dosis concebiblemente presente en un alimento (BRISTHAR LABORATORIOS C. A. ® , 2010).

Según la fuente anterior el ácido cítrico y sus sales se pueden emplear en prácticamente cualquier tipo de producto alimentario elaborado. El ácido cítrico es un componente esencial de la mayoría de las bebidas refrescantes, (excepto las de cola, que contienen ácido fosfórico) a las que confiere su acidez, del mismo modo que el que se encuentra presente en muchas frutas produce la acidez de sus zumos, potenciando también el sabor a fruta. Con el mismo fin se utiliza en caramelos, pastelería, helados, etc. Es también un aditivo especialmente eficaz para evitar el oscurecimiento que se produce rápidamente en las superficies cortadas de algunas frutas y otros vegetales.
También se utiliza en la elaboración de encurtidos, pan, conservas de pescado y crustáceos frescos y congelados entre otros alimentos. Los citratos sódico o potásico se utilizan como estabilizantes de la leche esterilizada o UHT. En la tabla siguiente se puede encontrar una pequeña guía de aplicaciones del E330 en los alimentos

El ácido propiónico en las industrias de alimentos.

El ácido propiónico es el responsable por el olor característico del queso suizo (Snyder, 1995). Durante el período principal de maduración de este tipo de queso, Propionibacterium shermanii, y microorganismos similares, convierten ácido láctico y lactatos a ácidos propiónico, acético y dióxido de carbono. El CO2 gaseoso generado es responsable por la formación de los “huecos” característicos del queso suizo, así lo afirma (Ing. Netto, 2011).

El ácido propiónico es un componente con propiedades antimicrobianas frente a los mohos y algunas bacterias, también conocido como propanoico, es un ácido graso saturado con una cadena corta integrado por un etano unido a un carboxilo y es precursor de las sales del tipo propionatos. Este ácido carboxílico monoprótico, fue descubierto en el año 1844 por el químico Johann Gottlieb, durante la degradación del azúcar de algunos productos, constituyendo un ácido graso que forma una capa aceitosa cuando se sala en agua, produciendo sal potásica.

El ácido propiónico se puede obtener de forma natural por la fermentación de la pulpa de la madera o a través de algunos quesos, como se mencionó. Sin embargo, industrialmente se produce con la oxidación del aire de propanal, mediante el empleo de cationes de cobalto o manganeso en bajas temperaturas. Igualmente se extrae como un subproducto del ácido acético, pero este método está en caducidad.
Biológicamente según menciona (Editores “ACIDOS.INFO”, 2018), el ácido propiónico se genera en el metabolismo de los ácidos grasos con carbonos impares y algunos aminoácidos. Este proceso se inicia cuando las bacterias que se encuentran en los estómagos de los rumiantes catabolizan el sebo secretado por los poros, siendo prácticamente la razón del característico olor del queso suizo y del sudor.

Casi el 80% del consumo mundial de ácido propiónico está destinado a la conservación de alimentos elaborados para animales, cereales y la producción de propionatos de calcio o sodio, que son ingredientes básicos para alimentos humanos como el pan, bizcochos, pasteles y otros productos que son cocinados en horno, debido a su acción inhibidora del hongo.

Existen propionatos de calcio y sodio presentes en los productos de panificación, originados de la leche entre otros ingredientes.

El ácido butírico en las industrias de alimentos.

El ácido butírico (butanóico) deriva su nombre del latín butyrum, que significa mantequilla. Produce un olor peculiar por la rancidez de la mantequilla. Es usado en la síntesis de aromas, en fármacos y en agentes emulsionantes. (Parker, 1997) (Ing. Netto, 2011). Respecto a sus usos, el ácido butírico se emplea en la elaboración de esencias y sabores artificiales de aceite de vegetal. Así, en el caso del butirato de amilo, este es uno de los principales componentes del aceite de albaricoque.

Por otra parte, en el caso del butirato de metilo, este es uno de los ingredientes esenciales del aceite de piña. Éste último es utilizado tanto como agente aromatizante como estimulante del crecimiento óseo y el tratamiento de resfriados.

El ácido butírico se manifiesta en forma de ésteres en ciertos aceites vegetales y en determinadas grasas animales. Se le encuentra en mayores proporciones en productos como la mantequilla rancia, el queso parmesano y la leche cruda. No obstante, también se produce en el colon humano, como producto de la fermentación bacteriana de los glúcidos. En cuanto a sus características, es incoloro, posee olor y sabor fuerte y desagradable, y puede diluirse en agua.

El ácido láctico en las industrias de alimentos.

El ácido láctico se produce por la fermentación bacteriana de lactosa (azúcar de la leche) por Streptococcus lactis. Fabricado industrialmente por la fermentación controlada de hexosas de melaza, maíz y leche, se utiliza en la industria alimentaria como acidulante.

El ácido láctico es un aditivo utilizado ampliamente por su capacidad de regular la acidez de los productos. Dentro de sus principales aplicaciones se encuentran:
• Condimentos y vegetales en conserva.
• Pastillas, gomas de mascar y gomitas.
• Botanas a base de papa.
• Yogur, queso y fermentados lácteos.
• Salsa para pasta.
• Kit para preparar comidas.
• Productos cárnicos madurados.
El ácido láctico también se produce en nuestro propio cuerpo. Por ejemplo, cuando la glucosa es metabolizada por la actividad muscular anaeróbica, el ácido láctico se genera en los músculos y luego es descompuesto (oxidado por completo) a CO2 y H2O (Lehninger et al., 1995). Con el ejercicio intenso, el ácido láctico se forma más rápidamente de lo que puede ser eliminado. Esta acumulación transitoria de ácido láctico provoca una sensación de fatiga y dolor muscular. (Ing. Netto, 2011)

El ácido benzoico en las industrias de alimentos.

Sólido de fórmula C6H5—COOH, poco soluble en agua y de acidez ligeramente superior a la de los ácidos alifáticos sencillos. Se usa como conservador de alimentos. Es poco tóxico y casi insípido.

El ácido benzoico es uno de los conservantes más empleados en todo el mundo. Aunque el producto utilizado en la industria se obtiene por síntesis química, el ácido benzoico se encuentra presente en forma natural en algunos vegetales, como la canela o las ciruelas, por ejemplo, y en la industria se conoce como E210.
El ácido benzoico es especialmente eficaz en alimentos ácidos, y es un conservante barato, útil contra levaduras, bacterias (menos) y mohos. Sus principales inconvenientes son el que tiene un cierto sabor astringente poco agradable y su toxicidad, que, aunque relativamente baja, es mayor que la de otros conservantes.

El ácido fumárico en las industrias de alimentos.

El ácido trans-butenodioico, compuesto cristalino incoloro, de fórmula HO2CCH=CHCO2H, que sublima a unos 200 °C. Se encuentra en ciertos hongos y en algunas plantas, a diferencia de su isómero cis, el ácido maleico (cis-butenodioico), que no se produce de forma natural. Se utiliza en el procesado y conservación de los alimentos por su potente acción antimicrobiana, y para fabricar pinturas, barnices y resinas sintéticas.

En la industria alimenticia el ácido fumárico es comprendido como un ácido de origen natural que requieren los seres humanos y los animales para vivir. Este ácido se encuentra en las plantas también, y ha sido aprovechado por las compañías de alimentos y científicos por sus propiedades únicas que pueden ayudar a conservar el sabor y otros aspectos de varios alimentos. Dado que el ácido fumárico es seguro, natural y necesario, se encuentra en diversas aplicaciones en el servicio de comida y otras industrias que tienen que ver con la producción y distribución de alimentos.
Utilizado como ácido y estabilizador estructural en una amplia variedad de productos. También es usado como una fuente de ácido en el polvo para hornear.

El ácido linoleico en las industrias de alimentos.

De contextura líquida, oleoso, incoloro o amarillo pálido, de fórmula CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6CO2H, cuyos dobles enlaces presentan configuración cis. Es soluble en disolventes orgánicos y se polimeriza con facilidad, lo que le confiere propiedades secantes. El ácido linoleico es un ácido graso esencial, es decir, es un elemento necesario en la dieta de los mamíferos por ser uno de los precursores de las prostaglandinas y otros componentes de tipo hormonal. Se encuentra como éster de la glicerina en muchos aceites de semillas vegetales, como los de linaza, soja, girasol y algodón. Se utiliza en la fabricación de pinturas y barnices.

El ácido oleico en las industrias de alimentos.

Líquido oleoso e incoloro, de fórmula CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CO2H en su configuración cis (la cadena de carbono continúa en el mismo lado del doble enlace). Es un ácido graso no saturado que amarillea con rapidez en contacto con el aire. Por hidrogenación del ácido oleico se obtiene el ácido esteárico (saturado).

Junto con el ácido esteárico y el ácido palmítico se encuentra, en forma de éster, en la mayoría de las grasas y aceites naturales, sobre todo en el aceite de oliva. Se obtiene por hidrólisis del éster y se purifica mediante destilación. Se utiliza en la fabricación de jabones y cosméticos, en la industria textil y en la limpieza de metales. (Ing. Netto, 2011)

El ácido esteárico en las industrias de alimentos.

Sólido orgánico blanco de apariencia cristalina, de fórmula CH3(CH2)16COOH. No es soluble en agua, pero sí en alcohol y éter. Junto con los ácidos láurico, mirístico y palmítico, forma un importante grupo de ácidos grasos. Se encuentra en abundancia en la mayoría de los aceites y grasas, animales y vegetales, en forma de éster-triestearato de glicerilo o estearina y constituye la mayor parte de las grasas de los alimentos y del cuerpo humano.

El ácido se obtiene por la hidrólisis del éster, y comercialmente se prepara hidrolizando el sebo. Se utiliza en mezclas lubricantes, materiales resistentes al agua, desecantes de barnices, y en la fabricación de velas de parafina. Combinado con hidróxido de sodio el ácido esteárico forma jabón (estearato de sodio).

 El ácido esteárico se encuentra en buena parte en carnes, embutidos y ahumados.

A pesar de que el ácido esteárico está de igual manera en las grasas de origen vegetal y animal, se encuentra en mayor medida en las segundas, donde tiene alrededor de un 30%, mientras que en la grasa vegetal se encuentra en una menor cantidad al 5%. Sin embargo, existen grasas vegetales que poseen un mayor contenido de este ácido, las cuales son la manteca de karité y la de cacao, ambas teniendo aproximadamente un 28-45% de ácido esteárico.
El ácido esteárico se encuentra en el 2do lugar en cuando a ingesta de grasas saturadas dentro de la dieta, siendo consumido en un 25,8%, después del ácido palmítico, que es ingerido en un 56,3%. Es posible encontrar este ácido en mayor medida en carnes rojas, luego en el pescado, y por último tanto en cereales como en productos lácteos.
Aunque consiste en un ácido graso saturado, este ácido no parece contar con ninguno de los efectos perjudiciales que normalmente son vinculados a esta clase de grasa y de igual forma, parece ser que este ácido produce un efecto neutro en los triglicéridos, al igual que en el colesterol LDL también llamado colesterol “malo”, en el colesterol total o en el colesterol HDL conocido como colesterol “bueno”. (ADMINIDEG, 2017).

El ácido málico en las industrias de alimentos.

Es el ácido hidroxibutanodioico, compuesto incoloro de fórmula HO2CCH2CHOHCO2H. Se encuentra en las manzanas, uvas y cerezas verdes y en otros muchos frutos, así como en los vinos. Se puede obtener de forma sintética a partir del ácido tartárico y del ácido succínico.

Ácido Málico.

Al calentarlo se deshidrata y produce ácido fumárico y ácido maleico. Se utiliza como aditivo alimentario por su acción antibacteriana y su agradable aroma. También se emplea en medicina, en la fabricación de ciertos laxantes y para tratar afecciones de garganta.

El ácido málico es un aditivo utilizado en la industria de alimentos empleado como acidulante y emulsificante (Fennema, Hablemos Claro, 2000). Entre las aplicaciones más comunes se encuentran:
• Pastillas, gomas de mascar y gomitas.
• Dulces y caramelos duros.
• Bebidas de frutas y de sabores.
• Bebidas de soya.
• Botanas a base de papas.
• Helados, sorbetes y paletas.
• Vino.

El ácido oxálico en las industrias de alimentos.

ácido oxálico

El ácido etanodioico, sólido incoloro de fórmula HO2CCO2H, que cristaliza con dos moléculas de agua. Se encuentra en muchas plantas en forma de sales (oxalatos) de potasio. Su sal de calcio también aparece en ciertos vegetales y en los cálculos renales. Se utiliza en análisis químico por su poder reductor y en especial en la determinación de magnesio y de calcio. También se emplea en tintorería, en el curtido de pieles, en síntesis, de colorantes y como decapante.
Como es sabido, el ácido oxálico o los oxalatos, son compuestos contenidos en algunos alimentos que inhiben la absorción del calcio al unirse a este mineral y volverlo insoluble en el intestino. Por eso, para prevenir deficiencias de calcio.

El ácido palmítico en las industrias de alimentos.

Sólido blanco grisáceo, untuoso al tacto, de fórmula CH3(CH2)14COOH. Es un ácido graso saturado que se encuentra en una gran proporción en el aceite de palma, de ahí su nombre. Se encuentra en la mayoría de las grasas y aceites, animales y vegetales, en forma de éster (tripalmitato de glicerilo o palmitina). Por saponificación, es decir, por reacción del éster con un álcali (hidróxido de sodio o potasio) se obtiene la sal alcalina, y a partir de ella se puede obtener el ácido por tratamiento con un ácido mineral. Las sales alcalinas tanto del ácido palmítico como del ácido esteárico son los principales constituyentes del jabón. Se utiliza en aceites lubricantes, en materiales impermeables, como secante de pinturas y en la fabricación de jabón.

El ácido pirúvico en las industrias de alimentos.

Es el ácido a-cetopropanoico, líquido incoloro de olor fuerte y picante, soluble en agua y de fórmula H3CCOCO2H. Interviene en numerosas reacciones metabólicas. Por ejemplo, es un producto de degradación de la glucosa que se oxida finalmente a dióxido de carbono y agua. En las levaduras se produce un proceso de fermentación en el que el ácido pirúvico se reduce a etanol. También puede ser transformado en el hígado en el correspondiente aminoácido, la alanina.

Habitualmente se localiza en las frutas fermentadas, vinagre y manzanas, de igual manera, es producido por nuestro cuerpo como resultado del proceso metabólico. Este ácido, que recibe el nombre de piruvato, fue descubierto por el químico sueco Jöns Jacob von Berzelius. (ACIDOS.INFO, 2018)

El ácido tartárico en las industrias de alimentos.

