Efectos fisiológicos y productivos del estrés por calor en el cerdo ibérico y posibles estrategias nutricionales para mitigarlo
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Pardo Domínguez, ZairaEditorial
Universidad de Granada
Departamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Nutrición y Ciencias de los AlimentosDate
2023Fecha lectura
2022-11-15Referencia bibliográfica
Pardo Domínguez, Zaira. Efectos fisiológicos y productivos del estrés por calor en el cerdo ibérico y posibles estrategias nutricionales para mitigarlo. Granada: Universidad de Granada, 2022. [https://hdl.handle.net/10481/80008]
Sponsorship
Tesis Univ. Granada.; Beca de Formación de Personal Investigador del Ministerio de Economía y Competitividad (Ref. BES-2017-081486); Proyecto: “Efectos fisiológicos y productivos del estrés por calor en el cerdo Ibérico y posibles estrategias nutricionales para mitigarlo” (Ref. AGL2016-80231-R) financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO)Abstract
El cambio climático es una de las principales amenazas a la que se enfrenta la sociedad en
el siglo XXI, causando un aumento en la frecuencia de las olas de calor e incrementando la
temperatura global del planeta. La temperatura ambiental óptima para el ganado porcino está en
el intervalo 18-25 °C, provocando por encima de dicho intervalo una situación de estrés por calor,
lo que supone problemas de bienestar animal y considerables pérdidas económicas para el sector
ganadero. Además, los cerdos son muy susceptibles a sufrir el estrés por calor puesto que tienen
pocas glándulas sudoríparas funcionales y presentan una gruesa capa subcutánea de tejido
adiposo. Sin embargo, a pesar de la importancia que tiene conocer cómo afecta el estrés por calor
al cerdo ibérico, no existen estudios sobre este tema, hasta el realizado en la presente tesis
doctoral.
El objetivo general de esta tesis doctoral ha sido determinar los efectos del estrés por calor
sobre los parámetros productivos y de la calidad de la carne del cerdo ibérico, así como estudiar
diferentes aspectos de su metabolismo. Además, nos propusimos también ensayar la
suplementación con Zn y con betaína como posibles estrategias nutricionales para mitigar o
prevenir las consecuencias negativas de dicho estrés sobre los aspectos objeto de estudio. Para
lograr estos objetivos principales se plantearon los siguientes objetivos específicos: a) analizar la
ingestión de alimento, el crecimiento, la eficiencia alimentaria y el rendimiento de las piezas de
la canal; b) estudiar los parámetros metabólicos del cerdo ibérico, analizando parámetros
bioquímicos sanguíneos y evaluando la capacidad fermentativa intestinal; c) determinar la
composición nutricional y parámetros de calidad de la carne en dos músculos (Longissimus
lumborum y Gluteus medius) y su relación con marcadores de estrés oxidativo; d) evaluar el efecto
de la suplementación con Zn en la daño a la barrera intestinal ocasionado por el estrés por calor,
mediante la utilización de la línea celular Caco-2.
Para conseguir los objetivos descritos se realizaron un experimento in vivo y dos
experimentos in vitro. En el ensayo in vivo se determinaron los diferentes parámetros
productivos (ingestión de alimento, velocidad de crecimiento, eficiencia en la utilización de
alimento, rendimiento de las piezas de la canal, peso de los órganos) y se recogieron muestras
que permitiesen estudiar aspectos relacionados con el metabolismo (plasma para analizar
parámetros bioquímicos, contenido del recto para evaluar la capacidad fermentativa in vitro) y la calidad de la carne (músculos Longissimus lumborum y Gluteus medius para determinar la
composición nutricional y parámetros de calidad).
