Role of forage species and conservation method in ruminal lipid metabolism, mammary lipogenesis and milk fatty acid composition in lactating cows

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8877-3
Title: Role of forage species and conservation method in ruminal lipid metabolism, mammary lipogenesis and milk fatty acid composition in lactating cows
Author: Halmemies-Beauchet-Filleau, Anni
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Agricultural Sciences
MTT Agrifood Research Finland, Animal Production Research, Jokioinen, Finland
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Department of Agricultural Sciences Publications / Maataloustieteiden laitos Julkaisuja - URN:ISSN:1798-744X
Abstract: The objective of the research described in this thesis was to develop forage-rich diets for dairy cows for altering milk fatty acid composition, with the potential to improve human health. Emphasis was placed on the potential to decrease milk fat medium chain saturated fatty acids (SFA; 12:0, 14:0 and 16:0) and increase cis-9 18:1 and polyunsaturated fatty acids (PUFA) concentrations, 18:3n-3 in particular. Experiments encompassed detailed investigations of ruminal and mammary lipid metabolism, in order to understand the mechanisms underlying diet-induced changes in bovine milk fatty acid composition. Experiments documented in publications I and II involved a detailed physiological study in which, the effects of forage conservation method on fatty acid intake, ruminal lipid metabolism, plasma fatty acid profile, mammary lipid metabolism and milk fat composition of lactating cows were investigated. Drying of grass resulted in substantial decreases in forage fatty acid content, 18:2n-6 and 18:3n-3 in particular, whereas fatty acid losses due to ensiling were rather small. Compared with fresh grass or grass silage (GS), feeding diets based on grass hay lowered the extent of lipolysis and biohydrogenation of dietary unsaturated fatty acids in the rumen, while the extent of silage fermentation had minor effects, leading to similar flows of 18:2n-6 and 18:3n-3 at the omasum across all diets. On all diets, triacylglycerol in circulating lipids was the primary source of fatty acids taken up by mammary gland. In cows fed fresh grass, non-esterified fatty acids (NEFA) also served as a source of fatty acids for milk fat synthesis. A higher uptake of preformed fatty acids along with decreases in fatty acid synthesis de novo accounted for higher cis-9 18:1, trans-11 18:1, cis-9,trans-11 CLA, 18:2n-6 and 18:3n-3, and lower 16:0 and total SFA in milk fat of cows fed fresh grass relative to dried grass. In cows fed diets based on conserved grasses, differencies in the composition of circulating lipids, mammary uptake of fatty acids, mammary de novo synthesis and milk fatty acid composition were marginal. The impact of replacing GS with red clover silage (RCS) on fatty acid intake, ruminal lipid metabolism and milk fat composition is reported in publications III and IV. Replacing GS with RCS linearly decreased proteolysis and the extent of lipolysis and biohydrogenation of dietary unsaturates in the rumen. The proportion of RCS in the diet had no effect on the amounts or on the relative proportions of major lipid classes at the omasum. On average, NEFA, polar lipids, triacylglycerols, diacylglycerols and monoacylglycerols accounted for 80, 12, 4, 2 and 1% of total fatty acids in omasal digesta, respectively. Increases in the flow of 18:2n-6 and 18:3n-3 at the omasum accounted for the higher secretion of these fatty acids in milk from diets containing RCS, with no evidence of impaired PUFA bioavailability in contrast to nitrogen or decreases in mammary de novo synthesis of