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Noviembre 2020 | Hortalizas

Potencial e implicancias de la nanotecnología en la inocuidad de hortalizas frescas en Chile

En Chile, un 70% de las hortalizas se comercializa en ferias libres y mercados mayoristas. Bajo este escenario existe la necesidad de implementar tecnologías limpias y estrategias para disminuir el riesgo de residuos de plaguicidas y contaminaciones biológicas, que puedan causar daños a la salud humana. La nanotecnología ha generado una gran variedad de materiales para disminuir la contaminación química y biológica. El uso de nanopartículas, nanocomposite, biosensores y nanotubos, prometen soluciones para la detección, degradación y remoción de residuos de plaguicidas.

Dr. Sebastián Molinett 1, Dr. Sebastián Elgueta2 .

1. Laboratorio de Fisiología y Biología Molecular Vegetal, Centro Regional de Investigación INIA La Cruz.

2. Laboratorio de Residuos de Plaguicidas y Medio Ambiente, Centro Regional de Investigación INIA La Platina.

Con la apertura de negocios en un mundo globalizado, un número importante de productores de hortalizas ha ingresado al mercado nacional e internacional. Para producir hortalizas frescas en condiciones óptimas, se requiere estándares de producción, como Buenas Prácticas Agrícolas, que permitan asegurar la calidad, trazabilidad e inocuidad de los productos. Sin embargo, el mal uso de agroquímicos y aguas de riego contaminadas, generan riesgos y peligros durante toda la cadena de producción, suministro y comercialización.

En Chile la gran proveedora de hortalizas frescas ha sido tradicionalmente la agricultura familiar campesina. Los desafíos y barreras que actualmente enfrentan pequeños y medianos productores de hortalizas están relacionados con la agregación de valor, el acceso a los mercados y la inocuidad alimentaria, con el objetivo de satisfacer la demanda con productos de calidad, inocuos y precios justos.

Según datos de ODEPA, la superficie hortícola nacional durante el año 2019 fue más de 86.751 ha, de las cuales 77.243 ha corresponden a hortalizas frescas. Del universo de hortalizas, más del 50% de la superficie de hortalizas a nivel nacional corresponden a especies como tomate, lechuga, choclo, cebolla, poroto y zanahoria. La Región Metropolitana lidera la producción hortícola nacional llegando a un 27,9% de la superficie nacional.

El tomate y la lechuga son las hortalizas más consumidas en el mundo, debido a sus características organolépticas y propiedades nutritivas. Esta tendencia se repite en Chile, donde la superficie plantada de tomate y lechuga fresca fue una de las más relevantes en 2019 con 5.328 y 6.475 ha, respectivamente (Figura 1), lo que representa un 15,2% del total nacional. Sin duda, ambas hortalizas frescas son de las más importantes en la dieta chilena.

Sin embargo, en los últimos años estas dos hortalizas han evidenciado problemas desde el punto de vista de la inocuidad química. Según el portal RIAL de ACHIPIA (Figura 2), debido a la presencia de residuos superando los límites máximos permitidos, y al uso de algunos plaguicidas no autorizados para estas especies, principalmente en la horticultura de la zona Centro Norte de Chile. Esto -en la práctica- implica que los agricultores aplican por calendario, más de la dosis establecida y los intervalos de carencia no son respetados.

Desde el punto de vista microbiológico, en los últimos años, las notificaciones oficiales en Chile no han evidenciado problemas en hortalizas frescas. Se han recomendado varios mecanismos que contribuyen a la adhesión de patógenos entéricos en las superficies de los alimentos que incluyen sustancias poliméricas extracelulares, presencia de fimbrias, hidrofobicidad de la superficie celular, puentes catiónicos divalentes y carga bacteriana superficial. Las hortalizas recién cortadas albergan una variedad de microorganismos como bacterias, hongos, levaduras, las que causan deterioro al producto. Los lactobacilos son parte de la flora normal de hortalizas y están asociados con organismos de descomposición que causan olores desagradables. En el caso cuando hay presencia de levaduras y hongos, se produce el deterioro del producto y podredumbre blanda.

Figura 1. Superficie nacional de lechuga y tomate entre el año 2015 y el 2019.

Figura 2. Número de transgresiones nacionales de Límites Máximos de Residuos de Plaguicidas en Chile en lechuga y tomate fresco.

En el actual escenario, donde los consumidores juegan un rol preponderante en los mercados, tanto a nivel nacional como internacional, es importante contar con información relevante y segura para disminuir los riesgos e incertidumbre respecto a la procedencia de las hortalizas frescas. En Chile, un 70% de las hortalizas se comercializa en ferias libres y mercados mayoristas. Bajo este escenario existe la necesidad de implementar tecnologías limpias, así como estrategias para disminuir el riesgo y peligros de residuos de plaguicidas y contaminaciones biológicas que puedan causar daños a la salud humana.

