Abstract
Background: Chromatography permits chemical components'
separation, identification, and quantification in complex mixtures.
Chromatographic methods have various applications, which include the
determination of an agrochemical solvent percentage and its utilization in the
food-processing industry. High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) and Gas
Chromatography (GC) are essential for agriculture. Both types are used in
numerous research studies today thanks to their versatility, sensitivity,
reproducibility, and quickness. Aim: To discuss the main results of
studies that include GC and HPLC in agriculture. Materials and methods:
The study relied on a compilation of recent papers, where these techniques play
a critical role in this area of science. Results: The utilization of GC
and HPLC in agriculture contributed to relevant results, from the analysis of
fatty acids profile in the formulation of a diet for animal nutrition, to the
determination and quantification of agrochemical residues in plants, the
detection of contaminants in the diets, and drug residues that compromise the
lives of animals. Conclusions: The use of chromatography is an essential
methodology for biochemical, toxicological, structural, and agro-industrial
studies.
Keywords: chromatographic
analysis, agriculture, quantification, identification (Source: AGROVOC)
INTRODUCCIÓN
Las
cromatografías son procesos que abarcan varias técnicas separativas, basadas en
propiedades físicas de ciertos materiales, que, en interacción con sustancias o
mezclas de sustancias, la/s cual/es guarda/n relación con las propiedades
químicas de éstas, permite descomponer una mezcla y analizar sus
constituyentes. Con el desarrollo de la tecnología, las técnicas
cromatográficas se diversificaron y mejoraron sensiblemente su capacidad para
resolver mezclas de distinta naturaleza. Ningún otro método de separación es
tan potente y de aplicación tan general.
La
cromatografía líquida de alta resolución (HPLC, por sus siglas en inglés) y la
cromatografía gaseosa (CG) tienen un rol importante en el alcance de resultados
significativos en la rama agropecuaria. La CG es un método de separación
cromatográfica que se aplica a compuestos que puedan volatilizarse directamente
o transformarse en un derivado volátil. Mientras que la HPLC es una técnica que
permite la separación cromatográfica de compuestos con baja presión de vapor,
termolábiles o que requieren de un tratamiento químico previo (derivatización)
(Sgariglia et al., 2010).
Las
aplicaciones de los métodos cromatográficos, en la actualidad, son muy amplias.
Van desde la determinación del porcentaje de solvente en un producto
agroquímico, el control de calidad de pureza de solventes que entran como
materias primas a una planta, la determinación del contenido de principio
activo de un medicamento, hasta su empleo en las fábricas de alimentos para
control de calidad de un producto y materias primas, tales como proteínas,
aromatizantes y la determinación de colorantes (Sgariglia et al., 2010).
En
la rama agropecuaria, se incrementa su utilización a causa de las ventajas y la
versatilidad de aplicación que presentan estos métodos. El presente artículo
tiene como objetivo discutir los principales resultados de estudios que
utilizan la CG y la HPLC en la rama agropecuaria.
Desarrollo
Utilización de la HPLC y la CG como
métodos de análisis en la rama agropecuaria
Los
científicos en su labor diaria descubren nuevas técnicas y procedimientos que
hacen más eficiente, sencillo y preciso su trabajo en los laboratorios. En la
actualidad, muchos de los análisis tradicionales son superados por técnicas
novedosas capaces de obtener resultados igual de satisfactorios y en un menor
tiempo. Tal es el caso de la CG y la HPLC, las cuales constituyen un pilar
fundamental en estudios de diversa índole, sobre todo en la rama agropecuaria.
En los últimos años estas técnicas juegan un papel protagónico en cada
investigación que se realiza, ya sea su utilización en el estudio de
alternativas para la alimentación de animales de interés productivo, evaluación
de indicadores de salud, control de calidad de productos, entre otros.
Utilidad en estudios de alimentación de animales de interés
productivo
La
aparición y la evaluación de resistencias antibióticas hacia bacterias
patógenas estimulan la prohibición del uso de antibióticos en la alimentación
animal y la búsqueda de alternativas para reemplazarlos. Entre las diferentes
alternativas se encuentran el uso de probióticos, prebióticos, estimuladores de
la inmunidad y el empleo de extractos vegetales. Los extractos esenciales y sus
compuestos se plantean como una vía para mejorar la eficiencia de utilización
de alimentos y reducir las pérdidas de nutrientes, así mismo optimizar los
parámetros productivos de cerdos en la fase de precebos. Guerra et al. (2008) realizaron un estudio en
el que evaluaron el efecto del extracto de orégano (Oreganum vulgare) sobre algunos parámetros productivos de cerdos
destetos. Para la evaluación de la composición química del aceite esencial una
de las herramientas que se utilizó fue la HPLC acoplada a detector de masas. Se
utilizaron treinta y tres lechones cruzados para determinar los efectos del uso
del aceite esencial como suplemento en el crecimiento. Los resultados mostraron
que el aceite de orégano produce mejores efectos en ganancia de peso y peso
final, comparado con el tratamiento control, sin embargo, es menor el efecto al
compararlo con el tratamiento antibiótico.
