Nutritive evaluation of wastes of Brassica vegetables and other agroindustrial by-products for sheep feeding

Evan Rozada, Trinidad de (2020). Nutritive evaluation of wastes of Brassica vegetables and other agroindustrial by-products for sheep feeding. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM).


Title: Nutritive evaluation of wastes of Brassica vegetables and other agroindustrial by-products for sheep feeding
  • Evan Rozada, Trinidad de
  • Carro Travieso, Mª Dolores
  • Ranilla García, María José
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Producción Animal [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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The fruit and vegetable sector in Spain constitutes an important activity, as our country is the leading European producer and the sixth worldwide. According to Food and Agriculture Organization of the United Nations estimations, about half of the initial production of vegetables and fruits is lost or wasted at different stages of the food chain supply (cultivation, harvest, distribution, marketing and consumption). Besides that, the new presentation formats of vegetables (ready to eat, bagged, canned, frozen, lyophilized, …) that are progressively present in the market contribute to increase the amount of wastes due to the discarded fractions (i.e. leaves, stems) generated in these marketing processes. Both wastes and discarded vegetables may be used in animal feeding, but the knowledge on their nutritional value is still limited in some cases. In addition, consumers increasingly demand safe and healthy animal products produced with minimal environmental impact, and the use of vegetable wastes and by-products in livestock feeding can contribute to this demand. The general objective of this Doctoral Thesis is to obtain information on the nutritional value for sheep of wastes from different Brassica vegetables and the effects of including some agroindustrial by-products (dehydrated citrus pulp (DCP), corn distillers dried grains with solubles (DDGS) and exhausted olive cake (EOC)) in the diet of fattening light lambs. Three in vitro experiments (Experiments 1, 2 and 3) were conducted to assess the nutritive value of wastes from Brassica vegetables, and the effects of the selected agroindustrial by-products on growth performance and meat quality of fattening light lambs were analyzed in Experiment 4. The first objective of this Doctoral Thesis was to analyze the variability in chemical composition, in vitro ruminal fermentation and in vitro intestinal digestibility of discarded pieces and different fractions of Brassica vegetables produced in Spain. A total of 12 different samples (3 replicates per each) were analyzed: four leave cabbages (Brussels sprouts (BS), white cabbage, savoy cabbage, and red cabbage), three fractions (leaves, stems and florets) of both cauliflower (CAU) and romanesco (ROM), and two fractions (stems and florets) of broccoli (BRO). In vitro incubations were carried out by using batch cultures of ruminal microorganisms from sheep to measure the gas production kinetics (144 h incubations) and the main ruminal fermentation parameters (24 h incubations). One sample of each barley grains, sugar beet pulp and wheat DDGS was included to serve as reference. All samples had low dry matter (DM) content, which ranged from 5.64 for white cabbage to 16.3 % for BS. The DM was rich in crude protein (CP; 15.0 – 30.0 %) and sugars (16.3 – 41.4 %), had medium values of neutral detergent fiber (NDF; 17.5 - 32.3 %), and low lignin content (< 4.1 %). Within the group of leave cabbages, BS had the greatest DM content (16.3 %), as well as the lowest NDF (17.4 % of DM) and the greatest sugars levels (41.4 % DM). For CAU and ROM, the leaves contained more (P < 0.05) NDF and less (P < 0.05) sugars than stems and florets. Compared to florets, the stems had lower CP (P < 0.05; 22.2 vs. 29.6 % of DM; values averaged for CAU, ROM and BRO) and greater sugars content (P < 0.05; 20.6 vs. 30.1 % of DM). All samples were rapidly and extensively fermented in vitro by ruminal microorganisms. Within the leave vegetables, BS was the most extensively fermented. Stems and florets of CAU and ROM were more quickly fermented than leaves, but there were only