Characterisation of organic cereals and grain legumes as feedstuffs for monogastric animals: Effects of variety and environmental conditions on the contents of crude nutrients, amino acids, thiamine, riboflavin, and in vitro digestibility of crude protein and amino acids

Charakterisierung von Öko-Getreide und -Körnerleguminosen als Futtermittel für Monogastrier: Einfluss von Sorte und Umwelt auf die Gehalte an Rohnährstoffen, Aminosäuren, Thiamin, Riboflavin und in vitro Rohprotein- und Aminosäurenverdaulichkeit

by Stephanie Witten
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-11-05
Date of issue:2019-05-10
Advisor:Prof. Dr. Frank Liebert
Referee:Dr. Karen Aulrich
Referee:Prof. Dr. Elke Pawelzik
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7432

 

 

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Abstract

English

The sufficient supply of nutrients, in particular of protein and amino acids, for monogastric animals in organic farming is challenging. For one thing, some feedstuffs that are rich in crude protein and contain large amounts of valuable amino acids are not available in organic quality. Additionally, the use of synthetic amino acids to compensate imbalances of amino acids is not allowed according to EU regulations. To improve the situation in organic farming, efforts are made in animal breeding and husbandry as well as in plant breeding. Furthermore, alternative protein feedstuffs are studied with regard to their use in monogastric animal feeding. Besides the supply of amino acids, the supply of B vitamins is potentially challenging. Riboflavin supplements are primarily produced using fermentation. Thus, the market availability of GMO-free riboflavin supplements is inadequate. The knowledge on native contents of B vitamins in feedstuffs is scarce. Consequently, it is important to characterise commonly used feedstuffs. Since organic farming aims for a local production, cereals and grain legumes are frequently used as feedstuffs. The aim of this study was, therefore, to characterise organically produced cereal and grain legume seeds based on their contents of crude nutrients, amino acids, thiamine, and riboflavin considering influences of variety and environmental conditions. For this purpose, more than 800 samples were derived in three years from organic variety trials, which were conducted by the German Chambers of Agriculture as well as the German experimental stations, and analysed for the aforementioned ingredients. Furthermore, the crude protein and amino acid digestibility in young broiler chicken was assessed in vivo and in vitro. The precaecal digestibility of the crude protein and the amino acids of a field bean and a field pea variety, which are commonly used in organic farming, was determined in vivo in 21-day-old broiler chicken. To predict the praecaecal digestibility of the crude protein and the amino acids of feedstuffs for broiler chicken, a multi-enzyme assay was adapted. The in vitro digestibility of the crude protein and amino acids of cereals and grain legumes was then determined using the adapted assay. The effect of variety and environment on the contents of crude nutrients, amino acids, thiamine and riboflavin, as well as on the in vitro digestibility of the crude protein and the amino acids in cereals and grain legumes was studied with generalised linear models. In addition, native contents of thiamine and riboflavin of exemplary diets for monogastric animals in organic farming were calculated. As reported earlier in the literature, wide variations of the nutrient composition were also observed in the present study. However, the crude protein and amino acid contents of cereals and grain legumes were often lower and the starch content was often higher than reported in feed value tables. The precaecal digestibility of crude protein of organic field beans and field peas was comparable to reported digestibility coefficients with 84% and 81%, respectively. Lysine, methionine, arginine, histidine and glutamic acid were highly digestible at the terminal ileum, while cystine and tryptophan were less digestible. The in vitro crude protein disappearance that was determined with the adapted multi-enzyme assay was highly correlated to the precaecal crude protein and the amino acid digestibility that was determined in preceding animal trials. The in vitro digestibility coefficients differed by more than 0.1 within a cultivar. They were mostly comparable to reported values in tables or digestibility studies. However, a comparison was difficult due to wide variations between table values and results of other studies. Since the number of samples with known precaecal crude protein and amino acid digestibility was small, further validation of the in vitro assay is recommended. The composition and the in vitro crude protein and amino acid digestibility of the cereal and grain legume cultivars were significantly affected by variety and by environmental conditions. In most cases, the influence of the environmental conditions was stronger. However, the extent and the direction of the influence of these factors were not consistent and may be depending on interactions and the choice of the sample set. It was observed for all cultivars that variations of the crude protein content were accompanied by an altered amino acid profile. The content of essential amino acids, including lysine, methionine, and threonine, in the crude protein were often negatively correlated with the crude protein content. A positive correlation with the crude protein content was observed for glutamic acid, phenylalanine, and proline in the crude protein of different cereal grains as well as for arginine in the crude protein of grain legumes. This is most likely due to shifts in the relation of the protein fractions of the crops. Consequently, the crude protein quality tended to decrease with increasing crude protein contents of the feedstuffs. Although the analysed amounts of thiamine in cereals and grain legumes were low compared to table values, calculated cereal-based diets contained sufficient amounts of native thiamine to meet current feeding recommendations. However, it must be noticed that the availability of thiamine was not taken into account. The native riboflavin contents of the exemplary diets were lower than the recommended amounts. Thus, it is necessary to use riboflavin supplements or feedstuffs rich in riboflavin to prevent deficiencies. In conclusion, the observed wide variations of the nutrient contents as well as of the crude protein and amino acid digestibility of organically cultivated cereals and grain legumes must be considered in diet formulation. While amino acid contents can already be predicted with equations based on the crude protein content of the feedstuff, rapid and cheap analysis methods are needed to determine crude nutrient and possibly even B vitamin contents of each batch of a feedstuff. Consequently, the contribution of cereals and grain legumes to closing the amino acid gap in organic farming would be further improved. Moreover, their native thiamine and riboflavin content adds to the B vitamin supply.
Keywords: Poultry; Swine; organic farming; feed composition

