El Quitosano y sus Aplicaciones en la Conservación de Productos Agrícolas

• Características Químicas y Propiedades Funcionales del Quitosano

En años recientes, el quitosano ha pasado de ser una molécula promisoria digna de varias revisiones científicas a ser componente de numerosos productos en muy diversos campos de aplicación. Entre las propiedades funcionales más notables del quitosano se encuentran su capacidad de formar materiales como geles, películas, capsulas y otros; su capacidad de adsorción, biodegradabilidad, biocompatibilidad y distintos tipos de actividad biológica. Respecto a la bioactividad del quitosano resultan de particular interés para este foro sus propiedades biocidas y fitoestimulantes. Todas estas propiedades dependen del conjunto de características fisicoquímicas particulares del quitosano. Desde el punto de vista químico, el quitosano es un polisacárido semejante a la celulosa. Su característica química distintiva es la presencia de un grupo amino o acetoamido en cada unidad de glucosa. La proporción de estos grupos, mejor conocida como grado de acetilación, en conjunto con el peso molecular son los principales parámetros que determinan las propiedades funcionales del quitosano. Sin embargo, dichos parámetros varían, incluso de molécula a molécula en una misma muestra, lo que se conoce como dispersión. Por este motivo, se emplean promedios estadísticos como índices para caracterizar la población molecular de una muestra dada. La dispersión de los parámetros de caracterización tienen dos consecuencias principales: una es que dificulta el estudio de la relación que hay entre las características fisicoquímicas y las propiedades funcionales del quitosano. La otra es que la dispersión de los parámetros de caracterización ha complicado establecer estándares de calidad general del quitosano con validez internacional.

 Dr. Jaime Lizardi Mendoza

• Preparación y Caracterización de Materiales Bioactivos a Base de Polímeros de Origen Natural 

El desarrollo de sistemas de envasado y de recubrimientos no tóxicos ha mostrado su eficiencia para extender la vida útil de los alimentos. Un enfoque interesante se basa en la aplicación de polímeros de origen
natural, tales como materiales basados en quitosano (CBF). CBF han adquirido un interés creciente debido a sus propiedades bio-funcionales, tales como capacidad antimicrobiana, bidegradabilidad y biocompatibilidad. CBF se preparan principalmente a partir de soluciones ácidas, donde por lo general se añaden agentes plastificantes, entrecruzantes y otros aditivos para mejorar las propiedades de la película resultante. Entonces, muchos ácidos orgánicos, vitaminas, agentes antibacterianos, aceites esenciales, compuestos antioxidantes pueden ser incluidos en CBF como mezclas o funcionalizados. CBF se aplican para mejorar la calidad y la vida útil de los diversos alimentos procedentes de la agricultura, pecuaria y de alimentos en general por su actividad antimicrobiana frente a una amplia gama de hongos filamentosos, levaduras y bacterias. En este sentido, el quitosano se ha aplicado en diversos frutos entre ellos litchi (Litchi chinensis Sonn) y rambután (Nephelium lappaceum) que pertenecen a la familia Sapindaceae, son altamente perecederos y sufren oscurecimiento rápido del epicarpio. Formulaciones de quitosano solo o en combinación con bacterias ácido lácticas (BAL) representan una alternativa para el tratamiento poscosecha. Los recubrimientos de quitosano mantienen el contenido de antocianinas y compuestos fenólicos; además conservan las características de calidad de los frutos como firmeza, sólidos solubles totales y acidez titulable. Por su parte, BAL producen acidificación en la cáscara y evitan el oscurecimiento, así como la desecación debido a la formación de biopelículas. Un efecto significativo del tratamiento con quitosano es la reducción de la pérdida de peso, que se atribuye a la maduración y la senescencia. Esto se puede explicar por la reducción de la difusividad del vapor de agua desde el pericarpio través de recubrimiento.

