Artículos

 

Composición química, digestibilidad y cinética ruminal de la digestión de residuos agrícolas tratados con explosión de vapor

 

Chemical composition, digestibility and digestion kinetics of steam explosion-treated crop residues

 

Ricardo Basurto Gutiérrez^a, Agustín Escamilla Martínez^b, Sergio Moya Vega^c, Ericka Ramírez Rodríguez^a, Juan Becerra Becerra^a

 

^a Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Fisiología Animal, INIFAP. Km 1 Carretera a Colón, Ajuchitlán, 76280, Colón, Querétaro. México. basurto.ricardo@inifap.gob.mx. Correspondencia al primer autor.

^b Centro de Investigaciones Avanzadas del Estado de Querétaro.

^c Facultad de Ciencias Naturales, Universidad Autónoma de Querétaro.

 

Recibido el 21 de junio de 2011.
Aceptado el 23 de octubre de 2011.

 

RESUMEN

Para determinar el efecto de la explosión de vapor (EXPV) en la composición y digestibilidad de forrajes toscos (F) se condujeron dos experimentos. En el Exp 1, con un diseño factorial de presión (P; 10.3, 13.8 y 17.2 kg cm²) y tiempo (T; 5, 10 y 15 min), se determinaron los cambios en pH, fracciones de fibra (FF) y la digestibilidad in vitro (DIVMS) del rastrojo de sorgo (RS), rastrojo de maíz (RM) y bagazo de caña (BZC) por efecto de EXPV. En el Exp 2, se comparó la cinética de la digestión in situ (CDI) de forrajes sin tratar y tratados con EXPV, RS y RM fueron tratados con 13.8 kg/cm² por 10 min y BZC con 17.2 kg/cm² por 15 min. Se incubaron muestras de forraje en rumen hasta por 120 h. Los datos fueron ajustados a un modelo no lineal. P y T no interactuaron en pH o FF. El aumento en P o T redujeron el pH, FDN y la hemicelulosa. La lignina y FDA no cambiaron dentro los niveles de P o T. En DIVMS, P*F y T*F fueron significativas. EXPV incrementó las fracciones soluble y potencialmente digestible y extensión de digestión de FF de los tres forrajes. Exceptuando para BCZ, el tiempo de retraso no cambió para FF. La respuesta de la tasa de digestión fue variable para FF o forraje. Se concluye que la EXPV mejora la calidad nutritiva de los forrajes toscos por solubilizar parte de la pared celular, acelerar la tasa de digestión e incrementar la extensión de la digestión.

Palabras clave: Explosión de vapor, Forrajes toscos, Fibra, Digestibilidad, Cinética digestiva.

 

ABSTRACT

Two experiments were conducted to determine the effects of steam explosion (STE) on chemical composition and digestibility of the following forages (F): sorghum stover (SOS), corn stover (COS) and sugarcane bagasse (SUB). The Exp 1 was conducted to determine the effects of STE on pH, fiber fractions (FF) and in vitro digestibility (IVDMD). Fifty four samples were generated using a RCB design with a 3*3*3 factorial treatment arrangement, where the factors were: pressure (P: 10.3, 13.8 and 17.2 kg/cm²), time (T: 5, 10 and 15 min) and F (SOS, COS and SUB). In Exp 2, changes in the digestion kinetics were determined when using the combinations of P and T that maximized IVDMD; thus, SOS and COS were treated at 13.8 kg/cm² for 10 min, and SUB at 17.2 kg/ cm² for 15 min. The treated and non-treated samples were incubated in rumen for up to 120 h. Data were fitted to a nonlinear model. No significant interactions T*P or F*P*T were detected on pH or FF; however, as P or T increased, pH, NDF and hemicellulose decreased. Lignin or ADF were not affected by P or T. As for IVDMD concerns, P*F and F*T interactions were significant. STE increased soluble fraction and degree of F digestion. Only lag time of SUB was reduced by STE. The potential digestible fraction was reduced in SOS and COS. It was concluded that the changes in chemical composition and digestion kinetics are related mainly to cell wall solubilization by stem explosion.

Key words: Steam-explosion, Crop residues, Fiber, Digestibility, Digestion kinetics.

