Etude in vitro de l’effet de la concentration en enzymes fibrolytiques exogènes sur l’utilisation digestive des pulpes de tomates

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Volume Spéciale - Conférence IABC 2015, Article 26

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K. ABID

H. YAICH

J. JABRI

A. MALEK

J. REKHIS

M. KAMOUN

École Nationale de Médecine Vétérinaire, Service d’alimentation et de nutrition animale: Sidi Thabet – Tunis, Tunisie.

Abstract-In the literature, studies concerning the effect of exogenous fibrolytic enzymes on ruminal digestibility of by-products are very limited even absents for some by-products in particular of tomato pomace. In this context, we suggest to study the effect of such supplementation at different concentrations on digestibility of this by-product that is very abundant in Tunisia. Therefore, the gas production technique in vitro in the syringes was used to examine the fermentation characteristics. An enzymatic complex constituted by a mixture of cellulase and xylanase (1: 1, v / v) was used following increasing concentrations (C₀ = 0, C_1.2 = 1.2, C_2.4= 2.4, C_4.8 = 4.8, C_9.6 =9.6 and C_19.2 = 19.2 mg / g DM). Compared to the control diet (untreated: C₀), the organic matter degradability, metabolizable energy and short-chain fatty acids are improved significantly (P <0.05) only with C_1.2 concentration. With C_2.4 concentration, these parameters remain the same as the control diet (P> 0.05). On the other hand, with higher concentrations (from C_4.8 to C_19.2), these values decrease significantly (P <0.05). That supplementation has no significant effect on most of the parameters of the kinetics of GP. It is only with the higher concentrations (from C_4.8 to C_19.2) the fermentation rate is reduced significantly. It appears from this study that exogenous fibrolytic enzymes influence rumen fermentation and the food value only in low concentration (1.2 mg) with higher concentrations, the effect is totally inversed.

Keywords: cellulase, xylanase, tomato pomace, digestibility

Résumé - Dans la littérature, les études qui concernent l’effet d’une supplémentation en enzymes fibrolytiques exogènes sur la digestibilité ruminale des sous-produits agroalimentaires restent très limitées voire même absentes pour quelques sous-produits notamment les pulpes de tomates. Dans ce contexte, nous proposons d’étudier l’effet d’une telle supplémentation à différentes concentrations sur l’utilisation digestive de ce sous-produit disponible en grandes quantités en Tunisie. De ce fait, la technique de production de gaz in vitro dans les seringues a été utilisée pour examiner les caractéristiques fermentaires de l’aliment. Un complexe enzymatique constitué d’un mélange de cellulase et de xylanase (1:1, v/v) a été utilisé suivant des concentrations croissantes (C₀ = 0, C_1.2 = 1.2, C_2.4 = 2.4, C_4.8 = 4.8, C_9.6 = 9.6 et C_19.2 = 19.2 mg/ g MS). Par rapport à l’aliment témoin (non supplémenté : C₀), la digestibilité de matière organique, la teneur en énergie métabolisable et la production d’acides gras volatils se sont améliorées d’une manière significative (P < 0.05) uniquement avec la concentration C_1.2. Avec la concentration C_2.4, ces paramètres restent identiques à ceux de l’aliment témoin (P > 0.05). Par contre, avec des concentrations plus élevées (de C_4.8 à C_19.2), ces valeurs diminuent d’une manière significative (P < 0.05). On note que la supplémentation n’a pas d’effet significatif sur la plupart des paramètres de la cinétique de production de gaz quelle que soit la concentration du complexe. C’est uniquement avec les concentrations élevées (de C_4.8 à C_19.2) que la vitesse de fermentation a diminué d’une manière significative. Il ressort de cette étude que les enzymes fibrolytiques exogènes n’influencent la fermentation ruminale et la valeur alimentaire du sous-produit utilisé qu’avec une faible concentration (1.2 mg d’enzymes/ g de MS). Avec des concentrations plus élevées, l’effet est totalement inverse.

