Caracterización química, física y microbiológica de alimentos fermentados para su uso en la producción animal

Yaneisy García Hernández¹, Dailyn Sosa Cossio¹, Lilian González González² y Julio César Dustet Mendoza²

¹ Instituto de Ciencia Animal (ICA). Carretera central km 47 ½, San José de las Lajas, CP 32700, Apartado postal 24, Mayabeque, Cuba
yaneisyg@ica.co.cu
² Universidad Tecnológica de La Habana “José Antonio Echeverría” (CUJAE). Calle 114 s/n CUJAE, Marianao 15, CP 13390, La Habana, Cuba

Resumen

El objetivo del trabajo fue caracterizar los cambios química, física y microbiológicamente al fermentar el boniato, yuca y plátano con una combinación de subproductos de la industria azucarera (melaza, vinaza y levaduras residuales de la producción de alcohol).

La fermentación durante 168 horas resultó en incrementos lineales del porcentaje de la proteína bruta y verdadera (y de la proporción de proteína verdadera como porciento de la proteína bruta) y una reducción en los azúcares solubles (el ºBrix) según la duración de la fermentación. Estos cambios fueron acompañados con concentraciones crecientes de levaduras y bacterias ácido lácticas. Hubo incrementos en las concentraciones de las minerales como el resultado de la pérdida de materia seca, debido a la evolución de dióxido de carbono co-producto de la fermentación.

Palabras clave: bacterias ácido lácticas, boniato, fermentación, levadura, plátano, yuca

Chemical, physical and microbiological characterization of fermented feed for use in animal production

Abstract

The objectives of the research were to characterize the chemical, physical and microbiological changes resulting from fermenting sweet potato, cassava and plantain with a combination of by-products from the sugar industry (molasses, stillage and residual yeasts from alcohol production).

Fermentation for 168 hours resulted in linear increases in the percentage of crude and true protein (and in the proportion of true protein as a percentage of crude protein) and a reduction in soluble sugars (°Brix) according to the duration of the fermentation. These changes were accompanied by increasing concentrations of yeast and lactic acid bacteria. There were increases in the concentrations of minerals as a result of the loss of dry matter, due to the evolution of carbon dioxide co-product of the fermentation.

Key words: cassava, fermentation, lactic acid bacteria, plantain, sweet potato, yeast

Introducción

Constantemente se estudian y proponen nuevos alimentos alternativos para la producción animal que contribuyen a la sostenibilidad de los sistemas ganaderos y al saneamiento del medio, especialmente en las condiciones del trópico. Los productos locales y subproductos agroindustriales disponibles como los tubérculos, raíces, cremas de destilería, mieles de caña de azúcar, así como harinas de forrajes de gramíneas y leguminosas, se emplean en múltiples ocasiones (García et al 2015). Sin embargo, por sus características, se aplican procesos biotecnológicos o tratamientos para generar nuevos alimentos o aumentar la calidad de las fuentes. Entre estos procesos biotecnológicos, la fermentación es uno de los más antiguos que se aplica con mayor frecuencia a los alimentos (Kebede et al 2007).

En el sector agropecuario, los procesos de fermentación se aplican a múltiples alimentos no convencionales. Entre estos se encuentran los procesos que ocurren durante el ensilaje para la preservación de forrajes de gramíneas y leguminosas (Elferink et al 2001) y de alimentos proteicos de origen animal, como los residuos pesqueros y cárnicos (Machin 2001, Portales et al 2015, Toppe et al 2018). También la fermentación se emplea para incrementar el valor nutricional de productos y residuos agrícolas (Borras-Sandoval et al 2015, Chafla et al 2015, Brea et al 2015) y preservar alimentos con alto contenido de carbohidratos, que se ensilan solos o se fermentan con otros productos (Lezcano et al 2014, Díaz-Monroy et al 2018, Sánchez et al 2019, Caicedo y Flores 2020).

