Control of protein degradation in the rumen for improving protein efficiency and reducing polluting emissions

Los rumiantes tienen la capacidad de utilizar alimentos fibrosos y proteínas de baja calidad para producir alimentos de valor nutritivo para los humanos, pero también tienen una baja eficiencia de utilización del nitrógeno (N), que generalmente es inferior al 30%. Como consecuencia, una gran parte del N de la dieta es excretada al medio ambiente y contribuye a la eutrofización del suelo y el agua, siendo este problema especialmente marcado en los rumiantes de alta producción. El metabolismo ruminal es el factor más importante que determina el uso ineficiente de N en rumiantes, especialmente en situaciones de desequilibrio entre el NH3-N generado en la degradación proteica y la captación de NH3-N por los microorganismos ruminales para la síntesis proteica. Además, se ha demostrado que la degradación de las proteínas en el rumen genera CH4, lo que contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero. Por tanto, reducir la degradación ruminal de las proteínas no solo puede aumentar la cantidad de proteína del alimento que llega al intestino delgado, sino que también puede reducir las emisiones contaminantes, como son el N y el CH4. El objetivo general de esta Tesis Doctoral es investigar algunos aspectos de la degradación proteica en el rumen que están directamente relacionados con las pérdidas de N y la producción de CH4. Para lograr este objetivo se llevaron a cabo cuatro experimentos, dos in vitro y dos in vivo. El objetivo del Experimento 1, fue evaluar la inclusión de semillas de girasol (SS) y harina de girasol (SM), protegidas frente a la degradación ruminal, en dietas con alto contenido en cereales sobre la fermentación ruminal in vitro y producción de CH4. Para el tratamiento de protección (TR) se pulverizaron muestras de SS y SM con una solución de ácido málico 1 M (400 ml/kg de muestra) y se secaron a 150°C durante 1 h. Se formularon cuatro dietas para contener 13 (nivel bajo) o 17 (nivel alto) g de proteína bruta (PB)/100 g de materia seca (MS), y se incluyeron SS y SM sin tratar (dietas: 13CON y 17CON) o tratadas como se ha descrito anteriormente (dietas: 13TR y 17TR). Las dietas se incubaron in vitro con líquido ruminal de ovejas durante 8 y 24 h. El tratamiento no afectó (p ≥ 0,57) la producción total de ácidos grasos volátiles (AGV) a ningún tiempo de incubación, pero redujo (p 0,05) a las 24 h. El tratamiento aumentó la proporción molar de propionato (p = 0,001) y redujo la de isovalerato (p = 0,03) a las 8 h en comparación con las dietas CON, pero solo se detectó una reducción de la proporción de isovalerato (p = 0,03) a las 24 h. No hubo interacciones tratamiento x nivel de proteína bruta (p > 0,05) en ningún parámetro, pero las dietas altas en proteína originaron mayores concentraciones de NH3-N (p 0,05) en las medidas de la canal ni en la capacidad de retención de agua, composición química, pH y color del músculo longissimus dorsi. El perfil de ácidos grasos del músculo longissimus dorsi no se vio afectado (p > 0,117) por el concentrado administrado, con la excepción de una tendencia (p = 0,055) a mayores concentraciones de C14:0 en los corderos alimentados con el concentrado MAH. En conclusión, el tratamiento con ácido málico y calor aumentó la fermentación in vitro de SS, redujo la degradabilidad de la proteína in vitro de SM y modificó el perfil de AGV hacia una mayor producción de propionato. Sin embargo, bajo las condiciones del presente estudio, la inclusión de SS y SM tratados con MAH en un concentrado para corderos en cebo no influyó significativamente en la ingestión de alimento, la digestibilidad de la dieta, el rendimiento productivo y el perfil de ácidos grasos de la carne, aunque aumentó el peso de la canal caliente en un 7,9 % y la cantidad de grasa dorsal. En el Experimento 4 se estudió, utilizando métodos in vivo, in situ e in vitro, la eficacia de tratar SS, SM y una mezcla de ambas (SSM; 45:55) con una solución de ácido málico (1 M; 400 ml/kg) y calor para proteger contra la degradación ruminal de la proteína. Se usaron cuatro ovejas fistuladas en el rumen que fueron alimentadas con dos dietas mixtas compuestas de heno de avena y concentrado en proporción 40:60 y que diferían solo en el concentrado, que era el concentrado control o el concentrado MAH utilizado en los Experimentos 2 y 3. Las ovejas fueron alimentadas con dietas a 40 g MS/kg de peso