Evaluation of the availability of different mineral phosphorus sources in broilers

Abstract

Inorganic feed phosphates are an indispensable supplement for compounding poultry feed. The requirement of available P in broiler chicks cannot be covered only with plant ingredients as P in plant feedstuff is largely presented in form of phytate which is only partially available in avian species. Due to the increase in prices for feed phosphates and environmental concerns associated with excessive excretion of P by livestock, the knowledge about the availability of P from mineral sources has gained in importance during the last decade. However, there is still no standardized method available for assessing the P availability of inorganic feed phosphates. Without knowledge of the exact quantitative values of the P availability for different P sources, it is not possible to formulate adequate diets without the risk of deficiency or excess supplementation. There are various approaches which are used by different laboratories for the determination of P availability. The main problem is, however, that it is not clear how the differences between approaches affect the results. The development of a standardized method of P evaluation, which allows obtaining quantitative values for P availability, is the basis for optimizing the dietary P concentration in broiler diets. The major objective of this thesis was to compare various methodological approaches that are used internationally to determine P availability in terms of their suitability. Therefore, firstly the P availability of two mineral phosphates was determined in 3- and 5-wk-old broilers based on data for P retention and prececal digestibility. The P availability of both mineral sources was calculated for both ages of birds by regression analyses for comparison of both response criteria. Secondly, the tibia bone ash and other bone criteria were determined. A comparison of these bone response criteria was then carried out by relating these data to measurements made on P retention. Thirdly, the suitability of tibia P retention for the estimation of the whole body P retention was investigated at both ages of birds. Variation in P retention of birds in these studies was additionally caused by the level and the source of P in the diet. In a fourth study, the effect of the basal diet composition on the availability of a feed phosphate was investigated based on quantitative P retention. A phytin-containing corn-SBM-based as well as a purified basal diet was used. Moreover, the impact of the inorganic phosphate level on the IP6 hydrolysis of the corn-SBM-based diet was assessed on the basis of excreta collection. In the first study, a corn-SBM-based basal diet was used (0.35% P on dry matter basis). MSPa or DCPa was supplemented to increment the P concentration by 0.08%, 0.16%, and 0.24%. Two balance trials (n=8 birds per diet) and two digestibility trials (n=8 pens with 10 birds per diet) were conducted (8 treatments per diet). In 3-wk-old broilers, P retention for MSPa was 70% and significantly higher (P < 0.001) than for DCPa (29%), as calculated by linear regression analysis. Values determined for P pc digestibility at the same age were very similar (67% for MSPa and 30% for DCPa; P < 0.001). In 5-wk-old broilers, P retention was 63% (MSPa) and 29% (DCPa) (P < 0.001), and pc digestibility was 54% (MSPa) and 25% (DCPa) (P = 0.002). In conclusion, in 3-wk-old broilers results obtained with both approaches were the same. In 5-wk-old broilers, the ranking of the two P sources was the same for both approaches. Values differed not greatly between the two age periods. The second study was linked to the first one, and the experimental design was the same. The study comprised two periods with birds of different ages, but from the same hatch. The response criteria evaluated were tibia, tarsometatarsus, toe ash, and P, as well as the Quantitative Computed Tomography measurements of tibiae, blood Pi concentration, and body weight gain. Responses were evaluated and compared based on linear regression analysis. In general, MSPa had a greater slope than DCPa for all criteria studied. For the different bones, the ratio of slopes was very similar based on the amount of ash in both periods. Foot ash was proved to be as sensitive as tibia ash in both periods. Blood serum Pi and body weight gain were not sufficiently sensitive criteria for P evaluation. We concluded that the ranking of both mineral P sources based on bone criteria differed from the ranking that was based on P retention or pc digestibility. The third study was also linked to the first one. Thus, the experimental design was the same. On days 21 and 35, two chicks per treatment were randomly chosen. Contents of P and Ca were determined in tibiae-free bodies and tibiae. The whole body P to tibia P ratio was 21.3±1.3 at d 21 and 19.8±1.1 at d 35 of age. The slope of linear regressions between the tibia P and the whole body P for both ages was identical (17.7). Results indicated that changes in tibia P may be suitable to predict changes in whole body P retention. In the last experiment, a phytin-containing as well as a purified basal diet, both containing 1.8 g available P per kg feed dry matter, was supplemented with MSPa to increment the P concentration by 0.05%, 0.1%, and 0.15%. A retention trial with excreta collection from d 20-24 was conducted (n=7 birds per diet). The level of P did not significantly affect the total P retention either of the corn-SBM-based or of the purified basal diet (P > 0.05). However, increasing the P level significantly reduced (P = 0.015) the IP6 hydrolysis for the corn-SBM-based diets. Percentage P retention for MSPa was calculated by linear regression analysis. P retention for MSPa was 50% for the corn-SBM-based diet and 51% for the purified diet. We concluded that there was no difference in P retention from MSPa between corn-SBM-based and purified diets. It can be concluded from the results of the present thesis that both retention and pc digestibility can be used for evaluating mineral P sources in broilers based on a regression approach. The ranking of mineral P sources based on bone criteria differed from the ranking that was based on P retention or pc digestibility. There was no difference in P retention from MSPa between corn-SBM-based and purified based diets, but a significant effect of the P-level on the IP6 hydrolysis in corn-SBM-based basal diets was found.

