Perfiles de aminoácidos, contenidos de nitrógeno total y ratios de eficiencia proteica calculada de las cáscaras de los tubérculos de Manihot esculenta y Dioscorea rotundata

Abstract

Las raíces tuberosas de la yuca y el ñame son las principales fuentes de carbohidratos en la dieta humana, fuentes alternativas de energía en la alimentación del ganado y fuentes de almidón en las pequeñas industrias. Se investigaron los perfiles de aminoácidos, los contenidos de nitrógeno total y las relaciones de eficiencia proteica calculadas (C-PER) de las cáscaras de raíces tuberosas de Manihot esculenta Crantz y Dioscorea rotundata Poir. El análisis de aminoácidos se llevó a cabo mediante métodos de cromatografía de intercambio iónico. El contenido de nitrógeno total se midió mediante los métodos micro-Kjeldahl. La C-PER se calculó mediante una ecuación de regresión. Las concentraciones de aminoácidos detectadas en las cáscaras de yuca oscilaron entre 0,54 y 6,54 g/100 g de proteína, mientras que las de las cáscaras de ñame se situaron entre 0,37 y 6,25 g/100 g de proteína. La concentración total de aminoácidos de las cáscaras de yuca no fue significativamente () mayor que la de las cáscaras de ñame. Las puntuaciones de aminoácidos esenciales mostraron que Phe + Tyr y Met + Cys fueron los aminoácidos más abundantes y limitantes, respectivamente, en las cáscaras de yuca y ñame. El contenido porcentual de nitrógeno y el C-PER de las cáscaras de yuca fueron significativamente () más altos que los de las cáscaras de ñame. Las cáscaras de yuca y ñame no eran fuentes de proteínas de buena calidad. Por lo tanto, el uso de las cáscaras de yuca o ñame como alimento para el ganado debe complementarse con otras fuentes ricas en proteínas de buena calidad.

1. Introducción

L-α-Aminoácidos son las fuentes primarias de átomos de nitrógeno para los sistemas biológicos. Son precursores de la biosíntesis de compuestos nitrogenados como el hemo, las purinas, la urea, las pirimidinas, las hormonas, los neurotransmisores, los péptidos biológicamente activos y las proteínas . De los más de 300 aminoácidos que existen en la naturaleza, son precisamente 20 los que se utilizan en los sistemas biológicos para formar grandes conjuntos de moléculas de proteínas. Los científicos de la nutrición han demostrado que los seres humanos y otros mamíferos carecen de la capacidad de sintetizar alrededor de 10 de los 20 L-α-aminoácidos presentes en las proteínas en cantidades adecuadas para apoyar el crecimiento infantil o para mantener el bienestar en la edad adulta. En consecuencia, las dietas para humanos y ganado deben contener cantidades adecuadas de estos aminoácidos nutricionalmente esenciales, mientras que los restantes aminoácidos nutricionalmente no esenciales se biosintetizan fácilmente a partir de vías metabólicas que implican intermediarios anfibólicos . Los aminoácidos como Leu, Ile, Trp, Lys, Phe y Tyr se denominan cetogénicos porque son precursores de la síntesis de cuerpos cetónicos, a saber, acetona, acetoacetato y β-hidroxibutirato, mientras que Arg, Gln, His, Pro, Ile, Met, Thr, Val, Phe, Tyr, Asp, Asn, Ala, Cys, Gly, Ser y Trp se denominan glucogénicos porque pueden metabolizarse en glucosa y glucógeno. Sin embargo, Ile, Trp, Tyr y Phe son tanto cetogénicas como glucogénicas, mientras que Lys y Leu son estrictamente cetogénicas.

La cantidad y la calidad de las proteínas en la dieta dependen de la fuente del material alimentario. Las proteínas alimentarias pueden presentar propiedades fisicoquímicas variadas en cuanto a su digestibilidad y biodisponibilidad, así como el valor biológico correspondiente. Desde el punto de vista nutricional, el ratio de eficiencia proteica (PER) define el cociente entre la cantidad de proteína consumida y el correspondiente peso corporal ganado por el animal. Por derivación, el ratio de eficiencia proteica computarizado (C-PER), como se informó anteriormente, describe un parámetro útil para la evaluación de la calidad de la proteína . En su mayor parte, las proteínas animales se consideran superiores a las de las plantas porque pueden mantener un balance corporal positivo de nitrógeno al suministrar todos los aminoácidos esenciales incluso como única fuente de nitrógeno en la dieta . Además, las proteínas vegetales no suelen ser tan bien digeridas y asimiladas en comparación con las proteínas animales . Sin embargo, los estudios han demostrado que las proteínas derivadas de productos vegetales como el germen de maíz, la soja, el germen de trigo y la levadura proporcionan aproximadamente la misma proporción de aminoácidos que las proteínas animales.

