Biotecnología y Alimentos en Hidalgo:

Transitando a la Bioeconomía

LUIS DÍAZ BATALLA

CARLOS ALBERTO GÓMEZ ALDAPA

JAVIER CASTRO ROSAS

ALEJANDRO TÉLLEZ JURADO

Coordinadores

Amalgama Arte Editorial S.A. de C.V.Córdoba 93 Interior 2 AltosColonia RomaC.P. 06700 Ciudad de MéxicoMéxico

ISBN. 978-607-96797-1-2

PRESENTACIÓN

El Estado de Hidalgo ha definido las áreas estratégicas en ciencia, tecnología e innovación, en las cuales habrá de establecerse como referente nacional en los próximos años. Una de estas cinco áreas es la Agrobiotecnología. En este contexto se presenta el libro; Biotecnología y Alimentos en Hidalgo: Transitando a la Bioeconomía, una oportunidad para reflexionar, subrayar e impulsar las líneas de investigación en el estado que representan la fortaleza que pueden impulsar a la sociedad a transitar de una economía dependiente del petróleo a una Bioeconomía de desarrollo sustentable. Es responsabilidad de las instituciones el asegurar las condiciones para la materialización de un ambiente competitivo en términos de ciencia, tecnología, innovación y educación, que nos aleje de la dependencia tecnológica.La edición e impresión del libro Biotecnología y Alimentos en Hidalgo: Transitando a la Bioeconomía, es el resultado del apoyo otorgado por el Fondo Mixto Conacyt–Gobierno del Estado de Hidalgo a través del proyecto Fomix–Hidalgo 2012–01–192649; Fortalecimiento a las líneas innovadoras de investigación aplicada y desarrollo tecnológico (LIIAD) del área de biotecnología y alimentos del Estado de Hidalgo.

ÍNDICE

Elementos para el Desarrollo de la Bioeconomía en Hidalgo.DÍAZ-BATALLA L., GÓMEZ-ALDAPA C.A., TÉLLEZ-JURADO A., CASTRO-ROSAS J. UPFIM – UPP - UAEH, Hidalgo. México. Pág 1

Aprovechamiento de las Propiedades Biotecnológicas, Antioxidantes y Nutraceúticas del Nopal (Opuntia ficus-indica).ORTIZ-SALAZAR F., GÓNGORA-CAUICH J., PACHECO-LÓPEZ N., GONZÁLEZ-FLORES T., ESPINOSA-SOLARES T., SÁNCHEZ-CONTRERAS A.CIATEJ-Unidad Sureste, Mérida, Yucatán. México. Pág 13

Maíz (Zea mays): Componentes con Actividad Funcional.FERNÁNDEZ-SÁNCHEZ A.M., GOMÉZ-ALDAPA C. A., CARIÑO-CORTÉS R.ICBI-UAEH, Hidalgo. México. Pág 28

Compuestos Bioactivos Como Una Alternativa Viable Para Disminuir La Incidencia De Enfermedades Crónicas No Transmisibles. GUZMÁN-ORTIZ F.A., ROMÁN-GUTIÉRREZ A.D., CASTRO-ROSAS J., GÓMEZ-ALDAPA C.A., FALFAN-CORTÉS R.N., RODRÍGUEZ-MARIN M.L.ICBI-UAEH, Hidalgo. México. Pág 41

Aprovechamiento Integral de Maguey (Agave spp.) en el Altiplano Hidalguense.MENDOZA-MENDOZA B., GÓMEZ-HERNÁNDEZ E., ÁVILA-RAMÍREZ M.C., HERNÁNDEZ-DOMÍNGUEZ E.M. ITESA, Hidalgo. México. Pág 57

Agricultura Sustentable: Una Alternativa para Suelos Cebaderos en Hidalgo. SANTIAGO-SAENZ Y.O., GUZMÁN-ORTIZ F.A., ACEVEDO-SANDOVAL O.A., ROMÁN-GUTIÉRREZ A.D.ICBI-UAEH, Hidalgo. México. Pág 72

Valoración de la Calidad de la Cebada Producida en el Estado de Hidalgo.ROLDÁN-ROJAS J.H., GUZMÁN-ORTIZ F.A., ROMÁN-GUTIÉRREZ A. D.ICBI-UAEH, Hidalgo. México. Pág 87

El Carbón de la Espiga del Maíz en el Valle del Mezquital. MERCADO-FORES Y., CARTAGENA-LUNA A., SÁNCHEZ-MAYA H.E., PÉREZ CAMARILLO J.P., ORTEGA-BERNAL J., ÁLVAREZ-CERVANTES J., ANDUCHO-REYES M.A. UPP, Hidalgo. México. Pág 105

Acuacultura; La Pesca Tierra Adentro.PÉREZ-VIVEROS K.J., TÉLLEZ-JURADO A., GÓMEZ- ALDAPA C.A., DÍAZ-BATALLA L., CADENA-RAMÍREZ A.UPP, Hidalgo. México. Pág 121

Inocuidad Microbiológica Del Sector Acuícola.GUZMÁN-ORTIZ F.A., PEÑAFIEL-LÓPEZ F., ROMÁN-GUTIÉRREZ A.D.ICBI-UAEH, Hidalgo. México. Pág 138

Opuntia spp. Como Sustrato para la Producción de Bioetanol. PÉREZ-CADENA R., SÁNCHEZ-CONTRERAS M.A., ESPINOSA-SOLARES T., MEDINA-MORENO S.A., LIZARDI-JIMENÉZ A., MARTÍNEZ-JIMENÉZ A., CASTRO-ROSAS J., TÉLLEZ-JURADO A.UPP, Hidalgo. México. Pág 156

Potencial de la Etnobotánica Hidalguense ante la Hipertensión. VARGAS-LEÓN E.A., VARGAS-LEÓN U.A., CORTES-LÓPEZ H., DÍAZ-BATALLA L., GONZÁLEZ-CRUZ L., BERNARDINO-NICANOR A., GÓMEZ-ALDAPA C.A.ITC- CELAYA, Guanajuato; ICBI-UAEH, Hidalgo. México. Pág 170

Importancia Biotecnológica y Genética de Trametes versicolor. SÁNCHEZ MENDOZA A. V., TÉLLEZ-JURADO A., MEJÍA GUERRERO H. O., VILLA-GARCÍA M., ANDUCHO-REYES M. A. UPP, Hidalgo. México. Pág 186

Degradación de la Lignocelulosa por Hongos Basidiomicetos de Podredumbre Blanca.GARCÍA-ESQUIVEL Y., GÓMEZ-ALDAPA C.A., MERCADO-FLORES Y., DÍAZ-BATALLA L., ANDUCHO-REYES M.A., TÉLLEZ-JURADO A. UPP, Hidalgo. México. Pág 202

Cultivo Masivo de Microalgas: Perspectivas en el Estado de Hidalgo. BAUTISTA-MONROY S.S., MEDINA-MORENO S.A., CADENA-RAMÍREZ A.UPP, Hidalgo. México. Pág 219

Hemicelulosas de Cereales como Fuente de Obtención de Prebióticos (Xilooligosacáridos). CASTAÑEDA-CISNEROS Y.E., ROMÁN-GUTIÉRREZ A.D., ÁLVAREZ-CERVANTES J., VILLA-GARCÍA M., TÉLLEZ-JURADO A.UPP, Hidalgo. México. Pág 236 Sporisorium reilianum: Nueva Fuente de Enzimas Hidrolíticas. ÁLVAREZ-CERVANTES J., LUCIO-AVILA P. G., PÉREZ-RODRÍGUEZ J., VARGAS MORALES K.A., TÉLLEZ-JURADO A., MERCADO-FLORES Y. UPP, Hidalgo. México. Pág 254

La Manzana del Marañón (Anacardium occidentale L.) como Materia Prima para la Obtención de Bioetanol. GONZÁLEZ-FLORES T., GÓNGORA-CAUICH J. V., PACHECO-LÓPEZ N. A., AYORA-TALAVERA T. R., SÁNCHEZ-CONTRERAS M. A.CIATEJ-Unidad Sureste, Merida, Yucatan. México. Pág 272

Biosíntesis de Nanopartículas Mediante el Uso de Microorganismos.MARCELINO-PÉREZ G., VILLANUEVA-IBÁÑEZ M., ROA-VELAZQUEZ D., MERCADO-FLORES Y., ANDUCHO-REYES M.A., FLORES-GONZÁLEZ M.A.UPP, Hidalgo. México. Pág 287 Bacterias Lácticas Obtenidas de la Bebida Fermentada Artesanal (Pulque) con Capacidad de Biotransformar el Ácido Linoleico.JIMENEZ-ESPINOZA S., ESTARRÓN-ESPINOSA M., KIRCHMAYR M. R., LUGO-CERVANTES E. C., VILLANUEVA-RODRÍGUEZ S. J., GARCÍA-PARRA M. D.CIATEJ-Zapopan, Jalisco. México. Pág 305

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Elementos para el Desarrollo de la

Bioeconomía en Hidalgo

DÍAZ-BATALLA L.

GÓMEZ-ALDAPA C.A.

TÉLLEZ-JURADO A.

CASTRO-ROSAS J.

La actividad de las poblaciones humanas ha puesto en riesgo la relativa estabilidad ambiental que ha caracterizado al holoceno, esta era geológica

glacial, está terminando para dar paso al antropoceno [1]. Sin el advenimiento de una gran catástrofe como una erupción volcánica, una epidemia, una guerra nuclear o un asteroide, el humano será la mayor fuerza que dirigirá el comportamiento geológico de la tierra. Sin un cambio en la dependencia en los combustibles fósiles como materia prima para el desarrollo, las actividades humanas pondrán en riesgo la estabilidad del planeta [1, 2, 3].

para el desarrollo seguro de la humanidad, estos indicadores tienen límites y son evaluables, lo que permite estimar el riesgo en la estabilidad del sistema planetario. El primer indicador es el cambio climático evaluado como la concentración atmosférica de CO2, el segundo es la pérdida de la biodiversidad evaluado como la velocidad de extinción de especies, en tercero es la alteración del ciclo del nitrógeno y el fósforo evaluado como la cantidad de nitrógeno removido de la atmosfera para

cuarto es la depleción de la capa de ozono en la estratosfera, el quinto es la , el sexto es el uso de agua fresca, el séptimo es el cambio en el uso de suelo evaluado como porcentaje de

carga de

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aerosol en la atmosfera y el noveno es la contaminación química [4]. Las estimaciones actuales sugieren que tres de los nueve indicadores (cambio climático, pérdida de la biodiversidad y ciclo del nitrógeno) has superado su límite de retorno, estabilidad y control [4]. Lo anterior indica que la humanidad ha traspasado los límites del espacio seguro de desarrollo y pone en riesgo la capacidad del planeta de sostener el desarrollo económico actual de las naciones [5]. Esta carga excesiva sobre el planeta se enfoca principalmente en el incremento en el uso masivo de materiales y combustibles fósiles, en la que dos tercios de la emisión global de gases de efecto invernadero, es producida por solo 90 empresas, las cuales producen directamente o proveen las materias primas para consumo. Más que condenar a estas empresas del impacto ambiental, es necesario evaluar las tendencias de consumo de las sociedades que las demandan [6]. Los que cuestiona las políticas de crecimiento económico de las naciones basado en combustibles fósiles, proponen la congelación de este crecimiento, a menos que se desarrollen las estrategias que no atenten contra los límites de ninguno de los nueve indicadores, particularmente en naciones en desarrollo [5, 7].

control de las emisiones de gases de efecto invernadero y con ello el calentamiento global. La estrategia principal es reducir la dependencia de combustibles fósiles en las economías mundiales y sustituirlas por

materia prima para la producción de materiales, fertilizantes, textiles, fármacos e insumos industriales. El gran reto, particularmente para las naciones en desarrollo, es la existencia de tecnologías que permitan esta transición [7]. En este contexto los recursos biológicos han sido señalados como la nueva fuente de materias primas para las economías mundiales. Esta paradigmática propuesta, denominada BIOECONOMÍA, plantea el recorrer una ruta en el campo de las ciencias de la vida en busca de recursos e innovaciones que permitan esta transición [8]. La idea ha permeado en el mundo y la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE), la Comunidad Económica Europea (CEE) y naciones como los Estados Unidos de América, Canadá, Alemania, Finlandia, Suecia, Australia, Rusia, China, Malasia y Brasil han emitido sus estrategias de desarrollo en esta transición. En estas se plantea el uso de materias primas, productos y subproductos agrícolas, pecuarios y forestales, además de algas y otros microorganismos para obtener

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energía y todo tipo de insumos industriales [8]. De acuerdo a la propuesta de la OCDE, la Bioeconomía es; la transformación del conocimiento de las ciencias de la vida en productos nuevos, amigables con el ambiente, sustentables y competitivos, para la visión norteamericana, la Bioeconomía es; el uso de la investigación e innovación en las ciencias biológicas para crear actividad económica y beneficio público, mientras que para la visión europea la Bioeconomía es; la integración de un amplio rango de recursos biológicos de la tierra y el mar incluyendo la biodiversidad de plantas animales y microorganismos para su procesamiento y consumo [8].En la propuesta de la OCDE, se plantean tres elementos importantes como base en la transición a la Bioeconomía de las naciones; el primero es el conocimiento biotecnológico, que implica el entendimiento del ADN, ARN, proteínas y enzimas en el contexto de organismos completos al nivel molecular incluyendo el análisis bioinformático de genomas, lo cual demanda intensiva investigación, desarrollo e innovación; el segundo es el uso de biomasa renovable y de bioprocesos eficientes para la producción sustentable, la biomasa puede obtenerse de cultivos agrícolas y sus subproductos, pastos, arboles, algas marinas, desechos urbanos e industriales y biomasa microbiana. Los bioprocesos pueden transformar estos recursos en productos como papel, biocombustible, plásticos e insumos industriales; el tercero es la integración del conocimiento con las aplicaciones de valor agregado de las cadenas productivas del sector primario (bosque, cultivos, ganado, insectos, peces), salud (fármacos, agentes de diagnóstico, nutracéuticos, anticuerpos y otras aplicaciones médicas) y la industria (insumos químicos, precursores de síntesis, plásticos, enzimas, curtientes, papel, biorremediación y saneamiento) principalmente [9].En la visión estadounidense, tres tecnologías se han señalado como fundamentales en esta transición; la ingeniería genética, la secuenciación de ADN y la manipulación automatizada a gran escala de biomoléculas. Estas tres tecnologías encuentran como sus principales áreas de impacto a la salud, la energía, la agricultura, el ambiente y la industria, en un ambiente acompañado de programas de investigación, marcos regulatorios y programas adecuados en el sistema de educación superior. La propuesta se convierte en una estrategia particularmente disruptiva, cuando se acompaña de la apropiada interface de sistematización de datos e informática computacional, que permiten soportar el advenimiento de la denominada biología sintética [10]. Mientras que las actividades humanas en su impacto conjunto sobre la biosfera, han dirigido la especiación y

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la extinción durante el holoceno, las tecnologías desarrolladas a través de décadas de investigación y desarrollo, permiten advertir no solo una nueva forma de enfrentar la supervivencia del hombre en la tierra, también una nueva responsabilidad en la dirección de la evolución de la vida.La insistencia de ambas propuestas de estructurar a la economía sobre las ciencias de la vida, es una idea motivada por el proyecto moderno considerado de mayor alcance y relevancia en la historia del hombre. El Proyecto Genoma Humano que implicó el desarrollo de las tecnologías para secuenciar el genoma de la especia humana y de otros organismos modelo, representa un esfuerzo multidisciplinario que permite el entendimiento de los sistemas biológicos. La resultante revolución genómica está influenciado de forma determinante la resolución de problemas de salud, energía, ambiente, agricultura, ganadería, entre otros. La revolución no solo es paradigmática en el ámbito del conocimiento y la ciencia, también lo es en términos económicos. Considerando el periodo entre 1988 y 2010, cada dólar invertido en desarrollo y aplicación de conocimiento y tecnología genómica ha generado el retorno de 141 dólares y más de 3.8 millones de empleos de alto nivel. Las expectativas son aún mayores, pues se considera que la vasta gama de aplicaciones de estas tecnologías, están aún en su inicio y de las cuales se advierte un gran porvenir [11].A pesar de la alta tecnología e inversión que implica el desarrollo de las ciencias genómicas, las circunstancias actuales subrayan una gran oportunidad para los países de economías emergentes. Mientras que la secuenciación del primer genoma humano tardo 13 años y costo 2,700 millones de dólares, en 2011 secuenciar un genoma humano tomó solo dos semanas a un costo de 7,700 dólares. Los desarrollos genómicos continúan abatiendo sus costos, lo que impulsa su aplicación en todas perspectivas y abre una ventana de oportunidad [10]. La biodiversidad y el conocimiento de esta, es el nuevo capital potencial de las naciones, si se manifiesta la visión y desarrollan las estrategias correctas. Las economías emergentes que posean la infraestructura y los recursos humanos adecuados en este campo científico serán capaces de incorporar la genómica como un elemento clave para la prosperidad y el crecimiento económico [12]. Como se ha esbozado anteriormente en las propuestas internacionales, la Bioeconomía no es solo la intención de obtener productos y beneficios de los recursos naturales, es imprescindible el conocimiento molecular masivo y genómico de los recursos para acceder y detonar el uso potencial e integrarlo a los sistemas productivos.

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Breve descripción de la Bioeconomía en MéxicoMéxico tiene un importante potencial para integrar exitosamente la genómica en su estrategia económica. La ventana de tiempo para hacerlo es estrecha, por lo cual también corre el grave riesgo de rezagarse frente a economías similares que ya generan una parte importante de su riqueza económica a partir de la innovación científica y tecnológica [12]. Con la idea de atender esta oportunidad como estrategia de desarrollo, en México se han creado dos instituciones referentes, responsables de dirigir el acoplamiento de las tecnologías genómicas a la dinámica económica del país, el Instituto Nacional de Medicina Genómica (INMEGEN) creado en la Ciudad de México y el Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad (LANGEBIO) creado en la Irapuato, Guanajuato [13]. La capacidad, herramientas y misión de estos institutos, colocan a México en el camino de la transición a la Bioeconomía, en el que la sabiduría tradicional de la cultura mexicana sobre la biodiversidad pueda ser recuperada e integrada al desarrollo. Las posibilidades abiertas por la biotecnología son infinitas, más si se considera que México, de acuerdo con datos proporcionados por la SEMARNAT, ocupa el primer lugar en el mundo en riqueza de reptiles (con 707 especies), el segundo en mamíferos (491 especies) y el cuarto en anfibios y plantas (con 282 y 26 mil especies, respectivamente). Somos el país con mayor diversidad ecológica de América Latina y el Caribe, al poseer cinco tipos de ecosistemas, y nueve de los 11 tipos de hábitat [13]. Mayor descripción de la Bioeconomía con énfasis en México puede ser consultada en el libro Genómica Bioeconomía; Ventana de oportunidad para el crecimiento económico de México [12].Elementos relacionados con la Bioeconomía en HidalgoEn su agenda de innovación, el estado de Hidalgo ha definido sus áreas estratégicas de desarrollo. Una de las cinco áreas seleccionadas, es la agrobiotecnología [14]. De acuerdo con esta propuesta, los objetivos de esta área estratégica son; el desarrollo de sistemas biológicos integrales para el manejo de cultivos; la generación de agricultura protegida de productos orgánicos y; el desarrollo de productos de alto valor agregado basados en la agrobiotecnología. Objetivos dirigidos a los nichos específicos de plaguicidas, sistemas de control biológico, biofertilizantes, maguey, nopal, pimiento morrón, chile y café [14]. Los objetivos planteados en esta agenda, consideran al sistema productivo primario hidalguense como un productor de materias primas que pueden ser transformadas, lo que deja a la iniciativa lejos de abortar el marco de

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transición a la Bioeconomía y demanda estructura superior que la incluya.Considerando los elementos de la propuesta de la OCDE, en la que el conocimiento biotecnológico y la disponibilidad de biomasa son dos de los tres elementos fundamentales en la transición a la Bioeconomía y que coinciden con la propuesta norteamericana, es posible hacer un acercamiento del potencial del estado de Hidalgo ante esta transición. Sin pretender realizar un compendio estadístico o un análisis de sistema de innovación del estado los cuales ya son conocidos [15, 16], se puede describir el capital humano que puede intervenir en la generación del conocimiento biotecnológico y las tendencias generales de disponibilidad de biomasa.El sistema de generación de conocimiento en HidalgoEn Hidalgo existen once instituciones de educación superior (IES) que en conjunto ofertan veinte programas educativos (PE) de licenciatura, tres PE de maestría y tres PE de doctorado relacionados con la biotecnología, a estos programas educativos, se asocian más de 130 profesores investigadores, 45 de los cuales pertenecen a alguna categoría del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) y que se asocian institucionalmente para conformar doce cuerpos académicos en formación, nueve cuerpos académicos en consolidación y cuatro cuerpos académicos consolidados. La segunda ley de la termodinámica plantea la idea de un universo en el que el desorden incrementa constantemente, esta tendencia es menos probable en aquellos sistemas que generan, almacenan y utilizan información adecuada y suficiente [17]. La información que se domina en las sociedades humanas a través de la cultura y los sistemas educativos, es determinante del orden que se vive en ellas. Las sociedades que tienen la capacidad de generar, almacenar y utilizar información, manifiestan mayores posibilidades de adaptación a un universo caótico. La generación de conocimiento debe tener como prioridad la atención del orden social y el equilibrio natural, más allá y por encima del desarrollo económico. El sistema general de generación de conocimiento del estado, ha incrementado gradualmente su productividad científica, pasando de 670 publicaciones en 2011 a 1083 publicaciones en 2015, según los reportes de ranking institucional Scimago (Tabla 1). El ranking institucional Scimago, se genera utilizando la productividad académica (PC) de las IES visualizada a través de Scopus, considerada la base de datos de literatura científica más grande del mundo, que se ajusta específicamente al sistema peerreview. Esta

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base de datos, incluye 19,500 publicaciones científicas, entre ellas 1,900 revistas de libre acceso, de todas las regiones del mundo [18].

Tabla 1. Producción Científica de las IES en Hidalgo

InstituciónProducción Científica Scimago

2011 2012 2013 2014 2015

Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo (UAEH) 611 656 747 818 896

Universidad Politécnica de Pachuca (UPP) 30 48 67 82 108

Universidad Politécnica de Tulancingo (UPT) 15 14 18 24 44

Universidad Tecnológica de Tulancingo (UTT) 1 1 3 6 21Instituto Tecnológico de Pachuca (ITP) 6 10 15 17Instituto Tecnológico de Huejutla (ITH) 4 5 5 5 5Universidad Tecnológica de Tula Tepeji (UTTT) 6 7 5 3 2Universidad Tecnológica de Fransisco I Madero (UPFIM) 3 4 5 5 4Universidad Politécnica Metropolitana de Hidalgo (UPMH)

1 3 3 4

Instituto Tecnológico Superior de Occidente del Estado de Hidalgo (ISOEH)

1 2 2 1 1

Universidad Tecnológica del Valle del Mezquital (UTVM) 1 1 1Instituto Tecnológico Superior del Oriente del Estado de Hidalgo (ITESA)

1 2

Total Hidalgo 670 743 863 958 1084Tabla construida con información de los reportes anuales Scimago

[18, 19, 20, 21, 22].

Dado el carácter transversal de la aplicación de las tecnologías genómicas en la caracterización de sistemas biológicos, es pertinente acercar estas tecnologías al sistema de generación de conocimiento hidalguense, en una primera etapa a través de la gestión de la vinculación de instituciones educativas, programas educativos, investigadores y estudiantes con las instituciones referentes en el país, (INMEGEN y LANGEBIO) y el extranjero (J Craig Venter Institute, Massachusetts Institute of Technology) y en una segunda etapa con el establecimiento de la infraestructura regional especializada.Rasgos de la disponibilidad de biomasaLa superficie territorial del estado de Hidalgo es de 20,813 km 2 (1.1%

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del territorio nacional), de los cuales el 44% es de uso agrícola (26% del cual es de riego), el 27% es bosque, el 11% es matorral y el 10% pastizal. El PIB agropecuario representa el 3.7% del PIB estatal y el 1.9% del PIB nacional agropecuario [15]. La actividad agropecuaria no es homogénea en el estado y pueden identificarse características específicas en las 10 regiones naturales del estado (Figura1).

Figura 1. Las diez regiones naturales del Estado de Hidalgo.En las regiones 1, 2, 3, 5 y 6 en el sur del estado, se concentra la vocación agrícola. El relieve y el clima en las regiones 4, 7, 8, y 9, no favorecen el desarrollo de la agricultura intensiva, sin embargo, ofrecen espacio para el bosque, cultivos alternativos y una gran diversidad etnobotánica. En la región 10, su clima cálido húmedo con lluvias todo el año, permite la producción de cultivos tropicales y la ganadería (Figura 2 y 3).

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Figura 2. Mapas de Indicadores de Tendencia*. a) Valor de la producción agrícola total; b) Productores beneficiados por el PROCAMPO; c) Superficie sembrada total; d) Superficie sembrada de riego. * El indicador de tendencia se obtiene dividiendo el valor del indicador en la fecha reciente disponible (2011 o 2013) entre el valor del mismo en fecha anterior (2003 o 2005). Valores cercanos a 1 indican estabilidad en el tiempo, mientras que valores inferiores o superiores significan reducción o incremento respectivamente en el periodo de tiempo indicado. La construcción del indicador se realizó utilizando la base de datos del INEGI [23].

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Figura 3. Mapas de Indicadores de tendencia*. a) Volumen de la producción de forrajes; b) Volumen de la producción de granos; c) Volumen de la producción de frutos; d) Volumen de la producción de hortalizas; e) Volumen de la producción de carne; f) Volumen de la producción de leche.

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En la Cuenca de México (1), antes conocida como la cuenca lechera, se advierte el avance de la urbanización al colindar con el estado de México y la Ciudad de México, lo que ha generado la reducción en la producción agrícola y pecuaria, siendo aún importante la actividad de la agricultura protegida. En la Altiplanicie Pulquera (2), ha disminuido el aprovechamiento del maguey para especializarse en cebada maltera y avena forrajera. En el valle de Tulancingo (3), a pesar de la disponibilidad de tierras agrícolas de gran potencial, se advierte una desaceleración en la actividad agropecuaria con una tendencia a la urbanización. En la Sierra de Tenango (4), debido al relieve es difícil el desarrollo de la actividad agrícola intensiva, pero se observa su clima y biodiversidad como potencial forestal y etnobotánico. En la Comarca Minera (5) se manifiesta una tendencia a la urbanización. En el valle del Mezquital (6) es particularmente importarte la producción de granos principalmente maíz impulsada por el riego con agua residual proveniente del valle de México, que implica el manejo y distribución de aproximadamente 53 m3 por segundo. El relieve y las condiciones climáticas en las regiones 4, 7, 8, y 9, no favorecen el desarrollo de la agricultura intensiva, sin embargo, ofrecen espacio para el bosque, cultivos alternativos y una gran diversidad etnobotánica. En la región 10 con su clima cálido húmedo con lluvias todo el año, permite la producción de cultivos tropicales y la ganadería.

Conclusiones y perspectivasDado el esquema global del concepto de Bioeconomía y las intenciones y el ambiente de innovación del estado de Hidalgo, es posible integrar los elementos de la Bioeconomía sugeridas por la OCDE en las estrategias de desarrollo del estado, a fin de transitar a la Bioeconomía, que le permita diferenciarse en el contexto regional y competir en el contexto global. La estrategia deberá contemplar, en el corto plazo (tres años), la apropiación del concepto en la gestión del desarrollo (Estrategia Estatal de Bioeconomía), la vinculación del sistema de generación de conocimiento estatal (Universidades, Programas Educativos e Investigadores) del estado con las instancias referentes nacionales correspondientes (LANGEBIO, INMEGEN) que favorezca la incorporación de las tecnologías genómicas apropiadas a las líneas de investigación y desarrollo tecnológico sobre los recursos biológicos regionales. En el mediano plazo (cinco a diez años) deberá materializarse el fortalecimiento a la infraestructura y equipamiento

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genómico de las instituciones estatales, junto a la creación de programas educativos en coordinación con instituciones nacionales e internacionales. La propuesta es integral no contempla solo aplicaciones en la producción agrícola e incluye las iniciativas en salud, energía, ambiente, alimentación, agricultura, ganadería e industria basadas en recursos biológicos.

Referencias1. Crutzen P. J. and Stoermer E. F. 2000. The “Anthropocene”. IGBP Newsletter.

41. 2. Crutzen P. J. 2002. Geology of mankind. Nature. 415.3. Lewis S. L. and Maslin M. A. 2015. Defining the Anthropocene. Nature. 519. 4. Rockström J. et al. 2009. A safe operating space for humanity. Nature. 461.5. Victor P. 2010. Questioning economic growth. Nature. 468.6. Starr D. 2016. The carbon accountant. Science. 352 (6302).7. Tollefson J. and Weiss K. 2015. Nations adopt historic global climate accord.

Nature. 528. 8. Staffas L. et al. 2013. Strategies and Policies for the Bioeconomy and Bio-

Based Economy: An Analysis of Official National Approaches. Sustainability. 5:2751-2769.

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12. Jiménez-Sánchez y col. 2012. Genómica y bioeconomía: ventana de oportunidad para el crecimiento económico de México. México, D.F.: El Colegio de México.

13. FCCyT. 2012. Ciencia e innovación en México: cuatro grandes proyectos. FCCyT ISBN: 978-607-9217-07-5.

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2014; Hidalgo.17. Campbell J. 1982. “Grammatical Man: Information, Entropy, Language and

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Aprovechamiento de las Propiedades

Biotecnológicas, Antioxidantes y

Nutraceúticas del Nopal

(Opuntia ficus-indica)

ORTIZ-SALAZAR F.

GÓNGORA-CAUICH J.

PACHECO-LÓPEZ N.

GONZÁLEZ-FLORES T.

ESPINOSA-SOLARES T.

SÁNCHEZ-CONTRERAS A.2

AntecedentesLa base de alimentación de aldeas e imperios de la población mesoamericana, fue ancestralmente el frijol como leguminosa, el maíz como cereal, y el chile y calabaza como verduras. Nopales, tunas y pitahayas también tenían un uso común, pero estos alimentos dependían en muchas ocasiones, de su interacción con el clima y los cambios estacionarios. La importancia del nopal no fue solo para alimentación, también fue un factor determinante en la sobrevivencia de tribus nómadas de Aridoamérica, al cruzar las rutas migratorias por las cuales, los nopales y las tunas se desarrollan en su hábitat natural, en donde predominan los paisajes desérticos, áridos y semiáridos, abarcando territorios que actualmente pertenecen, al centro norte de México y sur de EUA [1].

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Del mismo modo hay registros históricos que demuestran que la importancia ancestral del nopal y la tuna (fruto del nopal), no solo fue porque formaban parte de la dieta de humanos y muchos animales, sino también como un importante icono religioso. Como se sabe los asentamientos humanos en el centro del país, lo consideraban tan importante que incluso formó parte del escudo de Tenochtitlan, símbolo que se conserva hasta nuestros días en nuestra bandera nacional [2-3].Los nopales pertenecen al género Opuntia de la familia de las Cactáceas. De acuerdo al Instituto Nacional de Ecología (INE), se han descrito hasta la fecha, alrededor de 125 géneros y 2,000 especies de las cuales, existen 10 o 12 especies utilizadas comercialmente, entre las que destaca Opuntia ficus-indica, por ser la más ampliamente cultivada en distintas partes del mundo [4-5]. Dentro de sus características morfológicas se encuentra la presencia de tallo, cladodios en forma de paletas de forma plana, suculentos y articulados llamados comúnmente pencas. Los cladodios alcanzan una longitud de entre 60-70 cm, son catalogadas como plantas perenes arborescentes, arbustivas o rastreras simples o cespitosas generalmente con espinas, de tronco bien definido o con ramas desde la base, erectas, extendidas o postradas, cladodios carnosos o leñosos, espinas solitarias, los frutos se presentan en grupos de color blancos o ligeramente amarillentos, pueden ser secos o jugosos comúnmente llamados tunas son de tamaño y color variable, dependiendo de la variedad, las flores generalmente hermafroditas, van de colores amarillos hasta anaranjados, se desarrollan normalmente en el borde superior de las pencas maduras [3,4-6].El nopal (Opuntia spp.) se desarrolla mejor en suelos volcánicos, también lo hace en suelos calcáreos de textura franca, franco-arenosa, franco-arcillo-arenoso y en algunos casos arenas francas; con buenos drenajes y rápida permeabilidad, el rango de pH para un buen desarrollo de la planta varía entre 6.0 y 8.5. No obstante, existen ciertas limitaciones para la producción comercial del nopal (Opuntia spp.) principalmente por las condiciones climáticas y el suelo; entre las condiciones climáticas se debe contar con una temperatura media con una máxima de 35°C y una mínima de -5°C, precipitación pluvial media de 300-800 mm y una altitud entre los 800-1800 msnm [2]. Por todos estos requerimientos, actualmente la explotación comercial del nopal (Opuntia spp.) se destaca la zona centro-norte de México, en la que se encuentran los estados de Zacatecas, San Luis Potosí, Aguascalientes,

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Jalisco y Guanajuato; así como la zona centro-sur conformada por Hidalgo, Estado de México, Tlaxcala, Puebla, Querétaro y Oaxaca [5].

Producción de nopalEn México se reconocen los siguientes sistemas de producción para el nopal (Opuntia spp.) [4]: Nopal silvestre en el que se estima una superficie de 3 millones de hectáreas en suelos pobres y/o zonas áridas o semiáridas donde se utilizan las especies silvestres como: O. robusta, O. streptacantha, O. leucotricha, O. hyptiacantha y O. chavena.Nopal en huertos familiares: Se desconoce el área de producción siendo huertos dentro del medio rural donde su consumo es importante en la meseta central y norte del país siendo mayormente catalogado como de autoconsumo o comercializado en mercados regionales.Plantaciones comerciales: Las plantaciones comerciales ocupan poco más de 210 mil hectáreas, 50 mil destinadas a la producción de tuna, más de 10 mil a producción de nopalitos, 150 mil destinadas a forraje y aproximadamente 100 para producción de grana cochinilla. La zona de mayor producción en México se encuentra en la delegación Milpa Alta en el Ciudad de México.

Usos y aplicaciones del nopal (Opuntia ssp)Entre los usos que la población le ha dado al nopal (Opuntia spp.), se destaca la alimentación, formando parte de diversos platillos tradicionales como ensaladas, sopas, tortillas, jugos y dulces. En la industria de alimentos para animales y humanos, se han obtenido a partir de los cladodios, suplementos alimenticios ricos en fibra, así mismo la tuna es consumida en su forma natural o procesada en forma de mermelada, jalea, licor de tuna, jugos, néctares, productos deshidratados, concentrados, todos ellos apreciados por su agradable sabor dulce, debido al alto contenido y perfil de azucares característico. Gracias a la viscosidad que poseen los mucílagos del nopal, estos pueden ser utilizados como espesantes en diversos productos de la industria alimentaria [7].En el sector de la construcción estos mucilagos obtenidos de los cladodios, se ha usado como compuestos ligantes y en el sector energético los cladodios se ha propuesto como fuente de biomasa en la producción de biogás o en la obtención de etanol, considerando sus residuos en la producción de insumos para la agricultura como mejoradores del drenaje de suelos [4-8]. Sin olvidar algunos;Usos tradicionales que por su importancia actualmente siguen

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vigentes, como en el caso de la industria textil, en donde el nopal, es hospedero de la grana cochinilla para la producción de colorantes naturales, también usado como forraje en tiempos de sequía para ganado en zonas áridas o semiáridas o bien, simplemente como cerco vivo para delimitar propiedades y huertos familiares [4-9].Entre las aplicaciones tecnológicas que se la ha dado al nopal (Opuntia spp.), se ha reportado que los polisacáridos en el mucílago del nopal (Opuntia spp.) contienen azúcares como ramnosa arabinosa, galactosa y xilosa, llegando a la conclusión de que es el mucílago de gran tamaño, como la pectina soluble en agua, el que promueve la fluctuación pudiendo funcionar como clarificador de agua [7, 10, 11-12].Sin embargo, sus propiedades nutracéuticas destacan en cuanto a sus posibles usos y aplicaciones. Este trabajo de revisión tiene como finalidad ampliar el panorama sobre las características del nopal (Opuntia spp.) para generar nuevos objetivos de investigación y desarrollo enfocadas hacia tecnologías alimentarias, agroalimentarias o biotecnológicas que combinen las técnicas utilizadas por nuestros ancestros, mejorándolas para solucionar los nuevos retos que el mundo moderno exige día con día.En este sentido, aquí destacamos las propiedades nutracéuticas del nopal ampliamente estudiadas, ya que éste ha sido utilizado como hipoglucemiante natural para controlar la diabetes mellitus, se sabe que ayuda a controlar la obesidad y disminuir los niveles de colesterol; por ello ha incursionado en la industria productora de aditivos naturales como goma de cladodios, colorantes obtenidos de la fruta. Incluso estas mismas propiedades benéficas se aplican para la elaboración de productos cosméticos que favorecen la salud del cabello y la piel. La elaboración de champús, cremas limpiadoras y cremas humectantes a base de nopal, nutren a la industria cosmeceútica [5,6].Normalización del nopal (Opuntia spp.)El nopal (Opuntia spp.) debido a su importancia económica, tiene como referencia de calidad para consumo a la Norma Mexicana NMX-FF-068-SCFI-2006 - Hortalizas Frescas - Nopal verdura (Opuntia spp.) - Especificaciones, en donde se presentan las especificaciones para clasificarlo según su calidad, tamaño y variedad. En la tabla 1, se muestran las principales especificaciones que se establecen en la norma mencionada, así como las condiciones y características que debe cumplir el nopal verdura destinado para el consumo

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humano, y que se comercializan en el territorio nacional [13].Tabla 1. Especificaciones de calidad del nopal (Opuntia spp.)

(Modificado de NMX-FF-068-SCFI-2006)Especificaciones por Tamaño

Tamaño Longitud (cm)

A 25.1 o másB 18.1 a 25.0C 11.1 a 18.0

Cambray 7.0 a 11.0

Especificación del Producto:Clasificación de Calidad

Especificación México Extra México 1 México 2Microbiológicos Libre al momento

del empaqueLibre al momento del empaque

Libre al momento del empaque

Biológico Libre de daños al momento del empaque

Cuando afecte un área de 0.5% de la superficie del cladodio

Cuando afecte un área de 0.5% hasta el 1% de la superficie del cladodio

Físicos mecánicos (Manejo)

Cuando afecta a un área de hasta 0.5% de la superficie de cladodio

Cuando afecte un área mayor del 0.5% hasta 1% de la superficie del cladodio

Cuando afecte un área mayor del 1% hasta 3% de la superficie del cladodio

Climáticos (Heladas y granizo)

Libre de daños Cuando afecte un área no mayor de 0.5% de la superficie del cladodio

Cuando afecte un área mayor de 0.5% hasta el 1% de la superficie del cladodio

Alteraciones Morfológicas (Deformaciones)

Libre de deformaciones

Se admite un máximo de 3% por unidad de empaque

Se admite un máximo de 3.1% a 6% por unidad de empaque

Tolerancia del tamaño

10% 15% 20%

Especificación México Extra México 1 México 2Defecto menor Se permite Se permite Se permiteDefecto mayor No se permite Se permite Se permiteDefecto Crítico No se permite No se permite Se permitePorcentajes de defectos

No mayor a 5% No mayor a 8% No mayor a 12%

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Información nutrimental y beneficios a la salud.En cuanto a su composición nutricional, de acuerdo al Sistema Mexicano de Alimentos Equivalentes (SMAE), en la Tabla 2 se presenta un resumen del aporte nutricional por el consumo del nopal (Opuntia spp.), en la cual se muestran los valores de Ingesta Diaria Recomendada (IDR) para la población mexicana en diferentes etapas de la vida [14].Tabla 2. Composición nutricional del nopal (Opuntia spp.) crudo y cocido

de acuerdo al SMAE, (Modificado) [14-15].Alimento Nopal cocido Nopal Crudo

Porción sugerida 1 taza 2 piezasPeso redondeado (g) 149 140

Energía (Kcal) 22 22Proteína (g) 2 1.8Lípidos (g) 0.1 0.1

Carbohidratos (g) 4.9 4.5Fibra (g) 3 3.2

Vitamina A (µg RE) 32.8 30.9Ácido ascórbico (mg) 7.9 12.5

Ácido Fólico (µg) 4.5 4Hierro no HEM 0.7 0.8Potasio (mg) 291 345.4

Valores de Ingesta Diaria Recomendada (IDR), de proteínas 1.8 g, carbohidratos 130 g y lípidos 25-35 g por kg de peso corporal y por rango de edad desde 1 a 60 años de edad. Para mujer embarazada 8.5 g de proteína por kg de peso en promedio durante el segundo y tercer trimestre; Lactancia con13.5 g de proteína por kg de peso en promedio durante el primer año. Lípidos totales durante el embarazo y lactancia de 25-30 g por kg. Carbohidratos durante el tercer trimestre de 175 g por día y durante la lactancia 210 g por día.

En ésta tabla se puede apreciar que el nopal tanto fresco como cocido tiene un bajo aporte energético por porción, complementado por un bajo contenido de lípidos y aunado a ello, también se tiene la presencia de vitamina A y ácido ascórbico como precursores antioxidantes y ácido fólico (Vitamina B9) que es esencial en mujeres antes de la concepción, durante el embarazo y en las primeras etapas de la vida [16].Fibra en el nopal (Opuntia spp.)El nopal (Opuntia spp.) es rico en fibra dietética y su contenido es comparable al de varias frutas y hortalizas (verduras como: espinaca, alcachofa, acelga, berenjena, brócoli, rábano, y frutas como: el mango, melón, damasco y

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la uva). Además el nopal (Opuntia spp.) es rico en minerales como el calcio y potasio (93 y 166 mg/100g, respectivamente) y debido a su bajo contenido de sodio (< 2 mg/100g), tiene una clara ventaja para la salud humana, en enfermedades vasculares como la hipertensión [14, 17, 18-19].Gracias al presencia de fibra, el nopal (Opuntia spp.) tiene uno de los mayores beneficios en la salud humana, ya que el Índice glucémico que posee es muy favorable, entendiendo por índice glucémico (IG) el área bajo la curva de concentración de glucosa sanguínea que se produce hasta las dos horas después de la ingesta de una determinada cantidad de alimento, el IG indica en valores numéricos la velocidad con la que llegan los hidratos de carbono al torrente sanguíneo, considerando los valores de 70 o más como un alimento con IG alto o rápido, si se encuentra entre 59 y 69 el IG es moderado y si el valor se encuentra en 55 o menos es un alimento con IG bajo, observando que los alimentos con IG bajo tienen una menor tendencia a reducir los niveles de HDL (lipoproteínas de alta densidad) o a elevar los niveles de triglicéridos, tomando en cuenta que el IG puede ser modificado por la interacción con varios alimentos consumidos a la vez (lípidos y proteínas), el grado de madurez de frutas, la presencia de fibra o el método de cocción, por ello en la actualidad se usa el término de carga glucémica (CG) como indicador no solo de la cantidad de hidratos de carbono que se consumen, sino de la calidad de éstos contenidos en cada alimento. En el caso del nopal (Opuntia spp.), el IG por el consumo de una porción de 100g, es de 7, representado una alternativa de alimentación en la dieta de pacientes con diabetes mellitus tipo 2 debido a que su CG es cero [14-20].Clasificación por tipo de fibraSiendo la fibra uno de los componentes importantes del nopal (Opuntia spp.), es importante conocer qué tipo y la calidad de fibra que contienen los diferentes cultivares. Para ello, en esta revisión consideramos las diferentes acepciones que se tienen para fibra y las asociamos a las propiedades que se han identificado para la fibra de nopal.La fibra dietética, es un grupo amplio de sustancias que se encuentran en los vegetales (tallos, semillas, piel y estructuras de soporte de las hojas) y que comparten la característica de no ser digeridos en el intestino delgado de los humanos, debido a que en general está constituida por celulosa, lignina, hemicelulosa, pectina, inulina, agar, quitina, gomas, silicatos, mucílagos y almidón resistente [14].

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De este modo, la fibra dietaría puede clasificarse según su composición como: Fibra verde o vegetal: Integrada por los componentes de la pared celular de las plantas, como lo son la celulosa, hemicelulosa y lignina. La Fibra dietética total: Incluye la totalidad de los compuestos, fibrosos o no, que no son digeridos por las enzimas del intestino humano. Mientras que la;Fibra bruta o cruda: es el residuo libre de cenizas que resulta del tratamiento en caliente con ácidos y bases fuertes, esta constituye entre el 20 y 50% de la fibra dietética total. La fibra también se puede clasificar de acuerdo a la solubilidad que ésta tiene en agua, catalogándola como: Fibra soluble: La que forma una mezcla de consistencia viscosa, cuyo grado depende del alimento digerido.Fibra insoluble: Formada por una mezcla de baja viscosidad, característica propia de la celulosa, la mayoría de las hemicelulosas y de la lignina.Se ha reportado que la composición de la fibra de cladodios cambia según la edad del cladodio. Lo que significa que el contenido de fibra insoluble aumenta con la edad del cladodio, mientras que la fibra soluble disminuye. Yam Ucan, 2016 evaluó el efecto de la edad del cladodio Opuntia ficus indica en relación al contenido de fibra, celulosa y calcio para las variedad Milpa Alta, Atlixco y Copena cultivados en el estado de México. Sus resultados indican que la edad y la variedad vegetal afectan la concentración de la fibra soluble e insoluble, así como su capacidad de retención de agua se asocia con un mayor contenido de fibra soluble, sin afectar significativamente las propiedades de acidez y pH (tabla 3); Del mismo, modo se ve afectada su composición química, observando un aumento en la concentración de calcio por la edad del cultivar. Sin embargo, sabemos que las propiedades saludables del cladodio también se ven afectadas por las condiciones de cultivo y el método de procesamiento posterior a la cosecha [21].

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Tabla 3. Evaluación Fisicoquímica de harina de cladodio de nopal; contenido de Fibra soluble, insoluble y total, de diferentes variedades de

harina de nopal (Opuntia ficus-indica) [21].

6 meses 12 meses

Milpa Alta Atlixco Copena Milpa Alta Atlixco CopenaAcidez

titulable % 0.382a 0.633b 0.255a 0.338a 0.339a 0.444b

pH 4.94a 5.02a 5.3a 4.85a 4.81a 4.93a Minerales

% Calcio 3.24 3.98 5.00 4.93 4.62 5.67

Magnesio 1.06 1.44 1.42 1.00 1.03 1.32 Potasio 3.48 3.67 5.68 2.61 2.26 4.72 Sodio 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.02

Fosforo 0.09 0.25 0.74 0.11 0.27 0.74 Letras diferentes en cada renglón indican diferencia significativa α= 0.05 de confianza

6 meses 12 meses

% de Fibra

Milpa Alta Atlixco Copena Milpa Alta Atlixco Copena

insoluble 14,03 16,53 15,69 17,25 19,80 16,45Soluble 20,04 27,91 27,13 17,38 5,45 28,43

Total 34,08 44,42 42,87 34,64 25,25 44,81CH

(ml/g de fibra)

4,55 4,73 4,67 4,12 3,82 4,67

Capacidad de hinchamiento malla 500 µm (CH)

Por otro lado, también se puede clasificar a la fibra por el grado de fermentación que sufre en el colon, después de su consumo. En muy fermentable, una fibra con mayor cantidad de hemicelulosa soluble que insoluble, fermentando mejor aquella que contiene oligosacáridos (fructooligosacáridos (FOS) y galactooligosacáridos (GOS)), gomas, mucílagos, inulinas, pectinas o almidón resistente, logrando una degradación rápida y completa en el colon. Por su parte la poco fermentable, es aquella cuyo contenido de celulosa y lignina, es muy

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resistente a la degradación bacteriana en el colon y es excretada de forma intacta por las heces, la eficiencia y la velocidad del proceso de fermentación, dependerá del grado de solubilidad y del tamaño de las partículas, siendo más rápido a mayor solubilidad y menor tamaño [22-23]. Principalmente la fibra fermentable tiene la capacidad de retener agua y aumentar masa fecal lo que se traduce en un aumento del peristaltismo, con una disminución del tiempo de tránsito intestinal, y disminución de la presión abdominal, útil en la prevención y tratamiento del estreñimiento [23]. En este sentido el nopal verdura que se cosecha entre 3 y 4 meses de edad, garantiza un buen contenido de fibra soluble, por lo que su consumo en fresco trae mayores beneficios a la salud.Sin embargo, para que un producto pueda ser considerado como un prebiótico, debe cumplir con ciertas características, como resistir la digestión en el intestino delgado, con un cierto grado de hidrolización y fermentación por la flora intestinal, potenciando selectivamente el desarrollo bacteriano, por la capacidad de los hidratos de carbono presentes, para estimular la proliferación de bacterias “deseables” y controlar las “no deseables”. En este sentido actualmente no se ha probado que la fibra de nopal tenga un efecto prebiótico, pero debido a que es un alimento que no es del todo digerible, se considera que su consumo cotidiano, puede resultar ser beneficioso para el individuo, debido a la estimulación selectiva del crecimiento y desarrollo de una o varias bacterias benéficas presentes en el colon. Este y otros estudios que comprueben los beneficios que aporta el consumo del nopal (Opuntia spp.) como un prebiótico, se encuentra actualmente en desarrollo y son un foco de atención en futuras investigaciones.Sabemos que el aumento del volumen de las heces y un incremento en la actividad metabólica bacteriana, favorece la eliminación de compuestos tóxicos (derivados fenólicos, iólicos, etc.), en diversos estudios se demuestra que la microbiota es un importante factor que contribuye a la acumulación de grasa corporal. Por ello, una de las hipótesis a probar, es que se puede alterar la ecología microbiana en el intestino, para disminuir la disfunción, debido a la intensa actividad metabólica y la naturaleza antigénica de flora bacteriana. Esto debido a que las enzimas bacterianas pueden degradar a las enzimas pancreáticas, dañando la superficie de absorción intestinal y liberando toxinas hasta alterar el medio intestinal de múltiples maneras. Produciendo elevación de la glucosa, la insulina, la leptina y

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triglicéridos en la sangre. Por ello, resulta muy importante mantener un equilibrio favorable para la proliferación de bacterias “deseables” [23-24].

La fibra en la prevención de enfermedadesEl rol de la fibra dentro de la nutrición clínica se han relacionado con la prevención de múltiples enfermedades, tenido un papel importante desde la década de los años 70, para prevenir enfermedades características en la sociedad occidental, como lo son la enfermedad coronaria (EC), diabetes mellitus tipo 2 (DM2) o algunos tipos de cáncer [20-23].Diversos estudios epidemiológicos han encontrado una asociación inversa entre la ingesta de fibra, especialmente la fibra soluble y el riesgo de EC. Siendo una mayor ingesta de fibra responsable de la reducción de los niveles de colesterol LDL (Lipoproteína de baja densidad), sin modificar los niveles de HDL y reduciendo los valores de triglicéridos (TG), además de mejorar la sensibilidad a la insulina [20,23-25].Estos atractivos compuestos funcionales presentes en el nopal (aditivos naturales: gomas, colorantes, etc.) pueden ser utilizados por la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética. El sector agroindustrial actualmente procesa cladodios en forma de harina, para ser comercializado como suplemento alimenticio. Sin embargo, las diferentes fracciones de compuestos nutraceúticos también pueden ser extraídos y caracterizados con la posibilidad de una utilización integral, a fin de obtener un aprovechamiento al máximo de sus materias primas, aumentando la rentabilidad de la empresas y junto con ello, promover su consumo en diferentes alimentos procesados. Es por ello que las ventajas nutricionales de que ofrece el nopal (Opuntia spp.) y la tuna, deberán promoverse dentro de la dieta cotidiana, a modo de que favorezcan la disminución de la prevalencia de enfermedades, crónico degenerativas, como la diabetes mellitus tipo dos, las enfermedades coronarias, dislipidemias, y/o el síndrome metabólico, ya que todas estas enfermedades tratadas en hospitales del sector público, están teniendo cada vez más una mayor demanda de recursos públicos. Es importante resaltar que el aumento en el consumo de fibra soluble dentro de la dieta, está abriendo camino a una nueva forma de desarrollo de alimentos funcionales, dando paso hacia una nueva tecnología de alimentos enfocada más allá de la nutrición humana, con una repercusión en el ámbito nutracéutico. Alimentos cuya demanda tiene características específicas, que logren un desarrollo económico y social en distintas

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comunidades productoras y junto con ello, la apuesta hacia el desarrollo de nuevas tecnologías de transformación y producción de alimentos.Finalmente no está demás mencionar los estudios recientes, como los realizados por Serrano-López et al. en donde se plantea el aprovechamiento de las zonas áridas de México a partir de las propiedades del nopal (Opuntia spp.) y la tuna (fruto de Opuntia ficus-indica) como potenciales en la generación de etanol, en específico de la región del Valle del Mezquital, dando como resultado numerosas ventajas desde la óptica socioeconómica y ambiental, siendo que el resultado de un porcentaje mayor al 20% de azucares reductores, útiles para la generación de bioetanol de segunda generación [26]. Esto comparado con el menor beneficio económico que se obtiene por el valor de venta anual oscilando en promedio de tan solo dos mil pesos por hectárea. [26]. Así mismo los estudios realizados por López-Romero et al en los cuales se presenta una mejora significativa comparando los hidratos de carbono provenientes de nopal contra glucosa, como ejemplo la disminución de la concentración de glucosa en sangre, disminución de insulina, disminución en los niveles de Polipéptido Inhibidor Gástrico (GIP, por sus siglas en inglés) tras dos horas de ingesta [27]. Por ende, la búsqueda de nuevas fuentes experimentales, como es .el caso del bioetanol que están orientadas a una nueva forma de obtención de un combustible, ya que también pueden permitir el desarrollo de una sociedad económicamente sustentable, para alcanzar a los países del primer mundo que apuestan por recursos excedentes o de poco aprovechamiento, con características probadas en laboratorio y listos para una implementación a nivel piloto, para la generación de energía.

Conclusión y perspectivas.Gracias a la revisión de literatura y a los resultados obtenidos en los últimos años, el planteamiento para la utilización integral del nopal (Opuntia ficus-indica) y sus variedades, tienen una gran perspectiva para su aprovechamiento que llevaría grandes beneficios en distintos sectores industriales, ya que son pocas las especies vegetales que tienen esta flexibilidad de uso; de igual forma se requiere del desarrollo de más estudios en el ámbito nutricional para proporcionar y reafirmar una confianza en la población mexicana para un consumo, intentando generalizar su consumo a nivel nacional y no solo exclusivamente en el centro y norte del país, como se ha hecho de manera tradicional.

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Consideramos importante la difusión de los resultados de investigación en materia de salud por el consumo de productos alimentarios a base de nopal y que el personal de atención primaria, médicos y nutriólogos cuenten con herramientas de soporte científico que permita dar difusión a los resultados obtenidos para apoyar a pacientes con enfermedades crónicas y recidivantes a controlar su estado de salud, como en el caso de la Diabetes Mellitus tipo 2 que afecta a gran parte de los derechohabientes del sistema de salud público (IMSS e ISSTE), en cuyo caso una nutrición adecuada junto con una suplementación enriquecida con las características del nopal generará un cambio gradual, permanente y benéfico, no solo en el aspecto nutricional sino en el estilo de vida del paciente.Por otro lado el nopal (Opuntia spp.) en la industria de los biocombustibles puede ampliar sus fronteras con la utilización y búsqueda de nuevos sustratos para la obtención de bioetanol no solo para el desarrollo de esta área sino como fuente económica para fomentar el comercio justo y la producción de nopal en zonas donde las condiciones climáticas representan una barrera para el cultivo intensivo de otros vegetales o para la crianza de ganado teniendo en cuenta éste último sector (ganadero) como una forma de alimentación en tiempo de sequía activando una segunda economía en las zonas o regiones menos favorecidas climáticamente. El nopal (Opuntia spp.) debe representar un nuevo nacionalismo ya que nuestros antepasados apreciaron y reconocieron la importancia y las propiedades de forma empírica, éste no solo debe ser visto como parte del escudo nacional, sino que debe formar parte de un nuevo escudo para el desarrollo biotecnológico, agroindustrial y nutricional frente a los retos del nuestro mundo cambiante y dinámico. Siendo un icono ahora por la evidencia de que, el nopal (Opuntia ficus-indica), puede ser aprovechado a nivel mundial como materia prima, siendo México el principal productor que podría impulsarnos hacia nuevos horizontes con una nueva visión hacia un país de primer mundo.

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Maíz (Zea mays): Componentes con

Actividad Funcional

FERNÁNDEZ-SÁNCHEZ A.M.

GOMÉZ-ALDAPA C. A.

CARIÑO-CORTÉS R.

AntecedentesEl maíz es considerado uno de los cereales más importantes a nivel mundial junto con el arroz y la avena. Durante el año 2008 se produjeron más de 750 millones de toneladas métricas, los principales productores de este grano son Estados Unidos, la Unión Europea, China, México y la India y se considera aliento básico para más de 200 millones de personas [1]. Es probable que se comenzara a cultivar hace unos 7 mil años, se considera que proviene del teocintle (Zea mays sp. Mexicana) que crece de manera silvestre en la Mesa Central de México [2]. Es la planta más domesticada y evolucionada del reino vegetal. En México hay 41 razas de maíces descritas y sus colores negro, morado y rojos se deben a las antocianinas, las cuales están presentes en el pericarpio, la capa de la aleurona o en ambas estructuras del grano [3].La mazorca o panoja es la estructura donde se desarrolla en grano, el cual puede agruparse en un número variable de hileras (12 a 16), y contiene aproximadamente de 300 a 1000 granos [4]. El grano o semilla del maíz se considera botánicamente como un fruto seco e indehiscente denominado cariópside, donde el embrión se encuentra adherido a todos los componentes del óvulo desarrollado [2]. El grano maduro se constituye de tres partes principales, el pericarpio o capa exterior, el endospermo que representa entre el 80 a 84% del

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peso del grano y el germen que se encuentra en el extremo inferior del grano [5]. En la elaboración de alimentos puede utilizarse todo el grano, maduro o no; puede sufrir también procesos como la molienda para la obtención de un número amplio de productos intermedios [4].Aproximadamente el 42% de la panta está determinado por la parte comestible de la misma (granos o cariopses). Se reconocen tres compartimentos que constituyen al grano, el endospermo (83%, embrión o germen (11%) y el pericarpio o cascarilla (6%). La composición nutricional dependerá de las condiciones ambientales, la genética de la planta así como de la variedad y localización de la planta [1].

Composición químicaEn los cereales, del 50 al 70% del peso seco está constituido por carbohidratos, de los cuales, los principales constituyentes son: almidón y otros polisacáridos [3]. Entre el 72 a 73 % del peso de grano es almidón y del 1 al 3% del grano se constituye por azúcares, principalmente sacarosa y otros como maltosa, glucosa, fructosa y rafinosa [1,4]. La fibra cruda es el principal constituyente de la cascarilla, el pericarpio presenta un contenido aproximado del 87%, constituida fundamentalmente por hemicelulosa (67%), celulosa (23%) y lignina (0.1%) [1]. En lo que respecta al contenido de proteínas, en las variedades comunes de maíz, este puede oscilar entre el 8 y el 12 % del peso del grano, las cuales, en su mayoría se localizan en el endospermo [4]. Las proteínas principales son prolaminas, también conocidas como zeínas, éstas contienen grandes cantidades de aminoácidos como glutamina, prolina, leucina y alanina y son relativamente deficientes en los aminoácidos esenciales lisina y triptófano [5]. Existen cuatro tipos dependiendo de su solubilidad y secuencia: alpha, beta, gamma y delta [4]. El contenido de grasas está constituido principalmente por ácidos grasos poliinsaturados como el linoleico, fundamente se encuentran en el germen y representan del 1 al 3% del grano. El contenido de vitaminas liposolubles se localiza en el endospermo (vitamina A) y el germen (vitamina E). Las vitaminas hidrosolubles se encuentran en la capa de aleurona, por lo que durante el procesamiento industrial se presentan pérdidas considerables. Las cenizas están constituidas por fósforo, potasio magnesio y otros minerales [5].

