Utilización de nanoestructuras de óxido de zinc (ZnO) como antimicrobianos en envases bioactivos de alimentos
Beatriz Riverón Bioquímico farmacéutico briveron20@gmail.com Julio 2022
Indice Generalidades …………………………………………………………………...….. 2 Nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) como antimicrobianos ………...……… 2 Actividad antimicrobiana de las NP de ZnO y su mecanismo de acción ….…. 4 Metodologías para la obtención de envases bioactivos ………………………... 8 Envases antimicrobianos para alimentos ………….…………………………….. 8 Fundición de solvente Método de recubrimiento Método de extrusión
Películas de nanocompuestos de base biológica ………………………………. 10 Problemas de seguridad …………………………………………………………. 13 Migración Toxicidad de las nanopartículas de ZnO Perspectivas de futuro y retos ……...…………………………………………….. 13 Conclusión ………………………………………………………………………….. 14
Generalidades El envasado de productos alimenticios es una de las etapas más importantes de la cadena de suministro de alimentos. Los materiales de tamaño nanométrico en envases de sustancias alimenticias con las propiedades apropiadas dan como resultado un mejor desempeño del empaque y una mayor vida útil de los alimentos. La aplicación de óxido de zinc (ZnO) de tamaño nanométrico en el envasado promueve la seguridad de los alimentos. En general, las nanopartículas (NP) de ZnO pueden inactivar el crecimiento de hongos y de bacterias Gram positivas y Gram negativas, lo que reduce el riesgo de contaminación cruzada prolongando la vida útil de los productos. Por otro lado, pueden ocurrir problemas de salud por la migración de la aplicación de NP de ZnO. La migración, la inhalación, la penetración por la piel y la ingestión pueden resultar en peligros para la salud humana. Por lo tanto, para proporcionar normas de seguridad, se recomiendan más investigaciones.
Nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) como antimicrobianos La nanotecnología está siendo explotada en varios campos de la ciencia desde que Richard Feynman la introdujo en 1959, y la nanociencia ha desarrollado raíces en una amplia gama de aplicaciones como dispositivos electrónicos, ópticos
o
magnéticos,
biología,
medicina,
energía,
defensa,
áreas
farmacéuticas, industrias alimentarias y agrícolas. Los nanomateriales se refieren comúnmente a partículas que poseen una escala nanométrica, en una dimensión que va desde aproximadamente 1 nm a 100 nm (1 nm= 10-9 metros).
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Dichos materiales se utilizan con frecuencia en varios campos debido a sus propiedades
mesoscópicas
únicas
(en física y
en química,
la escala
mesoscópica se refiere a la escala de longitud en la que se puede discutir razonablemente las propiedades de un material o fenómeno, sin tener que discutir el comportamiento de los átomos individuales), como materiales altamente reactivos, tamaño de partículas apropiado, área de superficie y alta ductilidad (la capacidad de un determinado material sufrir deformación, sin romperse, cuando se le aplica una determinada fuerza) y durabilidad. Existe una amplia gama de nanomateriales utilizados en la industria que se consideran multifuncionales. Las NP de ZnO exhiben una alta eficacia antimicrobiana, emisión casi ultravioleta, piezoelectricidad (es la capacidad de algunos cristales para generar voltaje eléctrico en respuesta a la presión mecánica), transparencia óptica y conductividad eléctrica. Las NP de ZnO también se utilizan en sistemas de administración de fármacos que protegen contra la corrosión, cosméticos, materiales de envasado de alimentos y biosensores debido a su excelente biocompatibilidad. Los parámetros cruciales para la actividad antibacteriana de las NP de ZnO dependen del tamaño y de la orientación del cristal. El ZnO ha sido considerado como un material GRAS (generalmente reconocido como seguro) por la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. (21 CFR 182.8991). Como tales, las NP de ZnO se utilizan
con
frecuencia
en
el envasado de alimentos como agente
