Phytate degradation and phosphorus digestibility in turkeys and broiler chickens fed maize-based diets

Abstract

A growing global human population, stagnation in available land for farming, and an increased interest in sustainable and eco-friendly food production necessitates a highly efficient and environmentally friendly food production. This includes the already very feed-efficient poultry meat production. Currently, using non-renewable mineral phosphate as feed additive is industry standard in poultry nutrition. This can lead to unwanted eutrophication of waterbodies by high faecal concentrations of unutilised plant-based phosphate. Degrading phytate via enzymatic hydrolysation by phytases drastically improves digestibility of plant-based phosphate. With dietary phytase supplementation, a tool is available to reduce necessity of dietary phosphate supplementation. However, predictability of the extent to which phytase supplementation can replace phosphate supplementation is not accurate enough to forego phosphate supplementation entirely. Subject of this doctoral thesis was to study the factors that can influence phytate degradation in the digestive tract of poultry, in order to improve predictability of plant-based phosphate digestibility. The focus was put on maize-based diets, as they are very common worldwide and phytate degradation is challenging due to low intrinsic phytase activity of maize. A literature review on the current state of knowledge on phytate degradation and phosphorus digestibility of chicken fed maize-based diets was conducted. Part of this review was to compare findings for chickens to findings in other poultry species. There is a plethora of studies that investigated the subject in broilers but comparatively little information on turkeys. There were indications of fundamental differences between broilers and turkeys. Consequently, the intention was to identify reasons for these differences and to evaluate to which extent knowledge transfer from chickens to turkeys is possible. Two consecutive trials comparing broilers and turkeys were designed. Factors studied were: supplemented phytase, dietary phosphorus and calcium concentration, age, and endogenous mucosal phosphatase activity. Broilers and turkeys studied were kept simultaneously and under identical conditions, including experimental diets. A total of 480 broiler and 480 turkey hatchlings were obtained at the same day and raised at the experimental facility. Halve of the animals of each species underwent the experiment from day 14 to day 21, the other halve from day 35 to day 42. This set up was chosen to study the influence of physiological development, as species with different maturation rates were compared. In 3-week-old broilers and turkeys, precaecal InsP6 disappearance was the same when no phytase was supplemented and dietary calcium and phosphorus level was low. This coincided with no differences in jejunal mucosal phosphatase activity. Without phytase supplementation, 6-week-old turkeys showed higher precaecal InsP6 disappearance than 6-week-old broilers. This coincided with higher jejunal mucosal phosphatase activity in turkeys than broilers. When phytase was supplemented, precaecal InsP6 disappearance was markedly increased in both species. This increase was always higher in broilers compared to turkeys of the same age. Increased dietary calcium and phosphorus levels led to decreased precaecal InsP6 disappearance in both species. This led to the conclusion that previously reported differences in precaecal InsP6 disappearance between broilers and turkeys were primarily due to the higher dietary calcium and phosphorus concentrations used in turkey diets, and secondly due to more phytate degradation by supplemented phytase in the crop of broilers compared to turkeys. The latter was attributed to more favourable conditions for the supplemented phytase. Although turkeys appeared to have compensated much of that in the more posterior parts of the digestive tract. Jejunal mucosal phosphatase activity was higher in treatments with phytase supplementation than without. As this coincided with high concentrations of lower inositol phosphates in the digesta, these might have triggered increased expression of phosphatases on the brush border membrane. In contrast, an increase in dietary calcium and phosphorus level coincided with a decrease in jejunal mucosal phosphatase activity, numerically in 3-week-old birds, but significantly in 6-week-old birds. This might indicate a downregulation of mucosal phosphatase expression based on phosphate concentration in the small intestine. In conclusion, fundamental mechanisms affecting phytate degradation in the digestive tract of broilers and turkeys seem to be the same. However, there is one big difference in recommended dietary calcium and phosphorus levels and many small differences in important details affecting phytate degradation and phosphate digestibility between the two species. These require dedicated attention to further improve phosphorus efficiency in poultry production.

