Modo de acción y beneficio económico en la utilización de fitasas y xilanasas en pollo de engorde

La inclusion de enzimas exógenas en la nutrición de monogástricos tiene como principal objetivo manipular las condiciones existentes en el tracto digestivo, mejorando el valor nutricional de los ingredientes (Meng et al., 2005), siendo su uso más común durante las dos últimas décadas (Selle & Ravindran, 2007).

El uso de enzimas en la alimentación de monogástricos ha crecido de forma importante, teniendo como principal objetivo reducir el costo de la formulación, además, factores tales como la mejora del desempeño de los animales, la eliminación de factores antinutricionales y la reducción de la excreción de residuos contaminantes han sido planteados como beneficios importantes en la aplicación de esta tecnología. Con el incremento del costo de las materias primas observada desde mediados del 2007, sumando además,  la escasez temporal de algunas de estas y su utilización para otros fines (producción de fertilizantes y combustibles), el uso de enzimas en la alimentación animal se ha intensificado considerablemente.

Comercialmente, las enzimas presentes en el mercado interno se dividen en dos grupos principales, las Fitasas  que actúan incrementando la liberación de fósforo de los ingredientes de origen vegetal, disminuyendo así la incorporación de fuentes inorgánicas en la formulación e incrementando la digestibilidad tanto de aminoácidos como de la energía metabolizable y las Xilanasas, comúnmente llamadas enzimas que actúan sobre polisacáridos "no amiláceos" - NSP (por su siglas en inglés) que tiene como objetivo principal la liberación de energía de los nutrientes. 

Los alimentos para animales se conforman de cantidades significativas de cereales como lo son maíz, sorgo, trigo y cebada, los cuales contienen concentraciones importantes de fitatos (inositol hexafosfato) que representan una fuente potencial de fósforo.  Sin embargo, este fitato es pobremente digerido por las aves y mucho es excretado a través de las heces, siendo esta última acción, una de las de mayor impacto en la contaminación ambiental.  Las enzimas fitasas han sido ampliamente utilizadas en alimentos balanceados por casi dos décadas para incrementar la digestibilidad del fósforo del fitato.  Inicialmente esta utilización  fue para ayudar a reducir las concentraciones de fósforo de las heces en el medio ambiente.  Sin embargo, con los incrementos en los costos de los ingredientes de los últimos años, es imperativo adicionar este tipo  de enzimas ya que juegan un papel importante en la disminución del costo de formulación.  Por otra parte,  El uso de enzimas destinadas a trabajar sobre polisacáridos estructurales no almidonados (xilanasas) con el objetivo de buscar una mayor liberación de energía presente en los ingredientes se ha incrementado rápidamente en la producción de aves siendo este un fenómeno global.

Se han llevado a cabo múltiples investigaciones con el fin de conocer los mecanismos de acción y respuestas de estas enzimas en el tracto digestivo de los animales proporcionando al nutriólogo la información necesaria para saber cuando y como usar los productos disponibles en el mercado teniendo en mente la constitución de los sustratos  y disponibilidad  en los ingredientes de la dieta así como cual o cuales enzimas estarán actuando. 

 

El fitato además de retener fósforo retiene otro tipo de minerales, particularmente calcio, como también a otros nutrientes tales como energía (almidón) y proteína reduciendo así la disponibilidad de estos hacia el animal.  Investigaciones recientes han establecido que el fitato per se afecta la estabilidad intestinal incrementando la producción de moco, por irritación, y por lo tanto aumenta los requerimientos de mantenimiento del ave (Cowieson et al., 2006).

Esto puede ser disminuido en parte por la degradación del fitato añadiendo a la dieta una enzima fitasa  (inositol hexafosfato fosfohidrolasa) para la liberación de fósforo y otros nutrientes.  Esta degradación ocurre más rápido y de forma más completa cuando el fitato está en forma soluble, es decir a valores de ph por debajo de 4.5, como se encuentran en las partes altas del tracto gastrointestinal.

