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Effect of enzyme type and cereal source

CTCBIO 2021. 7. 5. 13:16

 

 

Systematic review and meta-analysis of the effect of feed enzymes on growth and nutrient digestibility in grow-finisher pigs: Effect of enzyme type and cereal source

 

 

 

December 2018  Animal Feed Science and Technology 251
DOI:10.1016/j.anifeedsci.2018.12.007
Authors:
Alberto Torres-Pitarch at TEAGASC - The Agriculture and Food Development Authority
Edgar Garcia Manzanilla at TEAGASC - The Agriculture and Food Development Authority
Gillian E Gardiner at Waterford Institute of Technology
John O'Doherty at University College Dublin

 

 

 

Abstract

  • Enzymes 은 영양소 소화율을 높이고 사료 효율을 개선 목적
  • 사료 원료의 구성요소에 적합한 효소제 적용이 일관적인 효과 및 효능에 가장 중요하다
  • Systematic review 및 meta-analysis를 통해 다양한 종류의 diet type에서 가장 일관적인 성장, 영양소 소화율 및 사료 효율에 효과적인 Enzymes을 결정
  • Enzyme 첨가로 평균일일증체량(ADG), 평균일일사료섭취량(ADFI), 사료효율(G:F), 그리고 dry matter(DM), crude protein(CP) 및 gross energy(GE)의 apparent ileal digestibility(AiD) 및 apparent total tract digestibility(ATTD)에 미치는 효과를 meta-analysis를 통해 크기 추정치로 분석
  • Xylanase 단일 사용으로 옥수수(P<0.05) 및 옥수수 혼합(P<0.05) 사료에서 ADG가 향상되었으나, grow-finisher 구간의 G:F에는 영향을 미치지 않았다.
  • Xylanase + β-glucanase 는 ADG, ADFI 및 G:F에 영향을 미치지 않았다.
  • Protease 첨가는 grow-finisher 구간에서는 ADG가 개선(P=0.08)되었으나, G:F에는 영향을 미치지 않았다.
  • Multi-enzyme complexes의 사용은 옥수수, 밀, 보리 및 부산물 기반 사료에서 ADG(P<0.05) 및 G : F (P<0.01)를 개선했다.
  • Mannanase와 multi-enzyme complex의 보충은 가장 일관되게 성장 및 사료 효율성을 향상시켰다




Introduction

  • 영양소 소화율과 사료 효율은 Enzymes을 보충함으로써 증가시킬 수 있다(Bedford and Schulze, 1998; Kiarie et al., 2013).
  • Feed enzymes은 기질 특이성(substrate-specific)을 가지고 있다.
  • Feed enzymes은 사료 성분, feed ingredients의 소화 불가능한 특정 화학 결합을 표적으로 소화할 수 있는 기질로 전환한다(Adeola and Cowieson, 2011).




Introduction - Phytase

  • Phytase는 가장 널리 사용되는 사료 효소이다.
  • Phytase는 식물 물질에 자연적으로 존재하는 식물성 P을 분해하여 P의 소화율을 높이고 사료내 값 비싼 inorganic P의 사용 필요성을 줄인다 (Campbell and Bedford, 1992; Dersjant-Li et al., 2015; Humer et al., 2015).
  • Phytase 다음으로, carbohydrases과 proteases의 두가지 그룹은 가장 일반적으로 사용되는 효소 그룹이다(Adeola and Cowieson, 2011; Cowieson and Roos, 2016).

 

 

Introduction - NSP

  • 사료에 carbohydrases(xylanase, β-glucanase, β-mannanase, α-galactosidase, cellulase, amylase) 첨가는 arabinoxylans, glucans, mannans 및 galactans등의 non-starch polysaccharide (NSP) 분획에 존재하는 기질의 소화율을 증가시킬 수 있다(Bedford and Schulze, 1998; Masey O'Neill et al., 2014).
  • 식물성 원료의 사료에는 돼지의 endogenous enzymes에 잘 소화되지 않는 NSP가 풍부하며, NSP의 양과 유형은 식물 종에 따라 다르다(McDonald et al., 1999; Högberg and Lindberg, 2006).

 

 

Introduction - Protease

 

  • Protease는 아미노산의 소화율을 향상시킬 수 있으며, 복합과 단일제로 테스트 되었다(Cowieson and Roos, 2016).
    그러나 식이 효소 보충에 대한 in-vivo 반응은 grow-finisher 구간에서 일관되지 않았다.
  • 일부 연구에서 영양소 소화율과 성장이 증가하고 사료 효율이 개선되었다(Barrera et al., 2004; Woyengo et al., 2008; Emiola et al., 2009; Ndou et al., 2015; Upadhaya et al., 2016a), 하지만 다른 연구에서는 유익한 효과는 발견되지 않았다(Cervantes et al., 2001; Willamil et al., 2012).

