Giới thiệu

 

Chi phí thức ăn chăn nuôi từ trước đến nay rất cao, chiếm khoảng 60 đến 70% giá thành sản xuất. Giá của các nguyên liệu chính như ngô và khô dầu đậu nành đã tăng trong nhiều năm.Chính những biến động giá này đã dẫn đến việc tăng cường sử dụng các nguyên liệu thay thế trong công thức thức ăn trong đó DDGS, gluten ngô, bã cọ, bã hướng dương và cám đã được ứng dụng trong nhiều năm qua nhằm giảm chi phi thức ăn chăn nuôi, cũng như sự phát triển bền vững của ngành chăn nuôi.

 

Tuy nhiên, các sản phẩm thay thế này lại chứa một lượng lớn các yếu tố kháng dinh dưỡng (ANF), trong đó có các chất bột đường không phải tinh bột (nonstarch polysaccharides) được viết tắt là NSP. Rất nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng NSP trong khẩu phần ăn của vật nuôi ảnh hưởng đến khả năng sử dụng và tiêu hóa các chất dinh dưỡng sẵn có trong thức ăn. Bên cạnh đó, nó còn ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe đường ruột ở vật nuôi và cuối cùng làm giảm hiệu suất tăng chăn nuôi. Do đó, việc sử dụng các nguyên liệu thức ăn thay thế này đã bị hạn chế. (Raza và cộng sự, 2019; Teymouri và cộng sự, 2018; Al-Harthi, 2017; Waititu và cộng sự, 2018).

 

Việc sử dụng các enzyme để thủy phân yếu tố kháng dinh dưỡng NSP đã được chứng minh và ứng dụng trong nhiều năm nhằm nâng cao thành tích chăn nuôi, thông qua việc cải thiện tiêu hóa các chất dinh dưỡng cũng như sức khỏe vật nuôi (Choct và Annison, 1996; Smulikowska và Mieczkowska, 1996). Tuy nhiên, việc lựa chọn enzyme đáp ứng được đặc tính sử dụng cũng là một vấn quan trọng cần lưu ý. Do đó nội dung chính của bài viết kỹ thuật này sẽ tập trung giúp người đọc hiểu rõ hơn về yếu tố kháng dinh dưỡng và cách chọn lựa enzyme trong thức ăn chăn nuôi.

 

Hạt ngũ cốc và các chất bột đường không phải tinh bột (NSP)

 

Một hạt ngũ cốc nguyên vẹn được cấu thành từ ba phần: cám, nội nhũ và mầm. Lớp cám là lớp vỏ bên ngoài để bảo vệ hạt với lớp thành tế bào dày. Nội nhũ chứa nhiều nguồn năng lượng và mầm đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp chất dinh dưỡng cho hạt, thành tế bào của cả hai mô này là tương đối mỏng.

 

Thành tế bào là lớp bảo vệ bán thấm bên ngoài của tế bào thực vật và được cấu thành bởi cellulose, hemicellulose (xylan, arabinoxylan, β-glucan, β-mannan, v.) và pectins (Hình 1). Thành phần và hàm lượng các NSP có thể khác nhau tùy thuộc vào loại mô thực vật và hạt ngũ cốc (Hình 2), điều này đồng nghĩa với mức ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng thức ăn và sức khỏe đường ruột ở gia cầm và lợn và cuối cùng làm giảm hiệu suất tăng trưởng cũng khác nhau, tùy thuộc vào thành phần của NSP.

Hình 1.  Cấu tạo thành tế bào thực vật và NSP

(Nguồn trích dẫn: Merriam-Webster Inc. 2006; Meng và cộng sự., 2016; Loix và cộng sự., 2017)

 

 

Ảnh hưởng tiêu cực của Arabionxylan (yếu tố kháng dinh dưỡng)

 

Arabinoxylan là một polysaccharide được cấu tạo bởi các đơn vị xylose thông qua liên kết β-1,4 với các arabinose nhánh bên. Trong số nhiều loại hetero-xylan, arabinoxylan có hàm lượng cao nhất trong thức ăn chăn nuôi có nguồn gốc từ thực vật. Thành phần của nó chiếm 8-30% (tính trên vật chất khô) trong các loại ngũ cốc, nó có thể chiếm tới 5,9-8,1% trong lúa mì và 3,1-4,8% trong ngô (tính trên vật chất khô) (Jaworski và cộng sự., 2015; Pedersen và cộng sự., 2014; Englyst, 1989; Knudsen, 1997).

