PREDICCIÓN DEL CONTENIDO DE AMINOÁCIDOS EN EL TRIGO CON BASE EN SU VALOR DE PROTEÍNA

Miguel Cervantes, Fernando Copado, Maximiliano Cervantes, Roberto Soto, Noemí Torrentera y José Luis Figueroa

Miguel Cervantes. Ingeniero Zootecnista, Universidad Autónoma de Baja California (UABC). Ph.D. en Nutrición Animal, Universidad de Kentucky, EEUU. Profesor Investigador, Instituto de Ciencias Agrícolas (ICA-UABC). Dirección: Universidad Autónoma de Baja California, Lago Reindeer # 933, Jardines del Lago, Mexicali, B.C., México. e-mail: miguel_cervantes@uabc.mx.

Fernando Copado. Médico Veterinario Zootecnista, Universidad Autónoma Metropolitana (UAM), México. Estudiante de Doctorado, Colegio de Postgraduados.

Maximiliano Cervantes. Ingeniero Agrónomo y Maestro en Ciencias en Irrigación, Colegio de Postgraduados, México. Investigador, ICA-UABC.

Roberto Soto. Ingeniero Agrónomo y Maestro en Ciencias en Semillas, Universidad Agraria Antonio Narro. Investigador, ICA-UABC.

Noemí Torrentera. Ingeniero en Alimentos y Maestra en Ciencias de la Carne, UAM. Investigadora, ICA-UABC.

José Luis Figueroa. Ingeniero Agrónomo Zootecnista. Ph.D. en Nutrición Animal, Universidad de Nebraska. Investigador, Programa de Ganadería, Colegio de Postgraduados, Montecillo, México.

Resumen

Se analizó la composición de aminoácidos en trigos producidos comercialmente, y se generaron modelos para predecir el contenido de aminoácidos con base en el contenido de proteína cruda en este cereal. Se colectaron 150 muestras del cereal de la cosecha del 2001, las cuales se agruparon en tres lotes (alto, medio y bajo) de acuerdo con su porcentaje de proteína cruda. De cada grupo se tomaron 9 muestras en que se analizó el contenido de aminoácidos. Se realizaron análisis de correlación y regresión entre los contenidos de aminoácidos y de proteína real (suma de todos los aminoácidos). Se observó una variabilidad alta (CV de 7,4 a 14,0%) en el contenido de proteína cruda y de aminoácidos en los trigos evaluados. Los aminoácidos no esenciales fueron los principales responsables de esta variabilidad debido a su mayor contenido, en comparación con los esenciales. Lisina, treonina y metionina son de variabilidad intermedia. Glutamato y prolina son los aminoácidos más abundantes en el trigo. Las ecuaciones de regresión de los dos primeros aminoácidos limitativos en trigo fueron las siguientes: Lisina= 0,15982 ±0,012 + 0,01709 ±0,001 (P<0,01; R2= 0,897); Treonina= 0,08364 ±0,011 + 0,02293 ±0,001 (P<0,01; R2= 0,952). Con base en los análisis de regresión, se concluye que el contenido de proteína es un buen estimador del contenido de aminoácidos en los trigos y que los modelos de regresión obtenidos en este estudio permiten ahorrar tiempo y costo en la determinación del contenido de aminoácidos.

PALABRAS CLAVES / Aminoácidos / Digestibilidad Ileal / Proteína / Trigo /

Summary

The amino acid composition in commercial wheat samples was analyzed, and models generated to predict the amino acid content on the basis of the cereal crude protein content. One hundred and fifty samples of the cereal were collected during the 2001 harvest. The samples were grouped in three lots based on the percentage of crude protein (high, medium, and low). Nine representative samples of each group were analyzed for amino acids. Correlation and regression analysis were performed between the contents of real protein (sum of the contents of all amino acids) and each amino acid. A high variation in the crude protein and amino acids content (CV from 7.4 to 14.0%) was observed in the evaluated wheat samples. The non-essential amino acids were mainly responsible for this variation, because of their higher content as compared with the essential amino acids. Lysine, threonine and methionine had intermediate variability. Glutamate and proline were the most abundant amino acids in wheat. The regression equations of the first limiting amino acids were as follows: Lysine= 0.15982 ±0.012 + 0.01709 ±0.001 (P<0.01; R 2= 0.897); Threonine= 0.08364 ±0.011 + 0.02293 ±0.001 (P<0.01; R 2= 0.952). Based on the regression analysis, it is concluded that protein content is a good estimator of the amino acid content in wheat, and that the regression models obtained from this study allow to save time and money in the analysis of the amino acid content.

