Evaluación de la calidad de subproductos de la soja

El principal objetivo de la industrialización de la soja es la obtención de aceite, sin embargo, los subproductos de dicho proceso (expellers y harinas) son de crucial importancia económica y comercial por su masiva utilización para la alimentación animal. Estos resultan valiosos especialmente por su alto contenido y calidad de proteína. Básicamente existen dos principios para la extracción del aceite: mediante extrusión y prensado, y mediante el uso de solventes orgánicos (también existen diversos sistemas que trabajan con ambos principios). El subproducto obtenido por extrusión y prensado es conocido con el nombre de expeller, mientras que aquel excedente de la extracción por solventes se denomina harina.

Naturalmente, la variabilidad de calidad de materias primas y de los diversos procesos de extracción que existen determinan que se generen subproductos de distinta calidad (INTA, 2011).

El poroto de soja se caracteriza por la presencia de compuestos antinutricionales de naturaleza proteica, tales como inhibidores de tripsina y quimiotripsina, ureasa, fitohemaglutininas, y factores alergénicos como la glicinia y la betaconglicinina, los cuales disminuyen la digestibilidad (Cinque, 2011) y valor nutricional del alimento. Sin embargo, dado que la mayoría de las proteínas de la soja son globulinas termosensibles (Cheftel et al., 1989) los tratamientos térmicos desactivan dichos factores antinutricionales. Una incorrecta desactivación (por exceso o por defecto) puede traer aparejado una disminución de la calidad de la proteína útil.

Existen diferentes determinaciones que pretenden evaluar el valor nutricional de la soja y sus subproductos para las distintas especies animales, ya sea a través de la caracterización del aporte y calidad de la proteína (ej. proteína bruta (PB), nitrógeno insoluble en detergente ácido (NIDA), solubilidad de proteína en hidróxido de potasio (PB-KOH)), o por el grado de actividad de los factores antinutricionales (ej. actividad ureásica, AU).

En el caso de los expellers, evaluaciones realizadas en la Estación Experimental Agrícola (EEA) INTA Rafaela mostraron valores de PB entre 30% y 42% (base seca), con degradabilidades de dicha PB que variaron desde 21% hasta 42% para vacas lecheras, y digestibilidades de la proteína no degradable que variaron entre 0% y 93% de acuerdo a los cálculos del NRC (2001). Como se puede apreciar, la variación es muy significativa y hasta la actualidad hay escasos estudios que caractericen acabadamente estos ingredientes en nuestro país.

Las razones de esta variabilidad son diversas y responden a causas asociadas con las características propias de los cultivos (ej. genética, ambiente de cada ciclo) así como de los procesos de industrialización y conservación. La implementación de protocolos para los procesos industriales, la utilización de normativas y la fijación de estándares de calidad podría disminuir la variabilidad antes mencionada y aumentar la calidad nutricional y comercial de estos subproductos, aumentando el valor agregado a la cadena agroindustrial argentina (Latimori et al., 2013).

El objetivo del trabajo fue contribuir a la caracterización químico-nutricional de los expellers de soja provenientes de la zona centro-norte de la provincia de Santa Fe, así como también describir la influencia de los procesos industriales utilizados sobre la calidad de estos.

Caracterización químico-nutricional
Se utilizaron tres expellers (identificados como Exp08, Exp10 y Exp17), obtenidos de la zona de influencia del INTA EEA Rafaela (Santa Fe). Adicionalmente, con el propósito de contar con un patrón de comparación, se evaluó una harina de soja (extraída con solvente) en su forma “cruda” (HS00), o tratada térmicamente a 116 ºC por 30 minutos (HS30) o por 60 minutos (HS60).

Las muestras fueron analizadas de acuerdo a los protocolos sugeridos por el PROMEFA (Programa de Mejoramiento de Forrajes y Alimentos; Wawrzkiewicz y Jaurena, 2013). En breve, la materia seca (MS) total se obtuvo sometiendo las muestras a 105 °C en estufa durante 4 h. Las cenizas (Ce) se obtuvieron por ignición a 550 °C durante 12 h (AOAC, 1990). El contenido de proteína bruta (PB) se estimó multiplicando el dato de nitrógeno total (NT) por 6,25 (Kjeldahl, AOAC, 1995), y el extracto etéreo (EE) mediante lavados con éter de petróleo (AOAC, 1990). La FC se obtuvo como el residuo seco luego de la digestión de las muestras a un medio ácido (ácido sulfúrico, 1,25% H2 SO4 ) y otro alcalino (hidróxido de sodio, 1,25% NaOH) (AOAC, 1990).