La incorporación de fitasas en alimentos para aves es bien conocida para incrementar la digestibilidad del fósforo de los granos.  Como ya se comentó,  al inicio esta utilización  fue para ayudar a disminuir las concentraciones de fósforo en las excretas, disminuyendo así el riesgo de polución del medio ambiente.  Posteriormente los costos de los ingredientes incrementaron de forma importante lo cual originó la razón principal para el uso de fitasas, que fue la de bajar el costo de las fórmulas. 


Fitato.

Las sustancias en la cual actúan las enzimas fitasas se denominan de tres formas diferentes en la literatura:  Fitato, Fitina y Acido Fítico.  Fitato, es el término utilizado con más frecuencia y se refiere a la sal de ácido fítico (myo-inositol hexafosfato), Fitina, a su vez se refiere específicamente al complejo de myo-inositol hexafosfato de potasio con magnesio y calcio que se produce en las plantas, mientras que el Acido Fítico es el anillo libre myo-inositol hexafosfato (Selle y Ravindran, 2007).

De una forma más sencilla podríamos decir que la fitina presente en los ingredientes vegetales  que forman parte de la composición de la dieta se disuelve en un pH bajo (ácido) presentes en el inicio del tracto gastrointestinal de las aves, pasando a su forma libre, el ácido fítico.  A medida que el bolo alimenticio pasa a través del tracto gastrointestinal se produce un aumento del pH (sobre todo en el duodeno donde ocurre la secreción del jugo pancreático) y el ácido fítico entra y se precipita con minerales (principalmente calcio), proteínas (Selle et al, 2006) y con enzimas específicas, tales como la amilasa (Deshpande y Cheryan, 1984). Este complejo se precipita formando el fitato.  El efecto de los fitatos no sólo está relacionado con una menor disponibilidad de fósforo presente en la molécula myo-inositol hexafosfato, sino también en la vinculación de esta molécula con otros nutrientes y la precipitación de este complejo.  Aparte de la reducción real en la disponibilidad de nutrientes, desde el momento en que se unen al fitato pierden actividad las enzimas y / o la capacidad de ser absorbidos, el fitato también tiende a aumentar la secreción de moco en el intestino (Cowieson, Acamovic y Bedford, 2004) actuando como un factor anti-nutricional. Mientras se va generando la precipitación del fitato, va aumentando la secreción intestinal, sin embargo, ésta acción no se conoce bien, pero puede estar relacionada a la acción de la sal en la mucosa intestinal dándose así el aumento de la secreción de moco en respuesta a esta agresión.

Diversos trabajos muestran que la formación del fitato en el tracto intestinal aumenta la producción de bicarbonato de sodio y su excreción en la luz del intestino (Cowieson et al, 2004), aumentando así la cantidad de sodio en el lumen,  la cual interfiere a su vez con el sistema de transporte dependiente de sodio, como lo es la bomba de sodio y potasio, y el  transporte activo de nutrientes a las células interfiriendo, por ejemplo, la absorción de los aminoácidos (Ravindran et al., 2008).

Debido a esta acción anti-nutricional y a la variación en la cantidad de fitato de la dieta se puede observar que existe una interferencia con el crecimiento de los animales, con el nivel de respuesta del sistema  inmune y con la capacidad de absorción de los nutrientes.  Newkirk y Classen (2001) observaron una mayor absorción de aminoácidos en pollos alimentados con dietas a base de maíz, soya y canola "sin fitina" en comparación con la dieta estándar con canola (con concentraciones normales de fitina),  Linn et al. (2008), a su vez, no encontraron ninguna diferencia en el rendimiento del crecimiento de cerdos alimentados con maíz naturalmente bajos en fitina en comparación con los animales alimentados con maíz normal.  Es importante destacar aquí que el nivel de fitina  en el maíz es naturalmente bajo, mientras que el contenido de fitina de la dieta se relaciona más con el contenido de ésta en el salvado de trigo y en la harina de soya que en el del maíz, a pesar de la creciente participación de este ingrediente en la dieta.  Linnen et al.(2008) encontraron variaciones en los patrones de la respuesta inmune de pollos de engorde alimentados con dietas con baja y alta concentración de fitato con diferentes dosis de fitasa.  En la revisión de la literatura, Selle et al. (2006) observaron que la respuesta en el incremento de la digestibilidad de aminoácidos en pollos de engorde mediante la adición de fitasa puede variar dependiendo del tipo de marcador utilizado, siendo las respuestas con el uso de óxido de titanio o cenizas insolubles más consistentes que aquellos trabajos donde se utiliza óxido de cromo.


