Tất cả vật nuôi đều sử dụng enzyme để tiêu hóa thức ăn. Phần lớn các enzyme do bản thân con vật hoặc hệ vi sinh vật đường ruột tiết ra. Heo, gà chỉ có thể tiêu hóa 75 - 85% lượng thức ăn chúng ăn vào do trong khẩu phần thức ăn chứa thành phần mà bản thân con vật thiếu hoặc không có enzyme chuyên biệt để tiêu hóa.

Arabinoxylan có nhiều trong thức ăn nhưng vật nuôi không có enzyme để phân cắt nó. Để phá vỡ cấu trúc Arabinoxylan, enzyme Xylanase được bổ sung vào khẩu phần và nó đã có vai trò cải thiện hệ số chuyển hóa thức ăn và tăng trưởng vật nuôi (Bartelt, 2002; Twomey et al., 2003).

1. Arabinoxylan – Yếu tố kháng dinh dưỡng chủ yếu

Tổng carbohydrate thực vật bao gồm tinh bột, polysaccharide phi tinh bột (non starch polysacharide - NSP) và lignin. Nhóm NSP bao gồm cellulose, hemicellulose, β-glucan, pectin và oligosacchride. Hemicellulose gồm Arabinoxylan (AX), galactan, mannan,... trong đó AX là thành phần chiếm chủ yếu của Hemicellulose nói riêng và NSP nói chung trong nguyên liệu thức ăn chăn nuôi chính như bắp, lúa mì, cám gạo, khô dầu đậu nành...

Vật nuôi không thể tiết ra enzyme tiêu hóa AX do đó AX cản trở khả năng tiêu hóa và hấp thu dinh dưỡng ở heo và gia cầm (Antoniou et al., 1981; Choct và Annison, 1990; Barneveld và Hughes, 1994).

Bảng 1. Hàm lượng AX và NSP trong một số nguyên liệu thức ăn chăn nuôi

Nguồn Englyst, 1989

2. Ảnh hưởng tiêu cực của AX trong thức ăn đối với vật nuôi

Dựa vào khả năng hòa tan trong nước, AX được chia thành 2 nhóm AX tan và AX không tan. Các nhóm AX này đều gây ra những tác động tiêu cực đến quá trình tiêu hóa của vật nuôi.

AX tan làm tăng độ nhớt trong đường ruột dẫn đến làm thay đổi đặc tính vật lý và hệ vi sinh vật đường ruột (Angkanaporn et al., 1994). Việc thức ăn trong ống tiêu hóa di chuyển chậm, kéo theo hàm lượng oxygen trong ruột non thấp sẽ kích thích quá trình lên men (Wagner và Thomas, 1978). Choct et al. (1996) cho biết quá trình lên men trong ruột non tăng khi bổ sung NSP tan trong khẩu phần của gà.

Gia cầm không thể tiêu hóa NSP (Adams và Pough, 1993; Annison, 1993). Một số NSP tan trong nước làm tăng độ nhớt ở đường ruột (Ward, 1995) do đó làm giảm chức năng đường ruột. Khẩu phần nhiều AX kích thích gà uống nhiều nước và kéo theo là hiện tượng phân ướt và dính, ảnh hưởng đến vấn đề vệ sinh và chất lượng thịt (Dunn, 1996).

Pluske et al. (1998) thấy rằng ở heo con sau cai sữa, có sự liên quan của NSP tan trong khẩu phần với bệnh heo tiêu chảy. Tác giả cho biết khẩu phần heo sau cai sữa có NSP tan sẽ gây bất lợi cho sự tăng trưởng của heo và là tác nhân kích thích tiêu chảy do E.coli.

Khẩu phần heo giai đoạn tăng trưởng đến xuất chuồng chủ yếu là đậu nành và ngũ cốc. Thành phần dinh dưỡng của chúng chứa đáng kể AX ở vỏ hạt và thành tế bào làm cản trở rất nhiều khả năng tiêu hóa của heo (Kim et al., 2005; Wifart et al., 2007). Sản phẩm của quá trình tiêu hóa như năng lượng cũng bị giới hạn (Serena al el., 2008).

AX không tan ngăn cản enzyme nội sinh tiếp xúc với các chất dinh dưỡng khác như đạm, béo, tinh bột làm hạn chế quá trình tiêu hóa và hấp thu chất dinh dưỡng.

