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Cuban Journal of Agricultural Science

Print version ISSN 0864-0408On-line version ISSN 2079-3480

Cuban J. Agric. Sci. vol.53 no.4 Mayabeque Oct.-Dec. 2019  Epub Dec 05, 2019

 

ARTÍCULO DE REVISIÓN

Los aditivos enzimáticos, su aplicación en la crianza animal

Aymara L. Valdivia1  * 

Madyu M. Matos1 

Zoraya Rodríguez2 

Y. Pérez1 

Yasmary Rubio1 

J. Vega3 

1Centro de Estudios Biotecnológicos, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad de Matanzas. Autopista Varadero km 3 ½, Matanzas, Cuba.

2Departamento de Fisiología y Bioquímica, Instituto de Ciencia Animal. Apartado Postal 24, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

3Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad de Matanzas. Cuba.

RESUMEN

La producción animal en los últimos años ha estado marcada por el incremento de los precios de las materias primas que se emplean en la alimentación. Para enfrentar esta situación, el reto está en lograr mejor aprovechamiento de las dietas que se suministran a los animales. Con este propósito, entre las estrategias más usadas en el mundo se encuentra el empleo de aditivos enzimáticos, que se obtienen por fermentación sumergida o por fermentación en fase sólida, a partir de bacterias u hongos. Entre las enzimas hidrolíticas que se utilizan en la suplementación de las especies monogástricas, se destacan las que participan en la degradación de los factores antinutricionales, como los polisacáridos no amiláceos (PNA). Su empleo incrementa la digestibilidad de los alimentos, mejora su calidad y aprovechamiento, y favorece la degradación de compuestos que interfieren en la digestión y utilización de nutrientes. La aplicación de estos productos tiene repercusión positiva en los indicadores productivos y de salud en aves y cerdos, pero la efectividad de su uso depende, entre otros factores, de la composición y calidad de la dieta Este artículo tiene como objetivo proveer información científica actualizada sobre la obtención de las enzimas hidrolíticas y su uso en la alimentación de las especies monogástricas.

Palabras clave: alimentación animal; enzimas hidrolíticas; polisacáridos no amiláceos

INTRODUCCIÓN

En la crianza animal, la alimentación constituye una de las actividades más importantes y costosas. Este hecho posee relevancia especial, si se tiene en cuenta el incremento en los últimos años, del precio de las materias primas usadas para este propósito. Por estas razones, la búsqueda de alternativas que permitan la incorporación de nuevos subproductos así como el aprovechamiento eficiente del valor nutricional de los alimentos que se emplean, representa una prioridad para la ciencia animal.

El uso de aditivos zootécnicos es una de las estrategias empleadas para mejorar el rendimiento productivo de los animales y disminuir los costos de producción (Carro et al., 2006). En esta categoría se incluyen los probióticos, los prebióticos, los extractos vegetales y los preparados enzimáticos. El empleo de este último grupo en dietas convencionales y alternativas en diferentes especies, permite mejorar los indicadores productivos y la salud de los animales que se suplementan (Ferreira et al. ,2016 y Yamabhai et al., 2016).

Este artículo tiene como objetivo proveer información científica actualizada sobre la obtención de las enzimas hidrolíticas y su uso en la alimentación de las especies monogástricas.

ADITIVOS ENZIMÁTICOS

Las enzimas son proteínas con actividad catalítica que poseen extraordinaria eficiencia y especificidad, cuya función es catalizar las reacciones químicas que ocurren en las células vivas (Garg 2016). El incremento de las investigaciones relacionadas con la tecnología enzimática permite que las aplicaciones de estas proteínas se extiendan a diferentes campos como las industrias productoras de etanol, detergentes, papel, entre otros productos, así como en la alimentación animal.

Se consideran enzimas exógenas aquellas que no pertenecen al sistema digestivo de los animales, por lo que deben ser incorporadas a las dietas (Rojo et al., 2007). El uso de estas proteínas en la alimentación animal se informó por primera vez en 1925 (Bedford 2018). Durante la década del 50, se realizaron estudios encaminados a evaluar la adición de las mismas a raciones para las aves. Los resultados que se alcanzaron fueron variables y, generalmente, con escasa respuesta productiva (Brenes 1992).

