Resumen

El comercio de productos de origen animal es cada vez más intensivo a nivel nacional e internacional. Esto conlleva la necesidad de una serie de verificaciones y certificaciones que pueden ir desde los aspectos sanitarios hasta la denominación de origen y la protección de especies vulnerables. La trazabilidad de los productos de origen animal asiste en las comprobaciones de los productos ofertados y comercializados. Productos tales como los mariscos, miel de abeja, pieles, quesos y carnes de diversos animales están sujetos a protocolos de trazabilidad que aseguran que el consumidor final recibirá un producto auténtico y seguro. Mediante un buen seguimiento, es posible generar información confiable sobre el origen, forma de producción y la especie de la cual se obtuvo el producto final. Tales sistemas de trazabilidad frecuentemente se apoyan en evaluaciones analíticas, ya sea para confirmar el origen o autenticidad de un producto o como una medida para definir acciones penales ante delitos tales como adulteraciones y etiquetados fraudulentos. La ciencia forense de los alimentos juega un importante papel en este contexto. El presente artículo aborda algunos casos y aplicaciones de técnicas analíticas usadas para reforzar la trazabilidad y autenticidad de los productos de origen animal.
Palabras clave: productos animales, sistemas de trazabilidad, trazadores químicos, biomarcadores, legislación sobre vida silvestre.

Traceability of animal-derived products and its role in preventing fraud

Abstract

The commercial trade of animal-derived products is increasing in Mexico and internationally. This conveys the need for a series of verifications and certifications that range from health aspects to the denomination of origin and the protection of vulnerable species. The traceability of products of animal origin assists in the verification of the products offered. Products such as shellfish, honey, animal skin, cheese and meat from various animals are subject to traceability protocols that ensure that the final consumer will receive a safe and authentic product. By effectively tracing an animal product, it is possible to generate reliable information on the origin, of the product, type of production and the species from which the final product was obtained. Such traceability systems are supported by analytical evaluations, either to confirm the origin or authenticity of a product or as a measure to define legal actions in view of possible product adulterations or deliberate mislabeling. Food forensics plays an important role in this context. This article deals with some cases and applications of analytical techniques used to reinforce the traceability and authenticity of products of animal origin.
Keywords: animal products, traceability systems, chemical tracers, biomarkers, wildlife legislation.

Introducción

Los productos de origen animal son primordiales dentro del mercado global, nacional y local. Insumos tales como carne, leche, pieles, lana, huevo y miel ocupan importantes nichos de mercado. Su comercialización se encuentra cada vez más regulada mediante legislaciones internacionales (Parlamento Europeo, 2018) y también debido a que los consumidores son cada vez más conscientes acerca de su origen y forma de producción. Por ejemplo, la exportación de camarón implica que el país importador verifique aspectos sanitarios y legales, pero también que se confirme la especie importada, el apego a temporadas de captura y el cumplimiento de protección a otras especies. De la misma forma, ha tomado importancia la verificación de origen de varios productos pesqueros, es decir, saber si el producto se extrajo del medio natural o si fue producido por acuacultura.

Así, mediante el seguimiento y los protocolos de trazabilidad electrónicos o “basados en papel”, puede determinarse con un buen grado de confianza el origen de diversos productos animales, ya sea destinados al consumo como alimentos o dirigidos a la industria textil (lana, pieles). Sin embargo, esto no implica que el comercio de productos animales se encuentre libre de falsificaciones. Por ejemplo, el consumo global de miel de abeja excede a la producción global reportada de este producto. ¿Cómo puede haber un mayor consumo y una menor producción? La respuesta reside en la adulteración sistemática, persistente y globalizada de la miel de abeja, ya que usualmente se agregan ingredientes de origen vegetal para aumentar el volumen de producción, generando así una ganancia ilícita. Al igual que con la miel, una gran cantidad de alimentos pueden ser adulterados o pueden no corresponder a la información descrita en los empaques (Reilly, 2018).

Herramientas de análisis y el apoyo a la vigilancia

¿Cómo puede saber un importador o consumidor final si el producto que recibe está adulterado, o si proviene de una especie silvestre protegida? Para ello, se ha desarrollado la denominada ciencia forense de los alimentos, en la que la identificación analítica de un producto o su forma de producción asiste a los protocolos de trazabilidad y certificación (ver video 1). El uso de métodos de verificación también contribuye a desalentar las malas prácticas de producción (adulteración, sustitución) o la captura furtiva de especies silvestres protegidas, cuyos productos son frecuentemente etiquetados como “de granja”. Las normas oficiales emitidas para la protección de especies amenazadas requieren de un apoyo analítico. Sin embargo, la determinación del origen de productos animales presenta problemas técnicos porque es difícil determinar externamente si ciertos productos procesados (carne, pieles) provienen de animales silvestres o de granja. Una alternativa a las apreciaciones sensoriales es el uso de biomarcadores específicos en el producto, los cuales pueden probar de manera confiable su origen (Moretti et al., 2003).

Video 1. Webinar acerca del fraude alimentario y la protección de los consumidores (NSF International, 2018).

Determinación del origen de peces y crustáceos

Los organismos de origen marino contribuyen en un alto porcentaje a la alimentación nacional y global. Especies tales como camarón, atún y sardina presentan una alta demanda, pero también diversos índices de sobrexplotación. Esto ha promovido la sobrextracción de peces y, aunque el cultivo controlado de ciertos ejemplares ha representado un paliativo, varios grupos de ellos se encuentran sujetos a vedas temporales para promover una captura sustentable. En este contexto, la identificación analítica de la forma de producción de organismos con valor comercial es importante, debido a que productos animales derivados de especies protegidas pueden recibir un etiquetado fraudulento para ocultar una extracción silvestre e ilícita (ver video 2). Cabe señalar que los productos derivados de granjas acuícolas (camarones, totoaba) no se encuentran sujetos a vedas; sin embargo, sí se han detectado casos en los cuales lotes de animales silvestres protegidos son etiquetados como producidos en granjas (Gamboa-Delgado et al., 2014).

Video 2. Importancia de la trazabilidad de los productos pesqueros (euronews [en español], 2021).

En este sentido, la posibilidad de identificar organismos extraídos del medio natural en relación con los producidos en granja se puede complicar en las comparaciones visuales, y aquí es en donde algunas técnicas de análisis pueden ser de gran apoyo (ver figura 1). Por ejemplo, en 2011 y nuevamente en 2021, Estados Unidos impuso una prohibición a la importación del camarón mexicano capturado en altamar. Lo anterior se debió a omisiones en la implementación de dispositivos excluidores de tortugas en la flota camaronera. Durante estos períodos, solamente el camarón cultivado podía comercializarse, lo cual derivó en problemas adicionales para identificar lotes y demostrar de manera clara los métodos de producción.

Figura 1. Análisis isotópico de muestras de camarón, para distinguir animales silvestres de los cultivados en granja.
Crédito: Julián Gamboa Delgado.

Vigilancia y control de productos derivados de reptiles

La importancia económica y ecológica que revisten varias especies de reptiles en México y otros países ha derivado en esfuerzos para su protección y/o producción sustentable. Existen normas que rigen la extracción, producción y comercio de reptiles. El cocodrilo de pantano (Crocodylus moreletii) es una de las tres especies de cocodrilos que habitan en México, y es el que más se cultiva en granjas autorizadas debido a su rápido crecimiento y adaptabilidad. Estas nuevas agroindustrias promueven actividades diversificadas como el ecoturismo, el consumo y venta de diversos productos: carne, aceite y pieles, la mayoría de las cuales son adquiridas por las compañías de moda del mercado de lujo internacional. Al igual que con los productos pesqueros, cocodrilos silvestres pueden ser ilegalmente capturados y vendidos con documentación falsa, como producidos en granja. Recientemente, técnicas novedosas de detección (análisis de isótopos estables, ver figura 2) han sido utilizadas para distinguir claramente la forma de producción de productos derivados de reptiles o de organismos traficados para venta como mascotas (Schingen et al., 2016).

Figura 2. Extracción de una muestra de escama de un cocodrilo como parte de un estudio sobre trazabilidad de pieles en México.
Crédito: Juan Manuel Pacheco Vega.

Producción convencional u orgánica de lácteos

Algunas de las principales verificaciones que se realizan a productos tales como leche, quesos y yogurts son la ausencia de adulteración, la comprobación del modo de producción (convencional u orgánico) y las relacionadas al bienestar de los animales (criados sin encierros). Varias herramientas pueden ayudar a definir el tipo de producción (ver tabla 1), y la mayoría de ellas se basan en características químicas que son definidas por el tipo de alimentación de los animales (bovinos, caprinos, ovinos) de los que provienen los lácteos (Mania et al., 2018).

Productos derivados de la avicultura y ganadería, tales como huevo y carne tienden a recibir una estricta trazabilidad y verificaciones de calidad. Sin embargo, se han detectado casos en los cuales se ofrecen productos finales que no corresponden a los indicados en los empaques. Algunos ejemplos son la venta de lotes de carne provenientes de otros países, en cuyos casos se omite información relacionada al origen. Otros productos deben indicar claramente el origen y, en caso de tratarse de productos orgánicos, se incluye la certificación correspondiente (Campmajó y Núñez, 2021). Al igual que con otros productos derivados de animales, se ha incurrido en malas prácticas relacionadas con la venta de productos que no cumplen alguna o varias de las normas, ya sea control sanitario, origen geográfico o tipo de manejo de los animales.

