Introducción
La utilización de ionóforos como aditivos para mejorar la eficiencia de la fermentación ruminal está teniendo un impacto negativo en algunos países de la Unión Europea, debido a la trasmisión de residuos a la carne o leche (Geraci et al. 2012). Por lo que se buscan alternativas de aditivos no sintéticos para mejorar el rendimiento, la salud del animal y disminuir el impacto ambiental durante los procesos productivos con rumiantes (Honan et al. 2021). Los compuestos secundarios contenidos en algunas plantas representan una opción como aditivos alimenticios para la producción animal (Salem et al. 2012, Cobellis et al. 2016).
Los extractos de plantas son una mezcla compleja de diferentes sustancias bioquímicas, de las cuales la cantidad de metabolitos secundarios depende de la parte de la planta utilizada, tiempo de cosecha, condiciones de almacenamiento y método de extracción (Demirtas et al. 2018). La inclusión de extractos de plantas como moduladores de la cinética y fermentación ruminal en la alimentación de rumiantes reemplaza el efecto antimicrobiano de los antibióticos (Cobellis et al. 2016, Reddy et al. 2020). Se ha observado que la adición de extractos de plantas a las dietas para rumiantes genera un aumento de la digestibilidad de los nutrientes, del metabolismo proteico y de la ganancia de peso, debido a una disminución de la producción de metano entérico durante la fermentación, lo cual mejora la utilización de la energía en el animal (Cedillo et al. 2014) y aumenta la productividad (Geraci et al. 2012).
En el extracto de canela (Cinnamomun verum), el cinamaldehído es el principal compuesto del aceite esencial, cuyo efecto antimicrobiano in vitro ha sido ampliamente demostrado (Salem et al. 2021). Por lo que el cinamaldehído es una alternativa para modificar la fermentación del rumen en el ganado de carne (Mateos et al. 2013, Khorrami et al. 2015, Catalá-Gregori et al. 2019). El extracto de C. Verum se presenta como un mejorador de la eficiencia alimentaria y el crecimiento de corderos alimentados con dietas basadas en concentrados (Chaves et al. 2015). Pero el modo de acción de los aditivos de aceites esenciales y extractos de plantas sobre la microbiota del rumen siguen siendo poco conocidos (Cobellis et al. 2016). Por lo que es necesario determinar los mecanismos de acción del extracto de C. Verum sobre la fermentación microbiana ruminal, así como obtener información sobre las dosis de uso de este tipo de extractos. Por lo que el objetivo del presente trabajo fue evaluar el efecto de diferentes dosis de adición de extracto de C. verum en una dieta para corderos sobre los parámetros de fermentación in vitro y la degradabilidad ruminal.
Materiales y métodos
Localización
Los experimentos de fermentación ruminal in vitro se realizaron en el Laboratorio de Nutrición Animal, en la Central Integral de Laboratorios de la Facultad de Ingeniería y Ciencias, de la Universidad Autónoma de Tamaulipas, en Cd. Victoria, Tamaulipas. Los animales donadores de líquido ruminal (inóculo) fueron alojados en jaulas individuales en el Campo Experimental, Posta Zootécnica “Ingeniero Herminio García González”, en el municipio de Güemez, Tamaulipas.
Preparación del extracto, sustrato y análisis químico
Se utilizó un extracto a base de C. verum, esta especie fue seleccionada sobre sus efectos antimicrobianos y/o digestivos conocidos. El material vegetal fue adquirido en las herboristerías locales. La canela se utiliza comúnmente como producto herbal terapéutico o como especia (sazonador). La parte de la planta utilizada fue la corteza de C. verum para la preparación del extracto.
El método de extracción se realizó mediante la metodología descrita por Salem et al. (2012), para lo que 10 g molidos (1 mm de partícula) de C. verum fueron mezclados con 80 mL de una mezcla de solventes (10 mL de metanol (99.8/100, grado analítico, Fermont®), 10 mL de etanol (99/100, de grado analítico, Fermont®) y 80 mL de agua destilada. La mezcla de material de C. verum y solvente se conservó a temperatura ambiente (25-30 °C) por 48 h en frascos cerrados. Posteriormente, todos los frascos se incubaron en baño a temperatura constante de 39 °C durante una hora, e inmediatamente después se filtraron en cuatro capas de gasa, y el material colectado se almacenó a 4 °C para su uso posterior.
