Animal Science
 
Effect of fibrous materials inclusion on the solid-state fermentation of post harvested wastes of Solanum tuberosum, inoculated with a microbial preparation
 

iDL.M. Borras1Pedagogical and Technological University of Colombia, GIBNA research group UPTC. Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia*✉:

iDElaine C. Valiño2Animal Science Institute of Cuba. Carretera Central, km 47 y medio, San José de las Lajas, Apartado Postal 24

A. Elías2Animal Science Institute of Cuba. Carretera Central, km 47 y medio, San José de las Lajas, Apartado Postal 24

iDJ.J. Martínez1Pedagogical and Technological University of Colombia, GIBNA research group UPTC. Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia

iDA.M. Sanabria1Pedagogical and Technological University of Colombia, GIBNA research group UPTC. Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia

iDMónica L. Becerra1Pedagogical and Technological University of Colombia, GIBNA research group UPTC. Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia

 

1Pedagogical and Technological University of Colombia, GIBNA research group UPTC. Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia

2Animal Science Institute of Cuba. Carretera Central, km 47 y medio, San José de las Lajas, Apartado Postal 24

 

Abstract

In order to evaluate the solid-state fermentation of post-harvested wastes of S. tuberosum (potato), inoculated with a microbial preparation, analysis of variance was carried out according to a completely randomized design with factorial arrangement (3 x 3) for the fermentative indicators crude protein, true protein, dry matter, neutral detergent fiber, acid detergent fiber, pH, organic acids, lactic acid, NH3 and microbiological analysis. The factors were 15 and 25 % of inclusion of three fibrous plant material (wheat bran, alfalfa meal and rice meal) and three times of fermentation (0, 24 and 48 h) with three repetitions. The inclusion of 15 and 25 % of the different fibrous materials in the fermentations was performed under the same conditions, and showed interaction between the evaluated indicators and the fermentation time (P < 0.0001).The pH, dry matter, neutral detergent fiber and acid detergent fiber notably decreased in the three fibrous materials. There were lower values of lactic acid and ammonia (P < 0.0001) with dilution effect by the fiber. There were not pathogenic microorganisms, but there were significant values of acid lactic bacteria, at 48 h, in the mixture of alfalfa meal of 3.03 x 107 and 7.67 x 107 UFC/mL for 15 and 25 % of inclusion, respectively. The crude protein and true protein increased in 25 % with alfalfa and the dry matter reached at the end of the process 75.80 % for this treatment. It is concluded that the inclusion of fibrous materials in the solid-state fermentation of post harvested wastes of S. tuberosum, inoculated with a microbial preparation with acid lactic activity, have positive effect on their chemical and microbiological composition. It is recommended by the quality indicators of the final product, the use of 25 % of alfalfa meal, fermented at 20°C during 48 h.

Key words: 
potato; wheat bran; rice meal; alfalfa; lactic bacteria.
 
 
 

The potato (Solanum tuberosum L.) is the fourth crop of food in the world, with 377 millions of ton after the corn, rice and wheat (FAO 2015FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) 2015. Situación de la lechería en América Latina y el Caribe en el 2011. Boletín, FAO Animal Production and Health. FEPALE 6-9.).This cultivation generates many wastes of tubers, not suitable for human consumption, which polluted the environment. These wastes could be converted, with simple technology, into a good quality food for cattle, to low cost (Elías et al. 2008Elías, A. & Herrera, F.R. 2008. Producción de alimentos para animales a través de procesos biotecnológicos sencillos con el empleo de microorganismos beneficiosos activados (MEBA). Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 8-13. and Borras 2017Borras, L.M. 2017. Obtención de un alimento por fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum para la suplementación de rumiantes. PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 100.).

In Colombia, the post-harvested wastes of potato are use as an alternative in animal feeding. They are added to the diet fresh, to low levels, that is a great amount is throw away, conduct that caused environmental and health problems, due to the pest propagation in crops. However, the application of the solid-state fermentation (SSF) technology of these wastes, as a use alternative in animal nutrition, could fulfill two functions: improve the nutritional quality (Zhou et al. 2019Zhou, L., Mu, T., Ma, M., Zhang, M., Sun, Q. & Xu, Y. 2019. "Nutritional evaluation of different cultivars of potatoes (Solanum tuberosum L.) from China by grey relational analysis (GRA) and its application in potato steamed bread making". Journal of Integrative Agriculture, 18(1): 231-245, ISSN: 2095-3119, DOI: https://doi.org/10.1016/S2095-3119(18)62137-9.) of the used foods and, specially reduce the environmental pollution that generates the final use of these wastes. In addition, the deep knowledge of the metabolism and the physiology of the acid lactic bacteria (ALB) in microbial preparations, as inoculants (Muck et al. 2018Muck, R.E., Nadeau, E.M.G., McAllister, T.A., Contreras-Govea, F.E., Santos, M.C. & Kung, L. 2018. "Silage review: Recent advances and future uses of silage additives". Journal of Dairy Science, 101(5): 3980-4000, ISSN: 0022-0302, DOI: https://doi.org/10.3168/jds.2017-13839.) previous to the fermentation of different fermentation substrates, allowed generate microbial mixtures more defined and reproducible in the quality of the final product (Bintsis 2018Bintsis, T. 2018. "Lactic acid bacteria as starter cultures: An update in their metabolism and genetics". AIMS Microbiology, 4(4): 665-684, ISSN: 2471-1888, DOI: https://doi.org/10.3934/microbiol.2018.4.665.)and probiotic activity (FAO 2016FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations). 2016. Probiotics in animal nutrition. Production, impact and regulation by Yadav S. Bajagai, Athol V. Klieve, Peter J. Dart and Wayne L. Bryden. Editor Harinder P.S. Makkar. FAO Animal Production and Health Paper No. 179. Rome.).

Borras (2017)Borras, L.M. 2017. Obtención de un alimento por fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum para la suplementación de rumiantes. PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 100., in a study performed in the fermentation of potato wastes with a microbial preparation with lactic activity, suggested that these fermentations should be corrected with the inclusion of fibrous plant material that acted as drying and have more consistency, due to the high humidity they have, even after adding calcium carbonate (CaCO3) as drying additive. In this way, they improve the organolectic conditions, possible losses of nutrients by excessive lixiviation in the post-harvested wastes during the fermentation are avoided and it achieves their preservation in the time (Bartova et al. 2015Bartova, V., Jan-Barta, J., Brabcova, A., Zdrahal, Z. & Horackova, V. 2015. "Amino acid composition and nutritional value of four cultivated South American potato species".Journal of Food Composition and Analysis, 40: 78-85, ISSN: 0889-1575, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfca.2014.12.006.).

The objective of this study was to evaluate the effect of the fibrous materials inclusion on the solid-state fermentation of post-harvested wastes of S. tuberosum, inoculated with a microbial preparation with lactic acid activity.

Materials and Methods

The experiment of solid-state fermentation (SSF) was carry out under the high tropic conditions (2860 m o.s.l.), in the laboratory of biochemical and animal nutrition from Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC), located in the north central avenue, Tunja-Paipa road, in Tunja municipality, Boyacá department, Colombia. This region has an average temperature of 15°C and annual average rainfalls of 553 mm.

Experimental procedure. A yogurt with the active strains Lactobacillus delbrueckiis ssp. bulgaricus and Streptococcus thermophilus (commercial freeze-dried, Liofast Y452B, SACCO ®) was prepared, which was used as inoculum (2 %, v/v and concentration of 0.99 x 108 UFC/mL) to obtain the microbial preparation, according to Borras (2017)Borras, L.M. 2017. Obtención de un alimento por fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum para la suplementación de rumiantes. PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 100. methodology. The preparation was mixed with the draying plant material, calcium carbonate at 15 and 25 %. The composition of them is described in table 1.

 
Table 1.  Composition of the fibrous plant material used in the solid-state fermentation of post harvested wastes of S. tuberosum
Indicators (%)Fibrous plant material
Wheat branAlfalfa meal Rice meal
DM87.787.591.7
As5.010.48.3
CP15.116.013.0
CF9.834.67.5
EE3.51.9817.2

Source: Laboratory of Nutrition and Animal Feeding (UPTC 2013)

 

The ingredients were mixture until obtaining a homogeneous paste. They were distributed in plastic bags, with 1 kg capacity. Later, the bags were incubated at 20 °C temperature in individual Memmert® incubators, for 48h. Each bag represented an experimental unit, with three repetitions each, according to each treatment. Samples were taken at 0, 24 and 48h of fermentation.

The content of the bags of each treatment was collected in its entirety and was homogenized. Then, 5g of sample were taken and placed in 100 mL Erlenmeyers and 45 mL of sterile distilled water was added, with three repetitions. The preparation was shaken for 30 minutes on an Adams® electric shaker. Later, the filtrate was obtained for pH measurement on an Okaton® automatic potentiometer, in order to carry out the microbiological analysis.

The total of solids left in the bags were dried and ground in a UDY®, hammer mill with a 1 mm sieve, for chemical quantification analysis. For the analysis of dry matter (DM) and crude protein (CP), it was proceeded according to the AOAC (2005)AOAC (Association of Official Analytical Chemists). 2005. Official Methods of Analysis 18th Ed. Ed. Association of Officiating Analytical Chemists. Washington D.C., U.S.A, ISBN: 978-093-5584-752..For true protein (TP) Berstein was fallowed , cited by Meir (1986), and for the neutral detergent fiber (NDF) and acid detergent fiber (ADF), van Soest et al. (1991)Van Soest, P.J., Robertson, J.B. & Lewis, B.A. 1991. ""Methods for Dietary Fiber, Neutral Detergent Fiber, and Nonstarch Polysaccharides in Relation to Animal Nutrition". Journal of Dairy Science, 74(10): 3583-3597, ISSN: 0022-0302, DOI: https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(91)78551-2..