La frecuente adulteración de la miel de abeja

Debido a su gran valor y demanda, la miel de abeja representa uno de los productos más frecuentemente adulterados. La figura 3 describe las etapas relacionadas a la verificación de la pureza de la miel, así como las tácticas de adulteración más frecuentemente utilizadas por algunos productores o intermediarios. La miel de abeja puede ser fácilmente diluida con melazas y jarabes de maíz o de otras plantas, con el propósito de aumentar el volumen y generar ganancias monetarias adicionales. Las técnicas analíticas pueden definir si se agregó algún agente adulterante que modifique las características químicas de la miel pura (Vetrova et al., 2017). Cada vez existen mejores técnicas de detección, pero también surgen nuevas formas para evadirlas

Video 3. Verificación de la pureza de la miel de abeja en México (ProfecoTV, 2011).

¿Cómo funcionan las técnicas que permiten trazar y distinguir productos de origen animal?

Es poco frecuente que un consumidor solicite información adicional acerca del origen de un producto, ya sea empaquetado o consumido en un establecimiento. Por ejemplo, si un determinado cliente ordena un filete de salmón, ¿cómo se asegura que es realmente salmón? Y, en caso de serlo, ¿fue producido legalmente bajo buenas prácticas de manejo por acuacultura? o ¿fue extraído ilegalmente del medio natural? La respuesta a las preguntas no corresponde al cliente, sino al establecimiento expendedor y a una larga cadena de suministro, la cual debe, idealmente, estar sujeta a procesos de trazabilidad y vigilancia. De tal manera, es posible evitar o reducir el fraude, se protege al ambiente natural y se da certeza a los consumidores. Dentro de estos procesos de trazabilidad es donde las diversas técnicas analíticas permiten verificar la autenticidad de los productos animales (ver tabla 1).

Análisis de ADN

El análisis de los ácidos nucleicos presentes en un determinado producto de origen animal puede indicar, con gran precisión, la especie específica de la cual se deriva. El análisis de ácido desoxirribonucleico (adn) es muy utilizado para verificar la autenticidad de productos ofertados. Éste puede aplicarse a productos frescos y procesados. Una desventaja consiste en la necesidad de laboratorios y equipos especiales (difícilmente portátiles). Sin embargo, se trata de una técnica precisa y confiable para detectar el tipo de especie que realmente se comercializa (Munguia-Vega et al., 2021). En México se ha determinado que el etiquetado fraudulento de productos pesqueros puede ser mayor a 30% en algunas regiones. Por ejemplo, se ha demostrado que, muy frecuentemente, filetes de atún ahumado se hacen pasar por filetes de marlín.

Video 4. Resultados de un estudio sobre la sustitución deliberada de especies de peces en México (Animal Político, 2019).

Perfil de ácidos grasos

La determinación del perfil de ácidos grasos permite identificar componentes orgánicos específicos en grasas y aceites de los tejidos de plantas y animales, en donde permanecenn relativamente constantes. Su uso ha demostrado una buena precisión para detectar los tipos de lípidos en dichos productos, y poder así diferenciar filetes de peces silvestres y cultivados. Lo anterior es porque los perfiles de ácidos grasos cambian en función al alimento consumido. Las dietas de los peces cultivados son menos diversas y contienen aceites vegetales, lo cual permite distinguirlos de los animales silvestres que se alimentan de una dieta mucho más variada y con otra composición química (Vasconi et al., 2019).

Firmas isotópicas

Distinguir entre productos derivados del medio natural o producidos en granjas (orgánicas o convencionales) es difícil y existen varios métodos subjetivos que no son fiables, tales como el color, el olor y otras características organolépticas.1 El empleo técnicas isotópicas ha permitido detectar la adulteración de productos e identificar diversos métodos de producción (csg, 2021). Dentro de los estudios relacionados a la autentificación, el carbono y el nitrógeno son dos de los elementos que se analizan para determinar sus proporciones isotópicas (ej. carbono pesado y ligero, ¹³C/¹²C). La firma isotópica2 de un organismo refleja el valor isotópico de su respectivo alimento. Los animales producidos en granjas se encuentran sujetos a la influencia de regímenes alimenticios específicos, en comparación a las variadas dietas de los animales silvestres. Estos atributos confieren valores isotópicos específicos para cada tipo de crianza, y a su vez, a los productos derivados de éstos. Las firmas isotópicas también pueden definir los puntos geográficos de los cuales provienen los productos debido a que los animales pueden consumir recursos vegetales únicos de ciertas regiones (Carter y Chesson, 2017).

Técnicas de cromatografía

La cromatografía3a metodología muy utilizada para determinar el tipo de azúcares en productos como jaleas, jarabes y miel de abeja (Kamal y Klein, 2011). Lo anterior permite verificar que los datos reportados en las etiquetas son confiables y que no se presentan adulteraciones.

Conclusiones

Las ventajas que otorga la realización de una buena trazabilidad son múltiples. Para los productores, la certificación de origen o modo de producción otorga un valor agregado a sus productos, mientras que para el consumidor, las ventajas conllevan la certeza de que está recibiendo un producto adecuado en cuanto a calidad, aspectos sanitarios y autenticidad. Para el medio ambiente también existen ventajas, ya que al fomentarse una buena trazabilidad de los productos de origen animal se desalienta la caza furtiva y la pesca ilegal. Es importante enfatizar que la mayoría de los métodos analíticos para identificar adulteraciones y autenticidad son cada vez más comunes, por lo tanto es posible predecir una mejor trazabilidad en la industria de los alimentos.

Referencias

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Recepción: 12/07/2021. Aprobación: 01/02/2022.

Resumen

En este trabajo, se realiza una discussión sobre la generación de energía eléctrica a través de fuentes alternas que utilizan hidrógeno como combustible. Las celdas de combustible más populares son las de membrana de intercambio protónico, las cuales generan energía eléctrica a través de un proceso electroquímico, en el que las moléculas de hidrógeno son subdivididas en protones y electrones. Los electrones circulan a través de conductores, lo que genera una corriente eléctrica. Este proceso es amigable con el medio ambiente debido a que los únicos residuos que se generan son agua y vapor de agua. Estas celdas de combustible se pueden clasificar dentro de las fuentes de energía limpias; además, dependiendo de la técnica utilizada en la producción de hidrógeno, las celdas de combustible podrían clasificarse también como fuentes renovables de energía. Como consecuencia, se logra una sustentabilidad energética, ya que se garantiza un equilibrio entre el medio ambiente y el uso de los recursos naturales.
Palabras clave: energía renovable, generación de energía eléctrica, celdas de combustible, hidrógeno.

Energy sustainability: Use of hydrogen as a clean fuel in power generation

Abstract

In this work, a discussion is carried out about the generation of electrical energy through alternative sources that use hydrogen as fuel. The proton exchange membrane fuel cells are the most popular, which generate electrical power through an electrochemical process, where hydrogen molecules are subdivided into protons and electrons. Electrons circulate through conductors; thus, an electric current is generated. Furthermore, this process is friendly to the environment because the only waste generated is water and water vapor. Therefore, the fuel cells can be classified among clean energy sources; furthermore, depending on the technique used in hydrogen production, fuel cells could also be classified as renewable energy sources. Consequently, energy sustainability is achieved since a balance between the environment and the use of natural resources is guaranteed.
Keywords: renewable energy, electric power generation, fuel cells, hydrogen.

Introducción

En los últimos años, el consumo de energía eléctrica se ha incrementado de manera considerable, de tal manera que la generación eléctrica a través de combustibles fósiles es insuficiente. A su vez, la concientización en la sociedad sobre el cuidado del medio ambiente y en la preservación de los recursos naturales ha provocado el creciente interés por reducir la dependencia de los combustibles fósiles, los cuales provienen de recursos no renovables. Por lo tanto, la investigación y desarrollo de fuentes alternas de energía que utilicen procesos renovables, eficientes y no contaminantes ha crecido de manera significativa. Como resultado, en los últimos años la generación eléctrica por fuentes alternas que utilizan procesos renovables se ha incrementado de manera exponencial (International Renewable Energy Agency [irena], 2021b).

Figura 1. Capacidad agregada por año de energía renovable a nivel global.
Datos obtenidos de ren21, 2021.

En este orden de ideas, para finales de 2020, la capacidad total instalada de generación eléctrica a través de fuentes renovables a nivel global fue de 2,838 GW (ren21, 2021). Esta cifra representa una participación récord de 29% de la capacidad total instalada, incluyendo la generación a través de combustibles fósiles. Desde 2012, existe una tendencia en la que la mayor parte de la capacidad de energía recién instalada es renovable. Una comparación por año de la capacidad a través de fuentes renovables a nivel global se presenta en la figura 1. Se puede notar que la capacidad instalada se ha incrementado cada año, con una cifra récord entre 2019 y 2020 (58 GW). La participación en la capacidad agregada de las energías renovables en 2010 fue de 41%, mientras que para el año 2020 fue 83% de la capacidad total instalada, lo cual refleja el creciente interés en las fuentes renovables.