Se formuló una dieta integral (Tabla 1) para cumplir con los requerimientos nutricionales de ovinos en crecimiento con una ganancia diaria de peso de 200 g día-1 según las recomendaciones del NRC (2007). Una muestra de la dieta se deshidrató a 65 °C durante 48 h en una estufa de aire forzado, posteriormente se molió a partícula de 1 mm y se almacenó en frascos de plástico para la subsecuente determinación de la composición química y su utilización en las pruebas in vitro como sustrato.
Sustrato (dieta para ovinos) | Extracto de C. verum | |
---|---|---|
Ingredientes | ||
Sorgo | 170 | |
Harina de soya | 150 | |
Maíz | 210 | |
Buffel | 390 | |
Melaza | 50 | |
Mezcla minerala | 30 | |
Composición química | ||
Proteína cruda | 142 | |
Energía metabolizable (Mcal kg-1) | 2.72 | |
Fibra detergente neutra | 351 | |
Fibra detergente ácida | 167 | |
Hemicelulosa | 183 | |
Materia orgánica | 910 | |
Compuestos secundariosb | ||
Fenoles totales | 4.43 | |
Saponinas | 0.46 | |
Fracción acuosa | 5.21 |
aComposición por 1 kg de contenido: Ca (120 g), P (120 g), Na (100 g), Mg (17 g), Mn (2.0 g), Cu (0.4 g), Zn (2.0 g), I (40 mg), Se (8.0 mg), Co (7.6 mg). bValores expresdos en g L-1.
Las muestras de dieta se analizaron para contenido de materia seca (MS), en estufa de aire forzado a 105 °C durante 24 h, materia orgánica (MO), por pérdida de peso tras la calcinación a 550 °C durante 6 h, y contenido de nitrógeno (N), procedimiento Kjeldahl de acuerdo con los procedimientos descritos por la AOAC (1999). El contenido de proteína cruda (PC) se calculó multiplicando en contenido de N por 6.25. El contenido de fibra detergente neutro (FDN, con α-amilasa termoestable y sulfito de Na) y fibra detergente ácido (FDA) se determinaron utilizando bolsas filtro ANKOM F-57 en un analizador de fibra ANKOM200 (ANKOM Technology, Macedon, N.Y USA). Los compuestos secundarios: fenoles totales (FT), saponinas (SAP) y la fracción acuosa (FA) en el extracto de C. verum fueron determinados de acuerdo con la metodología descrita por Salem et al. (2012). Los compuestos secundarios se determinaron por triplicado, 10 mL de extracto fue fraccionado en un embudo de separación con 20 mL de etilo (99.7/100, grado analítico, Fermont®). La determinación de los FT por desecación y cuantificación de la capa de FT. Después de la separación FT, se añadió 20 mL de n-butanol (99.9/100, grado analítico, Fermont®) para fraccionar las SAP. El resto de la solución se consideró como FA que con-tiene otros metabolitos secundarios como lectinas, polipéptidos y almidón (Cowan 1999).
