Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

The effect of various iodine sources and levels on the performance and the iodine transfer in poultry products and tissues

The present thesis was initiated in response to an EFSA-statement on the use of iodine (I) in feedingstuffs. The EFSA concluded that more updated dose-response studies about the influence of feed iodine supply and interactions with other feed components, interfering with the iodine metabolism (e.g. rapeseed cake (RSC)), on iodine concentrations of poultry tissues and products, are required to draw conclusions about the impact on dietary iodine intake of humans, as well as on the iodine deposition, excretion and tolerance[5][3] in the animals. The aim of the present thesis was to determine the effects of different impact factors (feed iodine supplementation[6][4], iodine source4, RSC and poultry breed) on animal performance and the resulting iodine concentrations of different matrices (eggs, meat, thyroid gland, liver, blood serum, abdominal fat and excrements). Further scopes were to investigate if the egg iodine concentration reaches a saturation at long-term feed iodine supplementation and if feed iodine supply would balance the impacts of RSC on thyroid glands of laying hens. With the collected data, the human exposure due to the consumption of poultry products should be estimated. For that purpose, four feeding studies (FS) with poultry were conducted. The birds were allocated to groups that received standard feed rations with different iodine supplementations – broilers (FS I) were given 0, 1.0, 2.0, 5.0 mg I/kg and laying hens received 0, 0.25, 0.5, 2.5, 5.0 mg I/kg. KI and Ca(IO3)2 were used as iodine sources. During each experiment, data concerning the performance were recorded. At the last experimental day, the animals were slaughtered. Of six individuals per group, thyroid glands and samples of pectoral meat, thigh meat, liver, blood serum, and abdominal fat were collected and weighed. The iodine determinations were performed with ICP-MS. The respective experimental setups were as follows: FS I: Two fattening experiments with broilers The main interest of this study was to measure the iodine concentration of meat. The two iodine sources were tested in separate experiments with identical experimental setups. On the day of hatching 288 male broilers were allocated into four groups of 72 animals each. The animals obtained the experimental feed from the first day of life until slaughter on day 35. FS II: Two feeding experiments with laying hens The main emphasis of this study was to analyse the iodine concentration of eggs. KI and Ca(IO3)2 were tested in two separate experiments which lasted four weeks and had similar experimental setups: 30 adult Lohmann Selected Leghorn (LSL) hens (KI experiment: 31 weeks old; Ca(IO3)2 experiment: 29 weeks old) were allocated in five groups with six hens each. For iodine determination a composite sample of egg yolk and a composite sample of albumen were prepared for each hen from all the eggs produced during the fourth experimental week. FS III: Balance study with laying hens The aim of this study was to establish a balance sheet of iodine. The experimental setup was similar to the experiment with Ca(IO3)2 of FS II. In contrast to FS II, the initial number of hens was 35. On the two days previous to the start of the experimental feeding, eggs and excrements of the additional five hens were collected, thereafter these hens were slaughtered. Sampling of blood serum and tissues was the same as in the other experiments. Furthermore, in the fourth experimental week, besides eggs, the excrements were collected from the other hens. FS IV: Long-term experiment In this experiment, the impact factors iodine supplementation, iodine source, RSC and hen breed were tested. For the experiment, which lasted six laying months (one laying month = 28 days), 432 adult laying hens (23 weeks old) were allocated to 18 groups with 24 animals (12 LSL and 12 Lohmann Brown (LB) hens) each. They received a standard feed ration supplemented with the different iodine supplementations, either with 0 % or 10 % RSC as goitrogenic feed component. Eggs for iodine determination were collected from six LSL and six LB hens of each group on seven days of the experiment (day 0, 4, 8, 15, 29, 85, and 164). The most important results and conclusions are summarised below. Effect on animal performance The supplementation of poultry feed with iodine in concentrations up to 5 mg I/kg, either with KI or Ca(IO3)2 as iodine source, applied for experimental durations between four weeks and six laying month, had no biologically relevance effect on poultry performance. Effect of feed iodine supplementation on iodine deposition in body matrices and on iodine excretion by eggs and excrements Increasing