Control of protein degradation in the rumen for improving protein efficiency and reducing polluting emissions

Haro Haro, Andrés Norberto (2019). Control of protein degradation in the rumen for improving protein efficiency and reducing polluting emissions. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57432.

Description

Title: Control of protein degradation in the rumen for improving protein efficiency and reducing polluting emissions
Author/s:
  • Haro Haro, Andrés Norberto
Contributor/s:
  • Carro Travieso, Mª Dolores
  • Gonzáles Cano, Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Producción Agraria
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Los rumiantes tienen la capacidad de utilizar alimentos fibrosos y proteínas de baja calidad para producir alimentos de valor nutritivo para los humanos, pero también tienen una baja eficiencia de utilización del nitrógeno (N), que generalmente es inferior al 30%. Como consecuencia, una gran parte del N de la dieta es excretada al medio ambiente y contribuye a la eutrofización del suelo y el agua, siendo este problema especialmente marcado en los rumiantes de alta producción. El metabolismo ruminal es el factor más importante que determina el uso ineficiente de N en rumiantes, especialmente en situaciones de desequilibrio entre el NH3-N generado en la degradación proteica y la captación de NH3-N por los microorganismos ruminales para la síntesis proteica. Además, se ha demostrado que la degradación de las proteínas en el rumen genera CH4, lo que contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero. Por tanto, reducir la degradación ruminal de las proteínas no solo puede aumentar la cantidad de proteína del alimento que llega al intestino delgado, sino que también puede reducir las emisiones contaminantes, como son el N y el CH4. El objetivo general de esta Tesis Doctoral es investigar algunos aspectos de la degradación proteica en el rumen que están directamente relacionados con las pérdidas de N y la producción de CH4. Para lograr este objetivo se llevaron a cabo cuatro experimentos, dos in vitro y dos in vivo. El objetivo del Experimento 1, fue evaluar la inclusión de semillas de girasol (SS) y harina de girasol (SM), protegidas frente a la degradación ruminal, en dietas con alto contenido en cereales sobre la fermentación ruminal in vitro y producción de CH4. Para el tratamiento de protección (TR) se pulverizaron muestras de SS y SM con una solución de ácido málico 1 M (400 ml/kg de muestra) y se secaron a 150°C durante 1 h. Se formularon cuatro dietas para contener 13 (nivel bajo) o 17 (nivel alto) g de proteína bruta (PB)/100 g de materia seca (MS), y se incluyeron SS y SM sin tratar (dietas: 13CON y 17CON) o tratadas como se ha descrito anteriormente (dietas: 13TR y 17TR). Las dietas se incubaron in vitro con líquido ruminal de ovejas durante 8 y 24 h. El tratamiento no afectó (p ≥ 0,57) la producción total de ácidos grasos volátiles (AGV) a ningún tiempo de incubación, pero redujo (p < 0,05) las concentraciones de NH3-N en 19,2 y 12,5% a las 8 y 24 h, respectivamente. Tanto la producción de CH4 como la relación CH4/AGV fueron menores (p < 0,02) para las dietas tratadas que para las dietas CON a las 8 h, pero las diferencias desaparecieron (p > 0,05) a las 24 h. El tratamiento aumentó la proporción molar de propionato (p = 0,001) y redujo la de isovalerato (p = 0,03) a las 8 h en comparación con las dietas CON, pero solo se detectó una reducción de la proporción de isovalerato (p = 0,03) a las 24 h. No hubo interacciones tratamiento x nivel de proteína bruta (p > 0,05) en ningún parámetro, pero las dietas altas en proteína originaron mayores concentraciones de NH3-N (p < 0,001) y menor producción de AGV (p < 0.001) que las dietas bajas en proteína a las 24 h. En resumen, el tratamiento protector redujo la degradación de la proteína, y la producción de CH4 (4,6 y 10,8% para las dietas bajas y altas en proteína, respectivamente) en tiempos de incubación cortos sin afectar la producción de AGV, mejorando así la eficiencia de fermentación y disminuyendo las emisiones contaminantes. Los objetivos de los Experimentos 2 y 3 fueron analizar la eficacia de un tratamiento que combina ácido málico y aplicación de calor (MAH) para