Las substancias químicas indeseables en alimentos pueden tener muchos orígenes y poseen estructuras químicas muy diferentes. Nuestro planeta está formado por varios elementos distinguidos por su número atómico (por el número de protones en el núcleo). En total hay 94 elementos de manera natural en la Tierra. Ochenta de estos elementos tienen isótopos estables, todos los elementos con números atómicos del 1 (hidrógeno) al 82 (plomo), excepto los números 43 y 61, que son tecnecio y prometio (un lantánido), respectivamente. Los elementos con números atómicos 83 y superiores (bismuto y más arriba) son inherentemente inestables y experimentan deterioro radioactivo, pero son, no obstante, encontrados en la naturaleza, sobreviviendo como remanentes de la nucleosíntesis estelar primordial que produjo los elementos en el sistema solar o producidos como isótopos hijos de vida corta a través del deterioro natural de uranio y torio. El bismuto es generalmente considerado el último elemento no radioactivo y estable de la tabla periódica que aparece naturalmente; sin embargo, de hecho es ligeramente radioactivo, con una vida media extremadamente larga.
Los elementos pueden estar presentes como tales, siendo ejemplos de ellos el metal sólido de sodio, el metal líquido de mercurio, una de las diferentes formas sólidas del carbono (grafito, diamante o carbón amorfo) o los gases cloro, oxígeno e hidrógeno; o pueden formar compuestos químicos. Excluyendo los elementos, los compuestos químicos son substancias químicas puras consistentes en 2 o más diferentes elementos. Ejemplos de ello son el cloruro de sodio, el bióxido de carbono, el etanol y el metilmercurio (abreviación del catión monometilmercúrico). Como un ión cargado positivamente, el metilmercurio se combina con aniones; en esta forma se vuelve tan lipofílico que puede bioacumularse (exposición a largo plazo) en la grasa de peces y otros organismos marinos, haciéndolos tóxicos.
Los compuestos químicos pueden experimentar transformación/degradación en otros compuestos. Esto puede ser el resultado de condiciones físicas tales como temperatura elevada o irradiación. Por ejemplo, la degradación causada por la irradiación puede ser la fotolisis ultravioleta (UV) observada en muchos compuestos bajo luz solar de alta intensidad o transformación/degradación luego de la irradiación de alimentos (el proceso de exposición del alimento a radiación ionizante para destruir microorganismos o insectos que pueden estar presentes). Los cambios en la estructura molecular pueden también ser el resultado de reacciones químicas tales como hidrólisis de glucósidos bajo la influencia de condiciones ácidas o alcalinas, oxidación o reducción. La transformación/degradación química puede suceder sin alguna influencia de enzimas u organismos vivos, pero también puede ser resultado del metabolismo después del contacto con o absorción por un microorganismo, planta o animal. Un ejemplo de esto podría ser la transformación y degradación metabólica del alcohol en un hombre que ha bebido una copa de vino. La primera etapa en el metabolismo del alcohol es la oxidación del etanol en acetaldehido, catalizada por la enzima alcohol-deshidrogenasa, conteniendo la coenzima NAD+. El acetaldehido es oxidado en ácido acético y finalmente en bióxido de carbono y agua a través del ciclo del ácido tricarboxílico (ciclo del ácido cítrico o de Krebs, entre otros nombres). Varios efectos del alcohol están ligadores directamente a la producción de un exceso de acetaldehido.
Mientras que los compuestos químicos pueden “desaparecer”. Es muy importante comprender que los elementos siempre permanecen y pueden re-entrar a la cadena alimentaria después de ser excretados. Un ejemplo típico es el metal mercurio, altamente tóxico.
