Fermentación in vitro de rastrojo de maíz combinado con Xoconostle (Opuntia matudae Sheinvar) y su efecto en la producción de gas

J J Espino-García, R G Campos-Montiel, U González-Lemus, M G Torres-Cardona, P Sánchez-Santillán¹, J J G Peralta-Ortiz y I Almaraz-Buendía

Instituto de Ciencias Agropecuarias, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Avenida Universidad Km. 1, Exhacienda Aquetzalpa, 43600 Tulancingo de Bravo, Hidalgo, México
isaac_almaraz9974@uaeh.edu.mx
¹ Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia No.2, Universidad Autónoma de Guerrero, 41940 Cuajinicuilapa, Guerrero, México

Resumen

Múltiples estrategias para disminuir la emisión de gases efecto invernadero por los rumiantes han sido propuestas. Los compuestos fenólicos del xoconostle han mostrado diversa actividad antimicrobiana, por lo que el objetivo del presente estudio fue evaluar el efecto de distintas concentraciones de xoconostle en la fermentación in vitro de rastrojo de maíz. Los tratamientos consistieron en 0,1.5, 3 y 4.5% de xoconostle y el resto de rastrojo de maíz. El diseño fue completamente al azar y las variables fueron cinética de producción de gas y digestibilidad in vitro de la materia seca. El volumen máximo de gas tendió a disminuir en respuesta a la incorporación de 4.5% de xoconostle sin cambios en la digestibilidad de la materia seca, el pH fue mayor al control (rastrojo de maíz). La principal conclusión es que la incorporación de 4.5% de xoconostle en sustitución de rastrojo de maíz tiende a disminuir la producción de gas en experimentos in vitro.

Palabras clave: cactáceas, cambio climático, caprinos, modelo logístico

In vitro fermentation of maize stover mixed with Xoconostle (Opuntia matudae Sheinvar) and the effect on gas production

Abstract

Multiple strategies to reduce the greenhouse gases emission by ruminants have been proposed. The phenolic compounds of xoconostle have demonstrated antimicrobial activity diverse, so the objective of the present study was to evaluate the effect of xoconostle on the in vitro fermentation of corn stover mature. The treatments were 0, 1.5, 3 and 4.5% of xoconostle and the rest of the corn stover. The design was completely random and the variables were kinetics of gas production and in vitro digestibility of dry matter. The maximum volume of gas tends to decrease in response to the incorporation of 4.5% of xoconostle without affect the digestibility of dry matter, the pH was higher than the control (corn stover). The main conclusion is that the incorporation of 4.5% of xoconostle replacing corn stover tends to decrease the gas production in in vitro experiments.

Key words: cactus, climate change, goat, logistic model

Introducción

La emisión de gases efecto invernadero (GEI), bióxido de carbono (CO ₂) y metano (CH₄), contribuye de manera directa al cambio climático debido a que absorben la energía radiante reflejada por la superficie de la Tierra (Barry y Chorley 2009). Una de las principales fuentes antropogénicas de GEI proviene del sector agropecuario, donde según Duin et al (2016) los rumiantes emiten 100 millones de toneladas de CH ₄ por año que representan el 20% de la emisión total. La metanogénesis es una pérdida de energía para el rumiante en términos de nutrición; y en términos ambientales contribuye al incremento de los GEI.

La emisión de biogás entérico puede reducirse mediante diversas estrategias, de las cuales, el manejo dietético-nutricional (Khang et al 2019) y los aditivos (Phoung et al 2019), al parecer son las más adecuadas desde el punto de vista práctico y económico. Diversos estudios han mostrado que algunos vegetales contienen compuestos secundarios, con actividad antimicrobiana potencial, que mejora la fermentación ruminal y disminuye la producción de CH₄ (Khang et al 2019).

Dentro de los vegetales endémicos de México que tienen esta característica, se encuentran algunas especies del género Opuntia que producen frutos ácidos, conocidos como xoconostles (Opuntia matudae Sheinvar). Los xoconostles son una fuente importante de compuestos fenólicos, de ácido ascórbico y de betalainas, los cuales han mostrado actividad antimicrobiana en varios estudios (Hayek e Ibrahim 2012; Morales et al 2015; Roldán et al 2016; Espinosa-Muñoz et al 2017). Por lo anterior, el objetivo de este estudio fue evaluar el efecto del xoconostle en la producción de gas originada por la fermentación in vitro de rastrojo de maíz (Zea Mays).

Materiales y métodos

Frutos de xoconostle (Opuntia matudae Scheinvar), en etapa de madurez comercial, de productores de la región de Tulancingo, Hgo. México, se rebanaron y deshidrataron durante 48 h a 60 °C en una estufa de secado con flujo de aire. Rastrojo de maíz (Zea mays) de la misma región se sometió al mismo procedimiento. Ambos materiales se pulverizaron por separado a través de una criba de 2 mm y se analizaron para Materia Seca (MS), Proteína cruda (PC), Extracto Libre de Nitrógeno (ELN) y Cenizas (AOAC, 1990), Fibra detergente neutro (FDN), Fibra detergente Ácido (FDA) y Lignina (Van Soest, 1991). Los tratamientos fueron: rastrojo de maíz (0% Xoco); 98.5% rastrojo y 1.5% xoconostle (1.5% Xoco); 97% rastrojo y 3% xoconostle (3% Xoco); 95.5% rastrojo y 4.5% xoconostle (4.5% Xoco).

