Unidad 3: BIOQUÍMICA METABÓLICA APLICADA

Unidad 3: BIOQUÍMICA METABÓLICA APLICADA
Capítulo 7: Bioquímica de Forrajes
Lección 31. Fotosíntesis, Redes alimentarias y flujo de energía
Siguiendo la pista a la fuente última de energía utilizada por un organismo determinado en
su hábitat natural, por ejemplo un zorro en un dominio dado de bosque, encontraríamos
que existe una jerarquía de organismos, llamada cadena alimentaria, o trófica, que provee
al zorro de la energía y de los materiales necesarios para sustentar su vida. Esta cadena
alimentaria podría empezar con las células fotosintéticas de las plantas verdes, que
convierten el Gas carbónico (CO2) en material celular nuevo. La planta puede, a su vez,
ser consumida por larvas de insectos que, del mismo modo, pueden ser consumidas por
sapos o pájaros que, a su vez pueden ser consumidos por el zorro. En una comunidad
ecológica dada de organismos vivos, se interconectan entre sí muchas cadenas
alimentarias individuales, formando lo que se llama una red alimentaria ó red trófica.
Tal red alimentaria está formada por varias capas de organismos. En primer lugar,
tenemos a los productores, aquellas células que pueden utilizar las formas más simples
del carbono procedentes del medio ambiente, tales como el (CO2), Después, tenemos una
capa primaria de consumidores, que se alimentan de los productores, seguida de
ulteriores capas de consumidores. Finalmente, para completar el ciclo, están los
desintegradores: bacterias y hongos, que provocan la descomposición y putrefacción de
los consumidores muertos y que, de este modo, devuelven al suelo y a la atmosfera
formas simples de carbono. Los organismos vivos se pueden clasificar en dos grandes
grupos según su posición en la red alimentaria: autótrofos y heterótrofos. Organismos
autótrofos (el término significa que se autoalimentan) son aquellos que pueden utilizar
formas simples de carbono, a partir de los cuales elaboran todos sus componentes
celulares. Los productores situados en la base de la red alimentaria son autótrofos; entre
ellos están incluídas muchas bacterias y algas, así como pantas superiores. Los
organismos heterótrofos (que se alimentan por otros ), por otra parte, no pueden utilizar
formas simples de carbono, tales como (CO2), y que requieren formas más complejas:
moléculas orgánicas como la glucosa(C 6H12O6). Los consumidores y desintegradores de
la red alimentaria son heterótrofos y dependen, en última instancia, de los autótrofos para
generar los complejos nutrientes que necesitan.
1
Examinemos ahora esta red alimentaria e investiguemos las fuentes de energía para
cada capa de organismos. Al hacerlo, encontraremos que la gran mayoría de los
organismos autótrofos productores obtienen su energía de la luz solar, la cual utilizan para
convertir el Gas carbónico en materiales celulares más complejos mediante la
fotosíntesis. Así, la mayor parte de los productores son autótrofos fotosintéticos. Pero
cuando examinamos las capas sucesivas de consumidores, encontramos que ninguna de
ellas tiene la capacidad de utilizar energía luminosa. Más bien, la mayor parte de ellos
obtienen la energía que necesitan mediante la combustión de moléculas orgánicas
complejas, tales como la glucosa, obtenidas a partir de los productores que ellos
consumen. En este proceso, que requiere Oxígeno y que se llama respiración, la molécula
sencilla y pequeña de anhídrido carbónico (CO2), es el producto final. Las células
heterotróficas, por lo tanto obtienen energía mediante la degradación de moléculas
nutrientes complejas a formas más simples
En cada nivel de la red alimentaria se consume energía para realizar diversas clases de
trabajo biológico, tal como la síntesis de material celular nuevo a partir de precursores
simples, el movimiento de materiales en contra de gradientes y el trabajo de contracción o
movimiento. Sin embargo, en cada nivel de la red alimentaria encontramos que hay
pérdidas por degradación, de tal modo que cada vez que tiene lugar algún proceso físico
o químico hay una conversión incompleta de energía de una clase en otra. Como
resultado, parte de la energía hecha aprovechable para cada capa de organismos es
disipada en el medio y, por lo tanto no es utilizable para realizar trabajo. Solamente una
pequeña fracción de la energía solar absorbida por los productores en la capa básica de
la red alimentaria alcanza siempre a la capa superior de los últimos consumidores a
medida que estos consumidores últimos mueren y sus tejidos son degradados a
productos orgánicos simples por los desintegradores, la energía de nuevo se pierde y se
disipa en el medio. En definitiva, el flujo de energía que parte del sol y que corre a través
de la red alimentaria se dispersa finalmente en el medio, generando la denominada
entropía.
ENERGIA SOLAR Y FOTOSÍNTESIS
La luz sola visible, fuente de toda la energía biológica, es una forma de energía
electromagnética o radiante que, en la última instancia, surge de la energía nuclear. A la
temperatura inmensamente elevada del sol, la cual se cree que es de varios millones de
grados centígrados, una parte de la enorme energía encerrada en el núcleo de los átomos
2
de hidrógeno es liberada a medida que estos últimos se convierten en átomos de helio
(He) y positrones, mediante fusión termonuclear. En este proceso se libera un cuanto de
energía en forma de radiación gamma. El cuanto se presenta por el termino (h), en el
cual h es la constante de planck y  es la frecuencia de la radiación gamma. Después de
una compleja serie de reacciones en las cuales la radiación gamma es absorbida por los
positrones, gran parte de la energía de la radiación gamma es emitida en forma de
fotones o cuantos de energía luminosa. Las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar
en el sol son, en última instancia, la fuente de toda la energía biológica sobre la tierra.
En general, tendemos a asociar el término (fotosíntesis) con el mundo visible de las
plantas superiores: pastos, cultivos herbáceos y árboles. Pero esos organismos
fotosintéticos macroscópicos realmente no constituyen sino una pequeña fracción de
todos los organismos conocidos capaces de fotosintetizar. Se ha estimado que un 90 por
100 de las fotosíntesis que se lleva a cabo sobre la tierra es realizado en el mar por
diversas clases de microorganismos entre los que se incluyen las bacterias, algas,
diatomeas y dinoflagelados.
Existe otro error común en torno a la fotosíntesis de las plantas superiores, no todas las
células de las raíces, los tallos y los frutos de las plantas son capaces de fotosintetizar:
son heterotróficas y, por lo tanto, se parecen a las células animales. Solamente las células
que poseen el pigmento verde de la clorofila pueden llevar a cabo dicho proceso. Por otra
parte, en la oscuridad, cuando no se dispone de energía solar, incluso estas células
funcionas como las células heterotróficas: deben oxidar parte de su glucosa, a expensas
del Oxígeno, para obtener energía en la oscuridad.
La fotosíntesis consiste en la absorción de la energía radiante por la clorofila y otros
pigmentos, seguida de la conversión de la energía luminosa absorbida en energía
química, y la utilización de esa energía química para la reducción del anhídrido carbónico
absorbido de la atmosfera para formar glucosa. En la mayor parte de los organismos
fotosintéticos, en particular las plantas superiores, el Oxígeno molecular(O2) es el otro
producto final importante, pero en otras, tales como las bacterias fotosintéticas, no se
forma Oxígeno. La forma más simple de la ecuación global para la formación fotosintética
de glucosa y Oxígeno a partir de anhídrido carbónico (Dióxido de Carbono) y agua en las
plantas superior es:
3
Radiación
UV
6CO2 + 6H2O + 686kcal
E=h
C6H12O6 + 6O2
Donde 686 Kcal, representa la cantidad mínima de energía útil que debe ser
proporcionada por la luz solar absorbida para lograr la formación de un mol de glucosa a
partir de un mol de CO2 y otro de H2O en condiciones estándar. En termodinámica
química la unidad básica de energía es la caloría- gramo y se define como la cantidad de
energía requerida, en forma de calor, para elevar la temperatura de 1g de agua a 15°C,
exactamente en 1°C. La gran cantidad de energía necesaria para que tenga lugar la
fotosíntesis es suministrada por la energía luminosa captada por la clorofila de las hojas.
La ecuación fotosintética puede volver a escribirse, de modo que indique que la fuente de
energía son los cuantos luminosos: nh , como sigue.
6CO2 + 6H2O + nh
Radiación UV
E=nh
C6H12O6 + 6O2
Esta ecuación nos da solamente una visión global del proceso fotosintético; no dice nada
acerca del mecanismo o del camino por el cual tiene lugar. Realmente, la fotosíntesis en
las células de las plantas es un proceso mucho más complejo que lo que esta ecuación
de apariencia sencilla puede sugerir. Existen más de un centenar de RBE consecutivas en
la producción fotosintética de glucosa a partir de anhídrido carbónico y agua, cada uno de
las cuales está catalizada por una molécula enzimática especifica, las cuales están
agrupadas en dos etapas claves: Reacciones de Fase lumínica y Reacciones del Ciclo de
Calvin
La glucosa no es el único producto de la fotosíntesis. Durante dicho proceso se sintetizan
también otros componentes carbonados de las células vegetales, tales como la celulosa,
proteínas y lípidos. Todas estas sustancias, ricas en energía química, son utilizadas
posteriormente como fuente de energía por los organismos heterotróficos, es decir, por
los consumidores que se alimentan de plantas verdes.
Lección 32. RESPIRACION EN CELULAS HETEROTRÓFICAS
4
La fase siguiente en el flujo de la energía biológica es la utilización de la energía de los
carbohidratos, grasas y proteínas producidas en la fotosíntesis por los organismos
heterótrofos, que oxidan estos materiales por medio del Oxígeno. Realmente, los
organismos heterótrofos necesitan los complejos productos de la fotosíntesis por dos
razones. En primer lugar, necesitan la energía química que pueden obtener por
degradación de las estructuras complejas de alta energía de moléculas tales como la
glucosa. Pero los heterótrofos necesitan también complejos compuestos de carbono, tales
como la glucosa, como unidades estructurales para la síntesis de sus propios
componentes celulares, ya que son incapaces de utilizar el anhídrido carbónico con este
fin. Entre los heterótrofos están incluÍdos todos los organismos del reino animal, muchas
bacterias y hongos, así como muchas células del reino vegetal. Se estima que más del 90
por 100 de todo el Oxígeno consumido por todos los heterótrofos es utilizado por
microorganismos invisibles del suelo y del mar.
La mayor parte de las células heterotróficas utilizan el Oxígeno que toman de la atmosfera
para oxidar la glucosa y otros nutrientes, dando lugar a los productos finales estables,
anhídrido carbónico y agua. Sin embargo, algunos heterótrofos son incapaces de utilizar
el Oxígeno; degradan la glucosa en compuestos más simples, tales como el acido láctico:
H3C-CH (OH)-COOH, en ausencia de Oxígeno, en el proceso llamado fermentación. Los
productos de la fermentación, tales como el acido láctico, son posteriormente oxidados
hasta CO2 y H2O por otros organismos heterotróficos, en particular, aquellos que utilizan
Oxígeno. En definitiva, las células del mundo heterotrófico llevan a cabo la oxidación
completa de los nutrientes orgánicos producidos por los autótrofos hasta convertirlos en el
producto final, anhídrido carbónico. En el proceso global, mediante el cual las moléculas
de alimentos son oxidadas por las células heterotróficas a expensas del Oxígeno, recibe
el nombre de respiración.
La ecuación química para la oxidación de la glucosa durante la respiración es :
C6H12O6 + 6O2
RBE
Mitocondria
6CO2 + 6H2O + 38ATP
Vemos inmediatamente que esta ecuación es la inversa de la correspondiente a la
fotosíntesis. Por otra parte, observamos que la combustión completa de un mol de
glucosa puede producir un máximo de 38ATP de energía química útil.
5
Aunque la
ecuación química de la respiración parece sencilla, no nos dice nada acerca de los
mecanismos o del camino seguido por la respiración en las células heterotróficas.
Realmente, hay más de 70 reacciones Bioquímicas enzimáticas (RBE) consecutivas en la
oxidación de la glucosa en las células heterotróficas, las cuales se desarrollan en los
procesos catabólicos celulares como: Glucólisis, Betaoxidación de ácidos grasos,
desaminación y transaminación oxidativa, lipólisis, Ciclo de Krebs y Fosforilación
Oxidativa (Adaptado de Lehninger.,1975, por el autor)
Lección 33. Fijación Biológica del Nitrógeno (FBN)
A pesar de que la atmósfera de la tierra posee un 78% del Nitrógeno gaseoso (N 2), siendo
el principal reservorio de este elemento, este se encuentra en cantidades reducidas en los
organismos , especialmente en las plantas. Sin embargo, como la mayoría de los seres
vivos no pueden utilizar dicho
nitrógeno atmosférico para biosintetizar aminoácidos,
proteínas y otros compuestos nitrogenados, entonces, dependen del nitrógeno presente
en los minerales del suelo. En consecuencia, a pesar de esta abundancia de nitrógeno en
la atmósfera, la escasez de nitrógeno en el suelo constituye un factor limitante para el
crecimiento y desarrollo
de las plantas. Es importante anotar que tan sólo ciertos
microorganismos son capaces de asimilar nitrógeno molecular transformándolo en
biomoléculas utilizables para ellas (Bidwell, R., 1989). El proceso a través del cual circula
nitrógeno a través del mundo orgánico y el mundo físico se denomina ciclo del
nitrógeno. Este ciclo consta de las siguientes etapas:
Fijación biológica del nitrógeno (FBN):Es un proceso simbiótico reductivo dado en
bacterias fijadoras como las del género Rhizobium, que viven en nódulos de las raíces de
leguminosas y de algunas plantas leñosas ó las cianobacterias que son propias de
ambientes acuáticos. La FBN , consiste en la conversión del nitrógeno gaseoso (N2)
mediante la enzima nitrogenasa que cataliza la ruptura del triple enlace ,hasta producir
amoníaco (NH3), forma utilizable para los organismos. La ecuación química es la
siguiente:
-
N2 + 8e + 16 Mg ATP + 16 H2O Nitrogenasa
Raices
6
2NH3 + H2 + 16 Mg ADP + 16 Pi + 8
Donde :
e- = electrones; Mg= Magnesio ; ATP =Adenosín trifosfato ; ADP =Aenosín Difosfato ; Pi =
Fosfato inorgánico
Nitrificación: proceso de oxidación del amoníaco realizado por dos tipos de bacterias:
Nitrosomonas y Nitrobacter (comunes en el
suelo). Dicho proceso ocurre en dos
etapas:
A. Nitrosación: Producción de Nitrito (NO2-)
Las bacterias nitrosomas oxidan el amoníaco produciendo nitrito (NO2-) , hidrógenos y
agua; los H+ son utilizados en el metabolismo bacteriano para generar moléculas
energéticas de ATP ; La ecuación química del proceso es como sigue:
+
2 NH3 + 3 O2(g)
Nitrosomas
-
2 NO2 + 2
H + 2 H2O
B. Nitratación : Producción de Nitrato (NO3-)
Como el nitrito es un ión tóxico para las plantas limitando la mayoría de cultivos
nitrobacter lo continúan oxidando
, las
, hasta generar el ión nitrato, el cual es fácilmente
asimilado por las plantas; la ecuación es la siguiente:
-
2 NO2 + O2 (g)
Nitrobacter
anteriormente se puede observar en la figura 4:
7
2 NO3
-
Lo
descrito
Figura 4:Etapas dadas en el ciclo del Nitrógeno (Tomado de:
http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/ciclo-del-nitrogeno )
Asimilación: las raíces de las plantas absorben el amoníaco (NH3) o el nitrato (NO3 -), e
incorporan el nitrógeno en proteínas, ácidos nucleicos y clorofila. Cuando los animales se
alimentan de vegetales consumen compuestos nitrogenados vegetales y los transforman
en compuestos nitrogenados animales.