minor differences in fermentation profiles of both vegetables. In general, stems and florets had similar fermentation patterns. With the exception of CAU and ROM leaves, all tested samples had DM effective degradability values similar or even greater to that of barley grains. The 12-h in situ degradability of CP was high for all samples, and ranged from 80.9 % (ROM florets) to 95.1 % for (BRO florets) indicating a low by-pass CP fraction. The in vitro intestinal digestibility of CP ranged from 61.4 % for red cabbage to 93.2 % for ROM florets. The estimated metabolizable energy (ME) content varied from 9.4 (CAU leaves) to 11.8 (ROM florets) MJ / kg DM. The ME content in BS, white cabbage, and CAU and ROM leaves was similar to that for sugar beet pulp and wheat DDGS, whereas all florets had ME content close to that of barley grains. Altogether, these results indicate that Brassica vegetables can be a good source of energy for ruminants, but their high moisture content could limit their use in practical feeding. The objective of Experiment 2 was to assess the in vitro fermentation of diets containing increasing amounts of dried BS, CAU or BRO. A mixed diet composed of 40 % alfalfa hay and 60 % of a high-cereal concentrate was used as control, and all experimental diets were formulated to have similar CP and NDF content. Each vegetable was included at 0, 8, 16 and 24 % of the concentrate (4.8, 9.6 and 14.4 % of total diet) replacing cereals and protein feeds. In addition, the in situ ruminal degradation kinetics of DM and N was determined for the diets containing BS and BRO. A similar response was observed for the three vegetables, and increasing their inclusion level in the diet augmented both potential gas production and total volatile fatty acid (VFA) production, indicating that the diets including BS, CAU or BRO were more extensively fermented than the control diet. There were differences among vegetables in their effects on VFA profile, as the inclusion of BS in the diet resulted in greater (P < 0.05) proportions of propionate and less (P < 0.05) of butyrate compared with the control diet, whereas CAU and BRO increased (P < 0.05) molar proportions of acetate and decreased (P < 0.05) those of propionate and butyrate. Concentrations of NH3-N after 24 h of in vitro fermentation were only increased for BRO diets, which is in accordance with the greater rumen degradability of BRO-CP observed in Experiment 1. No differences (P > 0.05) among diets were detected in CH4 production, indicating a lack of antimethanogenic compounds in the studied vegetables. The measurement of the in situ degradability of BS and BRO diets confirmed the in vitro results. The inclusion of increasing amounts of BS or BRO in the diets resulted in significantly augmented values of the soluble fraction (a) of both DM and CP, and decreased the non-soluble but potentially degradable fraction (b), with the total potentially degradable fraction (a + b) remaining unchanged. The results from Experiments 1 and 2 are included in the Scientific papers 1, 2 and 3 of this Doctoral Thesis. The objective of Experiment 3 (Scientific paper 6) was to assess the effects of replacing 14.8 % of conventional feed ingredients in a mixed diet for dairy sheep (control diet) with dried discarded pieces of either BS (BS15 diet) or BRO (BRO15 diet) on ruminal fermentation and microbial protein synthesis (MPS) in Rusitec fermenters. All experimental diets were composed of alfalfa hay and concentrate in 1:1 ratio, and were formulated to have similar CP and NDF content. Six Rusitec fermenters received the diets (30 g DM / d) in two 14-d incubation periods. The MPS was determined using 15N as a microbial marker. Fermenters fed the BRO15 diet had greater pH values (P < 0.05; 6.19) than those receiving the control diet (6.10), but similar to BS15-fermenters (6.15). There were no differences among diets in total VFA production, but VFA profile was markedly affected. Compared with the fermenters fed the control diet, those fed the BS15 and BRO15 diets had greater (P < 0.05) molar proportions of acetate and valerate and lower (P < 0.05) of propionate, resulting in greater (P < 0.05) acetate:propionate ratios for BS15 and BRO15 diets. The BRO15 diet promoted the greatest (P < 0.05) NH3–N