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UNIVERSIDAD DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS
DOCTORADO EN CIENCIAS AGRARIAS
ANÁLISIS METABOLÓMICO DE LA FRACCIÓN VOLÁTIL Y SU
RELACIÓN CON EL CONTENIDO DE ANTIOXIDANTES EN
TOMATE TIPO CEREZA (Solanum spp.) EN MADURACIÓN Y EN
POSTCOSECHA.
ESTUDIANTE
LINA MARÍA LONDOÑO GIRALDO
DIRECTOR
Gonzalo Taborda Ocampo Ph. D - Universidad de Caldas.
CODIRECTOR
Eduardo Corpas Iguarán Ph. D – Universidad Católica de Manizales.
ASESORES EVALUADORES
Nelson Ceballos Aguirre Ph. D – Universidad de Caldas
Alejandro Cifuentes Ph. D - CSIC - CIAL- Laboratorio de Foodómica. Madrid.
MANIZALES, 2017
1. Información general
Título del proyecto:
Análisis metabolómico de la fracción volátil y su relación con el contenido de antioxidantes en tomate
tipo cereza (Solanum spp.) en maduración y en postcosecha. Nombre de la convocatoria en la cual presenta el proyecto: N/A
Nombre de los Grupos de Investigación o de Investigación Creación : (registre la información de los
grupos que participan)
GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN CROMATOGRAFÍA Y TÉCNICAS AFINES (GICTA)
Nombre del Grupo: GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN CROMATOGRAFÍA Y
TÉCNICAS AFINES (GICTA)
Facultad/Instituto/Departamento: Facultad de Ciencias Exactas y Naturales /
Departamento de Química
Clasificación ___A__
Tipo de proyecto de I&D: Investigación Básica: Investigación Aplicable:
Aplicación en curso: Creación: Innovación Tecnológica:
Tipo de innovación:
Innovación tecnológica de producto Innovación tecnológica de proceso
Innovación organizacional
Área Estrátegica del Plan de Desarrollo
Biotecnología
Artes, Cultura y Humanidades Problemática Social
Salud
Ambiental
No corresponde a ninguna de las
áreas estratégicas
INTEGRANTES DEL EQUIPO DE INVESTIGACIÓN NOMBRE/TIPO DE VINCULACIÓN EN LA
UNIVERSIDAD DE CALDAS
DEPARTAMENTO o
PROGRAMA
ÁREA DE CONOCIMIENTO
(según COLCIENCIAS)
GONZALO TABORDA OCAMPO/DOCENTE
INVESTIGADOR
DEPARTAMENTO DE QUIMICA
Ciencias Naturales y
Biotecnologia
EDUARDO CORPAS IGUARÁN/DOCENTE
EXTERNO – UCM-
INSTITUTO DE
MICROBIOLOGÍA (IMBA)
Ciencias Naturales y
Biotecnologia
ESTUDIANTES DE POSTGRADO PROGRAMA ÁREA DE CONOCIMIENTO
(según COLCIENCIAS)
LINA MARIA LONDOÑO GIRALDO*
DOCTORADO EN CIENCIAS
AGRARIAS
Ciencias Naturales y
Biotecnologia
Lugar de Ejecución del Proyecto: (Municipio/Departamento)
Ciudad: Manizales Departamento: Caldas
Presupuesto
Valor total del proyecto: $257.500.000
Fuentes de financiación: Convocatoria 727 de
2015 de Becas nacionales Colciencias
Valor solicitado en efectivo en esta convocatoria:
$240.000.000
Duración total (meses): 42 meses
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2. Resumen ejecutivo
Los estudios metabolómicos son una herramienta esencial para las investigaciones en
biotecnología, puesto que permiten la fenotipificación de organismos o microorganismos, la
identificación de biomarcadores, el diagnóstico temprano de enfermedades y la validación de
nuevos fármacos. El tomate (Solanum lycopersicum L.) es la hortaliza más importante en el
mundo porque representa una importante fuente de vitaminas, minerales y fibra, contiene
ácido ascórbico, vitamina E, flavonoides, ácidos fenólicos, carotenoides y licopeno para el
humano. El proceso de maduración del tomate desde su cosecha se desarrolla a través de
procesos fisiológicos y bioquímicos durante 12 a 14 días. El deterioro posterior puede ser de
origen químico o microbiológico, e implica el desencadenamiento de variaciones en la
fracción volátil. Inicialmente, se implementará la extracción y análisis de compuestos
volátiles en tomate tipo cereza por HS-SPME-GC/MS. Posteriormente, se estudiará la
composición metabólica de la fracción volátil de tomate tipo cereza por HS-SPME-GC/MS y
se evaluará el contenido de licopenos y β-carotenos mediante espectrofotometría de luz
visible en 10 introducciones seleccionadas. Finalmente, se determinará la presencia de
marcadores volátiles en tomate tipo cereza durante su maduración y el deterioro en
postcosecha en presencia y ausencia de 1-metilciclopropeno (1-MCP), molécula utilizada
para prolongar su vida útil. Esta investigación permitirá identificar marcadores tempranos de
maduración y deterioro útiles para la agroindustria, además de proponer alternativas ligadas al
mejoramiento en las condiciones de conservación, retardo del proceso de deterioro, aumento
de la vida útil en anaquel y generación de la huella metabólica del tomate tipo cereza.