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Compuestos bioactivos del maíz y su efecto en la saludCarotenoidesSe conocen más 600 carotenoides los cuales se diferencian por modificaciones en su esqueleto molecular, son una familia de pigmentos naturales que van desde al amarillo, naranja y rojo. No son sintetizados por el ser humano por lo que tiene que adquirirse por medio de la dieta, existen dos tipos, los carotenos y las xantofilas [6]. La xantofilas luteína y zeaxantina, son los principales carotenoides presentes en el maíz [7]. Dentro de los granos, el maíz amarillo es considerado como una buena fuente de carotenoides, sobre todo en el endospermo del grano [6].Se han reportado con anterioridad efectos benéficos del consumo de carotenoides del maíz, alguno de ellos son, mejora la función inmunitaria, bloquea el desarrollo de tumor mamario, confiere protección contra la ceguera provocada por degeneración macular [7]. En relación a lo anterior, la luteína y la zeaxantina son los principales carotenoides dietéticos encontrados en la retina humana; a los cuales se han atribuido propiedades como la protección ante las especies reactivas de oxígeno y daño por luz azul a la macula, con ello reduce el riesgo de padecer cataratas y degeneración macular [8].El maíz tiene un contenido relativamente alto de carotenoides no provitamina-A, 21.9 µg/g de peso y 10 µg/g de luteína y zeaxantina, respectivamente. Los grupos polares presenten en ambos las convierten en compuestos polares, la liberación de los mismo de la matriz alimentaria y su absorción, son factores que determinan sus efectos benéficos en la salud. Ambos, son transportados a la retina en la misma proporción que en el plasma, posteriormente transferidos a la mácula donde la zeaxantina en convertida en meso-zeaxantina. El mecanismo de acción de dicha protección, podría darse principalmente por la capacidad de atrapar radicales libres, la cual ha sido probada por métodos como ensayo de DPPH y la habilidad de atrapar el radical catiónico ABTS, que se han realizado en productos fortificados con luteína [8].Por otro lado, se han estudiado otros efectos benéficos de los carotenoides del maíz, algunos de ellos, relacionados con procesos de vasculogénesis y la angiogénesis. Dichos procesos se estudian para conocer la formación de vasos sanguíneos, los carotenoides del maíz son una opción importante para regular la formación de vasos sanguíneos. El estudio realizado por Kuhnen y colaboradores en el año 2009, donde se observó el efecto de carotenos y xantofilas del maíz sobre la angiogénesis y vasculogénesis

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en saco vitelino, y membrana corioamnióticas en embriones de pollo de 2 y 6 días. Encontraron que los carotenoides del maíz (particularmente la zeaxantina), inhiben el proceso de vascularización en una relación dosis respuesta, a diferencia del grupo control negativo tratado con metilcelulosa, donde no se detectó inhibición de la vasculogénesis (23 a 52%), los controles positivos con ácido retinóico y luteína resultaron potentes inhibidores con el 57 % y 55% respectivamente [7].El efecto protector de las xantofilas están relacionados con sus propiedades de atrapar radicales libres, los embriones son susceptibles al ataque oxidativo por lo que requieren de la protección de componentes como los carotenoides. Por lo tanto, los extracto ricos en carotenoides como zeaxantina y luteína podrían proteger a los embriones del daño o muerte provocada por el estrés oxidativo, aunque se contemplan otros mecanismos diferentes. Concluyen que la zeaxantina y la luteína podrían jugar un papel importante en la prevención de enfermedades relacionadas con la formación de vasos sanguíneos descontrolada [7]. Por otra parte, otros estudios han indicado que el efecto anti-tumoral de la zeaxantina y luteína se debe, debido a los grupos hidroxilo presentes. Además la luteína se considera un agente quimioprotector el cual puede inhibir la hepatocarcinogénesis [6].PéptidosLas proteínas de origen vegetal son fuente abundante de péptidos bioactivos, el maíz ha mostrado ser fuente proteínas para la obtención de péptido antioxidantes. La harina de gluten de maíz contiene 65% de zeína y 30% de glutelina, ricos en aminoácidos hidrofóbicos y aminoácidos ramificados [9]. Por lo que se pueden obtener por hidrolisis enzimática, diferentes péptidos con propiedades bioactivas como, inhibición de la enzima convertidora de angiotensina, péptidos antioxidantes y mejoran el metabolismo de lípidos, además de proteger ante el daño hepático por el consumo de alcohol en exceso [9,10].En el estudio realizado por Wang y colaboradores (2015), donde obtiene dos fracciones de péptidos (CPF1 y CPF2); realizaron pruebas de ABTS para valorar su capacidad de atrapadora de radicales libres. El CPF1 mostró mayor actividad en comparación con la CPF2. En las pruebas de capacidad de absorción de radicales de oxígeno (ORAC), las fracciones obtuvieron valores de 935.43±28.10 y 833.34±29.29 µM TE/g de péptido para la fracción CPF1 y CPF2 respectivamente. Por otra parte, los resultados también indicaron que los péptidos presentaron efecto citoprotector ante

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el daño inducido con peróxido de hidrógeno (H2O2), lo anterior podría ser debido no solamente a la acción contra radicales libre de oxígeno de manera directa, también podrían estar sucediendo alguna vía de señalización relacionadas con la defensa celular ante el estrés oxidativo [9].La composición de aminoácidos de cada péptido influye en su actividad bioactiva, en ambos péptidos se encontraron varios aminoácidos que se ha aceptado tienen capacidad antioxidante, entre ellos, His, Tyr, Met, Leu, Trp y Lys. Además, contienen un nivel alto de aminoácido hidrofóbicos, como, Ala, Val, Met, Ile, Leu, Phe, Pro y Typ, los cuales han demostrado tener un papel crítico en el efecto antioxidante. Por lo que la gran presencia de estos aminoácidos explica la actividad de los péptidos estudiados, por otra parte, el péptido CPF1 mostró mayor actividad antioxidante, lo cual se puede explicar porque tiene mayor cantidad de residuos de aminoácidos con N-terminal y C-terminal [9].Con la finalidad de observar el efecto de péptidos de maíz sobre el perfil de lípidos, estrés oxidativo, inflamación y daño hepático, en hombres con consumo crónico de alcohol e hígado graso, Wu y colaboradores (2014) administraron 4g/d de péptidos de maíz comparado con proteína de suero de leche a la cual, también se ha estudiado por sus propiedades antioxidantes y antiinflamatorias. Después de 9 semanas de tratamiento, el grupo tratado con el péptido disminuyo significativamente las concentraciones séricas de colesterol total y triglicéridos, actividad de las enzimas aspartato aminotransferasa (AST) y alanino aminotransferasa (ALT) comparado con el grupo al que se administró la proteína de suero de leche. Además de mejorar la respuesta antioxidante incrementando la actividad de la superóxido dismutasa (SOD) y glutatión peroxidasa (GPx), así como una disminución de malondialdehído (MDA) y factor de necrosis tomural alfa (TNF-α), lo anterior comparado con los otros dos grupos de estudio [10].Por su parte, Li y colaboradores (2007), estudiaron el efecto protector de un péptido de maíz contra el daño hepático durante el consumo de alcohol agudo. El péptido utilizado es rico en ácido glutámico, leucina, alanina y residuos de prolamina, los cuales juegan un papel importante en el metabolismo del alcohol. Los grupos suplementados con el péptido presentaron menor concentración de MDA y triglicéridos, de manera contraria la concentración de Glutatión reducido se vio incrementada, por lo que se asocia al péptido con un efecto protector da la peroxidación a nivel hepático, producida por el consumo de alcohol [11].Los posibles mecanismo se relacionan con la capacidad de los

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péptidos de abastecer de NAD+ durante el metabolismo del alcohol, modulando la proporción de NADH/NAD+, modificando con lo anterior el sistema redox, el cual está relacionado con alteraciones metabólicas como hiperlipidemia e hígado graso. También el poder antioxidante de estos péptidos, se considera un mecanismo de hepatoprotección disminuyendo la producción de radicales libre y de TNF-α [10].FitoesterolesSon esteroles producidos por las plantas, constituyentes menores de los aceites vegetales encontrándose como parte de las membranas y paredes celulares. Estudios han mostrado que el aceite extraído de los granos enteros del maíz es rico en fitoesteroles, la distribución en el grano es variada entre el endospermo, pericarpio y germen. Los esteroles más comunes que se pueden consumir en el aceite de maíz son, sitosterol, estigmasterol y campesterol, pertenecientes a la clase 4-desmetilesteroles [6]. El contenido de fitoesteroles en el aceite de maíz es variable entre 8g/kg, la concentración en cada planta depende de factores genéticos y los diferentes estados de cultivo, pueden ser obtenidos por procesos de refinación de los aceites vegetales para su desodorización y posteriormente se realiza una destilación molecular [12]. El consumo de fitoesteroles tiene efectos benéficos, entre ellos, la disminución de colesterol LDL y colesterol total séricos, debido a la inhibición de la absorción intestinal y la estimulación subsecuente de la síntesis de colesterol, disminuyendo las reservas. Estudios a largo plazo muestran que el consumo de fitoesteroles extraídos del aceite de maíz reducen las concentraciones de colesterol, contribuyendo con ello a la prevención de la enfermedad aterosclerosa [6].El mecanismo de acción se basa, en la eficiente incorporación de los fitoesteroles en las micelas en el lumen intestinal, de esto modo, desplazan al colesterol, el cual se precipita con otros fitoesteroles no solubles. La absorción del colesterol se ve reducida de manera importante en presencia de fitoesteroles. Por otra parte, la síntesis de colesterol se ve disminuida por el estigmasterol, mediante inhibición competitiva de la esterol-reductasa [12].Además de su potencial en la reducción de colesterol circulante, los fitoesteroles se relacionan con efectos anti-cancerígenos, entre ellos cáncer de estómagos, ovario y cáncer de mamá dependiente de estrógenos. Se sabe desde hace tiempo que el estrés oxidativo puede dañar el ADN resultando en procesos de carcinogénesis, los fitoesteroles, podrían proteger a las células del daño oxidativo. También se ha estudiado el efecto de los fitoesteroles en la regulación

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del crecimiento celular, observando una reducción del 9% y 50% para células de cáncer de próstata y de mamá respectivamente. Uno de los mecanismos principales para la protección contra células cancerosas consiste en incrementar la apoptosis de dichas células por medio de un incremento en la actividad de la caspasa-3, la cual se ha visto incrementada hasta en un 60% en células tratadas con β-sitosterol [13].Estudios aleatorios muestran que el consumo de fitoesteroles, puede disminuir la concentración en sangre de β-carotenos en un 25%, α-carotenos en 10% y vitamina E en alrededor del 8%, lo anterior podría deberse a que los fitoesteroles disminuyen la incorporación de estos compuestos en los complejos micelares. Sin embargo, la ingesta de un mayor número de alimentos que contengan estos compuestos, contrarresta el efecto [14]. Es importante hacer mención que desde hace varios años se han realizado estudios para evaluar la seguridad y toxicidad de los fitoesteroles, con la finalidad de utilizarlos como ingredientes para alimentos funcionales. La FDA ha revisado y posteriormente aprobado su uso, no se han observado efectos en animales como conejos, ratas y perros después de la administración prolongada durante 2 años [15].Almidón resistenteEl almidón resistente se define como, la suma del almidón y los productos de su degradación que no pueden ser absorbidos en el intestino delgado. Han sido bien estudiados los efectos saludables del consumo del almidón resistente, entre ellos, disminución de los niveles de colesterol, modificación de la microbiota intestinal, producción de ácidos grasos de cadena corta en el intestino grueso, además de proveer características de textura, apariencia y de sensación durante la masticación, mejores comparados con otro tipo de fibras [16].El almidón resistente del maíz alto en amilosa, ha mostrado que incrementa el peso fecal así como disminución del pH, debido a la producción de los ácidos grasos de cadena corta, en especial butiratos. Sin embrago, los estudios se han enfocado a almidón resistente tipo 2 (resistente a la digestión debido a su estructura granular), por otro lado, en aquellos realizados con almidón resistente tipo 3 (amilosa y amilopectina retrogrados durante el procesamiento del alimento), sugieren protección contra daño al ADN en la mucosa del colón. De manera general se sugiere que el consumo de almidón resisten de maíz alto en amilosa, puede influir en el metabolismo del colesterol, así como en la disminución del almacenamiento de la grasa, y con ello, reducir el riesgo de

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hiperlipidemia, aterosclerosis, diabetes y obesidad [6]. Estudios muestra que el consumo de almidón resistente como un ingrediente funcional, es una forma de incrementar la secreción de hormonas relacionadas con el consumo energético mediante rutas neuronales en el cerebro [17].Por otro lado, Brites y colaboradores, estudiaron en ratas Wistar el efecto de un pan elaborado con maíz y otro con almidón resistente de maíz, sobre colesterol, triglicéridos y glucosa posprandial. Para la prueba de glucosa posprandial se observan valores menores de glucosa a los 50, 100, 150 y 200 minutos para el producto elaborado con el almidón resistente de maíz, dichas diferencias no son significativas estadísticamente. Después de 16 días de tratamiento con ambos productos se observa diminución del colesterol de 1. 94 mmol/L para el pan de maíz a 1.63 mmol/L para el elaborado con almidón resistente, siendo esta diferencia significativa, para los resultados de triglicéridos no se observa diferencias, por lo que concluye que pan elaborado con almidón resistente tiene un índice glucémico más bajo por lo que se podría tener una respuesta glucémica favorable [18].

Compuestos fenólicosDentro de los granos el maíz, principalmente el salvado, es una buena fuente compuesto polifenólicos, sin embargo; el contenido de dichos compuestos se ve afectado por variedad y las condiciones de cultivo. [6]. AntocianidinasLas antocianidinas se consideran como el pigmento más común en flores, pétalos y frutos, dichos pigmentos son producidos por la planta bajo estrés exogénico, senescencia, o como parte de la adaptación ecológica. En este sentido, pigmentos como clorofilas, carotenoides y flavonoides contribuyen a mantener el balance fisiológico [19]. Las características de las antocianinas están determinadas por su naturaleza, número y localización de los azúcares en la molécula y la adición de ácidos arómaticos y alifáticos [6]. La estructura básica se caracteriza por un esqueleto C-6-C-3-C-6, y se han reportado 18 diferentes agliconas, las seis más comunes son la pelargonidina, cianidina, delfinidina, peonidina, pentunidina y malvidina [14]. Son el pigmento más encontrado en los cereales pigmentados, entre los que se considera al maíz como el segundo con mayor concentración y variedad de ellas, especialmente el maíz azul el cual tiene el mayor contenido de entre las diferentes variedades de maíz. Aproximadamente el 70% de las antocinidinas presentes en este tipo de maíz están constituidas por derivados de la cianidina, el más importante

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el cianidin-3-glucósido [6]. Las antocininas resisten a los procesos de digestión, por lo que se les puede encontrar de manera intacta en plasma y orina absorben de manera intacta, aunque su tasa de absorción está por debajo del 1%. Aun así, se les han atribuido efectos benéficos a la salud, entre ellos, efecto anticancerígeno, antiaterogénico, antiinflamatorio, inhibe la agregación plaquetaria, protección a la mucosa intestinal, algunos de estos efectos se deben a su capacidad antioxidante [19].En extracto de maíz azul, se han reportado actividad atrapadora de radicales libres por métodos como DPPH, ABTS y FRAP, encontrando que tiene una alta actividad por lo que ayudan a mantener la homeostasis celular estimulando la producción de enzimas antioxidantes [20]. Otras propiedades como la de protección ante a carcinogénesis han sido reportadas, Yolanda y colaboradores (2013), citada por Guillén y colaboradores en 2014, atribuye efecto protector de la antocianinas ante cáncer mamario, debido a su capacidad de suprimir el compuesto carcinogénico conocido como 7,12-dimetilbenzeno antraceno [21].Con la finalidad de evaluar el efecto de un extracto de cianidin-3-glucosido, obtenido del maíz azul, Tsuda y colaboradores (2003) administraron el extracto (2 g/kg de la dieta) a ratones C57BL/6. Después de 4 semanas, encontraron que el grupo que ingirió el extracto junto con una dieta hipercalórica presento peso semejante al grupo control y menor significativamente al presentado por el grupo con dieta hipercalórica sin extracto, además, logró mantener niveles de glucosa, colesterol y triglicéridos, así como niveles de insulina y leptina [22].Lo anterior puede deberse a la capacidad del cianidin-3-glucosido, de prevenir la acumulación de tejido adiposo, así como, de disminuir la producción de citosinas proinflamatorias, además de contribuir a la expresión de enzimas relacionadas con el metabolismo energético como la ácido graso sintetasa (FAS), acil-CoA sintetasa-1 (ACS1), glicerol-3-fosfato aciltransferasa (GPAT) y el elemento regulador de la unión de esterol a proteína (SREBP-1) [22].Por su parte, Huang y colaboradores (2015), administrarón durante 8 semanas 10 y 50 mg/kg de peso de un extracto de maíz azul a ratones C57BL/KsJ db/db, observando que la administración del extracto logró disminuir los niveles plasmáticos de glucosa en 52% comparado con el grupo control, en el grupo con 50 mg se logró disminuir la hemoglobina glucosilada en un 20% y se mejorarón los niveles de adiponectina en 59% y 53% para los grupos con 10 mg y 50 mg respectivamente [23].

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El efecto protector de las antocianinas del maíz azul a las células beta, fue estudiada por Hong y colaboradores (2013). En dicha investigación reportan que al administrar 100 mg/kg/día de un extracto de antocianinas, se observa una mayor secreción de insulina comparado con otro polifenoles utilizados, incluso el efecto es mayor que la glimipirida, una sulfonilurea utilizada en el tratamiento de la diabetes. También se sugiere que el extracto de antocianinas, posee actividad anti-hiperglucémica mayor que el mismo medicamento, además de proteger a las células beta pancreáticas de la muerte [24].Una de las complicaciones más importantes de la diabetes mellitus es la nefropatía, la cual se caracteriza por daño a la microvasculatura así como hiperfiltración glomerular. La administración de un extracto de polifenoles de maíz azul mostro que es capaz de disminuir marcadores de proliferación endotelial, disminuye la hipoxia provocada por los niveles altos de glucosa y con ello previene la nefropatía, además de inhibir la angiogénesis en estados tempranos de la nefropatía, por lo que se considera una alternativa de terapia contra la neovascularización y la hipertrofia glomerular [25].De acuerdo con los resultados mencionados anteriormente, se podría concluir que las antocianidinas y sus glucósidos, solos o en combinación, mejorar la homeostasis de glucosa mejorando la función de las células beta, disminuyendo la resistencia a la insulina, mejorando la utilización de glucosa y la señalización de insulina en modelos in vivo. Por lo que, parece existir una relación estrecha entre el consumo de antocianinas y la regulación del metabolismo de la glucosa en humanos [26].Con la finalidad de estudiar el efecto de diversos procesos de cocción sobre el contenido de antocianinas y compuestos fenólicos en maíz azul ceroso, Harakort y colaboradores (2014), reportan que el cocimiento de los granos fraccionados por medio de ebullición resulta en un disminución del 60%, seguida de la ebullición de los granos enteros con pérdida del 13%, el cocimiento al vapor de los granos fraccionados resulta en una pérdida del 19%, y cocer al vapor los granos enteros solo se pierde el 3.5% [27]. Sin embargo, previamente Dewanto y colaboradores, habían estudiado el efecto del tratamiento térmico en el contenido de fenoles totales vitamina C y actividad antioxidante total en maíz dulce. Reportan incremento de la actividad antioxidante total, derivada del incremento de fenoles totales y de ácido ferúlico libre; el tratamiento térmico incrementa la porción de ésteres de ácido ferúlico solubilizados y mayor enlaces de ácidos fenólicos, además de la unión con otros compuestos fenólicos

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lo cual provoca un efecto sinérgico y aditivo con otros compuestos de actividad antioxidante como los flavonoides, a pesar de la disminución de vitamina C [28]. Lo anterior sugiere, que aún después de someter el maíz a tratamiento térmico y sufrir disminución de compuestos, conserva su poder antioxidante debido a las trasformaciones químicos de dichos compuestos.

Conclusiones y perspectivasDe acuerdo con los diferentes componentes del maíz y una vez identificados aquellos a los cuales se les pueden atribuir diferentes efectos fisiológicos, se concluye que el maíz puede ser utilizado como buen ingrediente en la formulación de alimentos funcionales; con la finalidad de obtener productos saludables y accesibles para la población. Lo anterior es un punto de gran importancia, al considerar la situación epidemiológica actual tanto de México como en diferentes países del mundo, donde las enfermedades relacionadas con el consumo de alimentos se han convertido en la principal causa de morbi-mortalidad. El Estado de Hidalgo cuenta con alrededor de 200 mil hectáreas de maíz bajo condiciones de temporal o secano, además, de las áreas de riego (56,985 hectáreas) se destina el 40% al cultivo del maíz, es por ello que el Estado además de ser participante del Sector Primario en este rubro, puede ser transformador de dicho bien para convertirlo en productos que satisfagan las necesidades de alimentación y nutrición actuales, procesando la materia prima para obtener alimentos funciones que coadyuven en la prevención y control de enfermedades crónico no transmisibles.

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Compuestos Bioactivos Como Una

Alternativa Viable Para Disminuir

La Incidencia De Enfermedades

Crónicas No Transmisibles

GUZMÁN-ORTIZ F.A.

ROMÁN-GUTIÉRREZ A.D.

CASTRO-ROSAS J.

GÓMEZ-ALDAPA C.A.

FALFAN-CORTÉS R.N.

RODRÍGUEZ-MARIN M.L.

AntecedentesSalud en el estado de HidalgoEn la entidad la Encuesta Nacional de Salud y Nutrición ha reportado una prevalencia de obesidad en niños menores de 5 años. En la población adulta el 70.1% presenta exceso de peso, por debajo de la media nacional, lo que ubica al estado de Hidalgo en el lugar número 19 con respecto a otras entidades. Sin embargo no sólo la obesidad ha sido un factor degenerativo en la salud, la desnutrición, diabetes mellitus, enfermedades hipertensivas, enfermedad cerebrovascular y enfermedades isquémicas del corazón, también generan una baja calidad de vida. La diabetes mellitus es una enfermedad de alta prevalencia en nuestro Estado y es uno de los mayores retos que enfrenta el Sistema Estatal de Salud, además

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es la causa más importante de amputación de miembros inferiores de origen no traumático y la principal causa de ceguera [1]. Los factores de causa son diversos, por una parte, los altos índices de marginación en determinadas zonas geográficas, que limitan a la población a mejores oportunidades y recursos alimenticios, siendo la mala alimentación otra de las causas primordiales de la incidencia de enfermedades, además el consumo de alimentos procesados adicionados con altas cantidades de grasas, azúcares y sal, el aumento del consumo de comida rápida y comida preparada fuera de casa para un sector creciente de la población, la disminución en el tiempo disponible para la preparación de alimentos, la mayor cantidad de publicidad sobre alimentos industrializados, productos que facilitan las tareas cotidianas y el trabajo de las personas, disminuyendo de este modo su gasto energético, además del incremento en la densidad energética y del sodio en la dieta, el consumo de bebidas calóricas que ha aumentado de forma radical en los últimos años y el sedentarismo, han sido las principales causas de enfermedades degenerativas [2]. La disminución en la adquisición de frutas y verduras ha sido notorio en comparación con el aumento en la compra de hidratos de carbono refinados y bebidas azucaradas [3]. Desde el 2009, se han implementado acciones que permitan dar respuesta a esta problemática, se han impulsado diferentes programas para combatir los deficientes hábitos alimenticios. Algunos de ellos son acuerdos mediante lineamientos para el expendio o distribución de alimentos y bebidas en los establecimientos de consumo escolar de educación básica, programa cinco pasos por tu salud, estrategia el tour de vida, encuesta Perfil Nutricional en Escolares del Estado de Hidalgo (PENUTEH), el acuerdo nacional de salud alimentaria. Estrategia contra el sobrepeso y obesidad, grupos de ayuda mutua, unidades médicas especializadas de enfermedades crónicas, Estrategia Integral de Atención a la Nutrición (ESIAN), programa PREVENISSSTE, PREVENIMSS entre otros [2]. Evidentemente el pilar fundamental de una buena salud es la alimentación, lo que ha propiciado a nivel mundial el diseño y desarrollo de nuevos alimentos a partir de diferentes fuentes, con el objetivo de generar alimentos con mejor disponibilidad de nutrientes, que sean más fácil de absorber por el organismo, compuestos bioactivos con actividad biológica, sustitución de compuestos no nutricionales por otros benéficos que conlleven a un bienestar en la salud humana. De esa manera, los

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alimentos funcionales se han convertido en una estrategia en beneficio de la salud.

Alimentos funcionalesLos alimentos funcionales son productos alimenticios fortificados o modificados con componentes especiales que poseen ventajas fisiológicas [4], su consumo se ha extendido alrededor del mundo, por el creciente interés de los consumidores en una dieta saludable [5,6]. En algunas ciudades de América Latina, las autoridades sanitarías reconocen legalmente las propiedades saludables de ciertos alimentos como leches adicionadas con fitoesteroles y ácidos grasos de origen vegetal, alimentos con oligofructosacáridos, proteína y/o isoflavonas de soya, bebidas energéticas y leches fermentadas con microorganismos [7]. El desarrollo de alimentos funcionales puede ser desde varias perspectivas, en la incorporación a un alimento convencional de compuestos con actividad biológica, eliminación de constituyentes no deseados como inhibidores de tripsina, fitatos, oligosacáridos, taninos entre otros, incremento de la concentración de un componente natural con efectos benéficos a la salud, aumento de la biodisponibilidad o estabilidad de un componente con beneficios al organismo [8].Por otro lado el desarrollo de alimentos con bajo contenido de carbohidratos digeribles se ha incrementado debido a que ayudan en la prevención y/o control de enfermedades crónicas no transmisibles como la diabetes. La utilización de harinas de cereales y/o provenientes de diversos productos agrícolas tales como plátano, tubérculos como papa camote o yuca, es cada vez más frecuente, debido a que son una fuente rica en almidón. Además de poseer otras propiedades, por ejemplo el camote, la variedad morado de este tubérculo debe su pigmentación a la presencia de antocianinas, las cuales han presentado propiedades biológicas asociadas a la prevención de cáncer de colon [9]. Y al igual que el camote, podemos encontrar muchos más productos agrícolas (cebada, centeno, chayote, betabel, nopal, etc) con propiedades importantes que impactan en la salud, pero que no se están aprovechando en beneficio de esta. Por lo anterior, es posible obtener un ingrediente funcional, con potencial uso en productos de panificación, pastas para sopa, alimentos para bebe, entre otros a partir de diversos productos agrícolas. Se sabe que, el principal responsable de las características fisicoquímicas, funcionales

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y fisiológicas en alimentos preparados con harinas de cereales, leguminosas, tubérculos y algunos frutos. Los cereales integrales son ingredientes ideales para ser utilizados en la formulación de alimentos con beneficios a la salud, debido a que además de contener carbohidratos no digeribles como la fibra (Tabla 2); compuestos bioactivos, como fenoles, vitaminas y minerales, y ácidos grasos insaturados están presentes en su composición. Dentro de los cereales destinados para la alimentación humana se encuentran el trigo, arroz, maíz, centeno, cebada y avena. De estos dos últimos, su contenido de β-glucanos, compuestos que se les ha atribuido la capacidad de reducir el índice glicémico en sangre [10,11]. En el caso de la cebada, se sabe que es el cuarto cereal más producido a nivel mundial (después del trigo. Arroz y maíz), y es el grano menos utilizado en términos de consumo humano. A nivel mundial la producción de cebada está destinada al forraje (70%), seguido de productos derivados del malteo (16%) y en último lugar a consumo humano (6%) [12]. Como se ha mencionado en nuestro país, tenemos producción de alimentos agrícolas ricos en carbohidratos complejos (fibra, almidones) y compuestos bioactivos, que no se han aprovechado ampliamente los beneficios que aportan a la salud, debido a la baja aceptación del consumidor, lo cual está relacionado con el estatus cultural y social. Siendo estos una alternativa viable nutricional y de prevención de enfermedades crónicas no transmisibles. El desafío de la investigación científica para los alimentos funcionales se centra en la necesidad de identificar nuevos ingredientes funcionales, identificar las respuestas biológicas de dichos ingredientes, definir la biodisponibilidad, el desarrollo de biomarcadores específicos que fundamente la actividad biológica, desarrollar la utilidad potencial de la genómica nutricional, la bioinformática, proteómica, metabolómica y nanotecnología, asegurar la estabilidad de los ingredientes dentro de una matriz específica y la resistencia a través de tracto gastrointestinal. La diversidad de compuestos bioactivos puede permitir el mayor desarrollo e investigación en la generación de nuevos alimentos con propiedades benéficas a la salud, previniendo una serie de enfermedades.PolifenolesDentro de los compuestos bioactivos se encuentran los polifenoles. Son sustancias presentes en alimentos de origen vegetal, que se sintetizan como metabolitos secundarios en las plantas, poseen grupos bencénicos

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con grupos por hidroxilo [13, 14,15]. Pueden ser divididos en al menos 10 diferentes clases dependiendo de su estructura química básica. Las antocianidinas, flavonoles, flavanonas, flavonas, flavanoles, isoflavonas se encuentran dentro de los polifenoles. Representan a los fitoquímicos más deseables debido a su potencial para ser utilizados en la industria alimentaria, cosmética, en medicamentos etc. [16]. El contenido de polifenoles en las plantas es determinado por factores genéticos y condiciones ambientales, así como también por la germinación, grado de maduración, variedad, procesamiento y almacenamiento. Por otro lado la biodisponibilidad y metabolismo de fenoles están determinados principalmente por la estructura química. Es importante entender su efecto en órganos y tejidos para entender su efecto fisiológico y nutricional [17].La mayoría de los polifenoles presentes en las plantas carecen de disponibilidad para ser absorbidos debido a que se encuentran como ésteres, glucósidos o polímeros. La mayoría de los glucósidos resisten probablemente la hidrólisis ácida del estómago y llegan intactos al intestino. Estas sustancias deben hidrolizarse por enzimas intestinales como la β-glucosidasa y la lactasa-florizin hidrolasa, o deben ser degradadas por la microflora del colon antes de poder asimilarse [18,19], así se obtienen las formas agliconadas las cuales pueden ser metabolizadas en distintos ácidos aromáticos [20]. Las formas agliconadas suelen poseer mayor actividad biológica que las formas glucosiladas. Además la microflora del colon genera en ocasiones metabolitos activos como el equol, que posee propiedades fitoestrogénicas, presenta efectos agonistas ó antagonistas [21]. También se han reportado efectos antihiperlipidémicos, actividad antialérgica, atenuación de la aterosclerosis, efecto en la mejora del deterioro cognitivo y longevidad [22, 23, 24, 25]. ObesidadLos compuestos polifenólicos han mostrado poseer un efecto adipogénico y puede permitir bajar los índices de obesidad. Compuestos como las catequinas, (-)-epicatequina, (-)-epicatequina-3-gallato, (-)epigalocatequina y (-)-epigalocatequina-3-galato extraídos de té, poseen actividad hipolipemiante en ratas. Este mecanismo está asociado a que los polifenoles estimulan la absorción de glucosa y reducción en la translocación del transportador de glucosa (GLUT4) en el tejido adiposo. Por otra parte los polifenoles ayudan a suprimir la expresión de PPARγ y activan SREBP-1 en el tejido adiposo [26]. La curcumina es un compuesto polifenólico derivado de la cúrcuma, y que se ha descrito

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posee propiedades anti-inflamatorias e hipoglicemiantes. La curcumina es capaz de evitar la acumulación de lípidos asociados a la diferenciación de adipocitos 3T3-L1 e inhibir factores de transcripción como C/EBPα y PPARγ [27]. El resveratrol tiene la capacidad de modular el cambio de expresión de las adoquinas que son moléculas liberadas por el tejido adiposo, inducidas por el proceso de inflamación asociado a la obesidad en células 3T3-L1, también tienen la habilidad de reducir los niveles de ARNm de COX-2, IL-1β e IL-6 inducidos por TNF-α, lo cual está relacionado con la inhibición de la activación de NF-κB en adipocitos 3T3-L1 [28].Por otro lado se ha reportado que las antocianinas, ayudan como moduladores de metabolismo del tejido adiposo, son componentes bioactivos que mejoran la disfunción de adipocitos y la secreción adipocitocinas en resistencia a la insulina, aumentan la β-oxidación y disminuyen la acumulación de grasa en adipocito [29]. Actividad antioxidanteDiversas investigaciones han reportado las propiedades biológicas de los polifenoles, asociadas a sus propiedades antioxidantes [30, 31, 32, 33].La actividad antioxidante atribuida a los polifenoles está relacionada con su estructura. Estos compuestos pueden secuestrar radiales libres, cubren compuestos electrónicamente excitados, reducen formación de hidroperóxido y atenúan la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), mediante la modulación de una serie de enzimas como la xantina oxidasa, la ciclooxigenasa, lipoxigenasa, monooxigenasa microsomal, NADH oxidasa y succinoxidasa mitocondrial [34]. Algunos alimentos destacan por su alto contenido de polifenoles como el té, el vino, el cacao, la soya principalmente en isoflavonas [34, 35], los cuales son altamente efectivos en defensa antioxidante. Sin embargo en algunos cereales también han mostrado actividad antioxidante a pesar de tener una baja concentración de compuestos fenólicos comparado con los alimentos mencionados anteriormente (Tabla 1).

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Tabla 1. Determinación de fenoles totales y porcentaje de inhibición por actividad antioxidante por ABTS•+ a/

Muestra

Fenoles totales

mgEAG/100g de muestra

% de inhibición (DPPH)

Cebada esmeralda 682 ± 21 71.86 ± 3.65

*EAG = equivalente de ácido gálico.a/ Los resultados están expresados como la media de determinaciones por triplicado ± la desviación estándar. BS = Base seca.

La concentración de compuestos fenólicos en la cebada variedad esmeralda pudiera estar influyendo directamente en la actividad antioxidante reportada. Es posible utilizar cereales como la cebada para el desarrollo de alimentos funcionales, por su capacidad antioxidante. Atribuido a la capacidad de los polifenoles para atrapar los radicales libres del oxígeno, pueden favorecer la disminución de cuadros de inflamación por la inhibición de la biosíntesis de prostaglandinas [37].Actividad anticancerígena Algunos polifenoles influyen sobre los procesos de diferenciación celular, incrementan la actividad de enzimas que están asociadas a la destoxificación de carcinógenos provocando el bloqueo de nitrosaminas cancerígenas, conservan la integridad de las células, mantienen los mecanismos de reparación del ADN y disminuyen la proliferación celular o incrementan la apoptosis. La actividad estrogénica, antiestrogénica y antiproliferativa, prevención de la oxidación, regulación del sistema inmune y cambios en la señalización celular, son algunos de los mecanismo que se sugieren a través del cual se da la prevención del cáncer [38]. Fibra La fibra es uno de los principales componentes de alimentos vegetales [39, 40, 41]. La fibra dietética consiste en los restos de células de plantas comestibles, polisacáridos, ligninas y sustancias asociadas resistentes a la digestión o hidrólisis por las enzimas del ser humano [43], Producen distención en el estómago como una señal reguladora clave que contribuye a la sensación de saciedad y la terminación de la ingesta de alimentos. La fibra dietética también aumenta el volumen del contenido intestinal

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[44]. El cambio de la viscosidad y la capacidad de fermentación son características de suma importancia para los beneficios fisiológicos. Las fibras viscosas son las que tienen la propiedad de formación de gel en el tracto gastrointestinal y fermentables aquellas que pueden metabolizarse por las bacterias del color. Las fibras solubles son más fermentadas y presentan mayor viscosidad que las insolubles, sin embargo no todas las fibras solubles son viscosas [45]. En la Tabla 2 se muestra la clasificación de fibras de acuerdo a sus características.

Tabla 2. Clasificación de fibrasFibra Clasificación Fibra Clasificación

Fibra dietaría

Lignina

Vibras viscosas

Pectinas

Celulosa β-glucanosβ-glucanos Algunas gomasHemicelulosa PsylliumPectinas

Fibras funcionales

Dextrinas resistentes

Gomas PsylliumAlmidón resistente

Fructoligosacaridos

Fibra soluble

β-glucanos PolidextrosaGomas Gomas aisladasDextrina de trigo Almidón resistente

aisladoPectinas

Fibra insoluble

CelulosaInulina LigninaPsyllium Algunas pectinas

Fibra fermentable

Dextrina de trigo Algunas hemicelulosas

Pectinas Fibras no fermentables

Celulosaβ-glucanos LigninaGoma guar

Fibras no viscosasPolidextrosa

Inulina InulinaFuente: [46].

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La adición de este tipo de fibra en algunos alimentos puede reducir el índice glicémico de la dieta, lo que provocaría un beneficio en la salud de pacientes diabéticos, además que puede facilitar el tipo de vida en sus hábitos alimenticios restringiéndolos menos de la ingesta de ciertos alimentos.El almidón resistente se considera como fibra, debido a que es la fracción de almidón que no puede ser digerida en el intestino delgado, pero se fermenta en el intestino grueso [47], debido a estas características permite disminuir el índice glucémico. Alimentos con bajos índices glucémicos, debido a la lenta digestión y absorción de sus hidratos de carbono, producen un aumento más gradual de la glucosa en sangre y de los niveles de insulina por lo tanto se ha asociado a la reducción de la prevalencia de diabetes, enfermedades del corazón y algunos tipos de cáncer [48].Carbohidratos de digestión lenta, y resistentes a la digestión.La elaboración de harinas a partir de cereales integrales y/o tubérculos y además modificada físicamente mediante procesos sencillos como el “anneling” para aumentar sus carbohidratos indigeribles, principalmente almidón, puede tener efectos benéficos a la salud y contribuir a la disminución y/o control del sobre peso y obesidad. La modificación física por annelling o anillado es un tratamiento hidrotérmico que permite modificar las características fisicoquímicas, pero sobre todo de digestibilidad del almidón, manteniendo su estructura e integridad. Esto se logra debido a que, durante el annelig, ocurre movilidad molecular dentro de las zonas cristalinas del granulo de almidón al secarse, resultando en una estructura más compacta, con menos espacios vacíos dentro del granulo de almidón (zonas amorfas) [49].Estas harinas son fuente importante de almidón. Se ha encontrado que el tratamiento de anneling en almidones disminuye la fracción de almidón de digestión rápida, e incrementa las fracciones tanto de almidón de digestión lenta y resistente [50]. Por lo que, obtener una harina en lugar de aislar el almidón a partir de un producto agrícola (cereal, tubérculo o fruto en estado fisiológico maduro), tiene la ventaja de que algunos componentes de la harina promuevan la estabilidad térmica del almidón y contribuyan a disminuir la hidrolisis enzimática, además de ser fuente de compuestos antioxidantes y fibra. Las propiedades fisiológicas del almidón están relacionadas con su velocidad de digestión y liberación de glucosa al torrente sanguíneo. En este sentido, el almidón de acuerdo

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a su digestibilidad puede dividirse en tres fracciones, almidón de digestión rápida (ADR), el cual es hidrolizado e incrementa los niveles de glucosa en sangre durante los primeros 20 min después del consumo del alimento, almidón resistente (AR), el cual no es hidrolizado por las enzimas digestivas, y permanece después de 120 minutos de iniciado el proceso digestivo [51]. El AR sirve como sustrato a bacterias del colon y es fermentado en el intestino grueso, produciendo ácidos grasos de cadena corta, los cuales han probado tener beneficios en la salud del consumidor. El ADL provee respuestas glucémicas e insulemicas lentas y constantes durante un tiempo prolongado [52]. Por otro lado, el annealing o anillado (ANN) es el tratamiento hidrotérmico que modifica las características fisicoquímicas y de digestibilidad del almidón, permitiendo obtener almidón de digestión lenta y resistente [50, 53].Las fracciones de digestión lenta y resistente han ganado mucha importancia en la investigación debido a su respuesta glucémica. Se ha demostrado que el almidón de digestión lenta (ADL) puede producir un incremento gradual (entre 20 y 120 min) y mantener los niveles de glucosa postprandial en sangre, comparado con el almidón de digestión rápida (ADR). Por lo que esta fracción de almidón tiene un bajo índice glucémico, y puede reducir la carga glucémica de un producto alimenticio [54]. La ingesta de alimentos con alto contenido de fracción de digestión lenta ofrece la ventaja del incremento lento y estable de los niveles de glucosa potsprandial por tiempo prolongado. Esto tiene relevancia, ya que si un organismo sin problemas para metabolizar glucosa, es expuesto constantemente a altos niveles de glucosa en sangre provocados por el consumo excesivo de alimentos altos en carbohidratos digeribles, puede ocasionar a mediado o largo plazo, problemas para producir insulina, lo que desencadenaría en diabetes [11].Dentro de los carbohidratos no digeribles y que forman parte de la composición estructural de los productos agrícolas, son celulosa, hemicelulosa, pectinas a los cuales se les ha denominados como fibra, y dentro de esta clasificación también se incluyen a las gomas, oligosacáridos (inulina) y AR (Tabla 2).Este último, AR puede dividirse en 4 tipos que constituyen al total de AR en los alimentos [55].

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• AR1: almidón resistente físicamente inaccesible, este se localiza en las pareces celulares de las plantas. Granos y semillas son ricas fuentes de este tipo de AR, de las cuales las leguminas como frijoles o lentejas son las principales fuentes [53].• AR2 : en este tipo, los gránulos de almidón nativo presentan fracciones no gelatinizadas, se presenta en el caso particular de almidones con patrón de difracción de rayos x tipo B, lo que representa una estructura física menos accesible a la hidrolisis enzimática, lo que ocasiona una disminución en la digestibilidad, ejemplo de este tipo de AR son los almidones de papa y plátano [56, 57]. • AR3: Es el tipo de AR más frecuente, está presente en la mayoría de los alimentos que han sido sometidos a un proceso de cocción, enfriados y posteriormente almacenados por varias horas, es decir, representa el almidón retrogradado, que es el almidón que se ha reorganizado después de la gelatinización. Este tipo de almidón es producto de los cambios que han ocurrido en las moléculas de amilosa y amilopectina [55, 56].• AR4: este de almidón es obtenido debido a una modificación química como esterificación, eterificación o entrecruzamiento. La formación de enlaces cruzados o la introducción de grupos funcionales al almidón provoca la resistencia enzimática, reduciendo su digestibilidad [48].

Índice glucémicoEl índice glucémico se define como el área bajo la curva de la respuesta glucémica posteriormente de haber consumido de 25 a 50g de carbohidratos disponibles en un alimento comparándolo con un alimento de referencia. La carga glucémica es el producto del índice glucémico de los alimentos y su contenido de carbohidratos disponibles, por lo que representa la calidad y cantidad de carbohidratos que son viables para incrementar la glucosa en sangre [58]. Las dietas con altos niveles de índices glucémico y carga glucémica se digieren rápidamente, absorben y se transforman en glucosa. Estos niveles aceleran las fluctuaciones de insulina y glucosa, lo que ocasiona sensación de hambre y por lo tanto el consumo excesivo de calorías. Por otro lado dietas con bajos índices glucémicos y cargas glucémicas proporcionan una liberación lenta de insulina y glucosa en el torrente sanguíneo, promoviendo la oxidación de la grasa, la reducción de lipogénesis y por consecuencia el aumento de la saciedad que resulta una reducción en la ingesta de alimentos [59].

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Los alimentos que contienen hidratos de carbono pueden ser clasificados de acuerdo al valor del índice glucémico. Valores superiores a 70 se consideran como de índice glucémico alto, valores entre 56 y 59 de índice glucémico medio y valores inferiores a 55 de índice glucémico bajo (Tabla 3).

Tabla 3. Índice glucémico de algunos alimentos

Índice glucémico bajo (50 o menos)

Índice glucémico medio (56-69)

Índice glucémico alto (70 o más)

Panes

Pan integral de centeno Trigo integral Pan blancoPan de cebada Centeno Panes de hamburguesaPan de trigo integral Agave Pan de arroz Pan de salvado de avena Baguettes

CerealLos brotes de salvado con Psyllium

Semillas de uva Hojuelas de salvado

Salvado de arroz Trigo inflado Copos de maízSalvado de avena Harina de avena Arroz crujiente Cornflakes

GranosCebada Arroz integral Arroz de grano cortoPasta MijoSemolina Arroz blancoTrigo partido

Expresado como un porcentaje del valor para la glucosa [58].

Conclusiones y perspectivasLos ensayos en sistemas in vitro e in vivo han demostrado que el aumento del consumo de grasas, carbohidratos son factores que pueden conducir a una inflamación de las patologías obesidad, diabetes, arteroesclerosis, cáncer entre otras. Los alimentos ricos en compuestos bioactivos pueden contrarrestar respuestas inflamatorias a través de diferentes mecanismos de acción. Sin embargo los ensayos son limitados, por lo que se requiere mayor investigación en sistemas clínicos en humanos que ayuden a explicar y confirmar los efectos benéficos de los compuestos bioactivos

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como tratamientos complementarios en la prevención de enfermedades cardiovasculares. Además es necesario aprovechar las propiedades funcionales de dichos compuestos para su integración en el desarrollo de alimentos funcionales.

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Aprovechamiento Integral de

Maguey (Agave spp.) en el

Altiplano Hidalguense

MENDOZA-MENDOZA B.

GÓMEZ-HERNÁNDEZ E.

ÁVILA-RAMÍREZ M.C.

HERNÁNDEZ-DOMÍNGUEZ E.M.

RODRÍGUEZ-MARIN M.L.

AntecedentesGeneralidades del maguey (Agave spp.)El maguey es un recurso natural de suma importancia en México, especialmente en la región del Altiplano comprendida por los estado de Tlaxcala, Hidalgo, Puebla y Estado de México, su cultivo y aprovechamiento data desde la época precolombina y de el dependen economicamente un gran número de familias campesinas [1]. Existen más de 250 especies de agaves localizados entre el norte de la República Mexicana y Centroamérica; los agaves, de acuerdo al producto que se extrae de ellos, pueden dividirse en los siguientes grupos: textileros-henequeneros en la península de Yucatán; mezcaleros-en la zona de Jalisco; y pulqueros- zona central del Altiplano Central de México, principalmente el estado de Hidalgo (Zempoala, Apan, San Agustin Tlaxiaca) [2]. Dentro de este último, se encuentra la especie Agave salmiana, esta encuentra en forma silvestre y cultivada.

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Algunas características relacionadas con su descripción botánica, se describen a continuación [1]:

• Raíz: Rizomas subterráneos• Tallo: Tallos cortos a grandes• Hojas: Angostas, gruesas y carnosas, que nacen del tallo y rematan en una espina fuerte y oscura• Flor: Inflorescencias paniculadas con flores hermafroditas• Frutos: Cápsulas o bayas que contienen numerosas semillas comprimidas

Los agaves florecen sólo una vez y mueren al poco tiempo. La edad de maduración depende de muchos factores, en particular de la especie. En el centro de la planta crece un tallo que puede llegar a 10 m de altura en un lapso de dos o cuatro meses, en la cúspide surgen racimos de flores verde- amarillentas; que en muchas especies, contienen néctares que atraen aves e insectos, que contribuyen a la polinización e hibridación de las especies [3].La descripción taxonómica del agave pulquero se describe a continuación (Flores Morales):

• Reino: vegetal• División: Fanerógamas• Subdivisión: Angiospermas• Clase: Monocotiledóneas• Familia: Agaváceae• Género: Agave• Especie: salmiana

La reproducción del A. salmiana se puede hacer de dos maneras:1. A través de los llamados macuates, pequeños retoños de la planta que crecen alrededor de la planta madre, una planta puede llegar a tener hasta cincuenta macuates, y cuando los retoños llegan a una altura de un metro, entre los tres y cinco años, se remueven y se transplantan para formar una nueva magueyera. El transplante se debe realizar antes de la temporada de lluvias. 2. Por medio de almácigo, especie de vivero para lograr un cultivo más controlado y un desarrollo más uniforme. (El maguey y el pulque en México). Agave salmiana.tambien llamado agave pulquero puede alcanzar 2.0 o más metros de altura y pueden vivir entre 10 y 15 años. La superficie verde total de la

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planta puede llegar a 75,000 cm2. Las células de su epidermis regulan la transpiración y evitan la pérdida de sequía debido a que son ricas en jugos. El principal producto obtenido hasta la fecha de esta planta es el aguamiel, destinada principalmente a la elaboración de pulque [1].

Productos y subproductos del maguey La relación de los humanos con los agaves, se ha documentado desde tiempos precolombinos. Los usos que se les han dado son diversos: extracción de fibras para el mercado textil, artículos de jarcia, y cordelería, elaboración de diferentes bebidas alcohólicas, en la elaboración de cercas naturales, como alimento y también por las propiedades medicinales que algunas especies presentan. En la tabla 1 se presentan los usos que ha tenido desde tiempos prehispánicos [4]. Los primeros cronistas identifican a los otomíes con el uso del maguey en tejidos, extracción de pulque y construcción de casas, actividades que eran llevadas a cabo desde antes de la invasión española. El conocimiento tradicional respectivo, ha sido transmitido de generación en generación durante siglos [5].Los antiguos habitantes de la zona del Altiplano Hidalguense lo cultivaron para extraer del centro de su tallo un jugo (aguamiel) que al fermentarse se convierte en pulque, una bebida de bajo grado alcohólico. De sus grandes y carnosas hojas, conocidas como pencas se obtienen fibras para diversos usos. Anteriormente, se plantaba el Agave salmiana por sus diversos usos, principalmente por la producción del pulque; sin embargo, en los últimos años en nuestro país la demanda del pulque ha disminuido, razón por las cuales se dejó de sembrar el maguey a gran escala. Desde el punto de vista agronómico los factores limitantes de los Agaves son el largo periodo de cultivo (10 a 12 años), la baja productividad, el deterioro genético y la falta de un buen control de calidad al seleccionar el material vegetal. Los agaves son de gran importancia económica y social en nuestro país, desafortunadamente el A. salmiana está en peligro de extinción, por lo que se plantea al cultivo de tejidos vegetales como una herramienta biotecnológica de gran ayuda para conservar a esta especie y aprovechar sus diversos usos. El cultivo in vitro del Agave salmiana se presenta como una opción para conservar la especie y aprovechar el potencial de uso. A partir del Agave se producen aglomerados, fructosa, azúcar natural de mayor poder edulcorante, en otros países se usa para elaborar alimentos, sueros y medicamentos para los diabéticos [6].

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Tabla 1. Usos tradicionales del Agave en México. Fuente: [4]Uso Producto Parte de la planta o producto

con el que se elabora

Bebidas

Aguamiel Piña del maguey pulqueroJugo dulce QuioteAtole AguamielTequila Piña de agave tequileroMezcales Piña de los agaves mezcaleros Pulque Aguamiel fermentadaAguardiente Pulque destilado

MedicinalJarabe Aguamiel concentradaCuración de heridas Pencas

Alimentos y condimento

Miel Aguamiel concentradaVinagre Aguamiel fermentadaGusanos blancos PencasGusanos rojos (chinicuiles)

Raíces

Sal de gusano Piña Postre Quiote asado, piña horneadaSaborizante den tamales y pan

Aguamiel y piña

Levadura Residuos del pulqueTortilla QuioteCondimento PulqueDiversos guisos Inflorescencia, cutícula, penca

Tejido y vestuario Hilos, bolsas, lazos cuerdas para instrumentos musicales y para arcos de caza, redes de pesca

Fibras de las pencas

Construcción

Techos a modo de tejado

Pencas frescas

Vigas Quiote seco Aditivo para mezcla Baba de la penca

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Uso domestico

Jabón para ropa Raíces y pencasRecipiente para agua Piña Recipiente para comida

Penca

OrnatoAdornos de navidad Maguey pequeño completoJuguetes para niños Semillas Diversas artesanías Fibras de las pencas

Agrícola

Deslinde de terrenos Maguey completoCercas vivas Maguey completoAbono Cenizas de pencas y piñas secasProtección contra la erosión

Maguey completo

Forraje Pencas y metzalAlimento para aves Residuos del pulque

Religioso Bebida ritual Aguamiel y pulque

Agua miel; Una bebida tradicional mexicana ProducciónEn México, desde la época prehispánica, diversos recursos naturales han sido empleados para distintos fines, dentro de los cuales, la formulación de alimentos y bebidas juegan un papel de suma importancia debido al incremento de la población. De las diversas fuentes naturales con gran potencial de aplicaciones industriales se encuentra el maguey pulquero, también conocido como Agave, este es una planta que pertenece a la familia Agavaceae y del cual se derivan una serie de productos tales como el tequia, mezcal, jarabes fructosados, aguamiel, pulque, bagazos empleados como fibra dietética o para la elaboración de artesanías típicas mexicanas [7]. Sin embargo, de todos estos productos, el aguamiel ha sido uno de los menos aprovechados tecnológicamente hablando, ya que el principal uso que se le ha dado es para la elaboración de pulque, una bebida que resulta de la fermentación de este líquido que emana de la capación central del maguey adulto [8]. Actualmente, el aguamiel y el pulque (su principal producto) han perdido importancia en el mercado, como resultado de la inclusión de bebidas con mayor distribución como la cerveza y una amplia diversidad de bebidas alcohólicas. A consecuencia de esto el cultivo de agave pulquero ha perdido impulso ya que no representa una buena fuente de ingresos. Esta situación obliga

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a los investigadores a buscar nuevas alternativas para la aplicación o industrialización del aguamiel [9].AguamielEl aguamiel o jugo de agave es la savia de color amarillento y de olor herbáceo que se obtiene al hacer la capación del maguey maduro, es decir, el corte de las hojas tiernas centrales antes del desarrollo del escapo central, posteriormente se raspa el centro del maguey, seguido del corte de las hojas para formar una cavidad de 20-30 cm de profundidad la cual servirá para el almacenamiento de aproximadamente 1,500 L de aguamiel durante un período de 3-6 meses que son exudados del tejido del tallo del maguey [10].En el estado de Hidalgo, el aguamiel es tradicionalmente empleado para la manufactura del pulque que es una bebida alcohólica ancestral; sin embargo, actualmente la producción de ambas bebidas no es rentable debido a diferentes factores entre los que se destacan los siguientes:

a) Desde la década de 1960 surgió una disminución en la demanda de pulque debido a un crecimiento del consumo de cerveza. b) Los bajos precios del pulque (0.26-0.43 dólar/L) no han generado una relevante ganancia económica para los agricultores. c) Los cultivos de maguey han sido utilizados para otros fines, entre los cuales está la preparación de platos tradicionales, la búsqueda de insectos comestibles exóticos, la producción de tequila o mezcal y el aprovechamiento algunas fibras [11].

Composición química del agua mielEn la actualidad, son pocos los estudios de la caracterización química de este subproducto del Agave, causando una limitación para proponer las posibles opciones de empleo para fines alimentarios, nutracéuticos o medicinales. Según lo reportado por algunos autores el aguamiel es una bebida de sabor dulce, ácida o ligeramente alcalina rica en proteínas y carbohidratos como fructosa, glucosa y sacarosa por lo cual este producto natural resultaría ser un buen candidato para ser empleado en la industria de la fermentación [12]. En el siguiente cuadro se muestra un estudio realizado por [12], acerca de la composición química de aguamiel extraído de diversas variedades de magueyes pulqueros (A. salmiana, A. duranguensis y A. americana) comúnmente nombrado maguey manzo, cenizo y amarillo respectivamente (Tabla 2).

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Tabla 2. Composición fisicoquímica de aguamiel extraído de tres variedades de maguey pulquero. Fuente: [12].

Variedades de maguey Manzo Cenizo AmarilloDensidad (g/L) 1.29 1.26 1.23pH 6.3 6.4 6.6Índice de refracción 1.35 1.35 1.36Sólidos solubles (°Brix)

11.44 11.01 12.67

Acidez (%) 1.65 1.41 1.47Humedad (%) 87 87.9 86Proteínas (g/L) 3.41 3.11 2.49Cenizas (g) 0.53 0.41 0.48Azucares reductores (g/L)

1.63 1.97 1.06

Glucosa (mg/L) 2.31 2.31 2.5Fructosa (mg/L) 4.7 4.92 4.5

Se aprecia que el aguamiel está constituido principalmente por proteínas y azúcares y que a pesar de que son diferentes variedades, la composición fisicoquímica no varía drásticamente. Esto puede deberse posiblemente a que la función de esta savia en la planta es la misma, independientemente de la variedad del maguey. Hasta ahora las diferentes investigaciones sobre el aguamiel se han centrado en el estudio de su composición química, de la flora microbiana resaltando su efecto probiótico atribuido a la presencia de bacterias acido lácticas como Leuconostoc mensenteroides y recientemente en el contenido de fructanos , algunos estudios reportan que el contenido de inulina en el aguamiel es del 11 %, mientras que el contenido de hierro y zinc es de 2.15 mg/100 g y 1.41 mg/100 g, respectivamente, dichos valores son superiores a los encontrados en leche por ejemplo [13]. Sin embargo, es importante considerar que la gran cantidad de compuestos presentes en él pueden poseer capacidad antioxidante, lo cual podría incrementar su uso en la industria alimenticia y farmacéutica.Importancia del Aguamiel en la Industria alimentariaLa importancia de la producción de aguamiel radica en las distintas aplicaciones industriales diferentes al uso tradicional de la elaboración de

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pulque, tales como, la fabricación de jarabes fructosados, azúcares que sirvan como edulcorantes naturales para pacientes diabéticos, miel de maguey, entre otros. Otras investigaciones, mencionaron que el aguamiel es rico en carbohidratos como sacarosa, fructosa, glucosa, por lo que puede ser usado para la obtención de polisacáridos, fructanos de agave o jarabes de alta fructosa. Estos últimos han ganado una particular atención como aditivos alimenticios debido a que proporcionan efectos benéficos a la salud, ya que estimulan la absorción de calcio en la postmenopausia de la mujer, incrementan la absorción de hierro en los niños, ayudan en la prevención del cáncer de colon y disminuyen el índice glucémico siempre y cuando se haga un consumo moderado de estos jarabes [8].

El pulqueEs una bebida alcohólica tradicional mexicana, es el resultado de la fermentación algohólica del aguamiel. Su contenido alcohólico es de 4.26 %, color blanco, olor fuerte y viscoso [14]. La palabra pulque no pertenece a ninguna de las lenguas indígenas mexicanas, algunos autores indican que su origen es antillano y otros dicen que es araucano [15]. El nombre de pulque entre los mexicanos era iztcacoctli, vino blanco [16], sin embargo, (23) [17] menciona que cuando los españoles llegaron al mundo nuevo, en 1521, al oir la palabra “poliuh-qui”-pulque descompuesto-, podrido, lo pronunciaron “pulque”. La elaboración del pulque se realiza en el tinacal, que es una construcción con paredes de madera y techo de lámina y en este lugar fermental el aguamiel en tambos de plástico de 200 L y conservan la semilla (inóculo para fermentación) en vitroleros de cristal de 20 L. El proceso de fermentación inicia en el maguey, donde se encuentran microorganismos autóctonos como: levaduras, bacterias láscticas y bacterias productoras de etanol y exopolisacáridos [2]. Estos microorganismos transforman de manera natural parte de los azúcares disponibles en aguamiel, sin embargo el proceso se acelera por la adición de un inoculo llamado semilla. El tiempo de fermentación puede durar de 12 a 48 hrs a 25 ºC, cuidando que los recipientes no tengan ninguna sustancia que inhiba los microorganismos mesofilos. A medida que pasa el tiempo se presentan cambios importantes como un incremento en el porcentaje de etanol y formación de exopolisacaridos como ß-glucanos y dextranos; que generan un incremento en la viscocidad transformando el fluido de newtoniano a no newtoniano [3]. Los consorcios microbianos son frecuentemente

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encontrados en varias bebidas fermentadas y se considera que esta interacción positiva es un mecanismo evolutivo que favorece a todas las poblaciones presentes en el consorcio con respecto a la captación de nutrientes, eliminación de ciertos metabolitos que puedan llegar a ser tóxicos si se acumulan en la bebida y control de flora microbiana alterante de la fermentación. A partir del pulque se pueden recuperar diversos consorcios microbianos como: Bacillos-Lactobacillus-Streptococcus y hongos levaduriformes como Sacharomyces cerevisiae, Sacharomyces sp [2].El pulque puede tener propiedades probióticas. El uso de enmas contra enfermedades y dolencias del tracto digestivo en las culturas prehispánicas se registra por evidencias arqueológicas y recopilaciones coloniales [18]. Estos consorcios microbianos ingeridos por vía oral pueden actuar a diferentes niveles. La reducción de enzimas como nitroreductasas, azoreductadas y glucoronidasas que se han asociado con ciertos tipos de cáncer gástrico; efecto antimicrobiano por la producción de ácidos orgánicos, bacteriocinas y competencia por nutrientes con los patógenos intestinales [19]. Actualmente, la industria pulquera es marginal, aunado a la disminución del consumo del pulque debido a la erosión cultural, la falta de higiene en el proceso de fermentación y la nula propaganda; en contraste con otras bebidad como el tequila, el mezcal, la cervez, el brandy y los vinos, que son objeto de mayor propaganda comercial.

Usos de la hoja (penca) del maguey Las hojas comúnmente conocidas como “pencas” se distribuyen en forma de espiral alrededor del tallo; además, almacenan sustancias que en su momento intervendrán en el espectacular crecimiento de la inflorescencia. En el caso de los magueyes pulqueros, las pencas constituyen un mecanismo de defensa de la planta, pues tanto las espinas de los bordes como las terminales las protegen de los animales que desean comerse el tallo y las flores. Tal disposición de las hojas permite, captar con el máximo de eficiencia, las pocas y erráticas lluvias que caen en su hábitat [6].El principal componente de las pencas es la fibra con la que desde la antigüedad se elaboran diferentes productos, entre los que cabe destacar, el tejido de ayates con la fibra del maguey, que es una actividad muy característica entre los otomíes. Los ayates se emplean en diversas actividades cotidianas. Los hombres los usaban como camisa o capa;

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también atado de varias maneras para cargar bultos, para llevar en él las semillas durante la siembra o para recoger mazorcas durante la cosecha, así mismo para la construcción de techos, o para armazones de casas, lo cual se hacía con la corteza de la penca y un poco de fibra [5]. En la actualidad, aunque en menor proporción, las hojas forman parte de los residuos agrícolas del cultivo, así como todas aquellas piñas que no son captadas por la industria mezcalera, son utilizadas como forraje para la alimentación de animales de corral, principalmente, vacas, cabras, ovejas y caballos, también para la fabricación de cuerdas, redes, bolsas, relleno de colchones y sillones para autos [20]. Recientemente, diversas investigaciones se han enfocado en buscar usos alternativos de la fibra, con el objetivo de dar un valor agregado a este deshecho, e incentivar el uso de esta planta, para con ello dar pie a la recuperación del cultivo en la zona. Se ha reportado que el bagazo de maguey es una excelente opción para la producción del hongo ostra (Pleurotus ostreatus) [21]. Otras investigaciones se han enfocado a evaluar su eficiencia como suplemento alimenticio para ganado caprino, encontrando que son una excelente opción para disminuir la perdida de energía y peso en los animales, sobre todo en épocas de sequía [22]. A pesar de las investigaciones realizadas, aun no se ha logrado encontrar una aplicación rentable o viable para este subproducto, es por esto que recientemente el Cuerpo Académico de Industrias Alimentarias ha comenzado a estudiar la utilización del bagazo de maguey para elaborar envases biodegradables, mediante la formación de espumas solidas de almidón, que cuenten con características apropiadas para funcionar como envases para alimentos, en dicha investigación se menciona que el almidón de maíz puede mezclarse con bagazo de maguey mediante la técnica de termo formado se puede dar origen a placas que cuentan con propiedades físicas de resistencia y absorción de agua apropiadas para contener alimentos [23]. Las plagas del maguey como fuente de consumo alimenticioExisten diversos reportes del consumo de insectos a través del mundo y que se refieren a numerosos países y épocas. La entomofagia se refiere al uso de insectos de diversas especies como alimentos y es una tradición que se practica en varias regiones del mundo entre las que destacan Asia, África y América Latina [24]. Igualmente se mencionan casos de entomofagia en libros sagrados como la Biblia y el Corán [25]. Se tienen registros que el consumo de insectos se remonta a épocas

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prehispánicas, donde varias culturas los explotaron de forma eficiente y con prácticas amigables al medio ambiente, integrándolos a sus dietas alimenticias [26]. Esto no es una práctica rara, aberrante o meramente marginal, ya que es una fuente importante de proteínas para muchas culturas; mientras que la antropoentomofagía es una práctica ancestral que ha prevalecido hasta la actualidad. Los insectos son consumidos por seres humanos de todas las razas, edades o sexos. Cabe mencionar que esta costumbre e incluso tradición es particular de ciertas culturas como la mexicana y la china. Cómo prueba de ello se encuentra el códice florentino de Fray Bernandino de Sahagún donde reportó entre otros insectos comestibles: chapulines, gusanos de maguey y hormigas, mostrando más especies comestibles, al igual que una descripción de esta “extraña” costumbre, y citó 96 especies, que se siguen consumiendo hoy en día [25]. Tal es el caso Comadia redtenbacheri, conocido como gusano rojo del maguey, es un barrenador de agaves utilizado en su etapa larvaria como alimento en la gastronomía tradicional, por lo que constituye una fuente de ingreso económico temporal para habitantes de comunidades ubicadas en regiones semiáridas y áridas del centro de México, en donde sus poblaciones silvestres son intensivamente colectadas [27]. Es un hospedante, que se alimenta de los tejidos de la base de las pencas, las raíces y del tallo subterráneo donde penetra y se establece hasta completar su desarrollo larvario [28]; presenta siete estadios larvales y completa su ciclo de vida en un año, aunque los adultos permanecen con vida sólo de tres a cinco días, ya que poseen un aparato bucal atrofiado que les impide alimentarse [29-30]. Actualmente, el cuerpo académico de Industrias Alimentarias está desarrollando un proyecto llamado “Identificación morfológica y caracterización molecular del gusano rojo de maguey en el Altiplano Hidalguense, donde se han identificado que los gusanos tienen 11 segmentos larvales tal como se observa en la Fig. 1a, que sirve para tomarlos como una medida estándar en su séptimo instar; en cuanto a las partes anatómicas de la larva, en la Fig. 1b se muestra que está formada por cabeza, tórax, abdomen e inserto, el cual se encuentra ubicado después del último instar, observándose como otro segmento larval, teniendo una proyección quitinosa en forma de “cuerno” o espina, de color oscuro. Por otra parte, en la Fig. 1c, se representa la cabeza, la cual tiene un sistema visual conformado por 7 ocelos en diferentes posiciones,

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alineados en forma ovalada. El gusano rojo de maguey además de ser un recurso económico es considerado como un platillo exótico, siendo vendido sin parámetros de calidad que determinen su costo, la necesidad de vender larvas del mismo tamaño y peso para el consumo humano. La identificación morfológica permitirá establecer estos parámetros de calidad, el proyecto que se está desarrollando por parte del cuerpo académico, pretende caracterizar el gusano rojo de maguey (Comadia redtenbacheri) para establecer parámetros generales y aplicarlos tanto en otros estudios como en la transformación de productos alimenticios.

