La importancia de los azúcares en la alimentación de los rumiantes

Transcripción

1 La importancia de los azúcares en la alimentación de los rumiantes Manuel Fondevila Depto. Producción Animal y Ciencia de los Alimentos

2 Papel de los azúcares solubles en la fermentación ruminal Los azúcares en los alimentos para rumiantes Fermentación microbiana de azúcares en el rumen Sincronización Energía/Nitrógeno Efecto de la suplementación con azúcares sobre el ambiente ruminal y los rendimientos productivos dietas fibrosas suplementadas con azúcares sustitución de almidón por azúcares

3 Estructura química de azúcares Monosacáridos Disacáridos Oligosacáridos Glucosa Sacarosa Fructosa Lactosa Rafinosa

4 Contenido (g/kg MS) en carbohidratos de distintos alimentos (a partir de FEDNA 2010) Azúcares Almidón Celulosa Hemicelulosas Pectinas Cebada Maíz Harina de soja Guisantes Alfalfa deshidratada Pulpa de remolacha Pulpa de cítricos Melaza de caña 624 Melaza de remolacha 612 Lactosuero dulce 700

5 Composición (g/kg MS) de la fracción de azúcares de algunos alimentos (BachKnudsen, 1997) Azúcares totales Monosacáridos Sacarosa Rafinosa Estaquiosa Maíz Cebada Harina soja Guisantes Heno de hierba (primer corte) Harina de alfalfa Pulpa de remolacha : Incluye 22 g/kg verbascosa

6 Capacidad fermentativa de carbohidratos por microorganismos ruminales Fibrobacter succinogenes Prevotella spp. Ruminobacter amylophilus Succinivibrio dextrinosolvens Succinimonas amylolytica Treponema bryantii Selenomonas ruminantium Lachnospira multiparus Butyrivibrio fibrisolvens Ruminococcus bromii Streptococcus bovis Clostridium polysaccharolyticum Megasphaera elsdenii Sacarosa Almidón Maltosa Celulosa Pectina d d d d d d d d d d d d d d d Prod. fermentac A, S A, S, F, P F, A, S A, S S F, A, S L, P, A F, A, L F, B, A A, L, P, B L F, B, A A, S, P, F Hongos ruminales L, A, F, G Dasytricha ruminantium Isotricha spp. Entodiniomorfos d: variable en función de cepas/especies A: acetato; P: propionato; B: butirato; L: lactato; F: formiato; S: succinato d d L, B, A L, B, A A, B, G

7 Ritmo de crecimiento específico (duplicación de la biomasa, ud/h) de bacterias sobre mono y disacáridos como sustratos únicos (Russell y Baldwin, 1978) Glucosa Celobiosa Xilosa Sacarosa Maltosa S. ruminantium P. ruminicola B. fibrisolvens S. bovis M. elsdenii utilización variable de cada tipo de azúcar, en función de la especie bacteriana

8 Actividad enzimática microbiana en el rumen de ovejas alimentadas con heno suplementado con 8% inulina o sacarosa (Kasperowicz et al., 2014) control inulina sacarosa SE Fructanolítica 1,56 1,65 1,29 0,493 Sacarolítica 5,67 7,01 4,84 1,297 Amilolítica 2,39 2,33 1,89 0,274 Celulolítica 1,07 0,96 0,72 0,201 Xilanolítica 1,20 0,71 0,61 0,160 Actividad (mm azúcar/g MS rumen por h) 4h después de oferta de alimento no existe un efecto positivo de la dieta sobre la actividad (de por sí es suficientemente alta)

9 fermentación microbiana muy rápida: Weisbjerg et al. (1998): in vitro, hidrólisis de sacarosa: %/h de lactosa: % /h (utilización de azúcares: % /h) no obstante, depende: disponibilidad (estructura del alimento), estructura química ritmo de tránsito de fase líquida (Oba, 2011: 5% escaparía del rumen) 84% de hexosas, 4050% pentosas y 30% rafinosa se fermentan en rumen degradabilidad en rumen: 45% para azúcares de forrajes 89% suplementos de azúcares

10 Fermentación microbiana in vitro de carbohidratos puros y forrajes (a partir de Fondevila et al., 2002; Marinas et al., 2003) ml gas/g MO Ant. vulneraria F. eskia Almidón Pectina Glucosa Celulosa tiempo (h)

11 Consecuencias de la incorporación de azúcares solubles en la dieta: ph: descenso (dietas forrajeras, añadiendo niveles crecientes) sin efecto (dietas mixtas, sustituyendo cereal) ácidos grasos volátiles: descenso de acético descenso de relación acético/propiónico aumento de butírico aumento grasa láctea Strobel y Russell (1986): ph 6,7: acético, butírico, propiónico ph 5,5: láctico, acético, butírico Nitrógeno: descenso de concentración de amoníaco aumento de síntesis microbiana