 

INTRODUCCIÓN

Con base en la superficie cosechada de cereales y que por cada kilogramo de grano producido se genera un kilogramo de rastrojo o paja⁽¹⁾, se puede estimar que la disponibilidad de los residuos agrícolas para la alimentación directa de rumiantes en México fue alrededor de 23.5 millones de toneladas anuales en 2008. Empleando el nivel uno del programa del NRC⁽²⁾, que es utilizado para determinar los requerimientos de proteína y energía, se puede estimar que esta cantidad de esquilmos es suficiente para mantener aproximadamente 10 millones de vacas secas, equivalente a un tercio del inventario nacional bovino. No obstante, un incremento de sólo 10 % en la digestibilidad de estos residuos agrícolas, equivale a la energía de mantenimiento de 0.6 millones de vacas. Por esto es indudable la importancia de continuar evaluando métodos para el mejoramiento de la digestibilidad de los residuos agrícolas.

Los tres principales componentes de las paredes celulares son la celulosa, la hemicelulosa y la lignina. La hemicelulosa es un polisacárido insoluble en agua, pero soluble en ácidos o álcalis, y se encuentra estrechamente ligado a la lignina⁽³⁾. La hemicelulosa y la lignina forman una red hidrofóbica, en la cual las micro-fibrillas de celulosa están embebidas⁽⁴⁾. La red restringe el acceso de las bacterias y de enzimas celulolíticas hacia las micro-fibrillas. Otros factores documentados que limitan el acceso enzimático son los grupos acetilo de la hemicelulosa⁽⁵⁾, el índice de cristalización de las micro-fibras de celulosa⁽⁶⁾ y la superficie disponible para el acceso enzimático⁽⁷⁾.

Los tratamientos químicos tienen como objetivo romper la unión entre los carbohidratos estructurales y la lignina^(3,8,9), lo que resulta en una mayor digestibilidad de las fracciones de fibra y un mayor consumo voluntario⁽¹⁰⁾. El incremento en el consumo de alimento puede deberse a que el tamaño de las partículas de forraje tratado decrecen más rápidamente durante la rumia que el tamaño de las partículas de forraje sin tratar^(3,10).

No obstante, el costo de las sustancias químicas, el requerimiento de personal entrenado para el manejo de los químicos y la presencia de residuos químicos en el material tratado, ha limitado la adopción de los métodos químicos para el tratamiento de los residuos agrícolas. De aquí, la importancia de seguir explorando métodos que no dependan del uso de compuestos químicos para mejorar la calidad de los forrajes toscos.

Uno de estos métodos es el tratamiento con presión y vapor saturado de agua, seguido de la despresurización súbita del sistema, conocido como explosión de vapor (EXPV). El proceso se basa en la acción hidrolítica del vapor a altas temperaturas que hidroliza los enlaces lignino-celulolíticos, la solubilización de la hemicelulosa y eliminación de los grupos acetilo⁽¹¹⁾.

Adicionalmente, durante la súbita despresurización, la estructura de la pared celular es alterada⁽¹²⁾ y la lignina es re-localizada sobre la superficie de las fibras de celulosa⁽¹³⁾, lo cual resulta en una mayor área expuesta para la adhesión de los microbios del rumen. Esto podría resultar en una mayor tasa de digestión o extensión de la digestión.

El método de EXPV es ampliamente utilizado como pre-tratamiento en la producción de papel y de etanol^(14,15,16). De acuerdo a Nakamura, et al⁽¹⁷⁾, la mayor disponibilidad de los carbohidratos estructurales para la fermentación microbiana se logra a los 36.7 kg/cm² de presión por 2 min, lo que maximiza la producción de etanol.

Sin embargo, estos niveles de presión no son fácilmente manejables a una escala de empresa pequeña. Por lo anterior, ha sido preferible manejar presiones de vapor menores en combinación con mayores tiempos de aplicación⁽¹⁸⁾. Hart et al⁽¹⁹⁾ reportaron que los mejores resultados se encontraron con presiones alrededor de 21.1 kg cm² por 1.5 min para tratamiento de paja de arroz, bagazo de caña y residuos de la cosecha de la caña para la alimentación animal. No se encontraron referencias sobre el uso de vapor como método de tratamiento en México.

El objetivo del presente estudio fue determinar el efecto del tratamiento explosión de vapor (EXPV) a diferentes presiones y tiempos de aplicación, sobre la composición de las fracciones de fibra, la digestibilidad in vitro y la cinética de digestión in situ de forrajes de baja calidad nutricional.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se realizó en las instalaciones del Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Fisiología y Mejoramiento Animal, ubicado en Ajuchitlán, Colón, Querétaro, México, y constó de dos pruebas experimentales.