The ammoniac (NH3) was determined by Berthelot technique (Martínez et al. 2003Martínez, F., Balciunas, E., Salgado, J., González, J., Converti, A. & Oliveira, R. 2003. ""Lactic acid properties, applications and production: A review". Trends in Food Science & Technology, 30(1): 70-83, ISSN: 0924-2244, DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2012.11.007.).The quantification of short change acids (SCFA) was performed by the method suggested by Dinkci et al. (2007)Dinkci, N., Akalın, A., Gonc, S. & Una, L. G. 2007. ""Isocratic Reverse-Phase HPLC for Determination of Organic Acids in Kargı Tulum Cheese". Chromatographia, 66: 45-49, ISSN: 1612-1112, DOI: https://doi.org/10.1365/s10337-007-0234-6.. By means of high efficiency liquid chromatography HPLC the Gemini 5u C18 110A (PHENOMENEX) column was used, with UV light detector vis at 214 nm, at room temperature (15 °C), with mobile phase of (NH4)2 PO4 0.5 % W/V; Acetonitrile 0.4 % V/V. The pH was fitted at 2.24 with H3PO4 (filtered with 0.22 μm pore membrane and degassed by sonication and bubbling with hydrogen) and a flow rate of 0.5 mL/min was applied. It was quantified with the Claritychrom program, version 5.0.5.98.

The microbiological composition was determined to the samples of 0, 24 and 48h of fermentation, in a certified laboratory for the microbiological control, located in Boyacá, Colombia. For aerobic mesophiles (forming colony units per milliliter, UFC/mL) (AOAC 966.23.C: 2001), total and fecal coliforms, most probably number (MPN) (ICMSF NMP: 2000), spores of Clostridium sulfite reductor (UFC/mL), (ISO 15213: 2003), fungi and yeasts (UFC/mL) (ISO 7954: 1987), Salmonella (AS 5013.10: 2009), lactic acid bacteria (LAB) (NTC 5034: 2002).

Analysis of variance was carried out according to a completely randomized design, with factorial arrangement (3x3), for the indicators CP, TP, DM ,NDF, ADF, pH, organic acids, lactic acid and NH3.The factors, for 15 and 25 % of inclusion, were the fibrous plant material( wheat bran, alfalfa meal and rice meal) and the fermentation time (0, 24 and 48 h).

The Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478. test for P <0.05 was applied in the necessary cases. The statistical package used for the analysis was INFOSTAT, version 2012 (Di Rienzo et al. 2012Di Rienzo, J.A., Casanoves, F., Balzarini, M.G., González, L., Tablada, M. & Robledo, C.W. 2012. InfoStat version 2012 [Windows]. Grupo InfoStat, Universidad Nacional de Córdoba, Argentina. Available: http://www.infostat.com.ar.). For the microbial counting, the data did not fallow the normal distribution, which is why they were transformed according to logX.

Results and Discussion

The indicators in study for the dynamic of SSF of post-harvested wastes of S. tuberosum, inoculated with the microbial preparation, showed interaction between the evaluated fibrous materials and the fermentation time (tables 2, 3 and 4).

With the three evaluated plant materials, the fermentation pH decreased. At 48h, and with the inclusion of wheat bran, the lower value was obtained (4.73). In this case, the indicator was not stabilized, even when 0.50 % of LAB populations were added (Borras 2017Borras, L.M. 2017. Obtención de un alimento por fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum para la suplementación de rumiantes. PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 100.). The inclusion of 15% of alfalfa meal and rice meal favors, this indicator, maintaining values in the ranges for the microbial growth (P < 0.0001).These results could be due to, probably, to the chemical composition of the fiber of each material.

The ammonia concentration slightly increase in the fermentation with the inclusion of the three fibrous materials, and the highest value was obtained for the alfalfa meal (7.07 meq/L). According to Aranda et al. (2012)Aranda, E., Georgana, L., Ramos, J. & Salgado, S. 2012. "Elaboration of a feed based on the solid state fermentation of sugarcane and with different levels of zeolites".Cuban Journal of Agricultural Science, 46(2): 159-163, ISSN: 2079-3480., during the SSF process, the microorganisms requires nitrogen sources as the urea, and soluble carbohydrates as molasses, for turn by means of metabolic reactions the non protein nitrogen into protein nitrogen, maximizing the efficient use of NH3 in the amino acids synthesis. In addition, when the pH is low, the NH3 produced during the fermentation is retained in the substrate, it is concentrated and their use is limited by some microorganisms that are in the product for the formation of their cell protoplasm. Zhang y Wang (2013)Zhang, J. & Wang, Q. 2013. "Buffering and nutrient effects of white mud from ammonia soda process on thermophilic hydrogen fermentation from food waste". International Journal of Hydrogen Energy, 38(31): 13564-13571, ISSN: 0360-3199, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.08.047. showed that in the fermentation of food wastes, the CaCO3 maintains the necessary stability to obtain good yield and microbial growth. Therefore, the adding of this additive in 0.50 % achieved to maintain the stability in the organic acid production.

The results of the organic acids study showed absent of the acetic acid, butyric acid, isovaleric acid, isobutyric acid, and slightly production of lactic acid with corn meal, which can indicate that the addition of 15% of fiber of the different plant materials affects the fermentative yield of the LAB, with the decrease of the lactic acid, even when CaCO3 was added in 0.50 % for the pH stability. However, at 48h, with the addition of rice meal was higher (8.23 mmol/L). According to Pejin et al. (2015)Pejin, J., Radosavljevic, M., Mojović, L., Kocić-Tanackov, S. & Djukić-Voković, A. 2015. "The influence of calcium-carbonate and yeast extract addition on lactic acid fermentation of brewer´s spent grain hydrolysate". Food Research International, 73: 31-37, ISSN: 0963-9969, DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodres.2014.12.023., the calcium carbonate have significant effect on the lactic acid production by L. lactis as neutralizing agent, providing a favorable microenvironment to the cell. In addition, Martínez et al. (2003)Martínez, F., Balciunas, E., Salgado, J., González, J., Converti, A. & Oliveira, R. 2003. ""Lactic acid properties, applications and production: A review". Trends in Food Science & Technology, 30(1): 70-83, ISSN: 0924-2244, DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2012.11.007. reported that the minerals particles as calcium can benefits the growth and the microorganisms activity, and to absorb part of the organic matter. This could be use by the bacteria to synthesize and turn into energy, activating many enzymatic reactions or maintaining the normal physiological state of microorganisms, which was not observed for these indicators, probably by a dilution or disintegrative effect with the added fiber.

 
Table 2.  Effect of the inclusion of 15% of fibrous plant material on the pH, NH3 and lactic acid of solid fermentation of post-harvested wastes of Solanum tuberosum, inoculated with a microbial preparation
IndicatorsTime, h Fibrous plant material (15 %) SE ± Sign
Wheat bran Alfalfa meal Rice meal
pH06.77 h6.18 g6.78 h0.014 P<0.0001
245.38 d5.72 e5.82 f
484.73 a5.17 c5.04 b
NH3 (meq/L)02.15 a3.46 c2.90 b0.004 P<0.0001
244.55 e6.63 g4.53 d
486.79 h7.07 i5.87 f
Lactic acid (mmol/L)00.002a0.002a0.002 a0.003 P<0.0001
240.002a0.002a1.02 c
480.002a0.67b8.23 d

a, b, c, d, e, f, g, h,i Means with different letters show differences to P < 0.05, according to Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478.

 

Table 3 shows the effect of the inclusion of 15% of the fibrous plant material on the protein content and fiber content during the solid fermentation of post-harvested wastes of S. tuberosum, inoculated with the microbial preparation. The results showed interaction between the evaluated indicators and the fermentation time (P < 0.0001).

 
Table 3.  Effect of the inclusion of 15% of the fibrous plant material in the chemical composition during the solid fermentation of post-harvested wastes of S. tuberosum, inoculated with the microbial preparation.
Indicators, % Time, hFibrous plant material (15 %)SE ± Sign
Wheat branAlfalfa meal Rice meal
CP023.65 c19.75 a23.73 c0.416 P<0.0001
2431.74 e19.01 a21.05 b
4829.36 d21.90 b24.38 c
TP017.44 e13.55 c16.43 d0.158 P<0.0001
2417.61 e11.63 a11.60 a
4816.57 d12.93 b13.89 c
DM073.40 g77.86 i76.78 h0.011 P<0.0001
2466.67 d68.47 f61.98 a
4863.13 b65.63 c67.07 e
NDF048.61 c53.93 e63.34 i±0.013 P<0.0001
2446.94 b49.44 d62.66 h
4861.11 g35.76 a57.32 f
ADF018.96 g26.26 i5.74 b±0.015P<0.0001
2423.02 h15.24 f4.84 a
4814.98 e11.96 d6.95 c
Cell content 051.39c46.07b36.66a0.010 P<0.0001
2453.06c50.56b37.34a
4838.89a64.24c42.68b
Hemicellulose 029.65b27.67a57.60c0.020 P<0.0001
2423.92a34.20b57.82c
4846.13b23.80a50.37c

a, b, c, d, e, f, g, h, iMeans with different letters showed differences to P < 0.05, according to Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478.

 

In the composition of raw matter used as fibrous plant material, the CP of the wheat bran, alfalfa meal and rice meal was 15, 16 and 13 %, respectively. A notable increase occurs when they are mixture with the microbial preparation as biological accelerator with respect to the fermentation time (P < 0.0001), according to that published by Borras (2015)Borrás, L., Valiño, E.C., Elías, A., Martínez, J.J., Sanabria, A.M. & Becerra, M.L. 2020. "Inclusión de carbonato de calcio (CaCO3) en la fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum con un preparado microbial". Cuban Journal of Agricultural Science, 54 (4):535-545, ISSN: 2079-3480.. In addition, there was a marked effect on the wheat bran at 24h, with difference of 16.74 percentage units with respect to the protein of the origin material. For the alfalfa meal and rice meal, these differences were 8.57 and 12.79 percentage units. However, the relation (TP/CP x 100) shows that for this percent of inclusion this indicator is high in the alfalfa meal (61.55 %). It is fallow by the wheat bran (55.48 %), and then the rice meal (53.48 %) at 24 h. These results showed that the fermentation indicators (pH and organic acids) favor this relation with increase of the biomass in all cases with respect to the control (8.84 %) of the fermentation with the microbial preparation according Borras (2017)Borras, L.M. 2017. Obtención de un alimento por fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum para la suplementación de rumiantes. PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 100. to previous studies.

