Metabolómica en alimentos: cómo entender y optimizar la calidad a nivel molecular

Cuando los métodos tradicionales de control de calidad ya no son suficientes para entender qué ocurre en la fermentación del café, en la identidad de una variedad endémica o en el deterioro de un concentrado líquido a meses de almacenamiento, la metabolómica no dirigida ofrece algo que ningún parámetro fisicoquímico estándar puede dar: una imagen completa del fenotipo molecular del alimento.

Una pregunta que la industria alimentaria lleva décadas intentando responder es: ¿por qué dos lotes del mismo producto, producidos con la misma fórmula, bajo el mismo proceso y con insumos del mismo proveedor, pueden tener perfiles sensoriales distintos? A partir de ella se derivan otras más, como ¿Por qué un concentrado líquido de café que debería durar doce meses empieza a deteriorarse a los cuatro? O ¿Por qué una variedad de cebolla producida en una sola región del norte de Colombia tiene un perfil sensorial tan particular, quizá más dulce y compleja que ningún parámetro de calidad estándar logra capturar con suficiente precisión para protegerla del contrabando?

Si bien, la metabolómica no dirigida no es la respuesta a todas esas preguntas, sí es la herramienta que permite hacerse esas preguntas con el nivel de resolución molecular que requieren… ese fue el eje de la conferencia magistral que la Dra. Mónica Cala Molina, Head of Metabolomics Core Facility en la Universidad de los Andes (Colombia) y gerente de los Core Facilities de la Vicerrectoría de Investigación de esa institución, impartió en el 2nd Symposium of Food Security and Nutrition, organizado por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, y lo que mostró cambia el mapa de posibilidades para la industria alimentaria de América Latina.

La Dra. Cala fundó en 2019 MetCore, el primer centro de metabolómica de Colombia y uno de los pioneros en América Latina. En 2023 recibió el premio de la presidencia de la Sociedad Internacional de Metabolómica, convirtiéndose en la primera latinoamericana en obtener ese reconocimiento, y en 2024 fue incluida en el listado Trail Blazers de científicas latinoamericanas cuyo trabajo está generando impacto regional significativo. Desde ese centro, con tecnología basada en espectrometría de masas de alta resolución (incluyendo el primer Orbitrap QX de Colombia y de América Latina) y con una biblioteca interna de más de 2,000 metabolitos de metabolismo primario y secundario, su equipo ha desarrollado aplicaciones que van desde la biomédica hasta la agrobiodiversidad y el procesamiento industrial de alimentos.

Lo que presentó en Monterrey es, en su esencia, una invitación a que la industria alimentaria latinoamericana empiece a hablar el idioma de sus propios productos: el idioma molecular.

¿Qué es la metabolómica y por qué importa en alimentos?

El metaboloma es el conjunto completo de moléculas pequeñas (metabolitos) presentes en un organismo, célula, tejido o muestra biológica en un momento determinado. Es la capa más cercana al fenotipo observable de cualquier sistema biológico, pues refleja no solo la información genética del organismo, sino todos los factores ambientales que lo afectan, desde el suelo y el clima hasta el proceso de fermentación y las condiciones de almacenamiento. Como explicó la Dra. Cala: "La metabolómica nos da ese entendimiento del fenotipo de los organismos y por ende nos permite estudiar no solo cómo afectan las variables o la susceptibilidad genética a un organismo, sino también todos los factores ambientales".

En la práctica, las aproximaciones metabolómicas se organizan en un espectro de resolución. En un extremo está la metabolómica no dirigida (también denominada global metabolomics o metabolic fingerprinting) que mide todos los metabolitos detectables en una muestra sin un objetivo definido de antemano, genera cobertura máxima de compuestos conocidos y desconocidos, y es la herramienta más apropiada para estudios exploratorios y generación de hipótesis. En el centro del espectro se ubica el perfilado metabólico semidirigido, que cuantifica metabolitos en rutas específicas (lípidos, aminoácidos y compuestos fenólicos). Y en el extremo opuesto está la metabolómica dirigida, que cuantifica de manera absoluta un conjunto predefinido de metabolitos de interés.

