Reducción de la contaminación por nitrógeno con proteínas protegidas

Fernando Diaz

Introducción

Los sistemas de formulación nitrogenada más recientes para rumiantes se basan en los conceptos de proteína digestible en el intestino¹¹ y de aporte de aminoácidos al intestino delgado del rumiante^19,23,17. El interés en mejorar la precisión en la formulación proteica en estas especies ha dependido no solo de la necesidad de seguir mejorando la producción y reduciendo sus costes; sino también, en los últimos tiempos, por la necesidad de reducir el impacto medioambiental del uso excesivo del nitrógeno en las dietas^3,23,27.

Los aportes de proteína o aminoácidos al intestino delgado del rumiante corresponden en todos los sistemas a la sumatoria de la proteína microbiana sintetizada en el rumen, la proteína alimentaria no degradada en este y la proteína endógena⁶. La complejidad de los factores que afectan al flujo de cada una de estas fracciones hace muy difícil predecir la cantidad y el perfil de los aminoácidos que influyen al intestino delgado del rumiante¹³, ya que, a diferencia de los monogástricos, la composición en aminoácidos de la proteína disponible para el animal depende de la naturaleza de la proteína que sale del rumen, y no de la que es ingerida por el animal¹⁰.

Contaminación ambiental por nitrógeno en los sistemas de producción animal

Uno de los principales problemas medioambientales es la emisión de nitrógeno (N) al ambiente⁸. El nitrógeno (N) es un elemento químico que no puede ser ni producido ni destruido por el metabolismo animal y solo pueden ser transformadas las moléculas que lo contienen²¹. La mayoría del N consumido por los animales es excretada, actuando como nutriente necesario para el crecimiento de las plantas; sin embargo, el principal problema durante este ciclo del N es que se producen pérdidas elevadas de N que contribuyen a la degradación del medioambiente²². Las mayores pérdidas de N que ocurren en los sistemas intensivos de producción animal se producen mediante las emisiones de gases a la atmósfera y la escorrentía de nitratos (NO₃^–) a aguas superficiales y subterráneas. A continuación, se detallan los principales contaminantes atmosféricos originados en los sistemas de producción animal¹⁸:

• Amoniaco (NH₃): La urea presente en la orina de los animales es hidrolizada a NH₃ y dióxido de carbono, lo que se facilita por las enzimas ureasas que se encuentran en las heces. Una vez que ha sido emitido, el NH₃ puede ser convertido rápidamente a ion amonio (NH₄⁺). El NH₄⁺ contribuye a la eutrofización, acidificación, y fertilización de los ecosistemas. Un 48% de las emisiones de NH₃ al ambiente son producidas por los animales de producción.
• Óxido nitroso (N₂O): El N₂O es formado y emitido a la atmosfera mediante los procesos microbianos de nitrificación y desnitrificación ocurridos en el suelo. Este gas produce el calentamiento de la troposfera y pérdidas de ozono en la estratosfera. Un tercio de este contaminante procede de granjas animales.
• Óxido nítrico (NO): NO y dióxido de nitrógeno (NO₂) son interconvertidos rápidamente en la atmosfera y por eso son referidos en conjunto como NO_X. Las emisiones de este gas procedentes de los animales y sus excretas son muy bajas, representando un 1% de las emisiones totales.

Degradación de la proteína en el rumen

La degradación de la proteína dietética en el rumen es un proceso complejo que involucra muchos microorganismos, los cuales proporcionan las enzimas necesarias para hidrolizar los enlaces peptídicos generando péptidos y aminoácidos³⁰. Estos productos de la degradación ruminal son transportados dentro de las células microbianas y siguen las siguientes rutas metabólicas²:

• Los péptidos son degradados a aminoácidos por peptidasas.
• Según la energía (en forma de carbohidratos) disponible en la célula microbiana, los aminoácidos pueden ser usados en la síntesis de proteína microbiana o pueden ser desaminados produciendo NH₃ y esqueletos carbonados, que son fermentados a ácidos grasos volátiles y CO₂.

