RESUMEN

El empleo de procesos biológicos, como la germinación, que logren reducir el contenido de factores antinutricionales (FANs) y mejorar el valor nutritivo de los granos de leguminosas de producción nacional, puede constituir una opción de producción de alimento animal para los pequeños productores, la agricultura familiar y de traspatio. Los resultados que se presentan en esta propuesta están relacionados con la obtención, caracterización química y evaluación nutricional de germinados de leguminosas temporales como alternativa para la alimentación animal. Para ello se trabajó en la optimización del proceso de germinación en Vigna unguiculata (vigna) var. INIFAT 94, Canavalia ensiformis (canavalia) var. Blanco, Lablab purpureus (dólico) var. Rongai, Glicine max (soya) var. INCASOY 24 y Mucuna pruriens (mucuna) var. Cenizo. Se estudiaron las transformaciones que ocurren durante la germinación en las características físicas, composición química, perfil de aminoácidos, y contenido de (FANs), lo que constituyó un aporte al conocimiento científico. Además, se determinó por primera vez, el efecto bioquímico y fisiológico que ocasiona el consumo de harinas de granos sin germinar y germinados, en rata como modelo experimental y en pollos de engorde como especie de interés económico. Los resultados obtenidos demostraron que las transformaciones que ocurren durante la germinación varían en dependencia de la especie y variante de germinación empleada. La germinación produjo cambios favorables en la fracción proteica y de carbohidratos, incrementó la fibra dietética total, la proporción de fibra dietética insoluble/soluble y el contenido de almidón disponible, con decrecimiento del contenido de α-galactósidos e incrementos de azúcares solubles totales. Resultó ser un método efectivo y prometedor para las leguminosas estudiadas al mejorar el balance de aminoácidos y la calidad nutricional, reducir los factores antinutricionales, aumentar los compuestos fenólicos bioactivos y la actividad antioxidante, lo que demuestra sus potencialidades para la alimentación animal y como posible ingrediente para la formulación de alimentos humanos de alto valor agregado. Los estudios nutricionales de los granos germinados en aves con niveles de inclusión en la ración de 20% de vigna, 30% de soya y 10% de canavalia y mucuna, mostraron cambios favorables en la fisiología digestiva e indicadores de salud de los animales, en el caso específico de canavalia se evidenció mejora en la respuesta inmune. El procedimiento y secuencia experimental utilizada aportaron metodologías para la selección, obtención, caracterización y evaluación de germinados, que puede aplicarse a otras especies y variedades de leguminosas con posibilidades de uso en la alimentación animal.

Palabras clave: leguminosas, germinados, caracterización química, evaluación nutricional

ABSTRACT

The use of biological processes, such as germination, that manage to reduce the content of anti-nutritional factors (ANFs) and improve the nutritional value of legume grains from national production, can constitute an option for the production of animal food for small producers, family and backyard agriculture. The results presented in this proposal are related to the obtaining, chemical characterization and nutritional evaluation of temporary legume sprouts as an alternative for animal feeding. For this, it was worked on optimization of the germination process in Vigna unguiculata (vigna) var. INIFAT 94, Canavalia ensiformis (canavalia) var. White, Lablab purpureus (dolicho) var. Rongai, Glicine max (soybean) var. INCASOY 24 and Mucuna pruriens (mucuna) var. Ashen. The transformations that occur during the germination in the physical characteristics, chemical composition, amino acids profile, and (ANFs) content were studied, which constitutes a contribution to scientific knowledge. In addition, the biochemical and physiological effect caused by the intake of germinated and non- germinated grain meals was determined for the first time, in rat as an experimental model and in broilers as a species of economic interest. The obtained results showed that the transformations that occur during germination vary depending on the species and variation of germination used. Germination produced favorable changes in the protein and carbohydrate fraction, increased the total dietary fiber, the proportion of insoluble / soluble dietary fiber and the available starch content, with decrease in the α- galactosides content and increases in total soluble sugars. It proved to be an effective and promising method for the studied legumes when improve the amino acids balance and nutritional quality, reduce anti-nutritional factors, increase bioactive phenolic compounds and antioxidant activity, showing their potential for animal feeding and as a possible ingredient for the formulation of human food with high value- added. Nutritional studies of germinated grains in birds with inclusion levels in the ration of 20% of vigna, 30% of soybeans and 10% of canavalia and mucuna, showed favorable changes in the digestive physiology and health indicators of the animals, in the specific case of canavalia showed improvement in the immune response. The procedure and experimental sequence used provided methodologies for the selection, collection, characterization and evaluation of sprouts, which can be applied to other species and varieties of legumes with possibilities of use in animal feeding.

