Selección de enzimas exógenas y predicción de matrices nutricionales en

Selección de enzimas exógenas y predicción de matrices nutricionales en
pollos de engorde con base en el análisis de substratos
L. F. Romero Millán y P. W. Plumstead
DuPont Industrial Biosciences – Danisco Animal Nutrition; Marlborough UK
Introducción
Los altos precios y la volatilidad de los precios de los granos, aceites, y oleaginosas
en la primera década del siglo XXI, han puesto presión en empresas de alimentos
balanceados para avicultura y nutricionistas para desarrollar estrategias con miras a
reducir el impacto de los precios del alimento en la producción de pollo. Estas
estrategias incluyen el reevaluar las densidades energéticas optimas y la aplicación
de enzimas exógenas, frecuentemente sin considerar los substratos a los que están
siendo dirigidas.
La aplicación de matrices genéricas para enzimas carbohidrasas como las
xilanasas, y la desconexión entre los substratos presentes en el alimento y la
elección de enzimas exógenas, han sido causadas en parte porque las empresas
proveedoras de enzimas frecuentemente han empleado una estrategia de “caja
negra” respecto a las recomendaciones sobre la contribución energética de los
productos, en donde diferencias de concentraciones de substratos entre dietas no
son consideradas. Esta situación hace que matrices que se usan en otros países no
siempre sean relevantes en lugares donde se usan dietas más complejas que
contienen niveles mayores de fibra, por ejemplo. La falta de claridad en el modo de
acción de enzimas exógenas y cuales combinaciones de enzimas son adecuadas
para dietas especificas han resultado en una visión bastante conservadora,
frecuentemente escéptica, de los nutricionistas respecto al valor potencial de
enzimas carbohidrasas y proteasas en dietas que contienen altos niveles de
polisacáridos no almidonados (PNA).
La industria avícola requiere un mejor entendimiento de los diferentes
substratos en dietas para pollos de engorde basadas en maíz y la lógica con la que
las matrices energéticas de enzimas se determinan, para poder tomar decisiones
respecto las combinaciones de enzimas más adecuadas para dietas determinadas,
y como ajustar las matrices energéticas científicamente con base en el tipo de dieta
o la edad de las aves.
Importancia de la estimación de substratos en la elección de enzimas
Una consideración básica para seleccionar enzimas exógenas para pollos de
engorde es que cada enzima debe estar dirigida a nutrientes de la dieta que no son
digeridos completamente por las enzimas endógenas de los pollos y absorbidos
antes del ileum terminal. Bien sea que sean medidos en la digesta ileal o en la
materia fecal, estos substratos se pueden dividir en cinco fracciones que son fuente
de energía para los pollos: almidón, PNAs, azucares (mono- y oligo-sacáridos),
proteína y grasa. Por tanto, para que una enzima exógena pueda contribuir a la
energía metabolizable aparente (EMA) de la dieta, es lógico que la adición de la
enzima deba resultar en un incremento de la digestibilidad y una reducción
proporcional de las fracciones no digeridas de uno o más de estos substratos
energéticos. Este principio es similar a la manera como nutricionistas asignan
valores de EMA a diferentes ingredientes de la dieta. Por ejemplo, las ecuaciones
de predicción del CVB (2004) para pollos adultos (Eq. 1) y pollos de engorde (Eq. 2)
y las ecuaciones de Rostock (Eq. 3) predicen valores de EMAn (EMA corregida por
nitrógeno) de ingredientes, como la suma de las contribuciones de EMAn
provenientes de las proporciones digeridas de substratos energéticos:
Eq.1.
EMAn (kJ/kg) = 18,03xdig.PC + 38,83xdig.GC + 17,32xdig.ENN
Eq.2.
EMAn (kJ/kg) = 15,56xdig.PC + 38,83xdig.GC + 17,32xdig.ENN
Eq.3.
