Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Fermentation ausgewählter Kohlenhydrate (insbesondere Mannanoligosaccharid und Pektin) in vivo und in vitro (Hohenheimer Futterwerttest) beim Schwein

Duda, Dagmar

Since the analysis of fermentation processes in vivo in pig is very complicated, several different in vitro systems have been developed in order to stimulate the fermentation processes in the large intestine. Faeces are often used as inoculum, because it is readily available and the irritation of the animal is minimized. However, according to reports of some researches a different microbial population in the different sections of the large intestine, which could effects the fermentation process in dependency of the section of extraction of the inoculum, takes place.   Within the setting of this thesis the “Hohenheimer Gas Tast” (HFT) of Menke et al. (1979), developed to evaluate the nutritive value of forages for ruminant animals, should be modified the way that the fermentation proceedings in caecal chyme and in faeces of pigs could be recorded according to gas production and the formation of volatile fatty acids.   Therefore, the following subjects have been investigated: 1. Effect of the inoculum (caecal chyme / faeces) on the fermentation characteristics of different substrates in vitro. 2. Effect of mannanoligosaccharide and pectin added to the diet of the inoculum donors on the fermentation parameters in vitro. 3. Effect of the supplements on the fermentation parameters in vivo and the comparison of the fermentation characteristics in vitro and in vivo.   To elucidate these problems the following parameters have been analysed: in vitro: gas production, formation of volatile fatty acids (VFAs) and the fermentation pattern in vivo (in caecal chyme and in faeces): the formation of VFAs, the fermentation pattern, pH and the dry matter content (DM content) at different postprandial (ppr) intervals Chyme was collected from pigs fitted with t-cannulas at the caecum. The extraction of faeces was done from the rectum. (The dietary composition consisted of: 68 % (trial 1 and 2) or 63 % (trial 3) barley, 18 % soybeanmeal (extracted), 3 % (trial 1 and 2) or 2,9 % (trial 3) minerals, 11 % straw and in trial 3 0.1 % titanoxid and in dependence on the trial group 5 % maize meal (control group), 5 % mannanoligosaccharide or 5% pectin (treatment groups).   The results can be summarized as follows:   (1) The in vitro fermentation with caecal chyme as inoculum increased the gas production and the VFAs concentration during the first 12 h significantly as compared to the incubations with faeces as inoculum. After 24 h incubation the inoculum had no effect on the in vitro fermentation products. (2) The in vitro fermentation of different substrates showed individual gas production, formation of VFAs and fermentation patterns. (3) In the caecal chyme the values of the in vivo investigated parameters showed postprandial rhythm. In the faeces there was no fluctuation of the values of the parameters postprandially, excepting the dry matter content in the faeces of the control and the MOS-group. (4) Adding MOS to the diet did not show an effect on the parameters in vivo. Though, the dry matter content decreased 0 h ppr as compared to the control group. The addition of pectin did not show a changing of the concentration of VFAs in vivo. In the caecal chyme there was a significant increase of the proportion of butyrate in the fermentation pattern 0 h ppr and a significant increase of the proportion of acetate and a decrease of propionate in the fermentation pattern 8 h ppr. Further, the pH in the caecal chyme declined in the interval 0 h and 12 h ppr significantly. The dry matter content increased 0 h ppr. In the faeces there was no effect of the addidive neither on the fermentation pattern nor on the pH. The dry matter content decreased 0 h ppr and 8 h ppr compared to the control group. (5) Carrying out the incubation of MOS and pectin with the digesta of the inoculum donors that received these substrates in their diets, led to a significantly higher gas production and a higher formation of VFAs concentration after 4 h compared to the incubation with the digesta from the control group. After 24 h of incubation no differences according to the diet of the inoculum donors could be observed. Feeding the substrates, which were used for the in vitro fermentation to the inoculum donors, caused a significant shift of the fermentation patterns in vitro. (6) The incubation of the freeze dried caecal contents of the different trial groups showed no significant effects of the supplements on the fermentation parameters in vitro. (7) The in vitro fermentation parameters of the incubation of MOS and pectin differed from the parameters determined during the incubation of the freeze dried contents of the different trial groups significantly. (9) The fermentation patterns as well of the in vitro fermented MOS as of the pectin with caecal chymus as inoculum corresponded well with the fermentation patterns which were inverstigated in the caecal chyme of the animals postprandially. While the fermentation pattern in the faeces of the animals differed significantly from the fermentation parameters taken during the incubation of MOS and pectin with faeces as inoculum.   Conclusion: Faeces can be used instead of chyme as inoculum in the modified HFT. The method is suitable to asses the production of fermentation parameters from different substrates. But an unchanged diet of the inoculum donors during an experimental sage is considerably important for the assessment of the fermentation pattern. With the modified HFT a suitable method is provided for screening basic differences from the in vivo conditions in the caecum of pigs due to the incubation of original substrates. But it supplies only a limited approach to the conditions in vivo.