Los mecanismos exactos por los cuales el mercurio entra a la cadena trófica pueden variar entre ecosistemas. Algunas bacterias juegan un importante papel temprano. Las bacterias que procesan sulfato en el ambiente, capturan mercurio en su forma inorgánica y lo convierten en metilmercurio a través de procesos metabólicos. La conversión de mercurio inorgánico en metilmercurio es importante porque su toxicidad es mayor y porque los organismos requieren un tiempo considerablemente mayor para eliminar el metilmercurio. Las bacterias conteniendo metilmercurio pueden ser consumidas en el siguiente nivel superior de la cadena trófica o las bacterias pueden excretar el metilmercurio hacia el agua, la cual también es consumida por el siguiente nivel en la cadena trófica. Dado que los animales acumulan el metilmercurio más rápido de lo que pueden eliminarlo, los animales consumen mayores concentraciones de mercurio en cada nivel sucesivo de la cadena. Pequeñas concentraciones ambientales de mercurio pueden así acumularse hasta concentraciones potencialmente dañinas de metilmercurio en peces, vida silvestre piscívora y en las personas.
El metilmercurio que ha sido excretado al ambiente puede, por ejemplo, ser degradado por reacción con hidroxilo formado en las aguas superficiales iluminadas por el sol, siendo los productos de reacción Hg y Hg0. Estas formas de mercurio inorgánico pueden ahora reincorporarse al ciclo para ser metiladas nuevamente.
También la planta acuática macroscópica conocida como espinaca acuática (Ipomoea aquatica), la cual es consumida popularmente en regiones tropicales, es capaz de formar metilmercurio; dado que los pequeños brotes de esta planta son una verdura deliciosa y muy apreciada, el consumo puede contribuir a problemas de salud humana.
Razones por las que los compuestos y elementos químicos pueden ser indeseables
Los compuestos y elementos químicos pueden ser indeseables en alimentos humanos y animales por varias razones:
1. Estos pueden afectar el sabor y el olor (características olfatorias). Este es el caso, por ejemplo, con compuestos característicos de productos grasos rancios, como diferentes productos de la hidrólisis y oxidación de lípidos basados en ácidos grasos insaturados. Para evitar la formación, agregamos típicamente antioxidantes a productos que tienden a este tipo de degradación. Otro ejemplo es el compuesto de indol, 3-metilindol (escatol), formado y concentrado en la carne de cerdo. El compuesto es un producto de degradación del aminoácido triptófano. En muy bajas concentraciones tiene un aroma floral, el cual se vuelve fecal y muy desagradable a mayores concentraciones. Para este compuesto se ha fijado un valor de umbral de 0.2 partes por millón (ppm) por muchos productores de carne de cerdo a fin de ser capaces de vender la carne. En muchos sistemas de producción porcina, los lechones machos son castrados a fin de evitar este problema.
2. Estos pueden reducir la absorción intestinal de, por ejemplo, minerales importantes como calcio, magnesio, hierro y cinc. Este es el caso del ácido fítico (inositol hexakisfosfato, IP6; o fitato cuando está en forma de sal), el cual es la principal forma de almacenamiento de fósforo en muchos tejidos vegetales, especialmente en el salvado y la semilla. En los productos de cereales, los minerales están ligados al ácido fítico, por lo cual el ácido fítico es considerado históricamente como portador de un efecto negativo para la salud. Sin embargo, el ácido fítico también funciona como un antioxidante en el producto alimenticio almacenado, quelando los iones de hierro y por lo tanto es deseable una cierta cantidad de ácido fítico.
3. Estos pueden degradar las vitaminas antes de que las mismas sean absorbidas. Este es el caso para las tiaminasas, que son enzimas que se encuentran en algunas plantas y en la carne y vísceras de ciertos pescados y mariscos. Cuando son ingeridas, estas enzimas dividen a la tiamina (vitamina B1), haciéndola inactiva.
4. Estos pueden ser tóxicos o constituir factores antinutricionales.
Elementos y compuestos inorgánicos
Metales y metaloides
Los metales son elementos que en general muestran buena conductividad eléctrica y térmica, alto lustre y densidad, así como la habilidad de ser deformados bajo tensión sin romperse. Sin embargo, existen metales que tienen densidad, dureza y punto de fusión relativamente bajos; éstos, denominados metales alcalinos y metales alcalinotérreos, son en general muy reactivos y por lo tanto se encuentran rara vez en su forma metálica elemental. Los metales tienden a formar cationes a través de la pérdida de electrones. Los metales pueden existir en su estado elemental, como óxidos o sales con diferentes contraiones (ejemplos son Cl–, NO3–, SO4– PO43-), o pueden, en plantas y animales, estar ligados (quelados) a contraiones más complejos tales como fitato o proteínas especiales ligadoras de metales, biosintetizadas por los tejidos animales; un ejemplo es la metalotioneína, la cual liga cadmio en el hígado. Adicionalmente, algunos metales forman parte de los llamados compuestos organometálicos.
