Principios nutritivos de los alimentos
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NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL Dr. Andrés L. Martínez Marín Departamento de Producción Animal Universidad de Córdoba correo electrónico: pa1martm@uco.es Principios nutritivos de los alimentos 1 Índice • • • • • Clasificación de los principios inmediatos Carbohidratos Lípidos Proteínas y otros compuestos nitrogenados Determinación analítica de los componentes de los alimentos 2 • • • • • Clasificación de los principios inmediatos Carbohidratos Lípidos Proteínas y otros compuestos nitrogenados Determinación analítica de los componentes de los alimentos 3 Clasificación de los principios inmediatos La composición química de los alimentos puede enfocarse desde varios puntos de vista: A. Composición elemental. Se refiere al contenido en elementos químicos. P. ej., el análisis apropiado muestra que los alimentos de origen vegetal y animal están compuestos de cantidades importantes de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, y cantidades menores de calcio, fósforo, azufre, etc. B. Combinaciones químicas. Los elementos anteriores se encuentran normalmente combinados en moléculas en los alimentos. Dichas combinaciones son los verdaderos constituyentes de los alimentos. Podemos distinguir: - Agua - Compuestos minerales: sales y óxidos minerales - Compuestos orgánicos: siempre incluyen carbono, asociado al hidrógeno y al oxígeno (carbohidratos y lípidos), y al nitrógeno (proteínas). También combinaciones de los anteriores con otros elementos como azufre, fósforo, etc. C. Categorías de combinaciones químicas. Agrupación de las moléculas por sus propiedades físicas y químicas comunes. - Agua - Carbohidratos - Proteínas - Minerales - Lípidos - Diversos 4 CARBOHIDRATOS AGUA LIPIDOS MATERIA ORGANICA COMPUESTOS NITROGENADOS ALIMENTOS SUSTANCIAS DIVERSAS MATERIA SECA MACRO SUSTANCIAS QUE ES POSIBLE ENCONTRAR EN LOS ALIMENTOS ESENCIALES MICRO MINERALES NO ESENCIALES 5 • • • • • Clasificación de los principios inmediatos Carbohidratos Lípidos Proteínas y otros compuestos nitrogenados Determinación analítica de los componentes de los alimentos 6 Carbohidratos * Los carbohidratos son compuestos neutros que contienen C, H y O y tienen la fórmula general (CH2O)n, donde n es 3 o mayor. Algunos CHO contienen P, N o S, y otros no tienen H y O en la misma proporción que el agua. * Son los principales proveedores de energía en la alimentación de los animales. * Las sustancias de este grupo son polihidroxi- aldehídos (glucosa) y cetonas (fructosa), sus derivados simples, como alcoholes (glicerol) y ácidos (ác. glucurónico), y cualquier otro compuesto que pueda hidrolizarse a estos. 7 enlace 1-4: maltosa (hidrolizable por la amilasa) anómero numeración de los carbonos de la glucosa H 2O enlace β 1-4: celobiosa (hidrolizable por enzimas microbianas) Modificado de Tisch (2005) H 2O anómero β 8 Derivados Alcoholes: glicerol (glucosa) Ácidos urónicos (glucosa,galactosa) Glicósidos*: gluco-,galacto- y fructósidos Desoxiazúcares: desoxirribosa Aminoazúcares: monosacárido+NH2 ciclo pentosas-P glucolisis ciclo pentosas-P -> arabanos -> xilanos ciclo pentosas-P ARN ciclo pentosas-P -> di y polisacáridos -> lactosa ->mananos y glicoproteínas -> sacarosa - H2O ciclo pentosas-P ≤ 10 monosacáridos glucosa+fructosa glucosa+galactosa glucosa+glucosa (1-4) glucosa+glucosa (β1-4) glucosa+fructosa+galactosa fructooligosacáridos fructosa+fructosa+glucosa 9 Modificado de McDonald et al. (2010) Pentasacáridos 2galactosa+fructosa+glucosa Verbascosa 3galactosa+fructosa+glucosa cadenas de arabinosa y xilosa, se encuentran normalmente formando parte de los heteroglicanos (hemicelulosa) amilosa (1-4) amilopectina (1-4 y α1-6) animales cadena de celobiosa cadenas β1-4 y β1-3 de glucosa (β-glucano) un único tipo de monosacárido cadenas de fructosa cadenas de galactosa y manosa =quitina cadenas de monosacáridos ác. galacturónico+monosacáridos mananos+ xilanos+arabanos +ac.glucurónico pentosa+hexosas+ac. urónicos > 10 monosacáridos varios tipos de monosacáridos aminoazúcar+ac. glucurónico (animales) glicerol+dos ácidos grasos + glucosa o galactosa (Galactolipidos = 60% lípidos en gramíneas y treboles) Modificado de McDonald et al. (2010) proteína + glucosamina o galactosamina (animales) 