Корма и кормовые добавки

07.06.2015

Инновации в области кормовых ферментов: прошлое, настоящее и будущее

Возможность применения каталитических свойств ферментов для оптимизации кормления признана в 1894 году, когда был выдан первый патент одному из пионеров биотехнологии, доктору Jokichi Takamine. Затем в начале 1900-х годов была открыта фитаза, которая сегодня используется примерно в 90% кормов для птицы, а затем открыли и фитат — субстрат, на который действует фитаза. Первая статья, в которой обсуждались преимущества использования в кормах экзогенных ферментов, была опубликована 20 лет спустя.

Несмотря на то, что сегодня применение ферментов в кормах для птицы является одной из наиболее изученных тем в птицеводстве (только на бройлерах было проведено более 2500 независимых экспериментов), широкое использование ферментов в кормах для животных началось только в 1980-х годах. Общее признание целесообразности использования кормовых ферментов произошло только в конце 1990-х годов.

В данной статье Даниско Анимал Ньютришн рассматривает ключевые события в истории создания кормовых ферментов, а также то, каким образом разработка новых ферментов поможет обеспечить безопасность продуктов питания в будущем.

В 1980-х годах стало ясно, что необходимо производить больше высококачественного белка для обеспечения растущих потребностей населения планеты. В то время уже было очевидно, что механизм превращения корма в белок недостаточно эффективен. Даже при кормлении простыми рационами птица не переваривает до четверти потреблённого корма, а у молодой птицы недостаточно ферментов для переваривания распространённых кормовых ингредиентов, например ячменя или овса.

В конце 1980-х годов появились ксиланаза и бета-глюканаза — ферменты, разрушающие волокна и способные расщеплять некрахмалистые полисахариды (НКП), такие как арабиноксиланы и бета-глюканы, в «вязких» зерновых.

Комбинация ксиланазы и бета-глюканазы улучшает переваримость питательных веществ и использование корма за счёт высвобождения инкапсулированных питательных веществ, снижения вязкости химуса и уменьшения эндогенных потерь. Эти свойства были очень высоко оценены производителями в тех регионах, где пшеница и ячмень составляли основу рациона птицы, в частности в Европе, Канаде, Австралии и Новой Зеландии.

Из организма птицы также выводится около 45% связанных минеральных веществ корма, в том числе фосфор (P). При внесении богатого фосфором навоза в почву возникает угроза и без того скудным запасам пресной воды, поскольку увеличение содержания фосфора в пресных водоемах вызывает активное разрастание водорослей.

В 1980-х годах власти Нидерландов, стремясь ограничить попадание фосфора из навоза в источники воды при внесении его в почву, начали вводить штрафы. Чтобы избежать этого «фосфорного налога», в конце 1980-х аграрии стали использовать в кормах фитазу. Немецкие производители, столкнувшись со сходным законодательным регулированием, также начали применять фитазу, но в других странах, где не было законодательного давления, применение фитазы оставалось незначительным вследствие её относительно высокой стоимости.

1990-е годы ознаменовались повышением осознания кормопроизводителями важности использования карбогидраз и протеаз в кормах, содержащих различное сырьё, в том числе и не вызывающее повышения вязкости, например сорго или кукурузу.

С этого времени комбинации ферментов начали рассматривать в качестве способа снижения вариабельности как характеристик сырья (такие технологические приёмы, как механическая сушка, изменяли структуру крахмала в кукурузе, что приводило к большей вариабельности), так и продуктивности стада.

Начало века: переломный момент в использовании кормовых ферментов

С 2000-го года практика законодательного ограничения выделения фосфора в окружающую среду стала более распространённой. Однако с коммерческой точки зрения переломный момент в использовании фитазы наступил в 1990-х годах, когда взлетела цена на неорганические источники фосфора. Примерно в это же время было установлено, что применение фитазы позволяет максимизировать продуктивность животных за счёт повышения усвоения фосфора — минерала, жизненно необходимого для роста скелета, обеспечения клеточных функций и энергетического обмена. Это достигалось благодаря способности фитазы превращать недоступный фосфор, содержащийся в фитате, в доступный.

