Tecnologias para la sanidad e inocuidad de alimentos de origen vegetal PorÞrio Gutiérrez-Martínez*1, Alejandra Chacón-López1, Héctor Cabanillas-Beltrán1, Mario A. Ortiz-Jiménez1 y Silvia Bautista-Baños2 1 Instituto Tecnológico de Tepic. Postgrado en Alimentos. LIIA-Lab. de Biotecnología. Av. Tecnológico, 2595 Col. Fracc. Lagos del Country, C.P. 63175. Tepic, Nayarit, México 2 Instituto Politécnico Nacional-Centro de Desarrollo de Productos Bióticos. Carr. Yautepec-Jojutla km. 6, Colonia San Isidro, Calle CEPROBI 8, Morelos C.P. 62531 *Autor para correspondencia:
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Resumen
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a inocuidad y sanidad en los alimentos es un requerimiento que implica la ausencia de contaminantes bióticos y abióticos que puedan poner en riesgo la salud del consumidor Þnal. La producción nacional de productos hortofrutícolas se ve afectada en su cantidad y calidad por la acción de microorganismos Þtopatógenos. En un esfuerzo por cumplir con los requerimientos de calidad exigidos por el mercado internacional se hace mal uso o se abusa de plaguicidas, los cuales tienen un efecto residual en los productos agrícolas. Un factor que está exacerbando aún más las plagas y la contaminacion es el cambio climático, ya que cada vez son más evidentes los efectos adversos de este fenómeno global sobre la producción, la sanidad y la inocuidad de los alimentos. Ante esta problemática, se presentan dos 201
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alternativas al uso de productos químicos para el combate y prevención de enfermedades ocasionadas por hongos Þtopatógenos en frutas y hortalizas. Uno de éstos es el quitosano, que es inocuo al medio ambiente y al consumidor y el otro es el agua electrolítica, la cual se perÞla como un sistema efectivo de desinfección tanto de productos agrícolas como de implementos utilizados en la cosecha y procesamiento de alimentos. Por lo que en este capítulo se aborda el tema de la sanidad e inocuidad poscosecha, enfatizando en la aplicación de una alternativa de alto valor técnico en cada uno de estos temas y se discute sobre los efectos que el cambio climático ejerce en estas temáticas. Palabras Clave: sanidad, inocuidad, quitosano, agua electrolítica, cambio climático
Introducción La inocuidad y sanidad en los alimentos ha venido cobrando cada vez mayor atención tanto a nivel nacional como internacional, hasta ser hoy en día un reclamo universal. La inocuidad en los alimentos es un requerimiento elemental que implica la ausencia de contaminantes bióticos y abióticos que puedan poner en riesgo la salud del consumidor. En el caso de frutas y hortalizas, la inocuidad se entiende como la implementación de buenas prácticas agrícolas y de empaque con el Þn de reducir los riesgos de contaminación microbiana y/o por sustancias tóxicas. Aunque México es un productor de una diversidad de frutas y hortalizas, no Þgura como uno de los principales exportadores de productos agrícolas en el mundo, dado que su producción y calidad se ve disminuida por la acción de microorganismos Þtopatógenos, no logrando cumplir con los requerimientos de calidad exigidos por el mercado internacional (Avedaño-Ruiz et al., 2006). Un factor que está exacerbando aun más esta problemática es el cambio climático, ya que cada vez son más evidentes los efectos adversos de este fenómeno global sobre la producción, sanidad e inocuidad de los alimentos. Muchas veces, en un esfuerzo por obtener productos agrícolas en mayor cantidad y de mejor calidad se aplican plaguicidas de manera indiscriminada para combatir la presencia de patógenos, sin considerar las repercusiones en la salud del medio ambiente y del propio consumidor (Ochoa-Ascencio, 2009; Tamayo, 2007; Lárez, 2008). Otra de las consecuencias del mal uso y/o abuso de estos plaguicidas es la generación de cepas de microorganismos más resistentes a los activos químicos. En el presente capítulo se exponen dos alternativas al uso de productos químicos para el combate y prevención de enfermedades ocasionadas por hongos Þtopatógenos en frutas y hortalizas. Uno de éstos es el quitosano, que no contamina al medio am202
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biente ni afecta la salud del consumidor (Martínez-Camacho et al., 2010) y el otro es el agua electrolizada, la cual se perÞla como un sistema efectivo de desinfección tanto de productos agrícolas como de implementos utilizados en la cosecha. Finalmente se exponen los efectos del cambio climático sobre la producción, sanidad e inocuidad de los alimentos.
