Все животные используют эндогенные (производимые внутри организма) ферменты для переваривания корма. Эти ферменты вырабатываются либо пищеварительной системой самого организма, либо микроорганизмами, естественно обитающими в кишечнике. Однако пищеварительная система животных не является полностью эффективной. Свиньи и птица не способны переварить вплоть до 25% потребляемого рациона из-за наличия в кормовых ингредиентах неперевариваемых компонентов (антипитательных факторов) или отсутствия у животных необходимых ферментов для расщепления определённых веществ. Чтобы нивелировать негативное влияние таких факторов и повысить усвояемость корма, в рационы всё чаще включают экзогенные (попадающие в организм извне) ферменты. Это улучшает не только переваривание, но и продуктивность животных. Добавление специфических ферментов увеличивает питательную ценность корма, что напрямую повышает эффективность пищеварительных процессов.
Ферменты являются ключевыми и наиболее полезными добавками в кормопроизводстве. Среди них можно выделить следующие категории:
- фитазы, расщепляющие фитаты;
- НПС-ферменты, расщепляющие некрахмалистые полисахариды;
- протеазы, расщепляющие белки;
- амилазы, расщепляющие крахмалы.
Ключевая цель применения ферментных добавок — повышение эффективности и продуктивности животных за счёт улучшения переваривания питательных веществ (белков, углеводов и жиров) в кормах. Расширение ассортимента используемых кормовых ингредиентов и повышение гибкости составления рационов — дополнительные преимущества, достигаемые за счёт снижения ограничений на включение плохо усвояемых компонентов. Основные цели для использования ферментов включают деградацию неперевариваемых углеводов, снижение вязкости химуса, которая может негативно влиять на усвоение энергии из-за образования несмешивающихся слоёв на эпителии кишечника, а также повышение питательной ценности низкопитательного сырья и сокращение различий между высококачественными и низкокачественными кормовыми ингредиентами (Rainbird et al., 1984; Ravindran, 2013). Ещё один важный аспект — высвобождение минеральных веществ (например, фосфатов) и других питательных компонентов из фитиновой кислоты под действием фитазы (Greiner and Konietzny, 2006). Ферментные добавки способны существенно влиять на усвояемость питательных веществ (Létourneau-Montminy et al., 2012). При этом использование моноферментных добавок может быть менее эффективно, чем использование ферментной композиции.
Комбинация нескольких ферментов (мультиэнзимные комплексы) существенно повышает усвоение питательных веществ в рационах свиней и птицы (Cowieson et al., 2006; Selle and Ravindran, 2007). Такие комплексы эффективно воздействуют на множество антипитательных факторов и позволяют организму их использовать. Их совместное действие может быть аддитивным (суммирующимся), субаддитивным (слабовыраженным) или синергетическим (усиливающим) в отношении усвоения питательных веществ и продуктивности животных (Juanpere et al., 2005; Ravindran et al., 1999).
При этом следует отметить, что каждое антипитательное вещество имеет определенное воздействие на организм:
фитаты блокируют усвоение фосфора растительного происхождения, связывают часть белков корма и угнетают усвоение углеводов, снижают активность ферментов ЖКТ и увеличивают загрязнение окружающей среды фосфором;
некрахмалистые полисахариды (арабиноксиланы, целлюлоза, β-глюканы, ксиланы, маннаны, олигосахариды и т.д.) способствуют повышению вязкости химуса, снижению скорости продвижения корма, снижению степени перемешивания пищеварительных ферментов с питательными веществами субстрата, увеличению выделения секреции слизистой оболочки, нарушению баланса микрофлоры кишечника, а так же снижению потребления корма за счет высокой водосвязывающей способности (набухая, НПС подавляют чувство голода, создавая ложное ощущение сытости). Интересно, что маннаназы способны вызывать у молодняка реакцию, схожую с аллергией.
Хоть белки и не являются антипитательными факторами, однако источники протеина обладают различной переваримостью аминокислот, в следствие чего непереваренный протеин может накапливаться в толстом кишечнике. Это приводит к его ферментации и выделению различных нежелательных побочных продуктов протекания этой реакции. При этом, среда толстого кишечника становится благоприятной для развития патогенных микроорганизмов.
