Friabilidad de malta y predicción de calidad en el mejoramiento genético de cebada maltera (Hordeum vulgare L.)*

Malt friability and quality prediction in malting barley breeding (Hordeum vulgare L.)

Ramón Huerta Zurita¹§, Mauro R. Zamora Díaz¹, Salomón Solano Hernández² y Martha Laura López Cano²

¹ Campo Experimental Valle de México, Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP). 13.5. Carretera Los Reyes-Texcoco km, 56250, Texcoco, Estado de México. Tel: (01) 5959212742. (zamora.mauro@inifap.gob.mx). §Autor para correspondencia: rhzurita@yahoo.com.mx.

² Campo Experimental Bajío, INIFAP, km 6.5. Carretera Celaya-San Miguel de Allende S/N, Col. Roque, 38110, Celaya, Guanajuato. (solano.salomon@inifap.gob.mx; mlopez.c@hotmail.com).

* Recibido: agosto de 2013.
Aceptado: marzo de 2014

Resumen

La friabilidad de malta es utilizada para medir la modificación del endospermo de cebada durante el malteo. Este parámetro se ha propuesto como una herramienta útil para la evaluación de material avanzado en programas de mej oramiento genético de cebada maltera, por su correlación con factores de calidad. El obj etivo de este trabaj o fue evaluar el análisis de friabilidad de malta en la predicción de calidad durante el mej oramiento de cebada maltera y determinar el valor mínimo para la selección de genotipos. Las muestras evaluadas en dos ciclos agrícolas de riego (invierno 2008- 2009 e invierno 2009 -2010) fueron las líneas avanzadas (>F₇) M171, M173, M174, M175, M10542 y las variedades Adabella, Alina, Armida, Esmeralda y Esperanza; cultivadas en Celaya, Guanajuato, México. La friabilidad de malta estuvo correlacionada con extracto molienda fina (r= 0.631), proteína total (r= -0.812), poder diastásico (r= -0.506) e índice de Kolbach (r= 0.522); sin embargo, Esmeralda, Esperanza, M171 y M10542 no tuvieron correlación con extracto molienda fina (EMF) e índice de Kolbach (KI). Se observó amplia variación de friabilidad de malta (30-85%) debido principalmente a los cambios de proteína, por lo que no fue posible determinar el valor mínimo para la selección de genotipos durante el mejoramiento en función de los valores observados de EMF, viscosidad del mosto, KI y la diferencia de extractos.

Los cambios significativos de friabilidad (>20%) y EMF (>0.98%) se presentaron con variación de proteína mayor a 1.40%. Considerando estos resultados, la friabilidad de malta no es una herramienta confiable en la discriminación de genotipos de cebada maltera durante el mejoramiento genético, donde los cambios de proteína son comunes entre generaciones filiales y ciclos agrícolas.

Palabras clave: calidad maltera, modificación del endospermo, proteína, mejoramiento genético.

Abstract

Keywords: malting quality, endosperm modification, protein and breeding.

Introducción

Los análisis de predicción de calidad durante el mejoramiento genético de cebada maltera son una herramienta útil cuando no se cuenta con suficiente cantidad de muestra para la evaluación de generaciones tempranas en diferentes etapas (<F8), mientras que en líneas avanzadas se evalúan todos los aspectos relacionados al malteo. Considerando esto, se han generado propuestas sobre diferentes métodos de predicción de calidad maltera utilizando pruebas físicas en grano (e .g. tamaño y peso) o evaluando algunos parámetros después del malteo (e.g. crecimiento del acróspiro, viscosidad, extracto molienda fina) con limitada cantidad de muestra y bajo costo (Gianinetti etal., 2005; Fox et al, 2006; Osborne etal, 2007; Psota et al, 2007; Nagamine et al, 2009), incluso para evaluaciones comerciales dentro de una misma variedad (Li et al., 2008).

Los resultados más importantes en la selección de material segregante por predicción de calidad han sido los relacionados a la dureza del grano de cebada y a las características de modificación del endospermo durante el malteo debido a su composición (e .g.contenido de proteína). La dureza del grano está relacionada con la estructura del endospermo y afecta la modificación del endospermo durante el malteo debido a que limita la absorción de aguay transferencia de enzimas (Chandra et al, 1999). Holopainen et al. (2005) reportaron que las características vítreas y harinosas del endospermo de cebada están directamente relacionadas con la calidad final de maltay se ha observado que el contenido de proteína es un factorimportante en el comportamiento de diferentes genotipos durante y al final del malteo (Agu y Palmer, 2001; Ferrari et al., 2010).

