Vertering van arabinoxylan en functionaliteit van endoxylanasen in functie van leeftijd in vleeskuikens gevoed met tarwe-gebaseerde voeders

Tarwe (Triticum aestivum L.) is één van de belangrijkste graansoorten die gebruikt wordt als bron van energie in vleeskuikenvoeders in Europa. De dieetvezelfractie van deze voeders bestaat echter uit niet-zetmeelhoudende koolhydraten, voornamelijk arabinoxylanen (AX), die gekend zijn voor het opwekken van antinutritionele effecten in het maag-darmstelsel van vleeskuikens. Om deze antinutritionele effecten te voorkomen, worden endo-β-1,4-xylanasen standaard toegevoegd aan op tarwe gebaseerde voeders voor vleeskuikens. Sinds 1990 wordt de werking van deze voederenzymen verklaard aan de hand van drie verschillende mechanismen. Deze werkingsmechanismen omvatten enerzijds het openbreken van de tarwecelwanden waarbij de ingesloten nutriënten vrijgegeven worden, en anderzijds het verminderen van de intestinale viscositeit. De laatste jaren trad het derde werkingsmechanisme meer op de voorgrond. Hierbij wordt het gunstige effect van endoxylanasen toegeschreven aan de vorming van prebiotische arabinoxylan-oligosachariden (AXOS). Deze prebiotische oligosachariden zouden het risico op infectie met pathogenen sterk reduceren en de samenstelling van de darmmicrobiota positief beïnvloeden. Ondanks de ruime kennis over deze voederenzymen is er in de praktijk niet altijd een verbetering te zien in de dierperformantie in functie van het vleeskuikenbedrijf, de groep en leeftijd van het vleeskuiken wanneer endoxylanasen zijn toegevoegd aan de voeders. Mede doordat er een grote variatie aan gastheer-, dieet- en enzymgerelateerde factoren heerst op de verschillende vleeskuikenbedrijven, wordt een éénduidig begrip van het werkingsmechanisme vaak bemoeilijkt. Daarom is er tot op vandaag nog steeds een gebrek aan inzicht in hoe deze enzymen precies werken in het maag-darmstelsel van vleeskuikens, met als gevolg dat er de laatste jaren weinig innovaties met betrekking tot deze voederenzymen het licht zagen.

Om een bijdrage te kunnen leveren aan de huidige kennis over de vertering van AX als dieetvezel in het maag-darmstelsel van vleeskuikens en de functionaliteit van endoxylanasen, werd in deze doctoraatsstudie een grondige evaluatie gedaan van het AX-verteringsproces en de fermentatieprofielen in het maag-darmstelstelsel in functie van de vleeskuikenleeftijd. De impact van verschillende AX-substraten en van verschillende soorten en dosissen van endoxylanasepreparaten op deze AX-vertering werd meer in detail onderzocht.

In dit onderzoek stelden we vast dat de leeftijd van het vleeskuiken en de leeftijdsgerelateerde ontwikkeling van de darmmicrobiota zeer belangrijke factoren zijn in de bepaling van de verteerbaarheid van AX en de werking van endoxylanasen in het maag-darmstelsel van vleeskuikens. Er werden zeer lage verteringscoëfficiënten voor AX vastgesteld in jonge vleeskuikens die erop duiden dat de microbiota die zich als eersten nestelden niet in staat waren om AX uit het voeder te fermenteren. Toch is er een evolutie naar een microbiële gemeenschap vastgesteld die wel in staat was deze AX goed te fermenteren naarmate de vleeskuikens ouder en slachtrijp werden. Dit werd waargenomen in de sterke toename van de waarden van de AX-verteringscoëfficiënten opgemeten bij oudere vleeskuikens.

Doordat het prebiotisch werkingsmechanisme vandaag de dag soms wordt aanzien als het belangrijkste werkingsmechanisme van endoxylanasen, werd de bijdrage van AXOS, een hydrolyseproduct van AX, op de leeftijdsafhankelijke vertering van AX nader onderzocht. Naast de welgekende prebiotische - en gezondheidseffecten van AXOS-toevoeging, werden in deze studie de bijkomende effecten van een 0.50% toevoeging van AXOS aan een tarwegebaseerd voeder dat geen endoxylanasen bevatte, geëvalueerd. Een opmerkelijke vaststelling hierbij was dat AXOS het potentieel bezit om de initiële fermentatiecapaciteit van de eerst genestelde microbiota een kickstart te geven waardoor deze kuikens van jongs af aan een gestaag verteringsproces van de AX-fractie vertonen. Mogelijke verklaringen voor dit kickstartereffect zijn een verrijking van AX-degraderende microbiële soorten en/of een stimulerend effect op de secretie van darmhormonen die op hun beurt weer een gunstige invloed uitoefenen op de fysiologie van het maag-darmstelsel.

