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Una de las actividades más importantes en la historia de la humanidad es la agricultura y ha sido la base de la alimentación de los pueblos. En años recientes, diversas técnicas agrícolas se han desarrollado, dando como resultado cultivos más productivos, los cuales han servido para cubrir las necesidades alimenticias, pero también se requiere productos de calidad que ayuden a disminuir las deficiencias nutrimentales en la población.
Los humanos requieren 22 elementos minerales para su desarrollo¹y, aunque algunos de estos nutrientes son requeridos en bajas cantidades, varios estudios han demostrado que hay deficiencia de estos elementos en la dieta. La deficiencia de micronutrientes como hierro, zinc, selenio y yodo es un problema de salud pública, que afecta gran parte de la población mundial y tiene importantes consecuencias socioeconómicas (figuras 1 y 2).¹ Lo anterior ha sido ocasionado, en parte, por la agricultura moderna que impulsa, principalmente, un mayor rendimiento a menor costo, dejando de lado la calidad nutricional de los cultivos.²

Las consecuencias de la desnutrición son evidentes en el desarrollo y crecimiento infantil, además de influir en la respuesta negativa a patologías infecciosas, obesidad y predisposición al surgimiento de enfermedades crónicas.³ Esta situación en la que se relacionan enfermedades y desnutrición por deficiencia de micronutrientes y obesidad deberá ser considerada para la creación de programas orientados a mejorar la nutrición infantil.

Deficiencia de micronutrientes en alimentación humana.

Dos de los nutrientes esenciales más importantes en la nutrición son el hierro y el zinc, los cuales son esenciales tanto para plantas, como para humanos, con importantes funciones fisiológicas y formando parte de un gran número de proteínas con propiedades anticancerígenas e inmunoprotectoras.⁴ Se estima que entre 60 y 80% de la población mundial padece deficiencia en hierro; más de 30% en zinc y yodo y, aproximadamente, 15% en selenio.⁵ La ingesta diaria de hierro recomendada para los niños es de 7 a 15 mg, mientras que en los adultos fluctúa entre 8 y 18 mg. Las mujeres embarazadas requieren de 27 mg diarios.⁶ Por su parte, el zinc es requerido en menor cantidad y se recomienda que los niños consuman entre 3 y 8 mg diarios; mientras que los adultos requieren entre 8 y 11 mg diarios. Para las mujeres embarazadas se recomienda una ingesta diaria de entre 11 y 12 mg por día.⁶

FIGURA 1. Prevalencia global de la deficiencia de micronutrientes en la población (hierro, yodo y vitamina A) (Sanghvi, 1996).¹⁵

El hierro es un elemento importante en la alimentación, ya que regula la actividad de diferentes enzimas y desempeña un papel importante en el sistema inmune. Además, está presente en la hemoglobina de la sangre humana, por lo que su deficiencia provoca anemia, baja resistencia a infecciones, reduce la capacidad de aprendizaje y es causa de lento crecimiento. En las mujeres embarazadas, la anemia está presente en 20% de las muertes maternas. Incluso, la deficiencia de hierro de leve a moderada —aun sin anemia— puede disminuir la capacidad de trabajo, la resistencia a la fatiga⁷ y afectar la cognición.⁸ Por su parte, el zinc es requerido para la actividad de más de 100 enzimas involucradas en varias rutas metabólicas y es necesario en diversas funciones bioquímicas e inmunológicas. La deficiencia de zinc afecta el crecimiento, el sistema inmune, la función reproductiva y el desarrollo neurológico. Además, está asociada con el incremento de la morbilidad y la mortalidad.
Las encuestas nacionales de nutrición y salud 2006, del Instituto Mexicano del Seguro Social, arrojaron datos importantes que muestran una prevalencia de anemia en niños menores de 1 año, de 30 a 37% y de 20 a 23%, en el grupo de 1 a 4 años. La desnutrición prevalece en zonas marginadas, en escenarios que permiten ver infantes menores de 5 años, de los cuales 5 a 5.6% tienen bajo peso; de 12.7 a 14% tienen talla baja y 2% se encuentran en desnutrición grave.⁹

