Nutrient utilisation and metabolic adaptation of broiler chickens to high levels of free amino acids in the diet

Abstract

Reducing dietary crude protein (CP) content in broiler chickens is a strategy used to reduce nitrogen excretion and its impact on the environment caused by the broiler industry. This requires an increased proportion of free amino acids (AA) in the diet to avoid insufficient AA supply. An upper limit of dietary free AA inclusion has often been suggested but could not be derived from the current literature. The overall objective of this dissertation was to determine the upper limit of free AA content in CP-reduced diets. Additionally, the aim was to investigate the effects of adding free AA on the acid-base status in the blood of broiler chickens. Furthermore, the physiological and metabolic responses to substituting peptide-bound AA with free AA were investigated. In a preliminary experiment of the first study, the precaecal AA digestibility of soya protein isolate (SPI) representing a peptide-bound AA source was determined. One diet with 80 g SPI per kg and another with the basal mix, including maize starch in substitution with SPI, were tested. The diets were offered from day 18–21 of age and tested in eight units with 15 animals each. On day 21, the birds were slaughtered and the content of the last distal ileum was sampled. The amount of precaecal digestible AA derived from SPI was calculated as the difference in AA digestibility between both diets. In the main trial of the first study, the amount of digestible AA derived from SPI was incrementally substituted with a free AA mixture, i.e. 0, 25, 50, 75, and 100 % to determine the maximum amount of peptide-bound AA that can be substituted by free AA without reducing growth performance. At each substitution level, the amounts of digestible aspartate (Asp) and glutamate (Glu), which, per analysis, also contained asparagine (Asn) and glutamine (Gln), were either substituted with free Asp and Glu or with a 50/50 mixture of Asp/Asn and Glu/Gln. Each diet was offered from day 7–21 of age and tested in 7 units of 10 animals each. Based on growth performance, there was a maximum limit of dietary free AA inclusion dependent on the inclusion of Asn and Gln. This indicates that Asn and/or Gln were limited in the diets including only Asp and Glu and high levels of free AA. Asn and Gln supply allowed for increased AA substitution from 10 to 19 % of CP in the diet and increased free AA concentration from about 37 to 54 g/kg without reducing growth. Additionally, as the AA substitution was done in 25 %-unit increments, the maximum amount of dietary free AA was estimated between 54–71 g/kg. The broken line linear regression estimated value of 57 g free AA/kg in the diets with Asn and Gln without impairing growth and 61 g free AA/kg without impairing feed intake. Blood data related to the acid-base balance indicated a compensated acidosis 14 days after the diet change, which was attenuated by including Asn and Gln in the diet. In the second study, three diets were selected based on the results of the first study. The first diet included SPI with 0 % AA substitution. The second diet included the maximum free AA level with 50 % AA substitution without negative effects on growth and nitrogen utilisation. The third diet with 100 % AA substitution had evidence of an acid-base shift. The second and third diets considered all 20 proteinogenic AA including Asn and Gln. The change to one of these three diets occurred on day 7 post-hatch and feeding continued until day 22. Excreta were collected on days 7–8, 8–9, 9–10, 11–12, 14–15, and 21–22. Repeated blood samples were withdrawn on days 7, 8, 9, 11, 14, and 21. There was no evidence of affected nitrogen utilisation by substituting peptide-bound with free AA, especially 3 days after the diet change. It was confirmed that up to 50 % AA substitution from SPI did not affect growth. The reduction in growth at 100 % AA substitution was mainly due to the reduced feed intake immediately after the diet change. Adaption of nitrogen utilisation and AA in blood plasma to high levels of dietary free AA occurred within 3 to 7 days after changing to 50 % and 100 % AA substitution diets, respectively. This was suggested by the data on feed intake, nitrogen accretion, nitrogen utilisation efficiency in the first 3 days and plasma free AA concentrations in the first 7 days after the diet change, which remained unaffected by the treatments thereafter. A significant increase in ammonia excretion was also observed with increasing levels of free AA at all points in time. The blood samples were also investigated for responses in the acid-base balance and plasma metabolites directly after the diet change. An acid-base shift was determined in the birds that received 100 % and 50 % AA substitution diets. An acute reaction of the acid-base balance was on days 4 to 7 and day 4 after a change to the 100 % and 50 % AA substitution diets, respectively. Thereafter, a compensated acid-base acidosis was determined on day 7 for 50 % AA substitution and on day 14 for 100 % AA substitution. This likely explained the increased ammonia excretion found for these diets as an adaptation to excrete acids after an acid-base shift. The untargeted metabolomics analysis effectively determined the reduction in the use of plant feed ingredients with increasing free AA inclusion. However, no changes in metabolic pathways by increasing free AA inclusion were detected. It can be concluded that there was a maximum limit to including free AA in diets for broiler chickens, which was dependent on the supply of Asn and Gln. A reduced feed intake was the primary response of the birds to this upper limit. One of the likely reasons for the reduced feed intake was the acid-base shift caused by the diets with AA substitution higher than 50 %. The dietary inclusion of Asn and Gln attenuated this acid-base shift. The knowledge gained from this dissertation can contribute to the targeted use of more free AA, representing a potential alternative to protein sources for the future and reducing the CP content of the feed. The free AA level used to date in practical feeding is below the limit identified in this dissertation. Nonetheless, such levels of free AA are often used in research to answer specific questions or to cover certain AA interactions for a more accurate estimation of the individual AA requirements for contemporary poultry breeds.