Key words: legumes, sprouts, chemical characterization, nutritional evaluation 

INTRODUCCIÓN

Cuba en los últimos años invierte anualmente 257 y 266 millones de USD en maíz y soya, respectivamente, que representa el 95% del alimento animal que se importa para satisfacer la demanda de la ganadería, con prioridad para el sector avícola y porcino (AEC 2016). No obstante, no se cubre toda la demanda de alimento animal y se requiere de producciones nacionales de granos y fuentes alternativas de alimento animal. Estudios previos indicaron el importante potencial agronómico y nutricional de las leguminosas temporales como fuente de alimento y se llegaron a obtener tecnologías de producción de granos y forrajes (Díaz et al. 2001). En el caso de Vigna unguiculata se demostró que en dietas isoproteicas de trigo - soya es posible sustituir 16 y 60% de cada uno por harina de granos sin germinar de esta leguminosa, lo que equivale a niveles de inclusión hasta 20% de la dieta. Sin embargo, la presencia en estas plantas de compuestos tóxicos o antinutricionales (FANs), afectan la disponibilidad y utilización de los nutrientes en la alimentación animal, fundamentalmente, en especies monogástricas (Díaz et al. 2014 y 2016).

En este contexto el empleo de procesos biológicos, como la germinación, que logren reducir el contenido de FANs y mejorar el valor nutritivo de los granos de leguminosas de producción nacional puede constituir una opción para los pequeños productores, la agricultura familiar y de traspatio. Los resultados que se presentan en esta propuesta están relacionados con la obtención, caracterización química y evaluación nutricional de germinados de leguminosas temporales como alternativa para la alimentación animal, los que serán descritos a través de cinco etapas de investigación:

• Obtención y caracterización físico - química de germinados de leguminosas.

• Evaluación biológica de granos germinados y sin germinar utilizando la rata como modelo experimental. 

• Impacto de la germinación en el contenido de almidón, fibra dietética y propiedades físico químicas  de las leguminosas no convencionales.

• Cambios en el contenido de factores antinutricionales y actividad antioxidante durante el proceso de germinación.

• Evaluación biológica de granos germinados y sin germinar en pollos de ceba

PRINCIPALES RESULTADOS

Obtención y caracterización físico-química de germinados de leguminosas

Se realizaron a través de 21 experimentos los estudios correspondientes a la optimización del proceso de germinación en 5 especies de leguminosas: Vigna unguiculata (vigna) vc. INIFAT 94, Canavalia ensiformis (canavalia) vc. Blanco, Lablab purpureus (dólico) vc. Rongai, Glicine max (soya) vc. INCASOY 24 y Mucuna pruriens (mucuna) vc. Cenizo. En cada una de las especies se germinaron los granos de leguminosas por un período de 96 a 120 horas, en diferentes condiciones de iluminación: intervalos de iluminación de 12 horas, iluminación total y oscuridad total.

Los resultados alcanzados constituyen los primeros estudios de obtención y caracterización de germinados de leguminosas temporales en las condiciones de Cuba. Se logró una metodología de germinación de sus granos que produce cambios favorables en sus propiedades físico-químicas, mejora la calidad de los productos resultantes y aumenta su funcionalidad; que la convierte en una opción accesible y económica para pequeños y medianos productores (Díaz et al. 2004, 2007a y 2009).

Se demostró que las transformaciones físicas y químicas que se producen durante la germinación, dependen tanto de la especie de leguminosa como de las condiciones en que se realiza el proceso germinativo. En todas las especies evaluadas con el avance del proceso de germinación se incrementó el peso de los granos germinados, la longitud de la radícula y el porcentaje de germinación, lo que dio lugar a cambios en la composición química resultante de los granos germinados (Díaz et al. 2008).

Composición química. En vigna las tres variantes de germinación incrementaron los contenidos de proteína y fibra con el avance del proceso germinativo. Los resultados más significativos se encontraron en condiciones de oscuridad total donde la proteína bruta (PB) aumentó en 25%, respecto a vigna sin germinar, y la proteína verdadera (PV) y la fibra detergente neutra (FDN) en 54% y 57%, respectivamente (Díaz et al. 2007a). En dólico la variante de oscuridad total coincidió en presentar las concentraciones superiores, respecto al grano sin germinar, de PB (13%), PV (8%) y FDN y fibra detergente ácido (FDA) (7%) (Díaz et al. 2011). En canavalia las tres variantes incrementaron la PB de 10 a 11%, respecto al control sin germinar y la variante de iluminación total superó en 31% la PV, mientras que la FDN disminuyó en 8% (Díaz et al. 2007b). En mucuna con intervalos de iluminación e iluminación total aumentaron los indicadores proteicos y fibrosos, sobresaliendo esta última variante con valores superiores al control sin germinar en PB (24.7%), PV (39.12 %) y FDN (32.13 %). En soya se produjeron variaciones en la PB de hasta 15.8 % de incremento, en relación con el control sin germinar, y en celulosa de hasta 48 % de disminución en relación con el control (Díaz et al. 2012).

