Variability of amino acid digestibility of cereal grains in laying hens

Abstract

It was the objective of this doctoral thesis to generate a comprehensive data set of AA digestibility values of cereal grains in laying hens by using a strictly standardized assay procedure. Additionally, the suitability of two approaches to predict AA digestibility was examined. For this purpose, 80 genotypes of triticale, rye, corn, and wheat grains (n = 20 each) were grown as part of the “GrainUp” project. Apart from corn, the cereal species were grown under identical environmental conditions. The grain samples were comprehensively analyzed according to their physical properties, chemical composition, and gross energy concentration. The concentration of crude protein in the grain samples of triticale, rye, corn, and wheat was in the range of 113-138, 108-127, 78-112, and 125-162 g/kg dry matter, respectively. Additionally, the in vitro solubility of nitrogen (N) was determined in the grains after pretreatment with porcine pepsin and pancreatin. The animal trial comprised 16 Latin Squares (6x6), distributed among six subsequent runs. Thus, each run contained two to three Latin Squares. Cecectomized laying hens were individually housed in metabolism cages and fed either on a basal diet containing 500 g/kg cornstarch or one of the 80 cereal diets, with the cornstarch being replaced with a grain sample, for eight days. During the last four days, feed intake was recorded and excreta were collected quantitatively twice daily. After each collection period, the hens were group-housed in a floor pen for two days and offered a conventional layer diet. Amino acid digestibility of the grain samples was calculated using a linear regression approach. Relationships between AA digestibility and single analyzed fractions or the in vitro solubility of N of the cereal grains were examined by calculating Pearson product-moment correlation coefficients. Prediction equations to estimate AA digestibility were calculated by multiple regression analysis using a stepwise selection approach. Therefore, the variables were pooled according to their characteristics, and the prediction equations were calculated for the digestibility of each AA using each pool. The variables were offered in a linear or linear plus quadratic fashion and classified as significant predictors at P<0.10. The equations were assessed based on the adjusted R² and the root-mean-square error. The AA digestibility varied widely within and among the cereal species. The mean digestibility of lysine was 74% (digestibility range: 68-80%), 49% (35-59%), 79% (64-85%), and 80% (69-87%) for triticale, rye, corn, and wheat grains, respectively. A similar ranking was observed for methionine with a mean digestibility of 83% (digestibility range: 77-86%), 67% (57-75%), 91% (86-94%) and 84% (70-93%) for triticale, rye, corn, and wheat grains, respectively. Correlation analysis showed inconsistent results within and across the cereal species. Among the physical characteristics, significant correlations were detected for the thousand seed weight and the digestibility of a few AA in wheat, and for the test weight and the digestibility of a few AA in rye and corn. Significant correlations between NSP fractions and the digestibility of essential AA were detected only for rye grains. In this crop, the concentration of arabinoxylans and total NSP in the grains was negatively correlated with the digestibility of arginine, leucine, phenylalanine, and threonine. The concentration of crude protein in corn grains was positively correlated with the digestibility of essential AA, except isoleucine, tryptophan, and valine. In contrast, only a few significant positive correlations between crude protein concentration and essential AA digestibility were found for triticale and rye grains. No significant correlations were found for wheat grains in this regard. The in vitro solubility of N was negatively and positively correlated with the digestibility of a few AA in triticale and rye grains, respectively. The accuracy of the predictive equations was generally low (adjusted R² below 0.7 in most cases), and varied considerably between both pools of variables for the same AA and the same pool of variables for different AA. Thus, single or several physical or chemical characteristics could not explain the variation in AA digestibility in laying hens and the development of prediction equations sufficiently precise for the practical application was not possible.

