El pienso es el elemento de la producción animal que genera mayores costos, dentro de la cadena alimentaria representa aproximadamente el 70% del gasto ligado a la producción de proteína. Por tanto, la fabricación del pienso se ha convertido en una fase sometida permanentemente a la búsqueda de mejoras a nivel técnico, eficiencia productiva y aprovechamiento nutricional.
La granulación del pienso es un proceso que convierte una mezcla finamente molida de ingredientes, en gránulos, generalmente de aspecto cilíndrico, de mayor densidad. Las partículas primarias de harina se adherirán para formar estructuras mayores con múltiples partículas densas y de libre flujo, que se conocen como gránulos. El proceso se realiza a través de una máquina denominada “granuladora”, acompañada de la adición de vapor en el acondicionado previo, y finalmente estabilizada la estructura en el enfriador mediante la eliminación del calor y humedad sobrante.
Una desafortunada realidad sobre la calidad de los pellets es que casi cualquier cosa que se hace para mejorarla aumenta el coste del pienso o disminuye el rendimiento del sistema, por ello es necesario comprender el valor añadido zootécnico de las mejoras de calidad.
La siguiente infografía muestra visualmente la relación entre la mejora de la calidad del granulo, representado por el % de granulo entero en el comedero, con el índice de conversión en pollos de engorde:
Un estudio de 2015 (de Jong) en cerdos concluyo que el índice de conversión empeoraría 0,03 puntos por cada 10% de finos o perdida de gránulos enteros. También estima que por debajo de 85% de durabilidad se perderían los efectos positivos productivos de la granulación para porcino.
Beneficios de la granulación:
Los motivos por los cuales se realiza este proceso son variados, mejora los rendimientos productivos, principalmente porque reduce tanto las pérdidas en comederos como la selección de ingredientes por parte de los animales; reducción costes de transporte; higiene microbiológica; aprovechar materias primas menos palatables, se posibilita el uso de mayor número y cantidad de ciertas materias primas; también se atribuye mejora en el aprovechamiento nutricional del pienso, este efecto se justifica por una mayor digestibilidad pero no está tan claramente demostrado existiendo estudios que lo apoyan y otros que no lo justifican.
La mejora de digestibilidad se justifica por la teoría de que, al someter los almidones a calor y humedad, se produce una absorción de agua y los gránulos de almidón pierden su estructura cristalina, proceso que se acelera con un aumento rápido de las temperaturas, llegando a explotar los gránulos de almidón, se produce la gelatinización de los almidones. Además, al utilizar calor se pueden eliminar alguno de los factores antinutritivos de las materias primas vegetales.
Proceso de granulación:
El gránulo se forma al compactar y forzar el paso del alimento a través de los orificios o canales de la matriz, comúnmente llamado dado, mediante un proceso mecánico:
Formación de gránulos en la matriz de una granuladora (AFFCO, 2000).
Pero la granulación no solo consiste en este efecto físico de compactación, existen pasos previos de acondicionado, y posteriores de enfriamiento fundamentales, donde coexisten relaciones físicas y químicas para conseguir un gránulo de calidad:
Fases del proceso de granulación:
- Molienda: rotura de las materias primas hasta conseguir la harina del tamaño deseado.
- Mezclado: los ingredientes se baten para conseguir una dispersión homogénea de la harina.
- Acondicionado: amasado junto a humedad y calor para producir una masa de harina suficientemente plástica y lubricada. Se realiza añadiendo vapor a la harina mientras se bate en el acondicionador.
- Granulado: trabajo mecánico de compresión en la matriz para conseguir el tamaño y forma deseada. Se fuerza el paso a través del dado de una longitud y tamaño fijado para dar la forma y compactación deseada.
- Tamizado: los finos resultantes del proceso se recirculan nuevamente para volver a granular.
- Enfriado: secado y enfriado para conseguir el contenido final de humedad y temperatura estables y evitar fermentaciones.
Equipos que forman la línea de piensos granulados.