Parra
et al. (2016) realizaron un estudio
con el fin de evaluar el valor nutritivo de materias primas no convencionales
en la elaboración de concentrado animal, de bajo coste y que no compitan con la
alimentación del hombre. En esta investigación se analizó el contenido
nutricional de las vísceras abdominales de cuy (Cavia porcellus) y
de su harina, a través del análisis proximal y determinación del perfil de
ácidos grasos mediante cromatografía de gases. Los resultados indican que la
harina de vísceras de cuy puede competir con harinas de diversas
procedencias dadas sus cualidades nutricionales. El análisis cromatográfico
permitió identificar la composición de ácidos grasos en las vísceras frescas de
cuy. Se identificaron ácidos grasos poliinsaturados tipo omega 3, 6 y 9, siendo
relevante el contenido de ácido linolénico, los cuales en la dieta de los
animales son escasos y de alto costo. Por tanto, esta técnica cromatográfica,
unida al resultado del análisis proximal, permitió concluir que los
componentes nutricionales de las vísceras de cuy la convierten en una
materia prima promisoria en alimentación animal (aves, cerdos y ganado de
doble propósito), lo cual estimula el aprovechamiento de estos residuos.
Valverde
(2020) realizó un estudio sobre el efecto de la inclusión de subproductos de
pulpa de cítricos en dietas de cerdos en etapa de ceba para evaluar los
rendimientos productivos y la salud intestinal del animal. Se analizó el efecto
de ese tratamiento en la microbiota intestinal y el perfil de ácidos grasos
mediante cromatografía de gases. Los resultados no mostraron diferencias
significativas en ninguno de los grupos de microorganismos analizados, aunque
el aumento de los niveles de pulpa cítrica en las dietas disminuye las
enterobacterias fecales, los anaerobios totales y el recuento de lactobacilos
en las heces, y aumenta la cantidad de bifidobacterias. La técnica
cromatográfica permitió analizar el perfil de ácidos grasos con la inclusión de
subproductos de pulpa de cítricos en las dietas, el cual mostró una menor
concentración de ácidos grasos totales, de ácidos grasos saturados y ácidos
grasos poliinsaturados, y mayor concentración de ácidos grasos monoinsaturados
(24% de inclusión de pulpa cítrica). En conclusión, con este estudio es posible
modificar la composición de los piensos de cerdos de engorde con la inclusión
de un 24% de pulpa cítrica sin efectos negativos sobre la salud intestinal,
calidad de la carne y la canal y perfil de ácidos grasos de la grasa
subcutánea.
González-Torres
et al. (2021) también utilizaron la
cromatografía gaseosa acoplada a un detector de ionización de llama para
determinar el perfil de ácidos grasos en dietas de cerdos en fase de ceba donde
incluyen el boniato (30 %) y así evaluar la calidad nutricional de la carne.
Seperiza et al. (2021) determinaron
la composición en ácidos grasos de los huevos de gallinas criollas por
cromatografía gaseosa para evaluar el efecto de la inclusión de materias primas
que contienen compuestos bioactivos en la alimentación de estas aves.
Utilidad en el análisis de plantas
Dentro
de la alimentación de las especies de animales de interés productivo, la
utilización de fuentes alternativas constituye una de las tecnologías que más
se emplean actualmente, pues proporcionan gran cantidad de nutrientes
digestibles que contribuyen a la disminución de las importaciones de un país.
Desafortunadamente, las plagas son un enemigo que afecta este tipo de alimentación
y, por ello, se hace necesario el uso de plaguicidas para controlarlas e
incrementar la producción de alimentos de origen agrícola. En consecuencia,
resulta necesario aumentar el control sobre la presencia de residuos de
plaguicidas en los productos agrícolas para garantizar la seguridad alimentaria
y reducir los riesgos que su posible ingestión puede causar a los consumidores.
