منشأ و ویژگی آنزیمی

آنزیم های بتاگلوکاناز خانواده متنوعی از آنزیم ها‌ی گلیکوزید هیدرولاز (GH) با وزن مولکولی تقریبی 30 -50 کیلودالتون هستند که توسط طیف وسیعی از موجودات مانند قارچ ها، باکتری ها، جلبک ها و گیاهان عالی تولید می شوند. 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 می باشند. بر اساس موقعیت پیوند شکسته شده در زنجیره پلی ساکاریدی، آنزیم های گلوکاناز به دو گروه اندوگلوکاناز و اگزوگلوکاناز تقسیم بندی می شوند. اندو بتا 1،3 گلوکاناز(3.2.1.6EC ( بطور تصادفی پیوندهای 1،3 گلیکوزیدی را در درون زنجیره گلوکان شکسته و الیگوساکارید های گلوکان را به عنوان محصول تولید می کند. در حالیکه اگزو بتا 1،3 گلوکاناز (3.2.1.39 EC (به ترتیب مونوساکارید ها (گلوکز) را از انتهای غیر احیاکننده زنجیره پلی ساکاریدها هیدرولیز می کند.

در ساختار اکثر پروتئین ها قسمت های حفاظت شده ای وجود دارند که توالی آمینواسیدی آنها تغییری نمی کند. در مورد آنزیم ها توالی آمینواسیدی جایگاه فعال آنزیم و محل اتصال سوبسترای آنزیم قسمت های حفاظت شده هستند. جایگاه فعال آنزیم گلوکاناز شامل آمینواسید های 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 برهمکنش های استاکینگ آروماتیک با حلقه های پیرانوز گلوکز تسهیل می کند. همچنین وجود یون ها‌ی کلسیم باعث بهبود پایدار‌ی حرارتی آنزیم می شود. علت دیگر پایدار‌ی حرارتی آن ها وجود تعداد نسبتاً زیاد‌ی از پل ها‌ی نمکی در ساختار آنزیم می باشد.

خواص بیوشیمیایی آنزیم های 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 آن ها درpH حدود 4 ( مانند آنزیم با منشا قارچی لنتینولا ) و نیز pH حدود 9 (مانند آنزیم با منشا armyworm) فعالیت دارند. همچنین اکثر بتاگلوکاناز ها مزوفیل هستند. کمترین دمای بهینه فعالیت برای آنزیم با منشا قارچی آسپرژیلوس فومیگاتوس در محدوده دمایی 20-40 درجه و بالاترین محدوده دمایی فعالیت برای آنزیم با منشا 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 می باشد. براساس نوع پیوند گلیکوزید‌ی بتاگلوکان ها را می توان 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 گلوکان ها رایج ترین شکل بتاگلوکان می باشند. از منابع مهم بتاگلوکان می توان به حضور در دیواره سلولی مخمر، دانه ها‌ی غلات، گونه ها‌ی متنوعی از قارچ ها، باکتری ها، مخمرها و جلبک ها‌ی دریایی اشاره کرد.

خواص بتاگلوکان ها وابسته به وزن مولکولی و ساختار شاخه ای آن است. از مهم ترین خواصی که برای بتاگلوکان ها، به ویژه وزن های مولکولی پایین می توان ذکر کرد تعدیل کننده ایمنی سلولی و جایگزین مناسب برا‌ی آنتی بیوتیک ها است. علی رغم خواص مفید، بتاگلوکان ها، به ویژه وزن های مولکولی بالا به دلیل اینکه باعث افزایش ویسکوزیته می شوند، تجزیه آن در صنایع مورد استفاده به خوبی انجام نمی شود. آنزیم بتاگلوکاناز با تجزیه بتاگلوکان و تولید الیگوساکاریدهای کوتاه زنجیر باعث کاهش ویسکوزیته آن و بهبود خواص آن می شود.