En el experimento in vivo se utilizaron 40 cerdos ibéricos puros machos castrados de 43,8
± 0,97 kg de peso vivo (PV) inicial, proporcionados por Sánchez Romero Carvajal Jabugo, S.A,
(Puerto de Santa María, España). Tras un periodo de adaptación de 7 días a las instalaciones, los
animales fueron asignados a uno de los cinco tratamientos experimentales: 1) Termoneutralidad
(20 °C) y alimentados ad libitum con dieta control (TN-CON-AL); 2) Estrés por calor (30 °C) y
alimentados ad libitum con dieta control (EC-CON-AL); 3) Termoneutralidad y alimentados a la
par respecto al grupo sometido a estrés por calor (TN-CON-AP); 4) Estrés por calor y alimentados
ad libitum con una dieta suplementada con betaína (EC-BET-AL); 5) Estrés por calor y alimentados
ad libitum con una dieta suplementada con zinc (EC-Zn-AL). El experimento tuvo una duración de
28 días. La dieta experimental que se utilizó estaba compuesta por soja, maíz y cebada y
suplementada con aminoácidos esenciales para mantener un perfil adecuado que cubriese todas
las necesidades nutricionales. La dieta control fue suplementada con betaína (5 g/kg) o zinc (120
mg/kg, con SO4Zn).
Los datos proporcionados por este ensayo indicaron que el estrés por calor redujo la
ingestión voluntaria de alimento en un 20 %, lo que tuvo un efecto directo en el crecimiento de
los animales, aunque en general más moderado que el descrito previamente en las razas
mejoradas. No encontramos diferencias en la eficiencia de transformación de alimento debidas
al calor. En cuanto al peso de los órganos, observamos que en los animales sometidos a estrés
por calor el peso de los riñones y del páncreas fue menor en comparación con los del grupo TNCON-
AL.
Respecto a los componentes de la canal, encontramos que la exposición a elevadas
temperaturas provocó una disminución en el peso de la canal en comparación con el grupo de
termoneutralidad ad libitum. En el caso del jamón, lomo y solomillo observamos una disminución
del peso bajo condiciones de estrés por calor al comparar con los animales en termoneutralidad,
tanto alimentados ad libitum como a la par, lo que indica que el efecto se debe al calor per se, y
no a la reducción del consumo de alimento. En cuanto a la betaína, aumentó el peso relativo del
solomillo en los animales sometidos a estrés por calor, mientras que en el caso del Zn no
observamos ningún efecto en los componentes de la canal. El estudio de la bioquímica sanguínea mostró que en los animales sometidos al calor se
produjo un incremento de creatinina, lo que puede estar relacionado con un mayor catabolismo
proteico en estos animales y a su vez, con el bajo peso de los cortes más magros de la canal
observados en el presente ensayo. También aumentó el nitrógeno ureico plasmático, lo que
sugiere una menor eficiencia del uso del nitrógeno en situaciones de calor prolongado. Además,
en estas condiciones se detectó un incremento de la glucosa plasmática, aunque no se observaron
cambios en la insulina ni en la sensibilidad a la insulina. Sin embargo, el índice HOMA-%B
disminuyó en los animales expuestos al calor, lo que podría indicar un deterioro funcional de las
células β pancreáticas. La suplementación con Zn y betaína en cambio, mejoró la función de las
células β medida mediante el índice HOMA-%B y en paralelo provocó una disminución en la
glucosa plasmática.
Para evaluar el efecto del estrés por calor sobre la fermentación intestinal realizamos un
experimento in vitro utilizando como inóculo de fermentación las heces de los animales de los
grupos sometidos a diferentes temperaturas, pero con el mismo consumo de alimento (TN-CONAP
y EC-CON-AL), que se incubaron con diferentes sustratos (una mezcla de almidones, pectina,
inulina y celulosa). La incubación con pectina generó la mayor producción de acetato en
comparación con los otros sustratos. La mezcla de almidones mostró una elevada producción de
butirato, un ácido graso volátil que se asocia con efectos beneficiosos para la salud del intestino
grueso. En cuanto a la celulosa, mostró tener una producción de gas y una producción total de
ácidos grasos volátiles baja, indicando que había una presencia reducida de microbiota
celulolítica. La fermentación de inulina y la mezcla de almidones dio lugar a una baja
concentración de amonio y producción de isoácidos, lo que indica una reducción en la
fermentación proteica con estos sustratos. Es de resaltar que los cerdos sometidos a estrés por
calor presentaron una mayor producción de ácidos grasos volátiles totales, lo que puede suponer
una ventaja puesto que promueven la resistencia a patógenos oportunistas, y en la producción
de acetato y propionato. Un incremento en la producción de isoácidos y en la concentración de
amonio probablemente indiquen un aumento en la fermentación bajo condiciones de estrés por
calor. También, el estrés por calor disminuyó la relación acetato:propionato, indicando un
incremento en la disponibilidad de energía proveniente de la fermentación.