Ещё одним фактором, способствовавшим быстрому росту использования фитазы, стал введённый в 2001 году в Европейском союзе и в Японии запрет на использование мясокостной муки, являвшейся недорогим источником минералов и протеина.

В последнее десятилетие также наблюдался скачок спроса на белок в связи с ростом населения и его доходов (потребление мяса птицы выросло на 32%).

Это увеличение спроса произошло на фоне непредсказуемых для животноводов перемен, например повышения цен на сырьё, неблагоприятных погодных условий и пандемий. Основной задачей животноводов стало снижение вариабельности.

Были проведены дополнительные исследования по изучению различий в содержании НКП в зерновых, повышающих вязкость химуса, и использованию ксиланазы и бета-глюканазы в улучшении переваримости для снижения затрат на корма, которые начали достигать трёх четвертей от всех производственных расходов.

В недавних исследованиях было показано, что применение ксиланазы и бета-глюканазы позволяет достичь значительного повышения переваримости корма. Белок является второй по величине затрат составляющей стоимости корма после энергии, поэтому в последние годы наблюдается тенденция к использованию более дешёвых богатых белком ингредиентов для увеличения прибыли.

Вследствие инициатив по производству возобновляемых видов топлива на рынке появилось значительное количество сухой послеспиртовой барды — побочного продукта производства биоэтанола. Сухая послеспиртовая барда, а также другие богатые белком побочные продукты, например рисовые отруби, содержат большее количество клетчатки и хуже перевариваются. Переход от простых рационов к более сложным оказывает значительное влияние на доступность кормовых субстратов для переваривания и приводит к снижению содержания крахмала и переваримых аминокислот в рационе (рис. 1).

Различные методы выращивания и погодные условия в период уборки урожая приводят к различному содержанию субстратов в кормах, что, в свою очередь, может вызвать проблемы с пищеварением и продуктивностью. Например, кукуруза является наиболее распространённым в мире кормовым ингредиентом, но в то же время общеизвестно, что её кормовая ценность подвержена выраженным колебаниям, иногда столь же значительным, как и кормовая ценность зерновых, повышающих вязкость химуса, например пшеницы. 

В опытах на бройлерах (рис. 2) было показано, что вариабельность конверсии корма, обусловленная вариабельностью кукурузы, может быть снижена, а переваримость кукурузы — улучшена при помощи комбинации ферментов ксиланазы, амилазы и протеазы, каждый из которых воздействует на отдельный проблемный субстрат в корме. Это позволяет максимизировать продуктивность птицы благодаря снижению антипитательных эффектов и оптимизации переваримости питательных веществ:

• Ксиланаза и бета-глюканаза разрушают некрахмалистые полисахариды, включая растворимые и нерастворимые арабиноксиланы в волокнистой части клеточной стенки растений, а также снижают вязкость химуса и повышают переваримость питательных веществ, высвобождают инкапсулированные питательные вещества и увеличивают скорость продвижения корма. Этот «отворяющий» эффект делает клеточные компоненты более доступными для других ферментов.

• Амилаза воздействует на крахмал, повышая его гидролиз и таким образом улучшая его переваримость. Её воздействие дополняет эффект эндогенных амилаз, высвобождая необходимую для роста энергию. Повышение переваримости крахмала также приводит к снижению количества субстрата, доступного для нежелательной микрофлоры.

• Протеаза увеличивает переваримость протеина за счёт гидролиза запасных и структурных белков, а также разрушает связи белков с крахмалом и клетчаткой в рационе. Кроме того, она воздействует на другие антипитательные факторы рациона, например на остаточные ингибиторы трипсина и лектины в соевом шроте и некоторых других источниках растительного белка, что приводит к повышению переваримости питательных веществ.

