https://doi.org/10.29312/remexca.v15i8.3851

elocation-id: e3851

Buendía-García, Ramírez-Gottfried, Paredes-Jácome, Guillén-Enríquez, Márquez-Guerrero, and Preciado-Rangel: La biofortificación con nanopartículas de cobre mejora el rendimiento y compuestos bioactivos en frutos de melón

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Journal Identifier: remexca [journal-id-type=publisher-id]

Journal Title Group

Journal Title (Full): Revista mexicana de ciencias agrícolas

Abbreviated Journal Title: Rev. Mex. Cienc. Agríc [abbrev-type=publisher]

ISSN: 2007-0934 [pub-type=ppub]

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Publisher’s Name: Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias

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Article Identifier: 10.29312/remexca.v15i8.3851 [pub-id-type=doi]

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Article Title: La biofortificación con nanopartículas de cobre mejora el rendimiento y compuestos bioactivos en frutos de melón

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Season: Nov-Dec

Year: 2024

Volume Number: 15

Issue Number: 8

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Este es un artículo publicado en acceso abierto bajo una licencia Creative Commons

Abstract

Title: Resumen

El uso de la nanotecnología permite mayor sustentabilidad en los sistemas agrícolas al reducir el impacto ambiental por el uso de los agroquímicos. Entre los principales nanoproductos, las nanopartículas metálicas (NPs) se han utilizado para mejorar el rendimiento y modular los compuestos bioactivos en los cultivos. El presente estudio fue realizado durante el ciclo primavera verano de 2022, teniendo como objetivo evaluar la aspersión foliar de cinco dosis crecientes de nanopartículas de cobre (NPs CuO): 150, 200, 250, 300 y 350 mg L-1 y un tratamiento testigo en el cultivo de melón. Durante la cosecha de determinó el rendimiento, calidad nutracéutica, actividad enzimática y su bioacumulación en frutos de melón. La aplicación foliar de NPs CuO indujo un aumento en el rendimiento y en la biosíntesis de compuestos bioactivos, así como su bioacumulación en la pulpa; sin embargo, dosis altas causan el efecto contrario debido a su acumulación. Las respuestas del cultivo de melón a las NPs CuO dependen de la dosis utilizada ya que pueden inducir efectos benéficos o negativos por lo que es necesario seguir realizando investigaciones al respecto.

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Title: Palabras clave:

Keyword: Cucumis melo L.

Keyword: antioxidantes

Keyword: nano-biofortificación

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Resumen

El uso de la nanotecnología permite mayor sustentabilidad en los sistemas agrícolas al reducir el impacto ambiental por el uso de los agroquímicos. Entre los principales nanoproductos, las nanopartículas metálicas (NPs) se han utilizado para mejorar el rendimiento y modular los compuestos bioactivos en los cultivos. El presente estudio fue realizado durante el ciclo primavera verano de 2022, teniendo como objetivo evaluar la aspersión foliar de cinco dosis crecientes de nanopartículas de cobre (NPs CuO): 150, 200, 250, 300 y 350 mg L-1 y un tratamiento testigo en el cultivo de melón. Durante la cosecha de determinó el rendimiento, calidad nutracéutica, actividad enzimática y su bioacumulación en frutos de melón. La aplicación foliar de NPs CuO indujo un aumento en el rendimiento y en la biosíntesis de compuestos bioactivos, así como su bioacumulación en la pulpa; sin embargo, dosis altas causan el efecto contrario debido a su acumulación. Las respuestas del cultivo de melón a las NPs CuO dependen de la dosis utilizada ya que pueden inducir efectos benéficos o negativos por lo que es necesario seguir realizando investigaciones al respecto.

Palabras clave:

Cucumis melo L., antioxidantes, nano-biofortificación.

Introducción

El melón (Cucumis melo L.) es una fruta con alto contenido de propiedades nutritivas que pertenece a la familia de las cucurbitáceas, se caracteriza por contener una gran cantidad de proteínas, lípidos, vitamina C, beta carotenos, antioxidantes y polifenoles bioactivos (Mosquera-Vivas et al., 2019; Rivera-Gutiérrez et al., 2021), además contiene otros fitoquímicos los cuales también son importantes para la prevención de enfermedades (Manchali et al., 2021; Guo et al., 2023).