También llamado ácido dihidroxidosuccínico o ácido dihidroxibutanodioico, es un ácido orgánico de fórmula C4H6O6. Este ácido, que se encuentra en muchas plantas, ya era conocido por los griegos y romanos como tártaro, la sal del ácido de potasio que se forma en los depósitos de jugo de uva fermentada.
El ácido tartárico, en sus dos formas racémico y dextrorrotatorio, se emplea como aderezo en alimentos y bebidas. También se utiliza en fotografía y barnices, y como tartrato de sodio y de potasio (conocido como sal de Rochelle) constituye un suave laxante.

El ácido tartárico es un ingrediente ampliamente utilizado en la industria de alimentos como regulador de acidez, antioxidante, secuestrante y agente leudante. (Fennema, Hablemos claro: Química de los Alimentos, 2000). Entre las aplicaciones más comunes se encuentran:
• Pastillas, gomas de mascar y gomitas.
• Galletas dulces.
• Pasteles, pastas y otros productos de panificación.
• Caramelos.
• Bebidas con gas.
• Vinos.
• Chocolates.
• Industria textil.
• Industria química y cosmética.

El ácido sórbico en las industrias de alimentos.

El ácido sórbico es el único ácido orgánico no saturado normalmente permitido como conservador en los alimentos. Posee un espectro antimicrobiano interesante ya que es relativamente ineficaz contra las bacterias catalasa-negativas como las bacterias lácticas. El ácido sórbico posee un amplio espectro de actividad contra los microorganismos catalasa-positivos, que incluyen las levaduras, mohos y bacterias y se utiliza, por tanto, para inhibir los contaminantes aeróbicos en los alimentos fermentados o acidificados, así lo manifiesta (BRISTHAR LABORATORIOS C. A. ®, 2010)

Estos últimos microorganismos resultan generalmente inhibidos por concentraciones de ácido no disociado de 0.01a 0.03%. Este compuesto constituye un eficaz agente antimicrobiano a valores de pH inferiores a 6.
Los sorbatos se utilizan en bebidas refrescantes, en repostería, pastelería y galletas, en derivados cárnicos, quesos, aceitunas en conserva, en postres lácteos con frutas, en mantequilla, margarina, mermeladas y en otros productos. En la industria de fabricación de vino encuentra aplicación como inhibidor de la fermentación secundaria permitiendo reducir los niveles de sulfitos.
Cada vez se usan más en los alimentos los sorbatos en lugar de otros conservantes más tóxicos como el ácido benzoico. Los sorbatos son los menos tóxicos de todos los conservantes, menos incluso que la sal común o el ácido acético (el componente activo del vinagre). Por esta razón su uso está autorizado en todo el mundo. Metabólicamente se comporta en el organismo como los demás ácidos grasos, es decir, se absorbe y se utiliza como una fuente de energía.

Este compuesto no debe ser utilizado en productos en cuya elaboración entra en juego la fermentación, ya que inhibe la acción de las levaduras. En productos de panadería por lo general se emplea en las masas batidas (magdalenas, bizcochos, etc.), siendo la dosis máxima de uso de 2 g/kg de harina.

El ácido ascórbico en las industrias de alimentos.

Conocido como vitamina C, tiene su nombre químico que representa a dos de sus propiedades: una química y otra biológica. En cuanto al primero, es un ácido, aunque no pertenece a la clase de ácidos carboxílicos. Su característica ácida es derivada de la ionización de un hidroxilo y de un grupo enol (pKa = 4,25). Además, según menciona (Ing. Netto, 2011) la palabra ascórbico representa su valor biológico en la protección contra la enfermedad escorbuto, del latín scorbutus (Lehninger et al., 1995).

DERIVADOS DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS (en otras industrias químicas)

Aplicaciones de ésteres

Como disolventes de Resinas:

Los ésteres, en particular los acetatos de etilo y butilo se utilizan como disolventes de nitrocelulosa y resinas en la industria de las lacas, así como materia prima para las condensaciones de ésteres.

Nitrocelulosa

Como aromatizantes:

El acetato de etilo y el acetato de butilo son los ésteres más importantes. Los esteres sintéticos son usados como aromatizadores de alimentos. Los más conocidos son: Acetato de amilo (platano), Acetato de octilo (naranja), butirato de etilo (piña), butirato de amilo (albaricoque) y formiato de isobutilo (frambruesa). (IECIUDADDEASIS, 2012)
Algunos ésteres se utilizan como aromas y esencias artificiales. Por ejemplo, el formiato de etilo (ron, aguardiente de arroz), acetato de isobutilo (plátano), butirato de metilo (manzana), butirato de etilo (piña), y butirato de isopentilo (pera).

Lactonas

Las lactonas son ésteres cíclicos internos, hidroxiácidos principalmente gamma y delta. Estos compuestos son abundantes en los alimentos y aportan notas de aromas de durazno, coco, nuez y miel. Las lactonas saturadas e insaturadas se originan en la gama y delta hidroxilación de los ácidos grasos respectivos. La cumarina también es un éster cíclico (es decir, una lactona) que se aísla del haba tonka y otras plantas. W. H. Perkin sintetizó por primera vez la cumarina en el laboratorio y comercializó el compuesto como el primer perfume sintético, llamándolo Jockey Club y Aroma de heno recién segado.

 Haba Tonka y la sintetización de la cumerina

Como Analgésicos

En la medicina encontramos algunos ésteres como el ácido acetilsalicílico (aspirina) utilizado para disminuir el dolor. La novocaína, otro éster, es un anestésico local. El compuesto acetilado del ácido salicilico es un antipirético y antineurálgico muy valioso, laaspirina (ácido acetilsalicílico) Que también ha adquirido importancia como antiinflamatorio no esteroide.

En la elaboración de fibras semisintéticas

Todas las fibras obtenidas de la celulosa, que se trabajan en la industria textil sin cortar, se denominan hoy rayón (antiguamente seda artifical). Su preparación se consigue disolviendo las sustancias celulósicas (o en su caso, los ésteres de celulosa) en disolventes adecuados y volviéndolas a precipitar por paso a través de finas hileras en baños en cascada (proceso de hilado húmedo) o por evaporación del correspondiente disolvente (proceso de hilado en seco).

Rayón al acetato (seda al acetato)

En las fibras al acetato se encuentran los ésteres acéticos de la celulosa. Por acción de anhídrido acético y pequeña cantidad de ácido sulfúrico sobre celulosa se produce la acetilación a triacetato de celulosa. Por medio de plastificantes (en general, ésteres del ácido ftálico) se puede transformar la acetilcelulosa en productos difícilmente combustibles (celon, ecaril), que se utilizan en lugar de celuloide, muy fácilmente inflamable.

Síntesis para fabricación de colorantes:

El éster acetoacético es un importante producto de partida en algunas síntesis, como la fabricación industrial de colorantes de pirazolona.

En la industria alimenticia y producción de cosméticos

Los monoésteres del glicerol, como el monolaurato de glicerol. Son surfactantes no iónicos usados en fármacos, alimentos y producción de cosméticos.
En la obtención de jabones

Se realizan con una hidrólisis de esteres llamado saponificación, a partir de aceites vegetales o grasas animales los cuales son esteres con cadenas saturadas e insaturadas (Química Orgánica, 2013).

Aplicaciones de las amidas

Por otra parte, podemos decir que las amidas sustituidas, en general, tienen propiedades disolventes muy importantes.

La dimetilformamida:
Se emplea como disolvente de resinas en la fabricación de cuero sintético, poliuretano y fibras acrílicas, como medio de reacción y disolvente en la extracción de productos farmacéuticos, en disolución de resinas, pigmentos y colorantes. Constituye un medio selectivo para la extracción de compuestos aromáticos a partir del petróleo crudo.

La dimetilacetamida
Se utiliza como disolvente de fibras acrílicas y en síntesis específicas de química fina y farmacia. Tanto la dimetilformamida como la dimetilacetamida son componentes de disolventes de pinturas.

POLIAMIDAS

Los nylons son unos de los polímeros más comunes usados como fibra. En todo momento encontramos nylon en nuestra ropa, pero también en otros lugares en forma de termoplástico. El verdadero éxito del nylon vino primeramente con su empleo para la confección de medias femeninas, alrededor de 1940. Pero antes de eso, el primer producto de nylon fue el cepillo de dientes con cerdas de nylon.

Los nylons también se llaman poliamidas, debido a los característicos grupos amida en la cadena principal. Las proteínas, tales como la seda a la cual el nylon reemplazó, también son poliamidas. Estos grupos amida son muy polares y pueden unirse entre sí mediante enlaces por puente de hidrógeno. Debido a esto y a que la cadena de nylon es tan regular y simétrica, los nylons son a menudo cristalinos y forman excelentes fibras. (Helena, 2011)

[O=C(CH2)4-C=O-NH-(CH2)6-NH]n

Bibliografía

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• ADMINIDEG. (5 de Julio de 2017). IDEG. Obtenido de Ácido Esteárico y su consumo: http://www.ideg.es/acido-estearico-consumo/
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• BRISTHAR LABORATORIOS C. A. ®. (2010). BRISTHAR LABORATORIOS C. A. ® Derechos reservados 2010. Obtenido de Ácido Sórbico (E 200): http://www.bristhar.com.ve/acidosor.html
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Usos y Aplicaciones de Aldehídos y Cetonas

Alejandro Alfredo Aguirre Flores. [1]

[1] Universidad Central del Ecuador-Fac. Ciencias Químicas-Química de Alimentos

TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS © Copyright 2018

Definición: son compuestos caracterizados por la presencia del grupo carbonilo (C=O). Los aldehídos presentan el grupo carbonilo en posición terminal mientras que las cetonas lo presentan en posición intermedia. El primer miembro de la familia química de los aldehídos es el metanal o formaldehído (aldehído fórmico), mientras que el primer miembro de la familia de las cetonas es la propanona o acetona (dimetil acetona). Los aldehídos y cetonas se comportan como ácidos debido a la presencia del grupo carbonilo, esto hace que presenten reacciones típicas de adición nucleofílica. Una de las diferencias que presentan entre los aldehídos y cetonas es que los aldehídos se oxidan con facilidad frente a oxidantes débiles produciendo ácidos. Mientras que las cetonas sólo se oxidan ante oxidantes muy enérgicos que puedan romper sus cadenas carbonadas. Es así que las reacciones de oxidación permiten diferenciar los aldehídos de las cetonas en el Laboratorio. Después de lo dicho antes se puede decir, que muchos aldehídos y cetonas forman parte de los aromas naturales de flores y frutas, por lo cual se emplean en la perfumería para la elaboración de aromas.

Usos y Aplicaciones de Aldehídos

Son intermediarios en la síntesis de ácido, fabricación de plásticos, resinas y productos acrílicos como la baquelita, resinas de melamina o melamínico, etc. Industria fotográfica; explosiva y colorante; como antiséptico y preservador; herbicida, fungicida y pesticida. Acelerador en la vulcanización. Industria de alimentación y perfumería; industria textil y farmacéutica.

Se ha aislado una gran variedad de aldehídos y cetonas a partir de plantas y animales; muchos de ellos, en particular los de peso molecular elevado, tienen olores fragantes o penetrantes. Por lo general, se les conoce por sus nombres comunes, que indican su fuente de origen o cierta propiedad característica. A veces los aldehídos aromáticos sirven como agentes saborizantes (Porras., 2013).

El benzaldehído (también llamado “aceite de almendra amargas”) es un componente de la almendra; es un líquido incoloro con agradable olor a almendra. El cinaldehído da el olor característico a la esencia de canela (Wikipedia.(s.f.), 2008).

Aldehído vanílico (vainilla): tiene diferentes grupos funcionales: unos grupos aldehídos y un anillo aromático, por lo que es un aldehído aromático (Meislich, 1998). La vainilla que produce el popular sabor a vainilla durante un tiempo se obtuvo solo a partir de las cápsulas con formas de vainas de ciertas orquídeas trepadoras. Hoy día, la mayor parte de la vainilla se produce sintéticamente

Glutaraldehido: se usa como desinfectante en frío y en el curtido de pieles (Solomons, 1985).

Acetaldehído: se usa en la industria química en una inmensa cantidad de procesos, siendo un producto muy inflamable tanto en líquido o sus vapores (Meislich, 1998).

Metanal o aldehído fórmico: es el aldehído con mayor uso en la industria, se utiliza fundamentalmente para la obtención de resinas fenólicas y en la elaboración de explosivos (pentaeritrol y el tetranitrato de pentaeritrol, TNPE) así como en la elaboración de resinas alquídicas y poliuretano expandido. También se utiliza en la elaboración de uno de los llamados plásticos técnicos que se utilizan fundamentalmente en la sustitución de piezas metálicas en automóviles y maquinaria, así como para cubiertas resistentes a los choques en la manufactura de aparatos eléctricos. Estos plásticos reciben el nombre de POM (polioximetileno) (COSMOS MX, 2014).

Benzaldehído: Aunque se emplea comúnmente como un saborizante alimentario comercial (sabor de almendras) o solvente industrial, el benzaldehído se usa principalmente en la síntesis de otros compuestos orgánicos, que van desde fármacos hasta aditivos de plásticos. Es también un intermediario importante para el procesamiento de perfume y compuestos saborizantes, y en la preparación de ciertos colorantes de anilina (Wikipedia.(s.f.), 2008).

Aldehído cinámico (Bencilidenacetaldehído): Agrícola: para aplicación al follaje, como solución fiable en equivalentes en gramos de ingrediente activo (I.A./kg o L) de: 306. Para agregar aromas orientales en jabón, perfumes y artículos para el hogar. También se utiliza en compuestos aromatizantes para importar un sabor a canela, en el aceite de casia y aceite de corteza de canela. Se utiliza en jabones, detergentes, lociones, perfumes y a concentraciones comprendidas entre 0,01 y 0,8%4 Piperonal (1,3-Benzodioxol-5-carbaldehido): tiene su uso como sinergista de insecticidas y como ingrediente de perfumes y fragancias. Está clasificado entre los insecticidas repelentes como un pesticida. Un repelente para piojos que contiene piperonal está disponible en el mercado (Merck Millipore, 2017).

Aldehído anísico: Es usado en la síntesis de otros compuestos orgánicos incluidos los farmacéuticos (especialmente antihistamínicos), agroquímicos, solventes y aditivos para plásticos. Es un importante intermediario de la fabricación de perfumes y saborizantes (COSMOS MX., 2010).

Formaldehído: se usa en fabricación de plásticos y resinas, industria fotográfica, explosivo y colorantes, como antiséptico y preservador (conservación de animales muertos).
El aldehído más simple, el formaldehído, es un gas incoloro de olor irritante. Desde el punto de vista industrial es muy importante, pero difícil de manipular en estado gaseoso; suele hallarse como una solución acuosa al 40 % llamada formalina; o en forma de un polímero sólido de color blanco denominado para-formaldehído (Porras., 2013).