México tiene un área de oportunidad en la transición energética a fuentes limpias de energía. Según irena (2021a), en México sólo se ha tenido un incremento de 15.22 GW en la capacidad instalada desde 2011 hasta finales de 2020. Para el período de 2017 a 2020, se logró un incremento considerable de 8.9 GW en la capacidad instalada de fuentes renovables; sin embargo, existe una alta dependencia en las fuentes que utilizan combustibles fósiles. En la figura 2 se muestra la gráfica que describe el incremento en la capacidad instalada durante el período 2011 a 2020.

Figura 2. Capacidad instalada de fuentes renovables en México.
Datos obtenidos de irena, 2021a.

La generación eléctrica en México a partir del carbón tuvo una reducción de 48% en el año 2020, la cual fue la mayor reducción de los países que conforman el grupo G20. Así, desde 2015 se ha logrado reducir en 60% la generación eléctrica a partir del carbón; sin embargo, 75% de la generación eléctrica en nuestro país proviene de combustibles fósiles (Fulghum, 2021). Así, en el Global Electricity Review, Perfil G20 se documenta un incremento de 5% en la generación a través de fuentes renovables en el período de 2015 a 2020; mientras que se tuvo un incremento de 2% en la generación a través de gas y petróleo.

Celdas de combustible

Las celdas de combustible son equipos en los que se llevan a cabo reacciones químicas para generar electricidad con muy baja o nula tasa de emisión de gases de efecto invernadero. Además de generar energía eléctrica de manera directa, las eficiencias son mayores a las obtenidas con los motores de combustión interna. Dependiendo del combustible, las emisiones de gases contaminantes son mínimas o nulas. Para realizar el proceso electroquímico, se utiliza un oxidante (oxígeno) y un combustible basado en hidrógeno, como metanol, alcohol, gas natural o hidrógeno puro. La celda de combustible consiste en una placa de electrolito unido a un cátodo y un ánodo localizados en ambos lados del electrolito, como se muestra en la figura 3. El combustible alimenta al ánodo, mientras que el oxidante abastece al cátodo. Las reacciones electroquímicas se producen en los electrodos, lo que genera un flujo continuo de protones a través del electrolito, mientras que una corriente eléctrica circula por los conductores externos hacia una carga. Ambos electrodos son porosos para que el electrolito y el gas puedan penetrarlos y lograr el máximo contacto posible entre el gas, el electrodo y el electrolito.

Figura 3. Principio de operación de una celda de combustible.

Las celdas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito y combustible que utilizan. Las más utilizadas son: 1) celda de combustible de electrolito alcalino (afc), 2) celda de combustible de metanol directo (dmfc), 3) celda de combustible de ácido fosfórico (pafc), 4) celda de combustible de carbonato fundido (mcfc), 5) celda de combustible de óxido sólido (sofc), y 6) celda de combustible de membrana de intercambio protónico (pemfc).

En la actualidad, existen una diversidad de aplicaciones que utilizan celdas de combustible, la capacidad instalada a nivel global separada por tipo de aplicación se muestra en la figura 4a (E4tech, 2020). La potencia instalada se calcula en base al número de módulos de celdas de combustible vendidas por año. Las celdas de combustible son principalmente utilizadas para aplicaciones en transporte, con una capacidad total instalada en el período 2016-2020 de alrededor de 4,620 MW. Por otra parte, la capacidad instalada por tipo de celda de combustible se muestra en la figura 4b. Se puede notar que la celda de combustible pemfc es la más utilizada para generar electricidad, con aproximadamente 3,370 MW (73 % de la capacidad total). Por tanto, la celda de combustible de membrana de intercambio protónico es la más popular debido a sus características y flexibilidad en el mantenimiento.

Celda de combustible de membrana de intercambio protónico

La celda de combustible de intercambio protónico, también llamada celda de combustible de electrolito de polímero fue desarrollada en los Estados Unidos por la compañía General Electric durante los años sesenta para vehículos espaciales de la nasa. Años más tarde, fue reconfigurada para aplicaciones comerciales por la compañía Ballard Power Sources. Este tipo de celda utiliza hidrógeno como combustible y un polímero de conducción iónica como electrolito. La estructura interna de la celda de combustible de intercambio protónico se presenta en la figura 5.

El combustible (hidrógeno) se inyecta a través del ánodo, mientras que el catalizador separa los átomos de hidrógeno en protones (H⁺) y electrones (e^–). Los protones circulan a través del electrolito, mientras que los electrones son recolectados por un circuito externo para generar una corriente eléctrica. Los protones y electrones se combinan con el oxígeno que se suministra en el lado del cátodo para formar agua y vapor, debido a la liberación de energía en forma de calor. Los excedentes de combustible que no se utilizan en el proceso son expulsados a través de las compuertas de salida del ánodo y cátodo (Bei et al., 2010).

Según E4tech (2020), el interés en la utilización de esta tecnología se ha incrementado de manera considerable, de tal manera que en la actualidad es la tecnología con la que se genera la mayor cantidad de energía eléctrica a nivel global (ver figura 4B). La popularidad de la celda pemfc es debido a sus ventajas, las cuales son: a) tamaño relativamente pequeño, b) diseño simple, c) operación a bajas temperaturas, d) alta eficiencia en la conversión de energía, e) alta densidad de corriente generada por unidad de área, f) bajos costos de mantenimiento, y g) durabilidad.

Aplicaciones de la celda de combustible PEMFC

Hoy en día, la celda de combustible pemfc está siendo utilizada en aplicaciones portátiles, de transporte y estacionarias (E4tech, 2020). Los sistemas de celdas de combustible portátiles pueden ser utilizados como cargadores de celulares, alimentación de torres de iluminación, sistemas de supervivencia, equipos para gasoductos, señalización ferroviaria, aviones y barcos, entre otros.

El primer cargador usb de mano que utiliza esta tecnología (modelo minipak) fue desarrollado por la compañía Horizon (Horizon, 2021). Este dispositivo utiliza celdas de combustible con un cartucho de hidrógeno y es capaz de realizar cuatro cargas de celular con un solo cartucho. Genera una energía de 14 Wh, lo que equivale a catorce baterías de 1.5 V. En aplicaciones de transporte, este tipo de celdas de combustible es utilizada en vehículos livianos, camiones pesados, autobuses, trenes, vehículos de manejo de cargas, aviones, vehículos espaciales, etcétera. Esto se debe a que la eficiencia de conversión de energía es del doble a la de un motor de combustión interna; además, no genera emisiones de CO2.

Por otra parte, los vehículos eléctricos que utilizan celdas de combustible tienen la ventaja de un alto rendimiento: la recarga de hidrógeno se realiza en minutos, produce una alta potencia (toque y aceleración) y no necesita conectarse a un cargador de baterías. Compañías como Honda, Toyota, Hyundai, BMW ofrecen una diversidad de modelos eléctricos con esta tecnología. También en 2018 entró en funcionamiento en Alemania el Coradia iLint, el primer tren ligero de pasajeros eléctrico que utiliza celdas de combustible (ver figura 6).

Figura 6. Tren ligero de pasajeros Coradia iLint, que utiliza celdas de combustible (Felix M., 2016).

Este tren eléctrico fue desarrollado por la empresa alstrom, y alcanza una velocidad de 140 km/h y tiene una autonomía de 1,000 km. En la actualidad, existen varios trenes de pasajeros que utilizan celdas de combustible, que operan en varias partes del mundo. Los sistemas de potencia estacionaria con celdas de combustible son utilizados en aplicaciones de alimentación primaria y secundaria, cogeneración, unidades de respaldo y de emergencia. Estos sistemas se dividen en cuatro tipos: 1) pequeña escala (hasta 200 kW), 2) gran escala (mayor a 200 kW), 3) unidades de respaldo, y 4) alimentación remota. También se utilizan en combinación con otras fuentes de energía para equipos de respaldo y emergencia en telecomunicaciones, hospitales, comercios e industrias.

Producción de hidrógeno

En la actualidad, la mayor parte de la producción de hidrógeno se realiza con base en combustibles fósiles (96%), cuyo proceso emite cantidades considerables de emisiones de CO2 (dióxido de carbono) a la atmósfera. Esto es porque los costos de producción son considerablemente bajos respecto a los costos del hidrógeno producido a partir de fuentes renovables (hidrógeno verde).

El tipo de hidrógeno que más se produce es el llamado hidrógeno azul, el cual se extrae a partir del gas natural, petróleo o carbón. Durante el proceso de producción se genera hidrógeno y CO2; sin embargo, para evitar altas emisiones contaminantes, aproximadamente 90% del dióxido de carbono producido es capturado y almacenado para su uso en otros procesos. En la producción de hidrógeno verde no se emiten emisiones contaminantes, pero el costo de generación es de entre dos a tres veces mayor a la del hidrógeno azul. El mayor componente de costo individual en la producción in situ del hidrógeno verde es la energía eléctrica renovable; no obstante, en la actualidad, los costos de generación han caído considerablemente (irena, 2020). Distintos procesos de producción de hidrógeno a través de fuentes no renovales y renovables se presentan en la figura 7.