12 Efecto sobre el ph ruminal: microorganismos fermentan azúcares (monosacáridos, oligosacáridos) azúcares vs. almidón: mayor proporción de butirato menor prod. protones obtención de energía NPN almacenaje a corto plazo como glucógeno (glucosa, fructosa, sacarosa; no otros) azúcares vs. almidón: 95% E disponible síntesis de masa microbiana azúcares vs. almidón: mayor síntesis microbiana? azúcares vs. almidón: menor concentración de grupos ácido ph más alto

13 Fermentación bacteriana in vitro (10 h) de distintos sustratos, a dos ph (Strobel y Russell, 1986) ph final % ferment. Acetato mm Propionato mm Butirato mm Lactato mm Pmicrob. mg/l Sacarosa 6,7 5, ,7 1,7 2,1 1,1 1,1 0,7 3,7 8, Almidón 6,7 5, ,1 2,7 2,9 1,1 0,8 0,7 0,9 4, Pectina 6,7 5, ,1 5,0 1,3 0,7 0,2 0, Xilano 6,7 5, ,6 2,9 1,6 1,2 0,2 0, ph 6,7: relación Ac:Pr 1,8 con almidón vs. 2,2 con sacarosa ph 5,8: 2,5 1,5

14 Fermentación ruminal (mol/mol hexosa) en función del tipo de dieta (Beever y Mould, 2000) Alta en fibra Alta en almidón Alta en azúcares solubles AGV totales 1,90 1,80 1,67 Acético % Propiónico % Butírico % CO 2 0,92 0,92 1,06 CH 4 0,61 0,38 0,54 ATP 4,62 4,38 4,54

15 Fermentación ruminal de azúcares: (Penner et al., 2011) alta producción y concentración ruminal de AGV alta proporción de BUTIRATO liberación de hormonas y factores de crecimiento (IGF1, GH, insulina, glucagón) aumento en la capacidad de absorción de glucosa a través de la pared ruminal proliferación epitelio y papilas ruminales reducción de apoptosis capacidad de absorción ruminal (proporcional a la fermentabilidad) riesgo de acidosis (vs. almidón) contenido graso de la leche

16 Eficiencia de síntesis microbiana: sincronización energía/n Disponibilidad de energía Carbohidratos rápidamente fermentables y proteína de lenta degradación (e.g. cebada/h. pescado) Disponibilidad de nitrógeno Carbohidratos de fermentación lenta y proteína de rápida degradación (e.g. heno/urea) Ritmo de fermentación Ritmo de fermentación Tiempo en el rumen Tiempo en el rumen Ritmo similar de fermentación de carbohidratos y proteína (e.g. maízcebada / h. soja) Ritmo de fermentación

17 Disponibilidad NH 3 : Ritmo absorción NH 3 >> NH 4 ph >6,8: baja proporc. NH 3 baja absorción (ph < 6,5: poca absorc. amoníaco) alta disponibilidad para uso microbiano En déficit de N, microorganismos destinan ATP a la síntesis de polisacáridos de reserva (con suficiente N, se movilizan las reservas y se sintetiza proteína) Limitada respuesta de síntesis de proteína microbiana a la sincronización entre: patrón de fermentación de carbohidratos disponibilidad de NH 3 poco efecto in vivo respuesta a otras fuentes de N?

18 Efecto del patrón de fermentación de la dieta sobre el metabolismo microbiano ruminal (Sinclair et al., 2008) Sincronización E/N dieta Tipo productivo Prot microbiana (gn/d) Eficiencia síntesis (gn/kg MODR) Pico NH3 (mg/l) Sincronizada No sincronizada Ovino 17,3 17,2 30,7 27, Sincronizada Intermedia No sincronizada Vacuno leche ,2 44,9 53,8 Sincronizada Intermedia No sincronizada Vacuno carne 73,5 72,1 72,5 28,3 25,1 21, Sincronizada Intermedia No sincronizada Vacuno carne ,3 28,6 25,

19 Simulación de respuesta a la relación de carbohidratos solubles (WSC) y proteína en el forraje sobre la excreción de N en vacas de leche (Ellis et al., 2011) La excreción de N disminuye al aumentar la proporción de WSC sustituyendo a PB y PBFND; La producción de leche no se afecta si es sustituyendo PBFND; El efecto es mayor a planos bajos de alimentación