Amonificación: consiste en la conversión de compuestos nitrogenados orgánicos en
amoníaco, se inicia cuando los organismos producen desechos como urea (orina) y ácido
úrico (excreta de las aves), sustancias que son degradadas para liberar como amoníaco
el nitrógeno en el ambiente abiótico. El amoníaco queda disponible para los procesos de
nitrificación y asimilación. El nitrógeno presente en el suelo es el resultado de la
descomposición de materiales orgánicos y se encuentra en forma de compuestos
orgánicos complejos, como proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos y nucleótidos, que
son degradados a compuestos simples por microorganismos - bacterias y hongos - que se
encuentran en el suelo. Estos microorganismos usan las proteínas y los aminoácidos para
producir sus propias proteínas y liberan el exceso de nitrógeno en forma de amoníaco
(NH3) o ion amonio (NH4+).
Desnitrificación: es el proceso que realizan algunas bacterias ante la ausencia de
oxígeno, degradan nitratos (NO3 -) liberando nitrógeno (N2) a la atmósfera a fin de utilizar
el oxígeno para su propia respiración. Ocurre en suelos mal drenados.
8
A pesar de las pérdidas de nitrógeno, el ciclo se mantiene gracias a la actividad de las
bacterias fijadoras de nitrógeno, capaces de incorporar el nitrógeno gaseoso del aire a
compuestos orgánicos nitrogenados. En los sistemas naturales, el nitrógeno que se pierde
por desnitrificación , lixiviación, erosión y procesos similares es reemplazado por el
proceso de fijación y otras fuentes de nitrógeno. La interferencia antrópica (humana) en el
ciclo del nitrógeno puede, no obstante, hacer que haya menos nitrógeno en el ciclo, o que
se produzca una sobrecarga en el sistema. Por ejemplo, los cultivos intensivos, su
recogida y la tala de bosques han causado un descenso del contenido de nitrógeno en el
suelo (algunas de las pérdidas en los territorios agrícolas sólo pueden restituirse por
medio de fertilizantes nitrogenados artificiales, que suponen un gran gasto energético).
Por otra parte, la lixiviación del nitrógeno de las tierras de cultivo demasiado fertilizadas, la
tala indiscriminada de bosques, los residuos animales y las aguas residuales han añadido
demasiado nitrógeno a los ecosistemas acuáticos, produciendo un descenso en la calidad
del agua y estimulando un crecimiento excesivo de las algas. Lo analizado anteriormente
, se resume en la figura 5:
Figura 5 : Resumen esquemático del ciclo del Nitrógeno (Tomado de :
http://roble.pntic.mec.es/~mbedmar/iesao/quimica/ciclodel.htm)
Lección 34. Forrajes : composición y análisis químico proximal
EVALUACIÓN PROXIMAL DE TRES ESPECIES
CON POTENCIAL FORRAJERO
Puerto, Luz1 ; Granados, Jairo 2; Barreto, Leonor3
1,2,3
, Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente. ECAPMA-UNAD,
2010.
9
RESUMEN
Se evaluó la composición fitoquímica de dos especies leguminosas y una herbácea, con
el fin de conocer diferencias asociadas a la zona lumínica de muestreo (zona alta o
fototrópica, zona media y zona baja o geotrópica). Se escogieron las leguminosas Acacia
negra (Acacia decurrens), Matarratón (Gliricidia sepium) y la herbácea Botón de Oro
(Tithonia diversifolia), las cuales fueron evaluadas en el laboratorio de nutrición animal de
la Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD) Sede Bogotá D.C. Colombia,
mediante un diseño totalmente aleatorizado y tres réplicas por zona lumínica de cada
especie. Los contenidos que presentaron un nivel significativamente superior al resto
fueron para los contenidos de materia seca para Acacia decurrens con 45,60%, cenizas
para Tithonia diversifolia con 11,36%, materia orgánica para Acacia decurrens con
95,68%, nitrógeno total para Tithonia diversifolia con 2,58%, y proteína cruda fueron
mayores en Tithonia diversifolia con (16,15%), seguido de Gliricidia sepium con (13,48%)
y Acacia decurrens con (13,47%). Por lo tanto estas especies constituyen buenas
alternativas como suplemento en los sistemas de producción ganadero en el trópico
Colombiano.
Palabras clave: Leguminosas, Herbácea, composición química, materia seca, cenizas, materia
orgánica, nitrógeno total y proteína cruda.
INTRODUCCIÓN
Estas especies son conocidas por los ganaderos pero poco utilizadas, tal vez debido al
desconocimiento acerca de sus propiedades proteicas, minerales y vitamínicas,
adaptación, buen rendimiento de biomasa y rápida recuperación después del corte,
resistencia a la sequia, asociación con otras especies arbóreas, mejoramiento del suelo,
y lo mejor siendo fuentes generadoras de oxigeno y de agua; además del ahorro por
concentrado que se tendría en el consumo en grandes y pequeñas producciones
agropecuarias. Estas especies se encuentran usualmente en los caminos de las
carreteras, actúan como barreras rompevientos y heladas, cercas vivas, plantas de
adorno debido a su belleza, son muy fructíferas en época de verano; pueden ser
suministradas en pastoreo o como forraje en hoja verde, en ensilaje, en hoja seca o
molida. Es posible su almacenamiento por largos periodos; son un excelente alimento
para los animales, dando como resultados aumento en la producción y calidad de la
leche, aumento de fertilidad, calidad en cuanto a pigmentación de huevos y carne. Es un
reto el uso de estas plantas arbóreas especialmente en la ganadería colombiana, las
cuales al ser incluidas en la dieta animal se generaría una reducción en los costos
además de ofrecer alternativas ecológicamente razonables y eficientes con el medio
ambiente.
El propósito del presente trabajo fue evaluar la composición del análisis químico proximal
el cual incluye: materia seca cenizas, materia orgánica, nitrógeno total y proteína cruda
10
de tres especies potencialmente forrajeras como son de clima frío Acacia decurrens y de
clima templado Tithonia diversifolia y Gliricidia sepium.
MATERIALES Y MÉTODOS
Características de la zona de muestreo
La recolección del material vegetal se realizo así: Acacia decurrens (municipio Bojacá
Cundinamarca, finca Acapulco, con 2598 msnm y temperatura media 14ªC), Tithonia
diversifolia (municipio Silvania Cundinamarca, orilla de la carretera, con 1470 msnm y
temperatura media 20ªC) y Gliricidia sepium (municipio La Mesa Cundinamarca, Finca
Orquídeas, con 1198 msnm y temperatura media 20ªC).
Recolección y preparación de las muestras
Las muestras de las hojas fueron seleccionadas al azar por cada zona lumínica de la
planta como son: alta o fototrópica, media y baja o geotrópica, fueron secadas a
temperatura ambiente, colocadas en bolsas de papel y rotuladas de acuerdo a la zona
lumínica de muestreo, para su posterior análisis en el laboratorio de la Universidad
Nacional Abierta y a Distancia (UNAD).
Las muestras fueron recolectadas en los meses de abril, mayo y junio de 2009, en esta
época se observo un verano prolongado. La edad de las plantas no fue determinada, sin
embargo se cree que las especies Acacia decurrens y Tithonia diversifolia eran plantas
maduras y la especie Gliricidia sepium tenia aproximadamente un año según comentario
del propietario de la finca donde se recolecto la muestra.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis Proximal
En la tabla 1 se muestran los resultados obtenidos de los análisis en las especies
evaluadas.
Tabla 1. Composición bromatológica de análisis proximal
Especie
A.
decurrens
T.
diversifoli
a
G. sepium
EEM
MS
Cz
MO
NT
PC
-----------45,60a
--------------4,32a
(%)
----------------
95,68a
-----------2,15a
28,43a
11,36b
88,64b
2,58a
16,15a
30,37b
0,387
8,25c
0,387
91,75c
0,387
2,16b
0,052
13,48b
0,327
13,47a
(MS)=Materia seca, (Cz)=Cenizas, (MO)=Materia orgánica, (NT)= Nitrógeno total, (PC)=Proteína
cruda. Distintas letras en una columna indican diferencias significativas en las medias (P<0.05).
EEM: Error estándar de la media.
11
Materia Seca (MS). El análisis de varianza muestra que se presentaron diferencias
altamente significativas (P<0,01) entre los promedios de las medias de las especies
trabajadas. Los promedios indican que la mayor especie que tuvo materia seca fue Acacia
decurrens con 45,60%, seguido de Gliricidia sepium con 30,37% y Tithonia diversifolia con
28,43%, la especie Acacia decurrens tiene mayor porcentaje de materia seca que
Gliricidia sepium y Tithonia diversifolia. Acacia decurrens supera a Gliricidia sepium en un
15.23% mientras que la diferencia con Tithonia diversifolia es de 17,17%. Los datos
encontrados son similares a los reportados por (Londoño y Velasquez,1999) con 48,72%
para Acacia decurrens, (Rosales, 1992) con 23% para Tithonia diversifolia, y (Laredo y
Cuesta,1990) con 24,9% para Gliricidia sepium. (Gráfica 1).
En cuanto a la prueba Duncan se analizó medidas en una columna con diferente letra,
indicando diferencia estadística (P<0,05).
60%
50%
%Materia Seca
48,72%
45,60%
40%
28,43%
23,00%
30%
30,37%
24,90%
20%
10%
0%
-10%
Fototropica
Media
Geotropica
Gráfica 1. Promedio comparativo %Materia Seca
Cenizas (Cz). El análisis de varianza muestra que se presentaron diferencias altamente
significativas (P<0,01) entre los promedios de las medias de las especies trabajadas. Los
promedios muestran que la mayor concentración de cenizas la tuvo la especie Tithonia
diversifolia con 11,36% seguido de Gliricidia sepium con 8,25% y luego Acacia decurrens
con 4,32% lo que demuestra que la especie Tithonia diversifolia, contiene un mayor
contenido de minerales que Gliricidia sepium y Acacia decurrens. Tithonia diversifolia
supera a Gliricidia sepium en un 3,11% mientras que la diferencia con Acacia decurrens
es de 7,04%. Los datos encontrados son similares a los reportados por (Carvajal T,1999)
con 4,29% para Acacia decurrens; mayores a los reportados (Navarro,1990) con 9,42%
para Tithonia diversifolia y similares a los reportados por (Laredo y Cuesta,1990) con
8,90% para Gliricidia sepium. (Gráfica 2).
12
%Cenizas
15%
11,36%
9,42%
10%
5%
8,25% 8,90%
4,32% 4,29%
0%
Fototropica
Media
Geotropica
Gráfica 2. Promedio comparativo % Cenizas
Materia Orgánica (MO). El análisis de varianza muestra que se presentaron diferencias
altamente significativas (P<0,01) entre los promedios de las medias de las especies
trabajadas. Los promedios indican que la mayor cantidad de materia orgánica se encontró
en la especie Acacia decurrens con 95,68% seguido de Gliricidia sepium con 91,75% y
por último de Tithonia diversifolia con 88,64%, lo que demuestra que la especie Acacia
decurrens, contiene un mayor contenido de materia orgánica que Gliricidia sepium y
Tithonia diversifolia. Acacia decurrens supera a Gliricidia sepium en un 3,93% mientras
que la diferencia con Tithonia diversifolia es de 7,04%. Los datos encontrados son
similares según los reportados por (Carvajal, T.) con 95,18% para Acacia decurrens.
(Gráfica 3).
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
95,68% 95,18%
Fototropica
%Materia Orgánica
88,64%
78,59%
Media
91,75%
Geotropica
Gráfica 3. Promedio comparativo %Materia Orgánica
13
Nitrógeno total (NT). El análisis de varianza muestra que se presentaron diferencias
significativas (P<0,05) entre los promedios de las medias de las especies trabajadas. Los
promedios enseñan que la mayor concentración de nitrógeno total se presento en la
especie Tithonia diversifolia con 2,58% seguido por Gliricidia sepium con 2,16% y por
último Acacia decurrens con 2,15%, lo que demuestra que la especie Tithonia diversifolia,
contiene un mayor contenido de nitrógeno total que Gliricidia sepium y Acacia decurrens.
Tithonia diversifolia supera a Gliricidia sepium en un 0,42% mientras que la diferencia con
Acacia decurrens es de 0,43%. (Gráfica 4).
%Nitrógeno Total
3,00%
2,58%
2,50%
2,16%
2,15%
2,00%
1,50%
1,00%
0,50%
0,00%
Adta
Promedio
Fototropica
Tdtm
Promedio
Media
Gstm
Promedio
Geotropica
Gráfica 4. Promedio comparativo %Nitrógeno Total
Proteína Cruda (PC). El análisis de varianza muestra que se presentaron diferencias
significativas (P<0,05) entre los promedios de las medias de las especies trabajadas. Los
promedios indican que la mayor concentración de proteína cruda se presento en la
especie Tithonia diversifolia con 16,15% seguido de Gliricidia sepium con 13,48% y luego
por Acacia decurrens con 13,47%, lo que demuestra que la especie Tithonia diversifolia,
contiene un mayor contenido de proteína cruda que Gliricidia sepium y Acacia decurrens.
Tithonia diversifolia supera a Gliricidia sepium en un 2,67% mientras que la diferencia con
Acacia decurrens es de 2,68%.
Los datos encontrados son similares según los
reportados por (Londoño et al.,1999) con 14,86% para Acacia decurrens, (Navarro et
al.,1990) con 14,84% para Tithonia diversifolia, y (Rosales et al., 1996) con 14,7% para
Gliricidia sepium . (Gráfica 5).
