Calidad de cereales y su impacto en la respuesta de las enzimas Tiago Tedeschi dos Santos Gerente Técnico Global AB Vista Feed Ingredients Marlborough, Inglaterra Tiago.Santos@abagri.com Introducción. La alimentación animal es el segundo mayor usuario de cereales a nivel mundial; su utilización se debe principalmente a la alta concentración de almidón de estos ingredientes, que normalmente proporcionan más del 60% de la energía del alimento. Los tres cereales más utilizados habitualmente en la alimentación animal son el maíz, trigo y sorgo. Mientras que el trigo y el sorgo son los más utilizados en regiones específicas (trigo en Europa, Canadá y Australia; sorgo en México, Australia, Brasil (centro-occidente)), el maíz se utiliza más a nivel mundial (Cowieson, 2005; Selle, 2010). El aumento en el uso de maíz por la industria de bio-combustibles ha incrementado su costo, teniendo como resultado la utilización de cereales alternativos, lo cual se ha convertido en algo común. La calidad de los cereales es de mayor interés para los nutricionistas debido a sus altos porcentajes de inclusión en la formulación. Uno de los determinantes más importantes de la calidad de los cereales es su contenido de polisacáridos no amiláceos (NSP, siglas en inglés) y su concentración que varía de una muestra a otra. Estos polisacáridos no amiláceos se ven contrarrestados con el uso de enzimas exógenas que los degradan y, evidentemente, la respuesta obtenida depende mucho de la calidad inicial de los cereales. Comprender los factores que afectan la calidad de los granos ayudará a asegurar un desempeño constante de los animales (Bedford, 2001). Contribución nutricional de la dieta Cereales como el trigo, maíz y sorgo son altos en almidón, con bajo contenido proteico, los cuales son fuentes importantes de energía para los animales (Cowieson, 2005; Selle, 2010). Teniendo en cuenta la mala calidad de la proteína y la baja concentración de aminoácidos esenciales (lisina, principalmente), la influencia de estos ingredientes en la concentración de aminoácidos no es muy grande. Teniendo en cuenta la inclusión promedio de 65% en la dieta y una formulación con 3150 kcal/kg, 1.0% de lisina digestible (lis.dig.) y 0.75% de aminoácidos azufrados digestibles, el principal cereal contribuirá con alrededor de 65-70% de la energía, 10 a 15% de lisina digestible y 25 a 30% de aminoácidos azufrados. Esto demuestra claramente su importancia como un ingrediente energético y pone de relieve lo interesante de tener una medida precisa para evaluar su contenido en energía.
El contenido de energía de los ingredientes normalmente se mide mediante la Energía Metabolizable Aparente (EMA) a través de pruebas (bio-ensayos). En estos bio-ensayos los animales son alimentados con estos ingredientes y la cantidad de energía absorbida se calcula como la diferencia entre la energía de la alimentación y la energía excretada a través de las heces (aves) ó heces más la orina (cerdos). La energía bruta se calcula a través de una bomba calorimétrica. Es evidente que un ingrediente alto en EMA tendrá una mayor digestibilidad de los principales nutrientes por ejemplo, almidón, proteína y grasa, que un ingrediente similar con una baja EMA. Por lo tanto, no es de extrañar que la mayoría de las ecuaciones para la determinación de la energía de los ingredientes o de las dietas para pollos de engorda y cerdos, se basan en los valores de concentración de nutrientes (almidón, proteína, fibra, grasa,..) multiplicados por sus respectivos coeficientes de digestibilidad. Estas ecuaciones funcionan bien cuando se comparan los diferentes ingredientes (ejem. trigo vs. maíz) que tienen diferente composición y digestibilidad de nutrientes. Sin embargo, estas ecuaciones son menos precisas cuando se aplican a los ingredientes, de forma individual, como sucede en la mayoría de los casos; el contenido de nutrientes varía menos que la digestibilidad entre muestras. En el caso del trigo, aunque la EMA y la digestibilidad del almidón han sido reportadas que están correlacionadas, esto no tiene en cuenta toda la variación que se encuentra entre las diferentes variedades, como resultado del medio ambiente diferente donde se desarrolla el crecimiento y el año de la producción, por nombrar algunas variables de interés. La capacidad de identificar todos los parámetros que intervienen en la predicción del valor nutritivo de los cereales es el objetivo final de cualquier nutricionista, ya que esto permitirá formulaciones más precisas y como resultado un desempeño más consistente de los animales. La calidad de los cereales puede resumirse como la concentración de nutrientes y factores físico-químicos que pueden afectar a la digestibilidad de éstos. La concentración de nutrientes se puede obtener a través del análisis químico proximal, mientras que los factores físico-químicos, que pueden afectar la digestibilidad, como lo son el índice de solubilidad de la proteína, la viscosidad y la vitriosidad, pueden ser analizados por métodos específicos. El alto volumen de uso de estos ingredientes y el costo de cada análisis puede ser una limitación en el control de la calidad de estos cereales y como para hacerlo, sería necesario tener una constante evaluación de la calidad de estos ingredientes, ya qué tienen una inclusión en promedio del 60 al 