Microorganisms and dietary factors affecting biohydrogenation and conjugated linoleic acid production in the rumen ecosystem

Tese de Doutoramento em Ciências Veterinárias, especialidade de Produção Animal

Consumption of animal fat has been associated with an increased incidence of chronic diseases, as cardiovascular disease, obesity and diabetes. Ruminant products, milk and meat, have high saturated fatty acids (FA) content as a result of biohydrogenation by microbial metabolic activity in the rumen. Biohydrogenation also originates FA with health promoting or disease preventing properties, including conjugated linoleic acids (CLA) and vaccenic acid (18:1 trans-11). Improvement of FA composition of milk and meat might promote human health but research is needed on ruminal lipid metabolism, which plays a major role in FA profile. The overall aim of this thesis was to investigate on specific microorganism and factors affecting the rumen lipid metabolism. Different methodological approaches were used, ranging from in vitro studies, with pure and mixed cultures, to in vivo studies. Polyunsaturated FA metabolism by Butyrivibrio fibrisolvens, a major hydrogenating rumen bacterium, was evaluated (Chapter 2). Toxicity of non-esterified unsaturated FA to B. fibrisolvens increased with FA length, number of unsaturations, and cis geometrical configuration. Biohydrogenation was shown to be a detoxifying mechanism, although mechanisms by which toxicity occur were not identified. Results suggest a protective role of 18:1 trans-11 to FA toxicity. A semi-continuous in vitro fermentation system was used to determine the effects of pH and starch inclusion level, in diets supplemented with oil, on the biohydrogenation pattern, namely in identifying the factor responsible for the trans-10 shift, associated with milk fat depression (Chapter 3). The trans-10 shift was observed to be associated with high starch level, independently of pH incubation level (6 or 7). Modification of the biohydrogenation pathway was suggested to be associated with changes in microbial population. Dietary nitrogen source and soybean oil supplementation effects on rumen contents and bacterial fractions FA composition were evaluated in vivo (Chapter 4). Biohydrogenation pattern was not affected by nitrogen source, yet CLA was promoted in true protein diets with soybean oil. The increase in cis-vaccenic acid (18:1 cis-11) in non-protein nitrogen diets may suggest a regulatory mechanism of bacterial membrane fluidity in the presence of lower proportions of odd- and branched-chain FA.

RESUMO - Microrganismos e factores alimentares que afectam a bioidrogenação e a produção de isómeros conjugados do ácido linoleico no ecossistema ruminal. - A crescente incidência de doenças cardiovasculares, obesidade e diabetes, tem sido associada com o elevado consumo de gorduras, nomeadamente de origem animal. Os produtos edíveis dos ruminantes, leite e carne, são ricos em gordura saturada, devido à bioidrogenação dos ácidos gordos (AG) da dieta pela população microbiana do rúmen. No entanto, a bioidrogenação origina, igualmente, AG com efeitos benéficos para a saúde, como sejam os isómeros conjugados do ácido linoleico (CLA) e o ácido vacénico (18:1 trans-11). Leite e carne com melhores perfis em AG poderão contribuir para a promoção da saúde dos consumidores mas, para isso, é essencial um conhecimento mais aprofundado do metabolismo lipídico ruminal. Assim, o objectivo geral desta tese foi estudar alguns microrganismos envolvidos na bioidrogenação e factores que afectam o metabolismo lipídico no rúmen. Avaliou-se o metabolismo dos AG polinsaturados pelo Butyrivibrio fibrisolvens (Capítulo 2). A toxicidade dos AG polinsaturados aumentou com o número de carbonos, número de insaturações e a configuração cis das duplas ligações. O papel da bioidrogenação como um mecanismo de detoxificação foi mostrado e sugerido um efeito protector da acumulação de 18:1 trans-11 face à toxicidade dos AG. Os efeitos do pH e nível de inclusão de amido, em dietas suplementadas com óleo, no padrão de bioidrogenação, designadamente no aumento de trans-10 associado com a depressão da gordura no leite, foram testados em RUSITEC (Capítulo 3). O aumento de trans-10 observou-se em dietas com elevado teor em amido, sendo o efeito independente do pH da incubação (6 ou 7). A modificação no padrão de bioidrogenação sugere mudanças na população microbiana. Os efeitos do tipo de azoto da dieta e da suplementação com óleo de soja na composição em AG do conteúdo ruminal e fracções bacterianas foram avaliados in vivo (Capítulo 4). O padrão de bioidrogenação não foi afectado pelo tipo de azoto mas a suplementação de óleo a dietas com proteína verdadeira aumentou os CLA. O aumento do ácido cis-vacénico (18:1 cis-11) em dietas ricas em azoto não proteico sugere um possível mecanismo compensatório para regulação da fluidez das membranas bacterianas face a baixas proporções de AG ímpares e ramificados.