Da die Untersuchung von Fermentationsprozessen in vivo beim Schwein sehr aufwendig ist, wurden verschiedene in vitro-Systeme entwickelt, um die Fermentationsvorgänge im Dickdarm zu simulieren. Als Inokulum wird meistens Kot verwendet, da seine Entnahme nur einen geringen tierexperimentellen Aufwand erfordert. Einige Autoren berichten jedoch von einer unterschiedlichen bakteriellen Besiedlung der einzelnen Dickdarmabschnitte, die sich in Abhängigkeit von dem Entnahmeort des Inokulums auf den in vitro-Fermentationsablauf auswirken könnte.   Im Rahmen dieser Arbeit sollte der von MENKE et al. (1979) entwickelte Hohenheimer Futterwerttest (HFT) zur Bewertung des energetischen Futterwertes von Futtermitteln für Wiederkäuer so modifiziert werden, dass Fermentationsprozesse, die im Caecumchymus und im Kot des Schweines ablaufen, anhand der Nettogasbildung und der Bildung flüchtiger Fettsäuren in vitro erfasst werden können.   Im einzelnen wurden folgende Fragestellungen untersucht: 1. Der Einfluss des Inokulums (Caecumchymus, Kot) auf die Fermentation verschiedener Substrate in vitro. 2. Der Einfluss der Fütterung der Inokulumspendertiere auf den Fermentationsverlauf in vitro. 3. Vergleich von Fermentationsparametern in vitro und in vivo.   Zur Klärung dieser Fragen wurden folgende Parameter untersucht: in vitro: Nettogas, Gesamtkonzentration der flüchtigen Fettsäuren (FFS) und das Fermentationsmuster in vivo (im Caecumchymus und im Kot): Gesamtkonzentration der flüchtigen Fettsäuren, Fermentationsmuster, pH-Wert und Trockensubstanzgehalt (TS-Gehalt) in Abhängigkeit von postprandialem (ppr) Abstand   Für die Gewinnung des Caecumchymus wurden die Schweine am Caecum mit T-Kanülen fistuliert. Die Kotentnahme erfolgte rektal.   Die Rationen bestanden aus: 68 % (Versuch 1 und 2) bzw. 63 % (Versuch 3) Gerste, 18 % Sojaextraktionsschrot, 3 % (Versuch 1 und 2) bzw. 2,9 % (Versuch 3) Mineralfutter, 11 % Stroh sowie in Versuch 3 aus 0,1 %Titatanoxid und je nach Versuchsgruppe 5 % Maisquellstärke (Kontrollgruppe), 5 % Mannanoligosaccharid (MOS) oder 5 % Pektin (Versuchsgruppen).   Die Resultate können wie gefolgt zusammengefasst werden: (1) In den ersten 12 h der in vitro-Fermentation wurden signifikant höhere Nettogaswerte und FFS-Gesamtkonzentrationen bei den Inkubationen mit Caecumchymus im Vergleich zu den Inkubationen mit Kot nachgewiesen. Nach 24 h übte das Inokulum keinen Einfluss mehr aus. (2) Die Nettogasbildung, die FFS-Gesamtkonzentrationen und das Fermentationsmuster waren signifikant von dem inkubierten Substrat abhängig. (3) Die Werte der in vivo untersuchten Parameter variieren im Caecumchymus in Abhängigkeit von postprandialem Abstand. Im Kot wurden dagegen, mit Ausnahme der TS-Gehalte im Kot der Kontroll- und der Mannanoligosaccharid(MOS)-Gruppe, keine zeitabhängigen Veränderungen dieser Parameter ermittelt. (4) Die MOS-Zulage übte in vivo keinen Einfluss auf die untersuchten Parameter aus. Im Kot konnte allerdings ein signifikanter Abfall der TS-Werte 0 h ppr gegenüber