antimicrobiano activo. Según lo informado por la Organización Mundial de la Salud (OMS), más de 200 enfermedades que van desde el cáncer hasta la diarrea son causadas por alimentos peligrosos que contienen sustancias químicas o microorganismos, como bacterias, virus y parásitos. Se ha estimado que cerca de 600 millones de personas (casi el 10% de la población mundial) enferman tras la ingesta de alimentos contaminados, lo que provoca 420.000 muertes cada año (OMS, 2017). Debido a estos microorganismos patógenos transmitidos por los alimentos, la comunidad científica ha centrado la investigación en materiales para envases activos (AP) y envases inteligentes (IP), que son tecnologías próximas especialmente diseñadas para prevenir el crecimiento de microbios en los alimentos y preservar su seguridad, calidad y conservación. Los https://www.bibliotecahorticultura.com/
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materiales de envasado antimicrobianos se utilizan para inhibir y controlar el crecimiento microbiano, retener la humedad, garantizar la seguridad, resistir la penetración de líquidos o gases y controlar la vida útil. Dichos agentes antimicrobianos se clasifican ya sea como compuestos orgánicos, como sales
de
amonio
cuaternario,
compuestos
halogenados,
fenoles,
quitosano y quitina, o materiales inorgánicos, incluidos metales y óxidos metálicos. Los metales y los óxidos metálicos siempre han sido importantes debido a su excelente actividad antimicrobiana y alta estabilidad en esta atmósfera. En particular, no es necesario que las partículas de óxido de metal entren necesariamente en las células para inducir toxicidad; las partículas reaccionan incluso cuando entran en contacto con las paredes celulares bacterianas o el abdomen de un crustáceo. En consecuencia, se han informado
varias
modificaciones
en
la
superficie
de
contacto
organismo-partícula para mejorar la solubilidad de las partículas metálicas
o
desarrollar
ROS
(especies
reactivas
de
oxígeno)
extracelulares que dañan las membranas celulares. Recientemente, con el advenimiento de la nanotecnología, los materiales inorgánicos como óxido de titanio (TiO2), ZnO, óxido de magnesio (MgO) y óxido de calcio (CaO) han llamado mucho la atención en la investigación debido a su estabilidad y resistencia en condiciones de procesamiento y eficaz comportamiento biocida contra patógenos transmitidos por los alimentos. Investigaciones anteriores han demostrado que las actividades antibacterianas de las NP de ZnO están muy influenciadas por el tamaño de las partículas, la concentración del polvo y sus propiedades fotocatalíticas, ya que estas complementan su eficacia antimicrobiana.
Actividad antimicrobiana de las NP de ZnO y su mecanismo de acción En general, cuando el tamaño de partícula disminuye su actividad antibacteriana aumenta. La actividad antibacteriana de ZnO es una consecuencia de su contacto directo con la pared celular microbiana, lo que da como resultado la destrucción de la integridad de la célula bacteriana, ya que ocurre la liberación de iones Zn2+ antimicrobianos y la generación https://www.bibliotecahorticultura.com/
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de ROS (especies de oxígeno reactivo, radicales libres). Además, se evaluaron las NP de ZnO (de 70 nm de diámetro) suspendidos en soluciones a varias concentraciones contra Escherichia coli (0157:H7), y se observó una mayor inhibición del crecimiento de la bacteria con concentraciones crecientes. Investigadores observaron que el ZnO tenía una actividad antibacteriana superior para Staphylococcus aureus en comparación con el MgO y el CaO. También demostraron que las NP de ZnO mostraron una actividad antibacteriana superior contra Listeria monocytogenes y Salmonella enteritidis en medios de cultivo líquidos cuando se evaluaron diferentes formas de ZnO, como polvo y película. Se evaluó la tasa de crecimiento bacteriano en Pseudomonas spp. utilizando el método de conteo de colonias y se observó que las nanopartículas de ZnO redujeron la tasa de crecimiento y aumentaron el daño a la membrana celular bacteriana. Otro estudio demostró que las NP de ZnO poseen una mejor actividad antimicrobiana contra los patógenos transmitidos por los alimentos, como Bacillus cereus, E. coli, Staphylococcus aureus y S. enteritidis, en comparación con el polvo de ZnO a granel.