A nivel mundial se producen aproximadamente 27 millones de toneladas (Kubo et al., 2021; Davidson et al., 2023). En México, la superficie cultivada con melón alcanzó las 19 104 ha anuales, con una producción de 591 574 t (SIAP, 2021). Por otro lado, debido al tipo de alimentación de la población actual es común la deficiencia de oligoelementos como el hierro, cobre, yodo, selenio y zinc, lo que representan un problema de salud mundial (Gío-Trujillo et al., 2022).

El Cu, es un microelemento esencial, no obstante, la deficiencia o el exceso de Cu puede afectar la salud humana (Raha et al., 2020). La deficiencia de Cu conduce a trastornos graves como anemia y neutropenia (Wahab et al., 2020), mientras que en exceso produce trastornos hepáticos y enfermedades como el Alzheimer, así como colapso nervioso (Taylor et al., 2020).

En las plantas, el Cu se encuentra involucrado en reacciones de óxido-reducción, en procesos celulares y moleculares, como la síntesis de clorofila, la fotosíntesis, la respiración, metabolismo de proteínas y carbohidratos (Gaytan-Aleman et al., 2021). Sin embargo, en muchas áreas prevalecen suelos arenosos con bajo contenido de materia orgánica y altos valores de pH, en estos suele acentuarse la deficiencia de Cu (Shabbir et al., 2020). Por lo tanto, es importante adoptar prácticas adecuadas en el manejo de los cultivos para prevenir su deficiencia, tanto en la planta como en el ser humano.

Una alternativa para aumentar el contenido de Cu en la parte comestible de los cultivos y mejorar la nutrición humana es la biofortificación de cultivos; ya que se mejora el contenido nutricional en las partes comestibles de plantas y de esta manera es posible satisfacer los requerimientos de este oligoelemento debido a que no toda la población puede adquirir suplementos minerales comerciales (Dhaliwal et al., 2022). La nanotecnología es una innovación tecnológica que incrementa la sustentabilidad en los sistemas agrícolas al reducir el impacto ambiental por el uso de los agroquímicos (Gutiérrez-Ruelas et al., 2021).

Entre los principales nanoproductos, las nanopartículas metálicas (NPs) se han utilizado para mejorar el rendimiento y modular los compuestos bioactivos en los cultivos (Kalisz et al., 2021). Entre las NPs metálicas, las NPs CuO destacan considerablemente debido a sus propiedades ópticas, catalíticas, mecánicas y eléctricas (Amer y Awwad, 2021). Se ha demostrado que cuando se aplica Cu en Arabidopsis thaliana, Capsicum annuum, Solanum lycopersicum L, este tienen una función estimulante, incrementando la acumulación de compuestos bioactivos, firmeza y calidad de los frutos (López-Vargas et al., 2018).

El objetivo de este trabajo es evaluar el efecto de la aspersión foliar de NPs CuO en el cultivo de melón y determinar sus efectos sobre el rendimiento, calidad comercial y nutraceútica, así como su bioacumulación en frutos.

Materiales y métodos

Ubicación

Este trabajo de investigación se fue realizado en el ciclo primavera-verano del año 2022, bajo condiciones de campo en el ejido Concordia, municipio de San Pedro de las Colonias, Coahuila, México, el cual se encuentra ubicado a 25° 48’ 31’’ latitud norte y 103° 5’ 56.4’’ longitud oeste. Esta zona tiene un clima semicálido con temperaturas medias anuales de 20 a 22 °C y una precipitación media anual de 125 a 400 mm.

Material vegetal y labores culturales

Como material vegetal se utilizó el híbrido de melón cv Crusier (Harris Moran®). La siembra directa se realizó el 20 de marzo de 2022. Se construyeron bordos a doble hilera formando camas a una distancia de 4 m entre bordos y una separación entre plantas de 30 cm para una densidad de 16 665 plantas ha-1. La fertilización fue de acuerdo con las recomendaciones del INIFAP, consistente en:120-60-00 (N-P2O5-K2O), aplicando todo el fósforo y la mitad del nitrógeno al momento de la siembra y el resto del nitrógeno al momento de la floración.