La solubilidad de la proteína bruta se realizó tratando la muestra con KOH (PB-KOH) al 0,2% según Jaurena (2015), luego se centrifugó la muestra en dicha solución y el sobrenadante se analizó por el método de PB, tal como fue explicado previamente. Según este análisis el poroto tiene una solubilidad del 100% y en la medida que las globulinas termolábiles son afectadas, la solubilidad disminuye.

Degradabilidad in sacco
Las fuentes de proteína (expellers y harinas de soja) fueron caracterizadas por su degradabilidad ruminal empleando 6 ovejas provistas de fístulas crónicas de rumen alimentadas con una pastura graminosa y grano de maíz (20% de inclusión en base seca). Las muestras contenidas en bolsas de nylon de 13 cm de alto por 8 cm de ancho, con poros de 50 µm fueron colocadas en 3 períodos independientes en los animales por 72, 48, 36, 24, 16, 12, 8, 6 y 2 horas antes de ser retiradas. Una vez retiradas, fueron lavadas hasta que el agua salió transparente, y secadas en estufa a 65 °C durante 72 horas. La degradabilidad de la MS (Deg MS) fue calculada como la diferencia de la MS remanente con la MS original.

La degradabilidad de la PB (Deg PB) fue calculada por diferencia entre el contenido de PB original y la PB del residuo, utilizando el método de análisis previamente explicado.

El ambiente ruminal fue caracterizado por la determinación de pH mediante un peachímetro Hanna HI 9025C y Tabla 1. Caracterización química de las muestras. Datos analíticos expresados en porcentaje sobre base seca (% bs) excepto que exista otra indicación. 1 MS: Materia seca; PB: Proteína bruta; FC: Fibra cruda; CEN: Cenizas; EE: Extracto etéreo; PB-KOH: Proteína bruta soluble en hidróxido de potasio. 2 Valores de referencia: Media y Error Estándar (Jaurena y Danelón, 2006). la concentración de nitrógeno amoniacal (N-NH3 ) por espectrocolorimetría con kit de uremia (Lab. Wiener®, 2003).

Encuestas a elaboradores
Se analizaron los resultados de 236 encuestas a empresas de extrusado de la región centro-norte de la provincia de Santa Fe (c.a. 21; campañas 2013 y 2015) que fueron recopiladas por la EEA INTA Rafaela y que las distintas partidas de expellers contaran con análisis de PB, EE, AU, NIDA y PB-KOH. También se analizaron los valores de PB y EE de los porotos de soja que dieron origen a cada partida y se contó con la descripción del proceso industrial teniendo en cuenta la temperatura del extrusor y limpieza previa.

Análisis estadísticos

Los expellers y las harinas fueron caracterizados por su composición química mediante métodos de estadística descriptiva (ej. media, desvío estándar).

Los parámetros de degradabilidad de la MS fueron ajustados al modelo de Mehrez y Ørskov (1977), ej. Deg = a + b * (1 – exp–c*t), donde, Deg es la degradabilidad; a, la fracción inmediatamente soluble; b, la fracción insoluble potencialmente degradable; c, la tasa de degradabilidad y t, el tiempo de incubación.

Los parámetros fueron analizados de acuerdo a un diseño en bloques completos aleatorizados (bloque = período)

Tabla 1. Caracterización química de las muestras. Datos analíticos expresados en porcentaje sobre base seca (% bs) excepto que exista otra indicación.

y se comprobaron los resultados por normalidad y homocedasticidad. También se evaluó linealidad entre temperatura aplicada a las HS y degradabilidad, y se comparó por contrastes ortogonales. Los análisis se realizaron utilizando el software InfoStat (2009).

Los resultados de las encuestas se resumieron por estadística descriptiva, y se analizaron por ANVA de acuerdo a un modelo anidado, identificando como fuentes de variación las plantas de origen, el año y la temperatura de extrusión. Las medias fueron comparadas por contrastes ortogonales. Se analizó la PB y el EE del expeller en un modelo que tuvo como covariables la PB y el EE del poroto correspondiente para corroborar si la variabilidad de la materia prima aporta de manera significativa a la variabilidad del subproducto final. En todos los casos las diferencias se declararon significativas cuando p< 0,05.

Caracterización químico-nutricional
Los resultados de los ingredientes estudiados (tabla 1) se encontraron dentro de los rangos esperados de acuerdo a lo reportado anteriormente (Jaurena et al., 2006).