Uso del quitosano en el control de patógenos El quitosano es un polímero natural, biodegradable, no tóxico, bioactivo, que posee actividad antifúngica contra determinados patógenos de plantas y alimentos, además de inducir los mecanismos de defensa en tejidos vegetales (Wilson et al., 1999; Terry &Joyce, 2004; Palma-Guerrero et al., 2009). El quitosano es uno de los productos más prometedores para el control de varios hongos en poscosecha, no solo por su capacidad fungicida sino por su potencial de inducción de mecanismos de defensa en los frutos ante el ataque de patógenos, como lo demuestran los trabajos de Bosquez et al. (2010), Gutiérrez-Martínez et al. (2012) y Velázquez-del Valle et al. (2012). Aunque existen estudios sobre el quitosano en el control de patógenos en productos hortofrutícolas de clima templado, éstos son escasos para climas tropicales y subtropicales. El poder antifúngico se atribuye a su naturaleza policatiónica, que afecta el crecimiento micelial y produce daños a nivel de membrana plasmática de las esporas, micelios e hifas (Badawy y Rabea, 2009; Palma-Guerrero et al., 2008, 2009); así como al nivel de desacetilación de la molécula, la concentración aplicada y la masa molecular del compuesto (Bautista-Baños et al., 2006; Hernández-Lauzardo et al., 2008), entre otros factores. La actividad fungicida del quitosano se ha estudiado tanto in vitro (El-Ghaouth et al., 1992) como in vivo (Yu et al., 2007). El quitosano inhibe multitud de especies de hongos, exceptuando, o siendo menos efectivo con aquellos que lo poseen en sus paredes celulares (Roller & Covill, 1999). Por ejemplo, en el trabajo de Li et al. (2007) se reporta que el quitosano es mejor inhibidor de la germinación de Penicillium expansum que la de Botrytis cinerea, contrariamente a lo que se observó en el crecimiento micelial de estas especies. De manera similar, un estudio reciente ha mostrado que el quitosano es más efectivo sobre los conidios que sobre las hifas de algunos hongos Þtopatógenos (Palma-Guerrero et al., 2008). También se ha encontrado una relación directa entre la actividad fungicida y el peso molecular del quitosano (Hirano & Nagano, 1989; Bautista-Baños et al., 2005; Xiao-Fang et al., 2008). De igual modo, la actividad fungicida del quitosano se ha asociado desde hace mucho a su carácter catiónico. La interacción de los grupos amino libres, cargados positivamente en medio ácido, con los residuos negativos de las 203
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macromoléculas expuestas en la pared de los hongos, cambian la permeabilidad de la membrana plasmática, con la consecuente alteración de sus principales funciones (Palma-Guerrero et al., 2009). Se han evaluado diferentes concentraciones de quitosano para controlar hongos de postcosecha en frutos tropicales y subtropicales (Gutiérrez-Martínez et al., 2012; Bautista-Baños et al., 2005, 2006). En general, se ha observado un efecto fungicida en el rango del 1.0-1.5 % de quitosano, obteniendo una reducción en el crecimiento micelial de más del 80 % en Alternaria sp, Colletotrichum sp, y Fusarium sp, aislados de frutos de mango, guanábana, aguacate y plátano. Aun cuando se presenta crecimiento micelial en concentraciones de 0.01 % de quitosano, en concentraciones superiores al 0.5 % se inhibe completamente la germinación y se reduce notablemente la esporulación (Tabla 1 y 2). Tabla 1. Porcentaje de inhibición de diferentes concentraciones de quitosano Tratamientos
Colletotrichum sp.
Fusarium sp.
Control 0.0a 0.0a Q 0.5 % 32.5b 12.0a Q 1.0 % 94.3c 90.5b Q 1.5 % 100.0d 93.2b Q 2.0 % 100.0d 100.0b Nota: Letras diferentes indican diferencias signiÞcativas por columnas (P23 °C. Se eliminó completamente E. coli O157:H7 después de un minuto de exposición en una solución electrolítica a 45 °C (una reducción aproximada de 8.0 log CFU/mL) y S. enteritidis y L. monocytogenes se redujeron aproximadamente 7.0 log CFU/mL bajo el mismo tratamiento.
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No se tiene reportes publicados en México con relación al agua electrolizada; sin embargo, en el Instituto Tecnológico de Tepic (México) se desarrollaron dos tesis de licenciatura, de tal manera que Millán (2013) desarrolló un estudio sobre la factibilidad técnica de este sanitizante en chunks de mango y aguacate que se comercializan como fresco-congelado en el mercado internacional, quien lo aplicó directamente sobre el alimento y en superÞcies que entran en contacto con éstos, midiendo la cuenta total de mesofílicos aeróbicos, E. coli, coliformes totales, levaduras y hongos. En otra de las tesis, Tapia (2013) encontró que el agua electrolítica ácida es un sanitizante que cumple con su propósito para el Þn estudiado y constató la eÞciencia sanitizante del líquido en cultivos axénicos de Vibrio cholerae, V. parahaemolyticus, E. coli enteropatógeno, Staphylocococcus aureus y Candida albicans.