14
20,00%
15,00%
%Proteina Cruda
14,86%
13,47%
16,15%
14,84%
14,70%
13,48%
10,00%
5,00%
0,00%
Fototropica
Media
Geotropica
Gráfica 5. Promedio comparativo %Proteína Cruda
Conclusiones y Recomendaciones
Las especies estudiadas constituyen una importante fuente de forraje en la alimentación
animal, especialmente de rumiantes, ya que los contenidos de proteína cruda fueron
considerables, en donde se presento mayor porcentaje en la especie Tithonia diversifolia
con (16,15%), seguido de Gliricidia sepium con (13,48%) y Acacia decurrens con
(13,47%).
Estadísticamente se observaron diferencias significativas (P<0,05) y altamente
significativas (P<0,01) entre especies; con respecto a las zonas no se observaron
diferencias estadística (P>0,05) para los análisis bromatológicos. Esto significa que se
presentan diferencias entre las especies, pero no se presentan diferencias entre las zonas
de cada especie.
Se recomienda el uso de estas tres especies en sistemas silvopastoriles, ya que ayudan a
favorecer la composición química de los pastos, hay sombra para el pasto y los animales,
disminución de temperatura, disponibilidad de nutrientes y de agua, existiendo así
mejoras en la fertilidad del suelo; además de incrementar significativamente las
contribuciones económicas y sociales, que son fundamentales para el proceso de cambio.
Se recomienda diseñar y evaluar dietas para rumiantes y monogástricos con estas
especies arbóreas, con el fin de determinar el valor nutritivo, rendimiento y producción en
la alimentación animal como: gallinas ponedoras, pollo engorde, cerdos, rumiantes y
otros.
Lección 35. Bioquímica del ensilaje
Análisis químico de ensilajes de cogollo de caña, inoculados con dos clases de bacterias
ácido lácticas
Jairo E. Granados* José D. Neva**. Departamento de Química, Facultad de Ciencias Agrarias. UNAD,
Bogota D.C. Colombia. Calle 14 S Nº 14-23. *Docente15
MSc. ECAPMA; [email protected]. **
Zootecnista UNAD
PALABRAS CLAVES: Ensilaje, lactobacillus, ácido láctico, cogollo de caña
Introducciòn: El ensilaje es una técnica de conservación de forrajes o productos
agrícolas basado en los procesos bioquímicos de fermentación de carbohidratos solubles
(CHOS), presentes en la microflora epifítica del forraje, que produce principalmente ácido
láctico (Davies et al., 1998). Este método, permite mantener la calidad nutricional que
tenía el forraje en el momento de corte, lo cual depende de factores como: concentración
y disponibilidad de CHOS, tipo de bacterias ácido lácticas epifíticas y la cantidad de
microorganismos indeseables, como la enterobacteria y el clostridium presentes en el
material que se ensila (Davies et al., 1998). En este experimento se evaluò la inclusión de
dos tipos de bacterias ácido lácticas en ensilajes de cogollo de caña y su efecto en la
producción de ácidos láctico y acético, lo mismo que en la reducción del pH, cambios en
la cantidad de proteína cruda, CHOS, materia seca y porcentaje de cenizas.
Metodología: El experimento se desarrollò en dos etapas: 1. Preparación de 25
ensilados a partir de cogollo de caña tipo panelera fresca tipo Puerto Rico, que presentó
un 8.10% de CHOS, los cuales se distribuyeron en un diseño al azar constituido por cinco
tratamientos y cinco réplicas por cada uno. Los componentes utilizados en la preparación
de los ensilajes experimentales que constituyeron cada tratamiento, se muestran en la
Tabla 1.
TABLA 1. Tratamientos utilizados en el experimento
Component
e
T1
T2
T3
T4
T5
Cogollo (Kg)
Melaza (Kg)
Agua (Kg)
Urea (Kg)
Inóculo
A*(g/dL)
Inóculo B
*(g/dL)
100.0
3.0
3.0
0.5
0.0
0.0
100
.0
3.0
3.0
0.5
0.5
0.0
100
.0
3.0
3.0
0.5
1.5
0.0
100.
0
3.0
3.0
0.5
0.0
0.5
100.
0
3.0
3.0
0.5
0.0
1.5
*IA: Lactobacillus plantarum, estreptococus faecium, pediococcus acidoláctico + complejo
enzimático: Celulasa, amilasa y pentosana. *IB: Lactobacillus faecium; estreptococcus
acidoláctico+complejo celulasa-amilasa
Análisis químicos en el laboratorio:
Al final del experimento (40 días), se tomaron porciones iguales de cada réplica,
aproximadamente 500 g del ensilado. Para efectuar análisis de materia seca (MS);
humedad (H); Cenizas (CZ); Nitrógeno (N); pH, carbohidratos solubles (CHOS); ácido
láctico (AL); y ácido acético (AA). Esto se realizò según técnicas analíticas de la AOAC
(1988).
Resultados y Discusión
16
Los datos provenientes de las variables estudiadas, fueron analizadas por medio del
paquete estadístico SPSS para Windows Versión 10.0. Se utilizò el análisis de varianza
(ANAVA) en una sola vìa, para detectar las diferencias estadísticas entre los tratamientos.
Además, se aplicaron pruebas de comparaciones múltiples de Tukey y 6 contrastes
ortogonales.
Los resultados, mostraron un incremento de la concentración de ácido láctico en los
ensilados T2, T3, T4 y T5 a expensas del descenso en el nivel de carbohidratos solubles de
cada tratamiento. Dicha reducción fue lineal (r 2 = 0.912) y significativa (p<0.05) con
respecto a la producción de ácido láctico. Además, la disminución del pH fue causada
por el incremento altamente significativo (p<0.01) del A.L. En los ensilajes tratados con el
inòculo A. Este comportamiento se puede explicar por la probable acciòn conjunta de
celulasas amilasas, pentosanas y bacterias ácido lácticas, sobre los procesos de hidrólisis
y fermentación anaeróbica de los carbohidratos solubles presentes en el material
ensilado, hasta producir gran cantidad de ácido láctico y en algunos casos ácido acético
(Méndez, 1989).
En general los inóculos bacterianos incrementaron la materia seca y el porcentaje de
cenizas de los ensilados, lo cual causó una disminución apreciable de su humedad y un
aumento significativo (p<0.05) de la proteína cruda.
Se concluyó que el inòculo A, adicionado en el nivel 1.5 g/dL, generó una mayor
preservación y calidad nutricional de los ensilados de cogollo de caña, demostrado en la
recuperación de materia seca, aumento en la proteína cruda, notable degradación de los
carbohidratos solubles e incremento significativo del ácido láctico y disminución del pH.
Referencias
Association of analytical chemists. 1980. oficial methods of análisis. 12th ed. AOAC.
Washington, D.C.
Alltech, Inc. 1999. Biotechnology Center. Bacterias y enzimas para conservación de
ensilajes. Nicholasville, K.Y. 40356.
Davies, D.R. J. merry, A.P. williams. E.L. Bakewell. D-K- Leemans and J.K.S. Tweed:
1998. Proteolysis during Ensilaje of Forages Varying in soluble sugar content. J. Dairy,
SCi, 81: 444-453.
Dubois, M.K.A. Guilles, J.K. Harnilton, P.A. Rebers and F. Smith. 1956. Colorimetric
method for determination of sugars and related substances anal chem. 28:350-356.
Méndez, G. 1989. curso de ensilajes I.C.A. Tibaitatá. Bogotá D.C. – Colombia.
Capítulo 8. Metabolismo primario en animales y plantas
(Tomado y adaptado de: Aurora Hilda Ramírez-Pérez y Silvia E. Buntinx Dios
http://amaltea.fmvz.unam.mx/textos/alimenta/MET_CHO_LIP_PRO2.pdf)
Introducción: El metabolismo es el ensamble de las transformaciones moleculares y de
transferencia de energia que se desarrollan sin interrupciones dentro de la celula o del
organismo. Los procesos son ordenados, interviniendo procesos de degradación
17
(catabolismo) y de síntesis orgánica (anabolismo). Se puede distinguir el metabolismo
basal (durante el sueño) y el metabolismo en actividad (actividad cotidiana).Toda actividad
celular y del organismo requiere de energía, pero también, de nutrimentos específicos
(proteinas, ácidos nucleícos, lípidos, minerales, vitaminas), que deben moverse a través
de membranas, con frecuencia contra un gradiente de concentración, lo que implica un
gasto importante de energía. Los niveles de energía y las concentraciones de nutrimentos
deben estar disponibles constantemente y deberán satisfacer la tasa de actividad y sus
variaciones. Los organismos deben regular sus actividades metabólicas económicamente
para evitar deficiencias o excesos de productos metabólicos. El organismo debe ser
flexible para poder alterar su metabolismo ante cambios significativos en su medio
(variaciones en las concentraciones o en el tipo de nutrientes).
Lección 36. Metabolismo de carbohidratos: Glucólisis y Vía Pentosa Fosfato
Los carbohidratos de la ración proporcionan mas del 50% de la energía necesaria para el
trabajo metabólico, el crecimiento, la reparación, la secreción, la absorción, la excreción y
el trabajo mecánico.
El metabolismo de carbohidratos incluye las reacciones que experimentan los de orígen
alimentario o los formados a partir de compuestos diferentes a estos La oxidación de este
tipo de glúcidos proporciona energia, se almacenan como glucógeno, sirven para la
síntesis de aminoácidos no esenciales.
Glucólisis (Vía de Embden-Meyerhof)
La glucólisis es un proceso común a todas las células, es la principal vía metabólica de
utilización de hexosas, principalmente glucosa pero también directamente de la fructosa y
de la galactosa. El conjunto de las reacciones permiten oxidar parcialmente la glucosa
para formar piruvato con el objeto de liberar energía para sintetizar ATP. Esta vía se
desarrolla totalmente en el citoplasma celular en condiciones anaeróbicas o aeróbicas.
Pueden considerarse dos fases dentro de esta vía.
1. La primera parte o fase preparativa, la glucosa es activada y para ello se emplean dos
ATP. Los enzimas hexocinasa y glucosinasa son responsables de la conversión de
glucosa a glucosa 6-P. La hexocinasa se encuentra en todos los tejidos, tiene una gran
afinidad por la glucosa y otras hexosas, puede llevar a cabo la reaccion aun a bajas
concentraciones del enzima y es inhibido por la glucosa 6-P. La enzima glucocinasa se
localiza en el hígado y en las celulas β del páncreas, tiene una baja afinidad por la
glucosa, por ello es efectiva cuando la glucosa se encuentra a elevadas concentraciones,
no es inhibido por el producto y está ausente o sus concentraciones son muy bajas en los
rumiantes. La formación de fructosa 1, 6-bi fosfato se lleva a cabo por la fosfofructocinasa.
Esta enzima está presente solo en la glucólisis, así, constituye un sitio de control. La
adrenalina, el glucagón, aumento en los ácidos grasos libres, el citrato, y el ATP inhiben
su actividad.
2. En la segunda parte de la glucólisis o fase productora de energía, se lleva a cabo la
generación de ATP.
18
La vía colateral de las pentosas (ruta de la pentosa fosfato)
Esta via metabólica ni requiere, ni produce ATP, se desarrolla en el citoplasma de las
células de tejidos con elevada actividad lipogenética (hígado, tejido adiposo, glándula
mamaria, cerebro en desarrollo). La molécula de glucosa 6-fosfato será transformada en y
una pentosa fosfato. Los carbonos de la pentosa se transferirán en piezas de 2 a 3
carbonos entre moléculas. Los productos finales pueden contener de 3 a 7 átomos de
carbono que serán utilizadas posteriormente en la glucólisis (triosas fosfato), en la síntesis
de aminoácidos (eritrosa 4-fosfato), en la síntesis de ac: nucleicos, NAD, FAD, y CoA. En
esta vía se genera también NADPH, esta coenzima se utilizará para la síntesis de ácidos
grasos de cadena larga, de colesterol, la hidroxilación de ácidos grasos y esteroides,
mantenimiento de la glutation reducido (GSSG) en los glóbulos rojos.
Gluconeogénesis
Es la producción de azúcares a partir de sustancias diferentes a los carbohidratos (lactato,
aminoacidos, propionato y glicerol). Esta vía permite tener una fuente alterna de glucosa,
remover el lactato (producido por los glóbulos rojos y el tejido muscular) de la sangre,
remover el glicerol producido por el tejido adiposo. Esta vía metabólica se activa ante la
disminución de la glucosa sanguínea, en el cerdo su activacion es el ayuno: cerdo, 24 h,
hombre 8 y en el pollo 2 h. En el rumiante es una vía constantemente activa. La
gluconeogénesis se encuentra bajo control hormonal (insulina, glucagón y adrenalina).
Los rumiantes son eficientes para realizar la gluconeogénesis y su aparato digestivo se ha
adaptado a una falta de azúcar y almidón, por lo que la capacidad para el manejo de
estos carbohidratos es limitada. Asi, los rumiantes absorben la mayoría de su carbono
dietario digerido (energía) en forma de ácidos grasos volátiles (AGV). Los AGV son
producidos por la fermentación bacteriana de los carbohidratos en el rumen y en menor
cantidad en el intestino grueso, pueden contribuir con 70-80% de la energía total que el
animal necesita.
Lección 37. Metabolismo de Aminoácidos y proteínas
Las proteinas funcionan como enzimas, para formar estructuras, pero además los
aminoácidos pueden utilizarse como fuente de energía o como sustratos para otras rutas
biosintéticas. En los animales superiores, los aminoácidos provienen de la proteina de la
dieta o por recambio metabólico de proteína endógena. El exceso de aminoácidos se
degrada parcialmente para dejar esqueletos de carbono para biosíntesis o se degradan
totalmente para producir energía.