El objetivo del malteo es lograr adecuada modificación del endospermo para generar la calidad deseada de malta; lo cual, además del proceso, depende del genotipo y las condiciones ambientales presentes durante el desarrollo del cultivo de cebada (Molina-Cano et al, 1995; Molina-Cano et al, 1997). Se ha observado que diferentes factores como temperatura y la excesiva aplicación de nitrógeno durante el manejo de este cultivo afectan los niveles de proteína, principalmente hordeínas (Qi et al, 2006; Wei et al, 2009).

La modificación del endospermo de cebada es un término técnico usado para describir el rompimiento de las paredes celulares y la conversión, hasta cierto grado, de almidón a azúcares; así como la degradación de proteínas por acción enzimática. Las regiones bien modificadas del endospermo son friables (harinosas y fácilmente molidas), mientras que el endospermo no modificado es estructuralmente fuerte, compacto y relativamente no poroso. El proceso de modificación del endospermo está ligado a la síntesis de enzimas que inicia desde el remojo, y la etapa crítica es la fase final de la germinación (MacGregor, 1978; Kanauchi y Bamforth, 2008; Gianinetti, 2009); por lo que inadecuados procesos de malteo tienen efecto negativo en la degradación de componentes durante el proceso cervecero.

Se ha observado que la modificación del endospermo es un factor que afecta la fermentabilidad del mosto con la restricción del movimiento de enzimas debido a las altas viscosidades ocasionadas por la presencia de componentes de paredes celulares (P-glucanos y arabinoxilanos) y la tardía liberación del almidón del endospermo no modificado en la maceración (Edney et al, 2007). Debido a su importancia, la modificación del endospermo ha sido un aspecto ampliamente discutido (Briggs et al, 1981; Briggs, 2002; O'Brien y Fowkes, 2005) y se han desarrollado análisis para evaluarla cuantitativamente como tinción de calcofluor, que evalúa la presencia de P-glucanos en paredes celulares (Aastrup y Erdal, 1980; Aastrup et al, 1981), y friabilidad, que evalúa la resistencia mecánica del endospermo después del malteo (Giarratano y Thomas, 1986); aunque no se ha encontrado relación de estos análisis con el índice de Kolbach (Wentz et al, 2004).

Según Kunze (2006), los valores de friabilidad aceptables en maltería son aquellos mayores a 75% y están basados en parámetros de modificación como índice de Kolbach, diferencia de extractos, viscosidad del mosto, entre otros. Fox et al. (2001) señalan que la friabilidad podría proveer información útil en la evaluación de material avanzado en un programa de mejoramiento, lo cual ayudaría a identificar de forma rápida muestras de malta modificada inadecuadamente antes de un análisis completo de calidad maltera. Considerando esto, el análisis de friabilidad podría ser de utilidad en la evaluación de genotipos uniforme s (>F₅) donde ya se dispone de material suficiente; sin embargo, si fuera aplicable, debería establecerse el valor mínimo para la discriminación de material. El obj etivo de este trabaj o fue evaluar el análisis de friabilidad de malta en la predicción de calidad durante el mejoramiento de cebada maltera y determinar el valor mínimo para la selección de genotipos.

Materiales y métodos

Se analizaron diez genotipos mexicanos de cebada maltera proporcionados por el Programa Nacional de Cebada del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), que incluyeron cinco variedades y cinco líneas avanzadas de seis hileras: Adabella, Alina, Armida, Esmeralda, Esperanza, M171, M173, M174, M175, M10542. Los materiales evaluados se seleccionaron en función del ciclo vegetativo, contemplando genotipos precoces, intermedios y tardíos; con periodo de madurez fisiológica de 100 a 130 días y rendimiento promedio de 5 500-10 000 kg ha^-1 en siembras de riego.

Las variedades Adabella y Esmeralda así como las líneas M171 y M175 son genotipos desarrollados para siembras de temporal (verano); mientras que el resto fueron desarrollados para siembras de riego (invierno). Las muestras fueron sembradas en dos ciclos agrícolas de riego: invierno 2008- 2009 (C1) e invierno 2009- 2010 (C2), en el Campo Experimental Bajío del INIFAP (20° 31' latitud norte, 100° 45' longitud oeste, 1 765 msnm) ubicado en Celaya, Guanajuato, México. La fecha de siembra fue el 15 de Diciembre y la cosecha fue el 30 de abril, y los riegos se dieron a los 0 (siembra), 45, 70 y 90 días con dosis de fertilización a la siembra de 140(N)-60(P)-00(K). Se sembraron doce repeticiones por genotipo en cada ciclo agrícola (n=120) en parcelas experimentales de 3.6 m² en un diseño en bloques completos al azar, con densidad de siembra de 100 kg ha^-1.

