Investigations on ruminal degradation of nutrients and feeding values of single feeds and compound feeds for cattle

The environmental impact of intensive animal farming has been steadily increasing. Cattle can contribute to environmental pollution due to relatively low nitrogen (N) and phosphorus (P) utilisation, leading to their excess excretion. High-yielding dairy cows are commonly fed concentrate compound feed, in mash or pelleted form, to satisfy high protein and energy requirements. Main source of energy in concentrate compound feeds is starch (ST). For the accurate formulation of compound feeds, comprehensive insight into nutritive values of single feeds as well as their potential interactions (associative effects) when mixed is needed. Typically, the nutritive values of single feeds are considered to be additive, assuming that no associative effects exist. However, data supporting such assumption for concentrate feed are scarce. The present thesis had two aims: evaluation of additivity of ruminal degradation of nutrients and feeding values of single concentrate feeds in compound feeds, and evaluation of effects of pelleting on ruminal degradation of nutrients and feeding values of compound feeds. Twelve single feeds were used to formulate eight compound feeds in different combinations, targeting crude protein (CP) concentrations from 16 to 30% in dry matter (DM). Compound feeds were prepared both, in mash and pellet form in a commercial feed mill using standard industrial conditions. Ruminal degradation of single and compound feeds was evaluated using in situ and different in vitro techniques. The in situ incubations were conducted by incubating samples of all single and compound feeds in polyester bags for 2, 4, 6, 8, 16, 24, 48, and 72 hours in three ruminally fistulated dairy cows. Bag residues were analysed and the ruminal effective degradability (EDIN_SITU) of CP and ST, was calculated for passage rates of 5 and 8%/h. Phosphorus is located in plants as phytate (InsP6), and for some feed samples the EDIN_SITU of InsP6 was also determined. The in vitro gas production (GP), digestibility of organic matter (dOM), metabolisable energy (ME), and utilisable CP at the duodenum (uCP) were evaluated using Hohenheim Gas Test and extended HGT. Intestinal digestibility (IDRUP) of ruminally undegraded protein (RUP) was determined using a three-step enzymatic method through incubation with pepsin and pancreatin. Chemical fractionation of CP was performed according to the Cornell Net Carbohydrate and Protein System (CNCPS) The CP fractions can be also used to predict EDIN_SITU. Assessment of additivity was performed by comparing the observed values of compound feeds with values for compound feeds calculated from single feeds. It was concluded that additivity of single feeds in mash compound feeds was given for EDCPIN_SITU, EDSTIN_SITU (Manuscript 1), uCP, CP fractions, GP, and dOM (Manuscript 2). Here, associative effects among single feeds were considered to be small and should not affect formulation of concentrate compound feeds. The GP and proximate nutrients are necessary to estimate ME using appropriate equations, often specific for feed or feed type. The additivity of ME was given only when same ME equation for single and compound feeds was used. Additivity was not given for IDRUP (Manuscript 2). Pelleting had overall small effects on feeding values of compound feeds determined in situ and in vitro (Manuscripts 1 and 2). Presumably, the relatively low intensity of heating (up to 80–90°C) during the pelleting process was not sufficient to significantly affect nutritive value of compound feeds, with the exception of decreased IDRUP. Overall, it was concluded that additivity of ruminal degradation of nutrients and feeding values of single feeds in mash and pelleted compound feeds can be assumed for practical feed formulation. While some associative effects were detected, they might be related to methodological causes in most of the cases.