Die Reduzierung des Gehalts an Rohprotein (CP, crude protein) in Futtermischungen von Masthühnern ist eine Strategie, um die Stickstoffausscheidung und deren Auswirkungen auf die Umwelt zu reduzieren. Dies erfordert einen erhöhten Anteil an freien Aminosäuren (AA, amino acids) in der Diät, um eine unzureichende AA-Versorgung zu vermeiden. Das Vorhandensein einer oberen Grenze für die Verwendung von freien AA in der Diät wurde grundsätzlich zwar oft vorgeschlagen, konnte jedoch aus der aktuellen Literatur nicht konkret abgeleitet werden. Das Hauptziel dieser Dissertation war es, die obere Grenze des Einsatzes von freien AA in CP-reduzierten Diäten zu ermitteln. Zusätzlich war es das Ziel, die Auswirkungen der Zugabe von freien AA auf den Säure-Basen-Status im Blut von Masthühnern zu untersuchen. Weiterhin wurden die physiologischen und metabolischen Reaktionen auf die Substitution von peptidgebundenen AA durch freie AA untersucht. Im ersten Teil der ersten Studie wurde die praecaecale AA-Verdaulichkeit von Sojaproteinisolat (SPI), das als Quelle für peptidgebundene AA verwendet wurde, bestimmt. Eine Diät mit 80 g SPI pro kg und eine weitere mit der Basis-Mischung, einschließlich Maisstärke als Ersatz für SPI, wurden getestet. Die Diäten wurden vom 18. bis 21. Lebenstag angeboten und in acht Einheiten mit jeweils 15 Tieren getestet. Am 21. Tag wurden die Tiere geschlachtet und der Inhalt des distalen Ileums entnommen. Die Menge der praecaecal verdaulichen AA, die aus SPI stammten, wurde als Unterschied in der AA-Verdaulichkeit zwischen beiden Diäten berechnet. Im Hauptversuch der ersten Studie wurde die Menge an verdaulichen AA, die aus SPI stammten, schrittweise durch eine Mischung aus freien AA ersetzt, d. h. 0, 25, 50, 75 und 100 %, um die maximale Menge an peptidgebundenen AA zu bestimmen, die durch freie AA ersetzt werden kann, ohne das Wachstum der Tiere zu reduzieren. Bei jedem Substitutionsniveau wurden die Mengen an verdaulichem Aspartat (Asp) und Glutamat (Glu), die per Analyse auch Asparagin (Asn) und Glutamin (Gln) enthielten, entweder durch freies Asp und Glu oder durch eine 50/50-Mischung aus Asp/Asn und Glu/Gln ersetzt. Jede Diät wurde vom 7. bis 21. Lebenstag angeboten und in 7 Einheiten mit je 10 Tieren getestet. Basierend auf der Wachstumsleistung gab es eine maximale Grenze für die Verwendung von freien AA in der Diät, abhängig von der Einbeziehung von Asn und Gln. Dies deutet darauf hin, dass Asn und/oder Gln in den Diäten, die nur Asp und Glu sowie hohe Mengen an freien AA enthielten, begrenzend waren. Die Versorgung mit Asn und Gln ermöglichte eine erhöhte AA-Substitution von 10 auf 19 % des CP in der Diät und erhöhte die Konzentration an freien AA von etwa 37 g/kg auf 54 g/kg ohne Reduzierung des Wachstums. Zusätzlich, da die AA-Substitution in 25 %-Schritten erfolgte, wurde die maximale Menge an freien AA zwischen 54 und 71 g/kg geschätzt. Die broken line-Regression schätzte einen Wert von 57 g freien AA/kg in den Diäten mit Asn und Gln ohne Beeinträchtigung des Wachstums und 61 g freien AA/kg ohne Beeinträchtigung der Futteraufnahme. Blutdaten im Zusammenhang mit dem Säure-Basen-Gleichgewicht zeigten eine kompensierte Azidose 14 Tage nach der Diätumstellung, die durch die Einbeziehung von Asn und Gln in die Diät abgeschwächt wurde. In der zweiten Studie wurden drei Diäten auf Basis der Ergebnisse der ersten Studie ausgewählt. Die erste Diät enthielt SPI mit 0 % AA-Substitution. Die zweite Diät enthielt das maximale Niveau an freien AA mit 50 % AA-Substitution ohne negative Auswirkungen auf Wachstum und Stickstoffverwertung. Die dritte Diät mit 100 % AA-Substitution zeigte Anzeichen einer Säure-Basen-Verschiebung. Die zweite und dritte Diät berücksichtigten alle 20 proteinogenen AA einschließlich Asn und Gln. Der Wechsel zu einer dieser drei Diäten erfolgte am 7. Tag nach dem Schlüpfen und die Fütterung wurde bis zum 22. Tag fortgesetzt. Exkremente wurden am 7.