Fig. 1. C. redtenbacheri de séptimo instar, a) segmentos larvales, b) morfología general, c) cabeza, d) conjunto de ocelos, e) tenazas.

Conclusiones y perspectivasAunque el maguey ha sido utilizado de forma exitosa en diversos áreas productivas, la sobre explotación y falta de cultivo debido a su ciclo de vida extenso y robo de mixiote ha hecho que en la actualidad su uso sea limitado y casi inexistente, en el Altiplano Hidalguense la supercie de plantaciones de A. Salmiana ha disminuido en más del 70% y actualmente sus poblaciones aprovechan el agave en: aguamiel, pulque, pencas para barbacoa, atole, miel, gualumbos, abono y venta de plántulas.Es por ello, que el Cuerpo Académico de Industrias Alimentarias de ITESA ha enfocado sus líneas de investigación en buscar alternativas

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de uso para el aprovechamiento integral del mismo, sin embargo, es indispensable que se inicien investigaciones que permitan la mejora del cultivo.

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Agricultura Sustentable: Una Alternativa

para Suelos Cebaderos en Hidalgo

SANTIAGO-SAENZ Y.O.

GUZMÁN-ORTIZ F.A.

ACEVEDO-SANDOVAL O.A.

ROMÁN-GUTIÉRREZ A.D.

AntecedentesActualmente la demanda mundial de alimentos se ha ido incrementado con el paso del tiempo al continuar el constante crecimiento de las poblaciones, por lo que los países deben producir más, y mejores productos para cumplir no solo los requerimientos necesarios para exportar, si no abastecer en sus propios territorios. Sin embargo estas elevadas demandas llevan a una presión constante en el sector agrícola, desencadenando una intensificación en el uso de agroquímicos para aumentar el rendimiento en cultivos, ocasionando destrucción de hábitats, erosión del suelo, contaminación de fuentes acuíferas subterráneas y superficiales, y con posibles consecuencias negativas en los ecosistemas y en la salud humana [1-6]. Hidalgo, representa el 45% de la producción nacional anual de cebada temporal donde se concentra principalmente en los municipios de Almoloya, Apan y Emiliano Zapata [7-8]. Sin embargo a pesar de que el estado hidalguense presenta uno de los primeros lugares en producción, investigaciones anteriores han reportado cambios en los suelos de estos tres municipios (Apan, Emiliano Zapata y Almoloya) destinados a la producción de este grano [7]. Al realizarse una evaluación integral se demostró que los suelos con el paso del tiempo han estado perdiendo su calidad física y química.

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Estos valores están fuertemente influenciados por la disminución de carbono orgánico disponible (CO), exceso de calcio, reducción de potasio y bajo contenido de arcilla. Los contenidos bajos de arcilla y de materia orgánica (MO), provocan baja retención de agua y baja capacidad de intercambio catiónico (CIC) con lo cual los nutrientes principales no son óptimamente aprovechados. También, aunado a ello, el uso del suelo con monocultivo, propicia que bajen los contenidos de arcilla, y como consecuencia el CIC disminuye, provocando también posibles lixiviados de nutrientes a horizontes más profundos donde no llegan las raíces del cultivo y se afecta así la absorción y los rendimientos por hectáreas [7]. Ante tal problemática el uso de abonos verdes se ha convertido en una alternativa de la agricultura sustentable, que es viable y económica para aportar nutrimentos [8], carbono orgánico y mejorar las propiedades de los suelos, utilizando plantas, especialmente leguminosas, reportadas con funciones benéficas en diversos cultivos [9-14].Abonos verdesLa agricultura en todo el mundo ha experimentado cambios en el tamaño de regiones destinadas a este fin, y en la diversidad biológica y económica desde distintos enfoques. La urbanización, los cambios climáticos y los mercados globales y volátiles son factores que repercuten en la producción agrícola, por lo que es de interés, alternativas económicamente viables [15] que aprovechen los procesos biológicos y ecológicos, a nivel rural o a grandes escalas. En la producción de alimentos orgánicos o al menos con el mínimo de compuestos sintéticos es relevante conocer como disponer de nitrógeno en forma suficiente, ya que la disponibilidad de este nutrimento es limitada [16]. Los abonos verdes o cultivos intermedios cultivados en otoño o invierno pueden ser herramientas importantes para reducir las pérdidas de nitrógeno y aumentar la oferta de este mineral para los cultivos subsiguientes [17]. Los abonos verdes son todas aquellas plantas, preferentemente en estado de floración, que se entierran para mejorar la fertilidad y el contenido de carbono orgánico de los suelos [13]. Estas plantas tienen un alto contenido de agua, azúcares, almidón y nutrimentos (partes áreas y sistemas radiculares) que se requieren en cultivos de granos básicos como maíz, trigo, cebada, avena, entre otros, para su buen desarrollo y capacidad productiva y de rendimiento [13]. Su uso se fundamenta en el aprovechamiento de la energía solar para producir biomasa vegetal de alta calidad nutricional, la cual, posteriormente se adiciona o incorpora al suelo con miras de incrementar el contenido

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de materia orgánica rápidamente mineralizable, con incidencia positiva en las propiedades de los suelos y rendimientos de los cultivos [18]. Los abonos verdes pueden traer múltiples ventajas a los agricultores, como el incremento de la actividad biológica del suelo, reducción de la erosión, aumento de nutrimentos disponibles para las plantas, reducción de fitopatógenos y plagas, disminución de la evaporación del agua, conservación de la humedad del suelo y mejora de fertilidad, además de reducir costos de fertilización [19-23]. Los nutrimentos liberados por los abonos verdes se concentra generalmente en las capas superiores del suelo, y su capacidad de liberación varía. Los abonos que permanecen vivos hasta primavera conservan nitrógeno disponible en las capas superiores del suelo mejor que si mueren en el otoño [24].Selección de abonosHay una gran variedad de plantas que se pueden utilizar como cultivos para abonos verdes, especialmente leguminosas, donde la elección de especies debe ser la apropiada. Entre las características de selección, es que deben adaptarse a las condiciones locales de la plantación, precipitaciones y el suelo, además de encajar en la rotación de cultivos y no representar un riesgo de transmisión de enfermedades y plagas para otras plantas. Los abonos verdes generalmente se dividen en dos categorías: tropical (clima cálido) y templado (clima frío). Pocos de ellos, como algunas leguminosas tropicales pueden sobrevivir a las heladas fuertes (cuando la temperatura cae por debajo de 2ºC durante varias horas), aunque por lo general pueden tolerar temperaturas de 35 a 40ºC. Las leguminosas templadas, por el contrario, a menudo disminuyen a temperaturas de 25 a 30ºC, pero pueden persistir sin lesión a 10ºC o inferior [15]. Las leguminosas tropicales más usadas como abonos verdes incluyen aquellos en los géneros Crotalaria (crotalaria), Glicyne (soja), Indigofera (índigos), Mucuna (frijol terciopelo), Vigna (caupí), Cajanus (guandú), y Sesbania, mientras que las leguminosas templadas incluyen a menudo Trifolium (tréboles), Vicia (alverjas), Medicago (alfalfa y tréboles), y Lupinus (altramuces). Las especies no leguminosas templadas utilizadas para abonos verdes, comprenden típicamente al centeno (Secale cereale L.), mostazas (Brassica spp.), rábanos (Raphanus spp.), alforfón (Fagopyrum esculentum Moench), mijo (Echinocloa spp.), avena (Avena spp.), y el trigo (Triticum spp.), así como otros cereales en menor frecuencia. El uso de las especies tropicales no leguminosas como el mijo y miembros del género Sorghum parece menos común y se

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mantiene relativamente sin estudiar; en el desarrollo de las regiones de los trópicos, la biomasa y el grano proveniente de estos géneros su uso es más frecuente para alimentos y forrajes [25]

Figura 1. Etapas para la elaboración y aplicación de abonos verdes con algunos puntos a considerar.

Elaboración y uso de abonos verdesAl trabajar con abonos verdes es necesario conocer algunas consideraciones (Figura 1), entre estas se pueden mencionar [26]: -Tiempo: El intervalo de tiempo entre la excavación en el abono verde y sembrar el siguiente cultivo no debe ser mayor de 2 a 4 semanas, a fin de evitar la pérdida de nutrientes del abono verde en descomposición.-Triturado: Los abonos verdes son trabajados en mayor facilidad cuando las plantas son todavía jóvenes y frescas. Si las plantas de abono verde son altas o partes de la planta son voluminosas y duras, es preferible cortar las plantas en trozos para permitir la descomposición más fácil. Cuanto mayor sea la planta, mayor tiempo de descomposición tomará. El

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mejor momento para extraer las plantas del suelo para abono verde es justo antes de la floración.-Profundidad de incorporación: Los abonos verdes no debe ser incorporados profundamente en el suelo. En su lugar, sólo deben ser trabajados en la superficie (en suelos pesados sólo de 5 a 15 cm de profundidad, en suelos ligeros de 10 a un máximo de 20 cm de profundidad). En climas cálidos y húmedos el material también se puede dejar en la superficie del suelo como una capa de mantillo.Leguminosas como abonos verdes.Las plantas que se emplean como abonos verdes en su mayoría son leguminosas, como ya se ha comentado, y donde la rapidez del crecimiento así como las interacciones simbióticas que establecen con algunos microorganismos se convierte en un factor de relevancia con diversos beneficios para la planta [27].Normalmente las leguminosas poseen dos tipos de simbiosis:1. Leguminosa-rizobios. Esta interacción permite que el sistema se enriquezca en nitrógeno a través del tiempo, mediante la fijación biológica de nitrógeno (FBN) (Tabla 1).2. Leguminosa-hongos. En esta relación se forma la micorriza arbuscular (HMA), que capacita para absorber con mayor eficiencia el fósforo (P) disponible en el suelo, además de otros nutrimentos y beneficios colaterales [28]. La situación de simbiosis tripartita leguminosa-rizobios-HMA da origen a sinergias entre estos organismos y otros asociados en la rizósfera de las plantas presentes, que se van a manifestar en la productividad y sanidad del abono verde y cultivos adjuntos y/o posteriores [29]. La FBN se define como la conversión de nitrógeno atmosférico (N2) a amonio (NH4) compuesto químico del nitrógeno que puede ser utilizado por la planta; la transformación a nitrógeno biodisponible se consigue mediante la enzima denominada nitrogenasa [30]. Cabe destacar que la FBN se lleva a cabo en bacterias asociadas a plantas y en bacterias de vida libre. Las bacterias fijadoras de nitrógeno como Allorhizobium sp., Azhorhizobium sp., Bradyrhizobium sp., Mesorhizobium sp. y Rhizobium sp. [31] forman nódulos en las raíces de plantas leguminosas como: soya, chícharo, cacahuate y alfalfa. El amonio generado por estas bacterias puede ser usado por las plantas hospederas como fuente de nitrógeno, dando a cambio la fuente de carbono requerida por las bacterias [31]. Los miembros del género Frankia también realizan la FBN en interacción simbiótica con plantas actinorrícicas [32]. Otros ejemplos de rizobacterias

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endófitas capaces de convertir nitrógeno atmosférico a la forma disponible para las plantas son: Herbaspirillum spp. Azospirillum amazonense y Burkholderia tropica [33]; sin embargo el aporte de estas bacterias vía FBN hacia la planta es mínimo [34][35].

Tabla 1. Microorganismos del género rhizobium asociados a diferentes plantas leguminosas y principales efectos descritos.

Cepa aislada Mecanismos PGPR principal

Planta fitoestimulada Referencia

Bradyrhizobium diazoefficiens

CPACB. japonicum

FBN, Fitohormonas Soja, Maíz [36]

Rhizobium tropici Rhizobium

leguminosarum Rhizobium gallucum

FBN Frijol [31]

Bradyrhizobium elkanii FBN Soja [37]

Materia orgánica y abonos verdes (MO).

La materia orgánica agregada al suelo normalmente incluye hojas, raíces, residuos de los cultivos y compuestos orgánicos correctivos, como el caso de los abonos verdes. Debido a que muchos de los residuos vegetales se aplican en la superficie o en la capa superior del suelo, el contenido de materia orgánica de esta capa tiende a ser más alto y a decrecer con la profundidad. La MO está compuesta elementalmente por C,H,O,N,P y S en cantidades variables y constituye un 5% del suelo [38, 39]. Los productos de deshecho sintetizados por los microorganismos, contribuyen a la formación de la materia orgánica del suelo. Los materiales de desecho son más difíciles de descomponer que el material original de las plantas y los animales, pero pueden ser usados por un gran número de organismos. Mediante la descomposición de los residuos y el almacenamiento del carbono dentro de su propia biomasa o mediante la reconstrucción de nuevas estructuras de carbono, la biota del suelo tiene una función muy importante en los procesos de reciclaje de nutrientes y, por lo tanto, en la capacidad de

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un suelo para proveer al cultivo con suficientes nutrientes para cosechar un buen producto [23]. La cantidad y la calidad de la MO, el carbono y nitrógeno son primordiales para la biomasa y actividad microbiana del suelo [40, 41]. Por lo tanto, las distintas prácticas orgánicas (por ejemplo, estiércol, cultivos de cobertura de leguminosas y materiales compostados) pueden estimular la biomasa microbiana a través de aumentos en la materia orgánica lábil [41, 42, 43] y / o C del suelo total en marcos de tiempo que van de meses a décadas [44,45].Se ha descrito que el manejo orgánico aumenta la actividad enzimática global [46][47][48], pero las actividades de las enzimas específicas puede cambiar dependiendo de la composición de los abonos y la disponibilidad relativa de nutrientes, así como otros factores, tales como tipo de suelo y sus características únicas, por ejemplo, pH y textura [49-51]. Las propiedades de la MO y los abonos orgánicos también pueden influir en la composición microbiana de la comunidad y, a su vez, en la actividad microbiana y procesos de los ecosistemas asociados [52, 53]. Los aumentos en hongos y comunidades bacterianas se han vinculado al aumento de C en el suelo y N [40, 54], en respuesta a la presencia de MO [55], así como a diversos abonos orgánicos, como los compost a base de coníferas [56] y algunos cultivos de cobertura como la arveja (leguminosa) [57]. Otros estudios han mostrado un incremento en los biomarcadores de ácidos grasos de fosfolípidos de hongos micorrízicos arbusculares (HMA) en respuesta a los residuos de abonos verdes, así como un manejo orgánico a largo plazo [48, 55, 58]. Si bien la gestión que apoya las comunidades de microorganismos benéficos ha sido sugerido como un medio para aumentar la retención de N en los agroecosistema, entre otras funciones [54, 59], los cambios en la composición de la comunidad microbiana pueden ser relativamente limitados en panoramas agrícolas con un legado de agricultura intensiva [52, 60], incluso en respuesta al manejo orgánico [61]. Entre otras cosas la MO, incrementa la retención de los nutrientes del suelo disponibles para las plantas, debido a su capacidad de intercambio de cationes (CIC) [62-64]. El carbono orgánico forma parte de la MO, el cual provee componentes nutritivos para el crecimiento de las plantas y mantiene la estructura física del suelo en buenas condiciones, sin embargo debido a las actividades agrícolas, los ecosistemas han sido afectados, por lo que es necesario tomar medidas para la incorporación de fuentes de nutrientes a los suelos [65]. Aunque la deficiencia de MO, en muchos

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casos puede ser corregida con fertilizantes químicos, los suelos con mejor disponibilidad natural de nutrientes requerirán menores inversiones y, por lo tanto, muestran una aptitud natural para dar mejores rendimientos, por lo que el conocimiento de la necesidad de aplicar abonos verdes resulta una correcta elección.Beneficios reportados vinculados a la utilización de abonos verdes.Diversas investigaciones se han realizado entorno a la aplicación de abonos verdes, desplegando resultados positivos en fertilización de suelos, inhibición de patógenos e incremento de rendimientos en variedad de cultivos, convirtiéndose en una herramienta viable para la agricultura orgánica. Se ha reportado el efecto de diferentes abonos verdes en las propiedades biológicas de suelos y rendimientos en maíz, arroz, cebada y otros cereales, al usar Trifolium pratense, Brassica napus, Lolium perenne L., Crotalaria juncea, Sesbania, Mucuna pruriens, y diversas combinaciones entre cereales, y especies de leguminosas, proporcionando mineralización de suelo y nutrimentos (disponibilidad de nitrógeno) en áreas con baja fertilidad, arenosos y pobres condiciones físicas, incrementando la materia orgánica y por ende la biomasa microbiana, reduciendo la presencia de pestes y patógenos como nemátodos u hongos (Rhizoctonia solani y Phytophtora) y mejorando los parámetros de rendimiento en el cultivo (Tabla 2). También se ha evidenciado la potencialidad de estas mezclas verdes de influenciar las dinámicas de nitrógeno en el suelo, al favorecer la presencia de bacterias oxidables de amonio, y de esta manera proporcionar un mejor uso de nitrógeno, favoreciendo eficiencias de hasta el 79% [9] (Tabla 2).

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Tabla 2. Especies de leguminosas y no leguminosas usadas como abonos verdes reportados como mejoradores del suelo y de rendimiento

en diversos cultivos de interés agrícola.

Abono verde Estudio reportado en: Efecto reportado Referencia

Trifolium pratenseBrassica

napusMaíz

+Biomasa microbiana del

suelo+Mineralización del

suelo+Nutrición de la

planta+Parámetros de

rendimiento

[66]

Lolium perenne L.Suelos

-Fertilidad-Condiciones

físicas

+Biomasa microbiana

+Disponibilidad de nutrientes del suelo

[67]

Brassica Papa -Rhizoctonia solani [68]

Brassica PimientaSolarización

-Phytophthora [69]

Crotalaria juncea Maíz +Rendimientos del cultivo [70]

Sesbania Arroz +Fertilidad de suelo+Nitrógeno (N2) [71]

Mucuna pruriens Suelos arenosos y bajo en nutrientes

+N2 en suelos+Bacterias

Oxidantes de NH4+MO

[11]

Crotalaria y Mucuna Arroz +N2

+Rendimientos [9]

CrotalariaCebollasPuerros

ZanahoriasAntiparasitario

Herbicida [14]

Poaceas, Micorrizas Cereales Hongos +Indicadores del

suelo [37]

+Incremento /Mejoramiento -Inhibición / Disminución

81

Conclusiones y perspectivasDesde hace más de 80 años el cultivo de cebada se ha trabajado en la región de Hidalgo, mediante siembras tradicionales; estas han ocasionado diversos efectos adversos, al degradar los suelos de la región, o contribuyendo a la contaminación del alimento mismo por componentes químicos. Por lo tanto debido a la necesidad de conservación del medio ambiente, resulta necesario explorar y aplicar las diversas alternativas sustentables. En este trabajo se propone el uso de abonos verdes con variedad de especies leguminosas. Estas han sido reportadas con excelentes resultados, mejorando la estructura y calidad química del suelo, al incrementar las proporciones de materia orgánica. Es por ello que se sugiere aplicarlo en los suelos cebaderos como una estrategia óptima, que llevará a mejores rendimientos con el mínimo impacto ecológico. Referencias

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Valoración de la Calidad de la Cebada

Producida en el Estado de Hidalgo

ROLDÁN-ROJAS J.H.

GUZMÁN-ORTIZ F.A.

ROMÁN-GUTIÉRREZ A. D.

AntecedentesEl estado de Hidalgo es el segundo productor de cebada de temporal a Nivel Nacional, y más específico en la región de los valles de Apan; donde el cultivo es altamente dependiente de factores medio ambientales, y su uso en la industria alimentaria depende en gran cantidad de dichos nutrientes (viables en su composición) que contiene este grano. Por lo anterior, cada ciclo agrícola es una constante incertidumbre de las condiciones de producción debido a estos factores medio ambientes, así como de los procedimientos para la producción de la cebada, y por último, la etapa de comercialización que está sujeta directamente a la cantidad y calidad de grano. De aquí que la variación de un año a otro es de una alta incertidumbre, debido a esos factores medio ambientes, que fuertemente se ven reflejados en la producción y calidad. Como en otros cultivos, en México se tienen dos periodos para la producción de esta gramínea, los mejores niveles de rendimiento se obtienen durante el ciclo Otoño-Invierno (O-I) en áreas de cultivo con sistemas de riego; aun cuando la mayor producción se cosecha durante el ciclo Primavera-Verano (P-V) en lugares predominantemente de temporal. Las épocas de siembra y cosecha dependen de la variedad seleccionada y la región en la que se localice el cultivo, siendo para el ciclo P-V de abril a agosto mientras que para el ciclo O-I abarca los meses comprendidos entre octubre y enero [1].

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El uso más importante para la cebada es la producción de malta, para la elaboración de cerveza (60%), y para la alimentación de ganado (34%), entre otros usos y desechos [2]. Actualmente hay una tendencia a la diversificación en la utilización de la cebada; por ejemplo, se emplea en la producción de alcohol como combustible [3]; en películas biodegradables [4], [5]; como sustituyente parcial de la harina de trigo [6]; como fibra dietética [7]; entre otros usos más, que se han aplicado. No obstante, a lo descrito anteriormente, es de suma importancia económica, ya que los diferentes productores de cebada en la zona de los valles altos del país (como: Estado de México; Puebla; Tlaxcala e Hidalgo), como en la región del bajío es de suma importancia, ya que son los mejores y máximos productores a nivel nacional, tan solo para el año 1997 la producción total del volumen 95.8% del volumen total de cebada, y para el año 2013 ambas regiones lograron el 92% a nivel nacional de la producción [8], para las diferentes variedades de cebada.Existen cerca de 22,000 productores en la región centro, que aplican diferentes sistemas de cultivo: labranza, conservación orgánico, remoción de pajas, sistema de volcado, encamado, surcos sencillos, surcos cruzados, entre otros factores más [9], que generan esas diferencias entre variables pueden o no mejorar la calidad de la cebada de esta región, con respecto a otras. En promedio, se sembraron 330,678 ha de cebada grano en el país, entre los años 2003 al 2013 y, que a la fecha ha caído en un 14% la superficie destinada para este cultivo a nivel nacional, no sabemos a ciencia cierta cuál son los factores que han orillado a los productores a que dejen de sembrar cebada. Lo que si sabemos que México ha desplazado a Holanda en la producción de malta para su uso en la elaboración de cerveza y ser el primer exportador de esta bebida en el mundo [10].El estado de Hidalgo, destina para la siembra de esta planta, 120,373 ha, seguido del principal productor de cebada grano, Guanajuato con 68,128 ha y el estado de Tlaxcala con 45,631 ha. Generalmente los estados con mayor producción son: Hidalgo, Tlaxcala, Puebla, Estado de México y Guanajuato y de temporal, lo que implica un alto grado de probabilidad de que las condiciones adversas puedan impactar duramente el proceso de siembra, cosecha, almacenamiento y transportación. Por lo que año con año, el volumen producido y el valor de aporte económico para cada una de las regiones, en la Tabla 1 se muestra la producción nacional de

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la cebada por entidad y el impacto económica en la producción de este grano por estado.

Tabla 1. Producción Nacional de Cebada por entidad en 2013

ESTADOValor Producción

Millones de pesos

Participación %

Miles de toneladas Participación

GUANAJUATO 370,7 17,2 64,853 55,139HIDALGO 617,6 28,7 130,084 123,846TLAXCALA 560,3 26,0 47,340 47,965MÉXICO 265,3 12,3 36,952 36,283PUEBLA 156,3 7,7 21,073 28,379Resto 170,0 8,1 32,399 31,113Nacional 373,523 332,156 332,700 322,724

Elaboración propia. Fuente: SIAP, 2013

Condiciones de CultivoLas condiciones de cultivo son una parte importante para tener un buen grano de cebada de alta calidad, existen diferentes variables importantes que afectan directamente como son: a. Tipos de sueloEn el caso de la superficie (suelo), es de gran importancia, ya que la cebada es más tolerante que otros cereales con suelos básicos y menos tolerante a los suelos ácidos. Según Báez-Pérez [11], Solano [12], Huerta [9], y Gómez-Mercado [13] los suelos con textura arenosa (arcillosos), con un pH entre 6 a 8.5 generalmente son adecuado para el crecimiento de la planta; en cambio suelos húmedos y encharcados son desfavorables, aunque en ellos se puede obtener un mayor rendimiento, siempre y cuando se haga un buen laboreo para conservar la humedad del suelo.b. Otro elemento importante e idóneo para el cultivo es temperatura y, cuyo óptima se debe encontrar entre 15 y 25 °C, de manera general la cebada requiere una temperatura mínima de 6 °C para la germinación, 16 °C para la floración y 20 °C para la maduración, pero puede tolerar muy bien las bajas temperaturas [14]; aunque a temperaturas bajas ocasionan que el crecimiento y la aparición de espiguillas sea más lenta, lo que se puede observar es un alargamiento en el ciclo de crecimiento [15]. Los buenos cultivos son factibles cuando se tienen condiciones templadas, crece mejor en clima fresco y moderadamente seco, tolera bien las altas

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temperaturas en clima seco o elevada humedad en clima fresco, pero se adapta mal a los climas húmedos y cálidos, debido a la incidencia de enfermedades [16].c. La humedad favorece a la buena calidad del grano, una precipitación mayor de 600 mm H2O puede provocar enfermedades fitopatógenas [17], [18]; una de esas enfermedades es la roya lineal amarilla (Puccinia striiformis f. sp. hordei).d. Otro elemento importante es la variedad de cebada que se cosecha, en México el cultivo de cebada pertenece a la familia de las Poáceas (gramíneas), cuyo género es: Hordeum vulgare L. (de seis hileras) y Hordeum distichum L. (de dos hileras); investigaciones genéticas han logrado obtener diferentes tipo de variedades de tipos de cebada y, que pueden ser utilizados para diferentes fines específicos, como:

• Variedades de grano sin cascara, con alto contenido de proteínas, que se utilizan para consumo humano

• Variedades forrajeras, también de alto contenido proteico, que se utilizan para consumo de animales

• Variedades malteras, cuyo contenido proteico no es alto, y que tiene el grano con propiedades químicas adecuadas para la obtención de malta [16].

Bajo este concepto desde la década de los años 60 del siglo pasado, el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), han liberado dieciocho variedades con adaptación a las condiciones climatológicas, de tipo de suelo y riego; de las que se pueden mencionar: Esperanza, Esmeralda y Adabella, entre otras.

Análisis de CalidadEn México, la producción de cebada está íntimamente relacionada con la industria cervecera, considerada como una de las actividades más importantes dentro del sector agroindustrial a nivel nacional, la calidad requerida para los granos de cebada está regida por la norma NMX-FF-043-SCFI-2003, la cual establece los parámetros que debe cumplir la cebada maltera. Por lo tanto, la calidad y cantidad de los nutrimentos del grano de cebada afectan directamente a las propiedades nutritivas, culinarias y funcionales de los cereales [19].Dentro de este contexto, una de los principales parámetros de la calidad de la cebada es el análisis sensorial y de temperatura del grano, para nuestro caso se realizó el muestreo de diecisiete variedades de cebada,

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con el fin de tener ciertos elementos característicos de las diferentes muestras de cebada, de acuerdo al color y olor característico de esta semilla, esto nos permite asegurar que no existe contaminación por hongos o insectos [20]. En la Tabla 2 se muestran las diecisiete muestras de cebada analizadas.

Tabla 2. Análisis físicos del grano de cebada

No Código Color OlorTemp. amb.

Temp. grano

ºC ºC (σ)1 EA-3 Característico Característico 21 19 (1.00)2 EEZ-3 Característico Característico 17 14 (1.20)3 EC-3 Característico Característico 23 27 (1.70)4 EA-5 Característico Característico 19 19 (0.42)5 EZ-5 Característico Característico 18 19 (0.84)6 ADA-6 Característico Característico 18 19 (0.45)7 EA-6 Característico Característico 19 18 (0.45)8 EA-7 Característico Característico 22 21 (0.40)9 EAP-7 Característico Característico 20 18 (0.50)

10 GA-7 Característico Característico 21 21 (0.10)11 GEZ-7 Característico Característico 21 19 (0.50)12 ACH-8 Característico Característico 21 20 (0.50)13 ALP-8 Característico Característico 21 20 (0.40)14 EA-8 Característico Característico 21 20 (0.40)15 ELP-8 Característico Característico 21 21 (0.10)16 GLP-8 Característico Característico 21 21 (0.10)17 GTH-8 Característico Característico 20 18 (0.20)

(σ)Desviación estándar

Aunque es importante mencionar que dentro de esta prueba, la variedad que presentó el mayor incremento entre la temperatura ambiente y la temperatura del grano fue: muestra 3 (variación de 4ºC). Esto indica, que existía liberación de energía debido a algún proceso metabólico. Aunque la muestra 3 presentó mayor variación de temperatura, las diecisiete variedades se encuentran dentro de la norma NMX-FF-043-SCFI-2003; por lo tanto, todas ellas presentan características sensoriales aceptables.Dentro de este marco de calidad, hay que considerar otros elementos,

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como impurezas, peso de mil granos, índice de flotación y pérdida de peso; que a continuación se muestra en la Tabla 3. La Tabla 3 se muestra los resultados tanto de impurezas que tiene las diferentes muestras estudiadas, observándose que la mayoría se encuentran fuera de norma, esto se debe a que las condiciones de cosecha, transporte y almacenamiento no fueron las adecuadas; en cambio la muestra 9, 11 y 16 están por debajo del límite máximo permitido; esto implica que dichas variedades tendrán un valor comercial más elevado en comparación con las demás, ya que entre más impurezas contenga una variedad su costo comercial será menor.

Tabla 3. Determinación de impurezas*, densidad y dureza.

No.

Impureza Peso mil granos Índice de flotación Pérdida de

peso (%)

(%) (g) (σ) (%) (σ)

1 2.1 37. 5 (0.60) 7.0 (1.40) 46.42 3.8 38.5 (0.40) 5.5 (0.70) 43.23 3.1 36.3 (2.70) 11.5 (0.70) 49.94 3.6 34.4 (0.95) 14.7 (0.58) 34.55 2.3 35.0 (0.71) 1.0 (0.01) 34.56 3.4 42.4 (0.11) 5.0 (0.01) 31.07 3.0 41.2 (0.82) 3.3 (0.58) 33.98 3.0 37.0 (0.09) 3.0 (0.01) 4.39 1.5 37.5 (0.08) 15.0 (2.00) 4.8

10 5.0 46.4 (0.07) 10.0 (0.01) 7.511 1.0 42.8 (0.01) 4.7 (0.57) 5.212 11 38.0 (0.06) 13.7 (0.57) 4.213 8.0 43.2 (0.06) 12.7 (0.57) 8.114 7.0 36.2 (0.15) 15.3 (2.88) 8.715 2.5 38.4 (0.05) 3.7 (1.15) 8.116 1.0 50.6 (0.09) 3.0 (1.00) 5.517 4.5 39.2 (0.01) 12.3 (0.57) 12.0

• Norma oficial NMX-FF-043-SCFI-2003 que establece como límite máximo 2% de impureza• (σ ) Desviación estándar.

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Respecto a la sanidad, la cebada se considera infestada al encontrar más de tres insectos vivos en 1Kg [21]; en nuestro caso, la muestra 3, se encontró un barrenador de cereales vivo en 1 Kg de cebada. La presencia de éste insecto, indujo que existe una variación entre la temperatura ambiente y la del grano, y esto probablemente se relaciona con el metabolismo del insecto. Las restantes muestras no se encontró ningún insecto por lo que se puede decir que ninguna se considera infestada. Siguiendo con el análisis de las variables, la densidad grano, se relaciona con dos parámetros: peso mil granos e índice de flotación. Para el primer elemento (peso mil granos), y que representa un buen indicador del tamaño del grano; de las muestras analizadas (Tabla 3), la que presentó menor peso fue la 4 con 34.4 g; en cambio la que obtuvo mayor peso fue la muestra 16 con 50.6 g en mil granos. Por lo tanto, de las diecisiete variedades, los valores peso de mil granos oscilan entre 36.2-50.6 g. Según Tscheuschner [22] define que la cebada suele variar entre 20-50 g por cada mil granos. En base a lo anterior, se puede decir: que todas las variedades se encuentran dentro del rango establecido, y reflejan que el grano esta íntegro y no ha sido atacado por insectos. La muestra 16 es la variedad más factible para la industria maltera debido a que posee el mayor peso mil granos (50.6 g) y un bajo índice de flotación (3%).De esta misma Tabla 3, existe otro elemento importante que es el índice de flotación, se encontró que las variedades que presentaron menor número de granos suspendidos en la superficie fueron: la muestra 5 (1%); la 8 y 16 (3.0 %), la 7 (3.3%) y la 15 (3.7%). Hasta aquí, debemos dejar bien claro, que la densidad de las muestras se relacionados con la calidad del grano, y la industria maltera, prefiere granos con densidades altas ya que son menos susceptibles al ataque por insectos; también se sabe que en el endospermo existen menos poros de aire o huecos.La dureza del grano es otro elemento importante a considerar y que se relaciona directamente con la pérdida de peso, debido a que los granos tuvieron mayor resistencia a la abrasión. De las diecisiete variedades que se muestran en la Tabla 3, las que presentaron mayor dureza las muestras 12 (4.2%), 8 (4.5%) y 9 (4.8%), esto se debe a que los granos tuvieron mayor resistencia a la abrasión, por lo tanto menor pérdida de peso. Mientras que la muestra 3 (49.9%), la 1 (46.4%) y 2 (43.2%) fueron las variedades que mayor pérdida de peso y por lo tanto, menor resistencia a abrasión. Según Tscheuschner [22], comprobó que los

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granos harinosos tienen una menor densidad y dureza que los vítreos; de manera que las condiciones ambientales durante el crecimiento y la maduración, juegan un papel importante en el desarrollo del endospermo y la variación de densidad [23]. Continuando con la investigación, las impurezas son parte importante de buen o mala calidad de la cebada, en la Tabla 4 se muestran algunos detalles sobre el tipo de impurezas encontradas. Las muestras 12, 13 y 14 presentaron mayor impureza de flores, paja, semillas y tallos; para el caso de la muestra 12, tiene el mayor porcentaje de piedras; las que tienen menor incidencia es la muestra 10 y 14, son las que tienen la mayor impureza en semillas de otra especie.

Tabla 4. Descripción detallada de impurezas

No.Flores Paja Semillas Tallos Piedras

(%) (%) (%) (%) (%)1 0.29 1.12 0.72 0.16 0.329 0.09 0.84 0.17 0.01 0.04

10 0 0.44 3.33 0.60 0.2711 0.01 0.23 0.76 0 012 2.13 3.99 1.51 2.81 0.4013 1.54 2.90 0.07 3.18 014 0.49 2.31 3.66 0.45 0.0815 0.11 1.24 0.54 0.30 0.2216 0.19 0.41 0 0.06 017 0.52 0.99 2.47 0.55 0

Es favorable tener granos que presenten mayor dureza. La dureza del grano es un factor importante que influye en la calidad de la cebada ya que mediante esta propiedad se determina la resistencia que posee al quebrado durante la cosecha, transporte y almacenamiento. Poder de germinaciónLa germinación de la cebada es una prueba para evaluar la viabilidad de la semilla y detectar si la semilla es apta o no para el proceso de malteado. El interés fundamental del malteador es obtener una cebada que germine fácilmente y con uniformidad. Durante la germinación se lleva a cabo la activación de las enzimas presentes en el grano, las cuales participarán en la reducción de las largas cadenas de azúcar que posteriormente serán fermentadas por las levaduras dando lugar a la cerveza. En cuanto a éste

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parámetro maltero y, de acuerdo a la norma NMX-FF-043-SCFI-2003 las muestras con 85% de germinación son ideales para la elaboración de malta cervecera. En la tabla 5 se observa el porcentaje de germinación de acuerdo al método H2SO4 y H2O2. Las variedades que presentan menor porcentaje de germinación realizada con H2SO4 son: la muestra 4 (72.3%); 14 (73%) y 15 (79.7%). Para las muestras realizadas con H2O2, las variedades que presentaron menor porcentaje de germinación fueron 4 (76.6%); 14 (78.3%) y 15 (82.7%). Con base a la norma antes mencionada las tres variedades anteriores no son aptas para el malteado ya que el porcentaje de germinación que presenta es menor al 85%.

Tabla 5. Viabilidad de germinación

MuestraH2SO4 H2O2

% (σ) % (σ)4 72.3 (0.58) 76.7 (0.58)5 92.7 (0.58) 90.0 (0.01)6 96.7 (0.58) 90.0 (0.00)7 99.7 (0.58) 86.0 (1.00)8 90.3 (2.08) 96.0 (2.65)9 90.7 (2.08) 95.0 (1.73)

10 83.7 (1.15) 87.3 (5.03)11 86.7 (1.53) 93.3 (2.31)12 93.0 (4.00) 96.7 (1.53)13 93.7 (3.21) 97.0 (2.00)14 73.0 (3.00) 78.3 (2.89)15 79.7 (4.04) 82.7 (1.53)16 83.0 (2.00) 86.0 (1.00)17 91.3 (1.53) 95.7 (2.08)

(σ) desviación estándar Respecto a las demás variedades analizadas por el método H2SO4, la muestra que presentó mayor porcentaje de germinación fue la 7 (99.7%) seguida de la muestra 6 (96.7%) y, 13 con un 93.7%; por lo tanto son aptas para la elaboración de malta. Mientras que las variedades que se encuentran fuera de norma en cuanto a este método a parte de las mencionadas anteriormente son: 10 (83.7%); la 15 (79.7%); y la 16

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(83.0%). Por el método que utiliza H2O2 las variedades que son ideales para realizar el malteado son muestra 13; 12 (96.7%); y 17 (95.7%) por presentar mayor porcentaje de germinación.HumedadEl contenido de humedad en los órganos de la planta de cebada (hojas, tallos y granos de cebada), es un factor importante para predecir su comportamiento en el almacenamiento. Generalmente la humedad crítica de los cereales es de 14% [24], [25], [20] y [26]. En la Tabla 6 se muestran los porcentajes de humedad de las diecisiete variedades de cebada. El contenido de humedad de la cebada puede variar de 10 a 14%. Según Callejo [24], o bien de acuerdo a la NMX-FF-043-SCFI-2003 para ser considerada cebada maltera, debe cumplir con un porcentaje de humedad crítica entre 11.5% a 13.5%. La gran mayoría de las variedades estudiadas en este trabajo tienen un contenido de humedad menor al crítico, esto implica un menor gasto en el manejo del grano, al ser menos propenso a deteriorarse. Asimismo, valores bajos en cuanto al contenido de humedad tendrán una bonificación 5 kg/ton, sobre el valor comercial del grano de cebada.

Tabla 6. Humedad en granos de cebada

MuestraHumedad

MuestraHumedad

(%) σ (%) σ1 10.8 (0.10) 11 9.3 (0.09)2 10.1 (0.10) 12 14.6 (0.05)3 10.5 (0.10) 13 11.1 (0.20)4 12.9 (0.01) 14 13.7 (0.13)5 9.6 (0.01) 15 13.8 (0.17)6 12.5 (0.01) 16 12.7 (0.16)7 10.7 (0.01) 17 13.9 (0.04)8 9.1 (0.15)9 10.6 (0.11)

10 9.2 (0.12) ( σ) Desviación estándar

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Las muestras que se encuentran por arriba del límite superior son 12 (14.6%); 17 (13.9%); 15 (13.8%) y 14 (13.7%) rango establecido por la norma, y solo la muestra 12 sobrepasa el rango establecido por Callejo. Las que se encuentran por debajo del límite inferior por la norma mexicana NMX-FF-043-SCFI-2003 son: 8 (9.1%); la 10 (9.2%) y la 11 (9.3%). La variación en el contenido de humedad de las distintas muestras analizadas puede estar influenciada por las condiciones ambientales durante el crecimiento de la planta; y también puede ser modificada entre el estado de maduración con respecto a la cosecha, o bien por las condiciones de almacenamiento [27]. Para las variedades que presentan un contenido menor a 11.5% es recomendable que sean sometidas a un proceso de hidratación para incrementar su humedad, de lo contrario tienden a ser quebradizas siendo no aptas para la obtención de malta ya que el grano no se encontraría en condiciones ideales para germinar. Para aquellas variedades que presentan un contenido mayor a 14.5% es necesario realizar una aireación para disminuir la humedad. Con ello se pretende evitar que crezcan microorganismos en el grano y puedan alterarlo debido a que el pericarpio es susceptible de ser atacado, además que en condiciones adecuadas de temperatura el grano húmedo pueda germinar. Por lo que no podría ser comercializado. Las variedades que se encuentran dentro del rango establecido por la NMX-FF-043-SCFI-2003 son: muestra 4 (12.9%), muestra 6 (12.5%) y por último la muestra 16 (12.7%).ProteínasLas proteínas de los cereales, como la mayoría de las proteínas vegetales, son deficientes en ciertos aminoácidos, particularmente en algunos esenciales como la lisina, treonina, histidina, metionina y triptófano [24]. En las prolaminas el contenido de lisina es bajo, en tanto que las albúminas y globulinas son elevadas [24], [25] y [20].La cantidad de proteína difiere notablemente en los distintos tipos de cereales e inclusive dentro del mismo cereal de unas cosechas a otras. Esto es debido a la fuerte interacción entre el genotipo y las condiciones ambientales que prevalecen durante el desarrollo y maduración del grano. Conocer el contenido de proteína, permite saber cuál es el uso más apropiado para cada una de las variedades, por ejemplo: una cebada maltera difiere de la forrajera por el contenido proteico. Las variedades malteras contienen un contenido proteico menor, lo que significa una mayor cantidad de carbohidratos fermentables en el grano.

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Usualmente un buen contenido proteico en la cebada va de 7.5-15.6% [26] y [20]. Pero, para la extracción de malta, esta disminuye con el incremento de proteína elevado en la cebada, de manera que los requerimientos comerciales normales para el uso de cebada maltera, estipulan como máximo 11.5% [35].El contenido de proteína de las diferentes muestra en la Tabla 7. Cabe entonces preguntarse hasta aquí si las muestras de las cebadas se pueden utilizar para producir cerveza, de los análisis realizados que se muestran en la tabla 8, el contenido proteico en las muestras analizadas y, estas varían entre 8.2-13.2%, que están por debajo este criterio. De las diecisiete variedades examinadas, las muestras con menor contenido proteico fueron: la 6 (8.2%); la 7 (8.3%) y la 1(8.4%, y la que tuvo mayor contenido fue la muestra 10 (13.2%). Con base a lo descrito anteriormente, las muestran que encuentran en el rango para ser utilizadas como cebada maltera son: la muestra 1 (8.4%); la 3 (10.9%), la 4 (9.7%); 5 (10.6%); 6 (8.2%); 7 (8.3%); 9 (10.4%); 11 (11.4%) y la 15 (10.3%). Mientras que las variedades que contienen un contenido proteico mayor a 11.4% son aptas para fines de alimentación animal y panificación. Además las proteínas pueden tener influencia importante en el aporte de turbidez a las cervezas [28].

Tabla 7. Proteína y Lípidos en granos de cebada

MuestraProteína Lípidos

MuestraProteína Lípidos

(%) [σ] (%) [σ] (%) σ (%) σ1 8.4 (0.70) 2.2 (0.10) 11 11.8 (0.51) 0.9 (0.04)2 12.2 (0.20) 3.0 (0.02) 12 12.2 (0.27) 0.6 (0.01)3 10.9 (0.10) 1.5 (0.04) 13 13.1 (0.82) 0.7 (0.43)4 9.7 (0.07) 1.6 (0.01) 14 11.4 (0.01) 0.6 (0.08)5 10.6 (0.06) 1.5 (0.01) 15 10.3 (0.76) 1.6 (0.84)6 8.2 (0.03) 1.4 (0.01) 16 12.1 (0.30) 0.5 (0.02)7 8.3 (0.02) 1.5 (0.01) 17 12.6 (0.34) 0.7 (0.05)8 12.6 (0.32) 1.3 (0.02)9 10.4 (0.38) 0.1 (0.01)

10 13.2 (0.18) 1.4 (0.04)(σ ) Desviación estándar

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Lípidos Los lípidos o materia grasa, se encuentran en menor proporción, en relación a otros constituyentes del grano de cebada, sin embargo, estos constituyentes tienen mucha importancia desde el punto de vista de estabilidad y procesos metabólicos. Los lípidos están presentes en el germen y la capa de aleurona de la cebada y son ricos en ácidos grasos insaturados [24]. En la Tabla 7 se muestran los porcentajes del contenido de lípidos obtenidos en las diferentes variedades de cebada. Las grasas se encuentran en menor proporción respecto a otros constituyentes del grano de cebada. Por lo general los cereales tienen bajas cantidades de compuestos lipídicos, la cebada se encuentra entre el 1.1-3.1% de lípidos los cuales están presentes principalmente en el germen y la capa de aleurona del grano [24]. Los lípidos presentes en la cebada pueden estabilizar o desestabilizar la espuma de la cerveza, cuando las grasas están unidos a las proteínas tiende a estabilizar y mejorar la espuma, pero cuando se encuentran libres pueden disminuir la espuma. Las variedades estudiadas obtuvieron porcentajes que oscilan entre 0.1 y 1.6%, las que presentaron un porcentaje más alto de grasa respecto al conjunto de muestras analizadas son: la 2 (3%); 1 (2.2%); la 4 y 15 (1.6%). Las que tienen menor porcentaje son: 9 (0.1%); 16 (0.5%); 14 (0.6%) y 17 (0.7%). FibraEl contenido de fibra de las distintas variedades de cebada se muestra en la Tabla 8. Realizando el análisis correspondiente a las diecisiete muestras, las que presentaron menor contenido de fibra fueron: la 10 y 11 con un porcentaje de 1.7% cada una. La muestra 1 fue la que mostró el contenido más alto de fibra (6.1%) dentro de este conjunto. La fibra se localiza exclusivamente en las cubiertas del grano de cebada, actuando principalmente como sustancia estructural por lo que el contenido de esta carece de influencia en la calidad de la cerveza.

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Tabla 8. Fibra y Carbohidratos en granos de cebada

MuestraFibra Carbohidratos

MuestraFibra Carbohidratos

(%) (σ) (%) (σ) (%) (σ) (%) (σ)

1 6.1 (0.50) 81.0 (0.50) 11 1.7 (0.47) 83.0 (0.97)2 6.0 (0.50) 76.0 (0.50) 12 3.7 (0.36) 81.3 (0.48)3 5.3 (0.01) 80.0 (0.20) 13 3.6 (0.18) 80.5 (0.31)4 2.5 (0.01) 82.9 (0.01) 14 2.8 (0.32) 83.0 (0.18)5 2.5 (0.01) 86.8 (0.02) 15 3.0 (0.21) 83.3 (0.22)6 2.6 (0.01) 83.0 (0.03) 16 3.5 (1.13) 81.5 (1.36)7 2.6 (0.03) 85.4 (0.01) 17 2.5 (0.16) 82.0 (0.34)8 2.7 (0.48) 81.2 (0.91)9 2.6 (0.82) 84.4 (0.83)

10 1.7 (0.42) 81.6 (0.30)(σ)Desviación estándar

CarbohidratosEn la cebada contiene cantidades significativas de azúcares simples y de oligosacáridos. Sin embargo estos carbohidratos están presentes en tan bajas cantidades que son difíciles de determinar con alta precisión [29], [30], [31] y [32]. En el endospermo se encuentran en muy bajas concentraciones carbohidratos simples como glucosa y fructosa. La maltosa se encuentra en niveles bajos, algunas veces en las regiones adyacentes del endospermo, en el embrión y la capa de aleurona. Esto sugiere que la maltosa puede ser formada por la degradación del almidón provocada durante la germinación de la cebada. En pequeñas cantidades se presentan la galactosa y manosa durante el desarrollo de la cebada [29], [30]. [31] y [32]. La rafinosa es el mayor de los oligosacáridos presentes en la cebada y se considera cerca de 25% de los carbohidratos de bajo peso molecular del grano. Más del 80% de este oligosacárido está en el embrión y su metabolismo es rápido durante los estados de germinación [29], [30]. [31], [32].El almidón está constituido principalmente por polímeros de α–D glucosa, azúcar de seis carbonos, que en forma anillada se le conoce como D-glucopiranosa, ésta se une mediante enlaces glucosídicos, principalmente en presencia de agua. En el almidón se pueden distinguir

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dos biopolímeros, la amilosa que es esencialmente lineal y la amilopectina que está altamente ramificada. Estos polímeros a pesar de ser similares molecularmente, difieren ampliamente en sus propiedades fisicoquímicas y funcionales [33]. Dentro de los gránulos, el almidón tiene un arreglo semicristalino, y la cristalinidad se debe al ordenamiento y longitud de las cadenas de amilopectina [29], [30], [31] y [32]. Los hidratos de carbono son el mayor constituyente de los granos de cereales. Constituidos principalmente por almidón en forma de gránulos esféricos. En la Tabla 8 se muestra el porcentaje de carbohidratos presentes en las distintas variedades de cebada analizadas. Conforme a los datos obtenidos de la Tabla 8, todas las variedades contienen un porcentaje de hidratos de carbono adecuado, y podrían destinarse para la fabricación de cerveza. Las muestras analizadas varían entre 76 a 86.8%, la que presenta menor contenido de carbohidratos fue la muestra 2 (76%); mientras que la de mayor contenido es la 5 (86.8%). En cervecería es deseable mayor contenido de hidratos de carbono y menor cantidad de proteína, ya que una mayor cantidad de carbohidratos implica mayor cantidad de almidón. El almidón es necesario para producir la maltosa durante el proceso de germinación en el malteado.

ConclusionesEn general la calidad del grano depende mucho de los factores ambientales que tenga durante su desarrollo. En estudios realizados se ha comprobado que la densidad de los granos se ve afectada por las condiciones ambientales durante su crecimiento y maduración. Por ejemplo: en el año 2008 en el estado de Hidalgo se registró una precipitación por arriba de la media, por lo tanto esto pudo haber afectado el desarrollo del grano de cebada de la variedad EA 2008 y verse reflejado en la densidad del grano, ya que fue la que presentó menor densidad de todas las variedades analizadas. De manera general se puede concluir que las cebadas producidas en el estado de Hidalgo presentan buena calida de acuerdo a los lineamiento de las Normas de comercialización Mexicana.

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El Carbón de la Espiga del Maíz

en el Valle del MezquitalMERCADO-FORES Y.

CARTAGENA-LUNA A.

SÁNCHEZ-MAYA H.E.

PÉREZ CAMARILLO J.P.

ORTEGA-BERNAL J.

ÁLVAREZ-CERVANTES J.

ANDUCHO-REYES M.A.

AntecedentesEl maíz es una gramínea anual de crecimiento rápido y gran capacidad productiva; aunque este cultivo se adapta a las más diversas condiciones agroclimáticas, de humedad, temporal y riego; se produce en dos ciclos: primavera – verano y otoño – invierno. En México y a nivel mundial este cereal es considerado el más importante desde el punto de vista alimentario, industrial, político y social, sin embargo, año con año su producción se ve afectada por un grupo de distintas enfermedades, con diferente severidad ocasionando pérdidas económicas considerables lo cual repercute en los sectores agropecuario, alimenticio e industrial [1]. El Valle del Mezquital en el estado de Hidalgo es una zona altamente productiva de maíz en la modalidad de riego, aun así, está catalogada con alto y muy alto grado de marginación [2].Para la producción de este cereal, se utiliza una gran cantidad de agroquímicos que garantizan su productividad y controlan plagas y enfermedades, los cuales en su mayoría son altamente tóxicos y recalcitrantes [3]. Aunado a esto, el riego con aguas negras, ha contribuido

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de alguna manera en alcanzar importantes niveles de productividad, debido al contenido de materia orgánica que aporta ocasionando el establecimiento de un microecosistema en el suelo muy particular, en donde las condiciones han permitido la selección de organismos con capacidades peculiares que prevalecen solo en la zona (Datos no publicados).Una de la enfermedades más importantes de este cultivo en el Valle del Mezquital es el carbón de la espiga ocasionada por el hongo basidiomiceto Sporisorium reilianum. Este patógeno del suelo penetra a la planta durante la geminación de la semilla produciendo una infección sistémica que se manifiesta después de la floración. La característica más sobresaliente de la enfermedad es la presencia de masas carbonosas de color negro en mazorcas y en espigas [4-6]. En el estado de Hidalgo está presente desde la década de los 60s y en los últimos años este problema se ha ido incrementado. El tratamiento incluye diferentes prácticas culturales, fungicidas altamente costosos y tóxicos, así como la utilización de híbridos tolerantes, con resultados poco alentadores [6-8]. Por lo anterior, es necesario la búsqueda de alternativas compatibles con el medio ambiente que permitan el control de este problema fitosanitario, utilizando herramientas biotecnológicas con organismos benéficos autóctonos que ya se encuentran adaptados a las condiciones muy particulares del Valle del Mezquital.

El Valle del Mezquital y la producción de maízEl Valle del Mezquital es una región del estado de Hidalgo en la que se practica intensivamente el cultivo de maíz en la modalidad de riego, la cual se encuentra localizada en la porción suroeste abarcando 27 municipios (Figura 1). Es una de las de las superficies más planas de la entidad con predominio de valles volcánicos. Su vegetación se encuentra constituida por matorral xerófilo, presenta un clima de semiseco a seco con temperaturas mayores de 12°C y presencia de lluvias en verano con menos de 700 mm anuales [2, 9]. Es considerada una de las regiones con mayor desarrollo económico impulsado por la industria y la agricultura de riego, sobresaliendo el corredor industrial más importante del Estado Atitalaquia-Tula-Tepeji, en donde se localizan empresas como la Refinería de PEMEX, la Termoeléctrica de CFE, empresas del ramo textil, de la industria del

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acero y acabados metálicos, alimentos y minerales no metálicos. Este valle comprende la zona agrícola más extensa que se riega con aguas negras (80 000 ha), las cuales provienen de las descargas de la Zona Metropolitana de la Ciudad de México y del Estado de Hidalgo. Tiene mayor densidad de población en la parte sur, con un importante grado de urbanización [2, 9]. Sin embargo, datos de la CONAPO muestran que para el 2010 de los 27 municipios, 14 se encuentran catalogados con alto y muy alto grado de marginación, dicha condición puede observarse mayoritariamente en la zona norte. Por lo que existe la necesidad de dar apoyo en la generación de nuevas alternativas de desarrollo y apoyar lo que ya se tiene, tal es el caso de la agricultura en la modalidad de riego.

Figura 1. Localización geográfica del Valle del Mezquital en el Estado de Hidalgo. (Tomada y modificada de INEGI; [11])

El Valle del Mezquital es considerado la principal zona productora de maíz del estado. Aún tomando en cuenta la escasez de agua, de los 27 municipios que lo constituyen, 26 fundamentan su producción en la modalidad de riego. Datos tomados del SIAP (Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera) [10], muestran que tan solo en el 2014 de las 256145.25 Ha destinadas en la entidad para la producción de este

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cereal tanto en la modalidad de riego como de temporal, 94626.65 Ha pertenecen al Valle del Mezquital lo cual representa un 36.94%, aún así, en cuanto a la producción la zona aportó el 60.29% con un valor de producción de $1127716.84 pesos, que corresponde al 52.41% de valor estatal (Tabla 1).

Tabla 1. Comparación de la producción de maíz de grano en el Valle del Mezquital con respecto a la producción estatal en 2012 modalidad de

Riego + Temporal. (Datos tomados del SIAP [10]).

Del total de Ha destinadas a nivel estatal para la siembra de maíz en la modalidad de riego, un 75.95% del total se encuentran en el Valle del Mezquital, las cuales aportan el 87.10% de la producción. En la modalidad de temporal su aporte en producción es poco (25.62%). Con base a lo anterior el Valle del Mezquital constituye la principal zona productora de maíz de grano en el estado de Hidalgo, este cereal es considerado a nivel mundial como uno de los más importantes desde el punto de vista alimentario, industrial, político y social [1]. Dado el grado de marginación de la zona [2], no es de sorprenderse que además de la percepción económica propiamente por la actividad agrícola, en mucho de los casos la siembra también se efectúa para autoconsumo (Datos no publicados), contribuyendo de alguna forma en atender una necesidad básica como alimentación.

El Carbón de la espiga del maízDentro de las enfermedades más importantes de maíz en el Valle del Mezquital se encuentra el carbón de la espiga, ocasionada por el hongo basidiomiceto S. reilianum, un hongo biotrófico y dimórfico [4-6]. Fue primeramente descrito como Ustilago reiliana (Kühn) y después renombrado como Sphacelotheca reiliana (Künh). Estudios basados en sus características genéticas permitieron posicionar a este

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microorganismo en el género Sporisorium con dos subespecies S. reilianum f. sp. reilianum and S. reilianum f. sp. zeae, las cuales afectan a sorgo y maíz respectivamente. Aunque las dos variedades pueden infectar a ambos cultivos, existen diferencias importantes que hacen que cada una de ellas complete su ciclo de vida con especificidad de hospedero, por ejemplo, S. reilianum f. sp. reilianum es altamente virulento en sorgo, pero es incapaz de producir esporas en maíz, mientras que S. reilianum f. sp. zeae no causa enfermedad en sorgo, pero se observa un incremento en la producción de fitoalexinas en la planta. Estudios moleculares comparativos a nivel del transcriptoma de hojas de maíz colonizadas con ambas subespecies, han revelado que un mayor número de genes se expresan durante la interacción planta con S. reilianum f. sp. zeae que con S. reilianum f. sp. reilianum, demostrando que la especificidad de hospedero es determinada por diferentes mecanismos en maíz y en sorgo [6,12-13]. Este fitopatógeno es un habitante natural del suelo en donde sobrevive hasta por 10 años en forma de teliosporas, las cuales son esféricas o subesféricas, equinuladas, de color café amarillento que van de pálido a rojizo oscuro o negro, a simple vista dan la apariencia de polvo negro (Figura 2). Los medios de diseminación de estas estructuras fúngicas son, por el viento, la lluvia, el riego, la fauna y por las actividades humanas [4, 6, 12-17].

Figura 2. Teliosporas de S. reilianum. A) Observación microscópica a 40X. B) Observación a simple vista, tomadas de la lesión en la mazorca.

El hongo penetra a la planta durante la geminación de la semilla produciendo una infección sistémica que se manifiesta después de la

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floración. La característica más sobresaliente de la enfermedad es la presencia de masas carbonosas de color negro en espigas, que además presentan un desarrollo excesivo y deformaciones. Estas mismas lesiones pueden observarse en las mazorcas, en donde todos los granos son sustituidos por el carbón, perdiendo su consistencia y su forma alargada, tomando una globosa, abultada y suave (Figura 3) [5-6, 18].

Figura 3. Carbón ocasionado por S. reilianum. A) Espiga. B) Mazorca.Ciclo de vida de S. reilianum El ciclo de vida de S. reilianum comienza cuando las condiciones de humedad y temperatura son óptimas para que una teliospora madura diploide uninucleada germine produciendo una estructura denominada promicelio, en donde el núcleo se divide por medio de meiosis, resultando en cuatro núcleos haploides que pasan a células laterales constituyendo cuatro basidiosporas de diferentes compatibilidad sexual, consideradas la fase levaduriforme saprofítica del hongo. La complementación sexual se da por la producción y reconocimiento específico de feromonas, esto sucede cuando dos levaduras compatibles entran en contacto en los tejidos jóvenes de la planta produciendo tubos de complementación que les permiten fusionarse y formar la fase micelial diploide infectiva. En este caso la formación de un apresorio es fundamental para la penetración. Probablemente, la producción de enzimas líticas y procesos mecánicos de presión tienen un importante papel, además de ayudar durante la colonización. Aunque la infección ocurre durante los primeros

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días después de la germinación de la semilla, la infección es sistémica, afectando a los órganos reproductivos de la planta (espiga y mazorca) en donde aparecen las masas carbonosas de teliosporas, las cuales caen al suelo, o son transportadas por la lluvia y/o el viento reiniciando el ciclo (Figura 4) [5-6, 18-22].

Figura 4. Ciclo de vida de S. reilianum. (Tomada y modificada de Alvarez-Cervantes y col., 2016 [6])

Características de S. reilianum en condiciones de laboratorio.S. reilianum puede ser cultivado en condiciones de laboratorio, ya sea en cultivos sólidos en placa y líquidos, en donde se reproduce por gemación [23-24]. Las levaduras son ovaladas y cuando se encuentran en reproducción activa pueden formar pseudomicelio (Fig. 5A), y con fuentes de carbono complejas como el xilano y el almidón de papa, llega a filamentar (Datos no publicados). Las colonias en placa son de forma irregular, con elevación umbilicada, margen lacerado, color beige o crema, con luz reflejada mate, opacas y de consistencia butirosa (Fig. 5B y 5BC) (Datos no publicados).

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Figura 5. Morfología microscópica y macroscópica de S. reilianum. A) levaduras vistas al microscopio de contraste de fases 40X. B)

Colonias en placa con medio YPD. C) Acercamiento de las colonias levaduriformes.