Los aminoácidos son catabolizados a través de la remoción del nitrógeno (N), a través de
dos rutas principales: la transaminación y la desaminación oxidativa. En la
transaminación, un aminoácido dona su grupo amino al α-cetoglutarato (ciclo de Krebs) se
forma un α-cetoácido y glutamato, el coenzima utilizado es principalmente el piridoxal
fosfato. Esta reacción es reversible y se encuentra ampliamente distribuída en los tejidos,
especialmente: cerebro, corazón, riñón, hígado. Solo la lisina, treonina, prolina e
hidroxiprolina no sufren transaminación. La regeneracion del α-cetoglutarato se consigue
19
mediante la desaminación oxidativa del glutamato catalizada por la glutamato
deshidrogenasa unida al NAD. El amoníaco resultante de la desaminación de, se
transforma en urea en el hígado para detoxificarlo. En muchos órganos (cerebro, intestino,
músculo esquelético), la glutamina es el transportador del exceso de N. En el músculo
esquelético existe el ciclo glucosa-alanina (Ciclo de Cori) para transportar el amoníaco al
hígado bajo la forma de alanina. La formación de urea involucra una serie de pasos de la
ornitina en arginina. La urea se forma a partir de la arginina. El ciclo de la urea utiliza
cinco enzimas: argininosuccinato sintasa, arginasa, arginosuccinato liasa (los tres se
encuentran en el citosol), ornitina transcarbamoilasa y carbamoil fosfato sintasa
(presentes en la mitocondria). El amonio libre formado en la desaminación oxidativa del
glutamato se convierte en carbamoil fosfato, reacción catalizada por la carbamoil fosfato
sintetasa I y que requiere dos ATP. El carbamoil fosfato transfiere su grupo amino a la
ornitina y forma citrulina. Esta debe transportarse a través de la membrana mitocondrial al
citosol, donde se formará la urea.
En cada vuelta del ciclo de la urea se eliminan dos N, uno que se origina de la
desaminación oxidativa del glutamato y el otro del aspartato. El fumarato es el vinculo
entre el ciclo de la urea y el de Krebs. Después de la desaminación, el esqueleto de
carbono de los aminoácidos puede ser utilizado para la producción de energía. El
catabolismo de los aminoácidos involucra su conversión a intermediarios en el ciclo de
Krebs, su conversion a piruvato o a acetil-CoA. Este último puede oxidarse en el ciclo de
Krebs o puede convertirse en acetoacetato y lípidos. Los aminoácidos que forman
acetoacetato son cetogénicos, ya que no pueden convertirse en glucosa. Los aminoácidos
que forman α-cetoglutarato o acidos dicarboxílicos de cuatro carbonos estimulan el
funcionamiento del ciclo de Krebs y son considerados glucogénicos.
Lección 38. Betaoxidación de ácidos Grasos
Los Ácidos grasos (AG) son los componentes principales de los lÍpidos complejos
(triacilgliceroles, fosfolÍpidos). Los triacilgliceroles son la forma más importante de
almacenamiento de energía en los animales. Este tipo de almacenamiento presenta sus
ventajas, al oxidarse el C de los AG producen más ATP que cualquier otra forma de C,
además, los lípidos están menos hidratados que los polisacáridos, por lo que ocupan
menos espacio. Los AG se incorporan a las membranas celulares. El principal órgano de
interconversión y metabolismo de lípidos es el hígado.
Oxidación de los ácidos grasos
Cuando el aporte de energía de la dieta es insuficiente, el animal responde con la señal
hormonal, que se transmite al tejido adiposo por medio de la liberación de adrenalina,
glucagón u otras hormonas.
Estas se unen a la membrana de la célula adiposa y estimulan la síntesis. Los trigliceridos
se hidrolizan a diglicéridos, liberando un ácido graso del carbono 1 o 3 del glicerol. Los
diglicéridos y los monoglicéridos son hidrolizados rápidamente para producir ácidos
grasos y glicerol. El ácido graso no esterificado sale a la sangre y se une a la albúmina
para ser transportado a otros tejidos, y el glicerol
20
será utilizado por el hígado para la producción de glucosa. Los AG se oxidan en el
carbono β, de ahí el nombre de β-oxidación y se degradan a ácido acético y un ácido
graso con dos carbonos menos.
La β-oxidación inicia con una reacción de deshidrogenación (acil-CoA deshidrogenasa),
utilizando a FAD como coenzima. El producto de esta reacción es un enoil-CoA y . El
enoil-Coa es hidratado por la enoil-CoA hidrasa, se produce un hidroxiacil-CoA. El grupo
hidroxilo de este compuesto es oxidado por y la hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, se
produce β-cetoacil-CoA y NADH. El último paso es catalizado por una tiolasa,
produciendo acetil-CoA y un acil-CoA, con dos carbonos menos que el sustrato inicial.
Estos pasos se repiten hasta que en la última secuencia de reacciones el butiril-CoA es
degradado a dos acetil-CoA.
En los rumiantes, la oxidación de AG de cadena impar puede representar tanto como el
25% de sus requerimientos de energía. La oxidacion de un AG de 17 carbonos da por
resultado 7 acetil-CoA y un propionil-CoA. El propionil-CoA es también un producto de la
degradacion de valina e isoleucina. El propionil-CoA es convertido en succinil-CoA y será
utilizado en el ciclo de Krebs.
Lección 39. El ciclo de Krebs (CK)
También denominado: ciclo del ácido tricarboxílico- CATC o del ácido cítrico-CAC
La glucólisis y el ciclo de Krebs son consideradas las vías metabólicas centrales,
participan en la degradación de casi todos los componentes que la célula es capaz de
degradar y proveen el poder reductor y los materiales de construcción. El proceso general
es el de metabolismo respiratorio aeróbico. En estas condiciones, el es el último aceptor
de energía.
En este ciclo se pueden mencionar dos procesos separados pero relacionados:
1. El metabolismo oxidativo, hay remoción y flujo de electrones de sustancias orgánicas y
transferencia a coenzimas.
2. Hay reoxidación de las coenzimas a través de la transferencia de electrones
acompañada directamente de la generacion de ATP.
En anaerobiosis, la glucólisis es la fase inicial del catabolismo de la glucosa. Los otros
componentes del metabolismo de respiración son el ciclo de Krebs (continuacion de la
oxidación del piruvato), la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa
de ADP a ATP a través de un gradiente de protones generado en el transporte de
electrones. El proceso completo genera de 36 a 38
moléculas de ATP/mol de glucosa, en cada vuelta del ciclo de Krebs entran dos moles de
acetil CoA y se liberan 2 carbonos, lo que regenera la molécula de oxaloacetato (OAA).
Lección 40. Foto-respiración
21
ACTIVIDAD FOTORRESPIRATORIA EN EL FRUTO DE MORA(Rubus glaucus)
Alexandra Ortiz *; Jenny Rincón*Jairo Granados**
*Ingenieras Agrónomas; **Docente, MSc; ECAPMA
RESUMEN
El fruto de mora de castilla (Rubus glaucus) es un fruto blando por lo que se considera
altamente perecedero teniendo una vida útil de 3-5 días, en consecuencia se obtienen
grandes pérdidas en la poscosecha. El principal objetivo de este trabajo fue la
caracterización fisicoquímica y la evaluación de las enzimas Peroxidasa (POD) y
polifenoloxidasa (PFO) en este fruto las que intervienen en el pardeamiento enzimático
durante la maduración de los frutos; así como evaluar la efectividad de tres inhibidores el
Acido ascórbico, Cloruro de Sodio y Cloruro de Calcio en tres concentraciones 1, 2 y 4%.
Los frutos de mora de castilla (Rubus glaucus) fueron muestreados de dos fincas
ubicadas en los municipios de San Bernardo y Silvania, los cuales fueron recolectados en
dos índices de madurez 2 y 5 de acuerdo a la tabla de color diseñada por ICONTEC
conocida como NTC 4106. Se encontró que en la mayoría de las variables no hubo
diferencias significativas entre las fincas, pero si entre los índices lo cual es coherente ya
que son frutos de dos índices con madurez fisiológica diferentes. Como mejor
tratamiento en la inhibición de las estas enzimas evaluadas se encontró la aplicación del
Cloruro de Calcio en las tres concentraciones al 1, 2 y 4% siendo la última concentración
la más efectiva.
Palabras claves: Fruto de Mora (Rubus Glaucus), Peroxidasa, inhibidores enzimáticos.
INTRODUCCION
La mora de Castilla (Rubus glaucus) es originaria de las zonas tropicales de América
latina (Castellanos, 2003), en Colombia los principales departamentos productores son,
Cundinamarca, Santander, Huila, Antioquia y Caldas donde se concentra el 95% de la
producción (Rojas et al., 2004). El fruto de la mora (Rubus glaucus) está incluido en el
grupo de lo que algunos autores denominan “frutos blandos” ya que sufre un rápido
ablandamiento, igualmente, el pardeamiento de la pulpa se debe a la acción de enzimas
como: la polifenoloxidasa (PFO), la cual en presencia de oxígeno cataliza la oxidación de
numerosos compuestos como los fenoles y la peroxidasa (POD) la cual a niveles altos de
peróxido de hidrogeno H2O2 oxida fenoles a quinonas generando pardeamiento por la
reacción denominada polimerización (Candan, 2004). El fenómeno de pardeamiento de
frutos y vegetales durante el crecimiento, colección, almacenamiento y procesado, es un
problema de primera magnitud en la industria alimentaria y se reconoce como una de las
principales causas de pérdida de calidad y valor comercial. Este pardeamiento produce
cambios importantes tanto en la apariencia (colores oscuros) como en las propiedades
organolépticas (sabor, textura) de alimentos comestibles (Mayer, 1987, citado por Sellés,
2007).
La peroxidasa es una hemoproteina monomérica que cataliza la oxidacion de un amplio
número de sustratos (fenoles, aminas, aromaticas e hidroquinonas) utilizando peroxido de
22
hidrogeno como cofactor a quinonas. Se encuentra en los peroxisomas, cloroplastos,
vacuolas y en la pared celular (Narváez, 2002, citado por Hernandez, 2006). Es miembro
de un grupo de enzimas llamadas oxido reductoras, la encontrada en plantas superiores,
es la ferriprotoporfirina (hematina) en general reportada como EC. 1.11.1.7 (Daoudi,
2004). Hernández (2006) evaluó la actividad de peroxidasa según la técnica descrita por
Dalisay y Kúc (1995), la cual se fundamenta en la determinación del cambio de
Absorbancia por minuto a 436 nm, producido por la oxidación de un sustrato de la enzima
como la o-dianisidina en presencia de peróxido de hidrógeno. La PFO cataliza la reacción
dependiente de oxigeno que transforma o-difenoles en o-quinonas, esta transformación
tiene lugar en dos pasos: hidroxilación de monofenoles en o-difenoles, y oxidación de
estos o-difenoles a o-quinonas, que corresponden a las dos actividades consecutivas
realizadas por la polifenoloxidasa (Pérez, 2003), esta actividad causa cambios en el color,
sabor, en la calidad de los productos procesados y daños nutricionales (García, 2004).
Esta es la razón fundamental por la que el contenido en fenoles y la actividad PFO se
consideran determinantes en la calidad de los frutos y vegetales (Casado, 2004). Se sabe
que las enzimas PFO y POD extraídas de diferentes tejidos vegetales pueden ser
inactivadas por tratamientos térmicos y por ciertos compuestos químicos usados en la
industria de los alimentos, como cloruro de sodio, sulfitos, ácido ascórbico, sacarosa,
EDTA y ácido benzoico (Rivera et al., 2004). El objetivo de este trabajo fue el de evaluar y
caracterizar física y químicamente los frutos de mora variedad Castilla (Rubus glaucus) y
la actividad enzimática de peroxidasa (POD) y polifenoloxidasa (PFO), principales
enzimas involucradas en el pardeamiento enzimático del fruto durante la maduración y
senescencia y a su vez aplicar tratamientos permitidos por la industria alimentaria que
inhiban su actividad, a fin de alargar la vida útil del fruto reduciendo las pérdidas en el
manejo de poscosecha manteniendo la calidad comercial de estos frutos.
MATERIALES Y METODOS
MATERIAL VEGETAL
Las muestras se recolectaron de dos fincas, la primera se encuentra localizada en el
municipio de San Bernardo (F1) ubicado en el departamento de Cundinamarca
(Colombia) con una temperatura promedio de 20 ºC, situada a una altura de 2300
m.s.n.m, y la segunda finca está ubicada en la vereda Noruega alta del municipio de
Silvania (F2), Cundinamarca, a 1470 m.s.n.m. con temperatura media de 20ºC, la
recolección de estas se hizo en dos índices de madurez 2 y 5 de acuerdo a la escala de
color según la NTC 4106, se seleccionaron los frutos de forma homogénea por sus
características físicas, sin daños mecánicos u ocasionados por plagas o enfermedades,
para luego aplicar los respectivos análisis fisicoquímicos y enzimáticos.
ANÁLISIS FÍSICO-QUÍMICO
Para determinar el pH se realizó por medio de un pHmetro calibrado a temperatura 20°C
donde se pesó 1 gr de fruto picado se le adicionó 10 ml de agua destilada, se agitó 5 min
23
y luego se procedió a medir el pH, se adicionó 40 ml de agua destilada, se agito 5 min y
luego se procedió a titular con NaOH 0,1 N hasta alcanzar un pH de 8,5 en la solución,
para la determinación de índice de acidez. Los grados Brix se midió por medio de un
refractómetro digital, la firmeza se determinó mediante un Penetrómetro BERTUZZI
midiendo la fuerza (Newtons) necesaria para penetrar la pulpa y las medida de longitud y
diámetro se tomaron utilizando un Calibrador Vernier digital. Las anteriores variables se
evaluaron en 20 frutos enteros para cada índice.
ACTIVIDAD ENZIMATICA
Extracción de la enzima. En la técnica que se implementó se utilizó los polvos de
acetona que permiten que el extracto presente una alta actividad con una mayor
estabilidad, porque con la acetona se retiran los fenoles, β-carotenos y ácidos orgánicos
del extracto disminuyendo así la reacción de las enzimas (Baquero, 2005). Se utilizó 5 g
de fruta picada homogenizados con 25 ml de acetona 4°C se filtró al vacío, y el retenido
(polvos de acetona) fue lavado dos veces con 25 ml de acetona. Los polvos de acetona
fueron suspendidos en 25 ml buffer de fosfato pH 7, luego, la suspensión fue centrifugada
a 10000 rpm durante 30 min, el sólido se desechó, el sobrenadante fue mantenido
refrigerado. Las medidas de actividad enzimática fueron desarrolladas a las condiciones
de temperatura, en las que se obtuvieron las máximas respuestas, evaluadas en reportes
anteriores y en este trabajo.
Medida de Actividad de Peroxidasa. La actividad de esta enzima se estimó por
espectrofotométria del incremento de la absorbancia a 470 nm cada 15 s durante 300 s,
utilizando como sustrato el guayacol. La mezcla con un volumen final de 4 ml, contenía 1
ml de Buffer Fosfato pH 7, 2 ml de H 2O2 0.03 M en Buffer Fosfato pH 7, 1 ml de Guayacol
y 2 ml de extracto diluido, manteniendo la mezcla a 22°C. Para el blanco se utilizó Buffer
Fosfato pH 7. Una unidad de actividad (UPOD) se definió como el cambio en una unidad
de absorbancia por min. La actividad específica se expresó en unidades de actividad por
mg de proteína (UPOD/min/mg proteína).