Синергизм при использовании этой комбинации ферментов достигается благодаря эффектам их воздействия не только на специфический субстрат. Например, при разрушении волокнистой фракции ксиланазой повышается переваримость белка вследствие облегчения доступности белковых субстратов для других ферментов. Эти эффекты, позволяющие значительно повысить скорость роста (рис. 3), широко описаны в современной научной литературе.

В недавнем опыте по изучению переваримости продемонстрировано положительное влияние комбинации карбогидраз и протеаз на переваримость в подвздошной кишке энергии крахмала, жира и белка при кормлении бройлеров кукурузно-соевыми рационами с добавлением сухой послеспиртовой барды и рапсового шрота. Эффект от применения ферментов оказался лучше выражен в более сложном смешанном рационе, чем в кукурузно-соевом. В этой работе также был отмечен взаимодополняющий эффект от применения протеазы с ксиланазой и амилазой (рис. 4).

Кроме того, выявлено улучшение переваримости альтернативного сырья в рационах на основе кукурузы при использовании комбинации ксиланазы и бета-глюканазы.

В этом опыте (рис. 5) бройлерам скармливался рацион, содержащий кукурузу, кукурузную послеспиртовую барду, соевый шрот и рапсовый шрот с добавлением ксиланазы либо ксиланазы и бета-глюканазы. Введение комбинации ферментов привело к значительному улучшению конверсии корма и переваримости в подвздошной кишке.

Известно, что кишечник птицы является сложным «механизмом». Становится все больше признанным осознание того, что здоровый кишечник чрезвычайно важен для достижения оптимальной продуктивности птицы.

Хотя в процессе производства на микрофлору кишечника и количество нежелательных бактерий в нём оказывают кумулятивное воздействие различные факторы, исследованиями установлено, что большое значение имеет тип, количество и доступность непереваренных питательных субстратов в различных отделах желудочно-кишечного тракта.

Также исследованиями была установлена роль ферментов карбогидраз и протеаз в поддержании здоровья кишечника посредством изменения доступности субстратов для его микробиоты. Действия этих ферментов многогранны. Например, ксиланаза снижает вязкость химуса посредством гидролиза растворимых арабиноксиланов, а растворение арабиноксиланов приводит к образованию арабино-ксило-олигосахаридов.

Они действуют как пребиотики, способствуя росту полезной микрофлоры и продукции короткоцепочечных жирных кислот, которые могут использоваться организмом животного в качестве источника энергии.

Снижение вязкости химуса также облегчает доступ других эндогенных и экзогенных ферментов к ранее недоступным субстратам, что приводит к повышению переваримости питательных веществ.

В результате максимизации переваримости субстратов в кишечнике не только увеличивается количество питательных веществ, используемых птицей для роста, но и остается меньше непереваренных фракций — потенциальной питательной среды для патогенных штаммов бактерий. Это особенно важно в отношении непереваренного белка, так как он способствует росту Clostridium perfringens — бактерий, вызывающих некротический энтерит.

В последние годы растущее понимание влияния фитазы на переваримость аминокислот и энергии позволило признать, что ценность фитазы не ограничивается улучшением обеспеченности рациона фосфором и кальцием.

В настоящее время фитат рассматривается как антипитательное вещество, нарушающее усвоение птицей белка и энергии за счёт образования комплексов с минералами, пептидами и крахмалом.

Также исследования указывают на то, что фитат может увеличивать эндогенные потери минералов и аминокислот. Сочетание этих факторов с неспособностью птицы разрушить фитат при помощи собственных ферментов часто приводит к различным нарушениям продуктивности.

По мере того как рационы становятся более сложными, возрастает содержание в них фитата (рис. 6), а также возрастает необходимость поиска способов скорейшего разрушения фитата.

В последнее десятилетие исследования были направлены на разработку фитаз, обладающих большим сходством по форме с молекулой ИФ-6 фитата и высокой активностью при низких значениях pH для достижения быстрого разрушения фитата в верхних отделах пищеварительного тракта. К настоящему времени основным критерием оценки фитаз стала биологическая эффективность.

