UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS SEMESTRE ACADÉMICO: 2020-I Profesor: Ing. Zoot. David L. Castro Cáceres EL CONTENIDO EN NUTRIENTES DE LOS ALIMENTOS Objetivos del tema: Los alumnos han de ser capaces de: saber explicar el fundamentos y limitaciones de los métodos de análisis de parámetros químicos saber relacionar los parámetros químicos y el contenido en nutrientes de los alimentos Esquema del tema: La composición química de los alimentos: El Análisis Proximal o de Weende La humedad y la materia seca Las cenizas y la materia orgánica Las vitaminas La proteína bruta El extracto etéreo Los carbohidratos de la pared celular: a) La fibra bruta b) Las fibras detergentes c) Las paredes celulares insolubles d) Los polisacáridos no amiláceos Los carbohidratos intracelulares La energía bruta La variabilidad de la composición química de los alimentos 1.- La composición química de los alimentos: el análisis Weende. Todos los alimentos, sean de origen animal ó vegetal, están compuestos por los mismos nutrientes (agua, carbohidratos, lípidos, proteínas y minerales). En general, los alimentos vegetales tienen una elevada proporción de carbohidratos (almidón y fibra) y, excepto las oleaginosas, poca grasa; por el contrario, los alimentos de origen animal 1 suelen poseer un mayor contenido proteico y de aminoácidos esenciales que los alimentos de origen vegetal y, excepto la leche, prácticamente carecen de carbohidratos. Los métodos tradicionales para determinar los nutrientes de los alimentos para el ganado fueron desarrollados en la Estación Experimental Weende (Alemania) por Henneberg y Stohmann en 1860; muchos de los métodos actuales son los originales Weende (métodos por vía húmeda) ligeramente modificados. Existen métodos oficiales de toma de muestras y de análisis de alimentos; además, la Association of Official Chemists Analysts (AOAC) recoge en sus publicaciones numerosos métodos para la determinación de nutrientes. La caracterización nutritiva de los alimentos según el método Weende se basa en la determinación de los siguientes parámetros químicos: humedad, cenizas, proteína bruta, extracto etéreo, fibra bruta, extractos libres de nitrógeno, y energía. Existen métodos alternativos a los análisis químicos por vía húmeda de los alimentos, como la técnica de reflectancia en el infrarrojo cercano (NIR) que relaciona la reflectancia de los alimentos con su composición química; esta técnica está actualmente en desarrollo y es probable que su utilización se generalice en el futuro. 2.- La humedad y la materia seca. La humedad es la cantidad de agua que contiene el alimento; la diferencia entre el peso total del alimento y el contenido en agua se denomina materia seca. Los alimentos concentrados contienen un 5-10% de humedad, mientras que los forrajes verdes contienen alrededor del 80%. El contenido en agua de los alimentos, además de dificultar su almacenamiento (desarrollo de hongos, bacteriano, etc), determina su valor nutritivo. Debido a que el valor nutritivo de unos alimentos depende en buena medida de su contenido en materia seca, el contenido en nutrientes de los alimentos, se suele expresar como porcentaje de su materia seca. La humedad se determina desecando el alimento en una estufa a 105 ºC durante 5 h. Un problema importante es que a altas temperaturas (>60 ºC) se evapora no sólo agua, sino también sustancias volátiles de los alimentos; por este motivo se recomienda que los alimentos con alta humedad se presequen previamente a menos de 60 ºC hasta alcanzar un contenido en materia seca superior al 80%. Peso del alimento: 4.6 g 2 ESTUFA Materia seca: 4.3 g Cálculos: Materia seca: 4.3/4.6 x 100 = 93.5% Humedad: 100 - 93.5 = 6.5% 3.