concentrations, which was in accordance with the greatest (P < 0.05) CP degradability observed for this diet (0.616, 0.639 and 0.673 g / g for control, BS15 and BRO15, respectively). Digestibility of DM was unaffected by the diet (P = 0.109), but BS15 showed greater (P < 0.05) NDF digestibility than the control diet. Neither daily CH4 production nor the CH4 / total VFA ratio differed among diets (P ≥ 0.134), confirming the lack of antimethanogenic compounds in the tested vegetables observed in Experiment 2. There were no differences (P = 0.312) among diets in MPS in the solid phase of fermenters, but BRO15 promoted greater (P < 0.05) MPS in the liquid phase compared with control and BS15 diets. Efficiency of microbial growth ranged from 29.4 to 32.2 g microbial N / kg organic matter fermented, and did not differ (P = 0.253) among diets. Altogether, the results indicate that replacing 14.8 % of highly degradable conventional feed ingredients in mixed diets with dried BS or BRO can increase the degradability of some dietary fractions without reducing microbial growth in the rumen. These results encourage further investigations to assess the influence of both vegetables on ruminant performance, animal health and products quality. Finally, the objective of Experiment 4 (Scientific papers 4 and 5) was to evaluate the effect of replacing cereals and protein concentrates in a high-cereal concentrate (control) for fattening light lambs with DCP (18 %), corn DDGS (18 %), and EOC (8 %) in a BYP concentrate on growth performance, digestibility, ruminal fermentation, plasma metabolites, and meat characteristics and fatty acid (FA) profile. Two homogeneous groups of Lacaune lambs (13.8  0.25 kg) were fed one of each concentrates and barley straw ad libitum until reaching about 26 kg body weight. There were no differences between groups on feed intake, average daily gain, or feed conversion ratio, but control diet had greater (P < 0.001) DM digestibility. The type of concentrate had no effect on post-mortem ruminal pH and total VFA concentrations and profile, but NH3-N concentrations were lower (P = 0.003) for the BYP-fed lambs compared with the control ones. However, plasma concentrations of amino acids, total proteins, urea and hepatic enzymes were not affected by the concentrate. In addition, there were no differences (P ≥ 0.130) between groups in the pH, chemical composition, color, and texture parameters in the Longissimus dorsi. Feeding the BYP concentrate reduced the concentration of thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) in the meat after 6 days of refrigerated storage (unmodified atmosphere), probably due to the greater polyphenol content in this concentrate. Compared with control lambs, the meat and the subcutaneous fat from BYP-fed lambs had lower saturated and greater polyunsaturated FA content as well as greater n-6/n-3 FA. In conclusion, replacing 44 % of feed ingredients in the concentrate for fattening light lambs with a blend of DCP, corn DDGS and EOC can improve the antioxidant status and FA profile of meat without affecting negatively growing performance, animal health or meat composition. ----------RESUMEN---------- El sector hortofrutícola en España constituye una actividad de gran importancia, ya que nuestro país es el primer productor europeo y el sexto a nivel mundial. Según estimaciones de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, aproximadamente la mitad de la producción inicial de verduras y frutas se pierde o desperdicia en diferentes etapas de la cadena alimentaria (cultivo, cosecha, distribución y consumo). Además, los nuevos formatos de presentación de verduras (listas para consumir, embolsadas, enlatadas, congeladas, liofilizadas, …) que están apareciendo en el mercado, contribuyen a aumentar la cantidad de residuos generados por las fracciones descartadas (hojas, tallos) durante su procesado. Los desechos y subproductos de las verduras se podrían utilizar en la alimentación animal, pero el conocimiento sobre su valor nutritivo aún es limitado en algunos casos. Además, los consumidores demandan, cada vez más, productos animales seguros y saludables producidos con un impacto ambiental mínimo. El uso de desechos y subproductos vegetales en la alimentación animal puede