Dr inż. Ryszard Gilewski
Prof. dr hab. Stanisław Wężyk

Enzymy są naturalnymi substancjami (białka proste i złożone o właściwościach biologicznych katalizatorów), regulującymi przebieg życiowych procesów w organizmach. Składają się z części białkowej – apoenzymu i niebiałkowej – koenzymu. W skład koenzymu mogą wchodzić witaminy, atomy metali (Cu, Zn, Fe). Każdy enzym katalizuje tylko jedną reakcję lub jeden jej typ. Zawarty w ślinie enzym – ptialina, który rozkłada cukry, ma duże znaczenie w procesie trawienia pokarmu.

Dostarczone z paszą egzogenne enzymy, rozkładające węglowodany, nie są trawione przez enzymy wydzielane w przewodzie pokarmowym zwierząt monogastrycznych. Węglowodany, czyli nieskrobiowe polisacharydy (NSP), mają właściwości przeciw żywieniowe i przyczyniają się do obniżenia wydajności zwierząt. Do tej frakcji węglowodanów zalicza się β-glukany, pentozany, arabinogalaktany, galaktomannany, ksylany i pektyny. Dodatek do paszy tego typu enzymów wspomaga rozkład związków anty żywieniowych, wpływa na obniżenie lepkości, przyspieszenie przechodzenia treści przez przewód pokarmowy, zwiększa dostępność składników pokarmowych, ogranicza wydalania wody, a w konsekwencji prowadzi do poprawy wydajności zwierząt oraz do ograniczenia kosztów ich żywienia.

Stosowanie enzymów NSP u drobiu, przyczynia się do poprawy strawności paszy, stwarza producentom pasz możliwość znacznego zredukowania kosztów, a producentom umożliwia osiągnięcie większego zysku dzięki m.in. bardziej wyrównanym przyrostom lub większej nieśności, przy niższym zużyciu paszy.

W ostatnich trzydziestu latach enzymy stały się niezbędnym dodatkiem do paszy dla zwierząt jednożołądkowych, w tym drobiu. Powszechnie stosowanymi enzymami są fitazy i glukanazy, a w ostatnich latach wzrosło również wykorzystywanie proteaz. Stosowanie fitaz jest szeroko rozpowszechnione i mechanizm ich działania dobrze się sprawdza, a praktyczne korzyści dla produkcji drobiarskiej są powszechnie akceptowane, dlatego główną uwagę poświęca się nowatorskim sposobom stosowania ksynalaz i proteaz w paszach dla drobiu.

Ksylanazy i ich substraty

Substratem jest substancja wyjściowa, biorąca udział w chemicznej reakcji. Substratami ksylanaz – są ksylany, które są w przyrodzie drugą, najbardziej bogatą grupą polisacharydów, czyli wielocukrów zbudowanych z reszt monosacharydowych oraz ich pochodnych i połączonych wiązaniami glikozydowymi. Są to w większości związki o dużym ciężarze cząsteczkowym. Polisacharydy w odróżnieniu od monosacharydów, nie rozpuszczają się w wodzie lub tworzą z nią układy koloidalne. Najważniejszymi z nich to: celuloza, skrobia i glikogen.
Ksylany są dużą liczbą polisacharydów, zawartych w ziarnach zbóż, zwane są często arabinoksylanami lub pentosanami, o różnej proporcji szkieletu ksylanu, podstawionego α-L-arabinofuranozą.
Istnieje wiele odmian struktur i funkcji ksylanu, różniącymi się:

  1. ciężarem cząsteczkowym i stosunkiem arabinozy do ksylozy, przy czym ten ostatni wykazuje zmienność stopnia podstawienia przez boczne łańcuchy arabinozy;
  2. rozpuszczalnością i lepkością; ksylan musi być rozpuszczalny, aby był lepki z tym że nie wszystkie ksylany są rozpuszczalne. np. parabinoksylany z pszenicy i żyta są lepkie, a z ryżu – nie są.

