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Cuban Journal of Agricultural Science

Print version ISSN 0864-0408On-line version ISSN 2079-3480

Cuban J. Agric. Sci. vol.54 no.4 Mayabeque Oct.-Dec. 2020  Epub Dec 01, 2020

 

Ciencia Animal

Fermentación en estado sólido de residuos poscosecha de Solanum tuberosum y un preparado microbiano

L. M. Borrás1  * 
http://orcid.org/0000-0002-3284-027X

Elaine. C. Valiño2 

A. Elías †2 

J. J. Martínez1 
http://orcid.org/0000-0002-4906-7121

A. M. Sanabria1 
http://orcid.org/0000-0002-8026-3163

Mónica. L. Becerra1 
http://orcid.org/0000-0002-0275-9008

1Pedagogical and Technological University of Colombia, GIBNA research group UPTC. Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia

2Animal Science Institute, ICA, Carretera Central km 47 1/2, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba

Resumen

Con el objetivo de estudiar la fermentación en estado sólido de residuos poscosecha de Solanum tuberosum y un preparado microbiano, se realizó un experimento con diseño completamente aleatorizado con arreglo factorial (3x3) y tres repeticiones. Los factores fueron la temperatura (20, 25 y 30 oC) y el tiempo de fermentación (0, 24 y 48 h). Se realizaron mediciones de los indicadores pH, amoníaco, ácidos orgánicos, fibra bruta, proteína bruta y verdadera, materia seca, cenizas y análisis microbiológico. Los resultados del análisis microbiológico realizado a la fermentación de residuos poscosecha de S. tuberosum muestra alta concentración de bacterias ácido lácticas (BAL) y el bajo pH encontrado eliminó los agentes patógenos (p<0.0001). En la fermentación sólida con el preparado microbiano se registraron valores bajos a los 20oC de ácido propiónico y amoniaco, y aumento del ácido láctico (p<0.0001). Hay marcado efecto de la temperatura en la humedad durante la fermentación. Se registraron valores bajos de fibra y MS. La proteína verdadera se incrementó a las 24 h en 2.7 unidades porcentuales a 25oC en correspondencia con la concentración microbiana de bacterias mesófilas (5,5x107 UFC/mL), BAL (6,1x107 UFC/mL) y levaduras (1,3x104 UFC/mL). Se concluye que la fermentación en estado sólido de residuos poscosecha de Solanum tuberosum y un preparado microbiano con actividad láctica favorece este proceso y deben ser estudiadas otras formulaciones con material secante y fibroso para un proceso efectivo de ensilado del producto final.

Palabras clave: bacterias lácticas; desechos agroindustriales; ácidos orgánicos

La fermentación en estado sólido es una tecnología potencial para la producción de alimentos, combustibles, productos químicos industriales y productos farmacéuticos (Zhao et al. 2019 y Chohan et al. 2020). Su aplicación ofrece ventajas en bioprocesos como biolixiviación, biobeneficiación y bioremediación (Romero y Vargas 2017). Se emplea además, para el reciclaje de los residuos agroindustriales y ofrece una alternativa que permite, a través de tecnologías sencillas, modificar o alterar los procesos fermentativos con la adición de preparados microbianos ricos en bacterias lácticas, y con esto mejorar la calidad e inocuidad del proceso (Elías y Herrera 2008 y Díaz et. 2014).

Los residuos de la cosecha de la papa (Solanum tuberosum) son una materia prima que se puede incluir en la alimentación animal. Según el Ministerio de la Agricultura y Desarrollo Rural (2015), tiene gran valor alimenticio pues es una fuente rica en proteína, carbohidratos, potasio, vitamina C, otras vitaminas y minerales en menor proporción (Waglaya et al. 2019). Estas características favorecen los procesos fermentativos cuando se le adicionan inoculantes (Tamasi et al. 2015), por lo que el objetivo de la presente investigación fue estudiar la fermentación en estado sólido de residuos poscosecha de S. tuberosum con un preparado microbiano como inoculante.

Materiales y Métodos

El experimento de fermentación en estado sólido (FES) se realizó en condiciones de trópico alto (2860 msnm), en el laboratorio de bioquímica y nutrición animal de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC), ubicado en la avenida central del norte, vía Tunja-Paipa, en el municipio de Tunja, departamento de Boyacá, Colombia. Cuenta con una temperatura promedio de 15°C y precipitación media anual de 553 mm.

Procedimiento experimental. Se elaboró un yogurt con Lactobacillus delbrueckiis ssp. bulgaricus y Streptococcus thermophilus (BAL) (comercial liofilizado, Liofast Y452B, SACCO ®). Este se adicionó en 2% y concentración de 0,99x108 UFC/mL al preparado microbiano elaborado según la metodología de Borrás et al. (2017).

