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Fidiología Digestiva 1 Area de Nutrición y Alimentación Animal. Departamento de Producción Animal. Principios de Nutrición Animal. Fisiología Digestiva Digestibilidad-Degradabilidad Autores M.V. Guillermo O. González M.V. Darío N Camps M.V. Héctor Quintana Buenos Aires, Marzo de 2000. Reservados todos los derechos. Prohibida la reproducción total o parcial del material incluido en esta publicación, incluidos aquellos de almacenamiento magnético o de cualquier otra clase, sin el consentimiento previo y por escrito del área de nutrición animal de la F.C.V. de la U.B.A. Registro de la propiedad intelectual en tramite 2 Area de Nutrición Animal. F.C.V. INDICE TEMA PAGINA Introducción 1 Los animales como productores de alimento 2 El consumidor influye sobre la nutrición 3 Composición del organismo animal y vegetal 5 Composición del organismo animal 7 Composición del organismo vegetal 12 Pared celular 12 Microfibrillas de celulosa 15 Polisacáridos no celulósicos 16 Sustancias pécticas 18 Lignina 19 Glucoproteínas 20 Acidos orgánicos y taninos 22 Características generales de los procesos digestivos 24 Procesos digestivos no fermentativos 25 Procesos digestivos fermentativos 25 Concepto de fibra 25 Comparación del TGI entre especies 33 Materia fecal 36 Desarrollo de la actividad digestiva 37 El tracto digestivo de las aves 39 Fisiología digestiva de los rumiantes. Medio ambiente ruminal 41 Medio ambiente ruminal en animales en pastoreo 44 Microbios ruminales 45 Compartimentalización microbiana. Crecimiento 46 Tasa de pasaje y de dilución. Y-ATP 47 Degradabilidad ruminal 49 Digestión ruminal de carbohidratos 51 Factores que influencian la degradación de carbohidratos 54 Fermentación de azúcares y almidones 55 Metabolismo del nitrógeno en el rumen 56 Los lípidos en el rumen 57 Digestibilidad. Introducción 59 Digestibilidad real y aparente 59 Ecuaciones 60 Total de nutrientes digestibles (TND) 61 Factores que modifican la digestibilidad 61 Factores del alimento 62 Nivel de alimentación 67 Factores del animal 67 Factores ambientales 69 Bibliografía 71 Fidiología Digestiva 3 INTRODUCCIÓN. La nutrición implica diversas reacciones químicas y procesos fisiológicos que transforman los alimentos en tejidos corporales y actividad. (Maynard). También se la define como la serie de procesos por los cuales un organismo ingiere y asimila alimento para crecer o para reemplazar los tejidos usados o dañados. Lavoisier señaló que la vida es un proceso químico. La nutrición comenzó como un arte hasta que los químicos comenzaron a interesarse en ella; a partir de ese momento la nutrición ingresó al mundo de las ciencias. La química permite identificar y cuantificar los componentes útiles de los alimentos para los animales, es decir los nutrientes que ellos contienen. El ingreso de los fisiológos permitió un mejor conocimiento sobre las necesidades de los animales, la digestión, la actividad muscular, procesos reproductivos y lactancia. La microbiología también hizo su aporte contribuyendo con los estudios sobre microorganismos que habitan en el tracto digestivo y desarrollan los importantes procesos de fermentación, tan necesarios en los herbívoros. El análisis e interpretación de resultados a través de la estadística, permiten el desarrollo de una investigación eficiente en el campo de la nutrición. Los genetistas también aportan su cuota importante al estudio de la nutrición evaluando las variaciones individuales determinadas genética-mente en el aprovechamiento de los alimentos. Como se observa, la nutrición es una ciencia moderna que se “nutre” de otras disciplinas como la química, fisiología, etc. las cuales deben ser comprendidas para integrarse al estudio de la nutrición o pretender aplicar sus principios para una correcta alimentación de los animales. En el caso de la nutrición humana hay que dar cabida también a las ciencias sociales ya que los hábitos alimenticios de la población pueden tener un origen cultural y/o geográfico, asimismo el estado socioeconómico puede influir la elección de los alimentos y ciertos factores psicológicos también pueden jugar un papel fundamental en el patrón de consumo de alimentos. Todas estas ciencias contribuyen y han contribuido al desarrollo del estudio de la nutrición, pero a partir de los últimos ochenta años y con el descubrimiento de las vitaminas, las funciones de los aminoácidos y del papel de los elementos traza (microminerales) hubo un importante avance en los conocimientos sobre nutrición. El desarrollo de dietas purificadas (carente de un nutriente) ha permitido el descubrimiento de la primera vitamina y ha abierto el camino para descubrimientos más recientes. También debemos agradecer la contribución absolutamente desinteresada que hacen las ratas de laboratorio y otras especies incluyendo a las bacterias, que juegan un importante papel en el desarrollo de los conocimientos sobre nutrición. 4 Area de Nutrición Animal. F.C.V. Cuando se habla de nutrición generalmente se la relaciona con los animales de producción. Si bien el efecto económico de una adecuada alimentación es decisivo en un sistema productivo eficiente y es un componente ineludible e importantísimo del mismo, la nutrición de los animales domésticos de compañía tales como carnívoros y equinos es fundamental para mantenerlos en óptimo estado de salud y permitirles un adecuado desarrollo de ciertas actividades físicas (galgos, SPC) y fisiológicas (crecimiento, gestación, lactancia) y a prolongar su sobrevida. Tampoco se debe olvidar el papel de la nutrición en animales enfermos (Nutrición Clínica). Los animales como productores de alimentos. La energía solar es aprovechada por los vegetales para transformarla en energíaquímica almacenada en sus tejidos, los vegetales son los alimentos primarios de los animales y sin ellos no habría vida animal en la tierra. El hombre puede consumir alimentos de origen animal o vegetales, convirtién- dose en este último caso en un competidor por el mismo alimento con los animales. Por otra parte la transformación de la energía en tejidos animales y luego éstos en alimentos para el hombre implica una considerable pérdida de energía en un mundo hambriento. ¿Por qué entonces alimentar animales para consumo humano? ¿ Algunas de las principales razones son: 1) Los animales son eficientes transformadores de tejidos animales en proteínas de excelente valor biológico. 2) El niño, el joven y el anciano necesitan ingerir estas proteínas para equilibrar adecuadamente sus dietas. 3) El sabor de los alimentos animales los hace apetecibles además de nutritivos. 4) De la superficie terrestre el 22% está constituída por pastizales y un 30% por bosques que no pueden ser consumidos por el hombre pero pueden ser aprovechados potencialmente por los rumiantes para producir proteínas. 5) Los animales aprovechan alimentos que el hombre no utiliza en su dieta como son los residuos de las industrias cervecera, azucarera y otras y los residuos de cosechas (rastrojos). 6) Los rumiantes son capaces de transformar proteínas de baja calidad e incluso NNP en proteínas animales de alto valor biológico. Recordemos también que en países desarrollados como Estados Unidos, los animales de compañía compiten en el consumo de alimentos con el hombre de manera considerable ya que se podrían alimentar unas 40 millones de personas con los alimentos consumidos por las mascotas. Fidiología Digestiva 5 La selección genética ha contribuído a aumentar las producciones individuales y las eficiencias productivas determinando mayores requerimientos (necesidades) nutricionales; esta presión de selección que según D.Kronfeld consiste fundamentalmente en seleccionar animales con grandes hipófisis (gran producción de GH) no es gratuita ya que ha venido de la mano de la aparición de las denominadas Enfermedades Metabólicas como son la Cetosis, Hipocalcemia Puerperal, Desplazamiento Abomasal, Osteocondrosis entre otras. Los incrementos en la producción que se detallan a continuación, son el resultado de la combinación entre el mejoramiento genético, del manejo, del hábitat, de la sanidad y la nutrición. AÑO 1.940 AÑO 1.980 LITROS DE LECHE POR LACTANCIA 1.300 9.000 EDAD (Años) PARA ALCANZAR 500 Kg EN NOVILLOS 5 a 6 1 a 1,5 DIAS NECESARIOS PARA TERMINAR POLLOS PARRILLEROS 84 56 El consumidor influye sobre la nutrición y alimentación animal. Actualmente el consumidor de alimentos no sólo exige valor nutritivo a los mismos, sino que además requiere que el producto le brinde otras condiciones. a) Calidad higiénico-sanitaria : esto implica que alimentar bien no significa únicamente obtener una eficiente conversión de los alimentos, sino que que el producido (carne-leche-huevos) debe presentar una calidad higiénico sanitaria inobjetable. Recordemos el pánico generado recientemente por la BSE (enf.de la Vaca Loca) o por la coca cola en Bélgica (Dioxina) así como la mayor vigilancia sobre residuos (anabólicos, drogas, metales pesados, antibióticos, micotoxinas, etc) que exigen los mercados mundiales. La Trazabilidad (determinación fehaciente del origen de los y vigilancia del cumplimiento de las normas de elaboración de los