En general, las raíces tuberosas de Manihot esculenta Crantz (yuca) y Dioscorea rotundata Poir. (ñame) son las principales fuentes de carbohidratos en la dieta humana, fuentes alternativas de energía en la alimentación del ganado y fuentes de almidón en las industrias a pequeña escala. Según el informe de Okigbo, las cáscaras de la raíz de la mandioca contienen algo más de proteínas que la parte de parénquima amiláceo de la raíz entera. Algunos productos a base de yuca conocidos por sus nombres locales son abacha, fufu, farinha, lio-lio, tapioca y garri. El cinturón tropical de África produce más raíces de yuca que el resto del mundo junto, con un nivel de producción que superó los 230 millones de toneladas métricas en 2010.

Una sección transversal de la raíz de yuca revela tres capas distintas. La capa más externa o región peridérmica de la raíz de la yuca pesa alrededor del 0,5-2,0% del peso total de la raíz húmeda. El parénquima cortical mide entre 1 y 2 mm de espesor y contiene la mayor parte de los glucósidos cianogénicos presentes en la raíz de yuca. La primera etapa de la transformación de la raíz de la yuca en diversos productos consiste en la eliminación manual de su cubierta exterior con un cuchillo.

El tubérculo de la yuca suele tener forma cilíndrica y pesa entre 3 y 5 kg. Sin embargo, la forma y el tamaño pueden variar debido a factores genéticos y ambientales . Aunque hay más de 200 especies de ñame, sólo 10 especies son fuente de alimento básico en los trópicos . En 2005, cinco millones de hectáreas en unos 47 países de todo el mundo produjeron 48,7 millones de toneladas métricas de ñame, de las cuales el 97% se produjeron en el África subsahariana. Los ñames se suelen consumir hervidos, fritos y asados o machacados en una pasta blanca o marrón oscura llamada Amala en el sur de Nigeria, que es un manjar local muy popular en la tierra de los yoruba, hecho con polvo de ñame. Al igual que otros tubérculos y raíces, el procesamiento de los tubérculos de ñame comienza con la eliminación de la cubierta exterior mediante un cuchillo. La composición nutricional y los valores energéticos de las variedades de ñame se han descrito en otro lugar. La sección transversal de un tubérculo de ñame maduro, tal y como se ha descrito, revela una porción externa o peridermo corchoso y una corteza interna bajo el peridermo, que contiene una pequeña cantidad de almidón almacenado. La capa meristemática está compuesta por una pared fina de células a partir de la cual se inician los brotes. Los tejidos del suelo son depositarios de los haces vasculares y de un gran número de células amiláceas. Las cáscaras del ñame se componen principalmente de la peridermis corchosa, la corteza y la capa meristemática.

Una de las diversas medidas para superar los principales retos de la seguridad alimentaria en Nigeria implica la máxima utilización de los cultivos alimentarios, en los que los subproductos y residuos generados durante la fase de procesamiento se transforman en productos útiles y consumibles. En la cría de animales, las cáscaras de yuca y ñame son fuentes baratas de alimentos para el ganado. Los rumiantes digieren el contenido de fibra de las cáscaras mediante microorganismos mutualistas y lo convierten en metano, CO2, ácido acético, propiónico y butírico, que son absorbidos por el animal (huésped) como fuente principal de energía. Sin embargo, en las pequeñas industrias basadas en la agricultura, el impacto de las cáscaras de yuca en la contaminación ambiental subraya la necesidad de convertir estos residuos en productos útiles, lo que sirve para aumentar los valores alimentarios y económicos de las raíces de yuca y, por extensión, de los tubérculos de ñame. En consecuencia, se llevaron a cabo investigaciones sobre el perfil de aminoácidos, el contenido de nitrógeno total y la C-PER de las cáscaras de las raíces tuberosas de M. esculenta y D. rotundata, con el fin de establecer su potencial colectivo para servir como fuentes fácilmente disponibles de aminoácidos dietéticos y proteínas de calidad para el mantenimiento de un equilibrio corporal positivo de nitrógeno.