کاربرد آنزیم بتاگلوکاناز

یکی از کاربرد های بتاگلوکاناز در زمینه های مختلف بیوتکنولوژی تولید بیواتانول برای کاهش مصرف سوخت های فسیلی است. کاربرد دیگر این آنزیم به عنوان مکمل غذایی حیوانات برای بهبود رشد و عملکرد آن هاست. جیره های بر پایه جو بطور چشمگیری می توانند ویسکوزیته ماده قابل هضم را در حیوانات تک گوارشی مانند طیور افزایش دهند که در جذب مواد غذایی اثر گذار است.
با توجه به اینکه گلوکان ترکیب مهمی از دیواره سلولی قارچ هاست، این آنزیم می تواند فعالیت ضد قارچی مهمی داشته باشد. آنزیم بتا 1،3 گلوکاناز در ترکیب با کیتیناز فعالیت ضد قارچی بسیار چشمگیری در برابر قارچ های فیتوپاتوژنیک مانند بوتریتیس سینرا که عامل آلودگی محصولات گلخانه ای است خواهند داشت. به دلیل اینکه این آنزیم اثرات سمی برای سلول های حیوانی ندارد، از این ماده به عنوان محلول ضد قارچی در مقدار مشخصی برای درمان عفونت های قارچی حیوانات به ویژه کاندیدا آلبیکنز استفاده می شود.

در صنایع تخمیری به دلیل اینکه گلوکان باعث افزایش ویسکوزیته می شود می تواند 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 می دهد و مشکلات ذکر شده را برطرف می نماید . علاوه بر این موارد، تولید پروتوپلاست های سلول های قارچی برای مطالعات ژنی، ترانسفورماسیون، استخراج پروتئین های مفید مخمر از دیگر کاربردهای این آنزیم در حوزه بیوتکنولوژی است.

اثرات ضد تغذیه ای پلی ساکارید های غیر نشاسته ای

بخش عمده انرژی دام و طیور از غلات تأمین می شود. کربوهیدرات های موجود در این مواد شامل کربوهیدرات های محلول و نامحلول هستند که روی قابلیت هضم غلات اثر دارند. پلی ساکارید های غیر نشاسته ای (NSPs) که عمدتاً شامل سلولز، بتاگلوکان، همی سلولزها 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 تغذیه ای اند و زمانی که به مقدار زیاد مصرف می شوند باعث افزایش ترشح موسین از سلول های جامی شکل روده می شوند. از طرفی به دلیل هیدراته شدن موجب افزایش ویسکوزیته محتویات روده و کاهش سرعت انتشار و برهمکنش آنزیم ها و سوبستراهای آنها و نیز ضخیم شدن لایه مخاطی روده می شود. 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 بی هوازی کمک می کند. 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 می تواند منجر به تولید اسیدهای چرب زنجیره کوتاه (SCFA)، اسیدهای چرب فرار (VFA) و سموم توسط برخی از ارگانیسم های بی هوازی شود.

اهمیت استفاده از آنزیم های کربوهیدراتاز در خوراک

در زمانی که از آنزیم های اگزوژن در جیره طیور استفاده می شود، ارزش غذایی خوراک افزایش می یابد. از مهم ترین دلیل آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تجزیه کربوهیدرات های دیواره سلولی گیاهان و تولید قند های 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 باکتری های روده و کاهش مواد مغذی در دسترس آن ها برای رشد
• تولید الیگوساکارید های 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

عمده تر‌ین جزء خوراك ط‌یور را غلات تشك‌یل م‌ی دهند. در سال های 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، و‌یتام‌ین ها، مواد معدن‌ی مختلف و آلودگ‌ی به قارچ و كپك ها نسبت به ذرت برتر‌ی دارد، اما به علت داشتن پل‌ی ساكار‌یدها‌ی غیر نشاسته ای مصرف آن در ج‌یره ط‌یور به خصوص جوجه ها‌ی گوشت‌ی دارا‌ی محدود‌یت م‌ی باشد. پل‌ی ساکار‌یدها‌ی غ‌یرنـشاسته ا‌ی مـانع از در دسترس قرار گرفتن کل انرژ‌ی موجود در جو توسط حیوان مـ‌ی شوند. بتاگلوکان ‌یك‌ی از اجزا‌ی اصل‌ی تشك‌یل دهنده 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 می باشد. بتاگلوکان هـا حدود ٧٥ درصـد كـل پل‌ی ساکار‌یدها‌ی غ‌یرنشاسته ا‌ی جو را به خود اختصاص م‌ی دهند. بطور کلی اغلب واریته های جو دارای 4 تا 7 درصد بتاگلوکان هستند. شرایط جوی و کشت نامساعد مانند شرایط رشد توأم با خشکی و کم آبی موجب بلوغ و برداشت زود رس جو می شود که میزان بتاگلوکان را حدود 12 تا 15 درصد می تواند افزایش دهد.