EMAn(kJ/kg) = 18,8xdig.PC + 39,8xdig.GC +17,3xdig.Almidón + 16,0xdig.Azucares
+17,2xdig.RNN
Dig =digestibilidad fecal aparente de nutrientes (g/kg); PC= proteína cruda; GC =
grasa cruda; ENN representa el extracto no nitrogenado que puede ser dividido
entre almidón, azucares, y residuo no nitrogenado (RNN).
Para el maíz, los coeficientes de digestibilidad determinados por el CVB para
proteína cruda, grasa cruda, y extracto no nitrogenado en pollos adultos son
respectivamente 83%, 84%, y 91%; y 81%, 93%, y 88% para pollos de engorde.
Dicho de otra manera, aproximadamente 19% de la proteína cruda, 7% de la grasa
cruda, y 12% del ENN del maíz no es digerido en la totalidad del tracto digestivo.
Cuando se analizan estos valores en el ileum terminal, los coeficientes de nutrientes
no digeridos son mayores ya que parte de la proteína, almidón, grasa y fibra son
fermentados en el ciego y colon. Evidentemente, cuando se mira desde la
perspectiva de la utilización de enzimas, estas fracciones de nutrientes no digeridos
representan el substrato objetivo que puede usarse para seleccionar combinaciones
de enzimas apropiadas para incrementar la EMA de ingredientes individuales y la
dieta como un todo. Esto se ilustra en la Figura 1, que muestra las fracciones no
digeridas de nutrientes en pollos de engorde alimentados con dos dietas formuladas
con los mismas especificaciones de nutrientes digestibles, pero la segunda dieta
incluye el uso de ingredientes menos costos y menos digeribles como harina de
aves, harina de girasol, y canola. Al evaluar los substratos potenciales de enzimas
de esta manera, se puede deducir que en los dos tipos de dietas, el almidón no
digerido representa una fuente importante de energía, cuya digestibilidad puede ser
aumentada directamente con el uso de amilasas exógenas (Gracia et al., 2003).
Figura 1. Comparación de substratos no digestibles en dos dietas para pollos de
engorde formuladas con las mismas especificaciones de nutrientes digestibles, una
basada en maíz y torta de soya, y una dieta compleja con harina de aves, harina de
Concentracion de
Substrato (g/kg feed)
girasol, y canola adicionalmente.
37.2
40
32.0
30
25.6
21.0
20
18.5
18.4
13.1
8.6
10
4.2
5.1
0
Almidon ileal no
digestible
Proteina ileal no
digestible
Grasa ileal no
digestible
Maiz/torta de soya
Arabinoxilanos
solubles
Arabinoxilanos
insolubles
Dieta compleja
Usando la ecuación de Rostock (Eq. 3), una reducción del 1% en la fracción
no digerible de almidón mediante al uso de amilasa exógena en una dieta con 44%
almidón, contribuiría 76 kJ al valor dietario de EMA. En la Figura 1, también es
evidente que un cambio en la formulación hacia el uso de ingredientes más baratos
y menos densos energéticamente, incrementa los niveles de arabinoxilanos
insolubles, y la relevancia de xilanasas (Liu et al., 2011). Al mismo tiempo, el mayor
nivel de proteína no digerible que se presenta cuando la torta de soya se remplaza
con fuentes proteicas de menor digestibilidad, incrementa el potencial de proteasas
exógenas en dietas complejas (Romero et al., 2009).
