Во многих азиатских странах занимаются производством ферментных добавок, чтобы эффективно использовать низкокачественную солому для кормления жвачных животных, поскольку стоимость кормов хорошего качества часто высока, а доступность ограничена. Низкокачественные корма часто называют «лигноцеллюлозными», так как они богаты целлюлозой, которая связана с лигнином, имея при этом низкую степень усвояемости организмом животного. Целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин являются сложными составляющими лигноцеллюлозных веществ. Целлюлоза представляет собой линейный полимер глюкозы, связанный посредством -1,4-связей, образующих структуры, которые очень трудно растворить. Гемицеллюлоза представляет собой полисахарид, состоящий из гексоз, пентоз и глюкуроновой кислоты. Гемицеллюлоза сравнительно более растворима, чем целлюлоза, и имеет разветвления. Ксилан является наиболее распространенным гемицеллюлозным компонентом травы и древесины, и в комплексе с такими веществами, как лигнин и целлюлоза, его растворение организмом животного усложняется. Лигнин представляет собой очень нерегулярный и нерастворимый полимер, состоящий из фенилпропаноидных субъединиц. В отличие от целлюлозы или гемицеллюлозы, в нем отсутствуют цепи, содержащие повторяющиеся субъединицы, что чрезвычайно затрудняет его расщепление микроорганизмами. Активности микробиоты рубца (бактерии, простейшие и грибы), даже с ее ферментами, недостаточно, чтобы эффективно разорвать связи лигнина.
Эффективное преобразование богатых энергией углеводов (целлюлозы, гемицеллюлозы) в растительной массе в доступные сахара является технически сложной задачей, поскольку эти материалы естественным образом эволюционировали, чтобы противостоять распаду в организме животного. Это происходит из-за сложных волокнистых структур, которые создают физические барьеры для доступности углеводов для ферментативного расщепления. Были предприняты многочисленные попытки улучшить пищевую ценность соломы с помощью предварительной обработки, чтобы повысить усвояемость, но коммерческое применение этих предварительных обработок ограничено из-за стоимости и потенциальных опасностей для окружающей среды. Для разложения лигнина и улучшения ферментативного осахаривания применялся широкий спектр методов предварительной обработки, включая использование разбавленной кислоты, паровую обработку, изменение аммиачного волокна, обработку известью и органическими растворителями, но эти методы производят нежелательные побочные продукты, которые тормозят последующие процессы. Кроме того, традиционная предварительная обработка требует больших затрат энергии и ресурсов (воды), что приводит к потерям углеводов.
Биологическая обработка таких растительных остатков с использованием грибов белой гнили (WRF) может высвобождать свободную целлюлозу и, таким образом, увеличивать пищевую ценность для жвачных животных. Преобразование биомассы с помощью грибковых ферментов безопасно и экологически обосновано. При этом используются микроорганизмы, в основном грибы белой и мягкой гнили, актиномицеты и бактерии, которые разлагают лигнин в мягких условиях.
Ферментные добавки для жвачных животных выделяют сами собой концентрированные ферменты, состоящие в основном из гемицеллюлаз, целлюлаз и лигниназ, получаемых в результате бактериального или грибкового брожения, обладающих специфической ферментативной активностью. Использование экзогенных ферментов, расщепляющих клетчатку, является перспективным методом повышения питательной ценности соломы, поскольку предполагается, что стомость ферментов в будущем снизится с потенциальной технологией ферментации и альтернативных систем производства ферментов. Ферментные продукты, наиболее часто используемые в питании животных, обычно представляют собой смеси белков, обладающих несколькими ферментативными активностями. Большинство коммерчески доступных экзогенных ферментных продуктов, разлагающих клетчатку, состоит из целлюлаз и ксиланаз, которые производятся для некормовых целей.
Целлюлоза и гемицеллюлоза, основные структурные полисахариды, превращаются в растворимые сахара под действием целлюлолитических и гемицеллюлолитических ферментов (целлюлаз и гемицеллюлаз). Типы целлюлаз и гемицеллюлаз существенно различаются среди коммерческих ферментных продуктов в зависимости от микробного источника и субстрата, используемых для производства, и эти различия в чистоте и специфической активности влияют на эффективность расщепления клеточной стенки.
Двадцать два коммерческих ферментных продукта было исследовано на биохимические характеристики и на деградацию сена люцерны и кукурузного силоса в рубце in vitro. Обработка ферментами отдельно или в сочетании с другими видами обработки может увеличить разлагаемость соломы злаковых микроорганизмами рубца. Кроме того, использование фибролитических ферментов в кормах для жвачных показало улучшение среднесуточного прироста бычков, а также надоев от молочных коров. При использовании в сочетании с другими предварительными обработками они могут повышать способность к разложению и улучшать ферментацию, например: ксиланаза или целлюлаза в сочетании с аммиаком, целлюлаза в сочетании с предварительной обработкой паром. Ожидается, что использование комбинаций фибролитического фермента с этими предварительными обработками окажет значительный эффект на улучшение питательных свойств соломы.
Расхождения в результатах использования продуктов экзогенных ферментов в рационах жвачных животных могут быть связаны с добавками либо с недостаточной или чрезмерной активностью ферментов. Несмотря на то, что ферментативная активность имеет важное значение для контроля качества, эти показатели практически не имеют отношения к качеству пищевых добавок для жвачных животных. Отсутствие реакции на низкие уровни активности фермента могут быть вызваны недостаточной концентрацией в рационе или использованием компонентов, тормозящих активность ферментов. Избыток экзогенного фермента, прикрепленного к корму, может ограничивать крепление микробов и переваривание корма. Однако на сегодняшний день не существует минимального уровня ферментативной активности, установленного для продуктов, контрольной регистрации в качестве пищевых ферментов.
Факторами, влияющими на применение экзогенных ферментов, являются тип, концентрация, активность, метод применения фермента, энергетический баланс животного и т. д. Ожидается, что реакция животных на экзогенные ферменты будет наибольшей в ситуациях, когда нарушено переваривание клетчатки и когда энергия является первым ограничивающим питательным фактором в рационе. Высокопродуктивным молочным коровам и растущему крупному рогатому скоту требуется высокий уровень доступной энергии для производства молока или мяса. Результаты показывают, что экзогенные ферменты улучшают переваривание корма, когда потенциальная усвояемость рациона не достигается из-за нарушения пищеварения. Реакция на экзогенные ферменты выше у дойных коров в начале лактации, чем у коров в поздней лактации.
Механизм действия кормовых ферментов представляет собой очень сложный процесс. Эти ферменты, как правило, более стабильны в рубце, если их вводят в корм перед началом потребления рациона. Введение ферментов в корм усиливает связывание с субстратом, что повышает устойчивость ферментов к распаду и продлевает время пребывания в рубце. В рубце тесная связь между пищеварительными бактериями и частицами корма приводит к концентрации пищеварительных ферментов вблизи их специфических субстратов. Чем больше доля рациона, обработанного ферментами, тем больше шансов, что ферменты не распадутся в рубце. Без этого стабильного комплекса «корм-фермент» ферменты склонны растворяться в рубцовой жидкости и быстро выходить из рубца. Добавление экзогенных ферментов в рацион увеличивает гидролитическую способность рубца, в основном за счет увеличения прикрепления бактерий, стимуляции микробных популяций рубца и синергетического действия с гидролазами микроорганизмов рубца. Чистый эффект приводит к повышению ферментативной активности в рубце, что повышает усвояемость всего корма. Таким образом, улучшение усвояемости не ограничивается компонентами рациона, к которым применяются ферменты.