Evaluación de la impregnación al vacío de una proteasa en un alimento extruido
para tilapia roja (Oreochromis spp) en fase de alevinaje
Milton Fernando Cuatin Inguilan
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería y Administración, Maestría en Ingeniería Agroindustrial Palmira, Colombia
2020
Evaluación de la impregnación al vacío de una proteasa en un alimento extruido
para tilapia roja (Oreochromis spp) en fase de alevinaje
Milton Fernando Cuatin Inguilan
Tesis o trabajo de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ingeniería Agroindustrial
Director:
Ph.D. José Ader Gómez Peñaranda Codirector:
Ph.D. José Luis Hoyos Concha
Línea de Investigación:
Agroindustria de productos alimentarios, Acuicultura Continental de Aguas Cálidas Grupo de Investigación:
Aprovechamiento de Subproductos Agroindustriales -Asubagroin
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería y Administración, Maestría en Ingeniería Agroindustrial Palmira, Colombia
2020
Dedicatoria…
A Dios por brindarme muchas bendiciones y fortalecerme en momentos difíciles.
A mi madre Victoria Inguilan Quiguantar, a mi padre José Milton Cuatin Charfuelán, a mi querido hermano Tomas Jerónimo Cuatin por su apoyo incondicional, comprensión, cariño. y fuerza de aliento para no desfallecer.
A mi prima Marcela Inampues Cuatin por su apoyo incondicional.
Declaración de obra original
Yo declaro lo siguiente:
He leído el Acuerdo 035 de 2003 del Consejo Académico de la Universidad Nacional. «Reglamento sobre propiedad intelectual» y la Normatividad Nacional relacionada al respeto de los derechos de autor. Esta disertación representa mi trabajo original, excepto donde he reconocido las ideas, las palabras, o materiales de otros autores.
Cuando se han presentado ideas o palabras de otros autores en esta disertación, he realizado su respectivo reconocimiento aplicando correctamente los esquemas de citas y referencias bibliográficas en el estilo requerido.
He obtenido el permiso del autor o editor para incluir cualquier material con derechos de autor (por ejemplo, tablas, figuras, instrumentos de encuesta o grandes porciones de texto).
Por último, he sometido esta disertación a la herramienta de integridad académica, definida por la universidad.
Milton Fernando Cuatin Inguilan Nombre
Fecha 09/12/2020
Agradecimientos
Agradezco a Dios todo poderoso por todas las bendiciones recibidas.
Gracias infinitas a mi madre Victoria Inguilan por su gran amor, comprensión y compañía, a mi padre José Milton Cuatin que a pesar de todas las circunstancias siempre está pendiente de la familia, y a mi hermano Tomás Jerónimo Cuatin por compartir toda su ternura y ayudarme a ver el lado bueno de la vida, por tu afecto y cariño que son los causantes de tanta felicidad.
De igual manera agradezco a mi director, el Doctor José Ader Gómez Peñaranda por compartir sus conocimientos y por toda la orientación brindada.
Agradezco infinitamente a mi codirector y amigo el Doctor José Luis Hoyos Concha, por compartir sus conocimientos, brindarme la oportunidad de ser parte de su equipo de trabajo y recorrer este campo de la investigación.
Así mismo, agradezco al grupo de investigación Aprovechamiento de Subproductos y Residuos Agroindustriales, Asubagroin, de la Facultad de Ciencias Agrarias de la Universidad del Cauca por compartir sus conocimientos, experiencias y su amistad.
Finalmente, Agradezco al Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación, Colciencias, quien fue la entidad encargada de financiar esta investigación a través del proyecto titulado “Efecto de la adición de ácidos orgánicos y enzimas en los parámetros de calidad física y nutricional de un alimento extruido para tilapia (Oreochromis spp) en la fase de alevinaje” ejecutado en convenio con la Universidad del Cauca y Universidad La Gran Colombia- seccional Armenia.
Resumen
Evaluación de la impregnación al vacío de una proteasa en un alimento extruido para tilapia roja (Oreochromis spp) en fase de alevinaje
El objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de la impregnación al vacío de una proteasa en alimento extruido para tilapia roja (Oreochromis spp) en fase de alevinaje, inicialmente se optimizó el proceso de extrusión empleando la metodología de superficie de respuesta y evaluada sobre la calidad física del alimento. Las condiciones óptimas del proceso de extrusión fueron 131,6°C temperatura del barril y 408,3 rpm velocidad de tornillo, el alimento extruido experimental presentó para flotabilidad 95,6 ± 1,53%, índice de expansión 1,54 ± 0,03 y durabilidad 95,03 ± 0,92%.
Seguidamente se incorporó una proteasa en el alimento usando la tecnología de impregnación al vacío, se evaluó presión de vacío (1013,25 mbar y 550 mbar) y velocidad de canasta (9 rpm y 15 rpm) sobre la calidad física del alimento y digestibilidad de proteína realizada por la proteasa. El tratamiento 3 (550 mbar y 9 rpm) mostró buenos resultados, presentó para flotabilidad 95,33 ± 1,53%, 95,43 ± 0,12% en durabilidad y un grado de hidrólisis de 1,14 ± 0,05%.
Finalmente, el alimento funcional se evaluó en alevines de tilapia roja (Oreochromis spp) sobre los parámetros de crecimiento y aprovechamiento nutritivo. Los resultados positivos fueron para tasa de crecimiento específico 6,40 ± 0,04 %/día (tratamiento) y 5,31 ± 0,01 %/día (Control), el índice de conversión alimenticia arrojó 1,20 ± 0,01 (tratamiento) y 1,53 ± 0,10 (control), el coeficiente de eficiencia proteica presentó 1,84 ± 0,02 (tratamiento) y 1,45 ± 0,10 (control) y en digestibilidad aparente de proteína no presentó diferencia significativa.
Palabras clave: Tilapia, Alimentos extruidos, Proteasas, Impregnación al vacío, Digestibilidad, Aprovechamiento Nutricional.
Abstract
Evaluation of the vacuum impregnation of a protease in an extruded fish feed for red tilapia (Oreochromis spp) in the fry stage
The aim of this study was evaluating the effect of vacuum impregnation of a protease in extruded aquafeed for red tilapia (Oreochromis spp) in fry phase, initially the extrusion process was optimized using the response surface methodology and evaluated on the physical quality of aquafeed. The optimal conditions of the extrusion process were 131,6 ° C barrel temperature and 408,3 rpm screw speed, the experimental extruded aquafeed presented to floatability 95,6 ± 1,53%, expansion index 1,54 ± 0,03 and durability 9,03 ± 0,92%.
Then a protease was impregnated into aquafeed using vacuum impregnation technology, vacuum pressure (1013.25 mbar and 550 mbar) and basket speed (9 rpm and 15 rpm) were evaluated on the physical quality of aquafeed and digestibility of protein done by the protease. The treatment 3 (550 mbar and 9 rpm) showed good results, presented to floatability 95,33 ± 1.53%, 95,43 ± 0,12% in durability and a degree of hydrolysis of 1,14 ±0,05%.
Finally, the functional aquafeed was evaluated in red tilapia fry (Oreochromis spp) on growth parameters and nutritional use. The positives results were to specific growth rate 6,40 ± 0,04%/day (treatment) and 5,31 ±0,01 %/day (control), feed conversion ratio showed 1,20 ± 0,01 (treatment) and 1,53 ± 0,10 (control), protein efficiency coefficient presented 1,84 ± 0,02 (treatment) and 1,45
± 0,10 (control) and in apparent protein digestibility did not present significant difference.
Keywords: Tilapia, Extruded aquafeed, Proteases, Vacuum impregnation, Digestibility, Nutritional use.
Contenido
Pág.
