DETERMINACIÓN DEL ORIGEN GEOGRÁFICO Y LA ADULTERACIÓN DE

ALIMENTOS UTILIZANDO ISOTOPOS ESTABLES

1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad, es una preocupación general la autenticidad, y por ende el origen, de

los productos que están consumiendo ya que estos pueden ser adulterados fácilmente y

estas adulteraciones son muy difíciles de detectar. Por ejemplo, el aceite de oliva, el

cual es sumamente costoso por sus propiedades organolépticas y nutricionales, es

comúnmente adulterado con aceites vegetales comunes, disminuyendo sus

características y engañando fácilmente al productor, por otro lado, en Australia y Suiza

se han encontrado en el mercado una gran cantidad de quesos de cabra adulterados con

leche de vacunos. Como los casos expuestos anteriormente, existen un sin número de

ejemplos más que demuestran, no solamente de adulteraciones del producto original,

sino falsedad del origen de diferentes alimentos, entre estos se encuentra el caso del té

procedente de china, muy cotizado por su historia y características, el cual ha sido

falsificado durante años.

Por consiguiente, la sociedad científica y los productores de alimentos se han visto en la

necesidad de encontrar una manera de detectar estos parámetros en los productos que se

van a ofrecer a los consumidores, para no engañar a los mismos y, por otro lado, no

perjudicar a los demás productores desvariando los precios de los productos.

Así, uno de los primero análisis que se pensó realizar fue el análisis de ADN de los

productos, obteniendo de esta manera una información del origen del alimento, mas no

de las posibles adulteraciones del mismo, además se debe considerar que el costo de

este análisis es sumamente alto y los tiempos de espera excesivos (Ghidini, 2006).

Después de años de investigaciones, se ha descubierto que el análisis de isotopos

estables presentes dentro del alimento, utilizando técnicas como el IRMS, CG-IRMS,

ICP-MS, CG-C/TC-IRMS, permite determinar el origen, la pureza y procedencia del

producto, además de, en caso de alimentos procedentes de animales, la raza del animal y

el tipo de alimentación del mismo.

El análisis de isotopos estables es uno de los métodos más viables para el control de

calidad de los alimentos ya que permite encontrar la trazabilidad del producto y a su vez

detectar la trazabilidad del compuesto con el cual se ha realizado el fraude del mismo.

En tiempos modernos, esta técnica se utiliza principalmente en Europa desde principios

de los años 2000 y en Estados Unidos. En América Latina, principalmente México,

Argentina y Chile, solamente se han realizado estudios a nivel de laboratorio sobre la

utilidad de estos isotopos para la calidad de los productos, pero, debido a la falta de

instrumentación, no es una técnica aplicable.

1.1. ISOTOPOS ESTABLES

Un isotopo es un elemento que tiene la misma masa atómica que un elemento pero

diferente número atómico, como es el caso del carbono, el cual presente 3 isótopos,

los cuales presentan una masa atómica de seis, pero un número atómico diferente

(12, 13 y 14).

En la naturaleza existen tres clases de isótopos: los radioactivos, que se transforman

en otros elementos y presentan una vida finita, los cosmogénicos, que son producto

de la interacción entre los elementos en la atmosfera superior y los rayos que

inciden sobre ellos y finalmente los estables, que están presentes en casi todos los

objetos y no se transforman en otros elementos (Pérez, 2010).

Algunas de las características de los isótopos estables son que presentan un bajo

peso molecular, poseen diferencias de masas relativamente altas, corresponden a

elementos que son abundantes en la Tierra y la abundancia del isótopo más ligero

es mayor que la del más pesado. Como ejemplo tenemos el caso del 1H y su isótopo

más pesado 2H o D (deuterio), el cual se encuentra en menor proporción.

Los principales elementos que presentan isotopos estables de interés en la industria

alimenticia son el hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre y estroncio,

presentando cada uno de estos un número específico de isotopos que se puede

analizar, siendo los de mayor interés los de bajo peso molecular (Ghidini, 2006).