10 carbohidratos derivados de hexosas Oligosacáridos y polisacáridos homoglicanos Las flechas que pasan sobre un rectángulo gris señalan a compuestos que pertenecen al grupo indicado por dicho rectángulo carbohidratos derivados de pentosas Arabanos, xilanos y polisacáridos heteroglicanos 11 Tisch (2005) * Los CHO son los componentes más abundantes de los alimentos de origen vegetal y existen muchas clases diferentes. Sin embargo, desde un punto de vista nutricional, la lista de compuestos relevantes es bastante corta. Localización Contenido intracelular Denominación Azúcares Glucosa Fructosa Sacarosa Fructooligosacáridos α-galactósidos Polisacáridos Almidón de reserva Fructanos Paredes celulares Glucosa, fructosa Glucosa, fructosa Galactosa, glucosa, fructosa Glucosa (α 1-4) Fructosa Arabanoxilanos β-glucanos Ararabinosa, xilosa Glucosa (β 1-3 y β 1-4 ) Celulosa Glucosa (β 1-4 ) Polisacáridos estructurales Hemicelulosa No CHO Unidades constitutivas Xilosa, arabinosa, galactosa, manosa, ácido metilglucurónico Pectina Xilosa, arabinosa, galactosa, fructosa, ácido galacturónico Lignina Alcoholes cumarilíco, sinapílico, coniferílico Cutina Ceras 12 AZÚCARES + Glucosa y fructosa se encuentran libres en las plantas verdes en pequeñas cantidades (1-3% MS de los forrajes). + Sacarosa: muy abundante en las melazas de caña (30%) y remolacha (40%). + Fructooligosacáridos (cestosa y otros) y α-galactósidos : no hidrolizables por las enzimas digestivas pero sí por las microbianas, Los FOS pueden actuar como prebióticos. Los αgalactósidos se encuentran en cantidades apreciables en las semillas de leguminosas y se consideran factores antinutricionales. α-galactosidos (g/kg MS) Soybean Lupin Peas Faba beans Wheat Barley Maize Stachyose Raffinose Verbascose 30-52 7-19 - 42-55 10-11 23-40 23 5 22 16 4 34 1-2 4-5 - 0-1 2-5 - 1 2 - POLISACÁRIDOS DE RESERVA: + Almidón: es el principal CHO de reserva de las plantas (granos, semillas, tubérculos). Es una mezcla de amilosa (cadena lineal, enlaces 1-4) y amilopectina (cadena lineal de enlaces 1-4 con ramificaciones en enlaces 1-6 cada 24-30 glucosas). La relación entre ambas es generalmente 1/3. Se encuentra en gránulos de tamaño variable: los de arroz son los más pequeños, y los de la patata, los más grandes. Los gránulos no están rodeados por ninguna envoltura, son capas concéntricas de amilosa y amilopectina. El almidón es insoluble en agua fría pero por cocción se gelatiniza (desestructuración de los gránulos). + Fructanos: son sustancias de reserva que se encuentran principalmente en los tallos y hojas de las gramíneas templadas (ej. ryegrass). Su concentración aumenta en condiciones de elevada intensidad luminosa (↑fotosíntesis) y bajas temperaturas (↓crecimiento). Son solubles en agua fría. No son hidrolizables por las enzimas digestivas pero sí por las microbianas pueden 13 ocasionar trastornos digestivos en caballos. POLISACÁRIDOS ESTRUCTURALES No son hidrolizables por las enzimas digestivas, pero sí por las microbianas. + Celulosa: cadenas lineales de glucosa con enlaces β1-4. Se encuentra en las paredes de la células vegetales en forma de fibrillas rodeadas de hemicelulosa, pectinas y lignina, y pequeñas cantidades de proteína. + Hemicelulosas: cadenas muy ramificadas, compuestas principalmente por unidades de xilosa enlazadas en xilanos en la cadena principal y ácido metilglucurónico en las cadenas laterales. También contienen arabinosa, manosa y galactosa. + Pectinas: cadenas lineales de ácido galacturónico con enlaces laterales de xilosa, arabinosa, galactosa y fructosa. Célula vegetal Citoplasma Ácidos orgánicos, azúcares, carbohidratos de reserva Pared 2ª Hemicelulosa Celulosa Pared 1ª Lámina media Lignina Pectinas 14 + Arabinoxilanos y β-glucanos (β1-4 y β1-3): son abundantes en las paredes del endospermo de los cereales. Su importancia radica en que aumentan la viscosidad de la digesta, reduciendo la digestión de los alimentos y la absorción de nutrientes. Este efecto es particularmente importante en los monogástricos. De la Fuente et al. (1994) LIGNINA - No es un CHO. Es un polímero de elevado peso molecular compuesto por unidades de los alcoholes derivados del fenilpropano, cumaril, coniferil y sinapil, unidos en una estructura compleja de enlaces cruzados. - Se estudia junto a los polisacáridos estructurales por su estrecha relación en la paredes vegetales. - En los granos de cereales y leguminosas se localiza en la envolturas externas. - Es indigestible y dificulta la digestión de los polisacáridos estructurales. ÁCIDOS ORGÁNICOS - No son CHO pero se extraen junto a los azúcares en los análisis. - Más abundantes: málico y cítrico favorables. - Ácidos oxálico y fítico antinutricionales. 15 Distribución de los CHO en algunos alimentos para animales Pulpa Cereales Leguminosas Cascarilla remolacha Melazas (sus productos) (sus productos) soja y cítricos Ácidos orgánicos Forrajes verdes Henos * * Pajas * Azúcares * (*) α-galactósidos Xilanos y β-glucanos * (*) Almidón * Guisantes Habas Gramíneas Fructanos * Pectinas Hemicelulosa (*) * * * * * Celulosa (*) * * * * * * * Lignina 16 Glicósidos tóxicos Algunos glicósidos tienen residuos (agliconas) que cuando se liberan por hidrólisis pueden ser tóxicos para los animales. Algunos comunes son: + Glicósidos cianogénicos - Liberan ácido cianhídrico asfixia por inhibición de la respiración celular - Presentes en: planta lino y mandioca (linamarina), semilla de veza (vicianina), trébol blanco (lotaustralina). - El glucósido no es tóxico per se, pero se hidrolizan fácilmente por una enzima también presente en el alimento. + Vicina y convicina (habas) - Liberan divicina e isouramil, respectivamente - Afectan a los resultados productivos en gallinas ponedoras. + Saponinas - Se encuentra en leguminosas forrajeras como la alfalfa, y en leguminosas grano como soja, habas, garbanzos. - Tienen sabor amargo reducen el consumo (también irritan la mucosa digestiva y pueden causar hemólisis). + Glucosinolatos - Se encuentran en la semilla y torta de colza - No son tóxicos per se, pero se hidrolizan fácilmente por una enzima presente en el alimento (mirosinasa) o por enzimas microbianas del tracto digestivo, liberando isotiocianatos, oxazolidintiona y nitrilos. - Estos compuestos tienen efecto antitiroideo ( bocio). 17 • • • • • Clasificación de los principios inmediatos Carbohidratos Lípidos Proteínas y otros compuestos nitrogenados Determinación analítica de los componentes de los alimentos 18 Lípidos * Los lípidos son compuestos insolubles en agua, pero solubles en disolventes orgánicos, que contienen C, H y O. El H se encuentra en mayor proporción que en los carbohidratos. Algunos contienen además P o N. * Son la principal reserva de energía en el cuerpo de los animales. no saponificables (Triglycerides) 19 Modificado de McDonald et al. (2010) Con glicerol Sencillos Triglicéridos Esteres triples de glicerol con ácidos grasos. Compuestos Un grupo alcohol del glicerol está unido a un azúcar (ej. galactosa = Glicolípidos galactolípidos). Un grupo alcohol del glicerol está unido a ácido fosfórico, esterificado a su Fosfolípidos vez con colina (lecitinas) o etanolamina (cefalinas). Sin glicerol El glicerol es reemplazado por esfingosina que se une a un ácido graso y Esfingolípidos ácido fosfórico, esterificado a su vez con colina o etanolamina (esfingomielinas) o un azúcar (cerebrósidos). Ceras Alcoholes monohídricos de alto peso molecular esterificados con un ácido graso de cadena larga. Esteroides La unidad estructural es el ciclopentanofenantreno. Incluyen: esteroles colesterol, 7-dehidrocolesterol, ácidos biliares, hormonas sexuales y adrenales. Los esteroles vegetales no son absorbidos por los animales. Terpenos La unidad estructural es el isopreno. Incluyen: aromas, carotenoides, hormonas vegetales y vitaminas A, E y K. Derivados de áciodos grasos esenciales: prostaglandinas, prostaciclinas, Eicosanoides tromboxanos, leucotrienos. Mediadores del dolor y la inflamación. 20 * Los lípidos vegetales son de dos grandes tipos: + Lípidos estructurales - Pueden suponer hasta el 7% de las hojas de las plantas superiores. - Se localizan en: > superficies principalmente ceras, también ácidos grasos y cutina. > membranas celulares glicolípidos (50-60%) y fosfolípidos. + Lípidos de reserva - Se localizan en frutos y semillas en cantidades muy variables según la especie vegetal. Destacan las semillas oleaginosas. - Son predominantemente triglicéridos (≈ 98%). 