- Las cenizas y la materia orgánica. Las cenizas representan el contenido en minerales del alimento; en general, las cenizas suponen menos del 5% de la materia seca de los alimentos. Los minerales, junto con el agua, son los únicos componentes de los alimentos que no se pueden oxidar en el organismo para producir energía; por el contrario, la materia orgánica comprende los nutrientes (proteínas, carbohidratos y lípidos) que se pueden quemar (oxidar) en el organismo para obtener energía, y se calcula como la diferencia entre el contenido en materia seca del alimento y el contenido en cenizas. Las cenizas se determinan como el residuo que queda al quemar en un horno ó mufla los componentes orgánicos a 550 ºC durante 5 h. En ocasiones es interesante determinar las cenizas insolubles en ácido clorhídrico, que pretenden representar el contenido del alimento en minerales indigestibles para el animal Peso del alimento: 5.2 g MUFLA Cenizas: 0.2 g Cálculos: Cenizas: 0.2/5.2 x 100 = 3.8% Cenizas sobre MS: 3.8/0.935 = 4.1% Materia orgánica: 93.5 - 3.8 = 89.7% MO sobre MS: 100 - 4.1 = 95.9% 89.7/0.935 = 95.9% Respecto al análisis de minerales, es frecuente que se determine el contenido de ciertos macrominerales en los alimentos, como calcio, fósforo y magnesio; los minerales se analizan generalmente mediante espectrofotometría de absorción atómica ó mediante colorimetría. El análisis de oligoelementos suele ser caro y tedioso, por lo que no se realiza 3 habitualmente; lo que se hace para compensar eventuales deficiencias es suplementar las raciones con una cantidad generosa de corrector vitamínico-mineral. 4.- Las vitaminas. Las diferentes vitaminas pertenecen a grupos químicos diferentes, no existiendo entre ellas rasgos comunes; la mayoría de las vitaminas se pueden analizar mediante la técnica HPLC. El contenido en vitaminas de los alimentos no se suele determinar ya que es caro y el empleo de complementos vitamínico-minerales permite una razonable seguridad respecto al contenido en vitaminas de la ración. 5.- La proteína bruta. En general, casi todo el nitrógeno que contienen los alimentos está formando parte de los grupos amino de los aminoácidos; por este motivo el contenido en proteína se calcula a partir del contenido en nitrógeno de los alimentos. El contenido nitrogenado de los aminoácidos varía desde un 8% en la tirosina hasta un 32% en la arginina, pasando por 16% de media en las proteínas de los tejidos animales; esto es, el contenido en nitrógeno de una proteína depende de su composición en aminoácidos. No obstante, para simplificar el cálculo de la proteína bruta se supone que las proteínas contienen de media un 16% de nitrógeno, por lo que la proteína bruta que contiene un alimento se calcula como el nitrógeno total del alimento dividido por 0.16 (ó multiplicado por 6.25). El nitrógeno total del alimento se determina por el método Kjeldahl: - digestión de la muestra: consiste en tratar el alimento con ácido sulfúrico concentrado, que convierte en amoniaco todo el nitrógeno del alimento, formándose sulfato amónico - destilación: posteriormente se libera el amoniaco mediante la adición de hidróxido sódico concentrado, y este amoniaco se fija sobre ácido diluido, valorando finalmente por titulación con álcali diluido. Peso del alimento: 0.6 g SO4H2 SO4(NH4)2 + CO2 + H2O 4 NaOH NH4OH + SO4Na2 ClH ClNH4 + ClH residual NaOH + Indicador rojo ClNa + indicador verde Cálculos: N en el alimento: 0.03 g PB: 6.25 x 0.03/0.6 = 31.3% PB sobre MS: 31.3/0.935 = 33.5% Por otra parte, no todo el nitrógeno contenido en los alimentos forma parte de proteínas. En efecto, aunque la mayoría del nitrógeno de los alimentos está formando parte de aminoácidos, el resto del