contribuir a satisfacer esta demanda. El objetivo general de esta Tesis Doctoral es obtener información sobre el valor nutritivo para el ganado ovino de desechos de diferentes vegetales del género Brassica y analizar los efectos de la inclusión de algunos subproductos agroindustriales (pulpa de cítricos deshidratada (DCP), granos secos de destilería de maíz con solubles (DDGS) y orujo de aceituna extractado (EOC)) en dietas para corderos de cebo. Para alcanzar este objetivo se realizaron tres experimentos in vitro (Experimentos 1, 2 y 3) en los que se evaluó el valor nutritivo de los desechos de las verduras crucíferas, mientras que los efectos de la inclusión de los subproductos agroindustriales seleccionados en la dieta de corderos de cebo sobre los parámetros productivos y la calidad de la carne se analizaron en el Experimento 4. El objetivo del Experimento 1 fue evaluar la variabilidad en la composición química, la fermentación ruminal in vitro y la digestibilidad intestinal in vitro de algunas crucíferas producidas en España y de sus fracciones. Se evaluaron 12 muestras diferentes (3 réplicas por muestra): cuatro coles de hoja (coles de Bruselas (BS), col blanca, col rizada y lombarda), tres fracciones (hojas, tallos y floretes) de coliflor (CAU) y romanesco (ROM), y dos fracciones (tallos y floretes) de brócoli (BRO). Las incubaciones in vitro se realizaron utilizando cultivos no renovados de microorganismos ruminales procedentes de ovejas para medir la cinética de producción de gas (incubaciones de 144 h) y los principales parámetros de fermentación (incubaciones de 24 h). En ambas incubaciones se incluyó una muestra de granos de cebada, pulpa de remolacha azucarera y DDGS de trigo como materias primas de referencia. Todas las muestras analizadas tuvieron un bajo contenido en materia seca, que varió entre 5,64 % para la col blanca y 16,3 % para las BS. La materia seca tenía un alto contenido (% de la materia seca) en proteína bruta (15,0 – 30,0 %) y azúcares (16,3 – 41,4 %), valores medios de fibra neutro-detergente (17,5 – 32,3 %), y bajo contenido en lignina (< 4,1 %). Dentro del grupo de coles de hoja, las BS presentaron el mayor contenido en materia seca (16,3 %), así como la menor proporción (% de la materia seca) de fibra neutro-detergente (17,4 %) y los mayores niveles de azúcares (41,4 %). Para CAU y ROM, las hojas tuvieron más fibra neutro-detergente (P < 0,05) y menos azúcares (P < 0,05) que los tallos y floretes. En comparación con los floretes, los tallos presentaron menor contenido (% de la materia seca) en proteína (P < 0,05; 22,2 vs. 29,6 %; valores medios para CAU, ROM y BRO) y mayor contenido en azúcares (P < 0,05; 20,6 vs. 30,1 %). Todas las muestras fueron rápida y extensamente degradadas in vitro por los microorganismos ruminales. Entre las verduras de hoja, las BS fueron las que se degradaron más ampliamente. Los tallos y floretes de CAU y ROM se degradaron más rápidamente que las hojas, pero solo hubo pequeñas diferencias en los perfiles de fermentación de ambas verduras. En general, los tallos y floretes tuvieron patrones de fermentación similares. Excepto las hojas de CAU y ROM, todas las muestras analizadas tuvieron valores de degradabilidad efectiva de la materia seca similares o incluso mayores a los determinados para los granos de cebada. La degradabilidad in situ de la proteína a las 12 h de incubación fue alta para todas las muestras, y varió entre 80,9 % (floretes de ROM) y 95,1 % (floretes de BRO), lo que indica una baja fracción de proteína by-pass. La digestibilidad intestinal in vitro de la proteína osciló entre 61,4 % para la col lombarda y 93,2 % para los floretes de ROM. El contenido estimado de energía metabolizable varió entre 9,4 y 11,8 MJ / kg materia seca (valores para las hojas de CAU y floretes de ROM, respectivamente). El contenido en energía metabolizable en las BS, la col blanca y las hojas de CAU y ROM fue similar al de la pulpa de remolacha azucarera y los DDGS de trigo, mientras que todos los floretes tuvieron un contenido en energía metabolizable cercano al de la cebada. En conjunto, estos resultados indican que las verduras crucíferas pueden ser una buena fuente de energía para los rumiantes, pero su alto contenido en humedad podría limitar su uso en la