Resumen IX
Lista de figuras ... XV Lista de tablas ... XVI Introducción 1
1. Planteamiento del Problema ... 3
2. Justificación ... 5
3. Marco teórico ... 7
3.1 Definición de acuicultura ... 7
3.2 Tilapia roja (Oreochromis spp) ... 7
3.2.1 Taxonomía de la tilapia roja (Oreochromis spp) ... 8
3.2.2 Formación y desarrollo del sistema digestivo en peces ... 8
3.2.3 Requerimientos nutricionales en tilapia ... 11
3.2.4 Condiciones ambientales optimas de producción de la tilapia... 14
3.3 Calidad de alimentos acuícolas ... 16
3.3.1 Flotabilidad (F) ... 17
3.3.2 Índice de expansión (IE) ... 17
3.3.3 Densidad específica (DE) ... 17
3.3.4 Durabilidad (D) ... 18
3.3.5 Índice de absorción de agua (IAA) ... 18
3.3.6 Índice de estabilidad en agua (IEA) ... 18
3.4 Aditivos alimentarios en la acuicultura ... 19
3.4.1 Probióticos ... 19
3.4.2 Ácidos orgánicos ... 21
3.4.3 Prebióticos ... 22
3.4.4 Fitogenéticos ... 23
3.4.5 Enzimas exógenas ... 23
▪ Proteasas ... 27
3.5 Proceso de extrusión en la elaboración de alimentos acuícolas ... 28
3.5.1 Extrusión de tornillo simple ... 29
3.5.2 Extrusión de doble tornillo ... 29
3.6 Proceso de impregnación al vacío para la adición de aditivos alimentarios ... 30
4. Estado del arte ... 33
5. Objetivos ... 39
5.1 Objetivo general ... 39
5.2 Objetivos específicos ... 39
6. Materiales y métodos ... 41
6.1 Condiciones de operación para la elaboración de un alimento extruido para alimentación de tilapia roja (Oreochromis spp) en fase de alevinaje ... 41
6.1.1 Localización ... 41
6.1.2 Adecuación y formulación de dietas para tilapia roja (Oreochromis spp) en fase de alevinaje ... 41
6.1.3 Proceso de extrusión de la dieta ... 44
6.1.4 Calidad física del alimento ... 44
▪ Flotabilidad (F) ... 44
▪ Índice de expansión (IE) ... 45
▪ Densidad específica (DE) ... 45
▪ Durabilidad (D) ... 45
▪ Índice de absorción de agua (IAA) e Índice de estabilidad en el agua (IEA) ... 46
6.1.5 Diseño experimental ... 47
6.2 Evaluación de una proteasa incorporada por impregnación al vacío en un alimento extruido para alimentación de tilapia roja (Oreochromis spp) en fase de alevinaje ... 49
6.2.1 Actividad enzimática proteasa FP 31 NFT ... 49
6.2.2 Proceso de impregnación al vacío para incorporar una enzima en un alimento extruido ... 51
6.2.3 Calidad física del alimento impregnado ... 51
6.2.4 Digestibilidad de proteína en alimento impregnado con enzima FP31 NFT ... 52
6.2.5 Diseño experimental ... 53
6.3 Evaluación de parámetros de crecimiento y aprovechamiento nutritivo de tilapia roja (Oreochromis spp) en fase de alevinaje, utilizando alimento extruido impregnado al vacío con una proteasa ... 54
6.3.1 Adecuación de tanques ... 54
6.3.2 Selección y manejo de los peces ... 54
6.3.3 Tratamiento y parámetros fisicoquímicos del agua ... 54
6.3.4 Alimentación ... 55
6.3.5 Parámetros de crecimiento de tilapia roja (Oreochromis ssp) en fase de alevinaje .... 56
▪ Incremento de peso ... 56
▪ Tasa de crecimiento especifico ... 56
▪ Índice de conversión alimenticia ... 56
▪ Coeficiente de eficiencia proteica ... 57
▪ Índice de mortalidad ... 57
6.3.6 Digestibilidad aparente de proteína ... 57
6.3.7 Diseño experimental ... 58
7. Resultados y discusión... 59
7.1 Condiciones de operación para la elaboración de un alimento extruido para alimentación de tilapia roja (Oreochromis spp) en fase de alevinaje ... 59
7.1.1 Flotabilidad (F) ... 61
7.1.2 Índice de expansión (IE) ... 62
7.1.3 Densidad específica (DE) ... 63
7.1.4 Durabilidad (D) ... 63
7.1.5 Índice de absorción de agua (IAA) ... 64
7.1.6 Índice de estabilidad en agua (IEA) ... 66
7.1.7 Condiciones óptimas del proceso de extrusión ... 67
7.2 Evaluación de una proteasa incorporada por impregnación al vacío en un alimento extruido para alimentación de tilapia roja (Oreochromis spp) en fase de alevinaje ... 69
7.2.1 Actividad enzimática FP31 NFT ... 69
7.2.2 Calidad física del alimento impregnado ... 71
▪ Flotabilidad (F) ... 71
▪ Durabilidad (D) ... 72
7.2.3 Digestibilidad de proteína en alimento impregnado con enzima FP31 NFT... 73
7.3 Evaluación de parámetros de crecimiento y aprovechamiento nutritivo de tilapia roja (Oreochromis spp) fase de alevinaje, utilizando alimento extruido impregnado al vacío con una proteasa ... 75
7.3.1 Parámetros de crecimiento y digestibilidad aparente de proteína ... 75
▪ Incremento de peso ... 76
▪ Tasa de crecimiento específico ... 77
▪ Índice de conversión alimenticia ... 78
▪ Coeficiente de eficiencia proteica ... 79
▪ Índice de mortalidad ... 79
▪ Digestibilidad aparente de proteína ... 80
8. Conclusiones generales y recomendaciones ... 83
8.1 Conclusiones ... 83
8.2 Recomendaciones ... 84
A. Anexo: Resultados promedio de los tratamientos para el diseño experimental central compuesto ... 85
B. Anexo: Anova para flotabilidad (F) ... 87
C. Anexo: Anova para índice de expansión (IE) ... 87
D. Anexo: Anova para densidad específica (DE) ... 89
E. Anexo: Anova para durabilidad (D) ... 89
F. Anexo: Anova para índice absorción de agua (IAA) ... 91
G. Anexo: Anova para índice de estabilidad en agua (IEA) ... 91
H. Anexo: Optimización de proceso del proceso de extrusión ... 93
I. Anexo: Anova para flotabilidad (F) en impregnación al vacío ... 95
J. Anexo: Anova para durabilidad (D) en impregnación al vacío... 95
K. Anexo: Prueba de Tukey para flotabilidad (F)en proceso de impregnación al vacío ... 97
L. Anexo: Prueba de Tukey para durabilidad (D) después del proceso de impregnación al vacío ... 97
M. Anexo: Anova para digestibilidad de proteína en alimento impregnado con proteasa ... 99
N. Anexo: Prueba de Tukey para digestibilidad de proteína en alimento impregnado con proteasa ... 99
O. Anexo: Anova para incremento de peso ... 101
P. Anexo: Anova para tasa de crecimiento específico ... 101
Q. Anexo: Anova para índice de conversión alimenticia ... 103
R. Anexo: Anova para coeficiente de eficiencia proteica ... 103
S. Anexo: Anova para índice de mortalidad ... 105
T. Anexo: Anova para digestibilidad aparente de proteína DAP ... 105
U. Anexo: Prueba de Tukey para incremento de peso ... 107
V. Anexo: Prueba de Tukey para tasa de crecimiento específico ... 107
W. Anexo: Prueba de Tukey para índice de conversión alimenticia ... 109
X. Anexo: Prueba de Tukey para coeficiente de eficiencia proteica ... 109
Y. Anexo: Prueba de Tukey para índice mortalidad ... 111
Z. Anexo: Prueba de Tukey para digestibilidad aparente de proteína DAP ... 111
Bibliografía ... 113
Lista de figuras
Pág.
Figura 3-1: Tilapia roja (Oreochromis spp), fase alevinaje. ... 7
Figura 3-2: Evolución del sistema digestivo en peces teleósteos. ... 9
Figura 3-3: Tracto digestivo de la tilapia (Oreochromis spp), en fase de alevinaje. ... 10
Figura 3-4: Ciclo productivo de tilapia. ... 13
Figura 3-5: Endopeptidasas. ... 27
Figura 3-6: Exopeptidasas ... 28
Figura 3-7: Extrusor de tornillo simple y tornillo doble. ... 30
Figura 3-8: Proceso de impregnación al vacío. ... 30
Figura 7-1: Efecto de la temperatura de barril y velocidad de tornillo sobre porcentaje de flotabilidad. ... 61
Figura 7-2: Efecto de la temperatura de barril y velocidad de tornillo sobre Índice de expansión. ... 62
Figura 7-3: Efecto de la temperatura de barril y velocidad de tornillo sobre densidad especifica. ... 63
Figura 7-4: Efecto de la temperatura de barril y velocidad de tornillo sobre durabilidad. ... 64
Figura 7-5: Efecto de la temperatura de barril y velocidad de tornillo sobre índice de absorción de agua. ... 65
Figura 7-6: Efecto de la temperatura de barril y velocidad de tornillo sobre índice de absorción de agua. ... 66
Figura 7-7: Curva de patrón estándar del aminoácido α-Leucina. ... 69
Figura 7-8: Actividad enzimática FP31 NFT. ... 70
Lista de tablas
Pág.