1.1.1. ABUNDANCIA DE LOS ISOTOPOS ESTABLES

En la siguiente Tabla 1 se muestra la abundancia de los isotopos estables en el

planeta, las variaciones en la abundancia de carbono, hidrógeno y nitrógeno

(principales componentes de los compuestos orgánicos) son de interés para este

estudio, ya que estos son los que estarán presentes, en mayor cantidad, en los

alimentos y van a variar dependiendo del lugar donde este el mismo, las

condiciones climáticas, la vegetación, las acciones del hombre, los animales,

entre otros.

Elementos Isótopos Abundancia (%)

Hidrógeno

1H 99,985

2H 0,015

Carbono

12C 98,89

13C 1,11

Nitrógeno

14N 99,67

15N 0,37

Oxígeno

16 O 99,759

17 O 0,037

18 O 0,204

Elementos Isótopos Abundancia (%)

Azufre

32S 95,00

33S 0,76

34S 4,22

36S 0,014

Estroncio

84Sr 0,56

86Sr 9,86

87Sr 7,02

88Sr 82,56

Tabla 1. Abundancia de los isotopos estables de los principales elementos presentes

en el planeta Tierra (Ghidini, 2006).

1.1.2. COMPOSICIÓN ISOTÓPICA DE UNA MUESTRA

Comúnmente se representa con notación delta (δ), en donde la composición

isotópica o abundancia de un isotopo se relaciona con la abundancia estándar,

como se muestra en la Ecuación 1.

Ecuación 1. Composición isotópica de la muestra

δ=( Rmuestra

Restándar

−1)×1000 %

Donde R representa la relación molar entre el isotopo más pesado con respecto

al más liviano. Si se toma como elemento de estudio el oxígeno se tendría que

la R relacionara los isotopos 16 O con el 18 O, como se muestra a continuación:

Ecuación 2: Razón entre isótopos de oxigeno

R= O❑18

O❑16

Los estándares para los isotopos más analizados se presentan en la Tabla 2.

Existen gran cantidad de estándares, dependiendo del lugar donde se realice las

mediciones, pero los más utilizados son los que se presentan en la tabla

siguiente, siendo el estándar del estroncio el menos utilizado, por lo cual no se

contempla como importante.

ElementoRelación

isotópicaEstándar Internacional R

H 2H/1H Standard Mean Ocean Water (SMOW) 0,0001558

C 13C/12C Pee Dee Belemnite (PDB) 0,0112372

N 15N/14N Atmospheric air (AIR) 0,0036765

O 18 O/16 O Standard Mean Ocean Water (SMOW) 0,0020052

S 34S/32S Canyon Diablo Triolite (CDT) 0,0450045

Tabla 2. R estándares para principales relaciones isotópicas

1.1.3. VARIACIÓN ISOTÓPICA EN LA NATURALEZA

La abundancia de los isótopos estables en la naturaleza es limitada, especialmente

para aquellos isotopos que se encuentran en la atmosfera, como es el hidrógeno u

oxígeno, sin embargo dependiendo de la flora de los diferentes lugares, la fauna, la

acción humana, los fenómenos físicos del planeta, estas proporciones varían,

convirtiéndose en la huella digital de los diferentes productos.

Si se habla específicamente de la variación ambiental de los isotopos, estos se verán

afectados por la acción humana, en especial la de los isotopos de azufre y

nitrógeno, mientras que el carbono variara por la acción microbiana y de las

diferentes degradaciones de este por acción de los seres vivos. Por otro lado,

elementos como el estroncio solamente son provistos por la degradación de rocas

en el suelo.

Por otro lado, el contenido de 13C/12C en las plantas depende del proceso

fotosintético que estas sigan; C3, C4 o CAM, las cuales producen diferentes

porcentajes de carbono, haciendo fácil la identificación de alteraciones en los

alimentos, en los que se usan edulcorantes en especial.

Siguiendo el concepto de la fotosíntesis propuesto en el párrafo anterior, se tiene

también la variación de los isotopos de los diferentes elementos dentro de los

animales debido al alimento que consumen y también al ambiente al que se

encuentran expuestos, siendo este un indicativo inequívoco de la procedencia de los

productos animales. Pero aquí también se expone una gran problemática, cuando

los productos provienen de lugares muy cercanos, con características ambientales

similares y contaminantes cercanos, esta huella digital puede ser difusa entre ambos

objetos y fácilmente confundida, es en estos casos que el análisis de isotopos de

elementos pesados presenta su utilidad principal, pues estos elementos son propios

del lugar y muchas veces propios de especies de animales y de plantas.