German

Die adäquate Versorgung monogastrischer Nutztiere mit Nährstoffen, vor allem mit Protein und Aminosäuren, ist im Ökologischen Landbau eine Herausforderung. Einerseits sind einige proteinreiche Futtermittel mit hohen Gehalten an essentiellen Aminosäuren nicht verfügbar, andererseits ist der Einsatz synthetischer Aminosäuren zum Ausgleich von Aminosäurenimbalancen laut EU Gesetzgebung nicht erlaubt. Um diese Situation zu verbessern, gibt es Bemühungen in der Pflanzen- und Tierzucht, sowie in der Tierhaltung, und es wird aktiv nach alternativen Proteinfuttermitteln gesucht. Neben der Aminosäurenversorgung stellt auch die Versorgung mit B-Vitaminen potentiell ein Problem dar. Vor allem bei vorrangig fermentativ produzierten B-Vitaminen, wie Riboflavin, sind GMO-freie Supplemente nicht verfügbar. Das Wissen über native B-Vitamingehalte in Futtermitteln ist lückenhaft. Daher ist es notwendig, auch häufig eingesetzte Futtermittel zu charakterisieren. Da im Ökologischen Landbau eine regionale Erzeugung angestrebt wird, haben Getreide und heimische Körnerleguminosen eine große Bedeutung. Das Ziel dieser Arbeit war folglich die Charakterisierung von Getreide und Körnerleguminosen aus ökologischer Erzeugung anhand ihres Rohnährstoff-, Aminosäuren-, Thiamin- und Riboflavingehalts unter Beachtung von Sorten- und Umwelteinflüssen. Zu diesem Zweck wurden über 800 Proben aus drei Anbaujahren aus Öko- Sortenversuchen der deutschen Landwirtschaftskammern und Landesversuchsanstalten auf die Gehalte der oben genannten Inhaltsstoffe analysiert. Zudem wurde die praecaecale Verdaulichkeit des Rohproteins und der Aminosäuren bei 21 Tage alten Broilern exemplarisch an einer Öko-Futtererbse und einer Öko-Ackerbohne untersucht. Um die praecaecale Rohprotein- und Aminosäurenverdaulichkeit für Broiler zu schätzen, wurde eine Multi-Enzym-Methode adaptiert. Mit Hilfe der adaptierten Methode ist die in vitro Verdaulichkeit des Rohproteins und der Aminosäuren verschiedener Getreide- und Körnerleguminosenarten überprüft worden. Des Weiteren wurden der Einfluss von Sorte und Umwelt auf die Gehalte an Rohnährstoffen, Aminosäuren, Thiamin und Riboflavin sowie auf die in vitro Verdaulichkeit des Rohproteins und der Aminosäuren in Getreide und Körnerleguminosen mittels generalisierter linearer Modelle bestimmt und der native Gehalt an Thiamin und Riboflavin in Beispielrationen für monogastrische Nutztiere berechnet. Wie erwartet, schwankte die Nährstoffzusammensetzung stark. Zudem waren die Gehalte an Rohprotein- und vielen Aminosäuren häufig geringer und die Stärkegehalte in Getreide und Körnerleguminosen höher als tabellierte Werte. Das in Erbsen und Ackerbohnen enthaltene Rohprotein war zu 84 und 81% praecaecal verdaulich. Dies war vergleichbar mit Ergebnissen anderer Studien. Lysin, Methionin, Arginin, Histidin und Glutamin waren hoch verdaulich. Die praecaecale Verdaulichkeit von Cystin und Tryptophan war jedoch geringer. Mit der adaptierten Multienzymmethode wurden Rohproteinverschwindensraten bestimmt, die stark mit der praecaecalen Verdaulichkeit