Tabla 3-1: Taxonomía de tilapia roja (Oreochromis spp). ... 8
Tabla 3-2: Principales enzimas digestivas presentes en los peces. ... 12
Tabla 3-3: Requerimientos Nutricionales de alimentos para tilapia. ... 14
Tabla 3-4: Condiciones óptimas de producción de tilapia. ... 14
Tabla 3-5: Probióticos usados sobre patógenos comunes en acuicultura ... 20
Tabla 3-6: Ácidos orgánicos usados en la alimentación acuícola ... 21
Tabla 3-7: Ácidos orgánicos usados en la alimentación acuícola ... 22
Tabla 3-8: Enzimas en la industria alimentaria. ... 24
Tabla 3-9: Investigaciones sobre la aplicación de enzimas en alimentos acuícolas ... 25
Tabla 6-1: Composición Química de las Materias primas en base seca. ... 42
Tabla 6-2: Composición de la dieta balanceada (g/100g en peso seco) ... 43
Tabla 6-3: Diseño central compuesto (22)... 47
Tabla 6-4: Especificaciones de la ficha técnica de la enzima FP31 NFT. ... 49
Tabla 6-5: Concentraciones de diluciones para el método TNBS. ... 50
Tabla 6-6: Factores y niveles del diseño factorial (22). ... 53
Tabla 6-7: Unidades experimentales del diseño factorial (22) y variables de respuesta. ... 53
Tabla 6-8: Condiciones fisicoquímicas óptimas del agua. ... 55
Tabla 7-1: Modelos matemáticas para las variables de respuesta, R2 y falta de ajuste. ... 59
Tabla 7-2: Valor-p para el efecto general de las variables de temperatura y velocidad sobre las variables de respuesta. ... 60
Tabla 7-3: Condiciones óptimas para el proceso de extrusión. ... 67
Tabla 7-4: Validación del modelo. ... 67
Tabla 7-5: Agrupaciones de la prueba experimental de Tukey para flotabilidad del alimento extruido impregnado con enzima FP31 NFT. ... 71
Tabla 7-6: Prueba de Tukey para durabilidad del alimento extruido impregnado con enzima FP31 NFT. ... 72
Tabla 7-7: Prueba de Tukey para el grado de hidrólisis de la enzima FP31 NFT impregnada en el alimento. ... 73
Tabla 7-8: Parámetros de producción y digestibilidad aparente de proteína después de 23 días de evaluación. ... 75
Introducción
El concepto de acuicultura es “la técnica de cría y explotación de especies acuáticas vegetales y animales con fines científicos, económicos o industriales”, se usan otros términos para cada tipo de especie acuícola como la piscicultura, la camaronicultura, truchicultura, entre otros (Enciso Contreras, 2016; Mesenguer H, 2017). Para el año 2018, la producción acuícola mundial en peso vivo fue de 178,5 millones de toneladas, de los cuales 96,4 millones de toneladas corresponde a la producción de la pesca de captura y 82,1 millones de toneladas a la producción acuícola (FAO, 2020). En Colombia, para el año 2018 presentó una producción acuícola de 129.410 toneladas y entre las principales especies de mayor producción está la tilapia, trucha, cachama y camarón (Minagricultura, 2019a, 2019b) siendo estas una fuente de proteína para los consumidores (He et al., 2015).
En torno a lo anterior se han realizado estudios especializados en la crianza de especies acuáticas, enfatizándose en la alimentación y se han evaluado factores que causan las pérdidas financieras en los piscicultores, además de la obstrucción y contaminación de cuencas hídricas (Wolska et al., 2015), para suplir la parte nutricional se ha utilizado harina de pescado como fuente principal de proteína siendo esta una materia prima de alto costo (Tyapkova et al., 2016), por ende, la industria acuícola para permanecer sostenible y de expansión mundial se han centrado en el remplazo de la harina de pescado con ingredientes proteicos provenientes de materiales vegetales por su fácil disponibilidad y precios razonables (Dalsgaard et al., 2012; Sharawy et al., 2016).
Para apoyar el aumento de la producción de tilapia, se desarrolla una producción sostenible con el uso de materias primas vegetales en la formulación de alimentos, sin embargo, existen restricciones en sus niveles de inclusión debido a la presencia de factores anti nutricionales (ANF), para lo cual el sistema digestivo de los peces no puede tratar con estos compuestos que son inhibidores de proteasas y otras enzimas que impiden el aprovechamiento de nutrientes, no hay una buena eficiencia alimenticia y afecta el normal crecimiento, no obstante, hoy en día existen investigaciones sobre la aplicación o suplementación de enzimas exógenas en el alimento y puede mejorar el crecimiento,
aumentar las actividades de enzimas digestivas, mejorar la estructura histológica y salud del animal (A. A. Adeoye et al., 2016; Dalsgaard et al., 2012).
En la actualidad, se han desarrollado tecnologías para la producción de alimentos acuícolas como el proceso de cocción por extrusión logrando mejorar la digestibilidad, la relación de conversión alimenticia, controlar la calidad física y mejorar la eficiencia de producción de alimentos acuícolas, dicha tecnología puede producir alimentos por medio de una cocción realizada a altas temperaturas y cortos tiempos (HTST), donde se pueden conjugar el tipo de extrusor, la velocidad y configuración del tornillo, el perfil de temperatura en el barril, la velocidad de alimentación, la humedad del alimento y calidad de las materias primas para obtener productos extruidos de buena calidad (C. R.
de Cruz et al., 2015; Umar et al., 2013) y junto a lo anterior se han creado nuevas estrategias para mejorar la cría de especies acuáticas enfatizándose en producir alimentos funcionales a través de metodologías de la ingeniería de matrices que utiliza la impregnación al vacío como mecanismo de incorporación de compuestos activos en espacios porosos que permite incluirlos de una forma rápida, controlada y no destruye la matriz inicial del producto (Badillo et al., 2011; Restrepo et al., 2009).
En este sentido, en la presente investigación se realizó una optimización en el proceso de extrusión para obtener un alimento extruido con buenas propiedades físicas, luego se le incorporó como aditivo una proteasa usando la tecnología de impregnación al vacío donde se evaluó actividad enzimática de la proteasa, flotabilidad y durabilidad del pellet, y finalmente se realizó una evaluación en tilapia roja (Oreochromis spp) en fase de alevinaje sobre los parámetros de crecimiento y aprovechamiento nutritivo.
1. Planteamiento del Problema
El consumo per cápita mundial de pescado ha estado en un continuo crecimiento alcanzando un valor de 20,5 kg para el año 2018, esto se debe al continuo crecimiento demográfico, industrialización, avances tecnológicos, aumento de los ingresos y urbanización (FAO, 2020), para el mismo año, Colombia presentó un consumo per cápita de 6,86 kg de pescado y un consumo per cápita de 2,43 kg de tilapia (Minagricultura, 2019a) actualmente el aumento de la producción acuícola ha conllevado a una mayor demanda de fuentes de proteína vegetales en la industria de piensos acuícolas en remplazo parcial o total de la harina de pescado que ha sido usada por su alto valor nutricional y ha tenido un incremento en más del 300% en su precio debido a su fuerte demanda y limitada disponibilidad en los últimos años (Tyapkova et al., 2016).
La mayoría de las posibles alternativas para la formulación de dietas acuícolas son de origen vegetal, como la harina de maíz, la harina de trigo, la harina de soya entre otras, sin embargo la inclusión de proteínas a base de plantas en los alimentos acuícolas ha generado una serie de problemas que incluyen la aparición de factores anti nutricionales (Sharawy, Goda, & Hassaan, 2016) que actúan como inhibidores de proteasas, además la presencia de taninos, glucosinolatos o saponinas son sustancias que interfieren con la utilización de los alimentos, generan problemas de palatabilidad, limitaciones de ciertos aminoácidos esenciales, afección en la salud y por ende una baja producción animal (Mohamed S. Hassaan et al., 2015; von Danwitz et al., 2016), además presentan resistencia a tratamientos tecnológicos usuales en la industria de piensos (Sharawy et al., 2016).