Рисунок 1. Влияние накопления непереваренного протеина в толстом кишечнике
У молодых животных сниженная выработка эндогенной амилазы, в результате чего крахмал может недостаточно перевариваться и способствовать нарушению микробиального баланса в кишечнике, а также развитию диареи.
Использование ферментов снижает поступление непереваренных питательных веществ в нижние отделы кишечника, а активность полезных микроорганизмов способствует трансформации микрофлоры, что улучшает здоровье кишечника (Bedford and Cowieson, 2012). Изменения в микрофлоре оказывают защитный эффект на организм, усиливая её иммунный статус (Yegani and Korver, 2008). Улучшение морфологии и целостности кишечника повышает эффективность переваривания и усвоения питательных веществ (Jaroni et al., 1999). Снижение объёма экскрементов и содержания в нём азота и фосфора обусловлено повышением усвояемости питательных веществ. Экологический эффект этих изменений имеет особое значение для глобальной интенсивной индустрии животноводства. Стимуляция роста у отстающих животных способствует выравниванию их продуктивности к товарному возрасту. Таким образом, применение ферментов в кормах не только повышает усвояемость питательных веществ, но и способствует трансформации мирового животноводства в направлении экологичности, здоровья пищеварительной системы, благополучия животных и устойчивого развития.
Ферменты, применяемые в кормовой промышленности в качестве добавок, действуют через несколько механизмов. Экспериментальные преимущества ферментов объясняются одним или несколькими из следующих процессов (Bedford and Partridge, 2011; Ravindran, 2013):
- экзогенные ферменты разрушают специфические связи в кормовых компонентах, которые не гидролизуются эндогенными ферментами животного;
- ферменты нейтрализуют антипитательные факторы, снижающие перевариваемость и повышающие вязкость химуса, что улучшает усвоение питательных веществ;
- ферменты нарушают целостность эндосперма растений, высвобождая питательные вещества, связанные с клеточными стенками;
- они модифицируют процесс пищеварения, облегчая расщепление корма;
- снижение внутренней секреции и потерь белка через пищеварительный тракт уменьшает потребность животных в дополнительных питательных ресурсах (Cowieson et al., 2009);
- ферменты снижают нагрузку на кишечник и изменяют его морфологию, стимулируя развитие микроворсинок (Wu et al., 2004);
- они трансформируют микробиом желудочно-кишечного тракта, увеличивая долю полезных бактерий и подавляя патогенную микрофлору за счёт изменения доступности субстратов (Apajalahti et al., 2004; Bedford and Cowieson, 2012).
Ферменты классифицируются по типу субстратов, на которые они воздействуют. В животноводстве применяются препараты, специфичные к различным компонентам корма: ферменты, расщепляющие клетчатку (целлюлазы), белки (протеазы), крахмал (амилазы) и фитаты (фитазы).
Фитазы
Фосфор — ключевой минерал для формирования костей и метаболических процессов у животных. В растительных кормах он преимущественно представлен в форме фитатного комплекса (фитиновой кислоты), которая служит для хранения фосфора в растениях. Фитаты снижают биодоступность минералов, белков и углеводов, образуя с ними нерастворимые комплексы. Фермент фитаза катализирует дефосфорилирование фитиновой кислоты, превращая её в ортофосфат и инозитолфосфаты. По локализации первичного расщепления молекулы фитазы подразделяются на два типа: 3-фитазы (гидролизуют связь в положении C3) и 6-фитазы (в положении C6) (Adeola and Cowieson, 2011).
График 1. Содержание фитатного и нефитатного фосфора в растительных кормах
Животные не синтезируют эндогенную фитазу, что делает фитатный фосфор практически недоступным для усвоения. Экзогенная фитаза, добавляемая в рационы, разрушает фитатные комплексы, высвобождая не только фосфор, но и связанные с ним питательные вещества (аминокислоты, микроэлементы). Это повышает продуктивность животных и снижает экологическую нагрузку за счёт уменьшения выделения избыточного фосфора с навозом. Низкая активность фитазы в тонком кишечнике моногастричных обусловлена коротким периодом эндогенной ферментативной активности и малым количеством микроорганизмов в верхних отделах ЖКТ (Iqbal et al., 1994). Эти факторы объясняют, почему у свиней и птицы биодоступность фитатного фосфора не превышает 30–40% без ферментной добавки (Walz and Pallauf, 2002).