Fibra dietética. Se informa, por primera vez, el contenido de fibra dietética total (FT), soluble (FS) e insoluble (FI) y la proteína unida a estas fracciones en las leguminosas estudiadas germinadas y sin germinar. Los niveles de FT en los granos sin germinar se encontraron entre 312 g/kg MS (vigna) y 457 g/kg MS (soya), superiores a los informados en la literatura en semillas de cereales y otras leguminosas. El contenido de FI representó del 93 al 97 % de la FT de los genotipos evaluados (Martín-Cabrejas et al. 2007).

La germinación incrementó la FT de 6 % (mucuna) a 14 % (vigna), excepto en soya que decrece en 10 % como consecuencia de la disminución en la FI. Para todas las variantes de germinación los mayores niveles de FT y FI se presentaron en oscuridad total. Se evidenció que un porcentaje significativo de la proteína aún permanece unido a la fibra total, el cual representó entre el 23 y 43 % de la proteína total y aproximadamente el 90 % se encuentra asociado a la fracción insoluble (Martín-Cabrejas et al. 2007).

Carbohidratos solubles. Constituyen las primeras determinaciones de carbohidratos solubles en estas especies de leguminosas germinadas y sin germinar. Los resultados mostraron que los granos sin germinar difieren en la cantidad de azúcares totales desde 38.4 (dólico) a 63.7 g/Kg  de MS (mucuna) y en contenido de oligosacáridos derivados de la galactosa (GOS) de 21.7 (mucuna) a 36.6 g/Kg de MS (vigna) (Martín-Cabrejas et al. 2007). El perfil de oligosacáridos varió con la especie en estudio. El proceso de germinación incrementó el total de azúcares solubles de 20 a 61 % y redujo el contenido de GOS de 98 a 63 %. El efecto de la germinación para los azúcares solubles fue más marcado en dólico, canavalia y mucuna, mientras que la reducción de GOS fue superior en canavalia (98 %) y vigna (94 %) (Martín-Cabrejas et al. 2007). Estos resultados son superiores a las reducciones de GOS obtenidas por remojo, cocción y comparables a los procesos fermentativos o a la adición de enzimas exógenas.

Con la información generada se creó una base de datos (Camelo et al. 2007 y Díaz et al. 2008) y a partir de la integración de los resultados, se obtuvieron los primeros modelos matemáticos para predecir el comportamiento de las diferentes especies y variedades de leguminosas en el proceso de germinación (Díaz et al. 2008).

Mediante la aplicación de análisis de componentes principales se determinaron que los indicadores con mayor contribución a la variabilidad, durante el proceso de germinación por especies y variantes de germinación estudiadas, fueron: % MS, desarrollo radicular, FT, FI, ceniza, PB, PV y azúcares totales (Díaz et al. 2008). La aplicación del modelo estadístico de medición de impacto (Torres et al. 2013) permitió agrupar los 15 nuevos productos o variantes de alimentos obtenidos, a través de los procesos de germinación, en 4 grupos (Díaz et al. 2013 y 2014), La  tabla 1 muestra la composición química de las agrupaciones obtenidas por análisis multivariado.

Evaluación biológica de granos germinados y sin germinar utilizando la rata como modelo experimental

Se trabajó con vigna y dólico por ser dos especies de composición química diferentes, cuyos productos resultantes del proceso de germinación forman parte de los grupos I y II, que son los más representativos. Los resultados alcanzados contribuyen al conocimiento de los cambios que se producen en la fisiología digestiva, metabolismo proteico, morfometría y morfología de órganos del tracto digestivo, órganos accesorios, timo y tiroides; así como en la hematología y bioquímica sanguínea de ratas experimentales que consumen granos no germinados y germinados de leguminosas temporales. Se aporta una metodología para la evaluación biológica de harina de granos germinados de leguminosas temporales basada en a su impacto en el metabolismo proteico y la fisiología digestiva de la rata como modelo animal. (Savón et al. 2008 y 2015).