En el año 2020, las políticas, el sector industrial y la sociedad civil han puesto un mayor enfoque al uso de hidrógeno verde, el cual se produce sin generar emisiones contaminantes y utilizando fuentes renovables. Como resultado, 2020 fue el año en que los productores más grandes de hidrógeno verde a nivel global se unieron para formar la iniciativa Green Hydrogen Catapult, con el objetivo de reducir en gran medida los costos en la producción de hidrógeno para apoyar una transición energética más rápida de las industrias altamente dependientes del carbón (Casey, 2020).

El hidrógeno verde es producido por electrólisis o gasificación a través de fuentes renovables. Este tipo de hidrógeno puede ser almacenado en tanques para su utilización en diversas aplicaciones. Una de ellas es la generación de energía eléctrica, que a partir del hidrógeno proporciona una gran ventaja en comparación a fuentes como las celdas fotovoltaicas y generadores eólicos, pues no requiere, como las anteriores, bancos de baterías para ser almacenada, lo que reduce el costo de producción.

La mayor parte de la producción del hidrógeno verde se realiza con base en la electrólisis del agua, utilizando un electrolizador (dispositivo donde se lleva a cabo la electrólisis). En el electrolizador ocurre el proceso inverso al de una celda de combustible; es decir, se inyecta una corriente eléctrica para generar hidrógeno. En algunos casos, el mismo dispositivo puede ser reversible, llevando a cabo la función de electrolizador y celda de combustible, al cambiar la polaridad.

Los sistemas apc, sofc y pemfc pueden ser utilizados como electrolizadores, y los sistemas pemfc son los más usados en esta aplicación debido a que no utilizan un electrolito líquido, lo que, por consecuencia, no implica el manejo de soluciones corrosivas (irena, 2018). El gas producido en este proceso es de alta pureza, típicamente de 99 %. Por otra parte, la eficiencia de los electrolizados utilizados es alta (65% – 70%). Sin embargo, se han reportado estudios en donde se establece que, al modificar los componentes de los electrodos y la solución electrolítica, se logran eficiencias cercanas a 99%.

El proceso de producción de hidrógeno verde se muestra en la figura 8. En la primera etapa se genera electricidad a través de fuentes renovables para abastecer de energía al electrolizador. La segunda etapa se produce el gas y, finalmente, la tercera etapa consiste en el almacenamiento y distribución.

Comentarios finales

El hidrógeno es una fuente de energía que, debido a sus características, puede impulsar en gran medida la transición energética y los objetivos propuestos a nivel global para reducir las emisiones de gases contaminantes. No todos los tipos de hidrógeno son compatibles con la sustentabilidad energética, ya que la mayoría utiliza como materia prima los combustibles fósiles. Incluso el hidrógeno azul no puede ser clasificado como hidrógeno limpio debido a que el proceso de producción libera emisiones de CO2 a la atmósfera. El único tipo de hidrógeno compatible con sustentabilidad es el hidrógeno verde, pues en su proceso de producción se utilizan fuentes renovables para generar la energía primaria, y un proceso electroquímico (electrólisis) que no genera emisión alguna de CO2.

No obstante, la generación eléctrica que utiliza como fuente primaria el hidrógeno verde puede ser considerada como energía renovable, ya que no existen emisiones de gases contaminantes ni en la producción de hidrógeno, ni en la generación de energía eléctrica; además, el gas es producido en base a fuentes renovables de energía. Por otra parte, la generación de energía eléctrica por medio de este método puede parecer redundante (fuentes renovables —energía renovable— producción de hidrógeno-energía renovable); no obstante, el almacenamiento del hidrógeno es más sencillo y con un costo reducido, en comparación con los voluptuosos y costosos bancos de baterías requeridos para almacenar la energía de fuentes renovables como las celdas fotovoltaicas y los generadores eólicos. Adicionalmente, existe una variedad de procesos que utilizan el hidrógeno como portador de energía.

En la actualidad, aún nos enfrentamos con retos importantes para desplazar los combustibles fósiles y utilizar en su lugar hidrógeno verde, debido costos de producción y retos tecnológicos. Sin embargo, los esfuerzos de los gobiernos, la industria y la sociedad civil se encaminan a una transición a mediano plazo, para dejar de depender de los combustibles fósiles. Las nuevas políticas apuntan a lograr reducir las emisiones de gases contaminantes y a la preservación de los recursos naturales, sin dejar de incrementar la generación de energía, ya que la demanda crece en forma exponencial. Cada vez más países se suman a este reto, y crean y/o modifican sus políticas energéticas. No obstante, sin opciones alternativas de combustibles como el hidrógeno verde, el reto sería más difícil de superar.

Referencias

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Recepción: 01/11/2021. Aprobación: 03/03/2022.

Resumen

La asfixia durante el parto continúa siendo una de las causas a nivel mundial que originan tasas elevadas de discapacidad y mortalidad en los recién nacidos. Al respecto, una de las propuestas terapéuticas para tratar esta condición es la hipotermia neonatal sola o en combinación con diversos fármacos o sustancias neuroprotectoras. Lo anterior debido a la necesidad de prevenir las posibles complicaciones de la disminución de oxígeno durante el parto; las cuales, se ha visto, ocurren en un porcentaje significativamente alto en aquellos neonatos que sobreviven al evento de asfixia. No obstante, si bien la utilización de la hipotermia ha demostrado tener resultados satisfactorios, todavía existe un número considerable de individuos que no sobreviven; por lo tanto, existe la necesidad de refinar la técnica con miras a mejorar la tasa de sobrevida y el pronóstico general de aquellos neonatos sometidos al tratamiento. Así, la utilización de modelos animales que presentan una similitud elevada con los recién nacidos humanos, como el cerdo neonato, resulta una herramienta biomédica útil para entender el mecanismo terapéutico de la hipotermia neonatal, así como para realizar experimentación con la finalidad de mejorar cada vez más los resultados obtenidos.
Palabras clave: asfixia perinatal, neonato, hipotermia, modelos animales, cerdos.

Experimental research in neonatology: Is the pig the baby´s best friend?

Abstract

Asphyxia during childbirth continues to be one of the causes of high disability and mortality rates in newborns worldwide. In this regard, one of the therapeutic proposals to treat this condition is neonatal hypothermia alone or in combination with several drugs or neuroprotective substances. This is due to the need to prevent the possible complications of oxygen depletion during delivery, which have been shown to occur in a significantly high percentage in those neonates who survive the event. However, although the use of hypothermia has shown satisfactory results, there is still a considerable number of individuals who do not survive; therefore, there is a need to refine the technique in views to improve the survival rate and overall prognosis of those neonates who undergo treatment. Thus, animal models with a high similarity to human newborns, such as the neonatal pig, are a useful biomedical tool to understand the therapeutic mechanism of neonatal hypothermia, as well as to carry out experiments for improving the results obtained.
Keywords: perinatal asphyxia, neonate, hypothermia, animal models, pigs.

La asfixia como limitante del desarrollo neonatal

En la mayoría de las especies de mamíferos, tanto humanos como no humanos, uno de los fenómenos mas comunes durante el parto es la asfixia. Esta condición ocurre cuando el intercambio de gases sanguíneos entre la madre y el feto se ve alterado, y se manifiesta clínicamente por una disminución en la concentración de oxígeno, y por un aumento en la concentración de dióxido de carbono, ambos a nivel sanguíneo. Esto puede derivar en una reducción en la perfusión, o el paso de líquidos a través del sistema circulatorio, y en un exceso de ácidos en los tejidos y en la sangre (acidosis).

Si tomamos en consideración que el cerebro de los individuos recién nacidos (neonatos) es altamente vulnerable a diversas alteraciones ambientales previas y posteriores al parto, y que, una de sus características principales es su alta tasa de consumo de oxígeno, un evento de asfixia durante el parto resulta alarmante. Además, el problema con la asfixia en neonatos no se limita al período inmediato al parto, sino que se considera que las verdaderas complicaciones vienen después. En este sentido, las lesiones cerebrales inducidas por la asfixia alrededor del parto son una de las causas más frecuentes de mortalidad en los recién nacidos, en donde cerca de 25% de estos bebés presentan déficits neurológicos irreversibles en etapas posteriores, incluyendo alteraciones motoras, conductuales y cognitivas, de severidad variable, dependientes del grado sufrido de asfixia (Herrera et al., 2020; Barkhuizen et al., 2017).

De tal manera, es de esperarse que la asfixia neonatal sea una preocupación constante dentro de la práctica clínica, y no necesariamente por los daños inmediatos, sino más bien por las alteraciones y problemas que esta condición puede acarrear a largo plazo en el desarrollo de los niños. Como consecuencia, un sinnúmero de investigaciones ha derivado en diferentes protocolos terapéuticos, cuya finalidad es prevenir y tratar a los recién nacidos con restricciones en la oxigenación durante el parto.

Al respecto y aunque suene descabellado, disminuir de manera controlada la temperatura corporal hasta los 33 o 34 ºC en los neonatos con esta condición es la terapia de elección para aligerar el daño cerebral inducido por la encefalopatía hipoxia-isquemia, una lesión cerebral que aparece en los bebés debido a la privación de oxígeno durante el nacimiento. No obstante, debido a consideraciones éticas, dicho procedimiento requiere de técnicas muy refinadas que necesitan ser estudiadas previamente de manera experimental en animales antes de poder ser aplicadas en bebés humanos.