En la producción piscícola, la fase de alevinaje es una etapa de mayor interés para el éxito de producción, debido a que garantiza el desarrollo de la especie, rotación de la producción, volumen de crecimiento más temprano y la reducción de mortalidad en etapas futuras (Antonio & Hasbun, 2010; Usgame et al., 2008), el principal problema radica en que el sistema digestivo es muy joven y la estimulación de las enzimas digestivas depende del tipo de alimento y el régimen alimentario (Alarcón López & Martínez Díaz, 1998; Guevara, 2003), respecto a lo anterior, se evidencia la
necesidad de alternativas que permitan mejorar la calidad de los alimentos suministrados en la etapa de alevinaje, proveer una mayor biodisponibilidad de la proteína y obtener buenos resultados en los parámetros productivos (Bellmann et al., 2015; Sharawy et al., 2016).
2. Justificación
En Colombia, la producción acuícola ha aumentado de 97.277 a 129.410 toneladas, que corresponde a un aumento del 75.2% entre los años 2014 y 2018; entre las especies de mayor producción para el año 2018 se encuentra la tilapia con 77.933 toneladas seguido de la trucha con una producción de 25.003 toneladas y 22.332 toneladas para cachama (Minagricultura, 2018, 2019a), “la tilapia roja es un híbrido resultante del cruce de varias especies del género Oreochromis originarias de África e Israel” y es una fuente de proteína popular para los consumidores (Minagricultura et al., 2014, p.1).
La producción mundial piscícola para el año 2018 fue de 54.278 miles de toneladas y de las cuales 5.555,4 miles de toneladas (10.2% ) corresponde a la producción de tilapia (FAO, 2020), Colombia para el año 2018 presentó una producción piscícola de 129.410 toneladas, de los cuales el departamento del Huila tuvo una participación del 44,9%, seguido por el departamento del Meta con 12,37%, Antioquia y Tolima con el 4,9% cada uno, Córdoba y Valle con el 3,1 % cada uno. Con respecto a la cantidad de tilapia total para exportación fue de 8.023 toneladas con un valor de venta de $ 58.723.817 dólares que corresponde al 59.9% de participación, seguido de la trucha (9,9%) y camarón (30,2%) (Minagricultura, 2019a).
En contexto, la inclusión de proteínas vegetales en alimentos acuícolas genera una serie de problemas provocados por los factores anti nutricionales que pueden reducir la digestibilidad por la inhibición de proteasas, complicaciones de palatabilidad y baja absorción de nutrientes. (Mohamed S. Hassaan et al., 2015), en ese sentido, se ha motivado la búsqueda de mayores posibilidades en torno al mejoramiento de las dietas con el fin de superar estos problemas nutricionales y de producción (Castillo et al., 2014).
Dentro de los desarrollos tecnológicos en la producción de alimentos acuícolas están los tratamientos hidrotérmicos tales como la extrusión, que es una tecnología de gran ayuda debido a su versatilidad durante el proceso y habilidad para obtener varias y excelentes propiedades físicas de los alimentos como flotabilidad, durabilidad, solubilidad en agua que son factores que afectan la calidad de los
alimentos y se relacionan directamente con la ingesta y digestibilidad (Chevanan et al., 2009;
Tyapkova et al., 2016), en el proceso de extrusión los ingredientes como el almidón y las proteínas se pueden cocinar y plastificar por una combinación de la humedad, presión, temperatura y cizallamiento (Kannadhason et al., 2010) que ayudan a mejorar la digestibilidad y reducir el contenido de factores anti nutricionales y eliminación de microrganismos patógenos (Drew et al., 2005). Otra tecnología usada recientemente en la acuicultura es la impregnación al vacío, la cual tiene como principio eliminar el aire del espacio poroso del alimento y remplazarlo por un medio externo (Badillo et al., 2011), la impregnación al vacío permite la incorporación de los solutos deseados en el alimento de una forma rápida, controlada y no destruye la matriz del alimento (Cortés et al., 2007) y se pueden incorporar compuestos aditivos disueltos, enzimas, emulsiones u otros compuestos dentro de las cavidades porosas para mejorar las propiedades físicas y nutricionales del alimento (Martelo et al., 2011).
La adición de enzimas exógenas en los alimentos acuícolas mejora la digestibilidad de las proteínas y carbohidratos, por consiguiente mejora los marcadores nutricionales como la conversión alimenticia, el peso corporal y la tasa de supervivencia en la producción de peces (Rodriguez et al., 2018). Las proteasas exógenas han sido ampliamente utilizadas en la industria alimentaria y en la industria de los piensos acuícolas, la suplementación de estas enzimas puede reducir los costos mediante el aumento de la digestibilidad de nutrientes, especialmente de la proteína cruda y aminoácidos (G. Yu et al., 2016), debido a que cumplen un rol específico en la digestión de proteínas y son hidrolizadas en el tracto digestivo en sus aminoácidos constitutivos y la eficacia depende del proceso digestivo del animal (Perera et al., 2005).
3. Marco teórico
3.1 Definición de acuicultura
La acuicultura es “el conjunto de actividades técnicas que buscan reproducir y producir organismos acuáticos bajo condiciones controladas; implica actividades de repoblamiento de cuerpos acuáticos naturales o artificiales con mamíferos acuáticos, peces, moluscos, crustáceos, algas entre otras especies” (AUNAP et al., 2014. p.8), dentro de las actividades de producción acuícola se encuentra la piscicultura dedicada a la producción especifica de peces(Enciso Contreras, 2016; Mesenguer H, 2017).
3.2 Tilapia roja (Oreochromis spp)
“La Tilapia es un teleósteo, originario de África, se adapta muy fácilmente en las áreas de climas tropicales, es el resultado del cruce de cuatro especies (Oreochromis mossambicus, O. niloticus, O.
hornorum y O. Aurea)” (Beveridge & McAndrew, 2001, p.505), es preferido por su buen sabor, su capacidad de adaptación y rápido desarrollo, logra sobrevivir en grandes densidades, puede tolerar condiciones ambientales hostiles, resiste las bajas concentraciones de oxígeno y se puede tratar genéticamente (Nicovita, 2010), en la figura 3-1 se muestra un alevín de tilapia roja (Oreochromis spp)
Figura 3-1: Tilapia roja (Oreochromis spp), fase alevinaje.
Fuente: Este estudio
3.2.1 Taxonomía de la tilapia roja (Oreochromis spp)
La clasificación taxonómica de tilapia se reporta en la siguiente tabla.
Tabla 3-1: Taxonomía de tilapia roja (Oreochromis spp).
Fuente: (Basantes Bermeo, 2015; Villamuel Castillo, 2011)
3.2.2 Formación y desarrollo del sistema digestivo en peces
Balon (2002), define los periodos larvaria, juvenil, adulto y maduro en peces teleósteos, la fase larvaria se inicia al momento de la eclosión donde la boca y el ano están cerrados y depende directamente de las reservas del saco vitelino que está compuesto por células adiposas y proteínas empaquetadas, el sistema digestivo consta de un tubo recto sin diferencias histológicas que se conecta dorsalmente sobre el saco vitelino (Vu, 1983), entre los primeros días de eclosión, el tejido pancreático se origina de la pared del tubo digestivo medio, mientras que el hígado comienza a desarrollarse pocas horas después de eclosión a partir del desarrollo del tubo digestivo (Zavala-leal
& Dumas, 2011).