 

 

Material and methods

 

  • 검색어 : xylanase, β-glucanase, α-amylase, mannanase, α-galactosidase, cellulase and protease
  • 키워드 : "name of the enzyme", "growth"및 "pig" 
  • 1987년 이후의 자료중 영어로 작성되지 않은 자료는 제외
  • 조사 항목 : 평균일일증체량(ADG, g/일), 평균일일사료섭취량(ADFI, g/일), 사료 전환 효율(G:F)

 


Results - Systematic review

 

  • Table 1. 에는 변수 및 효소유형의 관한 연구 논문 자료 정리
  • Table 2. 에는 실험에 사용된 사료 성분의 비율 정리
  • 총 120건의 논문중 38건은 긍정적인 효과가 발견되었고 78건은 개선되지 않았고 4건은 G:F에 부정적인 영향을 미쳤다 (Fig 1. & Fig 2).
  • Table 3. 에는 다양한 효소 조합을 포함하는 enzyme complexes 효과 정리




 

 





Fig 1. Forest plots showing mean difference effect of xylanase(X), xylanase and β-glucanase, mannanase and protease supplementation on ADG, ADFI, G:F, ATTD of GE and CP, and apparent ileal digestibility of GE and CP.
M=maize, W=wheat, B=Barley, CO-P=co-products.
Green dot() indicates significantly increased, red dot() indicates significantly reduced, black dot(●) indicates not significant, straight horizontal lines indicate the confidence interval 






Fig 2. Forest plots showing mean difference effect and confidence interval of multi-enzyme complex supplementation on  ADG, ADFI, G:F, ATTD of GE and CP, and apparent ileal digestibility of gross energy and GE.
M=maize, W=wheat, B=Barley, CO-P=co-products.
Green dot() indicates significantly increased, red dot() indicates significantly reduced, black dot(●) indicates not significant, straight horizontal lines indicate the confidence interval 

 

 

 

 

 

Effect of feed enzymes on growth, feed intake and feed efficiency

 

  • 총 120건의 논문에서 38건의 자료에서 긍정적인 효과를 발견했고 78건은 개선되지 않았고 4건 G:F에 부정적인 영향을 미쳤다 (Fig. 1, Fig. 2).
  • Table 4.에서 효소에 대한 ADG, ADFI 및 G:F에 대한 MD 추정 효과를 요약.
  • ADG는 mannanase, protease 및 multi-enzyme complex 에서 개선
  • G:F는 mannanase 및 multi-enzyme complex 에서 개선
  • xylanase 는 옥수수 및 부산물 배합비에서 ADG를 개선했으며
  • multi-enzyme complexes 는 옥수수, 밀, 보리 및 부산물 기반 배합비에서 ADG 및 G:F를 개선.

 

 

 

 

Effect of feed enzymes on ATTD digestibility

 

  • Table 5.는 DM, CP 및 GE의 ATTD에 대한 MD추정효과 요약.
  • DM의 ATTD는 xylanase, xylanase + β-glucanase, mannanase 및 protease 에서 개선
  • CP와 GE의 ATTD는 xylanase, xylanase + β-glucanase, mannanase 및 protease 에서 개선.
  • 각 효소의 효능은 배합비에 사용된 곡물에 따라 달랐다.
  • 예를 들어, DM, CP 및 GE의 ATTD는 옥수수 및 밀 기반 배합비에서 multi-enzyme complex 로 개선되었지만 보리, 호밀, 수수  등의 기반 배합사료의 경우에는 개선되지 않았다.

 

 

 

 

Effect of feed enzymes on AiD digestibility

 

  • Table 6.은 DM, CP 및 GE의 AiD에 대한 MD 추정 효과를 요약.
  • DM의 AiD는 mannanase, protease 및 multi-enzyme complex 에 의해 개선.
  • CP의 AiD는 protease를 보충했을 때만 개선되었고, GE의 AiD는 xylanase, xylanase + β-glucanase, protease 보충으로 개선.
  • 각 효소의 효능은 배합비에 사용된 곡물에 따라 달랐다.
  • 예를 들어, xylanase는 밀 기반 배합사료에서 DM의 AiD를 개선했지만 옥수수 또는 호밀 기반 배합사료에서는 그렇지 않았다.

