Zinc supplementation effects on phytate degradation, mineral digestibility, and bone characteristics in broiler chickens

Abstract

An adequate supply of phosphorus (P) is important in poultry nutrition, as P is essential for numerous metabolic processes. However, oversupply should be avoided to reduce the environmental impact of poultry production. The main source of P in plant feedstuffs commonly used in poultry nutrition is phytate, the salt form of phytic acid (InsP6). For P from InsP6 to be utilized by animals, it needs to be cleaved by phytases or other phosphatases. However, the capacity of endogenous phosphatases of non-ruminant animals does not suffice to release sufficient P to fulfill the animal’s P requirement. Therefore, commercial poultry diets usually are supplemented with P from mineral sources. By using exogenous phytases, the supplementation of mineral P can be reduced, and finite P reserves can be conserved. To feed poultry without mineral P in the future, phytase efficacy must be improved further. Thus, it is important to know and understand all factors influencing phytase efficacy. The results of in vitro studies have indicated that zinc (Zn) may be an influencing factor. The supplementation of Zn could inhibit phytase activity, with the degree of inhibition depending on the exogenous Zn source used. A literature review on the interactions of Zn with phytate and phytase (Manuscript A of this thesis) has identified a lack of in vivo studies investigating the effects of Zn supplementation on phytase with direct measurements, such as intestinal phytate degradation and prececal P digestibility. Therefore, three in vivo studies were conducted as part of this thesis with the main objective to investigate the effect of Zn supplementation and exogenous Zn source on intestinal phytate degradation in broiler chickens. It was hypothesized that due to the formation of insoluble complexes of Zn and phytate, the supplementation of Zn could reduce phytase efficacy with the extent of reduction depending on the exogenous Zn source. Further, other traits that are affected by Zn supply, such as bone mineralization and gene expression, were also investigated in these in vivo studies. The first experiment (Manuscript B) aimed to determine the effect of dietary Zn level and source on intestinal phytate breakdown, mineral digestibility, bone mineralization, and Zn status without and with exogenous phytase in the feed. Ross 308 broiler chickens were fed experimental diets from day 7 to 28. The basal diet contained 33 mg/kg dry matter native Zn and a high phytate-P concentration to challenge interactions in the digestive tract. The experimental diets differed in the level of exogenous phytase (0 or 750 FTU/kg) and in the Zn source (none, 30 mg/kg of Zn-sulfate, or 30 mg/kg of Zn-oxide). Additionally, two experimental diets with a high Zn supplementation level (90 mg/kg) in the form of Zn-sulfate or Zn-oxide, both containing exogenous phytase, were tested. Intestinal phytate breakdown, P digestibility, and bone mineralization were not affected by Zn source or Zn level but only by phytase supplementation. The concentration of ileal myo-inositol was influenced by phytase × Zn source interaction. Birds fed without phytase supplementation had similarly low myo-inositol concentrations whether they received Zn supplementation or not, whereas birds receiving phytase supplementation and Zn supplementation had significantly higher ileal myo-inositol concentrations than birds fed without Zn supplementation but with phytase supplementation. The missing effect of Zn level or Zn source on phytate degradation indicates that no interactions of Zn and phytate relevant for phytase efficacy occurred in the digestive tract of broilers when Zn was supplemented at levels up to 90 mg/kg in the form of Zn-sulfate or Zn-oxide. Based on the results of the first experiment, where Zn alone did not show relevant interactions with phytate, the second experiment (Manuscript C) aimed to investigate whether the combined supplementation of Zn, copper (Cu), and manganese (Mn) from different sources