alimentación práctica. El objetivo del Experimento 2 fue evaluar in vitro la fermentación de dietas que contenían cantidades crecientes de BS, CAU o BRO secas. Se utilizó como control una dieta mixta compuesta por 40 % de heno de alfalfa y 60 % de un concentrado con un alto contenido en cereales, y todas las dietas experimentales se formularon para tener contenidos similares en proteína y fibra neutro-detergente. Cada vegetal se incluyó al 0, 8, 16 y 24 % del concentrado (equivalente a 4,8, 9,6 y 14,4 % de la dieta, respectivamente) sustituyendo a cereales y alimentos proteicos. Además, se determinó in situ la cinética de degradación ruminal de la materia seca y la proteína para las dietas que contenían BS o BRO. Se observó una respuesta similar para las tres verduras, y el incremento de su nivel de inclusión en la dieta aumentó tanto la producción potencial de gas como la producción total de ácidos grasos volátiles, lo que indica que las dietas que incluían BS, CAU o BRO fermentaron más extensamente que la dieta control. Sin embargo, hubo diferencias entre vegetales en cuanto a sus efectos sobre el perfil de ácidos grasos volátiles, ya que la inclusión de BS resultó en mayores (P <0,05) proporciones molares de propionato y menores (P <0,05) de butirato en comparación con la dieta control, mientras que CAU y BRO aumentaron (P <0,05) las proporciones molares de acetato y disminuyeron (P <0,05) las de propionato y butirato. Las concentraciones de NH3-N tras 24 h de incubación in vitro solo aumentaron con las dietas que incluían BRO, lo que concuerda con la mayor degradabilidad ruminal de la proteína del BRO observada en el Experimento 1. No se detectaron diferencias (P > 0,05) entre dietas en la producción de CH4, lo que indica una falta de compuestos antimetanogénicos en los vegetales estudiados. La medida de la degradabilidad in situ de las dietas que incluían BS o BRO confirmó los resultados in vitro. La inclusión de cantidades crecientes de estas verduras en las dieta aumentó (P < 0,05) la fracción soluble (a) de la materia seca y la proteína y redujo (P < 0,05) la fracción no soluble pero potencialmente degradable (b), sin modificar el total potencialmente degradable (a + b). Los resultados de los Experimentos 1 y 2 se recogen en los Artículos científicos 1, 2 y 3 de esta Tesis Doctoral. El objetivo del Experimento 3 (Artículo científico 6) fue evaluar los efectos de la sustitución del 14,8 % de los ingredientes convencionales en una dieta mixta para ovejas lecheras (dieta control) por BS (dieta BS15) o BRO (dieta BRO15) sobre la fermentación ruminal y síntesis de proteína microbiana en fermentadores tipo Rusitec. Las verduras se secaron antes de su inclusión en la dieta. Todas las dietas experimentales estaban compuestas por heno de alfalfa y concentrado en proporción 1:1, y se formularon para tener un contenido similar de proteína y fibra neutro-detergente. Las dietas se administraron a seis fermentadores Rusitec (30 g materia seca por día y fermentador) en dos períodos de incubación de 14 días de duración cada uno. La síntesis de proteína microbiana se determinó utilizando 15N como marcador microbiano. Los fermentadores que recibieron la dieta BRO15 tuvieron valores mayores de pH (P < 0,05; 6,19) que los que recibieron la dieta control (6,10), pero similares a los fermentadores que recibían la dieta BS15 (6,15). No hubo diferencias entre dietas en la producción total de ácidos grasos volátiles (P = 0,183), pero sí en su perfil. En comparación con los fermentadores control, los que recibieron las dietas BS15 y BRO15 tuvieron proporciones molares mayores (P < 0,05) de acetato y valerato, y menores (P < 0,05) de propionato, lo que resultó en una mayor (P < 0,05) relación acético:propiónico para las dietas BS15 y BRO15. La dieta BRO15 mostró las mayores (P < 0,05) concentraciones de NH3–N, lo que concuerda con la mayor (P < 0,05) degradabilidad de su proteína (0,616, 0,639 y 0,673 g / g para las dietas control, BS15 y BRO15, respectivamente). La degradabilidad de la materia seca no se vio afectada por la dieta (P = 0,109), pero la dieta BS15 mostró una mayor (P < 0,05) degradabilidad de la fibra neutro-detergente comparada con la dieta control. Ni la producción diaria de CH4 ni la relación CH4 / ácidos grasos volátiles