3. Conformación y trayectoria del equipo de investigadores o Investigadores
Creadores
El Grupo de Investigación en Cromatografía y Técnicas Afines (GICTA) posee 14 años de
experiencia en tratamiento y análisis de muestras biológicas y cuenta con la infraestructura y
todo el equipo profesional y técnico para desarrollar y validar protocolos para estudios
metabolómicos, por lo tanto, existe una clara oportunidad de desarrollar e implementar
metodologías para el análisis metabolómico e integrar los desarrollos químicos con los
desarrollos bioinformáticos e incluso brindar servicios a nivel nacional como a nivel
internacional. El grupo GICTA se encuentra actualmente calificado por Colciencias en
categoría A y se encuentra vinculado al departamento de Química, a la Maestría en Química,
al Doctorado en Ciencias Biomédicas y al Doctorado en Ciencias Agrarias de la Universidad
de Caldas. Su misión ha sido la de generar conocimiento aplicado en el área de las técnicas
analíticas instrumentales en los campos de alimentos y medio ambiente orientados al
desarrollo regional y nacional para dar solución a problemas del sector productivo e
investigativo. En la actualidad cuenta con alrededor de 40 integrantes, 65 artículos científicos
publicados, 58 trabajos de grado dirigidos y 34 proyectos de investigación.
La línea de investigación a la cual confluye la presente propuesta se denomina Bioquímica de
los metabolitos secundarios y estudios metabolómicos. Entre los proyectos desarrollados por
el grupo se encuentran:
- Herramienta web para la evaluación de la calidad de los datos metabolómicos y
validación de métodos analíticos. 2015: Finalizado.
- Análisis de polisacáridos bioactivos de hongos basidiomicetos como ingredientes
potenciales funcionales y nutracéuticos. 2013-2015: Finalizado.
- Determinación de los compuestos volátiles presentes en la pulpa de la guayaba amazónica
arazá (Eugenia stipitata) mediante SPME-GC/MS. 2011-2012: Finalizado.
- Determinación del perfil cromatográfico de los compuestos volátiles de la pulpa del
tomate de árbol (Cyphomandra betacea Sendt) por diferentes tratamientos para su
conservación por medio de HS-SPME-GC/MS. 2011-2012: Finalizado.
- Implementación de las técnicas de extracción SPME y SDE para la determinación de
compuestos volátiles presentes en frutas tropicales y sus derivados mediante cromatografía de
gases y detección por ionización de llama (GC/FID). 2005-2008: Finalizado.
- Estandarización, validación e implementación de técnicas para el análisis de alimentos.
2004: Finalizado.
4. Descripción del proyecto
4.1 Planteamiento de la pregunta o problema de investigación y su justificación
4.1 .1. Planteamiento del problema
El importante valor nutricional y económico de las frutas y hortalizas frescas es bien
conocido por todos los agentes de la cadena alimentaria, ya que presentan un alto contenido
en vitaminas, minerales, antioxidantes fenólicos, glucosinolatos y otras sustancias bioactivas,
además constituyen una buena fuente de energía y de fibra, siendo consideradas alimentos
nutritivos [1]. En consecuencia, el reconocimiento de la importancia del consumo habitual de
frutas y hortalizas frescas, unido a un notable aumento de la disponibilidad de estos productos
ha contribuido al incremento no solo de su consumo sino también a un aumento en el interés
de cultivar de diversos materiales de calidad agronómica y fitosanitaria. El tomate es la
hortaliza más importante en Colombia y una de las más importantes en el mundo
constituyendo aproximadamente el 30% de la producción hortícola mundial. Gran parte de la
diversidad del tomate se encuentra en sus formas silvestres y menos estudiadas [2], siendo
Solanum lycopersicum var. cerasiforme y S. pimpinellifolium las que se destacan
principalmente por su variabilidad genética para características de calidad de fruto como
sabor, aroma, color y textura. El tomate tipo cereza ha sido reconocido por su pequeño
tamaño, sabor dulce y características bioquímicas de interés agronómico (licopenos,
betacarotenos, vitamina C) que comparadas con otros tomates marcan una diferencia en su
valor nutritivo y en el mercado.
Sin embargo, el principal factor limitante de la vida útil de los vegetales frescos es su
actividad metabólica, que continúa después de la recolección. Los procesos de respiración,
transpiración y la producción de etileno deben controlarse exhaustivamente para prolongar el
estado óptimo de maduración de estos alimentos hasta su consumo. Ya dependiendo de su pH
este proceso se acelera por la presencia de bacterias en productos con pH neutro, y mohos y
levaduras en frutas con pH bajo propiciando su deterioro.