El hongo también puede ser cultivado en solido utilizando medios sintéticos embebidos en soporte sólidos inertes como la espuma de poliuretano (PUF) [23-24], en este caso, no se ha observado la formación de micelio (Datos no publicados). El hongo puede crecer bien en medios como YEPD (Extracto de Levadura, Peptona y Dextrosa), PDA o PDB (Agar o Caldo Papa y Dextrosa respectivamente), medios mínimos con diferentes fuentes de carbono y nitrógeno, entre otros. Las condiciones de cultivo pueden ser en agitación hasta 150 r.p.m. o en estático, en un intervalo de 28 a 30ºC, en donde tiene su temperatura óptima de crecimiento [23-24]. La conservación de las cepas debe hacerse en tubos inclinados con aceite mineral a temperatura ambiente, ya que se ha observado que a temperaturas de refrigeración pierde viabilidad rápidamente (Datos no publicados).Características y factores que favorecen la enfermedad La enfermedad causada por S. reilianum toma su nombre como carbón de la espiga por la apariencia que presentan las inflorescencias masculinas de la planta, aunque esto mismo, también se puede observar en las mazorcas. No debe confundirse con el Huitlacoche o carbón común del maíz ocasionado por Ustilago maydis, otro basidiomiceto muy cercano filogenéticamente a S. reilianum. La diferencia se puede apreciar a simple vista debido a que el primero forma tumoraciones cubiertas por una membrana grisácea las cuales contienen las teliosporas. En el caso del segundo, se dice que es un carbón desnudo, en donde las lesiones dan

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la apariencia de suelo polvoriento de color negro sin ninguna estructura que lo contenga. Otra diferencia importante es que el Huitlacoche, es un hongo comestible con alta aceptación en la comida mexicana y a nivel mundial. Las mazorcas infectadas por S. reilianum no son consumidas, ni siquiera por el ganado que podrían alimentarse del forraje o restos del cultivo, debido a que su sabor no es agradable [19, 25-26]. Las plantas que ya poseen el carbón de la espiga, también pueden manifestar la presencia de antocianinas y manchas cloróticas en tallo y hojas, así como achaparramientos. Se ha observado que el contenido de auxinas incrementa considerablemente en las inflorescencias, donde también se acumula una cantidad considerable de especies reactivas de oxígeno, esto podría ser la causa de la pérdida de la dominancia apical, permitiendo la aparición de las filodias en donde el hongo modula la arquitectura floral [5, 16, 19].Se ha reportado la secuencia completa del genoma de S. reilianum [27], la cual se encuentra depositada en la base de datos del Centro de Información Munich para Secuencias de Proteínas (MIPS). Esta información está ayudando a entender la biología de este basidiomiceto, su ciclo de vida y la interacción que tiene con la planta. Se conoce que los hongos fitopatógenos emplean diferentes mecanismos que les permiten penetrar y colonizar las plantas. Uno de ellos es la producción y acción sinérgica de enzimas hidrolíticas extracelulares que degradan los componentes poliméricos de la pared celular de la plantas [28]. La secuencia del genoma de S. reilianum muestra pocos genes que codifican para este tipo de enzimas [29]. Se ha demostrado que este hongo produce las actividades de aspartil proteasa y beta-xilanasa denominadas Eap1 y SRXL1, las cuales ya fueron purificadas, caracterizadas bioquímicamente y relacionadas con la secuencia peptídica teórica de los genes sr11394 y sr14403 respectivamente, del genoma de este fitopatógeno [23-24]. Probablemente estas enzimas tienen un papel importante durante la interacción planta-hongo, participando en los procesos de infección y colonización. La incidencia del carbón de la espiga, está relacionada con las condiciones ambientales y las prácticas culturales. El desarrollo de la enfermedad es determinado por la fertilidad, el distanciamiento entre plantas, humedad, temperatura y el tipo de suelo, así como, de la cantidad de esporas, la capacidad de infección y la virulencia del patógeno. Las condiciones óptimas para la infección son de 20 a 30 °C con una humedad del 15

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al 25 % en suelo. La susceptibilidad de las variedades de maíz y la alcalinidad son otros factores que influyen en el desarrollo epidemiológico de la enfermedad. El potencial de agua es también un factor importante que afecta el desarrollo de este microorganismo. Se ha demostrado que un mayor número de semillas de maíz son infectadas cuando crecen en suelo con bajo potencial de agua [6-7, 17]. Distribución de la enfermedadEl carbón de la espiga es una enfermedad de distribución mundial, especialmente en donde el cultivo de maíz se practica de manera extensiva como en Europa, América, Australia, Nueva Zelanda, India y Palestina, entre otros países [6, 16, 30-32]. En México la enfermedad se encuentra en los estados de Jalisco, Aguascalientes, Guanajuato, Querétaro, Hidalgo, Puebla, Estado de México y Veracruz; en donde ataca principalmente a maíz de ciclo tardío en siembras de humedad residual y de temporal. En el estado de Hidalgo está presente desde la década de los 60s y en los últimos años este problema se ha ido incrementado, a tal grado que el año 2015 se reportaron pérdidas de hasta un 50% en el Valle del Mezquital [33]. Tan solo en el 2012 se encontraban afectados 18 de los 27 municipios que lo constituyen. Esta tendencia ha ido en aumento y hasta el momento se menciona la aparición de la enfermedad en 24 municipios (Datos no publicados) (Figura 6).Control de la enfermedadAunque en el estado de Hidalgo se han realizado importantes esfuerzos para el control de la enfermedad en el Valle del Mezquital, se requiere de diferentes estrategias y el trabajo en conjunto por parte de los productores, de las casas distribuidoras de semilla y de las autoridades fitosanitarias, debido a que este problema se comporta de manera diferente año con año, dependiendo de las condiciones ambientales, los híbridos de maíz utilizados y las características propias del patógeno. Por tal motivo se han utilizado métodos químicos, culturales y biológicos [33]. Debido a que S. reilianum infecta en el momento de la germinación o durante las etapas tempranas del desarrollo de la planta, el control químico, es la mejor opción para el tratamiento a la semilla, y así prevenir el contacto del fitopatógeno con el maíz. Sin embargo, varios de los fungicidas que han demostrado ser efectivos, reducen la germinación. La aplicación de estos productos a nivel foliar, no tiene ningún efecto para combatir la enfermedad. Los principios activos más recomendados han sido el benomil y el carboxin + thiram. Recientemente se ha utilizado

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el Triazol y el Imidazol, moléculas que han mostrado tener resultados alentadores debido a su mecanismo de acción al inhibir la síntesis de ergosterol. El Azoxystrobin y el Strobilurin muestran protección cuando son utilizados para tratar el suelo. Una desventaja del uso de estos compuestos, es que no son específicos y pueden inhibir el desarrollo de hongos benéficos para las plantas, además se ha observado la selección de cepas resistentes, por lo que se ha tenido que incrementar la dosis, limitando su uso a largo plazo [6, 34-39]. Un método alternativo para el control del carbón de la espiga que resulta ser factible y económico, es la resistencia genética, mediante la generación de híbridos tolerantes con alto valor comercial. Desde el ciclo agrícola 2002 hasta el 2010, el Instituto de Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), ha evaluado en la zona del Valle del Mezquital 170 híbridos, de los cuales, 141 son comerciales y 29 experimentales, siendo la casa ASGROW la que ofrece un buen número de semillas con tolerancia a S. reilianum. De los experimentales se tienen 24 híbridos con potencial de uso. Las autoridades fitosanitarias de la entidad han realizado un gran esfuerzo para que esta información llegue a los productores y sean ellos quienes elijan las semillas recomendadas para disminuir la incidencia de la enfermedad, las cuales, se distribuyen tratadas con los antifúngicos más efectivos [31, 40]. Aún tomando en cuenta lo anterior, se ha observado que los híbridos tolerantes a la enfermedad en un año, al siguiente, resultan ser susceptibles, por lo que también es recomendable un control cultural, que consiste en la rotación de cultivos con leguminosas, lo cual es recomendable hacerlo por más de 5 años para disminuir el inóculo del hongo en el suelo. Para la eliminación de las plantas enfermas, en este caso se tienen que cubrir con una bolsa de papel las espigas y mazorcas afectadas, cortar las plantas completas, incinerarlas y enterrarlas en un terreno no agrícola para evitar la propagación de las esporas. Lavar la maquinaria y herramientas agrícolas antes y después de su uso. El control de la humedad en el suelo puede reducir la incidencia de la enfermedad, por lo que se recomienda sembrar cuando el terreno esta húmedo [7, 8, 41]. Una problemática en la zona es el riego que se hace por inundación, de tal forma que el inóculo de un terreno puede ser arrastrado a otro, por lo que es necesario que todos los productores tomen las mismas medidas de control.Estudios realizados en la plataforma experimental MasAgro ubicada en

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Cinta Larga municipio de Mixquiahuala, han demostrado que la Agricultura de Conservación es un método efectivo para evitar la presencia del carbón de la espiga del maíz [41, 42]. Esto es debido a que en este tipo de labranza, las condiciones de humedad y fertilidad del suelo no favorecen el establecimiento de la enfermedad, sin embargo, son pocos los productores que se encuentran adoptando esta tecnología. En las últimas décadas se han buscado herramientas para el control de plagas y enfermedades de cultivos de importancia agrícola que sean compatibles con el medio ambiente. En este sentido el Control Biológico es una alternativa atractiva para el manejo de este problema el cual se basa en la utilización de organismos y sus productos para mantener a niveles bajos las poblaciones de plagas y/o enfermedades en diferentes cultivos de importancia económica, dicha metodología tiene la ventaja de ser compatible ecoamigable evitando el uso de compuestos químicos altamente tóxicos que contaminan y degradan los suelo agrícolas, disminuyen la calidad agroalimentaria de los productos y ocasionan problemas de salud a la población [3].Se ha realizado el aislamiento de una cepa de Bacillus subtilis de la zona del Valle del Mezquital con capacidad de inhibir el desarrollo de S reilianum, la cual ha sido aplicada en campo en cultivos de labranza tradicional sobre un híbrido sensible a la enfermedad, observándose disminución en el porcentaje de incidencia del carbón e incremento en la producción del cereal. Los análisis estadísticos mostraron que existe diferencia significativa entre las semillas tratadas con el biológico y las que no fueron tratadas [43]. Así mismo en el 2012 el producto fue aplicado de manera comercial resultando en 80% de eficiencia y un incremento en la producción del 22.7% (Datos no publicados). Hasta la fecha se cuenta con la metodología del proceso de producción y la aplicación de B. subtilis para el control del carbón de la espiga [43], sin embargo, no se ha logrado la transferencia de estas investigaciones al sector agrícola.

Conclusiones y perspectivasEl carbón de la espiga del maíz es un problema fitosanitario de gran importancia en el Valle del Mezquital. El gobierno del Estado de Hidalgo ha realizado importantes esfuerzos en la búsqueda de soluciones a esta problemática, en donde ha sido necesaria la participación de productores, casas distribuidoras de semillas, investigadores y del gobierno a través

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de la autoridades fitosanitarias correspondientes,.Aunque se tienen diferentes métodos de control que han sido utilizados en un manejo integrado del carbón de la espiga del maíz en el Valle del Mezquital, el uso de herramientas biotecnológicas como el control biológico utilizando cepas de B. subtilis autóctonas ha permitido obtener resultados muy positivos, por lo que es necesario establecer los mecanismos para que esta tecnología sea transferida al sector agrícola, específicamente a los productores. De esta forma se puede contribuir con el desarrollo económico y social de la región. La labranza de conservación es un método altamente efectivo para combatir el carbón de la espiga del maíz en el Valle del Mezquital, es importante realizar una mayor concientización en los productores de los beneficos que esta práctica agrícola tiene. Dada la prevalencia de la enfermedad, es necesario realizar estudios con un enfoque de genética de poblaciones que permitan profundizar y entender los mecanismos por los cuales el carbón de la espiga del maíz se ha mantenido latente en el Valle del Mezquital.

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121

Acuacultura;

La Pesca Tierra Adentro

PÉREZ-VIVEROS K.J.

TÉLLEZ-JURADO A.

GÓMEZ- ALDAPA C.A.

DÍAZ-BATALLA L.

CADENA-RAMÍREZ A.

AntecedentesLa acuicultura es definida como la actividad que consta de la cría, cultivo y producción de organismos acuáticos, incluyendo especies como peces, moluscos, crustáceos y plantas [1], la cría requiere de la intervención humana principalmente para incrementar y asegurar la producción de especies con alta demanda como camarón, bagre, tilapia y trucha [2]. Así las concentraciones poblacionales deben ser alimentadas y protegidas de los depredadores mediante el control de su ambiente, en criaderos que cumplan las demandas de la especie y adecuado manejo de especies en estadios juveniles para su confinamiento [1,2]. La crianza requiere además el cuidado de las poblaciones que se cultivan normalmente, estas son sembradas en estanques, jagüeyes, lagos y ríos, o mediante la construcción de diques y bordos en ejidos con el propósito de abastecer diferentes mercados entre ellos el local [3]. Así la acuicultura varía de región en región, desde Vietnam con la crianza, mediante el uso de agua dulce en arrozales, o en Ecuador con la producción de camarón de agua salada en estanques, o el uso de jaulas en las costas de Noruega y Escocia para salmón. Las especies más importantes son las de agua dulce, con

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poco consumo de agua, bajos gastos en su mantenimiento, entre las cuales encontramos a la tilapia y la carpa [2]. La pesca y la acuicultura son asuntos de seguridad alimentaria, formando parte esencial de la economía de la sociedad del país, siendo la acuicultura una alternativa real para la oferta alimentaria, contribuyendo a la seguridad alimentaria nacional, generación de divisas, fuentes de trabajo permanentes en las zonas necesitadas y erradicación de la pobreza [4]. Así los productos ofertados son ricos en proteínas de origen animal, contribuyendo al crecimiento y estabilidad del sistema alimentario, debido a pertenecer a una de las fuentes alimentarias más sanas [5]. Siendo uno de los productos más producidos el pescado, se convierte en una de las fuentes más importantes de proteína de origen animal, a nivel mundial lo consume el 17% de la población, pero en países menos desarrollados el consumo por poblador puede ser superior al 50%. El pescado se clasifica como portador de nutrientes valiosos como ácidos grasos omega 3 de cadena larga; tales como son el ácido docosahexaenoico y el ácido eicosapentaenoico. Dichos ácido grasos son importantes para un desarrollo neurológico óptimo en niños y mejorar la salud cardiovascular [6]. La FAO marca los beneficios del consumo específicamente para la salud como la reducción de riesgo de muerte por cardiopatía coronaria así como la mejora del desarrollo neurológico en lactantes pequeños [7]. El pescado también es fuente de micronutrientes que son difíciles de conseguir mediante otras dietas, en especial en comunidades de escasos recursos, las especies de peces de talla pequeña se pueden consumir enteras, siendo consumidas cabezas y espinas, fuentes de minerales esenciales como el yodo, selenio, zinc, hierro, calcio, fosforo, potasio y vitaminas como la A, D y B25. Los niveles de nutrientes suelen ser altos en pescados de talla grande aunque también hay mayores concentraciones en partes que no suelen comerse como cabezas, y viseras [6]. El pescado graso es fuente única de vitamina D, es esencial para la salud de los huesos, en especial para zonas con pocas horas de sol [7]. Además de permitir la conservación y mantenimiento de especies acuáticas, incrementa los niveles de nutrición, disminución de impactos ambientales, y generación de materias primas para la manufactura en la industria farmacéutica e industrial [1]. Registros de la FAO en 2009 señalan que la acuicultura fue fuente del 38% de la producción de pescado, y para el 2014 fuente del 42% de la producción mundial, teniendo un valor estimado de 73,8 millones de USD [8].

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La acuicultura en MéxicoEl agua en la historia del hombre ha sido factor en el asentamiento, y desarrollo de las sociedades, el uso del agua va desde usos domésticos, abrevaderos para ganado, riego de tierra, acuacultura, generación de energía, la navegación y recreación son dependientes de ello [9]. En la acuicultura no solo el agua es factor, el perfil altitudinal de México genera una diversidad de condiciones climáticas y ecosistemas capaces de contribuir al crecimiento del aspecto acuícola. Sin embargo el desarrollo adecuado dependerá también de la aplicación exitosa de tecnologías eficientes y procesos de innovación, modernización y reconversión productiva [4]. En México la piscicultura formalmente fue constituida a finales del siglo XIX cuando la Secretaria de Fomento indica la construcción de un vivero de peces, en Ocoyacona Lerma, Estado de México con un lote de 500,000 huevos de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) importados de EUA [4]. En el año de 2008 SAGARPA secciono el país en 5 regiones para el denominado “Diagnostico y planificación regional de la pesca y acuacultura en México” (Figura 1), en búsqueda de un desarrollo sustentable e integral para la conversión de un sector económicamente y socialmente importante [10,11], la región I o también denominada Pacifico Norte está comprendida por 5 estados entre ellos Baja California Norte, Baja California Sur, Sonora, Sinaloa y Nayarit en registros del 2015 se sabe que esta región brinda una producción total de 1,133,720.48 toneladas en peso vivo, siendo Sonora dueño del 42% de la producción de la región I [11,12]; La región II o zona Pacifico Centro y Sur, reúne 6 estados entre ellos se localiza Chiapas, Jalisco, Colima, Michoacán, Oaxaca y Guerrero juntos generaron durante el 2015 58,252.37 toneladas en peso vivo en el sector acuícola, siendo el estado de Chipas el líder de la zona aportando el 28% de producción [11,13]; la región III o Zona Golfo de México Norte, comprende solo dos estados Veracruz y Tamaulipas siendo Veracruz líder en la zona con un 69% de una producción total de 96,415.91 toneladas de peso vivo [11,14]; la región IV compuesta por Quintana Roo, Yucatán, Tabasco y Campeche recibe también el nombre de Golfo de México Sur y mar Caribe, con una generación total de 168,017.25 toneladas de peso vivo en la acuicultura donde siendo el líder de la región Campeche provee un 35% de producción por sí solo [11,15] y la región V o Zona de Estados sin Litoral, agrupa las entidades que no poseen métodos de crianza acuícolas relacionados al uso de aguas continentales, la zona brinda al país un total

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de 47,988.29 toneladas de peso vivo, siendo líder de zona el Estado de México aportando el 35% de la producción total [11,16].

Figura 1. Mapa de la republica mexicana con los estados productores

lideres por regiones.

Acuicultura en HidalgoEl último registro de SAGARPA en 2015 ubica al estado de Hidalgo como el segundo productor en la región V, con un 18% de la producción total de la zona sin litoral, teniendo siete especies principales en su producción y solo tres con una producción mayor a las 100 toneladas (Figura 2) [11]. La producción de las demás especies es menor a las 100 toneladas (Figura 3) [11], el producir 2,865.77 toneladas de tilapia le da al estado de Hidalgo el primer lugar en la región V en producción de esta especie por encima del Estado de México líder en la producción total de la zona sin litoral, y a nivel nacional el 9° lugar, la carpa siendo la principal especie

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de producción del estado en la región V coloca a la entidad de Hidalgo en la segunda posición, solo detrás del Estado de México, y a nivel nacional en el tercer lugar con una producción de 5,470.53 toneladas al año, solo después del primer lugar del Estado de México con 9,089.55 toneladas y de Jalisco con 7,196.51 toneladas [11]. México al año 2015 cuenta con 9230 unidades productoras registradas, de las cuales el estado de Hidalgo cuenta con el 8% de ellas, estas las encontramos distribuidas en 73 de los 84 municipios [4,17].

Figura 2. Registro de las especies con una producción mayor a 100

toneladas en el estado de Hidalgo durante el 2015.

La producción acuícola durante el 2015 fue la más baja de los últimos 11 años, menos de la cuarta parte de lo producido en 2006 donde el estado alcanzo las 3,012.37 toneladas, el bagre, carpa, charal, lobina y mojarra son las únicas especies que han sido cultivadas todos los años, especies como el cazón, corvina, jaiba y langosta se han dejado de producir desde el 2005. La trucha se implementó desde el 2006 en adelante, generado diversas aportaciones económicas, debido a los variables precios marcados, siendo el aporte total durante el 2015, de 112 millones de pesos, presentándose el segundo record más bajo desde el 2005, también quedando claro que el mayor aporte económico fue en

126

el 2011, con 8 millones de pesos y apenas una producción de 666,69 toneladas (Figura 4), [11,17].

Figura 3. Registro de las especies con una producción menor a 100 toneladas en el estado de Hidalgo durante el 2015.

Figura 4. Producción del sector acuícola en los últimos 10 años

en el estado de Hidalgo.

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Durante el año 2015 la producción nacional fue de 1,703,843.07 toneladas por parte del sector acuícola [11] sin la participación de la Ciudad de México ya que no poseen ninguna unidad productora [17] y se prevé que para el año 2025 el aporte requerido sea de 2,117,000.00 toneladas de peces, destinados estrictamente para la alimentación, sin contar a las especies de algas [8]. La demanda incrementará la capacidad de producción no solo nacional, también pare el resto del mundo, por lo que la FAO lo pone como un asunto de Seguridad Alimentaria Mundial que deberá ser solucionado para el año 2030, en búsqueda de respuestas a los problemas económicos, ambientales y sociales que presenta el sector acuícola [8]. El último registro de la FAO en 2014 indica la presencia de 18 mil personas involucradas en las áreas laborales de la acuicultura sin distinción de sexo, y con un rango de edades de 16 a 65 años, en cultivos extensivo o intensivos [8]. Así la necesidad de la optimización de las prácticas de producción de esta área para la solución de problemas es inevitable, a partir de la noción de los problemas específicos de la industria [18].

Problemas de la acuiculturaSeguimiento de la acuiculturaEl seguimiento en las instalaciones acuícolas debe ofrecer la posibilidad de tomar una decisión en base a los datos de referencia, sobre la producción, limites de zonas e impactos ambientales, así como la adecuada preparación en situaciones de emergencia, por lo que se requiere un seguimiento preciso y periódico a escalas seccionadas [19]. La realización de estos seguimientos principalmente basados en la cartografía requiere el uso de sistemas costosos, debido a las limitadas aplicaciones, financiamiento, infraestructura y recursos humanos, aunado al escaso conocimiento e incapacidad del personal técnico [19]. Así la FAO en búsqueda de solucionar estos problemas básicos especialmente en zonas poco desarrolladas. Propone el desarrollo de tecnologías que alienten la generación de inventarios espaciales, de las especies cultivables y de los sistemas para su cuidado, todo en un costo mínimo. Fomentando un manejo sostenible, debido a la posibilidad de vincularse al proceso de concesión de licencias a fin de identificar las instalaciones no registradas o ilegales. Además, aportando información para la selección de sitios para las granjas, así como su evolución en relación de los ecosistemas para descartar los posibles daños [20]. Los

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sistemas globales de posicionamiento son indispensables para registrar la ubicación de instalaciones acuícolas, para la adaptación de métodos innovadores para la actualización de sistemas de información geográficos y análisis espaciales [21].Escasez de trabajo decenteNormalmente los bajos y además escasos sistemas en la calidad de la productividad se relacionan. La causa de esto difiere del contexto donde se relacione la zona de trabajo, sin embargo los productores acuícolas se enfrentan a desafíos comunes como la deficiente oportunidad para acceder a una educación formal, lo cual influye en los limitados servicios disponibles, haciendo mercados demandantes y tecnologías avanzadas casi inaccesibles [5]. Así todo esto acumulado con una inadecuada manipulación del pescado, al igual que la mala calidad de las instalaciones de captura, elaboración y almacenamiento, ocasiona elevadas pérdidas postcaptura en producciones que normalmente pueden ser bajas. En México por lo regular cuando las familias no poseen trabajos se someten a trabajos con jornales que en la acuicultura son sumamente inseguros y vulnerables [22], así la continua expansión genera la tendencia de sobreexplotación de recursos, generando la degradación ambiental, que se suma como amenaza al medio de trabajo muchas personas [23]. Protección socialLa acuicultura y la pesca brindan un conjunto de particularidades donde quedan expuestos trabajadores pertenecientes a un sector vulnerable, además de estar sujetos a actividades riesgosas, siendo una fuente importante para los sectores de más bajos ingresos, estos no poseen protección social. Solo en algunos países este sector es protegido, en una gama de informalidades, y limitaciones, que termina por dificultar la inclusión de los trabajadores en sistemas reales de seguridad social [5], así no solo el trabajador, también la familia quedan expuestos en riesgos, ambientales, sociales, físicos y económicos, sumando a esto el entorno del trabajador y agravantes como la migración, ETS, violencia de género y hasta el uso excesivo de drogas. Así la sobreexplotación no solo del factor natural, también del trabajador, pone al sector como unas de las ocupaciones más peligrosas, con 24,000 víctimas al año, y altas tasas de enfermedades y lesiones debido a las largas jornadas, fatiga y que el mismo trabajador asume riesgos más grandes, generando la nula aplicación de alguna norma de seguridad [23].

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Cambio climáticoEl cambio climático es un tema de índole mundial, así la acuicultura requiere elaborar sistemas para la adaptación del sector climático, mediante el entendimiento de sus vías de impacto, su variabilidad y los posibles riesgos [24]. Entre ellos el calentamiento de cuerpos de agua, aumento en los niveles del mar, acidificación de océanos, y los cambios en los regímenes climatológicos en casos de variaciones extremas [20]. El Grupo Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC), expuso en el 2014 los daños que causa el cambio climático a la acuicultura, poniendo el riesgo al sistema, el aumento de CO2 y la consiguiente acidificación del agua afectará la fisiología de las especies presentes, desde su crecimiento y reproducción, así como su calidad como producto de consumo. Sin embargo el calentamiento global podría no ser del todo malo ya se prevé también el hecho de que las tasas de crecimiento podrían aumentar así como ampliar los límites de crecimiento de las especies en cultivos masivos [8]. Siendo de interés el estudio de las especies más sensibles de los peces desde la fase embrionaria hasta la adultez, ya que se ha demostrado la existencia de una relación entre los cambios de temperatura y el crecimiento, la vulnerabilidad a enfermedades, el tiempo de desove, porcentajes de mortalidad en diferentes etapas. Así como los cambios metabólicos todo sin contar las consecuencias económicas, que provocaran estos cambios a la salud [5]. Además de estos cambios en la salud, igualmente se prevén cambios debido a la necesaria modificación de las infraestructuras requeridas por la acuicultura, que derivaran en la necesidad de alimentos más específicos y eficientes [25]. Vulnerabilidad de las especies La evaluación de la vulnerabilidad tanto de especies como de sistemas ambientales en la acuicultura se realiza con la clasificación de las granjas acuícolas mediante su ubicación geográfica. Ya sea continental, costera o tropical árida, también se clasifican mediante su densidad e intensidad de producción, en un mismo lugar se pueden enumerar las granjas y hasta coincidir en las especies de producción [26]. Sin embargo sus posibilidades tecnológicas, así como los sistemas de producción varían, generando vulnerabilidad a los acuicultores de escasos recursos, por problemas de abastecimiento. Así que se debe crear alternativas que ayuden y disminuyan estas vulnerabilidades, mediante la adaptación de prácticas eficaces a nivel local. Contemplando el implemento de técnicas avanzadas como el uso de las nuevas cepas biológicas de peces como

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los bagres que han sido modificados para resistir la salinidad. También la optimización de métodos de cosecha para garantizar la calidad del cultivo [20]. Mediante la implementación de gestiones en pro de la salud del pez así como el garantizar la eficiencia alimentaria, como el aprovechamiento del agua y su reciclado [24].Sostenibilidad mediante la organizaciónLos pescadores y acuicultores en ocasiones se encuentran en operaciones informales, sin contratos formales. Limitando el grado de sindicación de este sector, y la posibilidad de construir políticas. De tal modo que continuamente aumenta la dependencia de intermediarios, relacionados con los mecanismos de la cadena de valor [9]. Que se caracterizan por la presencia de operadores que se encargan se asegurar la subsistencia de los productores en el área primaria, ya sea a nivel artesanal o industrial [5]. El hecho de solicitar intervenciones específicas para mantener comunicación se debe al hecho de que cada país y su contexto son específicos. Así se deben crear cadenas simples, sostenibles e inclusivas, prestando atención a las pequeñas escalas para no llegar a una sobrecapacidad del sector y generar perturbaciones económicas, ambientales y sociales [20]. En la actualidad la principal perturbación en la cadena productiva es la producción de subproductos que afectan a la acuicultura. Al generar la interrogante de que tan adecuado es el sistema al permitir el uso de harina y aceite de pescado en especial al poner en riesgo otras especies [27].Harina de pescadoEste subproducto anualmente tiene oscilaciones, causadas por cambios climáticos, la producción formal desde el año 2005 ha disminuido. Sin embargo la demanda a nivel mundial aumenta [28]. Provocando que cada año se alcancen precios máximos históricos, hasta el 2014 la producción fue estable y costos poco variados, no obstante a mediados del 2015 se registro una nueva alza y se espera que nuevos records sean impuestos año tras año [29]. Como las situaciones dependen del contexto de cada país se observa que Chile a descendiendo su producción y Perú junto a China se colocan como los principales exportadores, manteniendo los mismos niveles de producción desde el 2013, pero a mayor precio [8].Aceite de pescadoLa producción de aceite de pescado también está disminuyendo, principalmente por descenso de la producción en América Latina y a cuotas más restrictivas en las materias primas, lo que contribuye a ejercer presión

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sobre los precios y aumentar su volatilidad [24]. En 2015, la producción de aceite de pescado disminuyó ligeramente en comparación con 2014, con una menor contribución de Perú y en particular de Chile. Los precios del aceite de pescado alcanzaron su nivel más alto en 2014, posteriormente disminuyeron hasta mediados de 2015, antes de aumentar ligeramente durante el resto del año [30]. La demanda de aceite de pescado es alta, ya que se utiliza como complemento alimenticio humano y constituye un ingrediente importante de los alimentos balanceados de determinadas especies de peces carnívoros. Debido a la demanda constante y creciente de aceite de pescado, no cabe esperar que su precio no disminuya a largo plazo [29].Problemas nutricionalesLa necesidad de optimizar las prácticas de producción en el área acuícola es una creciente, por su relación en la agenda mundial de seguridad alimentaria. Pese a que la solución de casos debe basarse en temas específicos de cada país y especie, la FAO anuncia el hecho de necesitar alimentos que cumplan los requerimientos adecuados, posean precios eficaces en función al costo y sean rentables [8]. Se debe tomar en cuenta las necesidades nutricionales en las etapas de desarrollo de cada especie cultiva, en especial para las que crecen en áreas comerciales controladas o denominadas “Granjas de peces” [24]. Con el objetivo de mejorar la calidad y preparación de alimentos, se debe impulsar la productividad y la reducción de costos [31]. Un reglamento deficiente y la falta de normas en la cadena de valor de la formulación de alimentos, genera una limitante en la calidad y uso de los mismos. Objetivamente se debe estudiar la posibilidad de promover información actualizada sobre la disponibilidad de los ingredientes en formulaciones y tasa de inclusión de ingredientes [32]. Siendo la alimentación un tema destacado y probablemente el obstáculo más grande en la crianza de peces, los países que están en desarrollo de su acuicultura han optando por la búsqueda de alternativas, como es el caso de la alimentación por algas marinas y microalgas en un 27% de la acuicultura mundial y un 22,5% mediante la alimentación por filtración. Así, la producción de las especies animales no alimentadas convencionalmente fue de 22,7 millones de toneladas para el año 2014, lo que representó un 30,8% de la producción mundial de todas las especies de animales. Destacando dos por su valor comercial, la carpa plateada y la carpa cabezonas [11], estas solo de la categoría de especies de peces de escama. En moluscos se encuentra

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las almejas, ostras y mejillones, así finalmente en los animales que se alimentan por filtración se encuentran los atunes criados en las zonas marinas y costeras [21].Alternativas de la alimentaciónLa industria de la acuicultura está fuertemente relacionada al uso de harina de pescado, normalmente por su alto contenido de proteína y balance adecuado de aminoácidos esenciales, además de contener ácidos grasos, minerales y vitaminas; convirtiéndola en la proteína comercial sin procesar más cara [32]. El desarrollo de alternativas para mejorar la salud y alimentación de peces se ha volcado en investigaciones locales, en base a las necesidades de cada región y especie, ya que el alimento normalmente en la cadena productiva representa el 60% de costos de operación [27].Uso exclusivo de subproductos del sector acuícolaEstudios del uso del ensilado de pescado y desechos de camarón, indicaron de esta preparación puede estar presente hasta en un 75% en sustitución de la harina de pescado [28]. Además de que tiene un mejor efecto en alevines, siendo una opción rentable. No obstante el ensilado es afectado por un proceso de fermentación, que se da debido al inexistente uso de conservadores. También se ha asociado la acidez del alimento a su poca aceptación, al deprimir el apetito del pez [33]. El uso de harina de pez mosquito Gambusia affinis, llego a la sustitución de un 50% de la harina de pescado usada comercialmente, sin afectar la eficiencia de alimentación, además de haber aprobado los análisis económicos [32].Uso de proteínas de animales terrestresEl uso de subproductos de animales terrestres como comida, sangre, plumas, carne o hueso se han ensayado, en la sustitución de harinas de pescado [28], por sus perfiles de aminoácidos. Pero se ha comprobado su ineficiencia, al contener bajos niveles de lisina, isoleucina y metionina, miembros de los 10 aminoácidos esenciales que requieren las especies acuáticas [34]. Una vez suplida esta deficiencia se ha encontrado que puede suplir a la harina de pescado hasta en un 75%, indicando los análisis de costo beneficio como fuentes aptas, aunque poco eficientes, debido a la necesidad del uso de suplementos [28,34].Uso de proteínas vegetalesPlantas oleaginosasEntre las diversas fuentes de proteínas vegetales destaca la harina de soya, que posee un alto contenido de proteína, y un amplio perfil

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de aminoácidos. Pese a esto presenta deficiencias en el contenido de metionina, lisina, y cisteína, además de contener antinutrientes como la proteasas tripsina, antivitaminas e inhibidores como la lectina fitohemaglutinina, aunque estos elementos pueden ser destruidos mediante un tratamiento térmico. Así la intervención de este sustituto a tenido buenas eficiencias en sustituciones parciales de hasta el 75% [27]. El éxito de la sustitución dependerá de la fase de la especie, así como de los requerimientos mínimos para su óptimo crecimiento, en especial siendo un limitante la cantidad de minerales presentes en la harina de soya [28]. En el caso de la harina de las semillas de algodón, se presenta como alternativa de las regiones tropicales y subtropicales, debido a poseer una alta proteína disponible, bajo precio; el problema que se presenta es que la proteína y su calidad dependerá del manejo de la semilla, y su procedimiento alcanzando de un 26-54% pese a tener perfil de aminoácidos bajos en el contenido de cisteína y lisina, esta tiene una eficiencia mínima de asimilación del 50% y hasta el 100% en las especies acuáticas [28].Plantas acuáticasEntre las plantas de estudio destaca el uso de la lenteja de agua, que posee una proteína cruda de hasta un 45%, además de contar con adecuados perfiles de aminoácidos y minerales, inclusive se ha utilizado como única fuente de nutrientes en sus sistemas productivos [27]. A pesar de ello, no es suficiente y solo se ha obtenido el mejor rendimiento con una sustitución del 50%, sin presentar efectos adversos y siendo rentable, así los helechos entre otras plantas han mostrado beneficios usando esto especialmente en la fase de alevines [28].LeguminosasLos cereales se utilizan como sustitutos parciales, la leucacena es una fuente proteica de un 30%. Regularmente, la harina de yuca también ha sido usada como alternativa, al igual que el frijol y maíz, aunque la mayoría de las leguminosas son deficientes, por poseer un concentrado de aminoácidos variable. Tal es el caso de arginina, isoleucina, metionina y treonina, además de cantidades considerables de antinutrientes como a mimosina, un aminoácido no proteico que se vuelve toxico [27]. Algunas semillas se han probado igualmente, destacando el uso de yuca y maíz, donde se beneficio el crecimiento de las especies especialmente en la fase de alevines, con sustituciones de hasta el 25% y 100%. La presencia de

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ácido fático en estas especies modifica la biodisponibilidad de minerales, particularmente si el alimento es deficiente en uno o más minerales [25].Uso de proteínas unicelularesEl uso de microorganismos como algas, hongos, bacterias, cianobacterias o levaduras como alternativas en los sistemas de alimentación semi-intensivos e intensivos llama la atención ya que simplifica la producción, volviéndola barata y eficaz [27]. Pueden complementar de fuentes de carbono con trigo o salvado de arroz, y optimizar el sistema de producción mediante el uso de fuentes baratas. Así las proteínas unicelulares son un grupo de microorganismos, usados para incrementar el crecimiento y de ser amigable con el ambiente ya que estas bacterias reducen la concentración de amoniaco [35].

Conclusiones y perspectivasLa acuicultura se está convirtiendo en un sector de constantes cambios y mayores necesidades, normalmente la producción en México se realiza sin contratiempos, sin embargo la demanda nacional sigue en aumento. Se espera que aumente un 6%, en los siguientes 10 años. Generando una aportación del 52% por parte de la acuicultura, como portador de pescado exclusivo para alimentación humana. Todo ello impulsa a la optimización de cada área en la cadena de valor, generando nuevas y eficientes prácticas, así como la innovación tecnológica, desde equipos novedosos, hasta alimentos que se ajusten a las necesidades en las diferentes regiones socioeconómicas y de la especie en crianza. Todo en favor de buscar soluciones que aporten beneficios a la sociedad y a la crianza de los peces, para un crecimiento equilibrado sin sobrexplotación de ningún tipo, para no poner en riesgo a ninguna especie.

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138

Inocuidad Microbiológica Del Sector

Acuícola

GUZMÁN-ORTIZ F.A.

PEÑAFIEL-LÓPEZ F.

ROMÁN-GUTIÉRREZ A.D.

AntecedentesLa actividad acuícola en los últimos 20 años ha experimentado un crecimiento acelerado en el mundo, representando fuente exitosa de ingresos y alimentos. Diversos estudios han demostrado que es una actividad poco sustentable al impactar cuerpos de agua receptores con sus efluentes. La problemática que se genera entorno a la actividad acuícola se debe a la unión de factores políticos, sociales y ambientales; debido a que la mayor parte de la actividad se desarrolla en zonas rurales, existiendo una carencia de flujo de información hacia el sector productivo y una desarticulación de los sectores implicados. La actividad representa un impacto negativo en lo cuerpos receptores, particularmente en donde la producción sea mayor a 10 toneladas al año, o en aquellos donde descarguen más de una unidad de acuícola y se alcance esta producción; sin embargo hay que considerar el cuerpo de agua receptor ya que en lagunas se puede dar mayor deterioro de la calidad comparado con ríos y arroyos, debido al proceso de autorregulación natural de dichos sistemas. Se debe realizar un monitoreo ambiental de un caso de estudio representativo de la zona, para demostrar el impacto de la actividad y en base este, diseñar e implementar estrategias de prevención y/o mitigación de efluentes acuícolas.

139

En nuestro país no existen estadísticas sobre la incidencia real de microorganismos patógenos en productos pesqueros; más a aún, no existe información acerca de la frecuencia de los brotes relacionados por el consumo de pescado. Por lo tanto es importante analizar microbiológicamente el sector acuícola.El estado de Hidalgo es uno de los estados productores de Tilapia, sin embargo aún no se cuenta con las medidas necesarias que permitan identificar peligros específicos y establecer medidas de control, mejorando el proceso de producción para obtener un producto de mejor calidad y así garantizar su inocuidad. Uno de los problemas de salud pública más difundidos son las enfermedades transmitidas por los alimentos (ETA´s), esto debido al aumento de su incidencia. La frecuencia de estas enfermedades es un indicador directo de la calidad higiénica sanitaria de los alimentos, y se ha observado que la contaminación de los alimentos puede ocurrir por el empleo de materia prima contaminada o por malas prácticas durante su procesamiento [1].Los alimentos involucrados en las ETA´s son con mayor frecuencia los de origen animal; el pescado contribuye con aproximadamente el 10%, esto se puede deber a la dieta de las personas y la forma tradicional de preparar la comida [2].En México el consumo de productos pesqueros es de aproximadamente 10 kg per cápita [3]. La sanidad acuícola es de gran interés dentro de la tecnología de cultivo, ya que es bien sabido que las enfermedades son causa de pérdidas económicas importantes y son responsables de mortalidades masivas. Con el monitoreo y mejoría de la inocuidad durante el proceso de producción, se espera que los productores de Tilapia desarrollen y logren un mayor posicionamiento en el mercado mediante la comercialización de productos de alta calidad. México es un importante productor mundial de Tilapia, sin embargo no es exportador de estos productos, esto debido en gran medida al grado de inocuidad del producto, es por lo tanto necesario plantear medidas de mejora del proceso de producción y medidas de control que ayuden a los productores a obtener pescados de mejor calidad y así poder garantizar su inocuidad.Origen y distribución de la TilapiaLas Tilapias son peces endémicos originarios de África que por sus características y adaptabilidad se consideraron ideales para la piscicultura [4]. En 1924 se intensificó su cultivo en Kenia, sin embargo fue en Malasia en donde se obtuvieron los mejores resultados y de ahí se

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inició su progresivo cultivo en el ámbito mundial [4]. Las Tilapias han sido introducidas rápidamente hacia otros países tropicales y subtropicales en todo el mundo, esto debido a la facilidad de su cultivo, su adaptabilidad a diferentes condiciones del medio, fácil reproducción, alta resistencia a enfermedades y alta productividad [5]. En México fueron introducidas por primera vez en 1964, en el centro acuícola de Temazcal, en Oaxaca, donde se realizaron las primeas acciones de estudio y validación de técnicas para su cultivo y posteriormente fueron introducidas al resto del país [4]. La Tilapia se encuentra entre los peces con mayor futuro, ya que su periodo de crecimiento es relativamente más corto al de otras especies y presenta alta adaptabilidad a diferentes ambientes de producción [6].Producción de Tilapia en el mundoEn el año 2012 la FAO estimó que el cultivo de Tilapia en el mundo fue de 4.2 millones de toneladas y está previsto que la producción mundial de Tilapia casi se duplique a 7.3 millones anuales en el año 2030 [9].Por acuacultura, las Tilapias son el segundo grupo de peces más producidos a nivel mundial, superado por la Carpa, siendo China el primer productor, aportando el 40% de la producción total [10]. De la producción total de productos pesqueros, el cultivo de Tilapia contribuye con aproximadamente el 20%, de los cuales la especie Oreochromis niloticus es equivalente al 80%, seguida de la especie Oreochromis mossambicus con 5% [4].Producción de Tilapia en LatinoaméricaEn América latina las especies que en mayor medida se han cultivado son la Tilapia del Nilo, la Tilapia Mozambique y la Tilapia azul. Estas especies se producen en toda la región, mediante distintos sistemas de cultivo, pero principalmente en estanques [11]. El principal productor de Tilapia en Latinoamérica es Brasil con una producción de 95,091 toneladas, la mayor parte de ellas producida en el estado de Ceará; En segundo lugar se encuentra Honduras con una producción de 28,356 ton, seguido de Colombia, con una pro¬ducción de 27,960 ton [4].En cuarta posición se encuentra Ecuador con una producción superior a las 20,000 toneladas, como resultado a la introducción y adaptación de la tilapia roja variedad Red Florida y Red Yumbo, seguido de Costa Rica, con una producción de 19,763 ton [4].Producción de Tilapia en MéxicoLa Tilapia actualmente se cultiva en 31 estados del país, siendo los

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mejores sitos para su desarrollo las zonas tropicales como Oaxaca, Tabasco, Chiapas, Michoacán, Veracruz y Sinaloa [10]. Con respecto a la producción de productos pesqueros en México, la Tilapia está situada en la tercera posición, superada por el atún y el camarón, sin embargo en México apenas se inicia el camino hacia la producción industrializada, ya que la producción de Tilapia en México es insuficiente para satisfacer la demanda nacional, lo que da lugar a importaciones de producto asiático, especialmente de China [12]. En la Figura 1, se puede observar que la producción de Tilapia en sistemas controlados paso de 1,598 ton en el 2000 a 10,082 toneladas en el 2011 [4].

Figura 1. Volúmen de producción de tilapia en sistemas controlados en México [4].

Producción de Tilapia en HidalgoA nivel nacional el estado de Hidalgo se encuentra entre los tres principales estados productores de Tilapia en entidades sin litoral, superado por Zacatecas y Guanajuato [13]. La Tilapia es la segunda especie más importante en el estado de Hidalgo, representando el 41.6% del total de producción en el año 2011 [13]. En el estado de Hidalgo se reportan

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546 unidades activas de producción acuícolas (UPA) distribuidas en seis distritos de desarrollo rural (DDR) propuestos por SAGARPA. Los cuales son: DDR 1-Huejutla, DDR 2-Zacualtipan, DDR 3-Tulancingo, DDR 4-Pachuca, DDR 5-Mixquiahuala y DDR 6-Huichapan [14]. En términos de producción el DDR 3-Tulancingo aporta el 35% del total de producción estatal, seguido del DDR 6-Huichapan con el 22%, DDR 5-Mixquiahuala con el 20% y DDR 4-Pachuca con el 17% [14]. En donde la mayor producción de Tilapia en el estado de Hidalgo se da en los DDR 3-Tulancingo y DDR 6-Huichapan [14].

Figura 2. Distritos de desarrollo rural en el estado de Hidalgo propuestos por SAGARPA.

143

Los productos marinos están vinculados frecuentemente a brotes epidemiológicos debido a que son productos perecederos y aunado a que no se implementan buenas prácticas de higiene, el riesgo de transmitir enfermedades a los consumidores aumenta considerablemente.Desarrollo de la TilapiaEl crecimiento de los peces depende en gran parte de la calidad del agua de cultivo; ya que para lograr una buena producción, es necesario mantener las condiciones microbiológicas y físico-químicas, dentro de la tolerancia de la especie a cultivar. Es por eso que las etapas de desarrollo están bien definidas, las cuales son las siguientes: siembra, pre cría, levante y engorde [7]. Durante la siembra es necesario tener el conteo preciso de una muestra o del total de las crías. El agua de las bolsas de transporte de alevines se debe mezclar por lo menos durante 30 minutos con el agua del estanque que se va a sembrar [7].Durante la crianza, se tienen alevines con pesos de 1 a 5 gramos, en estanques con densidades de 100 a 150 peces por m3, con 10 al 15% de recambio de agua al día y con aireación. Mientras que en pre-engorda o levante está comprendido entre los 5 y 80 gramos, con densidad de 20 a 50 peces por m3 y con 5 al 10% de recambio de agua al día [7]. Al término de la etapa de pre-engorda, los peces son separados por tallas o pesos para formar lotes homogéneos e iniciar la siguiente y última etapa de cultivo [8]. La última etapa es la engorda, la cual comprende la crianza de la Tilapia entre los 80 gramos hasta el peso de cosecha, generalmente se realiza en estanques con densidades de 1 a 30 peces por m3, aireación y alto porcentaje de recambio de 40 a 50% [7].Enfermedades Transmitidas por los Alimentos (ETA´s)Las enfermedades transmitidas por los alimentos son uno de los problemas de salud que más afecta a la población, y aunque su incidencia global resulta muy difícil de estimar, tan solo en el 2004 la Organización Mundial de la Salud (OMS) registro 1.2 billones de episodios de diarreas y 2.2 millones de muertes atribuibles al consumo de alimentos y aguas contaminadas [15]. Es importante poner énfasis en que las ETA´s se producen por la ingestión de alimentos contaminados con microorganismos patógenos o sustancias tóxicas [16]. Los padecimientos adquiridos tras el consumo de alimentos contaminados pueden ser agudos o crónicos y de corta o larga duración. Los riesgos asociados a virus, bacterias y parásitos patógenos están considerados generalmente como ETA de tipo agudo y la exposición crónica se asocia principalmente a sustancias químicas y

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estos pueden dañar a mediano o largo plazo al consumirlos [17].Los alimentos se pueden contaminar por microorganismos patógenos debido a las malas prácticas de higiene que se aplican durante la obtención, transporte, almacenamiento y venta de los alimentos [18]. Aunque las ETA pueden afectar a toda la población, hay quienes tienen mayor susceptibilidad para contraerlas, como los son: Los niños menores de 5 años y lactantes, los adultos mayores, así como personas con enfermedades crónico-degenerativas [17].

Enfermedades transmitidas por el consumo de pescadoLas enfermedades transmitidas por el consumo del pescado pueden ser causadas por tres tipos de agentes:

• Agentes físicos• Agentes químicos• Agentes biológicos

Dentro de los agentes físicos se puede mencionar principalmente trozos de equipos y utensilios utilizados en el proceso de producción, la tierra y piedras. Estos son ocasionados principalmente por malas prácticas de manufactura, [18]. Los agentes que presentan riesgos químicos son las biotoxinas, metales pesados, pesticidas y medicamento veterinario. Mientas que en los agentes físicos se presentan principalmente por la falta de mantenimiento de equipos y utensilios utilizados en el proceso de producción [2]. Dentro de los agentes biológicos se menciona a las bacterias, virus y parásitos. Las bacterias se pueden dividir en dos grupos: bacterias autóctonas y bacterias no autóctonas. Las bacterias autóctonas se encuentran distribuidas en los medios acuáticos naturalmente, como lo son: Vibrios (V. parahaemolyticus, V. cholerae, V. vulnificus), Clostridium botulinum y Listeria monocytogenes [2].Todos los pescados que no han sido sometidos a un proceso bactericida, pueden estar contaminados por uno o más de estos patógenos, pero normalmente el nivel de contaminación es bastante bajo y es improbable que las cantidades naturalmente presentes en el pescado sin cocinar sean suficientes para provocar enfermedades. Sin embargo se pueden encontrar niveles altos de estas bacterias como resultado de su desarrollo en productos pesqueros y esta situación constituye un grave riesgo con una alta posibilidad de causar enfermedades [19].Mientras que las bacterias no autóctonas, son aquellas que se introducen como consecuencia de la contaminación del medio, estas

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son de gran interés para la salud pública, de las cuales incluyen algunas Enterobacteriaceae como Salmonella spp., Shigella spp., y Escherichia coli [2]. La incidencia real de las enfermedades transmitidas por alimentos no se conoce, esto debido principalmente a que en la mayoría de los países no es obligatorio denunciar a las autoridades sanitarias; Se ha estimado que tan sólo se comunica el 1% de los casos. Sin embargo en los pocos países que tienen un sistema de denuncias, se observan graves incumplimientos [19].Tabla 1. Estadísticas de número de brotes y de casos de enfermedades

causadas por el consumo de pescado por bacterias patógenas [2].

EtiologíaEstados

Unidos 1973-2006Brasil

1983-2010Argentina1980-2007

Uruguay1980-2008

Brotes Casos Brotes Casos Brotes Casos Brotes Casos

Bacillus cereus 4 129 0 0 0 0 0 0

C.botulinum 43 152 0 1 0 0 0 0

C.perfringens 2 101 0 0 0 0 0 0

L. monocytogenes 1 2 0 0 0 0 0 0

Salmonella 18 374 0 2 0 0 0 0

Shigella 12 402 0 0 0 0 0 0

S. aureus 5 29 0 0 0 0 0 0

V.parahaemolyticus 45 1393 2 31 0 0 0 0

V.cholerae toxig. 3 10 0 0 0 0 0 0

V.cholerae non-tox. 4 12 0 0 0 0 0 0

V.vulnificus 1 2 0 0 0 0 0 0

Otros 5 40 0 0 0 0 0 0

Total 143 2646 2 34 0 0 0 0

Estadísticas de enfermedades transmitidas por el consumo de pescadoPor lo tanto debido a que en la cultura latinoamericana no se da aviso a las autoridades sobre este tipo de casos, no se conoce realmente su incidencia. Caso contrario es lo que sucede en Estados Unidos, al haber disponibilidad de datos estadísticos más ricos, como se puede observar en la Tabla 1, las bacterias fueron el principal agente etiológico (76.1%) de los brotes de enfermedades transmitidos por el consumo de pescado, causando 2646 casos y 11 muertes. El género Vibrio fue el principal agente causal de estos episodios, y la especie V. parahaemolyticus la más comúnmente asociada a los mismos [2].

146

Legislación para agua de cultivo acuícola Los resultados del análisis microbiológico que se le realice al agua que se utiliza para el cultivo de la Tilapia, debe ajustarse a lo establecido en la Tabla 2. En el cual el número de colonias de los microorganismos puede representarse por el número más probable (NMP/100mL) o por unidades formadoras de colonias (UFC/100mL).

Tabla 2. Límites máximos permisibles de características bacteriológicas establecidos por la Norma Oficial Mexicana de agua para uso y

consumo humano [20].NOM-127-SSA1-1994. “Salud ambiental, agua para uso y consumo humano-límites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua para su potabilizaciónColiformes totales 2 NMP/100 mL

2 UFC/100 mLColiformes fecales No detectable

Legislación para agua residualLas características microbiológicas que debe tener el agua residual para poder ser vertida a aguas y bienes nacionales, así como a descargas vertidas al suelo, determinada por un indicador, los coliformes fecales. Como se observa en la Tabla 3, los coliformes totales tienen como límite máximo permisible de 1000 y 2000 NMP/ 100mL de muestra.

Tabla 3: Características bacteriológicas permisibles para aguas residuales vertidas a aguas y bienes nacionales [21].

NOM-001-ECOL-1996. Establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionalesColiformes fecales 1,000 y 2,000 NMP/100mL

Legislación para productos de pesca frescosEn la NOM-242-SSA1-2009 se establece los requisitos sanitarios tanto para los establecimientos de procesamiento de productos de la pesca, como las especificaciones que debe cumplir el producto de venta. En

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la Tabla 4 se puede observan los límites microbiológicos máximos permisibles para cualquier producto de la pesca en fresco y refrigerado.Tabla 4. Características bacteriológicas permisibles para productos de la pesca frescos, [22].

NOM-242-SSA1-2009.Productos y servicios. Productos de la pesca frescos, refrigerados, congelados y procesados. Especificaciones sanitarias y métodos de pruebasStaphylococcus aureus 1000 UFC/gColiformes fecales 400 NMP/gEscherichia coli 400 NMP/gVibrio cholerae spp Ausente en 50g de muestraSalmonella spp Ausente en 25g de muestraClostridium botulinum AusenteListeria monocytogenes Ausente en 25g de muestra

Análisis del sector acuícola en HidalgoSe ha evaluado la calidad microbiológica durante el proceso de producción y producto de venta en el sector acuícola en el estado de Hidalgo, con base a la normatividad mexicana vigente. Para el monitoreo de la calidad microbiológica, se llevaron a cabo tres muestreos. El muestreo 1 se llevó a cabo en julio del 2013, el muestreo 2 en diciembre del 2013 y el muestreo 3 en julio del 2014. Con el objetivo de conocer el impacto en la inocuidad del producto en época de alta producción de Tilapia registradas en el mes de julio y en época de baja producción en el mes de diciembre. Para la evaluación de la calidad del agua utilizada, las muestras fueron tomadas en el sistema de entrada, en estanques seleccionados al azar y a la salida de la unidad de producción.Evaluación de coliformes totales en aguaEl agua de entrada supera el límite máximo permisible de acuerdo a la norma NOM-127-SSA1-1994, ya que se obtuvo un valor mayor o igual a 2400 NMP/ 100 mL de coliformes totales, por lo cual se determinó que el agua de manantial utilizada para el proceso de producción se encuentra contaminada, esto se puede deber a que el sistema que abastece el agua se encuentra totalmente desprotegido, además de que no se le realiza ningún tratamiento antes de entrar al establecimiento. Con respecto a los

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resultados obtenidos de los estanques, se encontró que el estanque 1 y 2 tienen valores menores de coliformes totales que los obtenidos en el agua de entrada, esto se debe a la desinfección que realizan con hipoclorito de sodio una vez que el agua se encuentra en el estanque. El estanque 3 utilizado para peces con el desarrollo óptimo para su consumo, presenta valores de coliformes totales muy altos, lo obtenido en este estanque está asociado a la alta densidad de población y elevada materia fecal.Los resultados obtenidos en el agua de salida son muy altos, por lo que revela la falta de tratamiento de aguas residuales. Los resultados obtenidos del muestreo 2 realizado el mes de diciembre del 2013, se obtuvieron valores similares a los registrados en el muestreo 1, excepto por el resultado del agua de entrada, donde disminuyo 1300 NMP por cada 100 mL de muestra. Los resultados obtenidos en el muestreo 3, llevado a cabo el mes de julio del 2014 no presentaron diferencias con los obtenidos en el muestreo 1 y 2. Comparando los datos obtenidos de la determinación de coliformes totales durante los tres muestreos realizados. Se puede observar que en el muestreo 1 y 3 la densidad de coliformes totales en el agua de entrada es más alta, que los resultados obtenidos en el muestreo 1. Esto es debido a que el muestreo1 y 3 se realizó el mes de julio, en donde la temperatura del agua alcanza los 28°C y un pH cercano a la neutralidad, condiciones favorables para la reproducción microbiana; mientras que el muestreo 2 fue realizado el mes de diciembre, en donde la temperatura es de aproximadamente 12°C y un pH cercano a 6.2, por lo que el desarrollo microbiano no es tan favorable.Evaluación de coliformes fecales en agua y TilapiaEl agua de entrada no cumple con lo establecido, ya que por norma NOM-127-SSA1-1994 los coliformes fecales no deben ser detectables y se obtuvieron 460 NMP por cada 100 mL de muestra. Es importante mencionar que el lugar donde se encuentra la planta de producción es altamente turístico, por lo que los visitantes usan el manantial como lugar de esparcimiento, esta podría ser la causa de la presencia de materia fecal. Con respecto a los resultados obtenidos en los estanques, todos presentaron niveles altos de coliformes fecales: estanque 1 y 2 con 28NMP. Con respecto al estanque 3 ya que presenta una densidad mayor o igual a 1100 NMP por cada 100 mL de la muestra, indicando la falta de limpieza y la alta población de peces en este estanque.En el análisis microbiológico de coliformes fecales en muestra de producto de venta (Tilapia), se obtuvo un valor promedio de 117 NMP por cada 100

149

gramos de muestra, por lo que los productos analizados cumplen con lo establecido por la norma. Sin embargo sigue representando un riesgo ya que durante el trabajo de campo se observó la falta de aplicación de los procedimientos operacionales estandarizados (POES). Se observó que el agua de salida sobrepasa por 100 NMP/ mL los límites máximos permisibles por la norma NOM-242-SSA1-2009, revelando la falta de tratamiento de agua residual en su agua de proceso.En el muestreo 2 (Diciembre 2013), el agua de entrada sobrepasó por 210 NMP de coliformes fecales por cada 100 mL de muestra, revelando contaminación fecal reciente. Con respecto a los resultados del agua de los estanques, todos presentaron niveles altos de coliformes fecales, en especial el estanque 3 utilizado para peces con el peso óptimo para su consumo, indicando la sobrepoblación y la necesidad de implementación de buenas prácticas de manufactura. Los resultados obtenidos de coliformes fecales en el producto de venta entran dentro de los límites establecidos por la norma. Sin embargo no se descarta el riesgo de contaminación, ya que nuevamente se observó falta de procedimientos estandarizados para el lavado del pescado.En la determinación de coliformes fecales llevado a cabo en el agua de salida, cumple con lo establecido por la norma NOM-001-ECOL-1996, esto puede ser debido a que en el mes de diciembre la producción es menor que en el mes de julio, dando como resultado menor densidad de población en los estanques y por ende menor materia fecal.En el muestreo de julio del 2014, se obtuvieron datos similares a los reportados en el muestreo 1 realizado en julio del 2013. Los datos obtenidos de la evaluación microbiológica con respecto a coliformes fecales en el producto de venta contrastaron con lo reportado por Arias y Chaves [23], quienes en su investigación realizada en San José, Cosa Rica, encontraron que el 20% de las muestras de Tilapia analizadas presentaron límites altos de coliformes fecales, estas variaciones se pueden deber a las distintas especies de peces o a las diferentes estaciones del año en las que se realizaron los análisis.Evaluación microbiológica de Escherichia coliSe observó que se tienen niveles altos de Escherichia coli en el agua de entrada (96 NMP /100 Ml), esto puede ser debido al uso del manantial como lugar de recreo por los visitantes y a la falta de protección en el sistema de abastecimiento de agua en la planta de producción. Los niveles de Escherichia coli en los estanques indican malas prácticas de

150

manufactura en el establecimiento. En el estanque 3 se obtuvo 210 NMP por cada 100 mL de muestra, dato que coincide con lo observado en el trabajo de campo, ya que se observó la falta de mantenimiento e higiene en ese estanque.Con respecto a los datos obtenidos en los productos de venta analizados, se determinó que cumplen con los límites máximos permisibles de acuerdo a la norma, sin embargo en las visitas a la planta se observó la falta de procedimientos estandarizados en el proceso de lavado y eviscerado.El agua de salida presentó 240 NMP por cada 100 mL de muestra, por lo que indica la falta de un tratamiento al agua residual. En los muestreos 2 y 3, llevados a cabo en diciembre 2013 y julio 2014. De manera general los resultados son similares a los obtenidos durante el muestreo 1.Se observó que de los datos arrojados durante los tres muestreos con respecto a coliformes fecales en el estanque 3, parte significativa de ellos está constituida por Escherichia coli. Y siendo este el principal indicador de contaminación fecal en los alimentos, se hace notar la alta densidad de población de pescados en el estanque, además del deficiente lavado y desinfección del mismo. Budiati y col., [24].en base a sus resultados obtenidos durante su análisis microbiológico realizado a Tilapias provenientes de mercado seco y de lagunas en Malasia, concluyen que el nivel de coliformes fecales, entre ellos Escherichia coli esta correlacionada con la densidad de peses en el estanque.Evaluación microbiológica de Vibrio choleraeNo se logró aislar Vibrio cholerae en las muestras de pescado, resultando importante ya que ocasiona una infección intestinal aguda que puede causar la muerte tras el consumo de productos marinos contaminados. Al sembrar por el método de estría en el agar selectivo TCBS no se obtuvieron colonias amarillas que indicaran la producción de ácido tras la degradación de sacarosa, comportamiento típico de Vibrio cholerae. Al no obtener colonias típicas de este microorganismo, no se prosiguió a las pruebas bioquímicas para su confirmación. Fuentes y col [25], en su investigación realizada en el centro de investigaciones pesqueras en Cuba, obtuvieron resultados similares durante la determinación de Vibrio cholerae y Vibrio parahaemolyticus, al no aislar ninguna cepa. Evaluación microbiológica de SalmonellaNo se logró aislar Salmonella, al inocular en el agar salmonella shigella (SS) se obtuvieron colonias rojas indicándonos la fermentación de lactosa y por consiguiente la acidificación del medio y el vire del indicador a rojo;

151

y debido a que Salmonella no es un microorganismo fermentador de lactosa, las colonias aisladas no se consideraron como sospechosas. Tabla 5. Comparación de buenas prácticas de producción, situación actual y propuestas para mejorar la calidad microbiológica con respecto a la higiene y salud personal.

Requerimientos de Bue-nas Prácticas de Produc-ción Acuícola de Tilapia

(BPPATi)

Situación actual de la planta de producción de

Tilapia en Hidalgo.

Propuesta para mejorar la calidad microbiológica

La planta de producción debe contar con equipo para lavar las manos higiénicamente.Se debe contar con áreas específicas para la higiene personal, como lo son el baño y cuartos donde el personal cambie su ropa al entrar y salir de la planta de producción.El personal debe asistir a cursos para capacitación en temas de inocuidad de alimentos.El personal debe evitar todo tipo de accesorios.En caso de que algún tra-bajador este enfermo, este deberá ausentarse hasta su recuperación.No manejar el producto sin guantesNo comer, toser, estornudar y fumar dentro de la planta de producción.

El establecimiento cuenta con área de lavado de manos, sin embargo no está provisto de jabón y gel sanitizante.La toalla usada para secarse las manos, está sucia y en un lugar de fácil contaminación.El establecimiento cuenta con baños y cuarto de personal identificados. El personal no se capacita frecuentemente, debido a falta de interés de los mismos.El personal entra a producción con accesorios y con ropa inadecuada.Por lo que entran al proceso de producción incontables ve-hículos de microorganismos. Siendo un riego importante para la inocuidad del producto final.Los trabajadores argumentan que siguen laborando aún en días en los que se encuentran enfermos, esto debido a la falta de personal suplente.La manipulación del producto final se realiza sin guantes, argumentando la falta de instrumentación.En la segunda visita realizada el mes de diciembre del 2013, se observó a un trabajador fumando dentro de la planta, evidencia de malas prácticas de higiene.

