Producción de proteína microbiana a partir de manzana de desecho con fermentación en estado sólido a 32 ºc

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Producción de proteína microbiana a partir de manzana de desecho con fermentacion en estado solido a 32 ºc

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REDVET Rev. electrón. vet. http://www.veterinaria.org/revistas/redvet -http://revista.veterinaria.org Vol. 11, Nº 10, Octubre/2010– http://www.veterinaria.org/revistas/redvet/n101010.html

Producción de proteína microbiana a partir de manzana de

desecho con fermentación en estado sólido a 32 ºc

D. Díaz-Plascencia*1_{, C. Rodríguez-Muela}1_{, P. Mancillas-Flores}1_{, C.} Angulo1_,_{F. Salvador}1_{, C. Arzola,}1 _{J. A. Jiménez,} 1_{S. Mena}2 _{A. Elías}3_. Facultad de Zootecnia y Ecología. Universidad Autónoma de Chihuahua, Chihuahua, México. Periférico Francisco R. Almada km 1. Chihuahua, México. Fax (614) 434-0303.

1. Facultad de Zootecnia y Ecología. Universidad Autónoma de Chihuahua, México. danyboy2878@hotmail.com, crmuela@gmail.com

2. Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias. Universidad de Guadalajara, Jalisco, México. smena@cucba.udg.mx

3. Instituto de Ciencia Animal, La Habana, Cuba. aelias@ica.cu

RESUMEN

El objetivo fue estudiar las condiciones ideales para la producción de proteína microbiana a partir de desecho de manzana. En una primera fase, se estudiaron las condiciones de pH, temperatura y aireación con el propósito de lograr una buena fermentación aeróbica. En una segunda fase se evaluaron cuatro tratamientos con diferentes fuentes de nitrógeno: manzana, únicamente (T1); manzana más soya (T2); manzana más soya y maíz (T3) y; manzana más alfalfa (T4). En todos los tratamientos se utilizaron los siguientes ingredientes: Urea (1.5%), Sulfato de amonio (0.2%), y una premezcla de vitaminas y minerales traza (0.5%). Se utilizaron seis repeticiones, las cuales se depositaron en charolas de aluminio, bajo una temperatura controlada de 32 ºC por un periodo de 96 h. Los muestreos se realizaron en los siguientes tiempos de fermentación; 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 30, 36, 42, 48, 60, 72 y 96 h. Los datos se evaluaron con un diseño al azar con arreglo factorial 2x2. Las variables evaluadas fueron; potencial hidrógeno (pH), proteína cruda (PC), proteína verdadera (PV), humedad de la materia seca (MS) y conteos de levaduras (CL). Se notó un incremento en el pH a partir de las 48 h para T3 y T4 lo que afectó significativamente la fermentación (P<0.01) así como la producción de PC y PV. En el caso de T1 y T2 se mantuvo el pH en un rango de 4.4 a 4.7, lo que permitió una mayor producción de PC (44.3 y 39.2%) y de PV (39.6 y 27.6%), respectivamente.

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Palabras clave: Levaduras, proteína, fermentación. ABSTRACT

The aim of this study was to assess the ideal conditions for microbial protein production from apple waste. Conditions were studied for pH, temperature and ventilation in order to get a good aerobic fermentation. In a second phase, four treatments with different nitrogen sources were used: apple (T1); apple + soybean meal (T2), a block soybean and corn (T3) and, apple + alfalfa (T4). To all treatments the following ingredients were added: urea (1.5%), ammonium sulphate (0.2%), and a premix of vitamins and trace minerals (0.5%), using six replicates, which were placed in aluminum trays, under a controlled temperature of 32 º C for a period of 96 h. Samples were taken at the following times of fermentation: 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 30, 36 42, 48, 60, 72 and 96 h. The data were evaluated with a randomized design with 2x2 factorial arrangements. The variables evaluated were potential hydrogen (pH), crude protein (CP), true protein (PV), moisture in the dry matter (DM) and yeast counts (YC). There was an increase in pH after 48 h for T3 and T4 which significantly affected fermentation (P <0.01) and production of PC and PV. In T1 and T2 pH were maintained in a range of 4.4 to 4.7, allowing greater production of PC (44.3 and 39.2%) and PV (39.6 and 27.6%), respectively.

