XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL FIBRA SOLUBLE Y SU IMPLICACIÓN EN NUTRICIÓN ANIMAL: ENZIMAS Y PROBIÓTICOS P. Rodríguez-Palenzuela1, J. García2 y C. de Blas2 Dpto. Biotecnología. Universidad Politécnica de Madrid. 2 Dpto. de Producción Animal. Universidad Politécnica de Madrid. 1 1.- INTRODUCCIÓN El término “fibra dietética” incluye todos los polisacáridos ingeridos en la dieta y que no pueden ser digeridos por las enzimas secretadas por el ser humano. Desde el punto de vista químico, el término es ambiguo y artificial, ya que contiene un conjunto extraordinariamente heterogéneo de moléculas distintas, algunas de las cuales, como la lignina, no son polisacáridos. Esta revisión se limitará a la denominada “fibra soluble”, término aun más artificial que el de fibra dietética, y que incluye esencialmente el mismo grupo de moléculas, exceptuando celulosa y lignina. A pesar de sus limitaciones y ambigüedades, el concepto de fibra continua siendo útil en diversas disciplinas científicas (fisiología vegetal, alimentación animal y humana, química de los alimentos), lo cual garantiza su supervivencia en la literatura. Desde el punto de vista de la alimentación humana, la fibra es probablemente un componente no esencial de la dieta. La dieta tradicional de algunas sociedades, como los esquimales del Ártico o los gauchos de Argentina, se basa en alimentos de origen animal, por lo que la ingesta de fibra es muy baja o nula. El explorador del Ártico Stefansson subsistió durante todo un año con una dieta compuesta exclusivamente de carne y, por tanto desprovista de fibra, sin que su salud se resintiese (McClellan y Dubois, 1930). A pesar de su no indispensabilidad en la dieta humana, la fibra ha recibido una gran atención en las últimas décadas por sus posibles efectos beneficiosos para la salud. El origen de esta tendencia está en los trabajos de Burkitt y Trowell. Estos autores enunciaron la hipótesis según la cual, la alta incidencia de algunas enfermedades en países desarrollados, comparada con países del tercer mundo, podría explicarse como consecuencia de la alta ingesta de fibra en las poblaciones de estos últimos países. En concreto, se ha encontrado una correlación negativa entre la ingestión de fibra dietética y la incidencia de enfermedad diverticular, cáncer de colon y recto, apendicitis, varices y hemorroides, enfermedades coronarias, cálculos renales y diabetes (Burkitt y Trowell, 1975). XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL Es importante señalar que aunque la hipótesis de Burkitt y Trowell resulta perfectamente plausible, la mayoría de los posibles efectos beneficiosos de la fibra no están sustentados por pruebas directas. Por otro lado, países ricos y pobres difieren en muchísimos aspectos, aparte del contenido en fibra en dieta, que también podrían explicar las diferencias en la incidencia de las enfermedades reseñadas. También hay que señalar que nuestros conocimientos acerca de composición y propiedades de la fibra son muy incompletos, dándose grandes diferencias en composición de unas especies vegetales a otras, por lo que es difícil generalizar. Por otro lado, la fibra dietética interfiere con la absorción de cationes divalentes, hierro y zinc, lo que puede exacerbar estados carenciales. En grandes cantidades, la ingestión de fibra ocasiona flato y otras molestias abdominales leves. A pesar de que no podemos sacar conclusiones definitivas sobre los efectos fisiológicos de la fibra, la información nutrológica disponible sugiere que estos efectos beneficiosos probablemente existen. Consecuentemente, el NRC (1989) recomienda una ingestión diaria de fibra superior a la ingesta media en países desarrollados. En estos países también se consumen más calorías que las recomendadas por el NRC (1989) y, consecuentemente, enfermedades relacionadas, como la obesidad y la diabetes de tipo II, son cada vez más frecuentes. En este contexto es lógico pensar que la fibra dietética, al no aportar calorías y contribuir a la sensación de saciedad, va a ser un componente de los alimentos cada vez más valorado. Dado que muchos componentes de la fibra soluble son a su vez componentes de la pared celular de las plantas, es forzoso recapitular brevemente nuestros conocimientos sobre dicha estructura. La pared celular de la planta cumple en primer lugar la función esencial de mantener la forma de la célula y dotar al tejido de resistencia mecánica; sin ella los vegetales no podrían mantener su tamaño y forma actuales, especialmente los árboles y arbustos. Sin embargo, la pared tiene otras muchas funciones en la fisiología de las plantas: actúa como eficaz barrera de protección frente a organismos patógenos y depredadores, participa en el control de la expansión celular