Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Niacin in dairy cow rations: Investigations on the bioavailability of niacin and its interactions with dietary energy density on the health and performance of dairy cows

Tienken, Reka Susanne

During the second half of the twentieth century the dairy industry experienced profound changes. These changes and advances in breeding, husbandry, nutrition and health management of dairy cows aimed to increase milk yield and economic efficiency of milk production. Especially, the genetic selection for high milk yield strengthens the energy deficit in early lactation as the increased energy requirement of lactation cannot be covered by dietary intake. In this situation, cows rely on the mobilization of body mass to fill the energy gap between dry matter intake and the energy output for milk production. The increased lipid mobilization postpartum is associated with serious changes of the metabolism and lead to an enormous burden of hepatic function. All of this causes undesirable side effects resulting in an increased susceptibility for disorders and a reduced reproductive and lactation performance. Furthermore, the focus of the dairy industry to maximize milk yield lead to nutritional approaches which often strengthen this tensed metabolic situation closely around parturition. It has been shown that increasing the dietary energy content of prepartum diets favors body fat accretion which is associated with an improved milk production and a change in milk composition postpartum. This increase in milk performance often exacerbates the negative energy balance and leads to an increased mobilization of body reserves postpartum. For achieving an optimal balance between economic efficiency, the use of feed additives gained in importance as those substances can cause positive effects on the metabolism, production performance and health of dairy cows. One of those feed additives is niacin and it was shown that niacin is able to balance catabolism by the inhibition of lipolysis and to improve milk production. One part of the present thesis aimed to investigate the effects of an energy-dense diet and daily supplementation of 24 g nicotinic acid (NA) on production, metabolic and immunologic variables of dairy cows which were similar in prepartum body condition and in late gestation and early lactation. The present study design aimed to use a model to generate experimental groups with different degrees of postpartal negative energy balance and mobilisation of body tissues to test niacin's effectiveness under these conditions.  Thirty-six multiparous and 20 primiparous German Holstein cows were fed with an energy-dense (60% concentrate/40% roughage mixture; HC group) or adequate (30% concentrate/70% roughage mixture; LC group) diet during the last 6 weeks of gestation. After parturition, concentrate proportion was dropped to 30% for all HC and LC groups and was increased to 50% within 16 days for LC and within 24 days for HC groups. In addition, half of the cows per group received 24 g NA per day and cow. The objective of the second part of the present thesis was to investigate the bioavailability and pharmacokinetic properties of NA. A feeding experiment was conducted with 35 late gestating dairy cows to investigate the effects of 0, 6, 12 or 24 g NA per day and cow either in differing galenic forms (non-rumen protected (nRP) vs. rumen protected form (RP)) on serum niacin concentrations and production performance. The pharmacokinetic approach aimed to examine the serum niacin kinetics over 24 h after giving a single oral bolus of 24 g nRP or RP NA either included in pelleted or ground concentrate. Present results confirm that the periparturient period is a stressful period for dairy cows due to the occurrence of several endogenous changes which affect the energy, fat and protein metabolism as well as the immune system. As an adaptation response to the pronounced negative energy balance cows of the present study mobilized body mass which is represented by losses in body weight, body condition as well as the increase in the concentrations of non-esterified fatty acids (NEFAs). The present feeding scheme aimed to generate a tensed metabolic situation for testing the effectiveness of oral supplemented niacin. Although a high energy supply prepartum caused a higher dry matter intake (HC 15.1 ± 0.3 kg/d vs. LC 13.2 ± 0.3 kg/d) and, therefore, a more positive energy balance (HC 58.9 ± 1.9 MJ of NEL/d vs. LC 35.6 ± 1.9 MJ of NEL/d), the body condition score (HC 3.4 ± 0.1 vs. LC 3.5 ± 0.1) did not differ prepartum. Furthermore, the feeding of an energy-dense diet prepartum did not affect postpartum performance and