Impacto de la germinación en el contenido de almidón, fibra dietética y propiedades físico químicas de las leguminosas no convencionales

A partir de los resultados obtenidos se decidió continuar profundizando en los estudios de caracterización química y valor nutritivo utilizando la variante de germinación con intervalos de iluminación, en función de las horas luz de Cuba, ya que constituía la opción de mayor posibilidad de aplicación en la práctica social. Se estudió la cantidad de almidón total (AT), disponible (AD) y resistente (AR) en las leguminosas germinadas y sin germinar. El contenido de AT de las leguminosas sin germinar osciló de 264.4 – 463.1 mg/g de MS. El AD representó entre 81 y 90 % del AT. Tras la germinación se redujo del 12 al 42 % el contenido de AT. Sin embargo, el contenido de almidón disponible aumentó respecto a las leguminosas no germinadas, representando entre el 86 y el 95 % del AT. Los resultados obtenidos constituyen un aporte ya que demostraron las ventajas del proceso de germinación, al mejora la disponibilidad del almidón, de manera que si se requiere como fuente de energía puede ser una opción (Benítez el al. 2013 y Díaz et al. 2015).

Se evidenció que la germinación con intervalos de iluminación tiene impacto significativo en ambas fracciones de la fibra alimentaria y mejora la relación FI/FS. Se incrementó el contenido de azúcares totales, principalmente en la fracción de FI, debido a la liberación de azúcares celulósicos, y cómo estos cambios en la FT varían las propiedades físicas y químicas. Tras la germinación se mejoró la capacidad de retención de aceite, la capacidad de retención y absorción de agua y la capacidad gelificante, como consecuencia del incremento de la fracción de fibra dietética y del porcentaje de almidón disponible. Sin embargo, las capacidades emulsionante y espumante decrecen debido a la hidrólisis de las proteínas durante la germinación (Benítez et al. 2011 y 2013).

El perfil de la composición de azúcares de las fracciones de FI y FS en estas leguminosas germinadas y sin germinar presentó similitud. La FI está constituida, principalmente, por glucosa, ácidos urónicos y arabinosa y la FS por glucosa y arabinosa, seguidas de los ácidos urónicos. Los cambios que se producen en las fracciones de fibra se centran en aumentos de los polisacáridos, celulosa y sustancias pépticas (Benítez et al. 2013).

Cambios en el contenido de factores antinutricionales y actividad antioxidante durante el proceso de germinación

Lectinas. Se encontró actividad hemaglutinante sin previo tratamiento de las células de la sangre con tripsina, en canavalia (5.1 mg/100 mg MS de lectina) y la germinación logró reducir los niveles de lectina en 50 %. El resto de las leguminosas no mostraron actividad hemaglutinante, en este primer ensayo, por ello se trabajó con células de ratas tripsinizadas y se encontró actividad en dólico de 10.2 mg/100 mg MS de lectina y el proceso de germinación disminuyó los niveles en 75.5 % (Aguilera et al. 2011 y 2013).

Acido Fítico. El contenido de inositoles fosfatos totales (IFT) no presentó grandes diferencias entre las especies evaluadas, excepto en canavalia. Vigna, dólico y mucuna poseen las mayores concentraciones de ácido fítico (~8.4 mg/g MS). El inositol fosfato más abundante fue el IP6 que constituye aproximadamente el 78 % del contenido de IFT y varió de 74 % en mucuna y dólico hasta 82 % en vigna y canavalia. La germinación redujo del 6 al 18 % el contenido de IFT siendo más relevante en vigna y el contenido de IP6 decreció del 18 al 37 %. Canavalia presentó el menor contenido de ácido fítico después del proceso de germinación (5.7 mg/g MS) (Aguilera et al. 2011 y 2013).

Compuestos fenólicos. En los granos sin germinar el contenido de polifenoles totales varió de 0.72 mg/g MS en dólico a 37.36 mg/g MS en mucuna, mientras el menor valor de catequinas se encontró en canavalia (0.02 mg/g MS) y los mayores en vigna (0.10 mg/g MS). En relación con las proantocianidinas canavalia, mucuna y dólico presentaron valores similares y vigna alcanzó el mayor contenido (0.50 mg/g MS). El proceso de germinación incrementó los contenidos de polifenoles totales y catequinas en todas las leguminosas excepto en vigna y las proantocianidinas sólo se incrementaron en canavalia y mucuna.