y del transporte intercelular, sirve como almacenamiento de reservas y constituye una fuente de señales celulares que desencadenan diversos procesos, singularmente la defensa frente a patógenos (para una revisión, ver Brett y Waldron, 1990). Al mismo tiempo, su rigidez y relativa impermeabilidad plantea problemas: ¿Cómo se produce el crecimiento de los tejidos sin pérdida de resistencia mecánica?. Más aun, la pared celular impide el paso de macromoléculas, como ADN y proteínas, independientemente de la selectividad impuesta por la membrana plasmática. Estas cuestiones son aún poco conocidas a nivel fisiológico, por lo que podemos considerar que la pared celular constituye una frontera en nuestro conocimiento de las plantas. La formación de la pared tiene lugar mediante la deposición de capas sucesivas. La primera capa se forma poco después de la división celular en la zona adyacente a ambas células. Esta capa se denomina lámina media, es de pequeño grosor y está constituida fundamentalmente por pectinas. A medida que la célula crece va depositando materiales en la pared, la cual alcanza un grosor de 0,1-1,0 µm, y se denomina ahora “pared primaria”. En muchos tejidos el desarrollo de la pared se limita XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL a las capas mencionadas. Sólo en aquellas células en las que se requiere una especial resistencia mecánica se produce la deposición de una nueva capa, dando lugar a la pared secundaria. Este último proceso se caracteriza por la deposición de lignina. En el interior de las tres capas mencionadas coexisten dos fases: una microfibrilar y altamente cristalina, compuesta de celulosa, y una matriz amorfa compuesta fundamentalmente de pectinas y hemicelulosas (las primeras abundantes en dicotiledóneas y poco abundantes en monocotiledóneas). La matriz contiene también cantidades significativas de glicoproteínas. Todos estos componentes interaccionan entre sí mediante varios tipos de enlaces (covalentes, iónicos y puentes de hidrógeno). Sin embargo, no existe un modelo totalmente aceptado que explique la estructura tridimensional de las paredes celulares. 2.- CONSTITUYENTES MÁS IMPORTANTES DE LA FIBRA SOLUBLE 2.1.- Pectinas 2.1.1.- Definición y localización Las pectinas o sustancias pécticas constituyen un grupo de polisacáridos ricos en ácido galacturónico y, en menor medida, ramnosa, arabinosa y galactosa. Al igual que en otros grupos de polisacáridos de pared, la definición de pectinas es operativa y se basa en la extracción de la fibra (previamente delignificada) con soluciones acuosas de un agente quelante o bien, extracción con una solución ácida diluida (en ambos casos la extracción se realiza en caliente). Las pectinas están ampliamente distribuidas en todo el reino vegetal. Son un componente esencial de las paredes celulares de las plantas dicotiledóneas y también se hallan presentes, aunque en menor grado, en las monocotiledóneas. En las primeras, las pectinas constituyen el componente principal de la lámina media de la pared primaria. 2.1.2.- Función y solubilidad Se admite que las pectinas tienen un papel esencial en la estabilidad de la pared al actuar como material aglutinador de las fibras de celulosa. Prueba de ello es que la acción de enzimas que degradan específicamente estas sustancias produce una pérdida de consistencia del tejido, síntoma que se conoce como maceración. En frutas y verduras, las sustancias pécticas constituyen un factor determinante de la textura y firmeza, y por tanto de la calidad del producto. De hecho, el ablandamiento característico de las frutas al alcanzar la madurez se debe al aumento de las enzimas pectinolíticas, que está controlado fisiológicamente por la planta. XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL Tal como se han definido, las pectinas son sustancias, en términos prácticos, solubles en agua. No obstante, es frecuente que los residuos de ácido galacturónico se encuentren metilados en mayor o menor grado. El grado de metilación afecta a diversas propiedades de las pectinas, incluyendo su solubilidad en agua, la cual es inversamente proporcional al grado de metilación. La utilización de soluciones ácidas diluidas para la extracción de pectinas debe ser cuidadosamente controlada, debido al peligro de hidrólisis. El uso de soluciones acuosas de agentes quelantes se debe a la capacidad de éstos de eliminar el calcio. Este catión divalente juega un importante papel en la estabilización de pectinas debido a su capacidad de formar puentes entre dos residuos cargados negativamente y situados en cadenas distintas. 2.1.3.