Si se caliente suavemente, el para-formaldehido se descompone y libera formaldehído:

La formalina: se usa para conservar especímenes biológicos. El formaldehído en solución se combina con la proteína de los tejidos y los endurece, haciéndolos insolubles en agua. Esto evita la descomposición del espécimen. La formalina también se puede utilizar como antiséptico de uso general. El empleo más importante del formaldehído es en la fabricación de resinas sintéticas. Cuando se polimeriza con fenol, se forma una resina de fenol formaldehído, conocida como baquelita. La baquelita es un excelente aislante eléctrico; durante algún tiempo se utilizó para fabricar bolas de billar (COSMOS MX, 2014).

El acetaldehído es un líquido volátil e incoloro, de olor irritante. Es una materia prima muy versátil que se utiliza en la fabricación de muchos compuestos. Si el acetaldehído se calienta con un catalizador ácido, se polimeriza para dar un líquido llamado paraldehído.

El paraldehído se utilizó como sedante e hipnótico; su uso decayó debido a su olor desagradable y al descubrimiento de sustitutos más eficaces.

Usos y Aplicaciones de Cetonas

Las cetonas se encuentran ampliamente distribuidas en la naturaleza. El importante carbohidrato fructuosa, las hormonas cortisona, testosterona (hormona masculina) y progesterona (hormona femenina) son también cetonas, así como el conocido alcanfor usado como medicamento tópico. Constituyen importantes fuentes medicinales y biológicas; son utilizadas como disolventes orgánicos, removedor de barniz de uñas (acetona). Obtención de resinas sintéticas, antiséptico, embalsamamiento, desodorante, fungicidas; obtención de Exógeno o Ciclonita (explosivos), preparación de pólvoras sin humo. Son aprovechadas para la obtención de Cloroformo y Yodoformo (Meislich, 1998). Algunas cetonas naturales y otras artificiales se emplean en cosmetología como aromatizantes y perfumes. Entre las cetonas más importantes tenemos:

Metil-etil-cetona: El principal uso de la metiletilcetona (MEK) es en la aplicación de adhesivos y revestimientos protectores, lo que refleja sus excelentes características como disolvente. Se utiliza también como disolvente en la producción de cintas magnéticas, el desparafinado de aceites lubricantes y el procesamiento de alimentos. Es un componente habitual de barnices y colas, así como de muchas mezclas de disolventes orgánicos (Profesionseg, 2014).

La acetona: Utilizado para la fabricación de metil metacrilato de metilo, ácido metacrílico, metacrilatos, bisfenol A, entre otros. Distribución del acetileno en cilindros y la nitroglicerina. Limpieza de microcircuitos, partes electrónicas, etc. Limpieza de prendas de lana y pieles. Cristalización y lavado de fármacos. Como base para diluyentes de lacas, pinturas, tintas, etc. En la vida doméstica, es el disolvente por excelencia para las pinturas de uñas y una mezcla de ambas se usa como disolvente-cemento de los tubos de PVC (Profesionseg, 2014).

Ciclopentanona: se utilizan como disolvente y en gran medida para la obtención de la caprolactama, un monómero en la fabricación del Nylon 6 y también por oxidación del ácido adípico que se emplea para fabricar el Nylon 66.

La butano-2,3-diona: es un ingrediente fundamental del aroma de la margarina.

Metadona: Este psicofármaco empezó a utilizarse como sedante y como remedio contra la tos, sin mucho éxito. Actualmente se emplea en los programas de desintoxicación y mantenimiento de los farmacodependientes de opiáceos, tales como la heroína.

Alcanfor: es una cetona que se encuentra en forma natural y se obtiene de la corteza del árbol del mismo nombre. Tiene un olor fragante y penetrante; conocido desde hace mucho tiempo por sus propiedades medicinales, es un analgésico muy usado en linimentos. Otras dos cetonas naturales, beta-ionona y muscona, se utilizan en perfumería. La beta ionona es la esencia de violetas.

La muscona, obtenida de las de las glándulas odoríferas del venado almizclero macho, posee una estructura de anillo con 15 carbonos.

Muscona y la civetona: que son utilizados como fijadores porque evitan la evaporación de los aromas además de potenciarlos por lo cual se utilizan en la industria de la perfumería.

Bibliografía

COSMOS MX. (2014). ONLINE COSMOS. Obtenido de Información Técnica y Comercial del Aldehido formico (formaldehído, formol, metanal, formalina): https://www.cosmos.com.mx/wiki/aldehido-formico-formaldehido-formol-metanal-formalina-cx3y.html

COSMOS MX. (2010). Usos del Aldehido Anisico. . Obtenido de http://www.cosmos.com.mx/producto/ddpy/aldehido-anisico 6 Profesionseg. (2014).

Meislich, H. ,. (1998). Química Orgánica. Tercera Edición. Bogotá Colombia.: Mc Graw Hill.

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Requena, L. (2001). Química Orgánica. Ediciones ENEVA. Obtenido de http://www.salonhogar.net/quimica/nomenclatura_quimica/Propiedades_aldehidos_ceto nas.htm

Solomons, T. G. (1985). Química orgánica. . México, D.F.: Limusa.

Wikipedia.(s.f.). (2008). Benzaldehido. Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Benzaldeh%C3%ADdo 4 Dyeq.(s.f.).

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Usos y Aplicaciones de los Compuestos Aromáticos en la industria de Alimentos

Lucía Jaramillo Cando. [1]

Lesly Espinoza Buitrón. [1]

Alejandro Aguirre F. [1]

[1] Universidad Central del Ecuador-Fac. Ciencias Químicas-Química de Alimentos

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INTRODUCCIÓN

Los hidrocarburos aromáticos son parte de la gran familia del Benceno, puesto que tienen por núcleo uno o más anillos bencénicos, al presentar una estructura cíclica insaturada por esta razón se les denomina también arenos así lo menciona (Claramount, y otros, 2013); y son precisamente dicha característica que confiere aromaticidad a este tipo de compuestos debido a un traslape efectivo entre sus electrones π (pi) puesto que la presencia del anillo bencénico hace que su molécula presente tres pares de electrones deslocalizados en un ciclo plano adicionalmente el cumplimiento de los principios de Hückel. En definitiva estas características confieren cierta reactividad a este tipo de compuestos en los que reside una gran estabilidad proveniente de la deslocalización electrónica existente que en muchos casos incita a la resonancia, dando lugar a que las nubes electrónicas se encuentre en una relativa mayor “comodidad” como resultado de sus repulsiones débiles que si estuvieran localizadas en tres enlaces π.

Entorno a la investigación se han tomado en cuenta múltiples compuestos aromáticos derivados del Benceno así como compuestos heterocíclicos aromáticos que se relacionan con la industria de alimentos y derivados; tomando como factor común la “degeneración” de orbitales (con la misma energía) que tiene lugar en el núcleo del anillo bencénico, a su vez la presente investigación relaciona los aspectos negativos que pueden tener respecto a la industria alimentaria en efecto, su relación con la salud humana.

DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN

 

Aplicaciones del benceno

El benceno desde su descubrimiento por parte de Michael Faraday en 1825, tras lograr aislarlo desde una sustancia oleosa extraída de una lámpara común de queroseno y su posterior formulación (C₆H₆) demostrando que posee seis átomos de carbono equidistantes y equivalentes, propuesta por Eilhard Mitscherlich en 1834; el benceno es por sí mismo el principal representante de los compuestos orgánicos aromáticos (Wade, 2011).

Tiempo después fueron múltiples los estudios realizados entorno a su síntesis y presencia en la naturaleza, así Hoffman en 1845 lo aísla a partir de la hulla, levantando así un indicio de su presencia en el petróleo. Pero no fue hasta que el Nobel de Química Linus Pauling consiguiera encontrar el verdadero origen de su comportamiento, la resonancia o mesomería en la cual ambas estructuras de Kekulé se sobreponen.

Ilustración 1 Comportamiento del anillo bencénico.

De manera general el benceno es utilizado en la fabricación de tintas, detergentes, explosivos, caucho, plásticos y fármacos. Sin embargo y a pesar de presentar riesgos para la salud ya que normalmente según la FDA posee en sus etiquetas frases tales como la R45 que menciona riesgo para la salud y causa de aparecimiento de cáncer y sus respectivas R48/23/24/25 que lo consideran como un compuesto del tipo tóxico capaz de representar riesgo de efectos graves para la salud en caso de exposición prolongada por inhalación, contacto con la piel e ingestión (Documentacion Ideam, 2003). Las industrias alimenticias en algunos países lo siguen utilizando como solvente para la extracción de esencias y concentrados a continuación algunos ejemplos.

Especias y condimentos-determinación de humedad en pimienta gorda. Método de prueba.

 

Según la publicación mexicana cuyo título original fue publicado como: Spices and condiments-determination of moisture content of all spice method of test (1988). Menciona al benceno como solvente indicado para la determinación de la humedad en pimienta gorda, lo importante del artículo radica en que no atenta contra la salud de los consumidores puesto que el método propuesto es únicamente para el análisis laboratorial de la pimienta mas no para su consumo inmediato.

Ilustración 2 Pimienta Negra (gorda)

El método desarrollado por Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos de México menciona que el benceno por su punto de ebullición e insolubilidad en agua permite una adecuada destilación continua del agua presente en una muestra de 30 a 35 g de semillas de pimienta gorda en 75 a 100 cm³ de benceno, la investigación sugiere la ecuación siguiente para el cálculo de la humedad (Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos, 1988):

Donde:                                                   Humedad %=(A* ρ)/M*100

A= Volumen de agua (cm³)

^ρ = Densidad del agua (g/cm³)

M= Peso de la muestra (g)

 

Benceno como contaminante de los alimentos, fuentes hídricas y agua potable

 

Por otra parte el benceno ha sido uno de los principales contaminantes del agua potable en comparación con otros compuestos según menciona (Echeverry, 2016), alimentos como café, pan comercial, agua potable y envasada, frutas, verduras, bebidas isotónicas, chicles, derivados cárnicos, alimentos con saborizantes, helados, yogurt e incluso cosméticos en todo el mundo han presentado trazas de benceno, que como se mencionó anteriormente es altamente tóxico, el origen de dicho mal puede deberse a malas prácticas de manufactura en las industrias no alimenticias, mismas que desechan sus aguar residuales sin un adecuado control de sustancias contaminando de esta manera los recursos hídricos, la norma técnica internacional establecida por la FDA menciona que no se excederá la cantidad de 1μg/l de agua caso contrario se considera como muestra contaminada y requiere tratamiento emergente, a su vez la OMS (Organización Mundial de la Salud) y la Agencia para la Protección del Medio Ambiente (EPA), clasifica al benceno como parte de la lista de compuestos emergentes en el tratamiento de aguas por su persistencia y sus efectos negativos para la salud humana así lo afirma (Barceló & López de Alda, 2010).

Benceno como producto residual en la síntesis de benzoatos presentes en alimentos

Alimentos tales como las salsas de tomate (Kétchup), sodas y aquellos que presenten benzoato de sodio o potasio en general pueden tener mayor incidencia de trazas de benceno, y aunque el benzoato puede parecer inofensivo las industrias alimenticias y químicas en general sintetizan este compuesto a partir del benceno, a su vez y al no existir un proceso ciento por ciento efectivo, nada puede frenar el aparecimiento de rachas de reactivo en los productos finales así lo afirma (Echeverry, 2016). A continuación la síntesis comúnmente utilizada para la formulación del benzoato sódico:

Ilustración 3 Síntesis del Tolueno, Benzoato sódico y ácido benzoico. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_benzoico

En relación al tema la Administración de Alimentos y Drogas de los Estados Unidos (FDA) por sus siglas en inglés, menciona que las sales de benzoato al ser expuestas a la luz y al calor en presencia de vitamina C (común en ciertos alimentos tales como gaseosas y fármacos) al reaccionar pueden causar cantidades residuales de benceno, este factor entorno a la industria de bebidas ha sido muy criticado por que normalmente las bebidas gaseosas son transportadas en vehículos con exposición directa a la luz solar creando el factor adecuado para su transformación y en consecuencia convertirse en un factor nocivo para la salud de los consumidores (Echeverry, 2016).

Ilustración 4 Las gaseosas carbonatadas, por factores de estabilidad presentan benzoatos de sodio y potasio que al reaccionar con la luz y el calor pueden formar rachas de benceno.

 

Aplicaciones de otros compuestos aromáticos

 

Uso de las Quinolinas e Isoquinolinas en la industria alimenticia

Las quinolinas e isoquinolinas con compuestos cíclicos en los que un anillo bencénico y uno de piridina se hallan fusionados y eso aplica también para su correspondiente catión quinazolinio; aunque el criterio de carácter aromático de Hückel predice aromaticidad en compuestos mono cíclicos se conoce que este tipo de compuestos conservan sus propiedades aromáticas así lo considera (Dep. Fquím. UNAM, 2015); es así como muchos de sus derivados son utilizados en múltiples sectores industriales tales como el actinoquinol utilizado en la fabricación de pantallas UV, benzoquinolina utilizada en la fabricación de desinfectantes, lotrifen que es un derivado de las quinolinas ampliamente usado como abortivo o el dimetisoquin potente anestésico y finalmente la papaverina en la fabricación de relajantes musculares.

 

Amarillo de quinoleína (E E104) o amarillo de quinolina

 

El amarillo de quinolina es un importante ingrediente sintético para la industria de alimentos como agente colorante entre sus aplicaciones más destacadas están:

 

• Dulces de azúcar y golosinas.
• Repostería de naranja, vainilla y chocolate.
• Panadería.
• Bebidas alcohólicas y no alcohólicas hidratantes, energizantes, bebidas electrolíticas.
• Heladería.
• Snacks y botanas.
• Salsas y condimentos.
• Bebidas Carbonatadas.
• Quesos en polvo.
• Frituras y otros.

Según afirma (Badui, 2013), el color de los alimentos es muy importante para el consumidor a razón de ser el primer contacto e impresión que tiene un potencial comprador en respuesta de lo que visualmente aprecia del producto, lo que es determinante para la aceptación o rechazo del mismo.

Ilustración 5 Alimentos que contienen colorante E E104 (Amarillo de quinolina) Fuente: http://hablemosclaro.org/ingrepedia/amarillo-de-quinolina/#1502293691178-e5ac3059-a00b

La síntesis del compuesto parte del sulfonato 2-(2-quinolil)-1,3-indadiona, consiste principalmente de las sales sódicas de mezclas de sulfonatos, monosulfonatos, tiosulfonatos como agentes colorantes con la presencia de cloruro de sodio y/o sulfato de sodio como sustancias no colorantes.