Ramos (2006)Ramos, J., Elías, A., Herrera, F., Aranda, E. & Mendoza, G. 2007. "Processes for the production of an energetic-proteinic animal feed. Effect of final molasses levels on the solid-state fermentation of Saccha-sorghum and Saccha-polishing". Cuban Journal of Agricultural Science, 41(2): 131-135, ISSN: 2079-3480., when using different substrates by SSF with low protein content, as rice meal, corn, sorghum and dehydrated citric pulp and energetic sources, increased the CP values, from 17.5 to 22.9 %, and the TP from 10.6 to 13.3 %.This author stated that this type of food could compete with commercial, when increasing their nutritive value.

Respect to the dry matter, the inclusion of 15% of plant material favored this indicator in all cases, with significant interaction during the fermentation time (P < 0.0001), and when showed the drying action of the evaluated materials. At 48h of fermentation, there was decrease of the indicator for the wheat bran and the alfalfa meal, of 10.27 and 12.23percentage units, with respect to 0h, respectively; while with the rice meal there was a concentration effect. The decrease of the DM it could due to the hydrolysis of the urea contained in the microbial preparation mixture and, possible, in low scale, to the desamination of peptides and amino acids with ammonia production. However, these values were lower. According to Rodríguez (2004)Rodríguez, Z. 2004. Uso del boniato (Ipomea batata Lam.) en la tecnología de fermentación en estado sólido de la caña de azúcar (Saccharum officinarum). PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p.100., the ammonia could volatilize, depending on the final pH of the process, by the microorganisms in the ecosystem during the metabolic process for the cell synthesis, oxidizing to fatty acids, CO2 and H2O.

In the fermented alfalfa meal, the NDF decreased in 18.17 percentage units, while in the rice meal the decrease was 6.02 %.However, in the wheat bran this indicator was concentrated in 12.5 percentage units, probably due to the own material composition. It is possible that the decrease in the fiber, when adding the fibrous material is related with a disintegration effect (Ramos et al. 2007Ramos, J., Elías, A., Herrera, F., Aranda, E. & Mendoza, G. 2007. "Processes for the production of an energetic-proteinic animal feed. Effect of final molasses levels on the solid-state fermentation of Saccha-sorghum and Saccha-polishing". Cuban Journal of Agricultural Science, 41(2): 131-135, ISSN: 2079-3480.), and the microorganisms used in the microbial preparation, produced concentrations of lactic acid and other acids that acts in the fiber. A similar effect was found for the ADF, where there was decrease with the inclusion of wheat bran (3.98 %) and alfalfa meal (14.3 %), not in the same way for the rice meal. For the indicators cell content and hemicelluloses, there were variations according to the fibrous material and the time, without a precise performance.

Table 4 shows the effect of the inclusion of 15% of the fibrous plant material on the microbial concentrations during the solid fermentation of post-harvested wastes of S. tuberosum, inoculated with the microbial preparation. In the samples analysis there was not potential pathogens (Salmonella and Clostridium), or coliforms, and there was growth of yeats and lactic bacteria. These lats show a very important growth at 48h, one hundred times more in alfalfa meal and wheat bran, in contrast to rice meal. This showed the effectiveness of the used inoculum, and the plant material used limited a little their growth. This result coincides with those found in the evaluated chemical indicators.

 
Table 4.  Microbiological analysis of the fermentation of post-harvested wastes of S. tuberosum with microbial preparation and inclusion of 15 % of fibrous material
Indicator log UFC/mL (UFC/mL)Incubation time Fibrous plant material (15 %)SE± sign
Wheat branAlfalfa meal Rice meal
Aerobic mesophilic05.12c (1.3x105)5.07b (1.2x105)5.22d (1.7x105)0.02 P<0.0001
247.99g (9.7x107)7.65f (4.4x107)5.01 a (1.0x105)
488.06h (1.0x108)7.67f (4.7x107)6.97e (9.3x106)
Yeasts04.44e (2.7x104)4.04cd (1.1x104)3.98c (1.0x103)0.02 P<0.0001
243.78b (6.0x103)4.06d (1.2x104)3.78b (6.0x103)
483.48a (3.0x103)5.56f (3.6x105)5.81g (6.5x105)
Lactic acid bacteria 05.70c (5.0x105)5.04a (1.0x105)5.31b (2.0x105)0.01 P<0.0001
247.41f (2.6x107)7.05e (1.1x107)5.30b (2.0x105)
487.99h (9.9x107)7.48f (3.0x107)6.59d (3.9x106)

a, b, c, d, k Means with different letters show differences to P < 0.05, according to Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478.

 

Data were transformed according to log10 (X) because they do not follow a normal distribution ( ) Mean of the colony forming units per milliliters (UFC•mL-1)

In the SSF dynamic of the post-harvested wastes of S. tuberosum, inoculated with the microbial preparation, the inclusion of 25 % of the different fibrous materials showed interaction between the evaluated indicators and the fermentation time (P < 0.0001) (tables 5, 6 and 7).

The fermentative indicators pH, concentration of NH3 and organic acids (table 5) had a similar performance to those observed with the inclusion of 15% of the fibrous material, except for the lactic acid. This indicator increased with the time, and was high when alfalfa meal was used (11. 01 mmol/L).

 
Table 5.  Effect of the inclusion of 25% of the fibrous plant material in the pH, NH3 and lactic acid in the solid fermentation of post-harvested wastes of S. tuberosum,inoculated with microbial preparation
IndicatorsTime (h)Fibrous plant material (25%)SE ± Sign
Wheat bran Alfalfa meal Rice meal
pH06.85 h6.33 f6.63 g0.045 P<0.0001
246.12 e6.30 f5.87 d
484.91a5.22 b5.63 c
NH3 meq.L-102.96 a3.74 c3.05 b0.003 P<0.0001
244.57 d6.34 h5.14 e
485.59 f6.73 i5.81 g
Lactic acid mmol.L-100.002 a0.002 a0.002 a0.003 P<0.0001
240.002 a0.002 a0.002 a
4810.02 a11.01 c9.13 b

a, b, c, d, e, f, g, h, i Means with different letters show differences to P < 0.05, according to Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478.

 

Table 6 shows that the inclusion of 25% of the fibrous plant materials favors the fermentative process with wheat bran and rice meal, in accordance with the CP values. However, in all cases there was TP decrease in the time, probably due to the dilution effect of the plant fibrous inclusion, and to a proteolytic and desaminative activity produced by the microorganisms that were established during SSF process. At the same time, this, is show in the increase of ammonia concentration (table 5), even with low values, as well as in the case of the produced lactic acid.

 
Table 6.  Effect of the inclusion of 25 % of the fibrous plant material on the performance of chemical indicators during the solid fermentation of the post-harvested wastes of S. tuberosum, inoculated with the microbial preparation.
Indicators, % Time, hFibrous plant material (25 %)SE ± Sign.
Wheat bran Alfalfa meal Rice meal
CP027.24 e22.73 a24.57 c0.296 P<0.0001
2426.42 de23.51 ab24.36 bc
4829.97 f23.18 a25.79 d
TP020.37 f16.32 d17.29 e0.152 P<0.0001
2416.65 d14.47 b14.42 b
4817.38 e15.73 c13.81 a
DM082.60 i80.86 h79.28 g0.012 P<0.0001
2469.96 d70.70 e64.61 b
4865.38 c75.80 f62.52 a
NDF062.71 i59.61 g53.98 e0.013 P<0.0001
2452.63 d58.42 f50.54 c
4850.34 b50.16 a62.40 h
ADF016.13 e41.89 i8.91 c0.014 P<0.0001
2416.96 f25.97 h8.33 b
4810.13 d23.44 g7.46 a
Cell content037.29a40.39b46.02c0.010 P<0.0001
2447.37b41.58a49.46c
4849.84c49.66b37.60a
Hemicellulose 046.58c17.72a45.07b0.020. P<0.0001
2426.66a41.46b42.21c
4840.21b26.72a54.94c

a, b, c, d, e, f, g, h,i Means with different letters show differences to P < 0.05, according to Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478.

 

The relation true protein with respect to crude protein, at 48h, is high for the alfalfa meal (67.86 %) and the wheat bran (57.99%) and, in low amount, for the rice meal (53.54 %). However, in the characteristics of the final fermentation with alfalfa meal there was high consistency, which is expressed in the dry matter (75.80 %), besides the pleasant odor and of other organoleptic characteristics that there were not in the rest and there were only qualitatively recorded.

Nkosi et al. (2015)Nkosi, B., Meeskeb, R., Langaa, T., Motianga, M., Mutavhatsindia, T., Thomasa, R., Groenewaldc, I. & Baloyid, J. 2015. "The influence of ensiling potato hash waste with enzyme/bacterial inoculant mixtures on the fermentation characteristics, aerobic stability and nutrient digestion of their resultant silages by rams". Small Ruminant Research, 127: 28-35, ISSN: 0921-4488, DOI: https://doi.org/10.1016/j.smallrumres.2015.04.013. evaluated the quality of a silage made with potato wastes, and inoculated with LAB, that was supplied to male sheep fed with alfalfa hay. These authors observed increase in protein, fiber decrease and increase in the animals digestibility. In addition, the drying material used improves the dry matter content of the silage. This performance is similar to those occurred in this study with the incorporation of the different raw matters, which acts as drying materials in the food, and considerably improves the DM content at 48h.

In this study, at 48h, there were differences in the DM of 17.22, 5.06 and 16.76 percentage units in wheat bran, alfalfa meal and rice meal, respectively, with relation to the fermentation beginning. This shows that the wheat bran and rice meal have higher involvement in the proteolysis and desamination process by the microbiota present in the fiber and the one that is added with the microbial preparation. In the alfalfa meal, this effect is lower with higher consistency, due to the high relation found of crude protein and true protein.