Первая фитаза, продуцируемая E. coli, появилась на рынке в 2003 году и обладала на 20% большей биологической эффективностью и соответствующей возможностью снижения затрат на корма в сравнении с традиционными грибковыми фитазами, присутствовавшими на рынке в то время.

Фитаза, продуцируемая E. coli, улучшала переваримость белка и аминокислот в подвздошной кишке при любом содержании фитата, однако наибольший эффект наблюдался при высоких его концентрациях.

Дальнейшие шаги по улучшению эффективности фитаз были предприняты в 2007 году, с появлением уникальной технологии термозащиты, включающей в себя нанесение защитного слоя на сухую фитазу. Такое покрытие обеспечивает термостабильность до 95°C (203°F) и гарантирует сохранение активности фитазы при кондиционировании паром и последующем гранулировании корма, сберегая деньги и сохраняя уверенность производителей.

Такая же технология нанесения покрытия использовалась при производстве лучших карбогидраз и протеаз для обеспечения сохранения активности в гранулированных кормах.

В 2013 году на рынок был выведен ряд усовершенствованных продуктов на основе фитазы, продуцируемой видами Buttiauxella, а независимые исследования, проведённые в Институте изучения кормов (Schothorst Feed Research Institute, Нидерланды) в 2012 году, показали, что данная фитаза обладает на 79% большей биологической эффективностью, чем фитаза, продуцируемая E. coli (рис. 7).

При анализе 10 экспериментов на бройлерах, проведённых в последние три года в целях изучения этой усовершенствованной фитазы, было подтверждено наличие корреляции между содержанием в корме фитазы и переваримостью аминокислот (что первоначально установлено Sands и соавт.).

Количество данных, подтверждающих эффективность фитазы, позволяет производителям с уверенностью использовать матричные значения при составлении рационов.

Птица и свиньи по-разному реагируют на фитазу; также на ответную реакцию животного при применении различных дозировок фитазы влияет его возраст. При определении оптимальной дозировки фитазы и количества высвобождаемых помимо фосфора питательных веществ, например аминокислот и энергии, огромное значение имеет уровень содержания фитата в рационе (рис. 8).

Что дальше?

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение синергизма между фитазами, карбогидразами и протеазами, а также на поиск дополнительных возможностей снижения затрат при их совместном использовании.

Также проводилось изучение влияния на сохранность, приросты и привесы комбинаций различных групп кормовых добавок с потенциально комплементарными механизмами действия, например пробиотиков и ферментов. В опыте на незаражённых бройлерах, получавших кукурузно-соевый рацион с добавлением продуктов переработки зерна, Romero и соавт. (2013) наблюдали значительное увеличение скорректированной по азоту истинной обменной энергии при добавлении пробиотика, содержащего три штамма Bacillus, и ферментов ксиланазы, амилазы и протеазы. Наблюдалось значительное улучшение переваримости корма и здоровья кишечника, обеспечившее возврат инвестиций на уровне три к одному. На следующем этапе была проведена проверка эффективности такого подхода при заражении некротическим энтеритом.

В обоих экспериментах при применении комбинации продуктов наблюдалось улучшение скорректированной по живому весу конверсии корма, что позволило достичь снижения затрат на килограмм прироста на 14% в сравнении с заражённым контролем при текущих ценах на корма, что отражает наличие выраженного экономического эффекта такого подхода при заражении некротическим энтеритом в экспериментальных условиях.

Новые достижения в технологии производства ферментов также открывают возможности для использования нового, более дешёвого нетрадиционного сырья при производстве кормов. Исследователи уже изучают возможности улучшения характеристик сырья, получаемого при производстве биоэтанола технологиями первого и второго поколений, которое может быть использовано в производстве кормов.

Достижения в этой области помогут снизить волатильность цен, отрицательно сказывающуюся на отрасли производства кормов в последние годы, а также значительно снизить затраты и повысить устойчивость производства животного белка.

Список используемой литературы предоставляется по запросу на адрес: monica.hart@dupon.com

Количество показов: 5011
Автор:  Ценовик июнь 2015