Fermentación ruminal in vitro
La producción de gas (PG) in vitro se estimó mediante la metodología propuesta por Theodorou et al. (1994) con las modificaciones de Mauricio et al. (1999). El líquido ruminal para las pruebas de fermentación ruminal in vitro se colectó por vía esofágica de cuatro ovinos (Pelibuey, PV 24 ± 0.3 kg) alimentados con la una dieta integral usada como sustrato (Tabla 1). La dieta integral se ofreció dos veces al día, y el agua fresca estaba disponible para los animales en todo momento durante la fase de recolección del inóculo ruminal. Se utilizó el extracto de C. verum a diferentes dosis: 0.0 (sin extracto), 0.6, 1.2 y 1.8 mL g-1 MS de dieta para corderos. Se pesó por quintuplicado 1 ± 0.002 g MS de la dieta (sustrato) y se colocó en botellas de 160 mL de capacidad con la adición de extracto con las dosis anteriormente mencionadas. El extracto se aplicó de forma directa sobre el sustrato dentro de las botellas 24 h antes de agregar solución buffer y el fluido ruminal. El contenido ruminal se obtuvo antes de la alimentación de los animales y se transportó en botellas térmicas (500 a 1000 mL de capacidad) del lugar de colecta hasta el laboratorio. Posteriormente, bajo condiciones de laboratorio se filtró y mantuvó a 39 °C bajo una corriente continua de CO2 hasta su uso. Una vez cumplida esta fase se adicionó a cada botella 90 mL de solución buffer, la cual incluye macro y microelementos, un agente reductor y resazurina como indicador de anaerobiosis (Mauricio et al. 1999). Posteriormente, cada botella fue inoculada con 10 mL de líquido ruminal. Se incluyeron en la prueba botellas con medio nutritivo, líquido ruminal con o sin extracto, pero sin sustrato para la corrección de gas producido a partir de pequeñas partículas presentes en el líquido ruminal. La PG acumulada (mL g-1 MS) se registró a las 2, 4, 6, 8, 10, 12, 15, 19, 24, 30, 36, 48 y 72 h después de la incubación de las botellas a 39 °C en un incubador de temperatura. Al final de la incubación (72 h), el contenido de MS residual de cada botellas se filtró usando crisoles de vidrio (porosidad 1, 100 a 160 μm tamaño de poro) con ayuda de una bomba de vacío. Los residuos de la fermentación fueron deshidratados en una estufa de aire forzado a 65 °C durante 24 h para determinar la degradabilidad in vitro de la MS (DIVMS). El valor de la energía metabolizable (EM, Mcal kg-1 MS) se estimó de acuerdo con Menke y Steingass (1988) y la concentración de ácidos grasos de cadena corta (AGCC, mmol g-1 MS) se calculó de acuerdo con Getachew et al. (2002). La estimación de los parámetros de la cinética de producción de gas (mL g-1 MS) se obtuvieron con el procedimiento NLIN de SAS versión 9.2 de acuerdo con el modelo propuesto por France et al. (2000):
Donde: PGt es el volumen de PG en el tiempo, t, b es la PG asintótica (mL g-1 MS); c es la tasa de PG (h-1) y L es la fase lag (h) y e es la base de los logaritmos naturales (e = 2.71828182).
Degradabilidad de la materia seca y fracciones de fibra
Se utilizó la técnica de la bolsa basada en la metodología descrita por Ørskov et al. (1980) con las modificaciones metodológicas propuestas por ANKOM Technology Corporation. Se pesaron 500 ± 10 mg de MS de la dieta sustrato, misma que se utilizó en el experimento de PG, y se depositaron en bolsas filtro ANKOM-F57. Las bolsas se sellaron y colocaron en frascos de fermentación del sistema ANKOM Daisy II. Posteriormente se adicionó a cada frasco de fermentación medio nutritivo (1600 mL) (Mauricio et al. 1999) y líquido ruminal procesado (400 mL). El líquido ruminal se colectó y procesó como se describe en el experimento de PG in vitro. Se usó un total de 30 bolsas por tratamiento, 24 con sustrato y seis sin sustrato para corregir la posible contaminación, colocadas dentro de cada frasco de fermentación. El extracto de C. verum se aplicó al frasco de fermentación antes de la incubación, a un volumen de 15 mL por frasco, que correspondía a 1.2 mL g-1 de MS de la dieta sustrato. También, se incluyó un tratamiento testigo (sin adición de extracto). Los frascos de fermentación se incubaron a temperatura de 39 ± 0.5 °C, con agitación circular constante. Se retiraron por cuadruplicado bolsas de filtro (más una bolsa vacía para corregir la contaminación microbiana) de cada frasco de fermentación a las 6, 12, 18, 24, 48 y 72 h después de la incubación. Después del retiro, las bolsas se lavaron con agua fría durante 30 min. Para luego deshidratarlas a 65 °C hasta alcanzar peso constante para determinar la degradabilidad de la MS (DMS). La degradabilidad de la FDN y FDA (DFDN, DFDA, respectivamente) se determinó a las 24, 48 y 72 h de incubación, en una unidad de análisis de fibra. En los análisis de FDN, se incluyó α-amilasa termoestable, pero se omitió el sulfito de sodio.