Diagrama esquemático que muestra el mecanismo por el cual las NP de ZnO son tóxicas para las bacterias
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Recientemente, se verificó que el compuesto de poli(butileno succinato) (PBS)/ZnO tiene una actividad antibacteriana considerable contra E. coli y S. aureus. También se ha demostrado que los aceites esenciales son agentes antimicrobianos potenciales en las películas de PBS, pero sus fuertes olores limitan su uso con productos alimenticios. La acción inhibitoria del aceite de carvacrol contra S. aureus y E. coli fue analizada y se notó que su aceptación era limitada debido a su mal olor. Sin embargo, se introdujo ZnO en esta película de PBS para minimizar el mal olor, y se observó que el producto final mostraba una mejor actividad antibacteriana sin que se detectaran olores de volátiles.
Características de la membrana bacteriana Gram-positiva y Gram-negativa
El estrés oxidativo generado por las NP de ZnO tiene un gran efecto sobre su actividad antibacteriana. La formación de iones Zn2+ a partir de ZnO inhibe las actividades de las enzimas respiratorias al interactuar con ellas, por lo tanto, se produce un daño irreversible en la membrana celular bacteriana. Las NP de ZnO inducen la despolarización de las membranas celulares, la
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deformación de la arquitectura celular y el aumento de la fluidez y la fuga de proteínas; modifican el ADN y las mitocondrias en hongos y otros eucariotas al absorber los iones Zn2+, llevando finalmente a la muerte celular. Cuando las bacterias poseen potenciales de superficie negativos e interactúan con la superficie de ZnO cargada positivamente, la producción de oxígeno reactivo se ve reforzada, lo que da como resultado la despolarización de la membrana. En comparación con las bacterias Gram-positivas, las bacterias Gram-negativas exhiben un mayor potencial negativo debido a la existencia de una membrana externa adicional de lipopolisacáridos con un potencial negativo. La membrana celular de S. aureus que está menos cargada negativamente que la membrana celular de E. coli es una de las razones de la mayor actividad de las NP de ZnO en E. coli. Para ilustrar las diferencias en la actividad antibacteriana del ZnO frente a bacterias Gram-positivas y Gram-negativas, se han propuesto diferentes mecanismos. Sin embargo, se requieren más estudios para explicar la razón exacta de la sensibilidad de estas células bacterianas a las NP de ZnO.
Acinetobacter baumannii, un patógeno oportunista que causa neumonía y meningitis en humanos, se utilizó para analizar la eficacia de ZnO en combinación
con
antibióticos
convencionales,
como
ciprofloxacina
y
ceftazidima. La adición de NP de ZnO en una concentración subinhibitoria exhibió una actividad antibacteriana mejorada. Esto se atribuyó al aumento de la absorción de antibióticos y al cambio en la morfología de las células bacterianas debido a la presencia de NP de ZnO. También se comprobó la actividad antibacteriana de las NP de ZnO contra Vibrio cholera (un agente causante de la diarrea acuosa grave).
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Esquema que describe el papel de las nanopartículas de ZnO en la generación de ROS
Metodologías para la obtención de envases bioactivos Hay tres escenarios plausibles para la aplicación de la nanotecnología en el envasado de alimentos, como la incorporación en los materiales de envasado, el contacto directo, y la adición durante el procesamiento de alimentos. Los envases que contienen nanomateriales tienden a mejorar los sistemas de empaque convencionales en cuanto a protección y conservación (mantener la integridad de los alimentos en su interior frente a microorganismos y estrés
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mecánico), comunicación y orientación al mercado (proporcionar información sobre calidad y directrices de preparación) y contención (distribución y manipulación). Se han desarrollado técnicas ecológicas para evitar el empleo de productos químicos tóxicos y agresivos al medio ambiente. Por lo tanto, se han utilizado biofuentes, como plantas y algas. También
se han utilizado diferentes surfactantes (los surfactantes o
tensioactivos son sustancias capaces de reducir la tensión superficial; ejemplos de tensioactivos de agua son jabones y detergentes; cuando se mezclan con agua, ayudan a que esta penetre en espacios pequeños) para estabilizar las NP de ZnO de manera homogénea en fibras de algodón, aplicando ultrasonido.
