Kuitupitoisten uusrehujen potentiaali märehtijöiden ruokinnassa | Novel fibrous feeds for ruminants

Novel fibrous feeds for ruminants The objective of this licentiate thesis was to study the effects of novel fibrous feeds on feed intake, digestibility, rumen fermentation and milk production of lactating dairy cows. The novel feeds used in the milk production trials were silage solid fraction originated from a green biorefinery process (solid fraction) and microcrystalline cellulose (MCC) from coniferous trees. Solid fraction replaced unprocessed grass silage whereas MCC replaced barley in the diet as concentrate. The idea behind this thesis was a need to examine ruminant feeds unsuitable for human food. The need of more efficient food production will increase significantly due to the global population growth. Novel feeds for ruminants could form a part of a sustainable food system because the use of grass solid fraction would intensify the use of natural resources. The use of wood-based products would release arable land for producing human food. Enhancing the efficiency of grassland management in Finland might help to answer many problems caused by climate change. Furthermore, the processing of grass based biomaterials would contribute to the overall benefits from grasslands. In the first experiment (Exp. I), grass silage was fractionated using a farm scale twin-screw press. Due to the separation of liquid fraction the concentration of both dry matter and neutral detergent fibre (NDF) increased whereas the crude protein concentration was reduced in the solid fraction compared to the unprocessed silage. In the feeding trial, solid fraction replaced 0, 0.25 or 0.5 of the portion of forage. The cows were able to increase their feed intake when the proportion of solid fraction increased to 0.25. However, at the point where the proportion of solid fraction reached 0.5 the cows could not increase feed intake further. The digestibility of crude protein decreased linearly whereas the digestibility of NDF tended to increase with the increase in the NDF content of the diet. The pH or the content of ammonia in the rumen fluid did not change when silage was replaced with the solid fraction. There was also no difference in the amount of total volatile fatty acids in the rumen fluid but the proportion of acetic acid increased with the increased proportion of solid fraction. Due to the increase in NDF content, the intake of metabolizable energy decreased quadratically and the amount of energy corrected milk tended to decrease. The separation process probably mechanically crushed the plant structure thus enhancing its rumen digestibility. This might explain the increase in feed intake and prevent the energy corrected milk production from declining when the portion of solid fraction was 0.25. In the second experiment (Exp. II), the effects of microcrystalline cellulose manufactured from coniferous wood pulp using a method developed at Aalto university (AaltoCell TM) was studied on dairy cows. In the feeding trial on lactating dairy cows MCC replaced barley in the concentrate. The proportion of MCC in diet dry matter was 0, 0.01 or 0.1. Microcrystalline cellulose has a very tight structure because the crystalline regions of the cellulose chains are strengthened by numerous inter- and intramolecular hydrogen bonds. The increase in MCC concentration did not affect dry matter intake. However, the digestibility of NDF improved with the increase in NDF content of the diet. Despite of increased intake of metabolizable energy, energy corrected milk production decreased linearly with the increase of MCC. The methods used in this study could not reveal the cause of the reduction in milk production. The increase in fibre digestibility can probably be explained by the better digestibility of MCC fibre compared to other fibres in the diet. Due to the small particle size of MCC, there is more surface area for microbial fermentation which may enhance the rumen digestibility. The cows were able to use the novel fibrous feeds examined in both experiments. The improvements in fibre digestibility compensated the increased fibre concentration in both experiments and there was only a minor reduction in milk production. The low concentration of crude protein in solid fraction improved the nitrogen use efficiency in milk production. The usage of MCC might also increase nitrogen use efficiency because it does not contain any nitrogen. The use of novel fibrous feeds in ruminant nutrition would help to enhance the use of natural resources and release arable land for human food production Grass cultivation as well as the usage of grass based biomaterials would be more efficient if the fractionation of grass would be more widely used.

