Myrna Olvera
Alberto Casarín
Gonzalo Villar
INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO | GRUPO NUTEC®
INTRODUCCIÓN
El uso profiláctico de los antibióticos en la industria pecuaria para mejorar el crecimiento, consumo y eficiencia de los alimentos ha sido ampliamente descrito (Council, 1999). Sin embargo, la preocupación por la transmisión y proliferación de bacterias resistentes a través de la cadena de alimentos ha llevado a su regulación como antibióticos promotores de crecimiento (APC), comenzando en el 2006 con la Unión Europea y más recientemente en países como Estados Unidos y México. Como resultado y aunado a las exigencias del mercado mundial en producción de alimentos más sanos y naturales, la implementación de nuevos aditivos derivados de plantas (fitobióticos) se ha propuesto como reemplazo de los APC, ya que resultan tener efectos benéficos como: aumento en la eficiencia alimentaria, mejoramiento de la salud intestinal y de la modulación del sistema inmune (Lillehoj, Kim, Bravo, & Lee, 2010). Además, dichos compuestos ofrecen una mínima residualidad para el animal al igual que el efecto sobre el medio ambiente (Hashemi & Davoodi, 2011).
Los fitobióticos, son definidos como compuestos bioactivos derivados de plantas incorporados a las dietas de los animales para optimizar la productividad pecuaria a través del mejoramiento de la digestibilidad y absorción de los nutrientes y la eliminación de patógenos dañinos o no deseables en el intestino (Athanasiadou, Githiori, & Kyriazakis, 2007). Estos pueden ser obtenidos de distintas plantas y su aplicación está asociada generalmente con la funcionalidad derivada de sus componentes activos (Palma et al., 2013). Con este propósito, se han desarrollado diversas metodologías para la obtención y caracterización de los principios bioactivos a partir de la matriz de interés, cabe destacar que los procesos de extracción son determinantes para definir la calidad del producto, así como el tipo y concentración de compuestos que permanecerán en el extracto.
Por lo tanto, para entender mejor el tema y tener una idea más clara de las aplicaciones de los fitobióticos como aditivos nutricionales, este artículo abordará los aspectos básicos para comprender la efectividad de los fitobióticos en los animales y la importancia de contar con protocolos y técnicas instrumentales adecuadas que garanticen la identidad y concentración de los compuestos bioactivos presentes en el alimento terminado que consumirán los animales.
¿DE DÓNDE VIENEN Y CÓMO SE OBTIENEN LOS FITOBIÓTICOS?
Existe una gran variedad de plantas con propiedades multifuncionales benéficas derivadas de sus componentes bioactivos. Las moléculas con actividad biológica de las plantas son principalmente metabolitos secundarios, como terpenoides (mono- y sesquiterpenos, esteroides, etc.), compuestos fenólicos (taninos), glicósidos y alcaloides (alcoholes, aldehídos, cetonas, ésteres, éteres, lactonas, etc.). Estos metabolitos secundarios de las plantas, suelen ser compuestos orgánicos que se forman como resultado de las principales rutas biosintéticas y metabólicas, y se ha planteado que se producen principalmente como respuesta a las interacciones de la planta con el medio ambiente (Corradin, Orsini, Laura, & Nicoletti, 2018) ayudándolas a protegerse contra el estrés biótico y abiótico, incluidos patógenos, depredadores, luz UV y sequías (Champagne & Boutry, 2016). La presencia y cantidad de dichos metabolitos secundarios dependerá de la parte de la planta que se utilice tales como: tallos, semillas, flores, bayas, cortezas y/o raíces y su concentración también se verá influenciada por las condiciones de siembra, cosecha y la presencia de sequías o plagas a los que se vio sometida (Figura 1).