Proceso físico-químico de la granulación
Granulación por vía húmeda: Es la clásica de las fábricas actuales de pienso para ganadería, se utiliza agua en forma de vapor. Se utilizan líquidos (agua mayoritariamente) para fomentar por compactación que se forme un granulo durable en el tiempo. El agua libre facilita la granulación aportando lubricación y plasticidad. Por lo general parte de esta humedad se aporta en forma de vapor, aportando energía térmica y química la cual desintegra la estructura del almidón y provoca la gelatinización, así como da mayor plasticidad a las proteínas (desnaturalización) y reblandece las fibras. El objetivo mecánico es blandecer las partículas para después compactarlas.
Fuerzas para mantener el granulo:
- Físicas: cohesión y entrelazamiento del sólido por alta presión en los rodillos contra las partículas y paso de estas por los orificios de la matriz, dado.
- Químicas: adhesión de partículas por amasado en vía húmeda en líquidos polares (agua).
A continuación, se presenta un esquema sencillo en el que se muestran las fuerzas que intervienen para formar y mantener el granulado basado en los trabajos y estudios presentados por Thomas y Van der Poel (1996), y Kaliyan y Morey (2006):
Fuerzas físicas:
Fuerzas de cohesión:
Se estiman las menos importantes debido al relativa gran tamaño de las partículas (Kalivan y Morey, 2006). Son fuerzas de atracción entre partículas sólidas. La presión de los rodillos en la matriz de la granuladora sitúa a las moléculas a distancia de enlace por fuerzas electrostáticas, puentes de hidrógeno y de Van der Walls.
Las fuerzas de atracción de Van der Waals son proporcionales al diámetro de la partícula e inversa y a la distancia de separación entre ellas. Mayor presión y Menor tamaño de partícula, mayor cohesión. Menor tamaño de “molienda” = mayor fuerza de cohesión.
Fuerzas de entrelazamiento:
Esta fuerza es de vital importancia para la granulación. La compresión fuerza a las partículas a un entrelazamiento mecánico por encaje. Esta fuerza está directamente relacionada con la ecuación longitud (L)/ diámetro o ancho del dado (D) de la matriz y por tanto con el rendimiento y consumo energético, pues a mayor y más estrecho camino debe recorrer la harina mayor energía de empuje y tiempo es necesario.
Un alto nivel de fibra hace necesaria gran cantidad de energía sencillamente para comprimir la harina a la densidad del granulo. Por el contrario, para un alimento relativamente denso como cereales y harina de soja, necesitamos menos cantidad de energía para la compresión. Más cereales = mayor entrelazamiento.
Fuerzas químicas:
Fuerzas de adhesión:
Fuerzas capilares por “gota” de agua entre las partículas. Se añade líquido formando una lente con tensión suficiente para mantener ligadas las partículas. El sobrante de agua no ligada debe eliminarse en el proceso de enfriado. Si la velocidad de enfriado es muy rápida puede producirse agrietamiento.
Durante los procesos de mezcla y acondicionado, donde media la adición de humedad, aumentará la densidad de la harina mediante el amasado constante, disminuyendo el tamaño del poro ocupado por aire y llevará hasta un estado de adhesión sin que haya que añadir más líquido. Mayor tiempo de homogenización y retención en el acondicionador de la harina húmeda proporciona mayor adhesión.
Humectación:
Todas las propiedades físicas de los alimentos son afectadas por el agua. El agua debe repartirse homogéneamente y penetrar en la masa de harina. Para ello debe disminuirse la tensión superficial. En física, se denomina tensión superficial del agua a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie, ya que el agua al contacto con aire o sólidos tiende a “agruparse”. Por tanto, es una manifestación de las fuerzas intermoleculares en el agua llamadas puentes de hidrógeno.
La tensión superficial junto a las fuerzas que se dan entre el agua y las superficies sólidas que entran en contacto con ella, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o penetración del agua en la zona de contacto con un sólido siendo mayor el efecto de penetración a menor tensión superficial.