Análisis estadístico
Todos los análisis estadísticos se realizaron con el paquete estadístico SAS versión 9.2. Las estimaciones de los parámetros de la cinética de PG (b, c y L) para cada muestra se obtuvieron con el procedimiento NLIN. Los datos de fermentación ruminal in vitro se analizaron como un diseño completamente al azar con cuatro tratamientos y cuatro repeticiones por tratamiento con el procedimiento GLM. Con las medias de los cuadrados mínimos se realizaron contrastes ortogonales para probar diferencias significativas entre el testigo y el promedio general del extracto. El efecto de la dosis del extracto de C. verum se evaluó utilizando polinomios ortogonales considerando efectos lineales y cuadráticos a un nivel de significancia de p < 0.05.
La degradabilidad de la materia seca y de fracciones de fibra se analizaron como un diseño completamente al azar con dos tratamientos y cuatro repeticiones con el procedimiento GLM. Se obtuvieron los errores medios y estándar de los cuadrados mínimos, que se usaron para las comparaciones de medias múltiples con la prueba de Tukey a un nivel de significancia entre medias de p < 0.05.
Resultados
Los ingredientes y la composición química de una dieta para corderos en crecimiento y el contenido de compuestos secundarios del extracto de Cinnamomum verum se presentan en el Tabla 1. Las medias de los cuadrados mínimos de los parámetros de la cinética de producción de gas (PG) in vitro (b, c y L), EM, ácidos AGCC y DIVMS de la dieta para ovinos con diferentes dosis del extracto de C. verum se muestran en el Tabla 2. La adición del extracto tuvo efectos (p < 0.01) lineales y cuadráticos en los parámetros b, c y L (Figura 1). La adición del extracto de C. verum tuvo efectos lineales (p < 0.01) en la DIVMS. Las medias de cuadrados mínimos de producción de gas acumulada a diferentes tiempos después de la inoculación de una dieta para corderos con diferentes dosis de extracto C. verum se muestra en el Tabla 3. Los efectos del extracto de C. verum fueron significativos (p < 0.05) en la PG acumulada a las 12, 48 y 72 h, con efectos lineales (p < 0.05) a las 12 h y cuadráticos (p < 0.01) a las 48 y 72 h.
Dosis (mL g-1 MS) | EEM | p-valor del contraste | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0.0 | 0.6 | 1.2 | 1.8 | Testigo vs Extracto | Lineal | Cuadrático | ||
b | 193.18 | 348.80 | 343.58 | 339.70 | 13.66 | <0.0001 | <0.0001 | <0.0001 |
c | 0.0208 | 0.0104 | 0.0111 | 0.0105 | 0.0007 | <0.0001 | <0.0001 | <0.0001 |
L | 3.32 | 3.67 | 3.73 | 3.56 | 0.047 | <0.0001 | 0.0037 | 0.0002 |
EM | 11.33 | 11.18 | 11.51 | 11.03 | 0.210 | 0.7077 | 0.5561 | 0.4571 |
AGCC | 1.35 | 1.33 | 1.38 | 1.30 | 0.034 | 0.7073 | 0.5520 | 0.4488 |
DIVMS | 741.8 | 773.3 | 801.3 | 801.0 | 10.47 | 0.0014 | 0.0009 | 0.1554 |
b: Asíntota de producción de gas (mL g-1 de MS), c: tasa de producción de gas (h-1), L: fase lag (h), DIVMS: degradabilidad in vitro de la MS (mg g-1 de MS), EM: energía metabolizable (MJ kg-1 de MS), AGCC: ácidos grasos de cadena corta (mmol), EEM: Error estándar de la media.
Dosis (mL g-1 MS) | EEM | p-valor del contraste | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0.0 | 0.6 | 1.2 | 1.8 | Testigo vs Extracto | Lineal | Cuadrático | ||
12 h | 31.82 | 28.80 | 30.00 | 28.50 | 0.85 | 0.0151 | 0.0373 | 0.3648 |
24 h | 67.30 | 66.03 | 68.80 | 64.84 | 1.70 | 0.7087 | 0.5543 | 0.4493 |
48 h | 116.45 | 128.03 | 132.50 | 125.30 | 2.30 | 0.0041 | 0.0383 | 0.0081 |
72 h | 146.31 | 176.40 | 181.40 | 172.32 | 4.08 | <0.0001 | 0.0007 | 0.0004 |
EEM: Error estándar de la media.
