Control of protein degradation in the rumen for improving protein efficiency and reducing polluting emissions

Los rumiantes tienen la capacidad de utilizar alimentos fibrosos y proteínas de baja calidad para producir alimentos de valor nutritivo para los humanos, pero también tienen una baja eficiencia de utilización del nitrógeno (N), que generalmente es inferior al 30%. Como consecuencia, una gran parte del N de la dieta es excretada al medio ambiente y contribuye a la eutrofización del suelo y el agua, siendo este problema especialmente marcado en los rumiantes de alta producción. El metabolismo ruminal es el factor más importante que determina el uso ineficiente de N en rumiantes, especialmente en situaciones de desequilibrio entre el NH3-N generado en la degradación proteica y la captación de NH3-N por los microorganismos ruminales para la síntesis proteica. Además, se ha demostrado que la degradación de las proteínas en el rumen genera CH4, lo que contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero. Por tanto, reducir la degradación ruminal de las proteínas no solo puede aumentar la cantidad de proteína del alimento que llega al intestino delgado, sino que también puede reducir las emisiones contaminantes, como son el N y el CH4. El objetivo general de esta Tesis Doctoral es investigar algunos aspectos de la degradación proteica en el rumen que están directamente relacionados con las pérdidas de N y la producción de CH4. Para lograr este objetivo se llevaron a cabo cuatro experimentos, dos in vitro y dos in vivo. El objetivo del Experimento 1, fue evaluar la inclusión de semillas de girasol (SS) y harina de girasol (SM), protegidas frente a la degradación ruminal, en dietas con alto contenido en cereales sobre la fermentación ruminal in vitro y producción de CH4. Para el tratamiento de protección (TR) se pulverizaron muestras de SS y SM con una solución de ácido málico 1 M (400 ml/kg de muestra) y se secaron a 150°C durante 1 h. Se formularon cuatro dietas para contener 13 (nivel bajo) o 17 (nivel alto) g de proteína bruta (PB)/100 g de materia seca (MS), y se incluyeron SS y SM sin tratar (dietas: 13CON y 17CON) o tratadas como se ha descrito anteriormente (dietas: 13TR y 17TR). Las dietas se incubaron in vitro con líquido ruminal de ovejas durante 8 y 24 h. El tratamiento no afectó (p ≥ 0,57) la producción total de ácidos grasos volátiles (AGV) a ningún tiempo de incubación, pero redujo (p < 0,05) las concentraciones de NH3-N en 19,2 y 12,5% a las 8 y 24 h, respectivamente. Tanto la producción de CH4 como la relación CH4/AGV fueron menores (p < 0,02) para las dietas tratadas que para las dietas CON a las 8 h, pero las diferencias desaparecieron (p > 0,05) a las 24 h. El tratamiento aumentó la proporción molar de propionato (p = 0,001) y redujo la de isovalerato (p = 0,03) a las 8 h en comparación con las dietas CON, pero solo se detectó una reducción de la proporción de isovalerato (p = 0,03) a las 24 h. No hubo interacciones tratamiento x nivel de proteína bruta (p > 0,05) en ningún parámetro, pero las dietas altas en proteína originaron mayores concentraciones de NH3-N (p < 0,001) y menor producción de AGV (p < 0.001) que las dietas bajas en proteína a las 24 h. En resumen, el tratamiento protector redujo la degradación de la proteína, y la producción de CH4 (4,6 y 10,8% para las dietas bajas y altas en proteína, respectivamente) en tiempos de incubación cortos sin afectar la producción de AGV, mejorando así la eficiencia de fermentación y disminuyendo las emisiones contaminantes. Los objetivos de los Experimentos 2 y 3 fueron analizar la eficacia de un tratamiento que combina ácido málico y aplicación de calor (MAH) para proteger la proteína en SS y SM contra la degradación del rumen, así como para mejorar el crecimiento, las características de la canal y la calidad de la carne de corderos en cebo. Se formularon dos concentrados basados en cereales, que incluían SS y SM sin tratar (concentrado control) o SS y SM tratados con MAH (concentrado MAH). El Experimento 2 consistió en analizar la fermentación in vitro de muestras SS y SM no tratadas y tratadas con MAH, así como de ambos concentrados, usando fluido ruminal de oveja como inóculo e incubaciones de 12 h de duración. Los resultados indicaron que el tratamiento MAH modificó el patrón fermentativo de SS, SM y el concentrado, aumentando las proporciones molares de propionato. Además, el tratamiento MAH redujo (p = 0,009) las concentraciones de NH3-N para SM y tendió (p = 0,065) a reducirlas para el concentrado. Sin embargo, no se observaron efectos (p ≥ 0,100) en la producción de CH4 para ningún alimento incubado. En el Experimento 3, se usaron dos grupos homogéneos de 12 corderos Lacaune cada uno (14,2  0,35 Kg de peso vivo) que fueron alimentados con el concentrado control o con el concentrado MAH. Los corderos recibieron concentrado y paja de cebada ad libitum durante 40 días, hasta alcanzar aproximadamente 26 kg de peso vivo. Se registraron semanalmente la ingesta de alimento y el crecimiento de los corderos, se tomaron muestras de sangre los días 0, 20 y el día del sacrificio para el análisis de urea-N y N aminoacídico, se determinó la digestibilidad de la dieta y se recogieron muestras ruminales y cecales después del sacrificio. Además, se evaluaron las características de la canal y la calidad y