2. MÉTODOS DE ANÁLISIS DE ISOTOPOS ESTABLES PARA LA

TRAZABILIDAD DE ALIMENTOS

Hace algunos años, el análisis isotópico era simplemente un sueño de los

investigadores, ya que suponía una gran cantidad de tiempo para obtener resultados

pobres, además del alto gasto de reactivos, contaminaciones cruzadas, bajos límites

de detección y un sin número de problemas más que hacían de este estudio casi

infructuoso. Pero desde el desarrollo de la espectrometría de masas se hizo posible

y viable estos estudios, a tal punto que, en la actualidad, fácilmente se puede

realizar el análisis de sin número de isotopos y sus transformaciones (Ghidini,

2006).

El análisis de isótopos estables se realiza en forma de moléculas gaseosas del tipo

H2, SO2, CO o N2, las cuales son introducidas en el espectrómetro de masas y

analizadas, obteniendo su identificación y cuantificación en relación masa/carga

(m/z). Estos equipos son conocidos en la actualidad como IRMS (Isotope Ratio

Mass Spectrometers) por sus siglas en inglés, los cuales han sido específicamente

desarrollados para el análisis de isotopos en diferentes matrices.

Los IRMS pueden ser utilizados solos o acoplados a diferentes métodos de

separación, siendo el cromatógrafo de gases el más utilizado por la naturaleza de

los isótopos utilizados.

Por otro lado, se debe considerar la existencia de isótopos estables de elementos de

alto peso molecular, los cuales no pueden ser volatilizados, pero de igual forma

presentan una gran importancia en la trazabilidad de los alimentos, para estos

elementos se han realizado análisis con ICP-MS, pero este método es demasiado

costoso por lo cual sus aplicaciones se han visto seriamente comprometidas.

2.1. IRMS

Un IRMS, igual que un cromatógrafo de gases común, está formado por cuatro

partes principales, las cuales solamente se han ido automatizando o haciéndose más

selectivas, pero en esencia no han cambiado desde el inicio de esta técnica.

Sistema de introducción de muestra

Existen tres formas para introducir la muestra dentro del analizador, siendo

estas las que determinaran el nombre con el que se conoce al mismo.

o Introducción indirecta

La evaporación de la muestra se realiza en un recipiente externo al

espectrómetro. Este proceso se encuentra poco automatizado y de gran

destreza manual de los analistas, haciendo de este un método

dependiente del operador.

o Introducción directa

En este método, se introduce la muestra directamente en la fuente de

iones a través de una varilla metálica, la cual en su punta tiene un

capilar en donde se encuentra colocada la muestra. La gran dificultad de

este método es cuando se introduce una muestra cristalina, la cual no se

evapora de manera constante afectando el equilibrio dentro del equipo.

o Introducción por cromatógrafo de gases

Este es el equipo más utilizado en la actualidad ya que permite una

separación previa de los componentes y una mayor selectividad. Como

su nombre lo indica se acopla un equipo de cromatógrafo de gases antes

del IRMS, en donde la muestra es volatizada y separada en columnas

selectivas, pasando al detector en fracciones separadas y por ende

facilitando la identificación de los mismos.

Fuentes de iones

La fuente de ionización produce un chorro de electrones que al chocar con las

moléculas originan cationes monovalentes, los cuales son extraídos y aceleradas

mediante potenciales crecientes (3Kv).

Analizador para la separación

Después de que los cationes son acelerados en la fuente de iones, son dirigidos

hacia el campo magnético donde el haz único producido será separado en otros

tantos según las diferentes masas moleculares (que están determinadas por los

diferentes isótopos presentes en ellas).

Sistema detector o analizador

Finalmente, los iones de cada uno de estos haces separados, impactan en Copas

de Faraday dispuestas en posiciones fijas. En cada impacto, el catión toma el

electrón necesario para neutralizarse y este potencial eléctrico producido se

neutraliza al pasar por una resistencia de precisión conectada a tierra. La caida

de voltaje en la resistencia será proporcional a la intensidad del haz de iones.