Istnieje wiele złożonych wariantów ksylanów, z których wiele ma różne boczne łańcuchy, skład cukrowy i typy połączeń oraz mogą być częściowo zmetylowane, acetylowane lub estryfikowane oraz mogą wchodzić w skład ściany komórkowej. Voragen i in. (1992) zaliczyli ksyalny do następujących rodzin, gdyż mają:

  1. jedynie boczne łańcuchy pojedynczych końcowych jednostek α-arabinofuranozylowych związków węgla (jak w przypadku arabinianów w ziarnach zbóż);
  2. jedynie kwas α-D-glukonowy lub jako zamiennik – pochodną 4-metyloeterową;
  3. kwas was α-D-glukoronowy i 4-0-metylo-alfa-D-glukuronowy oraz jako zamiennik α-L-arabinozę;
  4. końcowe reszty α-D-galaktopiranozylu na stronie łańcucha kompleksu oligosacharydów, a takie ksylany występują zwykle w roślinach wieloletnich.

Komercyjne badania nad ksylanazą, koncentrują się głównie na endoksylanazach GH10 i 11. Obie ksylanazy GH 10 i 11 wpływają na wiązania glikozydowe. Większość komercyjnych ksylanaz należy do tej grupy, zmniejszając lepkość lub burząc architekturę ściany komórkowej, lub jedno i drugie. Jednak nie wszystkie endo-ksynalazy działają tak samo. Większość ksylanaz GH 11 atakuje tylko ksylanowy szkielet, nieprzerwanych sekwencji (Gruppen i in., 1993), podczas gdy ksylanazy GH 10, są bardziej uniwersalne i mogą rozszczepiać wiązania sąsiadujące z łańcuchami (Biely i in., 1997). Są też endoksylany, które mają powinowactwo do rozpuszczalnych lub nierozpuszczalnych ksylanów (Moers i in., 2005).
W rzeczywistości, wielorakość i heterogenność zarówno enzymu (ksylanazy), jak i jego substratu (ksylanu), ma największe szanse rozwojowe w branży enzymów paszowych.

Aktualne wyzwania dla ksylanaz

W ciągu ostatnich trzydziestu lat, osiągnięto ogromne postępy w stosowaniu ksynalazy, zwiększającej stabilność i aktywność oraz produkcyjność drobiu. Nadal jednak są znaczące szanse i nowe wyzwania w odniesieniu do ksylanaz.

Związek między aktywnością ksylanazy a wydajnością ptaków

Badacze i użytkownicy uznają duże znaczenie aktywności enzymów, korzystnie wpływających na wydajność ptaka.
Każda z metod oznaczania aktywności enzymu, miałaby duże znaczenie, gdyby wykorzystywano tę właściwość, jako miarę uwalniania składników odżywczych lub ocenę wydajności ptaków (Ravindran, 2013), ale nie zawsze jest, im wyższa aktywność enzymu, tym większa jest produkcyjność ptaków.
Są trudności związane z:

  1. poznawaniem podłoża i jego wpływem na wydajność ptaków;
  2. Ilościową oceną kluczowego mechanizmu, którym substrat wpływa na wydajność ptaków;
  3. działaniem enzymu w standardowych warunkach żywienia i chowu.

Zatem odpowiedni test aktywności enzymu, będzie wymagał szczegółowej charakterystyki substratu.

