Rational use of dietary enzymes and lipids to improve broiler performance and meat quality

Tese de Doutoramento em Ciências Veterinárias. Especialidade de Ciências Biológicas e Biomédicas. The importance of carbohydrate-binding modules (CBMs) and the use of novel enzymes with specific catalytic activities to improve the nutritive value of barley based diets for broilers and the effectiveness of a lipidic supplementation to improve the levels of benefic fatty acids in broilers meat remain to be investigated. In this work we studied the importance of a β-glucan binding domain (CBM11) when appended to three different enzymes (GH26GH5 and GH16, belonging to Clostridium thermocellum, and GH5, belonging to Celvibrio mixtus) to improve the nutritional quality of barley-based diets for broilers. In addition, the crystal structure and biochemical properties of a family 42 carbohydrate binding module (CBM) from Clostridium thermocellum, termed CtCBM42A, were investigated. Data presented here revealed that CBM11 has an important target effect in directing the appended catalytic modules to their target substrates, resulting in an improvement in broiler performance. However, this effect seems to be dependent on the level of supplementation. In addition, barley composition, namely its endogenous β-glucanase activity, influences the response to enzyme supplementation. Thus, exogenous enzymes were shown to be ineffective when used to supplement barleys expressing high endogenous β- glucanase activity. CtCBM42A revealed to be a type C CBM with three subdomains (α, β and γ), with affinity for arabinoxylan (arabinose side chains) and arabinan. The γ subdomain seems to dominate ligand recognition for arabinoxylan while the β and γ subdomains cooperate in arabinan recognition. Thus, CtCBM42A is potentially a good candidate for strategies aimed at improving the nutritive value of wheat-based diets for broilers. In order to improve the fatty acid profile of poultry meat, two different lipidic sources, extruded linseed and a subproduct of a marine alga (DHA goldTM), were used to supplement broiler diets. This experiment allowed the evaluation of the metabolic rates of the biosynthetic pathway of long-chain ómega 3 polyunsaturated fatty acids (LC n-3 PUFA).The supplementation of broiler diets with DHA goldTM and extruded linseed showed that conversion of linolenic acid in LC n-3 PUFA is not effective and, consequently, direct supplementation with LC n-3 PUFA seems to be the best option to enrich and improve LC n-3 PUFA in broilers meat. However, higher incorporation dosages of DHA goldTM could affect meat quality. RESUMO - Efeito da suplementação enzimática e lipídica de dietas para frangos no desempenho produtivo e na qualidade da carne - Uma melhor adequação da qualidade dos produtos animais, em concreto da carne de frango, às necessidades nutricionais dos consumidores, associada a uma maior eficiência de transformação dos alimentos para animais em produtos edíveis, são aspectos da maior importância prática na avicultura moderna e suscitam uma análise científica detalhada. Neste trabalho estudou-se a aplicação de um módulo de ligação ao β-glucano (CBM11), acoplado a três enzimas diferentes (GH26GH5 e GH16, ambas pertencentes ao Clostridium thermocellum, e a GH5, pertencente ao Celvibrio mixtus) na melhoria do valor nutritivo de dietas à base de cevada para frangos de carne. Foram também determinadas as propriedades bioquímicas e a estrutura cristalográfica do CBM da família 42 do Clostridium thermocellum, CtCBM42A. Os resultados demonstraram que o CBM11 tem um efeito importante no direccionamento do módulo catalítico das enzimas ao substrato, que resulta num aumento da performance zootécnica dos frangos de carne. No entanto, esse efeito parece estar dependente da dose enzimática aplicada. Demonstrou-se também que a composição das cevadas, principalmente a actividade endo-β-glucanásica, influencia o efeito da suplementação enzimática. Em cevadas com actividade endo-β-glucanásica alta a suplementação enzimática tem um efeito redundante não se obtendo melhoria da performance dos frangos de carne. O estudo do CBM42 revelou que se trata dum CBM do tipo C, com três subdomínios (α, β e γ), com afinidade para o arabinoxilano (nas suas cadeias laterais de arabinose) e arabinano. O subdomínio γ parece ser o responsável pela afinidade ao arabinoxilano enquanto o subdomínio β juntamente com o γ parecem interagir pela afinidade ao arabinano, revelando-se como um módulo potencialmente interessante para uma futura utilização na suplementação enzimática de dietas à base de trigo para frangos. Foram efectuados ensaios com frangos de carne cujas dietas foram suplementadas com semente de linho extrudida e um subproduto de algas marinhas (DHA goldTM) para estudar os seus efeitos no perfil dos ácidos gordos da carne e na qualidade da carne. Também se avaliou a extensão da bioconversão dos percursores ácidos linoleico (LA) e linolénico (LNA) nos seus homólogos de cadeia longa. Os resultados mostraram que a conversão dos ácidos gordos não é eficiente e por isso a suplementação directa com uma fonte de ácidos gordos de cadeia longa parece ser a melhor opção para melhorar o conteúdo de ácidos gordos ómega-3 de cadeia longa. No entanto, a qualidade da carne pode estar afectada negativamente em doses de incorporação elevadas de DHA goldTM. This work was funded by Fundação para a Ciência e a Tecnologia, grant SFRH/BD/32321/2006, and co-funded by POCI 2010 and FSE from Ministério da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior