Cinética de digestión ruminal

Con el desarrollo de las técnicas in vitro, in situ y de gas in vitro para el estudio de degradación de alimentos en el rumen, así como con el uso de marcadores de alimentos, se comenzó a entender el proceso de digestión de los alimentos como un proceso dinámico que se caracterizaba por la generación de curvas que son interpretadas con constantes matemáticas. Para esto es importante considerar a los alimentos en tres fracciones, una digestible, una potencialmente digestible y una indigestible (Waldo et al., 1972) cuya desaparición puede describirse como una cinética de primer orden. Los principales parámetros que describen la digestión en el rumen son: la fase lag o de retardo, la extensión de la digestión, la tasa de digestión y la tasa de pasaje (Allen y Mertens, 1988).

La fase lag se define como el tiempo (horas) que tarda en iniciar la cinética de primer orden. Representa el tiempo de inicio de digestión, cuando se hidrata el alimento, se inicia el proceso de adherencia microbial, la liberación de enzimas (Allen y Mertens, 1988). Los granos no tienen fase lag (Varga y Hoover, 1985), mientras que los forrajes toscos tienen una fase lag larga (Amjed et al., 1992). La adición de almidón a forrajes incrementa la duración de la fase lag de 1 a 3 horas (Mertens y Loften, 1980) lo cual indicaría que independientemente del efecto del pH el incorporar concentrados a una ración basada en forrajes retra sa el inicio de la digestión de los forrajes. Los efectos de tratamientos químicos como el NaOH varían con el tipo de forraje, mientras que la fase lag se reduce drásticamente de 1.4 a 0.1 h en la mayoría de forrajes, en la paja de trigo no hay cambios (Amjed et al., 1992).

Para estimar la fase lag es necesario trabajar con la fracción potencialmente digestible y su desaparición en función del tiempo. En un inicio, se parte de un 100 % de fracción potencialmente digestible y se hace una regresión del logaritmo natural versus el tiempo de incubación. Si el intercepto es mayor del ln (100) significa que hubo una fase lag dado que no puede existir una fracción potencialmente digestible mayor al 100 %. En la ecuación de regresión se sustituye el ln 100 en Y, se despeja X que es el tiempo en horas que corresponde a la fase lag (Mertens, 1977; Mendoza et al., 2000).

Como ejemplos de duración de fase lag, se tienen para alfalfa 1.06 horas y pasto bermuda 2.53 horas (Mertens y Loften, 1980). De otro experimento se reporta para bagazo de caña 0.9 horas; punta de caña 2.0 horas; y paja de trigo 1.4 horas (Amjed et al., 1992). Se ha puesto atención a modelos matemáticos que describan la fase lag, pero poco sobre preguntas biológicas de importancia y su posible reducción y el impacto que puede tener en el comportamiento productivo de los rumiantes.

Para comprender la extensión de la digestión, debemos de entender las fracciones de los alimentos, y particularmente la pared celular, que está conformada por con tres fracciones, la digestible, la potencialmente digestible y la indigestible (Waldo et al., 1972; Mendoza et al., 2014a). La fracción indigestible se estima al incubar in vitro o in situ un alimento por más de 72 horas (Mertens, 1993) cuando queda solo la fracción indigestible que por más tiempo que permanezca en el rumen ya no es degradada. La fracción indigestible está relacionada a su lignina y sus enlaces con otros carbohidratos, a las características morfológicas de la planta, a la cristalinidad de la celulosa y puede considerarse como una función intrínseca y limitante biológicas de la digestión (Mertens, 1993). En teoría se puede alterar con tratamientos químicos o biológicos pre-digestión, tal como lo muestran tratamientos con NaOH (Amjed et al., 1992).

Para poder hacer las estimaciones de cinética enzimática (fase lag, tasa de digestión), es indispensable hacer la determinación de la fracción indigestible y trabajar con la fracción potencialmente digestible, particularmente en forrajes.

