Introducción
Las paredes celulares de los vegetales están integradas, entre otros elementos, por celulosa, hemicelulosa y lignina, estos compuestos en su conjunto son conocidos como fibra (Valencia y Chongo, 2004). La fibra es el principal componente de los forrajes que a su vez constituyen la dieta básica de los herbívoros, la fibra tiene un impacto significativo sobre su salud y comportamiento productivo debido a que: es precursora de la grasa en leche, ayuda a promover la motilidad del aparato digestivo y en los rumiantes mantiene el pH ruminal y estimula la rumia (Martínez et al., 2011).
Dada la importancia de la fibra en la alimentación animal, en los años sesenta, Peter J. Van Soest desarrolló una metodología de análisis para los forrajes que lleva su nombre (análisis Van Soest), éste consta de una serie de técnicas que determinan de mejor manera cada uno de los componentes de la pared celular de los forrajes (Jaimes et al., 2018), el conocimiento de estas técnicas son una herramienta imprescindible para la formulación de la dieta de los rumiantes.
Antes de conocer la metodología de análisis químico de Van Soest para evaluar el contenido de fibra, revisaremos la importancia que tiene la fibra en el consumo animal. Para ello, nos enfocaremos en los siguientes temas.
1. Características de las fibras vegetales
2. Importancia de la fibra en la alimentación animal
3. Métodos para determinar el contenido de fibra en un alimento
3.1 Análisis químico de Van Soest
3.1.1 Técnica Fibra Detergente Neutro (FDN)
3.1.2 Técnica Fibra Detergente Ácida (FDA)
3.1.3 Técnica Fibra Detergente Lignina (FDL)
Objetivo
Objetivo: Identificar las diferentes técnicas que comprende el análisis químico de Van Soest para determinar el contenido de fibra que contiene un alimento empleado en la nutrición animal.
1. Características de las fibras vegetales
Iniciaremos el tema cuestionándonos ¿qué son las fibras vegetales? Sabemos que hay muchas respuestas a esta pregunta, pero vamos a centrarnos en lo que nos explica Valenciaga y Chongo (2004) al respecto.
En la figura 3 apreciamos un ejemplo de una fibra vegetal vista desde un microscopio.
También es importante comentar que las paredes de la célula vegetal están formadas por carbohidratos estructurales como la celulosa y hemicelulosa, juntamente con pectinas, inulina, agar, quitina, gomas y silicatos, además de un polímero que no es carbohidrato, llamado lignina, todos estos elementos conforman lo que llamamos fibra vegetal (Valenciaga y Chongo, 2004).
En la figura 4 puedes observar la composición de una célula vegetal, en donde la pared celular formada por celulosa, hemicelulosa y lignina, envuelve los organelos celulares compuestos principalmente por carbohidratos solubles, pectinas, proteínas, lípidos y minerales.
Es importante recordar que la concentración de fibra en los forrajes depende de la especie y edad de la planta recolectada y que esta característica determinará su degradabilidad (Valenciaga y Chongo, 2004).
Recuerda que:
2. Importancia de la fibra en la alimentación animal
Como ya se mencionó, la fibra es el principal componente de los forrajes, los cuales, a su vez, son la dieta básica de los animales herbívoros. El consumo de fibra tiene un impacto importante sobre la salud y comportamiento productivo de los mismos.
Lo anterior se debe a que la celulosa y las hemicelulosas presentes en la fibra, por lo general, son relativamente bien digeridas por la microbiota ruminal, mientras que para los carnívoros son prácticamente indigeribles, y poco digestibles para otros animales (Cruz y Sánchez, 2000).
En la figura 5 se puede observar el consumo de fibra de los animales por medio del forraje.
Ahora bien, es importante recalcar que las propiedades de la fibra, tales como la solubilidad, viscosidad y fermentación, producen beneficios fisiológicos en quien las consume (incluso en los humanos). Entre ellos podemos destacar aumento de la fermentación bacteriana, sensación de saciedad, absorción de cancerígenos, aumento de tránsito intestinal, vaciamiento intestinal, favorecimiento de la motilidad del aparato digestivo; en rumiantes mantiene el pH ruminal, estimula la rumia y aumenta la concentración de grasa en leche (Martínez et al., 2011).
Dicho lo anterior, tenemos que estas propiedades (solubilidad, viscosidad y fermentación) están directamente relacionadas con la edad de la planta, en la medida que cuando el ciclo de vida del forraje avanza, el porcentaje de fibra lo hace de igual manera, sin embargo, su valor nutritivo decrece debido a un aumento en la concentración de lignina, elemento no digerible en el tracto digestivo, por tanto, disminuye los elementos fermentables y digestibles como las celulosas, hemicelulosas y pectinas.
