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Alimentaci贸n y sostenibilidad: Aprovechamiento de los subproductos del br贸culi para uso industrial
R. Dom铆nguez-Perles, N. Baenas, C. Garc铆a-Viguera, M. Carvajal y D.A. Moreno dmoreno@cebas.csic.es
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Alimentación y sostenibilidad: Aprovechamiento de los subproductos del bróculi para uso industrial
R. Domínguez-Perles, N. Baenas, C. GarcíaViguera, M. Carvajal y D.A. Moreno dmoreno@cebas.csic.es
Indice El bróculi su consumo y el papel en la salud Subproductos de l bróculi como fuente de ingredientes bioactivos Factores que modifican el contenido en compuestos bioactivos en el bróculi y sus subproductos Procesado térmico Biodisponibilidad Utilidad industrial de los subproductos Los subproductos del bróculi: Una oportunidad para innovar Bibliografía
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Información Comercial SAKATA piensa en brócoli
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En la actualidad, la continua difusión de noticias y resultados de investigación que relacionan una ingesta regular de brócoli con beneficios para la salud humana está promoviendo un mayor consumo de esta hortaliza y, consecuentemente, de su producción a nivel mundial. Las pellas, floretes o inflorescencias de brócoli (brécol o bróculi) constituyen la parte del vegetal más apreciada para el consumo y exportación, sin embargo, sólo representan el 25% de la biomasa aérea total de la planta, lo cual da lugar a la producción de una ingente cantidad de material vegetal sin utilidad alimentaria, ganadera o industrial con un importante impacto medioambiental derivado de esta actividad agroeconómica. El interés que suscita el desarrollo de una utilidad alternativa de estos subproductos (hojas, tallos, rebrotes, etc.), en conjunción con el conocimiento actual sobre su composición fitoquímica, sugiere un gran potencial de aprovechamiento de estos restos de cultivo del brócoli como fuente de ingredientes y compuestos bioactivos, promotores de la salud y nutrientes de gran valor para suplementos alimenticios y para la industria farmacéutica y química. Dado que los compuestos bioactivos que nos interesan desde el punto de vista de la nutrición y la salud, se encuentran presentes en toda la planta, también en esas partes que habitualmente no son consumidas, esta materia prima para la elaboración de ingredientes con un alto valor añadido supondrá una serie de beneficios para las regiones y sectores roductivos, con una reducción en el impacto ambiental de esta actividad agroalimentaria, y una alternativa innovadora para las industrias de la alimentación, nutrición y salud.
El brócoli, su consumo y papel en la salud En los últimos años proliferan los estudios nutricionales y clínicos en diferentes países desarrollados que muestran y demuestran la relación existente entre la ingesta de brócoli (Brassica oleracea var. Italica) y la prevención de numerosas patologías crónicas, como la diabetes, enfermedades cardiovasculares, procesos inflamatorios y tumorales, mejorando, asimismo, el funcionamiento del tracto gastrointestinal por su alto contenido en fibra alimentaria (Jeffery et al., 2009). Los beneficios para la salud derivados de la ingesta de brócoli están estrechamente
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relacionados con la cantidad ingerida (Agriculture, 2011; DomínguezPerles et al., 2010; Jeffery et al., 2009). Las atribuciones del brócoli como alimento saludable se han documentado ampliamente y, en este contexto, numerosos compuestos presentes en el brócoli están ya caracterizados. En particular,
compuestos
nitrogenado/azufrados
(glucosinolatos e
isotiocianatos), compuestos fenólicos (derivados del ácido hidroxicinámico y flavonoides, responsables en gran medida de la actividad antioxidante), carotenoides y nutrientes esenciales (vitaminas A, B, C, K, E, etc.; y minerales, K, Na, S, P, Fe, Se, Zn, etc.) se han identificado y cuantificado en el brócoli (Agriculture, 2011; Domínguez-Perles et al., 2010). Los glucosinolatos en general y la glucorafanina (GR) en particular, cuya hidrólisis da lugar al sulforafano (SFN), han atraído la atención de los grupos de investigación por estar implicados en las propiedades antitumorales derivadas del consumo de brócoli. Se cree que la quimioprevención,
