Tác giả: Roxanne Barrion

Quản lý kỹ thuật và Marketing CJ BioPhilipine

Dịch giả và hiệu chỉnh:

1. Phạm Thị Thu Trang

Marketing team CJ Bio Việt Nam

2. Nguyễn Đình Hải

Quản lý kỹ thuật và Marketing CJ Bio Việt Nam

Email: [email protected]

Tóm tắt

Phytate là yếu tố kháng dinh dưỡng đã được chứng minh gây ra nhiều bất lợi cho động vật dạ dày đơn do cơ thể thiếu enzyme phytase để thủy phân yếu tố kháng dinh dưỡng này. Điều này làm giảm khả năng tiêu hóa của một số chất dinh dưỡng cần thiết khác, và những tác động kháng dưỡng của phytate sẽ gây ra cá cảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất chăn nuôi.

Phytase (myo-inositol hexakisphosphate phosphohydrolase) là một enzyme được bổ sung trong chế độ ăn của động vật dạ dày đơn nhằm tăng cường giải phóng phốt pho từ phytate.

Phytase được phân loại dựa vào nguồn gốc: từ nguồn nấm và từ nguồn vi khuẩn và cũng có thể phân loại thành 3- phytase hoặc 6- phytase căn cứ vào nhóm phốt phát đầu tiên trong phân tử phytate mà phytase sẽ thủy phân.

Hiệu quả sử dụng phytase giải phóng phốt pho từ phytate phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hàm lượng của phytate trong khẩu phần ăn, nguồn phytate, loài và tuổi của vật nuôi, nồng độ khoáng trong khẩu phần, và các điều kiện khác như pH đường tiêu hóa và các enzyme khác, nguồn phytase và liều phytase. Do đó, hiệu quả sử dụng phytase lên các chỉ số tăng trưởng và tăng cường hệ xương của vật nuôi, và quan trọng nhất là giúp giảm chi phí thức ăn chăn nuôi cũng có sự khác biệt.

Những phân tích về hoạt lực của phytase không đánh giá được hết hiệu quả của phytase trong cơ thể vật nuôi. Phytase liều cao (super- dosing) là một xu hướng đang được áp dụng hiệu quả trong dinh dưỡng chăn nuôi,giúp nâng cao hiệu quả tăng trưởng.Phytase liều cao có thể giải phóng tối đa phốt pho từ phytate, đồng thời kết hợp với enzyme nội sinh giúp tăng cường giải phóng myo-inositol.Nhiều nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra những tác động tích cực của phytase liều cao lên tăng trưởng của gà thịt, gà đẻ và heo con, chứng minh đây là một giải pháp dinh dưỡng hiệu quả để giảm tác động tiêu cực của của yếu tố kháng dinh dưỡng phytate và cải thiện hiệu quả chăn nuôi ở động vật dạ dày đơn.

Giới thiệu

Phytase là một enzyme phổ biến nhất được bổ sung trong khẩu phần ăn của vật nuôi dạ dày đơn nhằm giải phóng phốt pho từ phytate. Thêm vào đó, phytase còn giúp tăng giá trị sinh khả dụng của canxi, axit amin và nguồn năng lượng từ nguyên liệu thực vật có chứa hàm lượng axit phytic cao. Nó cũng có thể giảm những ảnh hưởng tiêu cực của việc bài tiết phốt pho vô cơ vào môi trường đặc biệt là bềmặt nước (Ceylan và cộng sự., 2003; Dersjant-Li và cộng sự., 2015; Waldroup và cộng sự., 2020; Wiśniewska và cộng sự., 2020).

