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Enzyme als Futterzusatzszoffe
Wirkungsweise und Entwicklungstendenzen
Ortwin Simon
Institut für Tierernährung
Fachbereich Veterinärmedizin, Freie Universität, Berlin
Kategorien der Futterzusatzstoffe und Funktionsgruppen
nach EG Verordnung Nr.1831/2003
•
Kategorie „technische Zusatzstoffe“:
Konservierungsmittel, Antioxidationsmittel, Emulgatoren, Stabilisatoren, Verdickungsmittel,
Geliermittel, Bindemittel, Trennmittel, Säureregulatoren, Silierzusatzstoffe
•
Kategorie „sensorische Zusatzstoffe“ (organoleptische Eigenschaften des Futtermittels
bzw. optische Eigenschaften des Lebensmittels): Farbstoffe, Aromastoffe und
appetitanregende Stoffe
•
Kategorie „ernährungsphysiologische Zusatzstoffe“:
Vitamine, Provitamine, Spurenelemente, Aminosäuren, Harnstoff
•
Kategorie „zootechnische Zusatzstoffe“
(Positive Beeinflussung von: Leistungen und Gesundheit von Tieren oder Auswirkungen auf
die Umwelt): Verdaulichkeitsförderer, Darmflorasanierungsmittel, Stoffe die die Umwelt
günstig beeinflussen, Sonstige
•
Kategorie „Kokzidiostatika und Histomonostatika“
Abbau der Hauptnährstoffe
durch körpereigene Verdauungsenzyme
Kohlenhydrate
Cellulose
1,3-1,4-b-D-Glucane
Arabinoxylane
Galactomannane
Polygalacturonane
Fette
Saccharose
Lactose
Pepsin
Trypsin
Chymotrypsin
Carboxypeptidase
Lipasen
Disaccharidasen
Amylasen
Glucoamylasen
Aminosäuren
Monoglyceride
Fettsäuren
Glycerol
Glucose
Fructose
Galactose
Glucose
Proteine
Stärke
Nicht verdaulich
durch körpereigene
Enzyme
Verdaulich
durch körpereigene
Enzyme
Enzyme
(Beispiele)
Resorptionsfähige
Produkte
Struktur der Phytinsäure und des Phytats
HO
O P O
OH
++
Ca
O
O
P O
O
O Zn++
O
H
H
P O
H
O
O
H
H
H
O
O
O P O
O
O P O
++
Fe O
O
P O
OH
Enzyme: Zugelassene Zusatzstoffe nach Richtlinie
70/524/EWG und Übergangsreglung Verordnung
EG 1831/2003 (Stand: Juni 2011)
• Enzympräparate insgesamt: 45
– Phytasen: 6
– Nicht-Stärke-Polysaccharide (NSP) – spaltende
Enzyme: 39
• Xylanase- und/oder ß-Glucanaseaktivität: 25
• Präparate mit zusätzlichen Aktivitäten (Amylasen, Proteasen,
Polygalacturonasen): 14
Quelle: Bundesamt für Verbraucherschutz und LebensmittelsicherheitL
NSP-hydrolysierende Enzyme
• Beta – Glucanasen
• Xylanasen
Gehalt an 1,3-1,4-b-Glucanen und
Arabinoxylanen (Pentosanen)
im Getreide (g/kg)
Getreide
b-Glucane
gesamt
löslich
Pentosane
gesamt
löslich
Gerste
26 - 60
24 - 50
31 - 60
5-8
Roggen
13 – 47
-
59 – 122
19 – 45
Triticale
4 – 36
-
46 – 86
6 – 21
Weizen
3 – 11
-
35 – 70
5 – 23
~1
-
33 - 68
4 - 10
Mais
Wirkungsebenen von Nicht-Stärke-Polysacchariden (NSP)
und NSP-hydrolysierenden Enzymen (E)
NSP
E 
Mikroflora
Fettverdauung
E
DigestaViskosität
E
Käfigeffekt
morphologischPassageProtein- und
"unstirred
strukturelle
geschwindigEnergiewater layer"
Veränderungen
keit
umsatz
Nährstoffresorption
Gesamteffekt: Futteraufnahme, Leistung, Nährstoffverwertung, ME, Wärmeproduktion
Extraktviskosität im Futter und in der Digesta
von Broilern (4 Wochen alt)
90
Viskosität [mPas]
80
70
60
50
Futter
Duodenum
Jejunum
Ileum
40
30
20
10
0
Mais
Weizen / Roggen
W/R + Enzym