 

Ngoài ra, arabinoxylan đã được tìm thấy trong tất cả các loại ngũ cốc chính bao gồm lúa mì, lúa mạch đen, lúa mạch, lúa miến, DDGS cũng như trong các sản phẩm phụ khác. Arabinoxylan hoạt động như các yếu tố kháng dinh dưỡng, gây ra những tác động tiêu cực đến hiệu suất tăng trưởng do tăng độ nhớt dịch tiêu hóa, tác động có hại đến sức khỏe đường ruột và “effect cage” “tạm dịch là hiệu ứng lồng” (được giải thích cụ thể trong phần 3) trong hệ tiêu hóa của động vật dạ dày đơn. (Bach Knudsen, 2014; Anderson và Simsek, 2018).

 

1.  Tăng độ nhớt của dịch tiêu hóa

 

Arabinoxylan có trong thức ăn sau khi được ăn vào sẽ hấp thụ nước và trương nở giống như dạng gel, đây là nguyên nhân làm tăng độ nhớt của dịch tiêu hóa. Lúc này, arabinoxylan bao phủ lại các mảnh thức ăn trong ruột non. Đặc biệt cần quan tâm tới các NSP hòa tan nguyên nhân chính làm tăng độ nhớt hơn là các NSP không hòa tan và mức độ hòa tan tỷ lệ thuận với mức độphân nhánh của các phân tử arabinoxylan (Choct và Annison, 1992; Montagne và cộng sự, 2003; Annison, 1993; Chen và cộng sự, 2020).

 

2. Ảnh hưởng bất lợi tới hệ vi sinh đường ruột

 

Vật nuôi ăn khẩu phần chứa nhiều arabinoxylan thì dịch tiêu hóa sẽ lưu lại trong dạ dày và ruột non lâu hơn, điều này dẫn đến sự tăng sinh của hệ vi sinh vật có chọn lọc và các vi khuẩn gây bệnh như Escherichia coli và Clostridium perfringens (Hình 3). Cuối cùng ảnh hưởng tới sự phát triển của vật nuôi vì toàn bộ hệ vi sinh vật và tỷ lệ của các vi khuẩn hiện diện trong hệ đều quan trọng đối với sức khỏe đường ruột, hơn là sự hiện diện hay vắng mặt của một loài nào đó (Xiao và cộng sự., 2016; Sergeant và cộng sự., 2014; Yadav và cộng sự., 2019).

Hình 2. Khẩu phần ăn với hàm lượng NSP cao làm tăng vi khuẩn có hại C. perfringens và E. coli ở gà và lợn (Nguồn: Annett và cộng sự., 2002; Hopewood và cộng sự., 2002).

 

3. Cage effect “Hiệu ứng lồng”

 

Arabinoxylan được tìm thấy trong thành tế bào, có chức năng như một “hàng rào” bao bọc các chất dinh dưỡng trong lòng tế bào của thực vật, thường được gọi là “cage effect” tạm dịch là “hiệu ứng lồng”. Thành tế bào có chức năng bảo vệ các thành phần của tế bào như protein, phytate, lipid và tinh bột. Tuy nhiên, những nguồn dinh dưỡng sẵn có trong nguyên liệu thực vật này lại không thể sử dụng hoàn toàn bởi vật nuôi nếu không được bổ sung enzyme xylanase trong thức ăn. Điều này có thể làm giảm năng suất của vật nuôi, tăng bài tiết các chất dinh dưỡng chưa được tiêu hóa theo phân (Meng và cộng sự, 2005; Grundy và cộng sự, 2018) và gia tăng vấn đề ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi.

 

Enzyme Xylanase

 

Xylanase (endo-1, 4-β-xylanase) cắt các liên kết glycosidic trong mạch chính của xylan và tạo ra các xylo-oligomer. Vị trí cắt được chọn dựa trên chiều dài chuỗi, mức độ phân nhánh và sự hiện diện của các nhóm thế.