La HPLC y la CG constituyen técnicas fundamentales para este tipo de
investigaciones. Arrieta-Víquez (2016) realizó un estudio por cromatografía de
gases con detector de espectrometría de masas/masas para la determinación de
residuos de: aldrín, dieldrín, deltametrina, diclorán, endosulfán, clorpirifós,
cipermetrina, lambda cihalotrina, pendimentalina y lindano, en frutas y vegetales
del grupo de alto contenido de agua. Los resultados evidenciaron que del total
de muestras que se analizaron a nivel nacional, el 5 % sobrepasó su Límite
Máximo de Residuos de Plaguicidas (LMRP) en alimentos, siendo la cipermetrina
la que presentó mayor cantidad de incumplimientos, mientras que a nivel de
importación el 1 % de los incumplimientos se debió a endosulfán en manzanas.
Valentín et al.
(2021) utilizaron la HPLC para analizar la residualidad de plaguicidas en
cultivos de tomate e identificar dichos residuos y determinar su grado de
toxicidad. Gracias al empleo de esta técnica se pudo identificar cierto grado
de residualidad del plaguicida Chlorpirifos
y pequeñas cantidades de Cadmio (Cd), Cromo (Cr), Cobre (Cu), Manganeso
(Mn) y Zinc (Zn) en las muestras que se analizaron. Sin embargo, el promedio de
residualidad de plaguicidas y metales pesados que se encontraron en tomate no
supera los límites permisibles de acuerdo con lo determinado por el Codex Alimentarius y otras normas
internacionales. No obstante, se debe tener en consideración que los
plaguicidas son compuestos que pueden alterar el funcionamiento normal de un
organismo, por lo tanto, se debe garantizar la inocuidad del producto.
Dussac-Moreno
(2021) utilizó la cromatografía líquida y la gaseosa en un mismo estudio para
analizar y detectar residuos de plaguicidas en frutas y verduras de consumo en
fresco. Con el uso de ambas técnicas
pudo establecer los niveles residuales de estos productos y los cocientes de
riesgo por ingestión. Los resultados evidenciaron que la probabilidad de que
los consumidores se expongan a niveles de residuos de plaguicidas que podrían
conducir a resultados negativos para la salud es baja, aunque es un tema que se
debe seguir muy de cerca, pues la salud de los consumidores podría
comprometerse.
La
cromatografía gaseosa también se utiliza para analizar e identificar
metabolitos secundarios de plantas que se destacan en la literatura por su uso
tradicional, pero que estudios científicos aún no lo demuestran. Se conoce que
el ácido piroleñoso tiene diversas aplicaciones en la industria forestal como
preservante de la madera, biorrepelente, biofungicida, abono foliar y
constituye una alternativa en la obtención de productos orgánicos. Catacora et al. (2019) utilizaron la
cromatografía de gases para caracterizarlos componentes químicos y principios
activos del ácido piroleñoso obtenido de bambú leñoso (Guadua sarcocarpa), pisonay (Erythrina
ulei) y cetico (Cecropia sciadophylla),
con fines agrícolas. Con el empleo de esta técnica cromatográfica se hallaron
en el ácido piroleñoso del bambú leñoso 12 compuestos químicos orgánicos. En
pisonay, se encontraron 19 compuestos y, en cetico, se detectaron 23
compuestos. La identificación y caracterización de estos compuestos permiten
explicar las propiedades que posee este ácido piroleñoso en la industria
forestal.
Utilidad en la salud animal
La
utilización de fármacos en animales de interés productivo es un tema polémico,
porque muchas veces estos medicamentos se acumulan y no solo afectan la salud
animal, sino también que compromete la salud del consumidor. Dentro de los
medicamentos más discutidos en la literatura científica se encuentran los
agentes antitiroideos, los cuales, si bien producen un aumento de peso de los
animales debido a la retención de agua, son capaces de causarles enfermedades
como el hipotiroidismo. Los cócteles de hormonas que se administran como
inyectables o en forma de parches se suelen utilizar con frecuencia y tienen un
efecto cancerígeno. Los antibióticos se utilizan ampliamente en la producción
animal en forma terapéutica, preventiva y como promotores del crecimiento. A
pesar de los beneficios que supone su uso para la salud animal, se conoce que
su utilización en la producción animal produce una pérdida de su eficiencia con
el tiempo y el desarrollo de resistencias bacterianas que se transmiten a los
humanos.
Los
residuos de estos fármacos tanto en carne como en muestras biológicas (heces,
orina), se analizan mediante diferentes técnicas. Existen métodos rápidos de
detección de residuos medicamentosos en animales de granja, dentro de los
cuales se encuentran los métodos inmunológicos tipo ELISA. Sin embargo, la HPLC
también constituye una herramienta muy eficaz para la detección de estas
sustancias, pues posee alta especificidad, rapidez y se analizan gran número de
muestras de forma simultánea. Actualmente, es una de las técnicas que más se
utiliza para este tipo de investigaciones (Moudgil et al., 2019).