2. Materiales y métodos

2.1. Se cosecharon raíces maduras y sanas de la variedad de yuca «amarga» (M. esculenta) y de la variedad de ñame «blanco» (D. rotundata Poir.) durante la estación húmeda, el 16 de agosto de 2015, en la granja Ofkaja en Uruagu-Nnewi, Estado de Anambra (latitud 6°20′N; longitud 7°00′E), Nigeria, que se encuentra en el cinturón de la selva tropical. Las raíces de yuca y los tubérculos de ñame se transportaron al laboratorio en un plazo de 24 horas, fueron identificados y autentificados por el Dr. F. N. Mbagwu en el Herbario del Departamento de Ciencias Vegetales y Biotecnología de la Universidad Estatal de Imo, Owerri, Nigeria. Las muestras tienen los números de voucher IMSUH 076 y IMSUH 116 para los tubérculos de ñame y las raíces de yuca, respectivamente.

2.2. Las raíces de yuca y los tubérculos de ñame se lavaron bajo una corriente continua de agua del grifo durante 5 minutos para eliminar la materia del suelo y después se secaron con papel secante. La cubierta exterior de las raíces de yuca y los tubérculos de ñame se retiró manualmente con un cuchillo de cocina inoxidable. Las cáscaras de yuca y ñame se recogieron por separado en bandejas de acero inoxidable y se secaron en el horno (Gallenkamp Oven 300 plus series, Inglaterra) a 150°C durante 24 h. Las muestras se calentaron a esa temperatura porque la desnaturalización de las proteínas por el calor afecta principalmente a los enlaces de hidrógeno sin romper los enlaces covalentes del polipéptido. Las cáscaras secas se enfriaron hasta la temperatura ambiente (°C), se molieron hasta convertirlas en polvo y se almacenaron en frascos de vidrio estériles con tapas de rosca hasta que se utilizaron para otros análisis.

2.3. Análisis de la composición de aminoácidos

El análisis de aminoácidos se llevó a cabo mediante cromatografía de intercambio iónico (IEC), tal y como describen Spackman y otros, Ibegbulem y otros, e Ibegbulem y Belonwu. Las muestras fueron desgrasadas y digeridas con ácido antes de dispensar el digerido en el analizador de aminoácidos. Brevemente, las cáscaras secas de yuca y ñame fueron desgrasadas de acuerdo con los métodos estándar. Se pesó una cantidad (6 g) de las cáscaras de yuca pulverizadas y se transfirió a un dedal de extracción. La extracción de la materia soluble en lípidos de las cáscaras se llevó a cabo utilizando una mezcla de cloroformo/metanol (2 : 1; v/v) en un aparato de extracción Soxhlet. A continuación, se transfirieron 4 g de las cáscaras desgrasadas pulverizadas a una ampolla de vidrio. Se añadió un volumen (8 mL) de HCl 6 N a la muestra y se expulsó el oxígeno de las proximidades de la mezcla muestra/ácido pasando nitrógeno gaseoso a la ampolla de vidrio. La ampolla se selló sobre la llama de un mechero Bunsen, se transfirió a una estufa (Gallenkamp Oven 300 plus series, Inglaterra), preajustada a 105 ± 5°C, y se dejó reposar durante 22 h. A continuación, se dejó enfriar la ampolla hasta la temperatura ambiente, se liberó el contenido rompiendo la punta y se filtró con papel de filtro Whatman nº 52 . El filtrado se evaporó hasta sequedad en una estufa de aire caliente (Gallenkamp Oven 300 plus series, Inglaterra). Finalmente, el residuo se disolvió en 5 mL de tampón de acetato (pH = 2,0) y se almacenó en un tubo de plástico a una temperatura de congelación de -4°C hasta su utilización para los análisis. Se dispensó un volumen de 10 μL del digerido en el cartucho del analizador de aminoácidos Technicon Sequential Multisample (TSM) (Technicon Instruments Corporation, Nueva York). El análisis automatizado duró 76 minutos. Todo el procedimiento se repitió para las cáscaras de ñame pulverizadas. La concentración de cada aminoácido libre fue proporcional al área del pico marcada por un integrador conectado al analizador TSM.

2.4. Resolución de los contenidos de Asp, Asn, Glu y Gln de la muestra

Los contenidos de Asp y Asn, así como de Glu y Gln, se resolvieron según lo descrito por Ibegbulem e Ibegbulem et al. utilizando la relación de 5,3/4,3 para Asp y Asn y de 6,3/4,2 para Glu y Gln. Los aminoácidos Asp, Asn, Glu y Gln tienen un porcentaje medio de aparición de 5,3, 4,3, 6,3 y 4,2, respectivamente, en 1150 proteínas de secuencias de aminoácidos conocidas (Nelson y Cox, 2008). Los contenidos totales de Glu (Glx) y Asp (Asx) estimados para las cáscaras de yuca y ñame fueron 6,54 y 6,00, respectivamente, y 6,25 y 5,81, respectivamente.