Fitasas.

La fitasa es un tipo de enzima que tiene su uso más extendido en la nutrición de los animales monogástricos siendo comercializada desde 1991 (Selle et al., 2007), aunque el primer trabajo de detección de la actividad de esta enzima fue en el salvado de arroz realizado hace más de 100 años (Suzuki et al.: "enzima über ein" fitasa "de anhidro-oxi-metileno-spaltet diphosphosaure" Colegio de Agricultura "Boletín Emperator la Universidad de Tokio", 1907).  La comercialización de las fitasas mueve más de $ 250 millones de dolares por año, con un crecimiento de 10 a 15% anual (Cowieson et al., 2008).  El uso de la fitasa está bien establecido y en los últimos años se ha fortalecido más debido a cambios en la disponibilidad y a los precios de las fuentes de fósforo (fosfato dicálcico) para la alimentación animal y el aumento del costo de otras materias primas como el maíz y la harina de soya, produciendo que el ahorro logrado por la utilización de esta tecnología haya aumentado. Hay varios productos en el mercado comercial que tienen características diferentes.  A pesar de que actúan sobre el mismo sustrato (fitato o más específicamente, sobre el ácido fítico) estas características interfieren con la acción de la fitasa en el tracto intestinal y por lo tanto la capacidad de rompimiento del ácido fítico y por consiguiente del desempeño posterior de los animales. Las características importantes a considerar para la elección de una fitasa ideal sería la estabilidad del pH, la resistencia al proceso de producción de alimentos, resistencia a la acción proteolítica y la estabilidad en el tracto digestivo de los animales (Igbasan, 2000).

Normalmente las fitasas se clasifican en dos categorías según su origen (fúngicas o bacterianas) o en el lugar donde realizan la primera hidrólisis del fitato, liberando ortofosfato inorgánico (3-fitasa - trabajando inicialmente en la molécula de carbono 3 fitato o 6-fitasa - trabajando inicialmente en el carbono 6 de la molécula de fitato).

Según Igsaban (2000) las fitasas bacterianas tienen mayor estabilidad térmica (en particular fitasas de Bacillus sp) y una mayor resistencia a la acción proteolítica (en particular la fitasa de E. coli), en relación a las fitasas fúngicas. Esa mayor estabilidad a la acción proteolítica puede explicar los resultados encontrados por el Adeola et al. (2006) que observaron que las fitasas de E.coli aumentaron la cantidad de fósforo disponible (es decir, pueden liberar mayores cantidades de fósforo) en relación con fitasas fúngicas basándose en la mineralización de la tibia de pollo de engorde.

Una característica de los fitatos es formar quelatos los cuales se cristalizan en pH´s alcalinos y esta acción es muy importante para la eficiencia en vivo de las fitasas.  En este sentido,  una característica que requieren las fitasas es que sean activas a pH´s ácidos (buche - proventrículo - molleja), cuando el ácido fítico es más soluble y pueda ser hidrolizado.  A partir de que el bolo alimenticio llega al intestino delgado, las secreciones pancreáticas incrementan el pH produciendo con esto la formación de cristales y por más que la fitasa esté activa, el sustrato (fitato) ya no estará más disponible, lo que hace que la hidrólisis del fitato se produzca principalmente en los compartimentos digestivos con pH´s más ácidos. (Selle and R. Ravindran, 2007).