Eine weltweit wachsende Bevölkerung bei gleichzeitiger Stagnation von verfügbarem Ackerland erfordern effizientere Produktionsmethoden mit geringerer Umweltbeeinträchtigung. Das trifft auch für die Geflügelfleischproduktion zu. Momentan ist der Zusatz von Phosphat aus nicht nachhaltigem Bergbau zum Geflügelfutter Industriestandard. Das kann zu unerwünschter Eutrophierung von Oberflächengewässern führen. Die Supplementierung des Futters mit mikrobieller Phytase ist eine etablierte Methode um die Verdaulichkeit von pflanzlichem P zu erhöhen und so die Notwendigkeit mineralischen Phosphatsupplementen zu reduzieren. Allerdings kann noch nicht zuverlässig vorhergesagt werden, wie stark sich die Verdaulichkeit von pflanzlichem P durch Phytase-Supplementierung erhöht. Daher kann auf die Supplementierung von mineralischem Phosphat in der Praxis noch nicht völlig verzichtet werden. Gegenstand dieser Doktorarbeit war es die Faktoren zu untersuchen, die den Phytatabbau im Verdauungstrakt von Geflügel beeinflussen. Der Fokus lag auf Mais-basierten Futtern, da sie weltweit häufig eingesetzt werden und durch die geringe intrinsische Phytaseaktivität von Mais eine Herausforderung darstellen. Es wurde eine Literaturübersicht über den Wissensstand zu Phytatabbau und P-Verdaulichkeit in Mais-basiert gefütterten Hühnern angefertigt. Teil dieser Arbeit war es, die Hühner-spezifischen Erkenntnisse mit Ergebnissen von andere Geflügelarten zu vergleichen. Die Anzahl der Untersuchungen bei Mastputen war deutlich geringer als bei Masthühnern. Zudem gab es Hinweise auf fundamentale Unterschiede zwischen Masthühnern und Mastputen. Daher sollten die Gründe für die Unterschiede identifiziert und Möglichkeiten der Übertragbarkeit von Erkenntnissen erörtert werden. Zwei Verdaulichkeitsversuche mit Mastputen und Masthühnern wurden geplant. Die untersuchten Faktoren waren: supplementierte Phytase, P- und Ca Konzentrationen im Futter, Alter und endogene mucosale Phosphataseaktivität im Jejunum. Hühner und Puten wurden zeitgleich unter den gleichen Bedingungen gehalten und mit den gleichen Versuchsfuttern getestet. Insgesamt wurden 480 Hühner- und 480 Puten als Eintagsküken am selben Tag eingestallt. Die Hälfte der Tiere der jeweiligen Spezies nahm zwischen dem 14. und dem 21. Lebenstag am ersten Versuch teil, die übrigen Tiere zwischen dem 35. Und dem 42. Lebenstag am zweiten Versuch. Dadurch sollte der Einfluss der körperlichen Entwicklung untersucht werden. Im Alter von 3 Wochen war das praecaecale InsP6-Verschwinden bei Hühnern und Puten gleich hoch, wenn keine Phytase supplementiert wurde und die Ca- und P Konzentration im Futter niedrig war. Es wurden ebenfalls keine Unterschiede in mucosaler Phosphataseaktivität im Jejunum festgestellt. Im Alter von 6 Wochen war bei Puten sowohl das praecaecale InsP6-Verschwinden, als auch die mucosale Phosphataseaktivität im Jejunum höher als bei gleichalten Hühnern, wenn keine Phytase supplementiert wurde. Die Supplementierung von Phytase führte in beiden Spezies zu einem deutlichen Anstieg im praecaecalen InsP6-Verschwinden. Dieser Anstieg war bei Hühnern immer höher als bei Puten. Eine Erhöhung der Ca- und P Konzentrationen im Futter führte zu einer Reduktion des praecaecalen InsP6-Verschwindens in allen Tieren. Daher wurde geschlussfolgert, dass die in der Literatur berichteten Unterschiede im praecaecalen InsP6-Verschwinden zwischen Masthühnern und Mastputen vor allem auf die höheren Ca- und P Konzentrationen im Putenfutter, aber auch auf einen höheren Phytatabbau durch supplementierte Phytase im Kropf von Hühnern gegenüber Puten, zurückzuführen sind. Letzteres wurde besseren Bedingungen für supplementierte Phytasen im Kropf von Masthühnern gegenüber Puten zugeschrieben. Jedoch konnten die Puten dies teilweise in darauffolgenden Abschnitten des Verdauungstrakts kompensieren. Die mucosale Phosphataseaktivität war höher in Behandlungen mit Phytasesupplementierung als in Behandlungen ohne. Außerdem wurden dort erhöhte Konzentrationen von niederen Inositolphosphaten gemessen. Diese könnten eine erhöhte Expression von Phosphatasen an der Bürstensaummembran stimuliert haben. Bei erhöhten Ca- und P Konzentrationen im Futter wurden niedrigere mucosale Phosphataseaktivitäten im Jejunum gemessen. Das kann auf eine Regulierung der endogenen mucosalen Phosphatase Expression in Abhängigkeit von Phosphatkonzentration im Dünndarm hinweisen. Es kann geschlussfolgert werden, dass die grundlegenden Mechanismen des Phytatabbaus im Verdauungstrakt bei Masthühnern und Mastputen gleich sind. Allerdings gibt es zwischen den beiden Tierarten einen großen Unterschied bei der empfohlenen Ca- und P Konzentration im Futter und viele kleine Unterschiede in wichtigen Details die Auswirkungen auf Phytatabbau und Phosphatverdaulichkeit haben. Diese erfordern besonderes Augenmerk um die Phosphoreffizienz in der Geflügelproduktion weiter zu verbessern.