Para la FES se emplearon los residuos poscosecha de las papas obtenidas comercialmente, limpios y picados (tamaño aproximado de partícula 3x3mm). Se añadió 2% del preparado microbiano, 1% de urea, 0,5% premezcla mineral y 0,5% de sulfato de sodio (modificación realizada a la metodología propuesta por Elías et al. 2008). Estos ingredientes se mezclaron hasta obtener una pasta homogénea. Se distribuyeron en bolsas plásticas de capacidad 1 kg. Se procedió a incubarlas a diferentes temperaturas 20°C, 25°C y 30°C, en incubadoras individuales marca Memmert®, durante 48 horas. Cada bolsa representó una unidad experimental, con tres repeticiones cada una, según los tratamientos. Se tomaron muestras a las 0, 24 y 48 horas de fermentación.

El contenido de las bolsas de cada tratamiento fue recolectado en su totalidad y homogenizado, luego se tomaron 5g de muestra que se colocaron en Erlenmeyers de 100 mL y se les adicionó 45 mL de agua destilada estéril con tres repeticiones. La preparación se agitó durante 30 minutos en un agitador eléctrico marca Adams® y posteriormente se obtuvo el filtrado para medición del pH en un potenciómetro automático marca Okaton® y para el análisis microbiológico.

El total de los sólidos que quedó en las bolsas se secó y se molieron en un molino de martillo marca UDY®, con criba de 1 mm, para análisis de cuantificación química mediante las siguientes técnicas analíticas: materia seca (MS), proteína bruta (PB), por la AOAC (2005); proteína verdadera (PV) según Berstein citado por Meir (1986) y la fibra bruta (FB) de acuerdo con Van Soest et al. (1991).

El amoniaco (NH3) se determinó por la técnica de Berthelot (Martínez et al. 2003). La cuantificación de ácidos de cadena corta (AGCC) se realizó por el método reportado por Dinkci et al. (2007). Por medio de cromatografía líquida de alta eficiencia HPLC se utilizó la columna Gemini 5u C18 110A (PHENOMENEX), con detector de luz UV vis a 214nm a temperatura ambiente (15°C), con fase móvil de (NH4)2PO4 0,5% P/V; acetonitrilo 0.4%V/V, se ajustó pH a 2,24 con H3PO4 (filtrada con membrana de 0,22 µm de poro, desgasificada por sonicación y burbujeo con hidrógeno) y se aplicó un flujo de 0,5 mL/min, se cuantificó con el software Claritychrom versión 5.0.5.98.

Se determinó la composición microbiológica a 0, 24 y 48 h de fermentación en un laboratorio certificado de Control Microbiológico ubicado en Boyacá, Colombia. Para aerobios mesófilos (unidades formadoras de colonia por mililitro, UFC/mL) (AOAC 966.23.C: 2001), coliformes totales Número más probable (NMP) (ICMSF NMP: 2000), coliformes totales y fecales (NMP), (ICMSF NMP: 2000), esporas de Clostridium Sulfito reductor (UFC/mL), (ISO 15213:2003), hongos y levaduras (UFC/mL) (ISO 7954:1987), Salmonella (AS 5013.10:2009) y bacterias ácido lácticas (NTC 5034: 2002).

Diseño experimental y análisis estadístico. Se realizó análisis de varianza, según diseño completamente aleatorizado con arreglo factorial (3x3) y tres repeticiones. Los factores fueron la temperatura (20, 25 y 30 ºC) y el tiempo de fermentación (0, 24 y 48 horas) para los siguientes indicadores: pH, NH3, AGCC, FB, PB, PV y grupos microbianos. Se aplicó dócima de Duncan para P<0,05 en los casos necesarios. El paquete estadístico utilizado para los análisis fue INFOSTAT, versión 2012 (Di Rienzo et al. 2012). En el caso de los conteos de microorganismos, los datos no siguieron la distribución normal por lo que se transformaron según logX.

Resultados y Discusión

La tabla 1 muestra la interacción de los resultados alcanzados en la fermentación sólida con los residuos poscosecha de S. tuberosum y el preparado microbiano a diferentes temperaturas y tiempos de fermentación, la que fue diseñada para obtener mayor biomasa proteica y producción de metabolitos.