En resumen, el perfil y concentración de estos compuestos bioactivos dentro de un extracto dependerá de:
1. FACTORES BIOLÓGICOS (especie de la planta, localidad y condiciones de cosecha).
2. MANUFACTURA (extracción, destilación y estabilización).
3. CONDICIONES DE ALMACENAMIENTO (luz, temperatura, oxígeno y tiempo) Huyghebaert, Ducatelle, & Van Immerseel, 2011.
FIGURA 1. A) Tipos de metabolitos secundarios, compuestos bioactivos, que se pueden encontrar en las plantas y B) industrias que los utilizan en la elaboración de sus productos. Adaptado de (Jamwal, Bhattacharya, & Puri, 2018).
Los compuestos bioactivos son los que, principalmente en forma de extractos, se han empleado a lo largo de la historia del hombre en múltiples aplicaciones que van desde la alimentaria, la farmacéutica hasta la cosmética, por lo que su correcta caracterización e identificación dentro de un extracto resulta esencial a la hora de encontrarles una aplicación (Figura 1).
Por lo tanto, con el propósito de obtener dichos compuestos se han desarrollado diversas metodologías para extraerlos a partir del fragmento de la planta de interés, siendo el proceso de extracción el primer punto clave que determina la calidad del producto, el tipo y concentración de moléculas que se encontrarán en la mezcla final. Debido a su alta relevancia, el método mediante el cual se realiza la extracción de los compuestos es uno de los criterios más empleados en su clasificación quedando agrupados como: aceites esenciales, oleorresinas, absolutos, concretos, tinturas, etc. (Figura 2). Los más utilizados para la industria alimenticia tanto de humanos como de animales; son las oleorresinas y los aceites esenciales.
FIGURA 2. Procesos de extracción utilizados para productos derivados de especias, hierbas y plantas aromáticas (UNIDO & FAO, 2005).
En concreto, los fitobióticos son compuestos derivados de plantas que han demostrado tener un efecto positivo al incorporarlos a las dietas, ya sea al mejorar la productividad animal a través de la optimización de las propiedades sensoriales del alimento, el mejoramiento de la digestibilidad y absorción de los nutrientes, la eliminación de patógenos en el intestino y el favorecimiento del crecimiento de microorganismos benéficos, la modulación del sistema inmune y los procesos de inflamación, etc. (Athanasiadou et al., 2007). Si bien, esta definición se basa en el propósito del uso, como se mencionó previamente, otros términos se usan comúnmente para clasificar la gran variedad de compuestos fitobióticos (aceites esenciales, oleorresinas, etc.). Estos han demostrado, principalmente, tener una fuerte actividad contra bacterias, hongos, y parásitos (Muthamilselvan, Kuo, Wu, & Yang, 2016; Ponzilacqua, Corassin, & Oliveira, 2018; Prabakar et al., 2016; Thacker, 2013), y es precisamente esta propiedad la que los ha colocado como una de las principales alternativas en alimentación animal como estrategia de prevención y control de infecciones en el gremio pecuario, incrementando su empleo después de la regulación de antibióticos como promotores de crecimiento (Anónimo, 2003).
Sin embargo, algunas interrogantes se mantienen sobre la efectividad de estos productos y es el poco entendimiento del modo de acción y aplicación de los fitobióticos (entiéndase cualquier extracto natural), el cual se convierte en una de las principales razones de los resultados discrepantes, ambiguos y poco estables en el tiempo, que se observan en la salud y en el desempeño de los animales (Yang, Chowdhury, Huo, & Gong, 2015). Dichos resultados podrían estar relacionados con la variabilidad en la concentración del principio activo presente en los productos evaluados, así como los múltiples factores que conlleva usar un extracto natural como son: el método de extracción, origen geográfico, genotipo, la época de cosecha y tiempo de almacenamiento, entre otros (Cosentino et al., 1999; Dorman and & Deans, 2000). Sin embargo, hoy en día existen diferentes técnicas para identificar y cuantificar las moléculas bioactivas de interés, aunado al creciente uso de las ciencias “OMICAS” para dilucidar su mecanismo de acción y corroborar su efectividad en la salud y productividad animal.