21 * Ácidos grasos + Normalmente se encuentran esterificados al glicerol u otras sustancias, raramente libres. + Formados por una cadena hidrocarbonada lineal, de diferente longitud o número de átomos de carbono, en cuyo extremo hay un grupo carboxilo. El nº de átomos de carbono es normalmente par. + Puede ser saturados o insaturados dobles enlaces por pérdida de un H, se denominan de acuerdo al nº de dobles enlaces: mono, di, tri o poliinsaturados. + Los ácidos grasos insaturados pueden tener isómeros de naturaleza estructural, según la localización de los enlaces dobles, y espacial, según los hidrógenos unidos a los átomos de carbono del enlace doble se encuentren en el mismo lado (cis) o a ambos lados (trans) del mismo. Se nombran de dos formas atendiendo a la localización y disposición de los dobles enlaces: - contando desde el grupo metilo terminal (CH3): ω ó n - contando desde el extremo carboxílico (COOH): cis,trans, cis/cis, cis/trans, ... esteárico: 18 C, saturado linoleico: 18 C, diinsaturado 18:2 n-6 18:2 cis-9,cis-12 11 ruménico: 18 C, diinsaturado 18:2 n-6 18:2 cis-9,trans-11 -linolénico: 18 C, triinsaturado 18:3 n-3 22 18:3 cis-9,cis-12.cis-15 + Por su longitud de cadena, los ácidos grasos se clasifican en: - Volátiles: con 2 a 4 carbonos. - Cadena corta: con 6 a 10 carbonos - Cadena media: con 12 a 16 carbonos. - Cadena larga: a partir de 16 carbonos. + En los tejidos vegetales el más abundante es el linoleico (diinsaturado, 18 C), el saturado más abundante es el palmítico (16 C) y el monoinsaturado más abundante es el oleico (18 C). Se han identificado más de 300 pero solamente 7 son comunes. McDonald et al. (2010) La longitud de cadena (+) y el nº de enlaces dobles (-) determinan el punto de fusión 23 * Ácidos grasos esenciales para los animales + Los animales son incapaces de sintetizar los ácidos linoleico y -linolénico en su organismo, tienen que consumirlos preformados ( esenciales). Tampoco pueden convertir ácidos grasos de una serie a otra. + En el organismo animal, los ácidos linoleico y -linolénico son precursores de otros ácidos grasos n-6 y n-3 de 20 y 22 carbonos por elongación y desaturación. La baja velocidad a que ocurren estos procesos pueden causar deficiencias marginales en determinadas situaciones (ej. baja actividad de delta-6 desaturasa en gatos y peces). En dichas circunstancias se hace necesario aportar cantidades preformadas de dichos ácidos grasos poliinsaturados. + En general, se considera que los mamíferos tienen un requerimiento del 3% de la energía de la dieta como ácido linoleico, aunque las necesidades reales son muy variables en función de la especie (menos importante en rumiantes y caballos alimentados con forrajes verdes) y el estado productivo (más importante durante el crecimiento y la lactación). 24 Eicosanoides Aceites de: -lino -nueces -salvia Aceites de: -girasol -soja -maíz -cártamo competición por desaturación y elongación Pescado, algas Carne Algas, pescado "EFA to Eicosanoids" by Throop & Vasconcellos. Modificado. 25 ANTI-INFLAMMATORY EFFECTS OF LC N-3 PUFA 26 * Terpenos + Están constituidos por unidades de isopreno. + Muchos terpenos presentes en las plantas tienen olores y sabores característicos y forman parte de lo que se conoce como “aceites esenciales”. + Algunos terpenos son: clorofila, pigmentos carotenoides, vitaminas A, E y K. 27 • • • • • Clasificación de los principios inmediatos Carbohidratos Lípidos Proteínas y otros compuestos nitrogenados Determinación analítica de los componentes de los alimentos 28 Proteínas y otros compuestos nitrogenados * Las proteínas son compuestos orgánicos complejos de elevado peso molecular que contienen C, H, O, N y generalmente azufre. Son los principales componentes estructurales del cuerpo de los animales. * La estructura de las proteínas se estudia a cuatro niveles: 1ª (cadena de aa), 2ª (puentes de H entre los aa adyacentes,3ª (pliegues y dobleces: responsables de la actividad biológica, 4ª (unión de varios polipéptidos). * El tratamiento térmico de las proteínas las desnaturaliza (pérdida de la estructura) y reduce su digestibilidad. Si es excesivo reacción de Maillard: unión de azúcares con grupo amino de lisina haciéndola inutilizable. * Las proteínas están compuestas por unidades denominadas aminoácidos que contienen un grupo carboxilo (COOH) y, por lo menos, un grupo amino (NH2), excepto la prolina que tiene un grupo imino (NH). La naturaleza de la cadena lateral (R) depende del aminoácido. * Para formar proteínas, los aminoácidos se unen mediante enlaces peptídicos. 