alimentos) es la manera actual de asegurar una alta calidad higiénico-sanitaria de lo consumido por el hombre. Los ejemplos de este tipo de controles los tenemos a diario en las góndolas de los supermercados que ofrecen carnes envasadas con certificación de procedencia ( Cabaña...... o Estancia........, etc.) 6 Area de Nutrición Animal. F.C.V. b) Cualidades de sabor, aroma y conservación adecuadas : estas cualidades son particularmente importantes en las carnes, siendo uno de los motivos por el cual se ha comenzado a difundir la práctica del “Feed Lot” (Engorde a Corral) en vacunos en la Argentina, a pesar de la tradición pastoril que nos caracteriza. Este sistema a pesar de ser más intensivo y tener mayores costos que el engorde sobre pasturas, logra ganancias diarias más altas permitiendo que las carnes presenten un mayor marmoreado (grasa intramuscular) el cual les otorga mejor terneza y sabor. Este tipo de producto es buscado especialmente por consumidores que lo obtienen fundamentalmente a través de las grandes bocas de expendio. c) La sociedad exige un mayor control ambiental en un mundo cada vez más contaminado: la producción de alimentos orgánicos se ha desarrollado con mayor intensidad en los últimos años; el INTA ha desarrollado un programa de asesoramiento y control de productos producidos orgánicamente. A pesar de los costos elevados de estos alimentos existe un mercado consumidor en constante aumento. La revisión de los requerimientos de fósforo y la limitación de la suplementación nitrogenda en rumiantes, así como la optimización de la digestibilidad del fósforo de la dieta con el agregado a la misma de enzimas específicas (Fitasas) en cerdos y aves, constituyen importantes ejemplos de los esfuerzos científicos e industriales para disminuir la polución ambiental de estos elementos. d) Es necesario consumir alimentos “sanos” : hoy sabemos mucho más sobre la influencia que tiene la alimentación sobre el desarrollo de ciertas enfermedades tales como la arterioesclerosis y ciertos tipos de cáncer en el ser humano. Esta educación para la salud ha generado en la población una mayor tendencia al consumo de carnes blancas y magras (pescado, pollo) y a incluir mayor cantidad de vegetales en su dieta. A través de la alimentación animal es posible influir en la composición del producto, la producción de huevos “bajo colesterol” es un buen ejemplo de esto. En el próximo gráfico se comparan los niveles de grasa intramuscular y de colesterol en carne vacuna producida sólo con forrajes o con alta inclusión de granos en la dieta; como se puede observar, existen diferencias apreciables entre los efectos de ambas dietas. (Gráfico 1) Tengamos presente entonces que producir no sólo implica hacerlo en cantidad sino también en calidad. Afortunadamente en nuestro país existen las condiciones para satisfacer todo tipo de demandas de un mercado consumidor cada vez más exigente y diversificado; dependerá de las condiciones político-económicas y delas capacidades de los técnicos y empresarios el futuro desarrollo y competitividad de la industria de la alimentación animal en la Argentina. Fidiología Digestiva 7 Grasa intramuscular y colesterol músculo Longissimus dorsi. García 1994 (Gráfico 1) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 FORRAJES ALTO GRANO C O LE ST ER O L m g% 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 G R A SA IN TR A M .g % COLESTEROL GRASA INTRAM COMPOSICION DEL ORGANISMO ANIMAL Y VEGETAL La nutrición comprende las diversas reacciones químicas y fisiológicas por las cuales los componentes de los alimentos se convierten en componentes corporales. De esto se desprende que el conocimiento de la composición del cuerpo y de los alimentos es útil para comprender la respuesta del animal a la nutrición. La síntesis de proteínas en el organismo animal, que lleva a la formación de tejidos y productos leche, huevos ,etc), debe considerarse como el objetivo fundamental de la producción animal. Henneberg y Stohman desarrollaronen 1.865 un esquema de análisis para el estudio y descripción de los alimentos para animales. Estos investigadores desarrollaron su tarea en la estación experimental de Weende, Alemania. Este método se lo reconoce actualmente con la denominación de ANALISIS DE WEENDE o ANALISIS INMEDIATO DE LOS ALIMENTOS. Este esquema analítico permite separar grupos de componentes de los alimentos en fracciones que se obtienen mediante diversos métodos 8 Area de Nutrición Animal. F.C.V. físicoquímicos. Sin grandes modificaciones es un método que se continúa utilizando en la actualidad. Las diferentes fracciones del análisis de Weende son: (Cuadro 1) MATERIA SECA (MS): Residuo libre de humedad. Abarca la Materia Orgánica (MO) y Cenizas(minerales). MATERIA ORGANICA: Se puede fraccionar en los siguientes Componentes : EXTRACTO ETEREO (EE): Lípidos, Vit. Liposolubles, pigmentos. PROTEINA CRUDA (PC): Proteína Verdadera (PV) y Nitrógeno no Proteico (NNP) EXTRACTO LIBRE DE NITROGENO (ELN): Azúcares, Oligo- sacáridos y Polisacáridos solubles (almidones - glucógeno). Polisacáridos de la pared celular (pectinas y hemicelulosas) FIBRA CRUDA (FC): Componentes de la pared celular del vegetal ( celulosas y ligninas.) PRINCIPALES COMPONENTES DE LOS ORGANISMOS ANIMALES Y VEGETALES Y FRACCION DEL ANALISIS PROXIMAL (WEENDE) QUE LOS COMPRENDE (Cuadro1) COMPONENTE ANIMALES VEGETALES WEENDE Azúcares Glucosa Hexosas- Pentosas- Oligosacáridos Polisacáridos Glucógeno Almidones – Pectinas - Hemicelulosas ELN HIDRATOS DE CARBONO No presentan paredes celulares Celulosas – Ligninas FC Proteínas Musculares, Oseas, etc. Del contenido celular, funcionales y estructurales. COMPUESTOS NITROGENA- DOS Nitrógeno no Proteico (NNP) Urea-Acidos nucleicos- Creatinina-Ac. Urico, etc. Amoníaco- Amidas-Aminas- Nitratos- Ac.Nucleicos, etc.- PB Fidiología Digestiva 9 Triglicéridos Esteroles Terpenoides Grasas Colesterol Vitamina A Aceites Vit D (Calciferoles) Carotenos- Xantofila LIPIDOS Fosfolípidos Esfingomielinas Lecitinas EE MINERALES Macrominerales Microminerales Na-K-Cl-Ca-P-Mg-S Fe-Cu-Co-Mn-Zn-I-Se-Mo-F CENIZAS COMPOSICIÓN DEL ORGANISMO ANIMAL Existen grandes diferencias entre los animales y los vegetales respecto a la composición y relaciones cuantitativas de los tres grupos de compuestos orgánicos (proteínas, grasas y carbohidratos). La materia seca de los vegetales se compone principalmente de carbohidratos (75-80%); el organismo animal contiene aproximadamente el 1%, a pesar de que los carbohidratos realizan funciones vitales en la producción energética de los animales. Hay que señalar que los ritmos de síntesis y degradación de los carbohidratos en el organismo animal son muy rápidos. Los carbohidratos solubles -fundamen-talmente el almidón- sirven como reserva energética en los vegetales, en tanto que los carbohidratos insolubles (celulosa) mantienen la forma y la estabilidad mecánica. Las proteínas forman la estructura de los tejidos blandos, y la grasa depositada en el organismo sirve como reserva energética para el animal. El contenido en proteína en el organismo animal suele ser mayor que en los vegetales excepto en las semillas oleaginosas, que son ricas en proteína. Existe una gran variación en la composición corporal según la especie, raza, edad, sexo y estado de nutrición. Los datos de la gráfico 2 muestran un notable descenso en el contenido en agua durante el transcurso del desarrollo. El embrión del ganado vacuno contiene 95% de agua, el ternero recién nacido 74%, a los 200 kg. 69%, el novillito 66 a 72%, los animales adultos 50 a 70%, depeniendo de la cantidad de grasa depositada, (es importante recordar que los tejidos grasos carecen prácticamente de agua), por el contrario los tejidos proteicos la contienen en una proporción del 75%. Es así que un animal para depositar un gramo de aumento de peso vivo en base exclusivamente a deposición de grasa, en realidad desplaza 0,6g. de agua y deposita 1,6g. de grasa. Vemos entonces que el crecimiento animal va acompañado de un descenso en el contenido de agua, un aumento paralelo en el contenido de grasa, y un descenso moderado en los contenidos de proteína bruta y de cenizas. 