MÉTODOS INSTRUMENTALES PARA LA CARACTERIZACIÓN DE LOS FITOBIÓTICOS
La caracterización de los fitobióticos se puede dividir en 3 grandes actividades:
1. EXTRACCIÓN Y/O SEMI PURIFICACIÓN A PARTIR DE LA PLANTA
2. ADECUACIÓN DEL EXTRACTO
3. SELECCIÓN DEL MÉTODO DE DETECCIÓN, IDENTIFICACIÓN Y/O CUANTIFICACIÓN
Es importante entender que algunos conceptos generales sobre la naturaleza de los fitobióticos previo a su caracterización, ya que éstos presentan propiedades fisicoquímicas diferentes y su conocimiento es crucial en el diseño de protocolos de extracción, identificación y/o cuantificación; ya que de dichas propiedades dependerá el tipo de solvente, temperatura y/o proceso mecánico que será empleado. Dentro de las más importantes a considerar están:
• POLARIDAD: es una propiedad de las moléculas que representa la separación de sus cargas eléctricas. Está íntimamente relacionada con otras propiedades como la solubilidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, las fuerzas intermoleculares, etc. De esta característica depende la selección del solvente que se empleará, ya que una sustancia no polar será extraída con un solvente no polar, mientras que para obtener una sustancia polar se debe emplear un solvente polar. Es importante mencionar que muchas veces la mejor estrategia recae en tener mezclas de solventes, por ejemplo: metanol:agua, hexano:diclorometano, etc. (Houghton & Raman, 1998).
• EFECTO DE LA VARIACIÓN DE pH: la ionización de los compuestos es otro factor importante para considerar, ya que el solvente que se empleará en la extracción puede ser ajustado para asegurar el máximo de eficiencia extractiva. Por ejemplo: a pesar de que los alcaloides no polares pueden ser extraídos en solventes polares acuosos acidificados, sus propiedades básicas provocarán la formación de sales en ácido. Además, es importante asegurar que los compuestos no sufrirán ningún tipo de degradación a los pH que se emplearán, por ejemplo: los ésteres son propensos a la hidrólisis en un medio alcalino y muchos glicósidos pierden su motivo de azúcar en un medio ácido (Houghton & Raman, 1998).
• TERMOESTABILIDAD: esta propiedad está relacionada con la capacidad de no sufrir daños con respecto a la temperatura. Ésta se vuelve importante, ya que el proceso de solubilización de los fitobióticos se puede mejorar incrementando la temperatura debido a que este proceso puede facilitar la penetración de los solventes en las estructuras celulares de la planta que se está empleando (Houghton & Raman, 1998). Sin embargo, cuando el fitobiótico se caracteriza por ser volátil (tendencia de una sustancia a pasar a la fase de vapor), el incremento de temperatura podría ocasionar la pérdida de la sustancia.
Con todo lo anterior, se recalca la importancia de la preparación de las muestras y la selección del método de extracción de los compuestos de interés. Como ya se mencionó, la selección adecuada de los procesos a utilizar dependerá de la naturaleza de la matriz y de las propiedades químicas de los metabolitos secundarios (estructura molecular y polaridad). Consecuentemente, es muy importante desarrollar metodologías de extracción adecuadas para cada producto y cada etapa del proceso de elaboración del alimento para los animales, ya que al disminuir la concentración de los fitobióticos en las diferentes fases (materia prima, pre-mezcla, alimento terminado) se vuelve más complejo su análisis.
Finalmente, la identificación y cuantificación de los fitobióticos se convertirá en un paso limitante para muchas empresas que los venden, ya que la mayoría de los métodos incluye el uso de equipos costosos y bastante especializados. Dentro de los métodos instrumentales más utilizados para determinar la composición química de los extractos se encuentran: técnicas espectroscópicas, incluidas UV y visible, espectroscopía infrarroja, espectroscopía de masas, espectrometría de masas, resonancia magnética nuclear, espectroscopía de transmisión de infrarrojo con transformada de Fourier y espectroscopía de Raman, junto a técnicas de separación como cromatografía de gases, cromatografía de gases quiral, cromatografía de líquidos, cromatografía en capa fina, cromatografía líquida de alta eficiencia y cromatografía acoplada y multidimensional (Stevanovic, Bosnjak-Neumuller, Pajic-Lijakovic, Raj, & Vasiljevic, 2018).