Después de absorbido las reservas vitelinas se forma la boca y el ano, y mientras se agotan los remanentes del saco vitelino inicia un consumo de alimento exógeno como plancton, zooplancton y alimento suministrado, en el sistema digestivo se pueden observar varias regiones con diferencias histológicas y presencia de actividades enzimáticas que son primordiales para promover la digestión larvaria en donde el intestino es el lugar de la digestión extracelular con un pH alcalino (Govoni et al., 1986; Infante & Cahu, 2001; Walford & Lam, 1993), pronto se da las formaciones de pliegues en el intestino y secreción de glicoproteínas y mucinas que son las sustancias que componen la
Reino Animalia
Phyllum Chordata
Sub Phyllum Vertebrada
Clase Osteichtyes
Orden Perciforme
Familia Cichlidae
Genero Oreochromis
Especie Oreochromis spp
mucosa lubricante a nivel de buco faringe y en el área que se formará el estómago, el plegamiento del intestino se incrementa ocupando la mayor parte del lumen intestinal (Gisbert et al., 2004); en general la estructura morfológica del tracto intestinal en la etapa larvaria de los peces es simple y se correlaciona con una baja producción de enzimas y la longitud generalmente es 0,5 veces la longitud del cuerpo (Lauff & Hofer, 1984), en la figura 3-2 se puede observar la evolución del sistema digestivo en peces.
Figura 3-2: Evolución del sistema digestivo en peces teleósteos.
Fuente: (Cuenca, 2013)
Las tilapias en etapa de alevinaje después de 30 días muestran dentro de su estructura del tracto digestivo, una boca con una serie de dientes que presentan hasta 2 o 3 picos y están dispuestos de 1 a 5 hileras, enseguida se encuentra el aparato faríngeo donde se desarrolla la mezcla y prensado, su función es la adecuación del alimento para la posterior digestión, luego el estómago es un órgano
que aparece como un saco reservorio y al final tiene un pequeño esfínter pilórico. Finalmente, está el intestino que alcanza una gran longitud, el intestino recibe un ducto biliar común y termina en un esfínter anal, además en el tracto digestivo se encuentran glándulas anexas como el hígado, páncreas y vesícula biliar (Cuenca Soria, 2013; Guevara, 2003); la presencia de glándulas gástricas con actividad de segregación de pepsina son un indicador morfo-histológico de la madurez del estómago al igual que la presencia de la amino-peptidasa y la fosfatasa alcalina que son enzimas segregadas en las paredes intestinales y son las encargadas de la digestión de pequeños péptidos y asimilación de nutrientes para la formación de tejido nuevo en etapas de crecimiento (Guerreiro et al., 2010), en la siguiente figura 3-3 se muestra el tracto digestivo de una tilapia en fase de alevinaje.
Figura 3-3: Tracto digestivo de la tilapia (Oreochromis spp), en fase de alevinaje.
a) Estómago, b) Esfínter pilórico, c) Intestino, d) Esfínter anal, e) Hígado, f) Vesícula biliar
Fuente: Este estudio
El tracto digestivo de los peces en etapas juveniles y maduras tienen un sistema digestivo totalmente evolucionado que comprende la cavidad branquial, esófago, estómago, píloro, parte de los ciegos pilóricos, intestino y finaliza en el ano. La intervención de enzimas digestivas cumplen funciones específicas de acción en las moléculas de proteínas, lípidos y carbohidratos generando moléculas más simples para su posterior absorción (Sanz, 2009).
En el estómago se realiza la digestión ácida de los alimentos, se secreta ácido clorhídrico para disminuir el pH y activar la pepsina, luego se realiza la digestión alcalina en la parte del intestino,
“las proteasas tripsina, quimiotripsina, colagenasa, y elastasa son secretadas por el páncreas en forma de zimógenos y son activadas en la parte interna del intestino mediante la acción de la enteroquinasa secretada por la pared intestinal” (Enciso Contreras, 2016, p.12); a pH alcalino la tripsina es una
enzima encargada en la hidrólisis de las proteínas, activación de pro enzimas y pre hormonas y junto con otras enzimas actúan en los enlaces peptídicos liberando aminoácidos libres, di péptidos y tri péptidos para su posterior absorción. Por otra parte, el páncreas segrega lipasas que se activan por las sales biliares y se encargan de hidrolizar los lípidos, de igual manera las amilasas pancreáticas son las encargadas de actuar en los carbohidratos, hidroliza enlaces glucosídicos a lo largo de la cadena del polímero (Sanz, 2009). “La concentración de todas estas enzimas varía dependiendo de los hábitos alimenticios de los peces, por ejemplo, los herbívoros y omnívoros presentan los niveles de amilasa mayores y en los carnívoros la concentración de pepsina es mayor” (Sanz, 2009, p.488), en la tabla 3-2 se muestran las principales enzimas digestivas presentes en peces.
Respecto a los minerales y vitaminas Santamaria (2013) menciona que:
Los minerales son importantes para la formación de huesos y dientes, metabolismo energético, componente de los fosfolípidos en las membranas celulares, cofactores enzimáticos de diversos procesos metabólicos, componente de la hemoglobina, equilibrio osmótico y balance ácido-base de la sangre, transmisión de impulsos nerviosos, componentes de las hormonas tiroideas, componentes de las sales biliares, etc. Por su parte las Vitaminas son consideradas compuestos esenciales, actúan como componentes o cofactores enzimáticos en diferentes procesos metabólicos y presentan acciones fisiológicas específicas esenciales para el crecimiento, reproducción y salud de los peces (p.3).
3.2.3 Requerimientos nutricionales en tilapia
El contenido nutricional de la dieta y la administración de la alimentación influirán en gran medida en el ciclo productivo de la tilapia (Figura 3-4). La etapa larvaria inicia una vez eclosionan los huevos que están en la boca de las hembras, las larvas absorben el líquido del saco vitelino y finaliza esta etapa con un proceso manipulado de reversión sexual por hormona para lograr un mayor porcentaje de animales machos para asegurar una mayor tasa de crecimiento, tasa de conversión alimenticia y grandes tamaños de peso y talla (Villamuel Castillo, 2011)
En las etapas post larvaria que corresponde a la etapa de alevinaje, levante y engorde; el desarrollo de la capacidad digestiva se observa en el incremento progresivo de la actividad de las enzimas digestivas, esta evolución del sistema digestivo se debe a la edad del animal, el tipo de dieta y el ritmo alimenticio (Enciso Contreras, 2016)
. .
Tabla 3-2: Principales enzimas digestivas presentes en los peces.
Enzimas Sustrato Origen Hidroliza Uniones Órgano Producto Especie
Proteasas
Pepsina Proteínas Estomago Internas NH2 Estomago Péptidos Con estomago
Tripsina Proteínas/
Péptidos
Páncreas Internas C-Arg/Lys Intestino Péptidos todas
Quimo tripsina Proteínas/
Péptidos
Páncreas Internas C-aminoácidos aromáticos
Intestino Péptidos todas
Elastasa Proteínas Páncreas Internas aminoácidos
alifáticos
Intestino Péptidos Carnívoras
Colagenasa Proteínas Páncreas Internas Intestino Péptidos Carnívoras
Peptidasas
Carboxipeptidasa A
Proteínas/
Péptidos
Páncreas Externas aminoácidos Intestino Péptidos / aminoácidos
todas Carboxipeptidasa
B
Proteínas/
Péptidos
Páncreas Externas Arg/Lys Intestino Péptidos / aminoácidos
todas Amino peptidasa Proteínas/
Péptidos
Intestino Externas N- terminal Intestino Péptidos / aminoácidos
todas Di-Tripeptidasas Di/Tripéptidos Intestino Externas N- terminal Intestino Aminoácidos todas
Lipasas
Pancreática Triacilglicéridos Páncreas Externas Glicerol- Ester Intestino ácidos grasos libres β mono glicéridos
todas Esterasas Ésteres Páncreas Externas / Internas Intestino ácidos grasos libres
/alcoholes
todas Fosfolipasas Fosfolípidos Intestino Internas Estere-Acilo Intestino ácidos grasos libres todas
Glucosidasas
Amilasas Almidón Páncreas Internas α1 →4 Intestino disacáridos todas
Quitinasa Quitina Páncreas/
Micro flora digestiva
Internas β1 → 4 Intestino N- acetil
glucosamina
Especies que ingiere insectos
y crustáceos
Celulasa Celulosa Micro flora
digestiva
Interna α1 →4 Intestino monosacáridos especie que ingiere vegetales
Disacaridasas Disacáridos Intestino Variable Intestino monosacáridos todas
Fuente: (Enciso Contreras, 2016)
Figura 3-4: Ciclo productivo de tilapia.