10 Area de Nutrición Animal. F.C.V. Gráfico 2 La grasa es el más variable de los componentes mayoritarios del cuerpo, en tanto que la composición del cuerpo libre de grasa es relativamente constan-te respecto al agua, proteínas y cenizas. Asimismo la relación proteína / cenizas es muy constante en relación a la materia seca libre de grasa. La distribución de los componentes en los distintos órganos y tejidos corporales, no es uniforme. El agua, que tiene numerosas funciones, está distribuida por todo el organismo. El contenido en agua de las distintas partes del cuerpo del ganado vacuno es el siguiente : ( Gráfico3 ) Cambios en la composición corporal de un ternero durante el crecimiento 72% 44% Agua Grasa 37% 20% Proteína 16% Minerales 3% 4% 4% 45 kg. Peso del animal 680 kg. Co m po n e n t e s % Fidiología Digestiva 11 Gráfico 3 Plasma sanguíneo Corazón Riñones Pulmones Músculos Huesos esmalte dentario 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 % Plasma sanguíneo Corazón Riñones Pulmones Músculos Huesos esmalte dentario Contenido de agua de las distintas partes del cuerpo del ganado vacuno. % de agua Las proteínas son el principal componente de la materia seca de órganos y tejidos blandos como los músculos, corazón, hígado, pulmones y riñones. Los músculos que representan casi la mitad del cuerpo del ganado vacuno, contienen 75 a 80% de proteína sobre materia seca. La proteína también se encuentra en el tejido conjuntivo y tendones, así como en la piel, pelo, plumas, lana, pezuñas e, incluso, en los huesos. Por término medio hay 3 a 4 kg. de agua por cada kg. de proteína corporal. Normalmente el porcentaje de grasa aumenta con el crecimiento y engorde. En porcinos por ejemplo el cuerpo del lechón recién nacido sólo contiene un 2% de grasa, mientras que el de un cerdo muy gordo puede tener hasta el 43,5% de grasa. En bovinos, el cuerpo de un novillo flaco contiene el 18% de grasa, mientras que un novillo muy gordo (Gráfico 5) puede contener el 41% o algo más. El porcentaje de cenizas es el que menos varía, pero es menor a medida que los animales engordan porque el tejido adiposo contiene menos mineral que el tejido magro. 12 Area de Nutrición Animal. F.C.V. Gráfico4. Composición del cuerpo de un ternero gordo. % del cuerpo de un ternero gordo sin cont. TGI 68% 18% 10% 4% Agua Proteína Grasas Ceniza Gráfico 5. Composición del cuerpo de un novillo gordo. % del cuerpo de un novillo gordo sin cont. TGI 43% 13% 41% 3% Agua Proteína Grasas Ceniza Composición del aumento de peso: Los datos de los Gráficos 6 y 7 indican claramente que el aumento de peso puedeno reflejar con exactitud la ganancia real de energía del animal, porque Fidiología Digestiva 13 no esclarece para nada en qué consiste dicho aumento (composición de ese aumento). Esto es importante porque la eficiencia de utilización de los alimentos (produc-ción lograda por kg. de alimento consumido) está muy influida por la cantidad de grasa que se produce. Gráfico 6. 250 300 350 400 450 500 200 0 50 100 150 200 A cu m ul ac ió n pr ot ei ca (g ./d ía ) Kg.p.v. Acum ulación proteica por kg. de aum e nto de peso en relación al pe so vivo del anim al. Gráfico 7. 10 0 P 20 0 P 30 0 P 40 0 P 50 0 P 0 100 200 300 400 500 600 700 800 g/ kg . 10 0 P 20 0 P 30 0 P 40 0 P 50 0 P Kg.p.v. y Frame Contenido de proteína y grasa retenida en 1 Kg. de ganancia de peso de novillos que crecen o engordan a tasas de 0,6 Kg./an./día. Las columnas altas (identificadas con la letra P (Pequeñas) al lado del peso vivo en el eje de las absisas) pertenecen al contenido de grasa y proteína del Proteína Grasa 14 Area de Nutrición Animal. F.C.V. aumento de peso corporal de bovinos de razas chicas (Aberdeen Angus) y las columnas más bajas, a razas grandes de madurez más tardía (Charoláis). Podemos apreciar en la misma, que considerando un mismo aumento de peso diario para ambas razas, la mas pequeña, depositará proporcionalmente mayor cantidad de grasa a pesos más bajos que la raza de tamaño grande. COMPOSICIÓN DEL ORGANISMO VEGETAL Los animales ingieren paredes celulares intactas y no “fibras” y estas paredes, en conjunto con los polisacáridos que contienen sirven como substratos para los microbios del rumen. A semejanza de la célula animal, la célula vegetal contiene un citoplasma rodeado por una membrana plasmática o plasmalemma. Las paredes elaboradas por las celulas adyacentes están constituidas por polisacáridos y están cementadas por una hoja central: la laminilla media. La célula vegetal tiene básicamente tres puntos de diferenciación con la célula animal: la presencia de plástidos conteniendo clorofila, una gran proporción de vacuolas y una rígida pared celular. En sistemas de pastoreo con rumiantes de producción media, las paredes celulares pueden aportar el 70 al 90% de los carbohidratos consumidos. Debido a que la pared celular se digiere con lentitud y de forma incompleta, deben ser limitadas en las dietas de rumiantes de alta producción, pero de cualquier forma, su proporción en las dietas continuará aportando el 40 al 60% de los carbohidratos (David Mertens, US Dairy Forage Center, 1996). La pared “esquelética” que reviste a las células vegetales por fuera de la membrana plasmática es muy variable en su espesor, en su arquitectura y en las proporciones respectivas de sus tres categorías de constituyentes principales: 1. El armazón de microfibrillas de celulosa. 2. La matriz envolvente de polisacáridos no celulósicos combinados con glucoproteínas, comunes a todas las paredes. 3. Las sustancias de incrustación (ligninas) o de cubierta (cutina) Para los nutricionistas interesados en la evaluación y utilización de los materiales vegetales como alimentos, el desarrollo de la pared celular no es un hecho de poca importancia. Fidiología Digestiva 15 Los polisacáridos constituyen del 70 al 80% de la Materia Seca de la pared, pero no debemos olvidar que el agua representa el 60 al 80% de las paredes primarias y solamente el 15% de las paredes secundarias lignificadas. Las paredes vegetales (Figura 2) en forma tradicional se han dividido en tres componentes, la laminilla media, la pared primaria y la pared secundaria. La laminilla media es el espacio existente entre las paredes de dos células adjuntas. La pared primaria es una delgada pared que se forma en los estadíos tempranos de la planta en desarrollo y es la más dinámica de las estructuras. Es la pared exterior de la célula y le da su forma, alargándose conforme la planta crece. La pared secundaria de la célula se forma dentro de la pared primaria, provee de rigidez a la célula y es sintetizada después de que se ha terminado la elongación celular. El lumen de la célula esta ubicado centralmente, rodeado por la pared secundaria y contiene el protoplasma celular activo (Figura 2 ). La diferenciación física y química entre las paredes celulares no es muy abrupta, es más bien una transición gradual entre una y otra. La laminilla media está formada principalmente por pectina (polímero del ácido D-galacturónico, 1-4 L-arabinosa y D-galactosa) infiltra a la pared primaria y está ligada a la celulosa y hemicelulosa. En los tejidos lignificados contiene lignina. La pared primaria está integrada por microfibrillas de celulosa (polímero de unidades de 1-4 D-glucosa) que se ubican en desorden, también contiene hemicelulosas y sustancias pécticas. La pared secundaria por capas de variado espesor, inextensibles, por lo tanto se forman una vez finalizado el crecimiento. Reduce la cavidad celular y es a menudo compacta. Está integrada por fibrillas de celulosa organizadas en capas que descansan en diversas direcciones, hemicelulosas y lignina (Figura 1). Cuando el crecimiento de la planta se completa, la lignina se deposita en la pared secundaria combinándose con la celulosa y hemicelulosa para dar la rigidez final a la célula. Las células vegetales mueren cuando la ligni-ficación se ha completado. En la Figura 3. podemos ver un corte transversal en el que se muestra la relación cuantitativa de estos compuestos, como parece ser que sucede en la pared celular. 16 Area de Nutrición Animal. F.C.V. Figura 1 Orientación de la celulosa en las capas S1; S2 y S3 de la pared celular secundaria (Robert y Roland 1989). Figura 2. Célula vegetal y pared de una célula de tejido de sostén vegetal Fidiología Digestiva 17 Figura 3. Representación esquemática de la estructura celular del forraje. Las microfibrillas de Celulosa: Este polisacárido es la sustancia orgánica más abundante en la naturaleza. Es el principal componente estructural de las células vegetales. La celulosa representa hasta el 20-40% de la M.S. de las plantas verdes y un promedio del orden del 45% de la pared de las plantas forrajeras, un poco menos en la pared primaria y un poco más en la secundaria, conteniendo en general algo más de la mitad del total de hidratos de carbono. Químicamente es un glucano, formado por largas cadenas lineales de unidades de D-glucosa uniformemente unidas con enlaces -1-4, cadenas que se encuentran dispuestas de forma paralela. La cantidad de moléculas de glucosa polimerizadas puede variar de menos de 500 a 14.000 para la fibra de algodón. La celulosa se encuentra en los tejidos vegetales como fibras compuestas por microfibrillas de cadenas de celulosa unidas por fuertes enlaces de hidrógeno (fuertemente empaquetadas). Estos enlaces se producen dentro de la misma cadena y entre cadenas paralelas que forman así los fascículos: microfibrillas. En ciertas zonas estas uniones son muy numerosas y muy regulares y organizadas en capas: zonas cristalinas. Es esta estructura de las zonas cristalinas y en menor grado de las zonas amorfas que las separan, lo que proporciona fundamentalmente la rigidez y resistencia de los vegetales superiores a los agentes químicos y enzimáticos. 