Ilustración 6 Estructura Química del Amarillo de Quinolina. Fuente: http://hablemosclaro.org/ingrepedia/amarillo-de-quinolina/

El amarillo de quinolina es empleado en la industria de alimentos como agente colorante, lastimosamente estudios han demostrado riesgos para la salud ante este aditamento alimenticio, a tal punto que según menciona (Pliskin, 2017) ha sido prohibido en muchos países tales como: Estados Unidos, Australia, Finlandia, Noruega y Austria; y en muchos se ha sugerido evitar su consumo. Esta sustancia es soluble en agua y dentro de las industrias de mayor tendencia a su utilización son las de fabricación de fideos y pastas; así como también en marcas como HARIBO que fabrican dulces y gomas del tipo masticable (gomitas) y con respecto a las bebidas lácteas en diversas cremas y postres, de las bebidas más populares en las que se puede ubicar dicho colorante está la gaseosa FANTA de Coca Cola Spring Company. Entre los daños para salud más notables están la hipersensibilidad a la sustancia o su intolerancia (Pliskin, 2017).

 

Aplicaciones de las pirazinas en los alimentos

 

La pirazina es un compuesto orgánico aromático heterocíclico. Su molécula presenta una simetría con grupo puntual D2h. Es un sólido de apariencia cerosa o cristalina. Presenta un fuerte olor similar al de la piridina. Es volátil con vapor de agua (UDEA, 2010).

Ilustración 7 Estructura de la Pirazina.

Las pirazinas normalmente son factores de control en la industria vinícola y su síntesis ha evolucionado de la siguiente manera:

• Síntesis de Staedel-Rugheimer (1876): Reacción de 2-cloroacetofenona con amoniaco para obtener la 2- aminocetona, la cual se condensa para formar la dihidropirazidina, y se forma la aromaticidad por oxidación posterior.
• Síntesis de Gutknecht (1879): Ciclización de α-aminocetonas, producidas por reducción de isonitroso cetonas, para obtenerse las dihidropirazinas. Estas son posteriormente deshidrogenadas con óxido de mercurio (I) o sulfato de cobre (II), e inclusive con oxígeno atmosférico: 34
• Síntesis de Gastaldi (1921): Se requiere de (4-N-sulfonilamino)cianometil cetonas.

Ilustración 8 Pirazinas en Alimentos Fuente: https://lanocheenvino.com/2017/03/28/que-son-las-pirazinas/

Las pirazinas actúan como descriptores aromáticos en ciertos alimentos como el pimiento verde, las mismas se distribuyen en diferentes alimentos y verduras (espárragos y arvejas), por otro lado, las pirazinas forman parte de las uvas blancas y tintas mismas que confieren notas olfativas al vino así lo afirma (Cabeller, 2018).

Ilustración 9 Uvas Blancas (verdes) para la elaboración de vino blanco. Fuente: https://lanocheenvino.com/2017/03/28/que-son-las-pirazinas/

Según la autora la concentración de pirazinas disminuye a medida que madura la uva por lo que en ocasiones los niveles altos de esta molécula en el vino es asociado con la falta de maduración de las uvas; a su vez de encontrarse en este estado (muy concentrado) es indicador negativo en la calidad del vino.

Ilustración 10 Pirazinas comunes en las uvas para vinos. Fuente: http://vinospasini.blogspot.com/2012/07/aromas-verdes-del-vino.html

Por esta razón la necesidad de exhaustivos controles en el viñedo antes y después de la cosecha en este proceso entra en juego el profesionalismo y experiencia del enólogo por encima del mismo agricultor, la dificultad radica en el momento de la cosecha, puesto que la madurez de la uva es un fenómeno asincrónico puesto que maduran en diferentes tiempos los racimos de una misma cepa, cada unidad (granos) del racimo madura de forma independiente y la pulpa, piel y semilla de los granos también es asincrónica razón por la cual es dificultoso determinar el momento óptimo de la cosecha.

Por los motivos expuestos en el párrafo anterior el momento de la cosecha es crucial para condicionar las características sensoriales del vino; factores externos como el clima, la temperatura ambiental durante el periodo de la maduración, agentes químicos presentes en insecticidas son principalmente los influencian de forma directa la concentración de pirazinas en las uvas. Por ejemplo entorno a la temperatura tenemos la siguiente relación: Las temperaturas bajas durante la maduración inducen a producir uvas con nieles mayores de pirazinas (maduración rápida incompleta, no natural o acelerada), las temperaturas cálidas a su vez generan uvas con menores niveles de pirazinas acompañado de tiempos óptimos de maduración.

Ilustración 11 El uso de polarímetros es indispensable para la obtención de índices de refracción que permitan identificar la presencia de compuestos como la pirazina. Fuente: http://agriculturers.com/que-son-los-grados-brix/

Finalmente las técnicas de vinificación, menciona la autora, impactan también con la concentración de pirazinas en el producto final y entorno a su detección se considera bajo siempre y cuando existan de 2 a 8 ng/l para vinos blancos y de 2 a 16 ng/l en los tintos.

Presencia de la piridina en industria alimenticia

La piridina fue descubierta por Thomas Anderson en 1849 y su nombre proviene del vocablo griego Pyros que significa fuego, en efecto este líquido incoloro presenta una alta inflamabilidad y de forma natural puede identificarse como un aceite (incoloro) de olor desagradable al calentar huesos de animales, la forma natural más común de este compuesto es el NAD, vitaminas B₃, B₆, B₁₂, etc; es allí donde radica su importancia en la industria alimenticia.

Ilustración 12 Piridina, azabenceno o azina. Fuente: https://www.ecured.cu/Piridina

Su síntesis parte del alquitrán crudo y es utilizada como solvente en la producción de muchos productos, los más comunes en el sector alimenticio es la producción de condimentos y vitaminas utilizadas en suplementos alimenticios, así lo afirma (Seco, 2014), es importante mencionar que la forma pura de la piridina es mortal, cancerígena, capaz de producir infertilidad se la puede encontrar en especies vegetales como la Belladona (Atropa belladona).

Ilustración 13 Ilustración Naturalista de la Belladona. 

De manera general la formación de piridina en los procesos industriales de los alimentos se asocia a toxicidad salvo los casos en los que se contribuya con el aroma y el sabor cuyos derivados no son tóxicos así lo afirma (Seco, 2014).

Muchos de los alimentos de consumo diario contienen aromatizantes como resultado de la adición de compuestos que contienen piridina y de forma análoga por la adición de productos naturales en el medio ambiente. Una de las formas más conocidas de esta sustancia como derivado es la PIRIDOXINA, esta sustancia es conocida comúnmente como Vitamina B₆, nutriente esencial con propiedades beneficiosas para el metabolismo y sistema nervioso del cuerpo humano, estudios han demostrado que es capaz de estimular energéticamente a un individuo motivo por el cual es ingrediente principal en muchas suspensiones orales y jarabes para niños y demás suplementos alimenticios (B. Pavlov, 1970).

Ilustración 14 Piridoxina (Vitamina B6)

Entre los valores más importantes en (mg/100g de muestra) de esta importante vitamina en alimentos podemos mencionar la siguiente lista:

• Pistachos: 1.7mg.
• Hígado de pavo: 1.0mg.
• Atún: 0.9mg.
• Semillas de girasol: 0.8mg.
• Sésamo: 0.8mg.
• Salmón: 0.6mg.
• Maíz: 0.6mg.
• Avellanas: 0.6mg.
• Carne roja: 0.5mg.
• Lentejas: 0.5mg.
• Duraznos: 0.5mg.
• Plátanos: 0.3mg.

 

Incidencia del ácido benzoico en industria alimenticia

El ácido benzoico pertenece al extenso grupo de los compuestos aromáticos y es por sí mismo uno de los compuestos orgánicos más utilizados en la industria alimenticia. Su uso más común es como conservante alimenticio, de forma natural el ácido benzoico puede obtenerse de arándanos, ciruelas, canela, frambuesas, clavos de olor entre otros.

Ilustración 15 Estructura molecular del ácido benzoico.

Este compuestos tiene especial eficacia en alimentos del tipo ácido, la razón de su popularidad en la industria radica en su costo, puesto que no es elevado y resulta muy útil para controlar y frenar el aparecimiento y propagación de levaduras, bacterias (en casos muy específicos) y mohos (MILKSCI, 2003).

 

Sin embargo no todo es beneficio, uno de los principales problemas de este compuesto es su sabor astringente y de cierta forma desagradable, por otra parte presenta ciertos niveles de toxicidad, que aunque es relativamente baja pero mayor en comparación con otros conservantes, puede producir intolerancia a algunas personas, y por este motivo es que su control es muy importante.

Ilustración 16 El ácido benzoico en la industria de alimentos es identificado como aditivo-conservante E210.

El Conservante E210 (Ácido Benzoico) es utilizado principalmente en el continente europeo como conservante en bebidas refrescantes (gaseosas carbonatadas) como sucede en España así lo afirma (MILKSCI, 2003); entorno a la misma industria de bebidas es utilizado en la fabricación de zumos; productos lácteos utilizados en repostería y galletería así mismo en la elaboración de conservas de vegetales tales como tomates (Cherrys especialmente), pepinillos o pimiento envasados en grandes recipientes para uso de grandes cadenas de restaurantes de consumo masivo; crustáceos frescos o congelados y derivados de pescado; margarinas, salsas (especialmente en su forma de benzoato de sodio o potasio (E211 y E212 respectivamente) como es el caso de la salsa de tomate (MILKSCI, 2003).

Ilustración 17 Ácido benzoico en los alimentos.

El mencionado conservante industrial se obtiene de al menos 3 formas diferentes en la industrial según menciona (Aditivos Alimentarios, 2016)

• Oxidación de Naftaleno de anhídrido ftálico con óxido de Vanadio.
• Oxidación de la mezcla de Tolueno y ácido nítrico.
• Hidrólisis del clorobenceno.

De forma adicional este conservante está siendo empleado en la fabricación de gelatinas, humus, champiñones, miel, aceitunas, caviar, mermeladas, bebidas de malta y energizantes polos de helado, tortillas de trigo y patatas, frutas en almíbar, alimentos pre cocidos, licores y salsas picantes.

La OMS considera como aceptable una ingestión de hasta 5 mg por Kg de peso corporal y día. Con la actual legislación española esté límite se puede superar, especialmente en el caso de los niños. Otras legislaciones europeas son más restrictivas. En Francia sólo se autoriza su uso en derivados de pescado, mientras que en Italia y Portugal está prohibido su uso en refrescos. La tendencia actual es no obstante a utilizarlo cada vez menos sustituyéndolo por otros conservantes de sabor neutro y menos tóxico, como los sorbatos. El ácido benzoico no tiene efectos acumulativos, ni es mutágeno o carcinógeno (MILKSCI, 2003).

 

Incidencia del benzaldehído (C₆H₅CHO) en industria alimenticia

El benzaldehído (C₆H₅CHO), figura como un compuesto orgánico aromático perteneciente a los aldehídos y cetonas, y aunque el presente documento no tiene por finalidad centrarse en aldehídos y cetonas puesto que se abordará en la siguiente unidad de estudio, se considera al benzaldehído un compuesto aromático de alta importancia en la industria de alimentos. El benzaldehído es un compuesto químico que pertenece al extenso grupo de aldehídos aromatizantes, que consiste en un anillo de benceno con un sustituyente aldehído así lo afirma (Gavira Vallejo, 2015). A nivel organoléptico es un líquido incoloro con variaciones hasta tonalidades amarillas (dependerá de su pureza), se identifica por un olor frutal potente a cerezas y almendras amargas.

Ilustración 18 Benzaldehído, bencenal, fenilmetanal o aldehído benzoico.

En torno a sus propiedades químicas, el benzaldehído es ligeramente soluble en agua, miscible en alcohol y éter; se recomienda su almacenaje en envases cerrados en lugares frescos, ventilados y protegidos de la luz solar puesto que tiende a oxidarse rápidamente en presencia de aire por tanto es recomendable también su almacenaje en frascos ámbar.

Ilustración 19  Semillas que contienen Benzaldehído de forma natural.

El método de obtención natural es desde las semillas de almendras, ciruelas, cerezas, duraznos, melocotones entre otros; estas semillas poseen cantidades significativas de amigdalinas [glucósido, molécula formada por una parte glucídica y una parte no glucídica (C₂₀H₂₇NO₁₁)], cuando las amigdalinas se rompen por catálisis enzimática o por hidrólisis se obtienen dos tipos de azucares, un cianuro y un benzaldehído formando así benzaldehído de forma natural (Gavira Vallejo, 2015).

Según el autor a nivel industrial, el benzaldehído también puede obtenerse, entre otros métodos, a través de la oxidación del tolueno [hidrocarburo aromático (C₆H₅CH₃)]

En la industria alimenticia, el benzaldehído se usa como aditivo alimentario, entendiendo un aditivo como toda sustancia o mezcla que no aporta valor nutricional y que es agregada en la mínima cantidad posible, para crear, modificar mantener o intensificar las propiedades organolépticas y sus condiciones de conservación.

Todos los productos empleados como aditivos alimentarios están altamente regulados para que su consumo no sea perjudicial para el ser humano.

Sea cual sea su origen, el benzaldehído, es un producto considerado peligroso por el CLP (clasificación, etiqueta y envasado de productos químicos), con la siguiente clasificación, ya que puede provocar reacciones alérgicas en la piel y reacciones en el hígado (no llega a categoría de mortal, mutagénico o cancerígeno), en la industria de alimentos se identifican las siguientes 4 especies numeradas:

• H302: Nocivo en caso de ingestión
• H319: Lesiones oculares graves o irritación ocular
• H332: Nocivo en caso de inhalación
• H335: Toxicidad específica en determinados órganos.

Y a pesar de ser considero peligroso, forma parte de determinado alimentos, como las piruletas.

Ilustración 20 Piruletas de caramelo.

Uno de los organismos encargados de esta regulación es la FEMA (Flavors and Extract Manufacturing Assosiation), la cual clasifica el benzaldehído con el número FEMA 2127. Según esta asociación, el aldehído puede ser empleado para dar aroma a almendras amargas, azúcar quemado, cereza, pimientos asados y malta.

Para asegurarse que el consumo del benzaldehído no es peligroso para la salud humana, han establecido unos límites de ppm que los productos alimentarios finales no pueden sobrepasar A continuación la tabla de concentraciones límites en ppm para alimentos que contengan benzaldehído con la finalidad de asegurarse que el consumo del benzaldehído no es peligroso para la salud humana (Gavira Vallejo, 2015).

TIPOLOGÍA DE PRODUCTO	PPM MÁXIMO AUTORIZADO
Bebidas no alcohólicas	36 ppm
Helados	42 ppm
Caramelos	120 ppm
Productos horneados	110 ppm
Gelatinas y pasteles	160 ppm
Chicles	840 ppm
Bebidas alcohólicas	60 ppm

 

Aplicación del estireno y poliestireno en el envasado de los alimentos

 

El poliestireno es un plástico versátil usado para fabricar una amplia variedad de productos de consumo. Se sabe que cerca del 50-60% de estireno producido a nivel industrial está destinado a la fabricación de envases de poliestireno para comestibles (Roque Marroquín, 2016).