La degradación de las proteínas en los compartimentos estomacales de los rumiantes depende de varios factores, algunos de los cuales están relacionados con las dietas, mientras que otros están relacionados con el animal²⁶. Los principales factores que afectan la cantidad de proteína que es degradada en el rumen son: el contenido proporcional de proteínas y nitrógeno no proteico, las propiedades físicas y químicas de las proteínas, el tiempo de retención de la proteína en el rumen, la actividad proteolítica microbiana y el pH ruminal²⁴. Entre todos estos factores, las diferencias en la estructura tridimensional de las proteínas es el factor más importante que condiciona la extensión y el grado de degradación de las proteínas, debido a que afecta el acceso microbiano a estas¹⁷.

La degradación ruminal de la proteína normalmente provoca una pérdida de proteína neta debido a que la proteína microbiana está compuesta por un 15 – 20% de ácidos nucleicos, los cuales no están disponibles para el metabolismo del ganado²⁷. Además, la mureína constitutiva de las paredes celulares de las bacterias contiene una elevada proporción de amino-azúcares (N-acetil glucosamina y ácido N-acetil murámico) que tampoco pueden ser usados en el metabolismo proteico del animal.

La proteína degradable en rumen (PDR) proporciona una mezcla de péptidos, aminoácidos libres, y NH₃ para el crecimiento microbiano y la síntesis de proteína microbiana¹⁷. La proteína microbiana representa la mayor parte de la proteína que sale del rumen (55 a 87% del total de N aminoacídico, según Clark⁶), siendo además de muy buena calidad. Sin embargo, generalmente esta puede ser insuficiente para aportar el total de AA requeridos por los animales de elevada producción. Así, a medida que aumenta la producción, la contribución parcial de la proteína microbiana al total de aminoácidos aportados al intestino disminuye y la cantidad de proteína alimentaria que llega sin degradar al intestino debe aumentar para cubrir las necesidades¹⁷. En vacas lecheras de alta producción (45 kg leche/día), la contribución máxima de la proteína microbiana esta limitada el 63% del total de los aminoácidos suministrados.

Proteínas protegidas

Las proteínas protegidas corresponden a alimentos proteicos que han sido tratados o procesados con la finalidad de disminuir la degradabilidad ruminal de la proteína y aumentar su contenido en proteína no degradable en rumen (PNDR) digestible en el intestino¹⁷. Muchos métodos han sido investigados para disminuir la fermentación ruminal de concentrados proteicos; la mayoría de estos métodos se basan en la aplicación de calor, agentes químicos o una combinación de ambos que alteran las características de la proteína e incrementan su resistencia a las enzimas proteolíticas⁵.

El calor provoca la desnaturalización de las proteínas, consistente en la alteración de su estructura tridimensional, sin ruptura de enlaces peptídicos. Ello conlleva una reducción de su solubilidad y accesibilidad con la consiguiente reducción de su degradación en el rumen⁴. En esta reducción interviene la formación de enlaces entre los grupos aldehídos de los azúcares y los grupos aminos libres de la proteína. Sin embargo, si el calentamiento es excesivo se producen reacciones de Maillard o de amarronamiento no enzimático, que implican la degradación de los azúcares a compuestos fenólicos, la condensación de estos con los aminoácidos y su posterior polimerización²⁸, siendo los compuestos resultantes indigestibles.

El principal desafío es, pues, identificar condiciones de tratamiento que incrementen la proteína no degradable digestible, a un grado que justifique el coste del tratamiento y con una mínima perdida en la disponibilidad de aminoácidos¹⁷. Las condiciones de tiempo, humedad y temperatura que proporcionarán una protección óptima resultan variables en función del suplemento a proteger. Sin embargo, el efecto de tratamientos moderados con calor en la degradación de la proteína no ha sido consistente. Así, Tagari y col.²⁵, calentando harina de soja a 140º C o más, redujeron la liberación de amoniaco in vitro, mientras que el calentamiento a 120º C no produjo efectos. De forma similar, Mir y col.¹⁶ mostraron que el calentamiento a 110 o 120º C durante 120 o 20 minutos, respectivamente, redujo la degradación ruminal in situ de harina de colza, pero no de la harina de soja.