En el Exp 1 se determinó el efecto de la combinación de presión y tiempo sobre los cambios en la composición química y la digestibilidad in vitro de forrajes toscos. Los forrajes se trataron en un reactor de 10 L de capacidad, el cual se diseñó y construyó en el Centro de Investigaciones Avanzadas, CIATEQ. El reactor piloto se alimentó con vapor, el cual se generó al calentar un depósito de agua hasta alcanzar las presiones establecidas en el protocolo experimental. La despresurización súbita del sistema o explosión de vapor, se realizó manualmente abriendo una válvula para dejar escapar el vapor de agua del reactor. El sistema contaba con un medidor de presión de resorte y el control de la presión dentro del sistema se realizó regulando manualmente el tamaño de la flama.

Los forrajes estudiados fueron: rastrojo de sorgo (RS), rastrojo de maíz (RM) y bagazo deshidratado de caña (BZC). Los residuos de RS y RM se molieron con un molino de martillo utilizando una criba 2.54 cm. El BZC se transportó húmedo desde el ingenio, y posteriormente se deshidrató en una estufa de aire forzado en las instalaciones del CIATEQ. Debido a la diferencia en la densidad y al tamaño de la partícula de los forrajes en el estudio, el tamaño de muestra a tratar varió entre forrajes, 750, 550 y 700 g por lote para RS, RM y BZC, respectivamente.

Experimento 1. Cambios en la composición química y la digestibilidad in vitro

Las presiones utilizadas en el estudio fueron 10.3, 13.8 y 17.2 kg/cm². Una vez alcanzada la presión, ésta se mantuvo constante durante 5, 10 y 15 min. Al final de estos tiempos, el sistema se despresurizó súbitamente. Se abrió manualmente el reactor y se retiró el material, el cual se transportó al laboratorio y se colocó en bandejas para la determinación de la materia seca a 55 °C por 72 h. Las muestras secas se molieron con una criba de 2 mm con un molino tipo Wiley. Las muestras molidas se mantuvieron en bolsas de polietileno hasta su análisis químico. Adicionalmente, se registró el pH del material húmedo.

Debido a que las condiciones de tiempo, presión de vapor y la temperatura utilizados han variado considerablemente entre estudios, nos permite hacer comparaciones directas. Walsum⁽²⁰⁾ propuso una ecuación, Log(S) = Tiempo (min) * exp ((Temperatura-100)/14.5), que combina los efectos de tiempo y temperatura para obtener la severidad (S) del tratamiento hidro-térmico. Aunque en el presente estudio, no se midió la temperatura dentro del reactor, es posible estimarla por medio de la presión de vapor y con el uso de tablas de vapor⁽²¹⁾. Así, las severidades estimadas para presión de vapor 10.3; 13.8 y 17.2 kg cm² dentro de tiempo de aplicación fueron: 5 min (3.1, 3.4, 3.6); 10 min (3.5, 3.8, 4.0) y 15 min (3.8, 4.1, 4.3), respectivamente.

El diseño experimental fue de bloques (2) completos al azar con un arreglo factorial 3*3*3⁽²²⁾. Se consideró como bloque, la sesión donde se generaron muestras de todas las combinaciones de los factores de estudio: Forraje (F), Tiempo (T) y Presión (P). En cada sesión, la secuencia se realizó en forma aleatoria para generar las combinaciones (F*T*P). Por cada combinación de F*T*P se realizó una sola repetición dentro de cada sesión.

Para la determinación de la digestibilidad in vitro, 0.25 g de muestra de los residuos agrícolas tratados o sin tratar se colocaron en bolsas de fibra F57 (Ankom Technology Corp., Macedon NY) que previamente habían sido tratadas con acetona. Dos bolsas por muestra se incubaron durante 48 h a 39 °C con una mezcla de solución amortiguadora (pH 6.8) y líquido del rumen en un equipo Daisy de Ankom (Ankom Technology, Macedon, NY). El líquido ruminal se obtuvo de dos vacas que pastoreaban una pradera de pasto nativo. Al final del período, las bolsas fueron retiradas del fermentador, se enjuagaron con agua corriente y, se colocaron en refrigeración para detener la actividad microbiana. Se realizó la extracción en solución fibra neutro detergente para obtener un estimado de la digestibilidad verdadera⁽²³⁾.

El efecto del tratamiento se midió como la diferencia entre la concentración de la fracción química en el material sin tratar, menos la concentración en el material tratado, medido en unidades porcentuales (UP).