Medida de Actividad de Polifenoloxidasa. Para medir la actividad de esta enzima se
empleo como sustrato el catecol efectuando la lectura de absorbancia a 420 nm cada 15
s durante 300 s. La mezcla de reacción consistió en 2 ml de Catecol 20 mM en Buffer
Fosfato pH 7, 0.8 ml de Buffer Fosfato pH 7 y 0.2 ml de extracto enzimático. Se incubo la
mezcla durante 3 minutos a una temperatura de 20°C. El blanco se utilizó el mismo que
en POD. La unidad de actividad se manejó igual que en la Peroxidasa.
INHIBIDORES
Se evaluó el efecto en los frutos recolectados de dos estados de madurez el Cloruro de
calcio (CaCl2), Cloruro de sodio (NaCl) y el Ácido Ascórbico en tres concentraciones al
1%, 2% y 4% en cada tratamiento sometido a tres repeticiones. La descripción se
presenta en el cuadro 1. El tiempo de inmersión se determinó con ensayos previos
utilizando 2 tiempos a 10 y 20 min en donde se tomó el pH, IA y ºBrix de los frutos para
24
observar los efectos del tiempo en estas características, al no arrojar diferencias se
determinó sumergir el fruto por 10 min para cada tratamiento.
Cuadro 1. Descripción de tratamientos.
TRATAMIENTO
DESCRIPCION
T1
Ácido Ascórbico 1%
T2
Ácido Ascórbico 2%
T3
Ácido Ascórbico 4%
T4
Cloruro de sodio 1%
T5
Cloruro de sodio 2%
T6
Cloruro de sodio 4%
T7
Cloruro de calcio 1%
T8
Cloruro de calcio 2%
T9
Cloruro de calcio 4%
T10
Testigo
ANÁLISIS ESTADÍSTICO
Para el análisis de los resultados se utilizaron los elementos de la estadística descriptiva
como promedios, desviación típica estándar y coeficiente de variación. A partir de las
medidas de actividad de las diferentes variables se calcularon los valores promedio de las
tres repeticiones, se efectuó los ANAVA y se evaluaron las diferencias entre tratamientos
por la prueba Duncan. Todo este tipo de análisis estadístico se desarrolló con base en el
programa SPSS, versión 10 para Windows.
DISCUSION Y RESULTADOS
PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS EN FRUTOS DE MORA (Rubus glaucus)
Se encontraron en las variables físicas y químicas diferencias estadísticas entre los
índices de los 40 frutos evaluados de cada finca, lo cual es coherente ya que un índice
tiene un mayor grado de madurez y adquiere ciertas características de un fruto más
maduro, como el obtener mayores dimensiones y peso en los frutos del índice 5, como se
puede observar en la tabla 1 en la que se presenta todos los datos obtenidos para los dos
índices; se presenta una menor firmeza en el índice 5 (Grafico 1) ya que el fruto al estar
más maduro es más blando a consecuencia de procesos químicos como la perdida de
turgencia, la degradación de la pectina de la pared celular en las que interviene enzimas
como la PME y PGA; el contenido de azúcar también es mayor en este índice (Grafico 2)
debido a que en las frutas ocurre un comportamiento general en donde el aumento del
contenido de azúcar es a medida que avanza su madurez en donde el almidón o ácidos
orgánicos se han hidrolizado en azucares como fructosa, sacarosa y glucosa (Rojas et al.,
2004), por tanto se va a tener una mayor concentración de azucares en los últimos
índices de madurez lo que se puede deber a una mayor translocación de fotosintetizados
25
hacia el fruto o a que ciertos polisacáridos de reserva que forman parte de las substancias
cementantes de las células se hidrolicen (Hernández, 2006).
Tabla 1. Propiedades físicas y químicas encontradas en el índice 2 y 5 en el fruto de mora (Rubus
glaucus).
INDICE 2
VARIABLE
MIN-MAX
Longitud (mm)
Diámetro
(mm)
Peso
fresco
(g)
Firmeza (N)
pH
Grados Brix
Índice
de
Acidez
Índice
de
Madurez
MEDIA
INDICE 5
21 - 33
16 - 22
2,84
6,26
DESV
ESTAN
2,37
1,15
2,86 - 6,55
3,97
0,61
5,11 - 11
1,56
10 - 82
2,46 - 2,27
4,4 - 8,6
3,26 - 4,9
26,55
18,45
4,8
49,42
15,16
0,06
0,49
0,22
7 - 27,2
1,86 - 3,29
5 - 10,7
0,77 - 2,33
29,88
21,43
7,48
17,36
4,8
0,34
1,18
0,24
1-2.19
1.58
0.22
0.77-6.52
5.09
0.24
60
49,34
INDICE 2
INDICE 5
40
30
20
15,71
10
0
F1
19,02
GRADOS BRIX
FIRMEZA (N)
50
49,5
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
MIN-MAX
MEDIA
21 - 44
15 - 24,24
2,57
7,41
DESV
ESTAN
4,04
1,26
1,36
8,06 INDICE 2
6,76
5,93
6,6
INDICE 5
F2
F1
F2
FINCAS
FINCAS
Gráfica 1 y 2. Media de Firmeza y Grados Brix por fincas e índices del fruto de mora (Rubus
glaucus).
ACTIVIDADE ENZIMÁTICA
Peroxidasa (POD). La actividad de Peroxidasa se encontró desde 0,16 a 0,83 UA/min/mg
de proteína este resultado es acorde a lo encontrado por Baquero (2009), quien encontró
una actividad máxima de 0,9 UA/min/mg en tomate de árbol y por Baquero (2005) en
pitaya valores de 0,03 hasta 3,1UA/min/mg de proteína, a diferencia de lo reportado por
estos autores el fruto de mora presenta una baja actividad.
Como se aprecia en la gráfica 3 existe una mayor actividad de esta enzima en los frutos
con una maduración más avanzada lo cual es acorde ya que en los últimos índices de
26
UA/min/mg de proteína
madurez se empieza a evidenciar el pardeamiento enzimático por la aparición de daños
en las membranas debido al procesos de senescencia, daños por insectos, aparición de
patógenos (principalmente Botrytis) labores del cultivo (manejo cosecha, poscosecha) lo
que hace más fácil el contacto sustrato-enzima.
0,5
0,44
0,42
0,4
0,29
0,3
INDICE 2
0,23
INDICE 5
0,2
0,1
0
F1
FINCAS
F2
Gráfica 3. Actividad de Peroxidasa en el furo de mora (Rubus glaucus) sin la aplicación de
tratamientos
UA/min/mg de proteina
Polifenoloxidasa (PFO). La actividad de esta enzima se encontró entre los rangos de
0,03 y 0,24UA/min/mg de proteína los cuales son más bajos que lo reportado por Gasull
(2006), encontrando para la pera valores de 1 UA/min/mg de proteína y para manzana 0.9
UA/min/mg de proteína, lo cual es lógico ya que estas frutas son reportadas como las
más sensibles al pardeamiento enzimático.
0,1
0,08
0,06
0,079
0,074
0,062
0,044
INDICE 2
INDICE 5
0,04
0,02
0
F1
FINCAS
F2
Gráfica 4. Actividad de Polifenoloxidasa en el furo de mora (Rubus glaucus) sin la aplicación de
tratamientos.
En cuanto a la actividad de esta enzima no tuvo un comportamiento similar en los índices
de las dos fincas (Grafico 4), existe gran heterogeneidad en los resultados de las
publicaciones referentes a parámetros que afectan a la actividad enzimática de la
polifenoloxidasa (pH óptimo, latencia, especificidad por el sustrato, etc.) entre especies y
dentro de la misma especie, entre variedades y diferentes estados de desarrollo (la
actividad enzimática es más elevada en frutos jóvenes que en los maduros) (Robards et
al., 1999, citado por Pérez, 2003), como también se reportó que la actividad de la PFO es
alta en los tejidos en desarrollo y en los tejidos meristemáticos, pero disminuye al madurar
27
las células (Cary et al., 1992; Shahar et al., 1992 citado por Gooding, 2001) como se
observa comparando los dos índices de la F1.En otra investigación con frutos de
guanábana, determinaron que existe una correlación positiva entre la actividad de la
enzima y los compuestos fenólicos, en la medida que avanza la maduración de frutos
verdes a maduros e igualmente señalan que la concentración de la enzima en el punto de
maduración óptima del fruto es mínima (García, 2004).
Capítulo 9. Metabolismo especiales aplicados
Lección 41. Metabolismo secundario de las plantas
Metabolitos secundarios en las especies Gliricidia sepium y Tithonia diversifolia
Luz Elena Santacoloma Varón 1 y Jairo Enrique Granados2 ; 1,2 Docentes investigadores, ECAPMA,
UNAD
Resumen
Se recolectaron muestras de 2 especies forrajeras (hoja peciolo) de las especies Gliricidia
sepium, y Tithonia diversifolia en diferentes condiciones edáficas (departamentos del Valle
del Cauca y Cesar) y se evaluó su contenido de polifenoles totales, taninos totales,
taninos condensados y saponinas. El propósito fué detectar el efecto de las condiciones
de conductividad eléctrica sobre la concentración de estas fitobiomoléculas secundarias
metabolizadas por la célula vegetal.
Introducción
El uso de leguminosas y asteráceas en sistemas de alimentación animal es una práctica
que se ha venido implementando desde hace varios años en muchas regiones del trópico;
por el alto contenido de proteína y minerales que contienen. Entre las leguminosas se
destaca la arbórea Gliricidia sepium, especie poco valorada como fuente suplementaria
de proteína, especialmente en la época seca, cuando los forrajes son escasos y de mala
calidad (Palma et al 1999). Entre las asteráceas sobresale la Tithonia diversifoli, planta de
gran adaptabilidad a diversos pisos térmicos y con alto contenido de nutrientes para
rumiantes y no rumiantes. No obstante a lo anterior, es importante tener en cuenta un
factor que en cierta medida puede constituir una limitante en el uso de estas plantas como
material forrajero y es la presencia de metabolitos secundarios que pueden afectar la
28
digestibilidad, los cuales no solamente pueden interferir con los procesos de digestión y
absorción de los nutrientes, sino que, previo paso al torrente sanguíneo, pueden
desencadenar variados efectos sistémicos en los animales (Jackson et al., 1996).
El contenido de varios tipos de estos metabolitos secundarios, está influenciado por el
genotipo de la planta (la especie y la variedad), las características ambientales (radiación
solar y disponibilidad de agua), la velocidad de crecimiento, la madurez, la condición
nutricional del suelo, la depredación y las enfermedades (Waterman y Mole 1995). Así
mismo, la aparición de los compuestos secundarios está relacionada con los mecanismos
de defensa de la planta y los efectos del suelo y el clima (Harborne, 1993).
Kumar 1997 plantea. que los distintos compuestos que puede producir una especie
presentan una determinada distribución dentro de los órganos, tejidos y células de una
planta, y ello responde frecuentemente a las influencias ambientales.
Entre los metabolitos secundarios, se destacan los taninos, por su abundancia en la
naturaleza, y particularmente en los forrajes; Posada (2005) los define como un grupo de
polifenoles solubles en agua, de relativo alto peso molecular, con presencia en casi todas
las plantas, particularmente en las dicotiledóneas, de las cuales hacen parte las
leguminosas. Leinmúller 1991 explica que su distribución al interior de ellas varía entre
especies y a nivel de célula vegetal se encuentran en las vacuolas citoplasmáticas o en la
pared celular. La síntesis de taninos, por su parte, se presenta a partir de esqueletos de
carbono del metabolismo primario, como ocurre con los rebrotes más jóvenes de la
planta, que también necesitan las reservas de carbono para su crecimiento (Haukioja et
al 1985). Así mismo, los taninos tienen la capacidad para formar enlaces químicos más o
menos estables al interactuar con proteínas, carbohidratos y otras macromoléculas de los
alimentos, o con las enzimas digestivas; además se ha demostrado que los taninos
pueden ser tóxicos para bacterias; en los rumiantes se refleja en cambios de la digestión
ruminal de proteínas y carbohidratos, y en la producción de ácidos grasos volátiles (
Makkar et al 1988, Reed 1995).
Para Norton (1997), los aspectos que inciden en el contenido de taninos en los árboles y
que tienen relación con la planta son; la composición genética, la especie, el grado de
madurez, el estado de crecimiento y la defoliación por herbívoros. Según este mismo
autor los factores ambientales que mayor incidencia tienen en el contenido de taninos
son; la estación climática, la humedad ambiental y luminosidad.
Otros aspectos inherentes a la planta que inciden en el contenido de taninos es la parte
de ésta a la cual pertenece, siendo diferente el contenido de estos metabolitos en el
peciolo, que en la hoja. Por su parte, Oncina et al 2000 y Fedoreyev et al., 2000 han
demostrado que las partes de la planta, presentan productividades diferentes de
metabolitos secundarios y que se acumulan cantidades de metabolitos diferentes de
acuerdo a la parte de la planta a la cual corresponde.
Los taninos pueden dividirse, según su estructura química, en taninos condensados
(proantocianidinas) , y taninos hidrolizables (derivados de los ácidos gálico y elágico). Al
29
respecto, Romero y Palma 2001 encontraron que factores como el pastoreo provocan una
disminución en el contenido de taninos condensados y de los fenoles totales en G sepium,
probablemente, porque se presenta una mayor competición por reservas para la
generación de hojas, más que para la producción de taninos condensados. El efecto de
la época, también varió según la naturaleza del tanino, sin mostrar tendencias
consistentes. Los mismos autores reportan que los taninos adheridos a proteína
representaron alrededor de 70-75% de los taninos condensados totales, siendo más alto
los valores en época de secas que en la de lluvias. Los taninos condensados pueden
llegar a producir efectos depresivos sobre el consumo y la digestibilidad de la materia
seca y el nitrógeno, ya que provoca saciedad y limita por lo tanto el consumo de materia
seca (Flores et al 1999; Gutiérrez et al 2003).
Gershenzon 1984 reporta que la disponibilidad de agua contribuye a la producción de
taninos condensados; las plantas al encontrarse en periodo de escasez de agua, cierran
sus estomas y restringen el proceso de fotosíntesis. De este modo, se esperaría una
relación negativa entre el estrés hídrico y la producción de compuestos fenólicos.