Si la información de la incubación es menor de 72 horas los parámetros estimados no sirven (Mertens, 1993), y hay que tener cuidado con la interpretación de información de la literatura dado que hay muchos reportes de cinética de digestión con malas estimaciones de la extensión de la digestión. Como ejemplo de valores de fracción indigestible (%) de forrajes están: ryegrass 12.8; orchard 28.9; paspalum 21.0-33.0; guinea 35.2; paja de avena 21-36.0; bermuda 43.9; paja de trigo 39.6-49.0; alfalfa 50.8; bagazo de caña 76.8 (Mertens y Loften, 1980; Amjed et al., 1992; Van Soest, 1994).

El término de tasa de digestión reportado en la literatura científica como kd fue introducido en 1950 y primero se usó para todo el alimento (fracciones digestibles e indigestibles), lo cual era biológicamente incorrecto. Los primeros usos de tasa de digestión se usaron para describir la velocidad de la degradación de la celulosa (Wilkins 1969). Gill et al. (1969) proponen el uso de cinética de primer orden en la celulosa potencialmente digestible. Posteriormente Waldo et al. (1972) en su modelo reconocen la importancia de remover la fracción indigestible (que no tiene digestión ni debería considerarse en la estimación de kd) y proponen la estimación de la kd de la fracción potencialmente digestible de la pared celular descrita con una cinética de primer orden (1969). Para esta estimación, Smith et al. (1972) usaron 72 h como punto final de digestión para obtener la fracción indigestible. Posteriormente, Mertens (1977) demostró que la estimación de la tasa de digestión se mejora al considerar la fase lag (Mertens, 1977).

El coeficiente de proporcionalidad o de cinética de primer orden (kd) se obtiene por regresión (pendiente) y se denomina constante tasa fraccional, en unidades por hora. En nutrición de rumiantes es común que se exprese en %/h. Hay factores extrínsecos e intrínsecos que afectan la tasa de digestión de los forrajes. Por ejemplo, el rango de la kd de la FDN varía de 0.02 a 0.190 h-1 (o 2 a 19 %/h). Una leguminosa inmadura tiene una kd de 0.164 y una madura de 0.068 h^-1, mientras que un pasto inmaduro de 0.139 y uno maduro de 0.053 h^-1 (Mertens, 1993).

La mayoría de los intentos de relacionar la kd con la composición química han fracasado. La correlación lignina con kd es baja. Sin embargo, hay una relación entre el contenido de lignina y la fracción indigestible de FDN reportada por Smith et al. (1972) a 72 h de fermentación (r=0.88). Mertens (1973) analizó 273 forrajes (pastos y leguminosas) y encontró una correlación de 0.89 entre la lignina y la FDN indigestible.

Al remover la lignina de la celulosa, Darcy y Belya (1980) observaron un incremento de la kd de 0.13 a 0.19 h^-1. El aumentar la temperatura ambiental, reduce en 0.6 unidades de digestibilidad por cada grado Celsius de incremento (Mertens, 1993). Fales (1986) por su parte observó una reducción en la kd al aumentar la temperatura de 10 a 27°C. Ndlovou y Buchanan (1985) suplementaron esquilmos con proteína y observaron un incremento en la kd de 0.044 a 0.055 h^-1. El suplementar con almidón a diversos forrajes (a un pH constante) reduce la tasa de digestión de la FDN del forraje (Mertens y Loften 1980). Como se puede apreciar, todos los aditivos, raciones y efectos biológicos, se pueden evaluar e interpretar con cinética enzimática con los tres principales parámetros, fase lag, tasa de digestión y extensión de la digestión (estimación de la fracción indigestible), por lo que a continuación se describe la forma de realizar los cálculos correspondientes. Para realizar los cálculos, lo primero que se requiere es contar con la información de la digestibilidad de FDN o FDA en función del tiempo de incubación. Por ejemplo, usaremos la información del experimento de Plata et al. (1994) en el cuadro 52.1.

