CARACTERIZACIÓN DE LA MADUREZ FISIOLÓGICA DEL PLÁTANO DOMINICO HARTON POR ESPECTROSCOPIA DE IMPEDANCIA ELECTRICA/CHARACTERIZATION OF PHYSIOLOGICAL MATURITY OF DOMINICAN HARTON BANANA BY ELECTRICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY

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RESUMEN

Antecedentes: La medición de propiedades eléctricas es una herramienta inocua para la caracterización de vegetales alimenticios que ha permitido aplicaciones exitosas en la industria alimentaria al proporcionar información útil sobre los tejidos en cuanto a la incidencia de los cambios fisiológicos, como la maduración, sobre el espectro de conductividad eléctrica. La membrana celular vegetal mantiene el balance de fluidos (electrolitos) y tiene un comportamiento como resistencia óhmica y como elemento capacitivo. Algunos estándares de calidad asocian la permeabilidad de las membranas con la humedad. La espectroscopia de impedancia eléctrica (EIE) ha sido ampliamente utilizada para caracterizar propiedades y estado fisiológico de tejidos biológicos ya que relaciona las propiedades dieléctricas del tejido en función de la frecuencia. Objetivo: determinar el cambio de las propiedades eléctricas durante la maduración de plátano Dominico Hartón (Mussa AAB Simmonds) para edades de cosecha de 12, 14 y 16 semanas desde floración. Métodos: Se midió por triplicado la EIE, aplicando una diferencia de potencial de 1 volt para el espectro de 42 Hz a 5 MHz, cada 2 días hasta maduración poscosecha a cinco rodajas de la segunda y tercera gaja de 15 racimos de plátano. Se evaluó normalidad de los datos y posteriormente las diferencias significativas para los parámetros eléctricos de impedancia, ángulo de fase, resistencia y reactancia capacitiva. Se calcularon los valores medios para las frecuencias características y se comparó el comportamiento de las variables eléctricas mencionadas contra el número de semanas de maduración poscosecha para las tres edades de cosecha. Resultados: Se encontró alta impedancia a baja frecuencia y disminución continua de la misma a medida que se incrementaba la frecuencia y a lo largo del proceso de maduración. Las variables eléctricas presentaron la misma tendencia para las tres edades de cosecha aunque no se encontraron diferencias estadísticamente significativas. Conclusiones: Existe asociación entre las propiedades eléctricas y la madurez fisiológica al momento de cosecha y durante su proceso de maduración poscosecha. El uso de EIE podría proporcionar un nuevo enfoque para la evaluación de la maduración y calidad de los productos agrícolas debido a su simplicidad y efectividad.

Palabras clave: Madurez fisiológica, plátano dominico harton, Espectroscopia de impedancia eléctrica.

ABSTRACT

Background: The electrical properties measurement is a safe tool for vegetal food characterization and has allowed successful food industry applications to provide useful information about incidence of physiological tissue changes, as maturation, in electrical conductivity spectrum. The vegetal cell membrane maintains the fluid balance (the electrolytes) and has a resistive behavior as resistance and as a capacitive element. Some quality standards associated membranes permeability with moisture. Electrical impedance spectroscopy has been widely used to characterize properties and physiological state of biological tissue as relates the dielectric properties of tissue as a function of frequency. Objective: To determine electrical properties changes during maturation of Dominico Harton plantain (Musa AAB Simmonds) for harvesting ages 12, 14 and 16 weeks after flowering. Methods: Electrical impedance spectroscopy was measured by triplicate applying a voltage of 1 Volt for the spectrum of 42 Hz to 5 MHz, every 2 days until postharvest maturation in five slices of second and third segment of 15 banana branch. Normality and significant differences were evaluates to electrical parameters: impedance, angle phase, resistance and capacitive reactance. Mean values for characteristic frequencies were calculated and electrical variables behavior against ripening post-harvest weeks were compared. Results: High impedance is found at low frequency and continuous decrease as frequency increased and along the ripening process. Electrical variables showed the same trend for the three ages of crop although no statistically significant differences were found. CONCLUSIONS: Association between electrical properties and physiological maturity at harvest and postharvest ripening process was found. Electrical impedance spectroscopy could provide a new approach for maturity assessing and agricultural products quality because its simplicity and effectiveness.