Fuente:(Ng & Romano, 2014)
El alimento para las etapas iniciales de producción para peces posee un alto contenido de proteína que estimula la producción de proteasas alcalinas y luego estimula las proteasas ácidas que están estrechamente relacionadas con la aparición tardía del estómago funcional (Guevara, 2003; López.A
& Martinez Díaz, 1998), por lo cual, se observa en orden la degradación de las proteínas, seguido de las grasas y los carbohidratos en las primeras etapas de producción; al diseñar las dietas para tilapia el objetivo es producir de forma rentable una alimentación apetitosa, digestible, nutritiva y de composición uniforme (Guevara, 2003), en la tabla 3-3, se consolida los requerimientos nutricionales para tilapia en las diferentes etapas de producción.
Tabla 3-3: Requerimientos Nutricionales de alimentos para tilapia.
Etapa de producción
Peso promedio (g)
Proteína (%)
Lípidos (%)
Carbohidratos (%)
Fibra (%)
Tasa alimenticia (% Biomasa)
Alevinaje 1 a 15 40 - 45 Min 4 Min 25 Min 4 10 - 6
Levante 20 a 150 30 Min 4 Min 25 4 - 6 4 - 2,5
Engorde 150 a 500 24 Min 4 Min 25 Min 8 2 - 1,5
Fuente: (Lopez Villagomez & Cruz Benavidez, 2011; Minagricultura et al., 2014; Ng & Romano, 2014)
3.2.4 Condiciones ambientales optimas de producción de la tilapia
Los aspectos productivos y reproductivos de los peces están directamente influenciados por factores como la temperatura del agua, pH, oxigeno, entre otros; aunque las especies son en general altamente tolerantes a cambios en muchas de las variables, no obstante, se debe mantener sobre los rangos óptimos para obtener un buen desarrollo productivo, las condiciones óptimas ambientales para la producción de tilapia están relacionados directamente con los indicadores de calidad del agua (Saavedra Martínez, 2006), para ello se muestra los rangos óptimos de producción de tilapia en la tabla 3-4.
Tabla 3-4: Condiciones óptimas de producción de tilapia.
Variable Rango
óptimo
Observación
Temperatura 28 – 32 °C La temperatura óptima se manifiesta en 3 veces su crecimiento y afecta directamente la tasa metabólica, su alimentación cesa por debajo de los 16-17°C y las temperaturas letales están entre 10-11°C y temperaturas que exceden los 37-38 °C producen problemas de estrés afectando el metabolismo.
Tabla 3-4: (Continuación)
Variable Rango
óptimo
Observación
pH 7,5 Es un factor importante para el desarrollo de la productividad y no toleran valores inferiores a 5, las causas se reflejan en pérdidas de pigmentación e incrementos de mucosidad en la piel, son resisten a valores alcalinos de 11, sin embargo, los valores altos de pH y temperaturas altas logra que el amonio se transforme en amoniaco tóxico.
Oxígeno Disuelto
≥ 4,5 mg/L
Rangos inferiores a 4,5 afectan directamente el metabolismo y disminuye el crecimiento, además la disminución del oxígeno disuelto también aumenta la toxicidad del amoniaco.
Salinidad ̴ 24 ppm
Pueden resistir diferentes concentraciones de salinidad, sin embargo, no resisten a los cambios bruscos de la misma.
Amonio 0,01- 0,1 ppm
El amonio es tóxico y aún más cuando la temperatura es elevada, causa bloqueo en el metabolismo, daño en branquias, afecta balance de sales, reducción de crecimiento, exoftalmia (Ojos brotados), ascitis (líquido en abdomen).
Tabla 3-4: (Continuación)
Variable Rango
óptimo
Observación
Nitritos ˂ 0,1 ppm Se generan en el proceso de transformación del amoniaco a nitratos, la toxicidad de los nitritos depende de la concentración de cloruros, temperatura y concentración de oxígeno en el agua, para mantener el valor óptimo es necesario realizar cambios de agua, restringir la alimentación y evitar altas concentraciones de amonio.
Alcalinidad 50-150 mg/L
Es la concentración de carbonatos y bicarbonatos en el agua, los valores de alcalinidad y dureza son similares.
Fuente: (FAO, 2011; No name, 2003; Perdomo et al., 2012; Saavedra Martínez, 2006; Vásquez- Salazar et al., 2014; Villamuel Castillo, 2011)
3.3 Calidad de alimentos acuícolas
Se puede definir que un alimento es de buena calidad cuando provee la cantidad de nutrientes mesurada en cada ración y presenta una excelente formulación, un correcto proceso de elaboración y adecuado almacenamiento, además se debe tener un conocimiento en nutrición del pez y buenas prácticas de alimentación (FAO, 2011; Panné, 2015), cuando un alimento no es de buena calidad conlleva a una serie de problemas ambientales, afección en la sanidad del animal, retraso y baja productividad, menor eficiencia alimentaria y mayor costo de la ración que son los factores que afectan directamente al productor (AUNAP et al., 2014), el control de la calidad permite asegurar un buen consumo por ración, animales sanos y un incremento en los rendimientos de producción (Thomas & van der Poel, 1996).
Por otra parte, las propiedades físicas de los alimentos acuícolas marcan también la buena calidad de un alimento, las materias primas sometidas a un proceso de cocción por extrusión sufren cambios estructurales y químicos tales como gelatinización de almidón, desnaturalización de proteínas y formación de complejos entre amilosa y lípidos, proporcionando un cambio en las propiedades
físicas del alimento final, el propósito es tener alimentos que sean de fácil manejo durante el transporte sin generar finos, con buenas características de forma, textura y tamaño que facilitan la alimentación y eficiencia en la digestión, todo lo anterior constituye un alimento de buena calidad (Cian et al., 2017), la calidad física del alimento para peces se puede evaluar por las propiedades físicas de los productos como flotabilidad, índice de expansión, densidad específica, durabilidad, índice de absorción de agua, estabilidad del agua, velocidad de hundimiento, dureza y durabilidad (C. R. de Cruz et al., 2015).
3.3.1 Flotabilidad (F)
La capacidad de flotabilidad se relaciona directamente con la densidad, porosidad y velocidad de hundimiento (C. R. de Cruz et al., 2015), esta variable es de importancia en la alimentación acuícola, especialmente para las especies que se alimentan de la superficie como la tilapia; los valores superiores en el porcentaje de flotabilidad permiten reducir el desperdicio del alimento, incidiendo en los costos para el productor y se reduce la contaminación del agua (Ah-Hen et al., 2014).
3.3.2 Índice de expansión (IE)
El calor desarrollado durante la extrusión aumenta la temperatura del agua por encima del punto de ebullición, de modo que cuando el alimento sale del dado del extrusor parte de la humedad se libera en forma de vapor y puede dar lugar a una estructura expandida con grandes cavidades y baja densidad, además el bajo contenido de fibra no permite la capacidad para absorber agua, lo que facilita el escape del vapor y conlleva a un producto más expandido (Dehghan-Shoar et al., 2010).
3.3.3 Densidad específica (DE)
La densidad unitaria es otra medida de la estructura interna y cuantifica la masa del material por unidad de volumen de cada producto extruido e incluye el aire atrapado dentro de los poros interiores, la densidad está directamente relacionada con el porcentaje de flotabilidad y el índice de expansión, por lo cual es una propiedad que para este tipo de alimentos se requiere que sea de baja densidad para lograr una mayor flotabilidad y pueda ser digerido por la tilapia, además ayuda a controlar los desperdicios, disminuir costos y reducir contaminación. (Kannadhason et al., 2010).
3.3.4 Durabilidad (D)
La durabilidad es un parámetro de calidad importante en la acuicultura y otros alimentos para ganado, esta variable dicta la estabilidad de los materiales extruidos durante el transporte, el almacenamiento y la alimentación; la resistencia de los extruidos depende en gran medida del grado de tratamiento térmico, del grado relativo de transformación del almidón que se produce dentro del barril durante el calentamiento y finalmente de la cohesión resultante de los componentes químicos de mezcla (Chevanan et al., 2009), el agua agregada como líquido o vapor que activa los aglutinantes naturales como los carbohidratos solubles, el almidón, las proteínas y los minerales, a menor tamaño de partícula también mejora la calidad física del sedimento porque las partículas más pequeñas absorben la humedad más fácilmente que las partículas grandes y son más fáciles de aglomerar (Sørensen, 2012).