without and with exogenous phytase in the feed affects intestinal phytate breakdown, prececal mineral digestibility, bone mineralization, and mRNA expression of mineral transporters. Cobb 500 broiler chickens received experimental diets from day 0 to 28. Experimental diets differed in the level of phytase supplementation (0 or 750 FTU/kg) and in the trace mineral source (TMS: 100 mg/kg Zn, 100 mg/kg Mn, and 125 mg/kg Cu as sulfates, oxides, or chelates). Prececal InsP6 disappearance and P digestibility were significantly affected by phytase × TMS interaction. Whereas birds receiving exogenous phytase had similar InsP6 disappearance and P digestibility irrespective of TMS, birds fed without exogenous phytase and with chelated trace minerals had a higher InsP6 disappearance and P digestibility than birds receiving no exogenous phytase and oxides or sulfates. These results indicate that the combined supplementation of Zn, Mn, and Cu at high levels may challenge interactions with phytate in non-phytase-supplemented diets with the extent of interaction depending on the TMS. In phytase-supplemented diets however, the choice of TMS was irrelevant for phytate degradation under the conditions of this study. The third experiment (Manuscript D) aimed to determine the impact of Zn level and Zn source on prececal phytate degradation, mineral digestibility, bone mineralization, and mRNA expression of intestinal (trace) mineral transporters. In contrast to the first experiment, an inorganic Zn source and a chelated Zn source were tested. Cobb 500 broiler chickens received experimental diets from day 0 to 21. The experimental diets differed in Zn supplementation level (10, 30, 50 mg/kg Zn) and exogenous Zn source (Zn-oxide or Zn-glycinate). A cornsoybean meal-based diet without Zn supplementation containing 35 mg/kg native Zn was used as a control. All experimental diets were supplemented with 750 FTU/kg phytase. Prececal InsP6 disappearance, P digestibility, and tibia ash quantity and concentration, and Zn concentration in tibia ash were not affected by diet. Bone breaking strength and tibia width did not differ between treatments. Tibia thickness was lower in the treatments with 30 mg Zn as Zn-oxide and 50 mg Zn as Zn-glycinate than in the treatment with 10 mg Zn as Zn-oxide. The expression of intestinal (trace) mineral transporters was not affected by treatment. These results indicate that in phytase-supplemented diets the native Zn concentration of cornsoybean meal-based diets is satisfactory to achieve maximal Zn concentration in tibia ash during the first 3 weeks of age. The missing effect of Zn level or Zn source on phytate degradation confirms the results from Manuscript B, that Zn and phytate do not interact to a level relevant for phytate degradation by exogenous phytase. It is concluded that contrary to the hypothesis that Zn inhibits phytate degradation by complex formation with phytate, the Zn supplementation up to 100 mg/kg does not appear to influence exogenous phytase efficacy. Minor effects were found on the endogenous phytate degradation if Zn, Cu, and Mn were supplemented combined at high levels, where the extent of reduction in endogenous phytate degradation was dependent on the TMS. It remains unclear whether the inhibiting effect on endogenous phytate degradation occurs only due to the combined supplementation or whether an individual high supplementation of a single trace mineral caused the effect. Further experiments are needed to investigate the effect of Zn on endogenous phosphatases, where the activity of endogenous mucosal activity should be determined in broilers fed diets differing in the Zn supplementation level. Moreover, further experiments are needed to test what level of Zn supplementation is needed in phytase-supplemented diets to ensure the birds sufficient supply in all areas. Besides bone development and growth, effects on the immune system, microbiota composition, and the antioxidative system should be considered.