INTRODUCCIÓN

La fermentación en estado sólido (FES) es un proceso que permite el aprovechamiento de fuentes no convencionales de carbohidratos para la alimentación animal mediante el uso de microorganismos. A nivel mundial se producen aproximadamente 60 millones de toneladas de manzana al año en una superficie de 5.6 millones de hectáreas, siendo China el principal productor con más de 20 millones de toneladas, seguido de Estados Unidos de América con 5.0 millones. Estos países aportan el 45% de la producción mundial, mientras que México aporta 0.46 millones de toneladas al año; de este total en la región Noroeste del Estado de Chihuahua, México; se produjeron alrededor de 409,778 toneladas de manzana (SAGARPA, 2007) de este total, cerca de 145,000 toneladas se comercializaron como manzana de desecho (UNIFRUT, 2007). Este desecho se utiliza en su mayoría en la industria de la extracción para la elaboración de jugo; proceso del cual se obtiene un residuo o subproducto conocido como bagazo de manzana o pomasa. Se estima una producción de pomasa de aproximadamente 32,000

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3 toneladas (UNIFRUT, 2007) la cual no es aprovechada, o en algunos casos, se sub-utiliza en la alimentación animal.

Durante la fermentación en estado sólido de algunos subproductos agroindustriales ricos en azúcares y celulósicos, la energía que se libera y la urea como fuente de nitrógeno son utilizados para el crecimiento de la microflora epifita de los subproductos (Pandey et al., 2001; Elías, 2004; Becerra y Díaz 2006; Rodríguez, 2009). De esta manera, se logra duplicar la biomasa en alrededor de 5 min (Valiño et al., 1992; Meyer et al., 1992; Nigan, 2000), lo que permite un incremento en la población de bacterias y levaduras principalmente, esto aun en la fase de secado, sin la utilización de inóculo en el sistema (Elías y Lezcano, 1994). La utilización del desecho de manzana ha recibido muy poca atención, a pesar de considerarse como una fuente de energía barata y debido a su gran contenido de humedad (70-80%). Estos parámetros pudieran ser aprovechados por la flora microbial nativa y potencialmente elevar su valor nutritivo mediante adiciones como el caso de nitrógeno no proteico (Elías, 2004; Rodríguez-Muela et al., 2007; Becerra et al., 2008). Tanto la manzana de desecho como los subproductos que aporta la industrialización de esta fruta representan una potencial fuente de alimento para los animales, con la ventaja de ser de bajo costo y de poseer nutrientes altamente fermentables por microorganismos como levaduras y bacterias (Rodríguez-Muela et al., 2006; Becerra et al., 2008; Rodríguez-Muela et al., 2010). Como resultado de este proceso, se permitiría la producción de proteína microbial de gran utilidad en la nutrición animal.

El objetivo del presente estudio fue: determinar el efecto de la fermentación de la manzana de desecho en condiciones aeróbicas y de temperatura controladas con la adición de diferentes fuentes de nitrógeno. Estos resultados permitirán mejorar los esquemas de alimentación y de nutrición animal de los ganaderos establecidos en la región noroeste del estado de Chihuahua, al bajar costos, incrementar la producción de carne y leche, y participar en reducir los niveles de contaminación por estos subproductos.

MATERIALES Y MÉTODOS

Tratamientos y diseño experimental. El presente estudio se desarrollo en el laboratorio de nutrición animal de la Facultad de Zootecnia y Ecología de la Universidad Autónoma de Chihuahua, México; la cual se localizan el Kilómetro 1 del periférico Francisco R. Almada, a una altitud de 1595 msnm. El material utilizado para este experimento fue manzana de desecho, pasta de soya, maíz molido, heno de alfalfa molida, premezcla de minerales y vitaminas, urea, sulfato de amonio, molino de martillos , molino willeyMR_,

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4 balanza analítica, charolas de aluminio, estufa, potenciómetro manual, microscopio, cámara de NeubauerMR_{, equipo Kjeldahl para determinar} proteína cruda y verdadera.

Los tratamientos usados fueron: T1) Manzana únicamente; T2) manzana mas 3.5% de pasta de soya; T3) manzana mas 3.5% de pasta de soya mas 10% de maíz molido; T4) manzana mas 10% de alfalfa molida). Todos los tratamientos contaron con la adición de 1.5% de urea, 0.2% de sulfato de amonio y 0.5% de premezcla de vitaminas y minerales traza para favorecer el crecimiento de levaduras. Sus combinaciones fueron evaluadas en 24 charolas y cada tratamiento constó de 6 repeticiones consistentes en charolas de aluminio con 1 kg de la mezcla, las cuales que fueron alojadas para su fermentación en una estufa con temperatura controlada.