Los fertilizantes utilizados fueron NH4H2PO4 y NH4SO4. El riego fue proporcionado por gravedad. En presiembra se aplicó un riego con una lámina de 30 cm; posteriormente, se aplicaron seis riegos de auxilio con láminas de 15 cm cada uno, en total se aplicó una lámina de 120 cm durante el ciclo de cultivo.

Tratamientos y diseño experimental

Las nanopartículas utilizadas fueron donadas por el Centro de Investigación de Química Aplicada de la ciudad de Saltillo, Coahuila. Las NPs CuO fueron obtenidas por síntesis verde y su caracterización es reportada por Ortega-Ortiz et al. (2022). El método para elaborar los tratamientos consistió en utilizar una solución madre de NPs CuO. Mediante ella se prepararon cinco dosis diferentes en un matraz con capacidad de un litro, en cada uno de los matraces se vertieron las concentraciones aplicadas, las cuales consistieron en dosis cinco dosis crecientes de NPs CuO:150, 200, 250, 300 y 350 mg L-1.

En el tratamiento control se utilizó únicamente agua destilada. Se utilizó un diseño de bloques al azar con seis tratamientos y seis repeticiones para un total de 36 unidades experimentales. Cada unidad experimental consistió en cuatro m de largo por 10 m de ancho para un total de 40 m2. La aplicación de tratamientos se llevó a cabo de manera directa en la planta mediante una aspersora manual de 20 L. Se disolvió cada concentración de NPs CuO en 10 L de agua destilada. Se realizaron tres aplicaciones, la primera a los 20 días después de la siembra y las siguientes dos aplicaciones se realizaron cada 20 días.

Variables evaluadas

Peso de fruto y rendimiento

Los frutos de todos los tratamientos fueron cosechados a madurez comercial (malla bien formada y cuando el pedúnculo se desprendía fácilmente). Se pesaron todos los frutos cosechados en una báscula digital (Torrey®, México) con capacidad de 5 kg. El rendimiento se estimó por hectárea considerando el peso total de los frutos en cada unidad experimental. El diámetro polar y ecuatorial se midió utilizando un vernier digital (Truper®, México) reportando el resultado en cm.

Solidos solubles y firmeza

La determinación de los SST y la firmeza fue realizada en un midió en un fruto por repetición, los sólidos solubles (°Brix), fueron medidos con un refractómetro manual con un rango de medición de 0 a 32% (Atago® Master 2311). La firmeza se midió mediante un penetrómetro modelo FH20000 (Extech®, USA) con cabezal de medición de 8 mm, el procedimiento consistió en retirar la cascara del fruto, posteriormente se colocó sobre una superficie rígida y plana, se realizaron cuatro penetraciones por fruto, se promediaron y los resultados se expresan en fuerza máxima de compresión en unidades Newton.

Preparación de extractos para antioxidantes no enzimáticos

De cada tratamiento y repetición se seleccionó al azar un melón para la cuantificación de los antioxidantes no enzimáticos, posteriormente de cada fruto se tomaron dos gramos de pulpa fresca mezclada en 10 ml de etanol al 80% en un tubo de plástico con tapa rosca, el cual se colocó en un agitador rotatorio (ATR Inc., USA) durante 6 h a 5 °C y 20 rpm. Posteriormente, los tubos se centrifugaron a 3 000 rpm durante 5 min y se eliminó el sobrenadante para realizar las pruebas analíticas.

Contenido de fenólicos totales

El contenido fenólico total se midió mediante una modificación del método Folin- Ciocalteau (Esparza et al., 2006). Se mezclaron 30 μl de muestra con 270 μl de agua destilada en un tubo de ensayo y se agregó 1.5 ml de reactivo Folin-Ciocalteau (Sigma- Aldrich) diluido (1:15), agitando en vórtex durante 10 s. Después de 5 min se añadieron 1.2 ml de carbonato de sodio (7.5% p/v) agitándose durante 10 s.