mobilization of body reserves, as the dry matter intake (HC 16.7 ± 0.3 kg/d vs. LC 17.0 ± 0.4 kg/d), body condition score (HC 3.1 ± 0.1 vs. LC 3.0 ± 0.1), body weight (HC 613 ± 9 kg vs. LC 610 ± 9 kg), milk yield (HC 32.9 ± 1.1 kg/d vs. LC 33.5 ± 1.1 kg/d) and concentrations of NEFAs (HC 0.37 ± 0.02 mmol/l vs. LC 0.40 ± 0.02 mmol/l) did not differ between treatment groups postpartum. The composition of the immune cells as well as the immune function were not influenced by dietary energy density at any time. These results show that the present dairy cows were not predisposed for body fat accretion, because they did not show fat accretion in times of high dietary energy supply. Furthermore, present results underline the importance of the body condition score as an important management tool, as this parameter is useful for assessing the risk of postpartum metabolic disorders. The present results indicate that the feeding model did not generate different degrees of negative energy balance postpartum and mobilisation of body reserves, in order to test the effectiveness of oral supplemented NA. These results indicate that the group-specific interaction of dietary energy supply and similar body condition did not worsen the metabolic situation postpartum and that, under these circumstances, the testing of niacin's effectiveness could not be performed. However, present results do not indicate that niacin is able to reduce postpartal lipolysis as the concentrations of NEFAs peaked around parturition and did not differ pre- and postpartum between groups (prepartum: Control 0.30 ± 0.01 mmol/l vs. Niacin 0.33 ± 0.01 mmol/l; postpartum: Control 0.37 ± 0.02 mmol/l vs. Niacin 0.40 ± 0.02 mmol/l). Furthermore, the present results did not reveal an improvement of lactational performance in supplemented groups as both groups had similar milk yields (Control 33.4 ± 1.1 kg/d vs. Niacin 33.1 ± 1.1 kg/d) and energy-corrected milk yield (Control 34.2 ± 1.2 kg/d vs. Niacin 35.6 ± 1.2 kg/d). The immune system and function remained unaffected by niacin supplementation. Nicotinic acid was under the detection limit in the present study. Therefore, only nicotinamide was detected in the present blood serum. The daily supplementation with 24 g NA elevated serum nicotinamide concentrations (mean nicotinamide concentration: Control 2.01 ± 1.10 µg/ml vs. Niacin 3.35 ± 1.65 µg/ml). Both galenic forms resulted in similar area under the curves as a result of the kinetic counterbalancing alterations. However, the supplementation of nRP NA resulted in higher Rmax values (maximumtheoretical nicotinamide concentration) compared to RP NA. Furthermore, the feeding of nRP NA accelerated the rate of absorption, because Rmax of nRP NA occurred 1.7 h before the Rmax of RP NA. Both galenic led to an adequate bioavailability which abolish the general assumption of massive ruminal degradation of nRP NA. The maximal dose of 24 g NA per cow and day resulted in highest serum nicotinamide concentrations (6 g NA: 0.98 ± 0.20 µg/ml; 12 g NA: 0.88 ± 0.20 µg/ml; 24 g NA: 1.76 ± 0.09 µg/ml). Serum nicotinamide concentrations remained unaffected by dietary energy density (LC diet with 24 g NA: 1.95 ± 0.20 µg/ml vs. HC diet with 24 g NA: 2.71 ± 0.20 µg/ml). Furthermore, the results of the present study demonstrate that there were distinct parity-related differences in the metabolism and requirements resulting in age-specific adaptations to the onset of lactation and to variable responses to feeding strategies. Multiparous cows consumed more dry matter during late gestation and early lactation and yielded more milk (multiparous: 39.1 ± 1.0 kg/d vs. primiparous: 27.3 ± 1.2 kg/d). Additionally, multiparous cows suffered from a more tensed metabolic situation postpartum (multiparous: -36.7 ± 2.7 MJ of NEL/d vs. primiparous: -16.3 ± 3.4 MJ of NEL/d) which is also displayed by higher concentrations of NEFAs (multiparous: 0.41 ± 0.02 mmol/l vs. primiparous: 0.36 ± 0.02 mmol/l) and ß-hydroxybutyrate (multiparous: 0.82 ± 0.04 mmol/l vs. primiparous: 0.71 ± 0.05 mmol/l). Furthermore, primiparous and multiparous cows had different cellular prerequisites and functional capacities as younger cows had higher counts of total leukocytes (primiparous: 9.5 ± 0.4 103/µl vs multiparous: 7.7 ± 0.3 103/µl), granulocytes (primiparous: 4.8 ± 0.2 103/µl vs multiparous: 4.1  ± 0.2 103/µl), and lymphocytes (primiparous: 4.0 ± 0.2 103/µl vs multiparous: 2.9 ± 0.1 103/µl). This indicates that primiparous as well as multiparous cows need different attention during the periparturient period and that a “one size fits all” approach to feed management is not an effective way to satisfy age-specific requirements at this time.  