Eine angemessene Versorgung mit Phosphor (P) ist in der Geflügelernährung essenziell, denn P ist für zahlreiche Stoffwechselprozesse unerlässlich. Eine Überversorgung sollte jedoch aufgrund der Umweltwirkungen vermieden werden. Die Hauptquelle für P in pflanzlichen Futtermitteln, die üblicherweise in der Geflügelernährung eingesetzt werden, ist Phytat, das Salz der Phytinsäure (InsP6). Um P aus InsP6 nutzen zu können, muss es durch Phytasen oder anderen Phosphatasen im Verdauungstrakt abgespalten werden. Die Kapazität der endogenen Phosphatasen von Nicht-Wiederkäuern reicht jedoch nicht aus, um genügend P freizusetzen, um den P-Bedarf der Tiere zu decken. Daher wird Geflügelfutter in der Praxis in der Regel mit P aus mineralischen Quellen ergänzt. Durch den Einsatz von exogenen Phytasen kann die Supplementierung von mineralischem P reduziert und endliche Ressourcen können geschont werden. Um in Zukunft auf mineralischen P verzichten zu können, muss die Effizienz von Phytasen maximiert werden. Daher ist es wichtig alle Faktoren zu kennen und zu verstehen, die die Wirksamkeit von Phytasen beeinflussen. Die Ergebnisse von in vitro Studien deuten darauf hin, dass Zink (Zn) ein Einflussfaktor ist. Eine Literaturrecherche (Manuskript A dieser Dissertation) zu Interaktionen von Zn mit Phytat und Phytase zeigte einen Mangel an in vivo Studien auf, die die Auswirkungen von Zn-Zugabe auf Phytase mit direkten Messungen, wie dem intestinalen Phytatabbau, untersuchen. Daher wurden drei in vivo-Studien zur Wirkung der Zn Supplementierung in Abhängigkeit der Zn Quelle auf den intestinalen Phytatabbau bei Broilern durchgeführt. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass, aufgrund der Bildung von unlöslichen Komplexen von Zn mit Phytat, die Zn Supplementierung die Phytase-Wirksamkeit in Abhängigkeit der Zn Quelle verringern könnte. Das Ziel des ersten Versuchs war es, die Auswirkungen der Zn Konzentration und Quelle im Futter auf den intestinalen Phytatabbau, die praecaecale Mineralstoffverdaulichkeit, die Knochenmineralisierung, und den Zn Status, ohne und mit exogener Phytase im Futter zu bestimmen (Manuskript B). Dazu wurde ein Versuch mit Ross 308 Broilern durchgeführt, die von Tag 7 bis 28 Versuchsfutter erhielten. Die Basalration enthielt 33 mg/kg Trockenmasse natives Zn und eine hohe Phytat-P-Konzentration, um Interaktionen im Verdauungstrakt hervorzurufen. Die Versuchsfutter unterschieden sich durch den Gehalt exogener Phytase (0 oder 750 FTU/kg) und die Zn Quelle (keine, 30 mg/kg Zn als Zn-Sulfat oder als Zn-Oxid). Darüber hinaus wurden zwei Versuchsrationen mit hoher Zn Supplementierung (90 mg/kg) als Zn-Sulfat oder Zn-Oxid mit exogener Phytase getestet. Der intestinale Phytatabbau, die praecaecale P-Verdaulichkeit und die Knochenmineralisierung wurden nicht von der Zn Quelle oder Konzentration beeinflusst, sondern nur durch die Phytasesupplementierung. Die Myo-Inositol-Konzentration im Ileum wurde durch die Interaktion (Phytase × Zn Quelle) beeinflusst. Während Broiler, die keine exogene Phytase erhielten, ähnlich niedrige Myo-Inositol-Konzentrationen unabhängig von der Zn Quelle aufwiesen, zeigten Broiler, die Phytase- und Zn-Supplementierung erhielten, signifikant höhere Myo-Inositol- Konzentrationen als Broiler, die keine Zn-Zugabe erhielten. Die fehlende Wirkung der Zn Supplementierung und Quelle auf den Phytatabbau deutet darauf hin, dass im Verdauungstrakt von Broilern keine für die Phytase-Wirksamkeit relevanten Interaktionen zwischen Zn und Phytat auftraten, wenn Zn als Zn-Sulfat oder Zn-Oxid in Konzentrationen bis zu 90 mg/kg ergänzt wurde. Ausgehend von den Ergebnissen des ersten Versuchs, bei dem die Zugabe von Zn allein keine sichtbaren Wechselwirkungen mit Phytat hervorrief, wurde im zweiten Versuch (Manuskript C) untersucht, ob die kombinierte Supplementierung von Zn, Kupfer (Cu) und Mangan (Mn) aus verschiedenen Quellen ohne und mit exogener Phytase im Futter den intestinalen Phytatabbau, die praecaecale Mineralstoffverdaulichkeit, die Mineralisierung der Knochen und die mRNA-Expression von Mineralstofftransportern beeinflusst. Broiler der Linie Cobb 500 erhielten von Tag 0 bis 28 die Versuchsrationen. Die Versuchsrationen unterschieden sich im Phytasezusatz (0 