Muchos
países continúan el desarrollo de tratamientos alternativos, que no utilicen
fármacos, sino el empleo de fuentes vegetales que no solo contienen los
factores nutritivos que se requieren para el animal, sino también otros
metabolitos secundarios que contribuyen a eliminar la colonización de bacterias
patógenas y prevenir la contaminación de carne. Tal es el caso del extracto de
hojas de guayaba (Psidium guajava)
que tiene actividad antibacteriana de amplio espectro, debido al principio
activo quercetina. Silva-Vega et al.
(2021) realizaron un estudio con el objetivo de caracterizar y determinar el
efecto inhibitorio de la movilidad de Escherichia
coli O157:H7 en extractos de hojas de guayaba, pues se conoce que los
rumiantes son el principal hospedero de E.
coli O157:H7, causante del síndrome urémico hemolítico en estos animales.
La composición química de estos extractos se analizó por cromatografía gaseosa,
a través de la cual se evidenció que el compuesto en mayor proporción
(quercetina) en el extracto alcohólico de hojas de guayaba resulta efectivo en
la inhibición de la movilidad de E. coli
O157 H7.
Los
contaminantes constituyen otras de las sustancias que afectan tanto la salud de
los animales de interés productivo, como del consumidor de estos productos.
Dichos contaminantes pueden estar presentes en el alimento que se le suministra
al animal, pero también en los productos que provienen de estos animales, como
es el caso de la leche.
Una
de las técnicas que más se utilizan en la detección de estas sustancias dañinas
es la HPLC. Bernate-Bobadilla et al.
(2021) realizaron un estudio en el cual utilizaron esta técnica de avanzada
para determinar la presencia de aflatoxina M1 en algunos predios productores de
leche en la zona sur de Bogotá, pues la leche es un alimento de alta
comercialización y consumo que necesita un especial cuidado. Este producto
puede contaminarse con aflatoxinas, las cuales generan efectos adversos en los
seres humanos y animales, en especial, se observa un efecto cancerígeno en el
hígado, y la exposición puede causar la degeneración del parénquima, seguido de
carcinoma y cirrosis.
Utilidad en estudios ambientales
Las
excretas de los animales se acumulan en el suelo y forman parte de las
emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). La cromatografía gaseosa
acoplada a diferentes detectores es una herramienta para detectar y cuantificar
las emisiones de gases de efecto invernadero (CH4, CO2 y
N2O) en diferentes etapas de la producción pecuaria.
Saynes-Santillan (2018) realizó una investigación en la cual utilizó este tipo
de cromatografía para medir las concentraciones de CH4 (metano) en
rumiantes, ya que a nivel global la cría de estos animales constituye la mayor
fuente de emisiones antropogénicas de CH4 (Ripple et al.,
2014). Existen también estudios en los que la cromatografía gaseosa juega un
papel imprescindible y es en las mediciones de CH4 y N2O
(óxido nitroso) en excretas de animales. La mayor parte de las investigaciones
se enfocan en las emisiones generadas por la fermentación entérica. Sin
embargo, la generación de estiércol y orín que se acumula en las granjas es una
consecuencia inevitable de la producción pecuaria y, a la vez, una fuente
importante de emisiones de GEI. El orín, lodos y estiércol contienen nitrógeno
inorgánico, carbono y agua disponible para los microorganismos, los cuales son
sustratos necesarios para la producción microbiana de CH4 y N2O.
De acuerdo con Jungbluth et al. (2001), del 0.05 al 0.7 % del nitrógeno
que se excreta en el estiércol se emite como N2O en el caso de las
vacas, aunque las emisiones pueden ser hasta de 50-60 % en el caso de los
cerdos que son criados con camas gruesas de paja.
Si
bien el estudio de los suelos muchas veces se enfoca en el análisis de su
composición química (minerales), también otro tema de gran interés para los
científicos hoy en día se relaciona con el estudio de la contaminación de los
suelos con hidrocarburos, los cuales constituyen un fenómeno común y causan
catástrofes ecológicas y sociales. Un derrame de petróleo crudo en la tierra
introduce hidrocarburos a base de petróleo, que afectan negativamente las
características biológicas, químicas y físicas del suelo. La contaminación con
hidrocarburos provoca daños de sistema local, ya que la acumulación de
contaminantes en animales y tejidos vegetales puede causar la muerte o
mutaciones. Numerosos artículos de revisión científica cubren diversos factores
que influyen en la velocidad de biodegradación del petróleo (Hassanshahian et al., 2020). Sin embargo, existen
pocas fuentes bibliográficas que compilen la diversidad de métodos analíticos
aplicados en la cuantificación de la biodegradación de hidrocarburos.