feed iodine supplementations caused a significant increase of the iodine concentrations of the investigated matrices, except in the case of abdominal fat, which had the lowest concentration of ≈ 12 µg I/kg. The highest concentration was measured in the thyroid gland (up to 5975 µg I/g in FS II). Eggs reached mean concentrations of 1304 µg I/kg (KI experiment) and 989 µg I/kg (Ca(IO3)2 experiment) in the highest supplemented groups with 5 mg I/kg feed (FS II). In the edible egg fraction, approximately 91 % of the iodine was deposited in the yolk and about 9 % in the albumen. Lower iodine concentrations than in eggs and thyroid gland, were measured in meat (≈ 4-70 µg/kg), liver (≈ 12-180 µg/kg) and blood serum (≈ 15-380 µg/kg; mean ranges analysed in FS I and FS II at supplementations of 0-5 mg I/kg feed). The balance study (FS III) enabled the calculation of iodine excretion as well as iodine deposition in the different tissues by measuring the initial iodine concentrations of the different matrices. The calculation revealed that the thyroid gland was the only tissue which accumulated iodine in a considerable amount (465 µg I in 28 d at a feed supplementation of 5 mg I/kg, FS III). Furthermore, the balance study showed that the main part of iodine was excreted with excrements. At feed supplementations of 1 to 5 mg I/kg feed, the hens excreted 67 to 83 % of the ingested iodine with excrements, while 10 to 13 % were deposited in the edible egg content. In total, 78 to 96 % of the ingested iodine was excreted at these supplementations. Impact of RSC on iodine concentration of eggs The feeding of 10 % RSC reduced the iodine concentrations of eggs on average by 38 % (FS IV). Effect of iodine source and poultry breed on iodine deposition in different matrices The different iodine sources had no significant impact on the resulting iodine concentrations of meat, thyroid gland, liver and abdominal fat (FS II and FS IV). In eggs a higher iodine content (at 5 mg I/kg feed, FS IV) and a steeper slope of the egg iodine concentrations with increasing iodine supplementations (FS II) were measured in groups that obtained KI compared to Ca(IO3)2. This effect was not caused by lower iodine intake of groups that obtained Ca(IO3)2, but by a lower carry-over of iodine into the eggs (FS IV). Since this effect was only detected in LSL hens, an influence of the breed cannot be excluded in this case. Broilers (FS I) showed higher tissue iodine concentrations than laying hens (except thyroid glands, which had similar iodine concentrations, FS II), and the meat iodine concentration of broilers increased significantly with increasing feed iodine concentrations. Concerning laying hens, this effect on meat was only measured in the long-term study (FS IV). Saturation of egg iodine concentration With the data of the long-term experiment (FS IV), it was calculated that the egg iodine concentration reached a plateau after ≈ 37 to 43 days when hens were provided with feed supplemented with 2.5 or 5 mg I/kg. The level of egg iodine concentration and the duration until a plateau was reached, referred to the different investigated factors, feed iodine supplementation, RSC and hen breed, but not to the iodine source. After 44 days a plateau was reached in all cases. Does feed iodine supply balance the impacts of RSC on thyroid glands of laying hens? The feed iodine supplementations did not balance the impact of the 10 % RSC component. Even the group that obtained the highest iodine supplementation of 5 mg I/kg feed did not reach the thyroid iodine concentrations of the control group without iodine supply and 0 % RSC component. The goitrogenic effect of the RSC component – indicated by increased thyroid gland masses – was enhanced by iodine supply. Human exposure The assessment of the human exposure revealed that – at feed iodine supplementations of 5 mg I/kg – the average daily per capita consumption of ½ egg and 30 g broiler meat together with 172 g milk would already amount to ≈ 292 µg I/d, and therefore would exceed the daily demand of 200 µg indicated by the D-A-CH. Since the impact of meat is negligible due to its low iodine concentration, an adjustment of the maximum level for broiler feed is not necessary. With the present usual feed iodine concentrations (1 mg I/kg) an exceeding of the daily iodine intake caused by the consumption of eggs (≈ 15 µg I/egg) is unlikely. However, a decrease of the present maximum level for laying hen feed from 5 to 3 mg I/kg is recommended, since this would lower the risk of an oversupply of the consumers, while the demand of laying hens would also be ensured. [7][3] With respect to animal health it has to be considered that requirement and permitted maximum level already differ widely – 1:10 in laying hens and 1:20 in broilers. [8][4] Within the margins of EU law.