El comportamiento de los AGCC estudiados muestra ausencia del ácido acético, butírico, isovalérico, isobutírico y solo se registraron valores del ácido propiónico a las 24 y 48 h de (9,34 mmol/L y 20,65 mmol/L, respectivamente) a una temperatura de 20ºC. Estos valores son despreciables para influir en el deterioro de la fermentación, mientras que a esta misma temperatura se observaron altas producciones del ácido láctico durante el proceso. Sin embargo, se encontró un efecto de la temperatura con diferencias notables a los 25 y 30ºC de fermentación de 118.68 y 136.86 mmol/L respectivamente a las 48h. Lo que pudiera estar influido por la concentración de bacterias lácticas, considerando que la carga (0,99x108 UFC/mL) como cultivo iniciador o acelerante es adecuada para mantener valores de pH bajos. Este resultado se considera importante en la estrategia de elaboración de acelarantes biológicos para los procesos de fermentación de los residuos poscosecha de Solanum tuberosum y para eliminar patógenos indeseables.

Se observó, también, diferencias en el comportamiento del pH (P<0,05) con respecto al tiempo y se obtuvieron pH bajos en las tres temperaturas evaluadas a las 48h, donde la baja producción de amoniaco favorece el indicador de pH. Según Okubo et al. (2018), el principal objetivo de aplicar preparados microbianos en desechos de poscosecha, además de acelerar los procesos de síntesis microbiana es reducir el pH más rápido para preservar los carbohidratos y proteínas (Muck et al. 2018), e inhibir el crecimiento de microorganismos que pudieran deteriorarlo. Por lo que, fue efectivo la concentración utilizada para la fermentación y en la composición química y microbiológica del preparado microbiano, según metodología de Borrás (2017).

Cuando se tiene un pH bajo, como el obtenido en los tratamientos a las 24 y 48 h de fermentación, el NH3 producido es retenido en el sustrato por la alta humedad de los residuos poscosecha de la papa como se observa para las tres temperaturas estudiadas. Este comportamiento se puede atribuir a la utilización de los azúcares disponibles, por parte de los algunos microorganismos que prevalecen en el producto y al nitrógeno no proteico en la mezcla de los componentes a fermentar, para la formación de su protoplasma celular.

Los bajos valores de NH3, coinciden con lo reportado por Ramos et al. (2007) con inoculaciones del 5% de Vitafert, en Sacchasorgo y Sacchapulido, a temperatura de 25°C. Nout (2014) manifestó que la inoculación en desechos de S. tuberosum en el ensilaje, mostraron reducción en la concentración de N-amoniacal en comparación con el grupo sin la adición de inoculante. Sin embargo, Díaz et al. (2014) encontraron una tendencia diferente donde el pH aumenta inicialmente a la hora 8 del proceso, para luego descender lentamente hacia el final de la fermentación (96 h) en condiciones similares a las descritas para este preparado, pero con otros desechos agroindustriales que pudieron influir en el resultado.

Tabla 1 Comportamiento del pH, NH3 y AGCC, en relación a la temperatura y durante 48 horas fermentación de los residuos poscosecha de Solanum tuberosum con el preparado microbiano. 

Tiempo de Fermentación (h) EE ± Sig
Indicador Temperatura 0C 0 24 48
pH 20 5,70a 5,10b 4,51c 0,040 P<0,0001
25 4,62c 4,44c
30 4,31c 4,42c
Ácido Láctico mmol/L 20 16,86a 165,64g 160,57f 0,003 P<0,0001
25 54,40e 41,89c
30 50,20d 23,71b
Ácido Propiónico mmol/L 20 14,33d 9,34c 20,65e 0,003 P<0,0001
25 0,002ª 0,002b
30 0,002ª 0,002b
NH3 meq/L 20 1,79a 4,19c 5,47f 0,003 P<0,0001
25 4,57e 4,37d
30 3,88b 6,02g

a, b, c, d…gMedias con letras distintas indican diferencias a P<0,05 según Duncan (1955)

En la tabla 2 se muestran los resultados del comportamiento de los indicadores químicos de los residuales poscosecha de S. tuberosum con el preparado microbiano (P<0,05) a diferentes temperaturas de incubación.

Los resultados muestran interacción entre los factores estudiados (P<0,0001). La MS a las 24 h incrementó a 22,3; 23,65 y 22,76 unidades porcentuales con respecto a las cero horas. Esta condición no se mantiene a las 48 h, debido a los procesos metabólicos de los microorganismos tanto del preparado microbiano como de los residuales poscosecha de la papa, lo que provocó probablemente una reducción de MS en el producto por la utilización de azúcares (sacarosa, glucosa, fructosa) y almidón en sus procesos metabólicos lo que genera agua, CO2 y AGCC. Esta reducción de la MS es insuficiente para los procesos posteriores de ensilado, por lo que debe valorarse aditivos como material secantes (carbonato de calcio) que no tengan efecto inhibidor en la síntesis microbiana. Prada (2012) informó valores de humedad para almacenaje de la papa cruda entre el 75-76% atribuido a los procesos de síntesis microbiana.