En los años 80, se inició el uso de estos aditivos en la alimentación animal. Los países pioneros en su aplicación fueron los escandinavos, Gran Bretaña, Canadá y de forma muy particular, España (Brufau 2014). Estas proteínas se usaron inicialmente en países productores de trigo y cebada, actualmente su aplicación se extiende a otros granos, como el maíz, la soya y el sorgo. Los beneficios del empleo de esta tecnología en las dietas animales se asocian con la mejora del rendimiento y la disminución de los costos de crianza (Souza et al., 2014).

En las últimas décadas, el uso de las enzimas se amplió, de manera que 200 millones de toneladas de alimentos para cerdos y aves se suplementan con estos productos (Graham y Bedford 2007). Para el año 2019, se estima que el valor del mercado de enzimas para la producción animal alcanzará los 1280 millones de dólares, con tasa de crecimiento del 7.6% para el período entre 2014-2019 (Brufau 2014).

Los aditivos enzimáticos pueden ejercer sus efectos a través de acciones directas en los alimentos, antes de que sean consumidos o a partir de modificaciones de los procesos digestivos de los animales en los que se aplican (Carro et al., 2006). Generalmente, su empleo está encaminado a la solución de dos problemas fundamentales: mejorar la disponibilidad de polisacáridos, lípidos y proteínas, los cuales se encuentran protegidos de las enzimas digestivas por estructuras impermeables de la pared celular de las plantas, y degradar materiales que interfieren en la digestión, absorción y utilización de nutrientes (McDonald et al. 2010).

Su aplicación facilita la mejor utilización de los nutrientes en el pienso y hace posible el uso de ingredientes de menor calidad, materias primas alternativas y subproductos. También se emplean con la finalidad de mejorar la digestibilidad total de las dietas, aumentar la digestibilidad de determinados nutrientes, complementar la actividad de las enzimas endógenas producidas por el animal, especialmente en cerdos y aves jóvenes, así como reducir la excreción de ciertos compuestos como el fósforo y el nitrógeno (Cortés et al. 2002, Carro et al., 2006 y Fernández y González 2011).

En este análisis se debe tener en cuenta que los procesos digestivos en los animales no son completamente eficientes. Los cerdos y las aves no pueden digerir del 15 - 25% del alimento que consumen, ya que este contiene factores antinutricionales indigestibles, que interfieren en los procesos digestivos. Además, los animales no poseen enzimas específicas que rompan ciertos componentes de los alimentos (Bedford y Partridge 2010).

FACTORES ANTINUTRICIONALES

Polisacáridos no amiláceos (PNA). Los PNA constituyen los principales componentes de las paredes de las células vegetales. Entre ellos se incluyen la celulosa, las hemicelulosas, las pectinas, β-glucanos y otros polisacáridos (Gray, 2006). Los arabinoxilanos son los PNA mayoritarios en el trigo, el centeno y el triticale, mientras que los β-glucanos son los más abundantes en la cebada y la avena. En otros ingredientes del pienso, como la soya, el girasol o la colza, aparecen, en menor cantidad, pero con marcado efecto antinutricional, otros tipos de PNA como los β-galactósidos y los β-galactomananos (Fernández y González, 2011).

Los PNA se clasifican en solubles e insolubles (Lata 2011). Estos compuestos constituyen una barrera para la acción de las enzimas hidrolíticas, al retener el resto de los nutrientes en las células del endospermo (Willians et al., 1997). Además, su presencia se relaciona con incremento de la viscosidad de la digesta, menor digestibilidad de las grasas, las proteínas y los carbohidratos y disminución de la actividad de las enzimas endógenas, al provocar reducción del contacto entre estas proteínas y los nutrientes (Nikam et al., 2017).

El exceso de estos compuestos en la dieta puede causar cambios en la microflora del tracto gastrointestinal. En aves alimentadas con altos contenidos de estas macromoléculas, se observó gran cantidad de bacterias anaerobias, lo que puede estar asociado al aumento de la viscosidad intestinal (Dudley-Cash 2014).