Фосфор усваивается организмом в форме ортофосфата, поэтому биодоступность фитатного фосфора у моногастричных животных зависит от их способности расщеплять фитиновую кислоту. Микробная фитаза, добавляемая в рационы, повышает усвоение фитатного фосфора на 30–60% (Adeola et al., 2006; Augspurger et al., 2003; Esteve-Garcia et al., 2005; Simons et al., 1990). Это позволяет сократить использование минеральных фосфатных добавок в кормах и снизить экскрецию фосфора с навозом до 50%, повысив экологичность производства.
Помимо фосфора, фитаза улучшает доступность аминокислот, разрушая комплексы фитатов с белками. Её применение повышает эффективность использования азота в рационах, что снижает риск загрязнения окружающей среды азотсодержащими соединениями. Таким образом, фитаза выступает ключевым инструментом для устойчивого животноводства, сочетающим экономические и экологические преимущества.
Рисунок 2. Структура фитата
Фитаза улучшает усвоение минералов и способствует более эффективному использованию энергии корма (Adeola et al., 1995; Debnath et al., 2005; Lei et al., 1993; Lei and Stahl, 2001). Её активность в ЖКТ зависит от pH-оптимума фермента и условий в разных отделах пищеварительной системы. В зобе птиц pH составляет 4.1–5.0, в желудке птиц, свиней и рыб — 2.0–4.0, а в тонком кишечнике — 6.5–7.5 (Simon and Igbasan, 2002). Эти различия определяют каталитическую эффективность фитазы: ферменты с оптимальным pH для кислых сред могут терять активность в нейтральных условиях тонкого кишечника. Выбор фитазы с учётом её pH-профиля критически важен для обеспечения гидролиза фитатов на всех этапах пищеварения.
Выделяют два типа фитаз: кислые, проявляющие максимальную активность при pH 5.0, и щелочные, с оптимумом pH около 8.0 (Konietzny and Greiner, 2002). Все экзогенные фитазы, применяемые в кормопроизводстве, относятся к гистидиновым кислотным фитазам, что определяет их эффективность в кислых средах, таких как желудок моногастричных животных. У свиней и рыб основным местом действия экзогенной фитазы является желудок (Jongbloed et al., 1992; Yan et al., 2002; Yi and Kornegay, 1996). В пищеварительной системе птиц локализация активности фитазы менее изучена, хотя предполагается, что ключевым участком гидролиза фитатов является зоб (Selle and Ravindran, 2007).
Наиболее важна эффективность фитаз в кислой среде желудка, что связано с тем, что при высокой кислотности фитаты наиболее активно связываются с белками. Оптимальное использование экзогенной фитазы достигается при её стабильности в кислой среде желудка и устойчивости к расщеплению, что обеспечивает полноценный гидролиз фитатов в зобе и желудке животных.
Карбогидразы
Карбогидразы катализируют расщепление сложных углеводов до простых сахаров. Добавление этих ферментов в рационы моногастричных животных повышает переваримость сухого вещества, органических компонентов и энергетическую ценность корма (Nortey et al., 2007; Yin et al., 2000). В зависимости от цели воздействия карбогидразы подразделяются на две категории: ферменты, расщепляющие нерастворимые некрахмалистые полисахариды (НПС), такие как клетчатка, и ферменты, специфичные к растворимым полисахаридам, например, крахмалу.
Ферменты, расщепляющие клетчатку
Все растительные корма содержат клетчатку, основными компонентами которой являются целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин — сложные углеводы, входящие в структуру клеточных стенок растений. Клетчатка подразделяется на растворимую и нерастворимую формы, которые могут выступать антипитательными факторами: во-первых, нерастворимая клетчатка блокирует доступ моногастричных животных к питательным веществам (растворимым сахарам, белкам), заключённым в клеточных стенках, поскольку эти животные лишены ферментов для её расщепления. Во-вторых, растворимая клетчатка образует в кишечнике вязкий гель, замедляющий пищеварение, продвижение химуса и усвоение нутриентов. В-третьих, она связывает водорастворимые вещества, удерживая воду, а кроме того, создаёт объёмную массу, снижающую моторику кишечника и эффективность кормления.