obtenida
como
consecuencia
del
consumo
de
alimentos ricos en glucosinolatos, se debe a la capacidad de los derivados bioactivos de estos (los isotiocianatos) para estimular o inhibir la actividad de enzimas implicadas en los procesos de detoxificación celular (Björkman et al., 2011). Por otro lado, el alto contenido en antioxidantes naturales del brócoli (como la vitamina C, carotenoides y compuestos fenólicos fundamentalmente), cuya función principal en relación con la fisiología vegetal es la de limitar la aparición de especies reactivas de oxigeno en plantas cultivadas en condiciones de estrés, contribuye igualmente a reducir los fenómenos de estrés oxidativo en los consumidores (Jeffery et al., 2009; Moreno et al., 2007). Asimismo, el brócoli contiene una alta cantidad de minerales esenciales y micronutrientes implicados en un número elevado de reacciones fisiológicas diversas, encaminadas al mantenimiento del balance metabólico y el estado general de bienestar (Moreno et al., 2007). Además de la prevención frente al desarrollo de procesos tumorales derivados de su consumo, la ingesta de brócoli está también asociada con la prevención de patologías cardiovasculares mediante la regulación de
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los niveles séricos de homocisteina, un conocido factor de riesgo para el desarrollo de enfermedades coronarias. El efecto antiinflamatorio derivado del consumo de brócoli ha sido atribuido a su contenido en SFN, el cual ha mostrado su potencial como inductor de la reducción de moléculas proinflamatorias por los macrófagos in vitro, así como de inhibir la activación de factores de transcripción central en procesos inflamatorios y tumorales.
Subproductos del brócoli como fuente de ingredientes bioactivos La información disponible en la actualidad sobre la capacidad de los compuestos fitoquímicos presentes en el brócoli para modular los parámetros fisiopatológicos de diferentes tejidos y órganos, esta sustentada por el análisis de la composición fitoquímica y características nutricionales de las inflorescencias, las cuales constituyen actualmente la parte comercializable y consumida del brócoli. Sin embargo, estas inflorescencias representan solamente un pequeño porcentaje del material vegetal aéreo de la planta (~5% - ~35%), mientras que hojas y tallos, rebrotes y/o pellas que no son comercializables, se consideran coproductos o subproductos sin valor gastronómico o industrial (tanto para la industria alimentaría como farmacéutica o química), que pueden llegar a constituir entre el 65% y el 95% del material vegetal generado (Fig. 1). Este hecho hace del cultivo del brócoli una actividad agro-económica con un fuerte impacto ambiental que genera toneladas de residuos anualmente, que justifican la necesidad de buscar un aprovechamiento industrial.
Fig 1 Peso fresco de inflorescencias, hojas y tallos registrados en diferentes trabajos informan sobre la participación relative de cada órgano en la biomasa aérea total de las plantas de diferentes variedades de brócoli.
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El nivel de compuestos nitrogenados/sulfurados con actividad biológica tales como los glucosinolatos y sus derivados metabólicos, los isotiocianatos, se han descrito en los subproductos del brócoli en altas concentraciones, presentándose en ciertas variedades, niveles muy elevados tanto en tallos como en hojas (Tabla 1). Este hecho es igualmente extensible a los compuestos fenólicos. En el caso de los polifenoles, las hojas presentan un contenido similar al de las inflorescencias, incluso más de 10 veces superior al de los tallos. En este mismo sentido, el contenido en vitamina C de los tallos es mayor que el descrito en hojas (~12% menor) o en inflorescencias (~38% menor). Sin embargo, el nivel de nutrientes minerales y de otras vitaminas en hojas y tallos se encuentra en el mismo rango descrito para inflorescencias (Agriculture, 2011; Moreno et al., 2007; Vallejo et al., 2002).