Varios metales son esenciales para nuestro cuerpo, y son los denominados minerales dietarios. Los metales esenciales son calcio, cobre, hierro, magnesio, manganeso, molibdeno, potasio, sodio y cinc. También el cobalto es esencial, pero como parte de la vitamina B12 (cianocobalamina), la cual es biosintetizada por bacterias en el ambiente y absorbida como tal. El cromo parece tener un papel benéfico en la regulación de la acción de la insulina, en el síndrome metabólico y en la enfermedad cardiovascular. Existe evidencia de que el cromo puede facilitar la señalización de la insulina, y por tanto la suplementación con cromo podría mejorar la sensibilidad sistémica a la insulina. Los niveles tisulares de cromo en sujetos con diabetes son más bajos que aquellos de sujetos normales, y existe una correlación entre los bajos niveles de cromo en circulación y la incidencia de diabetes tipo 2. Existe aún controversia en cuanto a la necesidad de suplementación de este metal.
Los metaloides son elementos que muestran propiedades tanto de los metales como de los no metales. Algunos de los metaloides, como sílice y germanio, son semiconductores; esto significa que pueden portar una carga eléctrica bajo condiciones especiales. Esta propiedad hace los metaloides útiles en computadoras y calculadoras. Los siguientes elementos con generalmente considerados metaloides: boro, sílice, germanio, arsénico, antimonio, selenio y telurio. Los dos metaloides arsénico y selenio existen en niveles muy diferentes en el suelo, de acuerdo a sus distribuciones a nivel mundial, lo que tiene implicaciones de seguridad e inocuidad alimentaria. De los metaloides, solo el selenio parece ser esencial para el organismo humano, aunque hay controversia en relación al papel del boro.
Tomando al selenio como ejemplo de un metaloide, este elemento (punto de fusión 217°C, punto de ebullición 685°C, densidad 4819 Kg/m3) existe en varios estados de oxidación, los cuales incluyen compuestos formados con oxígeno, azufre, metales y/o halógenos, denominados seleniatos (Se6+; ejemplo Na2SeO4), selenitos (Se4+; ejemplo Na2SeO3), seleniuros (Se2-; ejemplo Na2Se) y como selenio elemental (Se0). En muestras ambientales el selenio puede existir en especies inorgánicas así como orgánicas (compuestos metilados; selenoaminoácidos, selenoproteínas y sus derivados). Las especies inorgánicas de selenio pueden ser transformadas en compuestos volátiles como dimetilseleniuro -(CH3)2Se- a través de la acción microbiana. En general, la especiación de selenio en suelo y agua es fuertemente afectada por el estado de oxidación y el pH del suelo y el agua en el ambiente. Las especies orgánicas de selenio son más frecuentemente encontradas en sistemas biológicos. En el cuerpo, en contraste con los complejos metal-proteína, selenio no está ligado por coordinación, sino que forman enlaces covalentes C-Se y está presente en forma de residuos de selenocisteinilo (SeCys) o selenometionilo (SeMet). Los residuos SeCys están incorporados en proteínas de acuerdo al correspondiente codón UGA. Los compuestos de selenio con residuos SeCys son definidos como selenoproteínas y participan en reacciones redox como el centro activo de selenoenzimas. El selenio en forma de residuos SeMet es incorporado sin un codón específico y las proteínas que contienen selenio actúan como la poza biológica de selenio.
Tanto los metales esenciales como los no esenciales pueden ser tóxicos, dependiendo de la dosis. La diferencia entre los dos grupos es que, para los metales esenciales (así como para otros elementos esenciales que pueden causar intoxicaciones a niveles de dosis altas), los humanos poseemos una ventana entre las ingestas más bajas para prevenir síndromes por deficiencia y el nivel más alto aceptable para prevenir intoxicaciones.