el perfil de ácidos grasos de la carne. No hubo efectos significativos del tratamiento MAH sobre la ingestión de alimento y el crecimiento de los corderos. Sin embargo, la digestibilidad de la materia orgánica tendió a ser mayor (p = 0,07) en los corderos alimentados con MAH que en el grupo control, pero no hubo diferencias (p ≥ 0,33) en la digestibilidad de la PB, fibra neutro detergente (FND) y fibra ácido detergente (FAD). El peso de la canal caliente de los corderos alimentados con el concentrado MAH fue 7,9% mayor que el de las canales del grupo control, pero las diferencias no alcanzaron el nivel de significación estadística (p = 0,212). No se detectaron diferencias entre grupos en las concentraciones plasmáticas de urea-N y N aminoacídico (p = 0,755 y 0,500, respectivamente), ni hubo efectos (p ≥ 0,172) del tratamiento MAH sobre las características de las papilas ruminales y las concentraciones y el perfil de AGV post-mortem en el rumen y el ciego. El color del epitelio ruminal fuer más oscuro (p = 0,003) en los corderos alimentados con el concentrado MAH que en el grupo control, lo que posiblemente fue debido a una acción corrosiva del ácido málico o a una mayor abrasión de las cáscaras de girasol tratadas con MAH. En comparación con los corderos control, los corderos alimentados con el concentrado MAH tuvieron una mayor cantidad (p = 0,016) de grasa dorsal y mayores valores (p ≤ 0,016) de los parámetros de color a* (enrojecimiento) y C* (cromaticidad) en el músculo rectus abdominis. Sin embargo, no hubo diferencias (p > 0,05) en las medidas de la canal ni en la capacidad de retención de agua, composición química, pH y color del músculo longissimus dorsi. El perfil de ácidos grasos del músculo longissimus dorsi no se vio afectado (p > 0,117) por el concentrado administrado, con la excepción de una tendencia (p = 0,055) a mayores concentraciones de C14:0 en los corderos alimentados con el concentrado MAH. En conclusión, el tratamiento con ácido málico y calor aumentó la fermentación in vitro de SS, redujo la degradabilidad de la proteína in vitro de SM y modificó el perfil de AGV hacia una mayor producción de propionato. Sin embargo, bajo las condiciones del presente estudio, la inclusión de SS y SM tratados con MAH en un concentrado para corderos en cebo no influyó significativamente en la ingestión de alimento, la digestibilidad de la dieta, el rendimiento productivo y el perfil de ácidos grasos de la carne, aunque aumentó el peso de la canal caliente en un 7,9 % y la cantidad de grasa dorsal. En el Experimento 4 se estudió, utilizando métodos in vivo, in situ e in vitro, la eficacia de tratar SS, SM y una mezcla de ambas (SSM; 45:55) con una solución de ácido málico (1 M; 400 ml/kg) y calor para proteger contra la degradación ruminal de la proteína. Se usaron cuatro ovejas fistuladas en el rumen que fueron alimentadas con dos dietas mixtas compuestas de heno de avena y concentrado en proporción 40:60 y que diferían solo en el concentrado, que era el concentrado control o el concentrado MAH utilizado en los Experimentos 2 y 3. Las ovejas fueron alimentadas con dietas a 40 g MS/kg de peso metabólico0,75 repartidas en seis comidas iguales por día utilizando dispensadores automáticos. Se utilizó un diseño cruzado con dos períodos experimentales de 24 días, y cada período incluyó sucesivamente: 10 días de adaptación a la dieta, 9 días para realizar incubaciones in situ de SS, SM y SSM, un día para medir los parámetros ruminales y dos días para el vaciado ruminal. Desde el día 6 en adelante, se infundió continuamente una solución de (15NH4)2SO4 en el rumen de cada oveja para marcar las bacterias ruminales. La administración de la dieta MAH no afectó ni al pH ruminal ni a las concentraciones de NH3-N y AGV totales, pero disminuyó (p ≤ 0,009) las proporciones molares de acetato y propionato y aumentó las de butirato (p <0,001). Además, el contenido de materia orgánica (MO) y lípidos en las bacterias ruminales fue menor en las ovejas alimentadas con la dieta MAH en comparación con la dieta control, mientras que su contenido de N y el enriquecimiento en 15N fueron mayores (p ≤ 0,037). En este trabajo se estimó la degradabilidad efectiva (DE) de las diferentes fracciones químicas de SS, SM y SSM considerando las tasas ruminales de conminución y paso de partículas y se corrigieron los valores para la contaminación microbiana, que fue medida usando la técnica de infusión de 15N. El tratamiento con MAH disminuyó la DE de la mayoría de las fracciones en todos los alimentos incubados, aumentando el aporte de PB by-pass en 19,1 y 120% para SS y SM, respectivamente, y en 34% para la grasa en SS. El tratamiento con MAH también aumentó la digestibilidad intestinal in vitro de la PB by-pass tanto para SS (de 60,1 a 75,4%) como para SM (de 83,2 a 91,0%). El tratamiento simultáneo de ambas muestras realizado en SSM reforzó el efecto protector de MAH, aumentando la PB by-pass sin alterar su digestibilidad intestinal. Como consecuencia, el contenido en PB digerida en el intestino en la mezcla SSM aumentó en un 15,6% en comparación con el valor estimado a partir de los resultados obtenidos para SS y SM cuando se incubaron de forma independiente. Los resultados también confirman la observación previa de que la efectividad del tratamiento MAH es mayor para los alimentos con alto contenido en PB