La inclusión de alimentos ricos en PNA en dietas para pollos de engorde puede ocasionar menor rendimiento en los indicadores productivos de los animales (Alba 2013). En el caso de los cerdos, se conoce que el empleo de dietas en las que se utilizan subproductos del trigo, con altos niveles de estos polisacáridos reduce la digestibilidad de los nutrientes (Nortey et al. 2007).

García (2000) analizó la efectividad de varios métodos aplicados, con la finalidad de incrementar el valor nutritivo de los cereales ricos en PNA. Este autor recomendó como la posibilidad más extendida en la práctica, por su eficacia y facilidad, la adición de enzimas de origen microbiano con actividad β-glucanásica y xilanásica, que permiten la ruptura de β-glucanos y xilanos, respectivamente, y evitan los inconvenientes que se derivan de la presencia de dichos compuestos.

Ácido fítico y fitatos. El ácido fítico es la principal forma en la que se almacena el fósforo en las plantas. Está ampliamente distribuido en los cereales, granos de leguminosas y semillas. También se encuentra en el polen, en las raíces, tallos y hojas de las plantas (Shanmugam 2018). Representa más del 70% del contenido de fósforo en los cereales, principalmente en maíz y trigo, materias primas esenciales en la alimentación animal. Debido a que el ácido fítico es inestable en su forma ácida, se encuentra principalmente como fitatos. De esta manera forma complejos, asociado con cationes de metales divalentes y con algunas proteínas y aminoácidos (Humer et al., 2015). Los fitatos constituyen factores antinutricionales, debido a que son sales insolubles, cargadas negativamente, que limitan la disponibilidad de fósforo, minerales y proteínas, que no se pueden absorber en el tracto gastrointestinal de los monogástricos por los bajos niveles de fitasas endógenas (Chen et al. 2015 e Ingelmann et al. 2019).

Soto (2015) considera que los fitatos pueden reducir la activación de la enzima pepsina del estómago, responsable de la digestión de las proteínas, y pueden afectar negativamente el mecanismo por el cual los aminoácidos se absorben desde el intestino delgado.

La aplicación de las enzimas fitasas en la alimentación permite eliminar los efectos antinutricionales de los fitatos e incrementa los resultados productivos de las aves. Teniendo en cuenta que las enzimas son productos naturales, biodegradables, y no tóxicos, su empleo en la nutrición de las especies monogástricas constituye una de las alternativas más promisorias para disminuir los efectos negativos de los factores antinutricionales en la crianza animal.

FUENTES DE OBTENCIÓN DE LAS ENZIMAS

La mayoría de las enzimas utilizadas en la alimentación y el procesamiento de alimentos son de origen microbiano. Estas proteínas se producen, generalmente, a partir de bacterias (Bacillus subtilis, Bacillus lentus, Bacillus amyloliquefaciens y Bacillus stearothermophilus), hongos (Triochoderma longibrachiatum, Asperigillu oryzae y Asperigillus niger) y levaduras, como Sacchoromyces cerevisiae (Khattak et al. 2006). Los hongos filamentosos, específicamente los géneros Aspergillus y Trichoderma, se han utilizado ampliamente, debido a su capacidad de secretar enzimas xilanolíticas al medio de cultivo (Fadel et al. 2014).

Otros autores recomiendan la utilización de cultivos bacterianos con estos fines, y señalan que entre los factores más importantes a tener en cuenta para esta elección se encuentran la baja demanda de nutrientes de estos microorganismos para su crecimiento y sus posibilidades de desarrollo en ambientes variados. Destacan además, su capacidad para producir enzimas estables en condiciones extremas de temperatura y pH, que se podrían mantener en procesos de bioconversión, así como para incrementar las tasas de actividad enzimática, fermentación y recuperación de productos (Maki et al., 2009 y Chakdar et al. 2016).

Entre los géneros más utilizados con este propósito se encuentra Bacillus, distribuido en diversos hábitats, y que puede sobrevivir en condiciones adversas, debido a la producción de endosporas (Kim et al. 2017). Específicamente, Bacillus subtilis es una bacteria abundante, estable, que no se considera patógena y que muestra características potenciales para su utilización en la elaboración de aditivos zootécnicos (Milián et al., 2014, Cheng et al. 2016 y Milián et al. 2017). Posee excelente capacidad fermentadora y ofrece la ventaja de secretar gran cantidad de enzimas al medio de cultivo (Meima et al., 2004), como proteasas (Akcan y Uyar 2011), amilasas (Maity et al. 2015), mananasas (Pangsri y Pangsri 2017) y xilanasas (Sugumaran et al. 2013 y Ho 2015).