proteger la proteína en SS y SM contra la degradación del rumen, así como para mejorar el crecimiento, las características de la canal y la calidad de la carne de corderos en cebo. Se formularon dos concentrados basados en cereales, que incluían SS y SM sin tratar (concentrado control) o SS y SM tratados con MAH (concentrado MAH). El Experimento 2 consistió en analizar la fermentación in vitro de muestras SS y SM no tratadas y tratadas con MAH, así como de ambos concentrados, usando fluido ruminal de oveja como inóculo e incubaciones de 12 h de duración. Los resultados indicaron que el tratamiento MAH modificó el patrón fermentativo de SS, SM y el concentrado, aumentando las proporciones molares de propionato. Además, el tratamiento MAH redujo (p = 0,009) las concentraciones de NH3-N para SM y tendió (p = 0,065) a reducirlas para el concentrado. Sin embargo, no se observaron efectos (p ≥ 0,100) en la producción de CH4 para ningún alimento incubado. En el Experimento 3, se usaron dos grupos homogéneos de 12 corderos Lacaune cada uno (14,2  0,35 Kg de peso vivo) que fueron alimentados con el concentrado control o con el concentrado MAH. Los corderos recibieron concentrado y paja de cebada ad libitum durante 40 días, hasta alcanzar aproximadamente 26 kg de peso vivo. Se registraron semanalmente la ingesta de alimento y el crecimiento de los corderos, se tomaron muestras de sangre los días 0, 20 y el día del sacrificio para el análisis de urea-N y N aminoacídico, se determinó la digestibilidad de la dieta y se recogieron muestras ruminales y cecales después del sacrificio. Además, se evaluaron las características de la canal y la calidad y el perfil de ácidos grasos de la carne. No hubo efectos significativos del tratamiento MAH sobre la ingestión de alimento y el crecimiento de los corderos. Sin embargo, la digestibilidad de la materia orgánica tendió a ser mayor (p = 0,07) en los corderos alimentados con MAH que en el grupo control, pero no hubo diferencias (p ≥ 0,33) en la digestibilidad de la PB, fibra neutro detergente (FND) y fibra ácido detergente (FAD). El peso de la canal caliente de los corderos alimentados con el concentrado MAH fue 7,9% mayor que el de las canales del grupo control, pero las diferencias no alcanzaron el nivel de significación estadística (p = 0,212). No se detectaron diferencias entre grupos en las concentraciones plasmáticas de urea-N y N aminoacídico (p = 0,755 y 0,500, respectivamente), ni hubo efectos (p ≥ 0,172) del tratamiento MAH sobre las características de las papilas ruminales y las concentraciones y el perfil de AGV post-mortem en el rumen y el ciego. El color del epitelio ruminal fuer más oscuro (p = 0,003) en los corderos alimentados con el concentrado MAH que en el grupo control, lo que posiblemente fue debido a una acción corrosiva del ácido málico o a una mayor abrasión de las cáscaras de girasol tratadas con MAH. En comparación con los corderos control, los corderos alimentados con el concentrado MAH tuvieron una mayor cantidad (p = 0,016) de grasa dorsal y mayores valores (p ≤ 0,016) de los parámetros de color a* (enrojecimiento) y C* (cromaticidad) en el músculo rectus abdominis. Sin embargo, no hubo diferencias (p > 0,05) en las medidas de la canal ni en la capacidad de retención de agua, composición química, pH y color del músculo longissimus dorsi. El perfil de ácidos grasos del músculo longissimus dorsi no se vio afectado (p > 0,117) por el concentrado administrado, con la excepción de una tendencia (p = 0,055) a mayores concentraciones de C14:0 en los corderos alimentados con el concentrado MAH. En conclusión, el tratamiento con ácido málico y calor aumentó la fermentación in vitro de SS, redujo la degradabilidad de la proteína in vitro de SM y modificó el perfil de AGV hacia una mayor producción de propionato. Sin embargo, bajo las condiciones del presente estudio, la inclusión de SS y SM tratados con MAH en un concentrado para corderos en cebo no influyó significativamente en la ingestión de alimento, la digestibilidad de la dieta, el rendimiento productivo y el perfil de ácidos grasos de la carne, aunque aumentó el peso de la canal caliente en un 7,9 % y la cantidad de grasa dorsal. En el Experimento 4 se estudió, utilizando métodos in vivo, in situ e