Preparación de muestras y micromalteo

Las muestras se limpiaron después de la cosecha y se almacenaron durante seis meses antes del malteo. Las muestras se uniformizaron sobre la criba 5.5/64 in (2.1828 mm) x ¾ in (19.05 mm) y se eliminaron todos los granos desnudos y quebrados. Se maltearon 200 g base seca por cada repetición. La energía de germinación de las muestras fue 98-100% y no se observó sensibilidad al agua en las muestras (Germinación_4mL-8mL < 5), por lo que las condiciones del micromalteo fueron: 30 h de remojo a 16 °C (6h inmersión,6 h aireación,6 h inmersión,6 h aireación,6 h inmersión) con inyección de aire durante cada inmersión y la humedad del grano antes de la germinación se ajustó por peso a 45 ± 1%; 96 h de germinación sin aplicación de ácido giberélico a 16 °C con humedad relativa en la cámara de germinación H.R. > 90% y ajuste a 45 ± 1% de humedad por peso a las 24 h y 48 h considerando pérdidas de peso por respiración de 0.5% y 1%, respectivamente (antes de iniciar el secado se hizo el análisis de crecimiento del acróspiro); 30 h de secado con flujo de aire caliente y rampa de temperatura de 35 a 85 °C con 9 h a 35 °C, 7 h a 45 °C, 5 h a 55 °C, 5 h a 65 °C, 2 h a 75 °C y 2 h a 80 °C (se abrió 50% la recirculación del aire en las últimas 7 h). Después del secado, las muestras se limpiaron y el análisis de friabilidad se hizo a las 12 h. La humedad promedio de las maltas durante el análisis de friabilidad fue de 4.8% en ciclo 2008- 2009 y 4.6% en ciclo 2009- 2010. El resto de la muestra se almacenó por dos semanas antes del análisis de malta.

Análisis de malta

Los análisis de humedad, extracto molienda fina (EMF), extracto molienda gruesa (EMG), diferencia de extractos (DE), proteína total en malta (PT), proteína soluble en mosto (PS), índice de Kolbach (KI), viscosidad del mosto (visco), poder diastásico (PD), alfa amilasa (AA), friabilidad (fria) y crecimiento del acróspiro fueron realizados de acuerdo a los métodos estandarizados de la Sociedad Americana de Químicos Cerveceros (ASBC, 2009). El rendimiento maltero e índice de crecimiento del acróspiro se calcularon conforme lo descrito por Figueroa (1985). El análisis de friabilidad se hizo con un friabilímetro PFEUFFER (Pfeuffer GmbH Mess- und Prüfgerate, FlugplatzstraBe 70 D-97318, Kitzingen, Germany) calibrado con una malta estándar de 80% de friabilidad.

Análisis estadístico

Se hizo el análisis de varianza para todas las variables medidas con el programa SAS (2002) en bloques completos al azar con el procedimiento GLM. Las pruebas de comparación de medias se hicieron con la prueba de rango múltiple de Duncan y la interacción entre parámetros se calculó con coeficientes de correlación Pearson.

Resultados y discusión

Interacción de parámetros de calidad maltera

Los parámetros analizados en malta correlacionados con friabilidad de malta fueron EMF, PT, KI y PD. También existió interacción de estos parámetros con otros relacionados a modificación del endospermo de cebada como viscosidad del mosto, AA, DE y PS (Cuadro 1).

La relación entre viscosidad del mosto y KI está definida por la modificación del endospermo, donde se generan las enzimas que hidrolizan proteínas, paredes celulares y almidón durante los procesos de germinación y maceración (Briggs et al., 1981); lo cual explica la correlación encontrada de DE con la viscosidad del mosto. Estas interacciones ya han sido reportadas en otros trabajos para la predicción de calidad en malta y monitoreo de la modificación del endospermo durante el malteo de cebada (Giarratano y Thomas, 1986; Arends et al., 1995; Molina-Cano et al, 1997; Wentz et al, 2004).

Por otro lado, se observó que DE no se predice mediante el análisis de friabilidad de malta (Cuadro 2). En todos los genotipos se observó alta correlación de friabilidad de malta con el porcentaje de proteína (p< 0.01); sin embargo, Esperanza, M171 y M10542 no presentaron correlación de EMF con PT.