 Dra. Keiko Shirai Matsumoto

• Nuevos Materiales Bioactivos a Base de Quitosano
 

El consumo anual de materiales plásticos actualmente alcanza cerca de 100 millones de toneladas a nivel mundial y sigue en aumento. Se estima que el 56 % de los plásticos no biodegradables utilizados como empaque o envases se desecha generando un alarmante problema ambiental. Desde los años 1980’s los fabricantes de materiales de empaque se encuentran bajo presión para satisfacer una variada demanda que reúna mejoras no solo funcionales sino sustentables y compatibles con el ambiente y además a bajo costo. Bajo este contexto y con la visión de sustentabilidad, la oportunidad de incrementar el uso de derivados de biopolímeros está desempeñando un papel significativo, aunque aún a pequeña escala, en el desarrollo de materiales de empaque, papel, películas y recubrimientos comestibles. Uno de los biopolímeros naturales con alta versatilidad química y características funcionales para incursionar en el desarrollo de compuestos derivados con propiedades mejoradas y/o nuevas es el quitosano. Entre las modificaciones importantes realizadas a la molécula, destacan la inserción química o enzimática de grupos funcionales como sacáridos, oligosacáridos, grupos alquil, ciclodextrinas, ácidos orgánicos, láctidos, poliláctido y polifenoles, lo que ha permitido obtener derivados de quitosano con mejor solubilidad, mayor actividad antimicrobiana, capacidad quelante, cualidades humectantes, propiedades cicatrizantes, entre otras, con alto potencial de aplicación en medicina, el tratamiento de aguas, industria farmacéutica y cosmética, agronomía y alimentos. La presentación abordará los métodos disponibles para la caracterización de las propiedades funcionales y potencial de aplicación de algunos de los derivados de quitosano con valor agregado.


Dra. Elsa Bosquez Molina

 
• Aplicación de Quitosán en Frutos Frescos, Granos y Semillas

A partir de 1993 el laboratorio de Biotecnología de la UNAM FESC comenzó a estudiar la extracción de quitina y quitosano de los mariscos y actualmente cuenta con una patente otorgada. Desde 1998 a la fecha nuestro grupo de trabajo ha desarrollado películas y recubrimientos de quitosano y quitosano compuesto, las cuales han sido aplicados a frutas. Se ha evaluado la actividad antifúngica de los recubrimientos y su efecto sobre parámetros de calidad durante la vida útil de varias frutas como mango (Mangifera indica) cvs. ‘Haden’ y ‘Manila’, aguacate (Persea americana) cv. ‘Hass’, fresa (Fragaria vesca) y pepino (Cucumis sativus). También hemos estudiado y caracterizado películas compuestas de quitosano sobre hongos patógenos que afectan la vida poscosecha de tomate (Lycopersicon esculentum ) y la reducción de hongos en chiles secos. Así como la actividad antifúngica in vitro contra hongos de campo y almacén. Los recubrimientos de quitosano también se han evaluado en diferentes concentraciones y pesos moleculares en frijol (Phaseolus vulgaris), en relación con la oviposición y emergencia del gorgojo del frijol (Zabrotes subfaciatus) y en granos de maíz, en términos de mortalidad, oviposición y emergencia del gorgojo de maíz (Sitophilus zeamaiz), Recientemente, se ha estudiado el efecto del quitosano y el peróxido de hidrógeno como inductor de defensa en plántulas de maíz contra el estrés biótico y abiótico a través de herramientas de biología molecular. Los resultados de la aplicación de quitosano son ciertamente prometedores para ayudar a los productores asociados con la actividad agrícola.
   
