Assessment of dry whey powder as prebiotic in the feeding of laying hens and broilers

Durante las últimas décadas se ha observado un incremento en la búsqueda de alternativas alimenticias diferentes a los antibióticos que mejoren el rendimiento productivo de gallinas de puesta y pollos de engorde mediante la modulación de las poblaciones microbianas del tracto gastrointestinal. Desde la perspectiva del manejo alimenticio, uno de los enfoques se centra en la inclusión de prebióticos en la dieta que actúen modulando la composición microbiana de manera beneficiosa, y por ende el estatus sanitario y productivo de los animales. De este modo, el principal objetivo de la presente tesis fue evaluar el potencial prebiótico del lactosuero en polvo (LP), como fuente de lactosa, en gallinas de puesta y pollos de engorde. Para ello se desarrollaron cinco estudios con el fin de determinar la factibilidad de incluir LP en dietas con matrices cereales de maíz-soja y trigo-cebada. Además, la presente tesis también evaluó alternativas para aumentar la efectividad del LP mediante su suplementación simultánea con otros aditivos de naturaleza no antibiótica.El primer estudio determinó el efecto de la inclusión de LP, Pediococus acidilactici (PA), y la combinación de los dos como simbiótico (DWP-PA) en dietas para gallinas ponedoras con base cereal de maíz y soja sobre el rendimiento productivo, la calidad de los huevos y los recuento microbianos cecales. Los resultados mostraron que los recuentos cecales de Bifidobacterium spp. incrementaron con la inclusion de LP. Del mismo modo, se observó una interacción entre los niveles de LP y PA en la producción de huevos y en los recuentos cecales de Clostridium perfringens, ya que la adición de LP incrementó la producción de huevos y redujo las unidades formadoras de colonia de C. perfringens sólo cuando PA no fue adicionado a la dieta. De acuerdo con estos resultados, se puede inferir que la adición de LP moduló la composición bacteriana cecal e incrementó la producción de huevos.El segundo estudio fue llevado a cabo empleando los mismos animales del primer estudio. En este caso, el objetivo fue la evaluar la composición microbiana cecal mediante la secuenciación del gen ribosomal RNA 16S, así como el perfil funcional microbiano mediante la secuenciación completa del ADN bacteriano de gallinas de puesta alimentadas con LP, PA y LP-PA. Los resultados mostraron que las comunidades microbianas de gallinas alimentadas con la dieta control y PA fueron diferentes de aquellas alimentadas con LP y LP-PA, mientras que no se observaron diferencias entre la dieta control y PA, ni entre LP y LP-PA. La suplementación de LP y LP-PA en la dieta incrementó la presencia de Olsenella spp. Lactobacillus crispatus, y Megamonas spp. en comparación con los tratamientos restantes. En relación con el perfil funcional, se observó que los todos los metagenomas bacterianos comparten un núcleo de funciones comunes (45.5%). Sin embargo, fue evidente que la adición de LP en la dieta causó que la microbiota codificara más funciones únicas (22,5%) en comparación con la dieta control, la cual mostró el porcentaje más bajo (1.6%). La dieta que contenía LP favoreció el incremento de las funciones microbianas relacionadas con el metabolismo del butanoato, propanoato, galactosa e inositol fosfato. Los resultados de este experimento indican que cada uno de los suplementos empleados influenció la comunidad microbiana cecal, pero que estos cambios no implicaron una alteración en los principales roles funcionales de la misma. Sin embargo, algunas funciones metabólicas microbianas estuvieron presentes o ausentes dependiendo de la fuente de suplementación.En el tercer estudio se evaluó la digestibilidad ileal aparente (DIA), el pH del contenido gastrointestinal de varios segmentos, la histomorfometría duodenal, los recuentos microbianos cecales y el rendimiento productivo de pollos de engorde en respuesta a la adición de LP y butirato de calcio recubierto con grasa (BCa) en dietas con base de maíz y soja. Los resultados muestran que con la adición de LP se incrementó la DIA de la materia seca, proteína cruda, Ca y P, y se redujo el pH cecal sólo cuando BCa también fue adicionado a la dieta. También observamos que la suplementación de LP incrementó la altura de las vellosidades, el ratio altura de la vellosidad: profundidad de la cripta, y el área de la superficie de las vellosidades solamente cuando BCa fue suplementado de manera conjunta, mientras que la suplementación de LP incrementó los recuentos de colonias cecales de Bifidobacterium spp. sólo cuando BCa no fue suplementado. En relación con los resultados de rendimiento productivo, se observó que la ganancia media diaria (GMD) y la ingestión de alimento (IA) incrementó durante los periodos de arranque y finalización, y durante todo el periodo de alimentación cuando LP fue suministrado de manera conjunta con BCa. Sin embargo, el índice de conversión alimenticia (ICA) se redujo con la adición de LP en ausencia de BCa y viceversa. Estos resultados sugieren que la suplementación de LP en ausencia de BCa, o de BCa en ausencia de LP mejora el ICA de los pollos de engorde. Sin embargo, la suplementación conjunta de LP y BCa mejoró el desarrollo duodenal, incrementó la digestibilidad de los nutrientes, y el peso e ingestión alimenticia de los animales. El cuarto estudio fue desarrollado con el fin de