Role of dietary fish oil and plant oil supplements in ruminal lipid metabolism and fish oil induced milk fat depression in lactating cows

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-380-066-3
Title: Role of dietary fish oil and plant oil supplements in ruminal lipid metabolism and fish oil induced milk fat depression in lactating cows
Author: Kairenius, Piia
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Agricultural Sciences
Doctoral Programme in Sustainable Use of Renewable Natural Resources
Natural Resources Institute Finland (Luke), Production systems, Milk production
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-11-13
Language: en
Belongs to series: Natural resources and bioeconomy studies - URN:ISSN:2342-7639
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-380-066-3
http://hdl.handle.net/10138/320599
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The objective of the research described in this thesis was to provide new information on the ruminal biohydrogenation of long-chain n-3 polyunsaturated fatty acids (PUFA), such as 20:5n-3, 22:5n-3 and 22:6n-3, for altering bovine milk fatty acid (FA) composition, with the potential to improve human health. Emphasis was not only placed on the potential to increase milk fat n-3, but also to modulate ruminal lipid metabolism and to explore the mechanisms driving milk fat synthesis and its regulation in lactating cows in order to understand the mechanisms and metabolic pathways underlying the diet-induced changes in milk fat depression (MFD), milk FA composition and specific FA intermediates and end products associated with MFD. Experiments documented in I–IV encompassed detailed investigations of ruminal (I-III) and mammary (IV) lipid metabolism. Experiment reported in I was conducted to build up methods for the analysis of long-chain 20- to 22-carbon FA intermediates formed during ruminal biohydrogenation of n-3 PUFA. The detailed analysis of fish oil (FO) and omasal digesta of lactating cows fed FO enabled the structure identification of 27 previously unidentified 20- to 22-carbon FA intermediates, containing at least one trans double bond. No conjugated 20-carbon FA were detected in omasal digesta. Results demonstrated that the hydrogenation of 20:5n-3, 22:5n-3 and 22:6n-3 in the rumen proceeds via two principal mechanisms that involve sequential reduction or isomerisation of cis double bonds closest to carboxyl group and provided clear evidence of extensive biohydrogenation of 20:5n-3, 22:5n-3 and 22:6n-3 in cows fed FO. Experiments documented in II-IV involved two physiological studies in which, the effects of dietary FO supplements alone (II; IV) or in combination (III) with sunflower (rich in 18:2-6; SFO) or linseed (rich in 18:3n-3; LFO) oil on animal performance (II-IV), ruminal lipid metabolism (II; III), microbial ecology in the rumen (II; III) and milk fat composition (IV) were investigated in lactating cows. Dietary FO supplements increased the intakes of 20:5n-3, 22:5n-3, 22:6n-3 and total FA (II; III), whereas decreased dry matter intake (II; III). Dietary oil supplements decreased (II) or had no effect (III) on ruminal volatile FA concentrations, but FO at high amounts (II) or when supplemented with plant oils (III) promoted an increase in molar proportions of propionate (II; III) and butyrate (II) at the expense of acetate (II; III). Supplements of FO modified ruminal metabolism of 16- and 18-carbon PUFA, causing increases in trans 16:1, trans 18:1 and trans 18:2 flow and a decrease in 18:0 at the omasum, and at high amounts promoted trans-10 18:1 accumulation at the expense of trans-11 18:1. Dietary FO had no substantial influence on ruminal outflow of conjugated linoleic acid (CLA). Extensive ruminal biohydrogenation of 20:5n-3, 22:5n-3 and 22:6n-3 resulted in increases in numerous 20- and 22-carbon