3.3.5 Índice de absorción de agua (IAA)
El índice de absorción de agua se usa como un índice de gelatinización del almidón cuando aumenta la temperatura de la mezcla en el extrusor, además esta variable se relaciona con el nivel de humedad durante el proceso de extrusión debido a que el agua actúa como un lubricante en medio de la extrusión, favoreciendo la reducción de la fricción del tornillo, la pared interna del barril del extrusor y las moléculas de almidón, lo que resulta una menor degradación de amilosa y amilopectina, en consecuencia una vez que los gránulos de almidón alcanzan su máxima capacidad de absorción de agua este empieza a disminuir con el inicio de la dextrinización (Soares et al., 2015).
3.3.6 Índice de estabilidad en agua (IEA)
La estabilidad hídrica del pellet extruido es una de las medidas más importantes porque ayuda a reducir la lixiviación de nutrientes causada por la desintegración de los gránulos de pienso y mejora el rendimiento general de un alimento acuático (Cian et al., 2017), el índice de estabilidad en el agua muestra como las partículas gelificadas hinchadas mantienen su integridad en dispersión acuosa (C.
R. de Cruz et al., 2015; Kumar et al., 2010).
por lo cual se busca un índice de mayor estabilidad (Pokniak et al., 1990) y es importante controlar el grado de calentamiento durante el proceso de extrusión para optimizar tanto el valor nutricional como la calidad física de la dieta, el calentamiento adecuado genera la formación de complejos hidrófilos que son los responsables de enlaces moleculares que pueden mejorar la calidad física de
las dietas extruidas mediante la estabilización de la estructura de pellets, por otro lado el calentamiento excesivo puede reducir la digestibilidad de proteínas y aminoácidos individuales formando complejos hidrófobos (Morken et al., 2011).
De acuerdo a lo anterior, la calidad física y nutricional del alimento depende de tres factores: el contenido nutricional formulado, la calidad de los ingredientes y la tecnología o control del proceso empleado en la fabricación (Latuz, 2004) y que conlleva a obtener excelentes resultados en peso, talla, tasa de conversión alimenticia que son algunos de los parámetros de producción (Ronald., 2015).
3.4 Aditivos alimentarios en la acuicultura
Los aditivos alimentarios son ingredientes que se incluyen en las dietas en cantidades pequeñas para incidir en las propiedades físicas y/o químicas del alimento, ayudan en las características organolépticas, facilitan el proceso de elaboración, transformación, conservación, aumentan la absorción de nutrientes, además de mejorar la salud del animal y los rendimientos de la producción acuícola; el concepto de alimentos acuícolas funcionales representa un nuevo patrón emergente para desarrollar dietas para peces (Castillo et al., 2014; Hernández S, 2012). Hoy en día existen formas más sostenibles para suplementar los alimentos con aditivos funcionales para mejorar la salud y el rendimiento de los animales, entre muchas de las opciones en la acuicultura se ha estudiado el uso de prebióticos, estimulantes inmunes, sustancias fitogénicas, ácidos orgánicos, enzimas, entre otros.
3.4.1 Probióticos
La palabra probiótico viene del latin "pro" (a favor) y "bios" (vida), el uso de probióticos en la acuicultura podría ser una forma alternativa de controlar la salud del estanque, así como las enfermedades en los peces, los probióticos son microorganismos vivos (bacterias, levaduras y hongos) y se han utilizado con éxito variado para tratar enfermedades tanto infecciosa como no infecciosa. Algunos estudios sugieren que los probióticos funcionan compitiendo con las bacterias patógenas frecuentemente dependientes de la dieta comúnmente asociadas con las diversas condiciones, mientras que otros indican que los probióticos interactúan y alteran las respuestas inmunes intestinales, disminuyendo así la sensibilización a los antígenos, los probióticos son responsables de otros fines beneficiosos como la producción de enzimas extracelulares, mejora la producción y mantenimiento de la calidad de agua (Azari et al., 2011; Hai, 2015). Para realizar una buena selección de probióticos se debe tener en cuenta los siguientes criterios: no debe ser patógeno
o causar daño en los animales acuáticos o huéspedes, la cepa probiótica no debe poseer ningún gen o grupo de genes de resistencia a antibióticos, tolerancia a pH, habilidad de colonización, actividad antagónica, producción de enzimas extracelulares (proteasa, amilasa, celulosa, fitasa, quitinasa, lipasa, etc.) y que los probióticos sean nativos para tener ventajas sobre los de otro origen, a continuación en la tabla 3-5 se mencionan una serie de probióticos para combatir patógenos comunes en acuicultura.
Tabla 3-5: Probióticos usados sobre patógenos comunes en acuicultura
Bacteria Probiótica Patógenos
Vibrio mediterranei 1 V. parahaemolyticus
Enterococcus faecium MC13 V.parahaemolyticus
Bacillus subtilis NCIM 3610 V. anguillarum 408 01, Photobacterium damselae, vibrio sp., Aeromonas sp.
Pseudoalteromnas flavipulchra JG1 E-coli MTCC 1563, Enterococcus faecalis MTCC 2729, Lactobacillus casei MTCC 1423, Lactobacillus sakei ATCC 15521 y Staphylococcus aureus ATCC 25923.
Lactobacillus brevis FPTLB3 Aeromonas hydrophila, Vibrio harveyi, V.
parahaemolyticus, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus.
Lactobacillus sp. MSU31R Carnobacterium
Enterococcus feacium Maltaromaticum
Lactobacillus murinus AU06 Vibrio sp., Micrococcus
Bacillus sp. SW1-1 Edwardsiella tarda, Streptococcus iniae, S. parauberis, Vibrio anguillarum and V. harveyi.
Fuente: (Banerjee & Ray, 2017)
3.4.2 Ácidos orgánicos
De acuerdo a Reda, Mahmoud, Selim, y El-araby (2016), los ácidos orgánicos y sus sales (principalmente Na, K o Ca) tienen el potencial de incidir en el rendimiento del crecimiento, el buen estado de la salud, la resistencia a enfermedades, aumentar la digestibilidad de nutrientes, reducir el tiempo de vaciado del tracto gastrointestinal, mejorar la retención de nitrógeno, la absorción de minerales, reducción de microorganismos patógenos, reducción de pH en el estómago para la activación de enzimas cuando existe baja secreción de ácido clorhídrico, también intervienen en las vías metabólicas del animal lo que conlleva a la generación de energía por ATP en el ciclo de ácidos carboxílicos, y además refuerza la calidad física del alimento, en la tabla 3-6 se resumen algunos efectos de los ácidos orgánicos.
Tabla 3-6: Ácidos orgánicos usados en la alimentación acuícola
Sitio de Acción Efectos
Alimento Reducción de pH
Incidencia en la calidad física Efecto antibacterial
Tracto gastrointestinal Efecto antibacterial
Reducción de pH en estómago y estimulación de la actividad de pepsina
Es agente acomplejante de cationes Ca 2+, Mg2+, Fe2+, Cu2+, Zn2+
Metabolismo Proveedor de energía
Mejora la digestibilidad de nutrientes
Fuente: (Castillo et al., 2014; Lückstädts, 2007; Rosero et al., 2016)
De igual manera, muchos estudios han sido desarrollados en relación con el uso de ácidos orgánicos y evaluados en diferentes especies acuícolas, en la tabla 3-7 se muestra una lista de ácidos orgánicos usados en la alimentación acuícola.
Tabla 3-7: Ácidos orgánicos usados en la alimentación acuícola
Ácido Fórmula MM (g/mol) Densidad
(g/ml)
Forma
Fórmico HCOOH 46,03 1,22 Líquido
Acético CH3COOH 60,05 1,05 Líquido
Propiónico CH3CH2COOH 74,08 0,99 Líquido
Butírico CH3CH2CH2COOH 88,12 0,96 Líquido
Láctico CH3CH(OH)COOH 90,06 1,21 Líquido
Sórbico CH3CH: CHCH: CHCOOH 112,12 1,20 Sólido
Málico COOHCH2CH(OH)COOH 134,09 1,61 Sólido
Cítrico COOHCH2C(OH)(COOH)CH2COOH 192.14 1,67 Sólido
Fuente: (Lückstädts, 2007)
3.4.3 Prebióticos
Los prebióticos se usan como fuentes de energía para las bacterias intestinales beneficiosas para el organismo, que ayudan a la absorción de sustancias nutritivas, minerales y colaboran con la síntesis de vitamina del complejo B y vitamina K, ayudan en las funciones de la flora intestinal, regula la absorción de grasas y beneficia la salud, la resistencia a enfermedades y mejora la producción (Palacios et al., 2007).
