Obtencin, caracterizacin y aplicacin de Quitosano en alimentos industrializados para consumo de ganado lechero
Obtaining, characterizing and application of chitosan in industrialized foods for dairy cattle consumption
Obteno, caracterizao e aplicao de quitosana em alimentos industrializados para consumo de gado leiteiro
Sonia Elisa Peafiel-Acosta I
https://orcid.org/0000-0002-1658-8596
Guido Gonzalo Brito-Ziga II
guido.brito@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-3467-9309
Carmen Alicia Zavala-Toscano III
https://orcid.org/0000-0003-0720-3479
Vanessa Pamela Prez-Pazmio IV
https://orcid.org/0000-0002-0275-2295
Correspondencia: sonia.penafiel@espoch.edu.ec
Ciencias sociales y polticas
Artculo de investigacin
*Recibido: 05 de julio de 2020 *Aceptado: 20 de agosto 2020 * Publicado: 07 de septiembre de 2020
I. Doctora en Qumica. Master en Proteccin Ambiental. Docente Investigadora Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.
II. Doctor en Qumica. Master en Proteccin Ambiental. Docente Investigador. Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.
III. Bioqumica Farmacutica. Tcnica del laboratorio de Bromatologa. Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador
IV. Estudiante de la Facultad de Ciencias Pecuarias. Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador
Resumen
El quitosano es un polmero natural que ha sido desaprovechado y su importancia radica en los diferentes usos que se le puede atribuir. En el presente estudio se utiliza quitosano extrado mediante hidrlisis cido-base, el mismo es caracterizado mediante cromatografa de gases para valorar su composicin aminoacdica; para su posterior aplicacin en un alimento balanceado de referencia. Comparando el contenido nutricional aminocidico, los balanceados sin quitosano (t0) y enriquecido con quitosano (t1), en el mismo se evidencia el incremento porcentual de ciertos aminocidos. En la metodologa de estudio el t1 es el tratamiento al que se aplica quitosano al 1.5 % en relacin al alimento, es decir 3g de quitosano en 200g de balanceado para dosificar la cantidad, se debe tomar en cuenta los siguientes estndares mn. De protena 13%, humedad mx 13%, grasa mn 2.5%, mx. Fibra cruda 15%, mx. Cenizas 8% segn datos bibliogrficos.
El anlisis de su composicin nutricional se realiz por espectroscopia ir cercano (nirs) y por cromatografa de gases para evaluar la composicin aminocidico del alimento enriquecido. Evidentemente el t1 frente al t0 presenta un incremento en porcentaje en aminocidos esenciales como: metionina, lisina, histidina fenilalanina, siendo estos responsables de diversos procesos como la sntesis de protenas de los tejidos y la leche, o la sntesis de otros metabolitos corporales. El incremento de metionina fue del 0.63% y de lisina de 2.6% estos aminocidos se podran relacionar con el rendimiento del hato para producir concentraciones mximas de protena de la leche.
Palabras Claves: quitina; quitosano; derivatizacin; aminocidos esenciales
Abstract
Chitosan is a natural polymer that has been wasted and its importance lies in the different uses that can be attributed to it. In the present study, chitosan extracted by acid-base hydrolysis is used, it is characterized by gas chromatography to assess its amino acid composition; for subsequent application in a reference balanced food. Comparing the nutritional amino acid content, those balanced without chitosan (t0) and enriched with chitosan (t1), the percentage increase in certain amino acids is evidenced. In the study methodology, t1 is the treatment to which 1.5% chitosan is applied in relation to the food, that is, 3g of chitosan in 200g of balance to dose the amount, the following min. Standards must be taken into account. Protein 13%, humidity max 13%, fat min 2.5%, max. Crude fiber 15%, max. Ashes 8% according to bibliographic data.