65% en los alimentos para los animales. Una alternativa para este problema consiste en evaluar estos parámetros a través de análisis de NIR, que si está bien ajustado con el análisis de química húmeda y se tiene una constante actualización, hace de éste un análisis fiable, preciso y rápido. Al mismo tiempo, el menor costo de este análisis en comparación con el costo del análisis químico proximal y del análisis físico-químico, permite al nutricionista incrementar el volumen de muestras para analizar, obteniendo también una imagen más precisa de la calidad de estos ingredientes. Análisis proximal La región de producción afecta el análisis proximal del maíz (Tabla 1) y del sorgo (Tabla 2). Obviamente dentro de estas grandes regiones, la calidad de los cereales también puede cambiar. Además de la región, la época del año de la cosecha
(verano ó invierno) también influye en el valor nutricional del maíz. Con menos muestras de sorgo fue posible observar los efectos regionales entre las muestras recolectadas en Australia, México y Sudamérica. Se sabe que los cereales varían considerablemente en composición dependiendo del medio ambiente, la región de crecimiento, el manejo agronómico y variedad. El almidón puede variar de alrededor de 500g/kg a 750g/kg. Un estudio realizado en EE.UU. en 1999 mostró que la proteína cruda (PC) en muestras de maíz, de 16 estados, tuvo una variación entre 73.1 y 90.6 g/kg y un estudio independiente de 23 muestras de trigo en el Reino Unido mostró variabilidad entre los 85 y 151 g/kg. El medio ambiente es la causa más probable de la variación en la composición química; temperaturas elevadas durante el llenado del grano puede disminuir el contenido del almidón e incrementar la proteína. En el almidón, la relación amilosa:amilopectina también puede verse afectada; en 15 países, el almidón total varío entre 65 y 70% y el contenido de amilopectina del almidón varío entre 73 y 83%. En pollos de engorda la digestibilidad del almidón puede ser de más del 90%. El contenido de almidón (y la proteína, la cual está correlacionada con el almidón) son claramente importantes, porque factores anti-nutricionales tales como NSP afectan la calidad global del cereal y es por ello que es importante tener un conocimiento preciso de la composición proximal. Tabla 1. Composición proximal de muestras de maíz de diferentes regiones. Región n MS PC FC Cenizas Almidón Grasa EMA Asia 634 13.65 9.01 2.85 1.27 74.75 3.94 3276 Australia 2 13.52 9.25 2.83 1.16 74.48 3.77 3369 México/América Central 465 13.06 8.96 2.76 1.23 74.98 3.94 3303 Europa 70 14.41 8.88 2.79 1.10 75.20 3.76 3231 USA/Canadá 844 13.72 8.87 2.79 1.22 75.24 3.82 3302 Sudáfrica 74 12.85 8.66 2.69 1.12 75.60 3.91 3341 Sudamérica 2609 13.43 9.00 2.78 1.21 74.99 3.96 3295 n, número de muestras; MS, Materia Seca % ; PC, Proteína Cruda %; FC, Fibra Cruda %; EMA, Energía Metabolizable Aparente Tabla 2. Composición proximal de muestras de sorgo de diferentes regiones. Región n PC FC Almidón Grasa EMA Australia 77 9.82 2.86 73.76 3.75 3246 México 120 9.76 2.83 73.87 3.68 3205 Sudamérica 75 9.73 2.79 73.58 3.67 3196 n, número de muestras; PC, Proteína Cruda %; FC, Fibra Cruda %; EMA, Energía Metabolizable Aparente
Análisis físico-químicos Tabla 3. Análisis físico-químicos de muestras de maíz de diferentes regiones. Región n ISP Vitriosidad Asia 634 44 62 Australia 2 63 67 México/Centro América 465 46 63 Europa 70 35 61 USA/Canadá 844 47 62 Sudáfrica 74 52 62 Sudamérica 2609 45 65 n, número de muestras; ISP, Índice de Solubilidad de la Proteína Tabla 4. Análisis físico-químicos de muestras de sorgo de diferentes regiones. Región n ISP Vitriosidad Australia 77 41 64 México 120 33 61 Sudamérica 75 34 62 n, número de muestras; ISP, Índice de Solubilidad de la Proteína Procesamiento después de la cosecha Después de la cosecha, el maíz y el sorgo pasan por diferentes tipos de procesamiento antes de ser utilizados como materia prima en la alimentación animal. Uno de los procesos más perjudiciales es el secado, en el cual el contenido de humedad es reducido para evitar la germinación y el deterioro durante el almacenamiento. El maíz cosechado con altos niveles de humedad requiere de un proceso de secado más riguroso que cambiará las características del grano y la disponibilidad de los nutrientes. El Índice de Solubilidad de la Proteína (ISP) es un indicador de la severidad del proceso de secado en las muestras de maíz, y tiene una correlación alta con la extracción de almidón (Malumba, 2008a). La investigación ha demostrado una buena relación entre el ISP y el desempeño de las aves alimentadas con maíces con análisis proximal similar, mostrando que el contenido de nutrientes, por sí solo, no puede explicar el valor nutritivo del maíz. Sin embargo, otros investigadores han demostrados que los pollos alimentados con maíces de análisis químico proximal e ISP similares, todavía mostraban diferencias en el desempeño, lo que sugiere que otros factores también juegan un papel importante en la definición de la calidad del maíz. Altas temperaturas de secado incrementan el tamaño y rigidez del gránulo de almidón, reducen la viscosidad del mismo y aumentan la temperatura necesaria para la subsecuente gelatinización (Malumba, 2008b; 2009). Todo lo anterior va a depender del contenido de humedad de los granos.