 Dra. Susana Patricia Miranda Castro

•  Experiencia Cubana en el Empleo de Quitosano en la Protección del Arroz contra Enfermedades
  El quitosano se ha empleado en las prácticas agrícolas en Cuba por alrededor de 20 años. En el presente trabajo se presentan los resultados obtenidos en la preparación de quitosano Q-63 y Q-88 con bajo y alto peso molecular respectivamente e hidrolizado de quitosano, todos obtenidos a partir de exoesqueletos de langosta. Se evalúa además “in vitro” el crecimiento micelial de los principales hongos patógenos del cultivo del arroz en Cuba Pyricularia grisea, Rhizoctonia solani, Bipolaris oryzae y Sarocladium oryzae en medios de cultivo suplementados con concentraciones de quitosanos entre 100 y 1000mg.L-1. Adicionalmente se evaluaron los niveles de protección adquiridos por las plantas de arroz a los 35 y 85 días provenientes de semillas tratadas con quitosano o su hidrolizado en campos con alta infestación natural de este patógeno. Los principales resultados obtenidos muestran una elevada actividad inhibitoria tanto del quitosano como del hidrolizado de quitosano sobre el crecimiento micelial de los cuatro patógenos estudiados de inhibición, Sarocladium oryzae fué el menos afectado con alrededor de un 30 %. En el caso del experimento en campo se logró una protección efectiva contra Pyricularia grisea en las plantas de arroz de 85 días de edad tratadas con hidrolizados de quitosana.
  

Dr. Miguel Ángel Ramírez Arrebato

 

 
• Aplicación del Quitosano en Combinación con Diferentes Tratamientos Postcosecha en el Control de Pudriciones Postcosecha    
  
  Las enfermedades postcosecha son una de las mayores causas de las pérdidas de los productos frescos durante la cadena de abastecimiento. La incidencia de enfermedades postcosecha puede afectar la calidad y restringir la vida de anaquel de los productos hortofrutícolas frescos. Las estrictas regulaciones aplicadas por los países importadores de productos frescos que consideran niveles mínimos de fungicidas en la porción comestible del productos hortofrutícola, el incremento de la resistencia a los fungicidas sintéticos debido a la presencia de microorganismos fúngicos, el depósito final de los fungicidas y un aumento en las preocupaciones para reducir la huella medioambiental que deja la aplicación de estos químicos, ha llevado a la necesidad de buscar fungicidas nuevos y naturales que reemplacen la aplicación de los fungicidas sintéticos durante la aplicación de tratamientos postcosecha en la línea de empaque. Las preferencias de los consumidores sobre los productos orgánicos frescos está incrementando su popularidad en países desarrollados. El quitosano presenta un potencial enorme en una amplia gama de aplicaciones en la industria alimentaria debido a su biodegradabilidad, biocompatibilidad, actividad antimicrobiana y propiedades no toxicas. Las aplicaciones base del quitosano están formuladas como, recubrimientos, película, geles o como nanopartículas. Esta presentación considerará la aplicación del quitosano y sus modos de acción en combinación con la aplicación para controlar enfermedades postcosecha en diferentes productos (papaya, aguacate, litchi y duraznos) a la vez que, en general mantiene su calidad durante el almacenamiento a largo plazo.
  

 

 
• Uso del Quitosano en la Conservación de Productos Hortofrutícolas  El quitosano es un producto natural derivado de la quitina que ha sido ampliamente utilizado en la formulación de recubrimientos comestibles. Los recubrimientos formulados con este polisacárido, forman una cubierta sobre la superficie de los frutos, la cual actúa como una barrera mecánica que protege al fruto de infecciones causadas por microorganismos. El quitosano inhibe el desarrollo de un gran número de hongos causantes de enfermedades postcosecha, manifestando una inhibición en su crecimiento micelial y su esporulación. Su efecto fungicida está en función de la concentración utilizada, el peso molecular que se utilice y del grado de desacetilización del mismo. Dentro de los hongos que se han controlado satisfactoriamente con el uso de recubrimientos están, Rhizopus stolonifer, Botrytis cinerea, Alternaria alternata, entre otros. El quitosano se adhiere a la membrana plasmática de los hongos y causa una filtración a través de ella formando canales, hasta llegar al citosol transformando drásticamente el mecanismo homeostático del hongo, ocasionando una inestabilidad en la célula hasta su muerte. Se ha comprobado además que el quitosano presenta propiedades de barrera a los gases (O2 y CO2), buena elasticidad y adherencia lo cual le permite que la cubierta se adhiera por un tiempo prolongado al fruto, el mecanismo por el cual conservan la calidad de las frutas y vegetales es debido a que crean una barrera física a los gases la cual hace el efecto de una atmosfera modificada reduciendo la disponibilidad de oxígeno.
  