The analysis of its nutritional composition was carried out by near-ir spectroscopy (nirs) and by gas chromatography to evaluate the amino acid composition of the enriched food. Obviously, t1 versus t0 presents an increase in percentage in essential amino acids such as: methionine, lysine, histidine phenylalanine, these being responsible for various processes such as the synthesis of proteins in tissues and milk, or the synthesis of other body metabolites. The increase in methionine was 0.63% and lysine 2.6%. These amino acids could be related to herd performance to produce maximum concentrations of milk protein.
Keywords: chitin; chitosan; derivatization; essential amino acids
Resumo
Chitosan is a natural polymer that has been wasted and its importance lies in the different uses that can be attributed to it. In the present study, chitosan extracted by acid-base hydrolysis is used, it is characterized by gas chromatography to assess its amino acid composition; for subsequent application in a reference balanced food. Comparing the nutritional amino acid content, those balanced without chitosan (t0) and enriched with chitosan (t1), the percentage increase in certain amino acids is evidenced. In the study methodology, t1 is the treatment to which 1.5% chitosan is applied in relation to the food, that is, 3g of chitosan in 200g of balance to dose the amount, the following min. Standards must be taken into account. Protein 13%, humidity max 13%, fat min 2.5%, max. Crude fiber 15%, max. Ashes 8% according to bibliographic data.
The analysis of its nutritional composition was carried out by near-ir spectroscopy (nirs) and by gas chromatography to evaluate the amino acid composition of the enriched food. Obviously, t1 versus t0 presents an increase in percentage in essential amino acids such as: methionine, lysine, histidine phenylalanine, these being responsible for various processes such as the synthesis of proteins in tissues and milk, or the synthesis of other body metabolites. The increase in methionine was 0.63% and lysine 2.6%. These amino acids could be related to herd performance to produce maximum concentrations of milk protein....
Palavras-chave: quitina; quitosana; derivao; Aminocidos essenciais
Introduccin
En los ltimos aos, los polmeros naturales han recibido una mayor atencin como alternativa a los polmeros sintticos, con el fin de combinar la fabricacin de productos manufacturados, con la proteccin del medio ambiente, la reduccin de los costos de materiales y el reciclado de residuos (Israel Barros, 2015).El aumento de la produccin de camarn de cultivo ha dado lugar a una mayor cantidad de residuos, lo que conlleva a nuevos problemas ambientales (AL-SAGHEER, AL-SUGHAYER, MUSLIM, & ELSABEE, 2009). Segn (Colina, 2014) manifiesta que debido al crecimiento que han tenido estos productos de mar, se busca reducir el impacto ambiental que ocasionan los residuos orgnicos provenientes de la inadecuada disposicin de los desperdicios del procesamiento pesquero, los cuales son vertidos al mar sin tratamiento previo. Estos residuos slidos de origen marino tienen un gran potencial de aplicacin en las diferentes industrias; como por ejemplo en la industria farmacutica y de alimentos, entre otras (Israel Barros, 2015).Segn (Israel Barros, 2015) la carne del camarn es separada de los caparazones, y los desechos de este procesamiento se componen principalmente del cefalotrax, caparazn y en conjunto representan entre el 50% y 70% de todo el camarn. (CAH, y otros, 2012). Surge la propuesta de la estandarizacin del proceso de extraccin de quitosano como una alternativa de solucin a lo anteriormente mencionado. Ecuador actualmente realiza un cultivo de camarn que ha consolidado como el primer sector acucola organizado, con una fuerte vocacin para la comercializacin de sus distintos productos hacia los mercados internacionales y nacionales. La produccin de camarn en este ltimo ao present una disminucin debido a la enfermedad de muerte temprana. Los protocolos para el proceso