En relación con el porcentaje de cenizas en la fermentación de los residuales poscosecha de S. tuberosum con el preparado microbiano se considera que contiene valores más altos que la papa cruda (Cárdenas et al. 2008). Los valores encontrados en este estudio dependen de la naturaleza del suelo donde fue cultivado el tubérculo y al 0,5% de premezcla mineral adicionado al sustrato para la fermentación (Miranda et al. 2018).

La composición mineral es importante para el metabolismo de la microbiota y lograr biomasa proteica, es por ello que se observa un incremento de la PB de 5,5; 5,28 y 4,73 unidades porcentuales a 20, 25 y 30°C, en 24 h de fermentación, respectivamente. Sin embargo, disminuyó notablemente después de 48 horas de fermentación en la misma proporción y llegó a estar por debajo del control para las temperaturas más elevadas. Fonseca y Borrás (2014) determinaron un valor de 7,73% de PB en el tubérculo; valor superado en este estudio al fermentar los residuos poscosecha de S. tuberosum y llega a ser hasta del 21% en el producto fermentado en 24 h a 20°C, esta condición pudiera atribuirse al preparado microbiano con actividad ácido láctica como acelerante biológico. Okubo et al. (2018) añadieron un concentrado proteico de papa cruda y complementaron la proteína del contenido de los ensilajes sin inóculo y obtuvo resultados favorables.

El indicador de proteína verdadera incrementó 2,01 y 2,7 unidades porcentuales a temperatura de 20 y 25°C, en 24 h de fermentación. La relación más alta de (PV/PB*100) para estas temperaturas fue de 61.2 y 69.42, respectivamente, a las 48 h. de fermentación. Sin embargo, a mayor temperatura se deprime la síntesis microbiana en 24 h y se mantiene sin variación a las 48 h de acuerdo al control, por lo que el aumento en cinco grados Celsius para estas condiciones de fermentación limitan el crecimiento microbiano y por ende pudieran afectar la síntesis de proteína.

En el presente trabajo hubo incremento en la fibra con respecto al tiempo de fermentación debido probablemente al aumento del contenido de paredes celulares, en relación al almidón de los residuos de papa y a la fermentación de los azúcares por los microorganismos que se desarrollaron en el sistema, resultados similares fueron encontrados por Aranda et al. (2012). Sin embargo, los valores aún son muy bajos lo que implica la necesidad de combinar este alimento con otros altos en fibra, a fin de producir un mejor aprovechamiento específicamente para los rumiantes.

Tabla 2 Comportamiento de los indicadores químicos de los residuales poscosecha de S. tuberosum con el preparado microbiano. 

Indicador (%) Temperatura (o C) Tiempo de Fermentación (h) EE ± Sign
0 24 48
MS 20 15,83a 38,13c 19,30b 0,30 P<0,0001
25 39,48c 19,18b
30 38,59c 17,98b
PB 20 15,55ab 21,05c 16,68b 0,420 P<0,0001
25 20,83c 14,85a
30 20,28c 14,84a
PV 20 8,84ab 10,85c 10,31bc 0,480 P=0,0125
25 11,54c 10,31bc
30 7,83a 8,24a
FB 20 5,08a 8,43ab 9,71b 1,170 P=0,0038
25 8,43ab 9,71b
30 9,04b 7,24ab
Cenizas 20 6,39a 7,89b 16,17e 0,42 P<0,0001
25 8,40b 11,01c
30 13,94d 6,63a

a, b, c, d, eMedias con letras distintas difieren a P<0,05 (Duncan, 1955)

En la tabla 3 se muestran los resultados del análisis microbiológico realizado a la fermentación de los residuos de la papa inoculada con el preparado microbiano. Se observa efecto de la temperatura con respecto al tiempo de fermentación en las concentraciones microbianas de bacterias mesófilas, levaduras y bacterias ácido lácticas (P<0,0001). No se detectó presencia de coliformes fecales, Salmonella, ni esporas de Clostridium, resultado que avala su calidad para utilizarlo como producto sanitariamente seguro para la nutrición animal.

