منشأ و ویژگی آنزیمی

آنزیم‌های بتاگلوکاناز خانواده متنوعی از آنزیم ها‌ی گلیکوزید هیدرولاز (GH) با وزن مولکولی تقریبی 30 -50 کیلودالتون هستند که توسط طیف وسیعی از موجودات مانند قارچ‌ها، باکتری‌ها، جلبک‌ها و گیاهان عالی تولید می‌شوند. اکثر بتاگلوکاناز‌ها قادر به شکستن پیوند‌های بتا 1،3 گلیکوزیدی و به مقدار کمتر پیوند‌های بتا 1،4 گلیکوزیدی و 1،6 گلیکوزیدی در یک ساختار خطی یا منشعب بتاگلوکان می‌باشند. بر اساس موقعیت پیوند شکسته شده در زنجیره پلی ساکاریدی، آنزیم‌های گلوکاناز به دو گروه اندوگلوکاناز و اگزوگلوکاناز تقسیم‌بندی می‌شوند. اندو بتا 1،3 گلوکاناز(ec 3.2.1.6) بطور تصادفی پیوند‌های 1،3 گلیکوزیدی را در درون زنجیره گلوکان شکسته و الیگوساکارید‌های گلوکان را به عنوان محصول تولید می‌کند. در حالیکه اگزو بتا 1،3 گلوکاناز
(ec 3.2.1.39) به ترتیب مونوساکارید‌ها (گلوکز) را از انتهای غیر احیاکننده زنجیره پلی ساکارید‌ها هیدرولیز می‌کند.

در ساختار اکثر پروتئین‌ها قسمت‌های حفاظت شده‌ای وجود دارند که توالی آمینواسیدی آن‌ها تغییری نمی‌کند. در مورد آنزیم‌ها توالی آمینواسیدی جایگاه فعال آنزیم و محل اتصال سوبسترای آنزیم قسمت‌های حفاظت شده هستند. جایگاه فعال آنزیم گلوکاناز شامل آمینواسید‌های GEIDIXE (گلایسین، اسیدگلوتامیک، ایزولوسین، اسید آسپارتیک، ایزولوسین، اسید آمینه هیدروفوبی، اسیدگلوتامیک) است. دو دنباله آمینواسیدی گلوتامیک اسید و یک آسپارتیک اسید در جایگاه فعال در هیدرولیز بهتر سوبسترا نقش مهمی دارند. جایگاه اتصال سوبسترا یک توالی غنی از تریپتوفان است (WPAIWML لوسین، متیونین، ترپتوفان، ایزولوسین، آلانین، پرولین، ترپتوفان) که اتصال سوبسترا درون حفرات جایگاه فعال را از طریق برهمکنش‌های استاکینگ آروماتیک با حلقه‌های پیرانوز گلوکز تسهیل می‌کند. همچنین وجود یون ها‌ی کلسیم باعث بهبود پایدار‌ی حرارتی آنزیم می‌شود. علت دیگر پایدار‌ی حرارتی آن‌ها وجود تعداد نسبتاً زیاد‌ی از پل‌ها‌ی نمکی در ساختار آنزیم می‌باشد.

خواص بیوشیمیایی آنزیم‌های بتاگلوکاناز مانند دما و pHبهینه و پایداری در برابر شرایط سخت محیطی، وابسته به منبع تولید آن است. اکثر بتاگلوکاناز‌ها pHبهینه در محدوده نسبتاً اسیدی 5-5/6 دارند. البته برخی از آن‌ها درpH حدود 4 ( مانند آنزیم با منشأ قارچی لنتینولا ) و نیز pH حدود 9 (مانند آنزیم با منشأ armyworm) فعالیت دارند. همچنین اکثر بتاگلوکاناز‌ها مزوفیل هستند. کمترین دمای بهینه فعالیت برای آنزیم با منشأ قارچی آسپرژیلوس فومیگاتوس در محدوده دمایی 20-40 درجه و بالاترین محدوده دمایی فعالیت برای آنزیم با منشأ آرکی پیروکوکوس فوریوسس در محدوده 100-105 درجه مشخص شده است.