Die vorliegende Arbeit wurde in Folge einer EFSA-Stellungnahme initiiert, welche sich mit der Verwendung von Jod (I) in Futtermitteln befasste. Die Stellungnahme sollte die Jodkonzentration von Geflügelprodukten und -geweben, sowie die Jodexposition der Konsumenten einschätzen. Die EFSA stellte jedoch fest, dass dazu nicht genügend aktuelle Dosis-Wirkungsstudien vorhanden sind, welche die Einflüsse (z.B. Jodsupplemente, Jodantagonisten) auf Jodspeicherung, sowie Jodexkretion und -toleranz[1][1] der Tiere untersucht haben. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Einflüsse verschiedener Faktoren (Futterjodsupplement[2][2], Jodquelle2, Rapskuchen und Geflügelrasse) auf die Leistung von Geflügel und die Jodkonzentrationen verschiedener Matrizes (Eier, Fleisch, Schilddrüse, Leber, Blutserum, Fett und Exkremente) zu bestimmen. Weiterhin sollte untersucht werden, ob die Jodkonzentration im Ei bei Langzeitapplikation eine Sättigung erreicht und ob Futterjodsupplementierung den Einfluss einer Rapskomponente auf Schilddrüsen von Legehennen ausgleicht. Mit den gewonnenen Daten sollte die Jodexposition der Konsumenten von Geflügelprodukten infolge von Futterjodsupplementierung eingeschätzt werden. Zu diesem Zweck wurden vier Fütterungsstudien (FS) mit Geflügel durchgeführt. In diesen erhielten die Versuchsgruppen Standardfutterrationen mit verschiedenen Jodsupplementierungen – Broiler (FS I) 0; 1,0; 2,5; 5,0 mg I/kg und Legehennen 0; 0,25; 0,5; 2,5; 5,0 mg I/kg. Als Jodquellen dienten KI und Ca(IO3)2. Bei jedem Experiment wurden leistungsbezogene Daten aufgezeichnet, die Tiere am letzten Versuchstag geschlachtet. Die Probenentnahme von Schilddrüsen, Blutserum, Leber, Abdominalfett, Brust- und Schenkelfleisch, erfolgte von je sechs Tieren pro Gruppe. Alle Jodmessungen wurden mit ICP-MS durchgeführt. Es folgt ein kurzer Überblick zur Durchführung der jeweiligen Experimente: FS I: Zwei Mastexperimente mit Broilern Bei dieser Studie lag das Hauptaugenmerk auf der Messung der Fleischjodkonzentration. Die beiden Jodquellen wurden in zwei separaten Versuchen mit identischem Aufbau getestet. Am Tag des Schlupfes wurden für jedes Experiment 288 männliche Broiler in vier Gruppen mit je 72 Tieren eingeteilt. Die Tiere erhielten das Versuchsfutter vom ersten Lebenstag, bis zur Schlachtung am 35. Tag. FS II: Zwei Fütterungsexperimente mit Legehennen Das Hauptinteresse dieser Studie galt der Ei-Jodkonzentration. KI und Ca(IO3)2 wurden in zwei separaten vierwöchigen Experimenten, mit identischem Versuchsaufbau getestet: 30 adulte Lohmann Selected Leghorn (LSL) Hennen (KI-Versuch: 31 Wochen alt, Ca(IO3)2-Versuch: 29 Wochen alt) wurden in fünf Gruppen zu je sechs Tieren eingeteilt. Während der vierten Versuchswoche wurden zur Jodbestimmung alle Eier gesammelt, gewogen und pro Henne und Woche jeweils eine Mischprobe aus Dotter und eine aus Eiklar hergestellt. FS III: Bilanzstudie mit Legehennen Das Ziel dieser Studie war es eine Jod-Bilanz zu erstellen. Der Versuchsaufbau glich FS II mit Ca(IO3)2. Jedoch waren zu Beginn 35 Hennen aufgestallt. Eier und Exkremente der fünf zusätzlichen Hennen wurden an den zwei Tagen vor Beginn der Versuchsfütterung gesammelt und die Hennen dann geschlachtet. Die Entnahme von