Precisamente, la cromatografía gaseosa y la HPLC constituyen métodos analíticos
que se aplican en la cuantificación de
la biodegradación de hidrocarburos totales de petróleo, lo cual muestra
una vez más la utilidad de estas técnicas cromatográficas.
Utilidad de la cromatografía en la rama agropecuaria en el
Instituto de Ciencia Animal
En
Cuba existen diferentes centros que se dedican a la investigación y superación posgraduada
de la rama agrícola, cuya finalidad es generar y transferir conocimientos
actualizados, tecnologías integrales y nuevos productos de biotecnología,
ciencia vegetal y sistemas sostenibles, para elevar de forma eficiente la
producción agroalimentaria. Un ejemplo de ello lo constituye el Centro Nacional
de Sanidad Agropecuaria (CENSA), el Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas
(INCA) y el Instituto de Ciencia Animal (ICA), pertenecientes a la provincia de
Mayabeque. Estos centros utilizan este tipo de tecnologías de avanzada en sus
investigaciones en la rama agropecuaria.
El
Instituto de Ciencia Animal es un centro que estudia las cuestiones
relacionadas con la nutrición animal y el desarrollo de la ganadería. La
aspiración máxima de los que hoy laboran en el ICA es potenciar la producción
de alimento animal y avanzar hacia la intensificación sostenible de la
actividad ganadera.
En el ICA se desarrollan
investigaciones que incluyen análisis por CG y HPLC. Rodríguez et al. (1998) realizaron determinaciones
de ácidos grasos de cadena larga en plantas de morera. Según Pérez et al. (2005), se determinaron ácidos
grasos de cadena corta (AGCC) totales (acético, propiónico, butírico y láctico)
en muestras de ciegos en pollos de ceba con el uso de un cromatógrafo
gas-líquido con detector de llama. En la evaluación de la ensilabilidad in vitro de granos de canavalia (Canavalia ensiformis) y vigna (Vigna unguiculata), solos o mezclados
con granos de sorgo (Sorghum bicolor),
González et al. (2012) analizaron azúcares
monoméricos y diméricos en extractos de agua por HPLC acoplado a un detector de
índice de refracción, ácido láctico por HPLC en el detector UV y cuantificaron
por separado los ácidos grasos de cadena corta y el etanol mediante
cromatografía gaseosa. En el estudio de metabolitos secundarios de Leucaena leucocephala y su relación con
algunos elementos del clima, diferentes expresiones de digestibilidad y
metabolitos primarios, Herrera et al.
(2017) cuantificaron azúcares por HPLC acoplado a un detector de índice de
refracción. García et al. (2020) determinaron la concentración de ácido láctico por
HPLC y la concentración de ácidos grasos de cadena corta individuales (acético,
propiónico, isobutírico, butírico, isovalérico y valérico) mediante cromatografía
de gases durante el estudio de caracterización química, física y microbiológica
de alimentos fermentados para su uso en la producción animal.
CONCLUSIONES
La cromatografía líquida de
alta resolución y la cromatografía gaseosa constituyen dos pilares fundamentales
para la investigación científica hoy en día. La diversidad de aplicaciones de
ambas técnicas, versatilidad y rapidez permiten su utilización en numerosos
campos de la ciencia. Específicamente, en la rama agropecuaria es una
herramienta imprescindible para la obtención de resultados relevantes que van
desde el análisis del perfil de ácidos grasos en estudios referentes a la formulación de una dieta determinada para la
alimentación de animales de interés productivo, hasta la determinación y cuantificación
de residuos agroquímicos en las plantas, la detección de contaminantes en las
dietas y residuos medicamentosos que comprometen la vida del animal y del
consumidor, así como el análisis de metabolitos secundarios en extractos como
alternativas para reemplazar el uso de antibióticos en animales de granja.
La utilización de estas
técnicas en el ICA permitirá profundizar en las investigaciones que se realicen
en los departamentos de la ciencia y ampliar
horizontes en el desarrollo de nuevas técnicas analíticas y en la búsqueda de
compuestos de gran interés.
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Universidad Politécnica de Valencia, Valencia. http://hdl.handle.net/10251/150936
Contribución
de los autores
Concepción y diseño de
la investigación: MHM, MAV; análisis e interpretación de los datos: MHM, MAV;
redacción del artículo: MHM, MAV.
Conflicto
de intereses
Los autores declaran que no existen conflicto de intereses.
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, Maryen Alberto Vazquez *%202023.%20La%20cromatografía%20g%20aseosa%20y%20la%20cromatografía%20líquida._archivos/image003.jpg){kind=small}