El uso de enzimas en la nutrición bovina

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El uso de enzimas en la nutrición bovina

Anna Arís y Elena García-Fruitós

Producción de Rumiantes, IRTA Caldes de Montbui, Spain

Resumen

Uno de los principales factores que afecta a la productividad en bovino es la digestión ruminal de la fibra de los forrajes o del almidón de los granos. Incrementar su digestibilidad permite aprovechar al máximo los nutrientes y la energía que contienen, logrando efectos beneficiosos en la producción de leche y de carne. A pesar de que el rumen presenta diversas enzimas para degradar la fibra y el almidón, la eficiencia de digestión es baja y por ello la suplementación con enzimas exógenas es una de las principales estrategias que se utiliza actualmente. La adición de enzimas fibrolíticas y amilolíticas a los forrajes o concentrados permite que haya un tiempo de preincubación entre la enzima y el sustrato que es necesario para que sean efectivos. En este contexto, el aislamiento y producción de nuevas enzimas con actividades y estabilidades mejoradas es un foco central de investigación en la producción animal para mejorar el rendimiento de producción en la industria bovina.

Palabras clave: enzimas fibrolíticas, enzimas amilolíticas, digestibilidad, producción bovina

Summary

The use of enzymes in bovine nutrition

One of the main factors that affects productivity in cattle is the ruminal digestion of fiber from forages or starch from grains. Increasing their digestibility maximize the use of nutrients and energy they contain, which has beneficial effects on milk and meat production. Although the rumen microbiota contains several enzymes to degrade fiber and starch, the efficiency of digestion is low and, in consequence, supplementation with exogenous enzymes is one of the main strategies currently used. The addition of fibrolytic and amylolytic enzymes to forages or concentrates allows achieving a pre-incubation time between the enzyme and substrate that is necessary to achieve their optimal activity and efficiency. In this context, the isolation and production of enzymes with improved activities and stabilities is a central focus of research in animal production to improve performance in the bovine industry.

Keywords: fibrolytic enzymes, amylolytic enzymes, digestibility, bovine production

Contacto con las autoras: Anna Arís: anna.aris@irta.cat; Elena García-Fruitós: elena.garcia@irta.cat

IMPORTANCIA DE INCREMENTAR LA DIGESTIBILIDAD EN LA NUTRICIÓN BOVINA

Los forrajes representan del 40 al 100 % de la ración de las vacas lecheras (Bargo et al., 2002) y son vitales para mantener la productividad y la salud de los animales. El mayor contenido de fibra de los forrajes es el principal factor nutricional que lo diferencia de los concentrados y da como resultado un valor energético relativamente más bajo. Sin embargo, la fibra desempeña un papel fundamental en la producción, salud y bienestar del ganado rumiante. Además de ser una importante fuente de energía, estimula la masticación y la salivación, la rumia, la motilidad intestinal y la salud, amortigua la acidosis ruminal, regula el consumo de alimento, produce precursores de grasa láctea y es la base estructural del rumen (Adesogan et al., 2019). La celulosa y la hemicelulosa son los principales componentes de la fibra. La hemicelulosa está compuesta principalmente por una columna vertebral de residuos de xilosa unidos, mientras que la celulosa está formada por moléculas de β-Dglucosa, en ambos casos unidas por enlaces β-1,4. La celulosa y hemicelulosa son intrínsecamente digeribles en el rumen, sin embargo, su estrecha asociación con la lignina y los ácidos hidroxicinámicos, como el ácido ferúlico, en la pared celular de la planta, es el mayor obstáculo para su completa digestibilidad y para la utilización de los nutrientes y la energía que contienen (Adesogan et al., 2019). De hecho, el grado de asociación con la lignina y los ácidos hidroxicinámicos junto con varias de sus características anatómicas implica que parte de la fibra de los forrajes sea digerible pero otra parte no. Por ello y por motivos de productividad, rentabilidad y ambientales, es de vital importancia aumentar la digestión de la fibra. Por ejemplo, se ha visto que la di-