- Degradación La degradación enzimática de pectinas puede hacerse esencialmente con tres tipos de enzimas diferentes: las poligalacturonasas (EC 3.2.1.15), la pectatoliasas (EC 4.2.2.2. y 4.2.2.9) y las pectinesterasas (EC 3.1.1.11). Las poligalacturonasas rompen los enlaces glucosídicos α(1-4) mediante hidrólisis, creándose dos moléculas similares a la original aunque de menor tamaño debido a la aparición de un nuevo residuo terminal reductor. Las pectatoliasas rompen también enlaces α(1-4) pero mediante un mecanismo de β-eliminación que genera un ∆-4,5 urónido insaturado. Para los dos tipos se han encontrado endo- y exo-enzimas (figura 1). Las pectinesterasas rompen el enlace éster, reduciendo así el grado de metilación. Por tanto no son enzimas pectinolíticas en sentido estricto, pero su acción facilita el ataque posterior de otras enzimas. Figura 1.- Despolimerización enzimática de la pectina XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL 2.1.4.- Utilización y contenido en los alimentos Una de las aplicaciones principales de las pectinas se debe a la capacidad de estas moléculas de formar geles en determinadas circunstancias. Las pectinas de bajo metoxilo pueden formar geles en presencia de calcio, mientras que las de alto metoxilo gelifican a pH ácido (de modo que la repulsión electrostática entre los grupos ácido sea mínima) y en presencia de una concentración elevada de azúcar (que contribuye a deshidratar la solución). Estos geles son de uso frecuente en mermeladas, confituras y conservas de frutos. En otros casos, la aplicación consiste justamente en la eliminación de sustancias pécticas de un producto. La clarificación de zumos, esto es, la eliminación enzimática de pectinas en forma coloidal, constituye un ejemplo típico. Las pectinas son sustancias abundantes en los vegetales, constituyendo aproximadamente el 35% de la pared celular vegetal en dicotiledóneas. El cuadro 1, muestra el contenido en pectinas de algunas frutas y verduras. Cuadro 1.- Contenido de pectina en las frutas y verduras (Pilnik y Voragen, 1984) Pectina total (%) 0,47 0,52 0,36 1,0 0,36 0,51 Frutas o verduras Manzanas Fresas Frambuesas Zanahorias Patatas Brécoles 2.1.5. - Estructura química El término pectinas incluye un grupo relativamente heterogéneo de moléculas incluyendo polisacáridos ácidos y neutros. Principalmente ramnogalacturonano I, arabinano, galactano, arabinogalactano I, homogalacturonano y ramnogalacturonano II. En la figura 2 se representan algunas de las estructuras encontradas en estas fracciones. El ramnogalacturonano I (RGI) es la molécula más representativa y abundante del grupo, siendo el componente principal de las dicotiledóneas. Está formado por una cadena lineal de residuos de ácido galacturónico unidos por enlaces glicosídicos α 1,4 en la cual se intercalan moléculas de ramnosa mediante enlaces α(1-2). El RGI contiene un cierto número de cadenas laterales formadas por arabinosa y galactosa. El arabinano es una molécula muy ramificada que contiene una cadena principal de arabinosas unidas por enlaces α(1-5) con cadenas laterales de una sola arabinosa, unidas a la cadena principal. XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL El galactano y arabinogalactano I son generalmente componentes minoritarios, aunque en algunos casos, por ejemplo en cotiledones de judía pueden ser abundantes. El primero está formado por una cadena lineal de galactosas unidas por enlaces β(1-4). El segundo consta de una cadena principal de galactosa β(1-4) con cortas cadenas laterales de arabinosa α(1-5) unidas al carbono 3 de la galactosa. Figura 2.- Estructura química de los principales tipos de pectina. A) Homogalacturonano; B) Arabinano; C) Arabinogalactano I; D) Ramnogalacturonano I. A) ➝4)-α-GalA-(1➝4)-α-GalA-(1➝4)-α-GalA-(1➝4)-α-GalA-(1➝4)-α-GalA-(1➝ B) ➝5)-α-Ara-(1➝5)-α-Ara-(1➝5)-α-Ara-(1➝5)-α-Ara-(1➝5)-α-Ara-(1➝5)-α-Ara-(1➝ 3 3 2 ↑ ↑ ↑ 1 1 1 α-Ara α-Ara α-Ara C) ➝4)-β-Gal-(1➝4)-β-Gal-(1➝4)-β-Gal-(1➝4)-β-Gal-(1➝4)-β-Gal-(1➝4)-β-Gal-(1➝ 3 3 ↑ ↑ 1 1 α-Ara-(1➝5)-α-Ara-(1➝5)-α-Ara α-Ara D) ➝4)-α-GalA-(1➝2)-α-Rha-(1➝4)-α-GalA-(1➝2)-α-Rha-(1➝ 2.2.- Hemicelulosas 2.2.1.- Definición y localización De todos los términos comunes empleados en química, sin duda, “hemicelulosas” es uno de los más vagos, ya que alude a un conjunto heterogéneo de polisacáridos, cuya composición colectiva varía mucho de una especie a otra. Un común denominador de la fracción hemicelulosa es el de representar a los polisacáridos insolubles en agua en forma nativa, pero que pueden solubilizarse en álcalis fuertes. La distribución de las hemicelulosas en el reino vegetal es prácticamente universal, y aunque existen grandes diferencias respecto a la importancia cuantitativa y la composición química de las mismas, puede afirmarse que las hemicelulosas están XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL presentes en cualquier tejido vegetal. Dentro de la célula vegetal, las hemicelulosas se localizan en las paredes formando parte de la fase amorfa (o no cristalina). 