In der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts erlebte die Milcherzeugung einen grundlegenden Wandel. Diese Veränderungen und Fortschritte in Zucht, Haltung, Ernährung und Gesundheitsmanagement von Milchkühen zielten darauf ab, die Milchleistung und somit die Wirtschaftlichkeit der Milchproduktion zu steigern. Besonders die Selektion auf hohe Milchleistung verstärkt dabei das Energiedefizit in der Frühlaktation, da die Futteraufnahme den erhöhten Energiebedarf für die Milchleistung nicht decken kann. Um diese Energielücke füllen zu können, sind Milchkühe in dieser Situation auf die Mobilisierung von körpereigenem Gewebe angewiesen. Die gesteigerte Mobilisation von Körperreserven ist häufig mit gravierenden Veränderungen im Stoffwechsel assoziiert und resultiert in einer enormen Belastung der Leberfunktion. All dies ist von unerwünschten Nebeneffekten begleitet, die letztlich zu Leistungseinbußen, einer verminderten Reproduktionsleistung und einer erhöhten Krankheitsanfälligkeit führen. Der Fokus der Milcherzeugung, die Milchleistung zu steigern, führten zur Entwicklung von Fütterungskonzepten, die häufig die angespannte Stoffwechsellage in der peripartalen Phase verstärken. Es wurde gezeigt, dass eine Erhöhung des Energiegehaltes in der präpartalen Ration den Körperfettansatz fördert und zu einer höheren Milchleistung führt. Jedoch verstärkt diese Zunahme der Milchleistung die negative postpartale Energiebilanz und führt zu einer gesteigerten Mobilisation von Körperreserven. Dies zeigt, dass die Ziele der Wirtschaftlichkeit und der Gesundheit häufig im Widerspruch stehen. Aus diesem Grund, hat der Einsatz von Futtermittelzusatzstoffen an Bedeutung gewonnen, da diese Substanzen positive Effekte auf den Stoffwechsel, die Leistung und die Gesundheit von Milchkühen ausüben können. Einer dieser Futtermittelzusatzstoffe ist Niacin. Es wurde gezeigt, dass Niacin in den Energiestoffwechsel eingreift, indem es die Lipolyse von körpereigenem Fettgewebe hemmt und somit der Entstehung einer Ketose und Fettleber entgegenwirkt. Weiterhin wurde in verschiedenen Studien gezeigt, dass Niacin die Milchleistung positiv beeinflusst. Ein Teil der vorliegenden Untersuchungen zielte darauf ab, die Effekte einer energiereichen Ration und einer täglichen Supplementation mit 24 g Nikotinsäure (NA) auf die Leistung, den Stoffwechsel und das Immunsystem von Milchkühen, die eine ähnliche präpartale Körperkondition aufwiesen und sich in der späten Trächtigkeit und Frühlaktation befanden, zu untersuchen. Dabei wurde ein Fütterungsmodel genutzt, um unterschiedliche Ausprägungen der postpartalen negativen Energiebilanz und Mobilisation von Körpergewebe zu generieren und unter diesen Umständen die Wirksamkeit von oral supplementierten Niacin untersuchen zu können. Hierfür bekamen 36 multipare und 20 primipare Kühe der Rasse Deutsche Holstein eine energiereiche (60% Kraftfutter/40% Grobfutter Mischung, HC Gruppe) oder eine adäquate (30% Kraftfutter/70% Grobfutter Mischung, LC Gruppe) Ration in den letzten 6 Trächtigkeitswochen. Nach der Kalbung wurde der Kraftfutteranteil zunächst in allen Fütterungsgruppen auf 30% reduziert und dann innerhalb von 16 Tagen in den LC Gruppen und innerhalb von 24 Tagen in den HC Gruppen auf 50% gesteigert. Zusätzlich wurde der Hälfte der Kühe einer jeden Gruppe 24 g NA pro Tag und Kuh supplementiert. Das Ziel des zweiten Teils der vorliegenden Dissertation war, die Bioverfügbarkeit und pharmakokinetischen Eigenschaften von NA zu untersuchen. In einem Fütterungsversuch