Dado que es un plástico duro y sólido, se usa frecuentemente en productos que requieren transparencia, tales como envases de alimentos y equipos de laboratorio.

Cuando se combina con varios colorantes, aditivos y otros plásticos, el poliestireno se usa para hacer electrodomésticos, electrónicos, repuestos automotrices, juguetes, macetas y equipamiento para jardines, entre otros a su vez el poliestireno en espuma puede tener más de 95 % de aire.

(Roque Marroquín, 2016) Menciona en su artículo que dados los efectos nocivos para la salud del estireno reportados por el Programa Nacional de Toxicología y su reciente clasificación como “agente carcinógeno racionalmente anticipado” y conocido la factibilidad de la migración de monómeros de estireno a partir de los envases de alimentos hacia su contenido, se considera importante la determinación de esta sustancia como advertencia y prevención de futuros perjuicios contra la salud humana.

Ilustración 21 Bandejillas fabricadas con poliestireno para el envasado de alimentos.

El envasado para el servicio de alimentos de poliestireno suele ser mejor aislante, mantiene los alimentos frescos por más tiempo y cuesta menos que las otras alternativas (Chemical Safety Facts, 2010).

Ilustración 22 Polimerización del estireno.

Existen 2 clases de poliestirenos utilizados en industrias varias estos son:

• poliestireno expandido (EPS)
• poliestireno extruido (XPS)

Con respecto al estireno se puede decir que es la molécula de partida del polímero antes mencionado, el estireno (C₈H₈) también conocido como VINILBENCENO etenilbenceno, cinameno o feniletileno. Se utiliza en la fabricación de una amplia gama de polímeros (como el poliestireno) y elastómeros copolímeros, como el caucho de butadieno-estireno o el acrilonitrilo butadieno-estireno (ABS), que se obtienen mediante la copolimerización del estireno con 1,3-butadieno y acrilonitrilo.

El estireno se utiliza ampliamente en la producción de plásticos transparentes y se ve relacionado con la industria alimenticia porque se considera como contaminante de diferentes alimentos, como frutas, hortalizas, nueces, bebidas y carnes. (Chemical Safety Facts, 2010)

DISCUSIONES Y CONCLUSIONES

Como se ha demostrado los compuestos aromáticos tienen una amplia incidencia en la industria alimenticia, sea por estar presentes en la fabricación de múltiples alimentos así como en los procesos de envasado; la identificación de los mismos permite tener una mayor prevención entorno al consumo de alimentos que pueden estar relacionados a compuestos aromáticos tóxicos o persistentes y en lo que respecta a la formación académica del profesional químico de alimentos permite conocer de forma efectiva las múltiples fuentes de contaminación de alimentos lo que en definitiva aporta en el mejoramiento y aseguramiento de la calidad dentro de la industria garantizando alimentos inocuos para el consumo humano, por otra parte es recomendable la socialización tanto de la presencia, utilidad, beneficios y riesgos de los diversos compuestos aromáticos y derivados del benceno con la sociedad misma que se relaciona directamente con el patrón de consumo de los alimentos mencionados en el presente informe investigativo.

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Datos curiosos de la química (Parte IV. 31-35)

31.- IMPRESIONES PARA CIEGOS: Se sabe lo difícil que resulta la producción de papel o cartulina especial y por presión los puntos salientes o en relieve para que las personas con discapacidad para observar puedan leer en Braille, pensado en dicho problema, las industria química de polímeros así como el diseño de materiales y tintas reinventó el sistema contando en la actualidad con la posibilidad de obtener en el proceso de impresión corriente sustituyendo el toner o tinta corriente por una pasta  de cloruro de polivinilo.

32.- EL ÁCIDO BUTÍRICO (CH₃-CH₂-CH₂-COOH), es el responsable del sabor rancio de la mantequilla así como su olor algo desagradable en dicho estado. Este ácido se encuentra en múltiples grasas en pequeñas cantidades, es el resultado de la fermentación de los carbohidratos por los microorganismos del rumen (microorganismos presentes en algunos rumiantes). Su concentración va en aumento cuando la mantequilla se va volviendo rancia lo que le da su olor característico con otros elementos al formar butirina (triglicérido presente en las mantecas, éster formado por el ácido butírico y el glicerol). El ácido butírico fue observado por primera vez en forma impura en 1814 por el químico francés Michel Eugène Chevreul.

33.- LA MIOGLOBINA, es el pigmento responsable de dar color a la carne roja. En

MIOGLOBINA

química la mioglobina es una hemoproteína muscular que en estructura y funcionalidad es parecida a la hemoglobina. Es una proteína relativamente pequeña constituida por una cadena polipeptídica de 153 residuos aminoácidos y por un grupo hemo que contiene  un heteroátomo de hierro, es decir, la carne de un animal más viejo será más oscura por la oxidación del hierro presente en esta proteína y por que con la edad su producción natural decrece. Las mayores concentraciones de mioglobina se encuentran en el músculo esquelético y en el músculo cardíaco, donde se requieren grandes cantidades de O₂ para satisfacer la demanda energética de las contracciones.

La mioglobina fue la primera proteína cuya estructura tridimensional se determinó experimentalmente. En 1958, John Kendrew y sus colegas determinaron la estructura de la mioglobina empleando cristalografía de rayos X de alta resolución. Por este descubrimiento, John Kendrew obtuvo en 1962 el Premio Nobel de Química, compartido con Max Perutz.

 34.- EL TOLUENO, es un importante derivado del benceno, normalmente es usado como disolvente si bien es cierto su nombre IUPAC es el metilbenceno, ¿por qué se llama tolueno? Pues bien el tolueno toma su nombre del árbol Myroxylon balsamum, éste árbol produce como resina el famoso Bálsamo de TOLÚ, del cual Henri Etienne Sainte-Claire Deville lo obtuvo por primera vez en 1844 mediante destilación seca.

 

La resina, tanto en hojas como en frutos, ha sido tradicionalmente usada desde tiempos prehispánicos por la gente de Colombia, Venezuela y América Central para mejorar tos y asma, o tratar heridas. Los aborígenes también usaron esta resina para el embalsamamiento. En la medicina es usado como expectorante, estimulante, antiséptico, sustancia corredora en los jarabes para la tos, combate catarros,gripes laringitis, reumatismo, bronquitis y demás enfermedades respiratorias por ello dicho bálsamo se encuentra registrado en la Farmacopea. Se conoce adicionalmente que se emplea para el tratamiento de enfermedades venéreas, sarna, diarrea, cólera y tuberculosis, actúa como fungicida, antibacterial, cicatrizante, antihelmíntico, antigonorreico y antisifilítico. En el campo alimenticio se emplea como goma de mascar (chicle) y como su saborizante en diversos alimentos y bebidas. En el campo cosmético también es empleado en la síntesis y elaboración de lociones, perfumes, ungüentos, jabones, detergentes y desodorantes. Es causa de dermatitis de contacto, una forma de alergia de la piel, en personas sensibles.

35.- EL HELIO, es menos denso que el aire (unas 7 veces), por lo que ofrece menos resistencia a la vibración. Como resultado las cuerdas vocales vibran con mayor rapidez y las ondas sonoras se desplazan con mayor velocidad ofreciendo unas notas más agudas, dando como resultado que tu voz suena muy graciosa, sin embargo se recomienda cautela, pues puede quedar sin oxígeno suficiente y colapsar por falta del mismo a pesar de no ser tóxico puede resultar peligroso.. ¿cómo se descubrió? Durante un eclipse solar en 1868, el astrónomo francés Pierre Janssen observó una línea espectral amarilla en la luz solar que hasta ese momento era desconocida. Norman Lockyer observó el mismo eclipse y propuso que dicha línea era producida por un nuevo elemento, al cual llamó helio.

Les dejo un video buenisimo! de dicho experimento!!!

 

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Usos y Aplicaciones de los Éteres, Epóxidos y sulfuros en la industria alimenticia

Autores:

Espinoza B. Lesly M. (1)

Jaramillo C. Ana L. (1)

Aguirre F. Alejandro A. (1)

(1) Facultad de Ciencias Químicas-Universidad Central del Ecuador- Química de Alimentos

TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS © Copyright 2018

INTRODUCCIÓN

     Los éteres, epóxidos y sulfuros son tres grandes grupos de compuestos que pueden estudiarse como si se tratara de una  sola familia por sus características físicas  y químicas en común. La característica más notable entre ellos es que sus grupos sustituyentes (R o Ar), se encuentran unidos por un heteroátomo; que en el caso de los éteres y epóxidos se trata del oxígeno, estos últimos los epóxidos, son éteres cíclicos diferenciándose así de los éteres comunes que se presentan como moléculas abiertas, por otro lado los sulfuros del tipo tioéteres presentan como heteroátomo al azufre que une los sustituyentes (R o Ar) entre sí; los sustituyentes R representan radicales alquilo mientras que los Ar representan radicales aromático o arilo (Carey F. , 1997). El presente trabajo de investigación pretende recopilar los usos y aplicaciones de éteres, epóxidos y sulfuros, entorno a la industria alimenticia y agroindustrial con la finalidad de fortalecer el estudio de los éteres, epóxidos y sulfuros temas comprendidos dentro de la primera unidad de la cátedra de Química Orgánica II de la carrera de Química de Alimentos.

DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN

Aplicaciones de los éteres

     Los éteres no forman puentes de hidrógeno por lo tanto sus puntos de ebullición son bajos así lo manifiesta  (Armendaris, 2009), ésta característica permite que los éteres sean utilizados como disolventes de grasas y aceites; adicionalmente los éteres poseen una muy baja reactividad y uno de los usos más populares que se dio a uno de sus representantes más comunes, el éter dietílico , fue dentro de la medicina como anestésico sin embargo en la actualidad se ha determinado que la exposición prolongada puede ser tóxica para el ser humano conllevando a una toxicomanía denominada eteromanía (adicción al consumo de éter). A continuación, presentamos algunas investigaciones recientes para el potencial uso de los éteres en el campo alimenticio.

 

Diseño de emulsiones con éteres de celulosa para reemplazar la grasa en alimentos: estabilidad, estructura y digestión in vitro.

 

     En marzo del 2017 la tesista Berta Pons Vidal para la obtención de su título de Ciencia y tecnología de alimentos de la Universidad Politécnica de Valencia propone como opción para reducir la ingesta calórica que en consecuencia se relaciona directamente con el sobrepeso la reformulación de alimentos en base al diseño de emulsiones capaces de reemplazar la grasa convencional de alimentos de baja digestibilidad lipídica reduciendo así la cantidad de grasas absorbibles por organismo como por ejemplo cremas y mantecas de relleno de galletas entre otros.

Las pruebas desarrollaron emulsiones aceite/agua (O/W) utilizando como emulsionantes  los éteres de celulosa, metilcelulosa e hidroxipropil celulosa, la tesis manifiesta que se analizaron factores como la estabilidad, estructura y digestibilidad in vitro de las soluciones dando como resultado una baja digestibilidad lipídica de las emulsiones diseñadas aperturando la posibilidad de sustituir de esta manera parte de las grasas presentes en diversos alimentos manufacturados así lo menciona (Pons Vidal, 2017 ), para soportar esta información presentamos la reacción de esterificación para la formación de éteres de celulosa véase la ilustración 1.

Ilustración 1 Esterificación de la celulosa en éteres de celulosa, Tomado de: http://www.quimicoshalter.com/eteres-de-celulosa

 

Un estudio experimental de ácidos grasos poliinsaturados, provenientes de R. fruticosus, por éter etílico

 

     Por las mismas propiedades nombradas anteriormente los éteres actúan y son ampliamente utilizados como disolventes para la extracción de aceites, sea por sus puntos de ebullición bajos o por su capacidad baja reactividad; cualquiera sea la razón los éteres se relacionan con la industria alimenticia como medios ideales para la extracción de aceites alimenticios.

(Ortiz, García, & Chávez, 2018) mencionan al estado de Michoacán- México como potencial productor de zarzamora (mora), la producción de este fruto de forma normal no es tan eficiente debido a que es un fruto muy delicado por ende en el proceso de aseguramiento de la calidad se descartan muchos frutos que no cumplen las especificaciones causando pérdidas económicas al sector agroindustrial y de igual forma un desperdicio de alimento. Estos jóvenes proponen recuperar aceites esenciales de la zarzamora mediante extracción de estos por arrastre de vapor usando solventes conocidos como éter etílico y pentano.

Ilustración 2 Zarzamoras (moras) (Rubus fruticosus). Fuente: http://mamiverse.com/es/10-recetas-con-zarzamora-2-63942/

La propuesta pretende aprovechar los residuos de la fruta sometiéndolas a un proceso previo de secado, esta propuesta pretende reducir perdidas económicas en los aspectos de producción de la semilla ya que de esta forma se busca aprovechar la totalidad del fruto incluido aquel que se encuentre en malas condiciones para ser vendido fresco del cual se pretende recuperar aceites esenciales que pueden ser utilizados no solo en el campo alimenticio si no también en la cosmética.

Las semillas se sometieron a extracción lipídica mediante Soxhlet recuperando de esta manera el aceite, se determinó por tanto que la zarzamora es fuente de ácidos grasos presentes en sus semillas del tipo C:18 poliinsaturados como son el ácido linoleico y linolénico, sin embargo considerando la cantidad de agua que presenta el fruto el rendimiento de extracción con éter etílico fue del 15.18% y con pentano del 12.40%; el estudio propone mayor investigación para la determinación de mejores solventes o métodos como el microonda, sin embargo de manera general es una propuesta que busca frenar el desperdicio de recursos en producción que puede acogerse en Ecuador puesto que también es ampliamente un gran productor de moras principalmente en la provincia de Tungurahua que en la actualidad presenta aproximadamente 840 Ha del cultivo, le siguen Cotopaxi con 430 Ha, Pichincha 220 Ha y Azuay con 50 Ha de producción del cotizado fruto de distintas variedades según lo afirma (EL COMERCIO, 2011) de las cuales se podría recuperar los ácidos antes mencionados reduciendo así las perdidas innecesarias de materia prima.

 

Aplicación de la Monensina sódica en la industria alimenticia

Ilustración 3 Charles Pedersen 1967.

Ilustración 4 monensina sódica, en amarillo el ión Na+.  (Carey & Giuliano, 2006)

     La Monensina sódica está clasificada dentro del grupo de los éteres corona, aunque en su estructura tienda a parecerse más a un epóxido. Algunos autores clasifican a este compuesto como un complejo de coordinación cuando ha pasado de Monensina a Monensina sódica. En el campo de los éteres corona se clasifica como un podando así lo menciona (Grupo de polímeros (Polymer Research Group), 2011).