Para estudiar el efecto del estrés por calor en la calidad de la carne, se seleccionaron los
músculos Longissimus lumborum y Gluteus medius, por ser músculos de diferente metabolismo
(el primero más glucolítico y el segundo más oxidativo) y representativos de las piezas comerciales más valoradas por productores y consumidores. Los resultados mostraron que en los animales en
estrés por calor aumentó la concentración de grasa intramuscular en comparación con los
alimentados a la par en termoneutralidad, compensando el descenso de grasa intramuscular
debido a la menor ingesta. El perfil de ácidos grasos fue relativamente estable en los cerdos
sometidos a estrés por calor en comparación con los animales de termoneutralidad,
encontrándose solamente una menor concentración de ácidos grasos n3 y una menor relación
PUFA/SFA en el Gluteus medius. La exposición al calor no afectó al pH de la carne ni a su
característico color rojo, pero sí mejoró la luminosidad de los músculos y la capacidad de
retención de agua, factor estrechamente relacionado con características sensoriales como la
terneza y la jugosidad.
En contra de lo descrito anteriormente para razas blancas, el calor prolongado no supuso
una situación de estrés oxidativo en los músculos de los cerdos ibéricos. La aparente ausencia de
daño oxidativo (marcada por la estabilidad en los niveles de MDA en los músculos de los animales
en estrés térmico) podría estar mediada por una estimulación del sistema de defensa enzimático
(catalasa y superóxido dismutasa especialmente), que consiguió mitigar el probable daño inicial
inducido por el calor. Por lo tanto, nuestros resultados mostraron que el estrés térmico sufrido
por los cerdos ibéricos no comprometió la calidad de la carne, sino que incluso mejoraron algunos
marcadores, como la concentración de grasa intramuscular, la luminosidad o la capacidad de
retención de agua y, además, no se observó ningún deterioro oxidativo.
El consumo de la dieta suplementada con Zn mejoró la capacidad de retención de agua tras
la cocción y la descongelación de la carne, y producjo algunos cambios significativos en las
coordenadas de color, como el aumento de L* y la disminución de a* (rojez) en el Gluteus medius,
probablemente relacionada con la menor concentración de hierro en este músculo.Con esta
dieta, observamos una mejora en la respuesta frente al estrés oxidativo en el músculo
Longissimus lumborum, marcada por un incremento en la actividad de la enzima glutatión
peroxidasa y en los niveles de antioxidantes. Sin embargo, con la dieta de betaína no observamos
ningún cambio.
Para evaluar el efecto preventivo de la suplementación con Zn (50 y 100 μM) frente al daño
térmico en la barrera intestinal utilizamos la línea celular Caco-2. El primer indicador que
estudiamos fue el daño celular (la viabilidad celular y el daño a la membrana mediante la
liberación de LDH). La preincubación con Zn antes de inducir un estrés térmico moderado (24 h a
41 °C) mejoró la proliferación celular en comparación con las células que no tenían Zn en el medio de cultivo, aunque esta mejora disminuyó cuando el estrés por calor fue más severo (42 °C).
Además, la suplementación con Zn durante 24 h tuvo efectos positivos sobre la integridad celular,
reduciendo la liberación de LDH tanto en condiciones de termoneutralidad como bajo un estrés
por calor, excepto a altas concentraciones de Zn (100 μM) y bajo un calor severo (42 °C).
El estudio de los marcadores antioxidantes (generación de especies reactivas de oxígeno
(ROS) y actividad de enzimas antioxidantes) indicó que el tratamiento con Zn tuvo un efecto
preventivo en el estatus oxidativo de la célula en situaciones de estrés por calor, ya que en estas
condiciones se redujo la generación de ROS y se estimuló la actividad de las enzimas
antioxidantes. También estudiamos el efecto del Zn en la integridad de la barrera intestinal (la
resistencia eléctrica transepitelial (TEER) y la permeabilidad de la membrana al rojo fenol). Una
preincubación con Zn durante 24 h fue efectiva para paliar parcialmente el efecto perjudicial que
ejercen las elevadas temperaturas en la barrera intestinal, puesto que el Zn (50 μM) incrementó
los valores de TEER durante un calentamiento a 41 °C y ambas concentraciones de Zn mejoraron
la integridad de la barrera si el calor era de 42 °C. Además, la preincubación con Zn en
concentraciones moderadas (50 μM) antes de someter a las células a 41 y 42 °C mejoró la
permeabilidad intestinal, indicada por la reducción en el paso del rojo fenol a través de la
monocapa celular. Climate change is one of the main threats for society in the 21 st century, causing an increase
in the frequency of heat waves and in the global temperature of the planet. The comfort
temperature for pigs is in the range of 18-25 °C, and temperatures above 25 cause heat stress,
which entails decreased animal welfare and considerable economic losses for the livestock sector.