in vitro, la eficacia de tratar SS, SM y una mezcla de ambas (SSM; 45:55) con una solución de ácido málico (1 M; 400 ml/kg) y calor para proteger contra la degradación ruminal de la proteína. Se usaron cuatro ovejas fistuladas en el rumen que fueron alimentadas con dos dietas mixtas compuestas de heno de avena y concentrado en proporción 40:60 y que diferían solo en el concentrado, que era el concentrado control o el concentrado MAH utilizado en los Experimentos 2 y 3. Las ovejas fueron alimentadas con dietas a 40 g MS/kg de peso metabólico0,75 repartidas en seis comidas iguales por día utilizando dispensadores automáticos. Se utilizó un diseño cruzado con dos períodos experimentales de 24 días, y cada período incluyó sucesivamente: 10 días de adaptación a la dieta, 9 días para realizar incubaciones in situ de SS, SM y SSM, un día para medir los parámetros ruminales y dos días para el vaciado ruminal. Desde el día 6 en adelante, se infundió continuamente una solución de (15NH4)2SO4 en el rumen de cada oveja para marcar las bacterias ruminales. La administración de la dieta MAH no afectó ni al pH ruminal ni a las concentraciones de NH3-N y AGV totales, pero disminuyó (p ≤ 0,009) las proporciones molares de acetato y propionato y aumentó las de butirato (p <0,001). Además, el contenido de materia orgánica (MO) y lípidos en las bacterias ruminales fue menor en las ovejas alimentadas con la dieta MAH en comparación con la dieta control, mientras que su contenido de N y el enriquecimiento en 15N fueron mayores (p ≤ 0,037). En este trabajo se estimó la degradabilidad efectiva (DE) de las diferentes fracciones químicas de SS, SM y SSM considerando las tasas ruminales de conminución y paso de partículas y se corrigieron los valores para la contaminación microbiana, que fue medida usando la técnica de infusión de 15N. El tratamiento con MAH disminuyó la DE de la mayoría de las fracciones en todos los alimentos incubados, aumentando el aporte de PB by-pass en 19,1 y 120% para SS y SM, respectivamente, y en 34% para la grasa en SS. El tratamiento con MAH también aumentó la digestibilidad intestinal in vitro de la PB by-pass tanto para SS (de 60,1 a 75,4%) como para SM (de 83,2 a 91,0%). El tratamiento simultáneo de ambas muestras realizado en SSM reforzó el efecto protector de MAH, aumentando la PB by-pass sin alterar su digestibilidad intestinal. Como consecuencia, el contenido en PB digerida en el intestino en la mezcla SSM aumentó en un 15,6% en comparación con el valor estimado a partir de los resultados obtenidos para SS y SM cuando se incubaron de forma independiente. Los resultados también confirman la observación previa de que la efectividad del tratamiento MAH es mayor para los alimentos con alto contenido en PB. ----------ABSTRACT---------- Ruminants have the capacity of using fibrous feeds and low quality proteins to produce high-quality foods for humans, but they also have a low efficiency of nitrogen (N) utilization that is usually below 30%. As a consequence, a large part of the dietary N is excreted to the environment and contributes to soil and water eutrophication, being this problem especially marked in high-producing ruminants. Rumen metabolism is the most important factor contributing to the inefficient use of N in ruminants, especially in situations of an imbalance between the NH3-N generated in the degradation of protein and the use of NH3-N by the microbiota for microbial protein synthesis. In addition, it has been shown that protein degradation in the rumen generates CH4, thus contributing to greenhouse gases emissions. Therefore, reducing the ruminal degradation of protein cannot only increase the amount of feed protein reaching the small intestine, but also can reduce polluting emissions such as N and CH4. The general objective of this Doctoral Thesis is to investigate some aspects of the protein degradation in the rumen that are directly related to N losses and CH4 production, and in order to achieve this objective four Experiments (two in vitro and two in vivo) were conducted. The objective of Experiment 1 was to evaluate the inclusion of sunflower seed (SS) and sunflower meal (SM) protected against ruminal degradation in high-cereal diets on in vitro ruminal fermentation and CH4 