Proveer de jabón líquido, gel anti bacterial y tollas desech-ables, a las estaciones de lavado.El lavado de manos deberá re-alizarse tanto para el personal como para visitantes al entrar a la planta de producción.Establecer un programa de capacitación permanente para los trabajadoresLos trabajadores deberán tener ropa y zapatos espe-cíficos para laborar, que no podrán ser utilizados fuera de la planta de producción.Será una obligación del personal avisar al encargado de la planta en turno sobre alguna enfermedad contraída.Colocar reglamento a la vista para el personal y visitantes a la entrada de la planta de pro-ducción. En caso de incum-plimiento de alguna regla por parte del personal proceder a alguna sanción.

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Datos similares obtuvo Hasan y col [26], durante su estudio microbiológico de Tilapia en diferentes mercados de Bangladesh, reportando la ausencia de Salmonella spp en muestras de pescados en mercados al por menor. Los datos obtenidos de la evaluación microbiológica de Salmonella resultan importantes ya que es un patógeno responsable de brotes epidemiológicos e infecciones gastrointestinales.Medidas de control de higiene y salud personal para mejorar la calidad microbiológica de la planta de producción de TilapiaDe acuerdo a las Buena Prácticas de Producción de Tilapia (BPPATi) la higiene y salud personal implementada en el establecimiento es de vital importancia ya que establece los parámetros principales de calidad del producto final. Entre las buenas prácticas de producción acuícola relacionada con la higiene y salud, está en contar con áreas que tomen en cuenta la higiene personal de los trabajadores en todas las etapas del proceso de producción. Se proponen algunas medida para mejorar la calidad microbiológica del sector acuícola (Tabla 5).

Conclusiones y PerspectivasDe acuerdo a los resultados obtenidos del estudio microbiológico de Tilapia (Oreochromis mossambicu), el agua utilizada para el proceso de producción es de mala calidad microbiológica respecto al contenido de coliformes totales y coliformes fecales. Con base a los datos obtenidos del análisis microbiológico, el agua de salida no puede ser vertida directamente al manantial, debido a su mala calidad microbiológica.En todos los productos de venta analizados se encontraron coliformes totales y coliformes fecales dentro de los límites máximos permisibles por la NOM-242-SSA1-2009. Sin embargo los resultados obtenidos indican la falta de Procedimientos Operacionales Estandarizados (POES), por lo que los productos de venta siguen considerándose como un riesgo. Los resultados microbiológicos obtenidos en verano resultaron más altos que los obtenidos en invierno, ya que en el primero se tienen temperaturas de aproximadamente 28°C y su pH llega a la neutralidad, condiciones favorables para el desarrollo microbiano. Además de la baja producción de Tilapia en invierno.Existe un desempeño ambiental no satisfactorio, debido al incumplimiento de los requisitos de establecimiento y operación de las unidades de producción acuícola. Este incumplimiento se genera, debido a que en el Estado 50% de los municipios donde se realiza la actividad son de alta-

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muy alta marginación, y a que la gobernanza que aplica no se encuentra dirigida a esta parte de la población. Para mejorar las condiciones de operación, se sugiere que el agua antes de ser utilizada para el proceso de producción pase por un tratamiento de filtración para retirar la materia orgánica y posteriormente una desinfección con hipoclorito de sodio.Se recomienda no verter el agua de salida de la planta de producción al manantial, debido a que no solo se pone en riesgo a los consumidores del pescado, si no a todas las comunidades cercanas a el manantial. Se recomienda implementar un tratamiento de potabilización al agua residual de la planta de producción. Al no implementar las propuestas para mejorar la calidad microbiológica del agua y del producto de venta, existe un riesgo de enfermedad para los consumidores.

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154

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155

27. Hasan, A., Hossain, S., Parveen, S., & Nigad, M. 2012. Microbiological Assessment of Rui (Labeo rohita), Catla (Catla catla), Tilapia (Oreochromis mossambicus) of Cultured Ponds and Different Markets of Bangladesh. Internacional Journal of Science and Reserch. 2705-2709.

156

Opuntia spp. Como Sustrato para la

Producción de Bioetanol

PÉREZ-CADENA R.

SÁNCHEZ-CONTRERAS M.A.

ESPINOSA-SOLARES T.

MEDINA-MORENO S.A.

LIZARDI-JIMENÉZ A.

MARTÍNEZ-JIMENÉZ A.

CASTRO-ROSAS J.

TÉLLEZ-JURADO A.

AntecedentesMéxico es uno de los principales países productores de nopal (Opuntia spp) de las cuales han sido reconocidas 377 especies, de estas, unas 48 especies son utilizadas por el hombre; 24 de estas especies se usan para el consumo directo; 6 especies como nopal tunero; 15 especies como nopal para forraje y 3 especies como nopal verdulero. De todas las especies reconocidas, la más común y cultivada en distintas partes del mundo es Opuntia ficus indica [1]. En México esta variedad es cultivada en 29 entidades federativas, existiendo 50,000 productores directos en 14 estados quienes producen alrededor de 723 000 toneladas en 12,500 hectáreas [2]. De la producción de nopal en México, en 2005 la superficie sembrada de nopal forrajero fue de 3,927 ha con una producción de 77,145 toneladas, para 2010 la superficie incrementó 5 veces y la producción de nopal forrajero fue de 208,492 toneladas. Entre las especies que se localizan en México se mencionan: Opuntia engelmannii, Opuntia ficus-indica, Opuntia leucotrichia, Opuntia microdasys y Opuntia santa-rita

157

[3]. Morfológicamente esta cactácea puede ser dividida en raíz, parte vegetativa ó comestible (cladodios o nopales), flor y fruta. De ella, el fruto y partes vegetativas son las que tienen mayor importancia comercial.Los nopales silvestres tienen su centro de distribución en los estados de San Luis Potosí, Zacatecas y Aguascalientes. Sin embargo, se han extendido hacia el norte y sur de México. En estas nopaleras se aprovechan los brotes o nopalitos durante algunos meses, cuando las condiciones climáticas son propicias, como forraje o bien en la producción de tuna. Sin embargo, existen especies que son preferidas por los consumidores en forma de verdura, lo que ha propiciado su cultivo intensivo y procesamiento agroindustrial. De acuerdo a la SAGARPA (2004), la producción de nopalitos en México fue de 563 443 toneladas anuales y se considera que el consumo anual per cápita estuvo cercano a 6 kg ocupando el sexto lugar entre las hortalizas consumidas en el país. En la industria alimenticia, el nopal verdura se comercializa en escabeche, en salmuera, como harina, en mermeladas, confitados, deshidratados, salsas y en jugos. El nopal ha sido utilizado en industrias como la alimenticia, la cosmetológica y farmacéutica y se ha comercializado como suplementos alimenticios, capsulas, tabletas y polvos. En México, la mayor parte de la producción de nopal se comercializa en fresco en centros comerciales, mercados y tianguis, además de exportar nopalitos procesados en salmuera y en escabeche a Europa, Canada, Estados Unidos de América y a países de la Cuenca del Pacifico.Actualmente, el nopal ha adquirido gran importancia debido al uso integral que se puede hacer de él y por el potencial que ofrece en los diversos ámbitos en que se puede aprovechar y como ya se ha mencionado, son la industria alimenticia tanto humana como animal, la farmaceútica y la cosmetología las principales que han sacado provecho de ello. La importancia económica y social del cultivo del nopal en México radica sobre todo en la gran superficie ocupada por nopaleras tanto silvestres como cultivadas, en el tipo y número de productores involucrados, en el tipo de regiones en que se cultiva nopal y en la diversidad de los productos generados. Se estima que en México existen alrededor de 3’000,000 hectáreas de nopaleras silvestres con suficiente densidad como para ser aprovechadas económicamente, localizadas principalmente en los estados de Guanajuato, Jalisco, Aguascalientes, San Luis Potosí, Zacatecas, Durango, Chihuahua, Coahuila, Nuevo León, Tamaulipas y

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Sonora (Fig 1). En México, las nopaleras cultivadas ocupan poco más de 210 mil ha. de las cuales 150,000 ha se destinan al forraje, 50,000 ha para tuna; 10,000 ha para producir nopalitos y aproximadamente 100 ha para producir grana cochinilla.

Fig. 1. Estados productores de Nopal Verdura (Opuntia spp)

Por otra parte, son muchos los productos obtenidos de la fruta del nopal, algunos de ellos son conocidos y otros han sido recientemente desarrollados o están en proceso de investigación. En cuanto a los productos obtenidos de los cladodios muchos trabajos de investigación están dirigidos a la producción de alimentos y otros subproductos (Tabla 1) [4]. De entre las muchas aplicaciones del nopal se encuentran algunos como hospedante del insecto cochinilla (Dactylopius coccus), los nopalitos también se utilizan para elaborar preparaciones antidiabéticas, sus flores son usadas para preparar bebidas diuréticas y los frutos son utilizados para preparar jugos, jaleas, miel, mermeladas y pastas, y se extrae aceite de sus semillas [5]. Como alimento funcional, los frutos y los cladodios son una fuente importante de: fibra, hidrocoloides (mucílagos), pigmentos (betalaínas y carotenoides), Ca y K, y vitamina C; compuestos muy apreciados para una dieta saludable [6].

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Tabla 1. Productos y subproductos de fruta y cladodios de nopal.Productos Sub productos

Fruta Cladodio Fruta y cladodiosJugos y néctares Encurtidos y salmueras Aceite de semillasMermeladas y jaleas Dulces Mucílago de cladodiosEdulcolorantes Mermeladas Pigmentos de cascaras Vinos Harinas Fibras dietéticas

Fuente: (Saenz, 2000)

Composición química del nopalLa composición química del nopal es muy variable y esta es función de la especie, de la edad de los cladodios, de la zona de cultivo y de la época del año. Presenta altos niveles de agua en su composición con un 91.8 %; siguiéndole en porcentaje los carbohidratos con un 5.5 % y por último de cenizas con un 1.58 % [1]; estas características hacen del nopal un cultivo muy importante en regiones áridas, pues atiende gran parte de los requerimientos de agua de los animales, principalmente en el periodo seco [7]. De entre los principales componentes del nopal se encuentra el mucílago. Este hidrocolóide, es un polisacárido cuyo peso molecular oscila en 13x106 g/mol y está compuesto por polisacáridos similares a las pectinas. El contenido de azúcares en estos polisacáridos se encuentra en proporciones aproximadas de 47 % de L-arabinosa, 18 % de D-galactosa, 7 % de L-ramnosa, y 23 % de D-xilosa como el principal azúcar además del 5 % de ácido D-galacturónico [1, 8]. La estructura primaria del mucílago del nopal sugiere un cadena lineal con cadenas repetidas de enlaces (1-4)-b-D-ácido galacturónico y enlaces a-(1-2)-L-ramnosa con cadenas laterales de trisacáridos formados por enlaces b-(1-6) D-galactosa unidas a residuos de L-ramnosa. La presencia de residuos laterales a la cadena principal de galactosa presenta ramificaciones de composición compleja conteniendo residuos de L-arabinosa con enlaces (1-5) a residuos de grupos de oligosacáridos de D-xilosa [8].Diversos autores (Tabla 2) han estudiado el contenido de carbohidratos como principal constituyente de los cladodios del nopal, encontrando azúcares neutros como D-galactosa y L-arabinosa y otros como L-ramnosa y ácido D-galacturonico [9, 10]. En específico para el mucílago se ha reportado que consiste de un esqueleto de of β (1→3)- unidades

160

de galactosa unidas a ramas de carbono que a su vez contienen ácido D-galacturonico, D-galactosa, D-xilosa, L-ramnosa, y unidades de L-arabinosa. [10].

Tabla 2. Composición química de nopal O. ficus-indica y comparación con algunas fuentes convencionales de biomasa lignocelulosica para la

producción de bioetanol.Composición % peso seco

O ficus –indica[11]

O ficus –indica[12]

Bagazo de Caña de

azúcar [13]

Rastrojo de Maíz [14]

Paja de cebada [15]

Glucano 23.1 15.3 40.2 37.4 37.1Xilano 3.9 1.9 22.5 21.1 21.3

Arabinano 3.8 4.0 2.0 2.9 3.8Galactano 6.4 3.4 1.4 2.0 1.2fructanoManano trazas 1.4 0.5 1.6 -Azúcares

totales42 26 66.6 65.0 63.4

Azucares fermentables

34.3 19.7 42.1 41 38.3

lignina 7.9 16 25.2 18.0 19.2cenizas 16.8 - 10 5.2 8.2proteían 7.5 6.42 - 3.1 -

Con respecto a la fracción mucilaginosa, se puede decir que se clasifica como un carbohidrato complejo. Químicamente posee un estructura compleja con cierto parecido a la pectina, por lo cual forma parte de la fibra dietética, por esta razón se han realizado un gran número de estudios que lo prospectan como un excelente aditivo en la industria de los alimentos. Lamentablemente, sus rendimientos en base seca fluctúan desde 0.07 a 4.53 % dependiendo de varios factores como el área geográfica donde crece, cantidad de lluvia, etc. Otras importantes propiedades son su elevada capacidad de retener agua, y habilidad de formar geles. Estas propiedades del mucílago, le confieren un variado potencial de aplicación en alimentos, siendo uno de ellos como imitador de grasa, y acarreador de sabores. También se menciona su habilidad de

161

estabilizar espumas [16].Sustratos para producir Bioetanol.Para la producción de etanol a nivel industrial en diversos países han sido utilizadas diferentes fuentes de carbono como materia prima, los cuales pueden ser clasificados en residuos de primera y segunda generación; estos residuos deben ser transformados por algún método en azúcares fermentables, pero uso práctico está determinado por el rendimiento en etanol, por su costo y el tipo de microorganismo que se utilice [17].Primera generación.En la primera generación de producción de bioetanol se encuentran los cultivos básicos como el azúcar obtenido de la caña de azúcar y almidones obtenidos de granos de maíz [18, 19]. Sin embargo; el biocombustible obtenido a partir de semillas o granos tiene la principal limitante al ser empleados como alimento para animales o humanos [20].Segunda generación.Aunque los sustratos de primera generación en la producción de etanol probablemente continuaran dominando el mercado de los combustibles, en la actualidad se ha encontrado que los azúcares fermentables se pueden obtener de residuos agrícolas como; el bagazo, paja de arroz; residuos de cosecha como alfalfa y pasto; o de residuos forestales como madera, y residuos de papel [21]. Este tipo de materiales lignocelulósicos por su origen puede contener más de un 75 % de celulosa y hemicelulosa, además de ser la principal fuente de biomasa renovable posee un gran potencial para la obtención de combustibles (Tabla 3) [20].

Tabla 3. Composición de cultivos en base seca.Cultivo % de materia

seca% de Lignina % de

CarbohidratosRendimiento de

etanol (LKg-1 de biomasa)

Cebada 88.7 2.90 67.10 0.41Paja de cebada 81.0 9.00 70.00 0.31Maíz 86.2 0.60 73.70 0.46Paja de maíz 78.5 18.69 58.29 029Avena 89.1 4.00 65.60 0.41Paja de avena 90.1 13.75 59.10 0.26Arroz 88.6 - 87.50 0.48Paja de arroz 88.0 7.13 49.33 0.28

162

Sorgo 89.0 1.40 71.60 0.44Paja de sorgo 88.0 15.00 61.00 0.27Trigo 89.1 - 35.85 0.40Paja de trigo 90.1 16.00 54.00 0.29Caña de azúcar 26.00 - 67.00 0.50Bagazo 71.0 14.50 67.15 0.28

Fuente: (Xavier y col., 2009)

Actualmente las investigaciones en la producción de biocombustibles se ha centrado en dos áreas principales; (1) la utilización de fuentes alternativas hidrocarbonadas para la producción de bioetanol y (2) aumentar la eficiencia energética de las actuales formas de producción [22]. En la primera área, existe una constante búsqueda de sustratos de segunda generación viables para ser empleados en el proceso de fabricación de bioetanol, debido a que estos sustratos presentan resistencia natural a ser degradados. Por otro lado un proceso efectivo para la obtención de un buen rendimiento de azúcares fermentables y su transformación se dirigirá indudablemente a la producción y conversión metabólica de una alta cantidad de azúcares de tipo pentosas que no pueden ser fermentados directamente por microorganismos [21].Tratamientos para la obtención de azúcares fermentables.Los materiales lignocelulósicos contienen celulosa (C10 H10 O5)x y hemicelulosa ( C5 H8 O4) m los cuales están unidos a la lignina [ C9 H10 O3 (OCH3)0.9-1.7]n [23]. Específicamente, las cadenas de celulosa están compuestas por un homo polisacárido compuesto de unidades de b-D-glucopiranosa unidos por enlaces (1-4) glucosídicos y están entrelazadas de tal forma que ni el agua ni las enzimas pueden penetrar, mientras que la hemicelulosa es una mezcla de monosacáridos polimerizados con azúcares como la glucosa, manosa, galactosa, xilosa, arabinosa y ácido galacturónico que sirven como conexión entre las fibras de celulosa y lignina, estos azúcares pueden ser rápidamente hidrolizados con ácido o base, o con enzimas hemicelulasas [24]. Por otro lado, la lignina es de estructura muy ramificada y con frecuencia muy resistente a la conversión por microorganismos y agentes químicos, este componente se encuentra presente en la madera alrededor de un 20 a un 40 % y en varias especies

163

de plantas tales como el bagazo, olote, cascara de cacahuate, vaina de arroz, y paja, entre otros la composición puede variar [23, 25].Debido a que la conversión de la celulosa y la hemicelulosa en monómeros de azúcar como carbohidratos de 5 y 6 carbonos es complicado, uno de los principales aspectos a considerar en la utilización de residuos lignocelulósicos para la producción de bioetanol es el pre tratamiento para destruir la matriz de celulosa y disponer de los azúcares fermentables [22]. Los tratamientos comúnmente empleados pueden ser: químicos, físicos, fisicoquímicos o enzimáticos.Tratamientos Físicos y fisicoquímicos.Debido a que el material lignocelulósico no contiene azúcares que estén disponibles para la bioconversión es necesario un pre tratamiento para remover la lignina y la hemicelulosa incrementando la porosidad [23]. Un paso inicial para este propósito, es la reducción del tamaño de la partícula a través de un molido, pulverizado y triturado, aunque es un tratamiento eficiente, su uso está limitado debido al alto consumo de energía para llevar a cabo el proceso debido al tamaño de la partícula requerida y a la humedad presente en el material lignocelulósico. Otros métodos fisicoquímicos empleados para el pre tratamiento del material lignocelulósico es el uso de agua a 150 °C debido a que la solubilidad de algunos de sus componentes depende de la temperatura y del contenido de humedad. En función de la temperatura, se encuentran los tratamientos hidrotérmicos en el cual el agua se mantiene en estado líquido a altas temperaturas lo que origina un rompimiento de la estructura inicial del material lignocelulósico [23, 25].Tratamientos Enzimáticos.Los métodos enzimáticos se basan en el uso de diferentes microorganismos para la degradación de los diferentes componentes de la lignocelulosa [26]. Hongos como los de podredumbre blanca producen enzimas oxidativas tales como la lacasa o la lignina peroxidasa, estas enzimas son capaces de degradar la lignina obteniéndose productos como la vanilina, dehirodivanilina, ácido vanilico, ácido felúrico entre otros compuestos. Por otro lado, microorganismos como Trichoderma reesei produce un conjunto de celulasas tales como la celobiohidrolasa, endoglucanasas, xilanasas y b-gucosidasas las cuales son necesarias para eficientar la hidrolisis de la celulosa [27].Tratamientos Químicos. Dentro de los tratamientos químicos se encuentra el uso de diferentes

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sustancias químicas tales como ácidos, álcali y agentes oxidantes como el peróxido y el ozono [25]. De entre los métodos químicos empleados, el uso de ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido nítrico, ácido fosfórico y el ácido acético son los más habituales. El medio ácido ataca los polisacáridos especialmente la hemicelulosa que es más fácil de hidrolizar en comparación con la celulosa [19]. Sin embargo, el uso de ácido genera corrosión y descomposición de los azúcares de la hemicelulosa, además de ser necesario la neutralización de pH [25].Por otro lado, los tratamientos alcalinos reducen el contenido de lignina y hemicelulosa permitiendo el paso de las moléculas del agua entre las capas haciendo que los enlaces entre la hemicelulosa y lignina se rompan, este método es utilizado a bajas temperaturas y presión por lo que pueden ser usados a condiciones ambientales; la única limitante en este tratamiento es que algunos compuestos alcalinos son convertidos a sales o las sales son incorporadas a la biomasa [23].Tecnologías de hidrólisis ácida.El uso de la hidrólisis ácida permite la destrucción de la estructura del material lignocelulósico liberando monómeros de glucosa [28]. Esta tecnología es una forma económica de transformar diversos materiales lignocelulósico en azúcares para la fermentación a etanol [29]. Generalmente existen dos tipos de hidrólisis, diluida y concentrada. La hidrolisis ácida diluida permite la destrucción de la estructura del material lignocelulósico incrementando la cantidad de los monómeros de azúcar liberados. Este tratamiento es realizado bajo condiciones ácidas de entre 0.5 y 1 % de ácido sulfúrico o ácido clorhídrico, temperaturas de entre 120 a 200 °C, presiones de entre 15 a 75 psi y tiempos de reacción desde 30 min hasta 2 h [29]. Estas condiciones permiten remover y recuperar efectivamente la mayor cantidad de hemicelulosa como azúcar disuelto [30]. La hidrólisis ácida diluida consiste en dos reacciones principalmente, la primera convierte el material celulósico a azúcares y la segunda convierte los azúcares en otros compuestos químicos, muchos de los cuales pueden inhibir el crecimiento microbiano. En este método usan bajos intervalos de temperaturas y presión [31]. Por otro lado en el tratamiento de hidrolisis ácida concentrada (60 a 90 %) se usa a bajas temperaturas y presiones moderadas para minimizar la degradación de los azúcares, sin embargo la alta concentración de ácido podría ocasionar la degradación de las pentosas en derivados furfurales. Por otro lado la principal ventaja del proceso a elevadas concentraciones

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de ácido es la eficiencia en la recuperación de azúcares la cual puede ser de alrededor del 90 % para la hemicelulosa y celulosa, sin embargo grandes cantidades de hidróxido deben ser usados para neutralizar la solución de azúcar lo cual requerirá una disposición final de sales [30, 31, 32].El nopal como biocombustible.Debido a su alta eficiencia productiva y a su rápida adaptación, crecimiento y bajos requerimientos de insumos, el nopal constituye una opción energética viable, de gran potencial, con la capacidad de brindar biocombustibles sólidos, líquidos y gaseosos que pueden ser utilizados en la producción de calor, electricidad y combustibles para el transporte. Actualmente en México existen acciones concretas dirigidas a la obtención de biogás, en Michoacán se tiene un biodigestor industrial funcionando como empresa privada en proceso de alcanzar su optima escala comercial y rentabilidad económica. En el país, los estados competidores en materia de bioenergéticos a base de nopal para la producción de biogás se encuentran el estado de Zacatecas, Aguascalientes, Michoacán y Sinaloa [33]. En cuanto a la producción de etanol, existen reportes encaminados a la fermentación del jugo obtenido a partir de la fruta de nopal (tuna) para la obtención de vino empleando para ello microorganismos como Saccharomyces cerevisiae y Pichia fermentans con un rendimiento de 8.73 % v/v de etanol (Tabla 4) [34, 35]. También mencionan que es posible obtener 55.3 mL de etanol a partir de la fermentación con S. cerevisiae; pero es necesario establecer criterios de optimización para la fermentación, algunos criterios pueden ser: contenido de etanol, compuestos volátiles, ácidos orgánicos, y compuestos que producen color [36]. Pocos son los estudios enfocados al uso del nopal para la producción de bioetanol debido a los procesos y operaciones unitarias que se deben usar para obtener el biocombustible además de la necesidad de disponer de microorganismos específicos para obtener mayores rendimientos [23, 37].

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Tabla 4. Estudios de producción de etanol con diferentes microorganismos.

Producto Yp/s Contenido de alcohol

Microorganismo

Bioetanol [38] - Candida shehataeBioetanol [39] 0.086 L/Kg 1.4 % w/v Saccharomyces sp.Bioetanol [40] 0.33 g/g 19.6 g/L Kluiveromyces

marxianusSaccharomyces cerevisiae

Vino de tuna [41] - 6.5 v/v Saccharomyces cerevisiae

Pichia fermentans Vino de tuna [42] - 9.2 % w/v Saccharomyces

cerevisiae Vino de tuna [43] - 55.3 mL/L Saccharomyces

cerevisiae

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Potencial de la Etnobotánica Hidalguense

ante la Hipertensión

VARGAS-LEÓN E.A.

VARGAS-LEÓN U.A.

CORTES-LÓPEZ H.

DÍAZ-BATALLA L.

GONZÁLEZ-CRUZ L.

BERNARDINO-NICANOR A.

GÓMEZ-ALDAPA C.A.

AntecedentesEl crecimiento desmesurado en la prevalencia de enfermedades crónicas degenerativas (ECD), tales como hipertensión arterial (HTA), diabetes mellitus, dislipidemias y aterosclerosis, entre otras, ha permitido que estas enfermedades superen la prevalencia de enfermedades transmisibles. Las ECD se reconocen como un problema de salud pública mundial, ya que son la primera causa de mortalidad en adultos. El impacto económico-social del tratamiento de las ECD es relevante para cualquier sistema de salud en el mundo, ya que se trata de enfermedades no curables, con secuelas que en su mayoría serán incapacitantes [1-2].La HTA es la ECD de mayor prevalencia mundial, se asocia a tasas de morbilidad y mortalidad elevadas, considerándose uno de los problemas más importantes de salud pública, especialmente en países desarrollados, afectando a cerca de mil millones de personas a nivel mundial. En México es una de las enfermedades crónicas de mayor prevalencia, afecta alrededor del 26.6% de la población entre 20 y 69 años de edad y cerca del 60% de los individuos afectados desconoce su enfermedad, esto significa que en México, existen más de trece millones de personas con

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este padecimiento, de las cuales, poco más de ocho millones no han sido diagnosticadas [2-5].En la actualidad la HTA, es el principal factor de riesgo para sufrir accidentes cerebrovasculares, insuficiencia cardíaca y renal, así como, cardiopatía coronaria, en personas adultas mayores, la mortalidad por estas complicaciones ha mostrado un incremento sostenido durante las últimas décadas, siendo estas ECD, las primeras causas de muerte [5] ocasionadas por HTA.Los estudios epidemiológicos sugieren una prevalencia entre 50 y 70% de HTA en personas mayores de 60 años, sin embargo, la HTA no debe considerarse una consecuencia normal del envejecimiento, ya que en la actualidad, los estilos de vida han generado que se presente en edades más tempranas. Aunque afecta a uno de cada tres adultos, se considera un padecimiento silencioso, pues no siempre produce síntomas y la falta de un chequeo de rutina, evita su detección oportuna. La consecuencia, son más de nueve millones de muertes anuales, la mitad, aproximadamente, son causadas por ataques cardíacos y cerebrales [5]. El estado de Hidalgo está ubicado en el sexto sitio nacional, de menor tasa de incidencia, sólo por arriba de Campeche, Quintana Roo, Chiapas, Tlaxcala y Veracruz. Los estados del Norte, alcanzaron cifras de prevalencia mayores. De acuerdo con la estadística oficial, durante 2011, se reportaron 8,946 nuevos casos de esta enfermedad, y la mayor incidencia fue en mujeres. Según la Encuesta Nacional de Salud y Nutrición 2012, la prevalencia de HTA por diagnóstico médico previo, en personas de 20 años de edad o más, en el estado de Hidalgo, fue de 16.0%, la cual aumentó en 18.5%, respecto a la prevalencia reportada en la ENSANUT 2006. La prevalencia de HTA fue de 17.6% en mujeres y 14.1% en hombres, con una razón mujer:hombre de 1:0.8. Tanto en hombres como en mujeres, se observó un incremento en la prevalencia a partir de los 40 años (15.6% en hombres y 22.3% en mujeres), que aumentó considerablemente en el grupo de 60 años o más (33.8% y 48.0%, respectivamente). En hombres, en la población de 60 años o más, tuvo una prevalencia 4.8 veces mayor que la prevalencia en la población de 20 a 39 años, mientras que en mujeres, fue 8.7 veces mayor. En comparación con los resultados nacionales, la prevalencia de HTA por diagnóstico médico previo, en el estado de Hidalgo, se ubicó ligeramente arriba de la media nacional [6]. Sin embargo, aunque el estado no se encuentre dentro de los primeros lugares, no significa que se encuentre

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alejado del problema, ya que se estima un número considerable de personas que no han sido diagnosticadas y por la falta de control se enfrentaran a complicaciones posteriores, de mayor impacto y costo.Una fracción muy importante del presupuesto, destinado al sector salud, es absorbida por las ECD y sus complicaciones. Siendo las principales generadoras de incapacidad e invalidez, afectando tanto al grupo poblacional económicamente activo, como al grupo de la tercera edad. El costo de su atención es multimillonario y en general, al tratarse de padecimientos no curables, sino únicamente controlables, requerirán de atención médica y tratamiento farmacológico de por vida. Las enfermedades cardiovasculares, son la principal causa de muerte en la población adulta de nuestro país, se hace imperativo intensificar la participación de todos los organismos involucrados en el sector salud [1]. El IMSS estimó un gasto total en el 2012, para la atención médica de la HTA (consulta, medicamentos, auxiliares de diagnóstico y hospitalización) de 21,798 millones de pesos, que equivale al 9.26 % del gasto corriente del Seguro de Enfermedades y Maternidad (SEM). Del gasto total destinado a las ECD, la HTA concentra el 30.5% [7]. Esto solo para el IMSS, las cifra se incrementa al considerar el resto de instituciones médicas que invierten en este padecimiento.

Hipertensión Arterial La tensión o presión arterial (PA) es la fuerza que ejerce la sangre contra las paredes de los vasos sanguíneos (arterias), al ser bombeada por el corazón. Este proceso es imprescindible para el transporte de sangre, oxígeno y nutrientes, a todos los órganos del cuerpo. Cuando los vasos sanguíneos tienen una tensión persistentemente alta, se genera un trastorno denominado hipertensión (presión o tensión elevada), cuando más alta es la presión, más fuerza tiene que realizar el corazón, para bombear la sangre, generando a su vez un daño en los vasos sanguíneos. La PA normal, en adultos, es de 120 mm Hg, cuando el corazón se contrae (tensión sistólica) y de 80 mm Hg, cuando el corazón se relaja (tensión diastólica). Cuando la tensión sistólica es igual o superior a 140 mm Hg y/o la tensión diastólica, es igual o superior a 90 mm Hg, la tensión arterial se considera alta o elevada. Los principales factores para desarrollar HTA son algunas predisposiciones genéticas, la edad, la obesidad, el tabaquismo, el alcoholismo, una dieta de alimentos con exceso de sodio y de grasas saturadas, así como la ingesta de cantidades insuficientes de

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agua, frutas y hortalizas, el sedentarismo, el estrés mal manejado, ECD como la diabetes y la dislipidemia [2-4].Tratamiento de HTAEn algunos casos, la HTA tiene remedio y en su mayoría solo control, con esto, no solo se puede salvar vidas, sino reducir significativamente las limitaciones funcionales y la discapacidad en las personas que la padecen. Para contender con este problema, la NOM-030-SSA2-2009 [4] define las acciones preventivas, así como los procedimientos para la detección, diagnóstico, tratamiento y control de esta enfermedad, a ser realizados por los sectores público, social y privado. El tratamiento farmacológico ha demostrado que reduce la mortalidad y la morbilidad cardiovascular, disminuyendo las complicaciones asociadas. Los principales medicamentos utilizados en México para el control o tratamiento son los diuréticos, betabloqueadores, antagonistas del calcio e Inhibidores de la enzima convertidora de angiotensina (IECA).Diuréticos. Dentro de esta familia, se incluye una serie de sustancias, con la capacidad de actuar sobre el transporte iónico en la neurona y favorecer la natriuresis y diuresis. El mecanismo responsable del efecto hipotensor no está del todo definido. El efecto se debe a la perdida renal de agua y sodio; y a largo y medio plazo por la reducción de las resistencias periféricas. Algunos mecanismos propuestos de la acción vasodilatadora son: descenso de los niveles intracelulares de sodio y calcio, disminución del tono vascular por disminución de la respuesta presora a la noradrenalina y angiotensina II (AG-II), disminución de la actomiosina en presencia de calcio, promoción de la síntesis de algunas sustancias vasodilatadoras. Dentro del sector salud, los más utilizados son Furosemida, Hidroclorotiacida y Espironolactona [8-9].Betabloqueadores. El uso actual de los bloqueadores beta-adrenérgicos, está extendido a diversos trastornos como HTA. Su efecto antihipertensivo se debe a varios mecanismos, siendo los más importantes: la disminución del gasto cardíaco que trae consigo un aumento de las resistencias periféricas en los primeros días del tratamiento, pero este fenómeno reflejo, sufre un acomodo en días, volviendo las resistencias periféricas a su situación basal, mientras que el gasto cardíaco sigue bajo. La inhibición de la actividad de renina plasmática, el bloqueo de los receptores ß1 de las células yuxtaglomerulares del riñón, inhibe la liberación de renina.

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La inhibición de la renina plasmática, trae consigo una disminución de la síntesis de angiotensina I y II, es útil en el tratamiento de pacientes hipertensos con niveles elevados de renina. El más utilizado es el Metoprolol [8-9].Antagonistas del calcio. Se clasifican en dihidropiridinas y no dihidropiridinas. Las dihidropiridinas ocasionan un importante descenso de la PA y de las resistencias periféricas, con aumento de la frecuencia y del gasto cardiaco por actividad simpática refleja, así como de los niveles plasmáticos de norepinefrina y de AG-II. El mecanismo de acción consiste en la inhibición de los canales del calcio dependientes del potencial de membrana y en el consecuente bloqueo de la entrada de calcio al interior de la célula. El descenso de la concentración de calcio libre citosólico en las células musculares lisas arteriolares condiciona la disminución del tono contráctil, de la resistencia vascular y de las cifras de PA. Producen vasodilatación coronaria. Asimismo, tienen un efecto cronotrópico e inotrópico negativos in vitro. Sin embargo, estos efectos pueden quedar contrarrestados in vivo por la activación adrenérgica refleja en el caso de las dihidropiridinas, aunque se mantiene con el verapamilo y diltiazem. Los más comunes son el Nifedipino, el Amilodipino y el Verapamilo [8-9].Inhibidores de la enzima convertidora de angiotensina (IECA). Actúan inhibiendo la actividad de la enzima, que convierte la angiotensina I en angiotensina II, que es la sustancia vasoconstrictora más potente del organismo, aumenta el tono simpático y libera vasopresina y aldosterona, con la consiguiente retención hidrosalina. Los IECA interfieren, por tanto, en las acciones vasopresoras y antinatriuréticas de la AG-II y de la aldosterona, traduciéndose en una vasodilatación, que es diferente en los distintos tejidos, lo cual permite una redistribución de los flujos locales. Además, la inhibición de la enzima, impide la degradación de las cininas, contribuyendo a la dilatación y a la diuresis, y aumenta la liberación de prostaglandinas vasodilatadoras (E2 y F2) y óxido nítrico. Los más utilizados son el Captopril y el Enalapril [8-9].Este tipo de tratamientos, son aplicados por largos periodos de tiempo, o bien de por vida, lo que representa un alto costo económico, tanto para los pacientes, como para el sector salud, sumándose las complicaciones originadas por esta condición. Por otra parte, la aparición de efectos adversos o reacciones de hipersensibilidad, son situaciones que obligan a suspender el tratamiento o cambiarlo constantemente. Con estos

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señalamientos, resulta importante, la búsqueda de nuevos agentes con propiedades antihipertensivas, en donde las plantas, son una fuente rica de compuestos con posible actividad antihipertensiva [10].

Alternativa para el tratamiento de la HTALa investigación en plantas, ha permitido el aislamiento de diversos compuestos activos, que han sido utilizados, como base para el desarrollo de varios agentes terapéuticos, convirtiéndolos en alternativas farmacológicas que podrían contribuir a reducir el impacto de ECD como la HTA, considerando que muchos de los medicamentos disponibles en el mercado se basan en productos naturales, los IECA, los bloqueadores del receptor beta y los antagonistas de AG-II, aunque obtenidos por síntesis, son ejemplos de fármacos que deben buena parte de su descubrimiento a un compuesto activo de origen natural [10-14].El retorno progresivo al uso de los productos de origen natural, en el tratamiento de diversos padecimientos ha sido estimulado, por la demanda de un sector poblacional, que se suma a otros factores, como el descubrimiento de efectos adversos de fármacos sintéticos, el mejor conocimiento químico de compuestos activos de origen vegetal y sus derivados, con gran diversidad química, la disponibilidad creciente de técnicas de aislamiento e identificación, la introducción de ensayos farmacológicos que permiten detectar moléculas potencialmente promisorias, con la diversidad de pruebas in vitro e in vivo, el desarrollo de nuevos métodos analíticos de control de calidad y de nuevas formas de preparación y administración [10-11], así como el reconocimiento por parte de la OMS [12] de la medicina tradicional, como un gran bloque de conocimiento para la atención primaria en salud.La medicina tradicional mexicana, es uno de los sistemas de salud más importantes del mundo, entre los sistemas de China e India, donde las plantas medicinales, juegan un papel importante en estos sistemas [13], desencadenado el interés científico, dirigido al estudio de fitoquímicos (derivados del metabolismo secundario de las plantas), para el tratamiento de esta enfermedad, realizando investigaciones que validen el uso de plantas medicinales. En México, en diversas instituciones educativas y de investigación, reportan un gran número de plantas, ampliamente utilizadas en la medicina tradicional y con alto potencial, para su uso en los tratamientos de HTA, sin embargo, es necesario incrementar la investigación, para

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llegar a la identificación y la caracterización de los compuestos, con potencial terapéutico, dándole a su vez, valor a la producción y uso de dichas plantas. Castillo-España y col. [13], realizaron un reporte etnofarmacológico preliminar, a partir de investigación etnobotánica, química y farmacológica, de 186 especies, utilizadas en México, para el tratamiento de HTA. Registraron un total de 163 géneros y 76 familias, las más abundantes son Asteraceae (17), Lamiaceae (12), Solanaceae (11), Fabaceae (10) y Rutaceae (8). Del total, 85 son de tipo silvestre, 47% se ha estudiado al menos una vez, desde el punto de vista fitoquímico y 74% se ha sometido a investigación in vitro y en ensayos farmacológicos in vivo. Estas últimas investigaciones, se han llevado a cabo con el fin de validar sus usos medicinales, como agentes antihipertensivos, en la medicina tradicional mexicana, demostrando la importancia de esta área de investigación.En el estado de Hidalgo, se han reportado de 2,674 especies de plantas [15] a 3,239 [16] como parte de su biodiversidad; lo que ha dado como resultado, que se utilicen alrededor de 850 de estas especies como medicinales, siendo las más usadas por la sociedad; a la fecha, se ha documentado el uso medicinal de unas 500 especies, lo que representa el 59% de la flora útil y el 12.5% de la flora estatal [17-19]. A pesar de que existe un gran número de reportes de la utilidad de las plantas, en la mayoría del territorio estatal, hacen falta estudios etnobotánicos, así como la caracterización del potencial terapéutico y las pruebas biológicas correspondientes, por lo que se considera un campo fértil de investigación. A continuación se describen, aquellas plantas del Estado de Hidalgo, que la etnobotánica reporta como efectivas, para el tratamiento de problemas relacionados con la PA [18] y los estudios científicos que avalan su efectividad. Casimiroa edulis (zapote, zapote blanco). De la familia de las Rutaceas, se distribuye en gran parte del estado, predominando en los municipios de Actopan, Atotonilco el Grande, Cardonal, Ixmiquilpan, Metztitlán, Pachuca y Tepeapulco, donde tradicionalmente, se utilizan las infusiones de las hojas para los nervios y la presión arterial alta [18]. En las hojas de C. edulis, se encuentran principalmente alcaloides (N-α-N-α- dimetilhistamina, N-α−dimetilhistamina) y el glicósido de flavonoide, rutina. En la herbolaria, la N-Ndimetilhistamina, se considera el principal compuesto activo, ya que es un potente hipotensor, similar a la histamina, causando una marcada

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disminución de la tensión arterial de los animales [20]. Vázquez-Cruz y col. [21], probaron el extracto acuoso de las hojas en tres modelos experimentales de hipertensión y la reactividad vascular en un riñón aislado y perfundido. La administración del extracto acuoso (100 mg/Kg de peso corporal), disminuyó el aumento máximo de la presión arterial sistólica en ratas tratadas con AG-II, de 35.5±4.6 mmHg a 10.4±6.3 mmHg. Además, la presión sanguínea de las ratas hipertensas por coartación aórtica y por N-nitro-L-arginina metil éster (L-NAME), disminuyó con la administración. La respuesta vascular a la AG-II en la circulación renal, disminuyó en ratas con coartación aórtica, tratadas con el extracto acuoso; del mismo modo, la respuesta vascular a fenilefrina, también disminuyó en los riñones de ratas hipertensadas por L-NAME. Salvia elegans Vahl. (Mirto de campo). De la familia de las Lamiaceaes, es utilizada tradicionalmente para el mal del susto e insomnio, los municipios donde se tiene registro de su presencia y uso son Epazoyucan, Huasca, Mineral del Chico, Mineral del Monte, Omitlán, Pachuca, Tepeapulco y Zempoala [18]. Jiménez-Ferrer y col. [22], evaluaron el efecto de extractos hidroalcohólicos, sobre la acción de AG-II, midiendo la respuesta aguda de la presión arterial de la administración de AG-II en ratones y evaluaron in vitro la capacidad de sus extractos de inhibir a la ECA. Observaron una reducción significativa en la presión arterial sistólica en los ratones, con una dosis de 0.75 mg/Kg (p <0,05), un efecto incluso mayor que el obtenido en el grupo tratado con losartán (medicamento control). El mismo extracto disminuyó la Emax (inhibición máxima) del efecto hipertensivo de AG-II, en un 20%, tanto en la presión sistólica y diastólica, mientras que el losartán, disminuyó el mismo parámetro entre 6 y 8% para las presiones sistólica y diastólica, respectivamente. En el ensayo de IECA, el extracto inhibió el 50.27±5.09% (n = 5), este valor se comparó con lisinopril (medicamento control), el cual, inhibió un 87.18±1.16%. Al fraccionar sus extractos, observaron compuestos con picos de absorbancia máximas a 221, 289, y 330 nm, típicas de flavonoides. Los cambios en el valor de Km (concentración de sustrato a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima.), sugieren que los componentes de los extractos, fueron reconocidos por el sitio activo de la enzima, inhibiendo así a ECA y generando antagonismo a la AG-II, lo que explica su actividad antihipertensiva. Algunos otros autores sugieren que la actividad antihipertensiva, puede ser por la presencia de ácidos

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terpénicos, como los ácidos ursólico y oleanólico, descritos en S. elegans [23] y otros terpenos, como amirina. En otros estudios, se demostró que el ácido oleanólico actúa sobre la enzima óxido nítrico sintasa endotelial (eNOS), provocando relajación vascular en la aorta aislada de rata [24-26]. Además, han propuesto que el ácido ursólico ejerce un efecto vasodilatador, dependiente del endotelio, debido a la liberación de óxido nítrico (NO) y la consiguiente activación de la enzima guanilato ciclasa, obtenida de células del músculo liso vascular [27].Agastache mexicana ssp. (Kunth) Lint & Epling (Toronjil blanco). En los municipios de Acaxochitlán, Atotonilco el Grande, Huasca, Mineral del Monte, Mineral del Chico, Omitlán y Tulancingo, se reporta el uso de las ramas en infusión o extracto alcohólico, para controlar los nervios, el insomnio y normalizar la presión [18]. Estrada-Reyes y col. [28], caracterizaron un extracto acuoso, mediante HPLC, con detector UV-vis, detectando ácido málico e identificando algunos flavonoides glucosilados como luteolina, diosmetina y acacetina, observando efectos positivos en el sistema nervioso central. Hernández-Abreu y col. [29], llevaron a cabo un estudio, en el cual, elucidaron el modo de acción del flavonoide tilianina, extraído de A. mexicana, como agente vasodilatador en la prueba in vitro de aorta torácica funcional de rata, investigando a su vez el efecto antihipertensivo in vivo en ratas espontáneamente hipertensas (SHR). Tilianina (0.002-933 μM) indujo la relajación significativamente en una concentración endotelio dependiente y de manera independiente en anillos de aorta pre-contraídos con noradrenalina (NA, 0.1 μM) y serotonina (5-HT, 100 μM). El efecto fue más significativo (p <0.05) en anillos de aorta con endotelio intacto que cuando se retiró el mismo. El pretratamiento con L-NAME (10 μM) o 1-H- [1, 2, 4]-oxadiazolo-[4,3] quinoxalin-1-ona (ODQ, 1 μM), produjo un cambio significativo de la respuesta relajante y la actividad fue marcadamente inhibida, pero no por la indometacina (10 μM) o atropina (1 μM). Por último, una única administración oral de tilianina (50 mg/kg), mostró una disminución significativa en la presión arterial sistólica y diastólica (p <0,05) en el modelo SHR. Los resultados indican que los medios de relajación, generados por tilianina, son de manera endotelio-dependientes, probablemente, debido a la liberación de NO, a través de una vía independiente del endotelio, mediante la apertura de canales de K+, causando así el efecto antihipertensivo.

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Justicia spicigera Schldl (Muicle o Muitle). De la familia de Acanthaceae, se encuentra distribuida en la mayor parte del estado de Hidalgo e incluso del país, su uso tradicional, es en infusiones a partir de las ramas, para mejorar la circulación, curar heridas, tratar anemia, depurar la sangre, várices, gangrena y en algunos estados, se considera efectiva en el control de la presión arterial y en algunos otros padecimientos del sistema circulatorio [18]. Sus propiedades podrían estar relacionadas con su alto contenido de flavonoides, se han aislado camferitrín y triramnósido de camferol [30]. Aún no existen muchos estudios de su actividad antihipertensiva, por lo que es una excelente alternativa de investigación. Gutiérrez y col. [10], mencionan que en su equipo de trabajo, han probado diferentes tipos de extracto de partes aéreas de J. spicigera, para determinar el efecto antihipertensivo, los resultados muestran que el extracto clorofórmico tiene la capacidad de disminuir los valores de la presión arterial, en ratas macho Wistar hipertensas, inducidas con L-NAME (datos no publicados).Lepechinia caulescens (Ort.) Epling. (Bretónica). De la familia de las Lamiaceaes, su uso se reporta en los municipios de Atotonilco el Grande, Epazoyucan, Huasca, Metepec, Mineral del Chico, Mineral del Monte, Omitlán, Pachuca y Singuilucan. Las infusiones de las ramas son utilizadas durante el parto o en lavados vaginales [18]. Estrada-Soto y col. [31], evaluaron el efecto antihipertensivo del extracto metanólico de L. caulescens, para determinar la reactividad aórtica torácica después de un tratamiento a largo plazo con dicho extracto. Los resultados mostraron que el extracto, a 38 y 120 mg/Kg, induce un decremento significativo de la frecuencia cardiaca y en la presión sistólica y diastólica, en comparación con captopril, utilizado como control (30 mg/Kg). El extracto (120 mg/Kg), indujo actividad antihipertensiva a largo plazo, aun cuando la presión sistólica y diastólica fue baja a partir del quinto día y hasta que finalizó el experimento. La reactividad vascular de los vasos de los animales tratados con extractos, se mejoró, cuando se estimularon con carbacol y nitroprusiato de sodio. Sin embargo, el tratamiento con noradrenalina mejoró la respuesta contráctil en este experimento. Concluyen que el extracto produce efecto antihipertensivo y bradicárdico, que puede estar relacionado con la activación de la vía NO/cGMP. El ácido ursólico es uno de los principales componentes activos de L. caulescens, ha demostrado efecto vasorelajante [30], mientras que algunos otros metabolitos como el terpineno-4-ol, la salvigenina y

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el espatulenol, han sido reportados como posibles agentes relajantes musculares [31-32].Jacaranda mimosaefolía D. Don. (Jacaranda). De la familia Bignoniaceae, se encuentra ampliamente distribuido en el estado, en la zona de Tulancingo, en el Valle del Mezquital y en Metztitlán, la infusión de las flores es utilizada para el estreñimiento [18], sin embargo, estudios como el realizado por Nicasioa y Meckesb [33], reportan el efecto hipotérmico de extractos hidroalcohólicos de hojas de esta especie, utilizaron ratas anestesiadas y registraron la temperatura, la presión arterial y la frecuencia cardiaca, evaluando a su vez el efecto in vitro, producido por el extracto, sobre la contracción inducida con norepinefrina (NE), en los anillos de aorta de rata. El extracto produjo efecto hipotérmico significativo, con un máximo a las 2 h, el efecto fue acompañado de hipotensión y baja frecuencia cardiaca, condiciones fisiológicas que fueron reestablecidas a las siguientes 2 h. En las preparaciones de aorta con norepinefrina, el efecto antagonista no fue correlacionado con la presencia de iones Ca2 +, efecto que podría explicar un bloqueo de los receptores adrenérgicos. De las hojas se han aislado jacaranone, esculerina-7-glucoronido y fenil-propanoide, con propiedades hipotensoras y analgésicas [34].Sechium edule (Jacq.) Sw. (Chayote o pinaco). De la familia de las Cucurbitaceaes, se encuentra distribuida en todo el estado y su fruto es ampliamente consumido en diversas preparaciones. En algunas regiones, las infusiones de las ramas o el fruto hervido, se utilizan por su efecto hipotensor [18]. Gordon y col. [35], determinaron el efecto hipotensor de extractos acuosos de pulpa y cáscara de S. edule, los cuales fueron inyectados en ratas anestesiadas. Midieron la frecuencia cardiaca y la presión arterial media (MAP), observaron que los extractos produjeron una caída en la MAP. Lombardo-Earl y col. [36], evaluaron el efecto antihipertensivo del extracto hidroalcohólico de raíces de esta planta, incluyendo sus fracciones y subfracciones, en diferentes modelos de hipertensión inducida por AG-II, los extractos redujeron la presión aproximadamente en 30 mm Hg, mientras que la fracción más eficaz fue la acetónica, la cual, tras ser analizada por PDA-HPLC, mostró la presencia de derivados cinámicos, como el éster metílico del ácido cinámico.

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Familia Magnoloaceae.La Magnolia de albata Zucc., es un árbol endémico de la Sierra de Hidalgo, en peligro de extinción, usado en el municipio de Calnali, mientras que la Magnolia schiedeana Schldl., especie amenazada, se encuentra distribuida en la zona otomí-tepehua, muy usada en San Bartolo Tutotepec. Las infusiones de las flores de ambas especies, se utilizan para problemas del corazón, regular presión y para los nervios [18]. No se han encontrado reportes de efectos terapéuticos de los extractos a partir de las flores, sin embargo, en otros países, se ha probado el efecto hipotensor del magnolol (MAG), el cual es un lignano, aislado de la corteza de algunas especies de magnolia, Liang y col. [37], determinaron el efecto del MAG sobre la HTA y su efecto en vasodilatación aórtica a la insulina. Utilizaron ratas macho de 4 semanas de edad, espontáneamente hipertensas (SHR) y como control, ratas normotensas (WKY). El tratamiento de SHR con MAG (100 mg/kg por día), durante 3 semanas, disminuyó la presión arterial y mejoró la vasodilatación aórtica inducida por la insulina. Esto es el indicio de la presencia de compuestos activos en la especie, que justificarían su uso en la medicina tradicional y la necesidad de mayor investigación de la especie. Otras especiesDe especies como Sigesbeckia jorullensis HBK (Flor de araña). De la familia de las Asteraceaes, la infusión de las ramas es utilizada en los municipios de Epazoyucan, Mineral del Chico, Mineral del Monte y Pachuca [16], para la presión alta y diarrea, sin embargo, no se han encontrado reportes científicos, que avalen dicha propiedad. Algunas otras especies como Arachis hypogacea, Bidens pilosa Calendula officinalis, Dononea viscosa, Ficus carica, Indigofera suffruticosa, Marrubium vulgare, Nicotiana tabacum, Plantago major, Tagetes lucida, Zea mays, etc., en otros estados y en diversas publicaciones, han sido reportadas con efecto hipotensor [13, 38], dichas especies están presentes en Hidalgo y son utilizadas en la medicina tradicional, para diversos fines, por lo que son candidatas a la evaluación de su actividad frente a la HTA, generando una amplia línea de investigación por explorar, con fines de complementar el tratamiento de un severo problema de salud pública en México.

Conclusiones y perspectivasLa gravedad de ECD tales como HTA, así como sus complicaciones

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y el aumento de las personas afectadas a nivel mundial, incrementan la necesidad de buscar e investigar nuevas alternativas que ayuden a complementar el tratamiento y el control de dicho padecimiento. A través del conocimiento empírico y la etnobotánica, se pueden identificar plantas ricas en compuestos con capacidad de combatir este padecimiento, mediante mecanismos semejantes a los que ejercen los fármacos, con estudios científicos, esto puede comprobarse y validarse, un claro ejemplo, son los resultados descritos en esta revisión, donde se comprueba su efectividad. Sin embargo, las especies estudiadas son pocas, considerando la gran diversidad de plantas utilizadas en la medicina tradicional y los cambios en su composición, que pueden presentar de una región a otra, por lo que el área de investigación es extensa y favorable para ser explotada, con perspectivas positivas para la obtención de productos menos dañinos que los fármacos, ya comercializados, dándole valor agregado a determinadas especies en aquellas regiones que son fértiles para su cultivo, favoreciendo así su producción y comercialización, generando a su vez ingresos en la economía de un sector poblacional desfavorecido.

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Importancia Biotecnológica y Genética de

Trametes versicolor.

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El reino FungíA nivel mundial, en el reino Fungí se han descrito alrededor del 4.6% del total de la diversidad. Esto comprende aproximadamente 103 órdenes, 484 familias, 4,979 géneros y 97,861 especies [1-4]. En México se calcula que podrían existir 200,000 especies de las cuales solo se conocen 7,000 [1, 5-6]. Con respecto a la clasificación taxonómica de los filos de este reino, existe gran discordancia. Sin embargo, la más completa es la que establecieron Hibbett y col., en el 2007, basada en la combinación del análisis filogenético de datos moleculares y caracteres taxonómicos; la cual reconoce 7 filos, Blastocladiomycota, Neocallimastigomycota, Chytridiomycota, Microsporidia, Glomeromycota, Ascomycota y Basidiomycota.

Filo BasidiomycotaUno de los filos más importantes es el Basidiomycota, el cual se caracteriza por incluir a los organismos morfológicamente más complejos, debido a que pueden ser unicelulares o multicelulares desarrollando procesos de reproducción sexual y asexual [7-8]. Cuando el desarrollo es de forma asexual, ésta se presenta por desintegración del micelio. En el caso de la reproducción sexual comprende tres etapas, llamadas

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plasmogamia (contacto de protoplasma), cariogamia (fusión de núcleos) y meiosis. Este proceso comienza cuando las esporas son transportadas por acción del viento y al encontrar las condiciones ambientales óptimas, comienzan la formación de micelio unicelular. La fusión de los micelios de dos esporas compatibles permite la formación de un cuerpo fructífero. En esta parte del ciclo de vida cada célula muestra un estado heterocariótico predominante (dicariótico o dos núcleos) que se puede mantener durante varios años y este proceso es acompañado por la trascripción de genes específicos que producen abundante RNAm. Únicamente cuando se inicia la formación de esporas en basidio (aparato reproductor), se produce la unión de núcleos celulares, formando mediante una segunda división, cuatro nuevos núcleos, lo que produce un estado homocariótico transitorio o monocariótico temporal, los cuales a través de los esterigmas formarán cuatro basidiosporas de forma exógena. Habiendo por tanto una gran cantidad de basidiosporas, las cuales caerán al suelo, germinarán y nuevamente formarán micelio primario, (Figura 1) [9-11]. Este filo contiene aproximadamente 30,000 especies, muchas de ellas tienen gran importancia en el funcionamiento de los ecosistemas debido a que su alimentación y nutrición está basada en la descomposición de la materia orgánica; como es el caso de la familia Polyporaceae [12].

Familia PolyporaceaeLos hongos pertenecientes a esta familia, son en su mayoría xilófagos u organismos que se alimentan de la madera. La característica taxonómica principal de estos hongos, es la presencia de un himenio con poros de formas variables, que van de circulares hasta irpicoides y en algunos otros géneros de laminares a laberintícas. Se unen al sustrato en forma resupinada, sésil, efuso-reflejada o estipitada y su consistencia varía desde subcarnosa a leñosa. Sus ciclos biológicos pueden ser anuales, bienales o perennes y crecen como individuos solitarios o gregarios [7, 12].A esta familia pertenecen los siguientes géneros Abundisporus, Amyloporiella, Aurantiporus, Australoporus, Austrolentinus, Bridgeoporus, Cerrena, Cinereomyces, Coriolopsis, Cryptomphalina, Cryptoporus, Cystidiophorus, Daedaleopsis, Datronia, Dentocorticium, Dichomitus, Diplomitoporus, Earliella, Echinochaete, Epithele, Epithelopsis, Erastia, Faerberia, Favolus, Flabellophora, Fuscocerrena, Fomes, Globifomes,

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Grammothele, Grammothelopsis, Hapalopilus, Haploporus, Heliocybe, Hexagonia, Hymenogramme, Laccocephalum, Laetifomes, Lentinus, Lenzites, Leptoporus, Lignosus, Lithopolyporales, Lopharia, Loweporus, Macrohyporia, Megasporoporia, Microporellus, Microporus, Mollicarpus, Mycelithe, Navisporus, Neolentinus, Nigrofomes, Nigroporus, Oligoporus, Pachykytospora, Panus, Perenniporia, Phaeotrametes, Piloporia, Podofomes, Polyporus, Poria, Porogramme, Poronidulus, Pseudofavolus, Pseudopiptoporus, Pycnoporus, Pyrofomes, Royoporus, Rubroporus, Ryvardenia, Skeletocutis, Sparsitubus, Spongipellis, Stiptophyllum, Thermophymatospora, Tinctoporellus, Trametes, Trametopsis, Trichaptum, Tyromyces, Vanderbylia, Wolfiporia, Xerotus [13].

Figura 1. Ciclo de vida de hongos basidiomiceto de http://www.asturnatura.com/articulos/hongos/basidiomycetes.php.

En regiones boscosas, realizan funciones biológicas importantes, ya que descomponen la madera de los árboles muertos y también árboles vivos que han sufrido daño en su corteza. En el caso de la degradación de madera muerta, son los únicos organismos que tienen la habilidad de realizar la mineralización de la materia orgánica, reincorporando a los

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ciclos biogeoquímicos algunos elementos como el carbono, oxígeno y nitrógeno [8, 14-15], proceso al cual se le denomina pudrición.

Tipos de pudrición de la maderaExisten tres tipos de pudrición de acuerdo a la forma en que el hongo descompone la madera (Figura 2). La pudrición parda es aquella en donde, las enzimas producidas por el hongo degradan la hemicelulosa y celulosa de la pared celular de las células vegetales dejando la lignina intacta, lo que permite visualizar un color pardusco; la pudrición blanda debida a la liberación de enzimas que actúan a nivel de la celulosa, hemicelulosa y parte de la lignina provocando así una consistencia blanda de la madera; y finalmente la pudrición blanca que se presenta cuando el hongo se alimenta preferentemente de la lignina dejando intacta la celulosa y hemicelulosa [8, 12, 16-18].

Figura 2. Tipos de pudrición en la madera ocasionada por hongos A) Pudrición parda, B) Pudrición blanda, C) Pudrición blanca. Tomada de

Arana y col., 2009 [16].

En este contexto, uno de los géneros más representativos y estudiados a nivel enzimático, por la capacidad que tiene de realizar la pudrición o degradación de la madera, es el género Trametes. En específico, Trametes versicolor se considera una especie de gran importancia biotecnológica debido a su capacidad ligninolítica [19-24].

Enzimas ligninolíticasEn los hongos de podredumbre blanca se han identificado dos familias de enzimas ligninolíticas, las peroxidasas y las lacasas. Todas estas son capaces de oxidar compuestos fenólicos generando radicales fenoxilo, mientras que los compuestos no fenólicos son oxidados a

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sus cationes radicales correspondientes. Estas familias de enzimas se pueden diferenciar por sus requerimientos catalíticos, potencial de óxido-reducción, así como en su modo de acción, el cual puede ser directo o indirecto utilizando mediadores de bajo peso molecular [25]. En T. versicolor, el cual es un hongo de podredumbre blanca, se ha descrito que para lograr la degradación de la lignina, requiere de la participación de estás enzimas ligninolíticas con sus ciclos oxidativos y asociadas a otras actividades o metabolitos sintetizados por ellos mismos, siendo este un proceso oxidativo multienzimático e inespecífico [26].

PeroxidasasLignina Peroxidasa (LiP) EC 1.11.1.14.La LiP fue descrita por primera vez en Phanerochaete chrysosporium [27-28] y es una glucoproteína que contiene un grupo hemo en su sitio activo. Esta enzima cataliza una amplia variedad de reacciones, entre las cuales está el rompimiento de enlaces β-O-4 eter y Cα-Cβ de compuestos diméricos de lignina. También se ha descrito que cataliza la descarboxilación del ácido fenilacético, oxidación de alcoholes Cα-aromáticos a compuestos Cα-oxo-aromáticos, hidroxilación, formación de quinonas y apertura de anillos aromáticos [29]. Las interacciones de LiP con sus sustratos, son dos pasos consecutivos de oxidación de un electrón, con la formación de cationes radicales, es decir ocurre un mecanismo de ping pong, en donde el H2O2 oxida la enzima generando un intermediario deficiente de electrones, que regresa a su estado inicial por medio de dos oxidaciones [29].Manganeso Peroxidasa (MnP) EC 1.11.1.13La MnP es una hemoproteína que oxida el Mn2+ a Mn3+ en presencia de H2O2. Una vez quelado el Mn3+ actúa como un mediador de bajo peso molecular, los cuales son capaces de atacar a las estructuras fenólicas [30]. El ciclo catalítico de esta enzima consiste de tres reacciones. El H2O2 actúa como el sustrato aceptor natural de un par de electrones, lo que resulta en la formación de un compuesto que puede ser oxidado por Mn2+ o por sustratos fenólicos, generando un segundo compuesto que solamente puede ser reducido por Mn2+ por lo que depende de este catión para cerrar su ciclo. La MnP es sensible a altas concentraciones de H2O2 provocando la inactivación reversible de la enzima que es un estado de oxidación inactivo catalíticamente [30].Lacasa (Lcc) EC1.10.3.2

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Las lacasas son enzimas fenoloxidasas producidas por plantas, hongos, insectos [31] y algunas bacterias [32]. Dentro de sus funciones se incluyen la pigmentación de los conidios, la morfogénesis del cuerpo fructífero [33], la patogénesis y en la protección frente a compuestos fenólicos tóxicos liberados durante la degradación de la lignina [34]. Es el componente más importante del complejo enzimático de los hongos que descomponen la madera; cataliza la oxidación de una amplia variedad de compuestos orgánicos, especialmente aromáticos y compuestos inorgánicos [35].La lacasa es una multicobre p-difenol oxidoreductasa que se diferencia de la mayoría de fenoloxidasas debido a que durante su ciclo reduce el oxígeno formando dos moléculas de H2O, y simultáneamente oxida varios compuestos aromáticos mediante la extracción de 4 electrones.Algunos factores como el pH, la temperatura, el tipo de cultivo y la composición del medio influyen significativamente en la producción de las lacasas, así mismo la actividad enzimática depende de las condiciones del medio de cultivo. [36-37]. Su estudio se ha realizado para conocer a los organismos productores, el número de isoformas, sus propiedades fisicoquímicas y su aplicación en procesos biotecnológicos. [19, 23, 32].Versátil Peroxidasa (VP) EC 1.11.1.16La versátil peroxidasa, es una enzima que combina los ciclos catalíticos de la LiP y la MnP. la VP, oxida los sustratos característicos de la LiP, como los metilbencenos y dímeros modelo de lignina de tipo no fenólico, así como el Mn2+, sustrato específico de la MnP. Es decir, esta proteína presenta en su estructura un triptófano catalítico superficial responsable de la oxidación de compuestos aromáticos de alto potencial redox y un sitio de unión al manganeso responsable de la oxidación del Mn2+ a Mn3+ [28-29].