Los resultados del segundo experimento muestran que durante las primeras 12 h de in-cubación no hay una diferencia significativa en la DMS entre el tratamiento testigo y el extracto de C. verum (Tabla 4). A las 18 h de incubación, la DMS media del tratamiento con extracto de C. verum fue de 481 mg g-1 de MS, que es significativamente (p < 0.01) menor que la DMS de la dieta testigo (521 mg g-1 de MS). A las 72 h de incubación el tratamiento testigo tuvo el mayor (p = 0.0263) valor de DMS (774 mg g-1 de MS). La DMS a las 24 y 48 h de incubación no hubo diferencia significativa entre tratamientos. Los valores de la degradabilidad de la FDN (DFDN) y ADF (DFDA) se presentan en el Tabla 5. Existe una menor (p < 0.01) DFDN a las 72 h con el extracto versus el tratamiento testigo, pero no hubo efectos significativos a las 24 y 48 h. La DFDA del tratamiento testigo versus extracto de C. verum fue significativa (p < 0.05) a las 24 y 72 h.
Extracto de C. verum (mL g -1 MS) | EEM | Probabilidad | ||
---|---|---|---|---|
Tiempo | 0.0 (Testigo) | 1.2 | ||
6 h | 381 | 389 | 0.51 | 0.3210 |
12 h | 440 | 435 | 0.52 | 0.4964 |
18 h | 521a | 481b | 0.27 | <0.0001 |
24 h | 603 | 610 | 1.03 | 0.6503 |
48 h | 722 | 714 | 0.38 | 0.1972 |
72 h | 774a | 742b | 0.77 | 0.0263 |
EEM: Error estándar de la media, abMedias con diferente superíndice son diferentes (p < 0.05).
Extracto de C. verum (mL g -1 MS) | EEM | Probabilidad | ||
---|---|---|---|---|
Tiempo | 0.0 (Testigo) | 1.2 | ||
DFDN 24 h | 430 | 403 | 1.03 | 0.1155 |
48 h | 597 | 607 | 0.45 | 0.1991 |
72 h | 681a | 639b | 0.72 | 0.0062 |
DFDA 24 h | 256a | 227b | 0.84 | 0.0496 |
48 h | 443 | 449 | 1.02 | 0.6527 |
72 h | 561a | 477b | 0.75 | 0.0002 |
DFDN: degradabilidad in vitro de la fibra detergente neutro, DFDA: degradabilidad in vitro de la fibra detergente ácido, EEM: Error estándar de la media, abMedias con diferente superíndice son diferentes p < 0.05.
Discusión
La microbiota ruminal es esencial para los rumiantes por la capacidad que tienen de utilizar un alimento de baja calidad y convertirla en proteína de alta calidad. El extracto de C. verum modificó los parámetros de la fermentación ruminal in vitro, lo que indica que los compuestos bioactivos de la canela pueden alterar la cinética de PG y DIVMS, sin afectar la EM y la producción de AGCC. El criterio principal para seleccionar un extracto de plantas en la nutrición animal es que incremente o no cambie la concentración de AGCC (Cardozo et al. 2005). Al respecto, Busquet et al. (2005) reportan que concentraciones altas de extracto de canela (300 y 3000 mg L-1) no afecta el metabolismo del nitrógeno, pero sí disminuye de forma significativa la proporción molar de ácidos grasos volátiles comparado con el tratamiento testigo, pero los autores sugieren que puede ser utilizado como modulador del crecimiento de la microbiota ruminal. Uno de los principales compuestos de la canela es el cinamaldehído, compuesto no fenólico, con diferente modo de acción que los compuestos fenólicos, ya que actúa en el citoplasma u organelos de las bacterias (Helander et al. 1998, Salem et al. 2021); siendo las bacterias gram-positivas las más sensibles a la inhibición de este compuesto (Smith-Palmer et al. 1998). Pero algunos estudios han demostrado que el cinamaldehído en su forma más pura también es efectivo contra bacterias gram-negativas (Kim et al. 1995). El cinamaldehído puede tener acceso al protoplasma por la membrana externa atravesando las porinas (Nikaido 1994), mientras que algunos estudios sugieren que el grupo carbonilo puede ser el sitio activo para esta acción (Wendakon y Sakaguchi 1995). Al respecto, Fraser et al. (2007) en un trabajo con aceite de canela no detectó efecto significativo en la PG in vitro, pero la concentración de metano fue menor con aceite de canela. Lo que es similar a lo encontrado en el presente estudio en donde se observaron efectos significativos en la PG acumulada con respecto al testigo, con tendencias cuadráticas a las dosis en los tiempos finales de la fermentación. Lo que puede indicar que el modo de acción antimicrobiana del extracto tarda entre 40 y 48 h para empezar a interactuar con los microorganismos del medio, debido a que el cinamaldehído atraviesa de forma más profunda la célula bacteriana que otros compuestos fenólicos, lo que toma más tiempo para causar lisis en la célula (Helander et al. 1998). Mientras que Hart et al. (2008) mencionan que los extractos acuosos pueden tener diferente bioactividad que aquellos extraídos con solventes alcohólicos por la naturaleza volátil de los compuestos.