En Cuba, un ejemplo de lo antes mencionado, es el alimento ensilado cubano (AEC), que se obtiene a partir de una mezcla de boniato ( Ipomoea batata), miel B de caña de azúcar, vinaza de destilería concentrada y crema de levadura Saccharomyces cerevisiae (CU 20130122 A7). Este alimento, por sus características, ofrece diversas ventajas para la producción porcina (Lezcano et al 2015) y tiene potencialidades de aplicación en los sistemas de alimentación de otras especies de animales. Sin embargo, no existe abundante información acerca del proceso fermentativo que ocurre para generar el alimento ensilado cubano y de sus características cuando se emplean, en su formulación, otras viandas tropicales como la yuca y el plátano. De ahí que el objetivo del presente trabajo fue caracterizar estos alimentos no convencionales (boniato, yuca y plátano) fermentados con subproductos agroindustriales para su uso en la producción animal.

Materiales y métodos

Localización del área experimental

El estudio se realizó en la Unidad Central de Laboratorios del Instituto de Ciencia Animal. Este centro de investigación se encuentra ubicado en Carretera central km 47 ½, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

Diseño y tratamientos experimental

En el estudio se emplearon diseños completamente aleatorizados con cinco repeticiones para monitorear, durante siete días, el proceso fermentativo del boniato (Ipomoea batatas), yuca (Manihot esculenta) o plátano verde (Musa paradisiaca) con subproductos agroindustriales. A este tiempo se compararon las características químicas, físicas y microbiológicas de los alimentos fermentados, donde los tratamientos correspondieron a la vianda que se incluyó en la formulación: boniato (BO), yuca (YU) o plátano verde (PV) (Tabla 1).

Procedimiento experimental

Como unidades experimentales se utilizaron frascos de vidrio de 500 mL de capacidad, con tapas no herméticas para facilitar la expulsión de los gases durante la fermentación. Los alimentos en estudio se obtuvieron al mezclar la vianda (40%) con miel B de caña de azúcar (20%), vinaza concentrada (10%) y crema de levadura Saccharomyces cerevisiae (30%). Todas estas viandas se molieron hasta alcanzar un tamaño de partículas 3±1 mm en un molino de martillo. Sus características y las de las otras fuentes empleadas se presentan en la Tabla 1. Después de mezclar las materias primas, los frascos se incubaron a temperatura ambiente (28±2ºC) por 168 h.

Las muestras de los alimentos se tomaron cada 24 h de fermentación para determinar los indicadores ºBrix y pH. A las 0, 72 y 168 h se determinaron porcentaje de materia seca, cenizas, proteína bruta (PB), proteína verdadera (PV), fibra bruta, macrominerales (calcio, fósforo, potasio y magnesio) y peso específico (g/mL); así como se calculó la relación (PV:PB)*100 como expresión de la síntesis proteica. La concentración de bacterias ácido-lácticas y levaduras, expresada en unidades formadoras de colonia por gramo de alimento (UFC/g), se determinó solo a las 0 y 168 h. Además, a las 168 h, se apreció el color y olor de los alimentos y se tomaron muestras, se filtraron y preservaron con una solución desproteinizante (H₃PO₄ 2%) para determinar la concentración de ácido láctico (mg/mL) y concentración de ácidos grasos de cadena corta totales (AGCC, mmol/L). Todas las muestras se conservaron a -4±2 ºC hasta su análisis.

El pH se midió en pH-metro digital (Sartorius, Alemania) de precisión ± 0.01 unidades. Los ºBrix (sólidos solubles) se midieron en un refractómetro visual y el porcentaje de materia seca, cenizas, proteína bruta, proteína verdadera y fibra bruta se determinaron según AOAC (2005). Los macrominerales se cuantificaron por espectroscopia de absorción atómica con llama.

La concentración de los microorganismos se determinó por observación del crecimiento de colonias en los medios agar Rogosa (Oxoid, UK) y agar Sabouraud (Biolife, Italia) para bacterias ácido lácticas y levaduras, respectivamente. La técnica de cultivo fue la siembra de las diluciones seriadas de las muestras en placas petri con los medios selectivos mencionados anteriormente. Las placas inoculadas se incubaron de 24-48 h a 37ºC para bacterias lácticas y 30ºC para levaduras. Se empleó como diluyente solución salina (NaCl 0.85%, p/v).