Ligninasas y su importancia biotecnológicaLa importancia biotecnológica de las enzimas ligninolíticas producidas por los hongos de podredumbre blanca, radica básicamente en la baja especificidad de los mecanismos que utilizan para realizar la transformación y mineralización de la lignina y otros compuestos aromáticos. Por ejemplo, los hongos productores de lacasas han logrado sobrevivir bajo diferentes condiciones ambientales, debido a que las enzimas, una vez secretadas, tienen una acción inespecífica y un amplio intervalo de sustratos. Estas características han permitido que muchos investigadores las puedan

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aplicar en procesos biotecnológicos, tal es el caso de la industria textil, en donde se utilizan para la decoloración y detoxificación de efluentes; en la industria papelera durante el blanqueo de la pulpa del papel [38-41], también son utilizadas en la biorremediación de suelos, en la síntesis orgánica o en el desarrollo de métodos para introducir características deseables a otras enzimas, como lo puede ser la estabilidad térmica [42-44], incluso hay estudios que indican que se puede utilizar en terapias contra el cáncer [45]. Asimismo, existen trabajos que han descrito, la secreción de lacasas en múltiples isoformas, dependiendo de la especie del hongo y de las condiciones de crecimiento. Estas catalizan la misma reacción y evolutivamente presentan secuencias de aminoácidos similares pero no idénticas, lo cual se refleja en su estructura y peso molecular [36, 46].

Isoformas de lacasaLas lacasas se han aislado de diversos hongos y se presentan en múltiples isoformas con diferentes propiedades catalíticas y pesos moleculares. Dentro de lo reportado en el género Trametes se pueden destacar los intervalos altos. Un ejemplo es el trabajo realizado por Xiao y col., en 2003, quienes dan a conocer una isoforma de 62kDa en una cepa de Trametes sp. AH28-2 [47]; Koroljova-Skorbogat’ko y col., en 1998 presentan una isoforma de 55 kDa de Trametes hirsuta [48] y Saparrat y col., 2002 reportan una isoforma (Lcc I) de Coriolopsis rígida del mismo peso molecular [49]; Galhaup y col., en el 2002 reportan que Trametes pubescens secreta varias isoformas de lacasas, pero sólo caracterizaron una, la cual presentó un peso molecular de 65 kDa [50]. Arana y col., en el 2004 describen diferentes isoformas dentro de un intervalo de pesos moleculares de 45 a 70 kDa en diferentes especies del genero Trametes como T. gallica, T. pavonia, T. versicolor, T. trogii, T. subectypus, T. villosa y T. ochracea [51]. La Tabla 1, muestra las isoformas y los pesos moleculares de lacasas en T. versicolor.

Diversidad genéticaPiñeiro y col, en el 2008, definieron a la variabilidad genética o diversidad genética como las variaciones heredables que ocurren en cada organismo, entre los individuos de una población y entre las poblaciones dentro de una especie. El resto de la biodiversidad se deriva de los procesos evolutivos que operan sobre esas variaciones. Bajo esta

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definición, sugieren que su conocimiento y comprensión es importante para la conservación y avance de la genética evolutiva, así como para el uso eficiente de recursos genéticos [52].

Tabla 1. Pesos moleculares de Lacasas descritas en Trametes versicolor

Organismo Nombre Peso molecular (KDa)

Autor

T. versicolor --- 63 [53]T. versicolor -- 68 [54]T. versicolor -- 68 [55]T. versicolor Lcc1 65 [56]T. versicolor Lcc2 60 [56]T. versicolor Lcc1 60 [56]T. versicolor Lcc2 100 [56]T. versicolor Lcc1 55 [41]T. versicolor Lcc2 130 [41]

Para evaluar la biodiversidad de los hongos es necesario hacer primero su identificación taxonómica y posteriormente hacer uso de herramientas moleculares para conocer la estructura y variabilidad genética de la población fúngica; a nivel molecular la más útil ha sido la reacción en cadena de la polimerasa PCR (Polymerase Chain Reaction) que ayuda a identificar a los microorganismos Los procedimientos basados en PCR, ya sean reacciones simples o complejas (anidadas), abarcan un vasto número de protocolos; entre los más empleados están las regiones hipervariables del rDNA (IGS o espacio intergénico, e ITS o espacio transcrito interno) [57-58].

Transcrito nuclear internoEn particular el transcrito nuclear interno (ITS) es una región conservada en el genoma de los eucariotes como lo son: 18S, 5.8S y 28S (Figura 3) su presencia se encuentra en unidades repetidas y su naturaleza multicopia de los genes ribosómicos hace que sea relativamente fácil la amplificación, la variabilidad que ofrece inter e intra especies, son relativamente estables dentro de cada grupo taxonómico [57, 59-60]. Además de que esta región es quizá ahora el fragmento de DNA más secuenciado en hongos. Ha

194

sido muy útil para estudios de sistemática molecular al nivel de especie y aun dentro de especies para identificar especies geográficas [61-63]. Las regiones más divergentes de los genes ribosomales son los espacios intergénicos ITS y el IGS. La variabilidad en la secuenciación observada en las 2 regiones ITS de los genes ribosomales que separan la subunidad ribosomal pequeña 5.8 de la subunidad ribosomal grande 25S, ha sido determinante para distinguir un hongo de otro. [57, 59-60, 64-67].La mayoría de los estudios de ecología molecular de hongos se ha hecho con restricción de estas regiones que están separadas por el gen ribosomal 5.8S. En los hongos es de un tamaño de 650 a 900 pb que incluye al gen 5.8S [64].

Figura 3. Genes ribosomales de hongos y sus espacios inter unidades, espacios intergénicos y dominios de la subunidad grande. Los iniciadores para amplificar los espacios intergénicos y los dominios también están indicados, obtenido de: Gardes y Bruns, 1993; Van Tuinen y col., 1998; Jacquiot y col., 2000 [65, 68-69].

Marcadores moleculares utilizados en el estudio de la diversidad genéticaEl uso de diferentes genes para el estudio de diversidad genética es muy común, dentro de los estudios de genética de poblaciones de Basidiomicetos uno de los más actuales es el desarrollado por Bergemann y col., en el 2009 en el cual determinaron la estructura genética poblacional

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y distribución del hongo Datronia caperata (Polyporaceae) en bosques de manglares de Centroamérica, utilizando para medir diversidad haplotípica los genes conservados de β-túbulina (BTUB) y Factor de elongación 1-α(EFA), y para medir la diversidad nucleotídica una región espaciadora del transcrito nuclear interno (ITS), encontrando diferencia entre y dentro de las poblaciones. Concluyeron que la especialización en el uso del sustrato es rara o poco común en bosques con alta diversidad de huéspedes y en donde la baja densidad de especies de huéspedes específicos provoca una reducción en la probabilidad de una eficiente transferencia horizontal de genes [70]. Otras investigaciones realizadas con basidiomicetos degradadores de madera Schizophyllum commune, Phlebiopsis gigantea y Pleurotus tuberregium indicaron una divergencia genética considerablemente alta entre poblaciones colectadas en regiones de diversos continentes, demostrándose de esta manera en una escala espacial, un flujo génico restringido [71-72].Por su parte Nordén, (1997) realizo un estudio con 5 poblaciones del hongo Fomitopsis pinicola en el suroeste de Suecia y utilizando marcadores RAPDs, mostraron diferenciación genética poco significativa entre las poblaciones, indicando una capacidad de dispersión muy efectiva y tamaños poblacionales grandes [73].Otro estudio realizado con el fin de analizar la variabilidad genética lo hizo Saldanha y col., en el 2007, sin embargo ellos utilizaron un enfoque diferente ya que trabajaron bajo la hipótesis de que entre mayor sea la diversidad genética inter poblacional mayor es la actividad enzimática y de tal forma establecer una correlación, analizaron de 9 cepas del genero Brotryospheria, obtenidas de diferentes hospederos, evaluando la actividad Lacasa, Pectinasa y β-1-3- glucanasa en un medio basal y en medio adicionado con alcohol valérico, y la diversidad genética se midió con marcadores tipo RAPD y reportada en un dendrograma del análisis del agrupamiento de los coeficientes de similitud, el árbol se dividió en tres grupos (I, II y III); encontraron que los individuos pertenecientes al grupo II presentaron mayor actividad lacasa y pectinasa, sin embargo no ocurrió lo mismo para la actividad β-1-3- glucanasa; bajo este esquema concluyeron que entre mayor sea la variabilidad genética, mayor es la producción de enzima lacasa [74].El estudio de la filogenia en hongos se construye comúnmente mediante el análisis de secuencias DNA, dejando a un lado otras series de datos como los taxonómicos, esto debido a que los datos morfológicos presentan

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altos niveles de homoplasia y bajos niveles de resolución [75]. Sin embargo, en los análisis cladísticos es posible incrementar la resolución si se incluye un mayor número de caracteres, y para ello la integración de los datos moleculares y estructurales ha sido utilizada con éxito para el grupo de las plantas. Sandoval-Zapotitla y col., en el 2010 realizaron un estudio taxonómico en plantas de la familia Orchidaceae para conocer el valor resolutivo de los caracteres estructurales durante la construcción filogenética de la subtribu Oncidinae. Para ello utilizaron un análisis de parsimonia combinada de datos anatómicos foliares, morfológicos y secuencias de ADN de las regiones matK e ITS. Los resultados indicaron que la subtribu Oncidinae se recobró como un grupo monofilético, apoyado por caracteres taxonómicos, así mismo se observaron siete sinapomorfías taxonómicas que definen cinco clados, 1) Lockhartia, 2) Trichocentrum, 3) Fernandezia, Ornithocephalus y Telipogon, 4) Oncidinae, 5) Tolumnia. De esta forma los resultados obtenidos en este trabajo destacan la importancia de la inclusión de caracteres estructurales, ya que a nivel de clados principales, permite incrementar la resolución de las relaciones entre sus miembros [76].

Conclusiones y perspectivasLos hongos son un grupo de microorganismos que desempeñan funciones biológicas importantes en diferentes ecosistemas, ya que su alimentación y nutrición está basada en la descomposición de materia orgánica. En los bosques son los únicos organismos capaces de mineralizar la madera de árboles muertos debido a que secretan enzimas específicas, como las Manganeso peroxidasas y Lacasas, las cuales son oxidoreductasas de importancia biotecnológica por su uso industrial y ambiental. Dentro de la microbiota de los bosques mexicanos podemos encontrar hongos de pudrición blanca ampliamente distribuidos como Trametes versicolor. No obstante, se conoce poco acerca de la historia natural y la biología evolutiva de esta especie, por lo que es necesario hacer investigaciones enfocadas en el analisis de la variabilidad genética, que aunados, a la realización de cinéticas de producción enzimática de Lcc y MnP proporcionarian hipoteticamente una herramienta para identificar cepas con potencial biotecnológico.

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202

Degradación de la Lignocelulosa

por Hongos Basidiomicetos

de Podredumbre Blanca

GARCÍA-ESQUIVEL Y.

GÓMEZ-ALDAPA C.A.

MERCADO-FLORES Y.

DÍAZ-BATALLA L.

ANDUCHO-REYES M.A.

TÉLLEZ-JURADO A.

Los basidiomicetosLos principales degradadores de residuos lignocelulósicos son los hongos sin embargo los más rápidos y eficientes para este proceso son los basidiomicetos los cuales se dividen en tres grandes grupos con base en la pudrición que producen en la madera: hongos de podredumbre blanda, podredumbre parda y podredumbre blanca.Hongos de podredumbre blandaLos hongos de podredumbre blanda atacan la celulosa de la pared secundaria vegetal dejando sobre la madera una consistencia blanda cuando las condiciones de humedad son elevadas, este tipo de pudrición fue descrita por primera vez en 1913 siendo Chaetomium globosum el ejemplar más estudiado debido a que ataca la parte intermedia de la pared celular sin embargo; las enzimas producidas por este grupo son incapaces de atacar la lignina y por lo tanto estos hongos se ven desfavorecidos en el aprovechamiento total de los componentes lignocelulósicos.Hongos de podredumbre parda

203

En el caso de los basidiomicetos de podredumbre parda o cafe estos atacan preferencialmente la celulosa y hemicelulosa. Este tipo de hongos degradan preferencialmente los polisacáridos presentes en la lignocelulosa, dejando casi intacta a la lignina. Por otra parte, si bien son capaces de degradar estos polisacáridos el ataque a la lignina es un proceso que les resulta energéticamente desfavorable por lo que su sistema de biodegradación es menos eficiente debido a que carecen de enzimas ligninolíticas, por tal motivo en lugar de iniciar la descomposición de la especies reactivas de oxígeno generadas a partir de la reacción entre Fe 2+ y H2O2, lo que sucede es una interrupción en la degradación de la lignina, por lo que la principal limitación de estos hongos es que al no generar enzimas oxidativas, las enzimas hidrolíticas se ven limitadas para despolimerizar los polisacáridos que se encuentran encajonados en la lignina [1].Hongos de podredumbre blancaLa denominación de estos hongos como de podredumbre blanca se debe a que al degradar preferentemente la lignina de las plantas leñosas, provoca la formación de un residuo de color blanco debido a la acumulación de celulosa y hemicelulosa. En la naturaleza los hongos de podredumbre blanca son reconocidos debido a que son capaces de degradar la lignina de forma eficiente mediante un proceso de solubilización (mediante la formación de productos solubles en agua) y mineralización (obteniendo CO2 y H2O). Estos basidiomicetos comienzan por la mineralización de la lignina, usando enzimas oxidativas extracelulares para romper este biopolímero altamente recalcitrante. En algunos casos, la enzima puede atacar directamente el polímero de lignina y en otros, el agente ligninolítico es convertido en una molécula pequeña que una de las enzimas ha oxidado a una forma reactiva, en donde la catálisis enzimática se ve favorecida por mediadores que ayudan a la degradación de la lignina. Posteriormente los hongos de podredumbre blanca asimilan los polisacáridos restantes mediante la producción de enzimas hidrolíticas como lo son las glycosil hidrolasas involucrando un mecanismo de acción endo-exo [2].Biodegradación de residuos lignocelulósicos por hongos de podredumbre blancaExisten varios estudios que tratan de describir como se llevada a cabo la biodegradación tanto de maderas como de residuos lignocelulósicos por especies de hongos de pudrición blanca, sin embargo se ha observado que este proceso varía de un basidiomiceto a otro por ejemplo; para

204

Phanerochaete chrysosporium, Heterobasidium annosum y Irpex lacteus, la degradación se lleva a acabo de forma simultánea en celulosa, hemicelulosa y lignina, mientras que Ceriporiopsis subvermispora, Phlebia spp, Physisporinus rivolosus y Dichomitus squalens tienden a remover la lignina como primer paso y posteriormente atacan la celulosa y hemicelulosa [3]. Se sabe que las diferencias degradativas presentadas por P. chrysosporium y C. subvermispora se debe a que este último presenta un aumento en los patrones de expresión para oxidorreductasas sin embargo su capacidad celulolítica es menor a lo reportado para P. chrysosporium. Generalmente los hongos no selectivos o degradadores simultaneos presentan altas actividades celulolíticas y hemicelulolíticas en contraste, se ha observado que los ejemplares selectivos secretan enzimas hemicelulolíticas utilizando como principal fuente de energía la hemicelulosa. C. subvermispora conserva la mayor parte de la celulosa durante la descomposición de residuos lignocelulósicos, mientras que Pleurotus ostreatus es capaz de producir un complejo enzimático hidrolítico en distintos residuos lignocelulósicos y bajo diferentes estrategias de cultivo [4]. Este comportamiento está ligado en gran manera a las diferencias en cuanto a la capacidad de producir enzimas ligninolíticas por los distintos hongos es decir algunos solo pueden secretar una enzima o involucrar dos o más de estas en el proceso, lo que indica que la degradación lignocelulósica varía entre las diferentes especies de pudrición blanca [5] (Tabla 1), otro factor a tomar en cuenta es el tipo de materia prima debido a que el porcentaje de componentes lignocelulósicos varían de una herbácea a otra. La complejidad y composición química del sustrato (disponibilidad del sustrato) influye directamente sobre las actividades metabólicas de cada hongo de acuerdo a lo reportado para Trametes versicolor y P. chrysosporium, al ser crecidos en distintos residuos (salvado de trigo, tuza de mazorca, cereza de café y paja de trigo) el perfil enzimático para la misma especie está en función del tipo de residuo; entre las variantes que explican este comportamiento están las fluctuaciones de pH que indican la solubilización de los diferentes compuestos propios de cada sustrato que en algunos casos, pueden favorecer la actividad enzimática pero en otros pueden inhibir el crecimiento celular [5].

205

Tabla 1. Enzimas producidas por hongos de podredúmbre blanca durante la degradación de residuos lignocelulósicos

Hongo Sustrato Enzima Phanerochaete chrysosporium

Semillas de uva, salvado de cebada y viruta de madera

LiP, MnP

Strubilurus ohshimae Residuos de sedro LiP, MnPTrametes versicolor Virutas de madera, olote,

paja de trigo. Semillas de uva, salvado de cebada y viruta de madera.Bagazo de caña

Lcc, Xyl, MnP, Celobiosa deshidrogenasa. Lcc, MnP, Glucosa oxidasa, glioxal oxidasa, Quinona oxidorreductasa, Cellobiosa.

Pleurotus ostreatus Bagazo de cañaPaja de maíz.

MnP, Lcc, Xyl, Cel.

Pleurotus pulmonarius Pulpa de café, Restos de hierba, paja de trigo, fibra de algodón.

Lcc, Mn, Endoglucanasa, Cellobiohidrolasa

Bjerkandera adusta Virutas de madera, carozo de maíz, paja de trigo.

LiP, MnP

Pycnoporus cinnabarinus Pulpa de madera blanda Lcc, LiP, MnP

Trichaptum biforme Cascara de mandarina, orujas de uva, hojas de arce

Lcc, Xyl, Cel

Pseudotremella gibbosa Orujas de uva, cacaras de mandarina, Residuos de producción de etanol. Residuos de trigo, hojas de arce.

Lcc, Xyl, CelLcc, MnP, Xyl, Cel.

Ganoderma applanatum Cascara de mandarina Lcc, MnP, Xyl, Cel.Fomes fomentarius Residuos de la producción

de etanol, salvado de trigo, orujas de uva. Cascara de mandarina, hojas de arce.

Lcc, Mn, Xyl, Cel.Lcc, Xyl, Cel.

Trametes biforme Cascara de mandarina Lcc, MnP, Xyl, Cel.Fuente: (2008; Sanchez, 2009)

206

El tiempo de tratamiento así como las condiciones de cultivo son otros factores a tomar en cuenta sin embargo es clara la capacidad de los ejemplares de pudrición blanca para crecer sobre los materiales lignocelulósicos.Lignocelulosa componentes y degradación enzimáticaLa celulosa y hemicelulosa están constituidas de diferentes azúcares mientras que la lignina es un polímero aromático sintetizado a partir de fenilpropanoides; estos tres componentes están vinculados formando una barrera en la pared celular de las plantas.Debido a la complejidad de los componentes lignocelulósicos se requiere de enzimas oxidativas encargadas de la lisis de la lignina e hidrolíticas responsables de la hidrolísis de la celulosa y hemicelulosa. Por lo que la acción catalítica de estas enzimas es un proceso de cooperación y sinergismo, donde la pared vegetal representa el mayor problema, ante esta barrera se sabe que las peroxidasas actúan mediante mediadores que facilitan el paso de las enzimas, este mecanismo también es llevado acabo por algunas hidrolasas celulolíticas para inducir la despolimerización de la celulosa donde el sistema Fenton (Fe2 + H2O2) conocido para despolimerizar la celulosa, puede ser generado por enzimas como MnP o Celobiohidrolasa. En contraste con las celulasas y peroxidasas, el sistema de hemicelulasas no actúa en el sinergismo de bajo peso molecular, lo que sugiere que la difusión de las xilanasas se ve facilitada por la degradación de la lignina que aumenta la permeabilidad de la pared vegetal [3].LigninaLa lignina es un biopolímero altamente ramificado y después de la celulosa, es la sustancia más abundante en las plantas. Esta molécula está formada por tres derivados fenilpropanoides diferentes: los alcoholes corifenílico, cumarílico y sinapílico. Las proporciones de las tres unidades monoméricas en la lignina varía entre especies, órganos vegetales e incluso entre las capas de una pared celular. En el polímero se pueden encontrar muchos enlaces C-C y C-O-C en cada unidad de alcohol fenilpropanoide (Fig. 1). A diferencia de polímeros como el almidón y la celulosa, la lignina no presenta estructuras y uniones repetitivas, presenta una estructura compleja y de alto peso molecular que es muy difícil de degradar de manera natural [3]. Representa el 25 % de la masa seca de la madera siendo una molécula muy importate ya que brinda protección

207

y soporte a todos los vegetales, al estar íntimamente ligada con otros componentes como la hemicelulosa y celulosa la separación de la lignina de sus acompañantes por lo general va ligada a una alteración química en su estructura [7].Enzimas ligninolíticasLos hongos de podredumbre blanca se caracterizan por contener cuatro grupos principales de enzimas; la Lignina peroxidasa (LiP), Manganeso peroxidasa (MnP), Peroxidasa versátil (VP), Lacasa (Lcc) y enzimas accesorias. Las primeras tres pertenecen a la familia de Peroxidasas II encontrándose dentro de la super familia de hemoperoxidasas, mientras que la Lacasa pertenece a la familia de las multicobre oxidasas azules.Lignina Peroxidasa (LiP) y Manganeso Peroxidasa (MnP)Estas enzimas fueron descritas por primera vez en P. chrysosporium, encontrándose 8 izoenzimas para la Lignina peroxidasa (LiP; EC 1.11.1.14) y 4 isoenzimas de la Manganeso peroxidasa (MnP; EC 1.11.1.13) [11].

208

Fig. 1. Estructura de la Lignina.

La LiP o ligninasa se ha considerado como elemento clave en el proceso ligninolítico debido a su alto potencial redox, que le confiere capacidad para oxidar las unidades no-felnolicas (más del 80 % del polimero) presentes en la lignina. Al ser relativamente inespecífica en sustratos reductores puede oxidar compuestos aromáticos de alto potencial redox como el alcohol veratrilíco, metoxibencenos y modelos diméricos no fenólicos de la lignina.La MnP cataliza reacciones químicas que oxidan númerosos compuestos fenólicos especialmente siringil (3,5-dimetoxi,4-hidroxifenil), su participación en la degradación de la lignina sugiere que cataliza reacciones que aumentan la reactividad de esta mediante el aumento de su contenido fenólico. Durante su ciclo catalítico esta enzima genera Mn3+ que actúa como una especie altamente oxidante (desestabilizante) en unidades fenólicas y no fenólicas de la lignina a través de las reacciones de peroxidación de lípidos, al ser una especie altamente reactiva (inestable en medio acuso) en respuesta los hongos secretan ácido oxálico o malonico que acomplejan el Mn3+ estabilizándolo. Estos ácidos dicarboxilicos forman complejos estables con el Mn3+ capaces de difundir a través de la estructura de la pared celular vegetal, actuando como oxidantes de compuestos fenólicos. Siendo específica para sustratos reductores el ciclo catalítico de esta enzima requiere de Mn2+

para ser completado [9].

209

Estas enzimas llevan a cabo su ciclo catalítico mediante el uso de H2O2, sirven como transportadoras de oxígeno y electrones en reacciones donde un átomo de oxígeno es transferido al sustrato y el otro al agua; su función es la de aceptor de e- en la reducción de los peróxidos. De esta forma se produce la oxidación de 2 e- que incluye la transferencia del átomo de O2 desde el compuesto oxidante hasta el grupo hemo de la enzima.El ciclo catalítico de estas enzimas está compuesto por tres reacciones consecutivas [12]:

1. Reacción del sitio activo de la enzima con H2O2 reduciéndolo a H20, esto produce la oxidación de la proteína férrica dando como resultado un intermediaro determinado Compuesto I.Fe3+ + H2O2→Fe4+ =OR’ (Compuesto I) + H2O2. La proteína denominada compuesto I se reduce mediante un e- por una molécula de sustrato reductor, dando lugar a un radical del sustrato y formando el compuesto II.[Fe4+ =O]R’ + Sustrato→[Fe4+ =O]R (Compuesto II) + Sustrato oxidadio3. El compuesto II es reducido por un e- donado de una segunda molécula de sustrato reductor; de esta forma la enzima vuelve a su estado nativo que contiene Fe3+.

[Fe4+=O]R + Sustrato→ Fe3+ + H2O + Sustrato oxidado.Peroxidasa Versatil (VP)Por su parte la Peroxidasa Versatil (VP; EC 1.11.1.16) es capaz de combinar los ciclos de la MnP y LiP, oxidando Mn2+ a Mn3+ así como el alcohol veratrílico a su radical veratraldheido, además de su capacidad para oxidar hidroquinonas y fenoles que no son oxidados eficientemente por la LiP y MnP en ausencia de Alcohol veratrílico o Mn2+. Por tal motivo es considerada un hibrido de estas dos enzimas y ha sido identificada como una tercer peroxidasa. Este tipo de actividad se ha reportado en basidiomicetos como: Pleurotus sp., Bjerkendera adusta, Pleurotus erengii, Bjerkandera sp.Lacasa (Lcc)Las enzimas de tipo Lacasa (Lcc; EC 1.10.3.2, bencenodiol) forman parte de la familia Cu-Oxidasas azules, son responsables de la catálisis oxidativa de fenoles y moléculas similares de compuestos presentes en la lignina como benzopirenos y p-fenilenediaminos, oxida ácidos fenólicos y metoxifenolicos atacando sus grupos metoxilo mediante reacciones

210

de desmetilación y descarboxilación que son pasos importantes en la transformación inicial de lignina. La catálisis enzimática de esta enzima involucra al O2 como aceptor de electrones donde el sustrato fenólico es oxidado mediante la reducción de O2 a H2O [14].Sustrato fenólico + O2→ Sustrato fenólico oxidado + H2OOtras enzimas accesorias involucradas en la degradación de la lignina incluyen la Aril alcohol oxidasa (AAO;E.C. 1.13.7) que oxida alcohol veratrílico, la Glioxal oxidasa (GLOX;EC1.2.3.5); Piranosa 2-oxidasa (glucosa-1-oxidasa EC 1.1.3.4), Aril alcohol deshidrogenasa (ADD; EC 1.1.191), Quinona reductasa (QR; EC 1.1.5.1) y Celobiosa deshidrogenasa (CDH; EC 1.1.99.18) [1, 3].LigninólisisLa ligninólisis ha sido descrita por Kirk como: “Un proceso de combustión enzimática extracelular”, debido a que la degradación ligninolítica muestra una fuerte correlación con la producción de CO2, lo que denota la capacidad de estas enzimas para mineralizar la lignina.A pesar de que la degradación de la lignina es atribuida principalmente a las enzimas ligninolíticas LiP, MnP y Lcc (Tabla 2) la participación de mediadores siempre ha sido considerada ya que es obvio que debido al tamaño de las enzimas estas se ven imposibilitadas para penetrar a través de la pared vegetal sin ser alterada.La presencia de agentes tales como ácido oxálico, ácido malónico, ácido glioxilico, ácidos grasos insaturados además de agentes radicales como peróxilo y acilo, son considerados de vital importancia, debido a que, al ser compuestos de bajo peso molecular difunden a través de la pared vegetal iniciando la descomposición y facilitando la penetración de las enzimas.

Tabla 2. Reacciones enzimáticas responsables de la degradación de la lignina.

Actividad enzimática Sustrato ó cofactor Reacción

Lignina Peroxidasa (LiP) H2O2, Alcohol veratrílico Oxidación del anillo aromatico.

Magneso Peroxidasa (MnP)

H2O2, Mn, Ácidos orgánicos, lípidos

insaturados.Oxidación de fenoles.

Lacasa (Lcc) O2, Hidroxibenzotreazol (intermediario).

Oxidación de compuestos fenólicos.

211

Glioxal oxidasa (Glox) Glioxal, metil glioxalOxidación de glioxal y

ácido glioxalico, producción de H2O2.

Arilalcohol oxidasa Alcoholes aromáticosOxidación de alcoholes a aldheidos. Producción de

H2O2

Enzimas productoras de H2O2

Compuestos orgánicos O2 reducido a H2O2

Fuente: (Rodríguez et al., 2005)

En la degradación enzimática de la lignina sucede una serie de reacciones que originan la desestabilización de los enlaces del biopolímero y con ello la ruptura de la macromolécula. Es por esto que la eficiencia de este proceso se atribuye a una correlación de enzima-mediador-sustrato; por ejemplo se ha demostrado que el alcohol veratrílico actúa como mediador en la degradación de la lignina durante el ciclo catalítico de la LiP, en el caso de la MnP la presencia Mn2+ y ácidos grasos no saturados le permite la oxidación de compuestos no fenólicos, de la misma forma sucede con la Lcc que en presencia de un mediadores como 1–hidroxibenzotriazol y N -hidroxi- βN-fenilacetamida la actividad de esta se ve favorecida [10].Como se muestra en la en la figura 2 la actividad ligninolítica (Lcc, LiP, MnP) producida por los hongos de pudrición blanca sobre el polímero de la lignina, resulta en la generación de radicales aromáticos que posteriormente sufren reacciones entre las que se incluyen: la oxidación del alcohol bencílico, escisión de la cadena lateral alifática y enlaces aril-éster (b), la apertura de anillos (c), rompimiento del enlace Cα-Cβ (d), desmetoxilación (e). La fragmentación de compuestos más pequeños; donde las reacciones ocurridas a estos radicales están determinadas por los sustituyentes encontrados en el anillo aromático [3].Por ejemplo los radicales fenoxi (b) repolimerizan en un polímero de la lignina (h) si estos no han sido reducidos por oxidasas a compuestos fenólicos (i); si ya han sido reducidos a compuestos fenólicos pueden ser nuevamente oxidados por la acción de las peroxidasas o lacasas (j). Otro producto obtenido de estos radicales son las p-quinonas (k) que contribuyen a la activación de reacciones cíclicas tipo redox donde se ven involucradas no solo las peroxidasas y lacasas si no también la Quinona reductasa (l,m). Esto resulta en la reducción del hierro férrico presente en

212

la madera (n), ya sea por el catión superóxido o por radicales semiquinona; este sufre una reoxidación mediante la reducción de H2O2 formando un radical libre hidroxilo (OH*) (o). Este último es una especie altamente oxidante en el ataque sobre la lignina (p), siendo de gran importancia en la etapa inicial de descomposición de la madera, cuando el pequeño tamaño de poros de la célula vegetal aun intacta impiden la penetración de las enzimas ligninolíticas. Además dentro de los compuestos liberados los aldheidos aromáticos liberados de la escisión del Cα-Cβ sirven como sustrato para la producción de H2O2 generado en reacciones cíclicas por la AAO y la AAD (f,g) [3].En las etapas finales los productos resultantes de la degradación de la lignina entran a las hifas de los hongos incorporándose a las rutas catabólicas intracelulares. En este proceso enzimas ligninolíticas e hidrolíticas para interrumpir la asociación lignina-hemicelulosa. Siendo la principal fuente de energía la producción de H2O2 deriva del co-metabolismo de celulosa y hemicelulosa.

Figura 2. Degradación de la lignina (Martínez et al., 2005)

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Polisacáridos de la lignocelulosa La degradación de los polisacáridos presentes en la lignocelulosa requiere de una mezcla de enzimas con diferentes especificidades trabajando en conjunto, a pesar de que las enzimas implicadas en la degradación la celulosa y hemicelulosa (comformada principalmente por xilano) son similares esta última requiere más enzimas para completar su degradación debido a su mayor heterogeneidad en comparación con la celulosa.

El xilanoEl xilano está formado por un esqueleto de moléculas de β-D-Xilosa unidas entre sí por enlaces β(1→4), normalmente la cadena de β-D-xilopiranosas presenta ramificaciones laterales de diferente naturaleza, ya que, aunque en algunas plantas se han encontrado homoxilanos formados exclusivamente por xilosa, lo más frecuente es que el xilano se encuentre en forma de heteropolisacárido (Figura 3) [11], algunos xilanos pueden presentar, arabinosa, glucosa, galactosa y glucuronato, siendo las más comunes aquellas formadas por: α- L-arabinofuranosa, ácido α-D-glucurónico, O-acetilos.Enzimas degradadoras del xilanoEste complejo enzimático está conformado por diferentes enzimas, cada una con un papel definido y determinado para la completa degradación del xilano. Las enzimas degradadoras de xilano se clasifican en dos grandes grupos:

1. Enzimas implicadas en la despolimerización del esqueleto principal de xilosas: Endoxilanasas ejemplo: β-1,4-D-xilan-xilanohidrolasas y β-xilosidadsas ejemplo: β-1,4-D-xilan-xilohidrolasas.2. Enzimas encargadas de la degradación de las cadenas laterales del xilano llamadas también desrramificantes: α-L-arabinofuranosidasas, α-D-glucuronidasas, acetil xilano estereasas, y ferùlico y ρ-cumárico estereasas.

Entre estas enzimas existen relaciones de sinergismo, de modo que, generalmente las enzimas desrramificantes permiten una mayor accesibilidad de las xilanasas al esqueleto principal de las xilosas y a su vez estas enzimas accesoras liberan los sustituyentes laterales más fácilmente a partir de fragmentos de xilano. La celulosa

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La celulosa es el componente más abundante de la biomasa vegetal y se considerada el biopolímero más abundante de la tierra [11]. Se encuentra formando parte de la denominada fase micro fibrilar de la pared vegetal (altamente cristalina) la cual, además de celulosa, puede contener micro fibrillas de mánanos o de xilanos β(1→3).Es un homo polímero lineal no ramificado formado por moléculas de β-D-glucosa unidas entre sí por enlaces glucosídicos β(1→4) (Figura 4), en el que cada residuo D-glucosa presenta una rotación de 180º respecto al residuo anterior, por lo que la unidad estructural básica de la celulosa es la xelobiosa, formada por dos residuos de D-glucosa. Las cadenas de celulosa se encuentran asociadas entre si intra e intermolecularmente mediante puentes de Hidrógeno y fuerzas de Van derWalls, dando lugar a una estructura fibrilar rígida, insoluble y cristalina denominada micro fibrilar.

Figura 3. Xilano y enximas degradadoras

Enzimas degradadoras de celulosaDe acuerdo al sitio en el que cortan la fibrilla de celulosa se dividen en tres grandes grupos: endocelulasas, exoceluasas, y β.glucosidasas.

• Endocelulasas: también denominadas endoglucanasas. Estas son 1,4-β-D-glucanglucano hidrolasas (E.C.3.2.1.4) que se agrupan en las familias de las glicosil hidrolasas [12]. Las

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endocelulasas actúan sobre las regiones de celulosa amorfa en el interior del polisacárido generando oligosacáridos de diferentes tamaños y por lo tanto nuevas cadenas terminales [13].

• Exocelulasas: también llamadas exoglucanasas, actúan progresivamente en los extremos terminales del polímero liberando ya sea moléculas de glucosa, las glucohidrolasas (1,4-β-D-glucanglucohidrolasa, EC.3.2.1.74); o xelobiosa, las celobiohidrolasas (1,4-β-D-glucancelobiohidrolasas, E.C. 3.2.1.91) [13].

• β – glucosidasas: Son enzimas β-D-glucósido glucohidrolasas (EC 3.2.1.21), pertenecientes a las familias 1 y 3 de las glicosilhidrolasas y se encargan de degradar la xelobiosa a monómeros de glucosa [13].

Figura 4. Estructura de la celulosa

Para la efectiva degradación de la celulosa las enzimas utilizan mecanismos sinérgicos. Esto se refiere a la observación de que la actividad máxima de degradación de la celulosa no se da por enzimas individuales si no por mezclas de tres o más enzimas [13].

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Proteómica en el estudio de hongos filamentososLos hongos filamentosos comprenden una clase importante de organismos que se utilizan para producir una gran variedad de productos, que van desde productos químicos como por ejemplo enzimas comerciales y ácidos orgánicos hasta aquellos empleados en la terapéutica humana como agentes antibacterianos y anti fúngicos. En la biología fúngica moderna el aumento en el número de genomas que han sido secuenciados, ha impuesto como objetivo entender la expresión, función y regulación del conjunto de proteínas codificadas por estos hongos, este el objeto de estudio de la proteómica [13].El proteoma se define como el conjunto de proteínas que forman parte de una célula o de los compartimentos subcelulares en un momento dado bajo condiciones determinadas, para su estudio este ha sido dividido en subconjuntos (proteínas intracelulares) bien definidos en una célula, en específico orgánulos, formando parte del proteoma extracelular y la maquinaria involucrada en la secreción se encuentra el secretoma. La proteómica se define como el análisis sistemático del proteoma mediante el estudio cuantitativo y cualitativo a gran escala de las proteínas; proporcionando evidencia del estado celular, cabios durante el crecimiento, desarrollo y respuesta a factores ambientales y dinámica de las proteínas en estudio. Debido a la complejidad del proteoma la proteómica se ha dividido en [14]:

• Proteómica descriptiva y estructural: identificación de las proteínas expresadas por un organismo en una condición dada.

• Proteómica comparativa: identificación de las proteínas que cambian cuando un organismo se somete a condiciones diferentes. En esta estrategia se compara la expresión del proteóma total o de sub proteómas entre diferentes muestras. La información obtenida puede permitir la identificación de nuevas proteínas implicadas en la traducción de señales, la identificación de proteínas específicas, y proteínas de interés en biotecnología.

• Proteómica funcional: identificación de conjuntos funcionales de proteínas y las interacciones entre estas.

• Proteómica de mapa celular: identificación de las proteínas que forman un orgánelo (permite la construcción de un mapa molecular de la célula).

A continuación se enlistan algunos estudios donde la proteomica ha

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sido empleada con éxito en el análisis de proteomas, subproteomas, membrana celular, proteínas mitocondriales y secretomas de distintos hongos, obteniendo resultados interesantes:Para especies de Aspergillus: el análisis del proteoma intracelular de Aspergillus nidulans revela proteínas asociadas con la respuesta a antibióticos; cambios en el proteóma de Aspergillus fumigatus bajo condiciones de hipoxia se ven reflejados en el metabolismo identificándose 117 proteínas; el estudio de sub proteomas de membrana de A. fumigatus ha permitido la identificación de proteínas asociadas a la biosíntesis de la pared celular; el analisis del secretoma de Aspergillus flavus permite la identificación de proteínas y enzimas secretadas por este hongo. En el caso de Trichoderma: el analisis del sub proteoma de membrana de Trichoderma reesei identifica proteínas asociadas a la membrana celular y su función; el estudio del Sub proteoma mitocondrial de Tridoderma harzianum ha sido enfocado en aplicaiones para control biológico. Estudios realizados al basidiomicetos P. chrysosporium y Lentinula edodes mediante proteómica diferencial para identificar proteínas inducidas por la restricción de hierro encontrándose 12 y 9 proteínas respectivamente siendo datos importantes para entender los mecanismos de biosíntesis y transporte de agentes complejantes de hierro. El estudio del subproteoma de P. chrysosporium al ser expuesto a la vainillina (intermediario clave en la degradación de la lignina), observándose la activación de diversas enzimas involucradas en la glucolisis, el ciclo de pentosas fosfato y biosíntesis del grupo hemo.

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Cultivo Masivo de Microalgas: Perspectivas

en el Estado de Hidalgo

BAUTISTA-MONROY S.S.

MEDINA-MORENO S.A.

CADENA-RAMÍREZ A.

AntecedentesLas microalgas y cianobacterias son microrganismos fotosintéticos de diversas morfologías y organización celular, que tienen un amplio uso en diversas industrias como; la alimenticia (tanto animal como humana), bioenergía, tratamiento de agua residual, cosmética, farmacéutica etc., esto debido a que su composición es rica en proteínas, lípidos, carbohidratos, y pigmentos. Algunos de estos microorganismos han sido cultivados en México desde tiempos remotos, por ejemplo la Arthrospira mejor conocida como Spirulina en el lago de Texcoco. Sin embargo el cultivo de microalgas es una actividad poco explotada en el país, en comparación con la agricultura, ganadería y pesca. Particularmente, este trabajo presenta un enfoque del potencial de cultivar masivamente microalgas en México, especialmente en algunas regiones del estado de Hidalgo como son: La huasteca, la sierra gorda, el altiplano, la cuenca de México y el valle del Mezquital. Que por sus características geografías y climatológicas son candidatas para cultivar microalgas en cultivos abiertos, como es el caso de Chlorella, Spirulina y Dunaliella.Las microalgas y cianobacterias son microrganismos fotosintéticos que se encuentran en todo el mundo y son capaces de transformar el CO2 gaseoso en carbohidratos, lípidos y proteínas [1]. Están ampliamente distribuidas en ecosistemas acuáticos, también se encuentran en la superficie de cualquier tipo de suelos. La mayoría vive de manera libre y otras en asociación simbiótica con otros organismos [2]. Las microalgas

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son un amplio y diverso grupo de simples microorganismos autótrofos que van de formas unicelulares a multicelulares [3], tienen diferentes formas de organización celular: unicelular, colonial y filamentosa. Muchas de las cianobacterias unicelulares son inmóviles pero pueden tener algún desplazamiento producido por flagelos. Las microalgas unicelulares pueden ser o no móviles según la presencia de flagelos. Las células filamentosas ramificadas o no ramificadas son inmóviles. Las cianobacterias con organización colonial son inmóviles. Algunas como las filamentosas pueden tener movilidad acompañada por rotación [2].

Crecimiento microalgas y cianobacteriasEl crecimiento de estos organismos se define como un incremento en la sustancia viva, usualmente el número de células de este tipo de microorganismos como masa total, donde influyen varias condiciones químicas y físicas. En el ciclo celular en las microalgas unicelulares el tamaño de célula generalmente es doblado y después la célula se divide en dos células hijas. El las eucariotas el ciclo consta de dos pasos: mitosis e interface. Y en las cianobacterias el crecimiento se realiza por fisión binaria [2].Condiciones de crecimientoCada especie de microalga presenta sus propias características en sus condiciones de crecimiento, aunque los factores que influyen en este son comunes. La productividad esta principalmente determinada por el pH, la salinidad, un medio rico en nutrientes como; carbón, nitrógeno, fósforo y micronutrientes [3], la luz, la densidad del cultivo, temperatura y contaminación o depredación por otros microorganismos [5].Requerimientos nutricionalesLas microalgas son microorganismos que tienen requerimientos simples de macro y micronutrientes [6], y se pueden clasificar en función de los nutrientes como: Autótrofas, heterótrofas o tixotrópicas [5]. Carbono: Las autótrofas emplean CO2 presente en la atmosfera o en gases de fuente fija, así como iones bicarbonato (generalmente en forma de Carbonato de sodio y bicarbonato de sodio) mediante la enzima hidrolasa carbónica. Los compuestos orgánicos proporcionan para las heterótrofas la energía y la fuente de carbono y las mixotróficas son capaces de crecer bajo los dos procesos. Nitrógeno: es un constituyente esencial de toda la estructura y funcionamiento de las proteínas en la célula. Pueden obtenerlo del medio en forma de urea, nitrato, nitrito, amonio, gas nitrógeno, y óxidos

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de nitrógeno [14]. Cuando las microalgas crecen en condiciones limitadas de nitrógeno, el mayor efecto se ve en la degradación específica y activa de los ficobilisomas. Fosforo: otro macronutriente que juega un papel importante en los procesos metabólicos para formar algunas estructuras y componentes que requiere el alga para su crecimiento [7]. Es tomado del medio en forma de orto fosfatos, cuya concentración depende del pH del medio, la cantidad necesario es menor que la de nitrógeno para una misma cantidad de biomasa generada [14]. Hierro: es un elemento traza esencial que juega un rol importante en la composición bioquímica celular ya que tiene propiedades redox y está implicado en procesos esenciales como la fotosíntesis, respiración, fijación de nitrógeno y síntesis de DNA [7]. Además requieren otros nutrientes en menor cantidad, tanto macronutrientes como: S, K, Fe, Mg, Ca y micronutrientes o elementos traza: B, Cu, Mn, Mo, Zn, V, Se [5]. Salinidad: muchas microalgas con capaces de acumular pequeñas moléculas como sustancias hosmorregulatorias en respuesta al incremento de salinidad y presión osmótica ambiental. Estas sustancias son: glicerol, manitol, sorbitol, sacarosa y trehalosa por mencionar algunos. El incremento en la salinidad del medio provoca un incremento en el contenido total de lípidos. [5-30]. pH: influye en la proporción de las especies del equilibrio químico y en la alcalinidad del medio, cada especie tiene un rango en el cual su crecimiento es óptimo, en la mayoría de los cultivo se encuentra entre 7 y 9 [5, 8]. Mantener un pH óptimo puede prevenir la contaminación por otras especies [9]. Oxigeno: altas concentraciones de oxígeno disuelto pueden inhibir la fijación de C por la enzima RuBisCo, muchas especies no son capaces de sobrevivir a elevadas cantidades de oxígeno más de 3 horas, el nivel de saturación varía dependiendo de cada especie, puede ser desde 120% hasta 200% [5-14].

Figura 1. Proceso de aclimatación de microalgas.

Factores ambientalesLas condiciones ambientales tienen como resultado Cambios que requieren procesos de aclimatación, como cambios en el metabolismo

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por la descompensación de requerimientos bioquímicos y ajustes metabólicos [7]. TemperaturaEl efecto que hace la temperatura sobre las reacciones bioquímicas es el factor ambiental más importante que afecta la composición bioquímica del alga, afectando la composición lipídica de la membrana [30], influye en los coeficientes de velocidad de las reacciones biosintéticas, aunque gran variedad de microalgas son capaces de desarrollarse en un rango óptimo de temperatura, este depende de la naturaleza del microorganismo [5]. Este es el parámetro más difícil de controlar, existen fluctuaciones de temperatura de dos maneras, a lo largo del día y otra producida por las estaciones del año, todo ello puede disminuir significativamente la producción de biomasa [9].LuzPara producir biomasa para alimentos y sustancias químicas importantes, las microalgas utilizan energía solar durante la fotosíntesis [2], la cual representa un proceso único de conversión de luz solar a energía. Donde los fotoautótrofos convierten compuestos inorgánicos y energía luminosa en sustancias orgánicas. Todos los organismos fotosintéticos tienen pigmentos orgánicos para capturar la energía luminosa. Hay tres clase principales de pigmentos: Clorofilas (verdes), carotenoides (Amarillos o naranjas) y ficobilinas (azules) [10]. El contenido de pigmento en microalgas es una característica específica de cada especie. Pero la mayoría de estos microorganismos son ricos en clorofila a [2]. Los efectos de la luz en la composición bioquímica son controlados en la foto aclimatación o foto adaptación. Las células se someten a cabios dinámicos en la composición junto con alteraciones ultra estructurales, propiedades biofísicas y fisiologías para incrementar la fotosíntesis y crecimiento. Es común que cuando la intensidad de luz disminuye hay un incremento en la clorofila a y otros pigmentos como clorofila b y c, carotenoides primarios y ficobiliproteínas. Por otro lado como respuesta a una alta intensidad luminosa los pigmentos se encargan de disminuir la fotosíntesis. Cuando esto sucede se incrementa la producción de polisacáridos en las células [7].La máxima producción en el cultivo de microorganismos fotoautótrofos se obtiene cuando la luz representa la única limitación de productividad. Cuando los requerimientos nutricionales son satisfactorios y la temperatura no se encuentra lejos de la óptima [8]. La utilización eficiente

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de la luz por las células está asociada a muchas constantes. Cuando la densidad del cultivo aumenta la penetración de la luz disminuye. Existen dos zonas de luz que afectan el cultivo: el volumen fótico de iluminación donde tiene lugar la fotosíntesis, y el volumen obscuro donde la intensidad de luz es menor y la fotosíntesis no se puede llevar a cabo [8]. La luz debe ser suministrada continuamente al cultivo, ya que la energía luminosa no se puede acumular. El problema en el control de la luz es que no se puede definir mediante un único parámetro, entran en juego intensidades, frecuencias de los ciclos luz obscuridad, duración de ciclos, configuración del reactor, así como la hidrodinámica. El crecimiento de estos microrganismos es proporcional a la intensidad de luz que reciben, siempre que esta se sitúe por debajo del valor máximo. Cuando se rebasa esta valor el crecimiento se limita por el exceso de luz, ya que se dañan los sistemas fotosintéticos receptores; las microalgas se adaptan a los cambios de luz variando el contenido de clorofila de sus células [5]. La relación fundamental entre la intensidad de luz y la fotosíntesis para células individuales generalmente es representada por la relación PI (P para la velocidad fotosintética e I para la intensidad de luz) dependiendo de tres regímenes de luz, representadas en la siguiente figura [12].

Fig. 2: Curva de intensidad de luz contra velocidad fotosintética.A bajas intensidades de luz, la velocidad fotosintética es usualmente proporcional a la intensidad de luz porque la fotosíntesis es limitada por la velocidad de captura de fotones. Cuando la intensidad de luz alcanza un umbral de saturación (Ik) el alga se satura de luz porque su velocidad

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fotosintética ahora es limitada por la velocidad de las reacciones seguidas de la captura de fotones. Bajo estas condiciones, la velocidad de fotosíntesis es la máxima e independiente de la intensidad de luz. Si la intensidad de la luz comienza a incrementar de manera que alcanza un umbral inhibitorio, la velocidad fotosintética comienza a decrecer con la intensidad de la luz debido a la desactivación de proteínas clave en las unidades fotosintéticas. Los cultivo abiertos están expuestos a cambios en las condiciones ambientales, esos cambios toman lugar en dos escalas de tiempo, uno es el ciclo circadiano que incluye la variación de la luz y temperatura en 24 horas, el otro es el ciclo estacional que varía de acuerdo al clima y localización geográfica de un hábitat en particular donde el alga crece. Las microalgas han desarrollado diversos mecanismos de detección y aclimatación para estos cambios ambientales [7].AgitaciónAlguna forma de agitación es necesaria para asegurar un intercambio de nutrientes y gases entre las células y la fase acuosa, puede ser con una hélice o con un agitador [4]. Facilita la eficiencia en el transporte, impide la sedimentación de las algas y la adherencia a las paredes del reactor, homogeniza el pH y distribuye la luz, con esto las células pasan de una zona oscura a una iluminada en cuestión de milisegundos, el flujo turbulento es de gran importancia en cultivos muy densos, sin embargo no todas las especies toleran una agitación fuerte ya que son sensibles al estrés dinámico [5-22].Un factor importante en su crecimiento es la cantidad de luz y el régimen de esta por célula, los cultivos muy densos están expuestos a limitación de luz y para obtener un mejor régimen de iluminación es necesario un mezclado turbulento en el medio de cultivo, si es insuficiente para la fotosíntesis mostrará un crecimiento lento. Si la luz es muy elevada puede tomar lugar en el cultivo la fotoinhibición y fotooxidación [9]. Los regímenes de luz son afectados por el mezclado del cultivo, este representa un significado muy práctico para distribuir la radiación a todas las células del cultivo, tan bueno para acelerar el crecimiento y reducir las barreras de difusión alrededor de las células. También afecta la frecuencia de los ciclos de luz obscuridad que son obligatorios para la utilización eficiente de luz en la productividad fotosintética [8].

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AplicacionesEn la actualidad el mundo presenta diversos cambios importantes como: calentamiento global, desnutrición e incremento en la demanda energética. La tecnología desarrollada alrededor de las microalgas es un campo que muestra una posible solución a estos problemas [1]. La demanda global de utilización de biomasa como alimento, suplemento alimenticio, biocombustibles y productos químicos ha tenido un incremento extenso, para un futuro sostenible es necesario minimizar el impacto ambiental de nuestras actividades [6], las microalgas son una fuente natural de compuestos de valor agregado para varias industrias [9], lo diversos fines son: salud humana, cosmetología, purificación de agua residual, prevención de contaminación acuática, industria farmacéutica, acuicultura, producción de pigmentos y antibióticos entre otros [13]. Los componentes de algas se utilizan con frecuencia en cosmética como agentes espesantes, agentes fijadores de agua, y antioxidantes. Algunas especies de microalgas se establecen en el mercado de cuidado de la piel, siendo las principales Arthrospira y Chlorella. También se utilizan en bloqueadores solares y productos para el cabello. Los pigmentos son usados de manera comercial como colorantes naturales para alimentos, como el caso de los carotenos, el beta caroteno se usa para dar el color amarillo en la margarina, como un aditivo para mejorar el color en la carne de pescado y en la yema de huevo. Las microalgas son implementadas en la agricultura como biofertilizantes y acondicionadores de suelos, las cianobacterias son capaces de fijar en nitrógeno atmosférico y son usadas de manera efectiva como biofertilizantes. También son utilizadas para el cultivo de peses en la etapa de larva y juvenil [11]. En la actualidad las microalgas oleaginosas y dinofíceas son consideradas como fuente de biocombustibles y contribuyen en el ambiente ecológico mediante la fijación de CO2, con ellas se pueden producir varios biocombustibles como bioetanol, biodiesel y biometano debido a su elevado contenido lipídico y triglicéridos [13]. En México se han registrado que algunas son excelentes como complemento alimenticio para el hombre por ejemplo: Spirulina y Scenedesmus, debido a una alto valor proteico. Además como alimento para larvas de organismos acuáticos como Chaetoceros y Thalassiosira [13].

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Sistemas de cultivoEl cultivo de microalgas realizarse en dos tipos principales de reactores [14-15], en sistemas de cultivo abiertos y sistemas cerrados conocidos como fotobiorreactores, los cuales pueden están iluminados de manera natural, artificial o ambas [16]. Biorreactores cerrados (Fotobiorreactores)Generalmente se utilizan a escala laboratorio, estos pueden ser de panel plano, reactores tubulares horizontales o verticales y tanques agitados, todos ellos provistos de iluminación artificial [16-17]. Los sistemas de cultivo cerrados permiten un importante control de los parámetros, disminuyendo sustancialmente los problemas presentes en los sistemas abiertos [14], ya que no tienen contacto directo con el medio ambiente [18]. Además, permiten realizar cultivos hiperconcentrados, ya sean mixtos o mono-algales [14].Biorreactores abiertosLos sistemas abiertos se pueden categorizar en naturales; lagos, lagunas y estanques. Así como en sistemas artificiales [16-17]. Como: estanques grandes de poca profundidad, estanques pequeños, estanques circulares y de rodadura, donde los más utilizados son los tanques circulares y los de rodadura, conocidos como Raceway [20], estos sistemas generalmente se iluminan con luz solar debido a su gran relación de área volumen [16-17].Estanques grandes poco profundosConstan de una gran superficie al aire libre, no tienen sistema de mezclado, la superficie de estos estanques va de 1 a más de 200 hectáreas, con una profundidad media de 20 a 30 cm [20].Estanques pequeñosUtilizados principalmente para el cultivo de algas marinas a pequeña escala. La superficie de los estanques son por lo general menos de 10 m2, con profundidades de 50 cm o más. Son poco eficientes pero estos sistemas son fáciles de operar, de bajo costo y generalmente son mezclados por aireación [20].

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Figura 3. Sistemas abiertos artificiales para el cultivo masivo de microalgas.

Estanques circularesLos sistemas de cultivo de algas más antiguos de gran escala son los tanques circulares y se basan en sistemas similares utilizados en el tratamiento de aguas residuales. Tienen una profundidad aproximada de 30 cm. Debido a que tienen un brazo central giratorio para mezclar el cultivo, su diseño está limitado a un tamaño de 10,000 m2 aproximadamente [20- 21].Biorreactor RacewayHoy en día las instalaciones para producir biomasa que se utilizan son los tanques de alta tasa de algas conocidos como Raceway por su forma de recircular el medio de cultivo. Ya que son de fácil construcción así como bajos costos en comparación al sistema cerrado [1]. Estos sistemas se utilizan para cultivar, microalgas y cianobacterias que crecen solo en medios selectivos, algunas especies de mayor cultivo son las siguientes; Chlorella vulgaris, Arthrospira platensis y maxima, Dunaliella salina, Haematococcus pluvialis, Euglena y Nannochloropsis [1]. Un bajo costo, mantenimiento, fácil operación y un elevado volumen de cultivo es lo que

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ofrece un sistema Raceway en la producción de microalgas. Es por ello que este tipo de sistema es el más utilizado desde hace mucho tiempo en el campo de obtención de biomasa. Aunque tiene severas desventajas para algunas especies de microalgas debido a que está expuesto directamente a los cambios ambientales y a la contaminación ocasionada por la lluvia, manteniendo los paramentos de crecimiento como temperatura, pH e intensidad de luz, es posible un buen cultivo [3]. El tanque Raceway está hecho como un canal cerrado de paredes verticales, una barrera central y un fondo plano que permite la recirculación y tiene típicamente 25 a 30 cm de profundidad [22]. Estos tanques rectangulares provistos con una rueda de paletas para permitir la movilidad del medio líquido [20, 21] son ampliamente utilizados en el cultivo masivo de microalgas [1]. La superficie de estos estanques va desde de 1 hectárea o más [20]. La paleta giratoria comúnmente usada es una conformación simple de 8 paletas planas [22].

Figura 4. Conformación general de un Raceway a) nivel laboratorio

y b) nivel industrial.

Especies que más se cultivanLas microalgas un rica fuente de carbohidratos, proteínas y fibra, también varias vitaminas como A, C, B1, B2, B6, niacina, iodina, minerales como; potasio, hierro, magnesio y calcio. Hoy en día se consumen por su elevado valor nutricional, algunas de las especies más relevantes son; Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis, Dunaliella salina y Spirulina maxima que es una cianobacteria son comercializadas y usadas como suplemento alimenticio para humanos y animales [11-24]. Son pocas las especies que

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se explotan comercialmente, se limitan al grupo de especies cultivadas en sistema abierto, especies con alta tasa de crecimiento y adaptadas a condiciones limitantes de crecimiento de otros organismos [25], las más destacadas son: Chlorella: Son capaces de mantener elevadas tasas de crecimiento en sistemas abiertos, constituyendo un contaminante habitual en cultivos intensivos de otras especies. Sus aplicaciones fundamentales son desde la nutrición animal hasta el tratamiento de aguas residuales, la elaboración de alimentos funcionales o en dietética humana [25], de ella se obtiene β-1,3-glucano, el cual es un inmunoestimulador tiene funciones como reducir lípidos en la sangre [8]. Spirulina: En la actualidad constituye una de las especies de microalgas más cultivadas. Es una cianobacteria filamentosa capaz de mantener altas tasas de crecimiento en medios alcalinos que limitan el crecimiento de especies contaminantes [7]. El interés del cultivo de esta especie radica en sus elevados contenidos en proteínas, que pueden llegar a representar hasta un 60% del peso seco [1], ha expandido su aplicación original como suplemento alimenticio en humanos y la producción de alimento para animales, a productos químicos con aplicación en industrias como; cosmética, farmacéutica y nutricional [8].

Fig. 5. Microalgas con mayor producción; a) Chlorella, b) Spirulina y c) Dunaliella.

Dunaliella. Capaz de crecer en medios hipersalinos, es uno de los microorganismos de mayor osmotolerancia conocidos. Presenta elevados contenidos en β- caroteno, uno de los pigmentos más demandados en la industria de la alimentación y con importantes aplicaciones en la industria farmacéutica [8]. Los medios hipersalinos en los que se cultiva Dunaliella

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salina permiten su explotación en sistemas abiertos, tanto intensivos como semiextensivos, sin riesgo de contaminación con otras especies [25].

Microalgas en MéxicoLa altiplanicie central de México ha sido escenario de incontables formas de acción y vida humana, las algas, especialmente las microalgas, han sido usadas como alimentos desde tiempos prehistóricos [26]. La Cultura Maya de la Península de Yucatán vivía en un balance precario en medio de la selva, cuyas condiciones no eran adecuadas para la agricultura por lo que se vieron obligados a desarrollar granjas de cultivo de microalgas. Que posteriormente usaban en algunos alimentos como panes o sopas, como parte de su dieta diaria. Los aztecas, de quienes se tienen la mayoría de los registros acerca de los usos y costumbres de la Spirulina, la conocían como tecuitlatl. Esta microalga fue uno de los alimentos más importantes que hizo posible el crecimiento de la población en el periodo azteca. El tecuitlatl, hoy conocido como Spirulina (A. maxima) era un alimento agradable al paladar de los nativos del centro de México, que gustaba a la mayoría de los españoles que lo consumieron [27]. Era cosechada de las aguas del Lago de Texcoco, cuyas aguas salobres no son aptas para el consumo humano. Es precisamente esta agua de salmuera la que daba vida al tecuitlatl, a la que secaban y vendían en el mercado de Tenochtitlán [26], con la cual elaboraban alimentos como queso y pan [27]. Actualmente en México, esta microalgas se sigue consumiendo de forma más discreta. La mayor aplicación que se le ha dado a la biomasa de microalgas es en la producción y comercialización de tilapias la cual se ha incrementado debido a la adecuada técnica de alimentación para obtener las larvas a base de alimento vivo que consiste en la producción de microalgas ya que estas son ricas en carbohidratos y lípidos, los cuales son aprovechados por los organismos en cultivo. La utilización adecuada de microalgas incrementa la supervivencia, desarrollo y crecimiento de peces, ranas y moluscos [3].