Resumo

Analizou-se a composição de aminoácidos em trigos produzidos comercialmente, e se geraram modelos para predizer o conteúdo de aminoácidos com base no conteúdo de proteína crua neste cereal. Colheram-se 150 amostras do cereal da colheita de 2001, as quais se agruparam em três lotes (alto, medio e baixo) de acordo com sua percentagem de proteína crua. De cada grupo tomaram-se 9 amostras em que analizou-se o conteúdo de aminoácidos. Se realizaram análises de correlação e regressão entre os conteúdos de aminoácidos e de proteína real (soma de todos os aminoácidos). Observou-se uma variabilidade alta (CV de 7,4 a 14,0%) no conteúdo de proteína crua e de aminoácidos nos trigos avaliados. Os aminoácidos não essenciais foram os principais responsàveis desta variabilidade devido ao seu maior conteúdo, em comparação com os essenciais. Lisina, treonina e metionina são de variabilidade intermédia. Glutamato e prolina são os aminoácidos mais abundantes no trigo. As equações de regressão dos dois primeiros aminoácidos limitativos no trigo foram as seguintes: Lisina= 0,15982 ±0,012 + 0,01709 ±0,001 (P<0,01; R2= 0,897); Treonina= 0,08364 ±0,011 + 0,02293 ±0,001 (P<0.01; R2= 0,952). Com base nos análises de regressão, conclui-se que o conteúdo de proteína é um bom estimador do conteúdo de aminoácidos nos trigos e que os modelos de regressão obtidos neste estudo permitem poupar tempo e custo na determinação do conteúdo de aminoácidos.

Recibido: 18/09/2002. Modificado: 24/10/2002. Aceptado: 11/11/2002

Introducción

El trigo es el primer grano en producción mundial (Slafer y Satorro, 1999), el cual se utiliza principalmente en la alimentación humana. Por ello, la información publicada disponible está orientada, en su gran mayoría, hacia aspectos de calidad industrial en la elaboración de alimentos para humanos (Gupta et al., 1992; Jia et al., 1996); el contenido de proteína cruda en el endospermo es un indicador muy importante de la calidad industrial de los trigos (Peltonen y Virtanen, 1994). No obstante, en ocasiones cuando la producción del grano supera a la demanda del mismo por los industriales, se incrementa la disponibilidad de este para su uso en la alimentación animal. En estas circunstancias, el precio del trigo puede ser comparable al de los granos mas comúnmente usados (sorgo ó maíz) en las dietas para cerdos. Sin embargo, la información disponible relacionada con sus características nutricionales para cerdos y los factores que la afectan es muy limitada.

La fertilización nitrogenada es uno de los factores que afectan el valor nutricional del trigo; el contenido de proteína cruda total en el endospermo se incrementa al elevar los niveles de fertilización nitrogenada (Doekes y Wennekes, 1982; Peltonen y Virtanen, 1994; Jia et al., 1996); sin embargo, el grado en que se incrementan los distintos tipos de proteína (gliadinas, glutelinas, albúminas y globulinas) es variable. Por ejemplo, el contenido de gliadinas, expresado como porcentaje de la proteína, se eleva linealmente al incrementarse el contenido de PC total del endospermo, pero el de albúminas y globulinas no se afecta (Jia et al., 1996). Las albúminas y las globulinas, en contraste con las gliadinas y gluteninas, son proteínas ricas en lisina y treonina; así, un incremento en el contenido de proteína cruda del grano no necesariamente se refleja en aumentos similares en el contenido de lisina y treonina. La demanda industrial de trigos ricos en proteína provoca una variación importante en el contenido de proteína cruda y de aminoácidos de los trigos disponibles en el mercado. A su vez, esta variación puede provocar problemas en la formulación de las dietas, los cuales podrían evitarse con el análisis de cada lote del grano que llegue a la granja. Sin embargo, el análisis de aminoácidos en el laboratorio es muy costoso; por tanto, la creación de modelos para predecir el contenido de aminoácidos con base en otros compuestos fáciles y no costosos de analizar (proteína cruda) serían muy útiles. Por ello, se realizó un estudio para analizar la relación entre el contenido de proteína y aminoácidos y generar modelos de predicción del contenido de cada aminoácido en el trigo entero con base en su contenido de proteína cruda.