Black (2009) observó que la capacidad de hidratación del grano se correlaciona de manera negativa con la energía metabolizable aparente del trigo y del triticale en pollos de engorda, pero tiene una correlación positiva con el sorgo. En el caso de las muestras de sorgo se relaciona con una menor disponibilidad de los gránulos de almidón, en los que la menor capacidad de hidratación representa una menor disponibilidad de la Energía Metabolizable Aparente. El efecto de la temperatura del secado sobre la estructura del almidón se expresa por una disminución del ISP. El almidón y la proteína del grano están estrechamente asociados pero su relación se ve afectada por el tratamiento térmico. El maíz que ha tenido que ser secado a altas temperaturas, debido a las condiciones climáticas en la cosecha muestra una disminución en el ISP, la cual parece estar relacionada linealmente con el contenido inicial de humedad y la temperatura de secado empleada. En nuestras bases de datos de maíz (Tabla 3) y sorgo (Tabla 4) se pueden observar que existe un efecto regional en el ISP, pero como las regiones varían en los tratamientos post cosecha, aún no está muy claramente definido si las regiones per se tienen tanta influencia en el ISP, tal y como la tienen en la dureza del grano. Cabe resaltar que la época del año en la que el maíz es cosechado influye en el resultado del ISP (Gomes, 2010), ésta también se relaciona con el contenido de humedad al momento de la cosecha. Para poder confirmar esta observación, al separar al maíz de EUA por regiones (Norte y Sureste datos no mostrados), se puede observar que las muestras del sureste poseen un ISP más alto, mientras que las muestras del norte, cosechadas en ambientes más húmedos, tienen un valor de ISP menor, muy cercanos a los encontrados en Canadá. Por otra parte, para las muestras de sorgo, la cosecha se realiza durante un período más seco, dando como resultado que el proceso de secado no sea siempre necesario, consecuentemente las diferencias encontradas entre las muestras brasileñas y las mexicanas son menores. Características del grano dureza La estructura del maíz se describe en la Figura 1 (Mahanna, 2009). La dureza es una medida de la cantidad de endospermo vítreo o duro presente en el grano y está relacionada con la evolución desarrollada por el grano para protegerse del proceso de digestión y el clima. El maíz de Norte América tiende a tener menor grado de dureza que el sudamericano (Tabla 3). Las prolaminas (proteínas) del maíz, como las zeínas, tienden a concentrarse más en maíz vítreo (Mahanna, 2009), lo cual es confirmado con nuestros datos, los cuales muestran una correlación alta entre el contenido de proteína y dureza del grano (Cowiesson, 2010). Por otro lado, existe una relación positiva entre los polisacáridos no amiláceos y la dureza del maíz (datos no mostrados). No todas las proteínas del maíz se asocian con el grado de dureza, únicamente las prolaminas. Nuestros datos sugieren que mayor dureza se correlaciona con un mayor porcentaje de prolina y una reducción de ácido aspártico, lisina y triptófano como parte del contenido de proteína total del maíz. La prolina está muy involucrada en determinar la arquitectura de la proteína y se encuentra en altas concentraciones en la γ -zeína (Gianazza, 1977). Las muestras de sorgo también muestran una correlación entre la dureza del grano y su contenido de proteína. En el sorgo, un contenido elevado de proteína se
relaciona con una mayor cantidad de kafirinas (Selle, 2010), las cuales son una proteína de almacén de prolaminas en el sorgo, tal como la zeína en el maíz. Cuando el secado es a alta temperatura, la kafirina puede desarrollar enlaces cruzados con puentes disulfuro, disminuyendo su solubilidad y afectando la solubilidad del almidón. Este proceso se produce en mayor medida en las kafirinas cuando se comparan con las zeínas, lo que sugiere que el secado y la temperatura de peletización pueden ser de mayor importancia en el sorgo, en comparación con el maíz. Figura 1. Características del grano, Mahanna, 2009. Calidad del cereal y su respuesta a la enzima La respuesta de la enzima en dietas de maíz, sorgo y trigo se basa en tres acciones: la destrucción de la pared celular de las plantas (cereales), la reducción de la viscosidad y