La disminución de la tensión superficial se realiza mediante temperatura y emulsificantes. El agua a 20ºC tiene una tensión superficial 72,8 dinas/cm mientras que a 80ºC se situaría en torno a 63 dinas/cm.
De igual forma los aditivos denominados emulsificantes también disminuyen la tensión superficial dando lugar a mayor penetración y homogenización del agua en la harina. Un emulsionante es una molécula anfifílica compuesta por una cola lipofílica (afinidad con el aceite) y una cabeza hidrofílica (afinidad con el agua). Esta característica permite reducir la tensión superficial que existe entre dos compuestos no miscibles, por ejemplo, el pienso y el agua. No hay que olvidar que el pienso contiene un % significativo de grasa y aceite. Dentro de los emulsificantes hay principios activos con diferentes características según:
- Balance HLB: El balance hidrófilo-lipofílico (HLB) de un emulsificante es una medida del grado en el que es hidrófilo o lipófilo. Griffin ideó una escala arbitraria de valores para clasificarlos entre lipófilos, con valores de HLB bajos (de 1-8), e hidrófilos, con valores de HLB altos (9-18). Dentro de estos grupos se encuentran otros subgrupos debido a sus propiedades físico-químicas, todos los emulsificantes tienen propiedades humectantes, dispersantes, defloculantes, detergentes, emulsificantes, suspensores y solubilizantes en algún grado, pero, en general, domina una de ellas sobre las demás, lo cual restringe el uso de cada para una determinada aplicación.
Los productos tecnológicos diseñados para mejorar la rehidratación y granulación de piensos deben acompañar acción humectante (capacidad higroscópica y mojante de mayor superficie de sólido) con emulsionante, en esta última según el objetivo buscado podemos elegir entre o/w para micelar y homogenizar la fracción grasa en el agua, o w/o para retener mayor cantidad de agua en forma ligada al pienso. En el caso de utilizar emulsificantes o/w se puede buscar producto con grado solubilizante que puede incluso tener valor añadido nutricional por su ayuda a la digestibilidad de la fracción grasa.
- Tipos de emulsificantes: Según su estructura molecular pueden clasificarse en aniónicos, catiónicos, no iónicos, y anfóteros. Para alimentación animal son muy utilizados los humectantes no iónicos con grupos alcohóles como propilenglicol y glicerol junto con emulsificantes potentes, también no iónicos, de la familia de los polisorbatos o/w con HLB entre 10 y 16, y ricinoleatos con HLB entre 14 y 18.
Por otro lado, el aumento de acondicionado con el vapor, y mayor humectación del agua, conduce a una disminución de la fricción determinado por un menor “salto térmico” en la prensa. Como resultado disminuye en consumo de energía, aumenta la durabilidad (Skoch et al., 1981) y alarga la vida útil de la maquinaria.
No obstante, no se puede sobrepasar entre vapor y agua libre el nivel máximo de humedad que la propia harina admite ya que se produce deslizamiento de los rodillos y finalmente atasco. Este nivel de absorción de agua se denomina capacidad, a modo general este parámetro se distribuye de la siguiente manera según tipo de materia prima o nutrientes:
- Cereales>Leguminosas>Salvados, Subproductos, Forrajes.
- Almidón>Proteína~Fibra soluble (pectina)>Fibra no soluble (como lignina y celulosa).
Capacidad de absorción de líquidos de diferentes materias primas respecto a su unidad de peso:
- Trigo 22%
- Harina de Soja 17,7%
- Cebada 17,3%
Un mejor amasado permite que la humedad y temperatura penetren mejor en la partícula lo que la hace más blanda y adhesiva. Llegar al equilibrio de saturación de vapor es importante ya que dependiendo de esto aporta más temperatura con menor o mayor aporte de agua libre. Sirvan los siguientes ejemplos de experiencias realizadas.