SFA up to a chain length of 16-carbon. Furthermore, forage species had no effect on the flow of bound phenols at the omasum that are formed as a consequence of polyphenol oxidase (PPO) activity. Current data suggest that the changes in ruminal lipid metabolism when RCS replaces GS, are not directly related to PPO activity and/or the formation of protective protein matrices, but are more likely to be related to the role of forage species on rumen digestion kinetics and ruminal microbial populations. The potential to mimic the changes in milk fat composition due to forage conservation method or species by supplementing diets based on RCS with moderate amounts of plant oils or camelina expeller was also examined (V). Moderate lipid supplementation did not impair silage dry matter intake or milk production, but altered milk fatty acid composition. Changes in milk fat composition to plant lipids were characterised by decreases in SFA synthesized de novo and increases in the concentrations of unsaturated fatty acids, including trans-11 18:1, cis-9,trans-11 CLA and those inherent in specific lipid supplements (cis-9 18:1, 18:2n-6 and 18:3 for rape, sunflower and camelina lipids, respectively). The increase in milk trans fatty acids due to lipid supplementation was rather small, except when camelina expeller was fed. Results demonstrated potentially beneficial effects of fresh grass and RCS on milk fatty acids. In particular, fresh grass has potential to decrease milk fat medium chain SFA and to increase cis-9 18 concentrations, whereas RCS has potential to increase 18:3n-3. Moderate inclusion of plant lipid supplements on RCS based diet can be used to alter milk fatty acid composition yet further, through additional decreases in medium chain SFA and increases in unsaturated fatty acids inherent to lipid supplements.Rasva on tärkeä maidon ainesosa, sillä se vaikuttaa olennaisesti maidon ja maitotuotteiden ravintoarvoon, rakenteeseen, makuun ja säilyvyyteen. Maidon rasvapitoisuus vaikuttaa myös tuottajahintaan. Maito ja maitotuotteet ovat merkittävä tyydyttyneiden sekä trans-rasvahappojen lähde länsimaalaisten ruokavaliossa. Tyydyttyneiden rasvahappojen, etenkin keskipitkien lauriini- (12:0), myristiini- (14:0) ja palmitiinihapon (16:0), runsas saanti on yhteydessä riskiin sairastua sepelvaltimo- ja kolesterolitautiin sekä diabetekseen. Toisaalta maitorasva sisältää myös ihmisterveyttä edistäviä rasvahappoja, kuten voihappoa (4:0), haaraketjuisia rasvahappoja, öljyhappoa (cis-9 18:1), konjugoitunutta linolihappoa (CLA) ja α-linoleenihappoa (18:3n-3). Maitorasvan koostumusta voidaan muokata lypsylehmien ruokintaa muuttamalla. Nurmikasvien lehtien rasvahapoista tyypillisesti yli 50 % on 18:3n-3 ja 10 20 % linolihappoa (18:2n-6). Näin ollen nurmikasvit ovat luonnollinen, ympäristön kannalta kestävä ja suhteellisen halpa välttämättömien rasvahappojen lähde märehtijöille. Suurin osa rehun monityydyttymättömistä rasvahapoista kuitenkin biohydrogenoituu, ts. tyydyttyy, märehtijöiden pötsissä. Lypsylehmien energian saannista keskimäärin 25-100 % on, tuotantojärjestelmästä riippuen, peräisin karkearehusta tuoreena, säilörehuna ja heinänä. Karkearehun vaikutuksesta lypsylehmien lipidiaineenvaihduntaan pötsissä ja maitorauhasessa on kuitenkin olemassa niukasti tutkimustietoa. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia karkearehun säilönnän ja kasvilajin vaikutusta lypsylehmän lipidiaineenvaihduntaan ja maidon rasvahappokoostumukseen sekä kehittää karkearehuvaltainen lypsylehmien ruokintastrategia, joka vähentää tyydyttyneiden rasvahappojen ja lisää cis-9 18:1 ja 18:3n-3 osuutta maitorasvassa. Kahdessa ensimmäisessä kokeessa tarkasteltiin heinänurmen säilöntämenetelmän vaikutusta lypsylehmien lipidiaineenvaihduntaan. Koekäsittelyinä olivat niittorehu, heinä, painorehu ja muurahaishapolla säilötty rehu. Heinä sisälsi niittorehua huomattavasti vähemmän rasvahappoja, erityisesti 18:2n-6 ja 18:3n-3, sillä merkittävä osa rehun monityydyttymättömistä rasvahapoista hapettui esikuivauksen aikana. Sen sijaan säilörehujen rasvahappokoostumus ei juuri poikennut niitetyn kasvuston koostumuksesta esikuivausajan ollessa lyhyt. Heinäruokinta vähensi lipolyysiä ja monityydyttymättömien rasvahappojen biohydrogenaatiota pötsissä niittorehuun ja säilörehuruokintaan verrattuna. Suurin osa pötsistä ulosvirtaavasta 18:2n-6 ja 18:3n-3 oli esteröitynä, kun taas biohydrogenaation loppu- ja välituotteet virtasivat ulos pötsistä vapaina rasvahappoina (engl. non-esterified fatty acids NEFA). Maitorauhanen otti keskipitkä- ja pitkäketjuisia rasvahappoja maitorasvan synteesiin pääasiassa plasman triasyyliglyseroleista, mutta niittorehua syötettäessä myös NEFA oli merkittävä rasvahappojen lähde. On todennäköistä, että niittorehua saaneet lehmät käyttivät enemmän rasvakudoksesta peräisin olevia rasvahappoja maitorasvan muodostamiseen kuin heinää tai säilörehua saaneet lehmät. Niittorehuruokinnassa noin 50 % maidon 16:0 oli peräisin maitorauhasen de novo -synteesistä, kun taas heinää ja säilörehua syötettäessä vastaava luku oli lähes 80 %. Niittorehuruokinta vähensi tyydyttyneiden, erityisesti 16:0, ja lisäsi cis-9 18:1 ja 18:3n-3 osuutta maitorasvassa heinäruokintaan verrattuna. Erot maitorasvan koostumuksessa olivat pieniä heinä- ja säilörehuruokintojen välillä. Kolmannessa kokeessa tutkittiin heinäkasvisäilörehun asteittaista korvaamista puna-apilasäilörehulla ja sen vaikutusta pötsin lipidiaineenvaihduntaan ja maitorasvan koostumukseen. Heinäkasvisäilörehun korvaaminen puna-apilasäilörehulla vähensi suoraviivaisesti lipolyysiä ja rehun monityydyttymättömien rasvahappojen biohydrogenaatiota pötsissä. Puna-apilan osuuden lisääntyessä karkearehussa, 18:2n-6 ja 18:3n-3 ulosvirtaus pötsistä ja eritys maitoon lisääntyivät suoraviivaisesti. Toisin kuin typen, pötsistä ulosvirtaavien monityydyttymättömien rasvahappojen hyväksikäyttö maidontuotannossa ei heikentynyt, kun puna-apilasäilörehun osuus karkearehussa lisääntyi. Saatujen tulosten perusteella on todennäköistä, että muutokset pötsin lipidiaineenvaihdunnassa, kun puna-apilasäilörehu korvaa heinäkasvisäilörehua, johtuvat kasvilajien välisistä eroista pötsin sulatuskinetiikassa ja mikrobistossa. Neljännessä kokeessa tarkasteltiin maltillisen, kasviperäisen lipidilisän vaikutusta karkearehun syöntiin ja maitorasvan koostumukseen puna-apilaan pohjautuvassa ruokinnassa. Maltillinen kasviöljylisä ei vähentänyt karkearehun syöntiä, mutta muutti maitorasvan koostumusta. Lipidilisä vähensi maitorauhasen de novo synteesistä peräisin olevien lyhyt- ja keskipitkäketjuisten, tyydyttyneiden rasvahappojen pitoisuutta ja lisäsi trans-11 18:1, cis-9,trans-11 CLA sekä lipidilisälle ominaisten tyydyttymättömien rasvahappojen (cis-9 18:1, 18:2n-6 ja 18:3n-3, rypsi-, auringonkukka-, ja camelinalipideille, vastaavasti) pitoisuutta maitorasvassa. Lipidilisä ei juuri lisännyt trans-rasvahappojen osuutta maitorasvassa, paitsi camelinapuristeena annettaessa. Tämän tutkimuksen tulosten perusteella voidaan suositella tuoreen rehun (laidun, niittorehu) sekä puna-apilasäilörehun käytön lisäämistä lypsylehmien ruokinnassa. Tuore rehu vähentää erityisesti 16:0 ja lisää cis-9 18:1 osuutta maitorasvassa, kun taas puna-apilasäilörehu lisää maitorasvan 18:3n-3 pitoisuutta. Maltillisella kasviöljylisällä (rypsi, auringonkukka, camelina) maitorasvan koostumusta voidaan edelleen muuttaa ihmisravitsemukselle suotuisammaksi keskipitkäketjuisten, tyydyttyneiden