Para el análisis de varianza, el modelo estadístico incluyó: bloque, presión (P), tiempo (T), forraje (F) y las interacciones: P*T, P*F, T*F y P*T*F. Se utilizó el procedimiento para modelos lineales generales del paquete estadístico de SAS⁽²⁴⁾, y contrastes ortogonales para determinar la tendencia lineal (1 0 1) o cuadrática (1 -2 1) de los factores P y T.

Experimento 2. Cambios en la cinética de la digestión in situ

Se condujo una prueba con animales con cánulas en el rumen. Se seleccionó la combinación de presión y tiempo que resultó con el valor mayor de digestibilidad in vitro en el Exp 1, por lo que los tratamientos seleccionados fueron: presión de 13.8 kg cm² de vapor saturado por 10 min para RM y RS, y presión de 17.2 kg cm² durante 15 min para BZC. También se determinó la cinética de digestión de los forrajes sin tratar.

Durante seis semanas, tres vacas Holstein (540 ± 50 kg), provistas con una cánula en rumen (Bar Diamond, INC; diámetro interno 10 cm) se alojaron individualmente. Los animales recibieron como alimento una mezcla de heno de alfalfa y heno de pradera compuesta por pastos nativos. La mezcla contenía 11.5 % de proteína cruda y se ofreció al 2. 0 % del peso vivo de los animales. Adicionalmente, los animales tuvieron libre acceso a agua y a un bloque mineral (1 % S, 1,300 ppm de Mn, 1,100 ppm de Zn, 185 ppm de Cu, 14 ppm de Fe, 5 ppm de I, 5 ppm de Co, 1,100 ppm de Se).

En cada animal, la secuencia en la cual se incubaron los tratamientos fue aleatorizada. Una serie y un tratamiento, fueron incubados a la vez en el rumen de cada vaca. Al final, se obtuvieron tres repeticiones por cada uno de los seis tratamientos.

Después de que las muestras fueron molidas a través de una criba de 2 mm, se colocaron 14.5 mg de muestra por cm² de superficie⁽²⁵⁾ en bolsas de dacrón de 10 x 20 cm (Ankom Technology Corp., Macedon NY), las cuales se sellaron con calor y se probó que el sellado estuviera correcto antes de incubar las muestras.

Previo a la inserción en el rumen, las bolsas se sumergieron en agua caliente (39 °C) por 15 a 20 min. Cada serie de bolsas se colocó dentro de un saco de nylon con perforaciones, el cual contenía un peso metálico entre 250 a 300 g. El saco se mantuvo fijo a la cánula del rumen mediante un cordón de nylon de 60 cm de longitud. El saco se insertó en el saco ventral del rumen previo a la alimentación (0800 h).

Los tiempos de incubación fueron: 0, 2, 4, 8, 12, 18, 24, 36, 48, 60, 72, 96 y 120 h y se obtuvieron dos bolsas en cada tiempo de incubación. Las bolsas se lavaron ligeramente con agua corriente y se revisaron para detectar defectos en el sellado o rasgaduras de la tela. Las bolsas con defectos se eliminaron. El resto de las bolsas se mantuvieron en congelación a -20 °C hasta su procesamiento al final de la prueba.

Al final del período experimental, las bolsas se descongelaron en un refrigerador durante toda la noche y, posteriormente, se terminó la descongelación a temperatura ambiente. En seguida, las bolsas se lavaron en una máquina lavadora automática, y luego se secaron a 55 °C por 48 h en una estufa de aire forzado ShelLab (Mod. FX28-2; Sheldon Manufacturing, Inc). Los residuos correspondientes a las bolsas por tratamiento, tiempo y animal se mezclaron previo a su análisis en el laboratorio.

El modelo⁽²⁶⁾ para estimar la cinética de digestión de las fracciones fibrosas fue: digestibilidad (D),%= A + FPD*(1-exp^(-k*^(T-TT)), donde A, FDP, TT y k son: la fracción que desaparece en el T=0, la fracción potencialmente digestible, tiempo de retraso y la tasa de digestión % h^-1, respectivamente. La extensión de la digestión se consideró como la fracción química que desparece a las 120 h de incubación.

Para estimar los parámetros de la cinética de digestión se utilizó el procedimiento NLIN del paquete SAS⁽²⁴⁾. Para determinar el cambio en los parámetros por efecto de la EXPV, el modelo se re-parametrizó según lo sugieren Schabenberger y Pierce⁽²⁷⁾. El procedimiento de NLIN tiene un nivel de significancia alfa= 0.05 pre-establecido.