 

 

 

Discussion

 

  • NSP 분해 효소(xylanase, xylanase + β-glucanase and mannanase) 및 multi-enzyme complex 연구의 수는 protease 연구 수보다 많다.
  • 연구된 변수와 관련하여 대부분의 연구에서 성장 및 ATTD 데이터가 보고 되었지만 AiD 데이터는 소수의 연구에서만 보고.
  • 따라서 protease, 특히 AiD 데이터에 대해 계산된 추정치는 상대적으로 적은수의 관찰을 기반으로 하므로 주의해서 처리해야 합니다.

 

 

Xylanase

 

  • Xylanase 단독 또는 β-glucanase 조합으로 현재까지 문헌에서 가장 많이 연구된 효소
  • meta-analysis 결과, xylanase가 밀 및 옥수수 기반 배합비에 보충될 때 GE의 AiD 및 ATTD를 개선.
  • Xylanase는 밀 기반 배합사료에 보충될 때 DM 및 CP의 ATTD 및 DM의 AiD를 개선.
  • Xylanase는 곡물의 바깥 부분에 존재하는 arabinoxylans을 분해한다(Bedford and Schulze, 1998; Huntley and Patience, 2018).
  • 밀의 arabinoxylans 농도(7.3%)는 옥수수 곡물보다 높다(3.8–4.7 %; Knudsen, 2014).
  • 따라서 영양소 소화 반응은 예상대로 옥수수 기반(+1.0% DM ATTD, +1.0% GE ATTD, +3.0% GE AiD)에서보다 밀(+1.1% DM ATTD, +1.4% CP ATTD, +1.1% GE ATTD, +2.3% DM AiD, +3.6 % GE AiD)에서 더 효과가 있었다.
  • 그러나, 예상치 않게, xylanase 보충은 옥수수 기반에 보충될 때는 ADG를 개선했지만, 밀 기반에 보충될 때는 그렇지 않았다.

 

 

xylanase + β-glucanase

 

  • 보리에도 β-glucans(5%; Knudsen, 2014)이 풍부하기 때문에, 보리 기반에 대한 연구는 xylanase + β-glucanase 에 더 중점을 두고 있다.
  • 그러나 xylanase + β-glucanase 보충은 보리 기반에서 영양소 소화율을 향상시키는 데 제한적이었다.
  • Xylanase + β-glucanase는 부산물 기반에 보충되었을 때 GE의 AiD(+15.1 %), DM의 ATTD(+4.3 %), CP(+4.8 %) 및 GE(+4.4 %)를 증가시켰다.
  • 이 경우 부산물 기반은 주로 wheat-DDGS, corn-DDGS 그리고/또는 RSM을 기반으로 했다.

 

 

Xylanase and xylanase + β-glucanase

 

  • RSM의 arabinoxylan 함량은 6%이고(Knudsen, 2014), DDGS의 arabinoxylan 함량은 곡물보다 더 집중되어 있지만 바이오 연료 생산에 사용되는 특정 곡물에 따라 다르다(Jaworski et al., 2015).
  • Xylanase 또는 xylanase + β-glucanase complex는 영양소 소화율 측면에서 여러 가지 개선이 발견 되었음에도 불구하고, G:F의 현저한 개선에 반영되지 않았다.
  • 따라서 분석 결과, xylanase and xylanase + β-glucanase에 의해 방출되는 arabinose, xylose and/or glucans은 돼지가 비효율적으로 사용하는 것으로 보인다.
  • 단위가축에서 β-glucans의 건강 증진 효과는 잘 알려져 있다 (Ewaschuk et al., 2012; Laerke et al., 2014);
  • 그러나 대장 상류의 에너지 균형에 대한 그들의 기여는 잘 조사되지 않았다.
  • Xylanase and xylanase + β-glucanase에 의해 방출 영양인자나  혹은 대장에서 미생물 발효 중에 생성되는 단쇄 지방산의 흡수를 통해 돼지의 에너지 균형에 기여할 수 있습니다.
  • Xylanase and xylanase + β-glucanase 는 돼지의 위장관 내 미생물 구성에 영향을 미칠 수 있다는 증거가 있다(O'Connell et al., 2005; Reilly et al., 2010; Lan et al., 2017);
  • 그러나 xylose, arabinose and glucans을 가장 효율적으로 사용할 수 있는 미생물 종은 알려져 있지 않습니다.
  • 따라서 각 실험에서 돼지의 기본 장내 미생물 구성은 관찰 된 사료 효율의 가변성에 또 다른 원인 일 가능성이 높습니다.
  • 이러한 효소에 대한 반응으로 G:F에 대한 효과의 불일치를 설명 할 수 있는 요인은 다음과 같다.
    • 곡물 공급원의 arabinoxylan 조성의 가변성
    • 실험 간 관리 관행 및 동물 건강의 변동성.