- Experimentos utilizando una mezcla vapor/fase líquida de 80/20 consiguieron optimizar el proceso (Gilpin et al., 2002).
- La adición de un total de 5% de humedad (vapor + agua libre) en fórmulas de pollos de engorde mejoro significativamente la calidad del granulo. Sugiere que la adición de agua libre en la mezcladora puede mejorar la durabilidad y consumo de energía en fórmulas con alto contenido en grasa (Moritz, 2002).
- Los mejores resultados de durabilidad se encontraron con valores de 12-13% de humedad en la fórmula “mezcladora” y 16-17% en el acondicionador (Farhenholz, 2005).
De manera práctica la saturación del vapor la conseguiremos con la presión: mayor presión de vapor implica mayor aporte de temperatura pero menor adición de agua libre al proceso. Parece, por todo lo anteriormente expuesto, que fórmulas de pollos y cerdos altas en cereales necesitan un vapor que aporte humedad con una presión que podría estar en torno a 2-2,5 kg/cm2 o bar. En cambio, para fórmulas de rumiantes altas en fibras necesitamos mayor temperatura pudiéndose utilizar presiones de 3 bares incluso un poco mayores. Tener en cuenta que existe mucho tipo de maquinaria y por tanto estos valores pueden ser distintos, aunque lo normal es encontrarnos valores de presión de vapor óptimos según la línea de granulado y pienso objetivo entre 1-3 bares.
- Es muy importante tener en cuenta que hay ingredientes del pienso sensibles a la temperatura como son enzimas y ciertas vitaminas, así como reacciones de Maillard (quemado) de proteínas y azucares, con la consiguiente pérdida nutricional. No siendo recomendable superar 82-85ºC, incluso fórmulas con leches en polvo limitadas a 55-60ºC. Sin detrimento de que procesos de pelletización de subproductos fibrosos puedan llegar a 100-120ºC.
Molienda: a menor tamaño de partícula se necesita menos líquido para alcanzar el estado de adhesión.
Las fuerzas capilares o puentes húmedos son sólo estructuras temporales en el proceso de granulación, porque los gránulos húmedos acabarán secándose durante el enfriado. Sin embargo, son un requisito previo para la formación de puentes sólidos: formados por los adhesivos presentes en el líquido, por los materiales que se disuelven en el líquido de granulación, o por los propios componentes aglutinantes de las materias primas.
Puentes sólidos:
- Endurecimiento de los aglutinantes.
- Cristalización de las sustancias disueltas.
Es el mecanismo más importante de formación del granulo, ya que muchas materias primas empleadas tienen capacidad de aglomeración por sí misma, debido a que en su composición físico-química existen sustancias capaces de ejercer como pegamentos naturales. El almidón gelatinizado, se considera el mejor y más barato aglomerante (L. Larraga, 2002). No solo aporta fuerza de unión, también elasticidad que contribuye a mejorar la durabilidad.
Almidón gelatinizado: Se consigue una pregelatinización a partir 60ºC y 3% de agua libre (Wiseman et al., 2001). No todos los almidones gelatinizan igual, destaca la Amilosa. En la siguiente lista de datos expresamos los % de Amilosa de diferentes materias primas, así como temperatura de pregelatinización:
- Trigo: 26% de Amilosa; TºC 53-65.
- Cebada: 22% de Amilosa; TºC 56-62.
- Maíz: 28% de Amilosa; TºC 62-70.
- Avena: 27% de Amilosa; TºC 56-62.
- Guisante: 35% de Amilosa; TºC 57-70.
El lector podrá observar que el trigo, el cual tiene la mejor fama sobre su acción aglomerante, tiene menor cantidad de Amilosa que por ejemplo el maíz. Pero como veremos más adelante hay otros factores que influyen como es la cantidad de aceite, siendo en trigo alrededor de 1,5% y en maíz de 3,5%.
Fibra soluble carboximetilcelulosa: Se forman puentes líquidos que al secarse forman un puente sólido entre las partículas.