Los procesos actuales para la producción de enzimas se basan en la utilización de microorganismos modificados genéticamente. Esta metodología incrementa la capacidad productiva de la propia unidad de fermentación y evita la presencia de actividades indeseables (Brufau 2014 y Garg 2016).

La mayoría de las enzimas industriales que se comercializan se producen por fermentación sumergida. Sin embargo, la fermentación en fase sólida mejora los rendimientos, facilita la separación de los productos obtenidos y disminuye los costos de producción, al utilizar materiales de desechos agrícolas para la obtención de las enzimas deseadas (Zhang et al., 2012 y Fadel et al. 2014).

El empleo de estos subproductos contribuye a solucionar uno de los problemas principales de la sociedad actual, la generación de grandes volúmenes de residuos, con el consiguiente riesgo para el medio ambiente y la salud pública (Serrano 2015). En la tabla 1 se muestran ejemplos de la producción de enzimas con potencialidades para su aplicación en la alimentación animal mediante el empleo de la fermentación en fase sólida y la utilización de diferentes subproductos.

Table 1 Microbial production of enzymes through solid phase fermentation  

Enzymes Microorganisms Substrata Author
Lignin peroxidase and β-Glycosidase Bacillus subtilis Brevibacillus sp. Sawdust (Kamsani et al. 2016)
Xylanase Bacillus subtilis Wheat bran ( Ho et al. 2015)
Xylanase Bacillus subtilis Corn (Helianti et al. 2016)
Xylanase Bacillus mojavensis Corn meal ( Kallel et al. 2016)
Xylanase and β-mannanase Penicilium chysogenum Mixture of corn and wheat bran residues (Zhang and Qing, 2015)
β- Mannanase Bacillus subtilis Torta de harina de palma (Siti-Noritaac et al. 2015)
Xylanase Bacillus megaterium Salvado de trigo (Phadke and Momin 2015)
Proteases Bacillus licheniformis Afrecho de trigo (Pouryafar et al. 2015)

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA EFECTIVIDAD DE LOS PREPARADOS ENZIMÁTICOS

La efectividad de la suplementación enzimática en la nutrición animal depende de diversos factores relacionados con las características propias de las enzimas y de los animales en los que se aplican. La fuente de donde se obtienen estas proteínas, la dosis aplicada, las actividades colaterales de otras enzimas presentes, la composición de la dieta, la edad, la salud y la productividad de los animales que se suplementen pueden limitar el éxito del tratamiento empleado (Bedford y Cowieson 2012, Salem et al. 2013). A continuación se expone brevemente la influencia de algunos de estos factores.

Especie animal. Los aditivos enzimáticos se utilizan en mayor cuantía en las especies monogástricas, fundamentalmente en cerdos y aves. Las características del tracto gastrointestinal de las aves contribuyen a una respuesta más uniforme, en comparación con los cerdos. La presencia del buche les proporciona que las enzimas comiencen a actuar sobre los sustratos presentes en el pienso, antes de llegar al estómago. Durante el período de almacenamiento del alimento en este órgano, el pH es de 6.3, valor favorable para la actuación de la mayoría de estas enzimas. En los cerdos, el alimento se retiene durante un largo período en el estómago, con valores de pH más ácido que en las aves, lo que podría provocar la inactivación de las enzimas empleadas. Otro aspecto a considerar es que las aves poseen menor capacidad para fermentar la fibra que los porcinos (Graham et al. 1988 y McDonald et al. 2010).

En los rumiantes, el uso de las enzimas en sus dietas estuvo limitado en el pasado, ya que se asumió que pueden ser inactivadas durante la actividad proteolítica del rumen. Sin embargo, durante la década pasada se demostró que las preparaciones enzimáticas pueden ser efectivas para mejorar la lactación y el crecimiento en el ganado vacuno (Plumstead 2013).

