La Revolución en la Nutrición Mineral: Como los Minerales Quelatos participan en la nutrición animal

Las exigencias nutricionales de los minerales trazos expuestas por el NRC son discutidas hoy entre los nutriólogos por presentaren valores muy abajo a las recomendadas por las propias empresas de estirpe de aves actuales. La más grande parte de las exigencias fueran determinadas a algunas décadas o simplemente estimadas por ecuaciones. Además, los nutriólogos frecuentemente utilizan niveles más elevados de minerales en los alimentos, siendo que los niveles utilizados son de acuerdo con sus propias experiencias previas en el campo. Obviamente, la realidad nos prueba que funciona, pero hay riesgos que deben ser considerados al usar los minerales en la forma inorgánica. Generalmente, hay interacciones entre los minerales inorgánicos, de modo que el aumento de uno puede inviabilizar la absorción del otro. Por ejemplo, los mecanismos antagónicos de absorción entre hierro, zinc y manganeso. También se consideran riesgos como la contaminación de las fuentes de minerales inorgánicos por metales pesados (arsénico, cadmio y chumbo) o dioxinas (McCartney, 2008), que pueden contaminar órganos y tejidos de los animales que serán utilizados para consumo humano y mismos los solos y fuentes de agua minerales, cuando de la excreción del exceso de los minerales en el ambiente, que no fueran aprovechados por el animal durante el proceso denso de producción (Leeson, 2008). Para amenizar estos problemas apuntados por la cadena productiva y el mercado consumidor cada vez más exigente, la industria desarrollo los minerales quelatos, más popularmente llamados de minerales orgánicos. La AAFCO (American Association of Feed Control Official, 2000), que define las normas y padrones de los alimentos destinados a la producción animal, estableció la siguiente definición para los minerales quelatos: "Son íons metálicos químicamente ligados a una molécula orgánica, formando estructuras con características únicas de estabilidad y de alta biodisponibilidad mineral".

Ellos son mejor absorbidos, más pasíveis de propiciar un mejor desempeño, calidad de canal, tiempo de estante de productos avícolas, entre otros. Su eficiencia, por supuesto, puede variar de acurdo con la manera con que es producido. 
 

La química de producción de los minerales quelatos 

Existen varias maneras de producir los complejos metálicos disponibles en el mercado con el objetivo de uso en la alimentación animal. La química de complexación o quelatación, como es más comúnmente reconocida, es compleja y de cierta forma hay creado muchas confusiones en el medio. Términos como complejos entre metáis y aminoácidos, quelatos de aminoácidos con metales son definiciones oficiales, traducidos del inglés, pero vagamente claras en describir lo que son realmente. Las definiciones que la AAFFCO propone está descrita en la tabla 1: 

El termino complejo puede ser usado para describir productos formados pela reacción de un ión metálico con una molécula o ión que presenta un átomo con uno único par de electrones. Estos iones metálicos en un complejo están conectados por átomos donadores y son denominados mono dentados. Cuando hay dos o más átomos donadores capaces de se ligar a los iones metálicos son así denominados de bi, tri o tetra dentados.Los multi donadores son denominados poli dentados. 

Cuando estos ligantes se unen a los iones metálicos por dos o más átomos donadores, el complejo formado contiene uno o más anillos heterocíclicos junto a un átomo metálico. Así son llamados de quelatos (del griego que significa cangrejo).

Los quelatos pueden tener entre 4, 5, 6 o 7 anillos de quelatación pero aquellos que presentan 5 anillos son los que presentan la más alta estabilidad química. El interesante saber qué mismo que todos los quelatos son complejos, ni todos los complejos son quelatos. En realidad, existe un número de criterios que deben ser satisfechos para asegurar la generación de un mineral quelato estable. Los criterios son: 

1) El ligante debe contener 2 átomos capaces de formar ligaciones con un ión metálico;

2) El ligante debe formar un anillo heterocíclico con un metal cerrando el anillo;

3) Debe ser estéaricamente (relativo a el arranjo espacial de los átomos) posible de se quelatar el metal;

4) La relación entre el ligante y el mineral debe atender requerimientos mínimos de estabilidad;

5) Estos quelatos deben presentar en la estructura la forma de anillo siempre formada por una ligación covalente coordinada entre el grupo amino y el grupo carboxílico y el ión metálico.