PUFA containing at least one trans double bond at the omasum. Relative to FO, ruminal metabolism of 22:6n-3 was more extensive on diets containing plant oils, whereas the biohydrogenation of 22:5n-3 and 20:5n-3 showed no difference between FO and diets containing plant oils (III). The inhibitory effects of FO on the reduction of 18-carbon PUFA to 18:0 were influenced by the source of 18-carbon PUFA in SFO and LFO. The ruminal outflow of 18:0 was lower and accumulation of trans 18:2 and 20- to 22-carbon FA intermediates greater for LFO than SFO. Supplements of SFO and LFO caused trans-10 and trans-11 18:1 to accumulate, trans-10 18:1 being the most abundant FA intermediate in SFO. Alterations in the ruminal metabolism of FA were not associated with substantial changes in rumen protozoal counts or analysed bacterial populations known to be capable of biohydrogenation (II; III), but lowered Butyrivibrio spp. numbers in response to increasing levels of FO (II). Supplements of FO decreased milk fat yield and content and increased 20:5n-3, 22:5n-3 and 22:6n-3 concentrations in milk fat (IV). Enrichment of milk long-chain n-3 PUFA was associated with decreases in 4- to 18-carbon saturated FA and several-fold increases in CLA, trans FA and PUFA concentrations. Dietary FO resulted in the appearance of 37 unique 20- and 22-carbon FA in milk. FO-induced MFD (up to -40.6 % reduction in milk fat synthesis) was associated with changes in the concentrations of multiple FA in milk, in particular increases in milk fat trans-10 18:1 and cis-11 18:1 concentrations, but not with changes in the amount of trans-10,cis-12 CLA in milk and omasum or estimated milk fat melting point (IV). The negative relationship between ruminal outflow of trans-10 18:1 and milk fat secretion confirmed that a shift in ruminal biohydrogenation of 18-carbon FA toward trans-10 pathway has a role in the regulation of milk fat synthesis during FO-induced MFD. A decrease in 18:0 supply in combination with increased mammary uptake of cis-11 18:1, trans-10 18:1, and trans 20- and 22-carbon FA intermediates originating from the rumen may contribute to the reduction of milk fat observed during FO-induced MFD. The dietary supplements of FO alone or in combination with plant oils increased the ruminal outflow of FA intermediates containing at least one trans double bond and enriched long-chain n-3 PUFA in bovine milk with associated changes in the abundance and distribution of FA. These changes may have implications for the host metabolism and the nutritional quality or ruminant-derived foods. Keywords: biohydrogenation, rumen, fish oil, plant oil, sunflower oil, linseed oil, lactating cow, polyunsaturated fatty acid, n-3 fatty acid, conjugated linoleic acid, milk fat, trans fatty acid, Butyrivibrio, microbial ecology, gas chromatography, mass spectrometry, silver-ion thin-layer chromatographyTämän väitöskirjatyön tavoitteena oli tuottaa uutta tutkimustietoa monityydyttymättömien n-3-rasvahappojen, kuten 20:5n-3, 22:5n-3 ja 22:6n-3, biohydrogenaatiosta pötsissä sekä mahdollisuuksista muokata maitorasvan koostumusta ihmisravitsemuksen kannalta suotuisammaksi. Lypsylehmien nurmisäilörehuvaltaiseen ruokintaan lisättiin kala- ja kasviöljyjä, minkä avulla selvitettiin pötsin biohydrogenaation reaktioreitteihin vaikuttavia ravitsemuksellisia säätelymekanismeja ja pyrittiin lisäämään rasvahappojen 20:5n-3, 22:5n-3 ja 22:6n-3 pitoisuuksia maidossa. Samalla tarkasteltiin pötsissä tapahtuvan biohydrogenaation väli- ja lopputuotteena muodostuvien rasvahappojen sekä maitorasvasynteesin heikkenemisen eli maitorasvan depression välisiä yhteyksiä. Väitöskirja perustuu kolmeen ravitsemusfysiologiseen tutkimukseen, joiden tulokset on julkaistu väitöskirjan osajulkaisuissa I-IV. Ensimmäisessä tutkimuksessa, jonka tulokset on raportoitu osajulkaisussa I, tutkittiin