CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. ĐẶC ĐIỂM CỦA NGUỒN NGUYÊN LIỆU THỨC ĂN GIÀU XƠ CHO GIA SÚC NHAI LẠI 1. Cấu trúc của thành tế bào thực vật Không giống như động vật, thực vật không có hệ thống xương nâng đỡ để chống lại tác động của trọng lực; thay vào đó, chúng sử dụng lực tích tụ trong thành tế bào có thể đủ mạnh để giữ cây nhưng đồng thời cho phép uốn và nén ở một số cây, chẳng hạn như khi có gió (Burton và cộng sự. Trong tự nhiên, các lớp của thành tế bào thực vật được minh họa bằng mô hình của gỗ (Hình 1.
Cấu trúc thành tế bào thực vật Ở giữa các tế bào, có một hợp chất đóng vai trò như keo dán gắn kết các tế bào lại với nhau, đó là lớp gian bào. Lớp này cấu tạo từ các chất keo, có bản chất là pectin và không có tác động về quang học. Bên trong là thành tế bào sơ cấp, được chia thành 2 mặt: bên trong và bên ngoài. Sự sắp xếp của các vi sợi trong thành tế bào sơ cấp theo hướng phân tán tăng dần từ mặt trong ra mặt ngoài.
Tiếp đến là thành tế bào thứ cấp gồm 3 lớp: lớp ngoài (S1), lớp giữa (S2) và lớp trong (S3). Sự phân chia thành tế bào thứ cấp thành 3 lớp S chủ yếu là 4 do sự định hướng khác nhau của các vi sợi trong ba lớp đó. Điển hình các vi sợi định hướng độ xoắn trong vách tế bào. Lớp ngoài của thành tế bào thứ cấp, các vi sợi được định hướng trong cấu trúc xoắn chéo có độ nghiêng tạo thành một góc lớn với trục dọc của tế bào.
Lớp giữa là lớp dày nhất và ở lớp giữa có góc nhỏ và độ nghiêng của sợi xoắn ốc trong khi vi sợi trong lớp 3 được sắp xếp như ở lớp ngoài, với một góc rộng với trục dọc của tế bào. Chức năng của thành tế bào là chống đỡ cho các cơ quan của cây đặc biệt là các vách dày và cứng. Nó còn có các chức năng quan trọng như hấp thụ, thoát hơi nước hay vận chuyển và bài tiết. Ngoài vai trò cấu trúc, thành tế bào còn là nguồn cung cấp năng lượng cho cây.
Ví dụ, hạt của nhiều loại ngũ cốc như ngô, lúa mì và gạo chứa nội nhũ chủ yếu là tinh bột, nhưng thành tế bào của lớp vỏ ngoài đóng vai trò như một nguồn năng lượng trong quá trình nảy mầm; Người ta ước tính rằng có tới 18% lượng glucose của hạt lúa mạch nảy mầm được giải phóng từ (1,3; 1,4) – β – D - glucans từ thành tế bào (Burton và cộng sự. Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực vật khác như cỏ, lúa, ngô… Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose, hemicellulose và lignin. Cellulose và hemicellulose là các đại phân tử cấu tạo từ các gốc đường khác nhau, trong khi lignin là một polymer dạng vòng được tổng hợp từ tiền phenylpropanoid. Thành phần cấu tạo và phần trăm của các polymer này là khác nhau giữa các loài.
Hơn nữa, thành phần cấu tạo trong cùng một cây hay các cây khác nhau là khác nhau dựa vào độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây và các điều kiện khác. Thành phần cellulose, hemicellulose và lignin trong thành tế bào thực vật chiếm tương ứng (35 – 50%); (20 – 35%) và (10 – 15%). Xenlulo Xenlulo là một phân tử mạch thẳng của β-glucan không hòa tan, gồm >15.000 gốc D-anhydroglucopyranose được liên kết với nhau bằng liên kết với cầu nối β (1 4). Công thức hóa học của xenlulo được minh họa qua Hình 1.