Los análisis de laboratorio consistieron en la determinación de la materia seca (100 °C durante toda la noche), materia orgánica (600 °C por 4 h), las fracciones de fibra y lignina 72% H₂SO₄⁽²⁸⁾. La hemicelulosa se calculó como la diferencia entre los contenidos de FDN y FDA. La determinación del pH de los forrajes tratados se realizó de acuerdo a Tejada⁽²⁹⁾ con el uso de un potenciómetro (Orion Mod 720A) calibrado en el rango de pH entre 4 a 7.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En el Cuadro 1 se presenta la composición química de los residuos agrícolas sin tratar. Se aprecia que los tres forrajes tienen un alto contenido de fibra detergente neutro, especialmente el BZC, más del 89 % de la materia seca. En concordancia con el alto contenido de fibra, tiene una baja digestibilidad in vitro (DIVMS) en comparación con RM o RS. No obstante, los coeficientes de DIVMS para RM y BZC son mayores a los mencionados en otros estudios^(30,31). Esta diferencia se podría explicar porque el método con bolsas filtro de Ankom da valores más altos de digestibilidad que el método con tubos de Tilley and Terry⁽³²⁾.

Para ninguna de las variables de estudio se detectó que el factor bloque o sesión (P>0.10) fuera significativo, por esto se eliminó del análisis estadístico. En el Cuadro 2 se muestran los cambios en el pH, FDN, FDA, hemicelulosa y lignina por efecto de la explosión de vapor, respecto a los forrajes sin tratar. No se detectaron interacciones entre los factores de estudio en pH del forraje tratado o en el cambio en el contenido de las fracciones de fibra. En contraste, presión y tiempo interactuaron con el forraje en la DIVMS.

El material tratado con EXPV es ácido; redujo el pH entre 2 a 2.9 unidades. La mayor reducción se observó en RM tratado (-2.9); mientras en RS (-2.0) y BZC (-2.4), la reducción fue similar pero de menor magnitud.

Respecto a las fracciones de fibra, la EXPV redujo (P<0.01) el contenido de FDN en los tres forrajes en 19.7, 16.7 y 14.4 unidades porcentuales (UP) para BZC, RM y RS, respectivamente. La reducción en RM fue intermedia sin diferencias estadísticas respecto al BZC o RS. Sin embargo, el cambio (-15.8 UP) en la hemicelulosa fue similar entre forrajes. La reducción de la hemicelulosa y de la FDN se correlacionaron significativamente, r= 0.72 (P<0.01), lo que sugiere que parte de la reducción de la FDN se explica por la solubilización de la hemicelulosa.

Aunque no se detectaron cambios en el contenido de FDA para RM y RS por efecto de la EXPV, en BZC la FDA se redujo (P<0.01) en sólo seis UP. La celulosa fue más resistente a la EXPV porque no se detectaron cambios en ninguno de los tres forrajes.

Respecto al contenido de lignina, se obtuvieron resultados contrastantes. En el BZC la lignina se redujo (P<0.01) en sólo 2.1 UP, pero se incrementó (P<0.01) en 0.66 UP para RM y RS, sin diferencias entre estos forrajes.

Los efectos de presión y tiempo se presentan en el Cuadro 3. Según se incrementó la presión del vapor, el pH del forraje tratado fue decreciendo linealmente (P<0.01) y con el tiempo de aplicación de la EXPV, el pH disminuyó en forma cuadrática (P<0.02). Mientras que la reducción de FDN muestra una tendencia lineal (P<0.01) al incremento de la presión, pero con el incremento en el tiempo de aplicación de la EXPV, la FDN se reduce en forma cuadrática (P<0.02). En contraste, la hemicelulosa se redujo linealmente (P<0.01) con el incremento de los factores de presión o tiempo de aplicación de la EXPV. Dentro de los niveles de presión o tiempo, no se detectaron cambios en el contenido de FDA, celulosa y lignina.

La acidificación de los materiales tratados puede explicarse por la generación de ácidos orgánicos durante la degradación de la hemicelulosa. Durante la EXPV los grupos acetilo de las xilosas son liberados y estos se convierten en ácido acético. Se ha reportado que entre 60 al 70 % de los residuos de xilosas pueden presentar grupos acetilos en forrajes, y que la cantidad de ácido acético liberado puede alcanzar 6 g por 100 g de madera seca tratada con vapor⁽³³⁾. Aunque las diferencias en el grado de acidez podrían ser primariamente explicadas por el grado de acetilización de la hemicelulosa; esto no se realizó, ni se encontró información al respecto.