Blut und Gewebeproben erfolgte entsprechend den anderen Versuchen. Von den anderen Hennen wurden in der vierten Woche zusätzlich die Exkremente gesammelt. FS IV: Langzeitexperiment In diesem Versuch wurden die Einflussfaktoren Jodsupplement, Jodquelle, Rapskuchen und Hennenrasse getestet. Für das sechs Legemonate (ein Legemonat entspricht 28 Tagen) andauernde Experiment waren 432 adulte Legehennen (23 Wochen alt) in 18 Gruppen (zu je 24 Tieren, mit je 12 LSL und 12 Lohmann Brown (LB) Hennen) eingeteilt. Sie erhielten die Standartfutterrationen mit den verschiedenen Jodkonzentrationen, entweder mit 0 % oder 10 % Rapskuchen als goitrogene Futterkomponente. Für die Jodbestimmung fand an sieben Tagen (Tag 0, 4, 8, 15, 29, 85 und 164), die Sammlung der Eier von sechs LSL und sechs LB Hennen pro Gruppe statt. Die wichtigsten Ergebnisse und Schlussfolgerungen sind im Folgenden zusammengefasst. Einfluss auf die Leistung Die Futterjodsupplementierungen in Konzentrationen bis zu 5 mg I/kg, entweder mit KI oder Ca(IO3)2 als Jodquelle, zeigte bei Versuchsdauern von vier Wochen bis zu sechs Legemonaten keinen Effekt von biologischer Relevanz auf die Leistung von Geflügel. Einfluss der Jodsupplementierung auf die Joddeposition in Geweben und auf die Jodausscheidung über Eier und Exkremente Ansteigende Futterjodgehalte führten zu einem signifikanten Anstieg der Jodkonzentrationen der untersuchten Matrizes, außer im Falle von Abdominalfett, welches die geringste Konzentration aufwies (≈ 12 µg I/kg). Die höchste Jodkonzentration wurde in der Schilddrüse gemessen (bis zu 5975 µg I/g in FS II). Die Eier erreichten bei der höchsten Futterjodsupplementierung mit 5 mg I/kg, eine mittlere Jodkonzentration von 1304 µg I/kg (KI-Versuch) und 989 µg I/kg (Ca(IO3)2-Versuch, FS II). Im Dotter waren ca. 91 % und im Eiklar ca. 9 % des Jods positioniert. Mittlere Jodkonzentrationen erreichten Fleisch (≈ 4-70 µg/kg), Leber (≈ 12-180 µg/kg) und Blutserum (≈ 15-380 µg/kg; FS I und FS II, bei Futtersupplementierungen von 0 bis 5 mg I/kg). In der Bilanzstudie (FS III) war es durch die Bestimmung der Ausgangsjodwerte möglich, die Joddeposition in den verschieden Geweben, sowie die Jodexkretion zu bestimmen. Die Berechnung ergab, dass die Schilddrüse das einzige Gewebe war, welches Jod zu einem wesentlichen Anteil anreicherte (465 µg I in 28 Tagen, bei einer Futtersupplementierung von 5,0 mg I/kg). Die Bilanz zeigte außerdem, dass der Großteil des aufgenommenen Jods mit den Exkrementen ausgeschieden wurde. Bei Futtersupplementierungen von 1 bis 5 mg I/kg schieden die Hennen 67 bis 83  % des aufgenommenen Jods mit den Exkrementen aus, während 10 bis 13 % in die essbare Ei-Masse eingelagert wurden. Die Gesamtjodausscheidung des aufgenommenen Jods, lag bei diesen Supplementierungen zwischen 78 und 96 %. Einfluss der Rapskuchenkomponente auf den Jodgehalt von Eiern Die Fütterung von 10 % Rapskuchen, reduzierte die Ei-Jodkonzentration im Mittel um 38 % (FS IV). Einfluss von Jodquelle und Geflügelrasse auf die Joddeposition in verschiedenen Matrizes Die unterschiedlichen Jodquellen hatten keinen signifikanten Einfluss auf die resultierenden Jodkonzentrationen von Fleisch, Schilddrüse, Leber und Abdominalfett (FS II, FS IV). Bei LSL