Factores que modifican el contenido en compuestos bioactivos en el brócoli y sus subproductos La composición nutricional del brócoli está condicionada por diferentes factores entre los que se pueden diferenciar los condicionantes pre-cosecha y post-cosecha. Los factores pre-cosecha incluyen la dotación genética de la planta (especie y variedad), las características fisiológicas
(órgano y edad),
y
las
condiciones
agroambientales
(temperatura, fotoperiodo, riego, fertilizantes, estrés biótico o abiótico, etc.) (Fig. 2). Así, las características genéticas de las variedades de brócoli cultivadas en la actualidad constituyen un factor de especial relevancia. La fuerte dependencia de la concentración de los diferentes compuestos bioactivos y consecuentemente de la capacidad biológica de los extractos vegetales (capacidad antioxidante y antitumoral) de los factores genéticos, sugiere la necesidad de desarrollar nuevas variedades con una mejor capacidad de adaptación a condiciones de cultivo adversas y un contenido en compuestos fitoquímicos óptimo. Asimismo, la edad de las plantas en el momento de la cosecha ha sido también descrita como un factor crítico en la determinación final del contenido en compuestos fitoquímicos. El elevado contenido en SFN en los tallos en comparación con las hojas ha sido atribuido a este factor. Por otro lado, las diferentes características
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fisiológicas de cada órgano de la planta de brócoli, se reflejan en diversos niveles de glucosinolatos en cada uno de ellos (DomínguezPerles et al. 2010; Moreno et al., 2007).
Figure 2. Fases del procesado de material vegetal
En relación a los factores medioambientales, los datos disponibles actualmente evidencian que los niveles de compuestos bioactivos (glucosinolatos, isotiocianatos, compuestos fenólicos y micronutrientes) presentes en los subproductos del brócoli están afectados de manera más intensa por las condiciones ambientales que en las inflorescencias. Esto es debido a la movilización de compuestos desde las raices en condiciones de crecimiento adversas. En este sentido, un estudio reciente muestra que el brócoli cultivado en el sudeste de España (en relación a inflorescencias y subproductos) puede ser una excelente fuente de compuestos fenólicos, debido a las condiciones ambientales del clima mediterráneo, con posibilidad de obtener vegetales con mayor calidad nutricional (Rodríguez-Hernández et al., 2012).
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En relación a los factores estrictamente agrónomicos, el tipo de fertilización realizada también afecta al contenido de compuestos fotoquímicos
del
brócoli.
En
general,
los
mayores
niveles
de
glucosinolatos y compuestos fenólicos son detectados en aquellas plantas sometidas a fertilización con compuestos azufrados. Sin embargo, los distintos tipos de fertilización no influyen por igual en la concentración de los diferentes tipos de compuestos bioactivos. Así, una combinación de fertilizantes azufrados y nitrogenados se traduce en beneficios para el crecimiento del brócoli y en un incremento de la síntesis de glucosinolatos. Además, el efecto de las manipulaciones agronomicas tampoco es el mismo sobre los diferentes tipos de glucosinolatos, si bien, la síntesis de glucosinolatos alifáticos está regulada fundamentalmente por factores genéticos (~60%) en tanto que los factores ambientales afectan mínimamente a su contenido. Por otro lado, el perfil de glucosinolatos indólicos esta modulado en mayor proporción por factores ambientales (Domínguez-Perles et al. 2007; Rodríguez-Hernández et al. 2012). En relación a los compuestos antioxidantes, estos se muestran más dependientes de la carga genética que de los factores externos a la planta. La concentración de vitamina C, por ejemplo, está claramente afectada por la variedad cultivada, sin embargo, la evaluación precisa de los factores ambientales que modulan de forma significativa el contenido de vitamina C en la planta, depende del órgano considerado. En general, las condiciones de fertilización no parecen afectar al contenido en vitamina C, aunque este se encuentra fuertemente influído por la temperatura durante el periodo de cultivo, reduciendose significativamente su concentración con altas temperaturas. En relación a los micronutrintes, el contenido del brócoli en compuestos minerales, que complementa las atribuciones del brócoli como alimento saludable, también se ve afectado por los factores pre- y post-cosecha, lo cual refuerza la necesidad de optimizar las condiciones agro-ambientales de los cultivos de cara a optimizar las caracteristicas nutricionales del brócoli. Finalmente, el empleo de elicitadores (estrés