Mặt khác, axit phytic hoặc phytate (dạng muối của axit phytic) là nguồn dự trữ phốt pho ở dạng hợp chất trong hạt được sử dụng trong thức ăn chăn nuôi và chiếm khoảng 50-80% (khoảng 2/3 tổng lượng phốt pho trong thực vật) và không được vật nuôi tiêu hóa. Khả năng sử dụng nguồn phốt pho từ phytate đối với động vật dạ dày đơn khá thấp, điều này có thể làm giảm khả năng tiêu hóa của một số chất dinh dưỡng thiết yếu khác, sau đó sẽ ảnh hưởng tiêu cực tới hiệu suất chăn nuôi do ảnh hưởng kháng dinh dưỡng của nó (Dersjant-Li và cộng sự., 2015; Rutherfurd và cộng sự., 2012). Điều này cũng làm hạn chế khả năng sử dụng phốt pho từ nguyên liệu của vật nuôi, dẫn đến việc phải bổ sung các nguồn phốt pho vô cơ như MDCP và MCP (Ahmadi và Rodehutscord, 2012; Ceylanvà cộng sự., 2003; Shaw và cộng sự., 2010). Thêm vào đó, nó có thể liên kết hóa trị hai hoặc bavới các khoáng chất và hình thành một phức hợp bền vững, dẫn đến việc vật nuôi giảm hấp thu khoáng đa và vi lượng, đặc biệt phức hợp với canxi ở ruột non (Ceylan và cộng sự., 2003; Dersjant-Livà cộng sự., 2015). Mặt khác, Powell và cộng sự. (2011) và Abd El-Hack và cộng sự. (2018) cũng báo cáo rằng khẩu phần ăn với 0.9% canxi đã làm giảm 9% hoạt lực của phytase trong ruột non và giảm khả năng thủy phân phốt pho trong phytate tới 11.9%  so với khẩu phần có hàm lượng canxi thấp hơn là 0.4%, đặc biệt ở khẩu phần ăn cho gà.

Tác động kháng dưỡng của axit phytic và các dạng muối của nó bao gồm:

• Làm tăng thất thoát các nguồn khoáng nội sinh như Na, dẫn đến thiếu Na và ảnh hưởng tới sự hình thànhNa-K-ATPase trong đường ruột, từ đó ảnh hưởng đến việc hấp thụ chất dinh dưỡng;
• Ức chế các enzyme như trypsin, pepsin và α-amylase, dẫn đến việc giảm khả năng tiêu hóa protein cũng như tinh bột ở vật nuôi;
• Liên kết với các axit aminnhóm ba-zơ như arginine, histidine và lysine để hình thành phức chất protein- phytate trong dạ dày với môi trường pH axit;
• Liên kết với protein thông qua cation và các axit amin điện tích dương trong ruột non, hình thành phức chất protein- khoáng- phytate không tan và kháng lại sự thủy phân enzyme, từ đó, giảm hiệu quả sử dụng protein;
• Tương tác với các enzyme nội sinh bằng cách tạo protein liên kết phytate bền vững đối với sự tiêu hóa của pepsin;
• Tăng bài tiết enzyme tiêu hóa và chất nhầy mucin, làm tăng sự hao hụt axit amin nội sinh và giảm sự tái hấp thụ của các axit amin nội sinh bài tiết trong ruột non;
• Và cuối cùng, phytate kết hợp với canxi để làm tăng cường hình thành metallic soap (một dạng muối của monocarboxylic acid) trong đường ruột, có tác động tiêu cực đến sự tiêu hóa chất béo đã bão hòa (AbdEl-Hack và cộng sự., 2018; Almeida và cộng sự., 2017; Ceylan và cộng sự., 2003; Dersjant-Li và cộng sự., 2015; Fernandez và cộng sự., 2019; Rutherfurd và cộng sự., 2012).

Mặt khác, Rutherfurd và cộng sự. (2012), Abd El-Hack và cộng sự. (2018) và Zouaoui và cộng sự. (2018) đều nghiên cứu và báo cáo rằng việc bổ sung phytase trong chế độ ăn cải thiện khả năng tiêu hóa hồi tràng biểu kiến (AID) của hầu hết các axit amin, đặc biệt là threonine, serine, glycine, isoleucine, tyrosine, và histidine lên lần lượt 14, 6, 9, 6, 9 và 7%.