Для борьбы с антипитательными свойствами клетчатки в кормах применяют ферменты, расщепляющие клетчатку. Наиболее распространены ксиланаза и β-глюканаза, которые разлагают арабиноксиланы и β-глюканы. Реже используются β-маннаназа, пектиназа и α-галактозидаза. Положительное действие экзогенных ферментов объясняется их способностью разрушать структуру клетчатки, снижая вязкость химуса и улучшая доступ эндогенных ферментов к питательным веществам. Растворимые β-глюканы и арабиноксиланы (пентозаны) в злаках (пшеница, ячмень, рожь, овес, тритикале) увеличивают толщину слизистой кишечника, что связано с их антипитательными свойствами (Bedford and Classen, 1992; Bedford and Morgan, 1996; Choct and Annison, 1992).
Таблица 1. Содержание НПС в растительных кормах
Способность β-глюканов и арабиноксиланов связывать влагу повышает вязкость химуса, что ухудшает усвоение питательных веществ. Практически это проявляется в снижении коэффициента конверсии корма, замедлении набора массы тела и учащении случаев загрязнения яиц из-за влажного помёта у птиц. Добавление в рационы β-глюканаз и ксиланаз устраняет эти проблемы, повышая продуктивность поголовья. Дополнительные преимущества включают уменьшение количества загрязнённых яиц и улучшение пигментации желтка за счёт снижения вязкости в пищеварительном тракте.
При этом ферменты эффективны не только для «вязких» зерновых (пшеница, ячмень), но и для кукурузы, сорго и других культур, а также для свиней, несмотря на отличия в их пищеварительной системе от птиц (Choct, 2006; Dierick and Decuypere, 1994).
Ксиланазы (эндо-1,4-β-ксиланаза) расщепляют основную цепь ксилана, образуя короткие ксилоолигосахариды, включая разветвлённые и незамещённые формы (Collins et al., 2005; Polizeli et al., 2005).
Рисунок 3. Схема реакции ксиланазы с ксиланом
Для снижения вязкости в кормах достаточно частичного гидролиза ксилана, поэтому добавление ксиланазы в рационы животных высокоэффективно. Однако полный гидролиз сложной структуры ксилана требует синергетического взаимодействия нескольких гемицеллюлаз (Coughlan et al., 1993). Вспомогательные ферменты, такие как 1,4-β-D-ксилозидаза, расщепляют боковые цепи, удаляя заместители, а также разлагают ксилобиозу и ксилоолигосахариды до мономеров ксилозы (Coughlan et al., 1993; Shallom and Shoham, 2003; Sunna and Antranikian, 1997). При гидролизе ксиланов злаков ксиланазами образуются олигосахариды, состоящие из остатков ксилозы и/или арабинозы. Такая схема действия фермента характерна для всех НПС (расщепление сложного олигосахарида на мономеры), однако существует особенность реакции маннаназы с маннанами – в результате образуются маннанолигосахариды (МОС), обладающие выраженным пребиотическим действием.
Ферменты, расщепляющие крахмал
Степень усвояемости крахмала в растительных кормах зависит от содержания резистентного крахмала, размера его частиц, химического состава и степени инкапсуляции. Вариабельность перевариваемости крахмала обусловлена различиями в генетике культур, условиях выращивания, сбора, хранения и переработки. Амилазы катализируют расщепление крахмала в зерне и зерновых субпродуктах, что повышает доступность энергии для свиней и птицы. Это способствует росту продуктивности. Кроме того, амилазы позволяют использовать в рационах недостаточно термически обработанное зерно, снижая себестоимость кормов без ущерба для здоровья животных.
Крахмал является основным источником энергии в рационах цыплят-бройлеров, и скорость его расщепления в желудочно-кишечном тракте оказывает большое влияние на доступность энергии для птицы. Бройлеры известны своей эффективностью в переваривании крахмала, так как коэффициенты переваримости в подвздошной кишке, наблюдаемые в литературе, обычно превышают 0,95, даже без добавления ферментов в рацион (Svihus and Hetland, 2001; Gracia et al., 2003; Kaczmarek et al., 2014; Svihus, 2014; Herwig et al., 2020).