Las fitasas a diferencia de otras enzimas son dosificadas en forma práctica (inclusive las fitasas de E. coli), muy por abajo de su óptimo biológico. De hecho la ventaja de estas fitasas se relaciona linealmente con los incrementos logarítmicos en dosis - Ej. La mejora en la digestibilidad del fósforo se duplica con un incremento de 10 veces la dosis.   A pesar de la extensión de las matrices nutricionales de la mayoría de las fitasas en energía y aminoácidos, el incentivo económico para los fabricantes de alimentos balanceados para incrementar la dosificación de la fitasa noha sido suficientemente obvio. Es claro que con el incremento de los costos de las materias primas tales principios se han reconsiderado. Una problemática clara en el uso de la fitasa en la formulación a menor costo (FMC)  es que mientras que el beneficio de la enzima se incrementa en forma lineal con incrementos logarítmicos en dosis, la FMC  tiene una relación lineal de la dosis con el beneficio. Por ejemplo, si incluimos la fitasa  como un ingrediente para una matriz de nutrientes para 500 unidades, y la FMC selecciona solamente 250 unidades de fitasa, asumirá que la fitasa ha aportado solamente el 50% de los nutrientes de la matriz, mientras que en realidad los valores actuales son cercanos al 75% para esta dosis (Bedford, 2008). Esta relación se presenta en la figura 1. 

Figura 1. Relación entre la dosis de fitasa y la respuesta esperada.
 

Al formular las dietas nos enfrentamos por lo tanto con un problema económico. SI los precios sombra recomiendan una mayor inclusión de la enzima, entonces la aproximación tradicional será el reemplazar el ingrediente de la matriz de  500 unidades con el ingrediente de 1000 unidades. Este ingrediente de 1000 unidades posee  una matriz con menos nutrientes por unidad de actividad pero una tasa de inclusión máxima que duplica al nutriente de 500 unidades. El aporte máximo de inclusión de este ingrediente con 1000 unidades aporta 30% más nutrientes que el producto de 500 unidades. Estas dos matrices están representadas por las líneas de regresión rectas que pasan por el origen en la figura 1. El problema es que el valor actual de la enzima está representado por la curva logarítmica en la figura 1. El uso de cualquier dosis menor a la dosis máxima del producto resultado de  la FMC, asume que la enzima aporta un menor valor de lo que realmente libera in vivo. Esta pérdida se representa como la diferencia entre la curva y cualquiera de las líneas rectas de la regresión. Como resultado el óptimo real no será encontrado perdiendo  una gran parte del valor de la enzima (Bedford, 2008).

Una solución bajo estas circunstancias es el generar dos ingredientes en la FMC. Uno será el estándar de 500 unidades dado en la matriz ya conocida y el segundo será un nuevo ingrediente 501-1000 unidades que tendrá una matriz definida como la diferencia entre las matrices de 500 y 1000 unidades. Por ejemplo si el ingrediente de 500 unidades tiene un valor de fósforo disponible de 0.13 % y el de 1000 unidades de 0.169% (matriz Quantum^TM Phytase Pollo de engorda) entonces en ingrediente 501-1000 unidades tendrá un valor de 0.039% de fósforo disponible.  Dado que el costo por gramo de los dos ingredientes es exactamente el mismo, el segundo ingrediente  con los valores menores de sus nutrientes no será seleccionado en la FMC hasta las 500 unidades del primer ingrediente hayan sido seleccionadas en su totalidad. El error en la FMC para la solución entre 500 y 1000 unidades habrá casi desaparecido como se hace evidente por la proximidad de la curva logarítmica con la línea de la matriz 501-1000 representada en color rojo. Esta aproximación ayudará a maximizar el valor que el fabricante de alimentos balanceados pueda extraer de esta enzima particularmente  cuando el alto precio de las materias primas justifican una mayor inclusión de los niveles de la fitasa (Bedford, 2008).


Xilanasas.