production. Samples of SS and SM were sprayed with a solution of malic acid 1 M (400 ml/kg sample) and dried at 150°C for 1 h as a protective treatment. Four diets were formulated to contain either 13 (low) or 17 (high) g of crude protein (CP)/100 g dry matter (DM), and included SS and SM either untreated (13CON and 17CON diets) or treated as before described (13TR and 17TR diets). Diets were incubated in vitro with rumen fluid from sheep for 8 and 24 h. The treatment did not affect (p ≥ 0.57) total volatile fatty acid (VFA) production at any incubation time, but it reduced (p < 0.05) NH3-N concentrations by 19.2 and 12.5% at 8 and 24 h respectively. Both CH4 production and CH4/VFA ratio were lower (p < 0.02) in TR than in CON diets at 8 h, but differences disappeared (p > 0.05) at 24 h. The treatment increased the molar proportion of propionate (p = 0.001) and reduced that of isovalerate (p = 0.03) at 8 h compared with CON diets, but only a reduction of isovalerate proportion (p = 0.03) was detected at 24 h. There were no treatment x crude protein level interactions (p > 0.05) in any parameter, but high-protein diets had greater NH3-N concentrations (p < 0.001) and lower VFA production (p < 0.001) than low-protein diets at 24 h. The treatment reduced protein degradation, and CH4 production was decreased by 4.6 and 10.8% for low-and high-protein diets, respectively, at short incubation times without affecting VFA production, thus improving fermentation efficiency and decreasing polluting emissions. The objectives of Experiments 2 and 3 were to analyze the efficacy of a treatment combining malic acid and heating (MAH) to protect the protein in SS and SM against rumen degradation and to improve the growth, carcass characteristics and meat quality of lambs. Two high-cereal concentrates, either including untreated SS and SM (control concentrate) or MAH-treated SS and SM (MAH concentrate), were formulated. The Experiment 2 was conducted to analyze the 12-h in vitro fermentation of untreated and MAH-treated SS and SM samples, as well as of both concentrates, using ruminal fluid from sheep as inoculum. The results indicated that the MAH treatment modified the rumen fermentation pattern of SS, SM and the concentrate, increasing molar proportions of propionate. In addition, MAH treatment reduced (p = 0.009) the NH3-N concentrations for SM and tended (p = 0.065) to reduce them for the concentrate. However, no effects (p ≥ 0.100) on CH4 production were observed for any incubated feed. In Experiment 3, two homogeneous groups of 12 Lacaune lambs each (14.2  0.35 Kg body weight) were fed either the control or the MAH concentrate. Lambs were fed concentrate and barley straw ad libitum for 40 days (until reaching about 26 kg body weight). Feed intake and growth of lambs were recorded, blood samples were taken on days 0, 20, and the slaughter day for analysis of urea-N and amino acid-N, diet digestibility was determined, and ruminal and cecal samples were collected after slaughter. In addition, carcass characteristics and quality and fatty acid profile of meat were assessed. There were no significant effects of the MAH treatment on feed intake and growth of lambs. Organic matter digestibility tended to be greater (p = 0.07) in MAH-fed lambs than in the control group, but there were no differences (p ≥ 0.33) in the digestibility of CP, neutral detergent fiber (NDF) and acid detergent fiber (ADF). The hot carcasses of the lambs fed the MAH-treated concentrate were 7.9% heavier than those of the control group, but differences did not reach the significance level (p = 0.212). No differences between groups were detected in plasma concentrations of urea-N and amino acid-N (p = 0.755 and 0.500, respectively). There were no effects (p ≥ 0.172) of MAH treatment on ruminal papillae characteristics and post-mortem VFA concentrations and profile in the rumen and the cecum. The color of the ruminal epithelium was darker (p = 0.003) in the lambs fed the MAH-concentrate compared with the control group, which was attributed to either to a corrosive action of malic acid or to a greater abrasion of the MAH-treated sunflower husks. Compared with control lambs, those fed the MAH-concentrate showed greater (p = 0.016) amount of dorsal fat and