 

 

Xylanase and xylanase + β-glucanase

 

  • 개별 곡물의 Arabinoxylan 구성은 높으며 곡물 품질, 수확 시간 및 조건, 불순물 수준 및 유형 등에 따라 다르다.
  • 최근 연구에서 Clarke et al. (2018)은 품질이 낮은 보리(높은 조섬유 함량, 낮은 β-glucans 함량) 기반에서  xylanase + β-glucanase에 대한 긍정적인 반응을 관찰했지만 고품질 보리에 기반에서는 반응이 없었다.
  • 그러므로 유사한 성분 조성으로 수행된 연구는 잠재적으로 효소에 의해 분해되는 기질의 농도가 매우 다를 수 있어서 일관성 없는 결과를 나타낸다. 

 

 

Mannanase

 

  • 옥수수 기반 돼지 사료에 mannanase 는 영양소 소화율(+3.1% DM AiD, +0.8% DM ATTD, +1.0% CP ATTD 및 +1.0% GE ATTD)을 증가시키고 ADG(+19.4g/일) 와 사료 효율(+0.7% G:F)를 증가시켰다.
  • 대상 실험의 대두박의 함량은 20 ~ 42%로 다양했다.
  • Palm kernel(팜 커널)에서도 효과가 나타났다(Kim et al., 2013a; Mok et al., 2015).
  • 이 메타 분석에서 mannanase 는 매우 일관된 효과를 보였다.

 

 

Protease

 

  • 옥수수 기반에서, DM, GE 및 CP의 AiD 및 ATTD는 개선되었으나 G:F는 개선되지 않았습니다.
  • 부산물 배합시에 protease 첨가 한 경우 ATTD는 변하지 않았지만 ADG(+68.1g/day)는 증가하는 경향이 있었다.
    Protease 효과 변동성은 아미노산 소화율의 차이 때문일 수도 있습니다
  • Lee et al.(2018) 데이터 세트를 분석 하였을때, ADG, ADFI 또는 G:F에서 개선되지 않았으며, grow-finisher 구간에서 효과를 확인할 수 없었다.

 


Enzyme complexes

 

  • Multi-enzyme complexes 는 비육돈의 영양소 소화율과 사료 효율을 향상시키는 측면에서 가장 일관된 효과를 나타냈다.
  • 메타 분석의 결과 multi-enzyme complex를 옥수수(+1.9%), 밀(+2.1%), 보리(+2.1 %) 및 부산물(+2.5 %)에 보충했을 때 G:F가 개선.
  • 실험에 사용된 multienzyme complexes 는 2개, 3개 또는 4개의 서로 다른 효소 조합을 가지고 있으며, 복합 효소 구성은 phytase, cellulase, xylanase, β-glucanase, protease, mannanase, α-galactosidase, and α-amylase 등이다.
  • 이유자돈 구간 메타 분석에서 multi-enzyme 이 G:F를 지속적으로 증가(Torres-Pitarch et al., 2017).
  • ADG(Lyberg et al., 2008) 및 G:F(Kim et al., 2008)에 대한 부가적인 개선은 phytase와 xylanase가 함께 보충되었을 때 발견되었습니다.
  • 그러나 다른 연구에서는 추가적으로 G:F에 대한 효과가 없음을 발견했다(Olukosi et al., 2007; Woyengo et al., 2008).
  • O'Shea et al.(2014)는 grow-finisher에서 GE의 AiD에 대한 xylanase 및 protease 추가 반응을 발견했지만 G:F에 대해서는 관찰되지 않았다.
  • 효소 조합하는 더 많은 연구가 grow-finisher에서 필요합니다.

 

 

Conclusions

 

  • Mannanase 및 multi-enzyme complexes 보충은 grow-finisher 구간에서 성장과 사료 효율성을 높였다.
  • Xylanase or xylanase + β-glucanase 에서 영양소 소화율이 개선되었음에도 불구하고, grow-finisher 구간에서 사료 효율을 개선하지 못했다.
  • Enzyme 효과는 사료배합에 사용되는 주요 곡물 공급원의 영향을 받는다.
  • Mannanase 는 옥수수 기반 사료의 효율을 증가시켰고 multi-enzyme complexes 는 옥수수, 밀, 보리 및 부산물 기반 사료의 grow-finisher 구간에서 사료의 효율을 향상 시켰다.

 

Systematic review and meta-analysis of the effect of enzyme type and cereal source.pptx
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Systematicreviewandmeta-analysisoftheeffectoffeedenzymesongrowthandnutrientdigestibilityingrowfinisherpigs.pdf
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