La solución fue colocada en baño maría a 45 °C por 15 min y luego se dejó enfriar a temperatura ambiente. La absorbancia de la solución fue leída a 765 nm en un espectro fotómetro HACH 4000. El contenido fenólico se calculó mediante una curva patrón usando ácido gálico (Sigma) como estándar y los resultados se reportaron en mg de ácido gálico (AG) equivalente por g de muestra base fresca (mg equiv AG g-1 BF).

Capacidad antioxidante

La capacidad antioxidante se evaluó de acuerdo al método in vitro DPPH+, empleando una modificación del método publicado por Brand-Williams (1995). Para la determinación de la capacidad antioxidante se mezclaron 50 μl de muestra y 950 μl de solución DPPH+, y después de 3 min de reacción se leyó la absorbancia de la mezcla a 515 nm. Se preparó una curva estándar con Trolox (Aldrich) y los resultados se reportaron como capacidad antioxidante equivalente en μM equivalente en Trolox por g base fresca (μM equiv Trolox g-1 BF).

Contenido de vitamina C

El contenido de vitamina C se determinó de acuerdo a lo reportado por Hernández-Hernández et al. (2019). Se tomaron 10 g de fruta fresca y se molieron con 10 ml de ácido clorhídrico al 2%. Posteriormente se usó un embudo y papel filtro. Se filtró la muestra y el extracto obtenido se completó hasta 100 ml con agua desionizada. A continuación, se utilizó 2,6 diclorofenolindofenol (1 × 10-3 N) para realizar una titulación con 10 ml del diluido. Para determinar la titulación, el color rojizo debe persistir durante unos segundos. Una vez obtenido el color rojizo, se dejó de añadir colorante y se calculó con el volumen gastado. El resultado se expresa en mg 100 g-1 BF.

Contenido de Cu en pulpa

La concentración de cobre en la pulpa de melón se determinó según la AOAC (1990) por espectrofotometría de absorción atómica, con llama de aire-acetileno (Varian-Spectr AA 3110, Palo Alto, CA, EE. UU.), los resultados se expresaron en μg kg-1 peso seco (PS).

Análisis estadístico

Los datos de las variables fueron analizados mediante análisis de varianza y la comparación de medias mediante la prueba de Tukey (p≤ 0.05) utilizando el paquete estadístico Statistical Analysis System Institute (SAS) versión 9.4.

Resultados y discusión

Rendimiento y calidad comercial

El rendimiento y peso de los frutos de melón fueron afectados por las distintas dosis de NPs CuO asperjadas ya que a medida que aumentó la concentración de NPs aplicadas, existe una disminución en estas variables (Cuadro 1). El peso de los frutos tratados con la mayor dosis de NPs CuO exhibieron una disminución del 11% respecto al control. El peso de los frutos de melón fluctúa desde 0. 5 a 4 kg (Espinoza-Arellano et al., 2023). Los resultados encontrados en el presente estudio se encuentran dentro de este rango.

Cuadro 1

Cuadro 1. Rendimiento, peso de frutos, solidos solubles totales y firmeza de frutos de melón sometidos a diferentes dosis de NPs CuO.

NPs CuO (mg L-1) Rendimiento (t ha-1) Peso de fruto (kg) Solidos solubles totales (°Brix) Firmeza (N)
Control 19.77 ±1.4c 1.81 ±0.3 a* 12.77 ±0.79 ab 17.08 ±1.4 ab
150 23.78 ±1.7 a 1.63 ±0.2 ab 13.49 ±0.54a 17.83 ±2.0ab
200 24.09 ±1.09 a 1.62 ±0.4 b 12.52 ±0.31ab 19.64 ±1.6 a
250 23.15 ±1.4 ab 1.62 ±0.73ab 12.62 ±0.17 ab 16.34 ±1.1 b
300 19.92 ±1.3 abc 1.55 ±0.2 b 12.69 ±0.19 ab 18.41 ± 2.2b
350 17.58 ±1.5 c 1.53 ±0.1 b 10.66 ±0.67 c 12.24 ±1.4 c

* = medias con letras distintas en la misma columna son estadísticamente diferentes (Tukey p≤ 0.05); n= 6 ± desviación estándar.