evaluar la inclusión de LP y concentrado proteico de lactosuero (CPL) en dietas para pollos de engorde con base cereal de maíz y soja, sobre la DIA, el rendimiento productivo y la composición de la microbiota cecal empleando la secuenciación del gen ribosomal RNA 16S en la plataforma de Illumina. Los resultados mostraron que la dieta 60-LP incrementó la DIA del Ca, mientras que la dieta 80-CPL mejoró la DIA del Ca y P en comparación con la dieta control. Del mismo modo, las dietas 60-L y 80-CP incrementaron el peso vivo (PV), la GMD y la IA durante los periodos de arranque, de crecimiento y finalización, y durante el periodo completo de alimentación. Las dietas 60-LP y 80-CP redujeron el ICA durante el periodo de arranque, mientras que 60-LP redujo este parámetro durante el periodo completo de alimentación. Las composición de comunidades microbianas cecales de los pollos alimentados con 60-LP y 80-CP fueron diferentes de aquellos alimentados con la dieta control. La abundancia de Bacteroides fragilis, Bacteroides spp., Escherichia coli/Shigella flexneri y Megamonas furniformis incrementó por alimentar a los animales con 60-LP y 80-CP, mientras que la presencia de Helicobacter pullorum se vio disminuida. La abundancia de Lactobacillus salivarius incrementó de manera consistente en los pollos con mayor ICA, que fueron aquellos alimentados con 60-LP. Los resultados de este estudio permiten concluir que el crecimiento de los pollos se puede mejorar por la suplementación con 60-LP y 80-CP debido a la mayor digestibilidad de los minerales, al incrementó en la IA y a la modulación en la composición de la microbiota cecal.El quinto y último estudio se realizó con el fin de investigar el efecto de suplementar 60-LP, quitosano (5-CHIT), DWP-CHIT e inulina (20-INU) en dietas para pollos de engorde con base cereal de trigo y cebada, sobre la histomorfometría duodenal, el rendimiento productivo y la composición de la microbiota cecal a los 21 y 42 días de vida, mediante la secuenciación del gen ribosomal RNA 16S en la plataforma Illumina. Los resultados de este estudio indicaron que la alimentación de los animales con cualquiera de los aditivos suministrados redujo el PV, la GMD y la IA durante el periodo de arranque. Esto también fue observado durante todo el periodo de alimentación, excepto para el tratamiento 20-INU, que mostró valores similares al grupo control. En relación a las comunidades microbianas cecales, no se observaron diferencias entre el grupo control, 60-LP, 5-QUIT y 20-INU al día 21 de vida, en los cuales el ciego estuvo principalmente colonizado por Lactobacillus gallinarum, aunque sólo el control promovió un mayor PV, GMD e IA. El grupo control y 60-LP no difirieron en sus comunidades cecales al día 42, aunque sólo el tratamiento control incrementó el PV, la GMD, y la IA. En ambos casos, el ciego tuvo una alta abundancia de Lactobacillus gallinarum and Bacteroides vulgatus, y una baja de Escherichia coli/Shigella flexneri and Bacteroides fragilis. Estos resultados indican que el crecimiento de los pollos de engorde se redujo por la suplementación de LP, QUIT, LP más QUIT e INU a las dosis evaluadas, como consecuencia de una disminución en la IA. Además, los resultados ponen en evidencia que la composición de la microbiota cecal fue modulado por la dieta en cada una de las edades muestreadas, aunque no se observó una asociación clara entre esta y el rendimiento productivoDuring the last decades, the interest to search for non-antibiotic fed alternatives to improve the performance of laying hens and broilers through gastrointestinal microbial modulations without causing antimicrobial resistance has increased considerably. From the nutritional perspective, one of the approaches is based on the dietary inclusion of prebiotics to benefit the intestinal microbial composition, and therefore animal health and performance. The main objective of the present thesis was to evaluate the prebiotic potential of the inclusion of dry whey powder (DWP), as a lactose source, in the formulation of laying hens and broilers’ feed. In this context, five studies were conducted to determine the feasibility of the use of DWP when added to corn-soybean or whey-barley based diets. Moreover, DWP effectiveness through its simultaneous supplementation with other non-antibiotic feed additives was also assessed. The first study determined the effect of supplementing corn-soybean based diets of laying hens with DWP, Pediococus acidilactici (PA), and the combination of both as synbiotic (DWP-PA) on the productive performance, egg quality traits, and cecal microbial counts. The results showed that cecal counts of Bifidobacterium spp. were increased with the addition of DWP, while an interaction between DWP and PA levels was found on egg production and on cecal counts of Clostridium perfringens, so that the addition of DWP increased egg production and reduced C. perfringens colony counts only when PA was not used. According to these results, the addition of DWP modulated the target cecal bacteria and increased egg production. The second study was carried out with the same animals used in study 1. The aim of this was to analyze the cecal microbial composition, using Illumina amplicon sequencing of the 16S rRNA gene, and the cecal microbial functional profile, using DNA sequencing through Illumina HiSeq2500 platform, of laying hens fed with DWP, PA, and DWP-PA. The