Consecuencias del cambio climático en la sanidad e inocuidad de los alimentos Hasta hace poco, existía incertidumbre tocante al cambio climático, pero el 4º Cuarto Informe de Evaluación del IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) (2007) aclaró que el calentamiento global es inequívoco y es causado por actividades humanas, particularmente por las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Para el presente siglo se prevé un aumento de la temperatura media global entre 1.8 y 4 °C y una mayor frecuencia de precipitaciones intensas y períodos prolongados de sequía. Esto tendrá serios impactos en la producción y suministro de alimentos (Lobell et al., 2011), sobre todo en la disminución del rendimiento de los cultivos y la afectación en las poblaciones de microbios ambientales, ocurrencia de plagas y otros vectores, como hongos, bacterias, virus e insectos, además de una mayor prevalencia de contaminantes ambientales y una mayor presencia de residuos químicos en la cadena alimentaria (FAO, 2008). También se incrementarán los riesgos de higiene asociados con el almacenamiento y distribución de los alimentos, debido a una mayor presión sobre el recurso hídrico. Existe evidencia de que el cambio climático agravará la inseguridad alimentaria y la desnutrición existente y predicha de los países en vías en desarrollo (Cohen et al., 2008). Existe evidencia documentada del efecto del clima sobre las enfermedades infecciosas transmitidas por agua y alimentos (Hall et al., 2002). Se sabe que el crecimiento y supervivencia de los patógenos en alimentos es afectado por las características intrínsecas del alimento y la presencia de microßora inofensiva, cuya elevada tasa de crecimiento impide que los patógenos crezcan a niveles peligrosos. Si a esta compleja y muchas veces impredecible interacción (alimento-patógeno-microßora) se le añade 208
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el componente climático, no es difícil prever el impacto que tendrá en la abundancia, supervivencia y virulencia de patógenos en alimentos. Las primeros síntomas del cambio climático sobre la seguridad alimentaria serán una mayor frecuencia y una mayor extensión de las enfermedades transmitidas por alimentos durante el verano (Watson & McMichael, 2001). Es común que después de los meses cálidos se reporten mayores casos de salmonelosis (D’Souza et al., 2004; Hall et al., 2002) y campilobacteriosis (Kovats et al., 2005) y si a esto se añade el incremento de humedad, esto se traducirá en mayores casos de rotavirus (D’Souza et al., 2008). El fenómeno del Niño, relacionado con el calentamiento global, está asociado con un mayor caso de enfermedades diarreicas en Perú (Hall et al., 2002). El cambio climático puede reforzar la resistencia de ciertas bacterias patogénicas ante el estrés ambiental (Rodriguez-Romo & Yousef, 2005), bien sea por transferencia horizontal de genes o por infección con bacteriófagos, tal como ha sucedido con el V. cholerae (Lipp et al., 2002). Los cambios en el clima, ecología, agricultura, tecnología, industria, etc. pueden provocar la aparición o resurgimiento de agentes patógenos infecciosos de origen alimentario (Tauxe, 2002). Por ejemplo, el desplazamiento de las poblaciones animales a otras latitudes debido al cambio climático puede facilitar la propagación de agentes patógenos que anteriormente eran de baja prevalencia o de pocas consecuencias. Se prevé que el cambio climático ejerza una gran presión sobre el recurso hídrico, particularmente en las zonas áridas del planeta, como el Mediterráneo, África del Norte (Campbell-Lendrum et al., 2007 y norte de México. Este acceso limitado de agua potable tendrá un efecto negativo sobre las prácticas de higiene de la cadena agroalimentaria. Por otro lado, el cambio climático puede provocar el desplazamiento de las áreas de producción de cultivos a nuevos ecosistemas donde medren microbios, insectos, roedores, reptiles y anÞbios, los cuales puede promover la transmisión de patógenos. Se espera que el cambio climático inßuya sobre la infección de los cultivos con hongos toxigénicos, su crecimiento y la producción de micotoxinas, particularmente cuando la planta sea sometida a estrés hídrico, estrés inducido por plagas y/o deÞciencias nutricionales. Se sabe que las micotoxinas desarrollan actividad cancerígena, inmunosupresiva, neurotóxica, estrogénica y teratogénica. De 2004 a 2006 se reportaron brotes de aßatoxicosis aguda en Kenia por consumo de maíz contaminado con aßatoxinas (Nyikal et al., 2004). Las especies del género Fusarium son responsables de la ocurrencia de varias micotoxinas en productos agrícolas, entre las que se destacan el deoxinivalenol (DON), fumonisinas (FM) y zearalenona (ZER) (Miller, 2008). Las especies F. graminearum y F. verticillioides además producen nivalenol (NIV). Fusarium reduce los rendimientos de los cultivos y torna a las cosechas no aptas para 209