Anorganische Phosphate stellen eine unverzichtbare P-Quelle im Geflügelfutter dar. Der Bedarf an verwertbarem Phosphor (P) für den Broiler kann nicht allein über pflanzliche Rationskomponenten gedeckt werden, da pflanzlicher P zumeist in Form von Phytat vorliegt, welches nur teilweise durch das Geflügel verwertbar ist. Bedingt durch den Anstieg der Preise für Futterphosphate und ökologische Bedenken, die mit der übermäßigen P-Ausscheidung durch landwirtschaftliche Nutztiere verbunden sind, haben Erkenntnisse zur Verwertbarkeit des P aus mineralischen Quellen während des letzten Jahrzehntes zunehmend an Bedeutung gewonnen. Allerdings gibt es noch keine standardisierte Methode zur Beurteilung der P-Verwertbarkeit aus anorganischen Futterphosphaten. Ohne genaue Kenntnis quantitativer Werte zur P-Verwertbarkeit verschiedener Futterphosphate ist es allerdings nicht möglich, Geflügelrationen ohne das Risiko einer Unter- oder Übersupplementierung zu formulieren. In verschiedenen Laboren gibt es international unterschiedliche Ansätze zur Bestimmung der P-Verwertbarkeit. Das Hauptproblem hierbei besteht darin, dass nicht klar ist, inwieweit die unterschiedlichen Herangehensweisen die Vergleichbarkeit der Ergebnisse beeinflussen. Die Entwicklung einer standardisierten Methode für die P-Bewertung, die eine Ermittlung quantitativer Werte für die P-Verwertbarkeit ermöglicht, ist aber Grundlage für die Optimierung des P-Gehaltes im Futter für Broiler. Das Hauptziel dieser Arbeit war daher, verschiedene methodische Ansätze, die international zur Ermittlung der P-Verwertbarkeit zum Einsatz kommen, hinsichtlich ihrer Eignung zu vergleichen. Hierfür wurde zunächst die P-Verwertbarkeit zweier mineralischer Phosphate in 3- und 5-Wochen alten Broilern, basierend auf P-Retention und praecaecaler (pc) Verdaulichkeit, bestimmt. Die P-Verwertbarkeit der beiden mineralischen Quellen wurde für beide Altersgruppen durch lineare Regressionsanalyse berechnet und diese dann für beide Kriterien miteinander verglichen. Zweitens, wurden die Tibia-Knochenasche und andere Knochen-Kriterien bestimmt. Anschließend wurde ein Vergleich der Knochen-Kriterien basierend auf den Ergebnissen zur P- Retention durchgeführt. Drittens, wurde die Eignung der Tibia-P (TP)-Retention zur Schätzung der P-Retention im Ganzkörpers (WBP) für beide Altersabschnitte untersucht. Eine weitere Variation in der P-Retention der Tiere wurde in diesen Studien durch unterschiedliche P-Versorgung und variierende P-Quellen im Futter erreicht. In einer vierten Studie wurde der Einfluss unterschdiedlich zusammengesetzter Basalrationen auf die P-Verwertbarkeit eines Futterphosphates anhand der quantitativen P-Retention untersucht. Eine Phytat-haltige, auf Mais und Sojaextraktionsschrot (SBM) basierende, und eine synthetische Basalration sind hierfür verwendet worden. Darüber hinaus wurde der Einfluss des Niveaus der anorganischen Phosphatzulage auf die Inositol-6-Phosphat (IP6)-Hydrolyse der Mais-SBM-Diät anhand der Exkremente beurteilt. In der ersten Studie kam eine auf Mais und SBM basierende Basalration zum Einsatz (0,35% P auf Trockensubstanz (TM)-Basis). Wasserfreies Mononatriumphosphat (MSPa) oder wasserfreies Calciumhydrogenphosphat (DCPa) wurde stufenweise zugelegt, um die P-Konzentration in der Ration um 0,08, 0,16 und 0,24% zu erhöhen. Es wurden sowohl zwei Bilanzversuche zur Ermittlung der P-Retention als auch zwei Versuche zur Bestimmung der pc Verdaulichkeit durchgeführt (8 Behandlungen pro Diät). Wie durch lineare Regression berechnet, betrug die P-Retention aus MSPa in den 3 Wochen alten Broilern 70% und war damit signifikant höher (P < 0,001) als für das DCPa (29%). Die Werte für die pc P-Verdaulichkeit in diesem Altersabschnitt lagen in einem ähnlichen Bereich (67% für MSPa und 30% für DCPa, P < 0,001). Für die 5 Wochen alten Tiere wurde eine P-Retention von 63% (MSPa) bzw. 29% (DCPa) (P < 0,001) und eine pc P-Verdaulichkeit von 54% (MSPa) bzw. 25% (DCPa) (P = 0,002) ermittelt. Schlussfolgernd kann festgehalten werden, dass für die 3 Wochen alten Broiler beide Parameter die gleichen Ergebnisse lieferten. In den 