la estimulación de bacterias benéficas (Bedford, 1998). Cuando se considera que la calidad del cereal puede afectar estos tres modos de acción, se puede afectar directamente la respuesta de la enzima y aumentar el rendimiento de los animales. La pared celular del endospermo amiláceo del maíz se conforma de una pequeña cantidad de celulosa incrustada con hemicelulosa. Cuando se añade una xilanasa para enriquecer el alimento, la enzima romperá los enlaces entre la xilanasa que compone la pared celular y su relación con las proteínas, mejorando la disponibilidad de los nutrientes para su absorción y así reducir el efecto jaula. Cowieson (2009), demostró que el efecto de una carbohidrasa en el coeficiente de digestibilidad ileal aparente de aminoácidos es dependiente de la parte indigestible de la dieta, y por lo tanto, a mayor parte indigerible de la dieta, mayor la cantidad de nutrientes liberados por la enzima, mientras se mantenga la misma ración. El mismo autor también demostró que el porcentaje mejorado de aminoácidos indigestibles era el mismo para trigo y maíz (cerca del 15%), mientras que centeno y la harina de trigo tienen una relación más alta y más
baja, respectivamente. A mayor dureza del maíz, menor digestibilidad de nutrientes; esta medida puede ser usada como un parámetro de calidad del maíz. La capacidad de aumentar la mucosidad del intestino depende de la cantidad de fibra soluble presente en la dieta y la característica de esta fibra. A mayor longitud de cadena de la fibra soluble, mayor capacidad de aumentar la mucosidad en el intestino (Bedford, 1998). El maíz y el sorgo son conocidos como granos no viscosos, ya que poseen una menor cantidad de fibra soluble y la longitud de la cadena es menor. Sin embargo, la viscosidad varía de acuerdo a la variedad, condiciones climáticas durante el crecimiento del cereal, manejo posterior a la cosecha (ejem. secado) y peletizado/extrudizado, así el desafío térmico medido en el ISP puede usarse como un parámetro de este desafío que puede afectar la viscosidad del grano. El uso de una enzima en las dietas interfiere con la microbiota normal del tracto intestinal reduciendo la cantidad de substrato para la fermentación, mientras aumenta la digestibilidad de los nutrientes, proveyendo fragmentos de fibra que pueden ser usados como substrato de las bacterias benéficas. La presencia de xilooligosacáridos (productos de la reacción impulsada por la xilanasa) en el intestino favorecen la colonización del intestino con bacterias benéficas (Courtin, 2008) e incrementan la resistencia a la colonización por Salmonella (Eeckhaut, 2008). McCracken (2006) demostró que la inclusión de enzimas en la dieta cambia el perfil de la microbiota cecal en el intestino, aumentando la cantidad de bacterias en aves de alto rendimiento. Conclusiones La calidad de los ingredientes utilizados en las dietas afecta de una manera directa el desarrollo de los animales. Basados en eso, es importante que las plantas de alimento comercial tengan herramientas adecuadas para medir y evaluar esta calidad, para ayudarse a predecir y ajustar la dieta de acuerdo a la disponibilidad adecuada de los nutrientes provistos al animal. El uso de enzimas en las dietas puede mejorar la digestibilidad de los ingredientes, reduciendo su impacto en el rendimiento animal, lo cual no significa que la suplementación enzimática pueda mejorar completamente el desarrollo de animales alimentados con ingredientes de baja calidad o que la enzima tenga una mejor respuesta en este tipo de dietas. Otros factores, tales como la composición total de la dieta, inclusión de compuestos antimicrobianos, edad de las aves, etc, afectarán la respuesta del animal a la actividad de la enzima en su substrato, por lo que es importante conocer cómo trabaja la enzima y cómo afectará el ambiente intestinal. Al entender esto, será posible utilizar esta herramienta de una manera más rentable. Referencias: - Bedford, M.R., et al., Exogenous enzymes for pigs and poultry. Nutrition 11: 91-114, 1998 - Bedford, M.R., et al., Implications of diet and enzyme supplementation on the microflora of the intestinal tract. Advances in Nutritional Technology, 2001; - Black, J., Premium grains for livestock program, 2008;
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