En la seguridad e inocuidad química de los alimentos, los metales y metaloides a considerar con mayor frecuencia son cadmio, cromo, cobre, hierro, plomo, mercurio y estaño, así como arsénico, boro y selenio.
Elementos no metálicos
De los elementos no metálicos de mayor preocupación para la inocuidad química alimentaria, destaca el flúor. El mineral fluorita, consistente principalmente de fluoruro de calcio, fue descrito en 1530 por Georgius Agricola para su uso como un fundente (producto que promueve la fusión de metales o minerales). El flúor forma un enlace sencillo con sí mismo en la forma elemental, resultando en la molécula diatómica F2, que es un gas extremadamente reactivo, venenosos, de color amarillo pálido. Compuestos inorgánicos del flúor, incluyendo el fluoruro de sodio, son empleados en la pasta dental para prevenir la caries mediante el tratamiento directo, además de ser adicionados a algunas redes de agua municipal por la misma razón (fluorización). El té negro (basado en Camellia sinensis) tiene un alto contenido de flúor, lo que ha llevado a evaluaciones de inocuidad concernientes a posibles consecuencias de beber grandes cantidades de este producto.
Compuestos orgánicos
Los compuestos orgánicos en general están formados de átomos de carbono unidos entre sí en cadenas, suplementados con hidrógeno, pero con frecuencia pueden incorporar oxígeno o nitrógeno en el esqueleto. El nitrógeno es un átomo clave en varios compuestos orgánicos naturales fisiológicamente muy activos, como son los alcaloides y varios cientos de aminoácidos no proteínicos procedentes de plantas. Las substituciones pueden incluir átomos de otros elementos tales como azufre, fósforo, cloro, flúor y yodo. Los haluros frecuentemente se encuentran en compuestos orgánicos de origen natural, al ser biosintetizados por organismos marinos, aunque algunas toxinas importantes pueden causar problemas de inocuidad alimentaria tales como la micotoxina ocratoxina A, que contiene cloro.
Compuestos orgánicos formados biológicamente
Un gran número de compuestos orgánicos indeseables en alimentos son de origen biológico. Estos incluyen una gran cantidad de compuestos tóxicos naturalmente inherentes en plantas empleadas como alimento; compuestos formados por hongos que atacan los cultivos o recubren los productos alimenticios (micotoxinas); toxinas ficológicas (de algas) encontradas en las mismas algas o en diferentes mariscos que han acumulado estos compuestos a través de su alimentación por filtración; y tetrodotoxina de los peces globo, solo para mencionar unos cuantos. Adicionalmente, se deben considerar las bacterias patógenas, que causan daño al organismo anfitrión a través de la síntesis de toxinas más que por una invasión celular masiva. La virulencia es una medida de la capacidad de estas toxinas para dañar las células anfitrionas. Las toxinas bacterianas están normalmente categorizadas como exotoxinas, las cuales son liberadas del progenitor (por ejemplo, la toxina botulínica, la cual tiene una dosis letal media o LD50 de 0.000025 μg en ratón) y endotoxinas, las cuales generalmente son lipopolisacáridos en la naturaleza, asociados con la envoltura celular exterior de las bacterias Gram-negativo y muestran una LD50 aproximada de 400 μg en ratón. Las endotoxinas de bacterias entéricas en alimentos y agua se denominan con frecuencia enterotoxinas.
Compuestos orgánicos antropogénicos
La actividad humana ha resultado en un gran número de compuestos orgánicos empleados en nuestra vida diaria, que se han extendido al ambiente. La producción global de químicos se incrementó de cerca de 1 millón de toneladas en 1930 a 400 millones de toneladas en 2001. A finales de los 1960s, la Unión Europea decidió producir una lista de todos los químicos (entidades químicas) en el mercado europeo; la lista publicada de compuestos comercializados entre 1971 y 1981, incluyó 100,106 substancias, la mayoría de ellas son de naturaleza orgánica.