18 Area de Nutrición Animal. F.C.V. Las enzimas digestivas de las aves y mamíferos son incapaces de atacar a la celulosa; el desdoblamiento enzimático de este polisacárido vegetal se efectúa a través de enzimas microbianas provenientes de bacterias, hongos y ciertos protozoarios que habitan el rumen, ciego y colon. La limitación a la degradación de la celulosa está dada por el grado de lignificación que ésta presente, ya que en el TGI no existenfermentos de capaces de digerir la lignina ya sean provenientes de los microbios o del huésped. En la naturaleza y en condiciones aerobias hay microorganismos que son capaces de atacar la lignina y reincorporarla al medio. A partir del método de Van Soest el tenor de celulosa puede calcularse por la diferencia entre el FDA (complejo lignocelulósico) y la concentración de lignina, luego del tratamiento con ácido sulfúrico. Los Polisacáridos No Celulósicos. Hemicelulosa: “no es como su nombre lo sugiere la mitad de la celulosa”. La hemicelulosa existe en mayor cantidad en la pared secundaria, pero infiltra a la pared primaria e incluso a la laminilla media. El término hemicelulosa fue originalmente aplicado a polisacáridos que estaban estructuralmente relacionados y asociados a la celulosa y que eran preferentemente solubilizados por soluciones alcalinas acuosas, luego de que eran removidas las pectinas y otros polisacáridos solubles. Es un heteropolisacárido. Se trata de una mezcla de polisacáridos lineales y altamente ramificados que por hidrólisis dan una decena de monómeros de diferente importancia nutricional. Las hemicelulosas se encuentran en las paredes celulares de las plantas forrajeras, están asociadas a la lignina, se depositan alrededor de las fibras de celulosa y son menos resistentes a la degradación química que la celulosa (soluble en ácidos y álcalis diluídos). La molécula hemicelulósica predominante en los cereales y otras monocotiledóneas es el xilano, que está compuesto por cadenas lineales de (1-4) D-xilosa que portan un pequeño número de cadenas laterales cortas, las que difieren según el tejido y la familia que componen. Se diferencian tres tipos: La diversidad de las hemicelulosas y de las sustancias pécticas contrasta a veces con la simplicidad y la monotonía de la celulosa. Fidiología Digestiva 19 1. las más comunes las integradas por una sola unidad de arabinosa (arabinoxilanos). 2. Las que portan una sola unidad de ácido glucurónico: glucuronoxilanos. 3. Las que portan cadenas más largas (arabinosa+ác. Glucurónico+xilosa + galactosa). Los xilanos portando cadenas laterales son los más propensos a establecer uniones con la celulosa y a ser más solubles. Los xiloglucanos también están presentes en la pared de las monocotiledóneas, pero en proporciones mucho más variables respecto a las que poseen las dicotiledóneas. Las paredes de las leguminosas contienen bastante menos hemicelulosa. Las principales hemicelulosas de las leguminosas están compuestas por xiloglucanos: cadenas lineales de 1-4 glucosa, que portan lateralmente (uniones 1-6) y a intervalos, unidades de xilosa en general únicas. Los xiloglucanos pueden estar ligados a la celulosa por puentes de hidrógeno. Figura 4. Características estructurales distintivas de algunos polisacáridos importantes de la fibra dietaria. La hemicelulosa es digerida por los rumiantes (enzimas microbianas: xilananasas, xilosidasas, etc.) en una proporción que varía entre el 53 y el 81%,degradándose el 90 al 100% (de lo digerido), en el rumen. La hidrólisis de las hemicelulosas aportan cantidades importantes de glucosa que provienen esensialmente de -glucanos no celulósicos. Son cadenas de unidades de 20 Area de Nutrición Animal. F.C.V. D-Glucosa vinculadas por uniones 1-3 o 1-4. La frecuencia de esta última unión es más elevada y aumenta con la edad. A diferencia con la celulosa, las cadenas se conectan poco entre ellas y son relativamente solubles en solventes acuosos. Los animales no rumiantes digieren la hemicelulosa mejor que la celulosa. A partir del método de Van Soest, la concentración de hemicelulosa se calcula por diferencia entre FDN y FDA. ( FDN – FDA = Hemicelulosas). Sustancias Pécticas: El término de “sustancias pécticas”, generalmente aplicado a este grupo, se refiere a un conjunto o mezcla compleja de polisacáridos coloidales, que pueden ser parcialmente extraídos por agua, estrechamente asociados y que son importantes como constituyentres de la laminilla media y en menor grado de la pared primaria, sobre todo de las pertenecientes a las dicotiledóneas. Presentan la particularidad de fijar cationes (Ca++, K+, Na+) y formar geles. Las leguminosas forrajeras contienen de 6 a 8% de sustancias pécticas y las gramíneas alrededor de 3%. Se encuentran altas concentraciones (hasta 20% MS) en manzana, remolacha y cáscara de limón. El ácido D-Galacturónico es el constituyente característico; forma cadenas homogéneas ó interrumpidas por unidades de ramnosa, portando cortas cadenas laterales de galactosa o arabinosa Figura 4..... (ramnogalacturonanos). Las funciones ácidas pueden ser neutralizadas por los cationes Ca++, K+ o Na+, lo que determina las interesantes propiedades de solubilización y gelificación de las sustancias pécticas. A lo ya dicho cuando describiéramos la pared celular, podemos agregar que si bien las ligaduras son del tipo alfa, no existen enzimas de mamíferos capaces de hidrolizar las pectinas y su degradabilidad descansa por completo en la acción microbiana. A pesar de este hecho es de una alta digestibilidad para la mayoría de las especies, incluyendo el hombre. En rumiantes, se digieren normalmente del 90 al 100% de las pectinas consumidas, siendo el rumen el principal sitio de digestión (90 a 100% del total digerido). Azúcares simples (monosacáridos) de las paredes. La composición y concentración de los monosacáridos de las paredes celulares es muy variable, dependiendo del tipo de tejido y de la familia (gramíneas, leguminosas, etc) y variedad del vegetal que se trate. En las hojas de ray-grass los monosacáridos no celulósicos representan un poco más del 40% de los glúcidos totales de la pared y recordemos que éstos a su vez constituyen los 2/3 de la misma. Por orden de importancia son: xilosa, arabinosa, ácidos urónicos y la galactosa. Fidiología Digestiva 21 Las diferencias entre pared primaria y secundaria relacionadas con el crecimiento de la planta, explican las variantes en la composición apreciables en los distintos órganos de la planta. Lignina: Son polímeros fenólicos amorfos derivados del fenilpropano Figura 5 , muy hidrofóbos, de alto peso molecular (puede llegar a 100.000) agrupados en una compleja estructura entrecruzada que incrustan la estructura microfibrilar del parénquma y del xilema (reemplazando al agua) asegurando la rigidez de la planta. No es un carbohidrato, pero debido a su relación con la celulosa y hemicelulosa, suele estudiarse con los carbohidratos. Son solubles en Trietilén glicol y Permanganato de Potasio. Las diferencias en la composición y estructura explican las diferencias conocidas desde hace tiempo entre las ligninas de gramíneas y leguminosas. Las ligninas de las leguminosas no serían más condensadas que la de las gramíneas. El bajo tenor de oxhidrilos libres en las ligninas de las leguminosas, en relación con las gramíneas, explica la mayor resistencia a las soluciones alcalinas, ya que durante el procedimiento de determinación de la fibra bruta (celulosa bruta), puede llegar a disolverse un 20 a 50% de la lignina de las paredes celulares de las leguminosas en la solución de Hidróxido de Potasio al 1,25% (Weende), mientras que en el caso de las gramíneas puede hacerlo el 60% al 90%, computándose estas fracciones dentro del Extractivo Libre de Nitrógeno de Weende. Los maíces y sorgos portadores del gen mutante bmt (resistente al gusano barrenador del tallo) presentan mayor concentración de lignina en la planta tienen características diferenciales; en especial son más condensadas que las ligninas normales. La lignina confiere resistencia química y biológica a la pared celular. 22 Area de Nutrición Animal. F.C.V. Figura 5 . Los tres alcoholes que fuertementepolimerizados constituyen la lignina. La lignina es muy estable debido a su estructura condensada y es difícilmente atacada por los microorganismos anaerobios de la flora digestiva. Últimas investigaciones podrían adjudicar a los hongos del rumen un rol en la digestión parcial de la lignina. El aprovechamiento que pueden hacer los rumiantes de la pared celular es parcial, ya que está limitado por el nivel de lignina que contenga el forraje. La lignina no sólo es totalmente indigestible sino que también limita el aprovechamiento de las otras fracciones de la pared celular (celulosa y hemicelulosa, sobre todo de la primera) debido a que los enlaces que se establecen con la lignina impiden el accionar de las enzimas de los microorganismos anaerobios. Los microorganismos aeróbios y los hongos pueden romper las ligaduras, lo que produce la putrefacción del forraje y la madera que observamos en la naturaleza. Con la madurez de la planta, el contenido celular relativo disminuye, (disminuyendo la concentración relativa de proteínas e hidratos de carbono) aumentando la pared celular y el grado de lignificación, contribuyendo este aspecto al descenso de la digestibilidad y del consumo del forraje. Glucoproteínas ricas en Hidroxiprolina: Las paredes primarias de ciertos tejidos de dicotiledoneas contienen de 5 a 10% de glucoproteinas ricas en hidroxiprolina (el aminoácido característico del colágeno). Lamport en 1965, relacionó su