Envases antimicrobianos para alimentos El empaque antimicrobiano es el sistema de envase que inhibe, inactiva o mata los patógenos y los microorganismos de deterioro que contaminan los alimentos. El empaque antimicrobiano para alimentos está especialmente diseñado para controlar el crecimiento de microorganismos, para prolongar la vida útil del producto alimenticio, mantener su calidad y su seguridad. La función antimicrobiana se puede lograr agregando agentes antimicrobianos en el sistema de envasado para contacto indirecto con alimentos o introduciendo agentes antimicrobianos en polímeros para artículos en contacto con alimentos. Existen varios métodos de preparación de envases antimicrobianos. A continuación se describen brevemente algunos. Fundición de solvente Debido a una mejor eficacia de mezclado y una menor temperatura requerida en comparación con el método de fundición por fusión, el método de fundición por solución se puede utilizar para la preparación de compuestos poliméricos. El método de mezcla apropiado da como resultado una mejor y mayor dispersión las partículas de ZnO. Método de recubrimiento
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El mecanismo de recubrimiento se basa en la interacción de polímeros. El método de recubrimiento se usa comúnmente en materiales de empaque, con el recubrimiento de agentes antimicrobianos en polímeros. En general, los agentes antimicrobianos de recubrimiento pueden liberarse de los materiales de empaque al contacto directo para suprimir el crecimiento microbiano. El polietileno de baja densidad (LDPE), el quitosano y la metilcelulosa se utilizan ampliamente como revestimientos de embalajes antimicrobianos. Además, estos métodos de recubrimiento también se pueden utilizar para alimentos líquidos Método de extrusión La extrusión es una técnica para preparar materiales de forma y densidad uniformes mediante la mezcla de materias primas a temperatura y presión controladas. Además, el proceso de fusión en caliente convierte y compacta las mezclas, como materiales granulares o polvos, en una forma uniforme. En consecuencia, las resinas poliméricas se funden y luego se transforman en nuevos productos con diferentes formas y tamaños, como bolsas, láminas y tuberías, mediante la compactación de polímeros y sustancias activas. La extrusión, el principal método de fabricación de plástico, se utiliza ampliamente en la farmacología y la industria alimentaria debido a que no contiene disolventes, es eficaz en el tiempo y no es un proceso que ocasione contaminación ambiental. Es un método muy utilizado para preparar envases antimicrobianos que contengan NP de ZnO.
Películas de nanocompuestos de base biológica Se han realizado numerosas investigaciones para desarrollar películas para nanocompuestos antimicrobianos a partir de materiales de base biológica como gelatina, quitosano, carboximetilcelulosa (CMC), PLA (ácido poliláctico), PBS (succinato de polibutileno), que son respetuosos con el medio ambiente, no tóxicos, sostenibles, y degradables. Científicos prepararon películas compuestas de gelatina de piel bovina (BSG) incorporadas con nanobarras de óxido de zinc al 2 % (ZnO NR) (<100 nm) y aceite esencial de clavo (CEO) utilizando un método de fundición con solvente, https://www.bibliotecahorticultura.com/ 10
y las aplicaron para el empaque de camarones (familia de las gambas y langostinos). La prueba de almacenamiento refrigerado mostró que las películas compuestas de BSG/CEO/ZnO NRs con 50 % de CEO exhibieron la máxima actividad antibacteriana contra L. monocytogenes y Salmonella typhimurium. Este resultado indicó que la película BSG/CEO/ZnO NRs desarrollada podría utilizarse como empaque activo para camarones pelados. También se obtuvieron envases de bionanocompuestos a partir de gelatina que contenía nanofibras (10 %) y NP de ZnO (30 nm y 5 %) mediante el método de fundición en solución. El bionanocompuesto exhibió una fuerte actividad antimicrobiana contra microorganismos transmitidos por alimentos como S. aureus, E. coli y Pseudomonas aeruginosa. Fue preparado un material de recubrimiento de CMC (carboximetilcelulosa) que contenía NP de ZnO (0 %, 5 %, 10 %, 20 % y 40 % p/v) y extractos de piña para evaluar la actividad antifúngica en frutos de caqui y tomate. Los recubrimientos
redujeron
significativamente
la
proliferación de hongos
(Alternaria alternata) en los frutos. La evaluación organoléptica demostró que la CMC que contenía NP de ZnO mantuvo efectivamente la calidad de las frutas durante el almacenamiento en el que el tamaño de las NP de ZnO era de 25 a 55 nm. Las uvas envasadas en películas de nanocompuestos que contenían 2 % (p/p) y 4 % (p/p) de NP de ZnO mostraron una apariencia fresca hasta 14 y 21 días en condiciones ambientales, respectivamente. Por lo tanto, las películas de nanocompuestos de agar-ZnO mejoraron la vida poscosecha de frutas frescas como las uvas verdes.