20 Adición de azúcares a dieta forrajera: Lee et al. (2003): in vitro, niveles (de 4,7 a 8%) de azúcares (sacarosa) sobre forraje ph (6,4 6,0), NH 3, conc. AGV, acético, propiónico, butírico 0% sacarosa 2,5% 5% 7,5% digest NDF flujo N bacteriano eficiencia síntesis microbiana (hasta 7% azúcares)

21 Ritmo (%/h) de digestión in vitro de celulosa purificada en función del nivel de glucosa añadido al medio (Piwonka y Firkins, 1993) Nivel de glucosa añadida (% total nutrientes) Tampón SE ph (12 h incub.) normal* 6,9 6,7 6,6 6,0 fuerte** 7,1 7,0 6,9 6,8 Ritmo digestión normal 1,92 1,58 1,12 0,062 0,011 (%/h) fuerte 1,79 1,41 1,08 0,064 0,010 * ph libre ** ph >6,2 Efecto negativo de adición de glucosa, independiente del ph

22 Efecto de la inclusión de sacarosa en la dieta sobre la actividad enzimática celulolítica (Huhtanen y Khalili, 1991) S vs. B: efecto ph Dieta C: 5,3 kg MS d (70% silo maíz; 24% cebada; 6% h. colza) Dieta S: C 1 kg sacarosa/d (16%) Dieta B: S bicarbonato sódico Dieta I: sacarosa en infusión contínua Efecto ph sobre actividad microbiana: ph 6,8 6,2: reducción adhesión microbiana al sustrato ph < 6,2: inhibición del crecimiento de bacterias fibrolíticas

23 Fermentación in vitro de pared celular de paja suplementada con carbohidratos (BarriosUrdaneta et al., 2000) Proporción de residuo no digerido tras la incubación de pared celular de paja, sola ( ) o suplementada (35%) con almidón ( ), azúcares ( ) o pectina ( ) Adhesión microbiana a partículas de pared celular de paja, sola ( ) o suplementada (35%) con almidón ( ), azúcares ( ) o pectina ( )

24 Heldt et al. (1999): terneros in vivo, heno de pradera con 1,35 kg/d (14%) carbohidratos, y 0,122% PV de Pd Dig. MO, % Dig FND, % ph NH 3, mm Ac. orgánicos, mm Acetico, % Propiónico, %, Butírico, % Láctico, % control almidón glucosa fructosa sacarosa ,6 0, , ,1 2, , ,2 3, , ,3 2, , ,2 1, ,0 Ortigues et al. (1988): heno con urea, urea 6,5% melazas o urea 5% maíz sin efecto en digestibil. MS, fibra; ph, conc. AGV; propiónico: melazas > maíz, urea (22 vs. 20, 20%) England y Gill (1985): niveles < 7,5% sacarosa aumentan utilización ruminal; > 7,5% disminuyen digestibilidad

25 Obara et al. (1991): ovinos alimentado con 1,18 kg MS alfalfa deshidratada, infusión intrarruminal de sacarosa (15% total) Parámetros ruminales: ph AGV (mm) Acético (%) Propiónico (%) Butírico (%) NH 3 (mg N/L) Metabolismo del N: Urea en plasma (g N/L) Flujo de urea al rumen (g N/d) Captura de NH 3 (g N/d) Excreción de alantoína (g/d) control sacarosa P signif. 6, ,31 2,0 6,5 2,3 6, ,23 4,8 15,0 2,7 ** NS ** * * ** ** ** ** * **: P< 0,001; *: P< 0,05; NS: P> 0,10

26 Bacterias celulolíticas tienen necesidad absoluta de NNH 3 Bacterias amilolíticas obtienen 66% N de aminoácidos y péptidos (34% de NH 3 ) importante para dietas concentradas/mixtas (conc. ruminal péptidos baja de 200 mg N/L a 25 mg/l en 2 h postingestión) ph ruminal medio mínimo NNH 3 (mg/l) medio máximo Silo hierba sacarosa almidón fructosa lactosa 6,43 6, ,34 5, ,25 5, ,31 5, ,40 6, N microbiano (g/d)* 10,2 14,8 11,9 13,7 14,3 * : a partir de la excreción urinaria de derivados púricos (Chamberlain et al., 1993)

27 Sustitución de almidón por azúcares: Hoover et al. (2006): in vitro; 3 niveles de azúcares x 3 niveles de NSC 29 g/kg 63 g/kg 95 g/kg Efecto DMS, % Q DFAD, % Dig azúcar, % L Dig almidón, % AGV, mmol/d Acético, % Propiónico, % Butírico, % L L