Furthermore, pigs are very susceptible to heat stress because they have few functional sweat
glands and a thick subcutaneous layer of adipose tissue. Nevertheless, contrary to modern
breeds, there is scarce information on how heat stress affects the Iberian pig.
The general objective of this PhD thesis is to determine the effects of heat stress on the
productive parameters and meat quality of Iberian pigs, as well as on different aspects of their
metabolism. In addition, we have used Zn and betaine supplementation as possible nutritional
strategies to mitigate or prevent the negative consequences of heat stress on the aspects under
study. To achieve these main objectives, the following specific objectives were proposed: a) to
determine feed intake, growth, feed efficiency and carcass characteristics; b) to study metabolic
parameters of the Iberian pig, analyzing plasma biochemical parameters and evaluating hind gut
fermentative capacity; c) to determine the nutritional composition and meat quality parameters
in two muscles (Longissimus lumborum and Gluteus medius) and their relationship with markers
of oxidative stress; d) to evaluate the effect of Zn supplementation on damage to the intestinal
barrier caused by heat stress, using the Caco-2 cell line.
To achieve the objectives, one in vivo experiment and two in vitro experiments were carried
out. In the in vivo trial, growth parameters (feed intake, growth rate, feed efficiency, organs
weight), plasma biochemical profile, carcass characteristics and meat quality (nutritional
composition and quality parameters of Longissimus lumborum and Gluteus medius muscles) were
determined.
The in vivo experiment used 40 castrated male purebred Iberian pigs (Sanchez Romero
Carvajal strain) of 43.8 ± 0.97 kg initial body weight (BW). After a 7-day adaptation period, the
animals were randomly assigned to one of the five experimental treatments: 1) Thermoneutrality
(20 °C and fed ad libitum with control diet (TN-CON-AL); 2) Heat stress (30 °C) and fed ad libitum
with control diet (HS-CON-AL); 3) Thermoneutrality and pair fed to achieve similar intake than HSCON-
AL (TN-CON-PF); 4) Heat stress and fed ad libitum with betaine supplemented diet (HS-BETAL);
5) Heat stress and fed ad libitum with zinc supplemented diet (HS-Zn-AL). The experiment had a duration of 28 days. The experimental diets were barley-soy bean meal based and
supplemented with essential amino acids to maintain an adequate amino acid profile and cover
all nutrient requirements and were either unsupplemented or supplemented with betaine (5
g/kg) or zinc (120 mg/kg, with SO4Zn).
Heat stress reduced voluntary feed intake by 20 %, which had a direct negative effect on
animal growth, although more moderate than previously described in modern breeds. We found
no differences in feed efficiency due to heat stress. Regarding organs weight, the weight of
kidneys and pancreas was lower in animals subjected to heat stress compared those fed ad
libitum under thermoneutrality.
Regarding carcass components, exposure to elevated temperatures caused a decrease in
carcass weight compared to the thermoneutrality group fed ad libitum. Tenderloin, loin, ham and
ribs weight decreased under heat stress conditions compared to animals raised in
thermoneutrality, both ad libitum and pair fed, indicating that the reduction was independent of
feed intake. As for betaine, it increased the relative weight of the tenderloin in the animals
subjected to heat stress, while in the case of Zn we observed no effect on the carcass components.
An increase in plasma creatinine was observed in the animals subjected to heat stress,
which may be related to a greater protein catabolism in these animals. Plasma urea nitrogen
increased, suggesting a lower efficiency of nitrogen utilization in situations of prolonged heat
stress. In addition, an increase in plasma glucose was detected under heat stress, although no
changes on insulin or insulin sensitivity were observed. However, the HOMA-beta index
decreased in heat-exposed animals, which could indicate a functional impairment of pancreatic
β-cells. However, Zn and betaine supplementation improved β-cell function and decreased
plasma glucose.
