Investigations on phytate degradation of rapeseed meal and soybean meal in ruminants

Abstract

Oilseed meals are widely used protein feeds in ruminant nutrition. However, aside from the high crude protein (CP) content, oilseed meals also contain high amounts of phosphorus (P), which is predominantly present in organic form as different salts of myo-inositol 1,2,3,4,5,6 hexakis dihydrogen phosphate (InsP6). To become available for intestinal absorption and further utilisation by animals, P must be cleaved from the InsP6 molecule by a specific group of phosphatases, which is known as phytase. Over the decades, ruminants were considered to be capable of utilising nearly all P bound in InsP6 because of the substantial phytase activity exhibited by rumen microbiota. Nevertheless, recent studies have reported variable extents of ruminal InsP6 degradation which seems to be influenced by different factors. In case of an incomplete ruminal InsP6 degradation, post-ruminal InsP6 degradation may be of higher relevance. However, post-ruminal InsP6 degradation has been rarely studied to date. The aim of this thesis was to systematically investigate InsP6 degradation of rapeseed meal (RSM) and soybean meal (SBM) in ruminants, including the possible influencing factors and their combinations. Different study methods (in vivo, in situ, and in vitro) were applied to evaluate the effects of RSM and SBM. The first study (Manuscript 1) was conducted to investigate ruminal and post-ruminal InsP6 degradation in wethers fed a diet containing RSM or SBM, and to link the ruminal disappearance determined in slaughtered wethers with in situ calculated rumen effective degradation of InsP6 (InsP6ED) from cows. Firstly, RSM and SBM was incubated according to a standard in situ procedure in three lactating Jersey cows for 2, 4, 6, 8, 16, 24, 48, and 72 h to obtain InsP6ED for the oilseed meals at rumen passage rates of 0.02 (InsP6ED2) and 0.05 h-1 (InsP6ED5). Secondly, eight wethers were randomly assigned to two treatment groups that were fed a diet containing equal amount of RSM (Diet RSM) or SBM (Diet SBM) for 8 weeks of adaptation. Then, digesta from the reticulo-rumen, omasum, abomasum, jejunum, colon, and rectum were sampled. In consistence with in situ calculated InsP6ED2 (83 and 93% for RSM and SBM, respectively), ruminal InsP6 disappearance was lower in wethers fed Diet RSM (76%) compared to those fed Diet SBM (89%). Post-ruminal InsP6 disappearance did not differ between dietary treatments (6% for Diet RSM vs. 4% for Diet SBM). A higher amount of ruminally degraded InsP6 was observed upon feeding RSM (4.5 g/d for Diet RSM and 3.4 g/d for Diet SBM). Due to the low rumen passage rate in this study, it was suggested that P from InsP6 being available to ruminants is almost entirely from InsP6 degradation in the rumen. As InsP6 is located in a protein-rich structure in seeds and InsP6 degradation has been recently reported to vary in a pattern similar to CP degradation for RSM, the second study (Manuscript 2) was carried out to investigate the variation of in situ ruminal InsP6 degradation of SBM and its relation to CP degradation. In this study, nine commercial solvent-extracted SBM from Europe and South America were incubated in three rumen-fistulated lactating Jersey cows with the same procedure performed in the first study. Rumen effective degradation of CP and InsP6 were calculated for a rumen passage rate of 0.06 h-1 (CPED6 and InsP6ED6). Chemical protein fractions of SBM variants were determined according to Cornell Net Carbohydrate and Protein System (CNCPS). The SBM variants exhibited a considerable variation in CP and InsP6 degradation. Significant correlations were found between InsP6ED6 and CPED6 and between InsP6ED6 and all CNCPS protein fractions, which confirmed the close relationship between CP and InsP6 degradation for SBM. The results suggested that using a general value of InsP6 degradation for diet formulation may not be precise enough, and InsP6ED may be predicted based on CPED or CNCPS protein fractions by using linear regression equations. The third study (Chapter 4.3) aimed to achieve a better understanding of how in vitro InsP6 degradation of RSM and SBM is influenced by different amounts of InsP6 in feed. The same batches of RSM and SBM as used in Manuscript 1 were incubated in a modified rumen simulation technique (RUSITEC) system with different amounts for 3, 6, 12, 24, and 48 h. Degradation of InsP6 from bag residues was calculated and expressed as amount and in percentage using the same equation as applied for in situ calculations. In vitro degradation of InsP6 in response to InsP6 amount differed between RSM and SBM, which may be attributed to the different internal structure and nutrient composition of the oilseed meals. Only when expressing in amounts, the calculated InsP6ED was observed to increase linearly with increasing InsP6 amount in feed. Accordingly, it was recommended to compare InsP6 degradation based on InsP6 amount in the feed and to express degradation as amount instead of using relative value which might not reflect the real degradation kinetics. In conclusion, the results of this thesis showed that the extent of ruminal InsP6 degradation differs when the diet contains either RSM or SBM, while post-ruminal InsP6 degradation is negligibly low given a long rumen retention time. By using linear regression equations, ruminal InsP6 degradation may be predicted from CP degradation due to the close relationship therebetween. Effects of InsP6 amount on InsP6 degradation is dependent on InsP6 source. Based on the high similarity among ruminal InsP6 degradation determined by different methods in this thesis, ruminal InsP6 degradation of oilseed meals measured by in situ or in vitro study may be applicable for in vivo conditions.