Microalgas en HidalgoCaracterísticas geográficas de HidalgoEl estado de Hidalgo se ubica en la región centro-oriental de la república y representa el 1.1 % de la superficie de México. De acuerdo a los datos reportados por el instituto nacional de estadística y geografía (INEGI) [28]

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Hidalgo tiene 2, 665,018 mil habitantes de los cuales un millón 100 mil viven en comunidades rurales. Sus actividades principales: la ganadería, agricultura y acuicultura teniendo un volumen de la producción de pesca de 8 mil toneladas, ocupando el 2° lugar nacional en la producción pesquera de estados sin litoral. Las principales especies son: Carpa con el 55.6% de participación en la producción, Mojarra 39.1% y Trucha 3.7% que representan el 98.4% de la producción estatal (SEDAGRO).El relieve del estado se divide en tres principales regiones:

• La huasteca: es una parte plana baja, al norte.• La sierra: Zona montañosa, al centro.• El altiplano: Más grande que las otras dos, es casi plana, al sur del estado.

A su vez, la Sierra y el Altiplano se dividen en partes más pequeñas, que junto con la Huasteca forman las 10 regiones naturales en que se divide el Estado de Hidalgo [28]: La Huasteca, La Sierra Alta, La Sierra Baja, La Sierra Gorda, La Sierra de Tenango, Valle de Tulancingo, Comarca Minera, Altiplano, Cuenca de México, Valle del Mezquital. El 39% del estado presenta clima seco y semiseco, el 33% templado subhúmedo el 16% cálido húmedo, 6 % cálido subhúmedo y el restante 6% templado húmedo, estos últimos se presentan en la zona de la huasteca. Con una temperatura anual media de 16°C, la mínima se reporta en enero de 4°C y la máxima se presenta en abril que en promedio es de 27°C, la temporada de lluvia es en verano con una precipitación media anual de 800 mm [28]. La temperatura más alta se registra en la Huasteca, alcanzando 40 °C durante abril y mayo según los reportes del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y pecuarias (INIFAP) en 2012 y de acuerdo con el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) el estado recibe una radiación solar media de 5.4 KWh/m² por día.Microalgas que se pueden cultivar el hidalgoDe acuerdo a las características de crecimientos de las tres especies más importantes en México (Chlorella, Spirulina y Dunaliella) y empatadas con las características geográficas mencionadas anteriormente de la huasteca hidalguense, esa zona es ideal para cultivar microalgas capaces de crecer a temperaturas elevadas. Donde se puede destinar la biomasa obtenida como alimento para peces, biofertilizantes ya que gran parte del estado se dedica a la agricultura, utilizarse como suplemento alimenticio en zonas con rezago económico.

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Cultivo de microalgas por regionesHay varias regiones que muestran zonas planas donde podría implementarse también el cultivo masivo de estos microorganismos en biorreactores del tipo Raceway para aprovechar las condiciones geográficas, por ejemplo: La sierra gorda: donde la ciudad más importante es Zimapan, es una región de siembra por temporal, sin embargo la tierra es poco fértil debido al exceso de esa actividad, provocando la erosión del suelo. Cultivar microalgas sería una opción para contrarrestar estos efectos, además el clima seco y caluroso es propicio para tener cultivos abiertos donde ya no es posible sembrar lo que normalmente se cultiva. Altiplano: también conocido como llanos de Apan, es un terreno alto y relativamente plano que presenta un clima templado seco, cuenta con una zona industrial en Cd. Sahagún. Muestra un buen panorama para implementar cultivos al aire libre de microalgas aprovechando que hay escasa lluvia durante el año y la vegetación es limitada.Cuenca de MéxicoAbarca desde Tizayuca donde hay diversas fabricas lo cual ha ocasionado contaminación de suelo, aire y agua, hasta Pachuca, presenta un clima templado seco con pocas lluvias presentes en el año, por lo que la agricultura es poco productiva, sin embargo, esta región es apta para el cultivo de microalgas, con las que se podría tratar en agua contaminada que emiten las numerosas fábricas, también minimizar la cantidad de CO2 atmosférico que emiten las mismas, ya que las microalgas y cianobacterias mencionadas con anterioridad son fijadoras de dicho gas. Valle del Mezquital: conformado por valles como Actopan, Ixmiquilpan y Tasquillo, donde se acostumbra sembrar, presenta un clima seco. Cuenta con varias industrias en las cuales destaca la refinería, la planta termoeléctrica, fábricas de telas y cementeras, que sin lugar a duda son una fuente de trabajo del mismo modo que son fuente de contaminación de aire, agua y suelo dado a ello, el valle del mezquital es la zona más contaminada del estado. Así que estas características se puede aprovechar para implementar cultivos de microalgas, construir estanques Raceway cerca de la refinería para que estos microorganismos fotosintéticos sean capaces de captar la mayor cantidad de emisiones de CO2, para limpiar un poco el aire, donde el medio de cultivo podría ser el agua de las fábricas textiles y/o las aguas negras provenientes de los ríos que normalmente se usan para irrigar las siembras, causando la erosión del suelo, y aprovechar la biomasa generada para usarla como complemento

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alimenticio en la dieta de peces, ya que en esta región también se localiza el centro piscícola de Tezontepec, el cual es un criadero de carpas.

Conclusiones y PerspectivasEl estado de Hidalgo cuenta con 5 regiones que son buenas candidatas para implementar sistemas de cultivo abierto de microalgas, por las características geográficas que presentan, ya que estos tipos de microalgas pueden adaptarse para creceré en las condiciones ambientales en las que es difícil para otros microorganismos. Esto puede ayudar a reducir un poco la contaminación del aire en zonas con desarrollo industrial mediante la fijación de CO2 atmosférico y darle un uso distinto a la biomasa, desde abono para las zonas de siembra que están deterioradas hasta usarla para consumo humano.

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236

Hemicelulosas de Cereales como

Fuente de Obtención de Prebióticos

(Xilooligosacáridos)

CASTAÑEDA-CISNEROS Y.E.

ROMÁN-GUTIÉRREZ A.D.

ÁLVAREZ-CERVANTES J.

VILLA-GARCÍA M.

TÉLLEZ-JURADO A.

IntroducciónLos cereales son un grupo de plantas llamadas Gramíneas (Poaceae) y constituyen la fuente de nutrientes más importante de la humanidad debido a su alto valor energético en forma de carbohidratos y a su bajo costo en comparación con otros alimentos [1], a diferencia de otras gramíneas, todos los cereales son clasificados como de hábito anual porque completan su ciclo de crecimiento antes del año [2].Los granos de cereales presentan características estructurales similares, a pesar de tener una composición química diferente, algunos cereales retienen las glumas (envolturas florales) después de la cosecha, razón por la cual comúnmente se denominan granos cubiertos o revestidos entre ellos cebada, avena y arroz, el resto de los cereales trigo, maíz, centeno, triticale y sorgo se les llama desnudos porque generalmente pierden a las glumas durante operaciones de recolección o cosecha [3].Según datos de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, el consumo de los cereales que se ha reportado es de 160 kilogramos por persona al año, esto para un país desarrollado, un país con deficiencias de alimentación estará por debajo de 90 kilogramos. En

237

México el consumo de cereales es aceptable, ya que aproximadamente es de 132 kilogramos al año por persona [4].

Situación de la producción de cerealesDe acuerdo a información de la SAGARPA en México la producción de cereales en el 2014 superó los 48.8 millones de toneladas, destacando trigo, maíz, arroz, cebada, avena y en menor proporción sorgo y centeno. La avena es el cereal de menor valor energético, como consecuencia de su alto contenido en fibra y lignina y su bajo nivel de almidón. El grano de avena tiene normalmente cuatro destinos básicos: semilla para nueva siembra, industria alimentaria como avena para consumo interno y para exportación; exportación como grano y avena pelada; consumo directo para animales, especialmente equinos y vacunos [5]. De acuerdo a datos de SIAP [6] se registró una producción de avena grano en el país de 93,021 toneladas y de avena forrajera de 10’838,129 toneladas que se destina principalmente a la alimentación de ganado, planta forrajera, pastoreo, ensilado o heno. Los principales estados con mayor producción son Chihuahua, México e Hidalgo como se muestra en la Tabla 1. Particularmente, el estado de Hidalgo contribuye con 11, 271 toneladas de avena grano ocupando el tercer lugar como productor nacional, siendo los municipios de Pachuca y Tulancingo los mayores representantes. La cebada en México está destinada principalmente a la industria cervecera en un 70 % y el 30 % restante corresponde a variedades que se utilizan fundamentalmente para la alimentación de ganado, productos químicos y productos agregables a alimentos balanceados para aves de corral. El SIAP reportó una producción para el año 2014 de 845,707 toneladas de cebada grano, respecto a la cebada forrajera la producción fue de 375,271 toneladas. El principal productor a nivel nacional es Guanajuato como se muestra en la Tabla 1. El estado de Hidalgo registró una producción promedio de 215,084 toneladas, ubicándose en el segundo lugar a nivel nacional. Los principales representantes para cebada grano son los municipios de Apan, Singuilucan y Emiliano Zapata. El maíz es el único cereal que se cultiva en todos los estados del país y el cultivo más importante de México, se utiliza principalmente para la industria alimentaria, insumo en la fabricación de barnices, pinturas, cauchos artificiales, jabones, alimentación para ganado y producción de almidones. En el año 2014 se registró una producción total de maíz grano

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de 23’273,257 toneladas, siendo los principales productores los estados de Sinaloa, Jalisco y Michoacán. Respecto al maíz forrajero la producción nacional fue de 13’777,271 toneladas. El estado de Hidalgo aporta 650,898 toneladas a la producción nacional, los principales productores son Mixquiahuala de Juárez, Tezontepec de Aldama y Tula de Allende. El trigo es uno de los cereales más importantes en la alimentación humana, de acuerdo a su volumen de producción, alrededor del 75 % se consume de forma directa a través de productos finales de la industria de la panificación; el 15 % de forma indirecta a través de productos para animales y combustibles y el resto se emplea como semilla. La importancia de este cereal radica en que representa el principal insumo de una de las agroindustrias más importantes de la economía nacional, la industria molinera [4]. Según cifras de la SAGARPA [6] la producción total mexicana de trigo fue de 3’669,814 toneladas concentrándose en los estados de Sonora, Baja California y Guanajuato (Tabla 1). En el Estado de Hidalgo, la producción total fue de 3,538 toneladas, siendo los municipios de Tepeji del Río de Ocampo, Progreso de Obregón y Francisco I. Madero los principales representantes.

Tabla 1. Principales estados productores de cereales en México para el año 2014 [6].

Cereal Producción (Toneladas) Producción total

Avena Chihuahua47,717

México17,974

Hidalgo11,271 93,021

Cebada Guanajuato340,826

Hidalgo215,084

Tlaxcala96,074 845,707

Maíz Sinaloa3’686,274

Jalisco3’472,285

Michoacán1’935,287 23’273,257

Trigo Sonora1’826,667

Baja California520,300

Guanajuato285,549 3’669,814

Como se mostró anteriormente el estado de Hidalgo ocupa el tercer lugar como productor de avena, el segundo lugar como productor de cebada y tiene una producción significativa de maíz y trigo a nivel nacional, asociado a la producción se genera de manera paralela una gran cantidad de residuos lignocelulósicos por cada cultivo [7].

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Biomasa lignocelulósicaLa biomasa lignocelulósica es uno de los materiales más abundantes en el mundo y su potencial de producción es de aproximadamente 200,000 millones de toneladas métricas anuales. Existe gran atención en la utilización de esta biomasa, prevista como recurso útil convertible en recursos energéticos como alcohol y metano, productos químicos tales como ácidos orgánicos y furfural, alimentos para animales [8]. Dentro de los residuos lignocelulósicos, las pajas son la parte de la planta del cereal que queda en el suelo después que el grano ha sido eliminado y comprende aproximadamente la mitad del peso seco total de la cosecha. En general, por cada tonelada de la producción de cereales se producen alrededor de 1.5 toneladas de paja como subproducto [9]. Las pajas son la basura orgánica más común, su tradicional incineración no sólo provoca contaminación del aire, sino también un derroche de recursos agrícolas, entre los usos directos que tiene son fertilizantes de cultivos, forraje animal o quemados in situ. Su bajo consumo de energía, baja digestibilidad y contenido de proteína impiden su uso en corrales de engorde. El uso de las pajas como alimento para animales no es redituable debido a su bajo contenido en hidratos de carbono solubles [9]. Estos materiales tienen la característica de no requerir uso adicional de tierra, no competir con la utilización de los mismos para alimentación humana y están disponibles en cantidades abundantes [7]. El uso de las pajas para aplicaciones industriales podría ser una fuente adicional de ingresos para los agricultores [10].Composición de las pajasLas pajas se componen principalmente por tres grupos de compuestos orgánicos; celulosa, hemicelulosa y lignina representando el 80 % en materia seca, además contiene pequeñas cantidades de proteína, ceras, azúcares, sales y cenizas insolubles entre ellas sílice que es contundente reduciendo la digestibilidad [9]. En la Tabla 2 se muestra la composición química de algunos residuos agrícolas (% en materia seca).

Tabla 2.- Composición química (%) de residuos agrícolas [9]Especies Solubles Celulosa Hemicelulosa Lignina Cera Ceniza

Paja de trigo 4.7 38.6 32.6 14.1 1.7 5.9Paja de arroz 6.1 36.5 27.7 12.3 3.8 13.3Paja de centeno 4.1 37.9 32.8 17.6 2 3

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Paja de cebada 6.8 34.8 27.9 14.6 1.9 5.7

Paja de avena 4.6 38.5 31.7 16.8 2.2 6.1

Paja destruida - 37.6 31.4 21.3 3.8 6

Tallos de maíz 5.6 38.5 28 15 3.6 4.2

Mazorcas de maíz 4.2 43.2 31.8 14.6 3.9 2.2

Bagazo 4 39.2 28.7 19.4 1.6 5.1Hierba de Centeno 8.5 37.6 32.2 8.2 4.4 4.5

CelulosaLa celulosa es el polímero más abundante en todo el mundo, utilizado como materia prima para recursos energéticos, papel, productos químicos e industriales [11]. Es un homopolímero lineal compuesto por unidades de D-glucosa unidas firmemente a través de enlaces glucosídicos β (1-4) entre sí (Fig. 1). Las fibras están unidas por una serie de enlaces de hidrógeno y fuerzas de Van Der Waals, lo que resulta en microfibrillas con alta resistencia, estas presentan diferentes orientaciones a lo largo de la estructura dando a lugar a diferentes niveles de cristalinidad [12]. Las microfibrillas de celulosa también están asociadas entre sí por la hemicelulosa y/o pectina, y cubiertos por lignina, dicha estructura especializada y complicada la hace resistente a los ataques químicos y biológicos. La proporción de la región cristalina se encuentra en un 50-90 % [13]. En cualquier método de aislamiento la celulosa no puede ser obtenida en estado puro, sólo se puede obtener una preparación en estado crudo llamada α-celulosa que es insoluble en una solución fuerte de NaOH 17.5 %, la parte que es soluble en medio alcalino pero precipitable se llama β-celulosa y la γ-celulosa es la parte que permanece soluble incluso en solución neutralizada [9]. La celulosa es el principal constituyente de la pared celular en vegetales lignocelulósicos con un contenido alrededor de 23-53 %, este valor varía dependiendo de la especie de la planta, ambiente de crecimiento, posición y madurez [14].

241

Fig. 1.- Estructura química de la cadena de celulosa [9].

HemicelulosaLas hemicelulosas son el segundo biopolímero más abundante en las plantas y el componente más complejo de la pared vegetal [15], representan un tipo de heteropolisacáridos no cristalinos con estructura diversas, entre ellas pentosas (D-xilosa y L-arabinosa), hexosas (D-glucosa, D-galactosa, D-manosa y/o L-ramnosa) y ácidos (ácido glucurónico, ácido glucorónico de metilo y ácido galacturónico) unidos entre sí mediante enlaces β (1-4) [16]. Están constituidas por cadenas cortas y ramificadas que ayudan a construir una red de microfibrillas con la celulosa e interactúan con la lignina, haciendo que la matriz celulosa- hemicelulosa- lignina sea extremadamente rígida, sus propiedades amorfas y ramificadas hacen a la hemicelulosa altamente susceptible a la hidrólisis biológica, térmica, química.El xilano es el componente mayoritario de las hemicelulosas, se compone por una columna vertebral de D-xilosas unidas por enlaces β (1→4), sustituida con L- arabinosa, D-galactosa, D- xilosa, ácido glucurónico y otros grupos acetilo, cumaril y ferulolil en la posición 2- o 3- (Fig. 2) [17]. Debido a la naturaleza heteropolisacárido, el xilano puede ser utilizado como sustrato para la generación de importantes productos como xilosa, xilitol, películas biodegradables, antioxidantes y xilooligosacáridos [18].

242

Fig. 2.- Estructura del xilano [15].LigninaLa lignina es un grande y complejo heteropolímero amorfo, aromático e hidrófobo, constituido por unidades de fenilpropano tales como alcoholes coniferilo, sinapílico y p-cumaril (Fig. 3) que se unen entre sí con enlaces éter (C-O-C) y el resto enlaces C-C [19].

Fig. 3.- Estructura de los tres monómeros primarios de la lignina [9]

La propiedad física más importante de este biopolímero es su rigidez, además de ser el componente más recalcitrante de la pared celular de la planta, y cuanto mayor sea el contenido de lignina, mayor es la resistencia de la biomasa a la degradación química y biológica [20]. La lignina es un importante obstáculo para la utilización de la biomasa lignocelulósica en los procesos de bioconversión, en general, la madera blanda contiene

243

más lignina que la madera dura y que la mayoría de residuos agrícolas. El uso más extendido de la lignina es su aprovechamiento energético, siendo usos alternativos los dispersantes, carbón activado, adhesivos, tableros, surfactantes, usos veterinarios y médicos. La lignina residual después de la hidrólisis ácida puede utilizarse como materia prima para la producción de fenol, benceno, tolueno y xileno [21]. Pretratamiento de la biomasa lignocelulósicaPara realizar un correcto aprovechamiento de los residuos lignocelulósicos se ha realizado la inserción de una etapa de pretratamiento antes de la hidrólisis enzimática [22]. El objetivo de los pretratamientos es desintegrar la matriz de carbohidratos (holocelulosa más lignina) de tal manera que se rompa el sello de la lignina (Fig. 4) con el fin de hacer más accesible la celulosa y hemicelulosa a una posterior hidrólisis [19]. El pretratamiento mejora la tasa de producción, así como el rendimiento total de los azúcares liberados en la etapa de hidrólisis, entre las ventajas se encuentran aumentar la porosidad del sustrato, reducción de la cristalinidad de la celulosa, aumentar la celulosa amorfa y eliminación de la lignina a unidades más elementales. Una elección de un pretratamiento apropiado se basa en factores tecnológicos como menor uso de productos químicos, mayor carga de sólidos, cantidades mínimas de energía, así como factores ambientales tales como tratamiento de aguas residuales, recuperación del catalizador y reciclado del disolvente [23]. Las paredes celulares ricas en xilano (paja de trigo contiene hasta 25 % de xilano) contienen cantidades significativas de lignina y son generalmente resistentes a la hidrólisis enzimática, por lo que requieren de pretratamientos físicos o químicos para aumentar la accesibilidad de las enzimas a los polisacáridos y así mejorar los rendimientos de azúcares. En la etapa de fraccionamiento de la biomasa lignocelulósica, las hemicelulosas se descomponen a productos solubles valiosos (tales como oligosacáridos, azúcares o aldehídos), mientras que los sólidos gastados (enriquecidos en celulosa, lignina y restos de hemicelulosa) pueden ser separados por otra etapa de procesamiento, lo que permite una variedad de posibles aplicaciones según los azúcares que contenga [25].

244

Fig. 4.- Esquema de pretratamiento del material lignocelulósico [19].

Hidrólisis enzimáticaLa combinación de pretratamiento e hidrólisis enzimática ha mostrado tener gran potencial para la producción de oligosacáridos con un grado de polimerización (DP) determinado [7], sin la formación de monosacáridos o furfural a partir de residuos de origen agrícola. Gowdhaman y Ponnusami, (2015) realizaron un estudio a partir de la mazorca de maíz utilizando un pretratamiento alcalino para la extracción del xilano, seguido de una hidrólisis enzimática con Bacillus aerophilus KGJ2 para la producción de xilooligosacáridos los cuales mostraron tener potencial antioxidante. La hidrólisis enzimática se lleva a cabo en condiciones suaves, con respecto a pH y temperatura [22]. Algunas reacciones secundarias ocurridas durante la hidrólisis de residuos lignocelulósicos generan monómeros que algunos de ellos se pueden descomponer y formar compuestos como 5-hidroximetil furfural (HMF) a partir de las hexosas, y furfural desde las pentosas. HMF y furfural pueden descomponerse en ácido levulínico y ácido fórmico, además de ácido acético liberado a partir de los grupos acetilo contenidos en la hemicelulosa y compuestos fenólicos desde la lignina [25].

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Varias composiciones enzimáticas secretadas por hongos filamentosos y diversos microorganismos tienen efectos muy diferentes en la despolimerización de la lignocelulosa [26].La mayoría de investigaciones ha centrado su atención en hongos para la producción de enzimas extracelulares comerciales, ya que la mayoría de las bacterias son anaerobias con una muy baja tasa de crecimiento [23], entre los hongos utilizados se encuentran Sclerotium rolfsii, Phanerochaete chrysosporium y especies de Trichoderma, Aspergillus, Schizophyllum y Penicillium. Las cepas de Trichoderma sp. (Trichoderma viride, Trichoderma reesei y Trichoderma longibrachiatum) se han considerado como los destructores más productivos y poderosos de la celulosa cristalina [27].Género TrichodermaLa especie de Trichoderma reesei es el organismo más extensamente empleado en el mundo, lo cual se deriva de su capacidad celulolítica. La degradación de la estructura biológica de celulosa y hemicelulosa a oligosacáridos, requiere de la acción sinérgica de múltiples enzimas extracelulares. El género Trichoderma contiene especies con la capacidad de secretar tales enzimas [28].Trichoderma es también un eficiente degradador de heteropolisacáridos como el xilano, mediante la producción de diversas hemicelulasas que incluyen xilanasas y manasas, igualmente de amplio uso industrial. Carvalho et al., (2013) reportan en su trabajo el uso de residuos agroindustriales (paja de trigo, paja de arroz y bagazo de caña) enriquecidos con medio a base de xilano para aislar 26 especies de microorganismos, entre las especies se localizó Trichoderma harzianum que degradó al 93 % por su actividad enzimática, las condiciones óptimas fueron 8 días a 35 °C en fermentación sumergida, con rendimiento máximo de 50 UA/mL. CelulasasLas celulasas son glicosilhidrolasas (GH) que representan un grupo de enzimas que hidrolizan los enlaces glucosídicos entre dos o más hidratos de carbono. Estas proteínas se derivan de los procesos naturales de fermentación y presentan composición variable dependiendo de la fuente de obtención [30]. La eficiencia de la hidrólisis de la celulosa requiere la acción sinérgica de un sistema celulasa que contiene tres grupos de enzima: endoglucanasas o endocelulasas (EC 3.2.1.4), celobiohidrolasas o exocelulasas (EC 3.2.1.91) y β-glucosidasa o celobiasa (EC 3.2.1.21), los cuales producen la rotura de enlaces β-1-4-glicosídico del polímero celulósico [31] (Fig. 5).

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Fig. 5.- Mecanismo de acción de las celulasas [28].

XilanasasLos sistemas de enzimas del género Trichoderma son eficientes degradadores del xilano y manano. Dentro de las hemicelulosas, el polímero más abúndate es el xilano, por ello las xilanasas son el grupo enzimático más estudiado de las hemicelulasas. La mayoría de los residuos agrícolas contienen xilano, debido a su heterogeneidad estructural incluyen varios sistemas de enzimas xilanolíticas [32]. Las xilanasas son glicosilhidrolasas que catalizan la hidrólisis de los enlaces internos β (1-4) entre moléculas de xilosa que conforman la cadena principal de xilano. Están formadas básicamente de dos grupos de enzimas; endo-1,4-β-xilanasa (EC 3.2.1.8) y 1,4-β-D-xilosidasa (EC 3.2.1.37) (Fig. 6).

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Fig. 6.- Estructura del xilano y sitios de ataque por enzimas xilanolíticas [29].

Xilooligosacáridos (XOS)Los XOS son oligómeros compuestos por moléculas de xilosa unidas por enlaces β 1-4, con DP de 2-6 moléculas (xilobiosa, xilotriosa, xilotetrosa, xilopentosa y xilohexosa). Los XOS aparecen de forma natural en bambú, frutas, verduras, leche y miel, su producción a escala industrial se lleva a cabo vía química o enzimática a partir de las hemicelulosas de materiales lignocelulósicos, tales como maderas duras, mazorcas de maíz, paja, bagazo, malta y salvado [33].En un proceso enzimático el xilano debe ser expuesto a la acción de la Endo-1,4-β-xilanasa, enzima clave que ataca la columna vertebral de una manera aleatoria y produce XOS de longitud variable. El complejo enzimático deberá tener baja actividad β-xilosidasa y así evitar la producción de monómeros de xilosa [34].Arabinoxilooligosacáridos (AXOS)Los arabinoxilanos (AX) son uno de los principales constituyentes de la pared celular de los cereales, se caracterizan por presentar una columna vertebral de β-D-xilano con cadenas laterales de arabinosa con enlaces glicosídicos α-1,2 y α-1,3. La columna vertebral de xilano puede contener cantidades menores de ácido glucurónico, grupos acetilo y oligómeros cortos de arabinosa, xilosa, galactosa, glucosa y/o ácidos urónicos. AX del trigo, centeno y cebada, tienen un bajo grado de sustitución y contienen

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una mayor proporción de restos de xilosa no sustituidos, niveles más bajos de residuos monosustituidos, que los AX más altamente ramificados como arroz y sorgo [35]. Los AXOS presentan un DP de 3-10 moléculas y se pueden obtener mediante un tratamiento ácido suave que genera oligosacáridos y monosacáridos [33], pero la sustitución con arabinosa es un obstáculo para obtener una hidrólisis enzimática completa del AX, por lo cual se requiere de un conjunto de enzimas que son endo-1,4-β-xilanasas que atacan la columna vertebral del xilano internamente, lo cual genera XOS con diferente DP, α-L-arabinofuranosidasas, β-xilosidasas, α-D-glucuronidasas y β-feruloil esterasas son necesarias para obtener AXOS, [36].

Aplicaciones de los xilooligosacáridosIndustria farmacéutica Hay interés en el aislamiento de grandes cantidades de oligosacáridos con un DP entre 2 y 10 moléculas, aunque nuevas fuentes siempre se investigan. Los xilooligosacáridos y arabinoxilooligosacáridos muestran potencial de ser usados como ingredientes para alimentos funcionales y han sido clasificados como prebióticos emergentes [15]. Actualmente está bien establecido que la microflora del colon tiene una profunda influencia en la salud [37], en consecuencia existe especial interés en el consumo de ingredientes con propiedades prebióticas, en general consisten en oligosacáridos y fibras alimentarias. Un prebiótico (OS) es un ingrediente que afecta beneficiosamente al huésped estimulando selectivamente el crecimiento y/o actividad de un número limitado de probióticos [38]. Los polisacáridos de la pared celular vegetal como fuente de prebióticos tienen especial auge en la industria, mediante el uso de residuos agroindustriales, tales como suero de leche, paja de arroz y trigo, bagazo de caña de azúcar, entre otros, haciendo que el proceso de producción sea más económico. Productos finales de los OS son ácidos grasos de cadena corta (AGCC como acetato, butirato y propionato) que actúan como fuentes de energía para los organismos huésped [39], los efectos sobre la microbiota del colon dependen de la estructura química, identidad, número y tipo de monómeros, posición y conformación del enlace glicosídico, complejidad de la molécula. Un criterio que permite la clasificación de un ingrediente alimentario, como OS positivo es la fermentación por cepas probióticos, pero no por bacterias intestinales entre ellas Bifidobacterias y Lactobacilos [37].

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Industria alimentariaLa fracción de xilooligosacáridos derivados del polímero hemicelulósico tiene potentes aplicaciones como ingredientes alimentarios, entre ellos la xilobiosa es un 30 % más dulce que la sacarosa y tiene las propiedades de ser estable a pH entre 2.5-8, buen aroma, no cariogénico, bajo en calorías y su hidrólisis en el tracto digestivo es lenta, lo que la hace adecuada para dietas, para ingredientes de zumo de bajo pH y bebidas carbonatadas. Por otro lado, la xilosa es un edulcorante natural, es también una sustancia que inhibe el desarrollo de células cancerígenas, posee bajo valor calórico y negativo calor de disolución [40]. El principal producto a obtener de la xilosa es el xilitol, su producción biotecnológica es una alternativa barata, comparada con su producción química, es un polialcohol con propiedades edulcorantes, no cariogénico, aporta 40 % menos carga energética que la sacarosa por lo que es recomendado para individuos diabéticos u obesos, empleado en la prevención o tratamiento de osteoporosis, desórdenes metabólicos, lesiones renales e infecciones en el oído [41].

Otras aplicacionesSe ha descrito otro grupo de aplicaciones importantes como la obtención de medios fermentables que sustituye la xilosa comercial, en la agricultura como acelerantes y estimulantes del crecimiento, alimentación de animales domesticos y peces [42]. Por la deshidratación de la xilosa derivada de los XOS de las hemicelulosas se pueden obtener productos de degradación como el furfural, a su vez por hidrogenación se produce alcohol furfurílico que es un producto base para la obtención de resinas con las mismas aplicaciones que los plástico duros [43].

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44.

254

Sporisorium reilianum:

Nueva Fuente de Enzimas Hidrolíticas

ÁLVAREZ-CERVANTES J.

LUCIO-AVILA P. G.

PÉREZ-RODRÍGUEZ J.

VARGAS MORALES K.A.

TÉLLEZ-JURADO A.

MERCADO-FLORES Y.

AntecedentesLas enzimas son catalizadores biológicos de naturaleza proteica, que intervienen en los procesos metabólicos de los seres vivos, las cuales presentan importancia a nivel biológico, científico e industrial. En esta última son ampliamente utilizadas en procesos como manufactura de alimentos, producción de biocombustibles, textil, papelera y farmacéutica [1-2]. Su uso en diferentes sectores industriales se debe a sus propiedades bioquímicas que les permite trabajar en diferentes condiciones, disminuyendo tiempos y costos en los procesos con respecto a los convencionales, debido a su selectividad y especificidad [3]. La producción de enzimas en los últimos años ha evolucionado gracias al uso de la biotecnología, en donde las principales fuentes de obtención han sido a partir de tejidos animales y vegetales o mediante procesos de fermentación utilizando microorganismos seleccionados. La desventaja de las primeras para satisfacer la demanda actual del mercado, se debe a su poca concentración, alta densidad de los tejidos, costos de producción, disponibilidad y de la madurez de los tejidos. Por otro lado, las enzimas microbianas obtenidas mediante procesos fermentativos, presentan diversas ventajas como la alta velocidad de síntesis, elevado

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rendimiento de conversión del sustrato, producción extracelular y bajo costo. Sin embargo, debido a la alta demanda en diversos sectores, se han aplicado técnicas de ingeniería genética y de de proteínas, para mejorar las características bioquímicas de las enzimas tales como: estabilidad en un amplio intervalo de valores de pH y temperatura, alta actividad específica y resistencia a productos químicos [4-6].Los microorganismos en particular, han sido considerados como una fuente de producción de enzimas, debido al rápido crecimiento celular y a la síntesis de productos biológicos activos que pueden ser controlados. Estas enzimas presentan ventajas como la especificidad por el sustrato, se producen en altas cantidades, son biodegradables y económicamente viables. Las bacterias, hongos y levaduras tienen la capacidad de excretar diferentes tipos de enzimas durante su crecimiento, siendo las hidrolíticas las que se producen en mayor cantidad. Entre las más importantes se encuentran las celulasas, pectinasas, xilanasas, xilosidasas y proteasas, utilizadas en diferentes procesos industriales [2,7-9].XilanasasLas xilanasas o también llamadas endo-β-1,4-xilanasas (EC 3.2.1.8) son las encargadas de realizar la hidrólisis del xilano, principal componente de la hemicelulosa, liberando xilooligosacáridos [9-10]. Son mayoritariamente monoméricas y poseen amplios intervalos en cuanto a su peso molecular y punto isoeléctrico [11]. Basándose en la comparación de secuencias y el análisis de las regiones hidrofóbicas de las mismas, son clasificadas dentro de la familia 0-glicosil hidrolasas, en donde han sido agrupadas en 13 familias (5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 16, 26, 30, 43, 44, 51 y 62), de acuerdo a la información provista en Carbohydrate Active Enzymes Database (CAZy) [12-13]. Sin embargo, solo las xilanasas pertenecientes a las familias 10 y 11, son las que presentan actividad exclusiva de endo-β-xilanasa [14-15]. La familia GH10 son caracterizadas por compartir una estructura terciaria similar, en donde los aminoácidos que conforman el sitio catalítico son conservados, presentando un dominio de 250 a 450 aminoácidos con un plegamiento tipo barrel (α/β)8 o TIM-barrel. Las características bioquímicas que presentan son pesos moleculares altos y pI generalmente alcalinos entre 8.0-9.5, sin embargo algunas tienen valores ácidos [16-17]. Por otro lado, la familia GH11 posee de igual manera una estructura similar y los aminoácidos catalíticos son conservados, encontrándose en la posición 180 y 200, presentando una

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conformación en hoja β curvada sobre sí misma, conocida como β-jelly-roll. Las características bioquímicas que presentan son bajos pesos moleculares y altos valores de pI, además de ser selectivas en cuanto al uso del sustrato y eficiencia catalítica [18-19].Ambas familias usan el mismo mecanismo catalítico en la hidrólisis del sustrato, las cuales realizan un doble desplazamiento con retención de la configuración anomérica (β→β). En donde intervienen 2 residuos glutamato conservados del centro activo de la xilanasa, actuando uno de ellos como catalizador ácido/base y el otro como residuo nucleófilo [20-21]. En general las endo-xilanasas muestran actividad catalítica a temperaturas de 40 a 80°C, y pH entre 4 y 6, sin embargo, en condiciones óptimas, han sido encontradas fuera de estos intervalos [22-23]. Estas enzimas presentan en su mayoría una subunidad proteica con pesos moleculares de 8.5 a 85 kDa y punto isoeléctrico (pI) entre 3 y 10, siendo algunas de estas glicosiladas [24].Las xilanasas microbianas poseen un amplio potencial biotecnológico en diversos sectores de la industria, algunas aplicaciones importantes son las siguientes: bioconversión de residuos agroindustriales, clarificación de jugos, mejora en la consistencia de la cerveza, digestibilidad de las materias primas como alimento para animales, bioblanqueo de la pulpa de papel, producción de bioetanol y producción de xilooligosacáridos. En la actualidad las xilanasas representan cerca del 20% del mercado global de las enzimas [25-27]. En el bioblanqueo de pasta de papel aumentó su uso, ya que facilitan la liberación de lignina de la pasta, aumentando el brillo y por consecuencia reduciendo el uso de cloro como agente blanqueador [22,28].XilosidasasLas enzimas β-xilosidasas son las encargadas de romper las cadenas de xilooligosacáridos solubles desde el extremo no reductor liberando xilosa. Actúan sinérgicamente con la xilanasa en la despolimerización de xilano a xilosa, esto puede ocurrir mediante un mecanismo donde la xilanasa libera pequeños xilooligosacáridos del xilano, los cuales sirven como sustrato para la xilosidasa y así esta catalice su conversión a xilosa. Dichas enzimas juegan un papel importante en la degradación total del xilano, ya que eliminan el producto de inhibición de las endoxilanasas que limita la hidrólisis de este polisacárido [29]. Son eficaces en las reacciones de transglicosilación donde unidades de monosacáridos o alcoholes son unidos o separados de unidades de xilosa [7].

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Basados en la similitud de secuencias de aminoácidos, las xilosidasas están clasificadas dentro de siete familias en las glicosil hidrolasas (GH): 3, 30, 39, 43, 51, 52 y 54 [30-31]. Estas hidrolizan los enlaces glucosídicos ya sea por una retención total o una inversión global de la configuración del carbono anomérico. En ambos mecanismos, la hidrólisis normalmente requiere dos ácidos carboxílicos, que se conservan dentro de cada familia glicosilhidrolasa (Asp o Glu) [7, 32].En general las xilosidasas exhiben una diversidad de propiedades fisicoquímicas, estructuras, actividades específicas, rendimientos y especificidad particular, que conduce a un incremento en la degradación de xilano. Su expresión puede ser de productos de genes distintos o generados por el procesamiento postraduccional diferencial, a través de la glicosilación y/o proteólisis [21, 33]. La mayoría presentan pesos moleculares de 37-100 KDa. Temperaturas óptimas que van de 25-80 °C. Intervalos de pH óptimo 2.5-8.0, así como puntos isoeléctricos de 3-8 [34-37]. Una de las características de las xilosidasas de hongos es su capacidad de transglicosilación, la presencia de altas cantidades de xilooligosacáridos en la mezcla de reacción harían estimular esta actividad [38-39].En la última década el interés por enzimas xilanolíticas se ha incrementado en gran medida debido a su potencial en aplicaciones biotecnológicas. Las xilosidasas se han utilizado junto con las xilanasas para realizar la hidrólisis completa de residuos lignocelulósicos, estos materiales pueden convertirse en xilooligosacáridos y xilosa, los cuales pueden utilizarse como prebióticos, o ser transformados en bioetanol o xilitol, este último de interés alimentario obtenidos mediante fermentaciones [40-42].Proteasas Las proteasas son las encargadas de romper los enlaces peptídicos de las proteínas, las cuales pertenecen al grupo de las hidrolasas [43]. De acuerdo con el Comité de Nomenclatura de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular, las proteasas se clasifican en el subgrupo 4 del grupo 3 de las hidrolasas. Basándose en el grupo funcional presente en el sitio activo, se clasifican en cuatro grupos prominentes, Aspartato, Cisteína, Serin y Metaloproteasas [44].Sin embargo, pueden subdividirse en dos grupos principales, en exopeptidasas y endopeptidasas, dependiendo de su sitio de acción; las primeras escinden el enlace peptídico proximal al extremo amino o carboxi del sustrato, mientras que las segundas escinden enlaces peptídicos distantes de los extremos del sustrato. Estas últimas se dividen en cuatro

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subgrupos en base a su mecanismo catalítico: serin proteasas, aspartil proteasas, cisteín proteasas y metaloproteasas. Las aspartil proteasas (APs) también denominadas aspartato proteasas o proteasas ácidas (E.C.3.4.23), pertenecen a la familia de las endopeptidasas, las cuales se caracterizan por tener una secuencia conservada de Asp-Gly-Thr en su sitio activo [45]. Estas enzimas intervienen en numerosos procesos biológicos, tales como: regulación de la presión arterial, amiloidoisis, esporulación de hongos y la digestión de la hemoglobina por los parásitos responsables de la malaria y la esquistosomiasis. La proteína se une al sustrato a través de restos de aminoácidos al centro activo de la enzima. El enlace peptídico escindible es adyacente al grupo carbonilo, que está polarizado por la enzima mediante la estabilización de la hendidura con el oxianión; esto hace que el carbono del carbonilo quede vulnerable para el ataque nucleofílico [46]. La mayor parte de APs son sintetizadas como zimógenos, el cual se convierte en enzima activa debido al cambio de pH que es suficiente para llevar a cabo el mecanismo autocatalítico de la conversión [47-48]. El pH óptimo para dichas enzimas es ácido, teniendo mayor actividad de 3 a 4 y punto isoeléctrico de 3 a 4.5, en cuanto a temperatura tienen un amplio intervalo que puede ir de 0 a 45°C [49]. Finalmente el peso molecular de las APs se encuentra en un intervalo de 30 a 45 kDa [50].Entre las aplicaciones que se le han dado a dichas enzimas están los detergentes, procesos de ablandamiento de pieles, elaboración de quesos, industria vinícola y fabricación de sedas; a la vez tiene aplicaciones muy importantes en el área médica como la producción de fármacos anti-inflamatorios, disolución de coágulos sanguíneos y la activación de hormonas entre otras [51].

Fuentes de producción de enzimas hidrolíticas Los hongos filamentosos son los más importantes para la producción de xilanasas, xilosidasas y proteasas obtenidas a partir de sistemas de cultivo sólidos y líquidos, ya que las excretan al medio y sus niveles son más altos que los de levaduras y bacterias, además producen otras enzimas auxiliares para la degradación completas de los sustratos [8].Diferentes especies de géneros de los hongos Aspergillus, Penicillum, Thichoderma, son utilizados comúnmente a nivel industrial para la producción de xilanasas, sin embargo se ha reportado la producción en los hongos termofílicos Chaetomium sp., Humicula lanuginosa,

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Paecylomyces variotti y Thermoascus auratiacus [2, 24, 52]. La producción de xilosidasas se ha obtenido a partir de los géneros de Aspergillus, Penicillum, Thichoderma, Humicola, Phanerochaete, Neurospora, Pseudozyma [33, 53-56]. Para la obtención de proteasas se han utilizado los géneros Aspergillus, Absidia, Cunninghamella, Penicillum, Rizopus, Neurospora, Endothia y Mucor [57-59]. Sin embargo, actualmente se están buscando nuevas fuentes de producción de enzimas hidrolíticas y aplicando técnicas de inducción o mejoramiento de cepas mediante mutación, que permita la secreción de grandes cantidades de enzima [8].Enzimas hidrolíticas de fitopatógenosUna alternativa para la producción de estas enzimas son los hongos fitopatógenos, debido a la capacidad que tienen de degradar los componentes de la pared celular de las plantas. En general el conocimiento que se tiene de ellos es principalmente sobre su biología, daños que causan y formas de control. Actualmente se carece de un conocimiento pleno y comprensivo del comportamiento dinámico de las enfermedades y de los componentes involucrados: el patógeno, el hospedante y el ambiente. Hasta la fecha son escasos los estudios que se han realizado en hongos fitopatógenos para la producción de enzimas hidrolíticas. Estas actividades son de gran importancia ya que pueden presentar propiedades bioquímicas interesantes diferentes a las secretadas por los saprofitos. Se ha determinado que los hongos patógenos de plantas tienen un mayor número de genes que codifican para estas enzimas, que los hongos de importancia industrial. El descubrimiento de nuevas actividades enzimáticas es muy importante para el desarrollo de procesos eficaces útiles en la despolimerización de materiales lignocelulósicos, utilizados para la obtención de bioproductos y biocombustibles [60-61]. En la Tabla 1 se muestran diferentes hongos fitopatógenos que se han utilizado para evaluar la producción de xilanasas, xilosidasas y proteasas. Uno de los fitopatógenos que afectan al cultivo del maíz en el estado de Hidalgo, es el hongo S. reilianum, el cual es un basidiomiceto que causa el carbón de la espiga del maíz (Figura 1) [62]. Es principalmente intracelular y sugieren que pasa a través de la célula huésped por lisis de la pared y procesos mecánicos de presión. Las células infectadas parecen normales, por lo tanto, el hongo actúa como un biotrófico. La transición de levadura a micelio puede ser favorecida por diversos factores del medio ambiente como temperatura, humedad y pH del medio. Presenta una distribución mundial principalmente donde se practica intensivamente

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el cultivo de maíz. En los trópicos esta enfermedad presenta un mayor índice de infección [63]. Se considera de gran importancia debido a los daños que causa en los cultivos; a medida que penetra y coloniza a sus hospederos produce enzimas que presentan características atractivas para otras aplicaciones.

Figura 1. Características microscópicas y macroscópicas de S. reilianum. A) Observación microscópica de Teliosporas, aumento 40x, B) Observación microscópica de las levaduras, aumento 40x, C) Mazorca

con la lesión del carbón ocasionada por S. reilianum (Tomadas de Álvarez-Cervantes y col. 2016 [62]).

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Tabla 1. Producción de xilanasas, xilosidasas y proteasas por hongos fitopatógenos

Enzima Microorganismo PM (kDa) Referencia

Xilanasa

Cochliobolus sativus - Bakri y col. 2008 [64]Colletotrichum graminicola - Zimbardi y col. 2014 [65]

Fusarium oxysporum 21.6 Jorge y col. 2005 [66]Fusarium oxysporum f. sp. lycopersi 40 Ruiz y col. 1997 [67]

Magnaporthe grisea 33 Wu y col. 2006 [68]Sclerotina sclerotiorum 22 Olfa y col. 2007 [69]

Sporisorium reilianum - Álvarez-Cervantes y col. 2013 [70]

Stenocarpella maydis 42 Hernández-Domínguez y col. 2014

[2]Ustilago maydis - Geiser y col. 2013 [71]

Xilosidasa

Cochliobolus carbonum 36 Wegener y col. 1999 [72]

Blumeriagraminis f. sp. tritici - Komiya y col. 2003 [73]

Fusarium proliferatum 91 Saha 2003 [74]

Fusarium verticilloides 94 Saha 2001 [54]

Phanerochaete chrysosporium 83 Duc y col. 2013 [75]

Phytophthora infestans 85 Brunner y col. 2002 [76]

Proteasa

Aspergillus sp. 50 Siala y col. 2009 [77]Fusarium culmorum - Urbanek y col. 1984 [78]Glomerella cingulata - Plummer y col. 2004 [79]Monilinea fructicera - Hislop y col. 1982 [80]Piptoporus soloniensis 38 El-Baky y col. 2011 [81]

Sclerotinia scleriotorum 32.6 Poussereauy col. 2001 [82]

Sporisorium reilianum 41 Mandujano-González y col. 2013

[83]Stenocarpella maydis - Hernández-Domínguez y col. 2014

[2]

262

Enzimas hidrolíticas de S. reilianum Se han realizado estudios a nivel microbiológico para determinar las características de crecimiento y producción de enzimas de S. reilianum en sistemas sólidos y líquidos, para posteriormente determinar si estas son importantes durante su ciclo de vida e infección. Actualmente las investigaciones han permitido determinar que este hongo secreta una aspartil proteasa (Eap1) y una xilanasa (SRXL1), que ya se han purificado y caracterizado bioquímicamente. Eap1 tiene la capacidad de degradar proteínas de la planta de maíz y coagular la leche, lo que sugiere que puede tener potencial en la industria láctea, en particular en la producción de queso, o puede ser utilizado para obtener hidrolizados de proteínas de origen vegetal (Figura 2). Dicha proteína presentó un peso molecular de 41 kDa. La enzima fue estable en un amplio intervalo de temperaturas y valores de pH, siendo 45°C y pH 3 los óptimos. Los valores de Km y Vmax obtenidos fueron 0,69 mg/ml y 0,66 µmol/min, respectivamente, con albúmina como sustrato. El análisis de secuenciación mostró que esta proteína tiene 100% de similitud con la secuencia peptídica teórica a partir del gen sr11394, que codifica para una aspartil proteasa secretada por S. reilianum (Figura 3) [83].

Figura 2. Coagulación de la leche utilizando aspartil proteasa Eap1

purificada de S. reilianum (Tomada de Mandujano-González y col. 2013. [83])

263

Por otro lado, se encontró que el hongo tiene la capacidad de secretar xilanasas, en sistema sólido y líquido al utilizar diferentes fuentes de carbono en el medio de cultivo, sin embargo la mayor actividad fue encontrada con xilano como sustrato, dicha enzima fue denominada SRXL1, la cual presenta propiedades bioquímicas interesantes, tales como buena estabilidad en un amplio intervalo de temperatura y pH. La xilanasa fue purificada en un solo paso cromatográfico, con un peso molecular de 42 kDa. La enzima mostró un 100% de similitud con la secuencia peptídica obtenida teóricamente a partir del gen sr14403 la cual codifica para una endo-β-1,4-xilanasa. El análisis bioinformático mostró que pertenece a la familia 10 de las glicosil hidrolasas. Su estructura secundaria conforma un plegamiento tridimensional conocido como TIM-barrel o barril (α/β)8 (Figura 3) [17, 70].Sin embargo, en la secuencia del genoma de este hongo se pueden identificar dos genes más que codifican para posibles Endo-1,4-beta-xilanasas con códigos de acceso sr15309 y sr15773, así como de una beta xilosidasa con código de acceso sr16869, las secuencias pueden ser obtenidas de la base de datos MIPS de S. reilianum (http://mips.helmholtz-muenchen.de/genre/proj/sporisorium/) [84]. Dichas enzimas se están estudiando para conocer bajo qué condiciones el hongo las produce y que características poseen para determinar sus posibles aplicaciones biotecnológicas, así como determinar si el complejo xilanolítico juega un papel importante en la infección o ciclo de vida del patógeno.

Figura 3. Modelo de la estructura terciaria de Eap1 (A) y SRXL1 (B) generado por el servicio en línea SWISS-MODEL (Tomadas de

Mandujano-González 2011 [85] y Álvarez-Cervantes y col. 2016 [17].

264

Por otro lado al utilizar la secuencia de aminoácidos de la xilanasa SRXL1, se determinó la relación filogenética con xilanasas de las familias GH10 y GH11 de hongos ascomicetos y basidiomicetos, encontrando que todas las xilanasas utilizadas conservan el sitio catalítico en ambas familias, además que sus modelos teóricos presentan características similares en cuanto a su estructura tridimensional. La xilanasa SRXL1 se agrupo con las xilanasas de U. hordei, S. commune (basidiomicetos), T.virens y C. carbonum (ascomicetos), lo que sugiere que pueden presentar propiedades similares o también se pueda deber al carácter patogénico de los hongos productores (Figura 4) [17].

Figura 4. Similitud de las xilanasas GH10 de hongos patógenos y SRXL1 de S. reilianum (Tomada de Álvarez-Cervantes y col. 2016 [17]).

Las propiedades bioquímicas de las enzimas producidas por S. reilianum, sugieren que podrían ser utilizadas en la clarificación de zumos, aumentando el rendimiento y mejorando el proceso de maceración, reduciendo así el grado de viscosidad. También pueden mejorar la digestibilidad de la paja destinado a la alimentación de rumiantes, así como en la industria de la panificación, sin embargo faltan estudios que confirmen lo anterior para determinar si estas podrían emplearse como una nueva alternativa de aplicación de enzimas [17, 70, 83].

Conclusiones y perspectivas S. reilianum es un hongo fitopatógeno del maíz que produce enzimas hidrolíticas, algunas han sido purificadas y caracterizadas bioquímicamente lo que ha permitido identificar posibles aplicaciones

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biotecnológicas, las cuales son una alternativa para cubrir la demanda que estas actividades tienen en el mercado. Análisis moleculares y de ingeniería genética pueden dilucidar sí están implicadas dentro del ciclo de vida y mecanismos de infección de este hongo.

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272

La Manzana del Marañón (Anacardium

occidentale L.) como Materia Prima para la

Obtención de Bioetanol

GONZÁLEZ-FLORES T.

GÓNGORA-CAUICH J. V.

PACHECO-LÓPEZ N. A.

AYORA-TALAVERA T. R.

SÁNCHEZ-CONTRERAS M. A.

AntecedentesLas tendencias actuales están enfocadas hacia la producción de etanol y otros alcoholes combustibles a través de procesos fermentativos, empleando preferente biomasa vegetal debido al inminente agotamiento de las reservas petroleras, aunado a la problemática mundial de emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera con el consecuente calentamiento global. Se considera que el bioetanol producido de una manera eficiente y sostenible puede ofrecer numerosas ventajas ambientales y sociales, en comparación con los combustibles fósiles, además de que pueden reducir el consumo de gasolina y la contaminación ambiental. Por ejemplo, en Brasil, el bioetanol reemplaza el uso de aproximadamente 40% de la gasolina, mientras que en el resto del mundo esta sustitución representa tan solo un 3% [1]. La biomasa es una de las alternativas más atractivas entre las fuentes de combustibles disponibles, además de ser una fuente renovable de energía [2]. El término biomasa incluye toda la materia orgánica que tiene su origen inmediato en un proceso biológico, comprende tanto a los productos de origen vegetal como a los de origen animal o microbiano [3]. La biomasa

273

vegetal se forma a partir de luz solar mediante la fotosíntesis, con lo que se producen moléculas de alto contenido energético en forma de energía química. La producción de biomasa vegetal en el planeta es muy alta, estimándose que por medio de la fotosíntesis se fijan anualmente 2,2 x 1011 toneladas de peso seco de biomasa, lo que supone unas diez veces la demanda energética mundial [4-5]. De acuerdo con su origen, la biomasa se puede clasificar en dos tipos principales: Biomasa residual generada en la producción agrícola, forestal e industrial. Generados durante las actividades de producción, transformación y consumo, los residuos agrícolas proceden de los subproductos de las cosechas, cultivos leñosos y herbáceos, destacando los producidos en los cultivos de cereal. Los de origen forestal proceden de los tratamientos silvícolas de mantenimiento de las masas forestales. También se pueden considerar incluidos en este grupo, los residuos de la industria papelera y la fracción orgánica de los residuos domésticos e industriales, los cuales no poseen un valor económico en el contexto en el cual se generan, sino que suelen provocar problemas ambientales en su eliminación [3].Cultivos energéticos, son aquellos dedicados a la producción de biomasa para su utilización energética con fines no alimentarios. Se diferencian dos tipos: los orientados a la producción de materiales leñosos con especies de crecimiento rápido como el eucalipto o el chopo, y los orientados a la producción de especies vegetales anuales, como por ejemplo, el cardo cynara [1].La celulosa, hemicelulosa y pectinas se han vuelto muy atractivos desde el punto de vista energético, ya que pueden ser hidrolizadas para la obtención de glucosa y otros azúcares que posteriormente puede ser fermentados alcohólicamente [6-7]. Sin embargo, la biomasa lignocelulósica presenta una estructura compleja, compuesta de varias fracciones que deben ser procesadas por separado para asegurar una conversión eficiente de estos materiales a etanol. Dentro de la gama de materias primas que podrían emplearse como sustrato en la fermentación alcohólica, se puede mencionar al marañón, el cual es cultivado en muchas regiones tropicales alrededor del mundo para la obtención de la nuez de la India, sin embargo, durante su explotación comercial la manzana (pseudofruto) no es aprovechada totalmente pues se deja en el campo para su degradación natural, lo que genera grandes cantidades de residuos sólidos ricos en carbohidratos.

274

Marañón (Anacardium occidentale L.)El marañón pertenece al orden de los Sapindales, familia Anacardiaceae y género Anacardium. El marañón está relacionado con el mango (Mangifera indica L.), el pistache (Pistacia vera L.) y el roble venenoso (Toxicodendron diversilobum L.), y es un cultivo originario del noreste de Brasil al cual se le han atribuido propiedades medicinales y nutricionales, y es cultivado principalmente para la obtención de la nuez de la India [8]. Este fruto se produce en alrededor de 32 países del mundo y se encuentra ampliamente distribuido en los trópicos, siendo Vietnam, India, Brasil, Costa de Marfil, Ghana, Mozambique, Nigeria, Filipinas, Tanzania y Barbados los principales productores [9]. En México, de acuerdo con datos del Servicio de Información Agroalimentaria y Pesquera de la SAGARPA, en el 2014 se cosecharon 4,360.08 ton de manzana de marañón, con un valor total de la producción de $19´693,760.00, siendo los Estados productores Campeche, Chiapas, Guerrero y Veracruz [10].Productos derivadosEl árbol de marañón se cultiva por las nueces, la manzana y la madera. Los principales productos comercializados en el mercado internacional del marañón son: nuez en bruto (raw nuts), nuez de la India (cashew kernels) y líquido de la cáscara de la nuez de marañón (cashew nut shell liquid - CNSL). Un cuarto producto, la manzana, generalmente es procesada y consumida localmente debido a su corta vida poscosecha [8]. La madera se usa para la fabricación de muebles y botes de pesca. De estos productos la nuez de la India es la fracción más redituable económicamente.Características del fruto y pseudofrutoEl fruto del marañón es una fruta accesoria, también llamada pseudocarpo o fruto falso, y el fruto verdadero es una nuez de forma ariñonada que consta de una cáscara de doble pared (la externa es el exocarpo delgado y la interna es el endocarpio duro separados por un mesocarpio celular resinoso), que rodea a la semilla comestible: la nuez de la India. Una característica interesante del marañón es que la nuez se desarrolla primero y cuando está completamente crecida, pero no madura, su pedúnculo se ensancha y se vuelve carnoso, con forma de pera o romboide, de 5 a 11.25 cm de longitud, con una piel cerosa de color amarillo, naranja o rojo y una pulpa amarilla, esponjosa, fibrosa, astringente, de sabor ácido a subácido y muy jugosa, la cual se denomina pseudofruto o manzana del marañón (cashew apple) [9, 11-12].

275

ComposiciónLa manzana del marañón es rica en nutrientes, principalmente vitamina C (Tabla 1) y su jugo es astringente y algo irritante debido al alto contenido de taninos (hasta 35% en las manzanas rojas), por lo que para reducir el contenido de estos compuestos, la manzana se cuece con vapor a presión durante 5 a 15 min o se coloca en ebullición con agua salada por 15 min [9, 11].

Tabla 1. Valor nutrimental de la manzana del marañón (100 g de fruta)Componente CantidadContenido de agua 84 - 88%Proteína 0.1 - 0.16 gGrasa 0.05 - 0.5 gCarbohidratos 9.1 - 9.8 gFibra dietética total 0.4 - 1.0 gHierro 0.2 - 0.7 mgTiamina 0.02 - 0.03 mgRiboflavina 0.1 - 0.4 mgNiacina 0.1 - 0.5 mgVitamina C (ácido ascórbico) 147 - 372 mg

Fuente: Morton, J. 1987 [11]

Aprovechamiento del pseudofrutoSe estima que a nivel mundial anualmente se produce 30 millones de toneladas métricas de manzana de marañón, y por cada tonelada de nuez de la India cosechada, se obtienen aproximadamente de 10 a 15 toneladas de manzana de marañón [12] (Tabla 2), es decir, se obtienen en promedio 200 kg de nuez y 1,200 kg de manzana por hectárea [13]. El pseudofruto del marañón suele consumirse como fruta fresca o procesarse como jugo, jugo concentrado, en bebidas no alcohólicas, o fermentadas tipo vino, o vinagre, en gelatina, jaleas, chutneys, aderezos y dulces en almíbar [8]. Únicamente el 12% de la manzana de marañón cosechada es procesado y la mayor parte de la producción es subutilizado o termina en el suelo [2, 14].

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Tabla 2. Proporción manzana-nuez en el marañón.Característica RangoPeso manzana 30-150 gPeso nuez 2.4-18 gProporción manzana:nuez 4:1-12:1

Fuente: de Araújo y col., 2010 [13]

Durante la cosecha, en muchas plantaciones comerciales es más práctico girar la nuez para desprenderla y dejar en el suelo la manzana, para posteriormente utilizarla como alimento para ganado o cerdos [15]. Aunque en algunas partes la manzana se recoge para comercializarse o transformarse ésta debe ser procesada máximo tres horas después de cosechada por ser un material altamente perecedero, además, es bastante difícil usar la totalidad de la fruta comercialmente ya que la manzana del marañón madura antes que la nuez.