Por lo tanto, el objetivo del presente artículo es revisar algunas de las investigaciones que se han realizado al respecto con modelos animales, haciendo énfasis en la hipotermia neonatal como una de las opciones más prometedores en la práctica clínica para salvaguardar la vida de los recién nacidos y su pronóstico en etapas posteriores.

¿Por qué someter a los bebés a hipotermia?

Pongámonos en contexto: al nacer, todos los mamíferos experimentan pérdidas de calor por radiación y conducción, es decir, la piel desnuda en algunas especies de animales entra inmediatamente en contacto con un ambiente donde hay temperaturas más bajas a las percibidas dentro de su madre. Además, hay que recordar que todos los mamíferos nacen humedecidos por el líquido amniótico y demás fluidos materno-fetales, lo cual los hace propensos a perder calor por evaporación. Esto complica todavía más el cuadro, ya que es bien sabido por los médicos que uno de los principales problemas de todos los individuos al nacer es la imposibilidad de regular su temperatura por sí mismos.

Así pues, el tratamiento con hipotermia está basado en la idea de que posteriormente al insulto hipóxico-isquémico (alteración causada por la disminución en la oxigenación cerebral por fallas en la circulación sanguínea) el daño cerebral secundario evoluciona con el tiempo. O sea, una vez que ocurren las lesiones cerebrales por la asfixia y la encefalopatía hipoxia-isquemia, éstas continúan durante el período de recuperación, lo cual compromete el pronóstico de los recién nacidos.

Diversos mecanismos de neuroprotección, como la reducción de sustancias nocivas para el cerebro como radicales libres y glutamato, así como la preservación de los antioxidantes propios del neonato, están asociados al tratamiento con hipotermia. No obstante, parece ser que el mecanismo de acción principal de la hipotermia en recién nacidos está basado en reducir el metabolismo cerebral, haciéndolo más lento para proporcionar una ventana de acción terapéutica en la cual se puedan implementar tratamientos oportunos para mejorar la sobrevida de los neonatos.

Es decir, el disminuir la temperatura de los recién nacidos puede ayudar a reducir las demandas metabólicas de los mismos, lo que amortigua las alteraciones provocadas por la reoxigenación y previene las consecuencias neurológicas a corto y largo plazo. Sin embargo, si bien la hipotermia en neonatos ha logrado aumentar la tasa de sobrevivencia en los recién nacidos, cerca de 25% de los bebés expuestos a dicha manipulación mueren y 20% sobreviven con discapacidades sensoriomotoras y cognitivas (Cavarsan et al., 2019).

Por lo tanto, nos encontramos frente a una condición muy recurrente al nacimiento. En ella, por si fuera poco, el pronóstico de los neonatos continúa siendo reservado, y es considerado por la Asociación Americana de Pediatría como “una de las frustraciones clínicas no resueltas en la medicina neonatal contemporánea” (Blanco et al., 2011).

El lechón al veterinario y el niño al pediatra

Si consideramos que los recién nacidos humanos también son mamíferos, es de esperarse que varias especies de animales domésticos compartan la recurrencia de la asfixia durante el parto, junto con sus complicaciones. Así, diversos modelos animales de experimentación son usados para el estudio de las lesiones cerebrales en los recién nacidos. Animales como los primates no humanos, ovejas, cerdos, conejos y roedores han sido empleados para el mejor entendimiento de la hipotermia neonatal y sus efectos neuroprotectores. Los modelos animales de mayor tamaño como las ovejas y los cerdos, por ejemplo, han servido para evaluar los parámetros fisiológicos del feto en respuesta a la disminución en la oxigenación dentro del útero de sus madres, mientras que los modelos animales de menor tamaño han contribuido a entender las consecuencias bioquímicas y moleculares de las lesiones cerebrales alrededor del parto, y sus consecuencias neuropatológicas y conductuales (Cavarsan et al., 2019; Homberg et al., 2021).

Hasta el momento, no nos quedan dudas acerca de que la asfixia es un problema persistente en los bebés humanos y, por lo tanto, podemos inferir que existe una necesidad urgente de realizar ensayos biomédicos que conlleven a mejorar la sobrevida de los neonatos con esta alteración. No obstante, debido a limitaciones de origen bioético, los estudios experimentales en neonatos humanos son inviables, por lo que se ha recurrido a modelos animales. Esto tampoco quiere decir que en los neonatos de otras especies no existan limitaciones bioéticas al momento de realizar experimentos; más bien, hablamos de una serie de guías y normativas necesarias que se encargan de regular su uso, salvaguardando su bienestar y asegurándoles un trato humanitario; ya que solo así pueden ser empleados para la investigación.

En este sentido, existe un consenso acerca del uso del cerdo recién nacido como uno de los modelos animales más adecuados para el estudio de la encefalopatía hipoxia-isquemia, debido a su similitud con el neonato humano en cuanto al tamaño y la madurez cerebral. Además, diversos estudios experimentales han demostrado que las regiones cerebrales más vulnerables ante un insulto de hipoxia-isquemia en los lechones son similares anatómica y fisiológicamente a las de los bebés recién nacidos; esto hace que los lechones neonatos tengan la cualidad de manifestar las respuestas típicas de los bebés ante los procesos de asfixia durante el parto (ver tabla 1), así como las respuestas fisiológicas posteriores a los procedimientos comunes usados dentro de la unidad de cuidados intensivos en pediatría. Lo anterior convierte al cerdo en un animal clínicamente relevante en la investigación y, de manera más importante aún, hace que cualquier hallazgo obtenido de los estudios practicados en lechones pueda ser idealmente aplicable a los bebés humanos.

¿Qué sabemos hasta ahora?

Si bien la hipotermia es el tratamiento de elección número uno para el cuidado neonatal, éste se ha acompañado de diversos fármacos y sustancias con propiedades neuroprotectoras, con la finalidad de mejorar los resultados terapéuticos y obtener un mejor pronóstico, así como la recuperación oportuna del paciente crítico.

Por ejemplo, en cerdos neonatos, a la par de la hipotermia ligera, se han administrado gases inhalables, como el xenón y el argón, por sus capacidades para reducir, en estos casos, la liberación excesiva de neurotransmisores nocivos, como el glutamato, y disminuir así la muerte celular. En particular, el argón resulta ser de mayor interés al tener un costo considerablemente menor al xenón y al haber sido mejor tolerado por todos los lechones dentro del estudio.

La investigación de los agentes involucrados en el tratamiento de esta alteración es tan importante que ha abarcado muchas sustancias usadas en diferentes afecciones, debido a sus posibles efectos de neuroprotección, que junto con la disminución de la temperatura al nacer resultan prometedores en un futuro no muy lejano. Por ejemplo, la melatonina, una hormona relacionada con la regulación de los ciclos de sueño, ha demostrado ser eficaz en el mantenimiento del metabolismo energético en los lechones con hipoxia-isquemia, lo que sugiere su efecto como agente neuroprotector, cuando se administra cerca del evento de asfixia.

También vitaminas, como la tiamina, y aminoácidos, como la creatina, han demostrado ser eficaces en la generación y el mantenimiento de la energía ante un evento de asfixia, por lo que podrían funcionar como agentes antioxidantes, al capturar radicales libres en la sangre y proteger a las células ante una condición tan apremiante. Asimismo, alimentos funcionales con alto contenido de ácidos grasos o metilxantinas, como la cafeína, ambos consumidos de manera común en las dietas de muchas personas, han demostrado ejercer efectos protectores en el sistema nervioso central tras un evento de asfixia e isquemia, lo que sugiere un mejoramiento en el neurodesarrollo de aquellos individuos que sufrieron disminuciones considerables de oxígeno en el nacimiento.

Por lo tanto, ya que la asfixia y la subsecuente encefalopatía hipoxia-isquemia juegan un papel importante en la muerte celular y en el neurodesarrollo, es razonable asumir que las terapias con hipotermia sola o en conjunto con sustancias antioxidantes, neuroprotectoras y energéticas, puedan tener el potencial para reducir el daño celular durante el nacimiento y los déficits cognitivos y conductuales en etapas posteriores al parto. Dicha disminución se daría mediante la captura de especies reactivas de oxígeno, lo que mejoraría el metabolismo del cerebro, y reduciría la producción de radicales libres, aumentando los niveles de antioxidantes disponibles (Sánchez-Salcedo et al., 2019).

Consideraciones bioéticas para el uso de animales en investigación

Alrededor de 1950, el interés por estudiar diversas patologías y fenómenos biológicos propició un aumento en el uso de animales para la investigación. Ello dio pie a la generación de postulados y guías para su uso adecuado, lo que originó el desarrollo de la ciencia de animales de laboratorio, un campo multidisciplinario con varios principios fundamentales en su justificación.

De lo antes mencionado se destaca el uso racional de los animales. En este sentido, se busca la reducción del número de animales a utilizar, el refinamiento de la técnica experimental empleada y el reemplazo del modelo animal propuesto por un modelo diferente que no involucre animales (Principio de las tres Rs de Russel y Burch, 1959). Además, es necesario consolidar el correcto entrenamiento, educación y adquisición de habilidades de quienes utilicen animales para la experimentación, con la finalidad de asegurar su bienestar dentro del laboratorio, así como la obligación de informar acerca del uso y cuidado de los animales empleados (Juarez-Portilla et al., 2019).