de extraccin de quitina y quitosano a partir de caparazn de crustceos, constan de al menos cuatro etapas que incluyen la preparacin de las muestras, desproteinizacin, desmineralizacin, y desacetilacin, usando reactivos qumicos a diferentes concentraciones, temperaturas y tiempos de reaccin. Se debe de tener en cuenta que el contenido de quitina, protenas, minerales y carotenoides presentes en las cscaras de camarn dependen de factores como la especie, la parte del organismo que se escoger para trabajar, el estado de nutricin y el ciclo reproductivo. Al respecto, (MEYER & BLIGH, 1981. ) (Ayala, 2014) realizan el estudio de los rendimientos de quitina y quitosano realizando variaciones en concentraciones de reactivos y tiempos de reaccin para identificar el mejor tratamiento posible; ya que estos factores son fundamentales para la calidad del producto. Mediante las diferentes investigaciones se tiene que la quitina es un polisacrido presente ampliamente en la naturaleza y como segundo biopolmero ms abundante despus de la celulosa. La cscara de camarn tiene un alto contenido de quitina (14 a 35 %), del cual se obtiene quitosano. El quitosano es un polisacrido con muchos usos en la industria de la agricultura, biomedicina, alimentos, en tratamientos de agua residuales y potabilizacin, en cosmtico, entre otros. Esto debido a que posee grupos aminos libres que le infieren mejores propiedades qumicas y fsicas (RUIZ, y otros, 2013.)De igual forma, (JIANG, CHEN, & ZHONG, 2003)demostr el efecto del quitosano en el proceso de clarificacin de aguas contaminadas con residuos hidrocarburferos, demostrando as la capacidad del quitosano como agente biocoagulante bajo condiciones de altos niveles de contaminacin. (Volkers, 2003)determin que varias de las propiedades de la quitina y sus derivados (quitosano) estn estrechamente relacionados con su grado de N- acetilacin. Este es el parmetro fundamental que influye en las propiedades y comportamientos de los polmeros. La pureza del polisacrido puede ser cuantificada por su grado de N-acetilacin, es decir, a mayor grado de acetilacin mayor ser la pureza del quitosano. El principal objetivo de la presente investigacin consiste en estandarizar el proceso de obtencin de quitosano a partir de las mezclas de exoesqueleto de camarn por medio de la desmineralizacin, desproteinizacin, desacetilizacin y determinacin del grado de N-acetilacin a partir de titulacin potenciomtrica de las muestras de quitosano.
Metodologa
La investigacin se realiz en el Laboratorio de Bromatologa de la Facultad de Ciencias Pecuarias, ESPOCH, localizada en la ciudad de Riobamba, provincia de Chimborazo, a una altura de 2750 msnm con una temperatura promedio de 12 C. En el presente Laboratorio se cuenta con el equipo Cromatgrafo de gases de marca Perkin Elmer clarus 580, el mismo que nos permite realizar el anlisis aminoacidico por derivatizacin y poder evaluar la calidad proteica del T0 frente a T1.
Obtencin y caracterizacin del quitosano
La extraccin del Quitosano fue realizada siguiendo el protocolo establecido por (Diana Marcela Escobar Sierra, 2013).
Tabla 1: Metodologa para la obtencin de la quitina y quitosano.
Fuente. (Diana Marcela Escobar Sierra, 2013)
Preparacin de la materia prima.
Se realiz la obtencin de la cascara de camarn, recolectados en industrias procesadoras de productos marinos y en restaurantes. Cada cscara se lav con agua potable para retirar la materia orgnica adherida, se sec en una estufa a 40C por 2 horas y finalmente se tritur y tamiz hasta obtener tamaos de partcula entre 0,8 mm y 1,5 mm.
Desproteinizacin y desmineralizacin.
Para la desproteinizacin se us una solucin de hidrxido de sodio (NaOH) al 3,5%, en una relacin de slido: lquido 1:10 a 50 C bajo agitacin constante por 2 horas; y para la desmineralizacin se us una solucin de cido clorhdrico (HCl) 2N en una proporcin slido: lquido 1:5 por 90 minutos a temperatura ambiente. La quitina obtenida en esta etapa fue lavada y secada en estufa por 2 horas a 50 C (K. Heller, 1959).