Die Umweltauswirkungen der intensiven Tierhaltung nehmen stetig zu. Bei Rindern wird ein relativ großer Teil des durch das Futter zugeführten Stickstoffs (N) und Phosphors (P) wieder ausgeschieden. Um den hohen Protein- und Energiebedarf hochleistender Milchkühe zu decken werden diese in der Regel zusätzlich zum Grobfutter mit Kraftfuttermitteln, in Mehl- oder Pelletform, gefüttert. Die Hauptenergiequelle in Kraftfuttermitteln ist Stärke (ST). Für die Formulierung von Mischfuttermitteln sind die Kenntnis der Nährwerte der einzelnen Futtermittel sowie Wissen über mögliche Wechselwirkungen (assoziative Effekte) zwischen den Einzelkomponenten erforderlich. Typischerweise werden die Nährwerte einzelner Futtermittel als additiv betrachtet, was bedingt, dass assoziative Effekte ausgeschlossen werden. Forschungsdaten, die eine solche Annahme für Kraftfutter unterstützen sind jedoch unzureichend. Die vorliegende Arbeit hatte zwei Ziele: Die Bewertung der Additivität des ruminalen Nährstoffabbaus und der Futterwerte von Einzelfuttermitteln in Mischfuttermitteln, und die Bewertung der Auswirkungen einer Pelletierung auf den ruminalen Nährstoffabbau und die Futterwerte von Mischfutter. Basierend auf zwölf gängigen Einzelfuttermitteln wurden acht Mischfuttermittel mit variablen Anteilen der Komponenten erstellt. Die Mischfutter wurden so konzipiert, dass XP-Konzentrationen von 16 bis 30% in der Trockenmasse (TM) erreicht wurden. Die Mischfutter wurden sowohl in Mehl- als auch in Pelletform in einem kommerziellen Mischfutterwerk unter industriellen Bedingungen hergestellt. Proben der Einzelfuttermittel und der mehlförmigen sowie pelletierten Mischfutter wurden in situ- und mit verschiedenen in vitro-Methoden hinsichtlich ihres Futterwerts untersucht. Hierzu wurden die für 2, 4, 6, 8, 16, 24, 48 und 72 Stunden in drei Pansen fistulierten Milchkühen inkubiert. Die Beutelrückstände wurden chemisch analysiert und der effektive XP- und ST-Abbau (EDIN_SITU) für eine Passagerate von 5 und 8%/h berechnet. Phosphor liegt in Pflanzensamen größtenteils als Phytat (InsP6) vor, und in einigen Futtermittelproben wurde auch die EDIN_SITU von InsP6 bestimmt. Die in vitro Gasbildung (GB), die Verdaulichkeit der organischen Masse (dOM), umsetzbare Energie (ME) und das nutzbare XP am Duodenum (nXP) wurden im Hohenheimer Futterwerttest bzw. im erweiterten HFT untersucht. Die Dünndarmverdaulichkeit (IDRUP) des im Pansen nicht abgebauten Proteins (RUP) wurde in einem dreistufigen in vitro System basierend auf einer Inkubation mit Pepsin und Pankreatin bestimmt. Zudem wurde die chemische XP-Fraktionierung nach dem Cornell Net Carbohydrate and Protein System (CNCPS) durchgeführt. Die CP-Fraktionen können auch zur Berechnung von EDIN_SITU verwendet warden. Die Ermittlung der Additivität erfolgte durch den Vergleich der ermittelten Werte für Mischfutter mit kalkulierten Werten für Mischfutter, die aus einzelnen Futtermitteln berechnet wurden. Die Ergebnisse führten zu dem Schluss, dass die Additivität von Einzelfuttermitteln in mehlförmigen Mischfutter für EDXPIN_SITU, EDSTIN_SITU (Manuskript 1), nXP, CNCPS-Fraktionen, GP und dOM (Manuskript 2) gegeben war. Es wurde geschlussfolgert, dass assoziative Effekte zwischen den einzelnen Futtermitteln bei der Formulierung von Mischfutter nicht berücksichtigt werden brauchen. Die ME konnte mit ausreichender Schätzgüte aus der GB und den Rohnährstoffen abgeleitet werden. Diese Schätzung war in vielen Fällen spezifisch für den Futtertyp oder das Futter. Die Additivität von ME war nur gegeben, wenn die gleiche ME-Formel für Einzel- und Mischfutter verwendet wurde. Die Werte für IDRUP zeigten jedoch keine Additivität (Manuskript 2). Pelletieren hatte insgesamt einen sehr geringen Einfluss auf die in situ und in vitro ermittelten Kennzahlen des Futterwerts der hier untersuchten Mischfutter (Manuskript 1 und 2). Vermutlich war die relativ geringe Ausmaß der Erhitzung während des Pelletiervorgangs (80–90°C) nicht ausreichend, um den Nährwert von Mischfuttermitteln signifikant zu beeinflussen, mit der Ausnahme von reduziertem IDRUP. Lediglich für IDRUP konnte eine Veränderung nachgewiesen werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Schlussfolgerung gezogen, dass die Additivität des ruminalen Nährstoffabbaus und des Futterwerts von Einzelfuttermitteln in mehlförmigem und pelletiertem Mischfutter für die praktische Futterformulierung angenommen werden kann. Nur wenige assoziative Effekte, welche vermutlich auf methodische Ursachen zurückzuführen waren, konnten nachgewiesen werden.