Este voltaje tras un convertidor voltaje/frecuencia (V/F) se amplifica y

contabiliza con el software correspondiente en unidades de masa/carga (m/z).

3. ESTUDIOS REALIZADOS EN EL ANÁLISIS DE PUREZA Y

TRAZABILIDAD DE ALIMENTOS

Desde que los alimentos fueron considerados bienes intercambiables con un valor

sobre ellos, el origen y la complejidad de los mismos les otorgó diferencias

significativas y es en ese momento que la adulteración y el fraude de estos

comenzó.

Durante años, la adulteración del aceite de oliva con aceites vegetal ha sido el

principal problema en los países europeos conjuntamente con la adulteración del

queso de cabra con leche de vacuno en las mismas regiones y Australia. Por otro

lado el fraude de procedencia de té chino japonés, adulterando su provincia de

origen. Además de diferentes adulteraciones de jugos de frutas y procedencias de

productos Mexicanos.

Como diferentes autores alrededor del mundo exponen, la adulteración y

procedencia del producto, además de la sanidad de los mismos es una de las más

grandes preocupaciones de la industria alimenticia.

Específicamente en la Unión Europea, la preocupación de la procedencia del

prosciutto di Parma de Italia y el aceite de oliva griego de Kalamata, entre otros

productos como el vino del Francia y demás son de tal importancia por su precio

que es en este lugar donde se impulsó con mayor fuerza el desarrollo del estudio

del origen y pureza de los diferentes alimentos de renombre que se producen,

aplicando no solamente el análisis de CG-IRMS, si no también ICP-MS, haciendo

de la trazabilidad de los alimentos uno de los principales parámetros a considerarse

en el control de calidad de estos productos (Romann, 2007).

Uno de los ejemplos más claros de la trazabilidad de los alimentos, es el origen del

té chino, ya que su precio dependerá de la región de la que provenga, tanto así que

en caso de fraude, el productor podría a llegar a ganar hasta el 200%. Long Zhang,

Jia-rong Pan, Cheng Zhu realizaron este estudio utilizando como equipo analizador

un CG-IRMS y determinaron que fácilmente se puede determinar el origen de las

diferentes hojas de té, como se muestra en el gráfico a continuación.

A) B)

Figura 1. A) Origen de las muestras analizadas B) Porcentaje de delta de isotopo de

carbono

3.1. ARROZ

Uno de los últimos estudios isotópicos con respecto al arroz fue realizado por

Sazuki Yaeko, en el año 2008, en donde se analizaron 14 muestras de arroz lavado

Koshihikari de diferentes partes del mundo (1 de Australia, 12 de diferentes

provincias de Japón y 1 de Estados Unidos) utilizando un equipo de EA/IRMS y se

obtuvo como resultado el del porcentaje de la abundancia de oxígeno y nitrógeno

(como se indica en el punto 1.1.2).

Utilizando la abundancia de los isotopos de nitrógeno y oxígeno se observó que se

puede identificar fácilmente la procedencia de cada una de las muestras, aun del

arroz procedente de las diferentes provincias de Japón, demostrando de esta manera

que se puede encontrar la procedencia de un arroz basando este criterio en la

abundancia isotópica del mismo.

En las siguientes gráficas se observan algunos de los resultados obtenidos por este

estudio, en donde se puede observar claramente la diferencia en la composición

isotópica con respecto al nitrógeno, carbono y oxígeno.

Figura 2. Comparación isotópica de cuatro diferentes muestras de arroz. a) muestra de

arroz australiano, b) muestra de arroz americano, c) y d) dos de las 12 muestras de arroz

japonés estudiadas.

3.2. LECHE

Como se mencionó anteriormente el análisis de la pureza de la leche y la

procedencia de la misma es de suma importancia, ya que dependiendo del lugar de

donde proviene esta leche y de su pureza aumenta su precio comercial.

La leche de cabra y especialmente el queso que se produce con esta, son

sumamente cotizados alrededor del mundo, por lo cual esta leche es adulterada con

la del ganado vacuno, más barata, provocando que esta actividad se transforme en

habitual, provocando que se obtengan ganancias ilícitas para el productor.