Các loại Phytase

Một số dòng phytase thương mại được đưa vào thị trường và ứng dụng trong thức ăn chăn nuôi,  phytase từ nấm là dòng phytase đầu tiên được sản xuất từ Asperillus niger, sau đó là dòng microbial acid phosphatase, phytase từ vi khuẩn E.Coliđã được nghiên cứu và chứng minh là hiệu quả hơn loại có nguồn gốc từ nấm.

Dựa vào nguồn gốc của phytase cũng có thể chia thành hai dòng 3- phytase và 6- phytase và có ái lực đặc hiệu cho IP6 và IP5 và khả năng kháng lại sự tiêu hóa protein phân giải (Dersjant-Li và cộng sự, 2015).Hiệu quả của mỗi phytase trong cơ thể chịu ảnh hưởng bởi sự khác biệt về pH tối ưu, khả năng chống lại protease nội sinh và ái lực với cơ chất phytate (Dersjant-mLi và cộng sự., 2015). Phytase thương mại thường khác nhau bởi điểm thủy phân ban đầu, hoạt động trên dải pH hoặc pH tối ưu, độ ổn định trong đường ruột hoặc đặc tính xúc tác, và khả năng chịu đựng nhiệt độ ép viên (Abd El-Hack và cộng sự., 2018; Gao và cộng sự., 2013; Rutherfurd và cộng sự., 2012; Shaw và cộng sự., 2010).

So sánh phytase từ nấm và từ vi khuẩn

Hai nguồn chính để tạo ra phytase là từ vi khuẩn và nấm. Vi sinh vật thường được sử dụng trong quá trình sản xuất phytase từ nấm là Aspergillus niger, đôi khi là Aspergillus ficum hoặc các loài Peniophora. Trong khi phytase có nguồn gốc từ vi khuẩn thường sử dụng dòng E. coli, Bacillus subtilis, Actinobacillus sp., Bacillus pumilus, và Bacillus vallimortis (Abd El-Hack và cộng sự., 2018; Lamid và cộng sự., 2018).

Phytase từ nấm giúp giải phóng nhiều phốt pho ở heo so với gà, trong khi phytase từ E. coli cho kết quả tương tự ở lượng photpho giải phóng ở cả hai heo và gà (Grela và cộng sự., 2020). Tuy nhiên, phytase có nguồn gốc từ E.coli có hoạt tính cao hơn ở dải pH từ 2-5.5 và đặc tính kháng protease hoặc thủy phân cao hơn ở đường ruột khi so sánh với phytase có nguồn gốc từ nấm (Abd El-Hack và cộng sự., 2018; Dersjant-Li và cộng sự., 2015; Gao và cộng sự., 2013).

Dải hoạt động ở pH rộng của phytase có nguồn từ E. coli giúp enzyme này hoạt động hiệu quả hơn cho thời gian dài hơn trong đường ruột (Abd El-Hack và cộng sự, 2018). Theo nghiên cứu của Abd El-Hack và cộng sự. (2018) và Gao và cộng sự. (2013), độ pH tối ưu cho hoạt động của phytase có nguồn từ E. coli là 4.5 và nguồn từ Peniophora lycii là 4.0 đến 4.5, trong khi phytase từ Aspergillus niger chỉ giữ được 25% hoạt lực khi hoạt động ở pH 3.0 (loại này hoạt động tối ưu ở pH 5.9). Meyer và Parsons (2011) báo cáo rằng phytase có nguồn từ E. coli giải phóng gần 0.2% phốt pho nguồn không từ phytate khi dùng 1,000 đơn vị phytase trên 1kg thức ăn. Một kết quả tương tự khác cũng được báo cáo việc bổ sung 500 đơn vị phytase nguồn từ Peniophora lycii trên 1 kilorgam giải phóng 0.572g/kg phốt pho, khi phytase có nguồn gốc từ E. coli giải phóng 0.770g/kg phốt pho cùng với những cải thiện sự khoáng hóa ở xương đầu cánh của gà (Wiśniewska và cộng sự., 2020).