La nanotecnología es una ciencia que ha generado una gran variedad de materiales con tamaños de partículas en el rango de 1 a 100 nm, para disminuir la contaminación química y biológica. El uso de nanopartículas, nanocomposite, biosensores y nanotubos, prometen soluciones para la detección, degradación y remoción de residuos de plaguicidas (Figura 3).

Existen envases activos e inteligentes que interactúan directamente con las hortalizas para protegerlas de contaminaciones o degradaciones (antimicrobiano/antioxidante). En el caso de biosensores en envases inteligentes, estos alertan la presencia de contaminación química o presencia de patógenos. Por ejemplo, se han desarrollado biosensores para la detección de residuos de plaguicidas y fertilizantes, basado en la actividad enzimática de hidrolasas, reductasas, entre otros; los cuales detectan el contaminante de interés mediante una reacción química catalizada por la enzima que porta el dispositivo.

Los envases comestibles incluyen recubrimientos y películas que se preparan a partir de materiales naturales como proteínas, polisacáridos o lípidos. Estos recubrimientos se aplican directamente en los alimentos mientras que las películas son estructuras independientes. Además, pueden actuar como barreras para la transmisión de humedad, gas y solutos. Todos los componentes del revestimiento y materiales formadores de películas deben ser de grado alimenticio y no representar peligro de toxicidad, cumpliendo con altos estándares de inocuidad. Los envases biodegradables son derivados de sustancias reciclables y naturales por los que no representan peligro para los seres humanos debiendo cumplir con estándares toxicológicos, ambientales y químicos. Por lo tanto, todos estos materiales no presentan riesgos para la salud, siendo una alternativa para envasar alimentos.

NANOTECNOLOGÍA EN LA PRODUCCIÓN Y PROCESAMIENTO DE TOMATES Y LECHUGAS

Debido a los riesgos generados por la presencia de residuos de plaguicidas en hortalizas de alto consumo en Chile, para control de patógenos y plagas, se ha reportado que alrededor del 90% se elimina en el aire y escorrentía. Lo anterior ha evidenciado impactos negativos a nivel de la exposición de los agricultores y aplicadores, mermas económicas, afectación del medioambiente y potenciales riesgos agudos y crónicos a la salud de los chilenos, en un escenario de consumo acumulativo. Además, cabe señalar que tales prácticas conllevan a la generación de resistencia en plagas y enfermedades, lo cual complejiza el futuro proceso de control de dichos problemas; junto con ello, se reduce la biodiversidad de la microbiota del suelos, con lo cual se disminuye la eficiencia de fijación y la asimilación de fuentes de nitrógeno y otros elementos esenciales para las hortalizas.

Bajo este escenario de uso excesivo de plaguicidas en la producción hortícola, la necesidad de aumentar la eficiencia de la aplicación y eficacia agronómica ha generado la búsqueda de nuevas alternativas. En este sentido, el uso de nano plaguicidas para el control de enfermedades y plagas en tomates y lechugas, se presenta como una alternativa promisoria. Esta clase de productos se define como el conjunto de tecnologías y aplicaciones, con propiedades biocidas contras patógenos y plagas, en la escala de 1 a 100 nm, prescindiendo en su formulación del uso de solventes orgánicos tóxicos, lo que confiere mejoradas propiedades respecto a los plaguicidas convencionales.

Los nano plaguicidas presentan una mejor eficacia, reduciendo las dosis requeridas y mejorando la estabilidad de las dosis utilizadas, lo que evita que grandes cantidades de producto se eliminen en el aire y por deriva, disminuyendo la probabilidad de contaminación del medioambiente.

Figura 3. Uso de la nanotecnología en la remoción de residuos de plaguicidas (Rawtani et al 2018).

Los nano plaguicidas en formato spray pueden permanecer estables y activos frente a condiciones ambientales desafiantes (sol, calor, lluvia, radiación y UV), y penetrar microorganismos tales como bacterias, hongos e insectos. Estos productos pueden ser suministrados al objetivo, resistir la defensa de la plaga/patógeno, y al mismo tiempo ser benignos para plantas y mamíferos, lo cual constituye una característica muy relevante para fortalecer la inocuidad química y biológica en especies como tomates y lechugas.