5 Wochen alten Tieren war die Rangierung beider P-Quellen gleich, wenn die Ergebnisse für beide Kriterien miteinander verglichen wurden. Zwischen beiden Altersabschnitten unterschieden sich die Werte nur unwesentlich. Die zweite Studie war eng mit der ersten verknüpft. So war das experimentelle Design gleich. Die Studie umfasste ebenfalls zwei Perioden mit Broilern unterschiedlichen Alters, die aber dem gleichen Schlupf und Fütterungsversuch entstammten. Die zu bewertenden Responskriterien waren die Asche- und P-Gehalte in den Tibiaknochen, dem Tarsometatarsus und den Zehen. Außerdem wurden verschiedene quantitative Messungen an der Tibia mittels Computertomographen durchgeführt. Darüber hinaus wurden die Pi-Konzentration im Blutserum sowie die Körpermassezunahme der Tiere erhoben. Die lineare Regressionsanalyse war auch hier Grundlage für die Auswertung und den Vergleich der einzelnen Responskriterien. Für jedes der untersuchten Kriterien zeigte sich im Falle des MSPa eine größere Steigung als für das DCPa. Bezogen auf die Aschemenge in den verschiedenen Knochen konnte in beiden Altersabschnitten ein ähnliches Verhältnis der Steigungen festgestellt werden. In beiden Perioden erwies sich die Fuß-Asche als ebenso empfindlich wie die Tibia-Asche. Die Pi-Konzentration im Blutserum sowie die Körpermassezunahme stellten sich als nicht hinreichend empfindliche Kriterien für die P-Bewertung heraus. Hieraus ließ sich schließen, dass die Rangierung der beiden mineralischen P-Quellen basierend auf den Knochenkriterien anders ausfiel als über die P-Retention oder pc Verdaulichkeit ermittelt. Auch die dritte Studie war eng mit der ersten verknüpft. An den Tagen 21 und 35 wurden zwei Tiere pro Behandlung nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, um den Gehalt an P und Ca im Tibia-freien Körper und den Tibiae zu bestimmen. Das Verhältnis von WBP/Tibia-P betrug 21,3 ± 1,3 bei den 21 Tage alten und 19,8 ± 1,1 bei den 35 Tage alten Broilern. Die Steigung der linearen Regression zwischen dem Tibia-P-Gehalt und dem WBP war identisch (17,7) für beide Altersabschnitte. Diese Ergebnisse sind ein deutlicher Hinweis, dass die Veränderungen im P-Gehalt der Tibia genutzt werden können, um Veränderungen in der P-Retention des Ganzkörpers abzuschätzen. Im letzten Experiment wurden sowohl eine Phytin-haltige als auch eine synthetische Basalration (1,8 g verwertbarer P je kg Futter TM) mit MSPa ergänzt, um P-Konzentrationen von 0,05, 0,1 und 0,15% in den Rationen zu erreichen. Es wurde ein Retentionsversuch auf Basis von Exkrementensammlungen zwischen dem 20. und 24. Lebenstag durchgeführt (n = 7 Tiere pro Diät). Die Höhe der P-Versorgung hatte weder im Falle der Mais-SBM-basierten noch bei Verwendung der synthetischen Basalration einen signifikanten Einfluss auf die Gesamt-Retention des P durch die Tiere (P > 0,05). Die Erhöhung des P-Niveaus reduzierte aber signifikant (P = 0,015) die IP6-Hydrolyse aus den Mais-SBM-basierten Mischungen. Die prozentuale P-Retention aus dem MSPa wurde durch lineare Regressionsanalyse ermittelt. Die P-Retention für MSPa betrug hier 50% für die Mais-SBM-basierten Diäten und 51% für die synthetischen Diäten. Folglich konnte für diese beiden Basaldiättypen kein Unterschied in der P-Retention aus dem MSPa festgestellt werden. Aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit läßt sich schlussfolgern, dass sowohl die P-Retention als auch die pc P-Verdaulichkeit geeignete Kriterien sind, um eine Bewertung mineralischer P-Quellen für das Masthuhn auf Basis linearer Regressionen vorzunehmen. Die Rangierung der mineralischen P-Quellen basierend auf den Knochenkriterien unterschied sich von dem Ranking, das auf P-Retention oder pc Verdaulichkeit basierte. Es gab keinen Unterschied in der P-Retention für MSPa zwischen Mais-SBM-basierten und synthetischen Diäten, allerdings war ein signifikanter Effekt des P-Supplementationsniveaus auf die IP6-Hydrolyse aus Mais-SBM-basierten Diäten zu verzeichnen. Für die Entwicklung eines Standard-Protokolls zur Ermittlung des verwertbaren P beim Geflügel wurden hiermit Beiträge geliefert und Impulse gegeben.