nitrógeno está formando compuestos no proteicos (ácidos nucleicos, sales amoniacales, aminas, amidas, etc); el nitrógeno no proteico (NNP) no es utilizado por los monogástricos, aunque sí lo es por la flora ruminal. Para estimar el NNP del alimento se precipitan las proteínas verdaderas con etanol al 80%, ó con una solución cúprica (hidróxido ó acetato), ó con ácido tricloroacético. La denominación proteína bruta incluye todos los compuestos que contienen nitrógeno, sean ó no aminoácidos. El 95% de la proteína bruta de los concentrados es proteína verdadera, esto es, aminoácidos; debido a que la diferencia cuantitativa entre proteína bruta y verdadera es mínima en alimentos concentrados, en las raciones de monogástricos no se diferencia en la práctica entre proteína bruta y verdadera. Por el contrario, es conveniente estimar el contenido en NNP de los alimentos fibrosos y de los subproductos, ya que en estos alimentos el NNP puede representar más del 20% del nitrógeno total del alimento. Respecto al contenido proteico de los alimentos, destaca el elevado valor proteico de los subproductos de origen animal y de las tortas de oleaginosas. Todas las partidas de materias primas se suelen analizar para conocer su contenido en proteína bruta CONTENIDO PROTEICO DE ALIMENTOS 5 Harinas animales Tortas oleaginosas Heno leguminosas Cereales Forrajes 50-85% 30-50% 13-17% 8-13% 1-7% Los aminoácidos de los alimentos no se determinan habitualmente; no obstante, se tiende cada vez más a determinar los aminoácidos de los alimentos de monogástricos, en particular la lisina y la metionina. Los aminoácidos se pueden analizar mediante analizadores automáticos de aminoácidos, ó mediante la técnica HPLC. 6.- El extracto etéreo. El extracto etéreo ó grasa bruta estima el contenido en triglicéridos del alimento. A no ser que se añada, el contenido en grasa de la ración suele ser muy bajo, y aunque se añada no suele sobrepasar el 5% de la ración, salvo en los piensos de peces y animales de compañía. CONTENIDO GRASO DE ALIMENTOS Semillas oleaginosas 15-35% Harinas animales 5-10% Tortas oleaginosas 1-3% Cereales 1-5% Forrajes 0-3% El extracto etéreo se determina solubilizando los lípidos con éter de petróleo para separarlos del resto del alimento mediante extractores Soxhlet; antes de la extracción, se recomienda someter a los alimentos a una hidrólisis ácida (con HCl 3 N) para romper los enlaces que ligan a algunos lípidos con otras sustancias (p.e. lipoproteínas, fosfolípidos, y las grasas saponificadas que forman jabones de ácidos grasos con minerales). En general, más del 90% del extracto etéreo son triglicéridos verdaderos y el resto lipoides (fosfolípidos -cefalinas y lecitinas-, ceras, estearinas, etc). Aunque los triglicéridos son digeridos prácticamente en su totalidad, los lipoides no son digeridos por los animales. Peso del alimento: 4.8 g ETER 6 Alimento desgrasado: 4.6 g Cálculos: EE: (4.8-4.6)/4.8 x 100 = 4.2% EE sobre MS: 4.2/0.935 = 4.5% Los ácidos grasos de los alimentos no se determinan habitualmente, aunque se pueden analizar con la técnica de cromatografía de gases. 7.- Los carbohidratos de la pared celular. Los principales carbohidratos de la pared celular ó carbohidratos estructurales de los alimentos de origen vegetal, son la celulosa, la hemicelulosa y las sustancias pécticas; los alimentos de origen animal obviamente, no contienen pared celular ni por lo tanto carbohidratos estructurales. La celulosa es un homopolisacárido formado por moléculas de glucosa, la hemicelulosa es un heteropolisacárido formado por hexosas, pentosas y ácidos urónicos, y las pectinas son heteropolisacáridos formados por hexosas y ácido galacturónico. Los azúcares que forman los