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el consumo animal y humano. Durante una serie de veranos cálidos en Europa se observó la sustitución de F. culmorum por F. graminearum, el patógeno más virulento de las plantas. Se prevé que bajo un escenario de cambio climático cambie el patrón de contaminación de DON/ZER a NIV/ZER en Europa y Asia. A temperaturas por encima de 28 ºC se favorece la producción de FM/DON y bajo un escenario de sequía prolongada se favorece la producción de FM. Por otro lado, Aspergillus y Penicillium son responsables de la ocurrencia de aßatoxinas (AF), ocratoxinas y patulinas. Las AF, producidas por A. ßavus, A. parasiticus y A. wentii, están asociadas con el maíz, cacahuate, nuez de árbol, higos, dátiles y ciertas semillas de aceite y su presencia está correlacionada con algún tipo de daño o estrés de la planta huésped (FAO, 2008). Con cierto nivel de incertidumbre se considera que bajo un escenario de cambio climático se presentará un mayor número de brotes de insectos (Petzold & Seaman, 2005) y la deÞciencia de nutrientes o exceso de elementos tóxicos en el suelo se traducirá en una menor resistencia de las plantas al ataque de insectos, plagas, enfermedades, hongos toxigénicos y la subsecuente biosíntesis de micotoxinas. Además, los eventos climatológicos extremos, como las inundaciones inßuirán en la contaminación de suelos agrícolas y pastizales con PCB´s (bifenilos policlorados ) y dioxinas. Tras la inundación que siguió al huracán Katrina en EU se detectaron residuos de hidrocarburos, pesticidas, metales y desechos peligrosos en sedimentos (Manuel, 2006), además de otros contaminantes en el agua de inundación y agua de mar (EPA, 2005). Igualmente, en regiones con altas precipitaciones, los contaminantes del suelo (plaguicidas, fertilizantes, materia orgánica, metales pesados, etc.) son transferidos a los cuerpos y corrientes de agua (Boorman, 2003). La variación de la contaminación del suelo agrícola y el agua se asocia con períodos alternados de inundaciones y sequías. En Bangladesh se utilizan como riego aguas subterráneas ricas en arsénico durante el estiaje, lo que eleva el nivel de arsénico del suelo, y aunque las inundaciones del monzón lavan el suelo y depositan el arsénico en el mar, queda un residuo en el arroz cultivado (Islam et al., 2005). Los impactos del cambio climático pueden agravarse en zonas sobreexplotadas por la agricultura, minería e industria, tal como está sucediendo actualmente en la zona del Mar de Aral, donde una mala gestión agrícola y una desertiÞcación acelerada ha provocado una grave contaminación de los alimentos con compuestos orgánicos persistentes y dioxinas (Muntean et al., 2003). En base a estudios de especies individuales, el cambio climático también puede afectar la tasa de desarrollo de plagas, su número de generaciones al año, su mortalidad y la susceptibilidad de las plantas a las plagas, tal como ocurrió con la plaga de roya del café de Brasil en 2004 (Rosenzweig et al., 2005). Bajo un escenario de cambio climático los pesticidas tendrían una limitada actividad bajo condiciones secas (Mu210
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riel et al., 2001) y bajo mayores temperaturas experimentan una rápida degradación (Bailey, 2004). Además, el mal uso y abuso de los plaguicidas pueden incrementar la resistencia de las plagas y eliminar a los depredadores protectores (Rosenzweig et al., 2005). La industria agroalimentaria tendrá que adaptarse al cambio climático y modiÞcar los sistemas agrícolas y de procesamiento de los alimentos a Þn de mitigar las emisiones de GEI asociadas con la cadena alimentaria.
Tendencias futuras La preocupación cada vez más acentuada en salud pública y medio ambiente obliga a los cientíÞcos a una búsqueda constante y más selectiva hacia alternativas en materia de sanidad e inocuidad de los alimentos. En este capítulo se describió someramente la relevancia del quitosano como agente de biocontrol y el agua electrolizada como microbicida de amplio espectro, ambos amigables con el ambiente y con alto potencial en aplicaciones industriales.
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ANÁLISIS, CALIDAD Y PROCESAMIENTO DE LOS ALIMENTOS EN MÉXICO
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