presencia como participante en la A medida que los forrajes maduran, se incrementa el contenido de pared celular y el grado de lignificación, tornándose el alimento menos digestible y descendiendo el consumo. Fidiología Digestiva 23 elasticidad de las paredes. La hidroxiprolina representa el 20% de los aminoácidos, está combinada con cortos oligósidos formados por 3 o 4 unidades de arabinosa. Las materias nitrogenadas presentes en el FDN o en el FDA son por lo general esencialmente proteínas intracelulares insolubles y tienen una composición an aminoácidos con una proporción significativa de hidroxiprolina (Gordon et al 1985). Uniones o ligazones entre los constituyentes de la pared: Las conexiones son muy importantes para poder explicar las diferencias en la resistencia de la pared al ataque por los microbios del rumen, la velocidad y la extensión de su degradación y su digestibilidad. Estas son de diversa naturaleza (Chesson 1998; Besle et al 1994). Existen importantes uniones hidrogenadas entre la celulosa y otros polisacáridos: los xilanos en las monocotiledóneas y los xiloglucanos en las dicotiledóneas. Las pectinas están ligadas entre ellas por puentes de calcio. Las ligninas presenta diversos tipos de uniones entre los ácidos fenólicos y los glúcidos de las cadenas de celulosa y hemicelulosa. Las diversas uniones entre las sustancias pécticas parecen no ejercer un efecto limitante sobre la digestión, pero la lignina representa el principal obstáculo para la utilización de los glucidos por los herbívoros. Esta macromolécula actúa como una barrera pasiva al incrustarse en el espacio disponible de las paredes. Además, ella inhibe la acción de enzimas debido a sus uniones con los otros polímeros parietales. Ello explica, en parte, la diferencia de digestibilidad de la pared entre gramíneas y leguminosas o entre maíces normales y portadores de genes mutantes. Fracciones lipídicas y mineralización: La cutícula que recubre la epidermis está constituida por un polímero de ácidos grasos: la cutina, asociada a una mezcla compleja de lípidos, designados con el término general de ceras, que están adheridas a las paredes de las células epidérmicas por las sustancias pécticas. Están constituidas principalmente por dos familias de ácido- alcoholes de 16 y 18 carbonos. Las ceras son solubles en éter de petróleo, que es utilizado para la extracción de las grasas en los alimentos, por lo que queda en el residuo, luego de haberse evaporado el solvente. Ciertas células epidérmicas de las gramíneas y de las ciperáceas contienen sílice que contribuye a la rigidez de la planta y a su defensa contra los herbívoros. El arroz es muy rico en sílice, ya que contiene alrededor de 15% sobre la materia seca. El tenor de sílice en relación a la contaminación con tierra o arena es muy variable y depende de la especie y del medio ambiente en donde se encuentre la planta. Así las gramíneas de zonas templadas pueden tener de un 0,5 a 1% de la MS y 8 a 9% en zonas semiáridas, lo que implica unacierta reducción de la digestibilidad (Van Soest 1970). Las diferentes proporciones que presenten los vegetales en su contenido de carbohidratos es de vital importancia para el aprovechamiento digestivo y 24 Area de Nutrición Animal. F.C.V. consumo del alimento. Esto se debe principalmente a la relación existente entre contenido celular y pared celular y el grado de lignificación de esta última. El gráfico Nª 8 esquematiza estos conceptos. Gráfico 8. Fracciones de carbohidratos en las plantas. Acidos Orgánicos De los ácidos del ciclo de Krebs, el ácido málico es en general el más importante en las plantas forrajeras y representa de un tercio a la mitad de los ácidos totales. El ácido cítrico se encuentra en concentraciones apreciables, el ác.succínico ha sido encontrado en la alfalfa y el ác.aconítico en la caña de azúcar. Ciertas plantas (principalmente gramíneas tropicales) acumulan el ác.oxálico en sus vacuolas, este ácido en los se compleja con el calcio de los alimentos, disminuyendo su disponibilidad. La ingestión elevada de oxalatos, favorece también la formación de cálculos renales compuestos por oxalatos de calcio y magnesio. La concentración de ácidos orgánicos en plantas forrajeras puede estimarse en un 2 a 5 % en MS para gramíneas y un 5 a 8 % para leguminosas. Taninos Bajo el término impreciso de taninos son designados los polímeros fenólicos solubles en agua con ciertas propiedades específicas tales como las de poder precipitar las proteínas. Ejercen una acción netamente desfavorable sobre Pectinas y B-Glucanos Celu- losa Hemi- celulosa Pared Celular Fructosanos Almidones Contenido Celular Azúcares Acidos Orgánicos Carbohidratos de las plantas Nodisponible Lento Medio Rápido V e l o c i d a d de f e r m e n t a c i ó n Fidiología Digestiva 25 ciertos recursos forrajeros. Están presentes en las vacuolas de un grupo de células vegetales especializadas, situadas en la epidermis de las hojas y los tallos de algunas leguminosas de clima templado (Lotus corniculatus y otras), hierbas tropicales y algunas arbustivas de zonas semiáridas y en las envolturas delos granos de sorgo “antipájaros”. Una vez que las estructuras celulares son rotas por la masticación, el tanino se combina con la proteína soluble por medio de puentes de hidrógeno. Estos complejos son estables a pH ruminal, pero se disocian parcialmente al tomar contacto con el medio abomasal de bajo pH o en ciertos tramos del intestino grueso a pH>8. Esta ligazón a las proteínas solubles brindaría una cierta protección frente al complejo del timpanismo o meteorismo, pero de cualquier manera, al ser la disociación incompleta, la presencia de taninos disminuye la digestibilidad proteica tanto en rumiantes como en monogástricos. Además el tanino en exceso provoca la inhibición de la actividad de ciertas enzimas microbianas afectando también la degradabilidad de la fibra alimentaria. Las concentraciones de taninos están comprendidas entre el 2 al 5 % de la MS, según la especie y variedad del vegetal. Son sensibles a las condiciones de crecimiento, siendo mucho más elevados en suelos de baja fertilidad. RESUMIENDO : Las principales características de la composición del organismo animal son: 1) Presentan concentraciones similaresde proteínas en la MS libre de grasa en diversas especies (aprox. 20%).Escasa cantidad de compuestos de NNP (Urea, Creatinina, Acidos Nucleicos). 2) Alta variación del contenido en lípidos, dependiendo de la especie, edad, sexo, raza y balance energético. 3) Escasa concentración de Carbohidratos (menos del 1%). 4) Contenido mineral (Cenizas) poco variable de alrededor del 5% en el adulto. El organismo vegetal se caracteriza por: 1) Concentración variable de proteínas según especie, estado fenológico y parte del vegetal que se estudie (tallos, hojas, frutos). Presencia de importantes cantidades de NNP. 2) Bajo contenido en lípidos (3 a 5%), excepto en semillas de oleaginosas (soja-girasol-maní) que contienen un 30% a 40%. 3) Altas concentraciones de Carbohidratos (75% a 80%). 4) Contenido variable en cenizas (1 % a 9%), con distribución desigual de las concentraciones de los diferentes minerales según especie, parte del vegetal y suelo en el que desarrolló. 26 Area de Nutrición Animal. F.C.V. DISTRIBUCION DE LOS COMPONENTES EN LOS TEJIDOS Y ORGANOS DE ANIMALES Y VEGETALES (Cuadro 2) ANIMALES COMPUESTOS TEJIDOS / ORGANOS GLUCOSA SANGRE GLUCOGENO MUSCULO / HIGADO PROTEINAS MUSCULO / HUESOS / TENDONES, ETC. GRASAS TEJIDO ADIPOSO Subcutáneo, Perirrenal, abdominal, Intra e intermuscular, etc. CENIZAS HUESOS Y DIENTES VEGETALES COMPUESTOS ESTRUCTURAS MONO Y OLIGOSACARIDOS CONTENIDO CELULAR (Hojas principalmente) ALMIDONES SEMILLAS (Granos) CELULOSAS Y HEMICELULOSAS PARED CELULAR (Tallos y Pericarpio principalmente) PROTEINAS Y NNP HOJAS Y PERICARPIO (Contenido celular) ACEITES SEMILLAS (Embrión) CENIZAS VARIAN LAS CONCENTRACIONES DE LOS MINERALES SEGÚN LA ESTRUCTURA CONSIDERADA (por ej. :Alta {P} en semillas y alta {Ca} en hojas.) CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS PROCESOS DIGESTIVOS EN MONO Y POLIGASTRICOS El proceso de la digestión implica los procesos que se desarrollan en el Tracto Gastro Intestinal (TGI) mediante los cuales los componentes de los alimentos son degradados a compuestos simples capaces de ser absorbidos y que al incorporarse al organismo cumplen funciones específicas para el normal desarrollo de los procesos vitales, estos compuestos son denominados NUTRIENTES. Para cumplir con tales objetivos se llevan a cabo procesos mecánicos, químicos y absortivos que se ejecutan simultáneamente. Además de coincidir en el tiempo estos fenómenos son interdependientes y coordinados para asegurar una adecuada digestión. Los procesos mecánicos comprenden los movimientos de los diferentes órganos para el desmenuzamiento de las partículas alimenticias y la optimización de las actividades enzimáticas y del proceso absortivo. La actividad química comprende por una parte (1) las secreciones no enzimáticas provistas por las diversas glándulas del TGI y cuyas principales funciones consisten en generar un medio adecuado para que actúen las Fidiología Digestiva 27 enzimas digestivas