29 * Cualquier aminoácido puede comportarse como ácido y como base, por lo que se denominan sustancias anfóteras. * En las proteínas se encuentran normalmente 20 aminoácidos. Otros aminoácidos importantes en los animales son productos (taurina) o intermediarios (citrulina y ornitina). Excepto la glicina, todos tienen un carbono asimétrico que determina la existencia de isómeros L y D. En las proteínas, solamente se encuentran aminoácidos en la forma L. Estos son los únicos que, con pocas excepciones (metionina), pueden ser utilizados por los animales. * Además de formar parte de las proteínas, hoy día se reconoce que los aminoácidos y sus derivados desempeñan numerosísimas funciones, participando y regulando rutas metabólicas clave para la supervivencia del organismo y para el crecimiento, la lactación y la reproducción. Ello ha dado lugar al concepto de aminoácidos funcionales (ver cuadro). * En el organismo ocurren reacciones de aminación (cetoglutárico a glutámico) y transaminación (glutámico a aspártico) que permiten la síntesis de aminoácidos no esenciales a partir de los esqueletos carbonados (cetoácidos) y de otros aminoácidos no esenciales, respectivamente.. * La aminación de hidroxiácidos sintéticos aportados con la dieta también es posible y permite la síntesis endógena de aminoácidos esenciales p. ej. hidroximetionina a metionina. La única aminación imposible es hacia lisina y treonina 30 por ausencia de las aminasas específicas Compuestos “esenciales” derivados de aminoácidos Fuller et al. (2004) 31 Transaminación y desaminación Akers & Denbow (2013) 32 CLASIFICACIÓN POR LA ESTRUCTURA QUÍMICA MONOAMINO MONOCARBOXILICOS Glicina, Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina, Serina, Treonina. MONOAMINO DICARBOXILICOS Ácido aspártico, Ácido glutámico. AZUFRADOS Cisteína, Metionina, Cistina (dos moléculas de cisteína) DIAMINO MONOCARBOXILICOS Arginina, Lisina. HETEROCICLICOS Histidina, Triptófano, Prolina, Hidroxiprolina (derivado de prolina) AROMATICOS Fenilalanina, Tirosina. CLASIFICACIÓN POR EL DESTINO EN EL CATABOLISMO GLUCOGÉNICOS ( CAT gluconeogénesis) Todos, menos Lisina y Leucina. CETOGÉNICOS ( acetil-CoA) Leucina, Lisina. GLUCOGÉNICOS Y CETOGÉNICOS Isoleucina, Fenilalanina, Tirosina y Triptófano. CLASIFICACIÓN POR LA CAPACIDAD DE SÍNTESIS DE LOS ANIMALES ESENCIALES (la biosíntesis es virtualmente cero) Fenilalanina, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano y valina. Arginina en aves. CONDICIONALMENTE ESENCIALES (velocidad de síntesis limitada según estado) Arginina: animales en crecimiento rápido, gatos y perros, . Prolina, glicina+serina y ácido glutámico: pollos y lechones. Cisteína: puede sintetizarse desde metionina. Tirosina: puede sintetizarse desde fenilalanina DISPENSABLES (en todas las especies y estados) Ácido aspártico, alanina. 33 CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS HOLOPROTEINAS HETEROPROTEÍNAS Por hidrólisis dan aminoácidos y un grupo no aminoacídico (prostético) Por hidrólisis dan aminoácidos Globulares Colágeno Fibrosas Queratina Protaminas e histonas Proteínas de reserva de los cereales Albúminas Zeína Prolaminas Gliadina Hordeína Glutelinas Gluteína * Trigo Maíz Arroz Avena Veza Soja Solubilidad Albúminas Globulinas 9 4 5 11 40 30 Agua Ácidos nucleicos Lipoproteínas Suero, leche, huevo Vegetales Igs Globulinas Miosina Glicinina (antigénico) Legumina Prolaminas Glucoproteínas Glutelinas 5 40 46 2 55 39 10 5 80 56 9 23 60 0 0 70 0 0 Soluc. Soluc. ácidas Etanol 80% neutras o básicas Fosfoproteínas Mucinas HDL LDL VDL Caseína Vitelina Hemoglobina Cromoproteínas Mioglobina Clorofila * % de la proteína total 34 Aminoácido Limitante, Desequilibrio de Aminoácidos y Proteína Ideal + Aminóacido limitante y desequilibrio de aminoácidos - Para que una proteína sea sintetizada en el organismo, los aminoácidos esenciales y no esenciales que la componen tienen que estar presentes en el sitio de síntesis. De lo contrario, la elongación de la cadena peptídica se detiene. - Si el aminoácido faltante es no esencial, el organismo podrá suplir su falta mediante la síntesis a partir de precursores retraso de la síntesis proteica. Si el aminoácido que falta es esencial, su ausencia limitará la síntesis proteica. - El aminoácido que limita la síntesis en primer