Una técnica, altamente confiable, que permite dilucidar con certeza el perfil de composición de un extracto natural y/o fitobiótico es la cromatografía, la cual se define como la separación física de una mezcla de compuestos en una muestra, a través de la interacción selectiva de solutos, entre una fase estacionaria y una fase móvil. En general, la fracción volátil o aceite esencial de una muestra se analiza mediante Cromatografía Gas (CG) o por Cromatografía Gas acoplada a Espectrometría de Masas (GC-EM), ya que esta técnica es válida para identificar compuestos volatilizables, mientras que los extractos de la fracción no volátil son bien analizados por Cromatografía Líquida de Alta Eficacia (HPLC por sus siglas en inglés), ya que esta técnica es ideal para sustancias no volatilizables o termolábiles. La técnica HPLC permite separar e identificar moléculas de estructura química muy similar, incluso isómeros, y se aplica en el análisis de compuestos no volátiles, como heterósidos, alcaloides, lípidos, esteroides, glúcidos, flavonoides, y a sustancias termolábiles, como las proteínas y vitaminas.
Por otro lado, la alta reactividad de los fitobióticos representa otro obstáculo para su aplicación directa y la incorporación en el alimento para animales. Conservar su actividad biológica, minimizar su reactividad, y disminuir el impacto de las propiedades organolépticas en el alimento, es indispensable para que los fitobióticos sean efectivos y constantes en su aplicación. Finalmente, la estabilidad y bioactividad de los fitobióticos puede verse comprometida con la temperatura, luz, metales, agua (humedad) y disponibilidad de oxígeno en los sistemas de producción (Turek & Stintzing, 2013). Por ejemplo, bajo condiciones de producción de alimento (peletizado) donde se aplica una temperatura que puede variar entre 58-95°C, el indicador de recuperación de los fitobióticos después de peletizar podría verse disminuido debido al efecto del calor (Maenner, Vahjen, & Simon, 2011).
Asimismo, la exposición al calor, luz UV, humedad, puede llevar al deterioro de los compuestos debido a procesos de oxidación (Turek & Stintzing, 2013). Además, la reactividad de los fitobióticos con los ingredientes del alimento puede llegar a influir sobre su actividad posterior a su ingesta. Por ejemplo, algunos reportes indican menor efecto biológico de los fitobióticos en dietas con alta cantidad de fibra (Beauchemin & McGinn, 2006) o de proteína (Sliwinski, Soliva, Machmüller, & Kreuzer, 2002). Afortunadamente, hoy en día se utilizan diversas tecnologías para disminuir el impacto de estos factores en la estabilidad de los fitobióticos, como es la encapsulación usando diferentes compuestos para proteger a los principios activos, por ejemplo: gomas, carbohidratos, lípidos, proteínas, silicatos y carbonatos (El Asbahani et al., 2015). Esta técnica sirve para proteger a los compuestos volátiles y conservar su bioactividad frente a 1) la degradación y oxidación que se producen durante el procesamiento y almacenamiento de alimentos; 2) las condiciones en el intestino de los animales, permitiendo el control de la liberación en la región intestinal deseada y finalmente, 3) la segregación de ingredientes en el proceso de mezclado y con ellos evitar la reactividad con otros nutrientes (Stevanovic et al., 2018).
LAS VENTAJAS DE ESTAS TÉCNICAS SON:
• La CG y HPLC son técnicas a la vez cuantitativas y cualitativas. Ambas acopladas a espectrometría de masas (EM), permiten obtener el espectro de masas de cada componente, con el cual se obtiene el peso molecular e información estructural.
