Estudio de la composición mineral de forrajeras nativas de la provincia de Corrientes. Propuesta de modelos quimiométricos para evaluar propiedades químicas y eventual origen geográfico

Abstract

Las Indicaciones Geográficas y Denominaciones de Origen constituyen herramientas que permiten diferenciar y hacer distinguible la calidad de un producto relacionada con su origen geográfico. Asimismo, otorgan protección legal al nombre, al producto, al grupo interesado, y tienden a promover el desarrollo rural. La búsqueda de sistemas que permitan autenticar el origen de un alimento de manera objetiva, mediante el estudio de su composición química ha sido el objeto de esta tesis. En este contexto, las variaciones en la abundancia isotópica natural y variaciones en las concentraciones de elementos minerales demuestran un excelente desempeño como "trazadores" de origen geográfico de los alimentos. En los últimos cinco años el número de artículos científicos relacionados con la determinación del origen geográfico de alimentos ha sufrido un continuo aumento. Sin embargo, la producción científica relacionada con sistemas de trazabilidad químico de alimentos producidos en la región Nordeste Argentina resulta aún escasa. El objetivo general de esta tesis ha sido estudiar la presencia de posibles marcadores químicos de identidad en las partes aéreas de plantas utilizadas como forraje de la Provincia de Corrientes. Con este objetivo se analizaron las concentraciones de 18 elementos a nivel de vestigios por Espectrometría de Masas con Plasma Acoplado Inductivamente (ICP-MS), que es una técnica de análisis inorgánico elemental e isotópico capaz de determinar y cuantificar la mayoría de los elementos de la tabla periódica en un amplio rango dinámico. Las especies vegetales estudiadas fueron: Desmodium incanum, Schizachyrium microstachyum y Andropogon lateralis, seleccionadas de acuerdo a su disponibilidad y frecuencia de uso para la producción pecuaria de la zona de estudio. Se determinaron las influencias de factores tales como, la serie de suelo donde fueron recolectadas las diferentes muestras y la relación con el sitio geográfico de muestreo. Todos los resultados fueron analizados mediante algoritmos estadísticos y de aprendizaje automático que permitieron modelar las variaciones presentes en los mismos y proponer modelos predictivos de origen geográfico para muestras problema futuras desconocidas. En primera instancia se realizó un análisis exploratorio de datos mediante análisis de componentes principales (PCA) y un análisis de conglomerados (HCA), obteniéndose resultados que indicaron la posibilidad de proponer modelos para agrupar las muestras de acuerdo a su origen geográfico. Al utilizar como criterio de clasificación a la serie de suelo, se obtuvieron valores de exactitud superiores al 90% para las tres especies utilizando técnicas de clasificación multivariante relativamente sencillas de naturaleza paramétrica. Por otro lado, al considerar el sitio geográfico de obtención de las muestras, se hizo necesario utilizar técnicas de elevada complejidad, tales como máquinas de vectores soporte (SVM) o el algoritmo de árboles aleatorios (RF), para lograr resultados satisfactorios. Los principales aportes de esta tesis se traducen en una profundización del conocimiento de la composición química mineral de plantas forrajeras nativas de la Provincia de Corrientes, abarcando no solo la concentración de elementos de interés nutricional, sino también elementos a nivel de vestigios sin función fisiológica demostrada o conocida; así también se logró la propuesta de modelos quimiométricos que permiten establecer con seguridad la procedencia geográfica de forrajes utilizados en la producción pecuaria.

The protected designation of origin (PDO) and protected geographical indication (PGI) are tools that allow to differentiate and distinguish the quality’s product related to its geographical origin. Also, they provide legal protection to the name and the product, and tend to promote rural development. Searching these systems that enable to authenticate a product’s origin through the study of the mineral chemistry is the aim of this thesis. In this context, variations in the natural abundance and variations in mineral concentrations demonstrate an excellent performance as tracers of geographical origin of foods. In the last five years the number or publications related to geographical origin of food has been increased. Although, the scientific production related to chemical traceability systems produced in the northeast of Argentina is scarce. The general objective of this thesis has been to study the presence of possible tracers in aerial parts of plants that are used as forage in Corrientes Province. The concentrations of 18 elements were determined by ICP-MS that is capable to determine and quantify the majority of elements in the periodic table in a wide dynamic range. The botanic species studied were: Desmodiun incanum, Schizachyrium microstachyum and Andropogon lateralis, that were selected according to its availability and frequent usage in the livestock production in the study zone. Environmental factors, such as, soil series where have been collected and the relationship with geographical origin were studied. Every result was analyzed by statistical and machine learning algorithms that allowed us to model the mineral data and propose predictive models of geographical origin for unknown samples in the future. In the first place, an exploratory data analysis was performed, and the results showed that a predictive analysis would be able to perform in order to cluster samples according to its geographical origin. When soil series were used as classificatory criteria, 90% of accuracy values were obtained using models relatively easy to implement. Considering the geographical origin another more complex techniques were necessary to implement, such as, support vector machines and random forest. The main contribution of this work is the mineral composition data of native forages from Corrientes, Argentina; and not only the nutritional mineral concentrations but also the trace element concentrations with unknown physiological function. Also, it is a valuable contribution the chemometric data modeling that allows establishing the geographical origin of forages used for livestock.