En Colombia, un país predominantemente agrícola, el impulso de las “miniverduras” como
el tomate tipo cereza se ha dado como una alternativa de producción para los agricultores y ha
resultado en una estrategia viable en la que convergen características que brindan condiciones
promisorias para su cultivo relacionadas a sus interesantes propiedades organolépticas y su
rápido retorno económico, lo que propicia una producción de estudios en diversos puntos de
la cadena de producción de esta hortaliza. Pero, tal y como lo afirman Ceballos-Aguirre et al,
(2012) [3], en el país existen recursos genéticos de tomate tipo cereza que no han sido
evaluados por caracteres de calidad, por lo que se desconoce cuál podría ser su potencial para
aprovechamiento en los programas de mejoramiento genético, entonces, la utilización de este
recurso está sujeta a la previa identificación y selección de introducciones con potencial
comercial.
Por lo tanto, y a pesar de que el tomate tipo cereza ha sido cultivado, comercializado y ha
sido objeto de investigación a una escala metabolómica en varias partes del mundo, existen
vacíos relacionados al conocimiento de la composición química volátil de este tipo de tomate
en sus diferentes estadios de maduración, y en su deterioro postcosecha, e incluso no se han
registrado estudios que reflejen la influencia de retardantes de la maduración como el 1-MCP
en el perfil químico de los volátiles, y mucho menos de la relación de VOCs como
marcadores de deterioro en esta fruta y la correlación con el contenido de antioxidantes, así
como una ausencia de análisis y comparación de los volátiles de diferentes introducciones
cultivadas en el país.
4.1.2. Justificación
De la mano de la genómica, la metabolómica en el sector agrícola se ha convertido en una
herramienta práctica e informativa que ha permitido profundizar en el conocimiento de la
composición bioquímica de alimentos y en analizar características como el sabor y olor que
en el caso del tomate son determinantes como criterio de calidad. Dentro de la metabolómica,
el estudio de los compuestos orgánicos volátiles (VOCs) se ha convertido a nivel mundial en
una herramienta para la diferenciación de genotipos, las fases de maduración y senescencia de
frutas y hortalizas, diferencias de sabor y olor y la preservación para mejorar la vida útil de
los alimentos. Es por esto que la pertinencia de este estudio parte a nivel nacional en el marco
de una de las necesidades plasmadas en el Plan Estratégico de Ciencia, Tecnología e
Innovación en el Agro (PECTIA) [4] que propone un fortalecimiento nacional en
investigación en las “ómicas” como base para desarrollar una agrobioprospección de cultivos
nacionales. El PECTIA enfatiza en la profundización de los estudios nacionales en
postcosecha principalmente en el campo de las hortalizas. En el caso del tomate tipo cereza,
también viene ligado a las necesidades abordadas desde estudios relacionados con material de
siembra y mejoramiento genético que pueden estar ligados a parámetros de denominación de
origen, y a la promoción de estudios en “alimentos funcionales” como parte de la necesidad
ligada a alimentación y nutrición. A nivel local, este estudio se integra a la agenda de
competitividad del departamento de Caldas [5], ya que apuesta por el aprovechamiento
agroindustrial y sostenible de la biodiversidad tropical andina, y lo articula con programas de
sustitución agrícola de especies promisoras de exportación. De este modo, la utilidad de un
análisis de VOCs que actúan como biomarcadores en el tomate tipo cereza permitirán
identificar moléculas de interés dentro de la dinámica postcosecha del tomate y su
interrelación durante diferentes procesos, que a su vez creen la base para posibles técnicas de
conservación, principalmente en frutos que proceden y son cultivados en nuestra zona, lo que
a su vez lo convierte en un proyecto innovador dado por las condiciones de los estudios
metabolómicos que asocian maduración, senescencia, deterioro, contenido de antioxidantes y
otros procesos postcosecha de interés en hortalizas de interés nacional. De esta forma será
posible participar en los esfuerzos mundiales por el conocimiento del tomate y de sus
variedades y se hará una contribución local no solo por el estudio de la fracción volátil de la
fruta sino también en la promoción del mejoramiento por calidad intrínseca y el uso de la
diversidad genética de nuestra región.