• Existen bases de datos con los espectros de masas de muchos componentes, lo que facilita la identificación de los compuestos presentes en la muestra analizada
• El resultado de ambas técnicas es un cromatograma, que muestra los compuestos separados y el área del pico de cada uno de ellos resulta ser proporcional a su concentración.
• Se pueden cuantificar concentraciones muy pequeñas de compuesto bioactivo (hasta 0.05 ppm).
BENEFICIOS DE LA SUPLEMENTACIÓN DE LOS FITOBIÓTICOS EN LA ALIMENTACIÓN ANIMAL
Los fitobióticos pueden contener múltiples componentes y cada uno tener un mecanismo diferente de acción, así bien, también pueden llegar a actuar de forma sinérgica (Russo, Galletti, Bocchini, & Carnacini, 1998; Senatore, 1996). Debido a esta propiedad sinérgica de los fitobióticos, es importante determinar con exactitud qué componentes de los productos pueden: estimular la producción de enzimas digestivas endógenas, actuar como antioxidantes o tener un efecto antimicrobiano e inmunomodulador (Huyghebaert et al., 2011). Dentro de la amplia gama de fitobióticos los siguientes son los más ampliamente caracterizados sobre su efecto en la salud y productividad animal: Capsicum annuum (pimiento), Curcuma longa (cúrcuma), Rosmarinus officinalis, Cinnamomum cassia (cinamaldehído), Origanum vulgare (timol y carvacrol) (Tabla 1).
TABLA 1. Efectos sobre los parámetros productivos y la salud de aves por la suplementación de fitobióticos.
Hasta ahora se sabe que los posibles mecanismos de acción antimicrobiana de los fitobióticos en las aves incluyen las siguientes acciones (Vidanarachchi, Mikkelsen, Sims, Iji, & Choct, 2005; Windisch & Kroismayr, 2007):
• Disrupción de la membrana celular de patógenos.
• Modificación de la superficie de la célula afectando su hidrofobicidad y por lo tanto su capacidad de virulencia.
• Protección de la mucosa intestinal contra la colonización de bacterias patógenas.
• Promoción del crecimiento de bacterias benéficas como Lactobacilos y Bifidobacterias.
Como parte de la filosofía de GRUPO NUTEC® y con el objetivo de proporcionar productos de vanguardia en nutrición animal ofrecemos:
• Laboratorio químico instrumental con equipamiento de última tecnología (UPLC® Ultra Performance Liquid Chromatography), el cual empleamos en la caracterización y formulación de nuestros productos de la línea GREEN SOLUTIONS®.
• Investigación de vanguardia para el desarrollo y mejoramiento de aditivos naturales como PROFLORA® (Inmunoestimulante) y BIOADD® (contra Coccidia) que se obtienen a partir de plantas seleccionadas estratégicamente para promover la salud intestinal y modular la respuesta inmune en las aves.
• Laboratorio de biología molecular donde se investiga el mecanismo de acción de las moléculas que componen nuestros productos fitobióticos, así como su efecto sobre la microbiota intestinal y en la expresión de genes, a través de la implementación de las ciencias OMICAS.
CONCLUSIONES
Los fitobióticos han demostrado ser una opción viable para promover la salud y productividad animal. Sin embargo, la efectividad de los productos fitobióticos reside en su concentración y biodisponibilidad dentro del tracto gastrointestinal de las aves.
Por lo tanto, implementar tecnologías para protegerlos de los procesos de producción de alimentos y garantizar su liberación en el tracto digestivo resulta indispensable.
Adicionalmente, los esfuerzos también deben enfocarse en garantizar el principio activo en el alimento terminado, pues de dicha concentración dependerá el resultado observado en los animales.
Con todo lo anterior se resalta la necesidad de siempre estar a la vanguardia en el conocimiento científico y tecnológico, además de contar con laboratorios equipados y personal calificado, para poder adaptarse y satisfacer las demandas del mercado mundial en nutrición animal.