aportando electrolitos, humedad y el pH más conveniente. Por otra parte (2) las enzimas digestivas serán las encargadas de llevar a cabo la partición química de los componentes del alimento. Las enzimas digestivas pueden ser aportadas por el animal, a través de sus secreciones o proceder de los microorganismos (Bacterias, Hongos, Levaduras y Protozoos) que colonizan el TGI. PROCESOS DIGESTIVOS NO FERMENTATIVOS Estos procesos ( que denominaremos Enzimáticos) se llevan a cabo en el estómago e intestino delgado de todas las especies y consisten en la hidrólisis de los enlaces químicos de los componentes orgánicos de los alimentos mediante la acción de las enzimas digestivas producidas en las glándulas del TGI. En términos generales del resultado de esta acción enzimática se obtienen los nutrientes (glucosa, aminoácidos, ácidos grasos, etc.) que se encontraban formando parte de moléculas más complejas. No existen procesos de síntesis (excepto la resíntesis de triglicéridos en el enterocito) ni transformaciones de los nutrientes. Podemos afirmar que se absorben los nutrientes nativos del alimento. Las enzimas que intervienen digieren todos los componentes de los alimentos con excepción de los compuestos celulósicos que forman parte de las paredes de las células vegetales y se encuentran en la fracción FC de Weende. La digestión enzimática es un proceso rápido, que produce pocas pérdidas de energía calórica. Además de las influencias que pueda tener el alimento sobre estos procesos, el animal regula los mismos a través de mecanismos neuroendocrinos, lo que le permite una adaptación rápida al cambio de dieta. Uno de los factores que más influyen en la eficiencia de estos procesos es el tiempo de permanencia de los alimentos en el TGI, lo cual se encuentra directamente afectado por la tasa de pasaje por estos órganos. La FC de los alimentos acelera el tránsito del mismo por el ID contribuyendo a disminuir el aprovechamiento de los otros nutrientes. CONCEPTO DE FIBRA La fibra es un término comúnmente utilizado, pero difícil de determinar. Debe ser considerada más como un concepto que como una sustancia simple. Básicamente es el componente vegetal de los alimentos que no es digerido por las enzimas digestivas de los animales. También se la puede definir de otras formas: Botánicamente: son las paredes de las células vegetales de los tejidos parenquimatosos, lignificados y cutinizados de frutas, hortalizas y cereales con el tegumento de las semillas. Fisiológicamente: son los polisacáridos vegetales y la lignina resistentes a la hidrólisis por enzimas digestivas. Químicamente: son los polisacáridos no almidones (PNA) y la lignina. 28 Area de Nutrición Animal. F.C.V. La composición estructural principal de la fibra dietaria está constituida por seis azúcares (ramnosa, arabinosa, xilosa, manosa, galactosa y glucosa), ácidos urónicos y lignina. La distribución de estas subunidades que conforman la matriz de la fibra dietaria son infinitas; esta característica le otorga a la fibra sus diferentes propiedades; por ejemplo, la ramificación de los polisacáridos macromoleculares le confiere la propiedad de solubilidad, mientras que la viscosidad de la fibra soluble está dada por la posición de las cadenas laterales. Físicamente: son las partículas del alimento que estimulan los mecanorreceptores del TGI. Nutricionalmente: En relación a la composición de los alimentos, Fibra es un término utilizado para definir una característica vinculada a la nutrición, y no define un compuesto químico ó anatómico. Desde un principio, los métodos para determinar fibra (Fibra Cruda), fueron diseñados para medir entidades relacionadas con la nutrición o constituyentes que representaran la parte indigestible de los alimentos. Debido a que la fibra es parcialmente digerida, es más correcto definirla como la porción indigestible y de lenta digestión o de disponibilidad parcial de los alimentos que ocupa espacio en el tubo gastrointestinal (Mertens, 1989). Nutricionalmente, la fibra tiene atributos físicos porque está vinculada al pasaje por el tracto digestivo y rumia, y químicos vinculados a la degradación enzimática y los procesos de fermentación. Fibra Soluble y Fibra Insoluble Para determinar las fracciones solubles e insolubles de la fibra se utiliza un método químico que valora cada uno de los azúcares que constituyen los polisacáridos de la fibra dietaria, dividiéndolos en dos fracciones de acuerdo a su propiedad de solubilidad en un medio acuoso. La fibra soluble tiene gran capacidad de retener agua, de formar soluciones viscosas en agua y es fácilmente degradada por la microflora intestinal, proporcionando energía utilizable en forma de ácidosgrasos de cadena corta. Las fuentes de fibra soluble en los alimentos incluyen las pectinas, algunas hemicelulosas y las gomas vegetales. Los alimentos altos en fibras solubles incluyen a las porciones parenquimatosas de frutas y vegetales, avena, salvado de avena, cebada, frutas cítricas, legumbres (tales como porotos y lentejas) y cáscaras de psilio. La fibra insoluble tiene mínima capacidad de retener agua y no forma soluciones. La fibra insoluble no es degradada completamente por la microflora intestinal. El grado en que la fibra es degradada depende del origen y tipo de fibra. Las fibras insolubles fueron primariamente descubiertas en granos de cereales y en revestimientos (tegumentos) de semillas. Los tipos principales de fibra insoluble son las celulosas, algunas hemicelulosas y la lignina. Los vegetales como el trigo, salvado de trigo y otros Fidiología Digestiva 29 granos de cereales son las fuentes más comunes de fibra insoluble en las dietas. Los alimentos vegetales tienen cantidades diferentes de fibra dietética total y proporciones distintas de fibra soluble e insoluble. La mayoría de los alimentos contienen más fibra insoluble que fibra soluble. En general, las frutas, la avena, los porotos y las lentejas tienen más fibra soluble que los cereales y algunas hortalizas; no obstante, es de destacar que incluso las fuentes consideradas como fibras solubles como la goma de guar contiene cantidades considerables de fibra insoluble. La energía que proporciona la fibra dietaria depende de su origen y del tratamiento a que es sometida en la elaboración del alimento antes de ser ingerida. Una fibra insoluble muy lignificada, es muy resistente a la fermentación bacteriana (p.e. vainas de porotos), no aportando energía. Contrariamente, una fibra de alta solubilidad (con gran contenido en pectinas), se fermenta casi totalmente a nivel del colon, proporcionando casi la misma energía que el almidón digerido en el intestino delgado. Las fibras más solubles como la goma de guar y la goma arábica, aportan entre 2,4 a 2,9 kcal ED/gramo y las fibras poco fermentescibles como el salvado de trigo y la celulosa aportan aproximadamente 1 y 0 kcal ED/gr. Respectivamente. (ED = Energía Digestible) El acetato y el propionato producidos por la fermentación de la fibra soluble son absorbidos y utilizados como fuente de energía por los tejidos periféricos, mientras que el butirato es utilizado como fuente principal de energía por las células mucosas del colon. La determinación de estas fracciones de la fibra alimentaria tiene importancia clínica y nutricional en carnívoros y aves principalmente. Nota: Goma de Guar: Cyamopsis tetragonoloba. Psilio: (Plantago psyllium), llamada también zaragatona, zaracatona o bazar- catona, es usada como purgante por su contenido en fibra (contiene 31,5% de fibra dietaria soluble). ¿Cómo se mide el nivel de fibra en los alimentos? 1. Fibra Cruda. (FC) (FB) Weende 2. Fibra Detergente Acida (FDA) Van Soest 3. Fibra Detergente Neutro (FDN) Van Soest Cada una de estas formas de medir el tenor de fibra, se puede encontrar habitualmente en variados reportes de análisis de alimentos y forrajes. Las diferencias entre las fracciones (FC - FDN - FDA) son el resultado de los diferentes métodos de extracción de los componentes químicos que constituirán dichas fracciones. A pesar que todos miden fibra, cada uno brinda diferentes valores para un mismo alimento. Puede evitarse entrar en confusión, 30 Area de Nutrición Animal. F.C.V. si se conocen exactamente qué componentes de la pared celular está midiendo cada uno de ellos. 1-Fibra Cruda: Es por lejos el método más antiguo de medir fibra. Pretende ser un estimador de los Hidratos de Carbono Estructurales (HCE) y sustancias indigestibles ligadas a los mismos. Básicamente un alimento o un forraje es hervido durante 30 minutos en ácido fuerte (SO4H2) y 30 minutos más en álcalis fuertes (OHNa). La fibra cruda, no mide precisamente celulosa, hemicelulosa ó lignina ya que el ácido disuelve una parte variable de la celulosa y hemicelulosa, mientras que el álcali lo hace con parte de la lignina (por lo que no quedan en el residuo y se computan como solubles dentro del Extractivo Libre de Nitrógeno). Inicialmente se pensó que con ambas hidrólisis, se simulaba el proceso digestivo en estómago e intestino y, por lo tanto, el residuo representaba la fracción indigestible de los carbohidratos. Sin embargo, no tenía en cuenta la capacidad de los microorganismos anaeróbicos de digerir en parte los hidratos de carbono estructurales que forman parte de la pared celular de los vegetales. El valor de Fibra Cruda no refleja el contenido preciso de fibra en el alimento. Conclusiones. El uso de ácidos fuertes y álcalis en la determinación de Fibra Cruda deja un residuo compuesto mayoritariamente por celulosa con pequeñas y variables cantidades de lignina y hemicelulosa. Su determinación es útil en la valoración de los alimentos para omnívoros, es de escaso valor para evaluarlos en herbívoros y de escasa utilidad en la aplicación clínica en carnívoros. Estas limitaciones del método de Weende, llevaron al Dr. Peter Van Soest (1964) a realizar un método más adecuado para evaluar los alimentos vegetales voluminosos de los rumiantes, separándolos en dos fracciones principales: contenido celular y pared celular. 