Además de la liberación de ácidos durante la EXPV, el cambio en el pH puede explicarse por la pérdida de grupos intercambiadores de cationes (ICC) que se relacionan con la capacidad amortiguadora de la fibra⁽²⁸⁾. Aunque no especificaron las condiciones del tratamiento hidro-térmico, McBurney et al⁽³⁴⁾ reportaron que la madera tratada con vapor tenía uno de los valores más bajos de CIC (64 mmol kg pared celular) en una lista de diferentes forrajes. Van Soest et al⁽²⁸⁾ también sugieren que existe una relación positiva entre el contenido de lignina y número de grupos ICC. Se ha reportado que la lignina se degrada a temperaturas mayores a 180 °C⁽³⁵⁾ o cuando se aplica una presión de vapor de 15.3 kg/cm² por 4.5 min⁽³⁶⁾, lo cual sugiere que las combinaciones de presión y tiempo utilizadas en este estudio pudieron degradar la lignina. Sin embargo, en el BZC, el contenido de lignina se redujo en apenas 17 % (2.1 UP), pero en RM y RS, el contenido de lignina se incrementó en aproximadamente 11 % (0.63 UP). De acuerdo con Sun et al⁽¹⁵⁾, entre 11 a 12 % de la lignina total es degradada durante la EXPV, pero enseguida, la lignina sufre reacciones de re-condensación y es re-localizada sobre las micro-fibras de celulosa^(13,15). Estos cambios pueden explicar las variaciones mencionadas; sin embargo, la magnitud de los cambios puede diferir entre forrajes. Aunque la lignina sea re-localizada en las micro-fibras de celulosa, es posible que la capacidad amortiguadora de los forrajes tratados no se restaure. Se puede sugerir que en el RM y RS que el incremento de lignina se debe a reacciones de Maillard durante la EXPV⁽¹⁾.

Aunque la hemicelulosa es solubilizada por ácidos y álcalis, la cantidad de hemicelulosa removida por los tratamientos hidro-térmicos ha sido variable. Mientras en la paja de trigo tratada con EXPV con una severidad= 4.2, Viola et aX³⁷⁾ reportaron que sólo 50 % de la hemicelulosa fue solubilizada. En contraste, utilizando una severidad 3.5, investigadores⁽³⁸⁾ señalaron que hasta 70 % de la hemicelulosa de la paja de trigo fue solubilizada. En otro estudio⁽³⁹⁾ reportaron que entre 30 al 90 % del xilano del rastrojo de maíz fue removido por EXP cuando se aplicó una escala de severidad entre 3.3 y 4.3. En los forrajes tratados, la hemicelulosa del BZC se solubilizó en 55 %; la hemicelulosa del RM y RS se solubilizaron en una mayor extensión, 74 y 79 % respectivamente. Estas diferencias en la solubilización de la hemicelulosa se pueden explicar porque la interacción química entre la lignina y hemicelulosa varía entre forrajes. Por ejemplo, se ha determinado que el número de uniones ester entre cadenas de carbohidratos y la lignina varía por efecto de especie y madurez, entre otros⁽⁴⁰⁾.

El cambio de la DIVMS por efecto de EXPV fue la única variable en la cual interactuaron la presión o el tiempo con el forraje. Las interacciones fueron forraje*tiempo (P<0.02, Figura 1) y forraje*presión (P<0.06, Figura 2). Las interacciones consisten en que la DIVMS del BZC se mejoró linealmente con los incrementos en el tiempo de aplicación o la presión. En contraste, se observó un efecto cuadrático en el cambio en DIVMS del RM o de la RS al incremento de los factores presión y tiempo de aplicación. La tendencia cuadrática puede estar relacionada a una mayor presencia de compuestos inhibidores, tales como compuestos fenólicos^(41,42) que se incrementan según aumenta la severidad de la EXPV. El contenido total de compuestos fenólicos reportados son 0.28⁽⁴³⁾, 1.35⁽⁴⁴⁾ y 0.52⁽⁴⁵⁾ g/100 g para RM, RS y BZC. Otra posibilidad es que en el material tratado al solubilizarse la hemicelulosa, se incrementa la proporción de celulosa cristalina que se digiere más lentamente.