Edad de los animales. El suplemento de enzimas exógenas con el alimento es más exitoso en los animales jóvenes. Estas categorías se caracterizan por poseer menor capacidad digestiva y, por lo general, no tienen desarrollado completamente su sistema de enzimas. Estudios en cerdos y aves demostraron que los beneficios de la suplementación enzimática de las dietas disminuyen con el incremento de la edad (Ravindran 2010).

Composición y calidad de la dieta. El uso apropiado de las enzimas en la alimentación animal requiere de la elección cuidadosa de los ingredientes de las dietas para obtener beneficios económicos (Asmare 2014). La respuesta de los animales depende de la calidad de estos ingredientes. A menor calidad, mayor será la magnitud de las mejoras obtenidas por la suplementación enzimática (Ravindran 2010). En este caso, la calidad de la dieta depende en gran medida de su contenido de factores antinutricionales. La efectividad está relacionada también con el cereal empleado, el cultivar y nivel utilizado (Brenes 1992). Este hecho está vinculado con la especificidad de las enzimas y su afinidad por determinados sustratos.

La elección del preparado enzimático utilizado se debe realizar al considerar la naturaleza del sustrato que se degradará (Brenes, 1992). Por ejemplo, el trigo contiene arabinoxilanos que limitan la digestibilidad de sus nutrientes. Se demostró experimentalmente que esta dificultad puede disminuir con la adición de xilanasas en la dieta de las aves alimentadas con este cereal (Nortey et al. 2007).

En las especies monogástricas, también se debe considerar que en su alimentación se emplean varios ingredientes con diferentes estructuras químicas, por lo que se recomienda emplear una combinación de varias enzimas para lograr mejores resultados (Duran 1992 y Dudley-Cash 2014).

EFECTOS DE LOS ADITIVOS ENZIMÁTICOS EN LA PRODUCTIVIDAD Y LA SALUD ANIMAL.

La inclusión de fitasas, carbohidrasas y proteasas en la dietas de monogástricos ha generado gran interés en los últimos años. El suplemento con estas enzimas repercutió positivamente en los indicadores productivos de estas especies animales (Asmare 2014).

Las fitasas permiten degradar el fitato de las plantas que se usan como ingredientes en la alimentación animal (Graham y Bedford, 2007). Su uso en aves y cerdos provocó aumentos en la disponibilidad de fósforo, entre 20 y 45 % (Ravindran 2010). Incrementó la utilización de la energía y la disponibilidad de los aminoácidos en la dieta, lo que mejoró indicadores como la conversión y la producción de carne y huevos (Bedford y Partridge 2010). La incorporación de estas enzimas en las dietas de las aves contribuye a preservar el medio ambiente y prevenir la contaminación mediante la disminución de la excreción de fósforo en las heces fecales (Selle y Ravindran 2007).

Las enzimas ß-mananasas hidrolizan los mananos en oligosacáridos, compuestos que tienen interés prebiótico (Yamabhai et al. 2016 y Zuluaga et al. 2017). Sus efectos como promotores de la salud y el crecimiento animal se comprobaron en diferentes especies animales, como pavos, pollos y bovinos (Yamabhai et al. 2016 y Seo et al. 2016).

La adición de esta enzima a dietas para pollos provocó disminución en la ingestión de alimentos, que se puede atribuir a la mejora de la absorción de nutrientes relacionada con el decrecimiento de la viscosidad de la digesta y al incremento de la altura de las vellosidades en el duodeno. Este último factor indica que la absorción de nutrientes fue máxima en este órgano. También se comprobó que la suplementación con esta proteína mejoró la ganancia de peso y la conversión alimentaria (Imran et al. 2014). Además, Rehman et al. (2016) recomiendan valorar su empleo en esta especie animal, cuando se utilicen dietas con baja energía.

La aplicación de los aditivos enzimáticos también provoca cambios en la microbiota intestinal, que pueden repercutir beneficiosamente en la salud de los animales que los consumen. Entre los mecanismos que intervienen se describe el incremento de los nutrientes liberados del hospedero, la formación de oligosacáridos fermentables, como resultado de la despolimerización de la fibra insoluble y la aceleración de la digestión que produce rápido movimiento de los carbohidratos fermentables y las proteínas (Bedford y Cowieson 2012).