2.2.2- Función y solubilidad Cumplen la función de aglutinar las fibras cristalinas de celulosa, dando consistencia a la pared. Aunque esta función parece incuestionable, no se conocen con detalle las complejas interacciones que mantienen unidos a los distintos componentes de la pared celular. Como ya se ha indicado, las hemicelulosas son (por definición) aquellos componentes que no se extraen de las paredes con agua caliente, ni con agentes quelantes o soluciones ácidas diluidas, y en cambio, pueden extraerse con soluciones alcalinas concentradas (1-4 M). Una vez extraídas de la pared, la mayoría pasa a ser soluble en agua. En muchos casos, este requerimiento de soluciones alcalinas fuertes para su extracción de las paredes se debe a la existencia de numerosos puentes de hidrógeno entre las hemicelulosas y las fibrillas de celulosa. 2.2.3.- Estructura química Para poder estudiar de forma detallada la estructura química de las hemicelulosas, se han dividido en los siguientes tipos de polisacáridos: xilanos, glucomananos, mananos y galactomananos, glucuromananos, xiloglucanos, callosa, β(13) y β(1-4) glucanos y arabinogalactano II (Brett y Waldron 1990). Sus estructuras se muestran en la figura 3. Figura 3.- Estructura química de los principales tipos de hemicelulosas. A) Xilano; B) Glucomanano; C) Glucuromano I. A) ➝4)-β-Xyl-(1➝4)-β-Xyl-(1➝4)-β-Xyl-(1➝4)-β-Xyl-(1➝4)-β-Xyl-(1➝4)-β-Xyl-(1➝ 1 2 ↑ ↑ 4-O-Me-β-GlcA α-Ara B) ➝4)-β-Glc-(1➝4)-β-Man-(1➝4)-β-Man-(1➝4)-β-Glc-(1➝4)-β-Man-(1➝4)-β-Man-(1➝ C) ➝4)-α-Man-(1➝2)-β-GlcA-(1➝4)-α-Man-(1➝2)-β-GlcA-(1➝4)-α-Man-(1➝2)-β-Gl 3 6 ↑ ↑ Ara β-Xyl ➝4)-α-Man-(1➝2)-β-GlcA-(1➝4)-α-Man-(1➝2)-β-GlcA-(1➝4)-α-Man-(1➝2)-β-Gl 3 6 ↑ ↑ Ara β-Gal XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL • Los xilanos constituyen el polisacárido estructural no celulósico más abundante en angiospermas, llegando a representar un 20-30% del peso seco de la corteza. Estos polisacáridos están formados por una cadena de residuos de xilosa unidos por enlaces β(1-4). A esta cadena principal se unen cadenas laterales que contienen arabinosa y otros azúcares. Las cadenas laterales varían con la especie de procedencia y dependiendo de que la pared sea primaria o secundaria. En cualquier caso, la distribución de cadenas laterales no sigue un patrón regular. • Los glucomananos constituyen el tipo de hemicelulosas más abundante en la pared secundaria de las gimnospermas, siendo un componente minoritario en angiospermas. Constituyen una cadena principal de residuos de glucosa y manosa unidos por enlace β(1-4), y en la proporción de 1:3 (glucosa-manosa). La secuencia de glucosa y manosa es arbitraria. Como en el tipo anterior no es raro que tengan cadenas laterales de arabinosa. Los residuos de manosa pueden estar acetilados. • Los mananos y galactomananos. Este tipo de moléculas aparecen en las paredes celulares del endospermo, donde juegan también un papel de reserva energética y absorción de agua. Contienen una cadena de manosas unidas por enlaces β(1-4) y cuando aparece un residuo de galactosa este se une a la manosa mediante enlace β(1-6). Los mananos pueden formar estructuras cristalinas de gran dureza. • El glucuromanano está presente en pequeñas cantidades en muchas especies y es un componente de algunos exudados que se producen típicamente en frutales. Consiste en una cadena de manosas unidas por enlaces α(1-4) y residuos de ácido glucorónico unidos por enlace β(1-2) y, posiblemente, en secuencia alternada. Las cadenas laterales incluyen xilosa y arabinosa. • Los xiloglucanos están presentes en gran número de semillas y se conocen vulgarmente como amiloides, ya que se pueden teñir con iodo. La cadena principal está formada por glucosas unidas por enlaces β(1-4) a la mayoría de las cuales se unen residuos de xilosa por enlaces α(1-6). Algunos residuos de xilosa están, a su vez, sustituidos por fucosa α(1-2), por galactosa β(1-2) y ocasionalmente por arabinosa. • El término callosa es sinónimo de β(1-3) glucano, molécula que aparece en las células vegetales. Particularmente en los tubos cribosos del floema, como respuesta a heridas o determinados patógenos. Los β(1-3) y β(1-4) glucanos son componentes no ramificados de las paredes celulares en cereales y otras gramíneas. • El arabinogalactano es un componente de las paredes de gimnospermas y posee un núcleo de galactano muy ramificado, que contiene unidades de galactosa unidas por enlaces β(1-3) y β(1-6). Los residuos de arabinosa aparecen en las cadenas externas unidos por enlaces β(1-3). 2.3.- Fructanos XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL 2.3.1.