Mots clés: cellulase, xylanase, pulpes de tomate, digestibilité

      1. Introduction

Les pulpes de tomates sont les résidus de l’industrie de fabrication du concentré de tomates qui représentent 5 à 10% du poids des tomates fraiches (Ventura et al. 2009). Ce sous-produit composé essentiellement de peaux, de pépins et de pédoncules, peut être parfois mélangé de feuilles et de tiges (Paragon et al. 2004). En Tunisie, la production de ce sous-produit est estimée à 34000 tonnes (Lebas 2010). Destiné essentiellement à l’alimentation des bovins, ce sous-produit peut être utilisé à l’état frais, ensilé ou encore déshydraté (Chumpawadee et al. 2007; Gupta et al. 1993; Weiss et al. 1997). Il est bien caractérisé par sa teneur non négligeable en protéines et sa faible digestibilité (Abbeddou et al. 2011). D’autre part, plusieurs études montrent l’effet bénéfique des enzymes fibrolytiques exogènes utilisées comme additifs alimentaires permettant d’améliorer l’utilisation digestive des aliments et les performances des animaux laitiers (Bassiouni et al. 2010; El-Bordeny et al. 2015;Holtshausen et al. 2011). Cependant, l’effet de ces enzymes reste dépendant de plusieurs facteurs notamment la nature du substrat, la concentration et le mode d’incorporation des enzymes (Holtshausen et al. 2011; Lewis et al. 1996). En effet, Lewis et al. (1996) ont montré que les enzymes demeurent plus efficaces lorsqu’elles sont directement pulvérisées sur l’aliment, que si elles sont incorporées dans le rumen. Toutefois, les études qui concernent l’effet d’une telle supplémentation sur l’utilisation digestive des sous-produits agroalimentaires restent très limitées voire même absentes pour quelques-uns notamment les pulpes de tomates. Le but de cette étude consiste à chercher la concentration optimale en enzymes fibrolytiques qui améliore nettement la valeur alimentaire des pulpes de tomates tout en utilisant la méthode in vitro décrite par Menke et Steingass (1988).

2. Matériel et méthodes

   1. Collecte et analyses chimiques

Durant cette étude, les pulpes de tomates utilisées ont été collectées d’une usine de fabrication de concentré de tomates située dans les banlieues de Tunis. Les différentes teneurs en matière sèche (MS), en matière organique (MO), en matières azotées totales (MAT), en cellulose brute (CB), en extrait éthéré (EE), en matières minérales (MM), en calcium (Ca) et en phosphore (P) ont été déterminées suivant les méthodes décrites et adoptées par les AOAC (1990). La valeur énergétique de ce sous-produit (exprimée en UFL et en UFV) a été déterminée selon les équations de Sauvant (1981). De même, sa valeur nutritive azotée (exprimée en PDIN et en PDIE) a été prédite selon les équations proposées par Vérité et Sauvant (1981) tout en utilisant la solubilité des MAT proposée par Chapoutot et al. (1990).

2. Traitement par les enzymes fibrolytiques exogènes

Les pulpes de tomates ont été pulvérisées par un complexe enzymatique composé de deux enzymes commerciales qui sont la cellulase plus (ayant une activité en cellulase de 30000 à 36000 unités par g et en ß-glucanase de 7500 à 10000 unités par g) et la xylanase plus (ayant une activité en xylanase de 34000 à 41000 unités par g, en ß-glucanase de 12000 à 15000 unités par g et en cellulase de 45000 à 55000 unités par g). Ces deux enzymes (Dyadic International, Jupiter, FL, USA) qui sont extraites à partir Trichoderma longibrachiatum, ont été mélangées suivant les proportions (1:1/v:v) pour constituer le complexe enzymatique. Ce dernier a été utilisé suivant des concentrations croissantes comme suit : C₀ = 0, C_1.2 = 1.2, C_2.4 = 2.4, C_4.8 = 4.8, C_9.6 = 9.6 et C_19.2 = 19.2 mg par g de MS d’échantillon.

