Hojas de café y aguacates a través de ondas: evaluación de tejidos vegetales tropicales mediante técnicas acústicas y opto-acústicas

José Luis Castaño Bernal, investigador y estudiante del Doctorado en Mecánica Aplicada. Crédito: Oficina de Comunicaciones, Facultad de Ingeniería.

En la actualidad, cuando fenómenos naturales como “La Niña” generan cambios climáticos en muchas regiones dedicadas al cultivo de productos agrícolas, se requieren variables fitosanitarias para procurar el cuidado y seguimiento de cultivos y de alimentos cosechados. Entre estas variables están el contenido de humedad en las hojas de las plantas y la firmeza de los frutos. Sin embargo, las técnicas utilizadas tradicionalmente someten dichos organismos vegetales a prácticas invasivas o destructivas. Una investigación busca desarrollar, mediante ondas ultrasónicas, técnicas no invasivas útiles para medir estos parámetros.  

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Una apuesta futurista para el campo: el ultrasonido en el ámbito de los cultivos y su conservación postcosecha 

Los cambios en el clima y los ciclos estacionales son cada vez más difíciles de predecir alrededor del mundo a causa de los efectos generados por el calentamiento global. Este escenario impacta, entre otros sectores, a comunidades que dependen de la regularidad del clima para garantizar el éxito de la producción de alimentos.  

Para enfrentar los desafíos en materia de análisis y conservación de productos que conllevan estas condiciones climáticas, el ingeniero físico e investigador José Luis Castaño Bernal, en el marco de sus estudios en el Doctorado en Mecánica Aplicada de la Escuela de Ingeniería Civil y Geomática de la Universidad del Valle, planteó el estudio de técnicas derivadas del ultrasonido, como las opto-acústicas, con el objetivo de brindar nuevas formas de evaluar el estado de frutos, especialmente de sus tejidos vegetales.  

La investigación, dirigida por el investigador y profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica, Joao Luis Ealo Cuello, y que cuenta con la financiación del Sistema Nacional de Regalías a través de la Beca de Excelencia Doctoral del Bicentenario ofrecida por el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación, realizó el examen a los procesos fisiológicos en hojas de café y aguacates mediante dos métodos, la espectroscopía ultrasónica acoplada en aire y ondas elásticas inducidas por láser, lo que aspira a convertirse en el punto de partida para un área de investigación radicalmente innovadora que podría tener usos e incidencia en áreas como la ingeniería de alimentos y la fisiología vegetal. 

Este trabajo se desarrolla como una continuación del trabajo doctoral previo realizado por David Alejandro Collazos-Burbano. Además, su avance inicial fue posible gracias a la colaboración con Tomás Gómez, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) de España, quien nos introdujo a la técnica de espectroscopía ultrasónica sin contacto y es considerado un referente mundial en este campo.

La investigación: espectroscopía ultrasónica acoplada en aire y ondas elásticas inducidas por láser 

El trabajo realizado por el investigador José Luis Castaño Bernal partió de encontrar frutos propios de la zona de Caldas, departamento del que es oriundo, y luego de considerar diferentes opciones se decantó por la maduración de   aguacates y sucesos de deshidratación y rehidratación de hojas de café. 

Su objetivo era poner a prueba dos técnicas basadas en principios acústicos (espectroscopia ultrasónica acoplada en aire y ondas elásticas inducidas por láser), para observar los fenómenos fisiológicos in-vivo en tejidos vegetales y obtener información acerca de sus propiedades mecánicas sin comprometer la integridad de los tejidos.  

“La idea es que podamos tener un sistema de medición no solamente para que se haga investigación, sino también para que un productor pueda determinar la resistencia a sequia de plantas de café (extensible a otras plantas), una cuantificación de cuándo podría ser el riego, y también determinar cuántos días le faltan a un fruto para madurar, sin necesidad de destruirlo, abrirlo o tocarlo”, explica el investigador Castaño Bernal.  

Además, explica cuáles son las características de ambas técnicas: 

La primera, llamada espectroscopía ultrasónica acoplada en aire, fue aplicada a las hojas de café, y consta de dos transductores ubicados uno frente a otro, que emiten y detectan frecuencias ultrasónicas. Entre ellos se ubica la muestra de la hoja de café, para que la onda generada se transmita a través de las distintas estructuras de la hoja donde se recolecta información sobre la propagación de la onda. El resultado permite determinar los cambios y las estructuras en el interior de la hoja en caso de que, por ejemplo, haya sido sometida a un proceso de deshidratación. “Hay una serie de fenómenos asociados a las estructuras, la morfología y los cambios que están ocurriendo dentro de la hoja que podemos detectar por medio de la onda trasmitida”, añade el investigador. 