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bióticos o abióticos) durante la pre- y/o post-cosecha del brócoli, como técnica de mejora de la producción y estimulación de compuestos bioactivos en la planta, podría constituir una estrategia interesante para el desarrollo
de
material
vegetal
enriquecido
en
estos
metabolitos
beneficiosos para la salud (Pérez-Balibrea et al. 2008). En resumen, el control de la variedad y las condiciones medioambientales y agronómicas podría contribuir a una mejora sustancial del valor nutritivo del brócoli (Domínguez-Perles et al. 2010; Moreno et al. 2007). Los factores post-cosecha, son igualmente críticos para la obtención de brócoli (en relación tanto a inflorescencias como hojas y tallos) con un alto contenido en compuestos fitoquímicos saludables. Entre estos factores, el almacenaje en adecuadas condiciones previo a su venta y consumo es crítico para asegurar la calidad nutricional y la composición como fuente de compuestos bioactivos. Parámetros tales como la temperatura y la humedad relativa deben ser estrictamente controlados. Asimismo, el uso de atmósferas controladas y/o modificadas constituye una herramienta útil para mantener las carácterísticas nutricionales del brócoli (Fig. 2). Tanto las inflorescencias como los subproductos del brócoli son productos perecederos, por ello, un almacenaje a temperaturas entre los 4ºC y 8ºC y una humedad relativa del ~90% constituyen las mejores condiciones de almacenamiento para evitar su deterioro y la degradación de los compuesos bioactivos presentes en el material vegetal. Sin embargo, existen datos que muestran que el almacenaje del brócoli a 12ºC – 22ºC no produce efectos significativos sobre la concentración de glucosinolatos (Moreno et al. 2007). En este sentido, y dado que la utilización de los subproductos del brócoli destinados al desarrollo de nuevos productos y alimentos funcionales está ligada a fuertes condicionantes económicos por parte de las industrias alimentarias y farmacéuticas, es importante tener en cuenta la posibilidad de ser almacenados a temperatura ambiente (o al menos si la estricta condicionalidad de refrigeración ligada a las inflorescencias destinadas a su consumo en fresco) sin sufrir una pérdida de la calidad nutritiva,
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evitando un elevado grado de humedad y su exposición a la luz. Como se ha apuntado anteriormente, el uso de atmósferas controladas ha sido destacado como una alternativa plausible para alargar el periodo de almacenamiento de las inflorescencias de brócoli, manteniendo la calidad nutricional. Este sistema de envasado puede incluso a doblar el tiempo de almacenamiento en comparación con un empaquetado estándar. Este tipo de procesado muestra su máximo exponente de utilidad en aquellos casos en los que no es posible controlar la temperatura de distribución. Sin embargo, el incremento del coste de procesado constituye una dificultad adicional para la utilización de este modo de conservación.
Procesado térmico El procesado térmico del brócoli en la última fase de distribución del producto (cocinado doméstico), por ejemplo mediante asado o hervido, normamente reduce el contenido en glucosinolatos significativamente, en tanto que los niveles de compuestos fenólicos y vitamina C dependen del tipo específico de tratamiento térmico aplicado al material vegetal (Jeffery et al., 2009; Moreno et al., 2007). La reducción del nivel de compuestos bioactivos en el brócoli a consecuencia del tratamiento térmico ha sido atribuído a la pérdida de la estructura interna, lo que facilita la difusión de los compuestos fotoquímicos al medio, por ejemplo, al agua de escaldado. La participación de reacciones enzimáticas en la reducción de la concentración de estos compuestos durante el procesado térmico ha sido descartada ya que
el tratamiento térmico inactiva
las
enzimas
responsables de la misma. Los datos disponibles actualmente sobre la concentración de nutrientes beneficiosos para la salud en el brócoli señalan que incluso tras las pérdidas producidas como consecuencia del cocinado doméstico, el brócoli sigue mantenido un contenido en compuestos bioactivos beneficiosos para la salud y en el rango de los alimentos saludables (Jeffery et al., 2009; Moreno et al., 2007).