La potencia analítica detrás de estos abordajes es relevante: con equipos de espectrometría de masas de alta resolución acoplados a técnicas de separación cromatográfica (GC-QTOF-MS, RP-HPLC-QTOF-MS, HILIC-HPLC-QTOF-MS, CE-QTOF-MS), MetCore puede analizar miles de metabolitos en tiempos de análisis menores a 20 minutos por muestra. La nueva plataforma de análisis dirigido de la institución cuantifica hasta 900 metabolitos y sus relaciones en sangre y material fecal, y hasta 350 metabolitos en orina, cubriendo 21 clases químicas. Esto no es un dato menor para la industria, significa que la ventana de análisis es suficientemente amplia como para capturar lo que los métodos convencionales, enfocados en tres o cuatro parámetros fisicoquímicos, dejan fuera sistemáticamente.

Las aplicaciones de la metabolómica en sistemas alimentarios cubren el arco completo de la cadena, desde la producción hasta el consumo, tal como sistematizó la Dra. Cala en su presentación:

• En producción primaria: denominación de origen, autenticidad, resistencia a patógenos, diferenciación de cultivos transgénicos vs. Convencionales

• En procesamiento industrial: monitoreo de tratamientos térmicos, fermentaciones, secado, empacado, detección de deterioro

• En consumo: estudio de microbiota intestinal, nutrición de precisión, biomarcadores de dieta en muestras de orina

Cebolla ocañera: agrobiodiversidad y denominación de origen

El primer eje de trabajo que presentó la Dra. Cala ilustra el que quizá sea el uso de la metabolómica más relevante para la región latinoamericana, y también el más urgente: la valorización de la agrobiodiversidad endémica como ventaja competitiva documentable y defendible.

Quizá Colombia no tiene producción masiva a escala industrial comparable a Brasil o México, pero sí posee algo que esos países no pueden replicar: una diversidad genética, altitudinal y ecosistémica que genera variedades de alimentos con perfiles sensoriales únicos, en muchos casos no caracterizados y, por tanto, no protegidos. El trabajo de MetCore con Agrosavia (el Instituto Nacional de Investigación Agropecuaria de Colombia) busca cambiar eso.

El caso de la cebolla ocañera (Allium cepa var. aggregatum), endémica del norte de Santander, cerca de la frontera con Venezuela, ilustra con precisión la magnitud del problema. Esta variedad pequeña y rojiza tiene un perfil sensorial particular que destaca por ser más dulce que otras cebollas, lo que la hace apreciada entre quienes la conocen. Al ser visualmente similar a la cebolla peruana, que es más grande y tiene mayor presencia en el mercado, da como resultado un ejemplar que genera confusión, por lo que se ha dado contrabando de cebolla peruana que reemplaza a la ocañera en el mercado local, ocasionando pérdida de ingresos para los productores de la región y una reducción del cultivo que amenaza su supervivencia como variedad. Como explica la Dra. Cala, "esto es un problema económico muy grave que está llevando al abandono de toda una región productora".

Para abordar el problema, se diseñó un estudio de metabolómica no dirigida con muestras de cebollas peruanas, distintas accesiones de cebolla ocañera del banco de germoplasma de la nación, y materiales de referencia. Mediante análisis GC-MS-Q-TOF y LC-MS-Q-TOF, procesamiento con software MSDIAL y SIRIUS, bases de datos CEU Mass Mediator y GNPS, y análisis estadístico multivariante (MVA, UVA) con MetaboAnalyst, el equipo caracterizó cerca de 500 metabolitos en las distintas variedades, obteniendo por primera vez una composición química precisa de cada una de las accesiones de la colección nacional.

Los resultados mostraron diferencias metabólicas claras entre la cebolla ocañera y la peruana, tanto en el perfil de metabolitos no volátiles, como en compuestos de azufre volátiles que precisamente son los que determinan el perfil sensorial característico y la dulzura percibida en la variedad endémica. El equipo identificó marcadores metabólicos con potencial para construir una denominación de origen basada en composición molecular, y ahora el proyecto avanza hacia su segunda fase, donde se realiza el mapeo en campo de los distintos cultivos y la validación de esos marcadores a escala regional.