A partir de dichos análisis se puede estimar la concentración de fibra de los alimentos. Éstos análisis se explican a continuación con el propósito de conocer las ventajas de su aplicación en la formulación cotidiana de dietas para los animales herbívoros.
Métodos para determinar el contenido de fibra en un alimento
Debido a la importancia de conocer el contenido de fibra en los alimentos, en específico de los forrajes, es necesario estudiar los métodos que existen para determinar la cantidad de fibra en un alimento, a este respecto se utilizan diversos métodos, los más conocidos son:
Los métodos gravimétricos consisten en pesar el residuo obtenido después de una solubilización enzimática o química de los componentes que no son fibra.
• La Solubilización enzimática: es un proceso por medio del cual las enzimas ayudan a disolver sustancias insolubles, en este caso, las enzimas no rompen enlaces químicos, sino que facilitan la dispersión de compuestos insolubles en agua o en otros solventes.
Los métodos enzimático-químicos consisten en aislar los residuos de fibra por acción enzimática y en liberar por hidrólisis los azúcares que constituyen los polisacáridos de la fibra los cuales se miden por cromatografía o colorimetría.
• La hidrólisis enzimática implica la ruptura de enlaces químicos mediante la acción de enzimas.
• La cromatografía es un método de separación de mezclas complejas que se utiliza ampliamente en diversas ramas de la ciencia.
• La colorimetría es un método de análisis utilizado para determinar la concentración de una sustancia coloreada en una disolución mediante su longitud de onda.
De los dos métodos mencionados, los gravimétricos son más sencillos y rápidos, ya que se limitan al cálculo de las fibras totales o de las fibras solubles e insolubles. Los métodos enzimático-químicos, en cambio, son más complejos debido a múltiples factores como el uso de enzimas específicas en condiciones concretas, el tiempo que se requiere para la obtención de resultados y el uso de equipo más sofisticado.
Ahora bien, dentro de los métodos gravimétricos se encuentran el de fibra cruda y el de detergentes que son los más utilizados (FOSS Analytics Beyond Measure, 2018) y los explicaremos a continuación.
Método gravimétrico Fibra Cruda
Este método presenta diversas limitantes, como la subvaloración del contenido de fibra total ya que durante la digestión se disuelve gran parte de la hemicelulosa, cantidades variables de celulosa, lignina y toda la fibra soluble, por ello no se recomienda como específico para forrajes, sin embargo, se puede utilizar para otra clase de alimentos como los granos.
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En la figura 6 se muestra el proceso de digestión ácida de una muestra no forrajera con el método de Fibra Cruda.
Figura 6. Digestión de una muestra no forrajera con el método de Fibra Cruda
Método gravimétrico Fibras Detergentes
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Este método se ha convertido en un referente para conocer el contenido de fibra de un forraje, debido a la mayor precisión en sus resultados, dicho método también es conocido como Análisis químico de Van Soest (Segura et al., 2007).
A continuación será revisado el método de Análisis químico de Van Soest, tema general de este recurso.
Dada la importancia de la fibra en la nutrición animal, el método de análisis químico de Van Soest, nos permite determinar el contenido de ésta en una amplia gama de alimentos, como:
• Forrajes secos, frescos, fermentados
• Alimentos de alto contenido pectínico
• Alimentos con contenido de almidón
• Subproductos cocinados
• Subproductos de origen animal, alimentos con grasa animal o vegetal y mezclas de ingredientes (Segura et al., 2007).
Considerando lo anterior, el método de análisis químico de Van Soest consta de una serie de técnicas conocidas como:
• Técnica Fibra Detergente Neutro (FDN)
• Técnica Fibra Detergente Ácida (FDA)
• Técnica Fibra Detergente Lignina (FDL)
3.1 Análisis químico
de Van Soest
de Van Soest
El método gravimétrico Fibra Detergente fue desarrollado en los años sesenta por Peter Van Soest (de ahí es que toma su nombre para diferenciarlo de otras técnicas), como resultado de las limitantes del método existente al momento (Fibra Cruda) y la necesidad de obtener datos más exactos con respecto al contenido de paredes celulares vegetales en las dietas de los animales domésticos.
El método de análisis químico de Van Soest, que nos interesa comprender, tiene como propósito brindar una determinación más exacta de la fracción fibrosa (contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina) en los forrajes utilizados como alimento para los animales.