انواع بتاگلوکان به عنوان سوبسترای آنزیمی

بتاگلوکان هموپلیمر خطی از واحدها‌ی- D گلوکز است که با پیوند بتاگلیکوزید‌ی به یکدیگر متصل هستند و تنوع زیاد‌ی از لحاظ وزن مولکولی، حلالیت، ویسکوزیته و ساختار سه بعد‌ی دارند که ناشی از تفاوت در فعالیت بیولوژ‌ی آن‌ها می‌باشد. براساس نوع پیوند گلیکوزید‌ی بتاگلوکان‌ها را می‌توان به سه گروه عمده بتا 4،1-3،1 گلوکان (لیکنان)، بتا 4،1 گلوکان (سلولز)، بتا3،1 گلوکان (لامینارین یا کالوز) تقسیم کرد. بتا 3،1 گلوکان‌ها رایج‌ترین شکل بتاگلوکان می‌باشند. از منابع مهم بتاگلوکان می‌توان به حضور در دیواره سلولی مخمر، دانه ها‌ی غلات، گونه ها‌ی متنوعی از قارچ‌ها، باکتری‌ها، مخمر‌ها و جلبک ها‌ی دریایی اشاره کرد.

خواص بتاگلوکان‌ها وابسته به وزن مولکولی و ساختار شاخه‌ای آن است. از مهم‌ترین خواصی که برای بتاگلوکان‌ها، به ویژه وزن‌های مولکولی پایین می‌توان ذکر کرد تعدیل‌کننده ایمنی سلولی و جایگزین مناسب برا‌ی آنتی بیوتیک‌ها است. علی رغم خواص مفید، بتاگلوکان‌ها، به ویژه وزن‌های مولکولی بالا به دلیل اینکه باعث افزایش ویسکوزیته می‌شوند، تجزیه آن در صنایع مورد استفاده به خوبی انجام نمی‌شود. آنزیم بتاگلوکاناز با تجزیه بتاگلوکان و تولید الیگوساکارید‌های کوتاه زنجیر باعث کاهش ویسکوزیته آن و بهبود خواص آن می‌شود.

کاربرد آنزیم بتاگلوکاناز

یکی از کاربرد‌های بتاگلوکاناز در زمینه‌های مختلف بیوتکنولوژی تولید بیواتانول برای کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی است. کاربرد دیگر این آنزیم به عنوان مکمل غذایی حیوانات برای بهبود رشد و عملکرد آن هاست. جیره‌های بر پایه جو بطور چشمگیری می‌توانند ویسکوزیته ماده قابل هضم را در حیوانات تک گوارشی مانند طیور افزایش دهند که در جذب مواد غذایی اثر‌گذار است.

با توجه به اینکه گلوکان ترکیب مهمی از دیواره سلولی قارچ هاست، این آنزیم می‌تواند فعالیت ضد قارچی مهمی داشته باشد. آنزیم بتا ۱، ۳ گلوکاناز در ترکیب با کیتیناز فعالیت ضد قارچی بسیار چشمگیری در برابر قارچ‌های فیتوپاتوژنیک مانند بوتریتیس سینرا که عامل آلودگی محصولات گلخانه‌ای است خواهند داشت. به دلیل اینکه این آنزیم اثرات سمی برای سلول‌های حیوانی ندارد، از این ماده به عنوان محلول ضد قارچی در مقدار مشخصی برای درمان عفونت‌های قارچی حیوانات به ویژه کاندیدا آلبیکنز استفاده می‌شود.

در صنایع تخمیری به دلیل اینکه گلوکان باعث افزایش ویسکوزیته می‌شود می‌تواند روی سرعت جداسازی و فیلتراسیون محصول اثر گذاشته، شفافیت محصول کاهش یابد و باعث تولید رسوبات خطرناک شود. بنابراین آنزیم گلوکاناز با حذف گلوکان ویسکوزیته را کاهش می‌دهد و مشکلات ذکر شده را برطرف می‌نماید. علاوه بر این موارد، تولید پروتوپلاست‌های سلول‌های قارچی برای مطالعات ژنی، ترانسفورماسیون، استخراج پروتئین‌های مفید مخمر از دیگر کاربرد‌های این آنزیم در حوزه بیوتکنولوژی است.

اثرات ضد تغذیه‌ای پلی ساکارید‌های غیر نشاسته‌ای

بخش عمده انرژی دام و طیور از غلات تأمین می‌شود. کربوهیدرات‌های موجود در این مواد شامل کربوهیدرات‌های محلول و نامحلول هستند که روی قابلیت هضم غلات اثر دارند. پلی ساکارید‌های غیر نشاسته‌ای (NSPs) که عمدتاً شامل سلولز، بتاگلوکان، همی‌سلولز‌ها هستند برای اینکه به عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار گیرند باید به مواد قابل جذب (مونوساکارید‌های احیایی مانندگلوکز، زایلوز و…) تبدیل شوند. از این رو NSPs دارای اثرات ضد تغذیه‌ای‌اند و زمانی که به مقدار زیاد مصرف می‌شوند باعث افزایش ترشح موسین از سلول‌های جامی شکل روده می‌شوند. از طرفی به دلیل هیدراته شدن موجب افزایش ویسکوزیته محتویات روده و کاهش سرعت انتشار و برهمکنش آنزیم‌ها و سوبسترا‌های آن‌ها و نیز ضخیم شدن لایه مخاطی روده می‌شود. از سوی دیگر، NSP نامحلول موجود در دیواره سلولی، نشاسته، پروتئین و سایر مواد مغذی را درون خود به دام می‌اندازد و مانع از دسترسی آنزیم‌های درون‌زا به مواد مغذی قابل هضم می‌شود.