Biofortificación para el mejoramiento de los cultivos

Una de las técnicas implementadas para enriquecer los cultivos destinados al consumo humano es la biofortificación, la cual se define como el proceso consistente en aumentar la concentración de nutrientes esenciales en la parte comestible de las plantas, mediante el manejo agronómico y/o genético (figura 3). La biofortificación con micronutrientes en cultivos básicos se presenta como una alternativa para incrementar el contenido de nutrientes en los cultivos mediante técnicas de fertilización, fitomejoramiento tradicional o asistido con biotecnología.¹⁰ La biofortificación en cultivos de alimentos básicos para aumentar su contenido de micronutrientes tiene un enfoque de salud pública para el control de las deficiencias de hierro, zinc, yodo y selenio en los países en desarrollo.¹¹ En general, las concentraciones de minerales, en la mayoría de los suelos, no son suficientes para apoyar los cultivos con altos contenidos de minerales.¹ En muchos países, los programas de biofortificación y suplementación se han implementado para combatir esas deficiencias; por ejemplo, el enriquecimiento de hierro en la harina de trigo, en Pakistán; suplementos de vitamina A, en Nigeria; el uso de la sal yodada, en Marruecos, etcétera.¹²
Las principales ventajas de la biofortificación son: una única inversión para desarrollar semillas fortificadas, costos recurrentes bajos y la semilla resultante puede ser compartida. Además, el sistema de cultivos biofortificados es un medio viable para hacer llegar alimentos fortificados a las personas con acceso limitado a ellos, especialmente, la población con desnutrición de zonas rurales remotas.¹³ Sin embargo, se requiere que la investi-gación agrícola establezca vínculos directos con los sectores de salud y nutrición humana.¹⁴ Por lo anterior, tres puntos principales necesarios para implementar un programa de biofortificación con éxito son que los cultivos biofortificados: 1) sean de alto rendimiento y rentables para el agricultor; 2) deben mostrar eficacia para disminuir la problemática de malnutrición en los seres humanos; 3) cuenten con la aceptación de agricultores y consumidores en la región de destino.

La elección de cultivos base

HarvestPlus, una organización no gubernamental enfocada al desarrollo de cultivos biofortificados ha abordado todos estos temas.¹⁵ Para poder llevar a cabo los programas de biofortificación, se elige cultivos básicos de alto consumo, tales como trigo, arroz, maíz y frijol. El frijol común (Phaseolus vulgaris L.) es, actualmente, una de las leguminosas más importantes a nivel mundial y una fuente importante de nutrientes para más de 300 millones de personas en África y Latinoamérica (figura 4). Representa 65% del total de proteína consumida y una mayor fuente de micronutrientes, como hierro, zinc, tiamina y ácido fólico.¹⁶ Su ingesta ayuda a disminuir el riesgo de enfermedades cardiovasculares y del aparato digestivo, además de diabetes, obesidad y cáncer.¹⁷ En América Latina es la principal fuente de proteína, carbohidratos, vitaminas del complejo B y minerales. En México está entre los siete productos básicos más importantes de la agricultura.
En algunos países, como Ruanda y República Democrática del Congo, los investigadores dedicados al mejoramiento de cultivos básicos han desarrollado nuevas variedades de frijol con concentraciones de hierro por encima de 94 µg/g, lo cual se logró mediante un programa de investigación internacional de apoyo a la investigación y desarrollo de cultivos biofortificados de HarvestPlus.¹⁸ Los resultados mostraron una buena retención de micronutrientes después del procesamiento e igual o mayor rendimiento agronómico, lo cual indica que el frijol común es un cultivo prometedor para la biofortificación con hierro.¹¹
Un punto importante para la optimización de los programas de biofortificación es el procesamiento de los cultivos después de la cosecha (figura 5). Cultivos como el trigo son consumidos después de un proceso de molienda,¹ lo que pudiera modificar las concentraciones biodisponibles de los nutrientes en el cultivo. Además, las concentraciones de algunos nutrientes como el Se y el S se encuentran en mayor proporción en el embrión de la semilla, otros como el Fe, Cu y Zn se encuentran, principalmente, en el salvado.¹⁹

Biofortificación con hierro y zinc en frijol: estudio de calidad nutricional y actividad antioxidante

En este artículo presentamos los resultados más destacados obtenidos en este programa de biofortificación con hierro y zinc en frijol; los objetivos fueron: 1) Analizar el patrón de distribución de Fe y Zn en plantas de frijol, en función de la aplicación de diferentes dosis de sulfato y quelato de estos elementos; 2) evaluar el efecto de la aplicación de diferentes dosis y formas de Fe y Zn sobre el grado de biofortificación en la semilla de frijol; 3) conocer la influencia de la aplicación de las diferentes dosis y formas de Fe y Zn sobre la capacidad antioxidante en la semilla de frijol; y 4) determinar la calidad nutricional en las semillas de frijol por efecto de la aplicación de diferentes dosis y formas de Fe y Zn. El estudio fue realizado en el Centro de Investigación en Alimentación y Desarrollo A. C., Unidad Delicias, Chihuahua, por nuestro grupo de investigación de Fisiología y Nutrición Vegetal, en 2013. A continuación veremos los resultados más destacados.