Durante el periodo de fermentación de la manzana, fueron tomadas 3 muestras aleatorias de las charolas de cada tratamiento en diferente tiempos (0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 30, 36 42, 48, 60, 72, y 96 h), durante los cuales se determinó el pH y se realizó un mezclado en las charolas para favorecer la oxigenación y el secado de las mezclas. El diseño utilizado fue completamente al azar con arreglo factorial 2x2.

Metodología del trabajo. La materia prima para el experimento consistió de 25 kg de manzana de desecho de la variedad Golden delicious que fue molida en un molino de martillos sin criba, maíz molido y alfalfa molida, para posteriormente preparar porciones de 1 kg por charola, mismas que fueron alojadas en una estufa con temperatura constante de 32 ºC durante 96 h, posteriormente se aumento la temperatura a 55 ºC y se mantuvo constante hasta las 120 h para lograr el secado de las mezclas. Finalmente se muestreo en los tiempos ya mencionados, donde se realizo una homogenización de cada una de las muestras. Se tomaron tres muestras de cada tratamiento, se recolectaron muestras de 20 gr aproximadamente de cada una de ellas, se depositaron en bolsas de plástico y se guardaron en un congelador a una temperatura de -5 ºC, para su posterior evaluación bromatológica. Los análisis bromatológicos que se realizaron fueron: materia seca (MS), humedad (H), proteína cruda (PC) y proteína verdadera (PV) utilizando las técnicas descritas en (AOAC, 2000). Para el conteo de levaduras (CL) se peso 1 gr de la muestra seca mezclado en 10 ml de agua destilada y se agito durante 10 minutos, posteriormente se filtro en 4 gasas y finalmente se procedió al conteo de levaduras de acuerdo al número de diluciones requeridas para su medición microscópica en la cámara de NeubauerMR

Análisis estadístico. Los valores de PC y PV se determinaron al finalizar la fermentación, mientras que el conteo de levaduras y pH se realizó durante los muestreos. La información obtenida se procesó según el procedimiento

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General Linear Models. Para la comparación de medias se usó Least Squares Means, del programa SAS (2004).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

Al analizar el comportamiento de los 4 tratamientos usados en el experimento, se observo una rápida perdida de humedad durante la fermentación en el tratamiento T4 a las 72 horas de haber iniciado la fermentación. A partir de las 48 horas de fermentación, se observó un rápido incremento en el pH de los tratamientos T3 y T4 como se observa en la (Gráfica 1), en tanto que los otros dos tratamientos permanecieron con pH más o menos constante de 4.5 lo que favoreció una mejor fermentación y por lo tanto una mayor producción de proteína microbiana. El aumento en el pH de los tratamientos T3 y T4 pudo haberse debido a los niveles altos de calcio en el maíz y la alfalfa, el cual tiene propiedades bufferantes que mantiene el pH superior a 6, lo que posiblemente deje fuera de rango la actividad microbial de las levaduras presentes en la manzana.

Elías y Lezcano, (2000) obtuvieron valores de pH similares en la fermentación de caña de azúcar, cuando utilizaron niveles de urea inferiores a los evaluados en este trabajo. Estos autores informaron cifras de 4.18 y 5.8, para niveles de urea de 1 y 1.5 %, con temperatura de 37 ºC. Rodríguez-Muela et al., (2010) obtuvieron valores de pH de 4.9 y 5.7 usando niveles de 0 y 3.5% de pasta de soya en la fermentación de manzana de desecho y dos niveles de urea (1.5 y 2.0 %) con temperatura de 28 ºC. Los resultados del presente trabajo sugieren que las variaciones de pH parecen relacionarse con los niveles de urea utilizados, por lo que en los mayores valores de pH pudo haber influido la presencia de algunas especies de levaduras y bacterias que se desarrollan a temperatura de 28 º C (Elías y Lezcano 2000; Rodríguez-Muela et al., 2006; Becerra et al., 2008).