El mismo esquema metodológico se está aplicando a zanahorias de distintos colores para abarcar las variedades endémicas colombianas, a la colección nacional de ajíes y a variedades de mora, con el objetivo explícito de cerrar el ciclo entre la caracterización del perfil metabólico diferencial y el desarrollo de productos derivados que incrementen el consumo y el valor agregado de esas variedades en distintas aplicaciones, como polvos encapsulados de cebolla morada, gomitas de zanahoria o ingredientes funcionales para bebidas. En este esquema, la metabolómica no es el final del proceso, sino el inicio de la cadena de innovación.

La fermentación del café de especialidad bajo el microscopio metabolómico

El segundo eje de trabajo presentado por la Dra. Cala se mueve al terreno del procesamiento industrial, y tiene como protagonista al café: el producto más conocido internacionalmente de Colombia, el más estudiado, y paradójicamente aún lleno de procesos que la industria maneja por experiencia acumulada sin entender exactamente qué ocurre a nivel molecular.

La fermentación poscolecta es el proceso con mayor capacidad de modular el perfil sensorial del café. Más de 150 especies de bacterias y hongos participan en la fermentación de cafés de proceso húmedo, incluyendo bacterias lácticas (Leuconostoc, Lactococcus, Lactobacillus), bacterias acéticas (Acetobacter, Gluconobacter), enterobacterias y levaduras (Torulaspora, Pichia, Starmerella). Los metabolitos que estos microorganismos producen (carbohidratos simples, ácidos orgánicos, alcoholes de azúcar, volátiles de bajo peso molecular como acetaldehído, etanol, acetato de etilo y acetato de isopentilo) son los responsables de los perfiles sensoriales de limpieza, dulzor, frutalidad y floralidad que definen al café de especialidad con 80 puntos o más en escala SCA. En este sentido, el café de especialidad es un producto de diseño bioquímico, la pregunta es si ese diseño se puede hacer de manera intencional y reproducible, o si seguirá dependiendo del arte y la experiencia del productor en función de las condiciones climáticas y territoriales.

El estudio que MetCore realizó con la empresa Uba Company ubicada en Risaralda, Colombia, a 1,600 metros de altitud, con la variedad Coffea arabica L. var. Castillo, comparó dos procesos de fermentación húmeda a escala industrial: el proceso estándar (SW) y el proceso inoculado (IW), en el que los cultivos iniciadores se combinaron con frutas colombianas como sustrato de azúcares para los microorganismos, con el objetivo de modular el perfil sensorial e incorporar compuestos funcionales de origen vegetal al proceso. El diseño experimental incluyó muestreo metagenómico a las 0, 50 y 100 horas de fermentación, análisis metabolómico del café verde (100 g) y del café tostado (100 g), y evaluación sensorial mediante cata QDA y análisis estadístico con paneles entrenados.

Los resultados sensoriales fueron claros: el proceso inoculado generó una taza más uniforme, mayor limpieza y mayor dulzor que la fermentación estándar, además de perfiles florales y frutales deseados, y estuvo libre de los defectos fenólicos de taza como notas amargas y astringentes que aparecieron en el proceso estándar. El análisis metabolómico identificó 77 metabolitos diferenciales asociados a esos grupos de compuestos, y permitió correlacionar directamente composición metabólica y perfil sensorial: los metabolitos con mayor abundancia en el proceso inoculado se asociaron a notas de dulzor, frutalidad y caramelo, mientras que el incremento de compuestos fenólicos específicos en el proceso estándar explicaba los defectos de taza.

El análisis metagenómico reveló un hallazgo relevante para el diseño de fermentaciones controladas: aunque la composición bacteriana no presentó variaciones significativas entre procesos, sí hubo diferencias marcadas en la composición fúngica. A las 50 horas de fermentación, el cultivo iniciador del proceso inoculado generó un dominio del hongo responsable del perfil sensorial deseado, que es exactamente la condición buscada para asegurar fermentaciones controladas y reproducibles. Este nivel de comprensión del proceso abre la puerta a algo que la industria cafetera de alta gama está persiguiendo activamente: el diseño de perfiles de taza a la medida del consumidor, apoyado en herramientas de machine learning que correlacionen microorganismos, composición metabólica y preferencias sensoriales por mercado.