Producción de gas

Se utilizó la técnica in vitro descrita por Theodorou et al (1994). En frascos de vidrio con capacidad de 125 mL se depositaron 0.5 g de sustrato correspondiente a cada tratamiento (rastrojo de maíz-xoconostle). El líquido ruminal se obtuvo de un caprino criollo vía cánula en rumen alimentado con rastrojo de maíz y concentrado comercial (70:30). Los procedimientos desempeñados en el caprino se realizaron con la aprobación del comité de ética de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo (UAEH) en apego a los lineamientos de la ley de protección y trato digno para los animales en el estado de Hidalgo. El líquido ruminal se filtró a través de cuatro capas de gasa y se almacenó a 39 °C en condiciones anaerobias hasta su uso. A cada frasco y bajo flujo continuo de CO₂, se agregaron 40 mL de medio de cultivo y 4 mL de líquido ruminal. Los frascos se cerraron herméticamente (Engargoladora manual, Wheaton, USA) mediante un tapón siliconizado y una cápsula vial con centro desprendible. Recipientes similares con solamente inóculo ruminal se incluyeron como blancos. Los frascos se incubaron en baño maría a 39 °C. El volumen de gas producido (mL) dentro de cada frasco a 0, 1, 2, 3, 5, 7, 9, 12, 15, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 60, 72 y 96 h de incubación, se registró mediante el desplazamiento de volumen de agua realizando una punción a través del tapón de silicona usando una aguja hipodérmica acoplada a una columna de vidrio graduada. Después de cada medición se liberó el gas igualando la presión interna y externa de los frascos.

pH y degradación in vitro de la materia seca (DIVMS)

El pH se midió (HANNA, HI2211, Rumania) al terminar el tiempo de incubación y el contenido de cada frasco se transfirió a tubos de polisulfona de 50 mL, los cuales se centrifugaron (HERMLE, Z326K, Alemania) a 19 461 X g por 15 min. El sobrenadante se retiró por decantación y el material sólido fue secado a 65 °C por 48 h. La DIVMS se calculó como la diferencia entre el peso de la materia seca inicial y el peso de la materia seca residual.

Modelo estadístico

Se utilizó un diseño completamente al azar con 5 repeticiones. Las variables de cinética de producción de gas: volumen máximo de gas producido (Vmax), fase de retardo (L) y tasa de producción de gas (S), se obtuvieron mediante un modelo logístico (Wang y Tang 2011) utilizando el software SigmaPlot 12.0 ® y SAS (2003). El análisis de varianza se realizó mediante ANOVA y el procedimiento MIXED SAS (2003). La comparación de medias se realizó con la prueba de Tukey ajustada a un nivel de significancia α = 0.05.

Resultados

La concentración de humedad, PC, EE y cenizas en el Xoconostle (Tabla 1) es similar a lo reportado por Sánchez-González et al (2013), donde la variación en estos nutrientes depende de la madurez y de las condiciones de cultivo. Información acerca de la proporción de FDN, FDA y lignina es de escasa a nula debido a que este fruto se utiliza principalmente en la alimentación humana, donde la relevancia se debe a sus propiedades y antioxidantes como lo reportaron Morales et al (2015) y Espinosa-Muñoz et al (2017). No obstante, al ser un fruto del nopal, la concentración de FDN es similar a la tuna (52 % vs 40.74%) con base en lo reportado en el NRC (2007).

La digestibilidad de la MS entre tratamientos no cambió (p > 0.05) en respuesta a la sustitución parcial de rastrojo de maíz por xoconostle (Tabla 2), pero el Vmax tendió a disminuir (p <0.09). Acorde a Fieves et al (2005), el gas originado por la fermentación in vitro de la materia seca está compuesto principalmente por CO₂ y CH₄, y la cantidad que se produce depende de la estructura y composición química de los alimentos (Khang et al 2019).

Figura 1. Volumen máximo de gas originado (mL g-1 MS) por la fermentación in vitro de rastrojo de maíz solo y xoconostle

Por ejemplo, Campos-Montiel et al (2018) reportaron que la fermentación in vitro de rastrojo de maíz produce más CH₄ comparado con algunos otros subproductos agrícolas y desechos vegetales. Con base a lo anterior, la sustitución de 4.5% de rastrojo de maíz por xoconostle tendió a reducir la producción de estos gases (Figura 1) y no afectó la digestibilidad del rastrojo (Tabla 2). La tasa de producción de gas y la fase de retardo no cambiaron (p > 0.05).

El pH del medio al final de la incubación fue superior al control (0% Xoco) debido a la sustitución de rastrojo de maíz por xoconostle. Khang et al (2019) también reportaron menor producción de gas y ligeros incrementos en el pH de los medios de incubación en respuesta a la suplementación de hojas de Cassava, lo que sugiere que algunos componentes de los alimentos pueden modificar la fermentación de sustratos, como sucedió en el presente estudio. Los compuestos fenólicos que contiene el xoconostle comprenden una amplia gama de sustancias con actividad antibacterial (Espinosa-Muñoz et al. 2017) y con base a los resultados del presente estudio, es probable que puedan afectar la actividad de algunos microorganismos ruminales.

Debido a la tendencia en disminuir la producción de gas en el tratamiento “4.5% Xoco”, se realizó la regresión no lineal del volumen de gas acumulado utilizando el modelo logístico (Figura 2). El coeficiente de correlación fue de 0.97 (R²= 0.97).

Figura 2. Volumen de gas acumulado ajustado al modelo logístico

Conclusión

• La producción de gas originada por la fermentación in vitro de rastrojo de maíz tiende a disminuir cuando se incluye 4.5% de xoconostle sin afectar la digestibilidad de la materia seca.

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Received 20 October 2019; Accepted 9 January 2020; Published 1 February 2020

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