The previous explained could be associated to those expressed in many studies, where it refers that in the SSF processes the nutritional quality (Zhou et al. 2019Zhou, L., Mu, T., Ma, M., Zhang, M., Sun, Q. & Xu, Y. 2019. "Nutritional evaluation of different cultivars of potatoes (Solanum tuberosum L.) from China by grey relational analysis (GRA) and its application in potato steamed bread making". Journal of Integrative Agriculture, 18(1): 231-245, ISSN: 2095-3119, DOI: https://doi.org/10.1016/S2095-3119(18)62137-9. and Van et al. 2019Van, D.J., Hanzalovaa, K., Allah, M.S., Abela, C., Seiberta, T., Giavaliscob, P. & Wahla, V. 2019. "Limited nitrogen availability has cultivar-dependent effects on potato tuber yield and tuber quality traits".Food Chemistry, 288: 170-177, ISSN: 0308-8146, DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.02.113.) varies according to the post-harvested wastes used. This could be related with the potato crop technologies, soil (Motalebifard et al. 2013Motalebifard, R., Najafi, N., Oustan, S., Nyshabouri, M. & Valizadeh, M. 2013. "The combined effects of phosphorus and zinc on evapotranspiration, leaf water potential, water use efficiencyand tuber attributes of potato under water deficit conditions". Scientia Horticulturae, 162: 31-38, ISSN: 0304-4238, DOI: https://doi.org/10.1016/j.scienta.2013.07.043.) and climate (Ngobese et al. 2017Ngobese, N.Z., Workneh, T.S., Alimi, B.A. & Tesfay, S. 2017. "Nutrient composition and starch characteristics of eight European potato cultivars cultivated in South Africa". Journal of Food Composition and Analysis, 55: 1-11, ISSN: 0889-1575, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfca.2016.11.002.), among others.

The performance of the cell content and hemicellulose was similar to those observed with the inclusion of 15% of the fibrous materials. However, the NDF performance was different. In this moment, decrease for the wheat bran and the alfalfa meal, while it was focused with rice meal. The ADF, comparing with the initial values, showed marked decrease, but this effect was lower in the rice meal. This coincides with Ramos (2006)Ramos, J., Elías, A., Herrera, F., Aranda, E. & Mendoza, G. 2007. "Processes for the production of an energetic-proteinic animal feed. Effect of final molasses levels on the solid-state fermentation of Saccha-sorghum and Saccha-polishing". Cuban Journal of Agricultural Science, 41(2): 131-135, ISSN: 2079-3480. and Elías and Herrera (2008)Elías, A. & Herrera, F.R. 2008. Producción de alimentos para animales a través de procesos biotecnológicos sencillos con el empleo de microorganismos beneficiosos activados (MEBA). Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 8-13. studies, when using corn meal, sweet potato tubers and cassava tubers, as disgregators elements, with those who achieved decrease until 10% of the fibrous component.

Table 7 shows the microbiological analysis of foods with inclusion of 25% of fibrous material. There was not pathogens microorganisms and, the same with 15%, there was important increase of the LAB, especially when the alfalfa meal was used as drying material, which shows superior conditions when improves the humidity content in the food. This performance was showed in the other indicators. Thomas et al. (2013)Thomas, R., Nkosi, D., Umesiobi, O., Meeske, R., Kanengoni, T. & Langa, T. 2013. "Evaluation of potato hash two silage inoculants bacteria and their effects on the growth of fattening pigs". South African Journal of Animal Science, 40(5): 488-490, ISSN: 2221-4062. showed the importance of inoculated with LAB in the elaboration of potato silage. These authors could improve the fermentative indicators and the characteristics of the final food for animal feeding, especially in ruminants.

 
Table 7.  Microbiological analysis of the fermentation of post-harvested wastes of S. tuberosum with the microbial preparation and inclusion of 25% of fibrous material
Microorganism Log 10 UFC/mL (UFC/mL)Time, h Fibrous plant material 25 % SE ± Sign.
Wheat bran Alfalfa mealRice meal
Aerobic mesophilic04.96a (9.0x104)5.17c (1.4x105)5.11 b (1.3x105)0.020 P<0.0001
245.00a (1.0x105)7.92g (8.3x107)7.79f (6.2x107)
487.25e (1.8x107)7.95g (8.9x107)6.91d (8.2x106)
Yeats04.27e (1.9x104)3.90c (8.0x103)3.60b (4.0x103)0.020 P<0.0001
243.99d (9.9x103)4.29e (2.0x104)1.98a (1.0x102)
485.60g (4.0x105)5.68h (4.8x105)5.37f (2.4x105)
LAB05.31c (2.0x105)5.00a (1.0x105)5.26c (1.9x105)0.020 P<0.0001
245.15b (1.4x105)7.57g (3.7x107)6.71d (5.2x106)
486.90f (8.0x106)7.88h (7.7x107)6.85e (7.1x106)

Means with a common letter are not significant different (P < 0.05)

*Data were transformed according to log10 (X) because they do not follow a normal distribution ( ) means of the colony forming units per milliliters (cfu•mL-1)

 

The LAB could control the initial period of the fermentation, with the elimination of enterobacteria, clostridia and other microorganisms, with the consequent decrease of the proteolysis and dry matter loss in the fermentation with the excretion of exopolysaccharides. In the active fermentation period could expected a faster action, and lower values that could preserve the protein during the silage, and to contribute to the food digestibility (Muck et al. 2018Muck, R.E., Nadeau, E.M.G., McAllister, T.A., Contreras-Govea, F.E., Santos, M.C. & Kung, L. 2018. "Silage review: Recent advances and future uses of silage additives". Journal of Dairy Science, 101(5): 3980-4000, ISSN: 0022-0302, DOI: https://doi.org/10.3168/jds.2017-13839.). In this sense the aspects of more importance are the adequate selection of the strain or mixtures of them (Pardo and Ferrer 2019Pardo, I. & Ferrer, S. 2019. Chapter 7 - Yeast-Bacteria Coinoculation. In: Red Wine Technology. Morata, A, (ed.). 1st Ed. Ed. Academic Press. Madrid, Spain, p. 99-114, ISBN: 978-0-12-814399-5, DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814399-5.00007-4.), the culture medium and the fermentative conditions that allow to obtain high viability level during the process (FAO 2016FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations). 2016. Probiotics in animal nutrition. Production, impact and regulation by Yadav S. Bajagai, Athol V. Klieve, Peter J. Dart and Wayne L. Bryden. Editor Harinder P.S. Makkar. FAO Animal Production and Health Paper No. 179. Rome.).

By the previous reasons, the maintaining of the stability and cell viability during the whole process is of great importance for the successful production of biopreparations, when fibrous materials that contributes to the odor, taste, texture and nutritional value of fermented food are mixed.

The results allowed to conclude that the inclusion of fibrous materials in the solid-state fermentation of post harvested wastes of S. tuberosum, inoculated with a microbial preparation, have positive effect on their chemical and microbiological composition. It is recommended, by the quality indicators of the final product, the use of 25% OF alfalfa meal, fermented at 20 °C, during 48h.

 
 
 

 

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Received: 02/02/2020

Accepted: 25/06/2020

 
 

Conflict of interest: The authors declare that there are no conflicts of interests among them

Author´s contribution: D.M. Verdecia: Design the experiment, data analysis, manuscript writingR. del Carmen Herrera-Herrera: Design the experiment, data analysis, manuscript writingR.S. Herrera: Design the experiment, data analysis, manuscript writing. J.L. Ramírez: Design the experiment, data analysis, manuscript writing. S. López: Design the experiment, data analysis, manuscript writing. L.G. Hernández-Montiel: Design the experiment, data analysis, manuscript writing. E. Torres, A.R. Sánchez: data analysis, manuscript writing. R. Bodas: data analysis, manuscript writing. F.J. Giráldez: data analysis, manuscript writing. J. Guillaume: data analysis, manuscript writing. H. Uvidia: data analysis, manuscript writing.

 

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Ciencia Animal
 
Efecto de la inclusión de materiales fibrosos en la fermentación en estado sólido de residuos poscosecha de Solanum tuberosum, inoculados con un preparado microbiano
 

iDL.M. Borras1Pedagogical and Technological University of Colombia, GIBNA research group UPTC. Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia*✉:

iDElaine C. Valiño2Animal Science Institute of Cuba. Carretera Central, km 47 y medio, San José de las Lajas, Apartado Postal 24

A. Elías2Animal Science Institute of Cuba. Carretera Central, km 47 y medio, San José de las Lajas, Apartado Postal 24

iDJ.J. Martínez1Pedagogical and Technological University of Colombia, GIBNA research group UPTC. Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia

iDA.M. Sanabria1Pedagogical and Technological University of Colombia, GIBNA research group UPTC. Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia

iDMónica L. Becerra1Pedagogical and Technological University of Colombia, GIBNA research group UPTC. Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia

 

1Pedagogical and Technological University of Colombia, GIBNA research group UPTC. Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia

2Animal Science Institute of Cuba. Carretera Central, km 47 y medio, San José de las Lajas, Apartado Postal 24

 

Resumen

Con el propósito de evaluar la fermentación en estado sólido de residuos poscosecha de S. tuberosum (papa), inoculados con un preparado microbiano, se realizó análisis de varianza según diseño completamente aleatorizado con arreglo factorial (3 x 3) para los indicadores fermentativos proteína bruta, proteína verdadera, materia seca, fibra neutro detergente, fibra ácido detergente, pH, ácidos orgánicos, ácido láctico, NH3 y análisis microbiológico. Los factores fueron 15 y 25 % de inclusión de tres materiales vegetales fibrosos (salvado de trigo, harina de alfalfa y harina de arroz) y tres tiempos de fermentación (0, 24 y 48 h) con tres repeticiones. La inclusión del 15 como del 25 % de los distintos materiales fibrosos en las fermentaciones se realizó en las mismas condiciones, y mostró interacción entre los indicadores evaluados y el tiempo de fermentación (P < 0.0001). El pH, materia seca, fibra neutro detergente y fibra ácido detergente disminuyeron notablemente en los tres materiales fibrosos. Se encontraron valores muy bajos de ácido láctico y amoniaco (P < 0.0001) con efecto dilutivo por la fibra. No hubo presencia de microorganismos patógenos, y sí valores significativos de bacterias ácido lácticas, a las 48 h, en la mezcla con harina de alfalfa de 3.03 x 107 y 7.67 x 107 UFC/mL para 15 y 25 % de inclusión, respectivamente. La proteína bruta y verdadera se incrementaron en 25 % con harina de alfalfa, y la materia seca alcanzó al término del proceso 75.80 % para este tratamiento. Se concluye que la inclusión de materiales fibrosos en la fermentación en estado sólido de residuos poscosecha de S. tuberosum, inoculados con un preparado microbiano con actividad ácido láctica, tiene efecto positivo en su composición química y microbiológica. Se recomienda por los indicadores de calidad del producto final, la utilización de 25% de la harina de alfalfa, fermentado a 20°C durante 48 h.