En el segundo experimento en las primeras 12 h de incubación no se observaron diferencias significativas para la DMS entre el testigo y el extracto de C. verum. A las 18 y 72 h de incubación la DMS con extracto de C. verum fue de menor que la dieta testigo. Esto se puede atribuir a la naturaleza del extracto, ya que los compuestos bioactivos pudieron afectar la microbiota ruminal y, por lo tanto, se alteró la DMS pudiendo causar disminución de la población bacteriana (Cobellis et al. 2016). En otro estudio realizado con una mezcla de aceites de tomillo (Thymus vulgaris), orégano (Origanum vulgare), canela (Cinnamomum verum) y limón (Citrus limonum), se encontró que la combinación de estos aceites esenciales tiene efectos sinérgicos que dependen de la dosis (Lin et al. 2012). Se ha reportado también que la reducción en la producción de metano tiene una influencia mínima en la degradabilidad del alimento (Lin et al. 2012). Esta diferencia se puede atribuir al método de extracción y a la actividad antimicrobiana entre aldehídos y aceites con fenoles (Macheboeuf et al. 2008). La aplicación del extracto de C. verum no afectó la DFDN y DFDA, con excepción de los resultados de la hora 72, en donde se encontró que la degradabilidad de las fracciones de fibra fue menor con el extracto de canela, lo que sugiere que las bacterias celulolíticas y hemicelulolíticas no son afectadas por el extracto. Sin embargo, otros estudios han reportado que C. verum mejoró la degradabilidad de la MS y la degradabilidad de la FDN después de 24 horas de fermentación. Esto se puede atribuir a que algunas poblaciones bacterianas son más sensibles que otras (Righi et al. 2017). También reporta especificidad antimicrobiana de los compuestos de la canela contra Prevotella spp. (Ferme et al. 2004). Al respecto, Righi et al. (2017) concluyen que las bacterias amilolíticas son más susceptibles a la actividad antimicrobiana de C. verum que las bacterias celulolíticas.
Con otros extractos y aceites esenciales, se menciona que la combinación de aceites esenciales con presencia de cinamaldehído y eugenol en cantidades elevadas, inhiben ciertos microorganismos evaluados como protozoarios, hongos y dos bacterias celulolíticas (Fibrobacter succinogenes y Ruminococcus flavefaciens) (Lin et al. 2012). La diferencia entre los efectos puede deberse a la estructura bioquímica de las soluciones, tipos de planta, nivel de dosis y método de extracción (Ramar y Ponnampalam 2010).
Conclusiones
El extracto de C. verum aplicado a diferentes dosis modifica los parámetros de fermentación ruminal de la dieta de ovinos. La adición de 1.2 mL g-1 de MS del extracto de C. verum mejoró los valores de la DIVMS. La adición del extracto de C. verum no mejoró la DMS a diferentes tiempos de incubación comparado con el tratamiento testigo. La degradabilidad de la FDN y FDA se reduce a las 72 h al agregar el extracto de C. verum.