La concentración de ácido láctico se determinó por cromatografía líquida de alta eficiencia (HPLC por sus siglas en inglés) en un equipo YL-9100 (Korea). La corrida se realizó a temperatura de 25ºC y la separación se alcanzó con empleo de la columna Teknokroma Tracer Excel 120 ODBS 5 µm (25x0.4). La elución isocrática se realizó con solución tamponada de fosfato de potasio (10 mM, pH 3.0) y acetonitrilo a una relación 95:5 % (v/v) como fase móvil. El flujo se mantuvo a 0.5 mL/min y el volumen de inyección fue de 20 µL. El eluyente se monitoreó a una longitud de onda de 210 nm. Se empleó como estándar el ácido láctico (Sigma Aldrich, Germany). El acetonitrilo utilizado fue calidad HPLC; el agua para el análisis se generó por ósmosis inversa en un equipo Aqua Max Ultra Water Purification System YL y los restantes reactivos fueron de calidad analítica. Para la preparación de la curva de calibración los estándares se añadieron en la cantidad requerida de fase móvil hasta un volumen final de 1 mL para obtener un intervalo de 0.1-1% de la solución patrón de ácido láctico y alícuotas de 20 µL de estas soluciones se inyectaron para el análisis. Previo a la determinación de la concentración de ácido láctico, las muestras de los procesos fermentativos se centrifugaron a 14 000 rpm, se filtraron al vacío con membrana de nitrocelulosa (sistema Milliporo 0.45 µm) y se realizaron las diluciones correspondientes. Los datos cromatográficos se analizaron y procesaron mediante el software YL-Clarity Chromatograph Data System.

La concentración de AGCC totales se calculó por la suma algebraica de los AGCC individuales (acético, propiónico, isobutírico, butírico, isovalérico y valérico) que se determinaron mediante cromatografía de gases. Para esto se inyectaron 0.5 μL de cada muestra. Se empleó dihidrógeno como gas portador, y dinitrógeno como auxiliar. La temperatura máxima del inyector y el detector se fijó en 200 y 250ºC, respectivamente.

Análisis estadístico

Los resultados experimentales se analizaron con el paquete estadístico InfoStat versión 2012 (Di Rienzo et al 2012). La dócima de comparación de Duncan (1955) se empleó, en los casos necesarios, para discriminar diferencias entre las medias a p<0.05. En el caso de los conteos de microorganismos, los datos no siguieron la distribución normal, por lo que se transformaron según log UFC/g, y se compararon con la dócima t-student.

Resultados

El porcentaje de materia seca, el ºBrix, el pH y el peso específico disminuyeron, mientras que la proteína bruta y la proteína verdadera y los otros elementos nutricionales - especialmente la proporción de la proteína verdadera de la proteína bruta - incrementaron a medida de que se prolongó la fermentación (Tabla 2; Figuras 1-2).

Figure 1. Cambios en el °Brix durante la fermentación	Figura 2. La tasa de conversión de proteína bruta en proteína verdadera se incrementó con la duración de la fermentación

Figure 3. Cambios en el pH durante la fermentación

Hubo incrementos en las concentraciones de las minerales como el resultado de la pérdida de materia seca, debido a la evolución de dióxido de carbono co-producto de la fermentación (Tabla 3).

En todos los sustratos, las levaduras crecieron con la duración de la fermentación; mientras que las bacterias lácticas solo cuando se empleó boniato (Tabla 4).

A las 168 h de fermentación, todos los alimentos fermentados presentaron un color café claro y olor agradable, característicos de la fermentación donde se emplea melaza de caña de azúcar y crema de levadura. Hubo pocas diferencias entre los tres alimentos al finalizar la fermentación (Tabla 5). Se puede apreciar la tendencia a una mayor proporción de proteína verdadera en el alimento preparado con boniato siendo similar la mezcla con plátano y con un nivel más bajo en el alimento basado en la yuca. La mezcla con plátano tenía el nivel más bajo en azúcares solubles (el ºBrix) mientras que la mezcla con yuca fue más alta en este criterio. El alimento con boniato tenía mayor población de bacterias ácido-lácticas, que fue relacionada con una mayor concentración de acido láctico en el producto fermentado.

Se debe notar que el proceso de fermentación tenía un costo por la pérdida de materia seca, y en particular de los azúcares (el ºBrix) procedentes de la melaza. Sin embargo, esta pérdida de MS fue compensada por el incremento de proteína verdadera (Tabla 6).

La concentración de levaduras no difirió entre variantes, mientras que las bacterias lácticas fueron superiores en el proceso con boniato. También, se encontraron los mayores valores de concentraciones de ácido láctico y ácidos grasos de cadena corta para este alimento.