Viskosität [mPas] in der flüssigen Phase des
Dünndarminhaltes von Ferkeln auf Triticalebasis1)
- Effekt eines Xylanasezusatzes ohne Enzym
16
14
10
8
mit Enzym
Viskosität [mPas]
12
6
4
2
0
Du
Je1
Je2
Je3
1) 67% Triticaleanteil, Sorte Boreas, Extraktviskosität: 4,1 mPas
Ileum
Praecaecale Fettverdaulichkeit bei Broilern (21 Tage alt) in Abhängigkeit
vom Roggenanteil in der Ration1), Art des Fettes2) und Xylanase-Zusatz3)
(nach DÄNICKE et al., 1999)
Praecaecale Fettverdaulichkeit [%]
100
90
80
70
60
50
Sojaöl
mit Enzym
Sojaöl
ohne Enzym
Rindertalg
mit Enzym
40
30
20
10
Rindertalg
ohne Enzym
0
Roggen 0%
Weizen 100%
33%
66%
100%
66%
33%
0%
1) Weizen wurde in der Ration zu den angegebenen Anteilen durch Roggen ersetzt
2) 10 % Sojaöl bzw. Rindertalg in der Ration
3) 3000 IU Xylanase / kg
Extraktviskosität, in-vitro-Viskosität und AMEn-Gehalt
verschiedener Weizensorten
(Dusel et al., 1997)
Weizensorte
Pentosangehalte
lösl. (% der TS)
Viskosität (mPa.s)
AMEn-Gehalt
(MJ/kg TS)
Ibis
0,76
Weizen
1,3
Ileum
13,1
14,37b
Bussard
1,14
1,4
14,1
14,58b
Aron
1,29
1,7
27,5
14,45b
Zentos
1,43
2,2
20,6
14,06a
Alidos
1,71
3,5
78,0
14,01a
Einfluss eines Xylanasepräparates auf die
Umsetzbare Energie von Weizen bei Broilern
(Dusel et al., 1998)
Weizensorte
Ibis
Alidos
Enzym
AMEn (MJ/kg DM)
–
Xylanase A
14,8 ± 0,24b
14,9 ± 0,19b
Xylanase B
14,7 ± 0,17b
–
14,0 ± 0,39a
Xylanase A
14,7 ± 0,28b
Xylanase B
14,6 ± 0,14b
Wirksamkeit von Enzymzusätzen mit
NSP-hydrolysierenden Aktivitäten
Getreidebasis
Tierart
Roggen
Broilerküken
Gerste
Putenküken
Hafer
Entenküken
Triticale
Ferkel
Weizen
Legehennen (?)
Mais ?
Mastschweine ?
Anzahl der zugelassenen NSP-Enzympräparate für
verschiedene Tierkategorien
Phytasen
• hydrolisieren Phytat: katalysieren die Abspaltung
der Phosphatmonoester von der Phytinsäure bzw.
von deren Salzen
• gehören zu der Enzymgruppe der Phosphatasen
• Vorkommen in Pflanzen, Mikroorganismen und
einigen tierischen Geweben
• Nach EG-Verordnung 1831/2003 sind 7 Produkte
zugelassen (Produktionsstämme: A. niger, A.
orycae, T. reesi, Pichia pastoris, Penicillium
funiculosum, Schizosaccharomyces pombe)
Verdaulichkeit des P in verschiedenen Futtermitteln für das
Schwein, bestimmt nach standardisierter Methode
(nach Rodehutscord 2001)
Mais
Rapsextr.
Sojaextr.
Sojaextr. 48
Rapssamen
Gerste
Corn-Cob-Mix
Triticale
Weizen
Fischmehl
Mono-Na-Phosphat
0
10
20
30
40
50
60
Verdaulichkeit [%]
70
80
90
100
Strategien zur Deckung des P-Bedarfes bei Ferkeln
Zusatz von Monocalciumphosphat (MCP) vs. Zusatz von Phytase
Ration auf Mais-Soja-Basis (nach Pallauf and Rimbach, 1997)
Zusatz
P-Aufnahme P-Retention
g/Tag
g/Tag
P-Exkretion
g/Tag
P-Exkretion
%
MCP
3,90
1,70
2,20
100
Phytase
2,62
1,66
0,96
44
Eigenschaften von Phytasen, die deren
Wirksamkeit bestimmen - Optimierungsarbeiten

Temperaturstabilität
 pH-Verhalten
 Proteolytische Stabilität
 Endprodukte der Dephophorylierung
von Inositolphosphaten
Einfluss des Pelletierens auf die Restakivität1
verschiedener Pytasen in Futtermischungen
Phytase
Vor dem
Pelletieren
Temperatur im Konditionierer
[°C]
60
70
80
Native
100.0
90.0
36.4
11.8
Aspergillus A