No obstante, si bien hay varias alternativas para evitar el uso de animales en la investigación, como estudios computacionales o modelos que involucren células o tejidos, el estudio de fenómenos complejos como la asfixia durante el parto no podría llevarse a cabo en su totalidad de no poder emplear animales para su evaluación. Esto es debido a que los modelos previamente mencionados son útiles para estudiar la toxicidad o eficacia de alguna sustancia farmacológica, por ejemplo, pero carecen de toda la maquinaria de órganos y sistemas desarrollados de respuesta, lo que limitaría los resultados obtenidos.

Según Homberg et al. (2021), la bioética no existe para prohibir la utilización de animales en la investigación, sino para regular eficientemente los criterios de operación de las actividades relacionadas con su producción, cuidado, manejo y uso, siempre con miras a favorecer el bienestar animal al evitar procedimientos experimentales cuestionables o inaceptables que atenten contra ellos. De esta forma, se busca obtener resultados confiables de dichas investigaciones a diferentes niveles, tanto básicos —entender cómo funcionan los procesos biológicos en animales sanos—, como preclínicos —comprender cómo funciona la enfermedad, al caracterizar los signos y síntomas en el animal, y al observar el mecanismo que los subyace—, y aplicados —identificar los posibles tratamientos y probar su eficacia para poder ser trasladados a los humanos—.

No obstante, los protocolos de intervención resultan difíciles, en parte debido al entendimiento y a la complejidad de la fisiopatología de la hipoxia-isquemia neonatal. Además, y de forma más importante, en algunos casos se requieren múltiples ensayos clínicos previos en animales, antes de poder aplicar dichos tratamientos en neonatos humanos con asfixia, por lo que el uso de animales como los lechones en la investigación biomédica neonatal continúa siendo necesario para el avance en algunas áreas de la ciencia.

Referencias

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Recepción: 04/05/2021. Aprobación: 07/12/2021.

Resumen

Los árboles de jacaranda abundan en parques y avenidas de México, son apreciados por aportar sombra y belleza a espacios públicos; así como por sus llamativas flores de color azul-violeta. Sin embargo, quizá nunca nos hemos hecho preguntas como: ¿se han realizado estudios científicos al árbol y la flor de jacaranda?, ¿a qué se debe el llamativo color de las flores de este árbol?, o si, además de bellas, ¿estas flores podrían ser útiles? Efectivamente, se han realizado algunas investigaciones sobre estas interesantes flores para su aprovechamiento en diferentes áreas. En el presente documento se comentan algunos estudios sobre el árbol y la flor de jacaranda, que destacan las características, funciones y potencial aplicación de sus pigmentos, las antocianinas.
Palabras clave: flor de jacaranda, antocianinas, antioxidantes.

Jacaranda flower: beyond its ornamental use

Abstract

Jacaranda trees are abundant in parks and avenues of Mexico, they are valued for providing shade and beauty in public spaces and they attract attention for their blue-violet flowers. However, perhaps we have never asked ourselves if the jacaranda trees and flowers have been studied, the reason for the striking color of the flowers, or even if, in addition to being beautiful, these flowers could be useful. In this document, we comment on some research reports on jacaranda tree and flowers, highlighting the characteristics, functions, and potential use of its pigments, anthocyanins.
Keywords: jacaranda flower, anthocyanins, antioxidants.

Introducción

Los árboles de jacaranda son originarios de lugares con clima subtropical, como Argentina y Brasil. Su nombre botánico es Jacaranda mimosifolia L.; y son árboles con copa redondeada y extendida que alcanzan alturas de 12 a 15 m (ver figura 1). Presentan grandes hojas compuestas, formadas por partes más pequeñas, llamadas foliolos, con una longitud de 30 a 50 cm; de color verde obscuro por la parte superior y que se desprenden del árbol en otoño, por lo que a estos árboles se les llama caducifolios. Su fruto tiene forma de castañuela, es leñoso y contiene en su interior las semillas. En primavera, las jacarandas producen racimos, o panículas, de flores con forma acampanada y de un atractivo color azul-violeta (Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad [conabio)], s.f.)

La singular belleza de la flor de jacaranda generó la distribución de estos árboles alrededor del mundo como una planta ornamental, por lo que son abundantes en parques y avenidas de nuestro país, aportando belleza y sombra. Como muchas plantas, la jacaranda ha sido estudiada desde diversos puntos de vista. Las investigaciones sobre la composición química de la flor revelan la presencia de antocianinas como principales pigmentos, un tipo de moléculas que, además de impartir una diversidad de colores en plantas, también se caracterizan por sus potenciales efectos benéficos.

¿Qué tipo de investigaciones se han realizado sobre la jacaranda?

Se han realizado varios estudios científicos enfocados a conocer distintos aspectos de la jacaranda (ver figura 2). Desde el punto de vista botánico, se han desarrollado estudios sobre 1) la descripción morfológica y anatómica del árbol; 2) su fenología, es decir, la relación entre los factores ambientales y las etapas del ciclo de vida (germinación, floración fructificación y pérdida de hojas); y 3) la asociación de esta planta con otros organismos con quienes establecen relaciones de beneficio mutuo, especialmente ciertos tipos de hongos denominados micorrizas.

Otras investigaciones están orientadas al conocimiento molecular de la planta, lo que incluye la secuenciación de su genoma, y la composición química de sus diferentes partes (estudios fitoquímicos). A este respecto, se han descubierto diferentes tipos de compuestos fitoquímicos, sintetizados por la planta de jacaranda, que tienen efectos farmacológicos, antioxidantes y antimicrobianos, tanto en hongos como en bacterias y que afectan a plantas y animales. Asimismo, se está investigando la utilidad de dichos fitoquímicos y su aplicación en diferentes áreas. Por otro lado, también se ha estudiado al árbol de jacaranda como indicador biológico de contaminantes atmosféricos, ya que su corteza tiene la capacidad para absorber metales contaminantes del ambiente (Olowoyo et al., 2010).

Las investigaciones realizadas se enfocan principalmente al conocimiento de las hojas y corteza de los árboles; pocos son los estudios sobre las características y propiedades de la flor. Lo anterior, aunado al hecho de que la cantidad de publicaciones científicas sobre esta planta es muy baja, convierte a la jacaranda en una planta con un alto potencial de investigación y aprovechamiento.

¿A qué se debe el color de las flores de jacaranda?

El color de los objetos se debe a la presencia de sustancias que absorben ciertas partes de la luz blanca y reflejan el resto. Es esta luz reflejada lo que percibimos como color, una vez que nuestro cerebro la procesa. Factores como la iluminación, las características de la superficie y el fondo sobre el cual se encuentra el objeto afectan su color (Mathias-Rettig y Ah-Hen, 2014). En el caso de las flores de jacaranda las sustancias que les imparten su característico color azul-violeta son moléculas denominadas antocianinas, las cuales han sido objeto de estudio en diversas plantas por sus muy particulares características, así como por sus beneficios a la salud.

Las antocianinas: protagonistas del color en la flor de jacaranda

La palabra antocianina proviene del griego anthos que significa flor y kyanos que significa azul. Las antocianinas son un grupo de pigmentos solubles en agua, ampliamente distribuidos en el mundo vegetal. Se encuentran coloreando una amplia variedad de flores (jacaranda, jamaica, dalias), frutos (fresas, manzanas, uvas, moras), semillas (maíz azul, frijoles negros), raíces (zanahorias moradas, rábanos), hojas (col morada, hojas otoñales) y tubérculos (camote morado, papa morada), entre otras estructuras vegetales. Las tonalidades que imparten las antocianinas abarcan desde rojo y violeta, hasta el azul (Badui-Dergal, 2016).

Las antocianinas son compuestos de tipo flavonoide (un grupo de fitoquímicos), con una diversidad de estructuras y actividades biológicas. Químicamente están formadas por el esqueleto característico denominado antocianidina, al que se unen una o varias moléculas de azúcar. Se conocen alrededor de 20 antocianidinas naturales, pero sólo seis de ellas forman la vasta variedad colores en la naturaleza. Las estructuras de las antocianidinas pelargonidina, cianidina, peonidina, delfinidina, petunidina y malvidina se muestran en la figura 3. Estas moléculas son muy parecidas entre sí, sólo cambian en la cantidad de dos grupos químicos presentes (-OH y -OCH₃); sin embargo, estos pequeños cambios originan características distintas de color y actividad biológica. Los grupos -OH hacen que la coloración tienda al rojo y los grupos -OCH₃ ocasionan la tendencia al azul.

Otro aspecto que tiene influencia en el color de las antocianidinas es el pH del entorno donde se encuentran, ya que este grado de acidez o alcalinidad tiene consecuencias en su estructura química y en sus características de absorción de luz, y, por tanto, en el color que reflejan. La figura 4 ilustra estos cambios utilizando como ejemplo las antocianinas de la col morada. En un medio muy ácido (pH<2), como el de jugo de limón, las antocianinas reflejan la luz de color rojo; a medida que la acidez disminuye, la coloración pasa a rosa (vinagre, pH=3), y violeta y púrpura en un medio cercano a la neutralidad (pH=7). Estos cambios continúan en la sección alcalina, mostrando coloración azul a pH de 8 (bicarbonato) y verde a pH de 10 (cal o amoniaco). Si el pH es tan alto como el del cloro de uso doméstico (cercano a 14), la estructura de las antocianidinas se rompe, lo que genera una coloración amarilla (Badui-Dergal, 2016). Esta propiedad de las antocianinas se ha estudiado y aprovechado para la generación de indicadores de pH.