Desacetilacin de la quitina obtenida con el fin de hidrolizar los grupos amino presentes y obtener as el quitosano. (h. F. Mark, 1985)
Para ello se utiliz una solucin de hidrxido de sodio (NaOH) al 50%, en una relacin slido: lquido 1:10 a una temperatura de 100 C con agitacin constante por 1 hora. Finalmente, la muestra del biopolmero obtenida se lav con agua destilada, se filtr y se sec en una estufa por 60 minutos a 50 C. (A.O.A.C., 1984. )
Aplicacin de quitosano en el balanceado
Para poder realizar la investigacin se decidi comprar una marca comercial de balanceado para ganado bovino lechero el cual ser usado en dos tratamientos, el primero que no tendr absolutamente nada de quitosano (T0) y el segundo que es el balanceado comercial ms quitosano (T1). (Brugnerotto, (2001)
El primer balanceado sin cambio alguno se sabe que no utilizan aditivos en su formulacin solo materias primas de alta inclusin.
El segundo tratamiento esta dado por el mismo balanceado comercial, pero aadiendo quitosano (T1) el cual est dado al 1.5 % en relacin al alimento. (Fernndez, 2007)
Por lo cual el T1 como muestra posee 3g de quitosano en 200g de balanceado ya que si se suministra una cantidad superior de aditivo podra alterar los niveles de protena del concentrado y no ser digerible para el animal, puesto que en la dieta del balanceado para ganado bovino lechero se debe tomar en cuenta los siguientes estndares:
Tabla 1: Tabla de cantidades mnimas de nutrientes en balanceados.
NUTRIENTE |
CANTIDAD (%) |
Mnimo de protena |
14 % |
Humedad |
13 % |
Grasa |
3 % |
Mximo fibra |
5 % |
Mximo ceniza |
10 % |
Determinacin del anlisis proximal
La caracterizacin nutricional se realiz a travs de la empresa AVIPAZ quien dispuso el equipo NIRS DA 7250 de marca PERTEN, el mismo que usa un sensor con una excelente relacin seal/ruido y sensibilidad; adems utiliza un detector indio-galio y Arsenio con un Rango de longitud de onda: 950-1650 nm. El equipo recoge ms de 20 espectros por segundo, mientras la muestra gira, trabaja utilizando NETPLUS un software basado en la WEB. El equipo Infrarrojo cercano (NIRS) el mismo que trabaja con curvas de calibracin para generar datos exactos y precisos (PhD. Astrid Rivera Rivera, 2017), mediante espectroscopia IR-cercano, analiz los alimentos considerados T0 y T1 con el fin que la empresa desarrolle balanceados bovinos en la fase de crecimiento se ve la iniciativa mediante el uso de subproductos como es el caso de la cascara de camarn, con el fin de tener costos bajos en las materias primas que se usan en produccin. (Alomar, 1997)
Determinacin de aminocidos
Las muestras fueron analizadas utilizando kits fisiolgicos EZ: faast para GC-FID (Phenomenex, Torrance, CA, EE. UU.); los presentes kits permitieron dar una preparacin a la muestra para su posterior anlisis. Cada una de las muestras tanto el tratamiento cero como el tratamiento 1 fueron analizados directamente; todos los pasos, incluida la limpieza de muestras, la derivacin y el anlisis se realizaron como se describe la tabla del manual del equipo; no se realiz ninguna preparacin de muestra adicional antes de EZ: Anlisis de faast. Todos los anlisis se realizaron en el Equipo de Marca PERKIN ELMER CLARUS 580 con un detector de ionizacin de llama (FID) e inyeccin manual (1 μL) usando una jeringa SGE de 1 μL (SGE Europe Ltd., Reino Unido: http: //www.uk@sge .com). Se trabaja con una columna GC capilar Zebron ZB-AAA de 10 mx 0,25 mm. El programa de temperatura del horno de la columna es de 32 C por minuto de 110 a 320 C. La temperatura del detector FID fue de 320 C y se inyect 1 μL a una temperatura de inyeccin de 250 C y un nivel dividido de 1:2. El gas portador H2 a una presin de 7 psi (un caudal de 1 ml / min). Ser necesario ajustar el caudal, el ajuste de presin y las relaciones divididas, segn las especificaciones del instrumento de GC mediante la utilizacin de un software denominado CHOMERA el mismo que permite visualizar las condiciones necesarias para empezar el trabajo de anlisis; las condiciones de anlisis del estndar se basaron en la descripcin del manual del Kit, el trabajo experimental se realiza en el Laboratorio de Bromatologa de la Facultad de Ciencias Pecuarias.