Ölschrote sind sehr relevante Proteinfuttermittel in der Wiederkäuerernährung. Neben dem hohen Gehalt an Rohprotein (CP) enthalten Ölschrote jedoch auch einen hohen Anteil an Phosphor (P), der vorwiegend in organischer Form als verschiedene Salze der Phytinsäure vorliegt (Myo-Inositol 1,2,3,4,5,6 Hexakisdihydrogenphosphat, InsP6). Um für die Absorption im Darm und die weitere Verwertung durch Tiere verfügbar zu werden, muss P mithilfe der Phytasen vom InsP6-Molekül abgespalten werden. Über die Jahrzehnte hinweg wurde angenommen, dass Wiederkäuer aufgrund der erheblichen Phytaseaktivität des Pansenmikrobioms in der Lage sind, nahezu den gesamten an InsP6 gebundenen P freizusetzen. Dennoch haben aktuelle Studien unterschiedliche Ausmaße des ruminalen InsP6-Abbaus gezeigt, die offenbar von verschiedenen Faktoren beeinflusst werden. Im Falle eines unvollständigen ruminalen InsP6-Abbaus könnte der postruminale InsP6-Abbau von großer Bedeutung sein. Allerdings wurde der postruminale InsP6-Abbau bisher nur selten erforscht. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, den InsP6-Abbau von Rapsextraktionsschrot (RSM) und Sojaextraktionsschrot (SBM) bei Wiederkäuern systematisch zu untersuchen, einschließlich der möglichen Einflussfaktoren und ihrer Kombinationen. Verschiedene Untersuchungsmethoden (in vivo, in situ und in vitro) wurden angewendet, um die Effekte zu evaluieren. Die erste Studie (Manuskript 1) wurde durchgeführt, um den ruminalen und postruminalen InsP6-Abbau bei Hammeln zu untersuchen, die mit einer Ration aus RSM oder SBM gefüttert wurden. Darüber hinaus wurde versucht, das ruminale Verschwinden von InsP6 bei Hammeln mit dem in situ berechneten ruminalen effektiven Abbau von InsP6 (InsP6ED), bestimmt bei Kühen, zu verknüpfen. Zunächst wurden RSM und SBM gemäß eines standardmäßigen in situ Verfahrens bei drei laktierenden Jersey-Kühen für 2, 4, 6, 8, 16, 24, 48 und 72 Stunden inkubiert, um Werte für InsP6ED für beide Ölschrote bei einer Passage durch den Pansen von 0,02 (InsP6ED2) und 0,05 h-1 (InsP6ED5) zu erhalten. Zweitens wurden acht Hammel zufällig zwei Behandlungsgruppen zugeordnet, die über einen Adaptionszeitraum von 8 Wochen mit einer Ration gefüttert wurden, die eine gleiche Menge an RSM (Diet RSM) oder SBM (Diet SBM) enthielt. Anschließend wurde die Digesta aus dem Pansen, Omasum, Abomasum, Jejunum, Kolon und Rektum entnommen. In Übereinstimmung mit den in situ berechneten InsP6ED2-Werten (83% für RSM und 93% für SBM) war das ruminale Verschwinden von InsP6 bei den mit der Diet RSM gefütterten Hammeln (76%) niedriger im Vergleich zu denen, die die Diet SBM erhielten (89%). Das postruminale Verschwinden von InsP6 unterschied sich hingegen nicht zwischen den beiden Behandlungen (6% für Diet RSM vs. 4% für Diet SBM). Bei der Fütterung von RSM wurde eine höhere Menge an ruminal abgebautem InsP6 bei Hammeln beobachtet (4,5 g/Tag für Diet RSM und 3,4 g/Tag für Diet SBM). Aufgrund der niedrigen Passagerate im Pansen wurde angenommen, dass P aus InsP6 im Futter fast ausschließlich durch den InsP6-Abbau im Pansen für Wiederkäuer verfügbar wird. Da sich InsP6 in einer