- Definición y localización Los fructanos constituyen un grupo de polisacáridos de reserva presentes en algunas especies vegetales (para una revisión ver Pollock y Chatterton, 1988). Aunque no son componentes de la pared vegetal, el hecho de que no se degraden en el intestino delgado humano, justifica su inclusión dentro de la fracción fibra. Se ha estimado que los fructanos podrían estar presentes en aproximadamente un 12% de las especies de plantas vasculares. La investigación se ha centrado en las gramíneas y compuestas y en algunos miembros de las liliáceas y agaveaceas. También se ha sugerido que la presencia de fructanos está asociada a climas templados. No obstante, la distribución geográfica de estas especies es tan amplia que no permite sacar ninguna conclusión en este sentido. 2.3.2.- Función y solubilidad Dentro de cada planta individual, los fructanos parecen localizarse en la vacuola donde se acumulan, llegando a constituir más del 70% del peso seco de órganos específicos. Esta acumulación en tejidos vegetativos está típicamente asociada a procesos de “perennación”, por ejemplo en los tubérculos de girasol, pero también se produce en tallos y semillas de gramíneas. Es incuestionable que la función primordial de los fructanos es actuar como carbohidratos de reserva. No obstante, el hecho de que sólo un pequeño número de especies utilice estas moléculas, frente a la predominancia del almidón, hace pensar que la biosíntesis de fructanos podría conferir una ventaja selectiva en condiciones específicas. Por ello, se ha propuesto que estas moléculas podrían proteger a la célula vegetal de los efectos adversos de las bajas temperaturas al disminuir el punto de congelación del fluido celular. Dado que las enzimas del metabolismo de los fructanos son menos sensibles a las bajas temperaturas que las que intervienen en la acumulación del almidón, se ha sugerido que en determinadas condiciones el almacén energético en fructanos permite a las plantas resolver algunas limitaciones asociadas a la acumulación de almidón. Todos los fructanos, independientemente de su tamaño son muy solubles en agua. 2.3.3.- Degradación La degradación de los fructanos dentro de las plantas se produce por rotura hidrolítica de los residuos de fructosa terminales mediante enzimas βfructofuronisadasas las cuales han sido aisladas en buen número de plantas. Dado que las fructanhidrolasas están ausentes en el intestino delgado de los animales, podría XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL pensarse que estas moléculas no son asimilables. Sin embargo, los fructanos se hidrolizan fácilmente en soluciones diluidas. 2.3.4.- Estructura química y métodos analíticos Químicamente los fructanos están formados por una molécula de sacarosa a la que se unen sucesivas moléculas de fructosa por enlaces β(2-1) ó β(2-6) de modo que el fructano más sencillo es el trisacárido monofructosilsacarosa. En la naturaleza se han aislado 3 isómeros de este trisacárido, los cuales dan lugar a las 3 series conocidas de fructosanos: la de la isocestosa, la de la cestosa y la de la neocestosa. La serie de la isocestosa es la mejor caracterizada y tal vez la más simple de los fructanos vegetales. Se trata de cadenas lineales no reductoras con enlaces β(2-1) y cuya fórmula general es: G-1, 2 - F1, (2-F-1)n, 2 - F n ≤ 35 Estos fructanos con enlaces predominantes β(2-1) suelen denominarse inulinas. Los fructanos de la serie cestosa están unidos por enlaces β(2-6) y su forma polimérica es: G-1, 2 - F - G (2-F-G)n, 2 - F n ≤ 250 Estos polímeros reciben el nombre de levanos o fleínas. Por último los miembros de la serie de la neocestosa difieren de las otras series en que el residuo de glucosa está unido directamente a dos unidades de fructosa a través de las posiciones 1 y 6 por lo que la elongación puede producirse en ambas fructosas. Su fórmula general es: F-2, (1-f-2)m, 1-F-2,G-G-1, 2-1, (2-F-1)n, 2-F m,n ≤ 10 Los métodos analíticos comúnmente empleados parten de la desintegración rápida del tejido por ebullición en etanol al 80%, seguida de la extracción de todos los carbohidratos solubles y la separación de las especies químicas cargadas, mediante cromatografía de intercambio. Esta técnica proporciona una preparación de carbohidratos neutros, de la cual se eliminan los azúcares de bajo peso molecular mediante diálisis. La cantidad de fructosa libre y combinada se determina colorimétricamente usando un ensayo específico de cetosas. Los fructo-oligosacáridos individuales pueden resolverse en HPLC. XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL 2.4.- Oligosacáridos 2.4.1.- Definición y localización Los carbohidratos de tipo oligosacárido, que poseen 2-10 unidades de azúcar, se encuentran ampliamente extendidos en el reino vegetal, siendo particularmente abundantes en las semillas de leguminosas. 2.4.2.