Estas tres técnicas nos permiten determinar, de manera más exacta, cada uno de los componentes de la pared celular en los alimentos. Su conocimiento es una herramienta imprescindible para una correcta formulación de dietas para animales, en especial para los rumiantes (Van Soest y Robertson 1979/1985; Jaimes et al., 2018).
En la figura 7 puedes identificar las tres técnicas que se llevan a cabo en el método de análisis químico de Van Soest.
A continuación se describen brevemente los fundamentos de cada una de las técnicas señaladas.
3.1.1. Técnica Fibra Detergente Neutro (FDN)
La técnica de Fibra Detergente Neutro tratada con amilasa (FDN) se ha constituido como la técnica más utilizada para cuantificar el contenido de fibra en los forrajes.
Esta técnica se fundamenta en la solubilidad del contenido celular y de las sustancias pécticas por medio de una solución neutra (sulfato lauril sódico), obteniendo una porción soluble consistente en carbohidratos solubles (pectinas incluidas), la mayoría de las proteínas, lípidos y minerales solubles (Van Soest y Robertson, 1979/1985).
Asimismo, el remanente obtenido de esta técnica está constituido por los elementos de la pared celular vegetal: celulosa, hemicelulosa, lignina, minerales insolubles y algunas proteínas unidas a ellas, además de compuestos nitrogenados insolubles, cuando se incluyen alimentos con ingredientes de origen animal (Van Soest y Robertson, 1979/1985).
Es importante mencionar que el uso de la enzima amilasa durante el proceso es necesaria para la determinación de la FDN en frutas, cereales y sus derivados, así como en los granos en los que la presencia del almidón afecta la filtración de la muestra digerida.
En la figura 8 se muestra el Diagrama de flujo del desarrollo de la técnica de Fibra Detergente Neutro (FDN). En la figura 9 podemos observar parte del proceso de esta técnica en la cual por filtración se están separando los elementos solubles (contenido celular) de los sólidos (fibra) contenidos en una muestra de forraje.
Hasta aquí hemos revisado la primera técnica que se lleva a cabo con el método de análisis químico de Van Soest, ahora revisaremos la segunda de estas tres técnicas.
3.1.2. Técnica Fibra Detergente Ácida (FDA)
La técnica Fibra Detergente Ácida (FDA) se basa en la solubilidad de un agente tensoactivo (sustancia química capaz de reducir la tensión superficial de un líquido, lo que facilita la dispersión de una fase líquida dentro de otra con la que es inmiscible), por medio de una solución ácida hexadecil-trimetil-amonio bromido al 2 % en ácido sulfúrico 1N (Van Soest y Robertson, 1979/1985).
Con esta técnica se obtienen dos porciones, por un lado, los componentes disueltos (porción soluble) en el detergente ácido que consisten en hemicelulosas, proteínas, lípidos y sustancias minerales. Por otro, el remanente sólido (porción insoluble) compuesto por la porción fibrosa de la pared celular vegetal (figura 10), la cantidad de este último representa el contenido de celulosa, lignina y minerales (como la sílice), de nuestra muestra, elementos que requieren ser pesados para conocer su proporción en el forraje.
Por lo tanto, podemos decir que la diferencia entre FDN y FDA es la cuantificación de la concentración de hemicelulosa en alimentos de origen vegetal. También se debe tomar en cuenta que la técnica de Fibra Detergente Ácida es un paso previo para realizar la tercera técnica de Van Soest, el análisis de Fibra Detergente Lignina (FDL), por lo que podemos decir que estas dos técnicas (FDA y FDL) se realizan en serie.
En la figura 11 se muestra el Diagrama de flujo del desarrollo de la técnica de Fibra Detergente Ácida.
Finalmente, es momento de revisar la tercera y última de las técnicas empleadas en el método de análisis químico de Van Soest.
3.1.3. Técnica Fibra Detergente Lignina (FDL)
Con relación a esta técnica debemos recordar que la lignina presente en las fibras vegetales es un polímero que contiene alcoholes, ácidos fenólicos y compuestos no fenólicos. La lignina limita la digestión de la fibra y la proteína del forraje consumido, su acción negativa consiste en reducir el acceso de las enzimas hidrolíticas a la fibra digestible y a la proteína ligada a la fibra, de ahí la importancia de que se lleve a cabo el análisis de fibras detergentes (Van Soest y Robertson, 1979/1985).
Para realizar esta técnica se debe utilizar el residuo obtenido de la técnica FDA, debido a que la obtención de lignina se realiza a partir de la digestión con ácido sulfúrico concentrado (72 %) de la celulosa presente en él (figura 12), posteriormente, a los residuos de la Fibra Detergente Lignina se les realiza una incineración para separar la sílice unida a la lignina (Van Soest y Robertson 1979/1985).