Palabras clave: 
papa; salvado de trigo; harina de arroz; alfalfa; bacterias lácticas.
 
 
 

La papa (Solanum tuberosum L.) es la cuarta cosecha de alimento en el mundo, con 377 millones de toneladas después del maíz, arroz y trigo (FAO 2015FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) 2015. Situación de la lechería en América Latina y el Caribe en el 2011. Boletín, FAO Animal Production and Health. FEPALE 6-9.). Este cultivo genera abundantes residuos del tubérculo, no aptos para el consumo humano, que contaminan el ambiente. Estos desechos se pudieran transformar con tecnologías sencillas en alimento de buena calidad para el ganado, a costos muy bajos (Elías et al. 2008Elías, A. & Herrera, F.R. 2008. Producción de alimentos para animales a través de procesos biotecnológicos sencillos con el empleo de microorganismos beneficiosos activados (MEBA). Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 8-13. y Borras 2017Borras, L.M. 2017. Obtención de un alimento por fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum para la suplementación de rumiantes. PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 100.).

En Colombia, los residuos poscosecha de la papa se utilizan como una alternativa en la alimentación animal. Se incorporan a las dietas en estado fresco, a bajos niveles, por lo que se desecha una buena cantidad, proceder que genera problemas ambientales y sanitarios, debido a la propagación de plagas en los cultivos. Sin embargo, la aplicación de la tecnología de fermentación en estado sólido (FES) de estos residuales, como alternativa de uso en la nutrición animal, pudiera cumplir dos funciones: mejorar la calidad nutricional (Zhou et al. 2019Zhou, L., Mu, T., Ma, M., Zhang, M., Sun, Q. & Xu, Y. 2019. "Nutritional evaluation of different cultivars of potatoes (Solanum tuberosum L.) from China by grey relational analysis (GRA) and its application in potato steamed bread making". Journal of Integrative Agriculture, 18(1): 231-245, ISSN: 2095-3119, DOI: https://doi.org/10.1016/S2095-3119(18)62137-9.) de los alimentos utilizados y, especialmente, disminuir la contaminación ambiental que genera la disposición final de estos residuales. Además, el conocimiento profundo del metabolismo y la fisiología de las bacterias ácido lácticas (BAL) en preparados microbianos, como inoculantes (Muck et al. 2018Muck, R.E., Nadeau, E.M.G., McAllister, T.A., Contreras-Govea, F.E., Santos, M.C. & Kung, L. 2018. "Silage review: Recent advances and future uses of silage additives". Journal of Dairy Science, 101(5): 3980-4000, ISSN: 0022-0302, DOI: https://doi.org/10.3168/jds.2017-13839.) previos a la fermentación de distintos sustratos de fermentación, permitirá generar mezclas microbianas cada vez más definidas y reproducibles en la calidad del producto final (Bintsis 2018Bintsis, T. 2018. "Lactic acid bacteria as starter cultures: An update in their metabolism and genetics". AIMS Microbiology, 4(4): 665-684, ISSN: 2471-1888, DOI: https://doi.org/10.3934/microbiol.2018.4.665.) y actividad probiótica (FAO 2016FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations). 2016. Probiotics in animal nutrition. Production, impact and regulation by Yadav S. Bajagai, Athol V. Klieve, Peter J. Dart and Wayne L. Bryden. Editor Harinder P.S. Makkar. FAO Animal Production and Health Paper No. 179. Rome.).

Borras (2017)Borras, L.M. 2017. Obtención de un alimento por fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum para la suplementación de rumiantes. PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 100., en un estudio realizado en fermentaciones de desechos de papa con un preparado microbiano con actividad láctica, sugirió que dichas fermentaciones deben ser corregidas con la inclusión de materiales vegetales fibrosos que actúen como secante y provean de más consistencia, debido a la alta humedad que conservan, aún después de añadirle carbonato de calcio (CaCO3) como aditivo secante. De esta forma, mejoran las condiciones organolépticas, se evitan posibles pérdidas de nutrientes por excesiva lixiviación en los desechos poscosecha durante la fermentación, y se logra además su preservación en el tiempo (Bartova et al. 2015Bartova, V., Jan-Barta, J., Brabcova, A., Zdrahal, Z. & Horackova, V. 2015. "Amino acid composition and nutritional value of four cultivated South American potato species".Journal of Food Composition and Analysis, 40: 78-85, ISSN: 0889-1575, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfca.2014.12.006.).

A partir de lo anterior, el objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto de la inclusión de materiales fibrosos en la fermentación en estado sólido de residuos poscosecha de S. tuberosum, inoculados con un preparado microbiano con actividad ácido láctica.

Materiales y Métodos

El experimento de fermentación en estado sólido (FES) se realizó en las condiciones del trópico alto (2860 m s.n.m.), en el laboratorio de bioquímica y nutrición animal de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC), ubicado en la avenida central del norte, vía Tunja-Paipa, en el municipio de Tunja, departamento de Boyacá, Colombia. Esta región posee una temperatura promedio de 15 °C y precipitación media anual de 553 mm.

Procedimiento experimental. Se elaboró un yogurt con las cepas activas de Lactobacillus delbrueckiis ssp bulgaricus y Streptococcus thermophilus (comercial liofilizado, Liofast Y452B, SACCO ®), el cual se utilizó como inóculo (2 %, v/v y concentración de 0.99 x 108 UFC/mL) para la obtención del preparado microbiano, según metodología de Borras (2017)Borras, L.M. 2017. Obtención de un alimento por fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum para la suplementación de rumiantes. PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 100.. El preparado (2 %) se mezcló con los materiales vegetales secantes, carbonato de calcio (0.5 %) y residuos poscosecha de la papa, previamente limpios y troceados. Los materiales vegetales se añadieron al 15 y 25 %. La composición de los mismos se describe en la tabla 1.

 
Tabla 1.  Composición del material vegetal fibroso utilizado en la fermentación en estado sólido de residuos poscosecha de S. tuberosum.
Indicadores (%)Materiales vegetales fibrosos
Salvado de trigoHarina de alfalfaHarina de arroz
MS87.787.591.7
Cz5.010.48.3
PB15.116.013.0
FB9.834.67.5
EE3.51.9817.2

Fuente: Laboratorio de Nutrición y Alimentación Animal (UPTC 2013)

 

Los ingredientes se mezclaron hasta obtener una pasta homogénea. Se distribuyeron en bolsas plásticas, con capacidad de 1 kg. Posteriormente, se incubaron las bolsas a temperatura de 20 °C en incubadoras individuales, marca Memmert®, durante 48 h. Cada bolsa representó una unidad experimental, con tres repeticiones cada una, según cada tratamiento. Se tomaron muestras a las 0, 24 y 48 h de fermentación.

El contenido de las bolsas de cada tratamiento se recolectó en su totalidad y se homogenizó. Luego, se tomaron 5 g de muestra, que se colocaron en Erlenmeyer de 100 mL y se les adicionó 45 mL de agua destilada estéril, con tres repeticiones. La preparación se agitó durante 30 min. en un agitador eléctrico, marca Adams®. Luego, se obtuvo el filtrado para la medición del pH en un potenciómetro automático, marca Okaton®, con el propósito de realizar el análisis microbiológico.

El total de los sólidos que quedó en las bolsas se secó y molió en un molino de martillo, marca UDY®, con criba de 1 mm, para el análisis de cuantificación química. Para el análisis de materia seca (MS) y proteína bruta (PB) se procedió según la AOAC (2005)AOAC (Association of Official Analytical Chemists). 2005. Official Methods of Analysis 18th Ed. Ed. Association of Officiating Analytical Chemists. Washington D.C., U.S.A, ISBN: 978-093-5584-752.. Para la proteína verdadera (PV) se siguió a Berstein, citado por Meir (1986), y para la fibra neutro detergente (FND) y fibra ácido detergente (FAD), a van Soest et al. (1991)Van Soest, P.J., Robertson, J.B. & Lewis, B.A. 1991. ""Methods for Dietary Fiber, Neutral Detergent Fiber, and Nonstarch Polysaccharides in Relation to Animal Nutrition". Journal of Dairy Science, 74(10): 3583-3597, ISSN: 0022-0302, DOI: https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(91)78551-2..

El amoniaco (NH3) se determinó por la técnica de Berthelot (Martínez et al. 2003Martínez, F., Balciunas, E., Salgado, J., González, J., Converti, A. & Oliveira, R. 2003. ""Lactic acid properties, applications and production: A review". Trends in Food Science & Technology, 30(1): 70-83, ISSN: 0924-2244, DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2012.11.007.). La cuantificación de ácidos de cadena corta (AGCC) se realizó por el método sugerido por Dinkci et al. (2007)Dinkci, N., Akalın, A., Gonc, S. & Una, L. G. 2007. ""Isocratic Reverse-Phase HPLC for Determination of Organic Acids in Kargı Tulum Cheese". Chromatographia, 66: 45-49, ISSN: 1612-1112, DOI: https://doi.org/10.1365/s10337-007-0234-6.. Por medio de cromatografía líquida de alta eficiencia HPLC se utilizó la columna Gemini 5u C18 110A (PHENOMENEX), con detector de luz UV vis a 214 nm, a temperatura ambiente (15 °C), con fase móvil de (NH4)2 PO4 0.5 % P/V; Acetonitrilo 0.4%V/V. Se ajustó el pH a 2.24 con H3PO4 (filtrada con membrana de 0.22 µm de poro, desgasificada por sonicación y burbujeo con hidrógeno) y se aplicó un flujo de 0.5 mL/min. Se cuantificó con el programa Claritychrom, versión 5.0.5.98.