Dopasowanie produktów hydrolizy ksynalazy

W fizyce teoretycznej, precyzyjne dostrojenie – to proces, w którym parametry modelu, muszą być precyzyjnie dostosowane do określonych obserwacji. Sposoby działania ksylanaz, w odniesieniu do swoistości substratu, jego powinowactwa i rodzajów końcowych produktów hydrolizy, uwalnianych in situ w określonym miejscu, nie są w pełni rozpoznane. Wiadomo, że różne ksylanazy, uwalniają różne ilości i typy grup węglowodanowych, w tym monomery, oligomery innych ksylanów o małej masie cząsteczkowej. Rola produktów hydrolizy, ksylo-oligosacharydów (XOS) lub arabinoxylo-oligosacharydów (AXOS) u ludzi (Lin i in., 2016) oraz u drobiu (Pourabedin i in., 2015), stały się interesującym przykładem rozwoju, w którym XOS okazały się być wyjątkowymi probiotykami, poddanymi fermentacji, wywołaną szczepami Bifidobacterii. Ponadto, probiotyczne działanie XOS obejmuje optymalizację funkcji okrężnicy, zwiększanie lub zmienianie składu krótko łańcuchowych kwasów tłuszczowych, zwiększanie immunologicznej stymulacji wchłaniania i wydłużanie kosmków w jelicie krętym (Kim i in., 2011). Zastosowanie XOS w niestrawnej paszy okazuje się szczególnie korzystne dla mikroflory jelitowej, wytwarzającej kwas maślany (De Messchalek i in., 2015). Stwierdzono poprawę wydajności ptaków, na skutek przyswojenia przez komórki nabłonka, większej ilości pokarmu.
Większość dostępnych na rynku ksylanaz może wytwarzać szereg fragmentów ksylanu o małej masie cząsteczkowej, w tym ksylobiozę, ksylotriozę czy ksylotetrozę (Morgan i in., 2017). Rodzaje XOS zależą od substratu, ksylanazy i jelitowego środowiska ptaka. Istnieje zatem podstawa do zbadania różnych postaci ksylanazy:

  1. powinowactwa i swoistości rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych substratów oraz ilości i rodzajów wytwarzanych typów o niskiej masie cząsteczkowej;
  2. właściwości bocznego łańcucha;
  3. najbardziej efektywnego miejsca uwalniania XOS w przewodzie pokarmowym ptaków.

Użycie nierozpuszczalnych ksylanów jako surowców do produkcji XOS, będzie wymagać w przyszłość poważnej zmiany w produkcji ksylanazy, które są tradycyjnie dostarczane do depolimeryzacji rozpuszczalnych ksylanów, aby zmniejszyć negatywne skutki lepkości na trawienie i wchłanianie składników odżywczych. Dyskutuje się wiele nt. efektu „wartości odżywczej” NSP komórkowej ściany i korzyści płynących z niszczenia enzymami jej architektury. Mechanizmy oznaczania typów ksylanaz, niezbędnych do stwierdzenia jak działają w połączeniu z innymi enzymami i do jakiego stopnia ksylany są rozkładane w paszach dla zwierząt jednożołądkowych, nie zostały jeszcze w pełni wyjaśnione.

Zwiększenie skuteczności ksylanazy poprzez zmianę sposobów żywienia

W intensywnej produkcji drobiu, przetworzona pasza jest cały czas dostępna, co skraca jej czas przebywania w wolu i żołądku, na których działalność, można wpływać metodami chowu i żywienia. Rodrigues i in. (2017) stwierdzili, że przerywane żywienie brojlerów paszą z enzymami lub bez nich, spowodowało zatrzymanie przez dłuższy czas, większej jej ilości – w wolu i żołądku. Dzięki zwiększonemu, wstępnemu kondycjonowaniu i ulepszonemu mechanicznemu mieleniu w przedżołądku, enzymy działały skuteczniej, poprawiając funkcje życiowe ptaka. Wyniki badań wskazują, że istnieje możliwość zmiany sposobów żywienia, poprzez zastosowanie wartości dodanej do istniejących w paszy enzymów. Należy dokonać właściwego ich wyboru, uwzględniając optymalną wartość pH i powinowactwo do drugorzędowych substratów, uwalnianych wcześniej w przewodzie pokarmowym, ponieważ pH w jelitach kurcząt waha się od kwaśnego w przednim odcinku – do prawie neutralnego, w tylnej części żołądka.