Estabilidad de concentrados líquidos de café con metabolómica

El tercer caso presentado por la Dra. Cala aborda un problema industrial con consecuencias económicas directas y medibles, que es el deterioro prematuro de concentrados líquidos de café destinados a la exportación hacia mercados como Estados Unidos y Asia.

El punto de partida era una anomalía sin explicación: los concentrados líquidos de café producidos por una empresa colombiana representan una categoría de bajo consumo local, pero de alta demanda en mercados anglosajones y asiáticos, que estaban comenzando a mostrar rechazos en las pruebas de cata a los cuatro meses de almacenamiento. Naturalmente, este espacio de vida útil resulta insuficiente para los tiempos de exportación y comercialización en mercados lejanos; la empresa no sabía qué estaba pasando a nivel molecular y los parámetros fisicoquímicos estándar no explicaban el deterioro.

El grupo de la Dra. Cala diseñó un estudio a escala industrial con las restricciones de replicas biológicas que impone la producción real: "cada réplica biológica se hace con 1,500 kilos de café", recordó, se obtuvieron todos los concentrados líquidos, se almacenaron a temperatura ambiente y a -30°C como referencia de conservación, y se realizaron análisis metabolómicos integrados con perfil sensorial y propiedades fisicoquímicas durante el período de deterioro. El criterio de análisis no fue el tiempo de almacenamiento en sí, sino la diferencia entre los lotes que se deterioraban y eran rechazados por los paneles y los que no.

El análisis metabolómico identificó marcadores de aceptación y, más relevante, marcadores de rechazo con un patrón muy específico: el incremento masivo de ácido úrico y de ácidos clorogénicos, junto a otros ácidos orgánicos cuya acumulación generaba perfiles de taza con acidez elevada y notas no deseadas. El mecanismo subyacente fue un proceso de degradación de ácidos orgánicos que generaba toxinas aldehídicas, ácidos fenólicos y ácidos químicos en cascada, un proceso de hidrólisis inusual en el café, pero explicado a partir del mapeo completo de las rutas metabólicas involucradas.

Con esa información, se realizó una modificación relativamente pequeña en sus procesos de producción y almacenamiento. El resultado fue que los concentrados líquidos de café pasaron de una vida útil efectiva de cuatro meses a once meses, con lo que se abrió el acceso real a los mercados de exportación más distantes. El impacto económico fue sustancial y el proceso completo (desde el análisis a la implementación) ilustra con claridad el modelo de retorno de inversión de la metabolómica aplicada a la industria, donde la tecnología no solo describe lo que está mal, sino que genera la hipótesis y la mecánica que permite hacer correcciones con la mínima intervención necesaria en el proceso.

Membranas de ultrafiltración y diseño de nuevos productos de café

El cuarto caso presentado por la Dra. Cala conecta directamente con la demanda del mercado de cafés Ready-to-Drink y concentrados premium, para resolver el cuestionamiento sobre ¿cómo generar nuevos productos a partir de los extractos de café existentes, modificando su composición sin perder la identidad del perfil de taza?

La tecnología de membranas de ultrafiltración (ampliamente utilizada en la industria de la leche y los jugos, pero prácticamente inexplorada en café) fue el objeto de estudio. El experimento comparó el comportamiento de distintos tipos de extractos de café de la empresa al pasar por membranas de ultrafiltración, analizando tanto el retenido (componentes que no atraviesan la membrana) como el permeado, con análisis metabolómico, análisis de volátiles mediante HS-SPME-GC-QTOF, 52 atributos de perfil sensorial evaluados por paneles entrenados, y propiedades fisicoquímicas incluyendo turbidez y contenido de cafeína.

Los hallazgos mostraron que en la mayoría de los extractos, las membranas lograban reducir notas sensoriales indeseables como a papel, tabaco y notas picantes, e incrementar notas positivas como aquellas que son florales, frutales, a caramelo y vainilla. En algunos tipos de extractos, la ultrafiltración incluso incrementó la puntuación global de calidad de taza, resultado que la Dra. Cala describió como especialmente significativo, dado que una misma membrana tiene efectos diferentes en cada tipo de café precisamente porque las composiciones de partida son distintas. Adicionalmente, se logró concentrar la cafeína de manera importante, que es uno de los atributos más demandados por el consumidor RTD, y mejorar la turbidez del producto.