kalaöljyä saaneiden lypsylehmien pötsistä satakertaan virtaavan ruokasulan sisältämiä pitkäketjuisia 20- ja 22-hiilisiä tyydyttymättömiä rasvahappoja sekä kehitettiin analyysimenetelmiä, joiden avulla määritettiin näiden rasvahappojen rakennetta, kuten kaksoissidosten paikkaa hiiliketjussa ja cis-trans rakenneisomeriaa. Erilaisia rasvahappoanalytiikan menetelmiä yhdistämällä löydettiin jopa 27 aikaisemmin tunnistamatonta pötsin biohydrogenaation väli- ja/tai lopputuotteena muodostunutta, 20- ja 22-hiiliketjun pituista rasvahappoa, jotka sisälsivät vähintään yhden trans-kaksoissidoksen. Satakertaan virtaavasta ruokasulasta ei havaittu lainkaan yli 20 hiiltä sisältäviä rasvahappoa, joilla olisi ollut hiiliketjussaan ns. konjugoitunut rakenne. Tulokset osoittivat, että rasvahappojen 20:5n-3, 22:5n-3 ja 22:6n-3 biohydrogenaatio pötsissä on hyvin tehokas reaktiosarja, joka alkaa pääsääntöisesti lähimpänä rasvahapon karboksyyliryhmää sijaitsevien cis-muotoisten kaksoissidosten pelkistyessä tyydyttyneeseen muotoon tai niiden muuttuessa trans-muotoon isomerisaation seurauksena. Toisen ja kolmannen tutkimuksen tulokset on julkaistu väitöskirjan osajulkaisuissa II-IV. Tutkimusten tarkoituksena oli selvittää rehuun lisätyn kalaöljyn (II; IV), kala- ja auringonkukkaöljyn (III; runsaasti linolihappoa; 18:2n-6) sekä kala- ja pellavaöljyn (III; runsaasti α-linoleenihappoa; 18:3n-3) vaikutuksia lypsylehmien ravintoaineiden saantiin, pötsissä tapahtuvaan rasva-aineenvaihduntaan ja pötsimikrobien ekologiaan (II; III) sekä maitorasvan koostumukseen ja ravintoaineiden hyväksikäyttöön maidontuotannossa (IV). Kalaöljyn lisäys nosti odotetusti kokonaisrasvahappojen sekä rasvahappojen 20:5n-3, 22:5n-3 ja 22:6n-3 saantia, mutta vähensi lehmien kokonaiskuiva-aineen syöntiä (II; III). Kalaöljyn lisäys yhdessä kasviöljyjen kanssa ei vaikuttanut pötsissä muodostuvien haihtuvien rasvahappojen kokonaispitoisuuteen (III), mutta sen pitoisuus väheni lisättäessä lehmien rehuun pelkkää kalaöljyä (II). Kalaöljyn lisäys yksin (II) tai yhdessä kasviöljyjen kanssa (III) lisäsi pötsissä muodostuneiden propionihapon (II; III) ja voihapon mooliosuuksia (II) vähentäen etikkahapon suhteellista määrää (II; III). Kalaöljyn lisäys muutti pötsin 16- ja 18-hiilisten monityydyttymättömien rasvahappojen biohydrogenaatiota merkitsevästi, aiheuttaen pötsistä satakertaan virtaavien trans-16:1, trans-18:1 ja trans-18:2 rasvahappojen kokonaismäärien lisääntymisen sekä rasvahapon 18:0 virtauksen vähenemisen. Suurimmalla kalaöljyannoksella rasvahapon trans-11 18:1 virtaus kääntyi laskuun ja rasvahapon trans-10 18:1 virtaus lisääntyi voimakkaasti. Kalaöljyn lisäys ei vaikuttanut juurikaan pötsistä ulos virtaavan konjugoidun linolihapon (CLA) kokonaismäärään, mutta lisäsi lukuisten 20:5n-3, 22:5n-3 ja 22:6n-3 rasvahappojen biohydrogenaation väli- ja lopputuotteina muodostuvien, trans-kaksoissidoksen sisältävien, 20- ja 22-hiilisten rasvahappojen virtausta satakertaan. Kalaöljyn lisääminen rehuun yksin tai yhdessä kasviöljyjen kanssa ei vaikuttanut rasvahappojen 20:5n-3 ja 22:5n-3 biohydrogenaatioon pötsissä, mutta rasvahapon 22:6n-3 pelkistyminen oli perusteellisempaa silloin kun kalaöljyä annettiin yhdessä kasviöljyjen kanssa (III). Kasviöljyille ominaiset erot 18-hiilisten tyydyttymättömien rasvahappojen (18:2n-6 ja 18:3n-3 auringonkukka- ja pellavaöljyille vastaavasti) pitoisuuksissa vaikuttivat siihen, miten voimakkaasti kalaöljylisäys rajoitti 18-hiilisten tyydyttymättömien rasvahappojen pelkistymistä pötsissä rasvahapoksi 18:0 sekä siihen, minkälaisia reaktiovälituotteita epätäydellisen biohydrogenaation seurauksena pötsissä muodostui (III). Lisättäessä kala- ja pellavaöljyjen seosta rehuun pötsistä ulosvirtaavien trans-18:2 rasvahappojen ja trans-kaksoissidoksen sisältävien 20- ja 22-hiilisten rasvahappojen määrä oli suurempi ja rasvahapon 18:0 virtaus