La segunda técnica utiliza un fenómeno llamado ultrasonido inducido por láser que, mediante el intercambio de energía térmica generada por un láser pulsado, genera ondas elásticas en un material. Esta onda se detecta por medio de otro láser, de tal manera que es posible realizar un seguimiento a dicha onda con el propósito de determinar su evolución y propagación a través del medio.  

Una vez dispuestas ambas metodologías para la evaluación de los tejidos vegetales, se prosiguió a analizar, en el caso de hojas de café durante ciclos de hidratación y rehidratación, el grado de afectación de la pérdida de agua relacionada con su elasticidad y turgencia. Para el caso de los aguacates, se introdujeron ondas elásticas para analizar curvas de dispersión y atenuación, y se aplicó un modelo de propagación de ondas en geometrías cilíndricas para determinar las velocidades longitudinales y transversales durante el proceso de maduración; esto último con el fin de identificar el grado de madurez en el que se encontraba el fruto. 

Resultados promisorios en un área de investigación poco explorada 

Al trabajar con elementos biológicos la investigación se enfrentó a un sinnúmero de desafíos, dada la sensibilidad de los tejidos vegetales a los cambios en el medio en el que eran tratados. Frente a esto, el investigador José Luis Castaño Bernal identificó varios parámetros que permitieron identificar condiciones idóneas para llevar a cabo su análisis de manera exitosa. Una vez realizado este proceso, los resultados obtenidos le permitieron al investigador evidenciar diferencias significativas en la respuesta mecánica de los aguacates a lo largo del periodo de maduración: que las velocidades longitudinales y transversales disminuyeron a medida que el fruto maduraba y perdía masa. En cuanto a las hojas de café se evidenciaron cambios en las condiciones elásticas de los tejidos foliares, en donde la constante de difusividad (la velocidad a la que una sustancia se transporta por un medio) fue un parámetro diferenciador entre la deshidratación y la rehidratación. A su parecer, el hecho de haber obtenido estos resultados por medio de una técnica sin contacto representa un gran avance:  

“Las técnicas que usualmente evalúan parámetros fisiológicos en plantas son destructivas. Tienes que cortar la hoja, someterla a la cámara de presión y luego extraerle agua. La hoja queda destruida. En el caso de frutas, debes penetrar con una sonda en diferentes sectores del fruto y en diferentes estados de maduración para obtener una respuesta mecánica y el fruto queda magullado y destrozado.  Además, tienes que hacer múltiples repeticiones para llegar a resultados verificables. Sabemos que con las técnicas que estamos implementando logramos desarrollar técnicas sin contacto que pueden medir hojas de plantas y aguacates sin destruirlos, e incluso, podríamos medir organismos vegetales directamente en la planta. Eso implica una dificultad mayor, porque ya no estás estudiando una hoja, sino una red suelo-planta-atmósfera que interactúa en un sistema más complejo, pero, a la vez, más interesante.” 

Carácter innovador de la apuesta doctoral 

Para el investigador José Luis Castaño Bernal considera que, luego de realizar las pruebas con la espectroscopía ultrasónica acoplada en aire y las ondas elásticas inducidas por láser, ambas técnicas tienen alto potencial de ser miniaturizadas, lo que las haría susceptibles a ser industrializadas y comercializadas. Según él, conforme se avance en el desarrollo de estas técnicas, podría pensarse en un futuro en que productores cuenten con dispositivos que permitan la medición de indicadores de frutos y hojas, evitando prácticas invasivas utilizadas actualmente.  

Por otro lado, el poco uso que se le está dando a los ultrasonidos abre las puertas a que esta investigación se convierta en un referente tanto a nivel regional como nacional, como para quienes deseen utilizar la acústica en campos poco explorados como la fisiología vegetal. “Como toda investigación, yo creo que estamos en una etapa exploratoria con resultados promisorios […] Frente al avance de nuevos desarrollos, implementaciones y más investigación, las técnicas adquirirán la madurez suficiente para usarlas en diferentes y amplias áreas”, sugiere el investigador acerca del estado actual de su proyecto. 

Si le interesa contactar al investigador o conocer más sobre la investigación, escriba a la Oficina de Comunicaciones de la Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co.