Los quelatos son formados por la relación entre sales (conteniendo mineral), como por ejemplo, mezclas de aminoácidos o péptidos pequeños resultantes de reacciones enzimáticas , en condiciones controladas. Estos aminácidos y peptídeos se ligan a los metales en más de uno punto, asegurando que el átomo de metal se torne parte integrante de una estructura biológicamente estable. Aminoácidos y productos de la digestión proteíca, tales como pequeños peptídeos, son ligantes ideales, porque presentan al menos 2 grupos funcionales (amino y hidroxila), permitiendo la formación de la estructura del anillo con el mineral. Solamente los minerales de transición, como el cobre, hierro, zinc y manganeso presentan las características físico químicas que posibilitan la formación covalente coordinada con aminoácidos y péptidos.

Los quelatos formados con polisacáridos y  metales son productos resultantes de la combinación entre una sal metálica soluble con una solución de polisacáridos. La matriz del polisacárido (generalmente un azúcar fosforilado) envuelve el mineral trazo a través de un proceso fermentativo, formando un compuesto y confiriendo la protección física contra la degradación intestinal. 

 

Existe mucha información y sostenimiento científico sobre la escoja de un bueno ligante para la formación de los quelatos minerales, pero hay que considerar algunos aspectos adicionales para tal escoja. El ligante tiene que presentar algunas características básicas ya arriba citados y teniendo en vista que los compuestos son formados a partir de reacciones de oxireducción, donde el mineral es un ácido y el ligante una base, primeramente podemos concluir que cuanto más básico es el ligante, más estable será el quelato. 

En adición, un bueno ligante debe impedir o interferir activamente con la hidroxipolimerización, o tal vez podemos afirmar que debe competir con la camada de mucina del tracto gastrointestinal para permanecer ligado al mineral. Por otro lado, no debe se ligar tan fuertemente a punto de impedir su absorción y actuación metabólica. Para Power (2006), los aminoácidos y pequeños péptidos son los mejores ligantes encontrados para formar un mineral quelato.

Los aminoácidos son ejemplos de ligantes bi dentados que se ligan a los iones metálicos por un oxígeno del grupo carboxílico y el nitrógeno del grupo amino. Por otro lado, las primeras tentativas de hacer un mineral quelato fueran con el acido etilaminotetraacético (EDTA), un ligante hexa dentado, que contiene seis átomos de carbono. El EDTA forma complejos altamente estables con la más grande parte de los iones metálicos, no siendo particularmente útil en la formación de quelatos con minerales, por ser un ligante de alto valor de poder de ligación y consecuentemente baja biodisponibilidad, en vista de que no permite que el mineral se torne disponible, siendo prácticamente todo excretado (Power, 2006). 

Para la escoja correcta del ligante, también hay que considerar la información que la mucina del sistema gastrointestinal también es un ligante y vá a competir con el ligante del quelato pelo ión del mineral. Consecuentemente, si el ligante no tiene el poder adecuado de permanecer ligado al mineral, evitando la hidro- olimerización, hasta que el alcance el objetivo principal, los enterócitos, no sirve como tal. En teoría, hay diversas escuelas que afirman que el tamaño del ligante sería una característica de elección para el ligante ideal. Sabiendo que la mucina presenta de 2 a 20 millones de daltons de peso molecular, argumentos como moléculas de 500 hasta 1500 daltons de peso molecular del quelato pasan a ser consideradas positivamente, a pesar de que no hay un rango exacto comprobado por la literatura. 

Algunas teorías afirman que cuanto menor  es el peso molecular del quelato, más estable seria el proprio quelato, resistiendo a la camada de mucina. El cálculo de la constante de estabilidad está disponible en un banco público de datos (NIST -stability constant database), y es calculada de la seguinte manera:  

 

pero muchos trabajos ya nos mostrán que este no sería un pre requisito para la escoja del ligante. La constante de estabilidad si seria un pre requisito para la estabilidad del quelato. Por ejemplo, los datos presentados por Murphy (2009), demonstra que comparado cuando si quelata la molécula de cobre con EDTA, tenemos la constante de estabilidad padrón de 18.9. Si el cobre fue ligado a una molécula de glicina-glicina, el valor de la constante será de 5.62 y el peso molecular de 150 Daltons. Si el cobre fue ligado a una molécula de glicina-lisina, el valor de la constante será de 11.6 y el peso molecular de 221 Daltons (Tabla 2).En este ejemplo, probase que la molécula de mayor peso molecular tiene el mayor valor de constante de estabilidad, o mejor, más cerca de la constante de estabilidad del EDTA de 18.9. Lo mismo autor, afirma que los valores de constante de estabilidad de minerales quelatos deben estar dentro de rango de 12 hasta 14.