Es war das Ziel dieser Doktorarbeit einen umfassenden Datensatz zur AS-Verdaulichkeit von Getreidekörnern bei Legehennen zu erstellen, indem ein streng standardisiertes Testverfahren angewendet wurde. Darüber hinaus wurde die Eignung zweier Ansätze zur Vorhersage der AS-Verdaulichkeit geprüft. Zu diesem Zweck wurden 80 Genotypen von Triticale, Roggen, Mais und Weizen (jeweils n = 20) im Rahmen des “GrainUp” Projektes angebaut. Mit Ausnahme des Maises wurden die Kulturarten unter identischen Umweltbedingungen angebaut. Die Getreideproben wurden umfangreich hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften, chemischen Zusammensetzung und Bruttoenergie-Konzentration, analysiert. Die Konzentration an Rohprotein in den Triticale-, Roggen-, Mais- und Weizenproben lag jeweils im Bereich von 113–138, 108–127, 78–112 und 125–162 g/kg Trockenmasse. Zusätzliche wurde die in vitro Löslichkeit des Stickstoffs (N) der Getreidekörner nach Vorbehandlung mit porcinem Pepsin und Pankreatin bestimmt. Der Tierversuch umfasste 16 Lateinische Quadrate (6x6), die auf 6 aufeinander folgende Durchgänge verteilt waren. Dementsprechend beinhaltete jeder Durchgang zwei bis drei Lateinische Quadrate. Caecectomierte Legehennen wurden einzeln in Stoffwechselkäfigen gehalten und erhielten für acht Tage entweder eine Basalration, die zu 500 g/kg aus Maisstärke bestand, oder eine von 80 Getreiderationen, bei denen die Maisstärke jeweils durch eine Getreideprobe ersetzt wurde. Während der letzten vier Tage wurde die Futteraufnahme erfasst und die Exkremente wurden zweimal täglich quantitativ gesammelt. Nach jeder Sammelperiode wurden die Hennen für zwei Tage in Gruppenhaltung in einem Bodenabteil untergebracht und bekamen eine konventionelle Legehennenmischung vorgelegt. Die AS-Verdaulichkeit der Getreideproben wurde mittels eines linearen Regressionsansatzes berechnet. Beziehungen zwischen der AS-Verdaulichkeit und einzelnen analysierten Fraktionen oder der in vitro-Löslichkeit des N wurden durch die Berechnung der Pearsonschen Produkt-Moment-Korrelationskoeffizienten untersucht. Schätzgleichungen zur Vorhersage der AS-Verdaulichkeit wurden mittels multipler Regressionsanalyse berechnet, wobei eine Variablenselektion mittels Stepwise-selection zum Einsatz kam. Hierfür wurden die Variablen entsprechend ihrer Eigenschaften in Pools zusammengefasst und Schätzgleichungen für die AS-Verdaulichkeit wurden mit jedem Pool berechnet. Die Variablen wurden linear und als Kombination linear plus quadratisch angeboten und bei P<0,10 als signifikanten Prädiktor eingestuft. Die Gleichungen wurden anhand des adjustierten R² und des mittleren quadratischen Fehlers hinsichtlich ihrer Güte beurteilt. Die AS-Verdaulichkeit variierte stark innerhalb und zwischen den Kulturarten. Die mittlere Verdaulichkeit des Lysins lag jeweils bei 74% (Spanne der Verdaulichkeit: 68–80%), 49% (35–59%), 79% (64%–85%) und 80% (69–87%) für Triticale, Roggen, Mais und Weizen. Für Methionin wurde mit einer mittleren Verdaulichkeit von 83% (Spanne der Verdaulichkeit: 77–86%), 67% (57-75%), 91% (86-94%) und 84% (70-93%) für Triticale, Roggen, Mais und Weizen eine ähnliche Rangierung festgestellt. Die Korrelationsanalyse zeigte sowohl innerhalb der Kulturarten also auch über die Kulturarten hinweg uneinheitliche Ergebnisse. Bei den physikalischen Eigenschaften wurden signifikante Korrelationen zwischen dem Tausenkorngewicht und der Verdaulichkeit weniger AS des Weizens, sowie zwischen dem Hektolitergewicht und der Verdaulichkeit weniger AS des Roggens und des Maises, nachgewiesen. Signifikante Korrelationen zwischen NSP Fraktionen und der Verdaulichkeit essentieller AS traten ausschließlich beim Roggen auf. Bei dieser Kulturart war die Konzentration an Arabinoxylanen und gesamten NSP in den Körnern negativ mit der Verdaulichkeit von Arginin, Leucin, Phenylalanin und Threonin korreliert. Die Konzentration an Rohprotein in den Maiskörnern war positiv korreliert mit der Verdaulichkeit der essentiellen AS, ausgenommen Isoleucin, Tryptophan und Valin. Im Gegensatz dazu wurden nur wenige signifikant positive Korrelationen zwischen der Konzentration an Rohprotein und der Verdaulichkeit der essentiellen AS bei Triticale- und Roggenkörnern gefunden. Für den Weizen konnten in diesem Zusammenhang keine signifikanten Korrelationen nachgewiesen werden. Die in vitro-Löslichkeit des N war negativ und positiv mit der Verdaulichkeit weniger AS in Triticale- bzw. Roggenkörnern korreliert. Die Genauigkeit der Schätzgleichungen war generell niedrig (adjustiertes R² unter 0,7 in den meisten Fällen), und variierte beachtlich sowohl zwischen den Variablenpools für die selbe AS, als auch für den selben Variablenpool bei unterschiedlichen AS. Folglich konnten einzelne oder mehrere physikalische oder chemische Eigenschaften die Variation in der AS-Verdaulichkeit bei Legehennen nicht erklären und die Entwicklung von ausreichend genauen Schätzgleichungen für die praktische Anwendung war nicht möglich.