Однако более низкие показатели переваримости могут наблюдаться у источников крахмала с более высоким соотношением амилозы и амилопектина (крахмал представляет собой смесь этих двух веществ) и большим количеством некрахмальных полисахаридов, таких как пшеница и горох, которые могут повышать вязкость и ухудшать общую растворимость рациона (Svihus and Hetland, 2001; Weurding et al., 2001). При этом скорость переваривания крахмала в рационах на основе кукурузы заметно выше из-за ее низкой вязкости, но есть данные, что экзогенная добавка амилазы может улучшить утилизацию крахмала и энергии в рационах на основе кукурузы и кукурузно-соевой муки (Gracia et al., 2003; Stefanello et al., 2015; Aderibigbe et al., 2020; Schramm et al., 2021).
На доступность кукурузного крахмала, как и других питательных веществ, для бройлеров влияют внутренние характеристики зерна, то есть сорт и состав, или параметры обработки, применяемые к зерну. Использование амилазы, в свою очередь, может снизить эти негативные воздействия и улучшить переваримость питательных веществ. Кроме того, эндогенная выработка и секреция панкреатической амилазы и других ферментов пищеварительного тракта, таких как протеазы и липазы, может быть неоптимальной у цыплят после вылупления из-за недостаточно развитого желудочно-кишечного тракта, что ограничивает способность переваривать питательные вещества (Noy and Sklan, 1995; Uni et al., 1995). На использование питательных веществ также влияет индивидуальная неоднородность животных, поскольку показатель выработки ферментов, может варьироваться между птицами.
Применение экзогенных ферментов позволяет производителям использовать различные типы компонентов в кормах для свиней. Еще одним направлением использования кормовых ферментов в рецептурах для растущих свиней является период, когда уровень выработки эндогенных ферментов в молодом организме еще ограничен. У свиней, находящихся на раннем отъеме, активность амилазы, протеазы и липазы ограничена, и повышение степени переваримости питательных веществ путем использования в кормлении экзогенных ферментов может повысить продуктивность и снизить случаи кишечных расстройств, вызванных непереваренными питательными веществами (Asmare, 2014).
График 2. Изменение уровня выработки амилазы поросятами в зависимости от возраста
Основной экзогенной амилазой, применяемой в кормопроизводстве, является α-амилаза бактериального происхождения (Bacillus amyloliquefaciens). Она быстро гидролизует крахмал до коротких олигосахаридов, таких как мальтотриоза и мальтогексоза (Robyt, 2009). Этот фермент устойчив к высоким температурам, сохраняя активность в гранулированных кормах. В отличие от него, панкреатическая α-амилаза свиней расщепляет крахмал преимущественно до мальтозы и мальтотетраозы (Robyt, 2009).
Деградация амилопектина под действием бактериальной α-амилазы и панкреатической α-амилазы свиней имеет ключевые различия. Бактериальная амилаза активнее расщепляет внутренние связи в молекуле амилопектина, что приводит к быстрому образованию коротких олигосахаридов (Goesaert et al., 2010). Например, при 10%-ном гидролизе бактериальной амилазой преимущественно образуются молекулы со степенью полимеризации 6–10, тогда как амилаза свиней формирует молекулы со степенью полимеризации 2–4 (Bijttebier et al., 2010). Эти различия указывают, что экзогенная бактериальная амилаза, дополняя эндогенную амилазу свиней, ускоряет расщепление амилопектина и амилозы до мальтоолигосахаридов. Последние легко гидролизуются мальтазой и изомальтазой до глюкозы, что повышает усвоение сахаров эпителием кишечника.
Протеазы
Протеазы — ферменты, расщепляющие белки, — добавляют в рационы свиней и птицы для гидролиза запасных белков растительных кормов и нейтрализации протеиновых антипитательных факторов. Например, семена бобовых (горох, соя) содержат запасные белки, которые связываются с крахмалом и углеводами, образуя труднодоступные комплексы. Экзогенные протеазы разрушают эти связи, высвобождая энергию крахмала. Среди антипитательных веществ наиболее значимы ингибиторы протеаз (блокируют трипсин/химотрипсин поджелудочной железы) и лектины (сахарсвязывающие белки, вызывающие агглютинацию клеток). Для их инактивации применяют термическую обработку, однако перегрев снижает доступность аминокислот. Добавление протеаз компенсирует эффект как недостаточной, так и избыточной термообработки, улучшая переваримость белков.