rasvahappojen osuuden maitorasvassa vähentyessä ja lipidilisälle ominaisten rasvahappojen lisääntyessä.La matière grasse est un composant important du lait influençant considérablement la valeur nutritionnelle, la texture, le goût et la durée de conservation du lait et des produits laitiers. La teneur en matière grasse conditionne également le prix payé aux producteurs. Dans le cadre d'un régime de type occidental, la matière grasse laitière constitue une source d'apport significative d’acides gras saturés et trans. Une consommation en excès d'acides gras saturés, en particulier en acides laurique (12:0), myristique (14:0) et palmitique (16:0), peut augmenter le risque d’apparition de maladie coronarienne, du cholestérol et du diabète. Cependant, la matière grasse laitière contient également des acides gras favorables à la santé humaine dont l’acide butyrique (4:0), les acides gras ramifiées, l’acide oléique (cis-9 18:1), l’acide linoléique conjugué (ALC) et l’acide α-linolénique (18:3n-3). La composition en acides gras du lait peut être modifiée par l'alimentation animale. Les lipides des feuilles des fourrages contiennent généralement plus de 50 % de 18:3n-3 et de 10 à 20 % d’acide linoléique (18:2n-6). Elles constituent donc une source naturelle d’acides gras essentiels, durable d’un point de vue environnemental et relativement économique en élevage des ruminants. Cependant, la plupart des acides gras insaturés du régime alimentaire subissent une forte biohydrogénation (c'est à dire sont transformés en acides gras saturés) dans le rumen. Selon les pratiques d’élevage, en général 25 à 100 % de l’énergie ingérée par les vaches laitières provient du fourrage sous forme fraîche, d’ensilage ou de foin. L’effet du type de fourrage sur le métabolisme des lipides au niveau du rumen et de la glande mammaire est cependant peu étudié. Les objectifs de cette thèse étaient d’examiner l’effet de la méthode de la conservation et de l’espèce végétale fourragère sur le métabolisme des lipides et la composition en acides gras du lait chez la vache laitière et de développer des stratégies alimentaires impliquant des rations riches en fourrage qui permettent de réduire la teneur du lait en acides gras saturés tout en augmentant celles en acides gras insaturés (cis-9 18:1 et 18:3n-3 en particulier). Dans le cadre de deux premières expériences, l’effet de la méthode de conservation de l’herbe sur le métabolisme des lipides chez la vache laitière a été testé. Les traitements expérimentaux consistaient à apporter l'herbe sous forme fraîche, de foin, d’ensilage réalisé sans conservateur et d’ensilage conservé avec de l’acide formique. Le foin contenait moins de 18:2n-6 et de 18:3n-3, en raison de l’oxydation que subissent les acides gras polyinsaturés au cours du pré-séchage au champ. En revanche, la composition en acides gras des ensilages issus d’un pré-séchage court ressemblait à celle de l’herbe fraîche. Comparé aux régimes basés sur l’herbe fraîche ou les ensilages, le foin a diminué les degrés de lipolyse et de biohydrogénation des acides gras polyinsaturés au niveau ruminal. La plupart du 18:2n-6 et du 18:3n-3 sortant du rumen étaient estérifiés à contrario des produits intermédiaires et finaux de la biohydrogénation qui étaient présents sous forme d'acides gras non estérifiés (AGNE). La glande mammaire a capté depuis le plasma des acides gras à chaîne moyenne et longue (principalement ceux présents sous forme de triglycérides) pour la synthèse de la matière grasse du lait. Chez les vaches ayant reçu de l’herbe fraîche, les AGNE constituaient également une source importante d’acides gras préformés pour la glande mammaire. Cela suggère que les vaches ayant ingéré une ration basée sur de