- Función y solubilidad Puede asumirse que su función fisiológica está relacionada con el almacenamiento y transporte de energía, aunque en algunos casos los oligosacáridos son simplemente el resultado de la hidrólisis parcial de polisacáridos. Todos los oligosacáridos son solubles en agua. 2.4.3.- Degradación En plantas se han encontrado diversas enzimas capaces de hidrolizar los oligosacáridos a sus correspondientes monómeros. En cambio, estas enzimas no existen en el hombre. Por ello, los oligosacáridos son fermentados en el colon por diversas bacterias, provocando leves trastornos intestinales cuando se ingieren en cantidades importantes. 2.4.4.- Utilización y contenido en los alimentos Hasta la fecha los oligosacáridos no han sido empleados comercialmente para la producción de distintos azúcares. Muy al contrario, su presencia en alimentos se considera indeseable y en ocasiones son eliminados de los alimentos mediante simple lavado. Su contenido en semillas de leguminosas es bastante alto, particularmente en la soja. 2.4.5.- Estructura química Dado que cualquier combinación de 2 a 10 azúcares es un oligosacárido, el número de compuestos de este tipo teóricamente posible es muy alto. Asimismo, en la naturaleza se ha encontrado un gran número de moléculas diferentes. La familia más importante es la de la rafinosa, trisacárido resultante de la unión de una molécula de galactosa a una de sacarosa mediante enlace α(1-6). Por adición sucesiva de moléculas de galactosa α(1-6), se obtienen los otros miembros de la familia: estaquiosa, verbascosa y ajugosa. XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL 3.- EFECTOS DE LA INCLUSIÓN DE “FIBRA SOLUBLE” EN PIENSOS DE MONOGÁSTRICOS Las dos características más importantes que presenta la fibra soluble en el tracto digestivo, y que determinan su efecto sobre el animal, son su capacidad de incrementar la viscosidad de la digesta intestinal y su fácil fermentabilidad. El incremento de la viscosidad producido por las fracciones solubles de βglucanos y arabinoxilanos de los cereales tiene mayor relevancia en las aves que en otros monogástricos (cerdos y conejos), y suele ir acompañado de una reducción de la digestibilidad de otros nutrientes, especialmente de la grasa, lo que empeora los rendimientos productivos. Por el momento no hay una explicación definitiva para este hecho, si bien, parece que algunos efectos derivados del incremento de la viscosidad intestinal podrían estar implicados en la reducción de la digestibilidad (Classen, 1996; Smits y Annisson, 1996). Los más importantes serían: - Una peor difusión y transporte de lipasas y sales biliares en el lumen intestinal. - Mayor dificultad en el contacto entre los principios inmediatos y las secreciones digestivas. - Empeoramiento del transporte de los nutrientes hasta la superficie epitelial. - Incremento de la secreción de mucus por parte de la mucosa con el consiguiente incremento de la viscosidad en la capa de agua adyacente a la misma, lo que perjudica la absorción de los nutrientes. - Mayor secreción pancreático-biliar y menor capacidad de absorción de compuestos endógenos, lo que incrementa las pérdidas de sustanias endógenas. Así pues, esta reducción de la digestibilidad parece más relacionada con un entorpecimiento de los procesos de digestión y absorción al aumentar la viscosidad que con una reducción de la actividad enzimática, que incluso en ratas parece ser mayor de lo habitual, al incrementarse la secreción pancreático-biliar con la viscosidad (Ikegami et al., 1990). La mayor viscosidad intestinal provocada por la fibra soluble también i) ralentiza la velocidad de tránsito, lo que repercute a su vez en una reducción del consumo, y ii) disminuye el contenido en materia seca de las deyecciones lo que puede incrementar la incidencia de camas húmedas y la proporción de huevos sucios (Jeroch y Dänicke, 1995). La menor velocidad de tránsito favorece el desarrollo de la población microbiana intestinal que parece agravar el efecto de la viscosidad al deconjugar los ácidos biliares y/o adherirse a la superficie de la mucosa alterando su funcionamiento normal. En este sentido, se ha observado que el efecto negativo de estos polisacáridos solubles sobre la viscosidad es menos acusado en pollitos libres de gérmenes o en aquellos tratados con antibióticos (Classen et al., 1985). XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL Otra posible causa por la que tanto β-glucanos como arabinoxilanos reduzcan la digestibilidad es la función estructural que desempeñan en la pared celular de las células del endospermo, que impide el acceso de los enzimas digestivos al sustrato mientras que la pared celular no sea fracturada (Hesselman y Åman, 1986; Graham et al., 1989; Pettersson y Åman, 