از مهم ترین اثرات ضد تغذیه ای بتاگلوکان می توان 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 مولکول های 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 می گیرند. در صورت عدم هیدرولیز بتاگلوکان های با وزن مولکولی بالا در روده کوچک، سوبسترای مورد استفاده برای میکروبیوتای موجود در سکوم محدود شده که روی عملکرد آنها موثر است. از طرفی افزایش میکروب های بی هوازی در روده کوچک موجب شروع تخمیر در ایلئوم می شود که برای عملکرد طیور مضر است. مختل شدن تعادل میکروبیوتای دستگاه گوارش دیس بیوز باکتریایی نام دارد که شرایط را برای رشد عوامل بیماری زا و احتمال شروع عفونت های روده ای فراهم می شود. علاوه بر این دیس بیوز باکتریایی دارای پتانسیل تأثیر منفی بر هضم چربی در نتیجه عدم کونژوگاسیون نمک های صفراوی و کاهش اثربخشی گردش کبدی نمک های صفراوی است.

میزان و محل دقیق تخمیر کربوهیدرات در دستگاه گوارش مرغ های تخم گذار ممکن است با جوجه های گوشتی متفاوت باشد زیرا مرغ های تخم گذار مسن تر هستند و دستگاه گوارش بالغ تری دارند و جمعیت میکروبی دستگاه گوارش پیچیده تری دارند. علاوه بر این، محتوای بالای کلسیم در جیره مرغ های تخم گذار در مقایسه با جیره جوجه های گوشتی ممکن است به دلیل ظرفیت بافری بالای آن بر pH محتوای گوارشی تأثیر بگذارد. علاوه بر اثرات مذكور بتاگلوكان هضم نشده موجب چسبندگ‌ی مدفوع در طیور تخم گذار م‌ی شود كه وضع‌یت بستر را نامطلوب و باعث افزا‌یش تخم مرغ ها‌ی كث‌یف می شود.

برا‌ی بالا بردن ارزش غذا‌ی‌ی جو در تغذ‌یه ط‌یور از روش های مختلف‌ی مانند پوست گ‌یر‌ی، خ‌یسان‌یدن، استفاده از چرب‌ی و افزودن آنز‌یم های کربوهیدراتاز می توان استفاده کرد که در این میان استفاده از آنز‌یم ها‌ی بتاگلوکاناز راه حل‌ی آسان و كاربرد‌ی تر است. اسـتفاده از آنـز‌یم ها‌ی شکننده پل‌ی ساکار‌یدها‌ی غ‌یرنشاسته ا‌ی نظ‌یر زا‌یلاناز و بتاگلوکانـاز قــادر بــه بهبـود انـرژ‌ی قابـل متابول‌یـسم 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 روده ا‌ی، بهبود قابل‌یت هضم نـشاسته، پـروتئ‌ین، چرب‌ی و انرژ‌ی قابـل متابول‌یـسم ظـاهر‌ی در طیور شده و شروع فرایند تخمیر را به طور چشمگیری از ایلئوم به سکوم منتقل می کند. از این رو منجر به ﺑﻬﺒﻮد ﺑﺎزده ﺧﻮراك و ضریب تبدیل غذایی می شود.

ویژگی های آنزیم بتاگلوکاناز

فعالیت آنزیمی

واحـد فعال‌یـت آنـز‌یم برابـر است با مقدار آنز‌یم‌ی كه در ‌یك دق‌یقه، در شرا‌یط مطلوب، ‌یك م‌یكرومول قند گلوکز را از هیدرولیز سوبسترا (بتاگلوکان) تولید كند.

ترکیبات تشکیل دهنده محصول

هر کیلوگرم از محصول حاوی 10% ± 3400000 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