2.5. Cálculo de las agrupaciones de aminoácidos

El cálculo de los aminoácidos totales (TAA), aminoácidos esenciales totales (TEAA), aminoácidos no esenciales totales (TNEAA), aminoácidos ácidos totales (TAAA) y aminoácidos básicos totales (TBAA) de una muestra se calculó según lo descrito por Ibegbulem et al. El aminoácido glucogénico total (TGAA) se calculó sumando las concentraciones de Arg, Gln, His, Pro, Met, Thr, Val, Asp, Asn, Ala, Cys, Gly y Ser, mientras que los aminoácidos cetogénicos totales (TKAA) se calcularon sumando los contenidos de Lys y Leu de las muestras. El Trp no se utilizó en los cálculos porque normalmente se destruye durante dicho análisis químico.

2.6. Porcentaje de aminoácidos/TAA

Se calculó como la relación entre la concentración del aminoácido y el TAA multiplicada por 100.

2.7. Puntuación química de los aminoácidos esenciales

La puntuación de aminoácidos esenciales (AEE) de un AEE se calculó como la relación entre la concentración de ese AEE (mg/g de proteína) y la de su concentración deseada (mg/g de proteína) en una proteína alimentaria de referencia . Se utilizaron las puntuaciones de aminoácidos de la FAO/OMS/UNU como valores de referencia estándar.

2.8. Contenido de nitrógeno total

Se midió el contenido de nitrógeno total de las cáscaras de yuca y ñame utilizando los métodos micro-Kjeldahl como se ha descrito anteriormente.

2.9. El C-PER se calculó utilizando la ecuación de regresión descrita por Alsmeyer et al. :

2.10. Análisis estadístico

Los resultados se expresaron como media ± DE, se analizaron estadísticamente mediante ANOVA de una vía y el nivel de significación se fijó en . Los datos también se analizaron utilizando el coeficiente de variación porcentual (%CV).

3. Resultados

Las concentraciones de los diversos aminoácidos detectados en las cáscaras de yuca oscilaron entre 0,54 y 6,54 g/100 g de proteína, mientras que las de las cáscaras de ñame se situaron entre 0,37 y 6,25 g/100 g de proteína (Tabla 1). Además, los resultados de la Tabla 1 mostraron que las cáscaras de yuca y ñame contenían concentraciones comparativamente altas de Leu y Glu, respectivamente, mientras que las concentraciones de Met y Cys eran relativamente bajas. No hubo disparidad en las concentraciones de aminoácidos entre las cáscaras de yuca y ñame con respecto a Gly y Ala. En cambio, la variabilidad en las concentraciones de Ile entre las cáscaras de yuca y ñame fue relativamente muy alta, como lo demuestra el %CV = 29,75. Además, los %CV de las concentraciones de His, Met, Ser, Leu, Pro, Cys y Phe entre las cáscaras de yuca y ñame fueron moderadamente altos.

La concentración de aminoácidos totales (AAT) de las cáscaras de yuca no fue significativamente () mayor que la de las cáscaras de ñame (Tabla 2). Asimismo, la concentración de aminoácidos no esenciales totales (AANE) de las cáscaras de yuca no fue superior a la de las cáscaras de ñame.

La tabla 2 mostró que las cáscaras de ñame mostraron concentraciones relativamente más bajas de aminoácidos esenciales totales (TEAA) que las de las cáscaras de yuca. Las proporciones de TEAA o TNEAA a TAA, TNEAA a TEAA, y %Gly/TAA entre las cáscaras de yuca y ñame fueron significativamente diferentes (). Sin embargo, las proporciones de TAAA a TBAA, TGAA a TKAA, y %Pro/TAA entre las cáscaras de yuca y ñame no fueron significativamente diferentes ().

Los valores de las relaciones TEAA, TKAA y TEAA/TAA de las cáscaras de yuca fueron significativamente () mayores que los de las cáscaras de ñame, mientras que las relaciones TNEAA/TAA y TNEAA/TEAA de las cáscaras de ñame fueron significativamente () mayores que las de las cáscaras de yuca (Tabla 2). Las concentraciones medias de aminoácidos, en las cáscaras de yuca y ñame, según sus grupos fueron en el orden: TGAA > TNEAA > TEAA > TAAA > TBAA > TKAA.

Las puntuaciones de aminoácidos esenciales Met + Cys, Ile, Leu, y Phe + Tyr de las cáscaras de yuca fueron significativamente () mayores que las de las cáscaras de ñame (Tabla 3). La puntuación de TEAA de las cáscaras de yuca fue significativamente () mayor que la de las cáscaras de ñame.