Se determinó la composición microbiológica a las muestras de 0, 24 y 48 h de fermentación, en un laboratorio certificado para el control microbiológico, ubicado en Boyacá, Colombia. Para aerobios mesófilos (unidades formadoras de colonia por mililitro, UFC/mL) (AOAC 966.23.C: 2001), coliformes totales y fecales, número más probable (NMP) (ICMSF NMP: 2000), esporas de Clostridium sulfito reductor (UFC/mL), (ISO 15213:2003), hongos y levaduras (UFC/mL) (ISO 7954:1987), Salmonella (AS 5013.10:2009), bacterias ácido lácticas (BAL) (NTC 5034: 2002).

Se realizó análisis de varianza según diseño completamente aleatorizado, con arreglo factorial (3 x 3), para los indicadores PB, PV, MS, FDN, FDA, pH, ácidos orgánicos, ácido láctico y NH3. Los factores, para 15 y 25 % de inclusión, fueron los materiales vegetales fibrosos (salvado de trigo, harina de alfalfa y harina de arroz) y el tiempo de fermentación (0, 24 y 48 h).

Se aplicó la dócima de Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478. para P < 0.05 en los casos necesarios. El paquete estadístico utilizado para los análisis fue INFOSTAT, versión 2012 (Di Rienzo et al. 2012Di Rienzo, J.A., Casanoves, F., Balzarini, M.G., González, L., Tablada, M. & Robledo, C.W. 2012. InfoStat version 2012 [Windows]. Grupo InfoStat, Universidad Nacional de Córdoba, Argentina. Available: http://www.infostat.com.ar.). Para los conteos microbianos, los datos no siguieron la distribución normal, por lo que se transformaron según logX.

Resultados y Discusión

Los indicadores en estudio para la dinámica de FES de los residuos poscosecha de S. tuberosum, inoculados con el preparado microbiano, mostraron interacción entre los materiales fibrosos evaluados y el tiempo de fermentación (tablas 2, 3 y 4).

Con los tres materiales vegetales evaluados disminuyó el pH de la fermentación. A las 48 h, y con la inclusión de salvado de trigo, se obtuvo el valor más bajo (4.73). En este caso no se estabilizó el indicador, aun cuando se añadió 0.50 % de las poblaciones de BAL (Borras 2017Borras, L.M. 2017. Obtención de un alimento por fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum para la suplementación de rumiantes. PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 100.). La inclusión de 15 % de harina de alfalfa y de arroz favoreció, al parecer, este indicador, manteniendo valores en los rangos para el crecimiento microbiano (P < 0.0001). Estos resultados se pueden deber, probablemente, a la composición química de las fibras de cada material.

La concentración de amoníaco aumentó ligeramente en la fermentación con la inclusión de los tres materiales fibrosos, y el mayor valor se obtuvo para la harina de alfalfa (7.07 meq/L). Según Aranda et al. (2012)Aranda, E., Georgana, L., Ramos, J. & Salgado, S. 2012. "Elaboration of a feed based on the solid state fermentation of sugarcane and with different levels of zeolites".Cuban Journal of Agricultural Science, 46(2): 159-163, ISSN: 2079-3480., durante el proceso de FES, los microorganismos requieren fuentes de nitrógeno como la urea, y de carbohidratos solubles como la miel, para convertir mediante reacciones metabólicas el nitrógeno no proteico en nitrógeno proteico, maximizando el uso eficiente del NH3 en la síntesis de aminoácidos. Además, cuando se tiene bajo pH, el NH3 producido durante la fermentación se retiene en el sustrato, por lo que se concentra y su utilización es limitada por parte de los algunos microorganismos que prevalecen en el producto para la formación de su protoplasma celular. Zhang y Wang (2013)Zhang, J. & Wang, Q. 2013. "Buffering and nutrient effects of white mud from ammonia soda process on thermophilic hydrogen fermentation from food waste". International Journal of Hydrogen Energy, 38(31): 13564-13571, ISSN: 0360-3199, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.08.047. manifestaron que en la fermentación de residuos de alimentos, el CaCO3 logra mantener la estabilidad necesaria para obtener buen rendimiento y crecimiento microbiano. Por tanto, la adición de este aditivo en 0.50 % logró mantener la estabilidad en la producción de ácidos orgánicos.

Los resultados del estudio de los ácidos orgánicos muestran ausencia del ácido acético, butírico, isovalérico, isobutírico, y ligera producción de ácido láctico con harina de maíz, lo que puede indicar que la adición de 15 % de fibra de los diferentes materiales vegetales afecta el rendimiento fermentativo de las BAL, con la disminución del ácido láctico, aun cuando se adicionó CaCO3 en 0.50 % para la estabilidad del pH. Sin embargo, a las 48 h, con la adición de harina de arroz fue más alta (8.23 mmol/L). Según Pejin et al. (2015)Pejin, J., Radosavljevic, M., Mojović, L., Kocić-Tanackov, S. & Djukić-Voković, A. 2015. "The influence of calcium-carbonate and yeast extract addition on lactic acid fermentation of brewer´s spent grain hydrolysate". Food Research International, 73: 31-37, ISSN: 0963-9969, DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodres.2014.12.023., el carbonato de calcio tiene efecto significativo en la producción del ácido láctico por L. lactis como agente neutralizante, lo que le proporciona un microambiente favorable a la célula. Además, Martínez et al. (2003)Martínez, F., Balciunas, E., Salgado, J., González, J., Converti, A. & Oliveira, R. 2003. ""Lactic acid properties, applications and production: A review". Trends in Food Science & Technology, 30(1): 70-83, ISSN: 0924-2244, DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2012.11.007. informaron que las partículas minerales como el calcio pueden beneficiar el crecimiento y la actividad de los microorganismos, y absorber parte de la materia orgánica. Esto podría ser utilizado por las bacterias para sintetizar y transformar en energía, activando muchas reacciones enzimáticas o manteniendo el estado normal fisiológico de los microorganismos, lo que no se observó para estos indicadores, probablemente por un efecto dilutivo o disgregativo con la fibra añadida.

 
Tabla 2.  Efecto de la inclusión de 15 % del material vegetal fibroso en el pH, NH3 y ácido láctico de la fermentación sólida de residuos poscosecha de Solanum tuberosum, inoculados con un preparado microbiano.
Indicadores Tiempo, h Material vegetal fibroso (15 %) EE ± Sign
Salvado de trigoHarina de alfalfaHarina de arroz
pH06.77 h6.18 g6.78 h0.014 P<0.0001
245.38 d5.72 e5.82 f
484.73 a5.17 c5.04 b
NH3 (meq/L)02.15 a3.46 c2.90 b0.004 P<0.0001
244.55 e6.63 g4.53 d
486.79 h7.07 i5.87 f
Ácido láctico (mmol/L)00.002a0.002a0.002 a0.003 P<0.0001
240.002a0.002a1.02 c
480.002a0.67b8.23 d

a, b, c, d, e, f, g, h,i Medias con letras distintas indican diferencias a P < 0.05, según Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478.

 

En la tabla 3 se muestra el efecto de inclusión de 15 % del material vegetal fibroso en el contenido de proteína y fibra durante la fermentación sólida de residuos poscosecha de S. tuberosum, inoculados con el preparado microbiano. Los resultados mostraron interacción entre los indicadores evaluados y el tiempo de fermentación (P < 0.0001).

En la composición de las materias primas utilizadas como material vegetal fibroso, la PB del salvado de trigo, harina de alfalfa y harina de arroz fue 15, 16 y 13 %, respectivamente. Ocurre un notable incremento cuando se mezclan con el preparado microbiano como acelerador biológico con respecto al tiempo de fermentación (P < 0.0001), según lo publicado por Borras (2015)Borrás, L., Valiño, E.C., Elías, A., Martínez, J.J., Sanabria, A.M. & Becerra, M.L. 2020. "Inclusión de carbonato de calcio (CaCO3) en la fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum con un preparado microbial". Cuban Journal of Agricultural Science, 54 (4):535-545, ISSN: 2079-3480.. Además, se observó un efecto marcado en el salvado de trigo a las 24 h, con diferencia de 16,74 unidades porcentuales con respecto a la proteína del material de origen. Para la harina de alfalfa y harina de arroz, estas diferencias fueron de 8.57 y 12.79 unidades porcentuales. Sin embargo, la relación (PV/PB x 100) indica que para este por ciento de inclusión es mayor este indicador en la harina de alfalfa (61.55 %). Le sigue el salvado de trigo (55.48 %), y luego la harina de arroz (53.48 %) a las 24 h. Estos resultados señalan que los indicadores de la fermentación (pH y ácidos orgánicos) favorecieron esta relación con incremento de la biomasa en todos los casos con respecto al control (8.84 %) de la fermentación con el preparado microbiano, según estudios previos de Borras (2017)Borras, L.M. 2017. Obtención de un alimento por fermentación en estado sólido de residuos de poscosecha de Solanum tuberosum para la suplementación de rumiantes. PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 100..

Ramos (2006)Ramos, J., Elías, A., Herrera, F., Aranda, E. & Mendoza, G. 2007. "Processes for the production of an energetic-proteinic animal feed. Effect of final molasses levels on the solid-state fermentation of Saccha-sorghum and Saccha-polishing". Cuban Journal of Agricultural Science, 41(2): 131-135, ISSN: 2079-3480., al emplear diferentes sustratos por FES con bajo contenido de proteína, como harina de arroz, maíz, sorgo, pulpa de cítrico deshidratada y fuentes energéticas, logró incrementar los valores de PB, de 17.5 a 22.9 %, y la PV de 10.6 a 13.3 %. Este autor afirmó que este tipo de alimento pudiera competir con alimentos comerciales, al aumentar su valor nutritivo.