4.2 Marco Teórico
4.2.1 METABOLÓMICA
La metabolómica es una de las ciencias más recientes y ha sido llamada la ciencia emergente
de las “ómicas” debido a que después del surgimiento genómica, siguió la transcriptómica, la
proteómica y por último la metabolómica. Esta ciencia se encarga del estudio sistemático del
perfil de metabolitos en un determinado proceso, y permite una mejor comprensión de las
complejas interacciones moleculares que ocurren en los sistemas biológicos [6]. Los
metabolitos de bajo peso molecular revelan el momento fisiológico actual. La pregunta
biológica en los estudios metabolómicos han sido dirigidas principalmente en el monitoreo
tóxicológico [7], diagnóstico temprano de enfermedades como el cáncer [8,9], respuesta
fisiológica a transplante de órganos [10], trastornos en el metabolismo [11], análisis de
alimentos y bebidas [12,13], fenotipificación de animales y plantas [14], desarrollo y
validación de nuevos medicamentos [15] e identificación de biomarcadores [16-17]. Al
identificar y cuantificar todos los posibles metabolitos de una muestra biológica, se pueden
definir los niveles de estado estacionario de los intermedios de las redes metabólicas que
constituyen el fenotipo metabólico.
4.2.1.1 Compuestos Orgánicos Volátiles.
Los compuestos volátiles, por lo general, son moléculas pequeñas de baja polaridad y tienen
un peso molecular por debajo de 250-300 Da. Los volátiles tienen presiones de vapor
relativamente altas lo que les permite atravesar las membranas y ser liberados a la atmósfera
en ausencia de una barrera de difusión y constituyen aproximadamente el 1% de los
metabolitos secundarios conocidos de plantas. Los productos de este metabolismo se
consideran secundarios porque no participan en procesos fotosintéticos, respiratorios, de
asimilación de nutrientes, transporte de solutos o biomoléculas esenciales [18], sin embargo,
requieren del metabolismo primario el suministro de moléculas simples como ácido
shiquímico, el acetato y los aminoácidos, que son sustratos iniciales para sus variadas rutas
biosintéticas. Se sabe que los volátiles emitidos por las plantas están involucrados en la
defensa contra patógenos y herbívoros, en respuesta a estrés abiótico, en la simbiosis
micorrícica y también en la atracción de los polinizadores y dispersores de semillas. En frutos
la biosíntesis y la emisión de compuestos volátiles es un proceso que cambia drásticamente
durante la maduración. Los niveles de algunos compuestos permanecen casi constantes, otros
incluso disminuyen, pero la mayoría de ellos se elevan bruscamente durante la maduración,
por lo que se considera que es parte del mecanismo de atracción de dispersores de semillas
[19].
4.2.2. EL TOMATE
El tomate es una planta perteneciente a la familia Solanáceas y al género Solanum. Dentro del
género, Solanum lycopersicum L., es una popular especie cultivada con nueve especies
silvestres relacionadas, las cuales son originarias de la Región Andina de Chile, Bolivia, Perú,
Ecuador y Colombia [20,21]. La mayor parte de la diversidad del tomate se encuentra en sus
formas silvestres, las que presentan variabilidad para las características de calidad del fruto
tales como el sabor, el aroma, la coloración y la textura [22]. En 2011 la producción mundial
de tomate llegó a casi 160 millones de toneladas, y se considera el séptimo cultivo más
importante después del maíz, el arroz, el trigo, la patata, la soja y la yuca. Por esta razón, el
área dedicada al cultivo y producción de tomate se ha duplicado durante los últimos 20 años
[23].
4.2.2.1 El tomate tipo cereza
Las formas silvestres de “tomate cereza”, Solanum lycopersicum var. cerasiforme y Solanum
pimpinellifolium son originarias del Perú, migraron a través de Ecuador, Colombia, Panamá y
América Central hasta llegar a México [24]. La variedad botánica “cerasiforme”, llamado
tomate pajarito, tomate cereza, de aliño, vagabundo o tipo cereza, es considerado como el
precursor del tomate de mesa comúnmente cultivado, corresponde a una planta que se puede
encontrar en antejardines o huertas caseras [25]. S. pimpinellifolium es la especie silvestre
más relacionada con el tomate cultivado. Se ha evidenciado que las plantas conocidas como
“cerasiforme” son una mezcla de tomates silvestres y cultivados en lugar de ser ancestros de
los cultivares actuales [26]. S. esculentum var. cerasiforme y S. pimpinellifolium poseen
frutos de menor tamaño y peso que los cultivares comerciales pero de alta calidad, siendo
además de fácil cruzamiento con la variedad doméstica [23].
4.2.2.2 Parámetros de calidad del tomate
La calidad incluye tanto aspectos externos como el tamaño, forma, color, ausencia de
manchas y defectos, uniformidad y marcas características, como aspectos internos
relacionados con el sabor, aroma, acidez, contenido de sólidos, contenido de vitaminas, color
y consistencia de la pulpa. Dentro de éstas, las características demandadas por el mercado
son: forma, color, tipo de inflorescencia y peso promedio del fruto [27].
4.2.2.2.1 Color y antioxidantes en tomate
El color es una de las características más importantes de la calidad, para el consumidor es un
indicador de la calidad gustativa, el color de los tomates rojos depende básicamente de su
contenido de licopeno y en menor medida del β-caroteno, los tomates silvestres contienen alto
contenido en licopeno, y su contenido de β-caroteno en promedio es 3 a 4 veces superior al
del tomate rojo normal [27].