Materiales y Métodos

El estudio se realizó en el valle de Mexicali y en el Instituto de Ciencias Agrícolas (ICA) de la Universidad Autónoma de Baja California. En diciembre del 2000 se seleccionaron 150 lotes de producción comercial de grano y semilla de trigo de las variedades Baviacora M-92 y Rayón F-89, en el valle de Mexicali, Baja California, México. Al momento de la cosecha se tomaron muestras representativas del grano de cada uno de estos lotes y se trasladaron al ICA. Para la selección de los lotes se dividió el valle de Mexicali de acuerdo a zonas de alta, media y baja productividad. Las muestras tomadas fueron representativas de las variedades, condiciones agronómicas y programas de fertilización utilizados en este valle agrícola.

Los granos se produjeron en lotes irrigados, bajo las condiciones de suelo y prácticas agronómicas típicas del valle de Mexicali (SAGARPA, comunicación personal). En general los suelos eran francos con bajo contenido de materia orgánica, de moderados a ligeramente salinos; siendo la fuente de sales el agua de riego, la cual tuvo una concentración promedio total de 960mg/l y pH 7,8-8,5. Las fechas de siembra comprendieron del 15 de noviembre al 31 de diciembre. El establecimiento del cultivo se realizó en la época mas fría (5ºC promedio), mientras que la madurez del grano ocurrió a los 120-130 días, cuando las temperaturas alcanzaron los 25 a 35ºC. Para alcanzar la madurez del grano se aplicaron cinco riegos. La fertilización del cultivo se realizó mediante una aplicación de 75kg/ha de P2O5 en presiembra y tres aplicaciones de 200kg/ha de N en cada uno de los tres primeros riegos. Sin embargo, algunos productores aplican hasta 60 kg/ha de N adicionales en el cuarto riego, para incrementar el contenido de proteína en el grano. El rendimiento del cultivo y el contenido promedio de proteína obtenido en este ciclo agrícola fue de 7,0 ton/ha y 12,5%, respectivamente.

Las muestras de los granos enteros de trigo se molieron en un molino tipo Wiley (Arthur H. Thomas, Philadelphia), con malla de 1mm, y luego se pulverizaron usando un molino de navajas. Se analizó el contenido de materia seca y N, este último en un equipo LECO FP28, utilizando el método de combustión Dumas (Eberhard, 1991); se calculó el contenido de proteína cruda (PC) en los trigos multiplicando su respectivo contenido de N por el factor 5,65 (AOAC, 1990). Después del análisis, las muestras se agruparon de acuerdo con sus valores de PC, en trigos Altos (14%), Medios (11%) y Bajos (8%). De cada grupo se tomaron 9 muestras al azar, a las que se les analizó su contenido de aminoácidos por HPLC (Turnell y Cooper, 1982), previa hidrólisis de la proteína en HCl 6N a 120°C, por 24h. Al valor resultante de la suma de todos los aminoácidos analizados se le denominó proteína real.

El análisis de los datos se hizo utilizando el programa estadístico SAS (1988). Se realizó un análisis de correlación entre los valores de proteína cruda y proteína real. También se realizaron análisis de regresión simple entre el contenido de cada uno de los aminoácidos y el de proteína real; se usó este valor de proteína debido a que el coeficiente de la correlación entre proteína cruda y proteína real fue muy elevada (r = 0,97) y altamente significativa (P<0,01). Sin embargo, para propósitos de transferencia de tecnología también se hicieron análisis de regresión considerando el valor de proteína cruda.

Resultados y Discusión

El contenido de las dos formas de proteína, cruda y real, en las 27 muestras de trigo entero, y sus respectivos promedios, coeficientes de variación, valores mínimos y máximos se muestran en la Tabla I. El contenido de proteína real varió desde 7,4 a 14,0%, con una diferencia entre el valor mínimo y máximo cercana al 90% del porcentaje mínimo; la variación en el contenido de proteína cruda fue muy semejante. Informes anteriores reportan variaciones similares en el contenido de proteína en los trigos (Doekes y Wennekes, 1982; Peltonen y Virtanen, 1994; Jia et al., 1996; Zijlstra et al., 1999), atribuidas a diversos factores (genéticos, ambientales y agronómicos; Cornell y Hovelling, 1998), pero principalmente a diferencias en la fertilización nitrogenada (Peltonen y Virtanen, 1994). Sauer et al. (1981) analizaron muestras de trigo cuyo contenido de proteína cruda variaba de 9 hasta 24%, mientras que Feillet (1988) reportó contenidos de 9 a 18% de proteína en trigos duros. Estas variaciones pueden afectar la nutrición de los animales no rumiantes si no se toman en cuenta durante la formulación de las dietas con trigos. Así, el reconocimiento de estas variaciones es importante para el desarrollo de estrategias (análisis de aminoácidos por lote de grano, o creación de modelos de predicción) que ayuden a prevenir deficiencias o excesos de los aminoácidos esenciales en las dietas de esos animales.