2-Fibra Detergente Acido (Complejo Lignocelulósico): La Fibra Detergente Acido se obtiene hirviendo una muestra del alimento durante una hora en una solución ácido sulfúrico-detergente. Como mencionaramos en el párrafo anterior, el ácido disuelve a la hemicelulosa, por lo que el FDA es una medida de la celulosa y la lignina (complejo lignocelulósico). Considerando que ningún álcali es utilizado durante este proceso, en contraste con Fibra Cruda, no hay separación de la lignina cuando la muestra es sometida a detergente ácido. Conclusiones. El método para determinar FDA recupera la celulosa y la casi totalidad de la lignina con contaminantes como pectina, algo de hemicelulosa, complejos tanino-proteína y cenizas. Como la FDA no contiene practicamente hemicelulosas, no es un buen índice para definir fibra en términos de la nutrición. El método fue desarrollado como un paso preparatorio de la Fidiología Digestiva 31 determinación de la lignina y nunca fue pensado como método para medir fibra en los alimentos. Fibra Detergente Neutro: Una muestra del alimento es hervida durante una hora en una solución detergente-ácido neutra (pH 7). Uno de los principales químicos que la componen, el Lauril Sulfato de Sodio, es un detergente corriente que integra las fórmulas de polvos para lavar ropa y shampoos. Tomando en cuenta que esta solución no es ni ácida ni alcalina, no habrá pérdida de hemicelulosa ó lignina. Por lo tanto el FDN es una medida de la celulosa, hemicelulosa y lignina: los tres componentes estructurales mayores de la pared celular de los vegetales. A pesar de que habitualmente se utilizan en forma indistinta, FDN y Pared Celular no son idénticos en cuanto a su definición y composición. Pared celular es un término usado por los botánicos, agrónomos y fitofisiólogos para referirse a un componente anatómico específico de las plantas que rodea a la cálula. Químicamente, las paredes celulares contienen pectina, celulosa, hemicelulosa y polimeros de lignina, complejos fenólicos y algo de proteína. FDN no mide Pared Celular porque la mayor parte de la pectina es removida por el detergente. Las diferencias entre Pared Celular y FDN deben ser comprendidas y los términos utilizados correctamente a fin de comprender los datos resultantes de las investigaciones. Desde el punto de vista nutricional y funcional, este fenómeno no tiene gran importancia práctica ya que las pectinas a pesar de ser un componente anatómico de la pared celular presentan una degradabilidadcercana al 100% y no afectan el consumo de MS. La composición y estructura de la pared celular provee de los elementos estructurales y de la protección que necesita la planta. De este modo la pared celular contiene los “Carbohidratos Estructurales” de las plantas, en oposición a los “Carbohidratos No Estructurales” como azúcares y almidones, que se encuentran en el contenido celular y en las semillas. A pesar de ser una medida aproximada de la cantidad de pared celular de los forrajes, el FDN no mide pared celular. 32 Area de Nutrición Animal. F.C.V. El desarrollo del método para determinar FDN, fue un avance significativo para la caracterización de los alimentos. El principio a partir del cual fue fundamentado es que los alimentos pueden dividirse en una fracción soluble y un residuo fibroso de digestión incompleta(Van Soest y Moore, 1965). Los valores de FDN son típicamente los más altos, seguidos por los de FDA y los de FC. La tabla 1 referida a varias gramíneas y leguminosas comunes ilustra este concepto. En todos los casos el valor de FC es el más bajo, el de FDN resulta el más alto y el FDA muestra una posición intermedia. Tabla 1 : Valores de FC, FDN y FDA para distinos forrajes expresados como % de la Materia Seca (NRC 1989). Forraje Fibra Cruda (FC) Fibra Detergente Acida (FDA) Fibra Detergente Neutro (FDN) - - - - - % de Materia Seca - - - - - Heno y Silaje de alfalfa. 22 29 40 Trébol Rojo 21 32 36 Silaje de maíz 24 28 51 Heno de moha 30 35 60 Un adecuado contenido de fibra de apropiadas características físicas en la dieta de los rumiantes (especialmente vacas lecheras) asegura una normal actividad de rumia y funcionalidad ruminal. Todos los alimentos tienen un determinado “valor de fibra efectiva”. Este valor mide la capacidad del alimento para estimular la rumiación y la masticación, especialmente durante la rumia y conscuentemente la producción de saliva ( Rick Greb, Nebraska Univ.). Este concepto no sólo tiene en cuenta el tenor de fibra de los alimentos, sino que considera además su textura y tamaño de partícula. Hay subproductos que pueden contener alto contenido de fibra como las cáscaras de poroto de soja ó glutenfeed de maíz, que aportan niveles de fibra suficientes para las dietas de los rumiantes, pero esta fibra se encuentra formando parte de partículas pequeñas por lo que no tienen una buena actividad como fibra efectiva capaz de estimular la masticación durante la rumia. Otros alimentos con alto contenido de fibra pero bajos en fibra efectiva son la pulpa de remolacha, granos de destilería, afrechillos de trigo y maíz y harinas de oleaginosas. La tabla 2 demuestra la influencia del nivel de fibra y de tamaño de partícula en la actividad de rumia de vacas lecheras. Fidiología Digestiva 33 Tabla 2 : Influencia del nivel de FDN y tamaño de partícula en la actividad de rumia de vacas lecheras. (Datos de la Purdue University). Actividad (minutos / día) Consumiendo Rumiando Masticación total. FDN 31% (Ración 1) 211 534 745 FDN 21% (Ración 2) 175 343 519 FDN 31 % Silaje repicado 220 318 538 FDN 21% Silaje repicado 153 240 393 Ración 1 contiene 55% (base seca) de silaje de alfalfa conteniendo 48% FDN. Ración 2 contiene 55% (base seca) de silaje de alfalfa conteniendo 31% FDN. Asumiendo que una vaca produce 1/4 litro de saliva por cada minuto de rumia, ello significa que las vacas que consumieron la ración con mayor contenido de FDN produjeron alrededor de 45 lts. más de saliva por día que el rodeo que consumía la ración de bajo contenido de FDN. Basándonos en la composición de la saliva, unos 0,250 kg. más de bicarbonato estarán disponibles para estas vacas en relación con las que consumían menos fibra. Este será entregado al rumen cuando verdaderamente lo necesita y neutralizará los AGV, elevando el pH ruminal. Conclusiones. Los carbohidratos estructurales son un importante componente de la alimentación de los rumiantes y proveen la mayor parte de la energía de sus dietas en condiciones de pastoreo, pero también comprenden las fracciones del alimento que limitan el consumo y la digestibilidad del alimento. Debido a que son muy variables en su disponibilidad y a sus impactos en la función ruminal y el consumo, el análisis de los carbohidratos es un elemento crítico dentro del programa de formulación de dietas. A pesar de que los términos se usan en forma intercambiable, la Pared Celular de los vegetales y la Fibra Detergente Neutro (FDN), representan diferentes aproximaciones a la clasificación y análisis de los carbohidratos. “Fibra” es un término nutricional que define lo indigestible y lentamente digerido de los alimentos y que ocupa espacio en el tubo gastrointestinal. La FDN es la fracción del alimento que presenta mayor correlación con el consumo del mismo y la FDA está más correlacionada con la digestibilidad de la MS. 34 Area de Nutrición Animal. F.C.V. PROCESOS DIGESTIVOS FERMENTATIVOS Tienen como objetivo la digestión de los componentes de las paredes celulares de los vegetales. Los órganos en los que se llevan a cabo estos procesos son el retículorrumen en los rumiantes y el ciego y el colon en todas las especies. En estas verdaderas cubas se generan las condiciones necesarias para una adecuado desarrollo de los microbios que llevarán a cabo la fermentación de los alimentos. Para que estos procesos no se interrumpan deben darse condiciones ambientales adecuadas. Las más importantes son: pH, Anaerobiosis, Temperatura , Osmolaridad, Aporte de sustrato (ingesta de alimentos) y Remoción de los productos (Absorción y Vaciamiento). Los procesos fermentativos requieren la colonización de las partículas alimenticias por parte de las bacterias y la interacción entre diferentes poblaciones microbianas lo que requiere mayor tiempo de procesamiento y en consecuencia de permanencia en los órganos en los que se desarrolla la fermentación respecto de