3. Incubation in vitro : production de gaz dans les seringues :

La méthode in vitro décrite par Menke et Steingass (1988) a été utilisée pour étudier la cinétique de production de gaz dans des seringues en verre ayant une capacité de 100 ml. L’inoculum utilisé pour l’incubation est obtenu à partir du jus de rumen d’une vache de race Brown Swiss équipée d’une canule ruminale. Ayant subit une diète hydrique de 12 heures, cette femelle à l’entretien reçoit deux fois par jour une ration complète composée d’aliment concentré et de foin d’avoine. La collecte de jus du rumen a été réalisée avant le repas du matin par l’intermédiaire d’une pompe manuelle. Une fois filtré, le jus de rumen est mélangé avec la solution tampon de Menke et Steingass (1988) en proportion 1:2 (v/v) pour constituer l’inoculum d’incubation. Les seringues contenant une prise d’essai de 200 mg d’aliment et 30 ml d’inoculum ont été immédiatement fermées par des pinces, agitées et puis placées dans un incubateur à 39°C. Pour chaque seringue, la production de gaz a été enregistrée après 2, 4, 6, 8, 12, 24, 48, 72 et 96 heures d’incubation. Pour chaque point de cinétique, trois répétitions ont été prévues.

4. Calcul des paramètres étudiés :

L’ajustement des cinétiques de la production de gaz dans les seringues a été réalisé suivant le modèle décrit par France et al. (2000) et où les différents paramètres ont été estimés par la régression non linaire du logiciel SAS (2003) :

PG (t)= b (1 – e ^(-c(t-lag))

PG = la production cumulative de gaz (ml/ 200 mg MS) à un temps d’incubation t

b = la production potentielle de gaz (ml/ 200 mg MS)

c = la vitesse de production de gaz (ml/ h)

lag : le temps de latence (h).

La digestibilité de la matière organique (dMO) et la teneur en énergie métabolisable (EM) ont été déterminées selon les équations spécifiques de Menke et Steingass (1988) suivantes :

dMO (%) =14.88 + 0.889 GP + 0.45 MAT + 0.0651MM

EM (MJ / kg MS) = 2.2 + 0.136 GP + 0.057 MAT + 0.0029 MAT²

PG : est la production de gaz en ml / 200 mg de MS d'échantillon après 24 h d'incubation

MAT : est la teneur en matières azotées totales exprimée en % de la MS

MM : est la teneur en matière minérale exprimée en % de la MS

EE : est la teneur en extrait éthéré exprimée en % de la MS.

La production d’acides gras volatils (pAGV) a été calculée selon l’équation spécifique décrite par Getachew et al. (2002) :

pAGV (mmol/ 200 mg MS) = 0.00425 + 0.0222 GP

5. Analyse statistique

L’analyse des données a été basée sur l’utilisation de la procédure GLM du logiciel SAS (2003). Le test de Duncan (α = 0.05) a été utilisé pour la comparaison des moyennes. Le modèle statistique utilisé est le suivant :

Y _ij = U + C _i+ e_ij

Avec

Y_ij : l’observation i; U: moyenne générale; C _i: effet de concentration i; e _ij : erreur résiduelle.

2. Résultats et discussion

Les différentes teneurs en MO, en MAT, en CB, en EE, en minéraux et extractifs non azotés (ENA) des pulpes de tomates étudiées sont présentées dans le tableau 1. Ces valeurs peuvent être plus ou moins similaires avec celles trouvées par Denek et Can (2006), Gupta et al. (1993) et Peiretti et al. (2012), mais différentes de celles trouvées par Fondevila et al. (1994), Maheri-Sis et al. (2012) et Weiss et al. (1997). Cette variabilité, constatée d’une étude à une autre, est due non seulement à l’aspect variétal des tomates d’origine, mais aussi aux différentes méthodes de presse utilisées lors de la fabrication du concentré de tomates (Salajegheh et al. 2012). Les pulpes de tomates obtenues diffèrent ainsi par leurs teneurs en peaux, en pépins, en pédoncules et même en feuilles. De même, la variabilité des teneurs en minéraux peut être éventuellement due à une contamination des tomates par le sol (Mirzaei-Aghsaghali et al. 2011).