El efecto del pH en la constante de estabilidad es otro factor a ser considerado. Nuevamente, el quelato tiene que pasar toda la barrera de la mucina en el tracto gastrointestinal y llegar a su objetivo que es el enterocito. Cuanto básico fuer el pH, más fácilmente va a mantener la relación química entre el ligante y el mineral, pero cuanto más ácido, mayor será el poder de disociación entre los dos, liberando el mineral antes del necesario, reduciendo su función principal como quelato: estar protegido frente a las intemperies del tracto gastrointestinal. Abajo puedese observar claramente la influencia del pH en diferentes tipos de ligantes quelatado a la molécula del cobre (Grafico 1). El grafico es muy claro en detallar que diferentes ligantes quelatados con el ión cobre no se comportan de igual manera en pHs distintos, o sea, los quelatos se diferencian en su potencial por su composición, mostrando que la escoja del ligante es un factor preponderante en el proceso de quelatación.

Los minerales orgánicos biosintetizados a partir de micro organismos: selenio y cromo

La idea central de formar un mineral orgánico biosintetizado está en su biodisponibilidad biológica y también en su actividad biológica. Segundo Lyons (1993), la actividad biológica de un mineral biosintetizado puede ser aumentada quando incorporado a un microorganismo como por ejemplo, las levaduras, porque aun están biológicamente activos. El selenio (lo mismo vale para el cromo) se encuentra en el mismo grupo que el azufre en la tabla periódica y por supouesto, la biotecnología asegura que la incorporación del selenio oriundo de una fuente inorgánica, puede sustituir el azufre en la molécula de seleno-metionina y seleno-cisteina de levaduras fermentadas en medio de alta concentración de selenio (Lyons, 1993), formándose asi minerales realmente organicos y bioactivos.
 

Biodisponibilidad de los minerales quelatos

Ammerman et al. (1995) definirán el termo biodisponibilidad de un nutriente como siendo la fracción del nutriente ingerido que es absorbido, se quedando disponible para ser utilizado en el metabolismo animal. Existen factores físico-quimico que reducen la absorción de los minerales en el lúmen intestinal que influencian directamente en la biodisponibilidad de esto mineral (Dreosti, 1993). Entre ellos, puedese ocurrir antagonismos entre los nutrientes y ingredientes que afectan adversamente la absorción. Por ejemplo, altos niveles de zinc reducen la disponibilidad de cobre, y el fitato, es capaz de formar quelatos muy estables y insolubles con el mismo mineral (Richards y Dibner, 2005).

Hace muchos años, muchas hipótesis fueran desarrolladas para explicar el mecanismo de absorción de los minerales quelatos en la pared intestinal. La incorporación del mineral a los quelatos aumentaría su absorción, porque el mineral seria absorbido pasivamente en el intestino. Este tipo de modelo es convincente con respecto a el tamaño del ligante, mas ignora las interacciones y reacciones que ocurren en el microclima intestinal antes de la absorción. Esto microclima allí existente presenta un efecto extremamente importante en la absorción de cualquier nutriente en el enterocito per si.

Los minerales absorbidos pueden ser subdivididos en dos categorías generales: solubles en amplia variación de pH (ex. Sodio, potasio, calcio, etc) y aquellos susceptibles a la reacción de hidroxi-polimerizacion 8ex: aluminio, zinc, cobre, hierro, etc). Estos últimos son prontamente solubles en medio ácido, pero en condiciones alcalinas, forman compuestos hidroxi-metálicos, como por ejemplo sulfatos y óxidos. Conforme la solución ácidica se aproxima del pH neutro, otros protones son liberados por las moléculas de agua coordinadas al redor del mineral en una tentativa de mantener el equilibrio, levando a una amplia polimerización de los hidroxi-metales y por final, los precipitando y los tornando insolubles para la absorción. 