pienempi kuin lisättäessä kala- ja auringonkukkaöljyjen seosta. Molemmat kala- ja kasviöljyjen seokset aiheuttivat rasvahappojen trans-10 18:1 ja trans-11 18:1 kertymisen pötsinesteeseen, mutta lisättäessä kalaöljyä yhdessä auringonkukkaöljyn kanssa rasvahapon trans-10 18:1 muodostus oli runsaampaa. Muutokset pötsin monityydyttymättömien rasvahappojen biohydrogenaatiossa eivät vaikuttaneet pötsi- ja satakertanesteestä määritettyjen alkueläinten ja pötsin biohydrogenaatioon osallistuvien bakteeripopulaatioiden kokonaismääriin (II; III), vaikka Butyrivibrio-ryhmään kuuluvien bakteerien määrät laskivatkin kalaöljyannosta lisättäessä (II). Maidon rasvatuotos ja rasvapitoisuus pienenivät kalaöljyä lisättäessä (IV). Samalla maidon rasvahappokoostumus muuttui ihmisravitsemuksen kannalta suotuisammaksi. Kala- ja kasviöljyjen lisäys vähensi maitorauhasen de novo-synteesistä peräisin olevien tyydyttyneiden rasvahappojen, 4:0–12:0 ja 16:0, sekä rasvahapon 18:0 pitoisuuksia ja nosti trans-rasvahappojen ja terveyttä edistävien monityydyttymättömien rasvahappojen, kuten CLA, 20:5n-3, 22:5n-3 ja 22:6n-3, pitoisuutta maitorasvassa. Kalaöljyä saaneiden lehmien maidosta tunnistettiin yhteensä 37 erityistä 20- ja 22-hiilistä rasvahappoa, joiden erittyminen maitoon lisääntyi kalaöljyannosta nostettaessa (IV). Kalaöljylisäyksen aiheuttama maitorasvan depressio (jopa -40.6 %:n vähennys maitorauhasen rasvasynteesissä) oli yhteydessä lukuisten maidon rasvahappojen pitoisuuksien muutoksiin (IV). Maidon trans-10 18:1 ja cis-11 18:1 rasvahappojen pitoisuudet kasvoivat maitorasvan synteesin vähentyessä, mutta ne eivät yksin selitä havaittua kalaöljyn aiheuttamaa maitorasvasynteesin heikkenemistä. Trans-10,cis-12 CLA:n osuus maidon ja satakerran ruokasulan rasvahapoista ei ollut yhteydessä maitorasvan depressioon. Lisäksi tässä tutkimuksessa kalaöljyn lisäys ei vaikuttanut laskennalliseen maitorasvan sulamispisteeseen eikä maitorasvan synteesin heikkeneminen näin ollen ollut seuraus maitorasvan korkeammasta sulamispisteestä. Pötsistä ulos virtaavan trans-10 18:1 rasvahapon ja maitorasvan tuoton välillä oli selvä negatiivinen yhteys. Tämä vahvistaa näkemystä siitä, että maitorasvasynteesin lasku johtuu ainakin osittain kalaöljylisäyksen aiheuttamasta 18-hiilisten monityydyttymättömien rasvahappojen biohydrogenaation etenemisestä vaihtoehtoista reaktioreittiä pitkin, jolloin pötsissä muodostuu runsaasti trans-10 18:1 rasvahappoa ja rasvahapon 18:0 satakertavirtaus sekä eritys maitoon vähenee. Kalaöljyä saaneet lehmät käyttivät rasvahapon 18:0 saannin vähentyessä enemmän rasvahappoja cis-11 18:1 ja trans-10 18:1 sekä trans-kaksoissidoksen sisältäviä 20- ja 22-hiilisiä rasvahappoja maitorasvan muodostamiseen, jolloin nämä pötsin biohydrogenaation välituotteena muodostuneet trans-rasvahapot voivat olla osatekijänä maitorasvan depressiossa (IV). Tulokset osoittivat, että kalaöljyn lisäys lypsylehmien rehuun, yksin tai yhdessä kasviöljyjen kanssa, aiheuttivat pötsistä ulosvirtaavien pitkäketjuisten, trans-kaksoissidoksen sisältävien, rasvahappojen määrän lisääntymisen. Lisäksi kalaöljylle ominaisten terveysvaikutteisten monityydyttymättömien n-3 rasvahappojen osuus maitorasvassa kasvoi. Kala- ja kasviöljyjen lisääminen lypsylehmien rehuun vaikuttaa siis paitsi eläimen aineenvaihduntaan myös märehtijäperäisten elintarvikkeiden ravitsemukselliseen koostumukseen. Avainsanat: biohydrogenaatio, pötsi, kalaöljy, kasviöljy, auringonkukkaöljy, pellavaöljy, lypsylehmä, monityydyttymätön rasvahappo, n-3-rasvahappo, konjugoitu linolihappo, maitorasva, trans-rasvahappo, Butyrivibrio, mikrobiekologia, kaasukromatografia, massaspektrometria, hopea-ioni-ohutlevykromatografia
Subject: kotieläintiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
kairenius_piia_dissertation_2020.pdf 1.454Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record