metabólico0,75 repartidas en seis comidas iguales por día utilizando dispensadores automáticos. Se utilizó un diseño cruzado con dos períodos experimentales de 24 días, y cada período incluyó sucesivamente: 10 días de adaptación a la dieta, 9 días para realizar incubaciones in situ de SS, SM y SSM, un día para medir los parámetros ruminales y dos días para el vaciado ruminal. Desde el día 6 en adelante, se infundió continuamente una solución de (15NH4)2SO4 en el rumen de cada oveja para marcar las bacterias ruminales. La administración de la dieta MAH no afectó ni al pH ruminal ni a las concentraciones de NH3-N y AGV totales, pero disminuyó (p ≤ 0,009) las proporciones molares de acetato y propionato y aumentó las de butirato (p 0.05) at 24 h. The treatment increased the molar proportion of propionate (p = 0.001) and reduced that of isovalerate (p = 0.03) at 8 h compared with CON diets, but only a reduction of isovalerate proportion (p = 0.03) was detected at 24 h. There were no treatment x crude protein level interactions (p > 0.05) in any parameter, but high-protein diets had greater NH3-N concentrations (p 0.05) in carcass measurements and in water-holding capacity, chemical composition, pH or color of longissimus dorsi muscle. Fatty acid profile of longissimus dorsi muscle was not affected (p > 0.117) by feeding the MAH-treated concentrate, with the exception of a trend (p = 0.055) to greater concentrations of C14:0 in the MAH-fed lambs. In conclusion, the MAH treatment increased the in vitro fermentation of SS, reduced the in vitro protein degradability of SM, and modified the VFA profile towards greater propionate production. However, under the conditions of the present study the inclusion of MAH-treated SS and SM in a concentrate for growing lambs did not influenced significantly feed intake, diet digestibility, growth performance and meat fatty acid profile, although it increased hot carcass weight by 7.9% and the amount of dorsal fat. In Experiment 4, the effects of spraying a solution of malic acid (1 M; 400 ml/kg) and ulterior heating to protect against ruminal degradation the proteins of SS and SM, as well as of a mixture of these both feeds (SSM; 45:55) were studied using in vivo, in situ and in vitro methods. Four rumen-fistulated sheep were fed two mixed diets composed of oat hay and concentrate (40:60) and differing only in the concentrate, that was either the control or the MAH concentrate used in Experiments 2 and 3. Sheep were fed the diets at 40 g DM/kg body weight0.75 into six equal meals per day using automatic dispensers. A crossover design with two 24-day experimental periods was used, and each period included successively 10 days of diet adaptation, 9 days for performing in situ incubations of SS, SM and SSM, one day for measuring ruminal parameters, and two days for rumen empting. From day 6 onwards a solution of (15NH4)2SO4 was continuously infused into the rumen of each sheep to label ruminal bacteria. Feeding the MAH diet did not affect either ruminal pH or concentrations of NH3-N and total VFA, but decreased (p ≤ 0.009) molar proportions of acetate and propionate and increased those of butyrate (p < 0.001). In addition, organic matter (OM) and lipid contents in ruminal bacteria were lower in sheep fed the MAH diet compared with the control diet, whereas both N content and 15N enrichment were greater (p ≤ 0.037). Estimates of effective degradability (ED) of different feed fractions in SS, SM and SSM were obtained considering the ruminal rates of particle comminution and passage and correcting the values for the microbial contamination measured by using the 15N infusion technique. The MAH treatment decreased the ED of most fractions in all tested feeds, increasing the supply of by-pass crude protein (CP) by 19.1 and 120% for SS and SM, respectively, and by 34% for crude fat in SS. The MAH treatment also increased the in vitro intestinal digestibility of the by-pass CP both for SS (from 60.1 to 75.4%) and SM (from 83.2 to 91.0%). The simultaneous heating of both feeds performed in SSM reinforced the protective effect increasing the by-pass CP without altering its intestinal digestibility. As a result, the intestinal digested CP content in SSM increased by 15.6% compared with the value estimated from the results obtained for SS and SM incubated independently. The results also confirm the previous observation that the effectiveness of MAH treatment is greater for high-CP feeds