–8., 8.–9., 9.–10., 11.–12., 14.–15. und 21.–22. Tag gesammelt. Blutproben wurden an den Tagen 7, 8, 9, 11, 14 und 21 entnommen. Es gab keine Anzeichen dafür, dass die Stickstoffverwertung durch die Substitution von peptidgebundenen mit freien AA beeinflusst wurde, insbesondere 3 Tage nach der Diätumstellung. Es wurde bestätigt, dass bis zu 50 % AA-Substitution von SPI das Wachstum nicht beeinflusste. Die Reduzierung des Wachstums bei 100 % AA-Substitution war hauptsächlich auf die reduzierte Futteraufnahme unmittelbar nach der Diätumstellung zurückzuführen. Die Anpassung der Stickstoffverwertung und der AA im Blutplasma an hohe Niveaus von freien AA in der Diät erfolgte innerhalb von 3 bis 7 Tagen nach dem Wechsel zu Diäten mit 50 bzw. 100 % AA-Substitution. Dies wurde durch die Daten zur Futteraufnahme, Stickstoffretention, Stickstoffverwertung in den ersten drei Tagen und Konzentrationen der freien AA im Plasma in den ersten sieben Tagen nach der Diätumstellung nahegelegt, die danach durch die Behandlungen unbeeinflusst blieben. Ein signifikanter Anstieg der Ammoniakausscheidung wurde mit zunehmenden Niveaus an freien AA zu allen Zeitpunkten beobachtet. Die Blutproben wurden auch auf Reaktionen im Säure-Basen-Gleichgewicht und Plasma-Metaboliten direkt nach der Diätumstellung untersucht. Eine Säure-Basen-Verschiebung wurde bei den Tieren festgestellt, die Diäten mit 100 % und 50 % AA-Substitution erhielten. Eine akute Reaktion des Säure-Basen-Gleichgewichts war an den Tagen 4 bis 7 und Tag 4 nach einem Wechsel zu den Diäten mit 100 % bzw. 50 % AA-Substitution zu beobachten. Danach wurde eine kompensierte Azidose am Tag 7 für 50 % AA-Substitution und am Tag 14 für 100 % AA-Substitution festgestellt. Dies erklärte wahrscheinlich die erhöhte Ammoniakausscheidung, die für diese Diäten als Anpassung zur Ausscheidung von Säuren nach einer Säure-Basen-Verschiebung auftrat. Die Analyse des Plasma-Metaboloms bestätigte die Reduzierung der Verwendung von pflanzlichen Futtermitteln mit zunehmender Einbeziehung von freien AA. Allerdings wurden keine Veränderungen in den Stoffwechselwegen durch die zunehmende Einbeziehung von freien AA festgestellt. Es kann gefolgert werden, dass es eine maximale Grenze für die Einbeziehung von freien AA in Diäten für Masthühner gab, die von der Versorgung mit Asn und Gln abhängig war. Eine reduzierte Futteraufnahme war die primäre Reaktion der Vögel auf diese obere Grenze. Einer der wahrscheinlichen Gründe für die reduzierte Futteraufnahme war die Säure-Basen-Verschiebung, die durch die Diäten mit einer AA-Substitution von mehr als 50 % verursacht wurde. Die diätetische Einbeziehung von Asn und Gln schwächte diese Säure-Basen-Verschiebung ab. Die aus dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse können zum gezielten Einsatz von mehr freien AA beitragen, was eine potenzielle Alternative zu Proteinquellen für die Zukunft darstellt und den CP-Gehalt des Futters zu reduzieren ermöglicht. Das bisher in der praktischen Fütterung verwendete Niveau an freien AA liegt unterhalb der in dieser Dissertation identifizierten Grenze. Dennoch werden solche Niveaus an freien AA oft in der Forschung verwendet, um spezifische Fragen zu beantworten oder bestimmte AA-Wechselwirkungen für eine genauere Schätzung der individuellen AA-Anforderungen für heute üblicherweise genutzte Geflügelherkünfte abzudecken.