Discusión

Durante la fermentación, la disminución del porcentaje de materia seca, sólidos solubles y peso específico, así como el incremento del contenido mineral de los alimentos en estudio, pueden estar asociados a la utilización de los nutrientes o sustratos provenientes de las fuentes que se emplearon en las diferentes mezclas y, la consecuente síntesis de proteína microbiana, producción de ácidos orgánicos, dióxido de carbono y otros metabolitos. Los responsables de estos cambios físicos y químicos de los sustratos y, por ende, de algunas de las características de los alimentos son los diversos géneros y especies microbianas presentes en estos ecosistemas, resultando notable cada complejo sustrato-microorganismos. Además, la composición de la microbiota epifítica varía según las condiciones y tiempo de fermentación, requerimientos nutricionales, entre otros factores (Nazar et al 2020).

Según Elferink et al (2001), en los procesos de ensilaje de forrajes, en anaerobiosis, las bacterias lácticas presentes en bajas concentraciones se establecen y predominan. Esto permite que otras poblaciones microbianas no deseadas, como levaduras, clostidios y enterobacterias, disminuyan su concentración y no afecten la calidad y valor nutritivo de los alimentos. En el caso de las mezclas del presente estudio se detectaron poblaciones de bacterias lácticas y levaduras en concentraciones de 10⁶-10 ⁹ ufc/g, que variaron según la vianda empleada e incidieron en la síntesis proteica, fundamentalmente, después de 72 h de fermentación. Este incremento proteico, asociado al crecimiento de las poblaciones microbianas presentes en cada proceso fermentativo, ocurrió debido a que las materias primas utilizadas en las formulaciones (vinaza de destilería, crema de levadura, melaza de caña de azúcar y viandas) poseen en su composición los nutrientes esenciales para el crecimiento celular según lo informado por Saura (2003), Scull et al (2012), Valdivié y Bernal (2012) y Santos et al (2016).

Con el boniato se favoreció el crecimiento de bacterias lácticas, mientras que en los procesos con yuca o plátano no se encontraron valores superiores a las 168 h de fermentación. Efecto que, quizás, se deba a que este indicador solo se determinó al inicio y final del proceso, y que esta población pudo aumentar en otro tiempo y, posteriormente, disminuir hasta la concentración inicial. También, la población láctica pudo mantener su concentración, pero variar las especies presentes durante la fermentación. Asimismo, otros factores pudieron incidir en el resultado como las características químicas de las viandas que se emplearon, pues algunas poseen sustancias que pueden inhibir el crecimiento microbiano (Valdivié y Bernal 2012, Lezcano et al 2014). Por lo que, esto es un aspecto que debe corroborarse en estudios posteriores, así como estudiar el microbioma completo del sistema, la sucesión de sus poblaciones microbianas durante el proceso de fermentación y evaluar la inoculación de aditivos microbianos.

Los procesos del presente trabajo no se realizaron en condiciones de anaerobiosis estricta, por lo que al parecer en los estratos superiores o en la superficie del medio se favoreció el crecimiento de levaduras (10 ⁶-10⁸ ufc/g). El aumento de esta población, así como la participación de otros grupos microbianos del ecosistema, se reflejó en la conversión de la materia orgánica en proteína verdadera, lo que incrementa el valor biológico de los alimentos en estudio.

Las levaduras, según lo informado por Elferink et al (2001), se consideran microorganismos indeseables en los ensilajes de forrajes. Sin embargo, en las fermentaciones de yuca se han mostrado que el trabajo de las levaduras, y por supuesto su presencia en cantidades apreciables en el producto final, es muy beneficioso en animales rumiantes en términos de la reducción del metano a nivel ruminal (Inthapanya et al 2020) y, por consecuencia, el aumento en la productividad animal (Sangkhom et al 2017). Marrero et al (2017) también reportaron beneficios en un in vitro fermentación de Cynodon nlemfuensis con Pichia guillermondii.

Durante el crecimiento de la microbiota epifítica, se metabolizan los carbohidratos hidrosolubles (Khaing et al 2014), cuyo porcentaje varía según el sustrato y constituye un elemento de suma importancia en el proceso fermentativo (Hou et al 2017). Al agotarse estos carbohidratos de fácil digestión, la biota microbiana utiliza los polisacáridos que poseen estructuras de mayor complejidad. Quizás, por esta razón en el presente estudio no se encontró variación en los tenores de fibra bruta de los alimentos durante la fermentación por siete días. Estos valores fueron bajos y era de esperar si se considera que ninguna de las materias primas que le dieron origen se consideran fibrosas.