D’autre part, et comme le montrent les résultats du tableau 2, la supplémentation en enzymes fibrolytiques exogènes n’a pas d’effet significatif sur les quantités de gaz produites pendant les 8 premières heures d’incubations, quelle que soit la concentration d’enzymes utilisée. Ce n’est qu’après 24 heures d’incubation et avec une faible concentration (C_1.2) que cette supplémentation commence à améliorer la production de gaz. En revanche, avec des concentrations plus élevées, l’effet de cette supplémentation devient totalement inverse (de C_2.4 à C_19.2). 

L’ajustement de cinétique de production de gaz montre que l’effet de la supplémentation en enzymes fibrolytiques exogènes n’est bénéfique qu’à faible concentration (C_1.2) (figure 1).

On remarque que cette supplémentation n’a pas d’effet significatif sur la plupart des paramètres de la cinétique de production de gaz quelle que soit la concentration du complexe. C’est uniquement avec des concentrations élevées (de C_4.8 à C_19.2) que la vitesse de fermentation diminue d’une manière significative, ce qui explique l’effet inverse de cette supplémentation (tableau 3).

Les pulpes de tomates utilisées dans cette étude se caractérisent par une dMO de l’ordre de 35.9%. Ce résultat concorde bien avec ceux trouvés par Chumpawadee et al. (2007) qui varient de 32.7% après 24 h d’incubation à 36.7% après 96 h d’incubation. Par contre, il se trouve nettement plus faible que celui déterminé par Maheri-Sis et al. (2012) qui est de 53.2%. Quant à la valeur énergétique, ces pulpes se caractérisent par une EM de 6.27 MJ / kg MS. Cette teneur se trouve aussi intermédiaire entre la valeur de 4.9 MJ/ kg MS trouvée par Chumpawadee et al. (2007) et la valeur de 8.0 MJ/ kg MS trouvée par Maheri-Sis et al. (2012). D’autre part, et comme le montrent les résultats du tableau 4, la supplémentation en enzymes fibrolytiques exogènes avec la faible concentration C_1.2 améliore d’une manière hautement significative la dMO, la tEM et la pAGV des pulpes des tomates étudiées.

Cette amélioration pourrait être expliquée par le fait que les cellulases et les xylanases agissent directement sur les liaisons β1-4 de la cellulose et de l'hémicellulose pour libérer des sucres solubles (Bhat et Hazelwood 2001). De même, l’utilisation de ces enzymes fibrolytiques modifie la structure du substrat en augmentant les surfaces de contact avec les microorganismes du rumen (Sprey et Bochem 1992). L’attachement de ces microorganismes favorise ainsi une meilleure digestibilité du substrat (Morgavi et al. 2004 ; Wang et al. 2012). Cependant, les concentrations élevées de C_{4.8 à} C_19.2 présentent un effet totalement inverse. Ceci pourrait être lié à une éventuelle concurrence entre les enzymes fibrolytiques et les microorganismes pour occuper les sites de fixation. En effet, Morgavi et al. (2004) ont observé une réduction de l’attachement bactérien sur le substrat suite à l’utilisation de concentrations très élevées en enzymes.

2. Conclusion

Pour des sous-produits agroalimentaires relativement riches en cellulose et en matières azotées, comme les pulpes des tomates, la supplémentation en enzymes fibrolytiques exogènes n’améliore l’utilisation digestive et la valeur énergétique du substrat qu’avec une faible concentration (1.2 mg d’enzymes / g de MS). Avec des concentrations plus élevées, l’effet devient totalement inverse.

Acknowledgments :Cette étude a été réalisée dans le cadre du projet D3.10.27 CRP financé par l’IAEA.

2. Réferences

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