Se observa aumento de concentración de las bacterias mesófilas aerobias, las que aumentaron con las temperaturas de fermentación. Este resultado está relacionado con la disminución pH de fermentación y los ácidos orgánicos producidos en ese tiempo como se mostró en la tabla 1 y probablemente a bacteriocinas producidas por las bacterias lácticas que actúan como sustancias antimicrobianas (Parra 2010 y Nkosi et al. 2019)

Las levaduras como parte del ecosistema de fermentación aumentaron notablemente con el tiempo de fermentación. Se observan diferencias en su crecimiento con respecto al control y con respecto a las temperaturas estudiadas (P<0,0001) debido al amplio rango de crecimiento de este género y a las interacciones microbianas entre las cepas seleccionadas, que pudieran coexistir en relaciones de estimulación y neutralismo con las BAL, estudios similares que se llevan a cabo en otros sustratos con una mayor acidez (Pardo y Ferrer 2019). Mientras que otras investigaciones con levaduras sugieren que puede ser posible aplicar una cepa microbiana de alimentación directa al ensilaje, hacer que sobreviva al ensilaje y multiplicarse durante la alimentación (Muck et al. 2018).

La concentración de las BAL aumentó gradualmente hasta las 48 h con las tres temperaturas en estudio. Estos incrementos en biomasa microbiana son favorables para la producción de ácidos orgánicos que mantienen los valores de pH bajos y eliminan microorganismos patógenos (Muck et al. 2018), lo que indica que la humedad del ecosistema no influyó en el deterioro de la fermentación final.

Las bacterias ácido lácticas que se emplearon en este estudio son heterofermentativas de mediana y rápida acidificación, L. delbrueckii ssp bulgaricus y S. thermophilus,se escogieron como cultivos iniciadores por ser consideradas sanitariamente seguras y proveen de estabilidad aeróbica (Munk et al. 2018). Están ampliamente distribuidas en la naturaleza y han sido aisladas de diversos ambientes, para su crecimiento requieren de azúcares como glucosa y lactosa, además de aminoácidos, vitaminas y otros factores (Azadnia et al. 2011, Mesa 2016 y Miranda et al. 2018), nutrientes que se encuentran en la mezcla de fermentación.

Tabla 3 Efecto de la temperatura en la composición de bacterias mesófilas aerobias, levaduras, bacterias acido lácticas durante la fermentación de los residuales poscosecha de S. tuberosum con el preparado microbiano. 

Microorganism (log 10 UFC/mL) UFC/mL Fermentation Time (h) Temperature (°C) EE± Sign
20 25 30
Bacterias mesófilas aerobias 0 5,34ª (2,1x105) 5,33ª (2,1x105) 5,33ª 2,1x105) 0.02 P<0,0001
24 8,10e (1,2x108) 7,74d (5,5x107 ) 7,80d (6,3x107)
48 7,03b (1,0x107) 7,18c (1,5x107) 8,19f (1,4x108)
Levaduras 0 4,40c (2,5x104) 5,33d (2,5x104) 5,33d (2,5x104) 0.01 P<0,0001
24 4,37c (2,1x104) 4,11b (1,3x104) 4,04a (1,1x104)
48 5,75f (5,6x105) 5,74f (5,3x105) 5,61e (4,1x105)
Bacterias ácido lácticas 0 5,88a (7,5x105) 5,88a (7,5x105) 6,90b (8,0x106) 0.02 P<0,0001
24 7,77f (6,1x107) 7,77f (6,1x107) 7,70e (5,0x107)
48 6,98c (9,5x106) 7,09d (1,0x107) 8,03g (1,0x108)

a , b, c, d, e, f, gMedias con letras distintas difieren a P<0,05 (Duncan, 1955)

*Data were transformed according to log10 (X) because they do not follow a normal distribution

( ) means of the colony forming units per milliliters (cfu•mL-1)

Las variables o indicadores analizados en el presente trabajo (concentración microbiana, proteína, amoníaco, AGCC, pH) como resultado de la fermentación de los residuos poscosecha de la papa determinan un producto con características para ser considerados en la alimentación del rumiante. Estos indicadores forman parte del sistema de control de la calidad con inoculaciones biológicas, sin embargo, los resultados en la fibra y MS demuestran que deben ser estudiadas otras formulaciones para su efectivo proceso de obtención del producto final. Los resultados demuestran que el preparado microbiano con actividad ácido láctica utilizado actúa como acelerante biológico del proceso de fermentación sólida de los residuos poscosecha de la papa bajo las condiciones establecidas de experimentación.

Se concluye que la fermentación en estado sólido de residuos poscosecha de Solanum tuberosum y un preparado microbiano con actividad láctica favorece este proceso y deben ser estudiadas otras formulaciones con material secante y fibroso para un proceso efectivo de ensilado del producto final.

References

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Recibido: 12 de Febrero de 2020; Aprobado: 08 de Septiembre de 2020

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