oder 750 FTU/kg) und in der Spurenelementquelle (100 mg/kg Zn, 100 mg/kg Mn und 125 mg/kg Cu als Sulfate, Oxide oder Chelate). Das praecaecale InsP6 Verschwinden und die P Verdaulichkeit wurden durch die Interaktion zwischen Phytase und Spurenelementquelle signifikant beeinflusst. Während Broiler, die exogene Phytase erhielten, unabhängig von der Spurenelementquelle ähnliche Werte für das InsP6 Verschwinden und die P Verdaulichkeit aufwiesen, hatten Broiler, die keine exogene Phytase und chelatierte Spurenelemente erhielten, ein höheres InsP6 Verschwinden und eine höhere P Verdaulichkeit als Broiler, die keine exogene Phytase und Oxide oder Sulfate erhielten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die kombinierte Zugabe von Zn, Mn und Cu in hohen Konzentrationen Wechselwirkungen mit Phytat in Rationen ohne exogene Phytase hervorrufen kann, wobei das Ausmaß der Wechselwirkungen von der Spurenelementquelle abhängig war. In Phytase-supplementierten Rationen war die Wahl der Spurenelementquelle unter den Bedingungen dieser Studie hingegen ohne Einfluss auf die Höhe des Phytatabbaus. Der dritte Versuch (Manuskript D) hatte das Ziel, die Auswirkungen der Zn Konzentration und Quelle auf den praecaecalen Phytatabbau, die Mineralstoffverdaulichkeit, die Mineralisierung der Knochen und die mRNA-Expression von intestinalen Mineralstofftransportern zu bestimmen. Anders als im ersten Versuch wurde hierbei eine anorganische mit einer chelatierten Zn Quelle verglichen. Die Broiler (Cobb 500) erhielten die Versuchsrationen von Lebenstag 0 bis 21. Eine Mais-Sojaextraktionsschrot-basierte Ration ohne Zn Supplementierung und mit einer nativen Zn Konzentration von 35 mg/kg wurde als Kontrolle verwendet. Alle Versuchsrationen enthielten exogene Phytase (750 FTU/kg). Der praecaecale Phytatabbau, die P Verdaulichkeit, die Menge und Konzentration der Tibia-Asche und die Zn Konzentration in der Tibia-Asche wurden nicht durch die Behandlungen beeinflusst. Auch die Knochenbruchfestigkeit und die Tibiabreite unterschieden sich nicht zwischen den Behandlungen. Die Tibiadicke war bei den Behandlungen mit 30 mg Zn als Zn-Oxid und 50 mg Zn als Zn-Glycinat geringer als bei der Behandlung mit 10 mg Zn als Zn-Oxid. Die Expression von intestinalen Mineralstofftransportern wurde nicht durch die Behandlungen beeinflusst. Die Ergebnisse dieses Versuchs deuten darauf hin, dass die native Zn Konzentration von Rationen auf Mais-Sojaextraktionsschrot-Basis mit Phytasesupplementierung ausreichend ist, um während der ersten drei Lebenswochen die maximale Zn-Konzentration in der Tibia-Asche zu erreichen. Die fehlende Wirkung der Zn Supplementierung und Quelle auf den Phytatabbau bestätigt die Ergebnisse des ersten Versuchs, dass Zn und Phytat nicht in einem für den Phytatabbau durch exogene Phytase relevanten Ausmaß interagieren. Es kann geschlussfolgert werden, dass entgegen der Hypothese, dass Zn den Phytatabbau durch Komplexbildung hemmt, die Zn Supplementierung bis zu 100 mg/kg die Wirksamkeit der exogenen Phytase nicht beeinflusst. Es wurden geringfügige Auswirkungen auf den endogenen Phytatabbau festgestellt, wenn Zn, Cu und Mn zusammen in hoher Konzentration supplementiert wurden. Dabei hing die Verringerung des endogenen Phytatabbaus von der Spurenelementquelle ab. Es bleibt unklar, ob die hemmende Wirkung nur durch die kombinierte Supplementierung auftrat oder ob eine hohe Supplementierung eines einzelnen Spurenelements die Wirkung verursachte. Weitere Versuche sind erforderlich, um die Wirkung von Zn auf endogene Phosphatasen zu untersuchen. Ein nächster Schritt könnte dabei die Bestimmung der Aktivität von mukosalen Phosphatasen von Broilern sein, die unterschiedlich viel Zn Supplementierung erhielten. Darüber hinaus sind weitere Versuche erforderlich, um zu testen, wie hoch die Zn Supplementierung in Phytase-supplementierten Rationen sein muss, um eine ausreichende Versorgung der Tiere zu gewährleisten. Neben der Knochenentwicklung und dem Wachstum sollten auch Auswirkungen auf das Immunsystem, die Mikrobiota des Verdauungstraktes und das antioxidative System berücksichtigt werden.