3. Biện pháp giảm thiểu đặc tính kháng dinh dưỡng của Arabinoxylan

Xylanase được sử dụng trong thức ăn chăn nuôi hơn 20 năm. Trước đây, enzyme chỉ được sử dụng hạn chế trên heo và gà, tuy nhiên gần đây enzyme được sử dụng phổ biến trên động vật nhai lại và động vật thủy sản (Twomey et al., 2003; Brzozowski và Zakrzewska-Czarnogórska, 2004; Valaja et al., 2004; Farhangi và Carter, 2007). Lợi ích của việc bổ sung xylanase trong khẩu phần là tăng giá trị dinh dưỡng của khẩu phần cơ bản là đậu nành và ngũ cốc (Kiarie et al., 2007).

Nhiều nghiên cứu đã cho rằng các ảnh hưởng tiêu cực của NSP có thể được loại bỏ nếu khẩu phần có bổ sung enzyme ngoại sinh (Creswell, 1994). Enzyme phá vỡ AX làm giảm độ nhớt trong đường ruột và kết quả là tăng khả năng tiêu hóa và sức khỏe đường ruột.

Morgan et al., 1995 và Muramatsu et al., 1992 cho rằng bổ sung enzyme NSP vào khẩu phần cơ bản là lúa mì làm giảm độ nhớt trong ruột trước một cách có ý nghĩa ở gia cầm. Kết quả tương tự được Bedford và Classen (1993); Bhatt et al., 1991 và Dunn, 1996 ghi nhận. Việc bổ sung enzyme xylanase vào khẩu phần cơ bản là lúa mì của gia cầm làm tăng năng lượng hữu dụng của khẩu phần (Partridge và Wyatt, 1995; Van der Klis et al., 1995) đồng thời giảm độ nhớt, cải thiện khả năng tiêu hóa chất béo (Almirall et al., 1995).

3. Cơ chế tác động của Xylanase

Dựa vào cơ chế tác động, enzyme xylanase có thể chia thành 2 loại chính endo-xylanase và exo-xylanase.

Endo-xylanase có thể gắn vào bất kỳ vị trí nào trên trục của chuỗi AX, kết quả hình thành các chuỗi AX nhỏ hơn. Các đoạn nhỏ AX ít gắn kết với nước vì vậy giảm được độ nhớt trong đường ruột. Vật nuôi không bị tress do quá trình phân cắt chuỗi AX.

Exo-xylanase chỉ có thể gắn với đường khử tại vị trí cuối cùng của chuỗi AX, kết quả của quá trình phân cắt tạo ra các phân tử xylose từ chuỗi AX và vì vậy khả năng giảm độ nhớt và giải phóng năng lượng của exo-xylanase kém hiệu quả. Ngoài ra, việc giải phóng từng phân tử xylose sẽ gây stress cho vật nuôi vì nhóm động vật dạ dày đơn không có khả năng sử dụng pentose để sản sinh năng lượng.

Hỗn hợp endo và exo – xylanase có thể phân cắt chuỗi AX tốt hơn, giảm độ nhớt đường ruột và giải phóng chất dinh dưỡng nhanh hơn. Tuy nhiên, tác động kết hợp lại phóng thích ra nhiều phân tử xylose hơn và gây hiện trình trạng stress cho vật nuôi.

4. Nguồn gốc Xylanase ảnh hưởng đến hiệu quả thủy phân AX

Xylanase có thể được chiết xuất từ nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn. Ngoài ra, có một số bài báo cho rằng xylanase cũng có thể được sản xuất từ động vật thân mềm nước ngọt (Yarnura er al., 1997) và trái cây (Yamaki và Kakiuchi, 1979). Trên thế giới, sản lượng xylanase từ nấm là chủ yếu, tuy nhiên có vấn đề đối với xylanase từ nấm là pH và nhiệt độ tối ưu thấp. Xylanase từ vi khuẩn có nhiều báo cáo cho rằng pH và nhiệt độ tối ưu cao hơn (Subramaniyan et al., 1997).

Dòng Bacillus subtilis là một thể cho xylanase vi khuẩn. Xylanase từ Bacillus rất đa dạng do sự đa dạng của Bacillus (Sunna và Antranikian, 1997; Beg et al., 2001). pH tối ưu của các loại enzyme vi khuẩn này từ acid nhẹ (5.5) tới kiềm (9.0-10.0) và nhiệt độ từ 50-75°C. Một vài xylanase có nguồn gốc từ dòng Bacillus chịu nhiệt có thể bền vững ở nhiệt độ cao hơn (Wolf et al., 1995; St John et al., 2006).