Problemas de seguridad Migración Las NP de ZnO pueden mejorar las propiedades fundamentalmente antimicrobianas de los alimentos envasados. Por otro lado, las nanopartículas son propensas a migrar a través del empaque dentro/sobre los alimentos, lo https://www.bibliotecahorticultura.com/ 11
que puede atribuirse a las características de los nanomateriales (concentración, tamaño,
forma
y
dispersión),
factores ambientales (estrés mecánico,
temperatura, etc.), alimentos condición (pH y composición), propiedades del polímero (viscosidad y estructura) y duración del contacto. En general, no existe un protocolo o estándar completo para investigar la migración en los nanocompuestos de envasado porque la migración depende de los parámetros antes mencionados. Por lo tanto, para minimizar la migración y sus impactos en el organismo humano y la calidad de los alimentos, los envases de nanocompuestos deben evaluarse caso por caso.
Los artículos n.º (UE) 10/2011 del Reglamento sobre plásticos y n.º (UE) 2016/1416 de la Comisión Europea publicaron el Reglamento de la Comisión que han impuesto de 5 a 25 mg de zinc por kg de alimento (25 a 5 mg/kg de alimento) para artículos en contacto con alimentos basado en la consideración de migración. Toxicidad de las nanopartículas de ZnO Las nanopartículas de ZnO se difunden directamente en la célula o se introducen por endocitosis (es un mecanismo por el cual las células introducen moléculas grandes, partículas extracelulares e incluso pequeñas células, englobándolas en una invaginación de la membrana), lo que induce la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) y el estrés oxidativo, lo que provoca daños en el sistema biológico. El tamaño de las NP de ZnO es otro factor que debe tenerse en cuenta, ya que las grandes áreas superficiales dan como resultado una alta reactividad superficial. Los impactos biológicos de las NP de ZnO incluyen la peroxidación de lípidos, alteraciones de proteínas, disfunciones de orgánulos, inflamación y daños en el ADN. Generalmente, durante el metabolismo, las células están inherentemente dotadas de antioxidantes para destruir las ROS generadas. Sin embargo, en presencia de NPs de ZnO, la generación de ROS excede la capacidad normal de la maquinaria antioxidante celular. Además, tales NP de ZnO se comportan como moléculas prooxidantes para inducir el estrés oxidativo, ya sea generando ROS o inhibiendo las moléculas antioxidantes. La neurotoxicidad de las NP de ZnO https://www.bibliotecahorticultura.com/ 12
surge de la alta generación de ROS al alterar la homeostasis de los iones metálicos debido a un aumento intracelular de los iones de zinc libres disueltos. Esta alta concentración de iones Zn2+ contribuye principalmente a niveles elevados de iones de zinc, lo que lleva a la citotoxicidad inducida por ZnO NP y, por lo tanto, al estrés oxidativo y la inflamación.