Công thức hóa học của cellulose Xenlulo hầu như chỉ được tìm thấy trong thành tế bào của thực vật và cây cối, nhưng nó cũng xuất hiện trong các sinh vật sống khác nhau như phân ngành động vật có dây sống, tảo và một số loài vi khuẩn dưới dạng màng exopolysaccharide tạo ra (Lynd và cộng sự., 2002; Khandelwal và Windle, 2013). Tuy nhiên, xenlulo do vi sinh vật tạo ra thường có các đặc tính khác với xenlulo do thực vật tạo ra nên ứng dụng của chúng cũng khác nhau (Lin và cộng sự. Xenlulo thực vật được thủy phân bởi nhiều xenluloza khác nhau: endoglucanas thủy phân các chuỗi xenlulo một cách ngẫu nhiên và tạo ra các đồng phân của xenlulo; exoglucanase tạo ra cellobiose bằng cách thủy phân các chuỗi cellulose nằm trong liên kết cuối cùng của chúng và các β glucosidase giải phóng glucose từ cellobiose (Beauchemin và cộng sự. Các thí nghiệm, sử dụng cellulose tinh khiết đã được dùng đánh giá một số nghiên cứu về quá trình thủy phân và sử dụng vi sinh vật.
Tuy nhiên, sinh khối xenlulo phức tạp hơn xenlulo tinh khiết vì nó tạo ra phức chất với hemixenlulo và lignin. Hơn nữa, có sự khác biệt giữa các mô của thực vật, ví dụ như mô 6 trung bì có thành tế bào mỏng hơn và ít hóa lỏng hơn, dễ bị phân hủy bởi các enzym sợi phân trong khi trung bì ở cây bệnh xơ cứng có độ hóa lỏng cao và có thành dày hơn nên enzym khó phân hủy (Lynd và cộng sự. Hemicellulose Hemicellulose là một nhóm polysaccharide không đồng nhất được đặc trưng bởi các liên kết β (1 4) trong cấu hình xích đạo, trong đó bao gồm xyloglucans và glucuronoxylans (có trong dicots), glucuronoarabinoxylans (trong cỏ và cây lá kim), glucomannans (dicots và cỏ) và galactoglucomannans (cây lá kim) (Scheller và Ulvskov, 2010). Công thức hóa học của Hemicellulose được minh họa qua Hình 1.
Công thức hóa học của hemicellulose Xylan là thành phần chính của hemixenluloza, sau xenluloza, polysaccharid có nhiều nhất trong tự nhiên, chiếm 30 35% thành tế bào của ngũ cốc và cỏ. Hemicellulose được coi là một phần quan trọng trong dinh dưỡng của động vật nhai lại (Paloheimo và cộng sự. Hemicellulose được tổng hợp trong thể Golgi của tế bào thực vật nhờ hoạt động của một số glycosyltransferase được tìm thấy giữa β - (1 4)-glucan synthase, β - (1 4)- xylan synthase, và β - (1 4) - mannan synthase (Scheller và Ulvskov, 2010). Lignin Lignin là một polyme phân nhánh được hình thành bởi bốn rượu (coniferyl, hydroxyconiferyl, coumaryl, và rượu sinapyl) từ phenylpropanoid của thực vật, tạo ra các dạng lignin khác nhau như: guaiacyl, 5hydroxygualacyl, phydroxyphenyl và syringyl lignin lắng đọng trong tế bào thành một phần của quá trình trưởng thành của cây, sau khi hoàn thành quá trình phát triển của tế bào (Moore và Jung.
Công thức hóa học của lignin được minh họa qua Hình 1. Công thức hóa học của lignin Tỷ lệ của các hợp chất phenolic thay đổi tùy thuộc vào bản chất của loài thực vật, cơ quan và các lớp thành tế bào (Taiz và Zeiger. Dạng guaiacyl lignin đại diện cho 95% lignin được tìm thấy trong thực vật hạt trần, trong khi có một lượng lớn cả hai dạng syringyl và guaiacyl lignin trong thực vật hạt kín. Dạng hydroxyphenyl lignin được tìm thấy trong hầu hết các loại thực vật với một lượng nhỏ, nhưng dạng này cũng được tìm thấy trong một loại ngô (Bm3).