carbohidratos estructurales están unidos por enlaces ß: los enzimas digestivos de los monogástricos no tienen capacidad para hidrolizar estos enlaces ß, aunque los enzimas producidos por la flora ruminal sí hidrolizan estos enlaces. La pared celular contiene, además de estos carbohidratos, cantidades más ó menos importantes de polifenoles (lignina, taninos); estos polifenoles (no son carbohidratos) son difíciles de determinar con precisión. Precisión de los diferentes métodos utilizados para determinar los componentes de la pared celular FB FND FAD PCI Celulosa +++ +++ +++ +++ Hemicelulosa + +++ + ++ Lignina ++ +++ ++ +++ Pectinas + ++ Proteínas ++ + +++ (+++): determina el 100%, (++): determina el 50-100%, (+): determina menos del 50%, (-): solubiliza a) La fibra bruta. 7 Tradicionalmente los carbohidratos estructurales se han estimado como la fibra bruta del alimento. La fibra bruta se determina como el residuo que queda tras la doble hidrólisis ácida (con ácido sulfúrico) y alcalina (con hidróxido potásico) del alimento. El contenido en fibra bruta de los concentrados energéticos y proteicos es inferior al 10%, mientras que los forrajes contienen un 25-60% de fibra bruta. Cálculo de la fibra bruta contenida en los alimentos Peso del alimento: 1.2 g SO4H2 Residuo KOH Fibra bruta: 0.08 g Cálculos: Fibra bruta: 0.08/1.2 x 100 = 6.7% FB sobre MS: 6.7/0.935 = 7.1% No obstante, un inconveniente de la doble hidrólisis es que solubiliza parte de la hemicelulosa y de la lignina de la pared celular (esto es, el contenido en fibra bruta es menor que el contenido real en carbohidratos estructurales), y por lo tanto, la fibra bruta no es un buen estimador de los componentes de la pared celular. A pesar de no ser un buen estimador de los carbohidratos estructurales, la determinación de la fibra bruta está generalizada en la alimentación de los monogástricos debido a que en general los alimentos utilizados en las raciones de estos animales tienen un contenido bajo en fibra. No obstante, el contenido en fibra de los forrajes sí es importante, por lo que actualmente se están investigando análisis alternativos a la fibra bruta, que relacionen los diferentes tipos de carbohidratos estructurales con su utilización digestiva por los rumiantes; así ocurre con las fibras detergentes de Van Soest, las paredes celulares de Carré, ó los polisacáridos no amiláceos. b) Las fibras detergentes. La fibra neutro detergente (FND), que estima el contenido en celulosa, hemicelulosa y lignina de la pared celular, se determina como el 8 residuo que queda tras la extracción con la solución neutro-detergente (formada por sulfato lauril sódico y EDTA). El contenido de los alimentos en FND está relacionado con su ingestión por los rumiantes. La fibra ácido detergente (FAD), que es un estimador del contenido de la pared celular en celulosa y lignina, se determina como el residuo que queda tras la solubilización de la hemicelulosa con la solución ácidodetergente (formada por ácido sulfúrico diluido y bromuro de acetiltrimetil-amonio). El contenido de los alimentos en FAD está relacionado con su degradabilidad ruminal y digestibilidad. Finalmente, el tratamiento de la FAD con ácido sulfúrico al 72% permite solubilizar la celulosa, esto es, el residuo (denominado lignina ácido detergente, LAD) contiene lignina y otros residuos (taninos, cutina, minerales insolubles en medios ácidos, sílice, etc). La lignina se puede solubilizar con una solución oxidante de permanganato potásico. El contenido de los alimentos en LAD, igual que su contenido en FAD, está relacionado con su degradabilidad ruminal y digestibilidad. Cálculo de las fibras detergentes contenidas en los alimentos Peso del alimento: 1.2 g