Desde un punto de vista económico, los nano plaguicidas son rentables en su formulación y síntesis, lo que los hace una tecnología abordable para implementar en el actual escenario agrícola chileno. Se han descrito diferentes tipos de nano plaguicidas, entre los cuales destacan las nanoemulsiones, nanodispersiones, nanopartículas sólidas y los basados en nanopolímeros. Todas ellas, presentan interesantes ventajas en su aplicación, proyectando un futuro promisorio, donde estas tecnologías sean parte integral del proceso productivo de tomates y lechugas. En la actualidad, algunas compañías agroquímicas presentes en Chile disponen comercialmente de plaguicidas nanoencapsulados de liberación lenta para agentes tales como fármacos, insecticidas, fungicidas, plaguicidas, herbicidas y fertilizantes.

USO DE NANOTECNOLOGÍAS EN EL PROCESAMIENTO

Por otro lado, en materia de procesamiento, la nanotecnología también puede ofrecer innovación tecnológica para la sanitización y remoción de residuos plaguicidas en tomates y lechugas. Actualmente, los sanitizantes basados en nanoemulsiones y nanodispersiones se han comenzado a desarrollar con la propiedad de fijarse y permanecer en la superficie de la hortaliza, ejerciendo su actividad biocida y oxidante hasta llegar a la mesa del consumidor. En el caso de aquellos productos nanotecnológicos específicos para la remoción de residuos de plaguicidas, la mayoría de ellos se han basado en desarrollos de nanopolímeros de carbono (nanotubos de carbono, grafeno, entre otros) y nanodispersiones de óxidos metálicos nanocristalinos, los que son capaces de “capturar” las moléculas de interés en la superficie del alimento, ya sea por enlazamiento iónico, adsorción o por polaridad y posteriormente ser removida de forma limpia y eficiente (Figura 4).

DESARROLLO DE NANOBIOSENSORES

El desarrollo de nanobiosensores constituye otra disciplina de relevancia, en la cual la nanotecnología puede aportar en materia de inocuidad para la producción y procesamiento. Existen diversos tipos de nanobiosensores, los que se pueden usar de manera efectiva para detectar una amplia variedad de fertilizantes, herbicidas, insecticidas, fungicidas, patógenos, humedad y pH del suelo. Se han desarrollado sistemas de nanosensores dispersos en el campo, capaces de detectar la presencia de virus y otros patógenos de cultivos, lo cual contribuye al manejo y control de las enfermedades relacionadas a los respectivos fitopatógenos. Su uso controlado puede apoyar una agricultura sostenible para mejorar la productividad de los cultivos.

Estas tecnologías permiten racionalizar el uso de productos biocidas, haciendo más eficientes sus aplicaciones y disminuyendo el impacto medioambiental durante su aplicación. Los nanobiosensores se pueden aplicar en la detección de patógenos humanos bacterianos, tales como Vibrio, Salmonella, Shigella, Listeria, Escherichia, entre otros; Así como también, patógenos virales transmisibles vía alimentos frescos como por ejemplo los Norovirus, Rotavirus, Hepatitis A y E, entre otros. Es importante mencionar, debido al contexto de la Pandemia de COVID-19, que estos nanobiosensores podrían contribuir en el desarrollo de estrategias de vigilancia del riesgo de transmisión de este nuevo coronavirus (SARS-CoV2), mediante consumo de hortalizas frescas, como tomate y lechuga ya que se desconoce la estabilidad de este virus en estos alimentos.

PERSPECTIVAS DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EMBALAJE ACTIVO E INTELIGENTE

El embalaje, al ser un componente integral de los sistemas de conservación de alimentos, es esencial que cumpla algunas condiciones. Los sistemas de embalaje retrasan el deterioro de las hortalizas frescas, al protegerlas del daño físico durante su manipulación (por ejemplo, vibración, caída, choque, abrasión de la superficie por movimientos).

Figura 4. Representación del uso de nanotecnología para la detección, degradación y remoción de plaguicidas (Rawtani et al 2018).

Al contener el producto dentro de un entorno protector, el embalaje también aísla el producto de los factores nocivos del ambiente (calor, luz, gases). En su conjunto, el objetivo principal del envasado en postcosecha de tomates y lechugas, como por ejemplo mediante cajas y bolsas, es extender la vida útil del producto, reducir el deterioro de éstas y preservar los atributos de calidad (sensoriales, nutricionales e inocuidad) para satisfacer las necesidades de los consumidores. Desde una perspectiva más amplia, el aumento de los requerimientos regulatorios, la conciencia ambiental, el costo de producción, por mencionar algunos, también afectan la forma en que se embalan las hortalizas frescas. Estas fuerzas socioeconómicas han dado lugar a una serie de innovaciones en envases, incluidos materiales nanoestructurados para aplicaciones de envases activos e inteligentes.