Tämän lisensiaatintyössä tutkittiin kuitupitoisten uusrehujen eli biojalostamoprosessissa muodostuneen säilörehun kiintojakeen (kiintojae) sekä mikrokiteisen selluloosan (MCC) vaikutuksia lypsylehmien rehun syöntiin, sulavuuteen, pötsifermentaatioon ja maitotuotokseen. Kiintojae korvasi karkearehuannoksessa käsittelemätöntä nurmisäilörehua ja MCC dieetissä ohraa väkirehuna. Työn taustalla oli tarve tutkia märehtijöillä ihmisravinnoksi kelpaamattomia rehumateriaaleja. Ruoantuotannon tarve tulee lisääntymään merkittävästi maapallon väestönkasvun seurauksena. Kuitupitoisten uusrehujen käyttö märehtijöiden rehuna olisi myös osa kestävää ruokajärjestelmää sillä biojalostamoprosessissa muodostuneen kiintojakeen rehukäyttö tehostaisi luonnonvarojen hyödyntämistä ja puupohjaisten materiaalien käyttö vapauttaisi peltoalaa ihmisravinnon tuottamiseen. Nurmenviljelyn tehostaminen Suomessa olisi vastaus moniin ilmastonmuutoksen aiheuttamiin haasteisiin. Lisäksi nurmesta erotettujen biomateriaalien jalostus lisäisi nurmesta saatavaa kokonaishyötyä. Ensimmäisessä osakokeessa lypsylehmien ruokintakoetta varten nurmisäilörehua fraktiotiin tilamittakaavan kaksoisruuvipuristimella. Nestejakeen erottaminen lisäsi kiintojakeen kuiva-aineen ja neutraalidetergenttikuidun (NDF) pitoisuuksia ja laski sen raakavalkuaispitoisuutta käsittelemättömään säilörehuun verrattuna. Ruokintakokeessa kiintojae korvasi karkearehuannoksesta 0, 0,25 tai 0,50. Lehmät pystyivät lisäämään syöntiään kiintojakeen osuuden lisääntyessä 0,25:n, mutta kiintojakeen osuuden ollessa puolet karkearehuannoksesta lehmät eivät enää lisänneet syöntiä. Raakavalkuaisen sulavuus laski lineaarisesti ja NDF:n sulavuus lisääntyi suuntaa antavasti dieetin kuitupitoisuuden lisääntyessä. Pötsin pH tai ammoniakkipitoisuus eivät muuttuneet, kun säilörehua korvattiin kiintojakeella. Myöskään pötsin haihtuvien rasvahappojen kokonaismäärässä ei ollut eroa, mutta etikkahapon osuus kasvoi kiintojakeen lisäyksen myötä. Dieetin lisääntyneen kuitupitoisuuden seurauksena muuntokelpoisen energian saanti väheni käyräviivaisesti ja energiakorjattu maitotuotos (ekm) laski suuntaa antavasti. Todennäköisesti erotusprosessi muokkasi rehun mekaanisesti edistäen sen pötsisulatusta. Tämä saattoi selittää syönnin lisääntymisen ja estää ekm-tuotoksen laskun kiintojakeen osuuden ollessa 0,25. Toisessa osakokeessa tutkittiin havupuusellusta Aalto-yliopiston kehittämällä menetelmällä valmistetun mikrokiteisen selluloosan (AaltoCellTM) vaikutuksia lypsylehmillä. Lypsylehmien ruokintakokeessa MCC korvasi väkirehuna käytettyä ohraa ja sen osuus dieetin kuiva-aineesta oli 0, 0,01 tai 0,1. Mikrokiteisen selluloosan rakenne on hyvin tiivis sillä selluloosaketjujen muodostamaa kiderakennetta lujittavat lukuisat molekyylien sisäiset ja niiden väliset vetysidokset. Kuiva-aineen syöntiin MCC:n osuuden lisääntyminen ei vaikuttanut mutta NDF:n sulavuus parani dieetin kuitupitoisuuden lisääntyessä. Pötsifermentaatioon MCC ei vaikuttanut. Huolimatta ME:n saannin lisääntymisestä ekm-tuotos väheni lineaarisesti MCC:n osuuden lisääntyessä. Syytä tähän tuotoksen laskuun ei kokeessa käytetyillä menetelmillä pystytty selvittämään. Kuidun sulavuuden lisääntymisen selittää oletettavasti se, että MCC:n kuidun sulavuus oli parempi kuin rehuannoksen muiden rehujen kuidun. MCC:n pienen partikkelikoon aiheuttama suuri mikrobisulatuksen käytettävissä oleva pinta-ala edistänee sen tehokasta pötsisulatusta. Lehmät pystyivät käyttämään hyväkseen tutkittuja kuitupitoisia uusrehuja. Kuidun sulavuuden paraneminen kompensoi dieetin kuitupitoisuuden nousua molemmissa osakokeissa ja maitotuotos laski vain vähän. Kiintojakeen matala raakavalkuaispitoisuus tehosti typen hyväksikäyttöä maidontuotannossa. Myös MCC:n käyttäminen voisi lisätä typen hyväksikäytön tehokuuta, koska se ei sisällä lainkaan typpeä. Kuitupitoisten uusrehujen käyttö märehtijöiden ruokinnassa tehostaisi luonnonvarojen hyödyntämistä. Nurmenviljely ja nurmesta saatavien biomateriaalien hyväksikäyttö tehostuisivat, jos nurmen fraktiointi yleistyisi. Kuitupitoisten uusrehujen käyttö säästäisi peltoalaa ihmisravinnoksi sopivien kasvien tuottamiseen.