Contribuciones energéticas de substratos en respuesta a actividad de enzimas
exógenas
Un estudio reciente de Romero et al. (2011) en la Universidad de Massey en Nueva
Zelanda usó el principio de dividir la contribución energética de enzimas exógenas
en los diferentes substratos energéticos para crear un mayor entendimiento del
modo de acción de las enzimas exógenas. Dos dietas para pollos de engorde, una
basada en maíz y torta de soya, y una con maíz, torta de soya, 10% DDGS de maíz,
y 5% harina de canola (dieta compleja) fueron suplementadas con xilanasa y
amilasa (XA), o xilanasa, amilasa y proteasa (XAP) y comparadas contra controles
negativos sin suplementación con estas enzimas. Todas las dietas, incluyendo los
controles negativos, contenían 500 FTU de fitasa de E. coli / kg. Las contribuciones
de energía ileal del almidón, grasa, y proteína fueron calculadas multiplicando el
incremento en digestibilidad aparente ileal debido a las enzimas (g/kg de alimento),
por la energía bruta de cada substrato (kcal / g de substrato), usando valores de 4.2
kcal / g de almidón, 5.5 kcal / g de proteína, y 9.4 kcal / g de grasa. Finalmente, la
suma de estas contribuciones fué comparada con la contribución energética ileal de
las enzimas medida calorimétricamente.
Los resultados en la Figura 2 indican que los incrementos en la digestibilidad
ileal del almidón fueron principalmente obtenidos con la suplementación de xilanasa
y amilasa, desde un 94.5% en dietas sin enzimas hasta 96% o 97% en dietas
complejas o basadas en maíz/soya, respectivamente. El incremento en
digestibilidad ileal del almidón en este y otros estudios (Romero, 2012) confirma
observaciones de otros autores en el sentido de que la digestibilidad ileal del
almidón no es completa en pollos de engorde modernos (Svihus et al., 2005) y
adicionalmente puede ser altamente variable, sujeta a diferencias en las cantidades
de almidón resistente, el grado de interacciones almidón-proteína en el endospermo,
y el tamaño de los gránulos de almidón, entre otros factores. Además, debido a la
alta inclusión de maíz (60.3% versus 54.3%) y altos niveles de almidón de maíz, el
aumento de digestibilidad aparente ileal del almidón con suplementación de enzimas
XA o XAP fue mayor en dietas basadas en maíz y soya que en dietas complejas.
Figura 2. Digestibilidad ileal y contribución energética del almidón, la grasa y la
proteína en pollos de engorde, en respuesta a suplementación con combinaciones
de xilanasa y amilasa, o xilanasa, amilasa y proteasa exógenas en dietas basadas
en maíz y torta de soya, o dietas complejas que contenían adicionalmente 10% de
DDGS de maíz y 5% de harina de canola (Romero et al., 2011).
Digestibilidad ileal de grasa (%)
Digestibilidad ileal de almidón (%)
96.9a
97.1a
92.2a
96.3a
91.8a
91.6a
91.9a
95.8a
86.7b
94.6b
94.5b
84.4b
Control XA Maiz- XAP Maiz- Control
XA
XAP
Maiz-Soya Soya
Soya
Compleja Compleja Compleja
Digestibilidad ileal de proteína (%)
87.1a
85.5a
85.5b
83.8b
83.4c
80.7c
Control
XA Maiz- XAP Maiz- Control
XA
XAP
Maiz-Soya
Soya
Soya
Compleja Compleja Compleja
Contribuciones de energía ileal
provenientes de almidón, grasa y
proteína (kcal/kg)
Proteína
Grasa
Almidón
48.6
40.1
62.2
19.9
17.8
34.5
35.1
36.1
39.7
24.6
18.2
XA Maiz-Soya
XAP Maiz-Soya
XA Compleja
XAP Compleja
27.2
Control XA Maiz- XAP Maiz- Control
XA
XAP
Maiz-Soya Soya
Soya
Compleja Compleja Compleja
a,b,c
Medias con letras diferentes dentro de cada dieta son diferentes con una probabilidad α<0.05. X = xilanasa
de T. reesei, 2000 u/kg de alimento, A = amilasa de B. licheniformis, 200 u/kg de alimento, P = proteasa de B.
subtilis, 4000 u/kg de alimento.