des Rohproteins und der Aminosäuren, die in vorangegangenen Studien bestimmt wurde, korreliert waren. Die in vitro Verdaulichkeitskoeffizienten unterschieden sich zum Teil um mehr als 0,1 innerhalb einer Kultur. Insgesamt waren sie häufig vergleichbar mit Literaturangaben zur praecaecalen Rohproteinverdaulichkeit in Getreide und Körnerleguminosen. Ein Vergleich war aufgrund großer Unterschiede zwischen den Tabellenwerten und Literaturergebnissen jedoch schwierig. Da die Grundlage an in vivo Ergebnissen gering war, wird eine weitere Validierung der Methode empfohlen. Die Nährstoffzusammensetzung und die in vitro Rohprotein- und Aminosäurenverdaulichkeit von Getreide und Körnerleguminosen wurden signifikant von der Sorte und den Umweltbedingungen beeinflusst, wobei in den meisten Fällen der Einfluss der Umweltbedingungen überwog. Das Ausmaß und die Richtung dieser Effekte waren jedoch nicht konsistent. Wechselwirkungen und die Auswahl der Proben können Gründe dafür gewesen sein. Für alle Kulturen wurde beobachtet, dass eine Veränderung des Rohproteingehaltes ein verändertes Aminosäurenmuster zur Folge hatte. Die Gehalte an essentiellen Aminosäuren, wie Lysin, Methionin oder Threonin, im Rohprotein waren oft negativ mit dem Rohproteingehalt korreliert. In Getreide stieg die Konzentration an Glutamin, Phenylalanin und/oder Prolin mit steigenden Rohproteingehalten, in Körnerleguminosen stieg vor allem die Konzentration an Arginin im Rohprotein. Der Grund dafür war wahrscheinlich eine Veränderung im Verhältnis der Proteinfraktionen zueinander. Diese kann zu einer veränderten Proteinqualität führen. Getreidebasierte Beispielrationen enthielten ausreichende Mengen an Thiamin, um aktuelle Bedarfsempfehlungen zu decken, obwohl die Thiamingehalte in Getreide und Körnerleguminosen meist geringer waren als in der Literatur beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, dass die Verfügbarkeit des Thiamins nicht berücksichtigt worden ist. Die nativen Riboflavingehalte in den Beispielrationen reichten nicht aus, um den Bedarf zu decken. Um Mangelerscheinungen zu vermeiden, ist es daher notwendig, Riboflavin zu supplementieren oder riboflavinreiche Futtermittel einzusetzen. Zusammenfassend kann aus der vorliegenden Arbeit die Empfehlung abgeleitet werden, dass die starken Schwankungen der Nährstoffgehalte und der in vitro Verdaulichkeit des Rohproteins und der Aminosäuren in Öko-Getreide und -Körnerleguminosen in der Rationsgestaltung berücksichtigt werden müssen. Während für die Aminosäurengehalte bereits zufriedenstellende Schätzgleichungen auf Basis des Rohproteingehalts existieren, werden zur Bestimmung der Rohnährstoff- und B-Vitamingehalte in Futtermittelchargen noch schnelle und günstige Analysemethoden benötigt. Dadurch könnten Getreide und Körnerleguminosen noch besser zur Schließung der Aminosäurenlücke im Ökologischen Landbau beitragen. Auch ihr nativer Gehalt an Thiamin und Riboflavin kann einen Beitrag zur bedarfsgerechten Versorgung monogastrischer Nutztiere leisten.
 
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