1989). En el caso de las aves, los efectos derivados del incremento de la viscosidad o del encapsulamiento de los principios inmediatos por β-glucanos y arabinoxilanos cuando se suministran piensos con niveles elevados de cereales son solucionados mediante la adición de complejos enzimáticos (β-glucanasas y xilanasas). En el caso de cerdos los β-glucanos y arabinoxilanos tienen una incidencia negativa más limitada, y pese a reducir la digestibilidad ileal de algunos nutrientes como el almidón (Graham et al., 1989), no perjudican en muchos casos los rendimientos productivos (Thacker et al., 1988; Thacker et al., 1991). Esto se debería a la menor viscosidad del contenido intestinal del cerdo respecto al pollo (aproximadamente 100 veces menor) cuando son alimentados, por ejemplo, con piensos ricos en cebada, lo que se atribuye al menor contenido de materia seca de su digesta que diluiría el efecto de estos polisacáridos. También se ha comprobado que al final del intestino delgado del cerdo la flora microbiana ha degradado una parte importante de estos compuestos (más de un 70% en cerdos de más de 30 kg; Graham et al., 1986; Inborr et al., 1993). Todos los efectos comentados anteriormente se agravan en el caso de animales jóvenes cuyo tracto digestivo se encuentra en desarrollo. En el caso del lechón, y pese a la menor viscosidad intestinal que producen estos polisacáridos en comparación con las aves (Bedford et al., 1992; Jensen et al., 1998), una suplementación con β-glucanasas de un pienso con un 32% de cebada mejoró la velocidad de crecimiento y el índice de conversión entre los 4 y los 15 kg de peso vivo (Inborr y Ogle, 1988). Además, estos autores observaron que una combinación de α-amilasa, β-glucanasa y glucoamilasa redujo la incidencia de diarreas, lo que atribuyeron a que una mayor digestibilidad reduce el sustrato disponible en el intestino grueso para la flora potencialmente patógena. Distintos autores obtuvieron resultados similares en lechones recién destetados al incluir β-glucanasas y xilanasas en raciones basadas en cebada, trigo o centeno (Cos et al., 1993; Nonn et al., 1995; Power et al., 1996; Schulze et al., 1996). Sin embargo, en ocasiones no se observa mejora alguna al adicionar enzimas en este tipo de piensos (Officer, 1995; Jensen et al., 1998) sin estar clara la causa. La otra característica digestiva a destacar de los hidratos de carbono que constituyen la fibra soluble es su fácil fermentabilidad, debida a la buena accesibilidad que presentan para la flora microbiana. Así, una fracción significativa de la fibra soluble es degradada antes de llegar al intestino grueso dando lugar a ácido láctico y ácidos grasos volátiles (AGV). El residuo resultante es degradado en el intestino grueso siendo XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL el principal producto de la fermentación los AGV que juegan un papel importante en la fisiología digestiva del animal. Por una parte, los AGV son la fuente energética preferida por los colonocitos, teniendo especial importancia el butirato. La presencia en el colon de los AGV estimula la proliferación de las células de la mucosa, e incrementa el flujo sanguíneo en la misma y la motilidad intestinal. Estos efectos resultan en un mejor mantenimiento de la integridad de la mucosa que actúa como una barrera para las bacterias y las endotoxinas (Gardiner et al., 1995). Además, los AGV ejercen un efecto acidificante sobre la digesta intestinal que en estudios in vitro se ha observado que controlan el desarrollo de E. coli, microorganismo potencialmente patógeno (Prohazska, 1980; Wallace et al., 1989). También se ha observado una menor presencia de Salmonella en el ciego de broilers al suministrar en el agua de bebida de éstos un 2,5% de lactosa, que en este animal formaría parte de la fracción fibrosa, o del monómero manosa. Esto podría ser debido a la gran sensibilidad de Salmonella a pH bajos y al ácido propiónico, o bien a la interferencia que podría ejercer la manosa sobre la adhesión de este microorganismo a los receptores de la pared intestinal (Barrow, 1992). En este sentido, parece que la manosa y otros componentes de los oligosacáridos podrían unirse a algunas bacterias en el tracto digestivo (p.ej. a Streptococcus en el tracto digestivo del hombre) evitando su adhesión a las células epiteliales de la pared intestinal, y por tanto su proliferación en el tracto digestivo, lo que explicaría la reducción de la incidencia de colibacilosis observada cuando se suministran estos productos a terneros (Newman et al., 1994; Stewart et al., 1993). Algunos oligosacáridos también se utilizan como sustrato para algunos microorganismos y esta forma modificar la composición de la flora microbiana intestinal. Así, parece que tanto los