Su descubrimiento se remonta a 1967 de la mano del Nobel de Química, Charles Pedersen, quien entonces siendo empleado de DuPont descubre un método sencillo para sintetizar un éter corona con la esperanza de desarrollar un agente quelante de cationes divalentes como puede ser el Ca²⁺, sin embargo y tras la experimentación quedó sorprendido al aislar un complejo como subproducto fuertemente complejado con iones potasio (K⁺) en 16-corona-4.

Posteriormente y con la finalidad de no trabajar con un elemento tan reactivo en agua como los es el potasio realiza la misma experimentación para la obtención de un derivado con sodio (Na⁺) obteniendo así la monensina de sodio; misma que dispone sus grupos alquilo hacia el exterior de complejo y los oxígenos polares se encuentran hacia el interior en estructura se asemeja a los hidrocarburos, esta estructura le permite llevar al ion sodio a través de la membrana celular para fines médicos veterinarios en la agro industria (Carey & Giuliano, 2006). A continuación, se puede observar en la ilustración 4 la estructura molecular monensina antes y después de formar el complejo.

Mecanismo de acción de la monensina

     La monensina posee un carácter ionóforo poliéter y es producto natural de la fermentación de la bacteria Streptomyces cinnamonensis. Los ionóforos pueden alterar el potencial de membrana mediante la conducción de iones a través de una membrana lipídica en ausencia de un poro proteínico, y por lo tanto tienen propiedades citotóxicas (Pisa Agropecuaria, 2015).

Ilustración 5 Streptomyces cinnamonensis. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Streptomyces

Es una molécula indicada para utilizarse en ganado bovino cárnico y lechero, en caprinos y aves de corral, concretamente pollo de engorda y pavos donde se ha utilizado como coccidiostato. El mecanismo de acción puede describirse en la ilustración 6.

Dicho mecanismo favorece en 2 sentidos según la fuente mencionada:

1. Interfiriendo con procesos celulares en la respiración celular, liquidando de esa manera a microorganismos patógenos.
2.  Fijando los mismos iones que aportan a la nutrición del animal en cuestión.

Ilustración 6 Mecanismo de acción de la Monensina de a través de la membrana plasmática. (Pisa Agropecuaria, 2015)

De esta manera la monensina sódica es empleada como antiparasitario, antibiótico y adicionalmente como medio de fijación de iones alcalinos en la industria ganadera puesto que es un potente aliado para la modificación y manejo de la flora bacteriana rumiante y en el caso de aves de corral actúa como bactericida para el control de coccidiosis.

Ilustración 7 Uso de la monensina sódica como moléculas desarrolladas para combatir la coccidiosis en aves de corral (Pisa Agropecuaria, 2015)

Aplicaciones de los Epóxidos

 

     Los epóxidos al tener una estructura cíclica presentan en su forma cavidades que pueden ser aplicadas en la fabricación de espumas aislantes, la industria alimenticia emplea este tipo de materiales en diversas áreas que van desde el control microbiano hasta el recubrimiento del suelo como se realiza en la industria del pavimento.

 

Adhesivos y recubrimientos con resinas epóxicas

 

     Las resinas epóxicas son unidades polimerizadas de moléculas de epóxidos sintetizadas a partir de la epiclorhidrina y di o polihidroxifenoles, véase la ilustración 8; en la industria y no solo alimenticia suelen ser empleados como adhesivos y recubrimientos del tipo aislante así lo menciona (Blancas M., 2014). Según su aplicación estas sustancias pueden ser abrasivas, materiales de fricción, textil, fundición, filtros, lacas y adherentes.

Ilustración 8 SUP. Presentación de 0.63 y 0.31 Kg de Resina epóxica comercial. INF. Reacción entre la epiclorhidrina y Bisfenol A, para la obtención de la masa epóxica bis fenólica.

Su naturaleza inerte similar a los policarbonatos lo hace un gran aliado de la industria alimenticia puesto que garantiza inocuidad, es empleada como aislante en zonas frigoríficas optimizando de esta manera las temperaturas y la compartición de calor con el medio ambiente, aunque su uso es más difundido en la industria de la construcción se emplea para el recubrimiento de pavimentos esta opción también es aprovechada en las fabricas de alimentos porque su presencia mejora los ambientes de manufacturación ya que inhibe el aparecimiento humedad desde el suelo sin embargo su principal beneficio radica en la fuerza que es capaz de soportar igual o aproximadamente de 65 N por esta razón es que se emplea en el recubrimiento de los suelos industriales debido al constante desgaste ocasionado por efecto humano y maquinaria de transporte interno.

Epóxido de etileno (ETO) como agente esterilizador en la agroindustria.

     Como se expresó anteriormente otro de los potenciales usos de los epóxidos es como bactericida por su capacidad oxidativa. El epóxido de etileno (ETO) dentro de la industria alimenticia tiene como función la esterilización puesto que tiene la capacidad de lisar casi a la mayoría de microorganismos incluyendo esporas y virus; estos esterilizantes se pueden presentar como gases comprimidos en cilindros o cámaras que mediante sofisticados sistemas de difusión son conducidos por cañerías hasta verdaderas estancias cerradas en donde se esterilizan diversos materiales empleados en el sector agroindustrial, como por ejemplo gavetas y canastillas usadas en el sector avícola para el transporte de pollos, en estas puede proliferar una gran cantidad de microorganismos por estar al contacto de sangre, heces fecales y demás restos biológicos (Puello Cabarca, 2016).

Ilustración 9 Cámara de esterilización.

Mecanismo de acción del ETO.

     Phillips, en 1977, sugirió que la actividad microbicida de ETO se debe a la capacidad de alquilación de grupos sulfhídricos, amino, carboxílicos, fenoles e hidroxilos de las esporas o células vegetativas. La alquilación es el reemplazo de un átomo de hidrógeno por uno de un grupo alquilo. En la ilustración 10 se puede observar la alquilación de una célula viva con óxido de etileno, esta sustitución puede causar lesión y/o muerte en una bacteria o espora así lo menciona (ESTÉRICAL, SN).

Ilustración 10 SUP. Alquilación de una célula viva mediante ETO. INF. Salmonella senftenberg

Existe evidencia experimental que indica que la reacción de ETO con ácidos nucleicos es la principal causa de su actividad bactericida y esporicida. La alquilación del trifosfato de guanosina de ADN en Salmonella senftenberg realizada por Michael y Stumbo en 1970 causó que las células perdieran el poder de reproducción (ESTÉRICAL, SN).

Estudios acerca de la resistencia de bacterias y esporas a la actividad bactericida y esporicida del óxido de etileno muestran que la espora de Bacillus subtilis var. niger presenta una resistencia más alta la exposición de ETO que las esporas de Clostridium sporogenes, Bacillus stearothermophilus o B. Pumilus.

 

Producción de epóxido de soya con ácido peracético generado in situ mediante catálisis homogénea.

 

     En la actualidad en relación con los epóxidos existen diversos estudios que proponen extraer epóxidos de ciertas semillas que contienen estas sustancias para el uso industrial, no precisamente en el campo alimenticio, pero sí a partir de él. Por ejemplo, la producción de epóxidos provenientes de la soya común con ácido peracético generado in situ mediante procesos de catálisis homogénea (Boyacá, 2010).

Los epóxidos obtenidos a partir de estos aceites se utilizan ampliamente como plastificantes y estabilizantes del PVC y como materia prima en la síntesis de polioles para la industria del poliuretano.

Ilustración 11 Reacción de epoxidación de aceite de soya.

Heptacloro y Epóxido de heptacloro en alimentos

 

     El heptacloro es una sustancia química manufacturada usada en el pasado para matar insectos en el hogar, en edificios y en cosechas de alimentos. Desde el año 1988 no se usa para estos propósitos. No existen fuentes naturales de heptacloro o de epóxido de heptacloro. Algunas marcas registradas del heptacloro son: Heptagran®, Heptamul®, Heptagranox®, Hepatmak®, Basaklor®, Drinox®, Soleptax®, Gold Crest H-60®, Termide® y Velsicol 104®.

El epóxido de heptacloro también es un polvo blanco que no se inflama fácilmente. No es una sustancia manufacturada y, a diferencia del heptacloro, no se usó como plaguicida. Las bacterias y los animales degradan al heptacloro a epóxido de heptacloro. Este resumen describe a los dos compuestos simultáneamente ya que aproximadamente un 20% del heptacloro es transformado a epóxido de heptacloro en el ambiente y en el cuerpo en unas horas.

Usted puede encontrar heptacloro o epóxido de heptacloro en el suelo o en el aire de viviendas tratadas para controlar termitas, disuelto en agua de superficie o subterránea o en el aire cerca de sitios de desechos peligrosos. También se puede encontrar heptacloro o epóxido de heptacloro en plantas y animales cerca de sitios de desechos peligrosos. El heptacloro ya no puede ser usado para matar insectos en cosechas o en viviendas y edificios. Sin embargo, la EPA aun permite el uso del heptacloro para matar hormigas en transformadores bajo tierra, aunque no está claro si aún se usa con este propósito en Estados Unidos.

Son por tanto sustancias altamente peligrosas para el ser humano catalogados así según la Agencia de Protección del Medio Ambiente de EE. UU., misma que ha identificado a industrias manufactureras florícolas, agroindustriales y agrícolas como principales sitios de exposición a los mismos. Sostiene que la exposición prolongada, inhalación y consumo en alimentos y bebidas, así como el contacto con la piel puede provocar enfermedades como cáncer, daños en el sistema nervioso factor tumorante entre otras.

De forma adicional se ha determinado que estas sustancias pueden afectar al sector ganadero por las mismas causas expuestas debido a que los animales pueden desarrollar diversas enfermedades ocasionando enormes pérdidas al sector.

Lastimosamente no hay ninguna información acerca de los niveles de heptacloro y epóxido de heptacloro que ocurren comúnmente en el aire. En un estudio, los niveles de heptacloro en el agua potable y el agua subterránea en Estados Unidos oscilaron entre 20 y 800 partes de heptacloro en un trillón de partes de agua (ppt) así lo manifiesta (Agency for Toxic Substances and Disease Registry, 2016). También se han determinado contaminaciones en lechos y riveras de ríos y arroyos de uso agrario y de consumo humano.

Ilustración 12 Heptacloro y Epóxido de heptacloro.

Aplicaciones de compuestos sulfurados (Tioéteres)

Compuestos azufrados volátiles en vino

 

     El vino es una de las bebidas alcohólicas de mayor distribución en el mundo, el mismo suele presentarse como vino tinto y blanco. Los compuestos sulfurados tienen un papel sumamente importante en las industrias vinícolas siempre y cuando sean ligeros y no se trate del DMS (dimetil sulfuro) ya que éste último es un indicador de mal sabor, es un compuesto tóxico y eliminarlo es el propósito de las vinícolas (Armas, Bolaños , & et all, 2015).

Como factor organoléptico puede entenderse como un vector de defecto que al superar el umbral de la detección olfativa confieren notas olfativas agradables al ser humano, hasta la fecha se ha determinado más de 100 compuestos sulfurados de los cuales los tioles y mercaptanos son los más apestosos.

En torno al costo que ciertos vinos pueden alcanzarse puede decir que el factor costo se ve claramente relacionado con el tipo de tratamiento que se dé a los sulfuros provenientes del viñedo y en especial con respecto al origen del sulfuro de hidrógeno en los mismos.

El origen puede ser natural o tradicional cuando procede de cepas de levaduras que pueden ser del tipo Advantage, Platinum Distinction o de origen laboratorial que abarata costos a la industria vinícola, pero puede afectar al producto por poseer trazas e impurezas generadas en la síntesis. Estos tratamientos pueden hacer que un vino tenga costos elevadísimos por su calidad artesanal, las levaduras forman dicho compuesto a través de procesos metabólicos que transforman compuestos inorgánicos como sulfatos y sulfitos e incluso orgánicos como la cisteína y el glutatión de la uva así lo manifiesta (Armas, Bolaños , & et all, 2015).

Ilustración 13 Sulfuros como el DMS pueden afectar el sabor del vino.

Mercaptanos y dimetil sulfuro como indicadores de GLP (gas licuado de petróleo)

 

     El dimetil sulfuro (70%) y el tercburtilmercaptano (30%), son industrialmente utilizados como odorizantes del Gas Licuado de Petróleo o GLP, que no es más que el gas de uso doméstico el mismo que al carecer de olor de forma natural debido a su peligrosidad requiere ser olorizado con estas sustancias para alcanzar un olor fuerte como indicador de fuga. Las industrias alimenticias de forma indirecta en ciertos procesos de cocción aún utilizan el GLP como combustible puesto que diversos detectores de fugas de gas responden a estímulos de vectores organolépticos de olor producido por el VIGILEAK 7030 que es el nombrecomercial de la mezcla antes mencionada (Esteves, 2015).

Ilustración 14 GPL odorizado con mercaptanos y sulfuros. (vigileak 7030). (Esteves, 2015)

Con respecto a los mercaptanos se puede decir que sus potentes olores se encuentran presentes como bases de olores desagradables tales como la carne podrida, heces fecales, la orina de animales como el zorrillo, este último factor requiere ser eliminado en la industria de la perfumería, también pueden ser los causantes del mal olor en la boca (halitosis), también se encuentran en productos naturales como ajo, cebolla o semillas de mostaza.

Sulfuros de origen fitoquímico y sus fuentes

 

     Algunos compuestos sulfurados se pueden encontrar de forma natural en ciertos alimentos que presentan olores fuertes, a este tipo de compuestos se les denomina organo sulfurandos y su principal representante es el alilsulfuro por su potente olor así lo afirma (Palencia Mendoza, SN) quien menciona que vegetales del superorden Liliflorae dentro de la familia Alliaceaes que contienen al género Allium cuyos principales representantes son el ajo, cebollas, puerro y cebollín, cabe mencionar que de ellos el ajo y las crucíferas presentan grandes cantidades de sulfuros.

La autora menciona que la incidencia e importancia de estos compuestos tienen la acción de bloquear y suprimir la carcinogénesis, alteran lípidos séricos y la agregación plaquetaria (cicatrizantes). En algunos estudios de puerro, ajo y cebollas o suplementos de ajo, no se observaron efectos sobre el cáncer de mama o pulmón en humanos. En otros se sugiere que el grupo de vegetales Allium puede inducir pemphigus (Palencia Mendoza, SN).

Muchos organosulfurados se han considerado como aditivos alimentarios reconocidos como seguros (GRAS, siglas en inglés), entre ellos: el alil isotiocianato, alil mercaptano, bencil disulfuro, bencil mercaptano, bencil sulfuro, butil sulfuro, dialil disulfuro, dialil sulfuro, dimetil mercaptano, furfuril mercaptano, metil mercaptano, metil 2- metiltiopropionato, propil disulfuro, 2-tienil mercaptano, 2- tieniltiol.

Ilustración 15 Dialil disulfuro presente en ajo y cebollas.