Quá trình sinh tổng hợp lignin bắt đầu bằng phenylalanin. Tiền chất thứ hai là 8 tyrosine hoạt động thông qua tyrosinelyase ammoniac để tạo thành axit coumaric. Các enzym khác tham gia vào quá trình tổng hợp lignin là phenylalanin amoniaclyase, cinnamate 4hydroxylase, 4coumaroyl hydroxylase, 0methyltransferase, lên men 5hydroxylase, 4coumarateCoA ligase, 4coumaroylCoA hydroxylase, caffeoylCoA 0methyltransferase, cinnamoylCoA reductase, cinnamyl alcohol dehydrogenase và peroxidase (Moore và Jung. Lignin có trọng lượng phân tử cao, tạo độ cứng cho thành tế bào của thực vật, nên hạn chế sự sẵn có của carbohydrate cấu trúc đối với vi sinh vật dạ cỏ (Van Soest.
Do đó, điều này làm hạn chế khả năng tiêu hóa lignin và tính sẵn có tổng thể về chất dinh dưỡng trong thức ăn thô xanh (Jung và Allen. TIÊU HÓA XƠ Ở GIA SÚC NHAI LẠI 1. Sơ lược chức năng của dạ cỏ Đặc điểm nổi bật của bộ máy tiêu hoá ở gia súc nhai lại là những khoang phình lớn, tại đây có các điều kiện môi trường thuận lợi cho vi sinh vật lên men hydrat-cabon và các chất hữu cơ khác. Sản phẩm chủ yếu của quá trình lên men tại đây là các axit béo bay hơi, CH4, CO2 và ATP chất mang năng lượng cần thiết cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển.
Nhờ cấu tạo đặc biệt của cơ quan tiêu hoá, gia súc nhai lại có thể tiêu hoá một khối lượng lớn xenlulo và các nguồn nitơ vô cơ. Dạ dày của gia súc nhai lại gồm 3 túi ở phía trước: dạ cỏ, dạ tổ ong, dạ lá sách chúng còn được gọi là dạ dày trước và một túi nằm phía sau: dạ múi khế chức năng tiêu hoá của phần này giống như dạ dày ở động vật dạ dày đơn. Phần dạ dày trước thường chiếm khoảng 70 75% tổng dung tích của cơ quan tiêu hoá. Trong dạ dày trước, dạ cỏ là phần lớn nhất có dung tích khoảng 100 lít ở bò trưởng thành khối lượng từ 500 600 kg (chiếm hơn 90% dung tích dạ dày 9 trước).
Quá trình lên men thức ăn xảy ra ở dạ cỏ và dạ tổ ong. Dạ cỏ có các điều kiện thuận lợi cho hoạt động của quần thể vi sinh vật yếm khí như: Môi trường dạ cỏ gần như trung tính (pH = 6,5 7,4) và tương đối ổn định nhờ tác dụng đệm của muối phốt phát và bicacbonat của nước bọt. Nhiệt độ trong dạ cỏ khá ổn định, dao động từ 38 410C. Môi trường yếm khí.
Thức ăn vào dạ cỏ cung cấp chất dinh dưỡng đều đặn cho vi sinh vật phát triển Dịch dạ cỏ có khoảng 85 – 90% nước, độ ẩm cao: 80 90%. Nồng độ oxy (O2) dưới 1%. Nhu động của dạ cỏ yếu nên thức ăn lưu lại lâu. Các sản phẩm của quá trình lên men luôn luôn được trao đổi qua thành dạ cỏ, vì vậy chênh lệch nồng độ cơ chất luôn luôn thích hợp cho quá trình lên men.
Do có các điều kiện thuận lợi, nên vi sinh vật dạ cỏ phát triển mạnh về số lượng, đa dạng về chủng loại: chúng bao gồm vi khuẩn, nấm, protozoa, mycoplasma, các loại virút và thể thực khuẩn. Mycoplasma, virút và thể thực khuẩn không đóng vai trò quan trọng trong tiêu hoá xơ. Số lượng vi sinh vật trong dạ cỏ có thể đạt tới trên 1010/ml dịch dạ cỏ và chiếm khoảng 60% sinh khối vi sinh vật trong dịch dạ cỏ (Hungate, 1966). Những vi sinh vật chủ yếu tiêu hoá các hyđrat-cacbon vách tế bào thực vật bao gồm các chủng như Ruminococcus flavefaciens, Ruminococcus albus, Bacteroides succinogenes và một số lượng ít hơn là Butyrivibrio fibrisolvens (Baldwin và Allison, 1983).
Khoảng 75% vi khuẩn trong dịch dạ cỏ bám dính vào các hạt thức ăn (Forsberg và Lam, 1977).