totales difirieron entre dietas (P ≥ 0,134), lo que confirma la falta de compuestos antimetanogénicos observada en las verduras analizadas en el Experimento 2. No hubo diferencias (P = 0,312) entre dietas en la síntesis de proteína microbiana en la fase sólida de los fermentadores, pero la dieta BRO15 promovió una mayor (P < 0,05) síntesis de proteína microbiana en la fase líquida en comparación con las dietas control y BS15. La eficiencia del crecimiento microbiano osciló entre 29,4 y 32,2 g de N microbiano / kg de materia orgánica fermentada y no difirió (P = 0,253) entre dietas. En conjunto, los resultados indican que la sustitución del 14,8 % de materias primas convencionales altamente degradables por BS o BRO secos, en dietas mixtas, puede aumentar la degradabilidad de algunas fracciones de la dieta, sin reducir el crecimiento microbiano en el rumen. Estos resultados impulsan la realización de estudios para evaluar la influencia de ambos vegetales en el rendimiento productivo, la salud animal y la calidad de los productos de los rumiantes. Finalmente, el objetivo del Experimento 4 (Artículos científicos 4 y 5) fue evaluar el efecto de la sustitución parcial de los cereales y alimentos proteicos en un concentrado rico en cereales (concentrado control) para corderos de engorde por DCP (18 %), DDGS de maíz (18 %) y EOC (8 %) (concentrado BYP) sobre el crecimiento, digestibilidad, fermentación ruminal, metabolitos plasmáticos y características y perfil de ácidos grasos de la carne. Se utilizaron dos grupos homogéneos de corderos Lacaune (13,8 ± 0,25 kg), cada uno de los cuales recibió un concentrado y paja de cebada ad libitum hasta alcanzar unos 26 kg de peso corporal. No hubo diferencias (P ≥ 0,341) entre los grupos en la ingestión de alimento, la ganancia media diaria de peso o el índice de conversión alimenticia, pero la dieta control tuvo una mayor (P < 0,001) digestibilidad de la materia seca. El tipo de concentrado no tuvo ningún efecto sobre el pH ruminal post-mortem ni sobre las concentraciones y el perfil de los ácidos grasos volátiles, pero las concentraciones de NH3-N fueron menores (P = 0,003) para los corderos alimentados con el concentrado BYP en comparación con los animales que recibieron el concentrado control. Sin embargo, las concentraciones plasmáticas de aminoácidos, proteínas totales, urea y enzimas hepáticas no se vieron afectadas por el tipo de concentrado. Además, tampoco hubo diferencias (P ≥ 0,130) entre los grupos en el pH, la composición química, el color y la textura del Longissimus dorsi. En los corderos alimentados con el concentrado BYP se redujo la concentración de sustancias reactivas del ácido tiobarbitúrico (TBARS) en la carne después de 6 días de almacenamiento en refrigeración (atmósfera sin modificar), probablemente debido al mayor contenido de polifenoles en este concentrado con respecto al control. La carne y la grasa subcutánea de los corderos alimentados con BYP tuvieron un menor contenido en ácidos grasos saturados y mayor contenido en ácidos grasos poliinsaturados, así como una mayor relación ácidos grasos n-6 / n-3, que la carne de los corderos control. En conclusión, la sustitución del 44 % de los ingredientes del concentrado para corderos en cebo por una mezcla de DCP, DDGS de maíz y EOC puede mejorar la capacidad antioxidante y el perfil de ácidos grasos de la carne, sin afectar negativamente a los parámetros de crecimiento, la salud animal o la composición de la carne.

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Government of SpainAGL2016-75322-C2-1-RUnspecifiedUnspecifiedUso de subproductos agroindustriales en las dietas de pequeños rumiantes: valoración nutritiva, utilización digestiva, rendimientos productivos y calidad de los productos
Government of SpainAGL2016-75322-C2-2-RUnspecifiedUnspecifiedValoración nutritiva de dietas con subproductos agroindustriales para la alimentación de pequeños rumiantes: degradabilidad ruminal, emisiones de metano y producción y calidad

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Item ID: 66198
DC Identifier:
OAI Identifier:
DOI: 10.20868/UPM.thesis.66198
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 06 Apr 2021 06:19
Last Modified: 06 Apr 2021 06:19
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