Proteazy

Proteazy są szeroko stosowane jako dodatek do pasz i w przeciwieństwie do karbohydraz, mają wspólne wiązanie peptydowe oraz jak inne enzymy, są w pewnym stopniu swoiste. Np. gdy aminopeptydazy uwalniają jeden aminokwas lub mały peptyd na końcu białek N, to karboksypeptydazy działają tak samo – na końcu białek C (białka N i C znajdują się w krwi), a edopeptydazy rozszczepiają wiązania peptydowe w środku cząsteczki białka. Proteazy serynowe, które mają tyrozynę, fenyloalaninę lub leucynę – hydrolizują wiązania peptydowe. Żywieniowe badania nad stosowaniem proteaz w paszach, powinny uwzględniać:

  1. charakteryzowanie uzyskanych białek paszowych, pasujących do proteaz;
  2. dezaktywację substancji przeciw żywieniowych, z których wiele to białka, rozkładanych przez proteazy.

Kwestionowane enzymy w pełnoziarnistych paszach dla brojlerów

Żywieniowcy wciąż nie są pewni, jak duże jest zróżnicowanie w stosowaniu w paszach enzymów i od czego ono zależy.
Żywieniem brojlerów całymi ziarnami zbóż a zwłaszcza pszenicy, interesują się producenci i żywieniowcy ze względów finansowych, na całym świecie. Istnieją w tym zakresie jednak znaczne różnice, ponieważ żywieniowcom niełatwo jest określić brak równowagi w spożyciu, między ziarnem a niezbędnym dodatkiem paszowym – innymi słowy, wciąż nie jesteśmy pewni, jak duże wahania istnieją i co na nie wpływa. Wielu producentów podejmuje próby i odnosi sukces, wdrażając go do praktyki.

Producenci najbardziej interesują się stosowaniem enzymów, w przypadku skarmiania drobiem całych ziaren zbóż. Problem jednak się komplikuje, gdy niecała część zboża podawana jest w całości, a wliczana jest do paszy – jako dodatek.

Należy odpowiedzieć, czy enzymy są stosowane, gdy zboża są skarmiane w całości. Dotyczy to nie tylko takich enzymów jak NSP (ksylanazy i β-glukanazy), ale także fitazy, a nawet nowsze – proteazy i celulazy. Uważa się, że całe zboża są podawane w innym czasie niż dodawane enzymy, a jeśli nie są wystarczająco razem wymieszane w pokarmowym przewodzie, to po co stosować tak drogie dodatki?

Należy również stwierdzić, czy zalecana dawka, którą ustalono na podstawie użycia zbóż, może być wystarczająca, w przypadku skarmiania całych ziaren zbóż. Czy należy zwiększyć, zmniejszyć lub częściowo dodać wystarczającą ilość enzymów do ześrutowanej części zbóż?
Być może dla producentów z dużym doświadczeniem w żywieniu brojlerów pełnoziarnistą paszą i tych, którzy dodają do niej enzymy, takie pytania mogą wydawać się naiwne, a odpowiedzi – oczywiste, ale trudno się w pełni z tym zgodzić. Specjaliści powinni w tym przypadku podzielić się ze swą wiedzą na ten temat (Mavromichalis, 2018).

Podsumowanie

Przedstawiając możliwości i wyzwania związane ze stosowaniem ksylanazy
w drobiowych paszach, omówiono między innymi:

  1. Zwiększanie aktywności enzymów w organizmie ptaków.
  2. Wpływ roli ubocznych produktów hydrolizy ksylanazy na stan zdrowotny i wyniki żywienia drobiu.
  3. Sterowanie anatomicznymi i fizjologicznymi procesami ptaków, zwiększającymi skuteczność obecnych w ich organizmach enzymów.
  4. Omawiano nowe zastosowania proteaz do dezaktywacji w paszach substancji przeciw żywieniowych. Charakterystyka substratu, wyjściowej substancji uczestniczącej w reakcji chemicznej, wykazała możliwość uzyskania dalszego postępu w stosowaniu enzymów.
  5. W ciągu ostatnich trzech dekad nastąpił wielki postęp w technologii i stosowaniu enzymów. Rośnie zapotrzebowanie na charakterystykę substratu, szybkie i dokładne określanie funkcjonalnych właściwości i skuteczności enzymów oraz na nowe zastosowania istniejących enzymów.