Del metabolismo de los carbohidratos se generan ácidos orgánicos y otros metabolitos, que modifican las características del medio de fermentación e incrementen la disponibilidad de nutrientes (López-Herrera y Briceño-Arguedas 2017, Muck et al 2018). Así, la producción de ácidos orgánicos como el láctico, por parte de las bacterias lácticas y su utilización por otros microorganismos presentes en el ecosistema, pudieron influir en el pH del medio. Esto último, también, pudo incidir en la reducción o inhibición de las poblaciones de microorganismos descomponedores, sensibles a bajos pH (García et al 2015), lo que mejora la calidad higiénico-sanitaria de los alimentos fermentados y facilita su conservación (Lezcano et al 2015).

A las 168 h de fermentación, los resultados con boniato fueron similares a los informados por García et al (2015) para el alimento ensilado cubano producido en la planta de la UEB Héctor Molina (San Nicolás, Mayabeque, Cuba). No obstante, al utilizar otras fuentes de viandas como la yuca y el plátano se observaron variaciones relacionadas con sus características químicas. En el caso del contenido de materia seca, se corresponden con los valores de este indicador para cada vianda, en forma fresca, donde la yuca es la de mayor porcentaje, seguida del boniato y por último el plátano (Valdivié y Bernal 2012). Aunque estos valores pueden variar en dependencia de factores como variedad de cultivo empleada, tipo de suelo, época de cosecha, incidencia de enfermedades y prácticas de cultivo (Rodríguez 2004). El comportamiento de la materia seca, también, pudiera estar relacionado a la composición y estructura de los almidones y su variación durante los procesos fermentativos al ser utilizados como fuente energética (Rodríguez et al 2006). Otros autores como Marrero et al (2009), también observaron variaciones en los patrones fermentativos y características de ensilados al utilizar harina de yuca o boniato como sustrato fermentable y obtuvieron mejores resultados con esta última.

La elevada concentración de bacterias lácticas en el proceso con boniato está en correspondencia con la concentración del ácido láctico y AGCC detectada. Por esto, podría esperarse que, al existir mayor concentración de bacterias y producción de ácido láctico, los valores del pH fueran inferiores en ese alimento. Sin embargo, este último indicador no varió entre las mezclas fermentadas, lo que pudiera deberse a la capacidad tampón de los componentes del sistema fermentativo o a que algunos microorganismos utilizan los ácidos orgánicos para su crecimiento (Elferink et al 2001, Machin 2001).

Los resultados, de forma general, demuestran que los procesos fermentativos de las tres variantes son similares y se obtienen alimentos con características químicas y microbiológicas con influencia de la vianda que se emplee, pero adecuadas para su uso en la producción animal. Estos productos y su inclusión en los sistemas de alimentación animal pueden estar condicionados por la disponibilidad de materias primas según las regiones donde se produzca. Además, deben tenerse en cuenta las características de cada alimento para formular dietas que cumplan con los requerimientos nutricionales de la categoría y especie animal en que se empleen.

Conclusión

• La fermentación del boniato, yuca y plátano, con sub-productos de la industria azucarera (melaza, vinaza y levaduras residuales de la producción de etanol), resultó en incrementos lineales del porcentaje de la proteína bruta y verdadera y una reducción en los azúcares solubles (el ºBrix) según la duración de la fermentación hasta los 168h. Estos cambios fueron acompañados con concentraciones crecientes de levaduras y bacterias ácido lácticas.
  
  
• Los incrementos en las concentraciones de las minerales fueron el resultado de la pérdida de materia seca, debido a la evolución de dióxido de carbono co-producto de la fermentación.

Agradecimiento

Los autores agradecen al Dr. C. Pedro Lezcano Perdigón, jefe del Proyecto CITMA al que tributa la presente investigación, así como a los investigadores y personal técnico del ICA que colaboraron con el desarrollo del trabajo. Especialmente a Nereyda Albelo Dorta, Odalys Núñez Peñalver y técnicos de UCELAB.

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Received 5 May 2020; Accepted 19 May 2020; Published 1 July 2020

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