De afwezigheid van commercieel geproduceerd AXOS laat echter niet toe dit nutriënt te gebruiken in vleeskuikenvoeders. In een tweede vleeskuikenproef werd daarom verder gezocht naar de mogelijke gunstige effecten van gemodificeerde tarwezemelen op AX-vertering. In deze studie werd afgetoetst of toevoeging van 1.0% gemodificeerde tarwezemel eenzelfde kickstartereffect kan induceren op de microbiota van het jonge vleeskuiken net zoals bij toevoeging van 0.50% AXOS. Bijkomend werd er nader onderzocht of de combinatie van deze gemodificeerde vezel met een endoxylanase dit kickstartereffect eventueel nog verder kon versterken. De resultaten toonden aan dat gemodificeerde tarwezemel de productie van boterzuur sterk verhoogde in het caeca van slachtrijpe vleeskuikens. Ondanks dit gunstig effect, werd geen verbeterde vertering van AX waargenomen ten opzichte van de controlegroep. De toevoeging van een endoxylanase aan het voeder resulteerde echter wel in een verbeterde AX vertering bij het jonge kuiken. En ook al bleef het synergistisch effect op de AX vertering achterwege wanneer zowel een endoxylanase als gemodificeerde tarwezemel werd toegevoegd, toch kan op basis van de verkregen resultaten verondersteld worden dat in de praktijk de supplementatie van beiden kan resulteren in een verbeterde algemene gezondheidsstatus en voorkomen van het vleeskuiken. De chemische en fysische structuur van AX in het dieet zijn dus zeer belangrijke factoren die de werkzaamheid van endoxylanasen en de aard van microbiële responsen zullen bepalen. Om tot verdere inzichten van dit kickstartereffect te komen zal de microbiële populatie in de toekomst verder in detail onderzocht moeten worden.

In een laatste dierproef werd het effect van twee types (afkomstig van de micro-organismen B. subtilis of N. flexuosa) en drie doseringen (10, 100, 1000 ppm) van commerciële endoxylanasepreparaten op de vertering van AX in functie van de vleeskuikenleeftijd geëvalueerd. Zolang de dosering van de endoxylanasepreparaten voldoende hoog was, kon de voederconversie aanzienlijk verbeterd worden in vergelijking met de controlegroep. De toevoeging van een verschillend type endoxylanasepreparaat resulteerde in de aanmaak van een heterogene pool van hydrolyseproducten van AX in het achterste gedeelte van het maag-darmstelsel. De zo gevormde pool aan AX-substraten vertoonde een zeer grote variatie in structurele en fysicochemische kenmerken. Endoxylanasen geproduceerd door de bacterie B. subtilis  verbeterde de vertering van AX door een grote pool aan oplosbare substraten te creëren in de dunne darm zonder daarbij enig nefast effect op de intestinale viscositeit te vertonen. Endoxylanasen geproduceerd door de bacterie N. flexuosa daarentegen prikkelde de AX-vertering en fermentatie ter hoogte van de caeca door het efficiënt aanvoeren van gemakkelijk fermenteerbare substraten met een korte ketenlengte en lage arabinose:xylose ratio. Vanuit deze vleeskuikenproef werd dan ook geconcludeerd dat endoxylanasen de AX-populatie zodanig moeten hydrolyseren dat enerzijds de antinutritionele effecten van AX afnemen en anderzijds de fermentatiecapaciteit van de microbiota in de caeca van jonge vleeskuikens wordt gestimuleerd. Deze strategie zal hoogstwaarschijnlijk leiden tot de beste resultaten met betrekking tot de diergezondheid en -performantie.

Het onderzoek in dit doctoraat heeft geleid tot nieuwe inzichten en strategieën met betrekking tot AX en endoxylanasen in veevoeders. Deze kunnen aangewend worden om zowel de kolonisatie van AX-degraderende microbiële species in jonge vleeskuikens te stimuleren als om de algemene verteerbaarheid van de AX-fractie van het voeder te verhogen. De leeftijd van het vleeskuiken, maar ook de samenstelling van AX-substraten in de voedermatrix blijken twee zeer belangrijke factoren te zijn die zowel de AX-vertering als de werkzaamheid van endoxylanasen in het maag-darmstelsel sterk bepalen. Deze twee factoren dienen in de praktijk in acht te worden genomen bij het formuleren van de vleeskuikenvoeders; dit om een verdere optimalisatie van zowel de functionele als de nutritionele waarde van dieetvezel voor het vleeskuiken mogelijk te maken. Verdere ontwikkelingen in de analytische methodes waarbij de afbraak van dieetvezel en de productie van microbiële metabolieten bij fermentatie van deze dieetvezel in vivo continu kan opgevolgd worden, zal toelaten om de complexiteit omtrent het werkingsmechanisme van voederenzymen in het algemeen en meer specifiek dit van endoxylanasen in de nabije toekomst verder te ontrafelen.