La determinacin de aminocidos parte de la preparacin del medio de elucin con reactivos que se encuentran en la bandeja de reactivos dentro del kit que adems contiene una rejilla para viales, una rejilla para pipetas y una seccin para puntas y viales absorbentes. Para acelerar la preparacin de la muestra, se recomienda organizar la estacin de trabajo.
Preparacin del medio de elucin
El volumen del medio de elucin preparado depende del nmero de muestras que se analizarn durante el da (200 ul / muestra) por lo cual se debe realizar minutos antes de ejecutar el anlisis. La combinacin del medio de elucin consiste en colocar tres partes de reactivo 3a (Hidrxido de Sodio 0.33N) con 2 partes de reactivo 3b (n-propanol 80%; 3- picolina 20%).
Preparacin de muestras por spe y derivatizacin
Pipetear 100 ul de muestra problema y 100 uL de reactivo 1 (Norvalina 0.2mM; propanol 10%; cido clorhdrico 20mM) en cada vial que se utilizara para la preparacin de la muestra, conectar una punta absorbente a una jeringa de 1.5 ml y aflojar el pistn para sumergir la punta dejando que la solucin pase a travs de la punta absorbente, halar lentamente del pistn de la jeringa, en pequeos pasos. Posterior a ello pipetear 200 uL de reactivo 2 (n-propanol 30%) en el mismo vial y pasar la solucin LENTAMENTE a travs de la punta del absorbente dentro del cilindro de la jeringa. Drenar el lquido del lecho absorbente tirando aire a travs de la punta; colocar 200 ul del medio de elucin en el vial que se encuentra la muestra y halar el pistn de la jeringa de 0,6 ml hasta la mitad del cilindro, humedecer la punta absorvente con el medio de elucin y observar como sube el lquido a travs de las partculas absorbentes para luego expulsar las partculas lquidas y absorbentes de la punta dentro del vial de preparacin de muestra.
Con la ayuda de un microdispensador (dialamatico drummond) transferir 50 ul de reactivo 4 (cloroformo 60%; cloroformiato de propilo 20%; Isooctano 20%), al vial de preparacin de muestra y emulsionar el lquido en el vial agitndolo repetidamente aproximadamente de 5-8 segundos. El paso de emulsificacin es efectivo cuando el contenido del vial se vuelve lechoso. permita que las reacciones continen 1 minuto o ms. La emulsin se separar gradualmente en dos capas, se transfiere con el microdispensador 100 ul de reactivo 5 y mezclar aproximadamente 5 segundos y finalmente se pipetea 100ul de reactivo 6 (cido clorhdrico 1N), observando la separacin de la capa orgnica que contiene derivados de aminocidos misma que va a ser pipeteada y transferida a un vial para proceder a la inyeccin manual en el equipo obteniendo los diferentes espectros de absorcin.
Resultados y anlisis
Segn (Castro & Kebreau, 2011) indica que un alimento destinado para alimentacin animal lo define el cliente (empresas de produccin y explotacin ganadera, fincas u otros) de acuerdo con los objetivos trazados por el productor, ya siendo produccin animal de leche o de carne u otro rubro de produccin. Para ello, (Amerling, 1998) clasific de acuerdo a fuente de nutrientes y energa que proporciona el alimento. Alimentos fibrosos: Son aquellos alimentos con menos del 20% de protena cruda (PC) y ms de 20% de fibra cruda (FC) mientras, los alimentos proteicos contienen ms de 20% de PC y menos de 20% de FC, pero, los energticos contienen menos de 20% de PC y menos de 20% de FC.