Рисунок 4. Влияние лектинов на ворсинки кишечника
Протеазы расщепляют белки до пептидов и аминокислот, и недавние исследования показали, что добавление протеазы может улучшить переваримость белка и аминокислот (Guggenbuhl et al., 2012; Mc Alpine et al., 2012 b). Эти данные свидетельствуют о том, что существует возможность повысить переваримость протеина путем добавления экзогенной протеазы и, таким образом, увеличить эффективность питания.
Механизмы действия экзогенных протеаз включают:
- стимуляцию секреции эндогенных пептидаз, что снижает потребность в эндогенных аминокислотах и энергии;
- улучшение переваримости белков корма;
- нейтрализацию антипитательных факторов, таких как ингибиторы протеаз и гемагглютинины (лектины), которые блокируют пищеварительные ферменты и нарушают усвоение аминокислот (Ghazi et al., 2002; Huo et al., 1993; Marsman et al., 1997).
При этом протеазы обладают субстратоспецифичностью. Специфичность действия протеаз определяется их способностью распознавать и гидролизовать пептидные связи в белках, что зависит от структуры субстрата. Различают несколько форм специфичности: абсолютная, групповая и беспорядочная. Абсолютная специфичность характерна для трипсина, который гидролизует связи, образованные карбоксильными группами аргинина и лизина. Групповая специфичность проявляется у химотрипсина, предпочитающего гидрофобные остатки (фенилаланин, триптофан). Некоторые протеазы обладают низкой селективностью к соседним аминокислотам.
Пепсин гидролизует пептидные связи преимущественно у лейцина и валина. Трипсин специфически расщепляет связи, образованные карбоксильными группами аргинина и лизина. Химотрипсин проявляет групповую специфичность, действуя на гидрофобные остатки (фенилаланин, триптофан). Эластаза, напротив, специфична к аминокислотам с малыми неполярными боковыми цепями (аланин, серин).
В отличие от них, субтилизин — бактериальная протеаза — обладает широкой субстратной специфичностью, гидролизуя связи практически по всем аминокислотам. Это позволяет ему компенсировать ограниченную активность эндогенных ферментов, повышая общую эффективность переваривания белков.
Таблица 2. Эффективность действия различных протеаз
Заключение
Использование экзогенных ферментов в кормопроизводстве является ключевым инструментом повышения эффективности животноводства. Ферментные добавки, такие как фитазы, карбогидразы, протеазы и амилазы, направленно решают проблемы, связанные с низкой усвояемостью питательных веществ, антипитательными факторами.
Фитазы высвобождают фосфор из фитатных комплексов, улучшая его биодоступность и снижая загрязнение окружающей среды. Карбогидразы разрушают структуру клетчатки, уменьшая вязкость химуса и повышая доступность энергии, что особенно актуально для зерновых культур с высоким содержанием некрахмалистых полисахаридов. Протеазы нейтрализуют ингибиторы пищеварительных ферментов и лектины, а также улучшают переваривание белков, а амилазы компенсируют недостаток эндогенных ферментов у молодняка, усиливая усвоение крахмала и снижая риск развития диареи и нарушения баланса микрофлоры.
Использование мультиферментных композиций является наиболее эффективным и рациональным решением, за счет взаимоусиливающего действия. Синергетическое действие мультиэнзимных комплексов позволяет оптимизировать рационы, включая альтернативные кормовые ингредиенты, и повышать продуктивность животных. Кроме того, экзогенные ферменты способствуют трансформации микробиома кишечника, укрепляя здоровье пищеварительной системы и снижая риск дисбактериоза.
Экологический эффект проявляется в сокращении выбросов азота и фосфора с навозом, что делает ведение хозяйства более экологичным.
Статья подготовлена Техническим отделом МИСМА.
Список литературы предоставляется по запросу.
Перепечатка и частичное использование материала только с письменного разрешения компании МИСМА.