Tuy nhiên, hoạt lực của các loại phytase từ E. coli cũng khác nhau bởi vì sự biểu hiện của vi khuẩn và công nghệ sản xuất (Abd El-Hack và cộng sự., 2018). Mặt khác, Abd El-Hack và cộng sự.(2018), Zouaoui và cộng sự. (2018) cũng báo cáo về những tác động tích cực lên khả năng tiêu hóa axit amin khi bổ sung phytase từ vi sinh vật.

 3- Phytase và 6- Phytase

Các loại phytase cũng được phân biệt dựa trên nhóm phốt phát đầu tiên trong phân tử phytate mà enzyme phytase sẽ cắt (Rutherfurd và cộng sự., 2012). 3- Phytase cắt carbon ở vị trí thứ ba, trong khi 6- phytase tập trung vào carbon ở vị trí thứ 6. 3 phytase có nguồn gốc từ Aspergillus niger, trong khi 6- phytase có nguồn gốc từ E. coli, Peniophora, Citrobacter, or Buttiaexella (Wiśniewska và cộng sự., 2020).

Phương thức hoạt động

Dersjant-Li và cộng sự. (2015) đề cập đến hàm lượng phytase và hoạt lực của phytase thường được thể hiện là đơn vị phytase và được miêu tả là lượng phytase giải phóng 1mmol phốt pho vô cơ cho 1 phút từ 0.0051 mol L-1 sodium phytate ở pH 5.5 và nhiệt độ 37°Ccho mỗi đơn vị phytase. Axit phytic, phytate và phytin (dạng muối hỗn hợp) phân ly và tan trong môi trường pH axit ở dạ dày. Sự hình thành phức hợp khoáng và axit phytic diễn ra chủ yếu ở ruột non có pH cao (Dersjant-Li và cộng sự., 2015). Tuy nhiên, Gaovà cộng sự. (2013) báo cáo rằng có sựtồn dư hoạt động của phytase, khoảng 25-31% phốt pho từ phytate trong khẩu phần được thủy phân ở phần ruột non của gà đẻ khi bổ sung phytase từ 500 đến 5,000 đơn vị trên kilogram bất kể nguồn nào, điều này cho thấy ruột non ở gà đẻ là nơi hoạt động quan trọng của phytase. Mặt khác, Wiśniewska và cộng sự. (2020)công bố rằng hoạt động của phytase có nguồn từ vi sinh vật nội sinh trong đường ruột rất hạn chế và chỉ cung cấp một phần nhỏ nhu cầu phốt pho. Phytase niêm mạc được sản xuất ở heo chỉ thủy phân những ester thấp của phân tử phytate, hầu hết diễn ra ở hỗng tràng, và sự thoái biến phytate ở ruột già hầu hết bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của canxi (Wiśniewska và cộng sự., 2020).

Phytase loạibỏ nhóm phosphoryltừ phytate bằng cách từng bước xúc tác quá trình loại bỏ nhóm phốt phát từ axit phytic hoặc phytate. Sự loại bỏ nhóm phốt phát bắt đầu với axit phytic phosphoryl hóa đầy đủ (IP6), như ở hình dưới, theo sau đó làIP tiếp theo theo thứ tự giảm dần. Trong điều kiện lý tưởng, một sự thủy phân hoàn chỉnh sẽ cho ra một myo-inositol, phốt phát, axit amin, khoáng đa và vi lượng và các chất dinh dưỡng khác liên kết với axit phytic (Almeida và cộng sự., 2017; Dersjant-Li và cộng sự., 2015; Rutherfurd và cộng sự., 2012). Phytase bước đầu sẽ thủy phân tất cả các axit phytic phosphoryl hóa đầy đủ (IP6) thành IP5, sau đó IP5 sẽ thủy phân tiếp thành IP4 và tiếp tục (Dersjant-Li và cộng sự., 2015).