El β-caroteno es un carotenoide presente en los frutos de tomate, constituyendo el 7% del
contenido total del tomate [28]. El licopeno pertenece a la familia de los carotenoides que
imparte el color rojo del tomate, los diferentes isómeros de licopeno desempeñan una parte
importante en los procesos que determinan el color del fruto [29].
Se ha vinculado el papel de los carotenoides y especialmente del licopeno como el mayor
carotenoide en el tomate y en sus productos en la prevención de algunas enfermedades
cardiovasculares y cáncer, haciendo que esta especie sea considerada como alimento
funcional; el contenido de licopeno varía significativamente entre las variedades de tomate y
es influenciada por el ambiente [30, 31]. Los tomates tipo de cereza presentan el mayor
contenido de licopeno; tanto cultivados en campo abierto como en invernadero; contiene
diversos nutrientes y moléculas como, ácido ascórbico, vitamina E, flavonoides, ácidos
fenólicos y carotenoides, los dos principales carotenoides en frutos de tomate son licopeno, ,
y β-caroteno, [31].
4.2.2.2.2 El sabor del tomate y su diversidad química.
Los niveles de metabolitos primarios, tales como glucosa, fructosa, citrato o malato, pueden
presentar pequeñas variaciones, mientras que las concentraciones de compuestos volátiles
pueden variar en más de tres órdenes de magnitud entre las variedades silvestres. Un alto
contenido de azúcar aumenta el sabor del fruto fresco y es por esto que los programas de
mejoramiento del cultivo de tomate se han enfocado en el aumento del contenido de sólidos
en el fruto. El fruto contiene sólidos solubles (SS) que representan el 75% del contenido total
de sólidos y los principales componentes son los azúcares reductores de glucosa y fructosa.,
el 25% restante representa sólidos insolubles (ISS). Los contenidos de los SS de los cultivares
comerciales de tomate se han estimado entre 4,6% y el 6,3%. Sin embargo, en las especies
silvestres afines como S. pimpinellifolium, S. chmielewskii y S. cheesmaniae, se presentan
concentraciones mucho más altas de SS (~9-15%) [32]. El contenido en ácidos orgánicos
(citrato y malato), así como la relación entre el contenido en sólidos solubles y ácidos, son
importantes determinantes del sabor. Pero sin duda el sabor típico del tomate no está
determinado únicamente por los niveles de azúcares y ácidos, sino por los niveles de volátiles
[33]. Dentro de las variedades comerciales de tomate de élite, también hay una variación
química sustancial de los niveles de volátiles [34]. Los frutos tienen una gran diversidad
química que incluye a los compuestos volátiles, esta diversidad abarca diferentes grupos
funcionales como, aldehídos, cetonas, alcoholes, ésteres, ácidos orgánicos, furanonas, o
terpenoides. Las diferencias en el perfil de volátiles entre diferentes especies también son
drásticas y aunque pueden compartir muchos de los compuestos volátiles que producen, su
abundancia relativa varía ampliamente, incluso entre especies muy cercanas y dentro de la
misma especie [35]. Se han identificado más de 400 compuestos volátiles en el tomate, de los
cuales sólo 30 presentan concentraciones por encima de una parte por billón (ppb); de éstos,
sólo unos cuantos compuestos contribuyen mayormente a la percepción del aroma [36,37],
pero es difícil relacionar el aroma del tomate con un compuesto en específico [38]. La
biosíntesis de estos compuestos volátiles abarca rutas bioquímicas que involucran diferentes
enzimas y sustratos, donde los ácidos grasos, aminoácidos libres y carotenoides son los
principales precursores [39]. La composición y concentración de los compuestos volátiles
puede intensificar la percepción del sabor del tomate o contribuir a la formación de sabores
desagradables; estas concentraciones pueden variar según la variedad, el estado de madurez,
el periodo de almacenamiento y los tratamientos postcosecha [40, 41].
4.2.2.3. Maduración en tomate
La tasa productiva de CO2 por unidad de peso de fruta y por unidad de tiempo, y la
producción de etileno de las frutas permiten clasificarlas como climatéricas y no climatéricas
[42]. Las frutas climatéricas se caracterizan por el incremento en la actividad respiratoria,
coincidente con los respectivos cambios en el color, sabor y textura [43], cuyo inicio es
provocado por una concentración umbral de etileno (0.1-1.0 ppm), mientras las no
climatéricas se caracterizan porque la maduración puede producirse lentamente y no pueden
producir estos incrementos después de la recolección, dado que su cociente respiratorio
depende de la concentración de etileno autocatalítico [44]. Concomitante con el proceso
respiratorio, el crecimiento y desarrollo de la fruta es controlado por la producción de
hormonas, las cuales son susceptibles a los cambios ambientales [45], entre las cuales se
encuentra el etileno, un compuesto gaseoso simple que contiene dos átomos de carbono,
cuatro de hidrógeno y un doble enlace (C2H4) [46].