Keywords: Physiological maturity; dominican hartón; electrical impedance spectroscopy.

INTRODUCCION

El proceso de maduración del plátano dominico hartón, genera la degradación de la pared celular, perdida de turgencia, aumento de permeabilidad y migración de electrolitos. La caracterización del proceso de maduración se realiza por métodos fisicoquímicos destructivos y la mayoría de los estudios de maduración se centran únicamente en propiedades fisiológicas (1). La espectroscopia de impedancia eléctrica (EIE) permite medir las propiedades eléctricas en función de la frecuencia, por interacción de un campo eléctrico externo con el momento bipolar del material. La EIE ha sido utilizada para caracterizar propiedades de materiales sólidos (2) y estimar el estado fisiológico de diversos tejidos biológicos (3). Las medidas eléctricas han sido una herramienta inocua para la caracterización de vegetales alimenticios, dado que las células vegetales tienen pared celular, que mantiene el balance de fluidos (electrolitos); estos se comportan como resistencias óhmicas y las membranas como elementos capacitivos. Varios estándares de calidad correlacionan la permeabilidad de las membranas con la humedad (4). Un modelo de circuito equivalente distribuido de cinco elementos para los vegetales propuesto por Zhang et al (5) ha sido ampliamente utilizado para la caracterización de estos, ya que proporciona información útil sobre los tejidos fisiológicos (6) basado en la incidencia de los cambios en la maduración sobre el espectro de conductividad eléctrica (7) generada por la degradación de las paredes celulares, la pérdida de agua y la migración de compuestos electrolitos hacia la región extracelular (8, 9). El objetivo de esta investigación fue determinar la variación de los parámetros eléctricos de impedancia (Z), ángulo de fase (??), resistencia (R) y reactancia capacitiva desde la cosecha hasta la senescencia del plátano Dominico Hartón empleando EIE.

MATERIALES Y METODOS

Se utilizaron las gajas dos y tres de 15 racimos de plátano Dominico Hartón del municipio de Belalcázar (Caldas) con edades de cosecha de 12, 14 y 16 semanas desde floración, almacenado en condiciones de la Unidad Tecnológica de Alimentos de la Universidad de Caldas (22 °C, 1 atm) (1). Se midieron por triplicado utilizando EIE los datos crudos de Z, R y Xc en cinco rodajas de 8 mm de espesor y 33 mm de diámetro de la zona central de los frutos y se promediaron. Para las tres edades, las mediciones se realizaron desde el día de cosecha (día 0) y cada 2 días hasta el día de maduración total o muerte tisular (senescencia). Las mediciones de EIE se realizaron con el espectrómetro de impedancia eléctrica Hioki® 3532-50 LCR-HiTester (Hioki E.E. Corporation, Japón) aplicando una diferencia de potencial de 1 voltio a frecuencias entre 42 Hz y 5 MHz por medio de un electrodo bipolar de bronce con calibre de 0,01cm y diámetro de 5,08 cm montado sobre una base de madera graduable. Durante las mediciones se mantuvieron condiciones constantes de temperatura ambiental (23.4 ± 0.4 °C) y humedad relativa (59.5 ± 3.3 %) en el laboratorio. Se graficó Z para 12, 14 y 16 semanas contra el espectro de frecuencias e igualmente para R y Xc. Se aplicó la prueba de Kolmogorov- Smirnov para evaluar normalidad en la distribución de lo datos, posteriormente se evaluaron diferencias significativas para Z, R y Xc entre las 3 diferentes edades de cosecha. Se obtuvieron Z, R y Xc para las respectivas frecuencias características y se graficaron contra el número de semanas de maduración poscosecha para las 3 diferentes edades de cosecha (10).

RESULTADOS

La figura 1 muestra el comportamiento de Z, ??, R y Xc para edades de cosecha de 12, 14 y 16 semanas. Dado que no se encontró distribución normal para Z, R ni Xc para ninguna de las tres edades de cosecha, se aplicó la prueba de Kolmogorov- Smirnov, con la que no se encontraron diferencias significativas al comparar entre las tres edades. La figura 2 muestra la variación de Z, R y Xc durante el proceso de maduración poscosecha para edades de cosecha de 12, 14 y 16 semanas.