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Biodisponibilidad La
realización
de
estudios
que
permitan
determinar
la
biodisponibilidad de los compuestos fitoquímicos presentes en el brócoli es crítica para asegurar que las atribuciones saludables del brócoli se materializan en los consumidores, y, así, apoyar la elaboración de nuevos alimentos e ingredientes funcionales a partir de los subproductos del brócoli. En este sentido, la obtención de datos precisos sobre la biodisponibilidad y el metabolismo de los compuestos bioactivos presentes en los subproductos del brócoli y la realización de estudios clínicos y de intervención dietética in vivo, es esencial para la potenciación de su desarrollo industrial y el aumento de la confianza y fidelización de los consumidores a este tipo de productos. El desarrollo de nuevas matrices alimentarias debe asegurar una adecuada absorción y distribución de los compuestos bioactivos. Esto requiere la evidencia de efectos positivos en la prevención de procesos patológicos en estudios in vitro e in vivo que permitan evaluar su utilidad como alimentos funcionales y/o suplementos nutricionales (nutracéuticos) en una dieta saludable o en programas dietéticos que complementen una dieta
equilibrada
en
el
contexto
de
enfermedades
crónicas
y
degenerativas. La ingesta de cantidades excesivas de alimentos ricos en glucosinolatos podría, en teoría, producir efectos indeseables, tóxicos o antitiroideos. Sin embargo, para producir estos efectos perniciosos es necesaria una ingesta de brócoli, por encima de los hábitos alimenticios de los seres humanos (Jeffery et al., 2009). Para evitar este tipo de incidencias o alertas es necesario establecer los niveles óptimos de ingesta diaria que permitan obtener los efectos saludables evitando efectos secundarios.
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Utilidad industrial de los subproductos del brócoli Una de las dificultades más significativas del sector agro-alimentario es el impacto ambiental de los subproductos generados. Este problema cosustancial con la actividad agroeconómica, se relaciona no solo al cultivo del brócoli sino también a otros cultivos como las semillas de tomate (Taveira et al., 2010) y las fibras de cacao (Martínez-Cervera et al., 2011), haciendo necesario la búsqueda de una utilización alternativa. Sin embargo, el uso de subproductos agrícolas es todavía limitado debido a la falta de procesos industriales apropiados suficientemente optimizados para ser económicamente viables. Así pues, actualmente, el uso de los subproductos del brócoli está restringido a la producción de fibra para la alimentación animal, la producción de combustible o la extracción de estándares de glucosinolatos para la industria química. La creciente demanda de alimentos por la población actual y las futuras generaciones podría estimular los sectores agrícolas y alimentario para el desarrollo de métodos eficientes, económicos y respetuosos con el medio ambiente para el tratamiento de los subproductos agrícolas. Analizando someramente los usos actuales del material vegetal, se observa que el uso de los residuos orgánicos procedentes del cultivo del brócoli como alimento de volumen para el ganado ovino y caprino puede contribuir a la reducción parcial del impacto ambiental de las acumulaciones del material vegetal, tal y como sucede actualmente en el sureste peninsular. Sin embargo, esta aplicación de los subproductos del brócoli no se encuentra extendida y es insuficente para absorber el material vegetal. Además, este uso no se centra en la valorización del material generado. Otra alternativa de uso para los subproductos derivados del consumo de brócoli es su utilización para la producción de energía. Este uso como materia prima en la industria de las energías renovables podría incrementarse en los próximos años. La sustitución total de los combustibles fósiles empleados actualmente para la producción de energía por material vegetal podría suponer unos requerimientos de