Hầu hết xylanase sử dụng trong thức ăn thương mại có nguồn gốc từ nấm: Trichoderma, Talaromyces, Aspergillus, Humicola, Penicillium và Thermomyces. Hầu hết xylanase có nguồn gốc từ nấm là enzyme ưa ấm (mesophili). Tuy nhiên, cũng có một số có khả năng chịu nhiệt tốt như enzyme chiết xuất từ Talaromyces và Thermomyces.

Trichoderma reesei sản sinh ra 4 loại enzyme xylanase khác nhau (Tenkanen et al., 1992, 2003; Xu et al., 1998). Xyn1, Xyn2, Xyn3, Xyn4, pH hoạt động tối ưu khoảng 3.0-6.5. Xyn1 và Xyn2 là nhóm enzym chiếm ưu thế. Xyn2 hoạt động hiệu quả hơn Xyn1 (Tenkanen et al., 1992). Tất cả xylanase từ nấm T. reesei là những enzyme ưa ấm, nhiệt độ tối ưu là 50°C, nó không bền ở nhiệt độ cao, vì vậy nó không thích hợp khi ép viên (Fenel et al., 2004; Xiong et al., 2004).

Aspergillus niger và A. oryzae được sử dụng rộng rãi để sản xuất xylanase. 3 loại endo-xylanase (Endo I, II và III) được sản xuất từ nấm Aspergillus awamori (loài phụ A. niger ) có pH tối ưu 4.0-5.5 và nhiệt độ 45-55 ^oC (Kormelink et al., 1993).

Hai loại xylanase thương mại chủ yếu chiết xuất từ H. Insolens Xyl1 và Xyl2, cả hai đều hoạt động tối ưu ở pH 6.0-6.5 và nhiệt độ 55-60 ^oC. Xylanase được chiết xuất từ nấm Humicola grisea var. thermoidea (Monti et al.,1991) có khả năng chịu nhiệt cao hơn, tuy vậy ở điều kiện 60 ^oC trong 20 phút hoạt lực chỉ còn một nữa.

Một số nấm chịu nhiệt như T. emersonii  và Thermomyces lanuginosus được dùng để sản xuất xylanase chịu nhiệt. Những enzyme này hoạt động tối ưu ở pH acid (3.5-4.7) và nhiệt độ 67-80°C (Coughlan et al.,1993)

5. Chất ức chế xylanse

Xylanase có thể bị ức chế bởi các yếu tố ức chế xylanase tự nhiên, tính nhạy cảm với các chất ức chế phụ thuộc và các xylanase (Goesaert et al., 2004). Ba loại ức chế có thể được ghi nhận hiện diện trong ngũ cốc (Sørensen và Sibbesen, 2006; Dornez et al., 2009): TAXI (Triticum aestivum xylanase inhibitors), XIP (xylanase inhibitor proteins or ‘chitinase-like’ cereal inhibitors), TL-X (thaumatin-like xylanase inhibitors).

6. Nutrase xyla - Enzyme xylanase chiết xuất từ vi khuẩn

Hầu hết các enzyme NSP trên thị trường trường Việt Nam được sản xuất từ nấm nhưng Nutrase xyla với hoạt chất chính là endo - xylanase được sản xuất từ vi khuẩn Bacillus subtilis. Đây là sản phẩm do tập đoàn Nutrex (Bỉ) nghiên cứu và phát triển hơn 15 năm qua.

Như đã phân tích về ưu điểm của enzyme có nguồn gốc từ vi khuẩn, Nutrase xyla cũng có những ưu điểm vượt trội so với những sản phẩm tương tự có nguồn gốc từ nấm.

6.1. Nutrase xyla có hoạt lực cao trên cả AX tan và AX không tan

Mặc dù tác động kháng dinh dưỡng của AX không tan (bao bọc dinh dưỡng) ít quan trọng hơn AX tan (tăng độ nhớt đường tiêu hóa) nhưng điều cần lưu ý là việc chất dinh dưỡng bị bao bọc, không được vật nuôi sử dụng sẽ lãng phí và giảm năng suất tối ưu. Do AX không tan chiếm tỷ trọng rất lớn so với AX tan (Bảng 1) và một số vật nuôi ít nhạy cảm với độ nhớt trong đường tiêu hóa nên đòi hỏi xylanase phải phân cắt hiệu quả 2 loại AX, đặc biệt là AX không tan để mang lại lợi ích tối đa cho vật nuôi khi sử dụng khẩu phần cơ bản là bắp và đậu nành.

Nutrase xyla có ưu điểm vượt trội so với enzyme từ nấm trong việc phân cắt và hòa tan AX không tan.