Patrón de distribución de Fe y Zn

El patrón de distribución es un indicador empleado para determinar la distribución de los nutrientes en los diferentes órganos de una planta. En nuestro estudio, el patrón de distribución del Fe en las plantas de frijol, comparando quelato de Fe versus sulfato de Fe (figura 6), presentó la siguiente distribución: quelato de Fe: raíz (7.75%), tallo (18.07%), peciolo (3.55%), hoja (56.46%) y fruto (14.4%) versus sulfato: raíz (11.61%), tallo (16.50%), peciolo (6.12%), hoja (55.42%) y fruto (10.31%). Mientras que el patrón de distribución para Zn (figura 6) se comportó de la siguiente manera: quelato de Zn: raíz (9.10%), tallo (31.41%), peciolo (4.76%), hoja (32.30%) y fruto (22.39%) versus sulfato de Zn: raíz (11.92%), tallo (30.67%), peciolo (5.68%), hoja (59.76%) y fruto (20.54%).

En relación con la distribución de Fe y Zn y su transporte hacia la vaina y la semilla en las plantas de frijol, se observó que tanto en los tratamientos de hierro, como en los de zinc, la forma de quelato fue la más efectiva para la acumulación de ambos elementos en la semilla.

Grado de biofortificación

La forma efectiva de conocer la biofortificación de un cultivo es a través del concepto “grado de biofortificación”. En la figura 7 se muestra el grado de biofortificación de Fe en los frutos de frijol, sobresaliendo la forma de quelato de Fe con incrementos de 8% en semillas y 28% en vainas en comparación con el sulfato de Fe; mientras que en el Zn sobresalió la forma de sulfato de Zn con incrementos de 7% en semillas y 23% en vainas en relación con el quelato de Zn. Por lo que, la recomendación es que se utilice para biofortificar con Fe la dosis de 50 µM en la forma de quelato de Fe; mientras que, para biofortificar con Zn se recomienda la dosis de 50 µM en la forma de sulfato de Zn.

Capacidad antioxidante

La capacidad antioxidante de los alimentos consumidos en la dieta humana es muy importante, porque ésta ha sido relacionada con una reducción en la apa-rición de arteriosclerosis cardiovascular, cáncer y desórdenes degenerativos del ojo, así como asociada con enfermedades crónicas neurodegenerativas, tales como Alzheimer y Parkinson, las cuales son comunes en ciudades industrializadas.²⁰ Todas estas patologías pudieran estar relacionadas con un estrés oxidativo generado por especies de oxígeno reactivo que ocasionan daños en el nivel de componentes celulares (lípidos, proteínas y ADN). Consecuentemente, el sistema antioxidante humano, en combinación con compuestos antioxidantes presentes en frutos y vegetales frescos, desempeñan un importante papel en el combate al estrés oxidativo.²¹

En nuestro estudio, es posible observar diferencias significativas en la prueba de capacidad antioxidante a través del DPPH, por las formas y dosis de aplicación de Fe (figura 8), destacando la dosis de 25 µM L^-1 de quelato de Fe con un incremento de 37% y 49% en relación con el Control (sin aplicación) y la dosis de 100 µM L^-1, respectivamente; mientras que la forma de sulfato de Zn presenta un comportamiento parecido, destacando con la mayor capacidad antioxidante la dosis de 25 µM L^-1 de sulfato de Fe, en relación con el Control (sin aplicación) y a la dosis de 100 µM L^-1. Sin embargo, comparando las dos formas de Fe, destaca el quelato de Fe en la capacidad antioxidante con un incremento de 4% en comparación con el sulfato de Fe en la dosis de 25 (µM L^-1).
Con respecto a la capacidad antioxidante, en función de las formas y dosis de aplicación de Zn, en la figura 8 se muestra diferencias significativas encontradas, en las que destaca, de forma general, el quelato de Zn en relación con la forma de sulfato de Zn a dosis de 25 µM L^-1, lo que indica que esta forma de Zn mejora uno de los principales atributos de calidad del frijol y la salud del consumidor. Ríos y colaboradores⁵ realizaron un estudio con biofortificación de Se en lechuga y encontró que el tratamiento de 40 µmol L^-1 de selenato resultó el más adecuado para las plantas de lechuga, mejorando la capacidad antioxidante y la acumulación de Selenio, lo cual es importante para la alimentación y la salud del consumidor. De la misma forma, Blasco²² menciona que las plantas de lechuga biofortificadas con Iodo, a una dosis de 40 µmol L^-1 en la forma de I-, mejoró la biomasa, la capacidad antioxidante y el contenido mineral de la lechuga, lo que garantiza la viabilidad de un programa de biofortificación.