La autora afirma que se demostró la importancia de los grupos alilo en oposición a los grupos propil saturados para los efectos de los compuestos organosulfurados sobre la carcinogénesis en el consumo de alimentos que los contenían. Varios compuestos organosulfurados fueron examinados por su capacidad de inhibir la carcinogésis inducida por nitrosodietilamina, y el más potente fue el dialil-disulfuro el cual redujo los tumores de estómago hasta un 90%. El dialil disulfuro dietético también disminuyó el número de adenocarcinomas de colon inducidos por azoximetano en ratas. Parece ser que los compuestos que tienen el grupo alilo son más efectivos en la quimio-prevención del cáncer que los que no presentan este grupo (Palencia Mendoza, SN).

 

DISCUSIONES Y CONCLUSIONES

 

     El presente informe de investigación ha abarcado desde un eje aplicativo la importancia de la presencia de los éteres, epóxidos y sulfuros que se relacionan con la industria alimenticia y sus derivados. Se ha identificado que pueden estos compuestos relacionarse de forma directa al encontrarse intrínsecamente en los alimentos como es el caso de sulfuros en vinos y cebollas, o a su vez que pueden estar relacionados desde otros ámbitos industriales como lo es el uso de plaguicidas, como el caso del éter de heptacloro causante de múltiples enfermedades y de tipo carcinogénico; por otro lado, se ha mencionado el potencial uso del dialil disulfuro como agente anticancerígeno. Sin duda el conocimiento de este tipo de compuestos aperturan la comprensión de estos en el sector alimenticio y agroindustrial puesto que se encuentran en gran parte de los procesos de control y aseguramiento de la calidad

 

REFERENCIAS

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Usos y Aplicaciones de los Éteres, Epóxidos y sulfuros.

ÉTERES Y EPÓXIDOS

Definición: Los éteres son el producto de la unión de dos radicales alquílicos o aromáticos a través de un puente de oxígeno -O-; es decir de manera general y según menciona (Ardila, 2013) los éteres son compuestos que tienen un átomo de oxígeno unidos a dos radicales hidrocarbonados. La mayoría de los éteres son líquidos volátiles, ligeros e inflamables, solubles en alcoholes debido a tener una gran similitud en su estructura; son compuestos inertes y estables desde el punto de vista químico. Por sus radicales pueden clasificarse como:

• Alifáticos: R-O-R, siendo ambos R radicales alquílicos.
• Aromáticos: Ar-O-Ar´, siendo Ar y Ar´ radicales arílicos.
• Mixtos: R-O-Ar, posee en uno de sus extremos un radical alquílico y en otro un radical arílico.

Adicionalmente y dependiendo de sus radicales, el éter puede ser considerado simétrico si dichos radicales con iguales o asimétrico si sus radicales son distintos; en la Ilustración 1 podrá identificar algunos ejemplos de éteres.

Ilustración 1 Ejemplos de éteres. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Nomenclatura_de_funciones_org%C3%A1nicas_con_ox%C3%ADgeno

 

Son múltiples las aplicaciones que pueden tener los éteres la más utilizada es como solventes orgánicos de aceites y grasas; así como analgésicos. El presente trabajo de investigación profundiza las diversas aplicaciones y usos de los Éteres.

Usos y Aplicaciones Industriales de los Éteres

• Disolventes industriales: (Armas, Bolaños , & et all, 2015) mencionan que los éteres son sustancias capaz de disolver gran cantidad de sustancias polares y no polares esto se debe a que poseen puntos de ebullición muy bajos lo que otorga cierta facilidad la separación de productos mediante evaporación. Por las características que presenta tanto en sus propiedades químicas como físicas, es empleado principalmente como disolventes para la fabricación de polímeros de celulosa, sin embargo existe cierto nivel de peligrosidad principalmente con el dietil éter por ser inflamables, motivo que ha llevado a las industrias a buscar nuevos disolventes. Los éteres como disolventes son empleados en la síntesis de reactivos de Grignard. Adicionalmente en la industria de acabados y maderas los éteres son empleados como disolventes y catalizadores de resinas y ceras.

 

• Medio para condensar: uno de los usos más difundidos según (Ardila, 2013) es la utilización de éteres para concentrar ácido acético y otros ácidos, principalmente en procesos químicos que requieren ácido acético en altos niveles de pureza y no precisamente para consumo humano. La utilidad radica en que aumenta la concentración de cualquier sustancia ácida por condensación.

Ilustración 3 Condensación de sustancias (ácidos) en éter.

• Medio de arrastre: para la deshidratación de alcoholes etílicos e isopropílicos. Ya que interactúa con el Hidrógeno del radical hidroxilo, permitiendo su deshidratación. Desde otra perspectiva de arrastres, los éteres son ampliamente usados como medios de arrastre para la extracción de principios activos de plantas y animales(Armas, Bolaños , & et all, 2015), debido a su fácil eliminación como muestra la ilustración 4.

  

  Ilustración 4. Equipo de extracción Soxhlet

• Hacia el año 1842, fueron usados como los primeros analgésicos principalmente el éter di etílico, aunque en la actualidad ha sido sustituido por hidrocarburos fluorados que presentan menos riesgos de exposición.(Armas, Bolaños , & et all, 2015)

 

• Polímeros diversos: los éteres presentan alta resistencia a altas temperaturas pese a que sus puntos de ebullición tienden a ser bajos (Wade, 2004). Esta característica permite que sean retardadores de llama, sin comprometer su fuerza que en términos generales permite que sea utilizado como un retardante de llama. Su estabilidad a la hidrólisis permite su uso en aplicaciones médicas que requieren autoclave así como en procesos que comprenden manipulación de microorganismos autoclavables o mecanismos que incluyan arrastre de vapor, lo que en definitiva los hace claves para la formación de polímeros.

Sus principales representantes son las poliétersulfonas o PES, representadas en la ilustración 5. Este tipo de polímeros son utilizados como termoplásticos donde el producto más popular es el Udel fabricado por la corporación Union Carbide, este se comporta como los policarbonatos siendo muy resistible y estable en altas temperaturas. El uso más frecuente de este tipo de polímeros es la fabricación de émbolos y filtros de jeringa. Según mencionan (Armas, Bolaños, & et all, 2015) este tipo de polímeros presentan una subunidad aril –SO2-arilo lo que identifica como tal una sulfona. Sin embargo su alto costo hace que tengan usos especializados normalmente para reemplazo superior de policarbonatos, recubrimientos e insumos médicos.

Ilustración 5 En la parte sup. Estructura del polímero poli éter sulfona. En la zona Inf. Se aprecia filtros de jeringa elaborados con dicho polímero. Fuente: (Interempresas, 2012)

Finalmente cabe mencionar con respecto a las poliétersulfonas que son capaces de formar en conjunto verdaderas membranas que industria son reproducibles y controlables con pequeños poros de hasta 40 nanómetros. Se usan para conducir flujos de sustancias en hemodiálisis, recuperación de aguas residuales, procesamiento de alimentos, bebidas y separación de gases; ya que soportan grandes presiones sin gran deformación en sus poros.

Ilustración 6 Recubrimiento de un frente de camión con resina de poliéter fenólico y fibra de vidrio. Fuente: (Mariano N., 2011)

• Poliéteres fenólicos: al igual que los anteriores, estos polioxifenólicos, familia de los éteres; son plásticos resistentes a altas temperaturas con la particularidad de ser muy buenos aislantes térmicos y eléctricos por lo que son muy utilizados en planchas de diversos electrodomésticos y automóviles como muestra la ilustración 6.
• Éter fenílico: este compuesto presenta alto punto de ebullición a diferencia de otros éteres y no deja de ser estable. Esta característica hace que sea usado como calefactor de fluidos o líquido calefactor en diversas industrias como sustituyente de vapor de agua a presión, principalmente en aquellas donde el vapor de agua puede presentar un riesgo si reacciona con otras sustancias como es el caso de la fabricación de ácidos a escala industrial; dicho de manera simple, cumple la función opuesta a la de un refrigerante, es decir, es un anticongelante. (Armas, Bolaños, & et all, 2015). Se recomienda su almacenamiento en frascos o contenedores plásticos  por evitar su deterioro por la fricción, vibraciones y golpes.

Según (Vollhardt, 1994) el tetrahidrofurano o THF por sus siglas es un compuesto orgánico heterocíclico, se presenta como un líquido transparente de baja viscosidad, presenta un olor característico parecido al de dietil éter. Se clasifica como éter siendo uno de los más polares de su grupo. El THF es un solvente dipolar aprótico protofílico (capaz de aceptar protones, dados los pares de electrones no compartidos del átomo de oxígeno que le dan características de base de Lewis), con una constante dieléctrica de 7,6 (a 25 °C). El THF es el análogo completamente hidrogenado del compuesto aromático furano.

                   8.1 APLICACIONES Y USOS

• Solvente de polaridad de carácter aprótico.
• Sustituyente del dietil éter cuando se requiere incrementar puntos de ebullición.
• Usado en procesos de hidroboración de alquenos.

Ilustración 7 INF. Una representación 3D del THF, SUP. Se muestra el THF comercial como pegamento de tubos PVC. Fuente: (Pérez, 2011)

• Disolvente para reactivos de Grignard.
• Disolvente del caucho por lo cual es importante en la industria de polímeros.
• Disolvente de resinas, plásticos en tintes, pinturas, barnices, pegamentos, recubrimientos.
• En la industria de alimentos es utilizado en la fabricación de envases.

Ilustración 8 Éter metil ter butílico en gasolinas producidas por Petropar (Paraguay). Fuente: (Grupo AJ Viersi, 2014)

• Éter Metil terc Butílico: muy toxico para los seres humanos y otros seres vivos, sin embargo tiene un poderoso uso industrial mezclándose con isobutileno y metanol desde los años 80`s se ha usado como aditivo sintético para incrementar o mejorar el octanaje de la gasolina sin plomo(Grupo AJ Viersi, 2014).
• Éter Corona: Son los compuestos orgánicos que tienen varios éteres en su estructura y forman un ciclo. Los éteres corona imitan el comportamiento de las enzimas; estos reconocen los iones alcalinos dependiendo del tamaño de su cavidad oxigenada, que atrae la carga positiva del metal. Esto implica que funciona como un catalizador; hace posible algunas reacciones, e incrementa el rendimiento de otros. Son catalizadores de transferencia de fase. Se usan para transferir compuestos iónicos a una fase orgánica o de una fase orgánica a una fase acuosa, Este éter puede usarse para anestesiar garrapatas antes de eliminarlas de un cuerpo animal o humano. La anestesia relaja a la garrapata y evita que mantenga su boca debajo de la piel. (Daiza, 2016)

Ilustración 9 CALCIMICINA usada para enfermedades parasitarias en ganado vacuno. Fuente: (Aguirre, 2018)

Uso de epóxidos en la industria de los alimentos

La mayoría de las sustancias antimicrobianas en los alimentos tienen un efecto más inhibidor que letal, hay excepciones con los óxidos de etileno y propileno. Los epóxidos son ésteres cíclicos reactivos que destruyen todas las formas de microorganismo, incluyendo esporas y virus, es decir, son esterilizantes químicos usados en alimentos de baja humedad y en los materiales de envasado aséptico, para lograr el contacto directo con los microorganismo son utilizados en estado de vapor; después de una exposición adecuada, el epóxido residual no reaccionante se elimina por medio de una corriente de aire (Puello Cabarca, 2016)

• Resinas epoxídicas; La polimerización de un epóxido con un dialcohol o difenol produce un poli éter. Las resinas epoxis utilizados en la industria se obtienen por polimerización de la epiclorhidrina en el bisfenol en medio básico. El grado de polimerización (n) depende de la relación epiclorhidrina /bisfenol (con un exceso de epiclorhidrina n aumenta). Con la reacción propuesta en la ilustración 10, se obtiene prepolímeros de PM no muy alto (líquidos viscosos o sólidos) que tienen grupos epoxi terminales y grupos OH en la cadena. Los polímeros se convierten en resinas duras mediante el “curado”. El curado consiste en la polimerización cruzada mediante reactivos bio trifuncionales, llamados endurecedores, que al reaccionar con los grupos epoxi terminales y con los grupos –OH interiores forman puentes entre las cadenas. De este modo se producen, al azar, redes macromoleculares tridimensionales muy resistentes. Los reactivos o endurecedores más utilizados son Dietilentriamina (DETA), Trietilentetraamina (TETA), Anhídrido ftálico.

Ilustración 10  polímeros epóxidos.

Las resinas epoxi tienen propiedades técnicas muy valiosas: resistencia química, térmica y mecánica y son buenos aislantes eléctricos. Se utilizan para lacas y esmaltes, para recubrimiento de metales y de pisos de laboratorio y fábricas químicas; por colada, se fabrican piezas eléctricas, y algunas compañías las utilizan, con rellenos de sílice, en sustitución de la porcelana para los aisladores de líneas eléctricas; también se usan para fabricar láminas para circuitos impresos y placas reforzadas con fibras de vidrio. Además, son el adhesivo más eficaz para cerámica, vidrio, metales,etc. (Araldit) y por ello se usan en la construcción y en pequeños dosificadores, en el hogar; en general, el prepolímero y el endurecedor se venden separados y se mezclan en el momento de su aplicación. Es un producto caro y su uso se limita a casos de especial exigencia. Algunas Industrias utilizan tetrabromo-bisfenol como copolímero para obtener resinas epoxi resistentes al fuego. (Yúfera, 1996)

• Los alcoholes alílicos se convierten en epóxidos por oxidación con hidroperóxido de terc butilo en presencia de ciertos metales de transición. El aspecto más importante de esta reacción, que se llama epoxidación de Sharpless, es su alta enantioselectividad cuando se hace usando una combinación de hidroperóxido de ter-butilo, isopropóxido de titanio(IV) y tartrato de dietilo. La epoxidación Sharpless se ha adaptado para la preparación, en gran escala, de la hormona sexual (+)-disparlure, que se usa para controlar infestaciones de polilla, y de (R)-glicidol, intermediario en la síntesis de fármacos con actividad cardiovascular, llamados beta-bloqueadores. (Carey, 1997)

 

• En la actualidad en relación con los epóxidos existen diversos estudios que proponen extraer epóxidos de ciertas semillas que contienen estas sustancias para el uso industrial, no precisamente en el campo alimenticio. Por ejemplo la producción de epóxidos provenientes de la soya común con ácido per acético generado in situ mediante procesos de catálisis homogénea. Esta investigación indexada publicada en 2010 propone el uso de aceites vegetales que se ha convertido en una excelente alternativa para la sustitución de productos de origen petroquímico. Los epóxidos obtenidos a partir de estos aceites se utilizan ampliamente como plastificantes y estabilizantes del PVC y como materia prima en la síntesis de polioles para la industria del poliuretano. Este trabajo presenta la obtención del epóxido de soya utilizando un catalizador homogéneo en un reactor agitado mecánicamente, a condiciones isotérmicas. Se obtiene como mejor resultado un contenido máximo de oxígeno oxirano de 6,4 %, usando concentraciones de peróxido de hidrógeno (25%de exceso molar), ácido acético (5% p/p) y ácido sulfúrico (2% p/p) a 80°C.(Boyacá & Beltrán, 2010)

Ilustración 11 Epóxidos recuperados de la soya. Imagen tomada de (Boyacá & Beltrán, 2010)

Aplicaciones industriales de compuestos sulfurados (Tioéteres)

Ilustración 12 Composición química del vino. Fuente: (DeVinoenVino, 2016)

• Adsorción de azufrados del petróleo utilizando nanopartículas de oro soportadas en fique: de manera general se sabe que el petróleo presenta rachas de azufre presentado en diversas estructuras dado su polimorfismo que representa un 0% a 2% de su composición total en peso, sin embargo su presencia causa verdaderos problemas en las refinerías por lo que se requiere sean retirados previamente a la refinación petrolera para cumplir con los estándares ambientales requeridos (Armas, Bolaños , & et all, 2015). Los Mercaptanos (H-SR), sulfuros (R-S-R) y polisulfuros (R-S-S-R) son capaces de eliminar rachas de azufre presentes en el petróleo, y su estabilidad permite extraerlos fácilmente por fraccionamiento he hidrotratamiento.