En cuanto a la materia seca, la inclusión de 15 % de los materiales vegetales favoreció este indicador en todos los casos, con interacción significativa durante el tiempo de fermentación (P < 0.0001), y al mostrar la acción secante de los materiales evaluados. A las 48 h de fermentación, hubo disminución del indicador para el salvado de trigo y la harina de alfalfa, de 10.27 y 12.23 unidades porcentuales, con respecto a las 0 h, respectivamente; mientras que con harina de arroz se observó un efecto de concentración. La disminución de la MS se pudo deber a la hidrólisis de la urea contenida en la mezcla del preparado microbial y, posiblemente, en menor escala, a la desaminación de péptidos y aminoácidos con la producción de amoníaco. Sin embargo, estos valores fueron bajos. Según Rodríguez (2004)Rodríguez, Z. 2004. Uso del boniato (Ipomea batata Lam.) en la tecnología de fermentación en estado sólido de la caña de azúcar (Saccharum officinarum). PhD Thesis. Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p.100., el amoníaco se pudiera volatilizar, en dependencia del pH final del proceso, por parte de los microorganismos presentes en el ecosistema durante el proceso metabólico para la síntesis celular, oxidándolos a ácidos grasos, CO2 y H2O.

En la harina de alfalfa fermentada, la FDN disminuyó en 18.17 unidades porcentuales, mientras que en la harina de arroz la reducción fue de 6.02 %. Sin embargo, en el salvado de trigo este indicador se concentró en 12.5 unidades porcentuales, probablemente debido a la composición propia del material. Es posible que la disminución en la fibra, al adicionar el material fibroso esté relacionada con un efecto de disgregación (Ramos et al. 2007Ramos, J., Elías, A., Herrera, F., Aranda, E. & Mendoza, G. 2007. "Processes for the production of an energetic-proteinic animal feed. Effect of final molasses levels on the solid-state fermentation of Saccha-sorghum and Saccha-polishing". Cuban Journal of Agricultural Science, 41(2): 131-135, ISSN: 2079-3480.), y que los microorganismos utilizados en el preparado microbiano, producen concentraciones de ácido láctico y otros ácidos que actúan en la fibra. Un efecto similar se encontró para la FAD, donde hubo reducción con la inclusión de salvado de trigo (3.98 %) y harina de alfalfa (14.3 %), no siendo así para la harina de arroz. Para los indicadores contenido celular y hemicelulosa, se encontraron variaciones según los materiales fibrosos y el tiempo, sin un comportamiento preciso.

 
Tabla 3.  Efecto de inclusión de 15 % del material vegetal fibroso en la composición química durante la fermentación sólida de residuos poscosecha de S. tuberosum, inoculados con el preparado microbiano.
Indicadores, % Tiempo, hMaterial vegetal fibroso (15 %) EE ± Sign
Salvado de trigoHarina de alfalfaHarina de arroz
PB023.65 c19.75 a23.73 c0.416 P<0.0001
2431.74 e19.01 a21.05 b
4829.36 d21.90 b24.38 c
PV017.44 e13.55 c16.43 d0.158 P<0.0001
2417.61 e11.63 a11.60 a
4816.57 d12.93 b13.89 c
MS073.40 g77.86 i76.78 h0.011 P<0.0001
2466.67 d68.47 f61.98 a
4863.13 b65.63 c67.07 e
FND048.61 c53.93 e63.34 i±0.013 P<0.0001
2446.94 b49.44 d62.66 h
4861.11 g35.76 a57.32 f
FAD018.96 g26.26 i5.74 b±0.015 P<0.0001
2423.02 h15.24 f4.84 a
4814.98 e11.96 d6.95 c
Contenido celular051.39c46.07b36.66a0.010 P<0.0001
2453.06c50.56b37.34a
4838.89a64.24c42.68b
Hemicelulosa029.65b27.67a57.60c0.020 P<0.0001
2423.92a34.20b57.82c
4846.13b23.80a50.37c

a, b, c, d, e, f, g, h, i Medias con letras distintas indican diferencias a P < 0.05, según Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478.

 

En la tabla 4 se muestra el efecto de inclusión de 15 % del material vegetal fibroso en las concentraciones microbianas durante la fermentación sólida de residuos poscosecha de S. tuberosum, inoculados con el preparado microbiano. En el análisis de las muestras no se encontraron patógenos potenciales (Salmonella y Clostridium), ni coliformes, y sí hubo crecimiento de levaduras y bacterias lácticas. Estas últimas muestran un crecimiento muy importante a las 48 h, cien veces más en harina de alfalfa y salvado de trigo, a diferencia de la harina de arroz. Esto demuestra la eficacia del inóculo utilizado, y que los materiales vegetales usados limitaron muy poco su crecimiento. Este resultado coincide con lo hallado en los indicadores químicos evaluados.

 
Tabla 4.  Análisis microbiológico de la fermentación de los residuales poscosecha de S. tuberosum con el preparado microbial e inclusión de 15 % de material fibroso.
Indicador log UFC/mL (UFC/mL)Tiempo de incubaciónMaterial fibroso vegetal (15 %) EE± sign
Salvado de trigoHarina de alfalfaHarina de arroz
Aerobios mesófilos05.12c (1.3x105)5.07b (1.2x105)5.22d (1.7x105)0.02 P<0.0001
247.99g (9.7x107)7.65f (4.4x107)5.01 a (1.0x105)
488.06h (1.0x108)7.67f (4.7x107)6.97e (9.3x106)
Levaduras04.44e (2.7x104)4.04cd (1.1x104)3.98c (1.0x103)0.02 P<0.0001
243.78b (6.0x103)4.06d (1.2x104)3.78b (6.0x103)
483.48a (3.0x103)5.56f (3.6x105)5.81g (6.5x105)
Bacterias ácido lácticas05.70c (5.0x105)5.04a (1.0x105)5.31b (2.0x105)0.01 P<0.0001
247.41f (2.6x107)7.05e (1.1x107)5.30b (2.0x105)
487.99h (9.9x107)7.48f (3.0x107)6.59d (3.9x106)

a, b, c, d, ….k Medias con letras distintas indican diferencias a P < 0.05, según Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478. Los datos se transformaron acorde a log10 (X) porque no cumplieron con la distribución normal. ( ) Media de las unidades formadoras de colonia por mililitros (UFC•mL-1)

 

En la dinámica de FES de los residuos poscosecha de S. tuberosum, inoculados con el preparado microbiano, la inclusión de 25 % de los distintos materiales fibrosos mostró interacción entre los indicadores evaluados y el tiempo de fermentación (P < 0.0001) (tablas 5, 6 y 7).

Los indicadores fermentativos pH, concentración de NH3 y ácidos orgánicos (tabla 5) tuvieron un comportamiento similar al observado con la inclusión de 15% de los materiales fibrosos, excepto para el ácido láctico. Este indicador se incrementó con el tiempo, y fue mayor cuando se utilizó harina de alfalfa (11,01 mmol/L).

 
Tabla 5.  Efecto de la inclusión de 25 % del material vegetal fibroso en el pH, NH3 y ácido láctico en la fermentación sólida de residuos poscosecha de S. tuberosum, inoculados con preparado microbial.
IndicadoresTiempo (h)Material vegetal fibroso (25%) EE ± Sign
Salvado de trigoHarina de alfalfaHarina de arroz
pH06.85 h6.33 f6.63 g0.045 P<0.0001
246.12 e6.30 f5.87 d
484.91a5.22 b5.63 c
NH3 meq.L-102.96 a3.74 c3.05 b0.003 P<0.0001
244.57 d6.34 h5.14 e
485.59 f6.73 i5.81 g
Ácido láctico mmol.L-100.002 a0.002 a0.002 a0.003 P<0.0001
240.002 a0.002 a0.002 a
4810.02 a11.01 c9.13 b

a, b, c, d, e, f, g, h, i Medias con letras distintas indican diferencias a P < 0.05, según Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478.

 

En la tabla 6 se muestra que la inclusión de 25 % de los materiales vegetales fibrosos favorece el proceso fermentativo con salvado de trigo y harina de arroz, de acuerdo con los valores de PB. Sin embargo, en todos los casos hubo disminución de la PV en el tiempo, probablemente debido al efecto dilutivo de la inclusión de la fibra vegetal, y a una actividad proteolítica y desaminativa producida por los microorganismos que se establecieron durante el proceso de FES. A su vez, esto se refleja en el aumento de la concentración de amoniaco (tabla 5), aún con valores bajos, así como en el caso del ácido láctico producido.

La relación proteína verdadera con respecto a la proteína bruta, a las 48 h, es alta para la harina de alfalfa (67.86 %) y el salvado de trigo (57.99%) y, en menor cuantía, para la harina de arroz (53.54 %). Sin embargo, en las características de la fermentación final con harina de alfalfa hubo mayor consistencia, lo que se expresa en la materia seca (75.80 %), además del olor agradable y de otras características organolépticas que no se presentaron en el resto, y solo se registraron cualitativamente.

 
Tabla 6.  Efecto de la inclusión de 25 % del material vegetal fibroso en el comportamiento de indicadores químicos durante la fermentación sólida de los residuos poscosecha de S. tuberosum, inoculados con el preparado microbiano.
Indicadores, % Tiempo, hMaterial vegetal fibroso (25 %) EE ± Sign.
Salvado de trigoHarina de alfalfaHarina de arroz
PB027.24 e22.73 a24.57 c0.296 P<0.0001
2426.42 de23.51 ab24.36 bc
4829.97 f23.18 a25.79 d
PV020.37 f16.32 d17.29 e0.152 P<0.0001
2416.65 d14.47 b14.42 b
4817.38 e15.73 c13.81 a
MS082.60 i80.86 h79.28 g0.012 P<0.0001
2469.96 d70.70 e64.61 b
4865.38 c75.80 f62.52 a
FND062.71 i59.61 g53.98 e0.013 P<0.0001
2452.63 d58.42 f50.54 c
4850.34 b50.16 a62.40 h
FAD016.13 e41.89 i8.91 c0.014 P<0.0001
2416.96 f25.97 h8.33 b
4810.13 d23.44 g7.46 a
Contenido celular037.29a40.39b46.02c0.010 P<0.0001
2447.37b41.58a49.46c
4849.84c49.66b37.60a
Hemicelulosa046.58c17.72a45.07b0.020 P<0.0001
2426.66a41.46b42.21c
4840.21b26.72a54.94c

a, b, c, d, e, f, g, h,i Medias con letras distintas indican diferencias a P < 0.05, según Duncan (1955)Duncan, D.B. 1955. "Multiple Range and Multiple F Tests". Biometrics, 11(1): 1-42, ISSN: 0006-341X, DOI: https://doi.org/10.2307/3001478.