der Kontrolle festgestellt werden. Der Zusatz von Pektin führte zu keiner Veränderung der FFS-Gesamtkonzentrationen in vivo. Im Caecumchymus wurde ein signifikanter Anstieg des Butyratanteils im Fettsäurenmuster 0 h ppr sowie eine signifikante Erhöhung des Acetatanteils auf Kosten des Propionats im Fermentationsmuster 8 h ppr erreicht. Weiterhin wurden im Caecumchymus die pH-Werte 0 h und 12 h ppr signifikant gesenkt. Der TS-Gehalt war 0 h ppr signifikant erhöht. Im Kot wurden die TS-Gehalte durch das Pektin 0 h und 8 h ppr gesenkt. (5) Erfolgte die Inkubation von MOS und Pektin mit den Digesta der Spendertiere, an die diese Substrate verfüttert wurden, so konnten nach 4 h eine höhere Nettogasbildung sowie höhere FFS-Gesamtkonzentrationen gegenüber den Inkubationen mit den Digesta der Kontrollgruppe nachgewiesen werden. Nach 24 h wurden keine Unterschiede mehr in Abhängigkeit von der Fütterung der Inokulumspendertiere ermittelt. Die Verfütterung der in vitro zu untersuchenden Substrate an die Inokulumspendertiere bedingte aber eine signifikante Verschiebung der in vitro-Fermentationsmuster. (6) Die Inkubationen des gefriergetrockneten Caecumchymus der verschiedenen Versuchsgruppen wiesen keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der in vitro-Fermentationsparameter in Abhängigkeit von der Fütterung der Tiere auf. (7) Die in vitro-Fermentationsparameter, die bei der Inkubation des MOS und des Pektins in reiner Form ermittelt wurden, unterscheiden sich signifikant von den Parametern, die bei der Inkubation des gefriergetrockneten Caecumchymus der jeweiligen Fütterungsgruppe festgestellt wurden. (9) Das in vitro-Fermentationsmuster sowohl des fermentierten MOS als auch des Pektins mit Caecumchymus als Inokulum ergab eine gute Übereinstimmungen mit dem Fermentationsmuster, das in vivo nach Verfütterung dieser Substrate im Caecumchymus bestimmt wurde. Das Fermentationsmuster im Kot der Tiere unterschied sich dagegen signifikant von den Fermentationsparametern, die bei den Inkubationen des MOS und des Pektins gemessen wurden.   Schlussfolgerung: In dem modifizierten HFT kann Kot anstelle von Caecumchymus als Inokulum verwendet werden. Das System ist geeignet, um die Fermentationsparameter verschiedener Substrate beurteilen zu können. Dabei ist eine gleich bleibende Fütterung der Inokulumspendertiere während einer Versuchsphase für die Beurteilung des in vitro-Fermentationsmusters von erheblicher Bedeutung. Der modifizierte HFT erlaubt eine Prüfung prinzipieller Unterschiede der in vivo-Verhältnisse im Caecum von Schweinen anhand der Inkubation reiner Substrate. Er bietet jedoch lediglich eine Annährung an die in vivo-Verhältnisse.

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Zitierform:

Duda, Dagmar: Fermentation ausgewählter Kohlenhydrate (insbesondere Mannanoligosaccharid und Pektin) in vivo und in vitro (Hohenheimer Futterwerttest) beim Schwein. Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

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