Los prebióticos son polisacáridos alimentarios no digeribles generalmente de origen vegetal que afectan de forma selectiva y mejoran muchas respuestas biológicas del huésped y reducen la mortalidad de los peces causada por la invasión de patógenos, además modifican la flora microbiana dentro del tracto gastrointestinal para estimular las respuestas inmunes inespecíficas. La microflora en el colon fermenta los compuestos prebióticos y causa una modificación significativa del entorno intestinal debido a que los oligosacáridos sirven como sustrato para el crecimiento de bacterias anaeróbicas que inhiben el crecimiento de bacterias putrefactivas y patógenas (Lall & Dumas, 2015;
S. K. Song et al., 2014).
Para obtener una excelente respuesta inmune en peces, los prebióticos deben presentar una buena capacidad de fagocitosis al igual que la capacidad de activación macrófaga que desempeña un papel importante en la eliminación de microbios patógenos, un índice de potencial oxidativo de las especies reactivas al oxigeno se ha utilizado ampliamente para evaluar la capacidad del huésped para defenderse contra los patógenos, además de una buena actividad ácido fosfatasa, actividad del complemento sérico, nivel de anticuerpos séricos, actividad fenol oxidasa y actividad de lisozima (S. K. Song et al., 2014).
3.4.4 Fitogenéticos
Los aditivos fitogenéticos para alimentos han ganado un interés en la industria acuícola porque son productos derivados de plantas como hojas, raíces, tubérculos o frutas, de hierbas, especias u otras plantas y están disponibles en forma sólida, seca o triturada como extractos o aceites esenciales.
La mayoría de los fitogenéticos son moléculas activas redox que poseen características antioxidantes que pueden mejorar la condición fisiológica general de los peces, se considera que el modo de acción antimicrobiano surge principalmente del potencial de los aceites esenciales hidrófobos para introducirse en la membrana de la célula bacteriana, desintegrar las estructuras de la membrana y causar una fuga de iones, por su parte los fenoles y flavonoides pueden interactuar en el animal de manera positiva provocando una estimulación del apetito, contrarrestar la microflora no benéfica, la estimulación del funcionamiento de glándulas gástricas, mejorar el sistema inmunitario y propiedades antiinflamatorias, antioxidantes, mejorar el rendimiento animal y entre otros beneficios (Encarnação, 2015).
3.4.5 Enzimas exógenas
En la acuicultura tanto en etapas tempranas y como maduras los organismos carecen de ciertas enzimas digestivas, en las etapas tempranas el tracto intestinal es más corto y relativamente poco desarrollado y no todas las enzimas necesarias se producen en el intestino para la correcta digestión;
por lo cual, la adición de enzimas exógenas brinda una alternativa para un mejor aprovechamiento de nutrientes (Ghosh, 2015), “las enzimas son catalizadores biológicos que incrementan la rapidez o la velocidad de una reacción y se han dividido en grupos en función del tipo de nutrientes que hidrolizan” (Ketnawa et al., 2014, p. 175), en la tabla 3-8 se muestra la función de algunas enzimas utilizadas en la industria alimentaria.
Tabla 3-8: Enzimas en la industria alimentaria.
Enzima Función
Amilasa Hidroliza el almidón y complejos polisacáridos Arabinosa, Pectinasa Degradación de factores anti nutricionales Celulasa Hidroliza la celulosa (alimentos vegetales) Queratinasa Degradación de la queratina (harina de plumas)
Tanasa Eliminación de taninos que son factores anti nutricionales Xilanasa Actúa en polisacáridos no almidonados como las pentosas α-Galactosidasa Reduce factores anti nutricionales, actúa sobre α-galactósidos β- Glucosidasa Reduce factores anti nutricionales, actúa los β-glucanos (nsp) Fuente: (Ghosh, 2015)
Para hidrolizar los macronutrientes se tiene a las proteasas que hidrolizan las proteínas en aminoácidos, las lipasas que son las encargadas de hidrolizar los lípidos en ácidos grasos y glicerol, y las carbohidrolasas hidrolizan los carbohidratos en azúcares simples, existen otros estudios donde usan la fitasa y es una de las enzimas más utilizadas en los alimentos acuícolas y descompone el fitato e incrementa el contenido de fosforo, minerales y proteína (Ketnawa et al., 2014).
Estudios relacionados con la adición de enzimas exógenas en la alimentación acuícola ha estado en constante crecimiento para lograr una mejor calidad en los alimentos que contienen en su formulación fuentes económicas de proteína vegetal, las enzimas exógenas han ayudado con la digestibilidad de compuestos poliméricos complejos, logrando un mayor aprovechamiento de nutrientes, conversión de energía, reducción de factores anti nutricionales (Rodriguez et al., 2018;
Shi et al., 2016), además ayuda con el aumento de las actividades de las enzimas endógenas, colabora con las estructura histológica, mejora la salud del intestino y puede verse reflejado en el rendimiento del crecimiento de los animales y otros parámetros de producción (Shi et al., 2016), en la tabla 3-9 se presentan algunas investigaciones relacionadas con el uso de enzimas exógenas para la alimentación acuícola.
.
Tabla 3-9: Investigaciones sobre la aplicación de enzimas en alimentos acuícolas
Producto Enzima Método de
aplicación
Especies Breve resultado Referencia
Residuos obtenidos de plantas de fabricación
Proteasas
intestinales de camarón (ci)
Enzimas encapsuladas Suplementadas a la dieta
Tilapia nilótica (Oreochromis niloticus)
Alto porcentaje de actividad enzimática en sus intestinos de un 27% más alta que el control
Rodriguez et al., 2018
Natuzyme50 Proteasa, alfa-
amilasa, fitasa, celulasa, Xilanasa
Suplementación a la dieta
Tilapia del Mozambique (Oreochromis mossambicus)
Mayor rendimiento en crecimiento y digestibilidad de proteínas
Hlophe- Ginindza, Moyo, Ngambi,
& Ncube, 2016 Natugrain® TS, 0- y 0.04%
(endo-1,4-ß-xilanasa y endo-1,4-ß-
glucanasa de
Aspergillus fungus)
Suplementación a la dieta.
Sargo Común (Diplodus sargus)
Aumentó contenido de proteínas y lípidos en el pez, promovió las actividades de amilasa y lipasa, mayor absorción de nutrientes y reducción de desechos fecales
Magalhães, Lopes, Martins, Couto, & Peres, 2016
RONOZYME® Hiphos RONOZYME® ProAct RONOZYME®WX Sanolife PRO-F
Fitasa 0,0025%
Proteasa 0,0030%
Xilanasa 0,00075%
Probiótico 0,0020%
Suplementación a la dieta.
Tilapia nilótica (Oreochromis niloticus)
Mejoró peso final, tasa de crecimiento específico, conversión alimenticia y eficiencia de proteína
Ayodeji A.
Adeoye et al., 2016
Tabla 3-9: (Continuación)
Producto Enzima Método de
aplicación
Especies Breve resultado Referencia
Proteasa
Suministrada por JEFO Nutrition, Inc.
Serina
endopeptidasa alcalina
Suplementación a la dieta.
Carpa gibel (Carassius auratus gibelio)
Aumento en el peso, digestibilidad aparente de materia seca y proteína cruda, retención de proteína cruda y lípidos en bruto y en conversión alimenticia
Shi et al., 2016
RONOZYME®Hiphos RONOZYME®ProAct ROXAZYME®G2
Fitasa 0,03%
Proteasa 0,02%
Carbohidrolasa 0,03%
Suplementación a la dieta.
Tilapia nilótica (Oreochromis niloticus)
Aumento de peso, crecimiento, conversión alimenticia y la carbohidrolasa presentó mayor densidad de microvellosidades del intestino medio
A. A. Adeoye et al., 2016a
Amecozyme Proteasa 0,06%,
Xilanasa 0,016%, Fitasa 0,005%, Amilasa, Glucanasa, Galactosidasa, Lipasa, Celulasa
Suplementación a la dieta.
Tilapia nilótica (Oreochromis niloticus)
Mejoró el rendimiento de los peces y digestibilidad de nutrientes
Khalafalla, Bassiouni, Eweedah, Elmezyne, &
Elmezyne Heba, 2010