erhielten 35 spätlaktierenden Milchkühe 0, 6, 12 oder 24 g NA pro Tag und Kuh, wobei die galenische Formulierung der NA (ungeschützt (nRP) vs. pansen geschützt (RP)) variierte. In diesem Teil der Dissertation wurden die Dosiseffekte und die Effekte der unterschiedlichen galenischen Formulierungen auf die Niacinkonzentrationen im Blutserum und die Leistungsparameter untersucht. In einer weiteren Studie wurden die pharmakokinetischen Eigenschaften von Niacin im Blutserum nach einer einmaligen oralen Aufnahme von 24 g nRP oder RP NA, welche in pelletierten oder gemahlenen Kraftfutter beinhaltet war, über 24 Stunden untersucht. Die vorliegenden Ergebnisse bestätigen, dass die peripartale Periode eine kritische Periode für Milchkühe ist, da sich in dieser Phase des Laktationszyklus eine Vielzahl von endogenen Veränderungen ereignen, die den Energie-, Fett- und Proteinstoffwechsel sowie das Immunsystem betreffen. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen, dass die Milchkühe zu Laktationsbeginn ein Energiedefizit entwickelten, das sie durch die Mobilisation von körpereigenen Reserven kompensierten. Diese Anpassungsvorgänge der Milchkühe zu Beginn der Laktation führten zum Verlust an Körpermasse und Körperkondition sowie zur Erhöhung der Konzentrationen der freien Fettsäuren (NEFA). Vorliegende Untersuchungsergebnisse stützen jedoch nicht die Annahme, dass die peripartale Phase mit einer starken Immunsuppression einhergeht. Vielmehr bestätigte sich ein funktioneller Zusammenhang zwischen der Energiebilanz und der Funktion der mononuklearen Zellen im peripheren Blut. Obwohl die Verfütterung einer energiereichen Ration in der präpartalen Periode zu einer höheren Trockenmasseaufnahme (HC 15.1 ± 0.3 kg/Tag vs. LC 13.2 ± 0.3 kg/Tag) und zu einer positiveren Energiebilanz (HC 58.9 ± 1.9 MJ NEL/Tag vs. LC 35.6 ± 1.9 MJ NEL/Tag) führte, blieb die präpartale Körperkondition (HC 3.4 ± 0.1 vs. LC 3.5 ± 0.1) vom Fütterungsregimen unbeeinflusst. Ebenso zeigte sich, dass die postpartale Leistung und Mobilisation von körpereigenen Reserven von der Verfütterung einer energiereichen Ration in der präpartalen Phase unbeeinflusst blieb, da sich die Trockenmasseaufnahme (HC 16.7 ± 0.3 kg/Tag vs. LC 17.0 ± 0.4 kg/Tag), die Körperkondition (HC 3.1 ± 0.1 vs. LC 3.0 ± 0.1), die Körpermasse (HC 613 ± 9 kg vs. LC 610 ± 9 kg), die Milchleistung (HC 32.9 ± 1.1 kg/Tag vs. LC 33.5 ± 1.1 kg/Tag) und die NEFA Konzentrationen (HC 0.37 ± 0.02 mmol/l vs. LC 0.40 ± 0.02 mmol/l) nicht zwischen den Behandlungsgruppen unterschieden. DieTiere der vorliegenden Studie besaßen keine genetische Veranlagung für einen hohen Fettansatz, da sie trotz der Verfütterung einer energiereichen Ration keinen abnormen Fettansatz zeigten. Weiterhin verdeutlichen die vorliegenden Ergebnisse die Wichtigkeit der Körperkonditionsbeurteilung, da dieser Parameter hilfreich für die Einschätzung des Risikos von postpartalen Stoffwechselentgleisungen ist. Mit dem verwendeten Fütterungsmodel wurden keine unterschiedlichen Ausprägungen der postpartalen negativen Energiebilanz und der Mobilisation von Körpergewebe generiert, um unter diesen Umständen die Wirksamkeit von oral supplementierten Niacin zu untersuchen. Die orale Supplementation von NA führte nicht zu einer Hemmung der postpartalen Mobilisation von Körperfettgewebe, da die NEFA Konzentrationen zur Abkalbung hin ihr Maximum erreichten und sich sowohl prä- als auch postpartal nicht zwischen den Fütterungsgruppen unterschieden (präpartal: Kontrolle 0.30 ± 0.01 mmol/l vs. Niacin 0.33 ± 0.01 mmol/l; postpartal: Kontrolle 0.37 ± 0.02 mmol/l vs. Niacin 0.40 ± 0.02 mmol/l). Außerdem führte die Supplementation mit NA nicht zu einer Verbesserung der Milchleistung, da beide Behandlungsgruppen eine gleiche Milchleistung (Kontrolle 33.4 ± 1.1 kg/d vs. Niacin 33.1 ± 1.1 kg/d) und Energie-korrigierte Milchmenge (Kontrolle 34.2 ± 1.2 kg/d vs. Niacin 35.6 ± 1.2 kg/d) aufwiesen. Im Blutserum der Milchkühe war in den vorliegenden Untersuchungen keine NA nachweisbar, so dass lediglich Nikotinsäureamid detektiert werden konnte. Die tägliche Supplementation mt 24 g NA resultierte in einer Erhöhung der Nikotinsäureamid- Konzentrationen im Blutserum (mittlere Nikotinsäureamid-Konzentration: Kontrolle 2.01 ± 1.10 μg/ml vs. Niacin 3.35 ± 1.65 μg/ml). Die Ergebnisse der pharmakokinetischen Studie zeigen, dass beide galenische Formulierungen zu ähnlichen Flächen unter der Zeit-Konzentrations-Kurven führten, obwohl sich gewisse Unterschiede in den pharmakokinetischen Eigenschaften beider Formen ergaben. So führte zum Beispiel die Supplementation mit nRP NA zu höheren Rmax Werten (maximale theoretische Nikotinamidkonzentration) verglichen mit RP NA. Weiterhin wurde nRP NA schneller absorbiert, da die maximale theoretische Nikotinsäureamid-Konzentration von nRP NA 1.7 Stunden vor der von RP NA auftrat. Beide galenische Formulierungen zeigten eine adäquate Bioverfügbarkeit und widerlegen damit die Annahme einer massiven ruminalen Zerstörung von nRP NA. Die maximale Dosis von 24 g NA pro Kuh und Tag führte zu den höchsten Nikotinsäureamid-Konzentrationen im Blutserum von Milchkühen (6 g NA: 0.98 ± 0.20 μg/ml; 12 g NA: 0.88 ± 0.20 μg/ml; 24 g NA: 1.76 ± 0.09 μg/ml). Die Energiedichte der Ration zeigte keinen Einfluss auf die Nikotinsäureamid-Konzentration (LC mit 24 g NA 1.95 ± 0.20 μg/ml vs. HC mit 24 g NA 2.71 ± 0.20 μg/ml). Weiterhin verdeutlichen die vorliegenden Studienergebnisse, dass sowohl der Stoffwechsel als auch der Bedarf altersspezifische Unterschiede aufwies. So nahmen multipare Kühe mehr Trockenmasse in der späten Trächtigkeit und frühen Laktation auf und zeigten eine höhere Milchleistung (multipar: 39.1 ± 1.0 kg/Tag vs. primipar: 27.3 ± 1.2 kg/Tag). Dies führte zu einer stark angespannten Stoffwechselsituation in der postpartalen Periode, was wiederrum durch höhere NEFA (multipar: 0.41 ± 0.02 mmol/l vs. primipar: 0.36 ± 0.02 mmol/l) und ß-hydroxybutyrat (multipar: 0.82 ± 0.04 mmol/l vs. primipar: 0.71 ± 0.05 mmol/l) Konzentrationen verdeutlicht wurde. Ebenso besaßen primipare und multipare Milchkühe unterschiedliche zelluläre Vorraussetzungen und Funktionsfähigkeiten. So zeigten primipare Kühe eine höhere Anzahl an Leukozyten (primipar: 9.5 ± 0.4 103/μl vs multipar: 7.7 ± 0.3 103/μl), Granulozyten (primipar: 4.8 ± 0.2 103/μl vs multipar: 4.1 ± 0.2 103/μl) und Lymphozyten (primipar: 4.0 ± 0.2 103/μl vs multipar: 2.9 ± 0.1 103/μl). Insgesamt zeigt sich, dass sowohl primipare als auch multipare Milchkühe in der peripartalen Phase besondere Aufmerksamkeit benötigen, da sie aufgrund ihrer altersspezifischen Ansprüche und Anpassungsreaktionen differenziert betrachtet werden müssen und unterschiedlich auf diätetische Maßnahmen reagieren.


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Tienken, Reka Susanne: Niacin in dairy cow rations: Investigations on the bioavailability of niacin and its interactions with dietary energy density on the health and performance of dairy cows. Hannover 2016. Tierärztliche Hochschule.


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