Las antocianinas y sus funciones biológicas en plantas y humanos

Además de proporcionar color a los vegetales, las antocianinas cumplen importantes funciones biológicas en las plantas (Kalt, 2020; Stintzing y Carle, 2004); entre ellas se encuentran las siguientes:

• En la reproducción: atraen animales para la polinización y la dispersión de semillas.
• En la protección de las plantas: absorben radiación dañina, son antioxidantes, combaten algunos hongos y favorecen la curación de tejidos dañados.
• En el metabolismo de la planta: transportan azúcares, ajustan la concentración de sólidos en períodos de sequía y de bajas temperaturas.

Los beneficios de estas moléculas se extienden a los humanos cuando las consumimos, principalmente por ser potentes antioxidantes (Li y col., 2017; Kalt, 2020). Algunos de los beneficios biológicos del consumo de antocianinas son:

• Un efecto positivo en la microflora, al favorecer los microorganismos benéficos en nuestro intestino.
• Efectos preventivos contra enfermedades cardiovasculares, obesidad y diabetes.
• Disminuyen la permeabilidad y fragilidad de vasos capilares, así como la presión arterial.
• Inhiben la agregación plaquetaria y estimulan el sistema inmune.
• Protegen el tracto digestivo, al prevenir el desarrollo del cáncer, por diferentes mecanismos.
• Tienen efectos antineoplásicos, anticancerígenos, anti-aterogénicos, antivirales y antiinflamatorios.
• Previenen la disminución de la función neuronal relacionada con la edad.

¿Cuál podría ser la utilidad de estas flores?

La flor de jacaranda no sólo es bella; también se ha estudiado para su aprovechamiento en diversas áreas de la química y la salud. Esto es debido a la diversidad de componentes fitoquímicos presentes en ellas, como las antocianinas y otros flavonoides.

En nuestra institución hemos estudiado el contenido de antocianinas en las flores de jacaranda, y encontramos entre 0.18 y 0.54 gramos por Kg de flor fresca. Las concentraciones mayores estuvieron en las flores abiertas, mientras que los botones florales presentaron los valores más bajos. El contenido de antocianinas también puede variar dependiendo de factores ambientales y genéticos de la planta (Stintzing y Carle, 2004).

Aun siendo pequeños los contenidos de antocianinas en flor de jacaranda, éstos tienen un gran potencial de aplicación. Un ejemplo de su utilidad es como indicador de pH en reacciones químicas; ya que los colores generados en distintos valores de pH pueden ser de utilidad en algunas prácticas de laboratorio (ver figura 4). Esta función ya ha sido estudiada, con buenos resultados, en flores de otra especie (Patrakar et al., 2010).

Otra aplicación que se ha dado a las flores de jacaranda es en reacciones químicas de síntesis verde, es decir, en reacciones químicas que utilizan extractos naturales, en lugar de algunos reactivos químicos que son más tóxicos y dañinos para el ambiente. La investigación de Sharma et al. (2016) muestra que es posible sintetizar nanopartículas de óxido de cinc (ZnO) con un extracto acuoso de la flor de jacaranda. Además, los investigadores probaron que las partículas obtenidas tienen actividad antibacteriana contra algunos microorganismos patógenos. También de manera reciente, Aguirre-Becerra et al. (2020) analizaron la composición de la flor de jacaranda, así como su actividad biológica; encontraron que los extractos de flor podrían ser una alternativa natural como antimicrobianos y antioxidantes, por su contenido de flavonoides. Esta presencia de diversos antioxidantes y flavonoides incrementa las posibilidades de aprovechamiento de la jacaranda en el área de la salud (Pacheco et al., 2021).

La importancia de los antioxidantes en la salud

De forma natural, dentro de nuestras células ocurren reacciones que conducen a la formación de sustancias oxidantes, sobre todo cuando utilizan el oxígeno para la obtención de energía. Los radicales libres y otras moléculas oxidantes son sumamente inestables y reaccionan violentamente, lo que causa daño a células y tejidos.

Aunque el organismo humano tiene sus propios mecanismos de defensa antioxidantes, factores como la exposición a la contaminación y algunos estilos de vida (fumar, consumo frecuente de alcohol, comida rápida y productos procesados) generan un desequilibrio por exceso de especies oxidantes que se conoce como estrés oxidativo. Esta situación origina procesos inflamatorios y el desarrollo de enfermedades degenerativas, incluyendo las cardiovasculares y diferentes tipos de cáncer (Sánchez-Valle y Méndez-Sánchez, 2013). Por su función como antioxidantes, en diferentes estudios, los flavonoides de diversas fuentes vegetales han mostrado ser una opción en la prevención y/o tratamiento de diferentes tipos de cáncer (Vallejo-Zamudio et al., 2017) y otras enfermedades relacionadas con el estrés oxidativo.

Por lo anterior, es de vital importancia tener una dieta abundante en alimentos de origen vegetal, integrales y frescos, ricos en antioxidantes. Como complemento se podrían incluir algunas fuentes naturales alternativas de ellos (Vallejo-Zamudio et al., 2017). En este sentido, la flor de jacaranda posee una diversidad de antocianinas y flavonoides con efectos biológicos, lo que la convierte en un producto natural con potencial para su aprovechamiento en áreas relacionadas con la salud.

Conclusiones

La flor de jacaranda debe su atractiva coloración a pigmentos llamados antocianinas. Estas moléculas cumplen funciones importantes en las plantas y tienen diferentes efectos biológicos en organismos animales, entre los que destacan los antimicrobianos, antiinflamatorios y antioxidantes. Además, la presencia de otros fitoquímicos en las flores, como los flavonoides, las destaca como una fuente potencial de fitoquímicos para su aprovechamiento en áreas relacionadas con la salud. Es necesario el desarrollo de más investigación para conocer la seguridad del uso de esta flor.

Referencias

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Recepción: 25/09/2021. Aprobación: 03/03/2022.

Resumen

Después de las primeras décadas de investigación, los avances en el área de la nanotecnología comienzan a reflejarse como productos y dispositivos de uso común en la sociedad. El concepto de nanotecnología y sus principios prometen ser una solución para abordar algunos de los problemas de desarrollo más importantes en el mundo: por ejemplo, el acceso igualitario a fuentes asequibles de energía renovable mediante el aprovechamiento de la energía solar. Sólo en México, 56.4% de las viviendas no tiene acceso a un servicio de agua caliente, el cual trae diversos beneficios que no siempre son valorados por la sociedad en el medio urbano. Actualmente, por medio de la aplicación de la nanotecnología, se han construido calentadores solares de agua de plástico con nanopartículas conductoras, lo que resulta de interés por sus propiedades únicas, como una alta resistencia y tiempo de vida, ligereza, y el ser limpios al contacto con el agua, económicos y con la capacidad de transferir el calor con eficiencia. En este artículo, se aborda el concepto de nanotecnología y su aplicación para fabricar calentadores solares de agua que propician una forma más limpia y asequible de proveer energía, priorizando el desarrollo social y humano de manera igualitaria.
Palabras clave: nanotecnología, energía solar, calentadores solares, impacto social.

Applied nanotechnology in solar heaters: a benefit for society

Abstract

After the first decades of research, advances in nanotechnology begin to be reflected as products and devices of common use in society. The concept of nanotechnology and its principles promise to be a solution to address some of the most important problems in the world: for example, equal access to affordable sources of renewable energy through solar energy. In Mexico alone, 56.4% of households do not have access to a hot water service, which brings various benefits that are not always valued by society in the urban environment. Currently, through the application of nanotechnology, plastic solar water heaters have been built with conductive nanoparticles, which are of interest due to its unique properties, such as high resistance and lifespan, their lightness, and being clean in contact with water, cheap and with the ability to transfer heat efficiently. This article deals with the concept of nanotechnology and its application to manufacture solar water heaters that promote a cleaner and more affordable way of providing energy, prioritizing social and human development in an equal manner.
Keywords: nanotechnology, solar energy, solar heaters, social impact.

¿Qué es la nanotecnología?

Actualmente, la sociedad mexicana entiende a la nanotecnología como tecnología avanzada o tecnología de punta, y, exceptuando a los especialistas en el área, desconoce el significado real del concepto (Camarillo Abad et al., 2019). En cualquier caso, la nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, dispositivos e incluso sistemas, en un rango nanométrico de 1 a 100 nanómetros (un nanómetro, equivale a 1 × 10^-9 metros), es decir, en escalas muy pequeñas, casi atómicas. El éxito en la manipulación a esta escala ha permitido el diseño de sistemas eficientes, y con ellos poder abordar problemas a cualquier escala. Una referencia de tamaños se presenta en la figura 1 (Gottardo et al., 2021; Mobasser y Akbar Firoozi, 2016; Singer et al., 2005).