results revealed that microbial communities of hens fed with control and PA were different from those fed with DWP and DWP-PA, while no differences were found between control and PA, and between DWP and DWP-PA. Feeding with DWP and DWP-PA mainly promoted the presence of Olsenella spp. Lactobacillus crispatus, and Megamonas spp. in comparison with the remaining diets. Metagenomics approach revealed that a core of main functions was shared between all metagenomes (45.5%), although DWP stimulated that microbiota encoded more unique functions (22.5%) compared with control, which showed the lowest percentage (1.6%). Major presence of genes encoding the metabolism of butanoate, propanoate, galactose, and inositol phosphate were especially stimulated by DWP. Results from this experiment indicated that each dietary supplementation influenced the cecal microbial community, but these changes did not imply a disturbance in their main biological roles. However, some specific metabolic functions encoded by the community, were present or absent depending on the source of supplementation. In the third study, apparent ileal digestibility (AID), pH of gastrointestinal content at various segments, duodenal histomorphometry, cecal microbial counts, and productive performance of broilers were studied in response to DWP and fat-coated calcium butyrate (CaB) supplementation to corn-soybean based diets. The results indicated that with the addition of DWP, the AID of dry matter, crude protein, Ca and P increased, and cecum pH decreased only when CaB was also added. Similarly, with the addition of DWP, villus height, villus height to crypt depth ratio, and villus surface area were increased only when CaB was also added, while the supplementation of WP increased Bifidobacterium spp. colony counts only when CaB was no added. In relation to performance results, it was observed that with the dietary supplementation of DWP, the average daily gain (ADG) and feed intake (FI) increased during starter-grower finisher periods, and the entire feeding period only when CaB was also added. However, with the addition of DWP, feed conversion ratio (FCR) decreased in broilers fed without CaB, but it increased in those fed with CaB during the grower-finisher and entire feeding periods. These findings suggest that the supplementation of DWP without CaB addition improve FCR of broilers. However, the joint supplementation of DWP and CaB improve duodenal development, increases nutrient AID, and the weight and feed ingestion of broilers. The fourth study was carried out to assess the influence of supplementing corn-soybean broiler diets with DWP and whey protein concentrate (WPC) on AID, productive performance and cecal microbiota composition at the end of the productive period, using Illumina amplicon sequencing of the 16S rRNA gene. The results showed that 60-DWP increased the AID of Ca, while 80-WPC improved both AID of Ca and P when compared to control diet. Feeding broilers with 60-DWP and 80-WPC increased their BW, ADG, and FI during the starter and grower-finisher periods, and during the entire feeding period. Supplementing 60-DWP and 80-WPC reduced FCR during the starter period, while 60-DWP reduced this parameter during the entire feeding period. Cecal microbial communities of broilers fed with 60-DWP and 80-WPC differed from those fed with control diet. The abundance of Bacteroides fragilis, Bacteroides spp., Escherichia coli/Shigella flexneri and Megamonas furniformis increased when 60-DWP and 80-WPC were included, while the presence of Helicobacter pullorum decreased. Lactobacillus salivarius consistently increased in chickens with better FCR, which were those fed with 60-DWP. These results indicate that growth of chickens is improved by 60-DWP and 80-WPC supplementation because of a higher mineral digestibility, increased FI, and modulation of cecal microbiota communities. The fifth study was conducted to investigate the effect of supplementing wheat-barley based diets with 60-DWP, chitosan (5-QUIT), DWP-QUIT, and Inulin (20-INU) on duodenal histomorphometry, productive performance and cecal microbiota composition at days 21 and 42 of age, using Illumina amplicon sequencing of the 16S rRNA gene. The results indicated that feeding chickens with any of the tested additives diminished their BW, ADG, and FI during the starter period. This was also observed during the entire feeding period, except for INU supplementation that showed similar values to control. At day 21, no differences in microbiota composition of control, 60-DWP, 5-CHIT and 20-INU birds were found, which ceca were highly harboured by Lactobacillus gallinarum, although only control promoted greater BW, ADG, and FI. Control and 60-DWP treatments did not differ in their ceca communities at day 42, although only control increased BW, ADG, and FI. In both cases, ceca showed higher abundance of Lactobacillus gallinarum and Bacteroides vulgatus, and lower abundance of Escherichia coli/Shigella flexneri and Bacteroides fragilis. The present findings indicate that chicken growth is reduced by supplementing wheat-barley based diets with DWP, CHIT, DWP plus CHIT, and INU, at the tested doses, as a consequence of a reduction in FI. Moreover, the results revealed that cecal microbiota composition was influenced by diet at every stage of life, although no clear association between microbiota and performance was detected.