En el caso de los rumiantes, los aditivos enzimáticos se han empleado para mejorar la eficiencia en la utilización de los alimentos y reducir la producción de desechos en los sistemas de producción animal (González 2004). La introducción de estas proteínas es una de las estrategias que se utilizan para incrementar la tasa de digestión del almidón y el valor energético de los granos en estas especies animales (Plata et al. 2004).

La adición de xilanasa a las dietas de poligástricos mejora la digestión de los alimentos derivados de las plantas y produce compuestos que poseen valor nutricional para la flora ruminal (Garg et al. 2010). La aplicación de esta enzima a forrajes, combinada con la celulasas, incrementó la calidad del ensilaje y, consecuentemente, el rango de digestión de la pared celular por los rumiantes (Garg 2016).

Las mezclas de enzimas, como amilasas y celulasas, que mejoran la digestibilidad de las paredes celulares de las plantas y/o del almidón, puede aumentar la productividad del ganado bovino (Rojo et al. 2001 y Gutiérrez et al. 2005). Otros efectos de la suplementación de enzimas en diferentes especies animales se presentan en la tabla 2.

Table 2 Effect of enzymatic supplementation in different animal species 

Enzymes Species Effect Author
β-mannanase Poultry Increase of the daily mean gain and improvement of conversion (Ferreira et al. 2016)
β-mannanase y β-glucanase Poultry Favorable morphological changes in the small intestine (Karimi and Zhandi 2015)
Cellulase and xylanase Goats Increase of milk production and weight gain (Trejo et al. 2017)
Enzymatic additive with xylanase, glucanase and mannanase activity Poultry Health improvement, attenuation of growth retardation of poultry, challenged with Clostridium perfringens (Sun et al. 2015)
β-mannanase Red tilapia Growth improvements (Siti-Noritaac et al. 2015)
β-mannanase Bovines Increase of growth and feed efficiency (Seo et al. 2016)
β-mannanase Growing pigs Reduction of the number of fecal coliforms and tendency to decrease the emission of ammonia from feces. (Upadhaya et al. 2016)
Combination of xylanase, ß-D-glucanases, cellulases, mannanases and peptinases Poultry Increase of yield, better food intake and food conversion improvement (Nikam et al. 2017)

Se considera que el uso de los aditivos enzimáticos en la nutrición animal es una opción prometedora desde el punto de vista económico, ambiental y de sostenibilidad (Asmare 2014). Además, esta práctica ofrece nuevas oportunidades en el mercado para cultivos como la canola, el girasol y el algodón, al favorecer que se aprovechen las propiedades nutricionales de estas fuentes alternativas (Souza et al. 2014).

CONSIDERACIONES GENERALES

La obtención de enzimas a partir de microorganismos, con el empleo de subproductos agroindustriales como sustratos, es una estrategia que permite disminuir los costos de producción de estos aditivos. Además, propicia la utilización adecuada de materiales de desecho que, en muchas ocasiones, contribuyen a la contaminación del medio ambiente.

Los aditivos enzimáticos se emplean en la nutrición de monogástricos, especialmente en aves y cerdos. Su utilización permite incrementar el uso de materias primas, en muchos casos de bajo costo, en las dietas suministradas.

Aunque numerosas investigaciones avalan los resultados positivos de la aplicación de estos aditivos en el incremento de la digestibilidad de los nutrientes y el mejoramiento de los indicadores productivos de los animales suplementados, existe gran variabilidad en los mismos. Esto puede estar relacionado con la diversidad de factores que intervienen en su efectividad, entre los que se destacan los propios de las enzimas en cuestión (su estabilidad y especificidad de acción entre otros), los relacionados con los animales en los que se utilizan (especie, edad y morfofisiología del tracto gastrointestinal) y las características de las dietas que se suplementan.

CONCLUSIONES

El empleo de aditivos enzimáticos en la nutrición animal constituye una alternativa sostenible para incrementar el aprovechamiento de los nutrientes empleados, mejorar indicadores productivos durante la crianza, y facilitar la incorporación de nuevas fuentes alternativas a las raciones destinadas a los animales.

REFERENCES

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Recibido: 10 de Enero de 2019; Aprobado: 23 de Abril de 2019

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