Cristalización alcoholes y azucares: al secarse cristalizan actuando como aglutinante que se endurece, se denomina caramelización. Es el caso de la melaza, y productos con lactosa, láctico, glicerina y propilenglicol, como podrían ser las vinazas.
Gelificación por gomas de guar y xantana: son polímeros de gran capacidad higroscópica dando viscosidad, formando gel, y elasticidad. Aumenta la resistencia del pellets a la rotura.
Arcillas sólidas finamente divididas, como Sepiolita, Bentonida y Sulfato cálcico: actúan aumentando la compresión por hinchabilidad, resistencia al paso por la matriz. Una vez secos actúan como el “cemento”.
La adición de grasa/aceite, antes de la granulación en mezcladora, es el factor que más disminuye la cohesión y adhesión: interacciona negativamente con todos los procesos en los que media el agua. Ya que crea una película hidrófoba sobre las partículas de alimento que les impide la unión. Lubrica en exceso el proceso de presión mecánica, y por lo tanto incide en una reducción de la fuerza que se aplica.
Factor de granulación:
La aptitud de las materias primas para la granulación se define como factor de granulación, con escala de medida normalmente de 0-10 o de 0-100). En la siguiente tabla extraída de los artículos técnicos publicados en FEDNA se aporta lista de materias primas expresando su FACTOR DE GRANULACIÓN como CALIDAD, CAPACIDAD como absorción de humedad, y ABRASIVIDAD respecto al desgaste sobre el equipo de granulación:
Tabla extraída de: “El proceso de granulación: Bases científicas y efectos nutricionales” por González Mateos, G y Grobas, S. 1993. IX Curso de especialización de FEDNA.
También es interesante relacionar el factor de granulación con los componentes nutricionales de las materias primas. A continuación, se presenta una tabla en la que denomina al factor de granulación como “valor aglomerante” siendo el 10 el más alto:
Factores que afectan a la calidad del granulado:
Como hemos visto anteriormente varios son los factores que afectan a la granulación, diversos autores coinciden en la misma línea. Según Behnke (1994) hay tres factores que destacan sobre los demás:
- El acondicionado de la harina.
- La formulación del pienso.
- El tamaño de partícula en la molienda.
Reimer (1992) y A. Fahrenholz (2008) propone estos factores aportando, además, su importancia en la incidencia de la calidad en %:
- Formulación (factor de granulación ingredientes) (40%)
- Molienda (Tamaño de partícula) (20%)
- Acondicionado de la harina con vapor y humedad (20%)
- Compresión L/D (15%)
- Enfriamiento (5%)
De una manera práctica para el fabricante podríamos realizar el siguiente resumen de los factores que inciden tanto en la calidad del pellets, como veremos más adelante durabilidad, y en el rendimiento industrial del proceso:
- Mejoras de calidad:
- Aumento en la ecuación longitud/ ancho del dado de la matriz.
- Materias primas con alto factor de granulación.
- Inclusión de arcillas aglomerantes y gomas.
- Aumento de la temperatura.
- Aumento de la humedad en fórmulas altas en cereales.
- Homogeneidad de la masa en el acondicionado.
- Reducción de la grasa.
- Mejoras de rendimiento:
- Disminución en la ecuación longitud/ ancho de dado de la matriz.
- Aumento de grasas y aceites.
- Disminución de la inclusión de arcillas.
- Aumento de la temperatura.
- Aumento de la humedad.
Parámetros para medir la calidad del granulado:
Los parámetros sobre los cuales se basa el resultado final de la fabricación de pienso granulado son:
- Durabilidad: propiedad que adquiere el granulo de conservar su integridad, una buena durabilidad es sinónimo de baja cantidad de finos, no mucha dureza relativa y buena palatabilidad. Como referencia se puede tomar un valor > 90%. Método referencial: Professor Pfost – Kansas University. El nivel de grasas marcará la durabilidad, por tanto en piensos de rumiantes o equinos con poca grasa y mucha fibra se puede esperar valores de 97% y mayores, mientras que piensos de aves y cerdos industriales será complicado superar el 95%.