Calidad nutricional

La calidad nutricional de los cultivos es uno de los parámetros más importantes a considerar, al hablar de alimentación, ya que determinan su funcionalidad en la dieta. Los alimentos de origen vegetal proporcionan muchas vitaminas y minerales esenciales y un número significativo de otros compuestos promotores de la salud. En el presente experimento se observó un incremento significativo en la calidad nutricional de macronutrientes y micronutrientes por efecto de la aplicación de las dos formas de Fe y Zn, destacando, con la mayor concentración de macro y micronutrientes, en forma de quelato de hierro en comparación con el sulfato de hierro, mejorando su valor nutricional en los elementos como N, K, Mg, Fe, Zn y Ni. Mientras que en las formas y dosis de Zn, sobresale ligeramente el sulfato de Zn en comparación con el quelato de Zn, destacando de igual manera los elementos minerales tales como N, K, Mg, Fe, Zn y Ni. En resumen, las formas y dosis de Fe y Zn que mejoran la calidad nutricional del frijol son: para Fe fue quelato de Fe a dosis de 25 a 50 µM L^-1 y para Zn fue sulfato de Zn a las dosis de 25 a 50 µM L^-1. Son pocos los estudios que analizan el efecto de Fe y Zn sobre el contenido nutricional de las plantas comestibles después de la aplicación de este nutriente, durante todo el ciclo vegetativo del cultivo. Hermosillo²³ indica que, biofortificando el frijol con selenio, encontró que las mejores dosis fueron 40 µM de selenito y 20 µM de selenato, ya que incrementaron el contenido de Fe, Zn y Se, así como mejoraron la capacidad antioxidante en las semillas de frijol, por lo que aumentaron el valor nutritivo del cultivo.

Conclusiones

Los resultados obtenidos en este estudio indican que las mejores dosis y formas para biofortificar con hierro y zinc el cultivo del frijol fueron: 50 µM de quelato de hierro y 50 µM de sulfato de zinc. Así mismo, la biofortificación con hierro y zinc mejoró la capacidad antioxidante y la calidad nutricional del frijol, considerados los principales atributos de calidad del frijol y para la salud del consumidor.
La dosis de 50 µM de quelato de hierro mejoró la concentración de Fe en 36%, en comparación con la forma de sulfato de hierro; mientras que la dosis de 50 µM de sulfato de zinc incrementó la concentración de zinc en 30%, en comparación al quelato de zinc.
Se concluye que es viable implementar un programa de biofortificación con Fe y Zn en frijol, ya que estos nutrientes se concentran más en la semilla (parte comestible de la planta), permitiendo mejorar su calidad nutricional y capacidad antioxidante.

Agradecimientos

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt)-México por el apoyo otorgado en la Convocatoria Proyectos de Desarrollo Científico para Atender Problemas Nacionales 2015, al Proyecto 1529 “Biofortificación de cultivos agrícolas básicos, clave para combatir la desnutrición y seguridad alimentaria en México”.

Bibliografía

Hotz, C., B. McClafferty (2007). “From Harvest to Health: Challenges for Developing Biofortified Staple Foods and Determining Their Impact on Micronutrient Status”. Food & Nutrition Bulletin 28: 271S-279S.
Sanghvi, T.G. (1996). Economic Rationale for Investing in Micronutrient Programs. A Policy Brief Based on New Analyses. Office of Nutrition, Bureau for Research and Development, United States Agency for International Development, Washington, D. C.