100.0
92.6
70.5
30.9
Aspergillus T
100.0
51.9
25.0
6.5
E. coli
100.0
98.8
78.0
24.4
Consensus
100.0
110.5
101.0
100.0
1 Bei Enzymzusatz wurde die native Pytase der jeweiligen Temperaturstufe abgezogen,
Igbasan et al. 2000
pH-Verhalten verschiedener Phytasen
B
100
100
90
90
80
80
Relative Aktivität[%]
Relative Aktivität [%]
A
70
60
50
40
30
70
60
50
40
30
20
20
10
10
0
0
0
2
4
6
8
0
1
2
3
4
pH
Aspergillus A
Aspergillus R
Peniophora
Aspergillus T
Consensus
A: pH-Verhalten pilzlicher Phytasen
B: pH-Verhalten bakterieller Phytasen
Angaben in Prozent der maximalen Aktivität
E-coli
5
pH
6
7
8
9
Bacillus
Simon and Igbasan 2002
10
Restaktivität von Phytasen [%] nach 60 min Inkubation
bei 40 °C in Digestaüberstand
aus verschiedenen Segmenten des Verdauungstraktes
Phytase
Kropf
Magen
Duodenum
Jejunum
Ileum
Aspergillus A
98.5
60.4
93.6
60.2
54.5
E. coli
96.9
92.8
96.8
86.7
80.4
Bacillus
93.5
70.8
95.3
91.5
97.3
Simon and Igbasan 2002
Vergleich der Dephosphorylierung
von Inositolphosphaten durch
• E. coli – Phytase
und
• Aspergillus - Phytase
Abbauwege
coli-Enzym
P2 (6-Phytase)
E.E.coli
– Phytase
(6-Phytase)
D/L-Ins(1,2,3,4,5,6)P6
D-Ins(1,2,3,4,5)P5
D-Ins(2,3,4,5)P4
D-Ins(2,4,5)P3
Abbauweg
derPhytase
Aspergillus(3-Phytase)
niger-Phytase
A.
niger –
Ins(1,2,3,4,5,6)P6
Ins(1,2,4,5,6)P5
Ins(1,2,5,6)P4
Ins(1,2,5)P3
Ins(1,2,6)P3
D-Ins(2,5)P2
Ins(1,2)P2
D-Ins(2)P
Ins(2)P
Greiner et al., 2000
Skoglund et al.,
1997
E.coli-Phytase – Inkubationszeit: 0 Min
E.coli-Phytase – Inkubationszeit: 45 Min
A.niger-Phytase – Inkubationszeit: 45 Min
Molares Verhältnis (Mol%) der Inositolphosphate
während der Inkubation mit einer Aspergillus-Phytase
100
IP6
IP5
IP4
IP3
IP2
Molares Verhätnis (Mol%)
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
-20
Inkubationszeit (Min)
Brünig 2009
120
Molares Verhältnis (Mol%) der Inositolphosphate
während der Inkubation mit einer E.coli-Phytase
100
IP6
IP5
IP4
IP3
IP2
90
Molares Verhätnis (Mol%)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
Inkubationszeit (Min)
80
100
Brünig 2009
120
Zeitverlauf der Phosphatfreisetzung aus
Inositolphosphaten
50
(Berechnungsbasis Mittelwerte)
45
Phosphatfreisetzung (%)
40
E.coli-Phytase
35
30
25
Aspergillus-Phytase
20
15
10
5
0
0
20
40
60
80
Inkubationszeit (min)
100
120
In Wellen wiederkehrende Diskussionen zur
Wirksamkeit anderer Enzyme
• Proteasen/Keratinansen (eine Serinprotease ist
zugelassen)
• “Soja-Enzyme” (eine Endo-1,4-beta Mannanase
ist zugelassen)
• Lipasen
• Mykotoxininaktivierende Enzyme
Zusammenfassung
-
-
-
-
Lösliche ß-Glucane und Pentosane können bei jungem Geflügel zu
Viskositätserhöhung im Verdauungstrakt, Beeinträchtigungen der
Nährstoffresorption, Leistungsminderungen und klebrigen Extrementen
führen
Die Effekte können durch Enzymzusätze (Beta-Glucanasen und Xylanasen)
zum Futter reduziert oder eliminiert werden
Die gleiche Wirkung der NSP ist auch bei Ferkeln, jedoch in geringerem
Ausmaß, nachweisbar
Die Enzymzusätze bewirken auch Modifizierungen in der
Zusammensetzung der intestinalen Mikrobiota
Phytasen werden in Rationen für Schweine und Geflügel eingesetzt.