La correlación entre los valores de proteína real y el de proteína cruda (Tabla II) fue muy estrecha (r= 0,97) y altamente significativa (P<0,01), lo que indica que el valor de proteína cruda puede usarse como indicador del contenido de proteína real y, en consecuencia, de los aminoácidos que la componen. Es conveniente enfatizar que el valor de proteína real se obtuvo de sumar los contenidos de todos los aminoácidos en cada muestra de trigo analizada, mientras que el valor de proteína cruda es una estimación del contenido de proteína real, la cual resulta de multiplicar el contenido total de N de la muestra por el factor 5,65 (AOAC, 1990). Así, esta correlación muestra que la aplicación del factor 5,65 para convertir el valor del N en proteína en el trigo es adecuada.

El contenido de aminoácidos esenciales y no esenciales en los trigos, incluyendo valores mínimos y máximos, coeficientes de variación y la diferencia porcentual entre el valor mínimo y el máximo, se muestran en las Tablas III (esenciales) y IV (no esenciales). Entre los aminoácidos esenciales, fenilalanina, isoleucina y leucina fueron los que tuvieron la mayor variación; arginina, histidina, metionina, treonina y valina fueron de variación media; mientras que lisina fue el aminoácido con la menor variación. La diferencia entre los valores máximos y mínimos de fenilalanina, isoleucina y leucina fue cercana al 100%, mientras que la diferencia entre los valores de lisina fue alrededor de 50%. De los aminoácidos no esenciales glutamato y prolina fueron los que tuvieron la mayor diferencia (superior al 100%), serina, tirosina y aspartato tuvieron una diferencia media (70 a 85%), mientras que alanina tuvo la menor diferencia (cercana al 50%).

Las variaciones en el contenido de los aminoácidos dependen directamente del tipo de proteína, del porcentaje de cada una de ellas y del sitio en que estas se depositan en el grano de trigo. En el endospermo se concentra la mayor cantidad de proteína (80% aproximadamente), de la cual alrededor del 85% corresponde a las prolaminas (gliadinas y glutelinas), llamadas también proteínas de almacenamiento (Cornell y Hovelling, 1998). Estas proteínas se caracterizan por ser insolubles en agua y muy pobres en lisina y treonina (Dexter y Dronzedk, 1975), los aminoácidos más limitativos en el trigo para cerdos (Lewis, 2000). Por el contrario, las albúminas y globulinas son muy ricas en esos aminoácidos (Dexter y Dronzedk, 1975), pero se encuentran en porcentajes muy bajos (8 a 11% y 4 a 7%, respectivamente; Wasik, 1978). En consecuencia, cualquier cambio en el contenido total de la proteína del trigo afectaría en mayor medida al contenido de las proteínas de menor calidad nutricional, mientras que el impacto en las albúminas y globulinas, y los aminoácidos que las componen, sería menor. Pechaneck et al. (1997) observaron un incremento en el contenido de las prolaminas, sin afectar al de albúminas y globulinas, al elevarse el porcentaje de proteína cruda en el trigo.

El contenido promedio de aminoácidos, expresado como porcentaje de la proteína, los valores mínimos y máximos, la diferencia entre estos y la desviación estándar se muestran en la Tabla V. La suma de aminoácidos esenciales (63%) fue mayor (P<0,01) a la de los esenciales (37%). De los aminoácidos esenciales, leucina es el de mayor porcentaje en la proteína, seguido de arginina, fenilalanina y valina con valores intermedios, y por lisina, treonina e isoleucina con valores bajos, siendo histidina y metionina los más escasos. De los aminoácidos no esenciales, glutamato fue el más abundante, representando alrededor de una tercera parte de la suma de todos los aminoácidos contenidos en la proteína del trigo. Debido a que el porcentaje de aminoácidos esenciales fue menor que el de los no esenciales, los incrementos en el contenido de proteína impactaron en mayor medida a los segundos. Es decir, la calidad de la proteína se deteriora al aumentar el contenido de proteína en el trigo; sin embargo, en términos globales el incremento en el contenido de proteína se refleja en un aumento real en el de lisina y treonina, expresado como porcentaje de la materia seca.