 

Xylanase có thể làm giảm khả năng giữ nước và độ nhớt dịch tiêu hóa do arabinoxylan gây ra cũng như rút ngắn thời gian di chuyển của dịch tiêu hóa trong lòng ruột. Vì vậy, enzyme xylanase kích thích tăng lượng thức ăn ăn vào ở động vật dạ dày đơn. Ngoài ra, xylanase thủy phân arabinoxylan thành xylooligosaccharides (XOS) và arabinoxylooligosaccharides (AXOS) hoạt động như các prebiotic, các nguồn dinh dưỡng cho sự phát triển của hệ vi sinh vật có lợi. (Hình 4). Do đó, sự tăng sinh của các vi khuẩn có lợi được tăng lên đồng thời làm giảm sự tăng sinh của các vi khuẩn có hại.

 

Cuối cùng, xylanase có thể làm mềm “hiệu ứng lồng” và giải phóng các chất dinh dưỡng sẵn có trong thức ăn, như protein, phytate và tinh bột, để các enzym tiêu hóa nội sinh tiêu hóa, từ đó giúp tăng khả tiêu hóa các chất dinh dưỡng này (Dotsenko và cộng sự., 2017).

Hình 3. Tác dụng prebiotics của enxyme xylanase

 

Cách lựa chọn Enzyme xylanase – sự đặc biệt của enzyme xylanase được sản xuất bởi CJ Youtell

 

Xylanase của CJ Youtell là một enzyme chất lượng cao về sự ổn định, hoạt lực cũng như có khả năng kháng lại các chất ức chế hoạt động của xylanase.

 

– Đầu tiên, các enzyme trong thức ăn chăn nuôi cần bền nhiệt để đảm bảo điều kiện ép viên (Nhiệt độ ép viên có thể giao động từ 75ºC đến 85ºC trong 1,5 đến 3 phút). Enzyme xylanase của CJ Youtell có thể bền nhiệt lên đến 85ºC mà không cần vi bọc. Nhờ ở dạng không vi bọc nên nó có thể bắt đầu hoạt động nhanh chóng sau khi vật nuôi ăn vào.

 

Thứ hai, enzyme trong thức ăn chăn nuôi cần ổn định và hoạt động tốt ở pH sinh lý từ 2,2 – 7,0. Xylanase của CJ Youtell bền trong pH đường tiêu hóa (pH 2,2 – 5,5) và có hiệu quả cao ở pH ruột (pH 5,5 – 7,0), nơi độ nhớt của dịch tiêu hóa tăng lên.

 

Cuối cùng, enzyme xylanase trong thức ăn chăn nuôi phải có khả năng kháng lại các chất ức chế xylanase (các chất làm giảm hoạt lực của enzyme xylanase); TAXI (chất ức chế xylanase), XIP (protein ức chế xylanase), TLXI (chất ức chế xylanase giống Thaumatin) và các chất ức chế giống TAXI và XIP. Các chất ức chế xylanase này hoạt động như một phản ứng tự vệ của thực vật trước sự tấn công của các vi sinh vật gây bệnh. Chúng sẽ tác động đến các xylanase vi sinh vật, nhưng không có tác động đến xylanase nội sinh được thực vật sản xuất. Tuy nhiên hầu hết các enzyme xylanase trên thị trường hiện nay đều có nguồn gốc từ nấm và vi khuẩn, do vậy nếu enzyme xylanase không có khả năng kháng lại các chất ức chế xylanase nội sinh trong hạt ngũ cốc thì khả năng hoạt động của enzyme xylanase có thể bị suy giảm (Gusakov, 2010).

 

Enzyme xylanase của CJ Youtell đã được cải tiến để kháng lại các chất ức chế xylanase nhờ các vòng thêm đặc biệt “extra loop” trong cấu trúc của nó. Các vòng thêm đặc biệt này của enzyme xylanase được sản xuất bởi CJ Youtell có khả năng ngăn cản các chất ức chế thâm nhập vào vị trí hoạt động của xylanase đối với enzyme xylanase của CJ Youtell (B) trong khi các xylanase khác (A) không có khả năng này (Hình 5).