En comparación con las harinas, los expellers presentaron mayor concentración de EE (7,0 y 2,9% respectivamente), y menor contenido de PB (50 y 46%), diferencia que se explica por el proceso de extracción lipídica más eficiente en las harinas (Coscia, 1982), lo cual genera una mayor acumulación de compuestos remanentes.

Los resultados de PB-KOH para los expellers (70% - 73%) sugirieron que el tratamiento térmico fue superior a lo esperado (75%-85%, Gallardo, 2008). En cuanto a las harinas, se reportaron valores adecuados para la muestra testigo (HS00) y para el tratamiento térmico HS30. Por el contrario, HS60 presentó un valor de PB-KOH (72%) que sugirió una disminución en su degradabilidad potencial por exceso de calor. La variabilidad de los subproductos analizados fue escasa, inferior a 10 unidades de porcentaje (rango de valores entre 70% y 78%), como probable consecuencia del número limitado de materiales analizados.

Según Dale (1988), la tasa de crecimiento de pollos para carne fue menor cuando las harinas fueron insuficientemente procesadas (87% de PB-KOH) y también cuando sufrieron un daño excesivo (≤72% de PB-KOH). Esto se debería a que un tratamiento térmico insuficiente no desactiva de manera completa los factores antinutricionales, y un tratamiento excesivo produce la desnaturalización de aminoácidos de alto valor biológico como la lisina, en conjunto con las condiciones predisponentes para las reacciones de Maillard. Estas reacciones ocurren cuando la soja es sobrecalentada, y el grupo amino epsilon de principalmente lisina (y otros aminoácidos) se une irreversiblemente al grupo carbonil proporcionado por los azúcares reducibles (Dale, 1988).

La solubilidad de la PB en KOH para subproductos de soja estaría asociada con la digestibilidad verdadera de los aminoácidos (Martínez et al., 1996). Según estos lineamientos, las fuentes proteicas corresponderían a expellers y harinas de calidad media, con una consecuente reducción de la disponibilidad de proteína digestible para monogástricos y rumiantes jóvenes debido a un tratamiento térmico excesivo.

Degradabilidad in sacco
No se hallaron diferencias significativas entre ambientes ruminales de los animales ni valores irregulares para pH (Krause y Oetzel, 2006) ni para N-NH3 (Okorie et al., 1977; Schaefer et al., 1980).

La degradabilidad de la MS de las harinas de soja fue mayor que la de los expellers (tabla 2), en coincidencia con las diferencias en solubilidad en KOH reportadas en la tabla 1. No obstante lo anterior, la degradabillidad para ambos ingredientes fue mayor a 90% de degradabilidad potencial (a+b). Estos resultados son coincidentes con lo reportado por Moretto (2015). Además, el contenido de PB-KOH encontrado en las harinas de este trabajo estuvo acorde con lo esperado según la bibliografía para un tratamiento térmico correcto, mientras que en los expellers este indicador sugiere un tratamiento térmico de mayor intensidad, y con ello menor degradabilidad (Gallardo, 2008).

La mayor degradabilidad de las harinas de soja estuvo asociada con un menor contenido de EE y FC. Los lípidos son compuestos menos susceptibles al ataque enzimático de las bacterias ruminales (Jenkins, 1993), y que en exceso pueden inhibir el crecimiento de los microorganismos con actividad fibrolítica (Palmquist y Jenkins, 1980). El contenido de EE de los expellers (6,3% - 7,8%) fue cercano al límite a partir del cual presentarían efectos tóxicos sobre el proceso de digestión microbiana. Hess et al. (2001) observaron un descenso lineal significativo de la digestibilidad total en respuesta a la inclusión de 2,9%-6,2% de EE para la ración total en novillos de carne alimentándose de heno de gramíneas y suplementados con aceite de soja.

De igual manera, el contenido de FC se correlaciona negativamente con la degradabilidad y digestibilidad del alimento (NRC, 1989).

Para el caso de las harinas, la duración del proceso térmico mostró una relación lineal negativa sobre la fracción de MS inmediatamente soluble y positiva para la fracción b (MS potencialmente degradable), sugiriendo un “traspaso” de la fracción “a” hacia “b”.

La fracción “a” de los expellers fue mayor a la de las harinas, pero concomitantemente los expellers mostraron una menor fracción insoluble potencialmente degradable (parámetro b) y menor tasa de degradación (parámetro c).

La degradabilidad in sacco de la PB de las harinas fue mayor a la de los expellers, independientemente del tratamiento térmico. Para los expellers, el 86% de la PB potencialmente degradable desapareció hacia las 16 horas de permanencia en el rumen, mientras que para la HS00 alcanzó el 95%.