gestión incompleta de la fibra reduce la producción lechera al limitar el consumo y, en consecuencia, la productividad, además de aumentar la producción de estiércol. Evidencias científicas demuestran que potenciar la digestibilidad del forraje aumenta la ingestión y la producción de la leche (Oba et al., 1999). Por otro lado, uno de los principales factores que afecta a la productividad de los rumiantes alimentados con dietas altas en granos, como es el caso del ganado productor de carne, es la digestión ruminal del almidón (Huntington et al., 1997), por lo que se han desarrollado diversos procesos para incrementarla y consecuentemente aumentar su valor energético (Owens et al., 1997). Estudios realizados en ganado lechero han demostrado que el procesamiento de los granos mejora la disponibilidad y utilización del almidón, logrando efectos beneficiosos en la producción de leche al incrementar su contenido de energía neta en la lactancia en alrededor del 20 % (Rojo-Rubio et al., 2006).

ESTRATEGIAS PARA AUMENTAR LA DIGESTIÓN DEL ALMIDÓN DE LOS GRANOS Y LA FIBRA DEL FORRAJE

Existen diferentes estrategias para aumentar la digestión de la fibra del forraje tales como: i) el procesamiento mecánico del forraje para reducir el tamaño de partícula, el cual tiene que estar balanceado para conseguir la estimulación de la masticación y salivación del animal y, a la vez, una mejor digestibilidad de la fibra en el rumen; ii) modificaciones genéticas de los forrajes para que sean más digeribles; iii) digestión química de los forrajes, la cual se ve limitada por su coste y riesgo de toxicidad en los tejidos animales; y por último iv) el uso de enzimas fibrolíticas, que es el foco principal del presente artículo. En el caso del almidón, los factores más investigados para controlar la tasa y extensión de su degradación ruminal han sido el manejo del consumo de alimento, el procesamiento de los granos y el uso de aditivos alimentarios, principalmente enzimas amilolíticas (Huntington et al., 1997). Las enzimas digestivas amilolíticas están involucradas en todas las reacciones metabólicas que implican la conversión de las moléculas complejas de almidón (amilosa, amilopectina) a sus constituyentes más simples, como glucosa, maltosa e isomaltosa. Las actividades enzimáticas que se ha confirmado que existen en el rumen son diversas, incluidas las que degradan la fibra, tales como las celulasas, xilanasas, β-glucanasas o pectinasas, así como también las amilasas que degradan el almidón. La variedad de enzimas presentes en el rumen surge no solo de la diversidad de la comunidad microbiana (bacterias, hongos y protozoos), sino también de la multiplicidad de enzimas producidas por microorganismos individuales. A pesar de que el rumen presenta diversas enzimas, la eficiencia de digestión de la fibra vegetal por las enzimas endógenas es baja y por ello la suplementación de dietas con enzimas exógenas para mejorar el rendimiento animal ha sido una práctica ampliamente utilizada durante décadas para aumentar la tasa de conversión alimenticia (proporción de crecimiento o productividad en relación con la cantidad de alimento consumido).

ENZIMAS EXÓGENAS

Las enzimas exógenas son aquellas que no pertenecen al sistema digestivo endógeno del animal, por lo que deben ser incorporadas en el alimento. Estas pueden ser del mismo tipo que encontramos en el rumen o bien tener acciones complementarias y que no se encuentran presentes en la población microbiana ruminal. Las enzimas utilizadas se pueden obtener de organismos capaces de sintetizarlas de forma natural, como hongos o bacterias. Sin embargo, los productos obtenidos mediante esta aproximación contienen una fracción importante de impurezas, siendo en muchos casos una mezcla que contiene diferentes actividades enzimáticas interferentes. En algunos casos se administra el microorganismo vivo para que secrete las enzimas, pero la actividad demostrada es más limitada que en el caso de enzimas semipurificadas o purificadas (Adesogan et al., 2019). En este contexto, la tecnología recombinante es una estrategia alternativa y que ha jugado un papel importante en el ámbito de la producción de enzimas, ya que