Las enzimas xilanasas forman parte del grupo de enzimas para polisacáridos no amiláceos (NSP´s por su siglas en ingles).  Estas enzimas fueron primero desarrolladas y usadas en dietas con cebada y posteriormente en dietas a base de trigo, con un visible incremento en la calidad de cama y una evidente mejora en el desempeño de las aves (Elwinger & Teglof, 1991).  El uso de estas enzimas en dietas a base de maíz no están asociadas con una mejora en la calidad de la cama, simplemente porque hay pocos problemas asociados al maíz, además que la respuesta en el desempeño de los animales es menor en comparación con dietas a base de trigo y cebada.  Sin embargo, recientemente los dramáticos incrementos en el precio de la energía ha hecho que muchos productores y empresas de alimentos balanceados hayan retomado el interés en estas enzimas considerando el potencial de ahorro en costos de formulación que ofrecen.

Es bien conocido que la función de las xilanasas es a través de tres actividades, la contribución de cada actividad varía con los ingredientes y con las aves de forma individual.  Estas actividades incluyen; la destrucción de la pared celular de los cereales, reducción de la viscosidad y estimulación las bacterias benéficas del tracto digestivo (Bedford & Schulze, 1998b).

Las paredes celulares del endospermo almidonado del maíz están construidas por una pequeña cantidad de celulosa incrustada con hemicelulosa, la mayor cantidad de esta son arabinoxilanos con menor cantidad de beta-glucanos y concentraciones de mananos (Stone, 2004).  Los animales monogástricos no poseen la capacidad enzimática para degradar las paredes celulares de las plantas, los contenidos celulares se mantienen intactos después del procesamiento (molienda) en la elaboración de alimentos y la acción de triturado de la molleja.   La efectiva degradación de la pared celular requiere de la adición de enzimas con actividad específica de rompimiento para que permita el ingreso de proteasas y amilasas pancreáticas.

El segundo mecanismo relevante de las enzimas xilanasas es la reducción de la viscosidad.  Una porción de la hemicelulosa puede ser soluble y de suficiente longitud de cadena para crear un gel en la fase acuosa del intestino.  La viscosidad reduce la tasa de dilución de todos los solutos y esto la tasa de digestión.  En el caso de la digestión, las micelas de grasa son las moléculas más afectadas con la viscosidad del tracto intestinal (Danicke et al., 2000).  La viscosidad es más relevante en dietas a base de centeno y cebada, de menor efecto en trigo y aún menos en dietas a base de maíz (Bedford & Schulze, 1998a).  Este efecto  se debe a que el maíz contiene menos fibras solubles de cadena larga con respecto a los otros granos y es por eso que la viscosidad es menos relevante en las dietas a base maíz-soya.  Además, la viscosidad varía con la variedad del grano, condiciones climáticas durante el crecimiento, manejo post-cosecha (ej. secado del grano)  y peleteo/extrusión.  

El tercer mecanismo es el resultado del rompimiento de paredes celulares ó la reducción de longitud de las cadenas de polímeros viscosos y que resulta en pequeños fragmentos de pared celular. Estos fragmentos vienen siendo azúcares de cadena corta (ej oligosacáridos) los cuales actúan como pre-bióticos para la fermentación bacteriana.  Las xilanasas, mananasas y celulasas producen sus oligosacáridos respectivamente y su efecto pre-biótico va a depender el tipo y cantidad de oligosácaridos que se produzcan de acuerdo al tipo de enzima. Muchas especies de bacterias son las que utilizan estos productos, en grados diferentes, para la producción de ácidos grasos volátiles los cuales van a ser una fuente de energía y de control patógeno para los pollitos (Chock et al., 1999; Bedford & Apajalahti, 2001; Sohail et al., 2003).  Debe tenerse mucho cuidado en la selección de las enzimas ya que una sobredosis puede reducir el tamaño de los oligosacáridos a monosácaridos, lo cual en grandes concentraciones puede resultar en diarreas osmóticas y en bajos desempeños de los animales (Schutte, 1990).  Este problema ocurre de forma más frecuente con endo-xilanasas las cuales no son demasiado específicas en sus requerimientos para unirse al sustrato y esto particularmente ocurre cuando se realizan preparaciones con cantidades importantes de exo-  más que endo-xilanasas (Bedford, 2008).