Tabla 2. Degradabilidad in sacco de MS y PB para las tres muestras de expeller y las tres de harina. Valores expresados en %. Valores p< 0,05 indican significancia.

El tratamiento térmico a 30 y 60 minutos redujo la degradabilidad de la PB de la harina a las 16 y 24 h. Estos resultados fueron coherentes a los hallados por Moretto (2015), aunque no alcanzó los valores de los expellers (entre los cuales a las 16 h el más alto fue 70%, mientras que en las HS30 y 60 la PB desaparecida fue de 81%).

Tabla 3. Composición química del poroto de soja y valores tabulados. Valores medios expresados en g kg^-1 MS.

Esta disminución de la degradabilidad ante la exposición al calor, tanto de la MS como de la PB, podría estar explicada por la reducción del contenido del material soluble (fracción a), principalmente de compuestos nitrogenados conformados por glutelinas y albúminas termosensibles (Ganesh y Grieve, 1990). Algo similar hallaron Nowak et al. (2005) al comparar poroto crudo de soja con el mismo poroto extrusado (165 °C) donde observaron que la fracción “a” se redujo de 51% a 7%.

Asociación entre degradabilidad y PB-KOH
En las harinas, el aumento del tratamiento térmico redujo linealmente la degradabilidad de la MS a las 6 h, resultado que fue coherente con el patrón observado en PB-KOH (78, 75 y 72% de PB-KOH para HS00, HS30 y HS60 respectivamente) y con los cambios de los parámetros “a” y “b”. Sin embargo, en el caso de los expellers dicha asociación no pudo verificarse.

La PB-KOH no explicaría las diferencias en expellers para Deg PB a las 16 h o a las 24 h. A diferencia de lo observado en las harinas, donde la mayor degradabilidad se asoció con menores contenidos de FC y EE, en los expellers esta asociación tampoco se observó. El efecto de las diferencias en NIDA podría explicar parte de estas discrepancias, pero estos compuestos no fueron analizados.

Encuestas a elaboradores
Los datos meteorológicos reportados por INTA para las campañas 2013 y 2015 (origen de los datos) en Rafaela (Santa Fe) fueron adecuados para el normal desarrollo del cultivo (9-30 °C, 500-600 mm, Satorre et al., 2012) sin poner en evidencia ninguna limitante (Sistema de Información y Gestión Agrometeorológico INTA, 2017).

 Los contenidos de PB y EE del poroto utilizado como materia prima y de los expellers se encontraron dentro de los respectivos intervalos de confianza (95%) sugeridos por Jaurena et al. (2006).

Influencia de la materia prima
Uno de los supuestos planteados al iniciar este trabajo fue que la variabilidad de los expellers estaba fuertemente influida por la de la materia prima. Sin embargo, al analizar la PB y el EE del expeller en un modelo que tuvo como covariables la PB y el EE del poroto correspondientes, no se pudo corroborar que la variabilidad de la materia prima determinara la variabilidad del producto final (P> 0,05 cuando se usó la concentración de la PB y EE del poroto original como covariable del producto elaborado). Probablemente el hecho de que todas las industrias participantes se encuentren en la misma región geográfica minimizó la variabilidad de la materia prima y haya contribuido a reducir el impacto de esta variable.

Tabla 4. Comparación de la composición química de porotos y expellers de soja para plantas que declararon limpiar el grano y plantas que no. Salvo que se indique distinto, medianas expresadas en g kg^-1 MS. Valores con p< 0,05 indican significancia.

Limpieza del grano
La limpieza de los porotos (ej. remover impurezas, someter el grano a zarandas) previo a su industrialización aumentó un 5% el contenido de EE de los porotos, y los expellers tuvieron un 9% menos. Este aumento en el EE del poroto y disminución en el del expeller resultó en una eficiencia de extracción 22% superior para las plantas que utilizaron grano limpio. Esto contribuye a explicar por qué existe la variabilidad del EE del expeller.

Por un lado, es lógico pensar que aquellas industrias que se responsabilizan del costo de limpiar el grano logren trabajar con porotos de mayor pureza, y por ende un EE más cercano al definido en las tablas (169 y 183 g kg^-1 MS respectivamente). Además, el hecho de utilizar materia prima más pura permite condiciones más apropiadas para la extracción de aceite, por lo que la eficiencia de extracción es mayor, y en consecuencia el contenido lipídico de los expellers se redujo. Por otro lado, esto también podría confundirse por el hecho de que procesos industriales más complejos requieren mayores inversiones económicas, y por lo tanto suelen ser realizados con mayor control, capacitación y prolijidad, probablemente en un contexto de protocolización.