greater (p ≤ 0.016) values of the color parameters a* (redness) and C* (chromaticity) in the rectus abdominis muscle. However, there were no differences (p > 0.05) in carcass measurements and in water-holding capacity, chemical composition, pH or color of longissimus dorsi muscle. Fatty acid profile of longissimus dorsi muscle was not affected (p > 0.117) by feeding the MAH-treated concentrate, with the exception of a trend (p = 0.055) to greater concentrations of C14:0 in the MAH-fed lambs. In conclusion, the MAH treatment increased the in vitro fermentation of SS, reduced the in vitro protein degradability of SM, and modified the VFA profile towards greater propionate production. However, under the conditions of the present study the inclusion of MAH-treated SS and SM in a concentrate for growing lambs did not influenced significantly feed intake, diet digestibility, growth performance and meat fatty acid profile, although it increased hot carcass weight by 7.9% and the amount of dorsal fat. In Experiment 4, the effects of spraying a solution of malic acid (1 M; 400 ml/kg) and ulterior heating to protect against ruminal degradation the proteins of SS and SM, as well as of a mixture of these both feeds (SSM; 45:55) were studied using in vivo, in situ and in vitro methods. Four rumen-fistulated sheep were fed two mixed diets composed of oat hay and concentrate (40:60) and differing only in the concentrate, that was either the control or the MAH concentrate used in Experiments 2 and 3. Sheep were fed the diets at 40 g DM/kg body weight0.75 into six equal meals per day using automatic dispensers. A crossover design with two 24-day experimental periods was used, and each period included successively 10 days of diet adaptation, 9 days for performing in situ incubations of SS, SM and SSM, one day for measuring ruminal parameters, and two days for rumen empting. From day 6 onwards a solution of (15NH4)2SO4 was continuously infused into the rumen of each sheep to label ruminal bacteria. Feeding the MAH diet did not affect either ruminal pH or concentrations of NH3-N and total VFA, but decreased (p ≤ 0.009) molar proportions of acetate and propionate and increased those of butyrate (p < 0.001). In addition, organic matter (OM) and lipid contents in ruminal bacteria were lower in sheep fed the MAH diet compared with the control diet, whereas both N content and 15N enrichment were greater (p ≤ 0.037). Estimates of effective degradability (ED) of different feed fractions in SS, SM and SSM were obtained considering the ruminal rates of particle comminution and passage and correcting the values for the microbial contamination measured by using the 15N infusion technique. The MAH treatment decreased the ED of most fractions in all tested feeds, increasing the supply of by-pass crude protein (CP) by 19.1 and 120% for SS and SM, respectively, and by 34% for crude fat in SS. The MAH treatment also increased the in vitro intestinal digestibility of the by-pass CP both for SS (from 60.1 to 75.4%) and SM (from 83.2 to 91.0%). The simultaneous heating of both feeds performed in SSM reinforced the protective effect increasing the by-pass CP without altering its intestinal digestibility. As a result, the intestinal digested CP content in SSM increased by 15.6% compared with the value estimated from the results obtained for SS and SM incubated independently. The results also confirm the previous observation that the effectiveness of MAH treatment is greater for high-CP feeds.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainAGL2012-31064UnspecifiedUnspecifiedReducción de emisiones contaminantes de rumiantes: nitrógeno en heces y orina y metano
Madrid Regional GovernmentS2013/ABI-2913MEDGANUnspecifiedTecnologías de manejo, nutrición y genética para optimizar la producción de alimentos de origen animal característicos de la dieta mediterránea

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Item ID: 57432
DC Identifier: http://oa.upm.es/57432/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57432
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57432
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 08 Jan 2020 07:30
Last Modified: 08 Jul 2020 22:30
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