  Dra. Margarita de Lorena Ramos García
  
  
  

• Uso del Quitosano en el Control de Pudriciones Postcosecha de Frutas Caducifolias: Efectividad y Mecanismos de Acción  El quitosano es un polímero natural que se obtiene de la desacetilación de la quitina. Se obtiene del caparazón de los cangrejos o de otras fuentes naturales, y está disponible, tanto en polvo soluble en agua como líquido. Este biopolímero se conoce por su actividad antimicrobiana, aunque también se conoce por ser un agente inductor de defensa en el hospedero. Debido a sus propiedades antimicrobianas, de inducción y formador de recubrimientos, las cuales dependen en el medio que se disolvió, el quitosano es ideal como recubrimiento de frutas y hortalizas. Entre otras alternativas que se han investigado para reemplazar el uso de fungicidas sintéticos que controlan a las enfermedades postcosecha en los productos frescos y así extender la vida de anaquel, la aplicación del quitosano ha mostrado ser efectivo en el control de las pudriciones tanto en la aplicación pre como postcosecha. El quitosano presenta un modo de acción doble; ya que reduce el crecimiento de los hongos que causan las pudriciones y bacterias que afectan la salud humana, y producen respuesta en el tejido del hospedero. El quitosano produce un recubrimiento semipermeable sobre la superficie de la fruta u hortaliza, retrasando la tasa de respiración, reduciendo la pérdida de peso, manteniendo la calidad general del producto y extendiendo la vida de anaquel. Aunado a esto, el recubrimiento puede ser un sustrato que incorpora otros aditivos funcionales, tales como minerales, vitaminas u otras drogas o compuestos nutracéuticos que pueden incrementar las propiedades benéficas de los productos frescos, o en algunos casos la actividad antimicrobiana del quitosano. Las cubiertas de quitosano, han sido aprobadas como sustancias GRAS por la USFDA y su aplicación es segura para el consumidor y el medioambiente. El biopolímero es ampliamente utilizado en medicina humana, en productos dietéticos y como acarreador de algunas drogas. Por lo tanto, debido a su biocompatibilidad y bioseguridad, su interés se ha incrementado en el área de protección de las plantas como un fungicida natural y como inductor de resistencia, reuniendo el interés de muchos investigadores en el mundo, que lo utilizan en una amplia gama de frutas y hortalizas.
  
 

Dr. Gianfranco Romanazzi

 

 

• Perspectivas del Uso del Quitosano y Extractos Vegetales en la Conservación de Ornamentales
  El gladiolo es una ornamental utilizada para jardinería y como flor de corte. Fusarium oxysporum f.sp. gladioli ataca plantas en campo y cormos en almacenamiento ocasionando pérdidas del 60 al 80%. Para su manejo se emplean fungicidas sistémicos, a los cuales este patógeno ha presentado resistencia a fungicidas del grupo de los bencimidazoles. El objetivo de este trabajo fue evaluar en campo el efecto de la aplicación del extracto metanólico de guayaba al 2.5% (T1), aceite esencial de clavo 150 mg L-1 (T2), quitosano al 1.5% (T3), aplicación integrada (T4), fungicida comercial (T5) y control con agua (T6), sobre el crecimiento vegetativo, reproductivo, vida de anaquel, e incidencia y porcentaje de infección de Fusarium en cormos y plantas de gladiolo. Se usaron dos variedades (amarilla y blanca borrega) y dos localidades (Yautepec, Ayala). En ambas variedades y localidades los cormos tratados con extracto de guayaba emergieron en menos días, mostraron mayor altura, menor incidencia y severidad en plantas de gladiolo, mayor número de botones florales y mayor vida de anaquel a 28°C. Los cormos tratados con quitosano y de manera combinada mostraron menor incidencia y porcentaje de infección en cormo y mayor vida de anaquel a 11°C, el uso de agentes naturales puede ser una alternativa para la conservación del gladiolo.
  