Los contenidos de PB del poroto y expeller de soja no presentaron diferencias entre las plantas que procesaron el grano limpio o sin limpiar.

Figura 1. Eficiencia de extracción y variables descriptoras del daño térmico (proteína bruta soluble en hidróxido de potasio, nitrógeno insoluble en detergente ácido y actividad ureásica) en función de la temperatura de extrusión.

Temperatura del extrusor
El análisis del efecto de la temperatura declarada del extrusor y la eficiencia de extracción de EE, NIDA, AU y PBKOH no mostró asociación alguna (p> 0,05).

Los valores de NIDA y AU presentaron altos coeficientes de variación (respectivamente 41 y 199%). Sin embargo, los valores para el primer y tercer cuartil fluctuaron apenas entre 2-3%, y 0-0,2% respectivamente para los dos analitos, mostrando que el alto CV en realidad estuvo determinado por la baja magnitud de las variables.

Un coeficiente de variación de NIDA de 41% es el equivalente a una fluctuación aproximada de 5 gramos diarios de nitrógeno para una dieta de vacas lecheras de 600 kg que consumen 18 kg MS/día con un 18% de PB. Por lo tanto no debería considerarse dicha diferencia como biológicamente significativa.

Como fuera dicho, las variables indicadoras de la desactivación térmica (NIDA, AU, PB-KOH) variaron en un rango relativamente estrecho (tabla 5) y resultaron coherentes con lo esperado para expellers correctamente tratados (sin daño térmico). Así, el NIDA para todos los materiales estuvo muy por debajo del umbral de 15 g 100 g^-1 N que indica daño térmico debido a la acumulación de compuestos de Maillard (Gallardo, 2008). Además, los valores fueron similares a los publicados por otros autores (2,6 - 5,0 g 100 g^-1 N, Gallardo, 2008; 2,8 g 100 g^-1 N, Faldet et al., 1992). Es importante destacar que este método no es capaz de determinar tratamientos térmicos insuficientes.

La AU de los productos analizados mostró que al menos el 75% de los materiales tuvo un índice menor a 0,2 UpH. Consecuentemente puede concluirse que los materiales estuvieron de acuerdo al rango deseable respecto a la desactivación de principios antinutricionales. Este rango comprende como “aceptables” aquellos valores menores a 0,2 UpH; valores mayores indican tratamientos insuficientes (FEDNA, 2015). Este resultado se debe a que este análisis se mide a partir de cambios de pH, y al no haber una escala negativa asociada a este, la prueba no puede determinar si la soja fue sobrecalentada (Balloun et al., 1953).

Caskey y Knapp (1944) señalaron que existe una relación directa entre la destrucción de la enzima ureasa mediante calentamiento y un mejoramiento en el valor nutricional de la harina.

Tabla 5. Valores medios y estadística descriptiva de variables descriptoras del daño térmico (proteína bruta soluble en hidróxido de potasio, nitrógeno insoluble en detergente ácido y actividad ureásica) en subproductos de soja
^{1 NIDA, Nitrógeno insoluble en detergente ácido; 2 PB-KOH, Proteína bruta soluble en hidróxido de potasio; 3 AU, Actividad ureásica; 4 N, Número de muestras; 5 CV, Coeficiente de variación.}

Figura 2. Recopilación bibliográfica de límites para variables descriptoras del daño térmico. PB-KOH: Proteína soluble en hidróxido de potasio; AU: Actividad ureásica; NIDA: Nitrógeno insoluble en detergente ácido. Referencias extraídas de Gallardo (2008) y FEDNA (2015).

En cuanto a la PB-KOH, los valores reportados por las plantas industriales sugieren una desactivación térmica adecuada, acorde a lo concluido a partir de los análisis comentados anteriormente. La medición de PB-KOH fue el indicador que menor variabilidad estadística mostró (tabla 5, figura 1b). Dale (1988) demostró que el crecimiento de pollitos disminuyó a medida que aumentó la intensidad de procesamiento, y mostró una mayor correlación con los valores de PB-KOH que con los de AU. A esto se agrega el hecho de que es el único indicador capaz de detectar fallas en el tratamiento térmico tanto por exceso como por defecto. Además, desde 2014 IRAM (Instituto Argentino de Racionalización de Materiales) incluye la solubilidad de PB-KOH como método estándar para la determinación de proteínas solubles en harina de soja, harina de colza y pellets de girasol (IRAM 5614 / ISO 14244:2015). De lo anterior, se desprende que PB-KOH constituiría un indicador básico para tener en cuenta a la hora de evaluar los subproductos de soja.