La biosíntesis del etileno inicia con la conversión de metionina a S-adenosil metionina
(SAM) por adición de adenina; SAM es un metabolito primario, crucial en el metabolismo de
poliaminas y precursor de muchas otras rutas, como las de biosíntesis de lignina y la
metilación de los ácidos nucleicos y proteínas, SAM se convierte luego en ácido 1-
aminociclopropano-1-carboxilico (ACC) y 5´-metiltioadenosina (MTA), reacción catalizada
por la ACC sintasa (ACS), la cual es considerada como enzima clave, puesto que es inducida
por muchos estímulos y mantiene un rol en la regulación de la producción de etileno en
muchos tejidos de plantas. Finalmente, el ACC es oxidado por la enzima ACC oxidasa
(ACO) para formar etileno [46]. La oxidación en cuestión requiere la presencia de oxígeno y
bajos niveles de dióxido de carbono para activar la ACO [47].
4.2.2.3.1. Retardantes de maduración
La principal estrategia de conservación en postcosecha es el manejo del etileno, ya sea
disminuyendo los niveles en la atmósfera, bloqueando su síntesis o su acción elicitora [48].
Existen una serie de compuestos que disminuyen los efectos del etileno, como, citoquininas,
CO2, óxido nítrico, óxido nitroso, rhizobitoxina y diferentes alquenos cíclicos [49]. A nivel
de receptor se reportan al tiosulfato de plata, NBD (2,5 - norbornadieno), DACP (diazociclo
pentadieno), olefinas cíclicas como el 1-metilciclopropeno como bloqueadores de la acción
elicitora del etileno [48,50], los primeros 3 no se pueden usar en alimentos por ser altamente
tóxicos. Otra opción para disminuir los efectos inducidos por el etileno, es el uso de agentes
oxidantes como KMnO4, no obstante, éste no puede estar en contacto directo con los
alimentos [48].
4.2.2.3.1.1 1-Metil-Ciclopropeno
El 1-MCP (C4H6) es una olefina cíclica, a temperatura y presión estándar, es un gas con un
peso molecular de 54 [49]. El 1-MCP ocupa los receptores del etileno de manera irreversible,
bloqueando la cascada de transducción de señales que conllevan a la expresión de genes
relacionados con la respuesta al etileno [50]. La afinidad del 1-MCP por los receptores es diez
veces mayor a la del etileno y actúa a más bajas concentraciones, también regula la
biosíntesis de etileno a través de la inhibición del proceso autocatalítico [51]. No es tóxico, es
inodoro, estable a temperatura ambiente, además, es de fácil aplicación y altamente eficaz
para proteger a muchas especies agrícolas de la acción del etileno [52]. En tomate se han
reportado efectos en la vida útil, prolongando cambio en la firmeza y color, influyendo en la
prolongación del periodo comercial sobre variedades cosechadas en estados avanzados de
madurez y sin requerir infraestructura de refrigeración [53].
4.3 Objetivos
Objetivo general
Analizar la composición química de la fracción volátil y el contenido de antioxidantes del
tomate tipo cereza (Solanum spp.) durante su maduración y postcosecha.
Objetivos específicos
Implementar la extracción de compuestos volátiles en tomate tipo cereza (Solanum spp.)
para análisis por HS-SPME-GC/MS.
Estudiar la composición metabólica de la fracción volátil de tomate tipo cereza (Solanum
spp.) por HS-SPME-GC/MS en 10 introducciones seleccionadas.
Evaluar el contenido de licopenos y β-carotenos en 10 introducciones de tomate tipo
cereza mediante espectrofotometría de luz visible.
Determinar la presencia de marcadores volátiles en tomate tipo cereza (Solanum spp.)
durante su maduración y el deterioro en postcosecha en presencia y ausencia de 1-MCP.
4.4 Metodología propuesta
4.4.1 Unidad de muestra
- Las muestras se obtendrán de plantas sembradas en condiciones de invernadero ubicadas en la
granja Tesorito de la Universidad de Caldas.
- Los tomates se colectarán de cultivos desarrollados bajo similares condiciones de altitud,
temperatura, humedad relativa y características del suelo.
- Se analizaran los °Brix de las muestras para verificar el grado de maduración en el que se
encuentran.
- Los grados de maduración se basarán en la clasificación propuesta por la NTC 1103-1 que
contiene 5 grados de maduración del tomate (verde, coloración incipiente, coloración media,
coloración avanzada, rojo).
- Las muestras se analizarán en el laboratorio de Cromatografía de la Universidad de Caldas,
con el apoyo del Grupo de Investigación en Cromatografía y Ciencias Afines –GICTA-.
4.4.2 Diseño experimental planteado
- El presente corresponde a un estudio de corte experimental basado en el análisis de la
fracción volátil del tomate tipo cereza (Solanum spp.) durante los procesos de maduración y
senescencia de la fruta integra, y durante su conservación mediante la exposición a 1-mcp, y
su diferenciación entre diferentes accesiones de tomates cultivados.
