Для быстрого роста сельскохозяйственных животных нужно сбалансированно обеспечивать их всеми необходимыми питательными веществами. В отличие от крупного рогатого скота, желудок цыплят-бройлеров, индюшек, свиней, кроликов однокамерный и не приспособлен переваривать сложные некрахмальные полисахариды, присутствующие в составе кормов на основе зерновых и бобовых. Кроме того, эти животные не способны извлекать природный фосфор, который присутствует в растительном сырье в виде фитатов, поэтому им требуются дорогостоящие препараты с неорганическим фосфором.

Обе эти проблемы позволяет решить добавление специальных ферментов. Исследователям ФИЦ Биотехнологии РАН удалось создать новые штаммы микроорганизмов для получения высокоэффективных ферментных препаратов, расщепляющих некрахмальные полисахариды и фитин. Была разработана, запатентована и внедрена промышленная технология производства этих ферментных препаратов. Разработка ведется в рамках федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019–2027 годы. Исследование поддержано национальным проектом «Наука и университеты».

В клеточной стенке растений содержатся молекулы, относящиеся к некрахмальным полисахаридам, в основном целлюлоза и гемицеллюлозы. Содержание таких соединений в сухой массе зерен пшеницы, ржи, рапса, ячменя, кукурузы, овса, семенах гороха, сои, подсолнечника и других культур, которые часто идут на корм скоту и птице, достигает 5–12 % от сухой массы. Поросятам и птице, желудки которых не оснащены дополнительными отделами, как у коров или овец, трудно переварить некрахмальные полисахариды, которые присутствуют в составе кормов на основе зерновых и бобовых, что затрудняет усвоение крахмала, белков и жиров – основных питательных компонентов кормов. Из-за этого кормовая масса застаивается в кишечнике животных, травмирует слизистую, мешает всасыванию полезных веществ и становится средой для развития патогенных микроорганизмов.

Кроме того, в семенах злаков, бобовых и масличных культур 60–80 % необходимого для роста и развития костей фосфора содержится в форме фитатов, однако, в силу строения пищеварительной системы, животные не могут получить ценный макроэлемент. Фосфор входит в состав множества необходимых организму соединений, однако в первую очередь он важен для формирования костей. Это важно при росте у молодняка, особенно у цыплят-бройлеров и поросят, которые ускоренно набирают мышечную массу. Если они не будут получать этот биологически значимый элемент с пищей, их скелет может деформироваться.

Обе эти проблемы позволяет решить добавление специальных ферментов, которые с одной стороны, расщепляют некрахмальные полисахариды и увеличивают доступность питательных веществ корма, а с другой – отщепляют фосфор от молекул фитатов. Ученые ФИЦ Биотехнологии РАН придумали, как расщепить фитаты и некрахмальные полисахариды до веществ, полезных организму животных.

«В некоторых продуктах переработки зерновых – например, отрубях, – содержание некрахмальных полисахаридов может превышать 20%. Эти вещества делают кормовую массу желеобразной, из-за чего она застаивается в кишечнике, мешая пищеварению поросят и птицы. Более того, вместе с избытком сырой непереваренной клетчатки из кишечника удаляются полезные бактерии. Мы искали способы расщепить такие полисахариды на компоненты, которые станут пребиотиками – питательной средой для полезной микрофлоры кишечника, – а также извлечь из фитатов столь нужный организму фосфор», – рассказал о своей работе доктор химических наук, профессор Аркадий Синицын, заведующий лабораторией биотехнологии ферментов ФИЦ Биотехнологии РАН.

То, из чего не могут извлечь питательные вещества человек или сельскохозяйственные животные, часто используют как пищу различные микроорганизмы. Находятся даже те, которые разлагают пластик и нефть или разрушают камни. Многие микроорганизмы в природе выполняют роль разрушителей и получают питание, разлагая растительные остатки. Все это они делают при помощи широкого арсенала ферментов – соединений, ускоряющих химические реакции. Так, плесневый гриб аспергилл черный (Aspergillus niger) отлично разрушает фитаты из растительного сырья благодаря ферменту фитазе. Разные виды некрахмальных полисахаридов отлично получается перерабатывать у других плесневых грибов – представителей рода, из которого когда-то Александр Флеминг выделил первый антибиотик – пенициллин. Penicillium canescens производит фермент эндо-1,4-β-ксиланаза, а гриб Penicillium verruculosum – комплекс ферментов карбогидраз – целлюлаз и гемицеллюлаз.

Биотехнологи взяли за основу штамм Penicillium verruculosum и передали ему гены от аспергилла, кодирующий высокоактивную фитазу, и гены, кодирующие эндо-1,4-β-ксиланазу, от Penicillium canescens. В итоге получился новый штамм P.verruculosum PhyXyl-41 – (ВКМ-4896D), который в большой концентрации вырабатывает все три вида высокоактивных ферментов, а также прекрасно растет и размножается как в лабораторных условиях, так и на биотехнологическом производстве. Этот комплекс ферментов можно выделять и добавлять в корма для животных, причем достаточно 50 граммов на 1 тонну корма для расщепления некрахмальных полисахаридов и переработки фитатов. Новая разработка, защищенная Заявкой на патент под номером 2023107126, поможет животным получить максимум питательных веществ для роста и больше фосфора для развития костей из кормов на основе зерновых или бобовых.

«Применение ферментных препаратов снижает вязкость кормовых масс, или химуса, в верхнем отделе кишечника, что позволяет животным лучше переваривать белки и жиры, быстрее усваивать компоненты кормов. А расщепление фитатов, обычно недоступное организму сельскохозяйственных животных, помогает решить проблему нехватки фосфора в кормах, из-за которой в рацион животных требуется добавлять дорогостоящие препараты», – заключает Аркадий Синицын.

Источник: ФИЦ Биотехнологии РАН.