Solución neutro-detergente Fibra neutro detergente: 0.21 g Solución ácido-detergente Fibra ácido detergente: 0.10 g SO4H2 Lignina ácido detergente: 0.03 g Cálculos: FND: 0.21/1.2 x 100 = 17.5% FAD: 0.10/1.2 x 100 = 8.3% LAD: 0.03/1.2 x 100 = 2.5% FND sobre MS: 17.5/0.935 = 18.7% FAD sobre MS: 8.3/0.935 = 8.9% LAD sobre MS: 2.5/0.935 = 2.7% 9 Los forrajes habituales contienen un 35-60% de FND, un 25-35% de FAD y un 5-10% de LAD, mientras que los concentrados contienen un 1020% de FND, un 5-10% de FAD y menos de un 5% de LAD. Todas las partidas de forrajes se deben analizar para conocer su contenido en, al menos, FND y FAD. Un inconveniente del método de las fibras detergentes es que la solución neutro-detergente solubiliza no solamente los carbohidratos no estructurales, sino también las pectinas de la pared celular; por otra parte, en la FND se retiene algo de almidón, grasa y proteína, por lo que su determinación se está intentando perfeccionar. c) Las paredes celulares insolubles. Las paredes celulares insolubles, que son un estimador del contenido en celulosa, hemicelulosa, pectinas, lignina y proteínas de la pared celular, se determinan como el residuo que queda tras la extracción con una solución enzimático-detergente (formada por dodecilsulfato de sodio, metanol, proteasa y amilasa). El contenido en paredes celulares es de un 10-20% en el caso de los concentrados, y de un 40-60% en los forrajes. Un inconveniente del método de las paredes celulares es que la solución enzimático-detergente no solubiliza las proteínas parietales, además de solubilizar una parte de la hemicelulosa y de las sustancias pécticas. d) Los polisacáridos no amiláceos. Finalmente, los polisacáridos no amiláceos (NSP, non-starch polysaccharides) parecen determinar con más precisión los carbohidratos de la pared celular; no obstante, el método de análisis es complejo y para su determinación se precisa utilizar cromatógrafo de gases. 8.- Los carbohidratos intracelulares. Los carbohidratos más simples son la glucosa y la fructosa que se encuentran en las frutas. El sorbitol y el manitol se obtienen a partir de glucosa y tienen un valor nutritivo similar; se absorben muy lentamente en el duodeno, por lo que se utilizan en dietas de diabéticos. Los disacáridos más importantes son la sacarosa (glucosa-fructosa, enlace α de la caña de azúcar y remolacha, la lactosa (glucosa-galactosa, enlace α de la leche, y la maltosa y celobiosa (ambas glucosa-glucosa, enlace α y ß respectivamente) 10 productos de la hidrólisis del almidón y de la celulosa, respectivamente. Los disacáridos, el almidón y el glucógeno son, en general, totalmente digeridos y absorbidos por los monogástricos. Es importante tener presente que los alimentos de origen animal no tienen azúcares (excepto la lactosa de la leche y el glucógeno de los músculos) ni almidón. Los edulcorantes artificiales como la sacarina y los ciclamatos no son carbohidratos; no tienen valor nutritivo y únicamente sirven para dar sabor. El almidón es el carbohidrato de reserva de la mayoría de los vegetales y es particularmente abundante en cereales; está formado por amilosa (cadenas lineales de glucosa unidas por enlaces α-1,4) y por amilopectina (cadenas lineales de glucosa con ramificaciones α-1,6). El contenido en almidón de los alimentos se puede determinar por métodos enzimáticos ó polarimétricos. Las dextrinas son productos intermedios de la digestión del almidón. CONTENIDO EN ALMIDON DE ALIMENTOS Cereales Leguminosas grano Tortas oleaginosas Forrajes 40-60% 35-40% < 5% < 5% El contenido de los alimentos en carbohidratos intracelulares se estima como la diferencia entre la materia seca del alimento y el resto de nutrientes (cenizas, proteína