proteinreichen Struktur in den Samen befindet und bei RSM kürzlich über ein ähnliches Muster der Variation zwischen dem InsP6-Abbau und dem CP-Abbau berichtet wurde, wurde die zweite Studie (Manuskript 2) durchgeführt, um die Variation des in situ ruminalen InsP6-Abbaus von SBM und deren Beziehung zum CP-Abbau zu untersuchen. In dieser Studie wurden neun kommerziell lösungsmittelextrahierte SBM aus Europa und Südamerika in drei pansenfistulierten laktierenden Jersey-Kühen mit dem gleichen Verfahren wie in der ersten Studie inkubiert. Der ruminale effektive Abbau von CP und InsP6 wurden für eine Pansenpassagerate von 0,06 h-1 (CPED6 und InsP6ED6) berechnet. Die chemischen Proteinfraktionen der SBM-Varianten wurden nach dem Cornell Net Carbohydrate and Protein System (CNCPS) bestimmt. Die SBM-Varianten wiesen eine erhebliche Variation im CP- und InsP6-Abbau auf. Es wurden signifikante Korrelationen zwischen InsP6ED6 und CPED6 sowie zwischen InsP6ED6 und allen CNCPS-Proteinfraktionen ermittelt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein einzelner genereller Wert des InsP6-Abbaus für die Rationsgestaltung möglicherweise nicht präzise genug ist, und dass InsP6ED anhand von CPED oder CNCPS-Proteinfraktionen mithilfe linearer Regressionsgleichungen geschätzt werden kann. In der dritten Studie (Manuskript 3) wurde untersucht, wie der in vitro InsP6-Abbau von RSM und SBM von verschiedenen Mengen an InsP6 im Futter beeinflusst wird. Dieselben Chargen von RSM und SBM, die in Manuskript 1 verwendet wurden, wurden in einem modifizierten Pansensimulationssystem (RUSITEC) mit verschiedenen Mengen für 3, 6, 12, 24 und 48 Stunden inkubiert. Der InsP6-Abbau aus den Beutelrückständen wurde sowohl in Mengen als auch in Prozent der inkubierten Menge ausgedrückt. Der in vitro InsP6-Abbau unter Einfluss von der InsP6-Menge unterschied sich signifikant zwischen RSM und SBM, was auf die unterschiedliche innere Struktur und Nährstoffzusammensetzung des Futters zurückgeführt werden kann. Nur bei der Angabe der Menge wurde beobachtet, dass die berechnete InsP6ED linear mit zunehmender InsP6-Menge im Futter anstieg. Dementsprechend wurde empfohlen, den InsP6-Abbau anhand der InsP6-Menge im Futter zu vergleichen und den Abbau als Menge anzugeben, anstatt relative Werte zu verwenden, die möglicherweise nicht die Abbaukinetik widerspiegeln. Zusammenfassend zeigten die Ergebnisse dieser Arbeit, dass der ruminale InsP6-Abbau sich zwischen einer RSM- und SBM-enthaltenden Ration unterscheidet, während der postruminale InsP6-Abbau bei einer langen Verweilzeit im Pansen vernachlässigbar gering und nicht unterschiedlich ist. Mithilfe linearer Regressionsgleichungen kann der ruminale InsP6-Abbau aufgrund der engen Beziehung aus dem CP-Abbau geschätzt werden. Die Effekte der InsP6-Menge auf den InsP6-Abbau sind abhängig von der InsP6-Quelle. Basierend auf der hohen Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen des ruminalen InsP6-Abbaus, die mit verschiedenen Methoden ermittelt wurden, kann der durch in situ oder in vitro bestimmte ruminale InsP6-Abbau von Ölschroten auf in vivo-Bedingungen anwendbar sein.