Las autoridades europeas reconocieron que la mayoría de estos compuestos nunca habían sido probados en cuanto a sus efectos biológicos, y presionadas por los hechos de: 1) la incidencia de, por ejemplo, el cáncer testicular en hombres jóvenes; 2) la incidencia de alergias se ha incrementado significativamente en las últimas décadas; y 3) se han reportado asociaciones entre los efectos reproductivos y de desarrollo con substancias que provocan alteraciones endocrinas en las poblaciones silvestres, la Unión Europea decidió que era necesaria una nueva legislación concerniente al control de los químicos en el ambiente. Esto llevó, años después, a la legislación de Registro, Evaluación y Autorización de Químicos (REACH, por sus siglas en inglés) y actualmente una agencia especializada está evaluando, en base a dicha legislación, todos los productos químicos en el mercado europeo. Iniciativas similares se están desarrollando en otras partes del mundo.
Con estos hechos en mente, no debe ser difícil comprender que la base de compuestos orgánicos antropogénicos es extremadamente amplia. Sin embargo, el número de compuestos producidos deliberadamente para el mercado es una cosa; otra muy diferente es todos los compuestos que son formados como resultado, por ejemplo, de la degradación durante la combustión en incineradores o como subproductos durante los procesos químicos.
Compuestos sintetizados
La industria sintetiza un gran número de compuestos orgánicos para su uso en todos los sectores de nuestras comunidades. Ejemplos de uso son los pesticidas, medicamentos, cosméticos, productos de limpieza, productos de higiene persona, materiales de empaque, materiales de construcción y aditivos alimentarios. Mientras que los aditivos alimentarios claramente terminan en los alimentos, es importante comprender que la mayoría de los otros compuestos finalmente pueden -y la mayoría de ellos lo hará- encontrar su camino hacia la cadena alimentaria. Como ejemplo están los suavizantes plásticos empleados en los materiales de empaque de alimentos, que se difunden hacia los productos alimenticios.
Compuestos orgánicos de la contaminación
La contaminación tiene muchas caras. Por supuesto, la contaminación química no está formada solamente por compuestos orgánicos; en particular, en cercanía a las actividades mineras así como a otras instalaciones de producción que manejan compuestos inorgánicos en grandes cantidades, también puede ocurrir contaminación inorgánica severa. Otro ejemplo es la distribución entre los caminos transitados de óxidos de plomos procedentes de la combustión de tetraetilo de plomo en la gasolina. Sin embargo, la contaminación por productos orgánicos merece especial atención por varias razones.
La contaminación orgánica puede consistir de: 1) compuestos orgánicos producidos por la comercialización y uso, en sectores industriales diferentes al químico, en la agricultura o por consumidores individuales; y 2) productos intermedios formados, por ejemplo, durante una síntesis química. Los compuestos pueden fugarse continuamente de instalaciones de producción mal diseñadas o del manejo de desechos en una etapa posterior a la producción. Los compuestos que han alcanzado el mercado pueden escapar hacia el ambiente durante el manejo de desechos o debido a pérdidas de equipos más complicados que experimentan descomposturas, como unidades de refrigeración que liberan líquido enfriador. La contaminación orgánica puede, sin embargo, consistir también de ‘nuevos’ compuestos orgánicos formados durante el manejo de desechos (especialmente por combustión en incineradores) o como resultado de una actividad humana, como el calentamiento de los hogares.
Un buen ejemplo es una clase de compuestos que pueden formarse y esparcirse al ambiente en muchas formas es el de las llamadas dioxinas. Estas son compuestos orgánicos muy tóxicos que son mencionadas repetidamente en las noticias. Las dioxinas fueron identificadas como productos indeseables (impurezas) en la síntesis de un herbicida muy efectivo, el ácido 2,4,5-triclorofenoxiacético, usado intensivamente en los 1960s para eliminar hierbas de hoja ancha en los campos de producción de cereales. Gracias a esta actividad, las dioxinas fueron esparcidas a los campos junto con el herbicida. Este mismo herbicida fue utilizado por la armada estadounidense en las selvas de Vietnam durante la guerra del mismo nombre, para defoliar los árboles a fin de identificar a los soldados enemigos; esta actividad llevó a una muy fuerte contaminación con dioxinas en ciertas provincias de Vietnam. Adicionalmente, las dioxinas fueron esparcidas en Italia alrededor de una planta de producción de pesticidas en Seveso (1976) cuando parte de la planta explotó. Tiempo después los investigadores demostraron que las dioxinas también se formaban como resultado de la incineración de materiales de desecho, tales como las mezclas que contienen un amplio rango de diferentes compuestos orgánicos junto con el plástico (material polimérico) policloruro de vinilo (PVC, por sus siglas en inglés). Esta observación llevó a iniciativas legislativas en muchos países para reducir la formación de dioxinas en incineradores, mediante el control de la temperatura de combustión.