El resultado de investigación tuvo una consecuencia industrial concreta: la empresa decidió escalar la tecnología de piloto a planta industrial, instalando una línea de ultrafiltración propia, y desarrolló nuevos productos que ya están en el mercado. La metabolómica no fue el único instrumento de esa decisión, pero fue el que proporcionó el mapa molecular para entender qué estaba cambiando en la composición con cada tipo de membrana y con cada tipo de café.

Fermentación en fase sólida de café verde: de lo comercial a la especialidad

Uno de los resultados más sorprendentes que presentó la Dra. Cala se refiere a un experimento que ella misma confesó haber abordado con escepticismo: la fermentación en fase sólida (SSF, Solid-State Fermentation) de café verde de calidad comercial para modular su perfil sensorial hacia un café de especialidad.

El problema de partida es conocido en la industria: hay volúmenes importantes de café verde comercial, incluyendo variedades Robusta de procedencia extranjera que se importan a Colombia por insuficiencia de producción local, con calificaciones SCA inferiores a 80 puntos y perfiles sensoriales que el mercado premium no acepta. La pregunta era si la fermentación en fase sólida con levaduras comunes (Saccharomyces cerevisiae) podía modificar la composición de ese café verde al punto de elevar su puntuación sensorial de manera significativa.

El proceso incluía tratamiento del café verde con vapor para abrir los poros de la membrana, inoculación con levaduras, fermentación en fase sólida, secado y tostado a temperatura media, seguido de análisis metabolómico no dirigido y volátil, análisis fisicoquímico y evaluación sensorial SCA. El resultado superó las expectativas del equipo: las notas frutales del café pasaron de una puntuación de 1.83 a casi 7 puntos en algunos tratamientos, y el café se acercó en varios casos a los umbrales del café de especialidad. El análisis metabolómico integrado con el perfil de volátiles fue clave para identificar los compuestos responsables de ese incremento, en su mayoría ésteres y alcoholes frutales producidos por la actividad de las levaduras sobre los sustratos del café verde, y para comprender la mecánica del proceso a nivel molecular.

Este resultado abre una línea de trabajo de alto impacto para la industria latinoamericana: la posibilidad de transformar cafés de calidad comercial en cafés con atributos de especialidad mediante procesos de fermentación controlada, sin modificar la variedad ni las condiciones de cultivo, y con el conocimiento metabolómico necesario para reproducir el proceso con consistencia.

Cacao fino de aroma: fermentación para controlar el sabor

La última aplicación presentada en la conferencia abordó el cacao, específicamente el cacao fino de aroma colombiano, producido en colaboración con Casa Luker, una de las empresas de cacao más reconocidas del país. El objetivo declarado del proyecto fue realizar una ingeniería inversa del proceso de producción: mapear con metabolómica no dirigida cada etapa del proceso (fermentación, secado y tostado) para identificar los puntos de control críticos que determinan la calidad del producto final.

Uno de los primeros hallazgos del análisis metabolómico fue la identificación de dos fases metabólicamente diferenciadas durante la fermentación, que coincidían con patrones de temperatura medidos por los controles estándar de la empresa, sin que se supiera hasta entonces por qué esos controles de temperatura correlacionaban con mejor calidad. El análisis metabolómico reveló que esas variaciones de temperatura señalaban cambios en la actividad metabólica global del proceso que explicaban directamente la calidad del cacao resultante. Se identificaron también efectos relevantes del secado sobre la composición que, históricamente, habían sido menos estudiados que los del tostado.

El desafío sensorial del cacao es mayor que el del café, pues cerca del 60% de los compuestos detectados en los análisis metabolómicos no podían correlacionarse con un descriptor sensorial específico porque la literatura científica de referencia sobre perfiles de sabor del cacao es más limitada. Para resolver este cuello de botella, el equipo desarrolló Flavor Miner, una herramienta de machine learning que a partir de la estructura química de los compuestos detectados en el análisis metabolómico y de las bibliotecas de sabor disponibles, predice las notas asociadas a esa composición sin requerir un panel sensorial entrenado para cada muestra. La herramienta está disponible y se está expandiendo a otros productos como ajíes y frutas donde el análisis sensorial tradicional representa una barrera de acceso para las operaciones de menor escala.