Por otro lado, los rendimientos obtenidos por las plantas tratadas con 150 y 200 mg L-1, superaron 16 y 18% al obtenido por el tratamiento control. Se ha reportado que las aplicaciones de NPs CuO pueden incrementar el rendimiento de los cultivos (Rajput et al., 2018); sin embargo, dosis altas de este metal provocan una alteración de la cinética de reparación del ADN (Shabbir et al., 2020), efectos negativos en la morfología, fisiología y bioquímica (Da-Costa et al., 2016) y una fitotoxicidad al cultivo (AlQuraidi, et al., 2019).

Desde el punto de vista comercial, se requieren frutos dulces (mínimo 10 °Brix) y con y frutos firmes, ya que de esta manera se mejora la aceptación de los frutos de melón por parte del consumidor. Los resultados obtenidos indican que el uso de dosis bajas de NPs CuO incrementan la firmeza y los SST y dosis altas provocan una disminución en estos parámetros (Cuadro 1).

Similares resultados fueron encontrados por López-Vargas et al. (2018) al reportar que dosis altas de NPs CuO disminuyen los SST y la firmeza de frutos. Da-Costa y Sharma. (2016), explican que la disminución de los SST es debido a la disminución en el contenido de pigmentos fotosintéticos en las hojas, trayendo consigo una menor producción de fotosintatos y como consecuencia menor acumulación de azúcares en los frutos.

Por otro lado, el aumento en la firmeza de los frutos provocado por las NPs CuO podría deberse a la lignificación de la pared celular (López-Vargas et al., 2018), efecto que está relacionado con el aumento de la actividad de la enzima Fenilalanina Amonio Liasa; ya que la fenilalanina es un precursor de la síntesis de lignina (Wang et al., 2013). Sin embargo, dosis altas de NPs CuO disminuyen drásticamente la firmeza de los frutos (Hong et al., 2016).

La diversidad de respuestas a las NPs depende de la dosis utilizada, ya por un lado pueden inducir respuestas positivas, negativas o no presentar ningún efecto, este comportamiento, es llamado hormesis y ha sido reportado cuando las NPs se aplican como bioestimulantes en los cultivos (Juárez-Maldonado et al., 2019), motivo por el cual se deben de seguir realizando mayor investigación sobre la dosis, especie y etapa vegetativa de los cultivos.

Compuestos bioactivos en frutos

La producción de alimentos con un alto contenido de compuestos bioactivos es deseable debido a que estos compuestos pueden ayudar aprevenir enfermedades crónicas degenerativas y promover las funciones fisiológicas del organismo. Los resultados obtenidos muestran que la aspersión foliar con NPs CuO, afectaron el contenido de compuestos bioactivos en la pulpa de melón (Cuadro 2). La aplicación foliar de 150 mg L-1 incrementó los compuestos bioactivos: 28,10 y 43% (flavonoides, fenoles y capacidad antioxidante), con relación a los frutos de las plantas no tratadas. Autores como Juárez-Maldonado et al. (2018) menciona que las NPs Cu tienen un efecto benéfico en la acumulación de compuestos bioactivos e incrementa la capacidad antioxidante en M. oleífera.

Cuadro 2

Cuadro 2. Efecto de la aspersión foliar NPs CuO sobre compuestos bioactivos en frutos de melón.

NPs CuO (mg L-1) Flavonoides (mg QE 100 g-1 BF) Fenoles (mg AG 100 g-1 BF) Capacidad antioxidante (mg equiv Trolox 100 g-1 BF) Vitamina C (mg 100 g-1 BF)
Control 73.32 ±1.7 c* 184.87 ±1.8 c 53.38 ±1 c 40.48 ±4.1 b
150 101.97 ±1.9 a 206.51 ±2.8 a 93.76 ±6 a 54.3 ±1.6 a
200 85.77 ±1.5 b 187.26 ±1.4 bc 71.67 ± 4b 42.82 ±2 b
250 77.82 ±3.7 bc 192.29 ±6 bc 63.65 ±2.9 b 32.98 ±0.57 c
300 77.21 ±1.2bc 188.28 ±8.4 bc 64.38 ±0.51 b 31.2 ±1c
350 71.68 ± 4c 165.84 ±6.1 d 52.07 ±15.1c 20.6 ±1.9d

* = medias con letras distintas en la misma columna son estadísticamente diferentes (Tukey p≤ 0.05); n= 6 ± desviación estándar.