lugar será el primer aminoácido limitante. Cuando este se aporta en cantidad suficiente, el siguiente aminoácido en limitar la síntesis se convierte en el segundo aminoácido limitante, y así sucesivamente. El barril de Liebig Por otra parte, la existencia de un aminoácido limitante supone un Máxima síntesis teórica desequilibrio. Los restantes aminoácidos no pueden utilizarse y tienen que ser catabolizados (aunque sean esenciales, porque la capacidad de almacenamiento de aa libres es muy limitada) con el consiguiente derroche. Primer aa limitante Segundo aa limitante 35 Aminoácido Limitante, Desequilibrio de Aminoácidos y Proteína Ideal + Proteína ideal - Es el perfil de aa en la dieta que satisface las necesidades nitrogenadas del animal con el mínimo consumo de proteína. El concepto de proteína ideal se aplicó primero en cerdos. Hoy día se utiliza en todos los animales de producción. - El perfil de la proteína ideal depende de la especie animal y de las necesidades para el estado productivo incluyendo el mantenimiento. - El aminoácido de referencia es la lisina, porque suele ser el primer aa limitante. Para conocer la proteína ideal: 1. Se analiza la composición de aa de los tejidos y productos animales. 2. Se determinan las necesidades de lisina en relación con las necesidades de energía del animal en cuestión. Esta necesidades se calculan mediante pruebas de dosis-respuesta o retención de nitrógeno. 3. Las necesidades de todos los demás aminoácidos esenciales se expresan en proporción a la de la lisina. 4. Se establece el perfil de aa de los alimentos en relación con su contenido de lisina los alimentos pueden categorizarse para las diferentes especies y producciones por su proteína ideal y es fácil ver que alimentos son complementarios. - Con este sistema ningún aminoácido se suministra en exceso en comparación con el resto. Como consecuencia, la utilización de la proteína consumida es máxima y la excreción de nitrógeno es mínima. Se estima que la aplicación del concepto de proteína ideal a los piensos de cerdos reduce: •Excreción de nitrógeno entre el 25-50%. •Ingestión de agua y por tanto producción de orina entre el 10-30%. •Emisión de amoníaco alrededor del 50%. 36 Proteína ideal para cerdos y aves (Evonik) Valores expresados como aminoácidos digestibles en íleon (digestibilidad ileal estandarizada) Crecimiento 60 kg Cerda lactante Cerda gestante g LYS/MJ EN g LYS/MJ EM 0,84 0,87 0,66 Lys 100 100 Met+Cys 63 Thr Broiler 25-35 días Ponedora 90% puesta 110 g/d Maiz Harina de soja 44% 0,77 0,64 100 100 100 100 100 60 66 76 91 150 44 67 68 69 65 70 133 61 Trp 20 22 22 16 21 28 23 Arg 36 56 90 105 104 178 123 Ile 55 59 59 71 79 122 75 Leu 100 114 97 107 120 461 124 Val 68 85 68 80 87 167 77 His 32 40 36 33 30 111 44 Phe+Tyr 95 113 100 116 120 289 145 La proteína ideal da una idea más exacta de las necesidades de aa de los animales y permite categorizar a los alimentos, pero no cuantifica la capacidad de estos para satisfacer las necesidades de aquellos. 37 Antagonismo entre aminoácidos + Se refiere a la disminución del crecimiento cuando se consume un aminoácido en exceso y que se supera cuando se suministra otro aminoácido de estructura similar. + Se diferencia del desequilibrio en que el aminoácido antagonista no tiene porque ser limitante. Ejemplos: arginina para corregir exceso de lisina; isoleucina + valina para corregir exceso de leucina. Toxicidad de aminoácidos + Se observa cuando el efecto perjudicial de un aminoácido no puede evitarse por el aporte de otro aminoácido. Ejemplos: metionina, tirosina, triptófano consumidos en cantidades a 2-3 veces superiores a las necesidades. 38 Otros productos nitrogenados + En los vegetales se encuentran además de proteínas otros compuestos que contienen nitrógeno y que se engloban bajo el nombre de compuestos nitrogenados no proteicos o simplemente nitrógeno no proteico (NPN en inglés): aminoácidos libres, nucleótidos, aminas, amidas, amoníaco y urea, nitratos, y alcaloides. Son más abundantes en los forrajes verdes y en los ensilados. - Forrajes verdes: pueden suponer hasta el 15-25% del N total y predominan los aminoácidos libres. Los valores son mayores en los forrajes más jóvenes y en las leguminosas. - Ensilados: el NNP supone hasta 74% del N total y el amoníaco es casi un tercio del mismo. Con excepción de los aminoácidos libres, los nucleótidos y algunas aminas, el NNP solamente tiene valor nutricional para los animales rumiantes porque puede ser utilizado por los microorganismos ruminales para la síntesis de proteína microbiana. 