Cuadro 52.1 Efecto del nivel de paja de avena en la digestibilidad in situ de la fibra detergente neutro de dicha paja

Para calcular el porcentaje de fracción digestible a diferentes tiempos de incubación se usa la digestibilidad obtenida al último tiempo de incubación, que en este ejemplo es a las 72 horas, como el 100 % entonces, para estimar la FDN potencialmente digestible a las 3 horas del tratamiento con 40 % de paja se hace esta relación y los resultados se ponen en cuadro (cuadro 52.2):

37.9 - 100%

3.64 - X

X = 9.60%

Cuadro 52.2 Cálculo de la fracción digestible de acuerdo con el nivel de paja de avena en la digestibilidad de la fibra detergente neutro

Posteriormente se resta 100 de la fracción digestible para conocer la fracción potencialmente digestible (que al tiempo 72 debe ser cero). Así se llena el cuadro correspondiente (cuadro 52.3). Por ejemplo, para las 3 horas de incubación con 40 % de paja de avena la fracción de FDN potencialmente digestible presente en la muestra es de 90.40 % (100-9.60=90.40).

Cuadro 52.3 Cálculo de la fracción potencialmente digestible de FDN en el residual de la incubación de acuerdo con el nivel de paja de avena

Para hacer una estimación de cinética de primer orden, transformamos los valores del cuadro 52.4 en logaritmo natural. Dado que no existe ln de cero, se excluyen los valores de las 72 horas.

Cuadro 52.4 Logaritmo natural de la fracción potencialmente digestible de FDN de acuerdo con el nivel de paja de avena

Posteriormente, se hace una regresión lineal con el tiempo como variable independiente (X) y los valores de ln de la fracción potencialmente digestible como variable dependiente (Y). Los resultados de la ecuación (intercepto y pendiente se presentan en el cuadro 52.5).

Cuadro 52.5 Resultado del análisis de regresión del Logaritmo Natural (ln) de la fracción potencialmente digestible de FDN en función del tiempo

La pendiente es la tasa de digestión o kd que también se expresa como %/h que para 40 % de paja de avena sería 5.54 (la pendiente es -0.054). Posteriormente se hace la estimación de la fase lag. Para eso, debemos checar si el intercepto es mayor a ln de 100 (4.605), de tal forma que eso gráficamente significaría que se inició con más del 100 % de fracción potencialmente digestible, lo cual biológicamente no tiene sentido. Entonces significa que hubo una fase lag y que después de ese tiempo se inició la digestión. Por ejemplo, para darse una idea podemos hacer la función exponencial de base e del intercepto (e=2.7182818284), del valor 4.733 sería 113.3 % (cuadro 52.6). Para estimar la fase lag, se sustituye en la ecuación de regresión en Y con 4.605 (ln de 100) y se despeja el valor de X (horas) que representa la fase lag. Por ejemplo, para 40 % paja de avena:

Ecuación Y = b0 - b1X

Ecuación Y = 4.733 - 0.054 X

La ecuación expresando la FDN potencialmente digestible residual es:

4.6051 = 4.733 - 0.054 tiempo

Despejando X

4.6051 = 4.733 - 0.054 tiempo

4.6051 - 4.733 =- 0.054 tiempo

-0.128 =- 0.054 tiempo

-0.128/ - 0.054 = tiempo

+2.63 = tiempo

Lag = 2.36 horas

La fase lag corresponde al tiempo que Y es ln 100, es decir, el tiempo que tarda en iniciar la degradación de la paja de avena que fue de 2.36 horas. Los resultados completos de la cinética, kd, extensión de la digestión (digestibilidad al último tiempo de incubación), fracción indigestible (100-digestibilidad a 72 h) y fase lag se presentan en el cuadro 52.7.

Cuadro 52.6 Resultados de la función exponencial natural del intercepto de los resultados de regresión

Eso permite hacer la interpretación biológica del fenómeno estudiado, por ejemplo, en dietas con más paja y menos concentrado, se reduce la fase lag, lo cual indica que el pH ácido en dietas con más concentrado la prolonga. Por otro lado, la extensión de la digestión se aumenta con mayor nivel de paja, lo cual refleja una mayor actividad celulolítica, pero sin modificar la velocidad de degradación (kd).

Cuadro 52.7 Parámetros de cinética de digestión de la FDN de la paja de avena