Los sistemas de embalaje activo, basados en materiales nanoestructurados, son capaces de interactuar dinámicamente con el producto fresco, el volumen libre del paquete incluido y/o su entorno. En respuesta, un componente activo del embalaje lleva a cabo una función deseable para extender la vida útil del producto, mantener/mejorar la calidad del producto y garantizar su inocuidad.

Un sistema de envasado activo puede implicar mecanismos tales como la liberación controlada en el volumen libre del envase de compuestos volátiles (por ejemplo, inhibidor enzimático, antimicrobiano), suministro directo de especies bioactivas no volátiles (por ejemplo, antimicrobiano, antioxidante), eliminación de especies volátiles/gaseosas no deseadas (etileno, oxígeno), materiales «responsivos» que exhiben propiedades de barrera dependientes de la temperatura, entre otros. Recientemente, ha surgido el desarrollo de una nueva generación de nanorecubrimientos “inteligentes” para el embalaje de superficie de alimentos frescos que pueden aplicarse a tomates y lechugas. Ellos tienen la cualidad de tener un espesor entre 10 y 150 nm y estar formulados con nanomateriales responsivos (frente a estímulos ambientales) que pueden liberar bioactivos que cumplan las funciones deseadas para la preservación de la calidad y vida útil de la hortaliza (por ejemplo, antimicrobiano, antioxidante). Con lo cual, además, pueden contribuir significativamente en materia de inocuidad química y microbiológica de estos alimentos.

DESAFÍOS Y PERSPECTIVAS A FUTURO

Existen nuevas herramientas tecnológicas que utiliza la nanotecnología para fortalecer la inocuidad y la preservación de hortalizas de amplio consumo en Chile. La aplicación de las nanopartículas en hortalizas permite unir selectivamente moléculas oxidantes y antisépticas, que detectan, degradan y remueven diferentes tipos de plaguicidas o eliminan patógenos.

La exitosa y segura implementación de nanomateriales en el envasado de hortalizas requiere de un diálogo constante entre investigadores, la industria y las instituciones reguladoras del país. Para garantizar la inocuidad de procesamiento y embalaje se debe aumentar la conciencia de los factores de riesgo en todo el sistema de procesamiento. La migración de nano materiales -desde el envase al alimento- ha provocado incertidumbre desde el punto de vista de la inocuidad e impactos en la salud de las personas.

Actualmente, considerando las distintas directrices y herramientas existentes en Europa, para ayudar a gestionar los riesgos asociados a los nanomateriales y los regímenes normativos que regulan a los nanomateriales (de sustancias químicas, medicamentos y productos sanitarios) en Estados Unidos; resulta relevante realizar una evaluación de riesgo a la salud para determinar el impacto de estas nanotecnologías en la salud de las personas por ingestión, conocer la toxicidad y seguridad de nuevos nanomateriales y establecer los niveles de sanitización e higiene durante el proceso de envasado.

Debido a las expectativas y los beneficios asociados al uso de la nanotecnología y sus aplicaciones en la producción, procesamiento y embalaje de las hortalizas, se genera una necesidad de más estudios aplicados y de empresas que puedan masificar estas tecnologías para productores hortícolas. Sin dudas, el aporte de estas tecnologías permitirá disminuir los riesgos y peligros por contaminantes en hortalizas tan importantes en Chile como el tomate y la lechuga.

AGRADECIMIENTOS

Proyecto FONDECYT 11190872: “Estudio de factores de procesamiento, sobre multiresiduos de plaguicidas en hortalizas frescas y su respectivo análisis de riesgo a la salud, en concordancia con los Límites Máximos de Residuos plaguicidas de Chile (LMR)”.

Proyecto Subsecretaría de Agricultura 503002: “Apoyo para la iniciación en la investigación en Biotecnología agroalimentaria”.

REFERENCIAS

RIAL, 2017. Red de Información y Alertas Alimentarias. Agencia Chilena para la inocuidad y Calidad Alimentaria.  https://www.achipia.gob.cl/wp-content/uploads/2017/11/OR.Informe-RIAL-2016.pdf

RIAL, 2019. Red de Información y Alertas Alimentarias. Agencia Chilena para la inocuidad y Calidad Alimentaria. https://www.achipia.gob.cl/wp-content/uploads/2019/03/OR.Informe-RIAL-2017-baja-corregida.pdf

ODEPA. 2020. Oficina de Estudios y Políticas Agrarias. www.odepa.cl

Rawtani D., Khatri N., Tyagi S., Pandey G. 2018. Nanotechnology-based recent approaches for sensing and remediation of pesticides. Journal of Environmental Management 206, 749-762.