Por su parte, la leguminosa G sepium puede ser considerada como una de las
leguminosas tropicales con menor contenido de taninos condensados, en comparación
con otras como Flemingia macrophylla con 388 g/kg (Cano et al 1994), Desmodium
ovalifolium 238 g/kg, Acacia mangium 100 g/kg, Callyandra sp 194 g/kg (Jackson y Barry
1996). Esta concentración pudiera explicar el comportamiento de los animales de
desarrollar un grado de gustocidad medio para G. sepium (Kaito et al 1996). Por tanto,
cconsiderando todos los análisis químicos realizados, la hoja de Matarratón es un
excelente forraje para dietas tropicales, por que presenta los compuestos nutricionales
más altos, una buena tasa de degradabilidad y los principios tóxicos más bajos que los
otros forrajes estudiados
Respecto a la especie forrajera Tithonia diversifolia, en un análisis de metabolitos
secundarios realizado por Rosales (1992), no se encontraron ni fenoles ni taninos,
mientras que Vargas (1994) encontró un bajo contenido de fenoles y ausencia de
saponinas. Murgaruline et al (1993) encontraron en esta especie un compuesto citotóxico
Tagitinin. Dutta et al (1993), citado por Rosales encontraron Hispidulin, además del
compuesto Tagitinin, a los cuales le atribuyen el efecto repelente contra los insectos.
Las saponinas son otro tipo de metabolitos secundarios conformados por compuestos que
en forma glucosídica (como esteroides reguladores del crecimiento) pueden generar en
las plantas alto crecimiento, desarrollo, rápida recuperación ante la poda y brotes
abundantes (Ashok., K.J Vincent R.M y Nessler 2000. También Kumar 1997, en
dependencia de las concentraciones y las estructuras químicas específicas los
compuestos saponínicos pueden constituir factores antinutricionales en rumiantes y
monogástricos por conferirle a los forrajes un sabor amargo, provocar espumas
consistentes, e interferir en la absorción de los alimentos No obstante también puede
tener un efecto positivo en el metabolismo digestivo, al generar complejos con otros
metabolitos secundarios con características tóxicas (Makkar., 1997).
30
En consecuencia, es necesario realizar investigaciones sobre los efectos de los factores
ambientales, como son los edáficos, en la producción de metabolitos secundarios, en las
interacciones suelo- planta- así como en la determinación de los factores que inciden en
su concentración. Para ello se parte de una hipótesis fundamental y es que el contenido
de metabolitos secundarios de las plantas varía en función de las características del
suelo, expresadas en variables como la conductividad eléctrica.
Metodología
Zona de muestreo
La recolección del material vegetal y de suelos se realizó en fincas ubicadas en la zona
central del Valle, en el municipio de la Paz y de Pueblo Bello en el Cesar con las
condiciones climáticas que se presentan en la Tabla 1.
Tabla 1. Condiciones climáticas de las regiones donde fueron tomadas las muestras de forraje
Condiciones climáticas
Zonas de muestreo
Temperatura
Precipitación
promedio (Grados promedio
centígrados)
lluvia)
Tuluá (Valle del
27
Cauca)
San Diego (César)
29
Pueblo
Bello
21
(César)
(mm Altura (m.s.n.n)
1200
950
1311
500
-
1200
Fuente: Plan de desarrollo de los municipios (2011)
Recolección de las muestras: La fracción vegetal (hojas y tallos tiernos) de Gliricidia
sepium y Tithonia diversifolia fue colectada a partir de plantas adultas en los tres sitios
mencionados durante el mes de agosto de 2011 en el cual predomina tiempo seco en los
tres lugares. El material fue llevado al
laboratorio de Nutrición Animal de la sede
Nacional José Celestino Mutis de la UNAD y fue sometido a proceso de secado a
temperatura ambiente, en un lugar ventilado durante 72 horas. Posteriormente, las
muestras fueron molidas, tamizadas y se extrajeron los extractos para realizarse el
análisis de los metabolitos secundarios.
Preparación y extracción del material para análisis fitoquímico
Las muestras se secaron a la sombra durante 30 días, posteriormente se molieron hasta
menos de 1 mm de tamaño de partícula en un molino de martillo para laboratorio. Se
prepararon 3 fracciones (etanol, eter dietílico y agua) con 10 g de cada muestra y
finalmente se efectuó un tamizaje fitoquímico de acuerdo a Cuéllar (1991). Por último, se
cuantificaron las cantidades de polifenoles totales, taninos totales y taninos condensados
31
presentes en las muestras, utilizando etanol como solvente y tomando como base las
técnicas descritas por AOAC (1995).
Métodos analíticos para los fitometabolitos estudiados
Los métodos utilizados se describen en el cuadro 1
Cuadro 1. Identificación de variables analizadas y la técnica analítica utilizada
Variable
Técnica analítica
Fuente
Polifenoles Totales (PFT)
Espectrofotometría
con Dewanto
reactivo de Folin Ciocalteu al. (2002),
et
Terrill et al.
Taninos condensados (TC)
Taninos Totales
Espectrofotometría con
n –butanol -HCl
Folin-Denis
Ciocalteu
y
Folin
Posada, Et al
2006
Fuente: Laboratorio de Nutrición animal UNAD., (2011)
Para la prueba de las saponinas se tomó 1 mL de metanol y se añadieron 9 mL de agua,
para luego filtrarse esta solución. Se tomó 1 mL de este filtrado en un tubo de prueba
pequeño, se agitó vigorosamente por 30 segundos y se dejó en reposo durante 15
minutos. La espuma sobrenadante indica la presencia de saponinas en el forraje. La
proporción de saponinas se midió de acuerdo a la altura (h) de la espuma sobrenadante:
Tabla 1.Determinación de saponinas según la altura de la espuma
Rango h (mm)
0.0
0.1-5.0
5.1-9.0
9.1-14
Mayor de 14
Indicador
Prueba negativa
Contenido muy bajo
Contenido bajo
Contenido moderado
Contenido alto
Fuente: Cuéllar (1991)
Con respecto a los análisis de pH y conductividad eléctrica de las muestras de suelo se
utilizó la técnica descrita en IGAG (2009)
Los resultados obtenidos para cada variable se sometieron a un análisis de varianza en
doble vía, con el fin de determinar diferencias estadísticas entre zonas muestreadas y
especies evaluadas. Adicionalmente, se realizó un análisis de correlación múltiple,
utilizando el coeficiente de Pearson, con el propósito de detectar las posibles
correlaciones entre conductividad eléctrica, pH y el contenido de los metabolitos
32
secundarios cuantifcados en las especies muestreadas. Para lo anterior, se utilizó el
paquete estadístico SPSS, versión 11.5.
Lección 42: Bioquímica de la Madera
La madera es una mezcla de tres polímeros naturales: celulosa, lignina y hemicelulosas,
que guardan una relación aproximada de 50:25:25, según la especie, las variaciones
biológicas, tales como las diferencias genéticas que pueda haber dentro de una especie, y
las condiciones de crecimiento. La celulosa y las hemicelulosas son polímeras de hidratos
de carbono formados a partir de moléculas de monosacáridos, y la lignina es un polímero
de unidades fenilpropánicas (Browning, 1963).
La celulosa es un polímero de la glucosa de cadena larga que únicamente se diferencia
del almidón, que es también un polímero glucósico, por la configuración de las moléculas
glucósicas. El carácter fibroso de las células leñosas es el resultado de la disposición
lineal, orientada y cristalina de su elemento más abundante, la celulosa.
Las hemicelulosas son polímeras de cadena más corta o ramificada de sacáridos con
cinco átomos de carbono (pentosas), tales como la xilosa, o de seis átomos de carbono
(hexosas) aparte de la glucosa. Son de naturaleza amorfa y sirven, con la lignina, para
formar la matriz en la cual se incrustan las fibrillas de celulosa. Aunque la estructura de la
celulosa es la misma en las diferentes especies las hemicelulosas varían
considerablemente entre especies, especialmente entre las frondosas y las coníferas. Las
hemicelulosas de las frondosas son, en general, más ricas en pentosas mientras que las
hemicelulosas de las coníferas suelen contener más hexosas.
La lignina, que es el tercer componente de la membrana celular, es un polímero
tridimensional que se forma a partir de las unidades fenilpropánicas que se han
desarrollado aleatoriamente formando una molécula grande y compleja con muchas
diferentes clases de ligamentos entre los bloques estructurales. La estructura de la lignina
también varía según se trate de una especie frondosa o conífera. Los grupos fenílicos de
la lignina de frondosas se sustituyen más con grupos metóxilos que los de la lignina de
coníferas. Una de las consecuencias de esta diferencia es que las ligninas de frondosas
están menos reticuladas y son más fáciles de disolver durante la conversión a pasta.
La lignina actúa de cemento entre las fibras leñosas y como agente endurecedor entre las
fibras en la producción de pasta de madera química. Se disuelve por varios tratamientos
químicos, quedando la celulosa y las hemicelulosas en forma fibrosa. Algunas
hemicelulosas se pierden durante este proceso a causa de su menor peso molecular,
mayor solubilidad y más fácil hidrolización.
Además de los componentes poliméricos del tabique celular que constituyen la fracción
principal de la madera, hay diferentes especies que contienen diversas cantidades y
clases de materiales extraños que se llaman, en conjunto, extractivos. En las coníferas, se
encuentran con frecuencia cantidades considerables de resinas que consisten tanto en
33
ácidos grasos como en los llamados ácidos resinosos que se derivan de terpenos simples
tales como la trementina y el aceite de pino. Los taninos son fenoles polihidroxílicos que
se encuentran en el duramen y corteza de muchas especies. El caucho se obtiene de la
corteza interior de ciertos árboles, en forma de látex. También pueden obtenerse de
diversas especies aceites aromáticos y azúcares solubles. El aceite de cedro y el azúcar
de arce son ejemplos bien conocidos.
43. Productos químicos derivados de la madera
Tomado de: IRVING S. GOLDSTEIN, profesor del Departament of Wood and Paper Science, de la
Universidad del Estado de Carolina del Norte, Estados Unidos.
Además de la celulosa, que es el polímero más empleado hoy día y que se utiliza
principalmente en su estado natural fibroso después de extraído, se siguen empleando
todavía cantidades considerables de los llamados productos «silviquímicos» (Goheen,
1972) a pesar de la preponderancia de las sustancias químicas derivadas del petróleo, o
productos «petroquímicos».
Licores de pulpación. Los fragmentos químicos de los polímeras del tabique celular que
quedan en solución después de la fabricación de la pasta pueden, con frecuencia, aislarse
de los licores de la fabricación de pasta y utilizarse. En general, los licores resultantes de
la fabricación de pasta por medios alcalinos se queman durante la recuperación de los
productos químicos empleados, pero los licores resultantes de la fabricación de pasta al
sulfito suelen tratarse para obtener subproductos útiles.
La lignina sulfonada puede precipitarse en forma de sulfonatos de lignina y utilizarse como
productos tánicos, adhesivos, aglutinantes, dispersantes, etc. Los sacáridos contenidos
en el licor de sulfito agotado se fermentan con levadura para producir alcohol etílico y
suplementos de forrajes y piensos. Mediante la oxidación alcalina suave de los sulfonatos
de lignina, se obtiene vainillina para aromatizantes y odorantes.
La lignina de álcali obtenido del sulfato o del licor negro kraft se precipita y utiliza como
diluente de resinas, para refuerzo del cancho y la estabilización de emulsiones. Entre los
productos volátiles obtenidos del licor negro kraft figuran el dimetil sulfuro, dimetil
sulfóxido y dimetil sulfona, que son útiles como disolventes y reactivos químicos.
Talol. La industria de calafateantes navales ha quedado en gran parte desplazada por la
recuperación de los componentes oleorresinosos de la madera resultantes del
procedimiento de fabricación de pasta kraft (Uprichard, 1978; Zinkel, 1975). Algunas
esencias volátiles como la trementina se recuperan de los gases de alivio expulsados de
los digestores. El licor resultante de la fabricación de pasta con álcali convierte a los
ácidos grasos y a los ácidos resinosos en sales sódicas que se despuman del licor negro
concentrado y se acidifican para producir talol crudo.
34
Hidrólisis de la madera. La hidrólisis de la madera, o sea la conversión de los polímeras
de carbohidratos que contiene la madera en monosacáridos mediante reacción química
con agua en presencia de catalizadores ácidos, es un procedimiento que se conoce
desde hace 150 años y que se ha empleado en escala comercial en los Estados Unidos
durante la primera guerra mundial, en Alemania durante la segunda guerra mundial, y se
utiliza actualmente en la U.R.S.S. El producto principal es la glucosa, que puede
convertirse después en etanol o levadura.
Polímeros celulósicos. La celulosa química de gran pureza, o pasta soluble, es el
material de partida de derivados poliméricos de la celulosa tales como el rayón y el
celofán (que son ambos celulosas regeneradas); ésteres celulósicas tales como el acetato
y el butirato para la producción de fibras; películas y aplicaciones de moldeo, y éteres
celulósicas tales como la carboximetilcelulosa, la etilcelulosa, y la hidroxietilcelulosa, que
se utilizan como gomas.
Extractivos. Todavía se sigue obteniendo de los tocones de pino, por destilación al vapor
o por extracción, cierta cantidad de trementina y colofonia. La arabinogalactana, que es
una goma hemicelulósica extraída del alerce, se utiliza como sucedáneo de la goma
arábica. Los ácidos fenólicos extraídos de la corteza de varias coníferas se emplean como
diluentes para adhesivos resinosos sintéticos y como aglutinantes y dispersantes. Las
ceras que se extraen de la corteza del abeto Douglas pueden utilizarse en las
aplicaciones generales de la cera, y el caucho natural sigue siendo un material
importante.
Productos químicos que se obtendrán de la madera
En el futuro, la utilización de la madera para la obtención de productos químicos revestirá
dos categorías principales: por una parte, la extensión y ampliación de los procedimientos
actuales, y por otra, la transformación de los polímeras de la membrana celular en
materias primas químicas de poco peso molecular. Además de la ampliación material de
las operaciones actuales, se persigue también su extensión a otros aprovechamientos
afines en la utilización de los productos y extractivos. Los ejemplos que aquí se citan son
ilustrativos y no Imitadores.
Los extractivos obtenidos de la corteza y el leño tienen un potencial mucho mayor que el
que indica su aprovechamiento actual (Hillis, 1978; Laver, 1978). Los polímeras
celulósicas podrían tener una mayor importancia si se pudieran reducir los costos de
energía y mejorar sus propiedades (Allan, 1978; Goldstein, 1977). Se puede estimular la
producción de oleorresina de los pinos aplicando herbicidas (Roberts, 1973). Se pueden
obtener polímeros hidrocarbúricos con el cultivo comercial de nuevas plantas (Calvin,
1978), y producir fenoles de poco peso molecular a partir de la lignina, subproducto de los
licores de la fabricación de pasta (Goheen, 1971; Benigni y Goldstein, 1971). Es posible
recuperar ácidos sacarínicos del licor negro kraft (Sarkanen, 1976). El follaje puede
producir aceites esenciales, clorofila y proteína (Barton, 1978).