Las implicaciones para la industria alimentaria en México y LATAM

La relevancia de esta agenda de investigación para México y América Latina no es abstracta. Los tres pilares de trabajo que la Dra. Cala presentó (agrobiodiversidad, procesamiento industrial y consumo) mapean directamente sobre los desafíos más urgentes de la industria alimentaria regional.

En México, la megadiversidad biológica y la riqueza de variedades endémicas de maíz, chiles, cacao, vainilla, aguacate y decenas de otras especies representa un activo de valor incalculable que permanece en gran medida sin caracterizar a nivel molecular y, por tanto, sin herramientas sólidas de protección de denominación de origen ni de valorización en los mercados premium internacionales. La metabolómica no dirigida proporciona exactamente las herramientas para cerrar esa brecha logrando identificar los metabolitos diferenciales que distinguen una variedad endémica de sus sustitutos genéricos, construir la evidencia científica para respaldar las denominaciones de origen y proporcionar la trazabilidad molecular que los mercados de alta gama exigen cada vez con más rigor.

En el procesamiento industrial, los retos de estabilidad, reproducibilidad y diseño de nuevos productos son equivalentes a los que enfrentó la industria cafetera colombiana en los casos presentados: concentrados de fruta, extractos de hierbas, bebidas fermentadas, jaleas y conservas con ingredientes nativos. La metabolómica permite, como demostró el caso del café, identificar los mecanismos de deterioro con una especificidad que los análisis fisicoquímicos convencionales no alcanzan, y generar las hipótesis de modificación de proceso que maximizan el retorno de la inversión en innovación.

La barrera más frecuente que la industria latinoamericana opone a la adopción de estas tecnologías es el costo. La Dra. Cala abordó el asunto con claridad: "la metabolómica no dirigida genera hipótesis y descubre qué pasa, pero siempre trabajamos de manera circular, validando los metabolitos importantes que encontramos y conectándolos con los parámetros que la industria ya puede medir". El modelo no implica hacer metabolómica en cada lote de producción, sino usarla para entender el proceso una vez con el nivel de profundidad necesario, identificar los marcadores críticos, y luego medir esos marcadores con los instrumentos que la industria ya tiene o que puede adquirir a un costo razonable.

El mensaje para llevar

Al cerrar su presentación en el Tecnológico de Monterrey, la Dra. condensó su ponencia en cuatro ideas que funcionan como programa de trabajo para cualquier actor de la industria alimentaria de la región:

1. La metabolómica no dirigida proporciona una información muy amplia de los procesos que, al comienzo, puede sentirse como abrumadora, pero que es indispensable para entenderlos. Los análisis son cortos, toman menos de 20 minutos por muestra en equipos de espectrometría de masas de alta resolución, y generan estrategias de innovación sustentadas en comprensión real, no en prueba y error.

2. En agrobiodiversidad, la metabolómica será la herramienta clave para diferenciar los productos de la región y construir ventajas competitivas que el mercado global pueda reconocer y valorar: "En Colombia, nuestra ventaja no es producir más, es producir mejor y diferente", aseguró.

3. La brecha que queda por cerrar en la región es la que conecta la caracterización de los recursos alimentarios con el estudio de sus efectos en el consumo: cómo los distintos perfiles metabólicos de los alimentos que producimos (incluyendo los compuestos funcionales de las variedades endémicas) se traducen en efectos sobre la salud humana, y cómo esa información puede alimentar una nutrición de precisión construida con ingredientes propios de LATAM.

4. Y la frontera final: "El siguiente reto consiste en cerrar la brecha entre la composición única de nuestros recursos alimentarios regionales y sus efectos sobre la salud, ampliando la aplicación de la metabolómica al consumo de alimentos y a los estudios sobre la alimentación", esa frontera no está en un laboratorio de Europa o de California, sino en cada sitio, como las montañas colombianas que producen el café, o en los mercados donde el consumidor elige sin saber que su elección está codificada en moléculas.

Ahora toca a la industria alimentaria latinoamericana hacerse dos preguntas, no solo si puede permitirse invertir en metabolómica, sino cuánto valor está dejando sobre la mesa por no entender lo que sus propios productos dicen a nivel molecular.