Se observó fuerte influencia de la variación del contenido de proteína sobre la calidad final de malta en Alina, Armida, M175 y M173 (Cuadro 3). Los principales efectos de esta variación se reflejaron en friabilidad de malta y EMF. El mayor cambio de proteína entre los ciclos agrícolas evaluados lo presentó M175 con reducción de 3.4% en el segundo ciclo, mientras que la friabilidad de malta incrementó 35%. Los cambios en friabilidad de malta debidos a la variación de proteína fueron proporcionales en los otros tres genotipos, con aumentos de EMF menores a los observados en M175. Además de la variación de proteína, el amplio rango de friabilidad de malta (30-85%) dificultó determinar el valor mínimo para la selección de genotipos, debido a que EMF > 79% se obtuvo con friabilidad de malta de 60-80% y PT de 8.7-10.9%, similar a lo reportado por Pitz (1990) en maltas canadienses de seis hileras; mientras que EMF de 78-79% se obtuvo con friabilidad de malta de 40-85% y PT de 9.0-12.3%.

Este comportamiento no fue igual en todos los genotipos y en algunos el EMF fue menor a 75% con KI de 27-37% y friabilidad de malta de 30-62%. M173, M175, M10542, Armida, Alina, Esmeralda y Adabella mostraron muy baja friabilidad de malta; sin embargo, M173 tuvo EMF de 77-80% con friabilidad de malta de 38-76%, aunque la viscosidad del mosto fue más alta en las muestras con baja friabilidad de malta.

La viscosidad en el mosto y la cerveza está relacionada al contenido de P-glucanos y xilanos que no lograron degradarse durante el malteo, los cuales son el principal componente de las paredes celulares del endospermo y su rompimiento depende del acceso de diferentes enzimas a los cuerpos proteicos o almidón; por lo que la baja friabilidad de malta e incremento de la viscosidad del mosto están asociados a la interacción de P-glucanos y xilanos con friabilidad de malta, viscosidad del mosto y DE (Smart et al, 1993; Schwarz y Han, 1995; Han y Schwarz, 1996; Edney et al, 1998; Sadosky et al, 2002). En este trabajo, las maltas con viscosidad menor a 1.54 cp (valor máximo establecido para el mejoramiento de cebada maltera en México) tuvieron friabilidad de malta de 30-84% y KI de 30-41%.

Considerando el valor mínimo de friabilidad de malta (75%) señalado por Kunze (2006) para la evaluación de la modificación del endospermo a nivel industrial, los parámetros de calidad en malta en los genotipos evaluados fueron EMF de 76-80%, AA de 20-57 UD 20 °C, PD de 85-155 °ASBC, PT de 8.5-10.5%, viscosidad de 1.50-1.90 cp, KI de 34-45% y DE de 0.0-1.7%; por lo que este valor no predice la adecuada modificación del endospermo de cebada durante el malteo. Éstos resultados permiten inferir que la mayoría del material analizado mantiene cierta dureza posterior al malteo.

La incidencia de maltas duras ya ha sido estudiada (Thomas, 1986); las cuales son maltas bien modificadas, determinado por tinción de calcofluor o análisis ASBC, pero no son molidas en un análisis estándar de friabilidad de malta como la variedad Esperanza, con friabilidad de malta 60-84%, viscosidad 1.50-1.60 cp., EMF 76-79%, DE 0.0-1.7% y KI 35-42%, en la cual no se observó variación significativa de proteína entre los ciclos agrícolas evaluados.

La evaluación del cambio en el contenido de proteína y su efecto en los factores de modificación del endospermo, se ha hecho en otras investigaciones considerando la variación natural de un ciclo agrícola a otro. Agu y Palmer (2001) evaluaron materiales con diferencias de 1.25% y 1.88% de proteína (N x 6.25) y encontraron que a pesar de las similitudes en el contenido inicial de beta-glucanos en cebada, la modificación durante el malteo es más lenta cuando el contenido de proteína es mayor; lo cual se reflejó en baja friabilidad de malta durante los primeros días de germinación; sin embargo, la degradación de beta-glucanos al igual que la friabilidad de malta al final del malteo fueron similares a los obtenidos en la muestras con bajo contenido de proteína.

En este trabajo, los cambios significativos de friabilidad (>20%) y EMF (>0.98%) ocurrieron con variación de proteína mayor a 1.40% entre los dos ciclos agrícolas evaluados (Figuras 1 y 2), mientras que cambios menores no afectaron parámetros de modificación del endospermo. Los genotipos Esmeralda, Esperanza y M10542 mostraron diferencias significativas en friabilidad de malta con desviación estándar de 4.3% a 9.7%; sin embargo, los valores de EMF no cambiaron (Cuadro 3). Esto concuerda con lo reportado por Benard y Lie (1993), quienes determinaron que el coeficiente de variación del análisis de friabilidad de malta es ±5% debido a desviaciones del friabilímetro cuando se analizan muestras con baja friabilidad de malta; además de las desviaciones del experimento.