35
Conversión de los polímeros de la membrana celular. La porción principal de la
madera consiste en los componentes del tabique celular. En cuanto a volumen, esta
fuente de materia prima supera con mucho a los elementos extractivos o subproductos
químicos y representa un recurso potencial para satisfacer todas las necesidades
químicas en sustitución de los productos petroquímicos. Se puede lograr una producción
en gran escala de sustancias químicas, importantes desde el punto de vista industrial,
derivadas de la lignocelulosa, siguiendo diversos procedimientos (Goldstein, 1976a).
Estas cantidades industriales pueden proveer los bloques estructurales químicos
fundamentales para la conversión en polímeros sintéticos (Goldstein, 1975a).
Madera total. Los polímeros del tabique celular en su estado natural mixto pueden
descomponerse en preparados más simples mediante tratamientos rigurosos que implican
temperaturas altas y también, en algunos casos, presiones elevadas. Estos
procedimientos no son de por si selectivos y son idénticos a los que se emplean con
buenos resultados para la transformación en productos químicos de los desperdicios
sólidos orgánicos o del carbón.
En la gasificación, la madera se calienta a temperaturas de hasta 1000°C para formar una
mezcla de monóxido de carbono y de hidrógeno como principales productos (Prahacs et
al., 1971). Como subproductos se obtienen pequeñas cantidades de etileno, acetileno,
propileno, benceno y tolueno. El monóxido de carbono y el hidrógeno que se forman de
igual manera que en la gasificación del carbón se pueden: (a) tratar más aún para obtener
hidrógeno con vistas a la producción de amoniaco; (b) convertir por catálisis en metanol;
(c) enriquecer con hidrógeno y someter a reacción para formar metano, o (d) convertir por
catalización en una mezcla de hidrocarburos alifáticos por el procedimiento FisherTropsch.
La madera se licúa por reacción con monóxido de carbono y agua a una temperatura de
350-400°C y a una presión de 4000 libras por pulgada cuadrada (280 kg/cm 2), en
presencia de varios catalizadores (Appell, 1971). Se produce un aceite viscoso
(rendimiento: 40-50%) que puede tratarse ulteriormente para convertirlo en productos
químicos de la misma forma en que los productos petroquímicos se derivan del petróleo.
La pirolisis, o degradación térmica de la madera en ausencia de aire u oxigeno,
transforma la madera en carbón de leña, gas y aceite (Saltes, 1978; Wender, 1974). El
rendimiento relativo de cada producto dependerá de las condiciones de la pirolisis y de la
composición del substrato, pero a una temperatura de 900°C las cifras típicas serían 2535% de carbón de leña, 3045% de gas y hasta 8% de alquitrán y aceite. El gas consiste
principalmente en hidrógeno, monóxido de carbono y metano, mientras que el alquitrán y
el aceite contienen elementos aceitosos ligeros como el benceno y el tolueno, así como
preparados mixtos de temperatura de ebullición más elevada.
Celulosa. La transformación selectiva de la celulosa de polímero glucósico en glucosa
monomérica puede lograrse por diversos medios. La hidrólisis, para obtener glucosa,
puede catalizarse bien sea por ácidos o enzimas, pero ningún procedimiento resulta tan
36
fácil como la hidrólisis del almidón debido al carácter cristalino de la celulosa. El contenido
de lignina no impide la hidrólisis ácida, pero una celulosa que contenga mucha lignina
será resistente a la hidrólisis enzimática, por lo cual habrá que delignificar en parte la
madera o molerla fina para someterla a la hidrólisis por enzimas.
La hidrólisis ácida con ácido diluido a elevadas temperaturas produce la descomposición
de parte de la glucosa formada, que se convierte en hidroximetilfurfurol (Harris, 1975), lo
que limita al 50% aproximadamente el rendimiento neto de azúcar. La hidrólisis ácida
fuerte a temperaturas más bajas puede dar rendimientos casi cuantitativos de glucosa
(Kusama, 1960).
Shafizadeh (1978) ha demostrado que la destilación en seco de la celulosa a 400-500°C
rinde casi 80% de un alquitrán que contiene principalmente levoglucosana que puede
convertirse en glucosa con un rendimiento del 50% basado en celulosa. Para evitar toda
contaminación y reacción con otros productos de descomposición, se necesitaría celulosa
limpia de otros elementos del tabique celular.
La transformación de la celulosa en glucosa es el primer paso en la utilización química en
gran escala de la celulosa. La fermentación de la glucosa para obtener etanol mediante
técnicas industriales acreditadas de alto rendimiento ofrece grandes perspectivas. El
etanol es un importante producto químico industrial que se produce actualmente por
hidratación del etileno. Puede también tener una amplia aplicación como combustible para
motores de combustión interna.
En la deshidratación del etanol para obtener etileno, o sea la reacción inversa a la actual
formación de etanol a partir de etileno del petróleo, también el rendimiento es elevado. De
igual forma, del etanol se obtiene fácilmente butadieno por procedimientos industrialmente
acreditados, pero que, debido a la baratura del petróleo, han quedado anticuados. La
transformación de la glucosa vía etanol en etileno y butadieno representa la principal
utilización potencial de la celulosa para obtener productos químicos, debido a la
importancia del etileno, tanto como producto químico orgánico de mayor volumen que
como bloque estructural para la obtención de productos petroquímicos y plásticos, y el
butadieno como agente para la producción de caucho sintético. La glucosa se transforma
asimismo en productos químicos que actualmente carecen de importancia desde el punto
de vista industrial, pero que pueden tenerla en condiciones económicas apropiadas. Uno
de estos procedimientos es la producción de hidroximetilfurfurol y su ulterior conversión
en ácido levulínico mediante la acción de ácidos minerales calientes sobre la glucosa
(Harris, 1975). El empleo de la glucosa como substrato de fermentación general permitiría
la producción, a partir de la madera, de un amplio surtido de antibióticos, productos
químicos, vitaminas y enzimas (Seeley, 1976). Por ejemplo, el ácido láctico podría
transformarse en ácido acrílico y en acrilatos.
44. Ciclo del Carbono en sistemas agroforestales
37
El carbono es un bioelemento que da estructura y soporte a los organismos vivos..
Biomoléculas
como: proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos, lípidos, enzimas ,
hormonas y aminoácidos , tan esenciales para la vida ,contienen carbono. Se encuentra
como dióxido de carbono (CO2) ó gas carbónico, en
atmósfera, océanos y en los
combustibles fósiles almacenados bajo la superficie de la Tierra. El movimiento global del
carbono entre el ambiente abiótico y los organismos se denomina ciclo del carbono.
El ciclo básico comienza cuando las plantas, a través de la fotosíntesis, hacen uso del
dióxido de carbono (CO2) presente en la atmósfera o disuelto en el agua. El carbono (del
CO2) pasa a formar parte de los tejidos vegetales en forma de carbohidratos , grasas y
proteínas, y el oxígeno es devuelto a la atmósfera o al agua mediante la respiración. Así,
el carbono pasa a los herbívoros que consumen las plantas y de ese modo utilizan,
reorganizan y degradan los compuestos carbonados mediante las RBE de la respiración
celular. Estas reacciones metabólicas producen CO2, H2O , ATP ; también se libera gas
carbónico como producto secundario del metabolismo, pero parte se almacena en los
tejidos animales y pasa a los carnívoros, que se alimentan de los herbívoros. En última
instancia, todos los compuestos del carbono se degradan por descomposición, y el
carbono que es liberado en forma de CO 2 a la atmósfera, es utilizado de nuevo por las
plantas en su proceso fotosintético,la figura 2, integra la secuencia de las etapas del ciclo.
Figura 2.Secuencia de reacciones en el ciclo del carbono (Tomado de:
http://www.windows2universe.org/earth/Water/co2_cycle.html&lang=sp )
38
En resumen, las reacciones más importantes que ocurren en el ciclo del carbono son las
siguientes:
1. Fotosíntesis : El dióxido de carbono de la atmósfera es fijado por las plantas en el
ciclo de Calvin y
convertido en glucosa (azúcar aldohexosa , C6) según la
ecuación química:
Radiación
UV
6CO2 + 6H2O + 686kcal
E=h
C6H12O6 + 6O2
2. Respiración celular :Los animales consumen los vegetales y a través de sus
procesos digestivos , absortivos y metabólicos , oxidan carbohidratos como la
glucosa a través de las RBE dadas en : glucólisis ,Ciclo de Krebs y Fosforilación
Oxidativa ,hasta producir gas carbónico , agua y energía , según la ecuación
química :
C6H12O6 + 6O2
RBE
Mitocondria
6CO2 + 6H2O + 38ATP
3. Descomposición : Bacterias y hongos descomponen
plantas muertas y la
materia animal, devolviendo carbono al medio ambiente.
4. Fosilización: En algunos casos el carbono presente en las moléculas biológicas
no regresa inmediatamente al ambiente abiótico, por ejemplo el carbono presente
en la madera de los árboles ó el que formó parte de los depósitos de hulla a partir
de restos de árboles antiguos
que quedaron sepultados en condiciones
anaerobias antes de descomponerse. Hulla, petróleo y gas natural son llamados
combustibles fósiles porque se formaron a partir de restos de organismos antiguos
y contienen grandes cantidades de compuestos carbonados como resultado de la
fotosíntesis ocurrida hace millones de años.
39
45. Captura de Carbono en sistemas Agroforestales
CUANTIFICACIÓN DEL ALMACENAMIENTO DE CARBONO EN SISTEMAS
SILVOPASTORILES EN ZONAS PRODUCTORAS DE LECHE EN CUNDINAMARCA
Ángel Alberto Terreros Riveros3, Sandra Castiblanco Guzmán4, Jenny Bustos García5, Jairo
6
7
8
Enrique Granados Moreno , Leonor Barreto de Escovar , Luz Mery Bernal .
RESUMEN
Las prácticas productivas ganaderas deben encaminarse en acciones conservacionistas,
mitigando el impacto que ejercen sobre los ecosistemas y el calentamiento global. Se
cuantifico el almacenamiento de carbono en ganadería tradicional y sistemas
silvopastoriles conformados por Alnus acuminata, Sambucus nigra, Acacia decurrens,
Acacia melanoxylon, en asocio con pasturas compuestas por Pennisetum clandestinum,
Holcus lanatus, Lolium spp, Trifolium pratense, Trifolium repens, en tres fincas ganaderas,
determinando la línea base para la cuantificación de carbono. Se utilizo método
alométrico para determinar la biomasa arriba del suelo del componente forestal, el valor
para la relación de raíz es de 0,27 y el factor de proporción de carbono equivalente a 0,5
por unidad de materia seca para el material vegetal, según IPCC 2002. El porcentaje de
carbono orgánico en suelos se determino por el método Walkley Black, y la lectura se
realizo por espectrofotometría; El carbono contenido en el suelo (t C/ha) se calculo a partir
de los valores de porcentaje de carbono y densidad aparente. En la evaluación se
propuso un diseño en bloques al azar con arreglo factorial 3 x 4, donde el factor A = Finca,
el factor B = Sistema (Un sistema de ganadería tradicional y tres tipos de arreglos de
sistemas silvopastoriles). El análisis de varianza demostró diferencias altamente
significativas (p < 0,01) en el total de carbono almacenado entre fincas, entre sistemas y
en la interacción de finca*sistema, demostrando la gran capacidad de almacenamiento de
carbono de los sistemas silvopastoriles frente a los sistemas de ganadería tradicional.
Palabras Claves: Captura de Carbono, Componente Forestal, Biomasa Arriba del Suelo,
Modelos Alométricos, Carbono Orgánico en Suelo.
INTRODUCCIÓN
El impacto de las actividades agropecuarias en los diferentes ecosistemas es considerado
de suma importancia por las agencias de desarrollo e institutos de investigación; cuyos
efectos en definitiva se traducen en baja fertilidad, baja capacidad de retención de
humedad, alta susceptibilidad a la erosión, perdida de la cobertura vegetal, problemas de
compactación, deforestación, sistemas de manejo de praderas extractivos que
3
Zootecnista. [email protected]. UNAD. Bogotá.
Estudiante Tesista de Zootecnia. [email protected]. UNAD. Bogotá.
5
Estudiante Tesista de Zootecnia. [email protected]. UNAD. Bogotá.
6
Químico. Ph.D. (c). M.Sc. Investigador. [email protected]. UNAD. Bogotá.
7
Zootecnista. M.Sc. (c). Espec. Nutrición Animal Sostenible. Investigador. [email protected].
UNAD. Bogotá.
8
Bióloga. Ph.D. Investigadora. [email protected]. UNAD. Bogotá.
4
40
acrecientan la perdida de la capacidad productiva de estos y en fuentes de emisión de
Gases de Efecto Invernadero (GEI).
Así mismo, es común en los últimos tiempos hablar de cambio climático y de sus efectos
negativos en el medio, tanto que las investigaciones científicas sobre las emisiones de
gases de efecto invernadero durante los últimos 10 años predicen que el cambio climático
tendrá impactos negativos ambientales, sociales y económicos a nivel global. Los
impactos pueden incluir aumento del nivel de los mares, erosión costera, cambios
dramáticos en patrones climáticos, aumento de enfermedades tropicales, la pérdida
acelerada de biodiversidad, y la desertificación (Stuart y Moura Costa, 1998).
Numerosas modelaciones del cambio climático global sugieren que se puede contribuir
sustancialmente al control de los niveles de CO 2 en la atmósfera mediante la calidad del
manejo forestal, la conservación del bosque en peligro de deforestación, la rehabilitación
de bosques, forestación, reforestación9 o promoción de la agroforestería. Debido a que el
suelo almacena cantidades considerables de carbono, las prácticas que promueven un
aumento en el carbono orgánico del suelo también pueden tener un efecto positivo en la
fijación (Stuart, M.D. y Moura Costa, P. 1998). De hecho la Decisión 19/COP-9 10 ha
definido como “reservorios de carbono” a la biomasa superficial, la biomasa subterránea,
los detritos, la madera muerta y el carbono orgánico del suelo. Los Sistemas
Agroforestales y entre ellos los Silvopastoriles 11 pueden mantener y hasta aumentar las
reservas de carbono en la vegetación y los suelos; fomentando a su vez prácticas
sostenibles con bajos insumos, debido al ciclaje de nutrientes y la estratificación de la
vegetación perenne con lo que se disminuye la presión sobre los recursos naturales.Para
efectos de homogenizar los conceptos y de acuerdo a la Decisión 17/COP–7 12 de la
Convención Marco Sobre el Cambio Climático (CMCC) del Panel Intergubernamental
Sobre Cambio Climático (IPCC); se acordó que el almacenamiento o stock de carbono
hace referencia a la capacidad de un ecosistema de mantener una determinada cantidad
promedio de carbono por ha, expresándose en toneladas de carbono por ha (t C ha-1).