Producción de bioetanolConsiderando que el uso de residuos agroindustriales puede contribuir a la reducción de costos en la producción de etanol, la manzana de marañón se vislumbra como una materia prima adecuada para esta actividad, debido principalmente a su gran disponibilidad y alta concentración de azúcares reductores. A este respecto, las investigaciones realizadas para la obtención de etanol se han encaminado al empleo de dos de las fracciones de la manzana de marañón: por un lado el jugo que contiene azúcares fácilmente fermentables y por otra parte, a la utilización del bagazo resultante de la extracción del jugo, con alto contenido de celulosa y hemicelulosa.a) A partir de jugo de marañónEl jugo del marañón se fermenta rápidamente y se emplea en varios países para obtener vinos y licores destilados (i.e. Brazil, Guatemala, Africa Occidental, India, Sri Lanka y las Filipinas) [9, 11, 15]. El jugo de la manzana es rico en azúcares reductores como la glucosa y fructosa (6.24-9.8 g/ 100g), y además del elevado contenido de azúcares, el jugo también contiene vitaminas (principalmente vitamina C, aunque también contiene tiamina, niacina, riboflavina y precursores de vitamina A) y algunos aminoácidos como alanina, ácido aspártico, ácido glutámico, serina, treonina y prolina [12-13]. Adicionalmente, se ha mostrado que el

277

jugo de manzana de marañón es rico en minerales, independientemente del color de la cáscara. Los principales minerales encontrados fueron: potasio (2043.8-2189.5 mg/L), fósforo (211.3-239.7 mg/L), magnesio (152.9-215.1 mg/L), sodio (33.7-43.3 mg/L), silicio (16.9-28.8 mg/L) y cloro (14.6-28.2 mg/L), y también contiene azufre, cobre y aluminio [16]. La composición anterior convierte al jugo de marañón en un medio de cultivo interesante y poco costoso para el crecimiento de microorganismos fermentadores. El jugo de marañón ha sido utilizado para la obtención de bioetanol, pues representa una fuente adecuada de nutrientes para el crecimiento de los microorganismos y es bien sabido que los macro y microelementos tienen un gran efecto sobre el crecimiento de levaduras productoras de etanol. Así por ejemplo, Talasila et al. (2010) utilizaron jugo de manzana de marañón extraído con un filtro prensa y posteriormente centrifugado, como medio de fermentación para Saccharomyces cerevisiae NCIM 3190. El jugo de marañón conteniendo 11.3 % de azúcares fue adicionado en una proporción de 485 g/L, con los siguientes componentes: extracto de levadura (2.5 g/L) y EDTA (0.6 g/L) y esterilizado a 121 °C (15 psi) por 20 minutos. Se identificaron como variables que tienen una influencia estadísticamente significativas en la fermentación sumergida a nivel matraz del jugo de marañón los siguientes factores: tiempo de fermentación, pH y temperatura, y a través de superficie de respuesta con un diseño experimental Doehlert se establecieron las condiciones óptimas a pH de 5.29, un tiempo de fermentación de 25.41 h y una temperatura de 27.56 °C, para lograr la máxima producción de etanol en estas condiciones, alcanzando de 68.89 g /L [15]. Adición de sales minerales. El efecto de los parámetros nutricionales sobre la fermentación del jugo de manzana de marañón también ha sido recientemente estudiado por Srinivasarao et al. (2013) quienes evaluaron la adición de varias sales minerales al jugo de marañón, ajustado a pH 5.0, y empleando inicialmente un diseño experimental Plackett-Burman con siete variables importantes para el crecimiento de Saccharomyces cerevisiae NCIM 3090, encontrando que el cloruro de amonio, el sulfato de magnesio y el fosfato de dipotasio son los factores que tienen un efecto significativo sobre la producción de etanol, por lo que posteriormente estos fueron optimizados usando superficie de respuesta con un diseño central compuesto. La ecuación cuadrática que se obtuvo fue: Yi = 59.6379 + 2.4998 X1 – 0.5218 X2 + 0.9983 X3 – 5.8103X12 – 3.3297 X22 – 4.2503 X32 – 3.5850 X1X2 + 1.0475 X1X3 + 1.0975 X2X3 con una R2 de 0.9297, es decir,

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el 92.97% de la variación en la producción de alcohol a partir de jugo de marañón es ocasionado por las variables independientes estudiadas. Los valores óptimos encontrados para los parámetros de fermentación fueron 0.4585 g/L de NH4Cl, 0.0892 g/L de MgSO4 y 0.2125 g/L de K2HPO4, que permitieron alcanzar 59.80 g/L de etanol a partir de jugo de marañón conteniendo 12.5% de azúcares totales [17]. En este trabajo no se realizó ningún tipo de pretratamiento al jugo de marañón para reducir o eliminar los taninos que contiene naturalmente, aun cuando en otros reportes se sugiere que estos compuestos pueden ocasionar inhibición al crecimiento de las levaduras, lo cual pudo afectar el rendimiento de alcohol comparado con lo obtenido por Talasila et al. (2010) [15]. Células inmovilizadas. Se ha utilizado el bagazo de marañón (CAB por sus siglas en inglés) para inmovilizar células de Saccharomyces cerevisiae y posteriormente poder utilizarlas para fermentar jugo de marañón a través de 10 fermentaciones consecutivas. El soporte se preparó empleando una solución de HCl al 3% y una deslignificación con NaOH al 2% y mediante microscopía fue posible establecer que las células de levadura se encontraban adheridas a la superficie de CAB pre-tratadas. La productividad de etanol no disminuyó del tercero al décimo experimento y las concentraciones de etanol (en promedio 19.82 - 37.83 g/L) y las productividades de alcohol (alrededor de 3.30 - 6.31 g/L/h) fueron altas y estables y las concentraciones residuales de azúcar estuvieron en aproximadamente 3.0 g/L con conversiones en el rango de 44.80% a 96.50%, y eficiencias del 85.30 al 98.52%. De esta forma se puede aprovechar todos los componentes de la manzana de marañón: por un lado, el jugo para fermentar y por otro, el CAB como soporte para la inmovilización de células que permitan la producción de etanol [18].Cepa de levadura. Generalmente en las fermentaciones alcohólicas se utiliza S. cerevisiae para metabolizar la glucosa del medio pues tiene gran tolerancia al etanol y altas tasas de productividad. Sin embargo, otro de los parámetros que puede afectar la producción de etanol a partir de jugo de manzana de marañón es la especie de levadura utilizada, por lo que se ha recurrido a otras cepas diferentes a Saccharomyces, por ejemplo utilizando Zymomonas mobilis MTTCC 090 y una metodología de superficie de respuesta basada en un diseño central compuesto, encontrándose que las condiciones óptimas para la producción de etanol fueron un 62% V/V de jugo, un pH de 5.5, temperatura de 32°C y un tiempo de fermentación de 37 h. En estas condiciones, la máxima concentración

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de etanol obtenida empleando jugo de marañón esterilizado a 85°C y clarificado con gelatina fue de 12.64 g/L [19]. La cepa Hanseniaspora sp. GPBIO03 consume los azúcares presentes en jugo de manzana de marañón ajustado a una concentración inicial de azúcares reductores de 90 g/L en 10 h fermentación a 32°C y 150 rpm se logró producir 40 g/L de etanol, alcanzando una eficiencia de 95.96% [2], estos mismos autores evaluaron la influencia del pH del jugo de marañón sobre la cantidad de etanol producida, encontrando que el pH no tiene efecto estadísticamente significativo sobre el rendimiento y el Yp/s, pero si afecta la producción, siendo mayor la cantidad de etanol producida a pH bajo, i.e. 44 g/L en jugo de marañón con pH 3.0 [2].Aun cuando el jugo de manzana de marañón se ha utilizado para obtener etanol con buenos rendimientos, una de las desventajas que presenta su obtención es que los pseudofrutos deben procesarse entre 2 y 3 horas después de haberse cosechado, pues su vida post-cosecha es muy corta y puede sufrir cambios fisicoquímicos y microbiológicos que afectan el rendimiento de etanol. Por lo anterior, y tratando de incrementar el rendimiento de producción de etanol para aprovechar integralmente la manzana del marañón, en diversas investigaciones se plantea el uso del bagazo resultante de la extracción del jugo para la producción de bioetanol.b) A partir de bagazo de marañónSolo 12% de la manzana del marañón total es procesado industrialmente para la obtención de jugo y, aproximadamente, un 40% (P/P) permanece como bagazo que no se emplea para consumo humano y no tiene valor comercial, por lo que generalmente es descartado por la industria procesadora local [20-22]. Este bagazo contiene grandes cantidades de fibra (33 al 41.5 %). Matias y col. (2005) reportan la composición del bagazo fresco y deshidratado de marañón obtenido después del proceso industrial de extracción de jugo en Brasil (Tabla 3), estando presente en este tejido pequeñas cantidades de azúcares libres [23].

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Tabla 3. Componentes del bagazo de marañón cultivado en Brasil

Fracción Humedad (%) Fibra cruda (%)

Azúcares reductores (mg/100 g)

Azúcares totales

(mg/100 g)Bagazo fresco 78.76 ± 0.41 33.10 ± 0.75 6.84 ± 0.78 7.68 ± 0.78Bagazo deshidratado 3.55 ± 0.20 41.53 ± 0.24 13.32 ± 0.30 16.86 ± 0.28

Fuente: Matias y col, 2005 [23].

Dentro de la fibra cruda del bagazo de manzana de marañón se incluye celulosa (20.54 ± 0.70 %), hemicelulosa (16.33 ± 3.0 %), lignina (33.62 ± 5.28 %) y minerales (0.20 ± 0.07%) [22, 24]. También se ha reportado la presencia de 14.2 % de proteína cruda y 11.3 % de carbohidratos no fibrosos [21], por lo que podría ser un medio adecuado para la obtención de bioetanol. Sin embargo, la biomasa lignocelulósica debe ser pre-tratada para dejar la fracción de celulosa más accesible al ataque enzimático y, en consecuencia, lograr la liberación de azúcares [7]. Se han evaluado diversos procesos de pretratamientos con la finalidad de mejorar la hidrólisis enzimática, entre estos se incluyen tratamiento con ácido o con álcali, explosión de vapor y solventes orgánicos. Cuando el bagazo de manzana de marañón se somete a hidrólisis con 0.2 % de ácido sulfúrico en condiciones de autoclave (121°C, 15 minutos) y se ajusta a 4.5 el pH de la fracción líquida resultante con hidróxido de calcio, se encuentran los siguientes azúcares y ácidos orgánicos (Tabla 4):

Tabla 4.Composición del hidrolizado de bagazo de marañón

Compuesto Antes del ajuste de pH Después del ajuste a pH 4.5

Celobiosa 5.24 ± 0.31 g/L NDGlucosa 29.08 ± 0.47 25.13 ± 1.87Xilosa 24.48 ± 1.30 21.61 ± 2.00Arabinosa 11.33 ± 1.78 11.33 ± 1.78Ácido fórmico 2.90 ± 0.63 0.4 ± 0.04Ácido acético 2.73 ± 0.26 1.94 ± 0.34Furfural 0.12 ± 0.06 < 0.001HMF 0.10 ± 0.05 < 0.001

Fuente: Rocha et al., 2011 [22]

281

El ajuste de pH del hidrolizado causa la formación de un precipitado, debido probablemente a la baja solubilidad de las sales de calcio y la formación de complejos con algunos de los compuestos tóxicos presentes en los hidrolizados de biomasa, como los ácidos orgánicos, el furfural y el hidroximetilfurfural (HMF), afectando también el contenido de azúcares. Se ha observado que en la fermentación de hidrolizados conteniendo bajas concentraciones de ácido acético, fórmico y levulínico, se favorece la producción de etanol, mientras que las concentraciones altas de estos compuestos inhiben su producción.En otro trabajo se reporta la fermentación del bagazo de marañón hidrolizado sin ningún suplemento nutritivo adicional, esta se realizó a 40°C, 200 rpm y pH inicial de 4.5, utilizando una cepa aislada del efluente de una refinería petrolera de Ceará, Brasil, la cepa de Kluyveromyces marxianus CE025 tuvo una fase lag de más de 8 horas en este sustrato, observándose posteriormente un incremento en el crecimiento, alcanzándose a las 72 h una concentración de biomasa de 10.13 ± 0.5 g/L. El consumo de glucosa fue más rápido que el de xilosa y no se observó producción de xilitol, la mayor concentración de etanol se obtuvo a las 48 h con 6.37 ± 0.5 g/L, la productividad máxima fue de 0.13 g/L/h y el rendimiento de etanol en base a sustrato fue de 0.273 ± 0.017 g/g de glucosa. Se observó una reducción gradual de la concentración de etanol después de las 48 h, ocasionada probablemente por su volatilización [22]. En un intento por mejorar el rendimiento en la producción de bioetanol de segunda generación a partir de bagazo de manzana de marañón (CAB), se aisló una cepa del jugo de marañón fermentado naturalmente, la cual fue identificada como Hanseniaspora sp. GPBIO03 y para evaluar su eficiencia fermentativa se inoculó en un hidrolizado de bagazo de manzana de marañón el cual se obtuvo del pretratamiento con ácido sulfúrico diluido (0.6 M) a 121°C por 15 minutos (con una concentración de sólidos del 30% P/V), al residuo sólido resultante de esta hidrólisis se le realizó un tratamiento alcalino usando una solución al 4.0% de hidróxido de sodio esterilizando a 121°C durante 15 minutos; posteriormente la fracción sólida fue hidrolizada enzimáticamente con la enzima Celluclast 1.5L (Novozyme) a 45°C durante 72h, finalmente para la fermentación con la cepa Hanseniaspora sp. GPBIO03 se ajustó el contenido de azúcares del sobrenadante a 50 g/L empleando agua destilada y se suplementó con 5 g/L de extracto de levadura y 1 g/L de (NH4)2SO4. La incubación se efectuó a 32°C y agitando a 150 rpm. En estas condiciones se alcanzó

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un rendimiento de 0.41 g/g, que representa aproximadamente 24.4 g/L de etanol, alcanzando una eficiencia de 80.23%, y un rendimiento de 20 mg etanol/g de bagazo de manzana de marañón (es decir hasta 20 kg/ton bagazo) [2].Tecnologías alternativas para la hidrólisis. El tratamiento asistido por microondas es altamente eficiente para la disrupción de la ultraestructura de la celulosa y su combinación con el pretratamiento alcalino puede acelerar la tasa de reacción química al remover la lignina y degradar parcialmente la hemicelulosa. Con este tratamiento el factor que tiene influencia en la liberación de glucosa, después de la hidrólisis enzimática de 2% (P/V) de CAB, es la concentración de hidróxido de sodio, obteniendo altos rendimientos de glucosa de hasta 372 ± 12 y 355 ± 37 mg/ gglucan, cuando se usan respectivamente 0.2 M y 1.0 M de NaOH, los factores que no tuvieron influencia significativa sobre la hidrólisis fueron el tiempo de pretratamiento (15 a 30 min) y la potencia del microondas (600 a 900 W). La fermentación del hidrolizado resultante empleando Saccharomyces cerevesiae da como resultado una concentración de etanol y productividad de 5.6 g/ L y 1.41 g/ L/h, respectivamente [24]. El pretratamiento del CAB con peróxido de hidrógeno alcalino también se ha evaluado para favorecer la conversión de celulosa en glucosa, se estudió el efecto de diferentes concentraciones de peróxido de hidrógeno a pH 11.5, y diferentes tiempos de reacción a 35 °C y 250 rpm, encontrándose que este pretratamiento reduce el contenido de lignina en los sólidos residuales y que a mayor concentración de H2O2 (4.3% v/v) se tienen las mayores tasas de hidrólisis enzimática evitando adicionalmente la producción de furfural e hidroximetilfurfural en la fracción líquida durante el pre-tratamiento, por lo que se considera que el peróxido de hidrógeno alcalino es una buena opción para el pretratamiento del bagazo de manzana de marañón; las mejores eficiencias de sacarificación se alcanzaron con CAB al 5% P/V, a 35 °C, 4.3% V/V H2O2, por 6 h y posterior hidrólisis enzimática con celulasa (30 FPU/ por gramo de celulosa, 45°C, 72 h), alcanzándose eficiencias de recuperación de azúcar del 89% y un rendimiento de glucosa de 161 mg/g CAB [25]. También se ha investigado el efecto de las combinaciones y proporciones entre diferentes enzimas, para obtener las condiciones óptimas de hidrólisis del bagazo de manzana de marañón pretratado con peróxido de hidrógeno alcalino. La hidrólisis enzimática realizada con celulasa y β-glucosidasa en una proporción de 0.61:0.39, ajustando

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respectivamente a 30 FPU/g y 66 CBU/g de CAB pretratado con peróxido alcalino. Con 4% de celulosa de CAB pretratado, se logró obtener altos rendimientos de glucosa (511.68 mg/g CAB) y xilosa (237.8 mg/g CAB), la fermentación de este hidrolizado con la cepa Kluyveromyces marxianus ATCC 36907 produjo un rendimiento de etanol de 61.8 kg/ton CAB, que corresponde a 15 g/L de etanol alcanzando una productividad de 3.75 g/L/h [26].Conclusiones y perspectivasEl marañón (Anacardium occidentale) es un fruto tropical subutilizado debido a que durante la cosecha de la nuez de la India quedan abandonadas en el campo grandes cantidades de la manzana. Dada la composición de éste tejido, en cuanto al contenido de carbohidratos, vitaminas y minerales se refiere, se considera un material lignocelulósico con potencial para su utilización en la producción de etanol combustible. Las investigaciones realizadas están enfocadas en aprovechar las dos principales fracciones que lo conforman, el jugo que contiene azúcares fácilmente fermentables y el bagazo constituido por polisacáridos que requieren hidrólisis química, enzimática o tratamientos de hidrolisis con tecnologías innovadoras previas a la fermentación. En los diferentes reportes, las cantidades de etanol obtenidas a partir de este sustrato, varían en función de la fracción utilizada y de los ajustes efectuados en el contenido de nutrientes (adición de sales de amonio y extracto de levadura) y de las condiciones medioambientales (pH, temperaturas, cantidad de oxígeno, entre otras) requeridas para el proceso fermentativo. La manzana del marañón que actualmente se considera un producto de desecho posee un gran potencial y oportunidad para su explotación comercial a través de diferentes procesos fermentativos, que conlleven a la diversificación de los agronegocios. Por ser una materia prima de bajo costo, además de contribuir a resolver la problemática del desecho de la manzana de marañón, evitando de este modo, su pudrición en el campo y agregando valor al mercado del marañón. Este residuo se presenta como una alternativa prometedora para la producción de biocombustibles, con el aprovechamiento integral de los subproductos generados durante la obtención de la nuez de la India. Sin embargo, es evidente que aún se requiere una optimización para desarrollar una ruta eficiente para la producción de etanol a nivel comercial, o bien la utilización de tecnologías alternativas para la hidrólisis de la celulosa y hemicelulosa que constituyen el bagazo de la manzana de marañon, a fin de permitir la liberación de

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la mayor cantidad de azúcares fermentables. Otro reto que se tiene en esta área de investigación, es contar con microorganismos que tengan capacidades fermentativas y eficiencias de conversión elevadas, así como tolerancia a grandes cantidades de etanol y consumo tanto de hexosas como pentosas. De igual forma, es conveniente vislumbrar otras alternativas de aprovechamiento integral del marañón, como puede ser su empleo para la elaboración de alimentos funcionales con fibra dietética y capacidad antioxidante, o bien como fuente para la extracción de polifenoles y carotenoides que puedan incorporarse posteriormente a alimentos o fitofármacos.

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Biosíntesis de Nanopartículas

Mediante el Uso de

Microorganismos

MARCELINO-PÉREZ G.

VILLANUEVA-IBÁÑEZ M.

ROA-VELAZQUEZ D.

MERCADO-FLORES Y.

ANDUCHO-REYES M.A.

FLORES-GONZÁLEZ M.A.

Antecedentes En la Agenda de Innovación de Hidalgo 2015 se identificaron como áreas de especialización a la Metalmecánica-Automotriz-Transporte, Agro Biotecnología, Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC), Logística, y Textil y Confección, cada una con sus nichos de especialización y de las cuales, la gran mayoría se relaciona en diferentes niveles con la nanotecnología, por lo que ésta tiene un gran terreno de oportunidades como tecnología multidisciplinaria para resolver necesidades del estado de Hidalgo, notablemente con Agro Biotecnología mediante la nanobiotecnología. En este contexto, la nanotecnología es una área dedicada a la creación, explotación y síntesis de materiales con dimensiones inferiores a 100 nm, mientras que la biotecnología es la aplicación de la ciencia y la tecnología en organismos vivos, así como a sus partes, productos y modelos para modificar materiales vivos o no vivos para la producción de conocimiento, bienes y servicios [1]. La convergencia entre estas dos áreas ha dado como resultado el nacimiento de lo que ahora se conoce como nanobiotecnología, siendo considerada

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como una nueva disciplina con grandes logros en los últimos años [2]. Como definición, se tiene que la nanobiotecnología es la ingeniería, la construcción y la manipulación de las entidades en el rango de 1 a 100 nm, utilizando enfoques basados en la biología o en beneficio de los sistemas biológicos. Las áreas que abarca son interdisciplinarias, entre las que se encuentran la ingeniería, biología, ciencias de los materiales, químicas, físicas, matemáticas e informáticas; la conjunción de éstas ha propiciado la producción de una nueva generación de materiales y métodos para su fabricación [3]. Biomoléculas como lípidos, ácidos nucleicos, péptidos, proteínas y vitaminas, entre algunos metabolitos secundarios, son compuestos versátiles y materia prima de la nanobiotecnología; sin embargo, estas biomoléculas no siempre están disponibles ya que suelen encontrarse en células animales y vegetales, que resulta complicado mantener debido a las condiciones de crecimiento y reproducción. Una opción viable para la obtención de todos los compuestos antes mencionados es el uso de microorganismos, que han probado ser utilizados para la producción de nanomateriales [4].

Nanomateriales, nanopartículas y su importancia Los nanomateriales son aquellas estructuras que tienen una escala de longitudes características (tamaño de los granos, el espesor de las capas, diámetro de las partículas, cristalinidad, etc.) menor a 100 nm (1 nm = 10-9 m). Pueden ser metálicos, poliméricos, cerámicos o compuestos [5]. Dentro de los nanomateriales encontramos a las nanopartículas (NPs) clasificadas como nanomateriales de dimensión cero (O-D) por tener tamaño inferior a 100 nm en todas las direcciones (X,Y,yZ). Las NPs son entidades estructurales formadas por grupos de átomos (106 átomos o menos) con un intervalo de tamaño de 1 a 100 nm, estas pueden presentarse en forma de polvos o coloides, permaneciendo sobre algún sustrato o inmersas dentro de una matriz de mayor tamaño, pero de diferente naturaleza [6; 7]. En la última década, las NPs de Ag, Au, Cu, Fe, ZnO, TiO2, entre otras, han cobrado gran interés comercial principalmente en las áreas de la medicina y ambiental debido a que presentan propiedades catalíticas, ópticas, piezoeléctricas, electrónicas, además de que pueden presentar actividad antibacteriana al igual que antifúngica, son biocompatibles, tienen una alta estabilidad química y son ambientalmente seguras [8; 9].

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Aproximaciones para la síntesis de nanomateriales Dada la importancia de los nanomateriales, existe una gran variedad de métodos para su obtención, los cuales se han agrupado en dos grandes aproximaciones: I) Aproximación de “arriba hacia abajo”. Esta aproximación consiste en la reducción de materiales en estado masivo hasta la obtención de tamaños inferiores a los 100 nm. Por lo regular se requiere del uso de equipos de un elevado costo y de los cuales no se obtienen rendimientos altos del producto deseado, el modelo más claro para esta aproximación es el uso del molino de bolas de alta energía. II) Aproximación de “abajo hacia arriba”. Son aquellos procesos que inician por el ensamblaje de átomos individuales hasta llegar a la escala nanométrica. El método más representativo es el coloidal que tras una serie de reacciones químicas se promueve la nucleación y el crecimiento del nanomaterial dentro de un disolvente. Lo más común para promover la síntesis de nanomateriales en esta aproximación es el uso de agentes reductores en combinación con condiciones muy extremas, como altas temperaturas (superiores a los 500 °C) y presiones elevadas (superiores a 3 atm), cabe destacar que dentro de esta aproximación se encuentran los métodos que utilizan como materia prima sistemas biológicos [10].Actualmente, los procesos convencionales que se eligen para la síntesis de NPs presentan un gran número de inconvenientes; por ejemplo, el requerimiento de agentes reductores tóxicos, radiación, equipos con elevado costo, temperaturas extremadamente elevadas, así como presiones hiperbáricas, altos requerimientos energéticos, entre otros; por otro lado, se generan residuos tóxicos, los tamaños de las partículas obtenidas no son homogéneos y por lo regular los procesos de separación para remover los residuos tóxicos que rodean las NPs no son del todo efectivos ya que no se eliminan completamente, reduciendo los posibles campos donde se puedan aplicar. Dado lo anterior, en la actualidad se están buscando nuevos métodos para la síntesis de NPs que sean ecoamigables tanto para la naturaleza como para el ser humano, con tamaños homogéneos y que no contengan químicos nocivos para la salud de cualquier ser vivo [11; 12; 9].Biosíntesis de nanopartículas por microorganismos Una alternativa que se ha desarrollado hace algunos años para la síntesis de NPs es la utilización de microorganismos tales como bacterias y levaduras (microorganismos unicelulares) así como hongos filamentosos (microorganismos pluricelulares), los cuales han sido aislados de

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diferentes ecosistemas entre los que destacan aquellos obtenidos de suelos y aguas con altos contenidos de metales pesados que pueden ser tóxicos para ellos, o de suelos mineros y desagües de minas. Particularmente, hoy en día es bien conocido que los microorganismos que habitan en minas y residuos producidos por las mismas, tienen la capacidad de resistir o tolerar a una gran variedad de metales [13]. Aquellos microorganismos que son resistentes se caracterizan por poseer mecanismos de destoxificación codificados genéticamente, mismos que son activados en presencia de dicho metal; por otro lado, a los microorganismos tolerantes les es indiferente la ausencia o presencia del metal. Los microorganismos, ya sean tolerantes o resistentes, presentan diversos mecanismos con lo que aseguran su supervivencia en condiciones ambientales deficientes de nutrientes y principalmente con una alta concentración de metales tóxicos para ellos (ecosistemas contaminados); tales mecanismos incluyen la biosorción, bioacumulación, biomineralización, biotransformación y quimiosorción [14], con los que es posible aprovechar sus características y obtener partículas metálicas con tamaños inferiores a 100 nm, considerando de esta manera a los microorganismos como nanofábricas [15].Biosíntesis de nanopartículas por bacteriasDesde hace mucho tiempo se han estado utilizando microorganismos para extraer metales valiosos del medio ambiente. Tanto bacterias gramnegativas como grampositivas se han aprovechado para la biosorción de metales como plata, cobre y cadmio. Algunas como Acidithiobacillus ferroxidans y Leptospirillum ferroxidans han presentado una alta capacidad de adsorber iones metálicos, los cuales permanecen en la superficie y algunas veces en el citoplasma, por lo que han sido utilizados en la biorremediación, estos microorganismos son conocidos como “organismos competentes” [16]. Para la mayoría de los microorganismos los metales son tóxicos, aunque algunas bacterias han presentado resistencia a metales nobles como la plata y el oro que no causan ninguna alteración en su ciclo de vida, dada su acumulación en forma de nanopartículas en los espacios intracelulares [17].

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Tabla 1. Bacterias utilizadas para llevar a cabo la biosíntesis de NPs.

Bacteria NP Tamaño (nm) Morfología Modo de

biosíntesis Referencia

Aeromonas hydrophila ZnO 42-64 nm Hexagonal Extracelular 19

Bacillus

amyloliquefaciens CdS 3-4 Cúbica y heaxogal Extracelular 20

Bhargavaea indica Ag-Au 30-100 Irregular Extracelular 15Desulfovibrio desulfuricans NCIMB8307

Pd 50 Esférica Intracelular 21

Geobacillus sp. cepa ID17 Au 5-50 Cuasi

hexagonales Extracelular 22

Lactobacillus plantarum VITES07 ZnO 7-19 Hexagonal Extracelular 23

Lactobacillus sporoge ZnO 5-15 Hexagonal Extracelular 24

Morganella sp. Ag 20 Esférica Extracelular 25Pseudomonas deceptionensis Ag 10-30 Esférica Extracelular 26

Pseudomonas fluorescens Ag 85 Irregular Extracelular 27

Pseudomonas stutzeri AG259 Ag 200 Esférica Intracelular 28

Rhodopseudomonas capsulate Au 10-20 Esférica Extracelular 29

Rhodococcus pyridinivorans NT2 ZnO 100-120 Hexagonal Extracelular 30

Rhodobacter sphaeroides CdS 7 Irregular Extracelular 31

Stenotrophomonas malophilia Au 40 Esférica Intracelular 32

En la que se reconoce como la primera biosíntesis de NPs-Ag se utilizó la bacteria Pseudomonas stutzeri AG259, aislada de una mina de plata. La bacteria P. stutzeri fue expuesta a una solución de AgNO3 y a un tiempo determinado se realizaron observaciones en microscopia electrónica

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de transmisión (MET) con las que se pudo apreciar cristales de formas triangulares y hexagonales con tamaños de hasta 200 nm en la membrana celular [18]. A partir de ese momento los métodos biológicos empezaron a ganar terreno en la síntesis de nanomateriales, principalmente NPs metálicas y óxidos metálicos, haciendo uso no solo de bacterias sino también de hongos tanto filamentosos como levaduriformes. Algunos de los trabajos en los cuales se han utilizado bacterias para la biosíntesis de NPs se reportan en la Tabla 1.MiconanotecnologíaUso de hongos para la obtención de nanomateriales. El término “miconanotecnología” (mico, hongos; nanotecnología, la producción y explotación de materiales en un intervalo de tamaño de 1-100 nm) fue propuesto para definir la fabricación de NPs por medio de hongos y su aplicación posterior en diferentes áreas [33]. Con el paso de los años se ha considerado a la miconanotecnología como una área interdisciplinaria con gran potencial [34] debido a que hay reportadas 100,000 especies de hongos y se estima que podrían existir aproximadamente 1.5 millones. El uso de hongos para sintetizar nanomateriales presenta ventajas distintivas con respecto a las bacterias y plantas como la secreción de altas concentraciones de enzimas capaces de reducir iones metálicos, no se requiere de medios de cultivo de composición compleja para la obtención de su biomasa, ni tiempos prolongados de cultivo, bajo condiciones de cultivo bien establecidas se puede mantener constante la concentración de biomoléculas secretadas [35]. Diversos reportes han descrito la síntesis de NPs a partir de una gran variedad de especies de hongos (Tabla 2), con los que se han obtenido nanomateriales con propiedades diferentes a sus homólogos en escala masiva; sin embargo, aún falta quedan muchas especies por ser evaluadas lo que da una idea del amplio campo de investigación por explotar en el área de la miconanotecnología.Estrategias para la biosíntesis de nanopartículas a partir de microorganismos. La síntesis de NPs a partir de microorganismos se puede dividir en dos categorías en función de la localización en donde son obtenidas. En la primera, la biosíntesis de NPs se lleva cabo de forma intracelular, de manera general consiste en el transporte de iones metálicos al interior de la célula con ayuda enzimas y un gasto energético, dentro, los iones metálicos son reducidos y comienzan un proceso de nucleación que es rigurosamente controlado por las biomoléculas

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presentes en el medio, lo cual da lugar a la formación de las NPs; no obstante, estas partículas son confinadas en un espacio celular donde no intervengan con sus funciones vitales, como en vacuolas (hongos y levaduras) o el espacio periplásmico en el caso de bacterias, de tal forma que aseguran su supervivencia en ambientes hostiles para su desarrollo [13; 36]. Por otro lado, en la segunda categoría, la síntesis de NPs se realiza de forma extracelular la cual se basa principalmente en el secuestramiento de los iones metálicos mediante la excreción de enzimas por parte de los microorganismos [36]. Otras formas de obtener la NPs de extracelularmente son el empleo de extractos crudos enzimáticos, los cuales contiene enzimas y los residuos del medio de cultivo, así como mediante el uso de filtrados libres de células que se obtienen al suspender biomasa en medios acuosos o lisados celulares obtenidos de la lisis celular.Biosíntesis intracelular de nanopartículas utilizando microorganismosLa síntesis intracelular de NPs es menos usada debido a que involucra la separación adicional para la recuperación de las partículas. La biosíntesis de NPs de manera intracelular va a depender del microorganismo elegido ya que en su mayoría tienden a acumular los iones metálicos, aunque hay excepciones, ya que ha habido casos en los que el microorganismo sintetiza NPs tanto intra como extracelularmente, claro ejemplo de ello es el hongo Verticillium sp. que sintetizó NPs-Au con tamaño de partícula de 25 nm de manera intracelular y extracelular [37]. Para llevar a cabo la biosíntesis de NPs de forma intracelular generalmente es necesario cultivar al microorganismo en un medio líquido con los nutrientes necesarios para su crecimiento; las condiciones de cultivo como temperatura, agitación y pH regularmente dependen de las necesidades y características de cada microorganismo, después de determinado tiempo de cultivo la biomasa obtenida es separada del medio de crecimiento para ser lavada con agua, con para retirar los remanentes del medio de cultivo. Inmediatamente, una determinada cantidad de biomasa es resuspendida en la solución con concentraciones conocidas del ion metálico de interés, de esta forma el microorganismos es capaz de desarrollar los mecanismos necesarios para transformar el metal al que fue expuesto y dar lugar a la formación de las NPs. En algunos casos los hongos confinan las NPs en espacios que les permita seguir su ciclo de vida, y en otros, inmediatamente después de formar las nanopartículas, mueren [37].

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Tabla 2. Hongos utilizados para la biosíntesis de NPs.

Hongo NP Tamaño (nm) Morfología Modo de

biosíntesis Referencia

Alternaria alternate Se 20-60 Esférica Extracelular 38

Alternaria alternate ZnO 45-150 Hexagonal Extracelular 39

Aspergillus aeneus ZnO 100-140 Hexagonal Extracelular 13

Aspergillus terreus ZnO 54-82 Hexagonal Extracelular 40

Colletotrichum sp. Au 20-40 Esférica Extracelular 41Fusarium oxysporum Ag 5-50 Esférica Extracelular 42

Fusarium oxysporum Magnetita 20-50 Cuasi

esferica Extracelular 43

Fusarium oxysporum Ti 6-13 Esférica Extracelular 44

Helminthosporum solani Au 2-70 Diferentes

morfologías Extracelular 45

Neurospora crassa Ag y Au >100 Cuasi

esféricasIntra/

extracelular 46

Neurospora oryzae Ag 30-90 Esférica Intra/

extracelular 47

Phoma glomerata Ag 20 Esférica Extracelular 48Penicillium atramentosum KM Ag 5-20 Esférica Extracelular 49

Penicillium sp. Au ------- Esferica Extracelular 50Pichia fermentans JA2 ZnO ----------- Hexagonal Filtrado

celular 9

Verticillium sp. Magnetita 100-400 Cubo-octaédrica Extracelular 43

Biosíntesis extracelular de nanopartículas utilizando microorganismosDesde el punto de vista de la aplicación, la síntesis de nanopartículas extracelular sería la más conveniente debido a que no se requieren procesos adicionales para liberar las partículas contenidas en la biomasa [51]. Para la síntesis extracelular de NPs se han propuesto tres metodologías. En

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la primera es necesario cultivar al microorganismo en un medio líquido, al igual que cuando se realiza una síntesis intracelular, pero en lugar de utilizar la biomasa se emplea el sobrenadante o extracto crudo enzimático, el cual es rico en enzimas, proteínas, azúcares, metabolitos primarios y secundarios, los cuales pueden ayudar a la síntesis de las NPs. Esta ruta tiene la desventaja de no controlar adecuadamente el tamaño y la estabilidad; aunque presenta ventajas ya que a partir de éste se pueden identificar las biomoléculas, principalmente enzimas, involucradas en la formación de las nanopartículas, para posteriormente aislarlas, tal es el caso de la enzima lacasa que fue purificada a partir de un extracto crudo enzimático de Pleurotus ostreatus con el que obtuvieron NPs-Au con tamaños de 22-39 nm; sin embargo, es de resaltar que no es necesario que la enzima se encuentre en su forma activa para llevar a cabo la síntesis de las NPs ya que las interacciones electrostáticas entre los iones metálicos y los grupos carboxilo de la enzima son suficientes para promover la reducción de los iones y formación de las NPs [52]. Para la segunda metodología se obtienen lisados celulares, la metodología consiste en la molienda mecánica de la biomasa del microorganismo para liberar su contenido intracelular y mediante centrifugación se separa la fase sólida. En ocasiones el sobrenadante es suspendido en búfer para mantener estable la solución de biomoléculas obtenida y poder posteriormente llevar a cabo la síntesis de NPs. El lisado celular de Lentinus edodes es un ejemplo, con esta estrategia se observaron cambios de coloración indicativos de la formación de NPs-Au, y se demostró que el lisado está compuesto principalmente por lacasas, tirosinas y Mn-peroxidasas [53]. La última y cada vez más utilizada forma para la obtención de NPs es la producción de filtrados libres de células (FLC), la elaboración del FLC consiste en suspender biomasa del microorganismo en estudio perfectamente lavada en agua estéril durante determinado tiempo para posteriormente ser incubada a las mismas condiciones de cultivo. El siguiente paso es separar la biomasa del sobrenadante denominado FLC, el cual sirve como punto de partida en combinación con un precursor para la formación de nanoestructuras [54].

Mecanismos de reacción para la biosíntesis de nanopartículas Los avances hasta el momento en materia de mecanismos de formación de nanopartículas metálicas se han centrado principalmente a procesos

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enzimáticos; por ejemplo, las enzimas nitrato reductasa y sulfito reductasa, son dos enzimas identificadas que influyen directamente en la formación de NPs metálicas [55; 56]. Se observó que es necesario que la enzima nitrato reductasa se encuentre en presencia de quinonas ya que actúan como lanzadera de electrones, esenciales para llevar a cabo el proceso de reducción y formación de NPs. La presencia de la enzima se demostró tanto en la biomasa y como en el filtrado libre de células de Fusarium oxysporum, en la Figura 1 se muestra el mecanismo hipotético propuesto [55]. Por otro lado, por acción de la enzima sulfito reductasa es posible reducir iones oro, el proceso es muy similar al ocurrido con la enzima nitrato reductasa, ya que requiere la presencia de fitoquelatina, la cual controla el tamaño de las partículas, permitiendo mantener la escala nanométrica [56].

Figura 1. Mecanismo hipotético para la síntesis de NPs-Ag con F. oxysporum (55).

El mecanismo de formación de nanopartículas también se ha descrito mediante la intervención de proteínas, tal es el caso de las proteínas de peso molecular de 45 y 42 kDa, identificadas mediante SDS-PAGE en la biomasa de Rhizopous oryzae, ambas juegan un rol importante y fueron propuestas como agentes reductores [57]. En la Figura 2 se aprecia el mecanismo propuesto por los autores.

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Figura 2. Mecanismo de biomineralización a partir de R. oryzae de iones oro propuesto por Das et al. (2012).

No solo en las síntesis de NPs de Ag y Au se describe la intervención de enzimas, también se ha hecho mención del papel que juegan éstas en la síntesis de NPs de óxidos metálicos, tal es el caso de las NPs de ZnO y TiO2 donde se consideran las enzimas presentes en el medio de síntesis como agentes reductores y a otro tipo de proteínas como agentes estabilizantes (Figura 3).

Figura 3. Mecanismo de reacción hipotético para la síntesis de NPs-ZnO a partir del FLC de Aspergillus fumigatus TFR-8 (58).

La síntesis de nanomateriales a partir de microorganismos es una opción incluida dentro de los métodos biólogos; sin embargo, uno de los inconvenientes que presentan es que aún no se conocen todos los procesos involucrados en la formación y estabilización de las NPs,

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siendo necesarios mayores estudios para conocer más a fondo este tipo de procesos, para que de esta forma se establezcan adecuadamente los protocolos de síntesis y que los procedimientos puedan competir con los procesos químicos y físicos que en su mayoría ya se encuentran bien establecidos. Hasta el momento se sabe que son variadas las biomoléculas que pueden llevar a cabo la síntesis de nanomateriales cuando se emplean microorganismos, como por ejemplo, aminoácidos, tripéptidos, oligopéptidos y péptidos [59; 60].

Factores que afectan la biosíntesis de nanopartículas Considerando las diversas investigaciones relacionadas con la biosíntesis de NPs a partir de microorganismos, la temperatura, pH, agitación, aireación, tiempo de cultivo, cantidad de biomasa y concentración de la sal precursora, han sido sugeridas como variables que pueden afectar el tamaño, forma y monodispersidad de las NPs [34]. El efecto que tiene el utilizar altas concentraciones de sal precursora y una baja agitación, se ve reflejado en que se obstaculiza la formación de NPs, lo que contrasta cuando son utilizadas bajas concentraciones de sal y una moderada agitación [34].El pH es uno de los factores más importantes ya que puede tener efectos interesantes en la síntesis de NPs. Gericke y Pinches (2006) evaluaron el efecto del pH en la síntesis de NPs y encontraron que a diferentes valores de pH se puede cambiar la forma de los cristales, concluyeron que a pH 3 predominaba la formación de NPs esféricas y tamaños menores a 10 nm, mientras que al usar un pH neutro y uno básico (7 y 9) se obtenían NPs bien definidas con formas hexagonales, triangulares, varillas y esféricas teniendo el inconveniente de que las NPs tuvieron tamaños grandes, finalmente demostraron que usando pH alcalino la micosíntesis reduce el tiempo de reacción. Por otro lado, la temperatura es un factor crucial en el crecimiento, adsorción de metales y control de las actividades metabólicas en los microorganismos. La velocidad de reacción para la síntesis de NPs está completamente gobernada por la temperatura ya que a temperaturas bajas la biosíntesis es lenta y las partículas obtenidas presentan tamaños inferiores a 10 nm, caso contrario sucede cuando se utilizan temperaturas superiores a 45 °C ya que se consiguen partículas superiores a 100 nm [34]. Con respecto a la biomasa y enzimas específicas, se obtiene una mayor cantidad de NPs, pequeñas y monodispersas utilizando grandes cantidades de biomasa y enzima [42].

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Conclusiones y perspectivasEn general, los nanomateriales han cobrado gran interés debido a sus propiedades y pueden ser potencialmente aplicables en diferentes áreas, como por ejemplo en la biomedicina. De tal forma que surge el interés de desarrollar métodos ecoamigables para su producción, siendo uno de ellos el empleo de microorganismos; sin embargo, como se ha expuesto en este apartado, la síntesis de NPs metálicas es considerada como una “capacidad” que tienen los microorganismos, aunque es principalmente un mecanismo de defensa que desarrollan estos ante la presencia de iones metálicos reactivos que atentan contra su integridad celular. Hasta ahora no se han descrito las condiciones específicas y precisas para llevar a cabo la biosíntesis de cualquier tipo de NP para obtener partículas con tamaño, forma y dispersión controlada, por lo que es un reto realizar la biosíntesis de NPs por medio de microorganismos y encontrar las condiciones óptimas deseadas.

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Bacterias Lácticas Obtenidas de la Bebida

Fermentada Artesanal (Pulque) con

Capacidad de Biotransformar

el Ácido Linoleico

JIMENEZ-ESPINOZA S.

ESTARRÓN-ESPINOSA M.

KIRCHMAYR M. R

LUGO-CERVANTES E. C.

VILLANUEVA-RODRÍGUEZ S. J.

GARCÍA-PARRA M. D.

AntecedentesEl ácido linoleico conjugado (CLA por sus siglas en inglés), describe los isómeros posicionales y geométricos del ácido linoleico (LA por sus siglas en ingles), que contienen un sistema de dos dobles enlaces, donde cada uno de los dobles enlaces pueden estar en configuración cis o trans y en diferentes posiciones a lo largo de la cadena de 18 carbonos, dando lugar a 28 posibles isómeros, aunque la conjugación de dobles enlaces se produce como parte de la oxidación mediada por radicales libres de LA, el CLA es un verdadero isómero de LA, ya que no posee oxígeno adicional, los isómeros de CLA han atraído mucha atención como un nuevo tipo de lípido funcional biológicamente beneficioso, teniendo en cuenta su uso con fines medicinales, nutracéuticos y para el uso en alimentos funcionales [1, 2, 9, 17, 20,25].El CLA ha recibido gran interés en los últimos años debido a los diferentes estudios sobre sus efectos benéficos, que incluyen anti-cancerígenos,

306

anti-diabético, anti-inflamatorios, anti-obesidad y anti-aterogénico, los cuales han sido confirmados tanto en in vivo e in vitro. Los ácidos grasos que constituyen el CLA se producen naturalmente en los rumiantes como intermediarios de la biohidrogenación del LA producida por la bacteria Butyrivibrio fibrisolvens, en el rumen de estos animales y que finalmente lleva a la generación de una mezcla de ácidos grasos monoinsaturados y saturados. De los dos físicamente importantes isómeros cis -9, trans -11 (tambien denominado ácido ruménico) es el más prevalente que comprende 80 a 90% del total de CLA que se ha encontrado en productos alimenticios de rumiantes, otro isómero es trans -10, cis -12 (t10, c12 CLA), está presente en pequeñas cantidades de 3-5% de CLA, se han encontrado otros tipos de isomeos en concentraciones menores a los anteriores [1, 2, 5, 6, 9, 16, 17, 18, 24, 33].Hasta la fecha, los isómeros de CLA cis -9, trans -11 y trans -10, cis -12 se han prestado especial atención debido a sus actividades biológicas notables, a pesar de eso los efectos de CLA en los seres humanos son menores que los observados en los animales. Una posible explicación para esto es que se han utilizado concentraciones más altas de CLA en estudios con ratones en comparación con los estudios en humanos. Con respecto a este punto, la dosis efectiva de CLA en animales y seres humanos todavía no está clara, mientras tanto todos los productos que actualmente se encuentran en el mercado contienen mezclas de los isómeros de CLA (c9, t11-CLA y t10, c12-CLA), con una relación de 50:50 [10, 20]Los productos cárnicos, grasos y lácteos derivados de los animales rumiantes, son las principales fuentes de alimentos que contienen de CLA en la dieta humana. Sin embargo en la actualidad con el cambio de alimentación en la dieta de los animales rumiantes ha llevado a la disminución de contenido de CLA en sus productos antes mencionados, es de ahí donde surge la necesidad de buscar fuentes alternativas para la producción de CLA, alguna de estas fuentes es a través de microorganismos donde se requiere un proceso más selectivo y seguro de los isómeros. En diversas investigaciones se han reportado algunos microorganismos con capacidad de biotransformar el LA a CLA generando altas proporciones de los isómeros biológicamente más activos (ácido ruménico y el t10, c12 CLA), dentro de los microorganismos con esta capacidad se encuentran las bacterias ácido lácticas (BAL); Propionibacterium, Enterococcus,

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Pediococcus, Propionibacterium, Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptocucus, entre otras [1, 2, 4, 6, 9,15, 20, 28, 33].

Las bacterias ácido lácticas (BAL)Las bacterias son microorganismos unicelulares independientes que se diferencian de las células eucariotas en no poseer un núcleo limitado por una membrana y en general, carecer de orgánulos intracelulares. Las bacterias son los organismos más abundantes y extendidos de la Tierra, Se pueden encontrar en todos los hábitats incluidos los alimentos y el cuerpo humano. De hecho, se estima que el número de bacterias presentes en el intestino es diez veces superior al de células que forman el cuerpo humano, esto es posible por la diferencia de tamaño: una bacteria típica como Escherichia coli tiene un volumen aproximado de 4×10-9 mm3 frente a 4×10-6 mm3 de una célula humana típica. Así pues, a grandes rasgos, una célula humana tiene un volumen mil veces mayor que una bacteria. A diferencia de animales o plantas, las bacterias presentan escasos rasgos morfológicos que puedan ser utilizados para su clasificación en especies, además su pequeño tamaño dificulta su observación. Sin embargo se caracterizan por una gran diversidad metabólica y fisiológica. Por ello la clasificación de las bacterias casi desde los inicios tuvo que incluir también caracteres metabólicos es decir ensayos en los que se determina la capacidad de transformar unos compuestos en otros [3, 8, 29, 33].Las BAL son ampliamente distribuidas en diferentes ecosistemas, para la utilización en vegetales, fermentaciones cárnicas, queso, mantequilla, yogurt, salchichas, ensilajes, olivos, uvas y cereales como pan y cerveza, preservando y proporcionando propiedades sensoriales y nutricionales a los productos alimenticios. Las BAL desempeñan un papel importante en los procesos de fermentación; ellas son muy utilizadas en la industria alimentaria por su habilidad de producir el ácido láctico, las bacterias acidificantes, llamadas también bacterias iniciadoras, contribuyen al sabor, aroma, textura y el valor nutricional de alimentos fermentados a través de la producción de exopolisacáridos y modificación proteínas, lo anterior debido a su actividad metabólica sobre proteínas, azúcares y lípidos, contribuyendo a la digestibilidad de alimentos y preservación del producto final [ 8, 14, 19, 21].Funciones de las BAL en la industria de alimentos Las funciones en la tecnología de productos alimenticios de las BAL

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son: formación de sabor ácido, inhibición de organismos patógenos, gelificación de la leche, reducción del contenido de lactosa, formación de aroma, producción de gas requerida para la formación de “ojos” en los quesos, proteólisis requerida en la maduración de los quesos, también han sido muy utilizadas como probióticos .La primera y principal función de las BAL es la formación de ácidos orgánicos, principalmente ácido láctico a una velocidad conveniente para asegurar una fermentación consistente y éxitos. El ácido láctico puede ser obtenido a través de la fermentación de la lactosa, que da un sabor ácido fresco en leches fermentadas, mejora cuerpo y textura en los quesos e inhibe, en parte, el desarrollo de flora contaminante y patógena. Además, aseguran la calidad y uniformidad del producto final y en varios casos al valor nutricional de productos alimenticios. Poseen actividades proteolíticas y lipolíticas, especialmente durante la maduración de los quesos, producción de otros componentes (alcohol) en la elaboración de kumis. BAL producen pequeñas cantidades de acetaldehído y diacetilo por la fermentación de citratos, otorgando sabor y aroma agradable. Además producen dióxido de carbono, que van a formar los ojos de algunos quesos y el carácter espumoso de algunas leches fermentadas. La actividad lipolítica y proteolítica tiene influencia en la formación de compuestos de sabor y aroma típicos de variedades de quesos madurados, como son los ácidos grasos libres y transformaciones enzimáticas de algunos aminoácidos produciendo amoniaco, ácidos orgánicos (ácido acético, ácido propiónico, ácido isobutírico) y dióxido de carbono [3, 8, 14, 19, 21, 29, 32, 33].Alimentos fermentados artesanalesLos alimentos fermentados artesanales se han consumido en México desde épocas prehispánicas, lo que actualmente sobrevive, es el testimonio de un conocimiento antiguo y recreado en las cocinas indígenas de nuestro país. En los alimentos fermentados artesanales los microorganismos endógenos de la materia prima y del ambiente juegan un papel muy importante en el desarrollo de las características sensoriales y fisiológicas [35]. Los alimentos fermentados son todos aquellos cuyo procesamiento involucra el crecimiento y la actividad de microorganismos. La fermentación de alimentos consiste en la modificación de la estructura de las materias primas como frutas, cereales, vegetales o carnes, entre otras, mediante la acción de diversos microorganismos, que a través

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de reacciones metabólicas, principalmente de los azúcares de estos alimentos, permiten la formación de ácidos orgánicos como: acético, láctico, butírico, propiónico, algunos alcoholes como el etanol, así como algunos ácidos entre ellos el ácido láctico, además de la liberación de algunos aminoácidos. Estas reacciones traen como consecuencia modificaciones en el alimento, relacionadas con el sabor, olor, textura y color [9, 21].Como consecuencia del estudio de los alimentos fermentados, no sólo se han encontrado elementos que fortalecen su importancia nutrimental en la dieta de las regiones del país en las que se consumen, sino que también se han descubierto microorganismos con actividades interesantes desde el punto de vista científico y tecnológico. Se ha reportado la presencia de BAL en una gran variedad de bebidas fermentadas artesanales dentro de las cuales se encuentra el pulque [7, 12, 13, 21].Pulque El pulque es una bebida tradicional Mexicana que se obtiene por la fermentación de la savia azucarada conocida como aguamiel obtenida a partir de diferentes especies de maguey (Agave atrovirens, A. ferox, A. mapisaga, A. salmiana) [7, 12, 13, 14, 22]. Esta bebida es consumida por poblaciones indígenas y mestizas de muchas regiones del país, particularmente en las áreas de la meseta central, de la república mexicana. Se caracteriza por ser una bebida alcohólica (4 y 6%de alcohol), blanca, con olor fuerte y viscosa. El consumo del pulque tiene toda una tradición. En los locales donde se expende tradicionalmente, las llamadas pulquerías, es imprescindible la presencia de alguna botana, como lo puede ser desde una generosa cantidad de guacamole con tortillas, hasta la venta de los carísimos gusanos de maguey y caracoles. Por otro lado, existen una serie de rituales y maneras para consumir el pulque. Así, de inicio, se puede tomar combinado con la pulpa de diferentes frutas y endulzado con miel: una especie de coctel al que se le da el nombre de curado, como el simple y barato curado de tuna roja (llamado sangre de conejo) hasta los muy caros y de categoría curado de piñón rosa, o bien el natural, denominado popularmente como curado “de ajo”, por el juego de palabras “par-a jodido” (pobre), ya que es el más barato. En el aspecto gastronómico, es el elemento alcohólico indispensable de la tradicional salsa borracha, además de que forma parte de las recetas de varios tipos de carnes y caldos. Esta bebida tuvo una importancia elevada desde el

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punto de vista comercial; sin embargo en la actualidad ya no la tiene [7, 12,13, 14, 21, 22, 27, 30, 34 ].La extracción del aguamiel y la elaboración del pulque se lleva a acabo tradicionalmente por el tlachiquero (persona que tiene un conocimiento de la biología y cuidado de la planta de maguey utilizados para la producción de pulque), el proceso inicia con la selección de las plantas maduras que tienen aproximadamente de 6 a 15 años de edad [7, 22, 26, 30]. El proceso tradicional consiste en cuatro pasos comunes, como lo describe “Escalante y col. en 2016”: el primer paso es la castración de la planta madura cortando el botón floral y hacer el agujero conocido como cajete, el segundo paso es raspado para promover aguamiel acumulación y extracción de la savia, el cuarto paso es la preparación de la semilla; el quinto paso es la fermentación; como se describe en la Figura 1 [13, 14]. El aguamiel es un líquido dulce éste puede ser ácido o ligeramente alcalino, incoloro y transparente. Posee un ligero olor herbáceo y contiene diversos minerales, además de ser rico en carbohidratos y proteínas. El contenido de sacarosa en el jugo de la planta adulta (penca o piña) es apreciable y por tanto, se trata de un substrato que puede ser empleado como materia prima en la industria de la fermentación, para la obtención de proteína de levadura; obtención de vitaminas mediante microorganismos; obtención de dextranas para uso alimenticio o clínico; mieles y jarabes de fructosa y producción de ácidos orgánicos mediante microorganismos, el aguamiel presenta un pH promedio cercano a la neutralidad (6.8) con un porciento de humedad elevado (86%) y una proporción de sólidos solubles de 10.85 ºBrix. El contenido de proteína soluble es de 5.3%. La sacarosa es el azúcar que está presente en mayor proporción, aunque hay otros polisacáridos compuestos por glucosa y fructosa como los oligofructosacáridos y polifructosacáridos [7, 22, 26, 30].

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Figura1.Aguamiel extracción a partir dela producción de maguey, el transporte a latinacal proceso y fermentación. (A)Tlachiquero extracción recién de

aguamiel con acocote (estado de Hidalgo). (B)Aguamiel se transfiere a un recipiente de plástico. (C) Aguamiel recién recogida. (D) Aguamiel acumulado

en cajete. (E) Preparación de la semilla. (F) pulque fermentado en una tina. (G) Fermentación del pulque en una tina de cuero. (H)Fermentación del pulque en

una tina de plástico [13].En cuanto al proceso de fermentación este inicia en el maguey, donde se encuentran microorganismos autóctonos como levaduras, bacterias lácticas, bacterias productoras de etanol y bacterias productoras de exopolisacaridos. Estos microorganismos transforman de manera natural parte de los azúcares disponibles en aguamiel, sin embargo el proceso se acelera por la adición de un inoculo iniciador llamado semilla (una porción de pulque previamente producido). La fermentación se realiza en depósitos generalmente de cuero de vaca, fibra de vidrio, barriles de plástico o de madera, ubicados ya sea en espacios cerrados conocidos como tinacal o en espacios abiertos específicos, el tiempo de fermentación puede durar de 12 a 48 hora a 25º C, cuidando que los recipientes no tenga ninguna sustancia que inhiba el crecimiento de los microorganismos como pueden ser: Detergentes, perfumes, desinfectantes, entre otros [7, 13, 14, 27, 34]. Se ha encontrado en investigaciones previas que a partir del pulque se pueden recuperar diversos grupos microbianos clasificados como: Bacillus, Lactobacillus, Streptococcus entre otras [13, 14, 34].

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Se han realizado diferentes estudios sobre el CLA y sus isómeros, desde su origen hasta sus beneficios, donde se ha encontrado que existen diferentes microorganismos con capacidad de producir CLA a partir de una fuente de LA, dentro de estos microorganismos se encuentran algunos géneros de BAL las cuales han sido capaces de llevar a cabo el proceso de transformación bajo condiciones específicas demostrando que no todas tienen la capacidad para llevar a cabo la biotransformación aunque sean del mismo género de bacterias; por lo que es importante investigar y estudiar si, las bacterias lácticas obtenidas a partir de pulque, el cual es un producto fermentado artesanal que tiene siglos de consumo dentro de las familias mexicanas, son capaces de biotransformar AL en CLA [24, 25]. El objetivo de este trabajo fue aislar e identificar bacterias lácticas nativas de la bebida artesanal Pulque del estado de Hidalgo, con capacidad de biotransformar ácido linoleico (LA) en ácido linoleico conjugado (CLA) en un medio de cultivo específico para este tipo de microorganismos.

Materiales y métodos El pulque fue adquirido en el municipio de San Salvador, Hidalgo, México (Figura 2). Aceite refinado de cártamo Alto Linoleico, con un contenido de LA de 67.8 - 83.2% donado por la empresa Sesajal en Guadalajara, Jalisco, México.

Figura 2. Maguey, aguamiel y pulque.

Caracterización fisicoquímica del pulque Se caracterizó el pulque mediante análisis de pH, acidez y color; pH fue medido mediante un potenciómetro (Thermo Scientific Orion Star A111 pH Benchtop Meter Kit) por triplicado; la acidez fue por la técnica de “acidez

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titulable” usando fenolftaleína como indicador por triplicado; el color fue medido en un espectrofotómetro (Espectrofotômetro/Colorímetro CM-5Marca Konica Minolta) por triplicado, (Figura 3).

Figura 3. Pulque usado para pruebas fisicoquímicas.

Identificación de bacterias lácticasLa identificación de especies de BAL se llevó a cabo mediante en un equipo Microflex LT MALDI-TOF MS (Bruker-Daltonics), utilizando el software MALDI-BIOTYPER RTC aplicando el método MBT_FC. Los espectros se generaron con 240 disparos con los parámetros preestablecidos en el método y se compararon con la librería BDAL. En detalle, se transfirieron colonias frescas de BAL de un cultivo puro en agar MRS siguiendo el método de transferencia directa (Bruker-Daltonics), a una placa MSP 96 target polished steel BC y se cubrió con 1µL de solución de matriz HCCA. El criterio para una identificación exitosa mediante esta técnica se estableció en un score mayor a 1.7.Identificación de BAL con capacidad de biotransformación de LA en CLALas bacterias lácticas nativas aisladas del pulque, fueron activadas a 37°C en caldo MRS; estos cultivos activados fueron transferidos al 5% en 10 mL de caldo MRS) y 20mg/mL de LA e incubado por 24h a 37°C.Extracción de lípidos del medio de cultivoFue realizada por extracción Liquido–Liquido; 10 mL de medio de cultivo se centrifugaron a 7000rpm durante 5 min a 4°C, posteriormente a 3 mL del sobrenadante se adicionaron 6 mL de isopropanol y se agitó por 1 minuto en vortex. Posteriormente se agregaron 5 mL de hexano, se agitó por 1 min en vortex y se centrifugó a 2000rpm durante 5 minutos a 4°C; se extrajo el sobrenadante y finalmente se retiró el solvente en Speed Vacuum, MiniVac Evaporators, (marca LABOGENE) para ser metilado.

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Metilación de lípidosLa determinación de CLA se efectuó a partir de la conversión de metil ésteres de ácidos grasos (FAMES), mediante el uso de BF3 y subsiguiente separación cromatográfica. A 150mg de la grasa obtenida se le adiciona 4ml de hidróxido de sodio en metano 0.6N, se deja en baño maría a temperatura de 80°C por 10 minutos, posteriormente sin quitar del baño de agua se le agregan 5 ml de trifloruro de boro en metanol (14-16%), se deja en reposo minutosy posteriormente se le adiciona 3ml de heptano se deja en reposo un minuto se retira del baño a 80°C y se le agregan 20ml de una solución de Cloruro de Sodio saturada, se le da un choque térmico a corriente de agua y se lleva la fase orgánica a superficie adicionándole una solución de cloruro de sodio saturado y finalmente la fase orgánica (grasa metilada), se coloca en un vial [23]Determinación de CLA por cromatografía de gasesLas muestras fueron analizadas en un cromatógrafo de gases Agilent Technologies 7890B acoplado a un detector de masas 5977, utilizando una columna HP-23 cis/trans (60m x 0.25nm ID x 0.25µm ft), inyectando 0.5 µL en un flujo de 1.3 ml/min de He. La ionización se efectuó a 70eV por EI. La identificación del CLA fue obtenida a partir de la comparación de espectros de los picos de la muestra con los de la biblioteca NIST14, así como por los espectros y tiempos de retención de un estándar puro conteniendo isómeros de CLA adquiridos en modo SIM. La cuantificación del CLA en las muestras fue realizada a partir de una calibración externa utilizando disoluciones de 0.1-50 ppm de CLA al 99% de pureza (SIGMA-ALDRICH), [23].

Resultados Características fisicoquímicas de pulqueEn la Tabla 1 se pueden observar los resultados de la caracterización fisicoquímica que se midió a el producto “pulque” fue el promedio de tres replicas, esto es importante ya que las BAL que se aislaron para este estudio fue en un producto en estas condiciones.

Tabla 1. Características fisicoquímicas del Pulque.Pulque

pH Acidez (g/L) Color4.06 6.18 L 66.22

a 1.44b 9.96

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Identificación de bacterias lácticas nativas de las bebidas artesanalesLas bacterias nativas aisladas del pulque fueron identificadas con el equipo Microflex LT MALDI-TOF MS, los resultados se muestran en la Tabla 2, como se puede apreciar en el Pulque fueron identificadas diez BAL de las cuales 6 de ellas fueron identificadas como Lactobacillus fermentum, 2 Lactobacillus plantarum, 1 como Lactobacillus pantheris y 1 como Lactobacillus brevis. Capacidad de bacterias Lácticas nativas de Biotransformar AL en CLA. Como se puede apreciar en la Tabla 3, que todas las especies de BAL fueron capaces de biotransformar el AL en CLA, en cuanto a la especie de las BAL que se aprecia una mayor biotranformación es la L. brevis, siguiéndole algunas especies de L. Fermentum y la L. Pantheris, las que tienen una menor biotransformación es la L. Brevis.

Tabla 2. Especies de BAL identificadas por Microflex LT MALDI-TOF-MS.

Muestra Especie de bacteriaP-01 Lactobacillus brevisP-02 Lactobacillus fermentumP-03 Lactobacillus fermentumP-04 Lactobacillus plantarumP-05 Lactobacillus fermentumP-06 Lactobacillus fermentumP-07 Lactobacillus fermentumP-08 Lactobacillus fermentumP-09 Lactobacillus plantarumP-10 Lactobacillus pantheris

Las especies de BAL de L. Plantarum como se observa en la Tabla 3 tienen una biotransformación de CLA similar para el isómero CLA cis -9, trans -11 de 12.60 y 12.68 mg/L, y en el caso del isómero CLA trans -10, cis -12 tienen una biotransformacion de 6.90 y 8.84mg/L.La bacteria L. Pantheris como se observa en la tabla tiene una biotransformacion mayo de que L. Fermentum y L. Plantarum, pero no mayor a la biotransformada por L. Brevis

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Tabla 3. Capacidad de Biotransformar LA en CLA de BAL aisladas de Pulque

Ácidos grasos (mg/L de la reacción de la mezcla )

Especie de bacteria CLA 1 CLA 2Lactobacillus fermentum 17.79 12.64Lactobacillus fermentum 14.94 13.34Lactobacillus fermentum 14.79 11.19Lactobacillus fermentum 19.91 13.14Lactobacillus fermentum 19.95 13.30Lactobacillus fermentum 19.35 13.02Lactobacillus plantarum 12.68 8.84Lactobacillus plantarum 12.60 6.90Lactobacillus pantheris 19.02 12.32Lactobacillus brevis 24.09 17.90CLA1: isómero cis -9, trans -11; CLA 2: isómero trans -10, cis -12.

Conclusiones y perspectivas Se aislaron e identificaron 4 especies nativas de bacterias lácticas (BAL), en la bebida artesanal Pulque, las cuales pertenecen a las especies; Lactobacillus Fermentum, Lactobacillus Plantarum, Lactobacillus Brevis. y Lactobacillus Pantheris. De las cuales la mayor especie de BAL pertenece a la L. Fermentum con un 60%, L. Plantarum se encontró el 20% y L. Brevis y L. Pantheris con un 10% cada una. De acuerdo a los resultados cromatográficos todas las especies de la bebida presentaron la capacidad de biotransformar ácido linoleico en los dos principales isómeros del ácido linoleico conjugado: CLA cis-9, trans-11 y CLA trans-10, cis-12, los cuales son considerados como los de mayor actividad biológica.Hasta el momento se evaluó la capacidad de biotransformación de forma individual cada una de las BAL aisladas, sería recomendable realizar más estudios y experimentos sobre mezclas de todas las BAL aisladas para determinar su capacidad de biotransformación de LA en CLA. Sería importante analizar la capacidad de biotransformar el LA en CLA de las bacterias aisladas en mezclas con el resto de la flora nativa presente en el aguamiel y evaluar el efecto sensorial del pulque.En nuestro país se encuentran una gran variedad de alimentos fermentados

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artesanales como lo es el caso de las bebidas, entre ellas el Pulque el cual ya que se sabe que las BAL que se encuentran en este producto lograron biotransformar el LA en CLA, y cumplir con las perspectivas antes mencionadas sería importante analizar la venta de este producto como alimento funcional dándole al producto un valor agregado.

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Congreso Biotecnología y Alimentos en Hidalgo:Transitando a la Bioeconomía

Coordinado por Luis Díaz Batalla y otros,se terminó de imprimir el día 15 de octubre de 2016

en la Ciudad de México, con un tiraje de 1000 ejemplares en offset.

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ISBN 978-607-96797-1-2