Aunque las dietas usaron aceite de soya de alta calidad, la digestibilidad ileal
de la grasa en dietas sin suplementación con enzimas fue solamente del 84 al 86%,
siendo numéricamente inferior en dietas complejas con altos niveles de PNAs. Ya
que las dos dietas fueron formuladas con el mismo nivel de EMA, un mayor nivel del
grasa adicional (1.62 versus 1.50%) fue requerido en la dieta compleja que contenía
ingredientes fibrosos y menos densos energéticamente. Un ligeramente mayor nivel
de grasa adicional y una menor digestibilidad de grasa en dietas que contenían
mayores niveles de fibra resultó en incrementos (g / kg dieta) en la grasa no
digerida, lo que explica la mayor contribución energética de la grasa a nivel ileal
cuando enzimas XAP fueron suplementadas en dietas complejas (35.1 kcal / kg)
versus dietas basadas en maíz y soya (17.8 kcal / kg). Vale la pena anotar que la
suplementación de enzimas XAP fue capaz de incrementar la digestibilidad ileal de
la grasa a niveles consistentemente cercanos a 92% en los dos tipos de dietas, lo
que hace evidente el papel de estas enzimas en la reducción de los efectos
negativos de la fibra en la digestibilidad de la grasa, logrando un nivel más uniforme
de digestibilidad en dos formulaciones muy diferentes.
Finalmente, los datos de la Figura 2 enfatizan la contribución de la
combinación XAP en la digestibilidad ileal de la proteína, la cual incrementó con la
suplementación de XA, con efectos significativos adicionales cuando la proteasa fué
suplementada junto a XA, en los dos tipos de dietas. Para nutricionistas que
regularmente usan ingredientes proteicos con digestibilidades de aminoácidos
inferiores a las de la torta de soya, es de relevancia práctica que la magnitud del
efecto de la combinación XAP en la digestibilidad ileal de proteína fue superior en
dietas complejas (+5.9%) que en dietas basadas solamente en maíz y soya (+4.4%).
Esta alta contribución de la proteasa puede ser atribuida a la habilidad de la xilanasa
para modular los efectos de la combinación con amilasa y proteasa en dietas que
contienen altos niveles de fibra, y adicionalmente, a los altos niveles de proteína no
digestible en dietas complejas que constituye una fuente de substrato para la
proteasa exógena. Estos efectos de la combinación de XAP en la digestibilidad ileal
de proteína están reflejados en una mayor digestibilidad de energía y mayores
niveles de digestión de amino ácidos esenciales y no esenciales, cuya respuesta a
enzimas exógenas también está relacionada con los niveles de aminoácidos no
digestibles de la dieta (Romero et al., 2009, 2010, 2013).
El estudio de Romero et al. (2011) encontró que las respuestas en EMAn de
108 o 117 kcal / kg MS a la suplementación con la combinación de XAP en
maíz/soya o dietas complejas, respectivamente, fueron explicadas por el aumento
en la digestibilidad ileal del almidón, la grasa y la proteína. Sin embargo, la
contribución relativa de cada substrato en respuesta a enzimas (XA o XAP) difirió
substancialmente entre los dos tipos de dieta, lo que puede explicarse por la
concentración de nutrientes no digeridos disponibles para la actividad enzimática,
que alteró la importancia relativa en la respuesta energética total de cada tipo de
enzima utilizado.
Referencias
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Gracia, M. I., M. J. Aranibar, R. Lazaro, P. Medel, and G. G. Mateos. 2003. Poult.
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Romero, L. F., V. Ravindran, P. L. Utterback, and C. M. Parsons. 2009. Poult. Sci.
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Romero, L. F., and V. Ravindran. 2010. Poult. Sci. SPSS 2010:34.
Romero, L. F., P. W. Plumstead, and V. Ravindran. 2011. Poult. Sci. 90 (Supl.1): 20.
Romero, L. F., C. M. Parsons, P. L. Utterback, P. W. Plumstead, and V. Ravindran.
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Svihus, B., A.K. Uhlen, and O. M. Harstad. 2005. An. Feed. Sci. Tech. 122:303–320.