fructo y galacto-oligosacáridos, como los oligosacáridos de la soja son preferentemente utilizados por bifidobacterias y lactobacilos, que los utilizan más rápidamente que otros microorganismos, favoreciendo su desarrollo (Stewart et al., 1993). Tanto las bifidobacterias como los lactobacilos han sido relacionados positivamente con la salud del animal (Fuller, 1989) y constituyen la base de muchos probióticos. Estos microorganismos son altamente sensibles a cambios en la dieta o periodos de ayuno, por lo que el efecto positivo de los oligosacáridos sobre este tipo de flora es especialmente interesante en animales jóvenes como el lechón. En este caso, su inclusión en el periodo alrededor del destete tiene como objetivo mantener el mayor tiempo posible como microorganismos dominantes a las bifidobacterias, lo que suaviza los cambios nutricionales que suceden durante este periodo. Esto se traduce en mejoras en la velocidad de crecimiento e índice de conversión alrededor del 5% y en la reducción de la incidencia de trastornos digestivos tras el destete (Mul y Perry, 1994; Russell et al., 1996). XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL Los efectos de los oligosacáridos dependen de la dosis que el animal ha ingerido. Las dosis en el pienso oscilan entre el 0,1 y 0,5% para los fructo-oligosacáridos, no incluyéndose otros oligosacáridos por encima del 2%. Niveles más elevados no siempre son beneficiosos, pudiendo aumentar los procesos fermentativos, la velocidad de tránsito y la aparición de heces más blandas, y reducir la eficacia de utilización del nitrógeno, lo que retarda la velocidad de crecimiento (Chesson, 1994; Mul y Perry, 1994). Los alimentos más problemáticos por aportar al pienso un exceso de oligosacáridos (concretamente α-galactósidos: rafinosa, estaquiosa y verbascosa) son los granos de leguminosas. La hidrólisis de los α-galactósidos por parte de los enzimas microbianos produce residuos de galactosa que, a concentraciones elevadas, es utilizada por los microorganismos en el intestino grueso produciendo cantidades significativas de dióxido de carbono, hidrógeno y metano, gases que causan flatulencia, observándose en algunos casos animales con diarrea (Saini y Huisman, 1988; Delzenne y Roberfroid, 1994). La torta de soja contiene alrededor de un 4-7% de α-galactósidos (1-2% rafinosa, 3-5% estaquiosa y cantidades traza de verbascosa; Honing y Rackis, 1979; Kennedy et al., 1985). El efecto que ejercen éstos sobre el animal no está claro, y así, hay autores que al extraerlos por solubilización incrementan el valor nutritivo de este alimento (Coon et al., 1990; Leske et al., 1991; Leske et al., 1993), mientras que en otros trabajos no se observa ningún efecto, ni al extraerlos por solubilización, ni al hidrolizarlos enzimáticamente (Angel et al., 1988; Irish et al., 1995). Por el contrario, tanto Veldman et al. (1993) como Zdunczyk et al. (1998) al suministrar a ratas y lechones piensos con un 1,7 y un 2,7%, respectivamente, de α-galactósidos provenientes de altramuz (0,8% rafinosa, 6,7% estaquiosa, 0,5% verbascosa) observaron una reducción de la digestibilidad ileal de los nutrientes. La presencia en este alimento de algunos polisacáridos complejos también podría influir en las respuestas observadas. En resumen, el término fibra soluble engloba distintos compuestos químicos con efectos muy variados sobre el animal, por lo que es recomendable analizar este término en sus distintos componentes. Por otra parte, existe una clara interacción entre los distintos componentes de la fibra soluble, tanto con la especie animal, como con la edad del animal, lo que hay que tener en cuenta al considerar los ingredientes con los que se formulará la ración. Finalmente, niveles reducidos de cualquiera de los constituyentes de la fibra soluble no suelen perjudicar los rendimientos productivos del animal y en algunos casos los incrementan, mientras que niveles elevados mayoritariamente los perjudican. En este último caso, se justifica la utilización de complejos enzimáticos o incluso la extracción de los compuestos problemáticos, si ello fuera posible. XIV Curso de Especialización AVANCES EN NUTRICIÓN Y ALIMENTACIÓN ANIMAL 4.- REFERENCIAS ANGEL, C.R., SELL, J.L. y ZIMMERMAN, D.R. (1988). J. Agric. Food Chem. 36, 542-546. BARROW, P.A. (1992). En: Probiotics, The Scientific Basis. pp: 225-257. BEDFORD, M.R., PATIENCE, J.F., CLASSEN, H.L., e INBORR, J. (1992). Can. J. Anim. Sci. 72, 97-105. BRETT, C. y WALDRON, K. (1990). Physiology and biochemistry of plant cell walls. Unwin Hyman. BURKITT, D.P. y TROWELL, H.C. (1975). Refined carbohydrate foods and disease. CLASSEN, H.L., CAMPBELL, G.L., ROSSNAGEL, B.G., BHATTY, R.S. y REICHERT, R.D. (1985). 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