En las Figuras 1 y 2 se muestra la relación entre el contenido de proteína y lisina, y proteína y treonina, respectivamente. El incremento en el contenido de proteína resulta en un aumento lineal (P<0,01) en el de lisina y treonina, cuando este se expresa como porcentaje del grano total (Figuras 1a y 2a). Sin embargo, cuando los valores se expresan como porcentajes de proteína (Figuras 1b y 2b), el aumento en este valor afecta negativamente (P<0,01) al contenido de lisina y de treonina. En la Figura 3 se muestra la relación entre el contenido de proteína y glutamato, expresado este último como porcentaje del grano total (Figura 3a) ó de la proteína del grano (3b). Contrario a lo sucedido con lisina y treonina, el aumento en el contenido de proteína resulta en un incremento lineal (P<0,01) en el contenido de glutamato expresado en ambas formas. Ésto se atribuye al hecho de que glutamato es el aminoácido más abundante en la proteína del grano, y a que se encuentra concentrado principalmente en las prolaminas del endospermo (Dexter y Dronzedk, 1975). Estos autores observaron un aumento en el contenido de glutamato y una disminución en el de lisina durante el desarrollo del grano.

Figura 1. Relación entre el contenido de proteína real y lisina en trigos expresado como porcentaje de materia seca (a) o de proteína (b).

Figura 2. Relación entre el contenido de proteína real y treonina en trigos expresado como porcentaje de materia seca (a) o de proteína (b).

Figura 3. Relación entre el contenido de proteína real y glutamato en trigos expresado como porcentaje de materia seca (a) o de proteína (b).

La calidad o tipo de proteína del trigo depende de aspectos genéticos mientras que la cantidad está mas influenciada por el ambiente, en especial por la fertilización nitrogenada (Peltonen y Virtanen, 1994; Jia et al., 1996). Asimismo, se conoce que el incremento en el contenido de proteína del trigo resulta de un incremento en el porcentaje de gliadinas y gluteninas, sin afectar el de las albúminas y globulinas (Wooding et al., 2000). En virtud de que las prolaminas son proteínas muy ricas en glutamato y prolina, y que las albúminas y globulinas son las proteínas más ricas en lisina y treonina, el incremento en el contenido total de proteína explica el aumento significativo en la concentración de glutamato y la reducción en la de lisina y treonina observados en este estudio.

El incremento relativo de glutamato y la reducción de lisina y treonina confirman que el aumento en el contenido reduce la calidad nutricional de la proteína en el trigo. Esto se observa claramente en los datos de composición de la proteína (Tabla V); sin embargo, el aumento en el contenido total de proteína, incrementa el contenido total de todas las formas de proteína del grano. Así, en términos reales, aunque la relación lisina:glutamato se reduce con el aumento en la proteína total, el contenido absoluto de lisina y treonina se incrementan, tal como se muestra en la Tabla III.

Los coeficientes de los modelos para predecir el porcentaje de cada aminoácido esencial en el trigo (expresado como % de materia seca) se muestran en la Tabla VI. En todos los aminoácidos, la regresión fue significativa (P<0,01) cuando se utilizaron los dos valores de proteína, real y cruda. En ambos casos, los modelos para histidina, treonina, metionina y lisina tuvieron los coeficientes de regresión más bajos. La ecuación para lisina es la que posee el coeficiente de regresión y la variación mas baja de todos los aminoácidos esenciales. A pesar de lo anterior, es indudable que el aumento en la proteína del trigo provoca también una elevación en el contenido de lisina.

Los resultados de los análisis de regresión en este estudio muestran que se puede predecir la calidad nutricional de los trigos a través del porcentaje estimado de lisina, treonina y metionina, en función de su contenido de proteína cruda. A su vez, esta herramienta brinda la oportunidad de reducir los riesgos de formular dietas con deficiencias o excesos marcados de los aminoácidos más limitativos del crecimiento de los cerdos (lisina y treonina; Cervantes et al., 2001). Asimismo, la predicción del contenido de los aminoácidos no esenciales ofrece la oportunidad para calcular el aporte de N no esencial que hace el trigo para la síntesis de estos aminoácidos y, de esta forma, diseñar dietas con base en el concepto de proteína ideal (Wang y Fuller, 1989).

En general, los datos de este estudio confirman la variabilidad que existe en el contenido de proteína cruda y de aminoácidos en los trigos producidos en estas condiciones. Los aminoácidos no esenciales son los principales responsables de esta variabilidad debido a su mayor contenido, en comparación con los aminoácidos esenciales. Lisina, treonina y metionina son de variabilidad intermedia. Glutamato y prolina son los aminoácidos más abundantes en el trigo. Finalmente, se concluye que el contenido de proteína (real y cruda) es un buen estimador del contenido de aminoácidos en los trigos y que los modelos de regresión obtenidos en este estudio permiten ahorrar tiempo y costo en la determinación del contenido de aminoácidos.

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