La leche ha sido uno de los productos más ampliamente estudiados en los últimos

años en lo que se refiere a composición isotópica, ya que su matriz es sumamente

fácil de tratar y por otro lado, todos los factores que afectan al animal se verán

reflejados en la leche, de tal forma que las variaciones isotópicos del alimento y el

ambiente afectaran directamente a la abundancia de los mismos en la leche.

En el año 2007, R.G. Crittenden, A.S. Andrewb, M. LeFournourc, M.D. Youngd,

H. Middletond y R. Stockmanna realizaron un estudio en siete diferentes muestra

de leche australiana para determinar el contenido multi-isotópico y por consiguiente

desarrollar un método aplicable para controlar la calidad de la leche y asegurar la

procedencia de la misma.

El contenido multi-isotópico se refiere al análisis de más de dos deltas de

porcentaje de isótopos en las muestras, siendo los elementos analizados en este

estudio el 13C/12C, 15N/14N, 18O/16O, 34S/32S y 87Rb/86Sr. Se utilizaron técnicas como

la IRMS y CG-C/TC-IRMS (utilizada para el análisis de los isotopos del oxígeno).

Como se muestra en la Figura 3, se puede realizar identificar, con completa

claridad, el lugar de origen de cada una de las muestras. Además las adulteraciones

se pueden identificar debido a que se observaría un aumento o disminución del de

los diferentes isótopos, siendo el más detectable el del estroncio.

Figura 3. Comparación de los perfiles de proporción de isótopos estables de las muestras

de leche descremada recolectados en diferentes regiones lecheras de Australasia. Para cada

ubicación, barras de izquierda a derecha son las proporciones de isótopos estables de

carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre y estroncio, respectivamente.

Por consiguientes, las diferentes condiciones ambientales, la contaminación a la

cual se encuentra expuesto el animal y el alimento que este consume van a variar su

composición isotópica, como ya se ha discutido anteriormente. La importancia de

este estudio radica en que, sin importar la matriz, se puede realizar la trazabilidad

de la leche usando la composición isotópica.

3.3. VINOS

Como ya se ha visto en los otros alimentos, se puede obtener fácilmente el origen

de los diferentes productos, gracias a la composición isotópica dentro de los

mismos.

Brasil es uno de los pocos productores de vino de Sudamérica, y gracias a su

diversidad de clima y suelos, se pueden encontrar diferentes tipos de vinos como

resultado. El Merlot y el Cabernet Sauvignon son los vinos más representativos de

la producción brasileña y por consiguiente fueron los estudiados (Dutra, 2010).

Uno de los parámetros que se debe descartar en este estudio fue que los vinos

analizados fueron elegidos de locaciones relativamente cercanas y casi sin ningún

cambio ambiental memorable entre estas, además de analizar una misma fruta, de

diferente raza y se observó que los niveles de los isotopos de carbono variaron entre

el Merlot y el Cabernet Sauvignon, por el mismo echo de la genética de la planta,

aunque esta variación no es significativa. Por otro lado, los valores del δ de los

isotopos del oxígeno son propios no solamente de cada clase de uva, sino de cada

lugar de procedencia, siendo este parámetro por si solo capaz de demostrar la

trazabilidad de los vinos.

La Tabla 3 presenta los resultados obtenidos en el estudio, y en especial permite

observar de mejor manera la variación de los isótopos estudiados y por

consiguiente su relación con su tipo de uva y su origen.

Tabla 3. Valores de la proporción de isótopos 18O/16O (%) en agua de vino y 13C/12C (%) en

etanol de los vinos.

Por otro lado, la adulteración de los vinos, además de la adición de agua y azúcar

como lo exponen N. Dordevic y sus coautores en su publicación del 2013, es uno

de los problemas más graves que puede ser identificado a través de la proporción

isotópica del carbono y oxígeno. El los isotopos del carbono, como se expuso en el

punto 1.1.3, dependerá del tipo de planta y las proporciones de carbono entre el

azúcar (sacarosa) y el dulce de la fruta varían enormemente, permitiendo fácilmente

su identificación, por otro lado, los isotopos de oxígeno van a variar dependiendo

del agua con la cual se adulteró, que presentara de la misma forma diferencias

isotópicas muy fácilmente identificables.