 

Nkosi et al. (2015)Nkosi, B., Meeskeb, R., Langaa, T., Motianga, M., Mutavhatsindia, T., Thomasa, R., Groenewaldc, I. & Baloyid, J. 2015. "The influence of ensiling potato hash waste with enzyme/bacterial inoculant mixtures on the fermentation characteristics, aerobic stability and nutrient digestion of their resultant silages by rams". Small Ruminant Research, 127: 28-35, ISSN: 0921-4488, DOI: https://doi.org/10.1016/j.smallrumres.2015.04.013. evaluaron la calidad de un ensilaje elaborado con desechos de papa, e inoculados con BAL, que se suministró a carneros alimentados con heno de alfalfa. Estos autores observaron aumento de la cantidad de proteína, reducción de la fibra y aumento de la digestibilidad en los animales. Además, el material secante utilizado mejoró el contenido de materia seca del ensilaje. Este comportamiento es similar a lo ocurrido en el presente trabajo con la incorporación de las diferentes materias primas, que actuaron como materiales secantes dentro del alimento, y mejoraron sensiblemente el contenido de la MS a las 48 h.

En este estudio, a las 48 h, se encontraron diferencias en la MS de 17.22, 5.06 y 16.76 unidades porcentuales en salvado de trigo, harina de alfalfa y salvado de arroz, respectivamente, en relación con el inicio de la fermentación. Esto indica que en salvado de trigo y harina de arroz tienen mayor implicación en los procesos de proteólisis y desaminación por la microbiota presente en la fibra y la que se adiciona con el preparado microbiano. En la harina de alfalfa, este efecto es menor con mayor consistencia, debido a la alta relación de proteína bruta y verdadera encontrada.

Lo antes expuesto pudiera estar asociado a lo planteado en numerosos estudios, donde se refiere que en los procesos de FES la calidad nutricional (Zhou et al. 2019Zhou, L., Mu, T., Ma, M., Zhang, M., Sun, Q. & Xu, Y. 2019. "Nutritional evaluation of different cultivars of potatoes (Solanum tuberosum L.) from China by grey relational analysis (GRA) and its application in potato steamed bread making". Journal of Integrative Agriculture, 18(1): 231-245, ISSN: 2095-3119, DOI: https://doi.org/10.1016/S2095-3119(18)62137-9. y Van et al. 2019Van, D.J., Hanzalovaa, K., Allah, M.S., Abela, C., Seiberta, T., Giavaliscob, P. & Wahla, V. 2019. "Limited nitrogen availability has cultivar-dependent effects on potato tuber yield and tuber quality traits".Food Chemistry, 288: 170-177, ISSN: 0308-8146, DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.02.113.) varía según los desechos poscosecha utilizados. Esto puede estar relacionado con las tecnologías de cultivo de la papa, suelo (Motalebifard et al. 2013Motalebifard, R., Najafi, N., Oustan, S., Nyshabouri, M. & Valizadeh, M. 2013. "The combined effects of phosphorus and zinc on evapotranspiration, leaf water potential, water use efficiencyand tuber attributes of potato under water deficit conditions". Scientia Horticulturae, 162: 31-38, ISSN: 0304-4238, DOI: https://doi.org/10.1016/j.scienta.2013.07.043.) y clima (Ngobese et al. 2017Ngobese, N.Z., Workneh, T.S., Alimi, B.A. & Tesfay, S. 2017. "Nutrient composition and starch characteristics of eight European potato cultivars cultivated in South Africa". Journal of Food Composition and Analysis, 55: 1-11, ISSN: 0889-1575, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfca.2016.11.002.), entre otros.

El comportamiento del contenido celular y de la hemicelulosa fue similar a lo observado con la inclusión de 15 % de los materiales fibrosos. En cambio, el comportamiento de la FDN fue diferente. En esta ocasión, disminuyó para el salvado de trigo y la harina de alfalfa, mientras que se concentró con harina de arroz. La FDA, en comparación con los valores iniciales, mostró descenso marcado, pero este efecto fue menor en la harina de arroz. Esto coincide con los trabajos de Ramos (2006)Ramos, J., Elías, A., Herrera, F., Aranda, E. & Mendoza, G. 2007. "Processes for the production of an energetic-proteinic animal feed. Effect of final molasses levels on the solid-state fermentation of Saccha-sorghum and Saccha-polishing". Cuban Journal of Agricultural Science, 41(2): 131-135, ISSN: 2079-3480. y Elías y Herrera (2008)Elías, A. & Herrera, F.R. 2008. Producción de alimentos para animales a través de procesos biotecnológicos sencillos con el empleo de microorganismos beneficiosos activados (MEBA). Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, p. 8-13., al utilizar harina de maíz, tubérculo de boniato y yuca, como elementos disgregadores, con los que lograron reducción de hasta 50 % del componente fibroso.

En la tabla 7 se muestra el análisis microbiológico de los alimentos con inclusión del 25 % de material fibroso. No hubo presencia de microorganismos patógenos y, al igual que con 15 %, se observó incremento importante de las BAL, especialmente cuando se utilizó la harina de alfalfa como material secante, lo que demuestra condiciones superiores al mejorar el contenido de humedad en el alimento. Este comportamiento se replicó en los demás indicadores. Thomas et al. (2013)Thomas, R., Nkosi, D., Umesiobi, O., Meeske, R., Kanengoni, T. & Langa, T. 2013. "Evaluation of potato hash two silage inoculants bacteria and their effects on the growth of fattening pigs". South African Journal of Animal Science, 40(5): 488-490, ISSN: 2221-4062. mostraron la importancia de inocular con BAL en la elaboración del ensilaje de papa. Estos autores lograron mejorar los indicadores fermentativos y las características del alimento final para la alimentación animal, especialmente en rumiantes.

Las BAL pudieran controlar el período inicial de la fermentación, con la supresión de enterobacterias, clostridias y otros microorganismos, con la consiguiente reducción de la proteólisis y la pérdida de materia seca en la fermentación con la excreción de exopolisacáridos. En el período de fermentación activa se pudiera esperar una acción más rápida, y valores más bajos podrían preservar la proteína durante el ensilaje, y contribuir a la digestibilidad del alimento (Muck et al. 2018Muck, R.E., Nadeau, E.M.G., McAllister, T.A., Contreras-Govea, F.E., Santos, M.C. & Kung, L. 2018. "Silage review: Recent advances and future uses of silage additives". Journal of Dairy Science, 101(5): 3980-4000, ISSN: 0022-0302, DOI: https://doi.org/10.3168/jds.2017-13839.). En este sentido, los aspectos de mayor importancia son la selección adecuada de la cepa o mezclas de estas (Pardo y Ferrer 2019Pardo, I. & Ferrer, S. 2019. Chapter 7 - Yeast-Bacteria Coinoculation. In: Red Wine Technology. Morata, A, (ed.). 1st Ed. Ed. Academic Press. Madrid, Spain, p. 99-114, ISBN: 978-0-12-814399-5, DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814399-5.00007-4.), el medio de cultivo y las condiciones fermentativas que permitan obtener alto nivel de viabilidad durante el proceso (FAO 2016FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations). 2016. Probiotics in animal nutrition. Production, impact and regulation by Yadav S. Bajagai, Athol V. Klieve, Peter J. Dart and Wayne L. Bryden. Editor Harinder P.S. Makkar. FAO Animal Production and Health Paper No. 179. Rome.).

 
Tabla 7.  Análisis microbiológico de la fermentación de los residuales poscosecha de S. tuberosum con el preparado microbial e inclusión del 25% de material fibroso.
MicroorganismoLog 10 UFC/mL (UFC/mL)Tiempo, h Material fibroso vegetal 25 %EE ± Sign.
Salvado de trigoHarina de alfalfaHarina de arroz
Aerobios mesófilos04.96a (9.0x104)5.17c (1.4x105)5.11 b (1.3x105)
245.00a (1.0x105)7.92g (8.3x107)7.79f (6.2x107)0.020 P<0.0001
487.25e (1.8x107)7.95g (8.9x107)6.91d (8.2x106)
Levaduras04.27e (1.9x104)3.90c (8.0x103)3.60b (4.0x103)
243.99d (9.9x103)4.29e (2.0x104)1.98a (1.0x102)0.020 P<0.0001
485.60g (4.0x105)5.68h (4.8x105)5.37f (2.4x105)
Bacterias ácido lácticas05.31c (2.0x105)5.00a (1.0x105)5.26c (1.9x105)0.020 P<0.0001
245.15b (1.4x105)7.57g (3.7x107)6.71d (5.2x106)
486.90f (8.0x106)7.88h (7.7x107)6.85e (7.1x106)

Medias con una letra común no son significativamente diferentes (P < = 0.05)

*Data were transformed according to log10 (X) because they do not follow a normal distribution ( ) means of the colony forming units per milliliters (cfu•mL-1)

 

Por las razones anteriores, el mantenimiento de la estabilidad y viabilidad celular durante todo el proceso es de gran importancia para la producción exitosa de biopreparados, cuando se mezclan materiales fibrosos que contribuyen al aroma, sabor, textura y valor nutricional de alimentos fermentados.

Los resultados permiten concluir que la inclusión de materiales fibrosos en la fermentación en estado sólido de residuos poscosecha de S. tuberosum, inoculados con un preparado microbiano, tiene efecto positivo en su composición química y microbiológica. Se recomienda, por los indicadores de calidad del producto final, la utilización de 25 % de la harina de alfalfa, fermentado a 20 °C, durante 48 h.

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