bruta, extracto etéreo y componentes de la pared celular). Según el análisis efectuado para determinar los componentes de la pared celular, la cantidad de carbohidratos intracelulares se denomina: - extractos libres de nitrógeno (ELN): relacionados con la fibra bruta; debido a las deficiencias que presenta el análisis de la fibra bruta, el significado nutritivo de los ELN se debe tomar con cierta reserva (sobre todo en forrajes, con un contenido importante de hemicelulosa y lignina). - carbohidratos no estructurales (CNE): relacionados con la fibra neutro detergente; no obstante, se debe tener presente que se incluye como CNE a las pectinas de la pared celular (que son indigestibles para monogástricos). Cálculo de los carbohidratos intracelulares contenidos en los alimentos 11 ELN =100-6.5-3.8-31.3-4.2-6.7= 47.5% CNE = 100-6.5-3.8-31.3-4.2-17.5=36.7% ELN sobre MS: 100-4.1-33.5-4.5-7.1= 50.9% 47.5/0.935 = 50.9% CNE sobre MS: 36.7/0.935 = 39.3% 9.- La energía bruta. La energía bruta ó calor de combustión de un alimento es la cantidad de calor que se libera cuando se quema en un calorímetro, y representa la máxima cantidad posible de energía que se puede obtener de un alimento. La energía se mide en kilojulios ó en kilocalorías (1 kcal = 4'184 kJ). La energía bruta no tiene significado nutritivo, pero es un parámetro necesario para calcular el valor energético (energía aprovechable) de los alimentos. Peso del alimento: 0.5 g CALORIMETRO Energía bruta: 9 kJ Cálculos: Energía bruta: 9/0.5 = 18 kJ/g = = 18 MJ/kg = 4.3 Mcal/kg EB sobre MS: 18/0.935 = 19.3 MJ/kg MS = = 4.6 Mcal/kg MS La energía bruta (EB) depende de la composición química del alimento y se puede estimar a partir de esta composición: EB (kJ/kg MS) = 23.5 x PB + 39.5 x EE + 17.5 x HdC (g/kg MS) Como se observa en la ecuación, los alimentos grasos ó proteicos son más energéticos que los alimentos ricos en carbohidratos; por otra parte, los alimentos con un alto contenido en humedad ó en cenizas son menos energéticos. Estimación del contenido en energía bruta a partir de la composición química 12 EB = 23.5 x 313 + 39.5 x 42 + 17.5 x (175 - 25 + 367) = 18.1 MJ/kg EB sobre MS: 18.1/0.935 = 19.4 MJ/kg MS 10.- La variabilidad de la composición química de los alimentos. La composición de las materias primas varía bastante dependiendo de las condiciones de cultivo y almacenamiento, así como de los procesos de obtención en el caso de forrajes y subproductos. La diferencia entre la mejor y peor calidad de cualquier materia prima es demasiado grande para ser ignorada, siendo la proteína el nutriente más variable. Por este motivo es recomendable el análisis sistemático de las partidas que van a ser utilizadas en la elaboración de las raciones. En este sentido, como se verá en el seminario correspondiente, existe cierta legislación sobre las características mínimas de calidad que han de cumplir algunas materias primas. En caso de que no sea posible analizar las materias primas utilizadas para la elaboración de las raciones, se pueden utilizar los datos recogidos en las tablas de composición de alimentos; las principales tablas son las publicadas por el INRA y por el NRC. Cuando se utilizan tablas de composición de alimentos es necesario adoptar ciertos márgenes de seguridad para elaborar las raciones, debido a la falta de homogeneidad de las distintas partidas de materias primas. Así, respecto a los valores orientativos de las tablas, los constituyentes orgánicos pueden variar un ±15%, los minerales un ±30%, y la energía un ±10%. La gran ventaja del análisis sistemático de los alimentos es que permite reducir ó eliminar los márgenes de seguridad, con el consiguiente ahorro económico que ello significa. 13