Al considerar la solubilización de proteína durante el malteo, el rango de KI fue muy amplio (26-45%) y en 89% de los genotipos fue menor a 38%; sin embargo, en los genotipos con EMF mayor a 79% el KI fue 34-41%. Se observó que el KI disminuyó con el aumento de proteína (Cuadro 4), lo cual está relacionado a las diferencias de absorción y distribución de agua en los genotipos con mayor proteína; dificultando el acceso de enzimas proteolíticas a las células del endospermo (Chandra et al, 1999).

Los parámetros PD, AA y PS no presentaron tendencia respecto a las variaciones de proteína, aunque sí se observó reducción significativa en el PD de la línea M175 con relación a la disminución de proteína en el segundo ciclo, lo cual se debe a la correlación entre el contenido de proteína y la actividad de beta-amilasa, mayor componente del poder diastásico (Gibson et al, 1995; Wei et al, 2009). Respecto al crecimiento del acróspiro, todos los genotipos tuvieron buen desarrollo en el rango de 3/4 - 1 de la longitud del grano a excepción de la línea M10542, la cual generó la proteína soluble más baja; sin embargo, el índice de crecimiento en todos los genotipos fue igual entre ciclos (Cuadros 5 y 6).

Utilidad del análisis de friabilidad en la predicción de calidad durante el mejoramiento

Los genotipos analizados mostraron amplio rango de friabilidad de malta y diferente calidad; sin embargo, no fue posible establecer un valor mínimo para la discriminación de material. Los valores de friabilidad de malta estuvieron asociados principalmente a la variación de proteína; lo cual afectó los parámetros de modificación del endospermo de cebada. Las variaciones de proteína que generan cambios en los parámetros de calidad maltera son diferentes para cada genotipo, lo cual depende en gran medida de la estructura de su endospermo.

En este trabajo no se evaluó la estructura del endospermo; sin embargo, ya se ha reportado que el contenido de proteína tiene efectos importantes en la consistencia vítrea o harinosa de un grano de cebada (Chandra et al., 1999; Holopainen et al, 2005; Ferrari et al, 2010). Esto es importante en el malteo de diferentes genotipos para la evaluación de la modificación del endospermo y calidad de malta durante el mejoramiento de cebada maltera, donde se deben considerar características individuales (e.g. contenido y distribución de proteína, sensibilidad al agua, energía de geminación) previo a los análisis de discriminación; debido a que las variaciones en la velocidad de modificación del endospermo dependen, entre otros factores, de la absorción y distribución de agua durante el remojo (Gianinetti et al., 2005).

Por lo tanto, el análisis de friabilidad de malta para la predicción de calidad debe considerarse únicamente en el monitoreo individual de genotipos cuando la variación de proteína no supere el límite observado en esta investigación (1.40%); sin embargo, el contenido de proteína de una generación a otra puede variar dentro de los valores observados en este experimento sin exceder los límites promedio establecidos (10-13%) para el mejoramiento de cebada maltera en diferentes programas (Rasmusson, 1985; Pitz, 1990; Fox et al, 2003).

Ferrari et al. (2010) encontraron que la variación natural de proteína y su efecto en la dureza de la malta se debe principalmente a factores ambientales y no genéticos, señalando que los aumentos de proteína afectan principalmente la cantidad y distribución de Hordeínas; donde el exceso de fertilización nitrogenada durante el cultivo de cebada aumenta su proporción (Qi et al, 2006). Las variaciones de proteína observadas en esta investigación estuvieron dentro del rango establecido para el mejoramiento genético de cebada maltera de seis hileras en México (Figueroa, 1985); pero las diferencias encontradas tuvieron efecto en la friabilidad de malta, a pesar de las condiciones controladas de irrigación y aplicación de nitrógeno durante el manejo del cultivo.

Por otro lado, durante el mejoramiento de la cebada maltera para condiciones de temporal en México se ha observado que la variación de proteína es muy amplia y puede llegar a ser de 3-4% en un mismo genotipo de un ciclo agrícola a otro cuando existe reducción en niveles de precipitación pluvial u otro tipo de estrés durante el cultivo; sin embargo, el índice de Kolbach se ha reportado sin variación (Figueroa, 1985), contrario a lo observado en este experimento; lo cual podría estar relacionado al genotipo. La evaluación conjunta de estos factore s es indispensable para el mej orador durante la selección en generaciones tempranas donde la segregación de calidad maltera ha sido un factor importante, además de las variables agronómicas (Foster et al., 1967; Goblirsch et al., 1996).

Conclusiones

Literatura citada

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