Hình 1: Cấu trúc của axit phytic (myo-inositol, 1,2,3,4,5,6- hexakisphosphate (IP6, IUPAC), trích từ Dersjant-Li et al. (2015)

Ứng dụng của phytase

Hiệu quả giải phóng phốt pho của phytase phụ thuộc vào một vài yếu tố như hàm lượng phytate trong khẩu phần, nguồn phytate, loài và tuổi của vật nuôi, hàm lượng khoáng trong khẩu phần, điều kiện nội sinh như độ pH đường ruột, các enzyme khác và nguồn phytase và liều dùng (Dersjant-Li và cộng sự., 2015; Abd El-Hack và cộng sự., 2018; Shaw và cộng sự., 2010). Những yếu tố này nếu phù hợp sẽ có tác động tích cực lên hiệu quả hoạt động của phytase trong việc cải thiện các chỉ tiêu tăng trưởng, tăng cường sự phát triển xương ở vật nuôi và quan trọng nhất là nó giúp giảm chi phí thức ăn chăn nuôi. Do đó, hoạt lực của phytase được phân tích có thể không thể hiện đúng hiệu suất hoạt động của nó trong cơ thể vật nuôi (Shaw và cộng sự., 2010).

Trong quá trình sản xuất thức ăn chăn nuôi với nhiệt độ cao, phytase có thể bị biến tính và giới hạn phạm vi ứng dụng của nó cũng như giá trị, vì vậy, hầu hết các nhà sản xuất phytase tăng hoạt lực bổ sung lên cao hơn so với hoạt lực mục tiêu để đảm bảo hàm lượng tối thiểu đạt được sau khi xử lý (Li và cộng sự., 2019; Shaw và cộng sự., 2010). Gần đây, phytase có bản chất chịu nhiệt tốt hơn đã được giới thiệu trên thị trường.

Hiện tại, phytase liều cao đang là một xu hướng toàn cầu nhằm cải thiện hiệu quả chăn nuôi. Phytase liều cao có thể dẫn đến sự loại phosphoryl hoàn toàn và đẩy nhanh quá trình phân rã phytate và giải phóng myo-inositol (Fernandez và cộng sự., 2019; Moran và cộng sự., 2019). Hướng đi này sẽ giúp phân rã IP6 và cả những ester thấp hơn, IP3 và IP2 (Gautier và cộng sự., 2018).

Hình 2: Quá trình thủy phân phytate khi sử dụng phytase liều cao

Liều cao có thể đạt được bằng cách tăng liều sử dụng phytase trong khẩu phần ăn cao hơn liều khuyến nghị cơ bản, thường là nhiều hơn 1,000 đến 2,500 đơn vị phytase/kg. Phytase liều cao ngoài việc tăng cường hoạt lực tối ưu của phytase ở dạ dày mà còn giúp tăng hoạt lực tiếp tục hoạt động ở ruột non. Cơ chế này giúp các chất dịnh dưỡng được giải phóng nhiều hơn và được hấp thụ tốt hơn, từ đó, cải thiện hiệu suất chăn nuôi.