- La dureza se puede medir por Método referencial Kahl. Siendo valores acentables para cerdos y aves de 2,5-3, y para animales rumiantes y equinos se puede llegar a valores incluso de 7.
- Respecto a los finos será muy distinto según donde se tome la muestra, no es lo mismo en la fábrica donde puede existir un valor de hasta 8%, que después de transportarlo y manejarlo en granja donde se multiplicaran los finos por el trasiego. Lo importante es tener bastantes pellets íntegros en el comedero, por lo menos 70% de pellets.
- Actividad de agua: parámetro que mide el agua libre que queda después de enfriar, se puede relacionar con la humedad, pero no es lo mismo, aunque si es cierto que el fabricante marca un límite de humedad al salir del enfriador por debajo del cual asegura que no hay demasiada agua libre “actividad de agua” en un 12-13%. El agua libre es el agua no ligada a los nutrientes y estructuras, y que por tanto es aprovechada para el crecimiento fúngico, bacteriano, oxidaciones y en último término insectos. Por tanto, garantiza la estabilidad, ya que al mantenerlo por debajo de un límite evita el deterioro del pienso. El valor de actividad de agua ideal está en torno al 0,65, no debiendo superar el 0,7.
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- Una manera efectiva de garantizar que el pellets pierde la humedad sobrante durante el enfriado es mantener la diferencia de temperatura pellets/ambiente < 5 ºC, máx 10ºC a la salida del equipo.
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Factores de deterioro del pienso.
- Calidad microbiológica: el pienso granulado debe mantenerse en unos niveles muy bajos o nulos de Bacterias patógenas. Lo normal es medir las Enterobacterias totales las cuales según el tipo de pienso no deben superar las 1000 o 10000 ufc/gr, ya que no es lo mismo un pienso de aves de engorde que supere los 78ºC de temperatura en granulación a un taco de rumiantes que posiblemente no supera los 60ºC. Por su puesto el pienso debe ser ausente en patógenos críticos como Salmonella y E.coli. Es común utilizar ácidos orgánicos libres en mezcladora destacando el Fórmico y Propiónico para garantizar un efecto residual conservante en el pienso.
- Como indicamos anteriormente la granulación implica la adición de agua libre en forma de vapor, pero en muchas ocasiones tambíen es necesario añadir agua libre directamente para llegar a la humedad deseada que garantice una granulación de calidad y a buen rendimiento productivo. Este proceso se denomina rehidratación y normalmente se realiza en la mezcladora adicionando entre 1-2% de agua. Es muy importante que esta agua este correctamente clorada, incluso se añada un porcentaje de propiónico, para evitar fermentaciones microbianas posteriores.
Mantener estos parámetros de calidad dentro de los estándares es un objetivo primordial por parte del fabricante, y, además, dentro de unos costes productivos medidos en consumo energético y toneladas/horas asumibles. A parte de la propia instalación, equipos y personal cualificado, también se vale de herramientas a base aditivos tecnológicos como EMULFEED que ayuda a fabricar a una velocidad adecuada garantizando una buena durabilidad gracias a la homogeneidad del agua en el pienso, deprime la actividad de agua, y conserva el pienso frente a la fermentación microbiológica.
EMULFEED esta compuesto de manera proporcional y sinérgica por conservantes, humectantes y emulsificantes de alto HLB, proporcionando al fabricante de piensos un sistema completo de acondicionado y control sobre la humedad añadida al proceso de granulación.
EMULFEED ofrece al fabricante garantías de calidad física, química y microbiológica, e importantes beneficios en:
- ahorro energético.
- recuperación de mermas.
- menor desgaste de maquinaria.
- conservación microbiológica.
constituyendo una herramienta manejable y sencilla para el fabricante de piensos.
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Autor de la publicación
Pablo Manrique Vergarap.manrique@nutrofar.es