Para estimar el punto donde se maximiza el efecto de la presión o tiempo de aplicación en el cambio de DIVMS, se obtuvo la primera derivada de las ecuaciones cuadráticas para RM o RS. La DIVMS se maximizó en 14.2 y 14.3 kg cm² de presión o con 9.9 y 10.6 min de aplicación de la EXPV para RM y RS, respectivamente.

Cinética de la digestión in situ

El incremento en la fracción A de las FDN se puede explicar por la solubilización de hemicelulosa y, además, por una reducción del tamaño de partícula⁽⁴⁶⁾ de los forrajes tratados (Cuadro 4). El cambio en el contenido de hemicelulosa por EXPV explicaría 100, 80 y 50 % del incremento observado de la fracción A de la FDN para BCZ, RM y RS, respectivamente.

Los cambios observados en la fracción A de FDA y celulosa siguen similares tendencias que FDN. Sin embargo, el incremento de la fracción A de la FDA (P<0.05) no se explica fácilmente, porque la celulosa permanece insoluble después del tratamiento con vapor^(47,48). Además, la degradación de la celulosa ocurre cuando se utilizan presiones por encima de 28 kg^-1 cm^{2 (46)}, que es superior a las presiones utilizadas en el presente estudio.

En la fracción potencialmente fermentable o digestible (FPD ) de la FD N se encontraron tendencias contrastantes, porque mientras que en BZC, la FPD se incrementó en 12.7 unidades porcentuales, la FPD del RM y RS se redujeron en 10.5 y 18.6 UP, respectivamente. En el BZC el incremento de FPD se puede relacionar con una mayor exposición de las micro-fibrillas de celulosa, pero en el RM y RS una importante fracción de la FPD original pudo haber sido solubilizada y, por otra parte, la FPD en el forraje tratado pudo estar constituida por una mayor proporción de celulosa cristalina y lignina.

Tasa de digestión (TD)

Se ha sugerido que las características físicas de la matriz de las paredes celulares están más relacionadas con la tasa de digestión que el contenido de hemicelulosa y lignina de las paredes celulares⁽⁷⁾. Debido a los cambios reportados en los forrajes tratados durante la EXPV, entre otros la degradación de la matriz de hemicelulosa-lignina, el incremento en el tamaño de poro de las microfibrillas, la reducción del índice de cristalización de la celulosa⁽⁶⁾ y la sustitución de los grupos acetilo de la hemicelulosa⁽⁵⁾, se puede esperar que se incremente la TD.

La TD para FDN de la RM y del BZC, y la TD de la celulosa en el BZC, se incrementaron (P<0.05) por el efecto de la EXPV. En contraste, la EXPV no afectó ninguna de la TD de las fracciones de fibra en la RS.

No se encontraron estudios donde se determinara la tasa de digestión (TD, % h^-1) de forrajes de baja calidad tratados con EXPV o vapor. Respecto al uso de compuestos químicos sobre la TD, los resultados han sido conflictivos. En estudios con resultados favorables, Darcy y Belyea⁽⁴⁹⁾ mencionan que la delignificación del pasto orchard (>77 % FDN) con permanganato incrementó la tasa de digestión de la celulosa de 0.22 a 0.72 % h-1; cuando se utilizó peróxido de hidrógeno, la respuesta dependió del forraje tratado. Los incrementos en la TD del BZC, caña descortezada y paja de trigo fueron: 0.017, 0.025 y 0.004 % h^-1, respectivamente; pero el cambio en la TD de la paja de trigo no fue diferente de cero⁽⁵⁰⁾. Asimismo, en otros estudios tampoco se ha logrado detectar cambios en la TD por tratamientos químicos^(30,51,52).

En contraste, Berger et al⁽¹⁾ reportaron que la TD de la hoja de la mazorca de maíz disminuyó en 5.45 % h^-1 a 2.2% h^-1 cuando se elevó la concentración del hidróxido de sodio del 0 al 8 %. Es probable que la hemicelulosa haya sido extensivamente solubilizada en este estudio, y el residuo insoluble haya estado constituido por celulosa y lignina principalmente. Aunque se puede sugerir también que los altos niveles de NaOH utilizados pudieron elevar el pH del medio y afectar la actividad microbiana.