Hennen wurde, in Folge von ansteigender KI-Supplementierung, ein steilerer Anstieg der Ei-Jodkonzentration ermittelt (FS II, PAPER II), sowie eine höhere Jodmenge pro Ei gemessen (FS IV, bei 5 mg I/kg Futter), als bei Gruppen die mit Ca(IO3)2supplementiertes Futter erhielten. Dieser Effekt wurde nicht durch geringere Jodaufnahme der Ca(IO3)2-Gruppe, sondern durch einen geringeren Transfer von Jod ins Ei hervorgerufen (FS IV). Da bei LB Hennen dieser Effekt nicht nachgewiesen wurde, kann ein Einfluss des genetischen Hintergrundes an dieser Stelle nicht ausgeschlossen werden. Broiler (FS I) zeigten in den untersuchten Geweben eine höhere Jodkonzentration als Legehennen (FS II) – einzige Ausnahme waren die Schilddrüsen, welche ähnliche Jodkonzentration aufwiesen. Im Gegensatz zu Broilern wurde im Fleisch von Legehennen nur im Langzeitversuch (FS IV) ein signifikanter Anstieg gemessen. Sättigung der Jodkonzentration im Ei Mit den Daten aus FS IV wurde berechnet, dass die Ei-Jodkonzentration nach ≈ 37 bis 43 Tagen ein Plateau erreichte, wenn die Hennen Futter erhielten, welches mit 2,5 oder 5,0 mg I/kg supplementiert war. Die Dauer, bis eine Sättigung erreicht wurde, und die Höhe des Plateaus, waren außer von der Jodkonzentration auch von Rapskuchenkomponente und Hennenrasse abhängig. Die Jodquelle hatte hingegen keinen Einfluss. Die Sättigung wurde in allen Fällen spätestens nach 44 Tagen erreicht. Kann Jodsupplementierung die goitrogene Wirkung von Rapskuchen vermindern? Die Jodsupplemente glichen den Einfluss der Rapskuchenkomponente nicht aus. Die Schilddrüsen, der Gruppe welche 10 % Rapskuchen bekam, erreichten auch bei der höchsten Futtersupplementierung von 5,0 mg I/kg nicht die Konzentrationen der Kontrollgruppe, die weder Rapskuchen noch Jodsupplement erhielt. Die Jodsupplementierung verstärkte die goitrogene Wirkung des Rapskuchens, was durch einen Anstieg der Schilddrüsenmasse gekennzeichnet war. Jod-Exposition der Konsumenten Die Einschätzung der Jod-Exposition der Konsumenten ergab, dass bei einer Jodsupplementierung des Futters mit 5,0 mg I/kg, bereits der mittlere Pro-Kopf-Verzehr von ½ Ei und 30 g Hähnchenfleisch, zusammen mit 172 g Milch zu einer Jodaufnahme von ≈ 292 µg/Tag führen würde, und somit der von der D-A-CH angegebene tägliche Bedarf von 200 µg Jod überschritten würde. Für Broiler ist keine Änderung der rechtlich erlaubten Futterjodkonzentration notwendig, da der Beitrag von Fleisch aufgrund der geringen Jodkonzentration vernachlässigbar ist. Bei den aktuell praxisüblichen Futterjodkonzentrationen (1 mg I/kg) ist keine Überschreitung des täglichen Jod-Bedarfs durch den Verzehr von Eiern zu erwarten (≈ 15 µg I/Ei). Eine Absenkung der derzeitigen maximalen Futterjodkonzentration für Legehennen von 5 auf 3 mg I/kg wird jedoch befürwortet, da so das Risiko einer Überversorgung der Konsumenten gesenkt würde und gleichzeitig die Bedarfsdeckung der Hennen weiterhin gewährleistet ist. [3][1] In Hinsicht auf die Tiergesundheit muss beachtet werden, dass Bedarf und erlaubte Futtermittelhöchstmengen derzeit bereits sehr weit auseinander liegen – 1:10 bei Legehennen, 1:20 bei Broilern. [4][2] Nach EU Recht (EU COMMISSION 2005)


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