El carbono fijado se refiere a la capacidad de una unidad de área cubierta por vegetación
para fijar carbono en un período determinado, adicional a la cantidad almacenada en el
momento actual (Segura, 1997), expresándose en t C ha-1 año-1. El carácter de adicional
es considerado, según la Decisión 19/COP–9 de la CMCC, si la absorción neta efectiva
de GEI por los sumideros supera la suma de las variaciones del carbono almacenado que
se habrían producido de no realizarse la actividad del proyecto de forestación o
9
Forestación: Conversión, por actividad humana directa de tierras que carecieron de bosque
durante un periodo mínimo de 50 años, en tierras forestales mediante plantación, siembra o
fomento antropógeno de semilleros naturales. Reforestación: Conversión por actividad humana
directa de tierras no boscosas en tierras forestales mediante plantación, siembra o fomento
antropógeno de semilleros naturales en terrenos donde antiguamente hubo bosques, pero que
actualmente están deforestados.
10
Novena Reunión de la Conferencia de las partes en el Convenio sobre la Diversidad Biológica.
11
Sistema de producción del suelo que implica el asocio espacial y simultáneo de praderas (que
sustentan la alimentación animal) y leñosas perennes multipropósito.
12
Séptima Reunión de la Conferencia de las partes en el Convenio sobre la Diversidad Biológica.
41
reforestación del Mecanismo de Desarrollo Limpio registrado, en el marco del Protocolo
de Kyoto. Se está reconociendo el papel de las pasturas en el ciclo del carbono, por
cuanto las gramíneas seleccionadas con altos rendimientos de biomasa y bien adaptadas
cumplen un papel importante en la reducción de la emisión de carbono a la atmósfera
debido a la producción de biomasa aérea y raíces y deposición de materia orgánica en el
suelo. Se han reportado tasas de fijación de carbono del orden de 0,1 a 4,3 t C ha-1 año-1
para Sistemas Agroforestales y Silvopastoriles en Centroamérica (Kursten. 1993,
Pomareda. 1999). Un estudio realizado en la Zona Norte de Costa Rica reporto niveles de
almacenamiento de hasta 233 t C ha-1 mientras que el suelo de un sistema silvopastoril
con regeneración natural de laurel (Cordia alliodora) almacenó de 180 – 200 t C ha-1.
En Guápiles, Costa Rica, Andrade (1999) estimó el almacenamiento de carbono sobre el
suelo en sistemas silvopastoriles con Acacia mangium y Eucalyptus deglupta en
combinación con pasturas B. brizantha, B. decumbens, y P. maximum obteniéndose
valores que oscilan de 3,7 t C ha-1 a 4,7 t C ha-1 donde el componente arbóreo aporta un
promedio de 76 a 94% del carbono total. Arias (2001) reporta para un sistema silvopastoril
en Venezuela con la especie Gliricidia sepium, un almacenamiento de 309 Kg. C ha -1 y
una tasa de fijación de 124 Kg C ha -1 año-1; mientras que en el sistema de cultivos en
callejones el almacenamiento fue de 654 Kg. C ha-1 y la tasa de fijación de 327 Kg C ha-1
año-1.
MATERIALES Y MÉTODOS
Localización
El presente estudio se realizo en la finca San Pedro, localizada en el municipio de
Mosquera, Cundinamarca, Colombia. El municipio presenta una temperatura promedio de
12,8 °C, una humedad del 82% y una precipitación anual de 600 – 700 mm.; En la finca
Villa Nataly y El Ciprés, localizadas en Usme (Localidad Quinta de Bogotá), Colombia. La
región presenta una temperatura promedio de 8 °C, y una precipitación anual de 1000 a
1500 mm.
En el trabajo de investigación se analizaron los siguientes sistemas y arreglos
silvopastoriles dentro de las fincas seleccionadas de la siguiente forma: 1) Finca San
Pedro: Sistema de ganadería tradicional (SGT) conformado por Kikuyo (P. clandestinum)
90%, Trébol Rojo (T. pratense) 5% y Raigrás (Lolium spp) 5%; Cerca Viva compuesta por
Aliso (A. acuminata), Acacia negra (A. decurrens) y Acacia japónica (A. melanoxylon);
Banco de Proteína compuesto por Sauco (S. nigra), y como componente forrajero Kikuyo
(P. clandestinum) en un 90%. Estos arreglos silvopastoriles llevan establecidos hace 4
años aproximadamente. 2) Finca Villa Nataly: SGT conformado por Kikuyo (P.
clandestinum) 40,5%, Raigrás (Lolium spp) 10,8%, Falsa poa (H. lanatus) 21%, Trébol
rojo (T. pratense) 7,8% y Trébol blanco (T. repens) 1,1% y el 18% restante está
representado por arvenses y malezas; Cerca Viva compuestos por Aliso (A. acuminata);
Arreglo de Sombra y Ramoneo, compuesto por Aliso (A. acuminata); Banco de Proteína
compuesto principalmente por Acacia negra (A. decurrens), y otras especies presentes en
42
más baja densidad como Acacia japónica (A. melanoxylon) y Aliso (A. acuminata). Estos
arreglos silvopastoriles tiene 5 años de establecidos aproximadamente. 3) Finca El
Ciprés: SGT conformado por Kikuyo (P. clandestinum) 80%, Falsa poa (H. lanatus) 10%, y
Trébol rojo (T. pratense) 10%; Viva compuesto por Aliso (A. acuminata). Este arreglo está
establecido aproximadamente hace 2 años.
Para el análisis de los datos se empleo un diseño experimental en bloques al azar, con
tres repeticiones y arreglo factorial 3 x 4, donde el factor A = Finca (Tres fincas evaluadas)
y el factor B = Cuatro sistemas (Un sistema de ganadería tradicional y tres tipos de
arreglos de sistemas silvopastoriles), evaluando el efecto de la finca, el efecto del sistema
y la interacción de finca*sistema. Se utilizo también la prueba de Duncan para la
determinación de diferencias estadísticas de las medias entre las tres fincas y entre los
cuatro sistemas evaluados.
Unidades de Muestreo
En cada sistema se estableció una unidad de muestreo denominada parcela permanente
de muestreo (PPM), donde la forma y el tamaño fueron determinados por el tipo de
arreglo teniendo en cuenta la densidad de siembra y el tiempo de establecimiento (Tabla
1).
Tabla 1. Parcelas permanentes de Muestreo (PPM) Establecidas
Finca
San
Pedro
Arreglo
Silvopastoril
Cerca Viva de
Aliso Acacias
Banco de
Proteína de
Sauco
Cerca Viva de
Aliso
Villa
Nataly
El
Ciprés
Banco de
Proteína de Aliso
y Acacias
Siglas
Forma PPM
Tamaño
PPM
2
CV-AA
Lineal
40 m
BP-S
Circular
1.257 m2
Lineal
46 m
BP-AA
Circular
314 m2
Sombra y
Ramoneo de
Aliso
SR-A
Circular
1.257 m
Cerca Viva de
Aliso
CV-A
Rectangular
293 m2
Latitud: 4°41'17.14" N
Longitud:
74°13'12.41" O
Latitud: 4°41'38.17" N
Longitud:
74°12'55.75" O
Latitud: 4°25'47.25" N
Longitud: 74° 7'58.66"
O
2
CV-A
Coordenadas*
Latitud: 4°25'47.97" N
Longitud: 74° 7'59.33"
O
2
Latitud: 4°25'49.78" N
Longitud: 74° 8'1.79"
O
Latitud: 4°23'37.27" N
Longitud:
74°10'20.15" O
* Datos obtenidos con GPS Garmin Colorado 300 (Autores., 2009).
43
Se realizó un mapeo de los sistemas evaluados y de las PPM, con Geoposicionador
(Garmin Colorado 300), la medición del Diámetro a la Altura del Pecho (DAP) a 1,30 m de
la base del árbol, la determinación de la altura comercial de cada árbol por medio de
clinómetro marca Suunto, el muestreo de forraje y hojarasca, y el muestreo de suelo a 30
cm de profundidad para hallar densidad aparente y porcentaje de carbono orgánico en el
Laboratorio de Nutrición Animal de la Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD),
sede José Celestino Mutis (Calle 14 Sur No. 14 – 23).
Depósitos de Carbono en los Sistemas Evaluados
Se definieron como depósitos de carbono para la cuantificación del almacenamiento de
carbono los siguientes estratos:
Biomasa Arriba del Suelo: Comprende árboles en pie de Aliso (A. acuminata), Sauco (S.
nigra), Acacia Negra (A. decurrens), Acacia Japónica (A. melanoxylon); y pastos Kikuyo
(P. clandestinum), Falsa Poa (H. lanatus), Raigrás (Lolium spp) Trébol Rojo (T. pratense)
y Trébol Blanco (T. repens). Para la determinación de la biomasa arriba del suelo del
componente forestal se utilizo algunos modelos y ecuaciones alométricas seleccionados
teniendo en cuenta la zona climática (Tabla 2), basándose en las medidas tomadas en las
PPM (DAP y altura total).
Tabla 2. Ecuaciones Alométricas para Determinar la Biomasa de Arboles
Zona
Climática
Rango
DAP
Ecuación
R2
<900 mm
3-30
Y = Log^ {-0,535 + log10 (BA)}
0,94
<900 mm
3-30
Y = 0,299 * (DAP)2
0,94
<1500 mm
5-40
Y = exp {-1,996 + 2,32*ln(DAP)}
0,89
Autor
Martínez - Yrizar et al.
(1992).
Martínez - Yrizar et al.
(1992).
Brown et al. (1989).
N°
(1)
(2)
(3)
Fuente: Martínez – Yrizar et al. (1992). Brown et al. (1989). Fundación Solar. (2000). Donde: Y =
Biomasa arriba del suelo en kilogramos; DAP = Diámetro a la altura del pecho en centímetros; BA
2
2
= Área basal en cm (BA = PI * r ); r = radio.
El valor obtenido de biomasa expresada en kg, se dividió en 1000 para pasar a toneladas;
este valor se multiplicó por 0.5 (Proporción de carbono por unidad de materia seca según
IPCC 2002) lo que da toneladas de carbono almacenado, luego se dividió en el área de la
PPM donde se obtuvo el dato de cada árbol expresado en m2, obteniendo toneladas de
carbono por m2 (t C/m2); este valor se multiplico por 10000 para convertirlo a toneladas de
carbono por hectárea (t C/ha). Por último se realizo la sumatoria de los valores obtenidos
de cada árbol medido en la PPM y así se obtuvo el total de t C/ha de este componente del
sistema evaluado.
La biomasa de la hojarasca y los forrajes se incluyeron en los cálculos para biomasa
arriba del suelo, ya que se muestrearon y pesaron conjuntamente en un marco de 50 x 50
44
cm (3 muestras por sistema silvopastoril y 5 muestras para sistema de ganadería
tradicional). Para el cálculo de la biomasa en estas fuentes se obtuvo el valor del
contenido de humedad, determinando la materia seca de sub-muestras recolectadas de
200 g extraída de la mezcla de las muestras pesadas, por medio del secado en mufla a
100 °C durante 4 horas. Este valor se cálculo de la siguiente manera (Fundación Solar.,
2000): CH = (Phs - Pss) / Phs; Donde: CH = Contenido de humedad; Phs = Peso húmedo
sub-muestra (g); y Pss = Peso seco sub-muestra (g). Con el valor de contenido de
humedad se procedió a calcular la proporción del peso húmedo que corresponde a
biomasa: Y = Pht - (Pht * CH); Donde: Y = Biomasa en gramos; Pht = Peso húmedo total
de la muestra (g); y CH = Contenido de humedad. El valor obtenido se dividió en 1000000
para obtener toneladas, luego se multiplico por 0.5 (Proporción de carbono por unidad de
materia seca según IPCC 2002) quedando toneladas de carbono almacenado, por último
se dividió en el total de metros muestreados, dando como resultado t C/m2 y al
multiplicarlo por 10000 m 2 se obtuvo t C/ha.
Biomasa Abajo del Suelo: Hace referencia a las raíces de la vegetación del ecosistema
estudiado. El cálculo de este componente se realizo con el valor para R (Relación de raíz)
para el bosque seco tropical que es de 0.27 según el cuadro 3A.1.8. de IPCC (2002), de
la biomasa calculada arriba del suelo, expresada en t MS/ha. Para hallar el contenido de
carbono en este componente se multiplico por 0.5 (Proporción de carbono por unidad de
materia seca según IPCC 2002) obteniendo el valor en t C/ha. Para las especies
forrajeras y herbáceas, se descontó el 5% que representa la proporción de hojarasca del
total de biomasa calculada arriba del suelo.
Hojarasca: Comprende residuos orgánicos de hojas, ramas, frutos y semillas que se
encuentran en la superficie del suelo. El cálculo de este componente fue incluido en los
cálculos de biomasa y contenido de carbono arriba del suelo conjuntamente con los
forrajes.
Suelo: Se cuantifico el contenido de carbono en los primeros 30 cm de profundidad del
suelo; utilizando una muestra obtenida a 20 cm de profundidad para determinar la
densidad aparente por el método del “cilindro de volumen conocido” descrito en
MacDicken (1997) y otra de aproximadamente 200 g obtenida a 30 cm de profundidad,
para determinar el porcentaje de carbono orgánico en laboratorio por el método WalkleyBlack, en el cual el suelo se oxida con una solución de Dicromato de potasio
estandarizada, utilizando el calor producido por la dilución de ácido sulfúrico concentrado,
en la solución crómica. El porcentaje de carbono orgánico se determinó por colorimetría
(espectrofotometría), cuantificando el color verde del ácido crómico reducido a una
Absorbancia máxima (λmax) de 590 nanómetros (nm), la cual es proporcional a la materia
orgánica que reacciona. Además, se realizó la respectiva curva de calibración con
patrones de Sacarosa (Adaptado de García, G. Ballesteros, G). Para hallar el contenido
de carbono en el suelo, se utilizo el siguiente cálculo: COS = CO * DA * P; Donde: COS =
C almacenado (t C ha-1), P = Profundidad de muestreo (cm); DA = Densidad aparente del
45
suelo (g/cm-3), y CO = Contenido de carbono (%) determinado por método de WalkleyBlack.
46