39 + Nucleótidos: aparte de ser componentes estructurales de los ácidos nucleicos, la evidencia científica indica que como monómeros libres tienen un importante papel en la estimulación de la proliferación celular y la respuesta inmune, lo que es especialmente relevante en determinadas situaciones como p. ej. el destete de los lechones. Nucleósido Cortegano (2012) + Aminas: las más importantes son la colina y la betaína. Ambas participan en el proceso de la transmetilación que regenera metionina desde homocisteína (tóxica). + Vitaminas B: las vitaminas del grupo B contienen N. 40 + Nitratos: se acumulan en los tallos de los forrajes en crecimiento, especialmente en las gramíneas, en situaciones de estrés ambiental. El nitrato es irritante de la mucosa digestiva, pero el principal problema es su reducción incompleta hasta NH3 en el rumen, resultando en la acumulación ruminal de nitrito. El nitrito pasa a la sangre y causa metahemoglobinemia y asfixia. Más información: http://www.researchgate.net/publication/28283732_Efectos_del_nitrato_en_la_alimentacin_de_rumiantes + Alcaloides: son compuestos tóxicos que se encuentran en algunas plantas (estramonio) y semillas (altramuces). Los altramuces amargos contienen hasta 20 g/kg de alcaloides (frente a 0,5 g/kg en la variedades dulces) que le confieren su sabor característico. Intoxicación por estramonio, más información en: http://www.magrama.gob.es/ministerio/pags/biblioteca/revistas/pdf_MG%2FMG _1997_94_54_54.pdf + Urea. Mas información sobre el uso de la urea y otros productos derivados en la alimentación de rumiantes puede encontrarse en: http://www.veterinaria.org/revistas/redvet/n121209/120906.pdf 41 • • • • • Clasificación de los principios inmediatos Carbohidratos Lípidos Proteínas y otros compuestos nitrogenados Determinación analítica de los componentes de los alimentos 42 VALORACIÓN QUIMICA: Weende * La técnica analítica más extendida (y en la que se basa la normativa de etiquetado vigente) es la desarrollada en la Estación Experimental de Weende en Alemania a finales del siglo XIX. * Este método determina la materia seca, cenizas brutas, proteína bruta (Nx6,25), fibra bruta y extracto etéreo (grasa bruta) y calcula por diferencia un componente denominado extractivos libres de nitrógeno. (Con o sin CLH previo) Triglicéridos Gluco y fosfolípidos Ceras, pigmentos, terpenos Proteína NNP Extractivos Libres de Nitrógeno (ELN = MS – CB – PB – FB – EE) Azúcares Almidón Pectinas Hemicelulosa (parte) Lignina (parte) Celulosa Hemicelulosa (parte) 43 Lignina (parte) * Desde el punto de vista de la relación entre los componentes del alimento y su utilización por los animales, este método plantea el inconveniente de que las fracciones FB y ELN no son homogéneas entre materias primas lo que resulta en variabilidad en cuanto a su valor nutritivo. Los ELN de los cereales son mayoritariamente almidones y azúcares. En los forrajes, los ELN contienen una parte de la lignina y de la hemicelulosa que se solubilizan durante el análisis de la FB. Este efecto es mayor en las gramíneas que en las leguminosas. * Otros inconvenientes se refieren a la calidad de la proteína bruta (aminoácidos vs. otros compuestos) y de la grasa bruta (ácidos grasos vs. otros compuestos lipídicos). * La ventaja de este método, además de su utilización en el etiquetado, es que desde su desarrollo se han realizado infinidad de análisis para determinar los componentes de multitud de materias primas y un número elevadísimo de pruebas en las que se ha valorado la 44 digestibilidad de dichos componentes. ¡ ? ! Van Soest (1983) 45 VALORACIÓN QUIMICA: Van Soest * En los años 60 del siglo XX, Van Soest propuso un esquema de análisis que permite la separación de los componentes de las materias primas en fracciones que se pueden relacionar de una forma más estrecha con su valor nutritivo para los animales. * Este método separa las sustancias presentes en las paredes vegetales del resto de componentes de las células vegetales. + Los contenidos celulares (solubles en detergente neutro) incluyen almidón y azucares, pectinas, compuestos