 

• Compuestos azufrados volátiles en vino: estos compuestos azufrados tienen un papel importante en la industria vinícola, debido a que son quienes le dan aroma característico a la sustancia, siempre y cuando sean ligeros por eso se exceptúa el DMS por su nivel tóxico, éstos son simplemente vectores de defectos organolépticos que al superar el umbral de la detección olfativa

Ilustración 13 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0963996917308864

• confieren notas olfativas agradables al ser humano. (Armas, Bolaños , & et all, 2015). En la ilustración 12 se puede apreciar la composición del vino donde efectivamente se demuestra la existencia de azufre en el vino cuya utilidad es dar su particular aroma, especial los tioles varietales ya que aportan al frescor del vino al contrario el DMS es indicador de mal sabor y reducirlo es el propósito de las vinícolas. Y entornos al costo elevado de vinos sofisticados puede deberse al tratamiento de H₂S que se le dé, porque dicho sulfuro de hidrógeno puede tener dos orígenes uno sintetizado en laboratorio no recomendado para vinícolas por costos en comparación a una forma más tradicional de obtención de sulfuro de hidrógeno que es por medio de cepas de levaduras Advantage, Platinum Distinction; mismas que hacen del vino un producto más artesanal y fino; aunque no precisamente más barato; las levaduras forman dicho compuesto a través de procesos metabólicos que transforman compuestos inorgánicos como sulfatos y sulfitos e incluso orgánicos como la cisteína y el glutatión de la uva.(Armas, Bolaños , & et all, 2015)

Referencias Bibliográficas

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Boyacá, L. A., & Beltrán, Á. A. (2010). Producción de epóxido de soya con ácido peracético generado in situmediante catálisis homogénea. INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN VOL. 30 No. , 136-140.

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Generación de Hidrógeno a partir de residuos de Banano

Objetivo General.-

Generar fuentes ilimitadas de energía, dando valor agregado a nuestros recursos naturales, a partir de la biomasa proveniente de los residuos del banano.

Objetivos Específicos.-

-Evaluar la actividad del hidrógeno y sus efectos en la naturaleza.

-Caracterizar los residuos de banano evaluando su composición nutricional.

RESUMEN

Las bananas son una fuente importante de ingresos para más de cien países. Pero por cada tonelada que se cosecha, se producen diez toneladas de desperdicios. Una investigación de la Universidad de Cuenca en Ecuador busca crear hidrógeno a partir de los residuos de la fruta.

El proyecto consiste en optimizar la biomasa proveniente de los residuos de las plantas de banano sometiéndolos en agua a una temperatura súper crítica, es decir a temperaturas mayores a los 374 grados Celsius y a una presión mayor a los 22,1 mega pascales y luego estos residuos pasan a través de un catalizador que permitirá gasificar el hidrógeno. La importancia del hidrógeno radica en la versatilidad de este elemento como medio de almacenamiento y transporte de energía.

La obtención de hidrógeno significa la generación del producto energético del futuro, que reemplazará los combustibles provenientes del contaminante petróleo responsable del cambio climático y el calentamiento global. Generar fuentes ilimitadas de energía, dando valor agregado a los recursos naturales, es un gran aporte para el cambio de la matriz productiva de cualquier país.

No es la primera vez que investigadores desarrollan técnicas para obtener combustible a partir de los residuos de banano, por ejemplo investigadores ingleses proponen usarlo como sustituto de la madera. Un grupo de agricultores frutícolas de Australia busca convertir los residuos de banano en electricidad o combustible. Alex Livingstone, gerente de Growcom, entidad desarrolladora del proyecto, señala que “si el producto es ampliamente comercializado, éste podría reducir los costos de operación y beneficiar a los países productores de banano en vía de desarrollo.”

Estructura y características del hidrógeno:

El hidrógeno es la forma más simple de un átomo y se cree que el más abundante, ya desde los primeros momentos después del Big Bang. Descubierto en el año 1766, por el físico-químico británico Henry Cavendish, fue nombrado a partir del griego Hydro (agua) y Gen (generador), pues como todos sabemos, al combinarse con oxígeno forman agua. Se trata de un elemento químico incoloro, inodoro, de tipo gaseoso y no metálico, además, su masa atómica es tan ligera (1,00797) que no existe ningún otro elemento químico más liviano que el hidrógeno.

Además de representar las tres cuartas partes de la materia del universo, se estima que el hidrógeno reŕesenta más del 90% de los átomos de nuestro planeta. El hidrógeno juega un papel fundamental en la alimentación del universo, tanto a través de la reacción protón-protón como en el ciclo carbono-nitrógeno. En los procesos de fusión de hidrógeno estelar, se liberan cantidades masivas de energía a través de la combinación del hidrógeno para formar helio.

Júpiter, al igual que muchos otros planetas gaseosos de gran tamaño, están compuestos mayoritaria y especialmente por hidrógeno. A una profundidad determinada, en el interior del planeta, la presión es tan grande que el hidrógeno molecular sólido se convierte en hidrógeno metálico sólido. Aunque el hidrógeno en estado puro es un gas sumamente liviano, hay un poco de éste en la atmósfera, éste es tan ligero que si no se combina, alcanza en sus colisiones las velocidades suficientes como para ser expulsadas de la atmósfera fácilmente.

Las estrellas, al nacer, se componen de hidrógeno en forma de plasma , pero éste es muy escaso en nuestro planeta. Aquí en la Tierra, el hidrógeno es producido principalmente a partir de la combinación de oxígeno en el agua, aunque también puede estar presente en distintos tipos de materia orgánica, como en plantas, petróleo y carbón.

Otros datos:

• Número atómico: 1
• Peso atómico: 1,00794
• Símbolo atómico: H
• Punto de fusión:-259,34° C
• Punto de ebullición: -252,87° C

 

PROPIEDADES DEL PLÁTANO

• El plátano contiene hidratos de carbono saludables, fáciles de digerir y es nulo el contenido de grasas.
• Es muy energético y está lleno de nutrientes que calman y levantan el ánimo.
• Los plátanos reducen la fatiga y el síndrome pre-mensual.
• Alivian la irritabilidad, reduce la depresión y fomenta el sueño.
• Protege contra la hipertensión arterial y la retención de líquido.
• Ayuda en caso de diarrea en que se haya perdido potasio.
• Tiene un alto contenido de triptófano, aminoácido que el organismo transforma en serotonina, neurotransmisor que mejora el estado de ánimo y estimula la relajación. (licata, 2012)

COMPONENTES DEL PLÁTANO

Como fuente nutricional el plátano aporta de la siguiente manera:

FUNCIÓN DEL HIDRÓGENO EN EL PLÁTANO

El hidrógeno es un elemento esencial para la fertilidad de suelos y nutrición mineral del cultivo de banano.

HIDRÓGENO. Componente de carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.  El hidrógeno (H) principalmente forma parte de la composición del agua. El agua es un componente imprescindible en la reacción química de la fotosíntesis. Constituye también el medio necesario para que se puedan disolver los elementos químicos del suelo que  las plantas deben utilizar para construir sus tejidos.  El hidrógeno, a través de los llamados puentes de hidrógeno, sirve también para unir las distintas fibras (celulosa) de la pared celular.

La producción de un sistema agrícola, en este caso específico sobre el cultivo del banano, depende de la interacción intrínseca de tres componentes: suelo-planta-clima. En vista que el suelo es un factor importante en la producción del cultivo, merece toda la atención de nuestra parte para conocer a fondo y en forma detallada el estado de su fertilidad, es decir la disponibilidad promedio que presenta para cada uno de los nutrientes esenciales que el cultivo requiere

OBTENCIÓN DEL HIDRÓGENO A PARTIR DE BIOMASA DE LOS RESIDUOS DE PLÁTANO

El proceso consiste en tomar bananos dañados o sus tallos y romper los hidratos de carbono en ausencia de aire, produciendo una mezcla de metano y dióxido de carbono. El biogás obtenido del proceso, resultó ser un sustituto adecuado para el combustible diesel en motores de combustión, con 40% de metano y pequeñas cantidades de sulfuro de hidrógeno y otros contaminantes. Growcom se dio a la tarea de aplicar estos resultados en la granja de una manera práctica y funcional a través de un digestor, procurando el uso de materiales bastante fáciles de obtener, y sin ningún tipo de control científico en su funcionamiento.

Resulta importante que el sistema opere en un entorno agrícola, por lo que se construyó un digestor, se colocó materia prima en él, y se produjo metano; el metano a su vez es utilizado para alimentar un generador bastante considerable y también para alimentar algunos vehículos.

El producto era un digestor anaeróbico de 460.000 litros con la capacidad para procesar 2.500 toneladas de banano por año, produciendo 85.000 metros cúbicos de metano. Growcom estima que con este nivel de producción de biogás, se podría generar continuamente 35kw de poder o satisfacer las necesidades de combustible de 100 vehículos convertidos a gas.

Livngstone comenta que “los beneficios son altos para el desarrollo de las naciones, ya que la tecnología también reduce los gases de efecto invernadero, normalmente, la materia prima se lanza de nuevo en el campo y se deja descomponer, así que esto reduciría los gases de efecto invernadero y permitiría ahorro de energía. También se puede usar el agua del digestor para fertilizar, obteniendo los nutrientes de vuelta en el suelo, pero de una manera muy controlada”. Esta nueva técnica para el manejo de residuos, puede ser una idea de negocio para muchos empresarios productores y exportadores de banano. El disponer de opciones para la producción que relacionen la disminución de costos con manejo de residuos, sin duda contribuye con la percepción que puede tener la demanda internacional de los productos. Por lo anterior, el empresario debe estar siempre a la vanguardia de los procesos tecnológicos que contribuyen con las mejoras en sus procesos productivos y energéticos, más aún si estos son para la generación de combustibles amigables con al ambiente.

La industria bananera nacional produce un significativo volumen de biomasa como desecho, generada a partir del banano que no cumple los requerimientos internacionales para su exportación; este banano denominado de “rechazo”, se ha convertido en una problemática medioambiental de grandes proporciones. A pesar que una considerable parte de este banano se utiliza para suplir la demanda interna, la cantidad remanente es tal (6.5-10.8 ton/año*ha) que se ha recurrido a los procesos de compostaje para su disposición final.

En este banano de rechazo, rico en almidón, puede ser utilizado como sustrato para procesos fermentativos que permitan el máximo aprovechamiento energético, a través de la generación de etanol y/o metano. La transformación de residuos en sustratos reutilizables resulta ser una apropiada alternativa para el manejo medioambiental de desechos, favoreciendo así la producción masiva de energía, el mejoramiento de suelos y el aprovechamiento final de estos residuos, cerrando el ciclo productivo.

Adicionalmente les comparto este video, que les explicará cómo aprovechar los residuos orgánicos con la finalidad de producción del biogás:

 

HIDRÓGENO COMO COMBUSTIBLE

¿Por qué?

Primero por prevención ante el posible agotamiento del petróleo, donde el hidrógeno destaca por sus propiedades específicas. Donde se observa que el hidrógeno posee tan solo un protón y un electrón, y son los más abundantes porque en el Universo se halla compuesto por cerca del 73.9% según Escalante, Carigi y Gasque (2011) en su artículo el origen de los elementos en tres actos. Además el hidrógeno no es una fuente de energía primaria, sino solo un vector energético (sustancias que almacenan energía para posteriormente liberar de manera controlada) y su principal ventaja es que al combustionar produce agua, lo que significa evitar la emisión de gases de efecto invernadero (CO2, CH4, Clorofluorocarbonos, N2O).

Una de sus propiedades importantes es la energía específica de su combustión. Su valor es de 120 mega julios por kg en comparación con 50 MJ/kg del gas natural o con 44,6 MJ/kg del petróleo. Esto se contrapone a la baja densidad que presenta tanto como gas como licuado y a las dificultades de almacenamiento para sus aplicaciones al transporte.

El hidrógeno es el primer elemento en la tabla periódica y posee el carácter de ser el elemento más liviano, es difícil encontrarlo en su forma pura de H2 y el principal carácter es el calor de la combustión que le permite al hidrógeno actuar como combustible.

Usos potenciales

Los motores de vehículos y hornos pueden adaptarse para utilizar hidrógeno como combustible.

Uso de celdas de combustible que tiene una eficiencia 2,5 veces mayor que si se quema hidrógeno en un motor térmico. Es un sistema electroquímico que convierte directamente la energía química del hidrógeno al reaccionar con oxígeno en electricidad. El modelo más sencillo de pila consta de dos electrodos, un ánodo, negativo, y un cátodo, positivo, ambos con platino como catalizador separados por un electrolito. El hidrógeno entra en la pila por el ánodo y allí se disocia en iones hidrógeno y electrones. Los iones hidrógeno pasan a través del electrolito hasta el cátodo. Los electrones del ánodo emigran por un circuito exterior hasta el cátodo donde reaccionan con los iones hidrógeno y el oxígeno para dar agua.

Conclusiones y recomendaciones.-

La obtención de hidrógeno para el país significa la generación del producto energético del futuro, que reemplazará los combustibles provenientes de las reservas de petróleo. Con este método vamos a tener un mejor manejo económico es decir menos costos y el combustible va a estar en menor porcentaje de contaminación

No desechar por completo los residuos de banano, ni de ningún residuo orgánico sino guardarlos para posteriormente reutilizarlos para la elaboración de biogás y fertilizantes orgánicos.

Bibliografía

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