Sie ermöglichen eine Verbesserung der Phosphorverwertung aus
pflanzlichen Konzentratfuttermitteln
Ferner kann eine erhebliche Verringerung der Phosphoremission erreicht
werden
Entwicklungsarbeiten konzentrieren sich auf die Verbesserung der
Enzymeigenschaften für den Einsatz als Zusatzstoff
NSP des Getreides und Wirkungsweise NSP-hydrolysierender Enzyme
1 4
1,4-b-Glucan
Cellulase (E.C. 3.2.1.4)
Cellulase
1 4
1 4
1 3
1 4
1,3-1,4-b-Glucan
1 3
Lichenase
AF
Lichenase (E.C. 3.2.1.73)
1 2
1 4
XP
XP
XP
AF
AF
Arabinoxylan
Xylanase (E.C. 3.2.1.8)
1 2
AF
1 3
1 3
Empfehlungen für maximale Getreideanteile (%)
in Alleinfuttermischungen für Geflügel und Ferkel,
ohne und mit Enzymsupplementierung1)
(Jeroch, 2001; Simon und Jeroch, 1999)
Getreideart
Gerste
Roggen
Triticale
Weizen
Enzymzusatz
-
+
-
+
-
+
-
+
Küken/Broiler
10
40
5
20
20
40/o.B.
30
o.B.
Legehennen
40
o.B.
20
40
30
o.B.
o.B.
o.B.
Aufzuchtferkel
35
?
0
?
15
o.B.
o.B.
o.B.
Mastschweine
o.B.
o.B.
30
?
40
?
o.B.
o.B.
1) Je nach Getreideart Xylanasen bzw. ß-Glucanasen als Hauptaktivität
o.B. = ohne Begrenzung
O. Simon, FU Berlin
Zugelassene Phytasen
EG Nr.
Beschreibung
Produktionsstamm
Ursprung des
Phytasegens
E 1600
3-Phytase
EC 3.1.3.8
Aspergillus niger
Aspergillus ficuum
E 1632
3-Phytase
EC 3.1.3.8
Trichoderma
reesei
Aspergillus
awamori
E 1614
6-Phytase
EC 3.1.3.26
Aspergillus oryzae Peniophora lycii
E 1640
6-Phytase
EC 3.1.3.26
Schizosaccharom
yces pombe
Eschericha coli
E 1639
3-Phytase
EC 3.1.3.8
Hansenula
polymorpha
Hybridgen
In vitro-Inkubationsversuche mit Phytasen
Mol% Inositolphosphate
60 Min
E.coli-Phytase
IP6
IP5
+ 45 Min
Bacillus-Phytase
IP4
IP3
+ 90 Min
Bacillus-Phytase
0
10
20
30
Mol %
40
50
60
(P. Brünig et al., unveröffentlicht)
Kohlenhydrate in Sojaextraktionsschrot (1)
Kohlenhydrate
330–410 g/kg
Stärke
Saccharose
Oligosaccharide
Monozucker
NSP
50-70 g/kg
70 g/kg
30-60 g/kg
4-5 g/kg
160-220 g/kg
Stachyose
Raffinose
20-50 g/kg
14 g/kg
Nicht-Cellulose-Polysaccharide
Cellulose
100 g/kg
100-200 g/kg
Kohlenhydrate in Sojaextraktionsschrot (2)
Nicht-Cellulose-Polysaccharide
~100 g/kg
Pentosane
Arabinogalactane
Saure Polysaccharide
80-100 g/kg
D-Galacturonsäure
36 g/kg
Xylose
Arabinose
18 g/kg
26 g/kg
L-Rhamnose
Rhamnogalacturonane
„Sojapectin“
Galactomannane
D-Galactose
45 g/kg
b-Glucane
Einfluss von Galactanase II (37320 IU/kg) auf Leistungsdaten
von Broilern (1.-35. Tag), deren Diät HP-SES enthielt
Galactanase
Zunahme1)
[g]
Futteraufnahme2)
Futteraufwand2)
[g]
[kg Futter/kg Zunahme]
-
1650 ± 58
3018 ± 139
1,83 ± 0,05
+
1642 ± 65
2932 ± 117
1,79 ± 0,06
1) n pro Gruppe = 160 2) Wiederholungen pro Gruppe n = 4
(Vahjen et al., 2005)
Einfluss einer Kombination von Galactanase II (37320 IU/kg) und
Mannanase (Gammanase 116200 IU/kg) auf Leistungsdaten von
Broilern (1.-35. Tag), deren Diät HP-SES enthielt
Galactanase
+ Mannanase
Zunahme1)
[g]
Futteraufnahme2)
[g]
Futteraufwand2)
[kg Futter/kg Zunahme]
-
1876 ± 40a
3107 ± 70a
1,66 ± 0,06
+
1460 ± 85b
2468 ± 151b
1,69 ± 0,06
1) n pro Gruppe =160 2) Wiederholungen pro Gruppe n = 4
Unterschiedliche Buchstaben innerhalb einer Spalte kennzeichnen signifikante Differenzen (p < 0,05)
(Vahjen et al., 2005)