Bổ sung phytase từ 0-12,000 đơn vị trên kg thức ăn giúp tăng trọng lượng của gà con từ 287 lên 515g/con (Ab d El-Hack và cộng sự., 2018).  Một báo cáo khác cũng cho thấy khi tăng liều dùng của phytase từ 1,000 lên 2,500 đã cải thiện năng lượng tiêu hóa hồi tràng, protein và phốt pho ở gia cầm hơn là bổ sung phytase theo liều khuyến nghị (Woyengo and Wilson, 2019). Mặt khác, Raut và cộng sự. (2018)kết luận rằng phytase liều cao ở 1,500 đơn vị phytase trên kg thức ăn giúp cải thiện thành tích chăn nuôi gà và tăng cường lợi nhuận. Phytase liều cao cũng giúp cải thiện sự phát triển của xương và khả năng tiêu hóa của gà thịt từ 1-21 ngày (Fernandez và cộng sự., 2019). Chất lượng xương là một trong những tiêu chuẩn phổ biến nhất để đánh giá lượng phốt pho có đủ trong khẩu phần không cũng như lượng phốt pho có đáp ứng đủ nhu cầu của vật nuôi không bởi vì vai trò của nó trong việc hình thành chất nền vô cơ của xương. Xương là một mô hoạt động trao đổi chất có vai trò như một bể dự trữ phốt pho và canxi và tham gia vào quá trình duy trì nội cân bằng (Grela và cộng sự., 2020). Việc sử dụng phytase trong khẩu phần ăn có thể giúp thay thế khoảng 0.1 đến 0.15% nguồn phốt pho không từ phytate trong chế độ ăn bắp và khô dầu đậu nành, giúp giảm hàm lượng phốt pho bổ sung vào khẩu phần.

Thêm vào đó, đối với gà đẻ, nhiều báo cáo chứng minh những tác động tích cực đếnsản lượng trứng, hiệu quả­­­ ăn vào, trọng lượng trứng,tỷ trọng riêng của trứng, tro xương và chất lượng vỏ trứng khi gà được nuôi khẩu phần có bổ sung liều 100- 2,000 đơn vị phytase với khoảng 0.1% phốt pho từ nguồn khác phytate (Abd El-Hack và cộng sự., 2018; Meyer và Parsons, 2011). Bên cạnh đó, phytase có thể giải phóng sắt từ inositol và cải thiện dự trữ sắt ở gà đẻ(Abd El-Hack và cộng sự., 2018).

Đối với heo con, thành tích chăn nuôi được cải thiện với phytase liều cao (Lu và cộng sự, 2019). Ở giai đoạn heo choai và giai đoạn kết thúc, heo cho ăn khẩu phần có bổ sung 500 đơn vị phytase trên kg thức ăn là mức phytase cần thiết cho cải thiện FCR (tỷ lệ chuyển hóa thức ăn) và tình trạng xương khi giết mổ (Grela và cộng sự., 2020). Liều Phytase gấp đôi lên 1,000 đơn vị phytase trên kg thức ăn, giúp tăng tăng trọng hàng ngày của heo con cai sữa và heo trong giai đoạn phát triển đến xuất chuồng (Grela và cộng sự., 2020; Moran và cộng sự., 2019). Và Lu và cộng sự (2019) cũng báo cáo với liều dùng 3,000 đơn vị phytase trên kg thức ăn cho heo giúp tăng cường giải phóng myo-inositol và phốt pho

Kết luận

Hiện nay trên thị trường có đa dạng các loại phytase với nhiều ứng dụng, do vậy, hiểu rõ nhưng yếu tố ảnh hưởng đến hoạt lực của phytase đối với động vật dạ dày đơn sẽ giúp sử dụng enzyme này tốt hơn. Bên cạnh việc căn cứ vào những phương pháp tiêu chuẩn để đánh giá hoạt lực của phytase trong điều kiện phòng thí nghiệm, nhà lập công thức cũng cần xem xét hoạt lực thực tế của phytase trong cơ thể vật nuôi để chọn lựa loại phytase phù hợp. Và nồng độ phytase cũng cần được xem xét để tối đa tiêu hóa tổng số tiêu chuẩn của phốt pho vì yếu tố này phụ thuộc vào loại nguyên liệu, đây cũng là điều cần quan tâm khi phát triển ma trận giá trị cho phytase, đặc biệt khi áp dụng phytase liều cao.