28 Vallimont et al. (2004): in vitro, hasta 7,5% sacarosa por almidón, dieta 60% forraje ph, concentración AGV, NH 3 5h: proporc. butírico, relac. acét:prop (1,98 2,29) 12h: proporc. AGV digest NDF (7,5%) flujo N bacteriano 0% 2,5% 5% 7,5% Broderick et al. (2000): vacas leche, hasta 7,5% sacarosa por almidón, dieta 50% forraje ph, conc. AGV, acético, relac. acético: propiónico NH 3 (P<0,10) Martel et al. (2011): vacas leche, hasta 5% melazas por almidón, dieta 38% forraje ph (5,7 5,9), conc. AGV, butírico, acético, propiónico

29 Broderick y Radloff (2004): vacas leche, dieta con 52% forraje, con 3, 6 y 9% melazas líquidas sustituyendo maíz rumen: sin efecto sobre ph, NH 3, AGV, proporc. acético, propiónico, butírico % melazas Efecto cuadrat. Azúcares totales 2,6 4,9 7,4 10,0 Ingestión (kg MS) Prod. leche (kg/d) %grasa %proteína DMO % DFND % Derivados púricos (mmol/d) 25,4 43,6 3, ,7 36,3 28,1 45,5 3,74 3,21 63,1 36,3 26,1 44,0 3,54 3,12 66,4 44,6 26,8 42,4 3,72 3,13 65,1 37, T * * NS ** NS ** Nivel óptimo de azúcar en dieta: 6,3% ( 5% melazas)

30 Murphy et al. (1993): vacas leche, dietas con 55% forraje; melazas o pulpa de remolacha por cebada cebada 13% melazas 25% pulpa remolacha ph ruminal AGV, mm %acético % propiónico % butírico 6, , , NNH3, g/l PB microbiana, g/d Eficiencia síntesis, g N/kg MOF , , ,8 Digestibilidad MO, % Digestibilidad FND, % 75,4 62,9 76,3 63,8 69,7 65,2 No hay diferencias entre cebada y melazas, a un 13% sustitución

31 Respuesta productiva en vacas de leche Broderick et al. (2000): 7,5% sacarosa ingestión MS grasa leche (3,8 4,2%), producc. leche (Broderick et al., 2008): efecto cuadrático sobre degr NDF (máximo con 5% sacarosa) Martel et al. (2011): Exp. 1: grasa leche (2,6 3,0%), ác. grasos <C14, t10 C18:1 prod. leche (tendencia) Exp. 2: grasa leche (2,8 3,0%), prod. leche (tendencia) Penner y Oba (2009): in vivo (vacas leche), sacarosa hasta 5% ph, grasa leche, t10 C18:1

32 Efecto de azúcares sobre la ingestión: el sabor dulce es atractivo para vacuno, pero no estimula al ovino (Ginane et al., 2011) Broderick et al., (2000; 2008): aumento lineal en ingestión con el nivel de sacarosa Penner y Oba (2009): aumento con 5% sacarosa hasta 7,5% England y Gill (1985): más de 7,5% sacarosa disminuye la ingestión Chamberlain et al. (1995): sustitución del 33% cebada por melazas reducción 10% ingestión silo 38% cebada por sacarosa 12% descenso por descompensación del aporte de N o por acidificación del medio puede ser corregido aportando una fuente de proteína

33 La inclusión de azúcares solubles en la dieta......en dietas de todo forraje no provoca una respuesta diferente a la del almidón, tanto en parámetros ruminales como en rendimientos productivos;...en dietas concentradas o mixtas, en sustitución de maíz, tienden a aumentar la concentración ruminal de butírico y la síntesis de proteína microbiana ( mejor sincronización energía/nitrógeno?) como consecuencia, puede aumentar el contenido graso de la leche;...reduce la excreción urinaria de nitrógeno, y con ello su impacto medioambiental; la bondad de la respuesta depende del nivel de inclusión: por encima del 67% de azúcares solubles totales en la dieta ( 5% melazas) pueden reducir ingestión y digestibilidad;

34 Pautas de utilización en racionamiento: 1º) aporte energético (EB) en función de su naturaleza química análisis (cuantificación en 80% etanol; caracterización por cromatografía o enzimas) 2º) energía fermentable: el 84% de hexosas y 50% de pentosas se utiliza en rumen (CNCPS: 74% utilización) origen: 89% de azúcares añadidos, 45% azúcares en forrajes 3º) aporte al intestino: 100% digestibles 4º) interacciones: nivel de fibra efectiva; nivel de proteína degradable/nnp 5º) nivel de inclusión: 68% (sms) de la dieta total, en sustitución de almidón efectos colaterales: sobre ph; sobre síntesis microbiana; sobre digestión de fibra aumento grasa láctea; aumento de ingestión

35 Muchas gracias por su atención