Khả năng phân cắt AX không tan thấp của Xylanase nguồn gốc từ nấm đã tạo ra cảm giác thất vọng và do dự của các nhà tổ hợp công thức thức ăn chăn nuôi khi sử dụng xylanase trong khẩu phần.

6.2. Nutrase xyla hoạt động tối ưu ở pH ruột non

Xylanase có nguồn gốc từ nấm chủ yếu hoạt động tốt ở mức pH từ 3.0-5.5 và mất phần lớn hoạt lực khi pH ở môi trường trung tính. Thời gian thức ăn đi qua dạ dày, dạ dày cơ ngắn nên enzyme phân cắt AX hoạt động được trong thời gian ngắn.

Nutrase xyla có pH tối ưu trong điều kiện pH trung tính, dao động từ 6.0-7.0. Thức ăn chủ yếu di chuyển trong ruột non (môi trường trung tính) nên thời gian xylanase tiếp xúc và phân cắt AX trong thời gian dài nên hiệu quả phân cắt cao.

6.3. Nutrase xyla ít nhạy cảm với chất ức chế xylanase

Xylanase từ nấm nhạy cảm với chất ức chế trong bột ngũ cốc cao hơn so với xylanase được chiết xuất từ vi khuẩn. Tác động của enzyme từ nấm có thể bị ức chế 70-95% trong khi đó enzyme được chiết xuất từ vi khuẩn có thể bị ức chế ở mức 20-30%.

6.4. Nutrase xyla ổn định với nhiệt

Xylanase từ Nutrase xyla là enzyme được chiết xuất từ vi khuẩn Bacillus subtilis nên có độ bền tự nhiên với nhiệt nên không cần màng bao bọc hay các quy trình khác.

Hoạt lực của enzyme luôn bị giảm trong quá trình ép viên thức ăn. Nutrase xyla chỉ giảm lượng nhỏ không đáng kể ở nhiệt độ 85^oC, trong khi đó các enzyme từ nấm bị hao hụt nhiều hơn ngay cả khi được bao màng.

 

Bảng 2. So sánh một số tiêu chí của Nutrase xyla và một số enzyme khác

Nguồn http://www.nutrex.be

6.5. Hiệu quả của xylanase trên vật nuôi

Bảng 3. Mức độ cải thiện trung bình trên gia cầm của Nutrase xyla so với enzyme khác

Nguồn http://www.nutrex.be

Bảng 4. Mức độ cải thiện trung bình trên heo của Nutrase xyla

Nguồn http://www.nutrex.be

7. Kết luận

Việc bổ sung enzyme xylanase vào khẩu phần vật nuôi là cần thiết nhằm giảm thiểu những tác động tiêu cực của AX, đồng thời tăng hiệu quả sử dụng thức ăn của vật nuôi. Đối với khẩu phần cơ bản là đậu nành, ngũ cốc thì mức độ thiết yếu của xylanase trong thức ăn càng cao. Hiện nay có nhiều enzyme xylanase nhưng chủ yếu có nguồn gốc từ nấm vì vậy hiệu quả thường không như kỳ vọng. Nutrase xyla với hoạt chất chính là xylanase có nguồn gốc từ vi khuẩn với nhiều ưu điểm như phân cắt hiệu quả AX tan và không tan trong điều kiện pH ruột non, thời gian phân cắt dài, bền với nhiệt độ ép viên và ít nhạy cảm với chất ức chế Xylanase trong nguyên liệu thức ăn.

Phòng Kỹ thuật - Marketing - Công ty TNHH Nhân Lộc

Tài liệu tham khảo

M. Choct, Y. Dersjant-Li, J. McLeish và M. Peisker. 2010. Soy Oligosaccharides và Soluble  Non-starch Polysaccharides: A Review of Digestion, Nutritive và  Anti-nutritive Effects in Pigs và Poultry . Asian-Aust. J. Anim. Sci.

Michael R. Bedford, Gary G. Partridge. 2010. Enzymes In Farm Animal Nutrition.  www.cabi.org

Annie Deborah Harris và C. Ramalingam.2010. Xylanases và its Application in Food Industry: A Review. School of Biosciences và Technology, VIT University, Vellore 632014, India

Ewa Hanczakowska, Małgorzata Świątkiewicz, Imke Kühn. 2012.Efficiency và dose response of xylanase in diets for fattening pigs. Annals of Animal Science. Volume 12, Issue 4, Pages 539–548

SUBRAMANIYAN, S. 2000. Studies on Production of Bacterial Xylanases. Doctor of philosophy in Biotechnology. Biochemical Processing và Waste Water Technology Division Regional Research Laboratory (CSIR) Trivvàrum - 695 019, India.