Perspectivas de futuro y retos Como se mencionó anteriormente, debido a la presencia de una alta relación superficie/volumen, los nanomateriales son capaces de mejorar el rendimiento del empaque con respecto a la vida útil de los productos alimenticios frescos. Como tal, se han realizado numerosos intentos para preparar envases antimicrobianos basados en las NP de ZnO debido a sus excelentes propiedades. La tendencia progresiva en la aplicación de nanocompuestos de envasado antimicrobianos en la industria alimentaria ilustra la cuestión de dichos sistemas en los próximos años. La próxima generación de envases se puede alinear con nanocompuestos poliméricos que contienen agentes activos, en los que las NP de ZnO podrían desempeñar un papel clave debido a sus fuertes actividades antimicrobianas. En consecuencia, la adición de la cantidad adecuada de NP de ZnO puede proporcionar la actividad antimicrobiana suficiente en el envase. En comparación con algunas nanopartículas como la plata, el óxido de titanio, las NP de ZnO son económicas y pueden recibir mucha más atención en la industria del embalaje. Por lo tanto, la aplicación de nanocompuestos de envasado que contienen nanorrellenos de ZnO posee un fuerte potencial de aplicación para productos perecederos o de vida útil corta, como jugos frescos, vegetales o frutas y productos a base de carne. A pesar de que las NP de ZnO tienden a mejorar la eficacia biocida en los materiales de envasado, todavía existen preocupaciones con respecto a la migración y la toxicidad. La información disponible sobre las trazas de ZnO en los envases de alimentos y sus impactos en el cuerpo humano aún no son
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suficientes. Las NP de ZnO se describen como un material de baja toxicidad y biocompatible, ya que el organismo humano necesita trazas de cationes de Zn. No existen regulaciones y consideraciones de seguridad globales con respecto a los nanomateriales en contacto con alimentos. Debido a que las propiedades fisicoquímicas de los materiales a macroescala y a nanoescala son diferentes, es muy necesario considerar una nueva regulación para los nanoagentes antimicrobianos, en particular, las NP de ZnO como material biocida de uso frecuente.
Las
consideraciones
de
seguridad
tienden
a
cambiar
el
comportamiento de compra basado en la seguridad y la protección. Se debe tener cuidado al considerar las vías de entrada del cuerpo humano, como la inhalación, la penetración en la piel y la ingestión. Por lo tanto, la regulación integral puede unir a los trabajadores, fabricantes y consumidores para minimizar el riesgo.
Conclusión Los grandes intentos se dirigen a mantener la calidad de los productos alimenticios frescos y prevenir las enfermedades transmitidas por los alimentos, en los que los nanocompuestos de envasado pueden cumplir con los requisitos antimicrobianos. Las NP de ZnO se pueden sintetizar en función de varios métodos, que pueden proporcionar NP de ZnO avanzadas con diferentes propiedades morfológicas y estructurales. La eficacia biocida de las NP de ZnO contra bacterias Gram positivas y Gram negativas, así como contra hongos, es la principal característica de los sistemas de envasado antimicrobiano. En consecuencia, las NP de ZnO se pueden incorporar a los materiales de empaque utilizando diferentes métodos o se pueden recubrir en la superficie del material de empaque para lograr el efecto antimicrobiano. Dichos sistemas pueden proporcionar ZnO NP con propiedades antimicrobianas basadas en la generación de ROS, la desestabilización del metabolismo celular y la ruptura celular. Las NP de ZnO como agente antimicrobiano activo se utilizan con frecuencia para preparar materiales de envasado. Se debe tener cuidado para considerar los problemas de migración y seguridad para minimizar los impactos adversos de las NP de ZnO por los alimentos envasados en el organismo. La https://www.bibliotecahorticultura.com/ 14
tendencia progresiva en el envasado antimicrobiano se puede alinear en función de las NP de ZnO para satisfacer las intensas demandas de productos frescos en el mercado.
Fuente Kim, I.;Viswanathan, K.; Kasi, G.; Thanakkasaranee, S.; Sadeghi, K.; Seo, J. (2020) ZnO Nanostructures in Active Antibacterial Food Packaging: Preparation Methods, Antimicrobial Mechanisms, Safety Issues, Future Prospects, and Challenges. Food Reviews International, 38(4): 537-565. Imágenes Kim, I.;Viswanathan, K.; Kasi, G.; Thanakkasaranee, S.; Sadeghi, K.; Seo, J. (2020) ZnO Nanostructures in Active Antibacterial Food Packaging: Preparation Methods, Antimicrobial Mechanisms, Safety Issues, Future Prospects, and Challenges. Food Reviews International, 38(4): 537-565. https://mesindustrial.com.br/ola-mundo/ Aceso el 14/07/2022.
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