Las propiedades de los productos nanotecnológicos les han permitido encontrar numerosos nichos de aplicación, en dominios muy diferentes, incluso, podrían proporcionar una solución a problemas prioritarios relacionados con el agua, energía, agricultura y salud. Si bien, en estas áreas se han contemplado una gran cantidad de problemas y soluciones, la mayoría no tiene en cuenta el desarrollo social y humano de manera igualitaria (Acosta, 2019).

Energía solar y nanotecnología

Una de las mayores problemáticas presentes en nuestros días es poder utilizar fuentes de energía amigables con el medio ambiente, económicas y de fácil acceso a todo el mundo. Las energías alternas reducirán la dependencia de fuentes de energía contaminantes no renovables, como los combustibles fósiles. La luz solar cumple con los requisitos mencionados anteriormente y está presente en todo el planeta, sin distinción.

La energía solar es la principal fuente de energía en todos los procesos naturales que tienen lugar en nuestro planeta. Se estima que los rayos solares se generan a partir de los 700 millones de toneladas de hidrógeno que se queman por segundo en esta estrella de nuestro sistema solar, de las cuales, 4.3 millones de transforman en energía. De ella, llegan 1.7×10¹⁴ KW, lo que representa la potencia correspondiente a 170 millones de reactores nucleares de 1,000 MW de potencia eléctrica unitaria, más de 10,000 veces el consumo energético mundial. Además, las previsiones actuales apuntan a que, en los próximos 6,000 millones de años, el sol solamente consumirá 10% del hidrógeno que contiene en su interior. Por lo tanto, con el sol se dispone de una fuente de energía gratuita, asequible a todos y amistosa con el medio ambiente, y, sobre todo, por un período de tiempo prácticamente ilimitado (Garg y Prakash, 2006; Kabir et al., 2018; Rabaia et al., 2021).

En este sentido, la posición geográfica de México es privilegiada en el planeta tierra. Según la International Renewable Energy Agency (irena), México se encuentra entre 15° y 35° de latitud, región considerada la más favorecida en recursos solares, pues, se recibe del sol diariamente, en promedio, 5.5 Kwh/m², además de que cuenta con esta radiación durante todo el año. La radiación térmica que incide sobre la tierra puede ser calculada y genera la denominada constante solar (G = 1353 W/m²), que indica la energía que puede ser aprovechada para diversos procesos.

La nanotecnología tiene el potencial de proporcionar formas más limpias, asequibles, eficientes y fiables de aprovechar los recursos renovables. El uso racional de la nanotecnología puede ayudar a los países en desarrollo a avanzar hacia la autosuficiencia energética y, al mismo tiempo, reducir la dependencia de fuentes de energía contaminantes no renovables, como los combustibles fósiles. Por medio de la nanotecnología es posible obtener partículas en escala nanométrica de diferentes materiales como: oro, plata carbono, etcétera, y añadirlas a matrices plásticas para crear los denominados nanocompuestos poliméricos funcionales, capaces de conducir la electricidad y el calor, entre otras cosas. Éstos son sistemas con propiedades mejoradas debido al aditivo nanométrico. Ejemplo de estas propiedades son la mayor resistencia mecánica y las altas conductividades térmica y eléctrica (es necesario considerar que los plásticos comunes son aislantes).

Es verdad que actualmente ya existen los compuestos poliméricos, es decir, materiales plásticos con partículas comunes y de dimensiones del orden de milímetros y en concentraciones de 30 a 50% en peso. Sin embargo, en los nanocompuestos el incremento de las propiedades se lleva a cabo con una mucho menor cantidad de nanopartículas (del orden de 5% en peso), por lo que en el producto se mantienen las propiedades del plástico y se mejoran con las características del aditivo, obteniéndose materiales homogéneos tanto en forma como en propiedades, lo cual es comúnmente buscado en diversas aplicaciones (Covarrubias-Gordillo et al., 2018; Rouway et al., 2021; Wang et al., 2018)

Retomando la búsqueda del aprovechamiento de la energía solar, dichos nanocompuestos, pueden interaccionar con la radiación solar de forma diferente en comparación a los plásticos puros, a los plásticos con partículas comunes, a los metales y otros materiales, debido a su composición y tamaño. Este último punto permite esperar una mayor absorción de la energía solar por parte de nanocompuestos poliméricos en comparación a otros materiales, por lo que en las últimas décadas se ha intentado utilizar estos materiales, generados por la nanotecnología, para la construcción de calentadores solares de agua (Essa et al., 2021; Habib et al., 2021; Manirathnam et al., 2020).

Calentadores solares: nanotecnología al servicio de la sociedad mexicana

Los calentadores solares no son nuevos, en el año de 1904 surgió el primer equipo solar complejo, que permitía guardar durante la noche el agua calentada durante el día. Las versiones modernas, sin embargo, datan de los años 2005 a 2009. Éstas consisten de un sistema de tubos de diferente número y longitud, o bien de una placa, fabricados de vidrio o policarbonato con un alma de cobre, la cual transporta el calor recolectado de la radiación solar hacia el agua contenida en un recipiente. Existen de diferente tamaños y marcas (ver figura 2). Es posible también, con ingenio, hacer un calentador solar con botellas de bebidas gaseosas o un recipiente similar y hacer pasar agua por gravedad por las botellas, recibiendo agua caliente en la salida.

Debido a las propiedades de los materiales nanocompuestos, investigadores del Centro de Investigación en Química Aplicada (ciqa) actualmente se encuentran diseñando y probando un sistema de tubos de base polipropileno/nanofibras de carbón, para la construcción de calentadores solares de agua (patente en trámite). Las pruebas de campo realizadas por el ciqa han arrojado resultados preliminares satisfactorios del uso de estos nanomateriales en esta aplicación, con temperaturas de salida de hasta 56°C a las 12 p.m., mientas que los fabricados con plásticos convencionales alcanzaron 41°C a las 14 p.m. (ver video y figura 3). El principio se basa en el aumento del área superficial de contacto del aditivo, nanofibras de carbón, de manera similar a como se muestra en la figura 4.

Video . Investigaciones y resultados preliminares del calentador solar fabricado con material nanocompuesto polimérico (CIQA Centro de Investigación en Química Aplicada, 2019).

Los materiales nanocompuestos poliméricos cuentan con grandes ventajas en comparación con los materiales utilizados hoy en día para la producción de calentadores solares, como: su costo, fácil procesado, tiempo de vida media, limpieza al contacto con el agua y, principalmente, su bajo peso. Esta última ventaja, permite pensar en la posibilidad de llevar esta tecnología a la sociedad que se ubica en las zonas más remotas del país, donde este requisito de higiene básico no es accesible para toda la sociedad. Según el inegi, 43.5% de las viviendas tiene algún tipo de calentador de agua: en total se contabilizan 14.6 millones, de los cuales 11 millones son calentadores de agua de gas y 2 millones de calentadores solares (sener et al., 2018). Es decir, 56.4% de las viviendas no tienen acceso al servicio de agua caliente, no necesariamente por que no se requiera. En los medios rurales, la mayoría de las ocasiones se calienta el agua con leña o simplemente los habitantes se han acostumbrado a una vida sin esta “comodidad”. No obstante, el uso de agua caliente trae diversos beneficios, que la sociedad en el medio urbano no siempre tiene identificados, pues el acceso al agua caliente en un medio urbanizado es sencillo y cómodo. Se ha identificado que la falta de agua caliente trae consigo diversos problemas, como: la presencia de toxinas en la piel, congestión de vías respiratorias, ausencia de una circulación sanguínea adecuada, estrés o fatiga del cerebro, tensión muscular y presencia de virus y bacterias en las superficies (Naturgy, 2021).

Finalmente, cabe mencionar que si bien en la actualidad existen calentadores solares fabricados con materiales plásticos que contienen partículas comunes, éstos se utilizan de manera más frecuente con fines recreativos (albercas), debido a que no cuentan con la eficiencia deseada para desempeñarse de manera óptima en los medios rurales. De lo anterior, surge la importancia de la constante investigación y desarrollo de nuevos materiales, así como la necesaria adopción de tecnologías que prioricen el desarrollo social y humano de manera igualitaria.

Figura 4. Plástico con partículas comunes (material compuesto polimérico) comparados con plásticos con nanopartículas (material nanocompuesto polimérico).
Créditos: elaboración propia.

Conclusiones

En la actualidad, la nanotecnología aún se muestra como un concepto difuso para el público en general, pese a que esta tecnología ha encontrado numerosos nichos de aplicación, e, incluso, podría proporcionar una solución a problemas prioritarios nacionales relacionados con el agua, energía, agricultura y salud. Entre estos problemas, se identificó que uno de ellos es que 56.4% de las viviendas en México no tienen acceso al servicio de agua caliente, en su mayoría, en los medios rurales, a pesar de que la falta de agua caliente trae consigo diversos problemas.

Se mostró que la nanotecnología tiene el potencial para la solución de esta problemática de carácter social, ya que por medio de su uso es posible obtener partículas en escala nanométrica de diferentes materiales, que al ser añadidas a matrices plásticas crean los denominados materiales nanocompuestos poliméricos, capaces de ser utilizados para la producción de calentadores solares, con diversas ventajas, como: su bajo costo, fácil procesado, tiempo de vida media, limpieza al contacto con el agua y, principalmente, su bajo peso.

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Recepción: 19/10/2021. Aprobación: 03/03/2022.