DISCUSION

Similar a otros estudios, a baja frecuencia, debido a la alta capacitancia eléctrica de las membranas celulares, la corriente eléctrica puede fluir únicamente a través del fluido extracelular, el cual tiene relativamente alta resistencia (Figura 1a y 1b) (6, 11). Sin embargo, a alta frecuencia, la impedancia disminuye en gran medida debido a que la corriente puede fluir a través del líquido intracelular, el cual tiene una resistencia relativamente baja (Figura 1a y 1b) (11) y que disminuye con la maduración (6).

No se encontraron diferencias significativas en las características eléctricas para las tres edades de cosecha y existe similar comportamiento para Z, ??, R y Xc (Figura 1). Se observan diferencias en el valor de las variables eléctricas comparando gráficamente su comportamiento. Al comparar Z a 12 y 14 semanas contra Z a 16 semanas (Figura 1a), se observa una menor resistencia al flujo de corriente con el aumento de la edad de cosecha, por el incremento de humedad, lo cual disminuye la resistividad (4). El cambio es mayor a bajas frecuencias, porque el incremento es en el líquido extracelular. Los valores para los estados fisiológicos cosecha, pre climaterio, climaterio y maduro, se agrupan alrededor de los valores medios que se reportan (Figura 2). Las curvas de las variables eléctricas presentaron comportamientos similares al momento de cosecha y en el tiempo, harían sugerente que el uso de EIE sería un método prometedor para el seguimiento y determinación del estado de maduración poscosecha del fruto. Los valores iniciales de impedancia y reactancia podrían tener un comportamiento similar al de la humedad se explica en términos de relajación dipolar y la conducción iónica como consecuencia de la expresión y actividad diferencial de genes y proteínas asociados con la degradación de la pared (4), tales como poligalacturonasas (PGs), -xilosidasas, expansinas y pectato liasas, la separación de las células de la lámina media dá lugar a espacios intercelulares, cambios ultraestructurales de las membranas, los iones y líquidos intracelulares migran a los espacios intercelulares y descienden los parámetros eléctricos (12).

Durante la maduración la pared celular no presenta selectividad al transporte de componentes como ocurre con la membrana plasmática y el tonoplasto. La vacuola, contiene una solución de iones inorgánicos, ácidos orgánicos, y azúcares, la naturaleza semipermeable de las membranas permite que pequeñas moléculas de agua puedan atravesarla, por lo cual se presenta disolución e interacción iónica entre componentes de la pared celular. La capacidad de formar este enlace iónico es una característica de los polímeros pécticos. Las moléculas de homogalacturonanos pueden interaccionar entre sí a través de puentes iónicos de Ca+2, La demetilación de pectinas modifica significativamente el grado de hidratación y la solubilidad de las mismas este proceso de demetilación ya que la ionización del grupo carboxilo que se genera (en H+ y carboxilato) modifica el pH y el balance iónico. Además se generan superficies con carga eléctrica que pueden alterar el movimiento de otros componentes cargados de la pared y el apoplasto (12).

CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos por el estudio permiten relacionar las medidas de impedancia con la edad pos-cosecha de los frutos y los cambios estructurales que se dan en éste. Las propiedades de impedancia tienen méritos en las frutas y verduras y generan una alternativa para la evaluación del estado de madurez, pudiendo sustituir la simple evaluación visual y subjetiva, ya que es una medida más precisa y objetiva de los cambios fisicoquímicos que podrian indicar el momento de madurez de consumo. Se requiere más investigación para dar al método de EIS un valor práctico. Los datos obtenidas muestran que la EIS es una técnica importabte para identificar los estados de maduracion. Se sugiere realizar mediciones de EIS de manera no invasiva ni destructiva y directamente sobre el fruto completo y evaluar la asociacion del comportamiento electrico contra el comportamiento de las variables fisicoquímicas.

References

REFERENCIAS

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