l’herbe fraîche aient utilisé plus d’acides gras dérivés du tissus adipeux pour la synthèse de la matière grasse laitière que celles ayant reçu du foin ou de l’ensilage. Ainsi, dans le lait des vaches soumises au régime herbe fraîche, 50 % du 16:0 provenaient de la synthèse de novo mammaire tandis que pour les vaches recevant du foin ou de l’ensilage, ce taux atteignait pratiquement 80 %. Le régime basé sur l'herbe fraîche a diminué la teneur de la matière grasse du lait en acides gras saturés (16:0 en particulier) et a augmenté celles en cis-9 18:1 et 18:3n-3. Peu de différences ont été relevées entre les compositions en acides gras des laits issus des régimes foin ou ensilages avec ou sans conservateur. La troisième expérience a comparé les effets de rations basées sur l’ensilage d’herbe ou l’ensilage de trèfle violet sur le métabolisme des lipides dans le rumen et sur la composition en acides gras du lait. Le remplacement de l’ensilage d’herbe par de l’ensilage de trèfle violet a diminué linéairement la lipolyse et la biohydrogénation ruminale des acides gras polyinsaturés. Lorsque la proportion d’ensilage de trèfle violet dans le fourrage augmentait, le flux post ruminal et la sécrétion dans le lait de 18:2n-6 et de 18:3n-3 augmentaient linéairement. Contrairement à l’azote, la valorisation des acides gras polyinsaturés pour la production du lait n’a pas diminué quand la proportion du trèfle dans l’ensilage augmentait. Les résultats obtenus suggèrent que les changements intervenus sur le métabolisme des lipides dans le rumen, quand l’ensilage de trèfle violet remplace celui d’herbe, sont liés aux différences de cinétique de digestion et du profil et de l'activité de la flore microbienne ruminale. La dernière expérience avait pour objectif de déterminer l’effet de supplémentations en lipides oléagineux en quantités modérées sur l’ingestion du fourrage et sur la composition en acides gras du lait dans le cadre d'un régime à base d'ensilage de trèfle violet. Les supplémentations oléagineuses n’ont pas diminué l’ingestion du fourrage, mais ont modifié la composition en acides gras du lait. Les lipides oléagineux ajoutés dans la ration ont diminué la teneur de la matière grasse laitière en acides gras saturés à chaîne courte et moyenne issus de la synthèse de novo mammaire. A contrario, ces stratégies ont augmenté les teneurs de la matière grasse du lait en trans-11 18:1, cis-9,trans-11 ALC (surtout avec des tourteaux de caméline gras) ainsi que des acides gras caractéristiques de la nature des graines oléagineuses (cis-9 18:1, 18:2n-6 et 18:3n-3 pour les lipides issus des graines de colza, de tournesol et de caméline respectivement). En conclusion, afin d'améliorer les qualités nutritionnelles de la matière grasse laitière, les résultats de cette thèse permettent de conseiller d’accroître l’utilisation d’herbe fraîche (pâturage ou affouragement en vert à partir d'herbe fraîchement coupée) et de l’ensilage de trèfle violet dans l’alimentation des vaches laitières. L’herbe fraîche a fortement diminué la teneur de la matière grasse laitière en 16:0 et a augmenté celle en cis-9 18:1, tandis que le trèfle violet a augmenté la teneur en 18:3n-3. Des supplémentations modérées en huile de colza, de tournesol ou de caméline, ont pu encore améliorer la composition de la matière grasse du lait en diminuant les teneurs en acides gras saturés à chaîne moyenne et en augmentant celles en divers acides gras insaturés de manière spécifique aux types d'oléagineux.
URI: URN:ISBN:978-952-10-8877-3
http://hdl.handle.net/10138/41735
Date: 2013-11-29
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
halmemies_dissertation.pdf 899.2Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record