El principal valor práctico de la utilización de las xilanasas es ofrecer un incremento en la digestibilidad de la energía en dietas a base de maíz/soya, las cuales contienen granos de baja calidad.  Desafortunadamente, cuando no se tiene un método que permita una rápida determinación de la calidad del grano antes de ser procesado, la única opción es la utilización de este tipo de enzimas en todos los casos.  Cuando se utilizan granos de maíz de mala calidad, la enzima mejora significativamente la digestibilidad, incrementando los valores energéticos de la matriz justificándose así su uso en las formulaciones de mínimo costo.   El beneficio son ahorros consistentes con una reducción en la variabilidad del desempeño de los animales como resultado de la disminución de las diferencias en digestibilidad de la energía contenida entre granos de buena y mala calidad.

Ahora existen diferentes xilanasas en el mercado, las cuales difieren marcadamente una contra otra.  Aún dentro de la misma clase de xilanasa, hay enormes diferencias en los perfiles de pH´s, en los productos finales producidos y en la habilidad para atacar estructuras de xilanos solubles y/o insolubles.  Cuando se haga una selección de enzimas es importante que ésta esté basada en el desempeño biológico del producto y no simplemente en el de pruebas "in vitro".        

Aún cuando en innumerables ocasiones  las enzimas destinadas a polisacáridos no almidonados son usadas y comparadas como si fuesen productos exactamente similares, realmente son productos específicos que deben ser visualizados de manera individual.

Más allá de las consideraciones usuales de cantidad de substrato presente para que estas enzimas puedan tener una acción específica, otras consideraciones relacionadas a este substrato (sin entrar aquí a temas como nivel nutricional de formulación, raza, sexo, etc) como el lugar en donde el mismo está presente, su forma de presentación, como está unido o ligado a otras moléculas presentes en la célula entre otros son también factores importantes a ser considerados cuando se toma la decisión en el uso de estas herramientas (enzimas) presentes en el mercado.

Es fundamental que el nutriólogo tenga el conocimiento específico de donde y como cada uno de estos productos actúan sobre que (cuales) sustrato (s) cada producto tendrá una acción para que pueda tener realmente una aplicación correcta de estos aditivos.

Tal como acontece con muchos aditivos para alimentos balanceados es muy importante el incluir el producto en una formulación adecuada para poder obtener el máximo beneficio económico.  Así como es común en muchos aditivos alimenticios, las enzimas para alimentos balanceados obtendrán una respuesta en la productividad animal cuando tengan un efecto sobre el primer nutriente limitante.  En el caso de las xilanasas, este viene siendo la energía.

 Una fuente de variabilidad que debe ser considerada por las empresas productoras de enzimas es la consistente liberación de las mismas enzimas en las aves.  Esto significa que las enzimas deberán de sobrevivir  o sobrepasar el estrés térmico del proceso en la elaboración de alimentos, actuar bajo las condiciones rigurosas del tracto gastrointestinal, y que sean fácil de analizar en pre-mezclas, harinas y alimentos peletizados para propósitos de control de calidad.  Se han ofrecido varias soluciones, que van de verdad desde enzimas termoestables sin susceptibilidad a problemas asociados con pruebas, a usar enzimas recubiertas ó enzimas de aplicación líquida post-pelet.  Las enzimas termoestables de forma intrínseca son claramente la mejor solución, considerando los compromisos derivados de la utilización de productos recubiertos ó productos de aplicación post-pelet que varían con cada producto.


Conclusiones.

 

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Esta ponencia se presentará en el "XXII Congreso Nacional de Avicultura" Panamá 2010: CLICK AQUI