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permite producirlas de forma específica, en grandes cantidades y con una mayor pureza. Para ello, se usa la tecnología del ADN recombinante que permite expresar y producir proteínas de interés como pueden ser las enzimas usando huéspedes microbianos como fábricas celulares (Gifre-Renom et al., 2017). En términos generales, estas enzimas recombinantes se purifican parcialmente y se comercializan como extractos celulares o sobrenadantes de cultivo que se utilizan directamente, por lo que las enzimas comerciales no confieren una sola actividad enzimática pura. Sin embargo, las agencias reguladoras requieren incluir algunos pasos de purificación de las enzimas recombinantes para eliminar cualquier posible residuo de ADN modificado genéticamente y/o residuos de fermentación indeseables en el producto final, pero estos procesos de purificación son relativamente simples. Hay evidencias que demuestran que el modo de acción de las enzimas en rumiantes es una combinación de efectos pre y posalimentación. Su adición antes de administrar la ración a los animales permite un tiempo de preincubación entre la enzima y el sustrato. La enzima requiere de una adsorción y unión al sustrato que después favorecerá su protección en el ambiente proteolítico del rumen y que pueda degradar más fácilmente el tejido vegetal. En cambio, cuando las enzimas se administran directamente al rumen no se observan mejoras en la degradación tan claras (Beauchemin et al., 2003).

Perspectivas futuras

Hasta la fecha, las enzimas exógenas que con mayor frecuencia se han utilizado en la alimentación de rumiantes son las fibrolíticas. Los estudios realizados hasta el momento demuestran que afectan positivamente a la digestión de múltiples fuentes de forraje. Las enzimas fibrolíticas en dietas de engorde de bovinos de carne estimulan el consumo y generaran impactos positivos en la fermentación ruminal (Kondratovich et al., 2019). En vacas lecheras en lactación, el pretratamiento de ensilados de cebada con una mezcla de xilanasas y celulasas incrementa la eficiencia de producción de leche (Refat et al., 2018). En referencia a las enzimas amilolíticas, aunque hay muchos menos estudios, Andreazzi et al. (2018) demostraron que las amilasas mejoran la eficiencia alimentaria en vacas lecheras alimentadas con una dieta alta en almidón, incrementando la producción de leche y reduciendo la ingestión. En definitiva, existe un claro potencial de la administración de enzimas exógenas para mejorar la eficiencia alimentaria en bovino y ello impulsa nuevos estudios de investigación para encontrar enzimas mejoradas en términos de eficiencia de degradación.

BIBLIOGRAFÍA

Adesogan et al. 2019. Symposium review: Technologies for improving fiber utilization. J Dairy Sci. 2019 Jun;102(6):5726-5755. Andreazzi et al. 2018. Effect of exogenous amylase on lactation performance of dairy cows fed a high-starch diet. Journal of Dairy Science 101(8). Bargo F et al. 2002. Performance of high producing dairy cows with three different feeding systems combining pasture and total mixed rations. J Dairy Sci Nov;85(11):2948-63. Beauchemin, K. A. et al. 2002. Mode of action of exogenous cell wall degrading enzymes for ruminants. Canadian Journal of Animal Science. Contribution no (387). Gifre et al. 2017. Trends in recombinant protein use in animal production. Microb Cell Fact (2017) 16:40. Huntington G. 1997. Starch utilization by ruminants: From basics to the bunk. J. Anim. Sci. 75: 852-867. Kondratovich LB. et al. 2019. Effects of dietary exogenous fibrolytic enzymes on ruminal fermentation characteristics of beef steers fed high- and low-quality growing diets. J Anim Sci Jul 2;97(7):3089-3102. Oba et al. 1999. Evaluation of the importance of the digestibility of neutral detergent fiber from forage: effects on dry matter intake and milk yield of dairy cows. J Dairy Sci Mar;82(3):589-96. Owens FN et al. 1997. The effect of grain source and grain processing on performance of feedlot cattle: A review. J. Anim. Sci. 75: 1681-1685. Refat B. et al. 2018. Effect of fibrolytic enzymes on lactational performance, feeding behavior, and digestibility in high-producing dairy cows fed a barley silagebased diet. J Dairy Sci Sep;101(9):7971-7979. Rojo-Rubio et al. 2007. Exogenous amylolytic enzymes in the feeding of ruminant feeders. www.ujat.mx/ publicaciones/uciencia 23 (2):173-182,2007.