Capacidad antioxidante. El proceso de germinación modificó la actividad antioxidante dependiendo de la especie, al igual que con el contenido de compuestos fenólicos. Por esta razón se llevó a cabo un análisis de correlación entre ambos, constituyendo los primeros estudios de este tipo en estas leguminosas (Aguilera et al. 2013). De forma general, las muestras con mayor contenido fenólico presentaron mayor capacidad antioxidante (79.6 de µmol Trolox/g de MS en mucuna) con alto coeficiente de correlación (r=0.96).

Evaluación biológica de granos germinados y sin germinar en pollos de ceba

Se trabajó con pollos de ceba por ser una especie de ciclo biológico corto que demanda de alimentos de alto valor nutritivo y permite en breve período de tiempo la obtención de resultados. Se realizaron diferentes experimentos para determinar el efecto de las harinas de granos sin germinar y germinadas en el valor nutritivo y fisiología digestiva de los animales, cuando se incluye en las dietas 30 % de soya, 20 % de vigna y 10 % de mucuna y canavalia, en sustitución de la torta de soya importada, de la dieta control. Todas las dietas fueron isoproteicas e isoenergéticas (Martínez et al. 2013 y Díaz et al. 2016).

Con soya la retención fecal aparente del nitrógeno disminuyó en los pollos que consumieron granos de soya sin germinar, respecto al control que no difirió de los que lo hicieron con el germinado. La retención aparente de la materia orgánica (MO) fue superior en el grupo control y en el que se sustituyó la leguminosa germinada con respecto a la no germinada (64.14 y 65.23 vs 60.86 %). Se observó disminución del peso vivo (PV) con la inclusión de las harinas de granos en la ración. El tracto gastrointestinal (TGI) completo lleno fue mayor con la inclusión de soya germinada y sin germinar respecto al control y vacío sólo lo fue con la leguminosa sin germinar. El intestino delgado lleno incrementó con la inclusión del grano sin germinar, sin embargo, vacío lo hizo con la soya germinada y cruda, respecto al control. Se observó aumento del peso relativo del páncreas con la inclusión de granos de soya sin germinar en comparación con el resto de los tratamientos (4.92 vs 3.14 y 3.62 g/kg PV).

Con vigna las retenciones aparente de la MS y la MO no difirieron entre los tres tratamientos. Sin embargo, la retención de nitrógeno en los pollos que consumieron granos de vigna sin germinar fue menor respecto al resto de los tratamientos que no difirieron entre sí (47.13 vs 56.07 y 57.71 %). No se observaron diferencias entre tratamientos en el peso vivo y en las diferentes secciones llenas del TGI. El peso relativo del intestino delgado vacío, así como su longitud incrementaron con la inclusión del grano sin germinar en relación al resto de los tratamientos. Se observó aumento del peso del hígado y el páncreas con la inclusión de granos de vigna sin germinar, en comparación con el resto de los tratamientos (29.77 vs 26.60 y 27.06 g/kg PV y 3.23 vs 2.35 y 2.67 g/kg PV, respectivamente).

Con mucuna a los indicadores morfométricos del TGI, se les realizó correlación de Pearson y posteriormente análisis multivariado por el método de componentes principales. Existió correlación entre las 27 variables en estudio. De ellas, ocho explicaron las medidas relacionadas con los pesos de las diferentes secciones llenas y vacías, así como el contenido de la digesta, con valores propios mayores que 1. La producción de ácidos grasos de cadena corta (AGCC) totales en ciego fue menor con la inclusión de harina de granos sin germinar en comparación con el resto de los tratamientos que no difirieron entre sí (176.44 vs 208.30 y 211.20meq/L). No se observaron diferencias para los órganos inmunológicos, indicadores sanguíneos y los principales componentes de las canales y peso vivo (Díaz et al. 2016 y Martínez et al. 2016).

El proceso de germinación empleado resultó un método efectivo y prometedor para las leguminosas estudiadas al incrementar la calidad nutricional, reducir los factores antinutricionales, aumentar los compuestos fenólicos bioactivos y la actividad antioxidante, lo que demuestra sus potencialidades para la alimentación animal y como posible ingrediente para la formulación de alimentos humanos de alto valor agregado. Los estudios nutricionales manifestaron incrementos en la digestibilidad y aprovechamiento de sus granos en la alimentación de las aves y con los germinados de canavalia se evidenció mejora en la respuesta inmune. El procedimiento y secuencia experimental utilizada en este estudio aporta una metodología de selección, obtención, caracterización y evaluación de germinados que puede aplicarse a otras especies y variedades de leguminosas con posibilidades de uso en la alimentación animal.

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Aceptado: 21/12/2017

María F. Díaz Sánchez, Instituto de Ciencia Animal (ICA), Apdo 24, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. Email: mdiaz@ica.co.cu