- La identificación y cuantificación de los volátiles obtenidos se realizará mediante la adición
de estándares internos de alcanos, el uso de la librería NYST. La reproducibilidad de los
datos obtenidos por la metodología SPME-GC/MS se verificará con los siguientes parámetros
de calidad: Precisión y exactitud, linealidad, límite de detección y cuantificación.
- Se empleará el software MZMINE2 para el pretratamiento de datos y el software estadístico
R para el análisis de los resultados.
- Nivel de confianza experimental de 95%.
Objetivo específico Condiciones
1. Extracción y análisis de
compuestos volátiles por
HS-SPME/GC-MS del
tomate tipo cereza
48 unidades de muestra
Diseño de dos factores. Factor 1: Tipo de fibra: (CAR/DVB 65µm,
DVB/CAR/PDMS 50/30μm, PDMS/DVB, 65μm). Factor 2: Factor 2: T° de
adsorción (25°C, 35°C, 45°C,55°C).
Muestra: tomate tipo cereza grado de maduración 5
12 combinaciones y 4 repeticiones por combinación
Variable respuesta: Número de VOCs obtenidos
Comparación quimiométrica para la identificación y cuantificación, identificación
y comparación de resultados con plataformas y bases de datos de espectros de
masas, normalización de datos (si se requiere), análisis ANOVA y test de Tukey.
Selección de mejor combinación para SPME en muestras de tomate tipo cereza.
2. Análisis de VOCs
producidos por HS-
SPME/GC-MS en
diferentes introducciones
de tomate tipo cereza.
44 unidades de muestra
Uso de la mejor combinación para SPME del objetivo 1.
Muestra: tomate tipo cereza grado de maduración 5
10 Introducciones de tomate tipo cereza y un testigo comercial. Cuatro
repeticiones por cada introducción.
Variable respuesta: Número y Concentración de VOC´s
Comparación quimiométrica para la identificación y cuantificación, identificación
y comparación de resultados con plataformas y bases de datos de espectros de
masas, normalización de datos (si se requiere), análisis Clúster para Número de
VOC´s y análisis de Componentes Principales para relacionar concentración de
VOC´s y las introducciones.
Accesiones caracterizadas y analizadas por sus VOCs.
3. Análisis de licopenos y β-
carotenos a través de
espectrofotometría óptica
en diferentes
introducciones de tomate
tipo cereza. 44 unidades de muestra
Muestra: tomate tipo cereza grado de maduración 5
10 Introducciones de tomate tipo cereza y un testigo comercial y cuatro
repeticiones por cada introducción
Variable respuesta: Concentración de licopenos y β- carotenos (μg/ml)
Análisis Clúster y análisis de Componentes Principales para relacionar
concentración de antioxidantes y las introducciones.
Correlaciones entre resultados de objetivo 2 y 3
4. Análisis de compuestos
volátiles por HS-
SPME/GC-MS del tomate
tipo cereza en diferentes
estadios de maduración y en el deterioro en etapa de
postcosecha en presencia y
ausencia de 1-MCP
4a: 25 unidades de muestra
4b: 60 unidades de muestra
Muestra: tomate tipo cereza en 5 grados de maduración según NTC 1103-1, con 5
repeticiones por GM.
Variable respuesta: Número y Concentración de VOC´s
Comparación quimiométrica para la identificación y cuantificación, identificación
y comparación de resultados con plataformas y bases de datos de espectros de
masas, normalización de datos (si se requiere), Análisis Discriminante de Fisher y
elaboración de mapas territoriales.
Muestra: tomate tipo cereza en grado 3 y 5 de maduración, expuestas y no
expuestas a 1-MCP
Evaluación a los 3, 6, 9, 12 y 15 días
3 repeticiones/cada día en presencia y ausencia de 1-MCP para GM3 y GM5
Variable respuesta: Concentración y Número de VOC´s
Comparación quimiométrica para la identificación y cuantificación, identificación
y comparación de resultados con plataformas y bases de datos de espectros de
masas, normalización de datos (si se requiere), Diseño de medidas repetidas.
4.5 Resultados esperados1
- Aplicación de perfiles metabólicos de tomate tipo cereza para el desarrollo de diferentes
procesos postcosecha.
- Aplicar herramientas web para el estudio comprensivo de los perfiles metabolómicos del
tomate tipo cereza.
- Graduar un estudiante de doctorado en ciencias Agrarias.
- Realizar mínimo dos publicaciones en revistas indexadas
- Socializar en mínimo dos eventos de relevancia nacional e internacional
- Fortalecer la línea de investigación en metabolómica de frutas del grupo de investigación
GICTA.
4.6 Impactos esperados a partir del uso de los resultados (máximo 1 página)
- A partir de la construcción de la huella metabólica de la fracción volátil del tomate tipo
cereza será posible agregar un valor a la cadena de producción de este fruto, con el fin de
impulsar principalmente accesiones locales y generar opciones de cara a la obtención de una
denominación de origen para el producto.