De esta manera hemos concluido con la revisión de las diferentes técnicas del método de análisis químico de Van Soest, las cuales nos permitirán calcular de forma más exacta la cantidad de fibra que contiene un alimento, gracias a ello podrás realizar formulas dietéticas adecuadas a las necesidades nutritivas de las diferentes especies animales.
Actividad de aprendizaje 1. Identificación de las técnicas que integran el análisis químico de Van Soest.
Dada la importancia de conocer el contenido de fibra de los alimentos, en específico de los forrajes, es necesario estudiar las técnicas que integran el análisis químico de Van Soest para determinar la cantidad de fibra en un alimento.
A partir de la información que ya se ha estudiado y con el fin de reforzar los conocimientos obtenidos realiza la siguiente actividad.
Actividad de aprendizaje 2. Diagrama de Análisis químico de Van Soest.
El método de análisis químico de Van Soest tiene como propósito brindar una forma más exacta de determinar la fracción fibrosa (contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina) en los forrajes utilizados como alimento para los animales.
A continuación se presenta el siguiente diagrama con las tres técnicas que aborda el análisis químico de Van Soest. Completa el diagrama para dar claridad a cada técnica.
Nota: este recurso solo es visible en una PC o Laptop.
Autoevaluación 1. Las fibras vegetales en la alimentación animal
Las fibras vegetales son conjuntos de células de gran resistencia mecánica, que forman la pared celular vegetal asociada principalmente a funciones de forma, sostén y rigidez estructural de las plantas (Valenciaga y Chongo, 2004).
Autoevaluación 2. Los componentes de las fibras vegetales.
Las paredes de la célula vegetal están formadas por carbohidratos estructurales como la celulosa y hemicelulosa, juntamente con pectinas, inulina, agar, quitina, gomas y silicatos, además de un polímero que no es carbohidrato, llamado lignina, todos estos elementos conforman lo que conocemos como fibra vegetal (Valenciaga y Chongo, 2004).
Fuentes de información
- Cruz-Calvo, M. M. y Sánchez González, J. (2000). La fibra en la alimentación del ganado lechero. Nutrición Animal Tropical, 6(1), 39-74. https://revistas.ucr.ac.cr/index.php/nutrianimal/article/view/10317
- FOSS Analytics Beyond Measure (2018). El análisis de la fibra en el pienso animal. Fibra cruda, fibra detergente neutra (FDN) y fibra detergente ácida (FDA)-los estándares y las opciones de automatización. https://www.fossanalytics.com/-/media/files/documents/papers/laboratories-segment/ebook-fibre-analysis-of-animal-feed-es.pdf
- Jaimes C., L. J., Giraldo M., A. M. y Correa C., H. J. (2018, julio 3). De Parmentier a Van Soest y más allá: un análisis histórico del concepto y métodos de determinación de la fibra en alimentos para rumiantes. Livestock Research for Rural Development, 30(7). http://www.lrrd.org/lrrd30/7/hjco30126.html
- Martínez Marín, A. L., Pérez Hernández, M., Pérez Alba, L., Gómez Castro, G. y Carrión Pardo, D. (2011). Efecto de las fuentes de grasa sobre la digestión de la fibra en los rumiantes. Revista Electrónica de Veterinaria REDVET, 12(7), 1-21. https://www.redalyc.org/pdf/636/63622567007.pdf
- Segura S., F., Echeverri F., R., Patiño Ll., A. C. y Mejía G., A. I. (2007). Descripción y discusión acerca de los métodos de análisis de fibra y del valor nutricional de forrajes y alimentos para animales. Vitae. Revista de la Facultad de Química Farmacéutica. Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia, 14(1), 72-81. https://www.redalyc.org/pdf/1698/169815390011.pdf
- Valenciaga, D. y Chongo, B. (2004). La pared celular. Influencia de su naturaleza en la degradación microbiana ruminal de los forrajes. Revista Cubana de Ciencia Agrícola, 38(4), 343-350. https://www.redalyc.org/pdf/1930/193017793001.pdf
- Van Soest, P. J. y Robertson, J. B. (1979). Systems of analysis for evaluating fibrous feeds. En W. J. Pigden, C. C. Balch y M. Graham, (Eds), Proceedings of a workshop standardization of analytical methodology for feeds (pp. 49-60).
- Van Soest, P. J. y Robertson, J. B. (1985). Analysis of forage and fibrous foods. Cornell University, Ithaca, N.Y., USA.