Actualmente las dioxinas se encuentran en todo el planeta, aún en lugares muy lejanos a la contaminación inicial. Esto se debe al hecho de que estos compuestos son muy persistentes tanto a la degradación biológica como a la no biológica, y pueden esparcirse por el viento a lugares sumamente distantes. Con estas características, las dioxinas se agregan así mismas al grupo creciente de productos de la contaminación (POP, por sus siglas en inglés) que se pueden encontrar en todos lados. Esto es lo que hace que los contaminantes orgánicos sean tan interesantes e importantes para la salud pública en el contexto de inocuidad química alimentaria.
Compuestos organometálicos
Algunos compuestos organometálicos (y organometaloides) ya han sido mencionados. Estos son el metilmercurio, varios compuestos orgánicos que contienen selenio como el dimetilseleniuro y los selenoaminoácidos, y el tetraetilo de plomo. En general, lo que hace que estos compuestos sean de interés es que con frecuencia poseen diferentes características en cuanto a absorción y distribución, y por lo tanto también en cuanto a sus perfiles tóxicos, con respecto a los efectos vistos por los metales y metaloides elementales o sus sales inorgánicas.
Por ejemplo, el tetraetilo de plomo es un compuesto sintético hecho por el hombre que puede ser absorbido a través de la piel, una característica de mucho interés para la higiene laboral. Sin embargo, también se vuelve un contaminante cuando los óxidos de plomo son ingeridos con los alimentos humanos y animales. En contraste, el metilmercurio es biosintetizado por microorganismos, un factor no bien conocido por la humanidad cuando comenzamos a sintetizarlo en nuestros laboratorios para su uso como fungicida; esto uso llevó, entre otros, a la intoxicación fatal de muchas personas en Iraq en los 1970s por la ingestión de granos destinados para la siembra pero que terminaron en la producción de pan. Los granos habían sido tratados superficialmente con metilmercurio para prevenir el ataque de hongos después de la siembra y antes del brote. Gradualmente dejamos de producir este y otros fungicidas basados en mercurio, mientras que otras investigaciones en el mismo período revelaron que la naturaleza producía metilmercurio y que este se acumula, por ejemplo, en los peces a un nivel trófico alto. Este último hecho es la razón por la que muchas autoridades alimentarias nacionales no recomiendan a las mujeres embarazadas el consumir cantidades elevadas de estos productos. Otro compuesto con una historia similar, el metaloide tóxico arsénico, también es de interés.
En conclusión, esta breve introducción revela que la presencia de substancias químicas indeseables en los alimentos es un asunto serio. Ahondando un poco en el mercurio, bajo condiciones normales el mercurio experimenta una absorción substancial como metal elemental. El vapor de mercurio es rápidamente absorbido hacia el torrente sanguíneo desde los alvéolos de los pulmones, mientras que la absorción del metal fluido, cuando es ingerido, está muy restringida. El mercurio metálico absorbido desde los pulmones puede pasar la barrera hematoencefálica y afectar el sistema nervioso central, de forma similar al mercurio organometálico (como el metilmercurio). En contraste, los compuestos inorgánicos con mercurio afectan principalmente los riñones. En general, los metales son absorbidos desde los intestinos como iones, si las sales ingeridas con hidrosolubles. Sea cual fuere la forma de ingreso al organismo, los resultados son devastadores. Debemos hacer nuestro mejor esfuerzo para que los alimentos no sean un vehículo para ello.
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