- El fomento de la investigación en este tipo de cultivos hortícolas que presentan una gran
repercusión socioeconómica a nivel mundial, contribuirá a un aumento en la generación
de conocimiento local sincronizado con los planes de ciencia, tecnología e innovación del
país y del departamento con miras a una agrobioprospección basados en sus
características nutritivas y funcionales.
- Por su naturaleza climatérica, los esfuerzos destinados a alargar y a comprender la vida
útil de anaquel y los procesos de deterioro y senescencia en presencia de inhibidores de
maduración y la identificación de marcadores para cada uno de estos procesos, serán un
paso más allá en la generación de conocimiento del tomate tipo cereza.
- Ahondar en los esfuerzos del grupo de investigación en la compilación de huellas
metabólicas de frutas de interés agrícola pertenecientes a la familia Solanaceae para
1 Serán reportados en el informe técnico final (o de avance cuando se requiere prórroga), de acuerdo al formato para
tal fin, disponible en la página web de la Universidad en el link de investigaciones
convertirse en un referente de estudios metabolómicos a nivel nacional en este tipo de
productos.
4.7 Cronograma de actividades:
5. Compromisos
Graduar un estudiante de Doctorado en Ciencias Agrarias.
Realizar dos publicaciones en revistas indexadas A2 o una publicación en A1.
Participar en dos eventos de carácter nacional o internacional.
6. Bibliografía
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Technology 48: 206–214.
PRESUPUESTO TOTAL *
Nombre del proyecto: Análisis metabolómico de la fracción volátil y su relación con el contenido
de antioxidantes en tomate tipo cereza (Solanum spp.) en maduración y
en postcosecha.
RUBROS
FUENTES
TOTAL
UNIVERSIDAD DE
CALDAS
FINANCIACIÓN
EXTERNA
RECURRENTE
[1]
Solicitado a
V.I.P RECURRENTE
RECURSOS
FRESCOS
1. SERVICIOS PERSONALES 16.000.000 0 0 190.000.000 206.000.000
1.1. Investigadores 16.000.000 0 0 190.000.000 206.000.000
1.2. Auxiliares 0 0 0 0 0
1.3. Consultores 0 0 0 0 0
1.4. Asesores #¡REF! #¡REF! #¡REF! #¡REF! #¡REF!
2. GASTOS GENERALES 1.500.000 5.000.000 0 35.000.000 41.500.000
2.1. Servicios técnicos 1.500.000 0 0 0 1.500.000
2.1.1. Exámenes 0 0 0 0 0
2.1.2. Pruebas técnicas 1.500.000 0 0 0 1.500.000
2.1.3. Servicios de encuestas 0 0 0 0 0
2.2. Materiales e insumos 0 0 0 35.000.000 35.000.000
2.2.1. De campo 0 0 0 15.000.000 15.000.000
2.2.2. De oficina (papel, tinta,
fotocopias) 0 0 0 0 0
2.2.3. De laboratorio 0 0 0 20.000.000 20.000.000
2.3. Apoyo económico para gastos de
viaje 0 5.000.000 0 0 5.000.000
2.3.1. Tiquetes aéreos 0 0 0 0 0
2.3.2. Pasajes terrestres 0 0 0 0 0
2.3.3. Gastos de viaje (gasolina y
peajes) 0 0 0 0 0
2.3.4. Auxilio para viaje 0 4.500.000 0 0 4.500.000
2.3.5. Apoyo económico para
alojamiento y alimentación [2] 0 500.000 0 0 500.000
2.4. Gastos para uso de equipos 0 0 0 0 0
2.4.1. Pago de alquiler de equipos 0 0 0 0 0
3. INVERSIÓN 10.000.000 0 0 0 10.000.000
3.1. En equipos 10.000.000 0 0 0 10.000.000
3.1.1. Para compra de equipos 0 0 0 0 0
3.1.2. Equipos propios 10.000.000 0 0 0 10.000.000
3.2. En planta física 0 0 0 0 0
3.2.1. Adecuaciones 0 0 0 0 0
3.2.2. Alquiler de planta física 0 0 0 0 0
3.3. En material bibliográfico
necesario para esta investigación 0 0 0 0 0
3.3.1. Para comprar 0 0 0 0 0
3.4. En software necesario para esta
investigación 0 0 0 0 0
3.4.1. Para comprar 0 0 0 0 0
3.4.2. Propio 0 0 0 0 0
SUB-TOTAL 27.500.000 5.000.000 0 225.000.000 257.500.000
ADMINISTRACIÓN, 20% 0 0 0 45.000.000 45.000.000
TOTAL 27.500.000 5.000.000 0 270.000.000 302.500.000
PORCENTAJE DE FUENTES 9,1% 1,7% 0,0% 89,3% 100,0%