Dra. Laura Leticia Barrera Nec

 

 
• Modificaciones Morfológicas y Estructurales de Hongos Fitopatógenos Tratados con Quitosano
  Uno de los atributos del quitosano es su capacidad para inducir cambios morfológicos y estructurales en los fitopatógenos. Existe la hipótesis de que la interacción entre las cargas positivas del monómero de la glucosamina del quitosano con las cargas negativas de la pared celular de los hongos causa modificaciones en la morfología de éstos y consecuentemente alteraciones intracelulares. Al respecto, se han reportado numerosas evidencias de los cambios ejercido por efecto del quitosano en la morfología y estructura celular. Fotomicroscopías Electrónicas de Barrido los conidios y micelio de hongos fitopatógenos como Pyricularia grisea, Fusarium oxysporum f. sp. gladioli, F. oxysporum f. sp. radicis-lycopersici, Alternaria alternata, Rhizopus stolonifer, Botrytis cinerea y Penicillium expansum, entre otros, tratados con diferentes tipos y concentraciones de quitosano presentaron serias deformaciones en su forma como hinchamientos, depresiones, rugosidades, pared celular irregular y reducción en tamaño. En relación a los cambios celulares, Fotomicroscopías Electrónicas de Transmisión, han mostrado entre otros, rompimiento de la pared celular, salida del citoplasma, formación microfibrilar alrededor de la célula dañada, lisis e intensa vacuolización a lo largo de la célula fúngica.
  

        Dra. Silvia Bautista Baños

• Aspectos Bioquímicos de la Actividad Fungicida de la Quitina en Usos Agrícolas 
  Las enfermedades fúngicas son algunos de los mayores problemas que enfrenta la agricultura actual por las pérdidas considerables que causan y debido a que el uso indiscriminado de fungicidas químicos ha creado un problema de salud ambiental de magnitud global. Por esta razón, el uso de métodos amigables para controlar éstas se ha vuelto cada vez más urgente y, entre éstos, el biocontrol de enfermedades es una de las estrategias más apreciadas. Este trabajo revisa los principales mecanismos propuestos para explicar los efectos benéficos observados cuando se usan materiales quitinosos para el control de enfermedades fúngicas, entre los cuales están: (a) la ocurrencia de un efecto fertilizante, (b) la inhibición indirecta de los patógenos vía sus productos de descomposición, (c) estímulo/apoyo para el crecimiento de microorganismos beneficiosos, (d) actividad elicitora de la quitina. Se ha observado una marcada tendencia hacia la producción de enzimas quitinolíticas con actividad fungicida mediante el uso de técnicas de biología molecular e ingeniería genética, bien sea que éstas sean expresadas por organismos heterólogos o mediante la producción de plantas genéticamente modificadas más resistentes a patógenos fúngicos específicos.
  
 

        Dr. Cristóbal Lárez Velásquez

 

• Quitosano y Cambios en la Expresión Genética de la Interacción Patogeno-Fruto en Postcosecha 
  El quitosano es un compuesto natural, biodegradable y no tóxico con propiedades fungicidas e inductor de compuestos de defensa a nivel de expresión de genes de defensa en frutos tropicales. Cuando se aplicó quitosano al 1% en frutos de mango, se observó un aumento en la expresión de los genes que codifican para la polifenoloxidasa (PFO) y para la peroxidasa (POD) a tiempos cortos después de su aplicación, sugiriendo, que el quitosano actúa desde el primer contacto con el hospedero, mediante un proceso de transducción de señales. En frutos de plátano se evalúo la expresión del gen NPR1 y se observó que a tiempos prolongados se reduce la expresión del gen en presencia de quitosano. Se concluye que el quitosano está involucrado en los mecanismos de defensa de los frutos ante el patógeno mediante la regulación de la expresión genética. En cuanto al análisis de la expresión génica del gen CgCTR2, en Colletotrichum, se observó menor expresión en los tratamientos con quitosano, inhibiendo el proceso de patogénesis, esto podría ser debido a que este gen está implicado en el proceso de germinación de Colletotrichum sp. Esto sugiere que el quitosano afecta a nivel microscópico, bioquímico y molecular a este patógeno, provocando alteraciones en la estructura y el metabolismo celular debido a su actividad policatiónica. Se tienen datos preliminares de un transcriptoma donde se analiza la interacción quitosano-Colletotrichum-aguacate.
  