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materia prima que doblarían los disponibles en la actualidad generando una competencia entre sectores industriales. Para evitar este conflicto entre los diferentes usos de la biomasa para la industria alimentaria, farmacéutica, ganadera o energética, sería necesario optimizar estrategias para utilizar el material disponible de la manera más eficiente. La cada vez más necesaria busqueda de alternativas de valorización y transformación del material vegetal generado ha encaminado su utilización hacia la obtención de ingredientes y alimentos funcionales ricos en compuestos bioactivos que facilite su comercialización en diferentes formas. Un buen ejemplo de esta necesidad es el procesado de los subproductos del brócoli como fuente de glucosinolatos, compuestos fenólicos, vitaminas y minerales, interesante desde el punto de vista industrial, como ingredientes con alto contenido antioxidante para funcionalizar los productos alimenticios (Soengas et al., 2012). Trabajos publicados recientemente evidencian un uso potencial de este material vegetal como fuente de compuestos con capacidad antioxidante y antitumoral para su uso como ingredientes en la industria alimentaria y farmacéutica. La creciente información generada en la última década sobre acerca de estas características, ha hecho que la atención de la comunidad científica y el sector agroeconómico se focalice en la valorización de estos residuos vegetales (Domínguez-Perles et al. 2010; Soengas et al., 2012). Así pues, en los últimos años hay una tendencia creciente hacia la conversión de los subproductos del brócoli en productos con un alto valor añadido. Como resultado de esta tendencia se han desarrollado métodos para la determinación y separación de SFN como compuesto aislado. Esta metodología para la conversión de GR en SFN debe ser eficiente y equilibrada aplicable tanto a subproductos frescos como liofilizados. El uso de los subproductos de brócoli como ingrediente fuente de compuestos bioactivos, ya ha sido empleado para el desarrollo de nuevas bebidas
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funcionales combinadas con té verde, con la posibilidad del desarrollo de este producto a nivel industrial. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran la importancia de fomentar el uso de los subproductos de brócoli como ingredientes sobre una matriz alimentaria, con el fin de obtener alimentos funcionales novedosos, que mantengan un perfil fitoquímico rico y beneficioso para la salud (Domínguez-Perles, et al., 2011).
Los subproductos de brócoli: Una oportunidad para innovar Dado el interés por desarrollar y comercializar productos derivados de subproductos del broccoli, la Spin-Off del CSIC, AQP & INGREDIENTS S.L., se fundó con la visión de poner en valor los resultados patentables de la investigación científica en materia tecnológica, para el desarrollo de nuevos productos basados en la valorización industrial de los restos de cosecha, co-productos, subproductos (o side-streams), que no se conciben como aprovechables, de las cosechas de brócoli, y por extensión, con otros cultivos y productos agrícolas de la Región Mediterránea. De esta forma, los residuos generados en la producción comercial de brócoli se pueden aprovechar para una diversidad de ingredientes bioactivos de calidad y composición certificada de grado alimentario y/o farmacéutico, con un impacto directo en las ganancias y reducción de costes de esta actividad productiva, y un beneficio en la sostenibilidad del sistema minimizando los problemas ambientales de las explotaciones agrícolas. Hasta la fecha, las dietas que cuentan con un consumo regular de brócoli se han relacionado con una mejor salud de los consumidores. Sin embargo, el uso industrial de los subproductos del brócoli originados a partir de restos de cultivos es muy poco significativo. Añadir valor a los subproductos de brócoli en un país como España, uno de los principales productores de brócoli en la Unión Europea, es de gran interés científicotecnológico y económico, ya que permite la obtención de ingredientes con alto contenido en compuestos bioactivos (glucosinolatos, ácidos fenólicos y flavonoides) que proporcionan la base para el desarrollo de nuevas líneas de productos de interés en las industrias alimentarias, farmacéutica, cosmética y química.
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Alimentación y sostenibilidad: Aprovechamiento de los subproductos del bróculi para su uso industrial
R. Domínguez-Perles1, N. Baenas1, C. García-Viguera1, M. Carvajal2 y D.A. Moreno1 1 Departamento de Ciencia y Tecnología de los Alimentos. Laboratorio de Fitoquímica Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura-Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CEBAS-CSIC). 30100 Espinardo, Murcia dmoreno@cebas.csic.es 2 Departamento de Nutrición Vegetal. Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura-Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CEBAS-CSIC).
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