Hình 5.  So sánh sự ức chế bởi chất ức chế xylanase

 

Biểu đồ ở hình 6 cho thấy khả năng hoạt động của xylanase được sản suất bởi CJ Youtell không bị ức chế bởi sự có mặt của TAXI-IIA (chất ức chế của xylanase) với các nồng độ khác nhau. Tuy nhiên, khả năng hoạt động của xylanase thương mại khác trên thị trường được sử dụng trong nhóm đối chứng lại bị giảm rõ rệt khi tăng nồng độ TAXI-IIA.

 

➔ Những điều trên cho thấy sự khác biệt độc đáo của enzyme xylanase từ CJ Youtell và chính sự khác biệt này sẽ đem lại hiệu quả sử dụng trong thức ăn chăn nuôi.

Hình 6. Ảnh hưởng của chất ức chế tới hoạt lực của xylanas

 

KẾT LUẬN

 

Xylan, được tìm thấy ở hạt ngũ cốc trong thức ăn chăn nuôi có ảnh hưởng tiêu cực tới sự tăng trưởng của vật nuôi, đã được khoa học chứng minh qua nhiều thập kỷ. Vì vậy, việc sử dụng và lựa chọn enzyme xylanase với khả năng hoạt động hiệu quả ở vật nuôi là cần thiết nhằm giảm ảnh hưởng tiêu cực do arabinoxylan gây ra.

 

– Giảm độ nhớt dịch tiêu hóa

– Tăng giải phóng nguồn dinh dưỡng sẵn có trong nguyên liệu

– Tăng cường sức khỏe đường ruột của vật nuôi.

 

Enzyme xylanase đặc biệt của CJ Youtell với đặc tính bền nhiệt, ổn định trong pH đường tiêu hóa (pH 2,2 – 5,5) với khả năng hoạt động hiệu quả cao ở pH ruột (pH 5,5 – 7,0). Hơn nữa, xylanase đặc biệt của CJ Youtell không bị ức chế bởi các chất ức chế xylanase có trong hạt ngũ cốc được sử dụng trong thức ăn chăn nuôi. Vì vậy enzyme xylanase của CJ Youtell có thể được coi là một enzyme xylanase đặc biệt với đầy đủ đặc tính cần thiết giúp cải thiện hiệu quả sử dụng nguồn dinh dưỡng sẵn có trong thức ăn, giảm các ảnh hưởng tiêu cực do yếu tố kháng dinh dưỡng arabinoxylan gây ra, từ đó nâng cao hiệu suất chăn nuôi và đem lại lợi nhận kinh tế cao cho người chăn nuôi.

 

Tài liệu tham khảo

 

1.      Anderson C, Simsek S. What Are the Characteristics of Arabinoxylan Gels?. Food and Nutrition Sciences. 2018; 9:818.

2.      Annett CB, Viste JR, Chirino-Trejo M, Classen HL, Middleton DM, Simko E. Necrotic enteritis: effect of barley, wheat and corn diets on proliferation of Clostridium perfringens type A. Avian Pathology. 2002; 31:598-601.

3.      Annison G. “The role of wheat non-starch polysaccharides in broiler nutrition.” Australian Journal of Agricultural Research. 1993; 44:405-422.

4.      Chen H, Zhang S, Kim SW. Effects of supplemental xylanase on health of the small intestine in nursery pigs fed diets with corn distillers’ dried grains with solubles. J Anim Sci. 2020; doi: 10.1093/jas/skaa185.

5.      Choct M, Annison G. Anti‐nutritive effect of wheat pentosans in broiler chickens: Roles of viscosity and gut microflora. Br Poult Sci. 1992; 33:821-34.

6.      Dotsenko G, Meyer AS, Canibe N, Thygesen A, Nielsen MK, Lange L. Enzymatic production of wheat and ryegrass derived xylooligosaccharides and evaluation of their in vitro effect on pig gut microbiota. Biomass Convers Bior. 2018; 8:497-507.

7.      Englyst H. Classification and measurement of plant polysaccharides. Anim Feed Sci Tech. 1989; 23:27-42.

8.      Grundy MM, Fardet A, Tosh SM, Rich GT, Wilde PJ. Processing of oat: the impact on oat’s cholesterol lowering effect. Food Funct. 2018; 9:1328-1343.