Sin embargo, la mayor dosis causó una drástica disminución de: 29, 19 y 44%, con relación al mejor tratamiento (150 mg L-1). La aplicación de NPs CuO produce especies reactivas de oxígeno, lo que modifican la respuesta de los antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos como respuesta al estrés inducido (Ma et al., 2010; Ahmed et al., 2018). Las especies reactivas de oxígeno desempeñan una función dual, ya que a concentraciones bajas actúan como señalizadores, generando una respuesta moderada de estrés en las plantas, activando así la biosíntesis de compuestos bioactivos, en cambio a concentraciones altas se alta interrumpe la homeostasis celular dañando las estructuras celulares, proteínas, ADN y lípidos (Kumar et al., 2016).

Respecto a la Vitamina C con la aplicación foliar de 150 mg L-1 se encontró un incremento del 25% en comparación al control. López-Vargas et al. (2018), reporta similares resultados con la aplicación de 50-250 mg L-1; no obstante, una dosis mayor (500 mg L-1) reduce su contenido. La vitamina C, es un cofactor utilizado para la reacción redox de muchas enzimas. Por ejemplo, el ácido ascórbico juega un papel vital en las células de las plantas, especialmente en el ciclo ácido ascórbico-glutatión, que se encarga de la donación de electrones.

A través de este ciclo, la ascorbato peroxidasa, una enzima, aprovecha dos moléculas de ácido ascórbico para transformar el H2O2, una sustancia potencialmente perjudicial, en agua y monodehidroascorbato (MDA) (Hernández-Hernández et al., 2019). Por ende, un incremento en la disponibilidad de cobre podría, de manera potencial, aumentar la actividad enzimática de la deshidroascorbato deshidrogenasa. En cuanto a las nanopartículas de óxido de cobre, estas podrían permitir que la entrega de cobre a la planta sea más eficaz y regulada, limitando la toxicidad del cobre cuando se aplica en cantidades excesivas (Juárez-Maldonado et al., 2018).

Contenido de Cu en pulpa

El Cu, es uno de los oligoelementos esenciales para el ser humano, este se absorbe a través de la dieta en el intestino delgado y se integra rápidamente en la circulación, asociándose con largas proteínas, las cuales desempeñan un papel importante en la función y el mantenimiento del sistema inmunitario (Raha et al., 2020). Los resultados obtenidos muestran que el contenido de cobre en la pulpa de los frutos de melón aumentó a medida que aumentaron las dosis aplicadas (Figura 1).

Figura 1

Figure 1. Efecto de la aspersión foliar NPs CuO sobre su acumulación en pulpa de melón. Medias con letras distintas en la misma columna son estadísticamente diferentes (Tukey p≤ 0.05); n= 6 ± desviación estándar.

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Debido a que las NPs de CuO pueden penetrar al interior de la planta y moverse a través del floema y trasportarse a otros órganos (Pérez-de-Luque, 2017). Los requerimientos de Cu en la dieta de la población fluctúa entre 1 a 3 mg día-1 para evitar alguna deficiencia, con una dosis media recomendada de 1 200 µg día-1 (Al-Hakkani, 2020), por lo cual bajo las condiciones de este estudio no existe riesgo al consumir y podría ser una alternativa efectiva para enriquecer con Cu a los frutos de melón (Al-Hakkani, 2020).

Conclusiones

La aspersión de foliar de 150 mg L-1 de NPs CuO mejora el rendimiento e induce una acumulación de compuestos bioactivos y de Cu en la pulpa de los frutos de melón. Dosis altas de NPs CuO disminuyen el rendimiento y la síntesis de compuestos fitoquímicos debido a la acumulación de cobre en los frutos. No se recomienda la aplicación de dosis altas de NPs CuO, ya que se provoca una sobreproducción especies reactivas de oxígeno provocando un estrés celular afectando el rendimiento y la calidad nutraceútica.

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