Tiempo de retraso (TR)

Numéricamente, la EXPV redujo la TR de todas las fracciones fibra en los tres forrajes (Cuadro 4). Sin embargo, la reducción fue sólo significativa (P<0.05) en BZC. En RS y RM, la reducción en TR varió entre 0.3 a 1.6 h, pero estos valores no fueron diferentes de cero (P>0.05).

En un trabajo similar⁽¹⁴⁾ se reportó que el tratamiento con vapor (195 °C por 15 min; S=3.83) redujo el TR del bagazo de caña de 1.52 a 1.08 h.

A pesar de que la reducción fue sólo de 0.44 h, los autores reportan que es significativa, pero no indican el modelo de cinética utilizado para estimar los parámetros.

Al igual que en la TD, la respuesta en TR de los forrajes tratados con compuestos químicos ha sido variable. Amjed et al⁽⁵⁰⁾ reportaron reducciones similares (1.0 vs 0.1 h) con el uso de peróxido de hidrógeno alcalino para tratar paja de trigo o en el bagazo de caña (0.9 vs 1.0 h). En contraste, otros auores^(51,53) reportaron una importante reducción en TR (9 h) cuando trataron paja de trigo con peróxido de oxígeno alcalino o amoníaco anhidro al 4 %. Es interesante que la paja de trigo sin tratar presentara una TR de 14 h, que es casi cuatro veces la TR para bagazo de caña sin tratar en el presente estudio. Finalmente, hay estudios donde TR se ha incrementado con el uso del tratamiento químico. Chen et al⁽⁵⁴⁾ reportaron que TR de la paja de arroz se incrementó de 1.37 h a 1.92 h cuando utilizaron hidróxido de sodio, pero no detectaron efecto por el bicarbonato de amonio (1.49 h).

Extensión de la digestión (120 h)

La lignificación es uno de los principales factores que afectan la digestibilidad y la extensión de la digestión^(3,55). La deslignificación de pasto orchrad con permanganato de potasio incrementó la digestión de la celulosa de 64 a 94 % a las 72 h de incubación⁽⁴⁹⁾. En trabajos recientes^(56,57) se han señalado incrementos entre 20 y 35 unidades porcentuales en la extensión de la digestión de líneas transgénicas de alfalfa, en las cuales se ha afectado la expresión de enzimas involucradas en la síntesis de la lignina.

El intervalo de confianza de la extensión de la digestión para FDN, FDA y celulosa por forraje se muestran en el Cuadro 5. La EXPV incrementó, en forma consistente, la extensión para las tres fracciones de fibra de los tres forrajes. Los incrementos medios, en unidades porcentuales, fueron: [14.8, 16,6 y 16.4]; [19.5, 13.2 y 11.0] y [34.5, 36.6 y 33.7] para FDN, FDA y celulosa dentro de forraje [RM]; [RS] y [BZC], respectivamente.

Los cambios en la extensión son similares a los reportados para el cambio en la cantidad de FDN potencialmente digestible o en el incremento en DIVMS de la paja de trigo o rastrojo de maíz tratados con diferentes niveles de NaOH o de amonio⁽³⁰⁾.

Puesto que la hemicelulosa constituye la segunda fracción más importante de la FD N, la solubilización de ésta puede explicar el incremento en la extensión de su digestión. En contraste, el incremento de la extensión de la digestión de FDA se explica por una mayor exposición de las micro-fibrillas de celulosa a la acción de las bacterias del rumen.

 

CONCLUSIONES E IMPLICACIONES

La EXPV es un método que puede ser utilizado para mejorar la DIVMS y la cinética de la digestión de los forrajes de baja calidad. La EXPV solubiliza principalmente las paredes celulares, especialmente la hemicelulosa (FDN-FDA). Aunque esta fracción desaparece linealmente con el aumento de la presión o el tiempo de aplicación de la EXPV, el cambio en la DIVMS depende del forraje a tratar. Mientras la digestibilidad del BZC se incrementó linealmente dentro del rango utilizado de presión y tiempo de aplicación, la DIVMS de la RS y RM fueron maximizados con 14.3 kg cm² de presión por 10 min de aplicación. La EXPV incrementa la fracción que desaparece en el tiempo cero y la extensión de la digestión de los forrajes tratados. La fracción potencialmente digestible de los forrajes se incrementó en el BZC, pero en el RM y RS la fracción potencialmente disminuye. Exceptuando para la FDN de la RS, la EXPV tiende a incrementar la TD de las fracciones de fibra.

 

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NOTA

Proyecto financiado por CONACYT-SAGARPA 2004. No.0182.