Otro de los adulterantes más comunes en este tipo de bebidas es el glicerol, pero

este adulterante ha sido tan ampliamente estudiado que en los últimos años se ha

visto dejado de lado, pero es importante recalcar que esta adulteración se puede

detectar por variaciones en la abundancia de los isotopos del oxígeno

principalmente (Romann, 1998).

3.4. CARNES Y PRODUCTOS CÁRNICOS

A lo largo de este ensayo se ha hablado ampliamente del origen del alimento en sí,

pero en el caso de las carnes, estas dependerán del alimento del animal, de su salud

y de la raza del mismo, no solamente de su lugar de origen. Además, en la Unión

Europea y Estados Unidos, se da la opción al consumidor de carne orgánica o

tratada de forma normal, todos los aspectos de nutrición del animal y tratamiento de

la carne después del faenamiento y son estos aspectos los que motivaron para

realizar los diferentes estudios.

A.P. Moloneya, B. Baharb,c, O. Schmidtc, C.M. Scrimgeourd, I.S. Begleye, F.J.

Monahan realizaron un estudio completo de como la dieta diaria afecta la

composición isotópica de las carnes de comercio, utilizando un equipo de IRMS de

flujo continuo y determinaron que la dieta afecta directamente la composición

multi-isotópica del producto final, además que el cambio imprevisto de

alimentación antes del proceso de faenamiento afecta esta composición de una

manera muy evidente, por ejemplo el δ 13C/12C (%) en la grasa del vacuno antes del

cambio de dieta era de -30.37, mientras que al sufrir el cambio de alimentación este

valor subió a -27,51, variaciones que se observan en los diferentes tejidos del

animal.

Tabla 4. Valores de δ de 13C/12C y 15N/14N de los diferentes tejidos de res antes del cambio

repentino de alimento

Tabla 5. Valores de δ de 13C/12C y 15N/14N de los diferentes tejidos de res después del

cambio repentino de alimento

3.5. MIEL

El análisis de la miel es uno de las más impresionantes, a nivel de isótopos estables,

ya que no solamente da el origen geográfico del producto, si no también da una

idea muy cercana del origen botánico del mismo, haciendo de este estudio uno de

los más importantes en cuestión de control de calidad.

Como bien se sabe, la miel ha sido adulterada durante años por edulcorantes

provenientes de la caña de azúcar, haciendo que esta disminuya su calidad y se

cristalice después de algún tiempo, haciendo que el consumidor se sienta

defraudado.

Anteriormente se expuso que existen diferentes tipos de plantas que de acuerdo a su

proceso fotosintético producen diferentes porcentajes de relación de isótopos, así

que se puede diferenciar fácilmente cuando una miel ha sido adulterada, como lo

demuestra el estudio realizado por Urska Kropf,,Terezija Golob, Marijan NecEmer,

Peter Kump, Mojca Korosec, Jasna Bertoncelj y Nives Ogrinc, en donde se

analizaron 271 muestras de miel eslovena, en donde se encontró que 6 de estas se

encontraban adulteradas con sacarosa, ya que presentaron valores de proporción de

isótopos de carbono y oxigeno diferentes a la considerada normal, demostrando de

esta manera que se puede identificar fácilmente la sacarosa introducida.

Tabla 6. Porcentaje de sacarosa presente en las mieles adulteradas

4. CONCLUSIONES

Se puede identificar fácilmente el origen de los alimentos y su pureza utilizando

isotopos estables de bajo peso molecular, analizando solamente uno o gran

cantidad, siendo el caso del multi-análisis el más exacto.

Las técnicas de análisis pueden ser variadas, partiendo desde un IRMS solo hasta

un equipo de RMN o un ICP-MS, y el uso de cada una solamente dependerá del

presupuesto de los laboratorios y de la sensibilidad de los resultados que se desee

obtener.

Finalmente, el análisis de isotopos estables puede ser, o es como en el caso de los

países de primer mundo, uno de los principales análisis para control de calidad de

los alimentos, en especial de los productos que provienen de los animales porque la

abundancia de los isotopos estables dará información del animal, su nutrición y

procesamiento.

5. REFERENCIAS

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