در نتیجه عدم تجزیه این مواد سرعت هضم و جذب مواد مغذی و به دنبال آن مصرف خوراک کاهش یافته و روی وزن بدن حیوان اثر سوء دارد. NSP علاوه بر اثرات مستقیمی که بر مورفولوژی و فیزیولوژی روده دارد، اثرات غیر مستقیمی بر کاهش میزان اکسیژن محلول در روده کوچک شده و در نتیجه به توسعه میکرو فلور بی‌هوازی کمک می‌کند. این تغییر در اکولوژی روده (از یک محیط هوازی یا اختیاری بی‌هوازی به یک محیط کاملاً بی‌هوازی) ممکن است باعث استرس دستگاه گوارش شود که می‌تواند منجر به تولید اسید‌های چرب زنجیره کوتاه (SCFA)، اسید‌های چرب فرار (VFA) و سموم توسط برخی از ارگانیسم‌های
بی‌هوازی شود.

اهمیت استفاده از آنزیم‌های کربوهیدراتاز در خوراک

در زمانی که از آنزیم‌های اگزوژن در جیره طیور استفاده می‌شود، ارزش غذایی خوراک افزایش می‌یابد. از مهم‌ترین دلیل آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تجزیه کربوهیدرات‌های دیواره سلولی گیاهان و تولید قند‌های در دسترس سیستم گوارشی
• کاهش ویسکوزیته محتویات دستگاه گوارش و افزایش قابلیت هضم مواد مغذی
• کاهش فلور میکروبی دستگاه گوارش به دلیل کاهش مواد قابل تخمیر مورد استفاده باکتری‌های روده و کاهش مواد مغذی در دسترس آن‌ها برای رشد
• تولید الیگوساکارید‌های قابل هضم که ویژگی مواد پری بیوتیک را دارند که اثر مثبتی بر فلور مفید میکروبی روده دارند

اهمیت آنزیم بتاگلوکاناز در خوراک دام و طیور

عمده‌تر‌ین جزء خوراک طیور را غلات تشکیل می‌دهند. در سال‌های اخیر با وجود مشکلات تأمین ذرت، استفاده از غلاتی مانند جو و گندم در خوراک رو به افزایش است. جو از لحاظ مقدار پروتئین خام، اس‌یدها‌ی آم‌ینه، و‌یتام‌ین‌ها، مواد معدنی مختلف و آلودگی به قارچ و کپک‌ها نسبت به ذرت برتر‌ی دارد، اما به علت داشتن پلی ساکار‌یدها‌ی غیر نشاسته‌ای مصرف آن در ج‌یره طیور به خصوص جوجه‌ها‌ی گوشت‌ی دارا‌ی محدود‌یت می‌باشد. پلی ساکار‌یدها‌ی غیرنـشاسته ا‌ی مـانع از در دسترس قرار‌گرفتن کل انرژ‌ی موجود در جو توسط حیوان مـی‌شوند. بتاگلوکان یکی از اجزا‌ی اصلی تشکیل‌دهنده غلاتی مانند جو، یولاف (غلات خشن) و گندم است. میزان بتاگلوکان در جو و یولاف در مقایسه با غلاتی مانند ذرت، برنج، گندم مقدار قابل توجهی می‌باشد. بتاگلوکان‌ها حدود ٧٥ درصـد کـل پلی ساکار‌یدها‌ی غیرنشاسته‌ا‌ی جو را به خود اختصاص می‌دهند. بطور کلی اغلب واریته‌های جو دارای ۴ تا ۷ درصد بتاگلوکان هستند. شرایط جوی و کشت نامساعد مانند شرایط رشد توأم با خشکی و کم آبی موجب بلوغ و برداشت زود رس جو می‌شود که میزان بتاگلوکان را حدود ۱۲ تا ۱۵ درصد می‌تواند افزایش دهد.