nitrogenados y lípidos. Estos pueden determinarse con los correspondientes análisis. + Las paredes celulares incluyen celulosa, hemicelulosa y lignina. Las fracciones obtenidas son FDN (toda la pared celular, menos las pectinas), FDA (celulosa + lignina) y LDA (lignina). + Conociendo los valores de MS, CB, PB, EE y FDN puede calcularse por diferencia el valor denominado carbohidratos no fibrosos (CNF = almidón + azucares + otros CHO) 46 Esquema del análisis de Van Soest Pectinas N insoluble en detergente ácido KMnO4 SO4H2 Carbohidratos no fibrosos (por diferencia) = MS – PB- GB- CB - FDN Celulosa 47 Cenizas Componentes de las materias primas vegetales incluidos en las fracciones obtenidas por el análisis de Van Soest Digestibilidad > 90% Digestibilidad variable según lignificación Indigestible Van Soest (1983) 48 Componentes de la fracción fibrosa de algunos alimentos (g/kg MS) 0 ADF = acid-detergent fibre, CF = crude fibre, NDF = neutral-detergent fibre, NSP = non-starch polysaccharide. McDonald et al. (2010) 49 Diferencias entre los análisis de Weende y de Van Soest WEENDE VAN SOEST Permite conocer Materia seca, proteína bruta, grasa bruta, fibra bruta, cenizas, y extractivos libre de nitrógeno por diferencia. Solubles en detergente neutro (contenidos celulares + pectina), fibra neutrodetergente (hemicelulosa, celulosa y lignina), fibra ácido detergente (celulosa y lignina), y lignina. Por diferencia, se calculan los carbohidratos no fibrosos. Se utiliza Para conocer los componentes de los alimentos declarables en las etiquetas. Desde el punto de vista nutricional, para conocer el contenido de humedad, proteína bruta, grasa bruta y cenizas. Para conocer el valor nutritivo aproximado de un alimento a través de la relación SDN/FND ó CNF/FND y de la relación LAD/FND Los carbohidratos del Fibra bruta y extractivos libres de nitrógeno alimento están en la fracción: Dichas fracciones son: No homogéneas entre alimentos porque ambas contienen cantidades variables de hemicelulosa y lignina, según el alimento. Variable en la FB y los ELN en función de la proporción de lignina que contenga cada uno de ellos. En general, La digestibilidad los ELN de los concentrados contienen poca lignina y son muy digestibles. En algunos forrajes y alimentos de los carbohidratos es: fibrosos, los ELN son menos digestibles que la FB porque contienen más lignina, que el análisis no ha sido capaz de extraer durante la determinación de la FB. Fibra neutrodetergente y carbohidratos no fibrosos Homogéneas entre alimentos. Muy alta en los CNF (son básicamente almidón, azúcares y pectinas) y variable en la FND según el contenido de lignina 50 Carbohidratos de algunos alimentos según los análisis de Weende y Van Soest (entre paréntesis digestibilidad para rumiantes) WEENDE CEBADA SALVADO DE TRIGO PULPA REMOLACHA GARROFA HENO DE ALFALFA PAJA DE CEREALES FB ELN 4,5 70,2 (0,35) (0,92) 7,3 58,3 (0,25) (0,71) 17,8 53,3 (0,76) (0,94) 8,1 70,1 (0,61) (0,86) 25,9 36,6 (0,45) (0,68) 39,1 41,7 (0,50) (0,37) VAN SOEST CNF FND FAD LAD 57,7 17 6,3 1,1 36,6 29 9 2,5 28,3 42,8 22,9 1,7 45,6 32,6 32,7 21,3 16,4 46,1 35 9,9 9,9 70,9 48,3 8,4 El análisis de Van Soest separa los carbohidratos de los alimentos en fracciones que tienen significación desde el punto de vista nutricional. Las fracciones de Van Soest son de composición homogénea entre alimentos. Las proporciones de los componentes 51 presentes en la FB y los ELN son variables entre alimentos. OTRAS VALORACIONES QUÍMICAS * Los componentes “brutos” del alimento pueden analizarse a su vez para determinar su composición específica. • Ácidos grasos en el extracto etéreo: cromatografía (+espectrómetro de masas) • Aminoácidos en la proteína: cromatografía. • Minerales en las cenizas: espectrofotometría * También se han desarrollado técnicas analíticas para intentar separar fracciones de los componentes que tengan significación nutricional, p. ej. fracciones de proteína y CHO para rumiantes según su degradación ruminal (Cornell). 52 cromatógrafo gasesliquidos espectrofotómetro TECNOLOGÍA NIRS La tecnología NIRS ha permitido abaratar el coste de los análisis y aumentar la rapidez de las determinaciones, entre otras ventajas. CGL + espectrómetro de masas 53 La calibración inicial requiere valores analíticos obtenidos por las técnicas tradicionales.