 

         Dr. Porfirio Gutiérrez Martínez 


           Bionanocompositos Antimicrobianos de Quitosano: Desarrollo, Aplicaciones y Perspectivas 
La acción antimicrobiana de nanopartículas y nanocompositos de quitosano es reconocida en áreas como empaques antimicrobianos, compuestos antimicrobianos, acarreadores de agentes antimicrobianos y películas antimicrobianas. Los nanocompositos antimicrobianos son particularmente efectivos debido a la alta relación área/volumen y al incremento en la reactividad superficial, haciéndolos más efectivos para inhibir el crecimiento microbiano.1 Estudios recientes han evidenciado la relación de nanopartículas metálicas2 con diferentes componentes celulares, lo cual ha propiciado la necesidad de lograr un mayor esclarecimiento de los mecanismos de señalización celular desencadenados por materiales nanoestructurados. Una de las áreas de mayor interés para el estudio de estos materiales es en el desarrollo de matrices de liberación controlada de compuestos activos. En ésta, alrededor del 50% de las patentes registradas desde el 2006 se relacionan con el uso del quitosano en la liberación de fármacos, ingeniería de tejidos y cicatrización de heridas.3 Estudios previos han demostrado que las micro- y nanopartículas de quitosano son capaces de controlar el crecimiento de Aspergillus parasiticus, un hongo toxigénico de importancia debido a los daños potenciales a granos de alimentos en campo o almacén.2 Con base a lo anterior, es importante ampliar el estudio de bionanocompositos antimicrobianos de quitosano y promover su uso en áreas futuras de investigación. Una aplicación prometedora es en el control pre- y postcosecha de microorganismos de importancia agrícola.

Dra. Maribel Plascencia Jatomea

 
• Actividad Biológica de Nanopartículas de Quitosano contra Microorganismos Patógenos: Bacterias y Hongos
  La aplicación de la nanotecnología ha demostrado tener un gran potencial en el desarrollo de nuevas soluciones para el sector agrícola y alimentario en aspectos de control de hongos y bacterias patógenas. En relación a la actividad biológica de nanopartículas de quitosano en bacterias que afectan la salud humana, se ha reportado resultados alentadores en el control in vitro de Staphylococcus aureus y S. epidermidis, Escherichia coli, Bacillus sp. y Klebsiella pneumoniae y Salmonella sp., entre otras, observándose que su efecto inhibitorio dependerá entre otros factores del tamaño de la partícula, la concentración y el pH. Por otro lado, la efectividad de la incorporación de otros materiales como la plata y el cobre se ha evidenciado en varios estudios para controlar el desarrollo de Escherichia coli, S. choleraesuis, S. typhimurium y S. aureus entre otras. La incorporación de diferentes iones metálicos como el sulfato de cobre, sulfato de zinc, sulfato de manganeso y sulfato férrico adicionados a nanopartículas de quitosano, también reportaron buenos resultados en el control de una diversidad de bacterias patógenas. Otros compuestos reportados que incrementan la actividad bacteriana de las nanopartículas de quitosano, han sido algunos conservadores de alimentos como la eritrosina y la nisina para potenciar su actividad contra Streptococcus mutans, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Candida albicans y Listeria monocytogenes. En el control de hongos fitopatógenos, se ha reportado que el desarrollo de los hongos Rhizopus sp, Colletotrichum capsici, C. gloeosporioides y Aspergillus niger se inhibió significativamente con la aplicación de nanopartículas de quitosano.
  

       Dra. María Elena Sotelo Boyás