از مهم‌ترین اثرات ضد‌تغذیه‌ای بتاگلوکان می‌توان به افزایش ویسکوزیته گوارشی در روده کوچک و کاهش هضم و جذب مواد مغذی اشاره کرد. قسمت سکوم دستگاه گوارش به دلیل جمعیت باکتریایی متنوع ترمحل اصلی تخمیر در دستگاه گوارش طیور است. وضعیت مواد گوارشی وارد شده به سکوم باید ذرات بسیار ریز و مولکول‌های محلول با چسبندگی کمتر باشد. بتاگلوکان جو دارای وزن مولکولی بالایی است و این ممکن است بر توانایی بتاگلوکان برای ورود به سکوم تأثیر بگذارد. کربوهیدرات‌های با وزن مولکولی کم در سکوم مورد تخمیر قرار می‌گیرند. در صورت عدم هیدرولیز بتاگلوکان‌های با وزن مولکولی بالا در روده کوچک، سوبسترای مورد استفاده برای میکروبیوتای موجود در سکوم محدود شده که روی عملکرد آن‌ها مؤثر است. از طرفی افزایش میکروب‌های بی‌هوازی در روده کوچک موجب شروع تخمیر در ایلئوم می‌شود که برای عملکرد طیور مضر است. مختل شدن تعادل میکروبیوتای دستگاه گوارش دیس بیوز باکتریایی نام دارد که شرایط را برای رشد عوامل بیماری‌زا و احتمال شروع عفونت‌های روده‌ای فراهم می‌شود. علاوه بر این دیس بیوز باکتریایی دارای پتانسیل تأثیر منفی بر هضم چربی در نتیجه عدم کونژوگاسیون نمک‌های صفراوی و کاهش اثربخشی گردش کبدی نمک‌های صفراوی است.

میزان و محل دقیق تخمیر کربوهیدرات در دستگاه گوارش مرغ‌های تخم‌گذار ممکن است با جوجه‌های گوشتی متفاوت باشد زیرا مرغ‌های تخم‌گذار مسن‌تر هستند و دستگاه گوارش بالغ‌تری دارند و جمعیت میکروبی دستگاه گوارش پیچیده‌تری دارند. علاوه بر این، محتوای بالای کلسیم در جیره مرغ‌های تخم‌گذار در مقایسه با جیره جوجه‌های گوشتی ممکن است به دلیل ظرفیت بافری بالای آن بر pH محتوای گوارشی تأثیر بگذارد. علاوه بر اثرات مذکور بتاگلوکان هضم نشده موجب چسبندگی مدفوع در طیور تخم‌گذار می‌شود که وضعیت بستر را نامطلوب و باعث افزا‌یش تخم‌مرغ‌ها‌ی کثیف می‌شود.

برا‌ی بالا بردن ارزش غذا‌یی جو در تغذ‌یه طیور از روش‌های مختلفی مانند پوست‌گیر‌ی، خیسانیدن، استفاده از چربی و افزودن آنز‌یم‌های کربوهیدراتاز می‌توان استفاده کرد که در این میان استفاده از آنز‌یم­‌ها‌ی بتاگلوکاناز راه حلی آسان و کاربرد‌ی‌تر است. اسـتفاده از آنز‌یم‌ها‌ی شکننده پلی ساکار‌یدها‌ی غیرنشاسته ا‌ی نظ‌یر‌زا‌یلاناز و بتاگلوکانـاز قــادر بــه بهبـود انـرژ‌ی قابـل متابولیسم ظاهر‌ی ا‌ینگونه غلات هستند. افزودن آنز‌یم بتاگلوکاناز به جیره ها‌ی بـر پا‌یه غلات م‌ی تواند اثرات نامطلوب بتاگلوکان را از بـ‌ین ببـرد و سـبب کـاهش و‌یـسکوز‌یته محتو‌یات روده‌ا‌ی، بهبود قابلیت هضم نشاسته، پـروتئین، چرب‌ی و انرژ‌ی قابـل متابولیسم ظاهر‌ی در طیور شده و شروع فرایند تخمیر را به طور چشمگیری از ایلئوم به سکوم منتقل می‌کند. از این رو منجر به ﺑﻬﺒﻮد ﺑﺎزده ﺧﻮراک و ضریب تبدیل غذایی می‌شود.

ویژگی‌های آنزیم بتاگلوکاناز

ترکیبات تشکیل‌دهنده محصول

هر کیلوگرم از محصول حاوی ۱۰% ± ۳۴۰۰۰۰۰ واحد فعالیت آنزیمی آنزیم بتاگلوکاناز است.

میزان مصرف پیشنهادی

200 گرم در تن خوراک ( بر حسب نوع جیره و میزان درصد NSP های موجود در جیره، میزان آنزیم مصرفی بر اساس نظر متخصص تغذیه استفاده شود)

شرایط نگهداری

در جای خشک و خنک و با تهویه مناسب و به دور از نور خورشید نگهداری شود