Muchos tratamientos químicos han sido utilizados en el pasado con el objetivo de disminuir la degradabilidad de las proteínas. Sin embargo, algunos productos, como por ejemplo el formaldehido, han sido prohibidos por las directivas de la Unión Europea. El principal objetivo con el tratamiento de las proteínas con agentes químicos es crear una modificación reversible en estas dependiente del pH, que permita inhibir su degradación en el compartimento rumen-retículo (donde el pH es cercano a la neutralidad o moderadamente ácido), pero no en el abomaso y el duodeno proximal donde el pH es mucho más bajo²⁶.

El tratamiento con ácidos desnaturaliza las proteínas³¹, pudiendo ser los ácidos orgánicos e inorgánicos. Inicialmente, los estudios para disminuir la degradabilidad de los concentrados proteicos se realizaron con ácidos orgánicos monocarboxílicos: fórmico, acético, propiónico, etc.^29,12,15, siendo limitada la protección obtenida y en ciertos casos no permanente, dado el carácter volátil de algunos de estos ácidos. Sin embargo, en épocas recientes existe un alto interés en el uso de ácidos di o tricarboxílicos como alternativa a los antibióticos promotores del crecimiento en rumiantes, siendo el ácido málico el más utilizado entre ellos. La principal ventaja para el uso del ácido málico en el tratamiento de proteínas es su alta solubilidad en agua, y sus inconvenientes principales son su coste elevado y su alto poder de corrosión.

Dentro de los ácidos inorgánicos, solamente el ácido ortofosfórico está autorizado para su uso en piensos de rumiantes, ya que el uso de los ácidos clorhídrico y sulfúrico solamente está permitido en ensilados. El ácido ortofosfórico es líquido en estado puro, corrosivo, palatable a dosis baja, produce poco olor y, además, es más económico que los ácidos orgánicos¹⁴. Estas características le convierten en un potencial agente protector. La combinación del tratamiento térmico junto con el empleo de ácidos podría permitir alcanzar niveles más altos de protección que usando cada método por separado, y presentar ventajas económicas, debido a la disminución en el coste energético del tratamiento térmico y a la menor dosis de ácidos necesaria, y la menor posibilidad de generar reacciones de Maillard irreversibles, asociadas con la sobreprotección de proteínas²⁰.

Arroyo y col.¹ aumentaron en un 267% el contenido de PNDR de harina de girasol tratada con una solución de ácido málico o ácido ortofosfórico combinado con calentamiento a 150º C durante 6 horas, independientemente del ácido usado. Como consecuencia de estos cambios, la eficacia de digestibilidad intestinal efectiva de la proteína de este concentrado aumentó en un 11,8% (ác. ortofosfórico) y un 20% (ác. málico). Del mismo modo, este autor (Diaz y col.⁷) incrementó la concentración de PNDR en un 150% en harina de guisante tratada con ac. málico o ac. ortofosfórico y calor a 120º C durante 60 minutos.

Aplicaciones

La aplicación de tratamientos de protección contra la fermentación ruminal en proteínas de alta calidad es una estrategia efectiva para reducir su degradación microbiana, la cual esta generalmente asociada perdidas de amoniaco y una disminución en la síntesis de proteína microbiana. La ineficiencia asociada con un excesivo aporte de proteína degradable en rumen es muy importante en vacas lecheras ya que la mayoría de los requerimientos de aminoácidos debería ser cubiertos principalmente mediante el aporte de concentrados proteicos.

Sobre el autor

Fernando Díaz es el director del Dairy Knowledge Center. Trabaja como consultor lechero independiente, especializado nutrición y manejo en la compañía Rosecrans Dairy Consulting, LLC. Ofrece servicio de consultoría a granjas lecheras y empresas de alimentación, incluyendo nutrición y manejo alimentario, planes de cultivos forrajeros, e investigación y desarrollo de nuevos alimentos, aditivos y tecnologías para las vacas lecheras. Fernando vive en Brookings, Dakota del Sur y puede ser contactado en fernando@dairykc.com.

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