9.      Gusakov AV. Proteinaceous inhibitors of microbial xylanases. Biochemistry (Moscow). 2010; 75:1185-1199.

10.  Hopwood DE, Pethick DW, Hampson DJ. Increasing the viscosity of the intestinal contents stimulates proliferation of enterotoxigenic Escherichia coli and Brachyspira pilosicoli in weaner pigs. Br J Nutr. 2002; 88:523-532.

11.  Jaworski NW, Lærke HN, Bach Knudsen KE, Stein HH. Carbohydrate composition and in vitro digestibility of dry matter and nonstarch polysaccharides in corn, sorghum, and wheat and coproducts from these grains. J Animal Sci. 2015; 93:1103-1113.

12.  Knudsen KE. Fiber and nonstarch polysaccharide content and variation in common crops used in broiler diets. Poult Sci. 2014; 93:2380-2393.

13.  Knudsen KE. Carbohydrate and lignin contents of plant materials used in animal feeding. Anim Feed Sci Tech. 1997; 67:319-338.

14.  Loix C, Huybrechts M, Vangronsveld J, Gielen M, Keunen E, Cuypers A. Reciprocal Interactions between Cadmium-Induced Cell Wall Responses and Oxidative Stress in Plants. Front Plant Sci. 2017; doi:10.3389/fpls.2017.01867

15.  Meng X, Yoo CG, Li M, Ragauskas AJ. Physicochemical structural changes of cellulosic substrates during enzymatic saccharification. J Appl Biol Biotechnol. 2016; 1:3.

16.  Meng X, Slominski BA, Nyachoti CM, Campbell LD, Guenter W. Degradation of cell wall polysaccharides by combinations of carbohydrase enzymes and their effect on nutrient utilization and broiler chicken performance. Poult Sci. 2005; 84:37-47.

17.  Merriam-Webster Inc. 2006. Cereal processing, Corn: layers and structures of corn kernel. Art, from Encyclopædia Britannica. Online Academic Edition. Inc., 2012. Available at: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/103350/cereal-processing.

18.  Montagné L, Arturo-Schaan M, Le Floc’H N, Guerra L, Le Gall M. Effect of sanitary conditions and dietary fibre level on the adaptation of gut microbiota after weaning. In11. International Symposium on Digestive Physiology of Pigs. 2009;133.

19.  Pedersen MB, Dalsgaard S, Knudsen KB, Yu S, Lærke HN. Compositional profile and variation of distillers dried grains with solubles from various origins with focus on non-starch polysaccharides. Anim Feed Sci Tech. 2014; 197:130-141.

20.  Raza A, Bashir S, Tabassum R. An update on carbohydrases: growth performance and intestinal health of poultry. Heliyon. 2019; doi: 10.1016/j.heliyon. 2019.e01437

21.  Sergeant MJ, Constantinidou C, Cogan TA, Bedford MR, Penn CW, Pallen MJ. Extensive microbial and functional diversity within the chicken cecal microbiome. PloS one. 2014;9: e91941.

22.  Teymouri H, Zarghi H, Golian A. Evaluation of hull-less barley with or without enzyme cocktail in the finisher diets of broiler chickens. Journal of Agricultural Science and Technology. 2018; 20:469-483.

23.  Waititu SM, Sanjayan N, Hossain MM, Leterme P, Nyachoti CM. Improvement of the nutritional value of high-protein sunflower meal for broiler chickens using multi-enzyme mixtures. Poultry science. 2018; 97:1245-1252.

24.  Xiao L, Estellé J, Kiilerich P, Ramayo-Caldas Y, Xia Z, Feng Q, Liang S, Pedersen AØ, Kjeldsen NJ, Liu C, Maguin E. A reference gene catalogue of the pig gut microbiome. Nat. Microbiol. 2016; doi: 10.1038/nmicrobiol.2016.161.

25.  Yadav S, Jha R. Strategies to modulate the intestinal microbiota and their effects on nutrient utilization, performance, and health of poultry. J Anim Sci Biotechnol. 2019; doi: 10.1186/s40104-018-0310-9.