Para la determinación de (CL) de levaduras utilizando agua destilada de acuerdo a la técnica descrita por Elías y Lezcano (1993) y Díaz (2006) no se encontró una clara tendencia en el crecimiento de levaduras como se observa en la (Gráfica 2), Ello pudo deberse, a que el crecimiento de levaduras se lleva a cabo incluso en estado seco como lo mencionan Valiño et al., (1992). En la determinación de proteína cruda como se observa en la (Gráfica 3), se detectó un claro incremento en esta variable en los tratamientos T1 y T2 a partir de las 48 horas de iniciada la fermentación, con valores de 44.3 y 39.2% de PC a las 96 horas, respectivamente, lo que probablemente se debe al mayor crecimiento de levaduras gracias a un pH adecuado como se mostró en la (Gráfica 1), en donde se observa una mejor estabilidad de pH en las mezclas conteniendo únicamente manzana como

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6 fuente de carbohidratos y urea y pasta de soya como fuente de nitrógeno. Los tratamientos T3 y T4 solo pudieron alcanzar valores de 25.7 y 24.2% de PC a las 96 horas de fermentación, muy inferiores a los encontrados en el T1 y T2 (P<0.01). Los valores inferiores de los tratamientos T3 y T4 pudieron haberse debido a un menor crecimiento de levaduras ya sea por un inadecuado pH o bien, porque tanto la alfalfa como el maíz cuentan con una menor disponibilidad de carbohidratos solubles, lo cual concuerda con lo reportado por Elías y Lezcano (1993), quienes mencionan que la inclusión de maíz en caña de azúcar, no mejoró la producción de levaduras al considerar que el maíz tiene alto contenido de almidones y bajo contenido de carbohidratos solubles en agua, mismos que son aportados por la caña de azúcar, situación que pudo haberse presentado en este experimento. Los análisis indicaron que durante la fermentación de la manzana se produjo un nivel aceptable de (PV) superior incluso a la encontrada en la elaboración de Saccharina rústica por Fundora et al., (1996). Los valores encontrados para PV en este experimento fueron de 39.2, 27.6, 12.1 y 9.8% de PV a las 96 horas de fermentación (P<0.01) para los tratamientos T1, T2, T3 y T4, respectivamente, (Gráfica 4). La producción de PV en éste experimento se incremento en los tratamientos T1 y T2 a partir de las 48 horas de inicio de la fermentación, lo que nuevamente muestra como la estabilidad en el pH de las mezclas con valores de 4.4 y 4.7 a las 96 horas de T1 y T2, respectivamente, favoreció el crecimiento de levaduras y por lo tanto la producción de proteína verdadera y total de las mezclas.

Rodríguez-Muela et al., (2010) en otro estudio similar a este, utilizando temperatura de 28 º C, pasta de soya, maíz y heno de alfalfa, la proteína cruda aumentó con la adición de urea a la mezcla de 61.90 a 69.85% para los niveles de 1.5 y 2% de urea en la mezcla, respectivamente; esto se debe a que, generalmente, durante la fermentación en estado sólido se ha informado que la proteína cruda del sustrato se incrementa con la adición de nitrógeno no proteico (Ibarra et al., 2002; Rodríguez-Muela et al., 2007; Becerra et al. 2008). Para la proteína verdadera reportaron valores de 37.9% con la adición de 3.5 % de pasta de soya a la mezcla, solo cuando el nivel de urea en la misma fue de 1.5 % y de 33.77 a 43.47 %, cuando la urea se incrementó en la mezcla de 1.5 a 2.0 %, pero solo cuando la pasta de soya se agregó en 3.5 %, esto indicó efecto favorable en el crecimiento de levaduras con la adición de nitrógeno no proteico, siendo así cuando se agregó nitrógeno en forma de proteína verdadera.

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Producción de proteína microbiana a partir de manzana de desecho con fermentacion en estado solido a 32 ºc http://www.veterinaria.org/revistas/redvet/n101010/101002.pdf 7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 20 40 60 80 100 Horas pH T1 T2 T3 T4 Gráfica 1. Comportamiento de pH en

los 4 tratamientos en las diferentes horas de fermentación.

Gráfica 2. Conteo de levaduras en

solución salina a diferentes horas.

Gráfica 3. Producción de proteína

cruda en las diferentes horas de fermentación

Gráfica 4. Producción de proteína

verdadera en las diferentes horas de fermentación.

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REDVET: 2010, Vol. 11 Nº 10

Recibido 01.10.10 / Ref. prov. NOV0920B_REDVET / Revisado 27.05.10 / Aceptado 26.08.10 Ref. def. 101002_REDVET / Publicado 01.10.2010

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