las que desarrollan procesos enzimáticos. La velocidad del tránsito de la ingesta en esos órganos es sensiblemente menor y las partículas no abandonan esos territorios hasta que hayan alcanzado un tamaño y densidad (Densidad Específica Funcional) determinada. Los procesos fermentativos los llevan a cabo los microbios, quienes tienen sus propias necesidades de nutrientes y éstos deben ser aportados con la dieta. Los microorganismos requieren Nitrógeno y Azufre para sintetizar sus proteínas, Fósforo para la síntesis de Acidos Nucleicos y también de otros macro y microminerales como cualquier organismo vivo. Los aportes inadecuados de estos elementos limitan el desarrollo bacteriano y decrece la velocidad de fermentación de la materia orgánica (fundamentalmente de los HdeC) lo que determinará aún un mayor tiempo de permanencia del alimento en los órganos en los que se desarrolla la fermentación. La remoción de los productos a través de la absorción o el pasaje a las porciones distales del TGI son condiciones indispensables para que los procesos fermentativos se lleven a cabo adecuadamente. Los procesos fermentativos se encuentran influenciados por el tipo de sustrato (alimento) que es ingerido. El típico ejemplo es la relación molar de AGV en el rumen según el tipo de carbohidratos que se fermente. Además la forma de suministro (cantidad de alimentos concentrados consumidos por unidad de tiempo) y los tratamientos (molido, picado, cocido, etc.) de los alimentos afectan el patrón de fermentación. También se requiere de un tiempo de adaptación de los microbios para adecuarse al sustrato, quien determina un nuevo equilibrio entre las poblaciones bacterianas y optimiza la digestión del alimento; este período dura unas 2 a 3 semanas. El principal resultado de la fermentación son los AGV, pero como consecuencia del desarrollo de la masa microbiana se generanPROTEÍNAS Fidiología Digestiva 35 MICROBIANAS, se sintetizan VITAMINAS ( Complejo B y Vit.K), se forman GASES (CO2 y Metano) y se libera CALOR DE FERMENTACION. La producción de metano y el calor de fermentación constituyen una pérdida de energía inevitable en los procesos fermentativos, de todas maneras es un bajo precio el que hay que pagar para aprovechar la FC de los alimentos. COMPARACION DE LOS PROCESOS DIGESTIVOS Y FERMENTATIVOS Y NO FERMENTATIVOS (Cuadro 3) NO FERMENTATIVOS FERMENTATIVOS ORGANOS IMPLICADOS Estómago – Intestino Delgado Reticulorrumen – Ciego – Colon - Estómago(zona cardial) ORIGEN DE LAS ENZIMAS Huésped Microbios FRACCIONES DE LA M.O. DEL ALIMENTO PROCESADAS ELN - PC - EE ELN – PC – EE – FC PRINCIPALES PRODUCTOS Monosacáridos – A.Acidos – A.grasos – Di glicéridos AGV – Gases – Amoníaco – Proteína Microbiana - PRODUCCION DE CALOR Baja Alta VELOCIDAD DEL PROCESO Rápido Lento ADAPTABILIDAD A LA DIETA Rápida Lenta REGULACION Neuroendócrina Composición y procesamiento de los alimentos y manejo de la alimentación PROCESOS DE SINTESIS No presenta Prot.Microbiana-Vitaminas CAPACIDAD DE DETOXIFICACION Ausente Presente Ph DEL MEDIO Variable (2 a 8) según el territorio digestivo Más constante (5,6 a 6,5) EL APARATO DIGESTIVO ES EL QUE PRESENTA MAYOR DIVERSIDAD ANATOMICA ENTRE ESPECIES En efecto, si observamos los datos Tabla 3 vemos que existe una gran variación en cuanto a tamaño, longitud y capacidades relativas de los diferentes órganos del TGI. Es más, ciertas especies (rumiantes) han desarrollado órganos exclusivos que las caracterizan. Es claro que esta diversidad es el producto de la adaptación digestiva a los alimentos que se deben procesar. 36 Area de Nutrición Animal. F.C.V. La cantidad de Fibra Cruda o de FDN que contengan los alimentos en su M.Seca permite clasificarlos en: Voluminosos = 18% o más de FC o 35 % o más de FDN y Concentrados = menos del 18% de FC o del 35% de FDN. CAPACIDADES RELATIVAS DE LOS DIFERENTES ORGANOS DEL TGI EXPRESADAS COMO % DEL TOTAL (Entre paréntesis se expresan las capacidades en litros) (Tabla 3) BOVINO EQUINO PORCINO CANINO LAPINO AVIAR ESTOMAGO 70 (160) 9 (8) 29 (8) 62 (4) 34 6.25 INTESTINO DELGADO 19 (65) 38 (27) 33 (9) 23 (3) 11 68.75 INTESTINO GRUESO 8 (25) 45 (41) 32 (9) 13 (1) 6 5 CIEGO 3 (10) 16 (14) 6 (1) 2 (0.1) 49 8.75 CAPACIDAD TOTAL (Litros) 260 90 27 7.1 Sin datos Sin datos Según los alimentos que ingieran, los animales domésticos se clasifican en: 1) Herbívoros : Caballo, conejo y rumiantes. 2) Carnívoros : Perro y Gato. 3) Omnívoros : Cerdo y Aves. Los constituyentes de las paredes celulares no pueden digerirse por enzimas de origen animal, por ello su digestión se lleva a cabo por procesos fermentativos en el ciego, IG y R.Rumen. a través de la actividad microbiana. Los herbívoros (caballo, rumiantes) presentan importantes dilataciones que les permiten consumir alimentos con alto contenido de pared celular (Voluminosos), los cuales son fermentados en dichas cavidades. En estas especies es imprescindible el consumo de una determinada cantidad de fibra, la cual es necesaria para un adecuado funcionamiento del TGI. Los alimentos voluminosos se pueden ofrecer para su libre consumo sin limitaciones, pero la incorporación de alimentos concentrados (p.ej. granos de cereales) en las dietas de los herbívoros tiene sus limitaciones debido a que los excesos de ELN provocan fuertes descensos del pH por la gran producción de AGV y ácido láctico. La incorporación de alimentos de origen animal (harina de pescado o grasa animal) a las dietas de los herbívoros para aumentar su productividad, los apartaría de esta categorización. Los carnívoros tienen gran capacidad de digerir alimentos concentrados, por el contrario no toleran dietas que contengan más del 3% o 4% de FC. Fidiología Digestiva 37 Actualmente los carnívoros también consumen alimentos vegetales, lo que los convierte de hecho en omnívoros. Los omnívoros como el cerdo presentan una capacidad intermedia para digerir la fibra de los alimentos, tolerando dietas de hasta un 10% a 12% de FC en animales adultos. La mayor parte de los alimentos de los cerdos y de las aves son de origen vegetal pero con bajo contenido de fibras, esto convierte a estas especies en cuasi herbívoras. La digestibilidad es una medida de la eficiencia digestiva que estima la cantidad de nutrientes absorbidos en el TGI (se detallará más adelante). En Tabla 4 se comparan las digestibilidades aparentes de dos alimentos: heno de alfalfa (voluminoso) y de un concentrado entre mono y poligástricos. Los valores observados muestran apreciables ventajas comparativas de la digestibilidad de los alimentos voluminosos en rumiantes, estas diferencias se acentúan más cuanto mayor sea el contenido de fibra de los alimentos. Las diferencias son menores cuando se compara un alimento concentrado, incluso es más eficiente el cerdo en este caso; esto indica que el rumiante no presenta ventajas digestivas importantes en la digestión de los alimentos concentrados respecto de los monogástricos. COEFICIENTE DE DIGESTIBILIDAD % (Tabla 4) HENO DE ALFALFA DIETA CONCENTRADA CERDO 37 91 OVINO 61 79 El TGI además de presentar una adaptación anatómica al tipo de alimentos procesados, también es capaz de adaptarse a la cantidad (volumen) de alimentos que procesa. La capacidad del estómago e intestinos aumenta cuando los animales ingieren alimentos voluminosos, esto es posible ya que el máximo volumen de los compartimentos del TGI es un 50% a 70% mayor al que presenta el TGI en animales que consumen forraje a voluntad, constituyendo una verdadera “reserva digestiva”, que en los momentos de grandes demandas de nutrientes como sucede en la lactancia, permite un mayor consumo de alimentos. No sólo existen adaptaciones anatómicas del TGI a las diferentes dietas, también las hay de tipo funcional que consisten fundamentalmente en modificaciones enzimáticas. Son ejemplos la disminución de la actividad lactásica y el aumento de la maltásica con la edad y las bajas actividades de hexoquinasa en los enterocitos de los rumiantes. Por último los productos absorbidos durante los procesos digestivos inducen importantes modificaciones adaptativas en el metabolismo intermediario del 38 Area de Nutrición Animal. F.C.V. huésped como sucede en la obtención de energía a partir de sustratos como la glucosa y los AGV en monogástricos y rumiantes respectivamente. MATERIA FECAL A la materia fecal la podríamos denominar como “Principios Fecales Totales” (PFT). La materia fecal está compuesta por dos fracciones de diferentes orígenes denominadas: a. Exógena =Principios Fecales Alimenticios (PFA): Son los residuos de alimentos que no se absorben en el proceso digestivo. b. Endógena = 1.Principios Fecales Metabólicos (PFM): Provienen del animal y comprenden las descamaciones celulares, enzimas digestivas, mucus etc. 2.Principios Fecales Bacterianos (PFB): Compuesto por las bacterias que se desarrollaron en el TGI y no fueron degradadas. Tener presente estas fracciones es importante para interpretar los resultados en ensayos de digestibilidad. La cantidad y composición de las heces depende principalmente de la especie animal y del tipo de alimento consumido como se observa en la Tabla 3. Características físicas
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