Caracterizacin de los biopolmeros obtenidos
La caracterizacin nutricional obtenida mediante anlisis proximal permite evaluar parmetros de calidad Grafico N1.
Grfico 1: Valoracin nutricional de los tratamientos.
Fuente: Autores
En el Grfico 1 los resultados de la evaluacin nutricional de los tratamientos: T0 y T1 fueron evaluados por metodologa IR-cercano, evidentemente se ve un incremento dentro de los parmetros de anlisis proximal, la diferencia en porcentaje de los componentes nutricionales entre los tratamientos difiere entre el 0,04% - 0,32%.
Cuantificacin de aminocidos esenciales
Grfico 2: Composicin de aminocidos esenciales
Fuente: Autores
En el Grfico 2, se evidencia un incremento significativo en los tratamientos, siendo el aminocido esencial con mayor incremento la Histidina el porcentaje de incremento es de 3,32; la presencia de los aminocidos esenciales atribuye el contenido nutricional del alimento para consumo animal. Los Grficos N3. y N4, evidencia el registro grfico obtenido en un medio absorbente, que muestra la separacin de sustancias mediante una cromatografa de gases. El
mtodo utiliz ciertos estndares, componentes qumicos que permitieron obtener patrones visibles, picos que reflejan la separacin fsica de los componentes de una mezcla.
Grfico 3: Cromatograma de aminocidos por derivatizacion en t0.
Fuente: Laboratorio de Bromatologa-Nutricin Animal F.C.P- ESPOCH
Grfico 4: Cromatograma de aminocidos por derivatizacion en t1.
Fuente: Laboratorio de Bromatologa-Nutricin Animal F.C.P- ESPOCH
Discusin de resultados y conclusiones
Los espectros obtenidos representan cada uno de los aminocidos con su correspondiente tiempo de retencin al cul estos fueron detectados, el cromatograma presenta aminocidos esenciales y no esenciales con sus derivados, la importancia de la presente Investigacin radica en el incremento de los principales aminocidos esenciales como metionina, fenilalanina, lisina e histidina; de tal manera que los microorganismos del rumen en los bovinos requieren de protenas degradables, los animales requieren de aminocidos para su nutricin. Segn (GANADERO, 2018)sealan que los rumiantes requieren cantidades esenciales para su ptimo crecimiento y lactacin. La investigacin de estudio permiti evidenciar el incremento en porcentaje de algunos aminocidos esenciales como: Metionina 0,45%; Fenilalanina 0,43%; Lisina 2,6%; Histamina 3,32%, todos los aminocidos esenciales detectados estaran participando en diversos procesos como la sntesis de protenas de los tejidos y la leche, o la sntesis de otros metabolitos corporales. La mayora de aminocidos sirven como precursores para la gluconeognesis y todos pueden ser convertidos a cidos grasos.
Por lo tanto, se puede utilizar el quitosano como aditivo dentro de la formulacin del alimento balanceado ya que puede optimizar la funcin ruminal y rendimiento de la protena microbiana.
Sin embargo, la dosificacin con cantidades adecuadas del aditivo ayudara alcanzar los niveles deseados de nitrgeno ureico en la leche; la dosificacin debe ser adecuada para comprobar su efecto nutricional, en virtud de que el incremento de la dosis lo convertira en un alimento toxico para el animal siendo anti nutricional al efecto deseado.
Adems, el incremento de los aminocidos metionina y de lisina ayudara a producir concentraciones mximas de protena en la leche; tomando en consideracin segn menciona (Anavitarte, 1970) advierte que la suplementacin con aminocidos dentro de la dieta debe tener un manejo cuidadoso, pues est en juego la produccin y reproduccin de cada animal, que requieren dietas diferenciales.
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2020 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).
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