Estos nos son las únicas barreras encontradas para la absorción de los minerales en el tracto digestório. Durante el proceso de digestión, los nutrientes en el lumen, incluyendo los minerales que no precipitaran, son direccionados para las vellosidades del intestino delgado, pero se deparan con una camada de agua con características no homogéneas. Esta camada mede cerca de 600 μm de espesura. Abajo, una nueva camada de moco que mide entre 50 hasta 100 μm de espesura, antes de llegar a la membrana del enterocito, donde ocurre la absorción propiamente dicha. Esta etapa usualmente es ignorada por la literatura que foca solamente en los mecanismos de transporte involucrados en la borda de la escoba intestinal. 

Utilización de minerales quelatos para aves

Dentre los micro elementos minerales con mayor número de publicaciones se encuentra el selenio orgánico. Según Surai (2006), la parte más fascinante de las investigaciones relacionadas con el selenio viene del entendimiento de las distintas fuentes disponibles. El sistema digestivo de los animales fueran adaptados para recibir alimentos ricos en selenio en su forma orgánica, tornando la fuente orgánica la más biodisponible a los animales, en general. Reis et al. En 2009, comprobó que la deposición de selenio en los huevos de reproductoras pesadas era superior que aquellas que recibirán suplementación con el selenito de sodio. Cuanto más deposición de selenio en el huevo de reproductoras, mayor la producción de pollitos por reproductoras (Rutz et al. 2003).

En la sustitución del selenito de sodio por selenio orgánico, Peter Surai (2006) organizó sus datos en una gran revisión y concluyó que el selenio orgánico mejora la fertilidad, eclodibilidad y calidad de pollitos en reproductoras pesadas y mejora la ganancia de peso, conversión alimenticia, mortalidad y calidad de carne en pollos de engorda. 

Richards y Dibner (2005), compararan diferentes fuentes de cobre sobre la resistencia intestinal y respuesta inmunológica de pollos de engorda recibiendo sulfato de cobre, proteinato de cobre, complejo lisina-cobre o quelato de cobre hidroxi-análogo de la metionina. Las aves vacunadas para E. acervulina y después desafiadas por E. acervulina y E. Tenella, presentaran mejor respuesta inmunológica y mejor resistencia intestinal cuando fueran suplementadas con fuentes de cobre orgánico.

Tucker (2008) menciona que pollos de engorda recibiendo alimento adicionado de manganeso quelato, presentaran mejor desempeño zootécnico, ganancia de peso y peso corporal, cuando comparados a la forma inorgánica del manganeso. En la misma revisión, estudios realizados en la Rusia, mostran que pollos que recibirán 50 ppm de Zinc en la forma orgánica, tuvieran el mismo resultado de conversión alimenticia y ganancia de peso que pollos que recibirán 70 hasta 100 ppm de zinc inorgánico.

Lippens y Huyghebaert (2006), concluyeran que la combinación de 15 ppm de cobre orgánico y 60 ppm de zinc y manganeso orgánicos resultaba en mayor ganancia de peso en pollos de engorda de 42 días de edad. Minerales orgánicos adicionados en niveles de hasta 30% de la recomendación del NRC fueran suficientes para mantener el desempeño de pollos de engorda hasta los 42 días de edad (Leeson, 2008). En los Estados Unidos, pollos que recibirán hasta 25% de los niveles publicados por el NRC en la forma de minerales orgánicos, presentaran una reducción de hasta 34% en la excreción mineral, sin afectar la ganancia de peso.

Consideraciones:

Investigaciones en la área de micro elementos minerales para los animales no tienen recebido la debida importancia al largo de los últimos anos. La más grande parte de las publicaciones fueran desarrolladas hace más de 30 años atrás, utilizando muchas veces dietas purificadas y seguramente con animales de potencial genético muy distinto de lo que tenemos actualmente. Hace algunos años, la biotecnología desarrollo una nueva fuente de minerales los minerales  quelatados. Ellos se encuentran en la forma de productos biosintéticos con aminoácidos, proteinatos, polisacarideos, hidro-analagos de aminoácidos y se caracterizan por presentar alta disponibilidad y por tanto amigables con el ambiente, por seren menos excretábeis por los animales.
Con esto, los animales pueden expresar mejor su genotipo y mejorar el beneficio metabólico y fisiológico.

Las preguntas que nos queda en abierta en esta pequeña información técnica es: ¿Cuánto más podemos explorar el uso de minerales quelatos en las dietas animales? ¿Donde está el límite del uso de esta tecnología?¿Podemos reemplazar totalmente los minerales inorgánicos por orgánicos sin afectar el desempeño zootécnico y financiero de la industria?