To evaluate the effect of heat stress on intestinal fermentation, we performed an in vitro
experiment using as inoculum the feces of animals from groups subjected to different
temperatures, but with the same feed intake (TN-CON-AP and EC-CON-AL), which were incubated
with different substrates (a mixture of starches, pectin, inulin and cellulose). Incubation with
pectin generated the highest acetate production compared to the other substrates. The starch
mixture showed a high production of butyrate, a volatile fatty acid that is associated with
beneficial effects on the health of the large intestine. As for cellulose, it showed low gas
production and low total volatile fatty acid production, indicating that there was a low presence of cellulolytic microbiota. Fermentation of inulin and mixed starches resulted in low ammonium
concentration and isoacid production, suggesting a reduction in protein fermentation with these
substrates. We also found low acetate: propionate ratio, showing an increase in energy
availability from fermentation. It is noteworthy that heat-stressed pigs had a higher production
of total volatile fatty acids, which may be an advantage since they promote resistance to
opportunistic pathogens, including enterobacteria.
To study the effect of heat stress on meat quality, Longissimus lumborum and Gluteus
medius muscles were selected, since they are muscles with different metabolism (the former
more glycolytic and the latter more oxidative) and representative of the commercial pieces most
valued by producers and consumers. Heat stress increased intramuscular fat content in Iberian
pigs compared with those pair fed in thermoneutrality. The fatty acid profile was relatively stable
in heat-stressed pigs compared to animals in thermoneutrality. Exposure to heat stress did not
affect meat pH and its typical red color, but did improve muscle brightness and water holding
capacity, a factor closely related to sensory characteristics such as tenderness and juiciness.
Contrary to what was previously described for conventional breeds, prolonged heat did not
cause oxidative stress in the muscles of Iberian pigs. The absence of oxidative damage (stable
MDA levels) in the muscles of heat-stressed animals could be mediated by a stimulation of the
enzymatic defense system (catalase and superoxide dismutase). Therefore, our results showed
that heat stress in Iberian pigs did not compromise meat quality, but improved intramuscular fat
content, brightness and water retention capacity and, in addition, no oxidative deterioration was
observed.
The consumption of the Zn-supplemented diet improved water retention capacity after
cooking and thawing of the meat, and produced some significant changes in the color
coordinates, such as an increased L* and decreased a* (redness) in the Gluteus medius, probably
related to the lower iron concentration in the muscle. Dietary Zn supplementation improved the
response to oxidative stress in the Longissimus lumborum muscle, as indicated by an increase in
the activity of glutathione peroxidase and in the levels of antioxidants. However, betaine
supplementation did not alter meat quality in any of the muscles studied.
To evaluate the protective effect of Zn supplementation (50 and 100 μM) against thermal
damage in the intestinal barrier we used the Caco-2 cell line. The first indicator we studied was
cell damage (cell viability and membrane damage through LDH release). Preincubation with Zn before inducing moderate heat stress (24 h at 41 °C), improved cell proliferation compared to
cells without Zn in the culture medium. However, this improvement decreased when heat stress
was more severe (24 h at 42 °C). In addition, Zn supplementation for 24 h had positive effects on
cell integrity, reducing LDH release both under thermoneutral conditions and under heat stress,
except at high Zn concentrations (100 μM) and under severe heat (42 °C).
The study of antioxidant markers (reactive oxygen species (ROS) generation and
antioxidant enzyme activity) indicated that Zn had a preventive effect on the oxidative status of
the cell in heat stress situations, since the generation of ROS was reduced and the activity of
antioxidant enzymes was stimulated. Also, we studied the effect of Zn on intestinal barrier
integrity (transepithelial electrical resistance (TEER) and membrane permeability to phenol red).
A preincubation with Zn for 24 h was effective in alleviating the detrimental effect exerted by
elevated temperatures on the intestinal barrier, since Zn increased TEER values at 41 °C (50 μM)
and at 42 °C. In addition, preincubation with 50 μM Zn previous to exposure at 41 and 42 °C
improved intestinal permeability, as indicated by the reduction in the passage of phenol red
through the cell monolayer.