Interactive effects of feed particle size, calcium, and exogenous phytase on gastrointestinal phytate degradation and related traits in broiler chickens

Abstract

Phosphorus (P) is an essential element in maintaining the physiological mechanisms of poultry, making an adequate dietary P supply crucial. In plant-based feed ingredients commonly used in poultry nutrition, the primary form of P is phytate, any salt of phytic acid (InsP6). Enzymes that hydrolyze InsP6, such as phytases and phosphatases, are needed to release P from InsP6 for digestion and absorption. The extent to which P is released depends on the limited and variable endogenous enzyme capacity of poultry. Consequently, diets are often supplemented with costly mineral P sources derived from finite global rock phosphates to meet P requirements. Any unabsorbed P is excreted and contributes to environmental impacts. Incorporating exogenous phytases into poultry diets enhances the P release from InsP6, thereby enabling reduced use of mineral P supplements. To further improve P utilization and completely replace supplemental mineral P, it is essential to understand the effects on phytase efficacy, both single and interactive. Therefore, three studies were conducted to gain deeper insight into the InsP6 degradation and related characteristics along the digestive tract of broiler chickens, as influenced by dietary ingredients and their physical properties. Using coarsely ground feed particles in broiler diets improves digestive tract development and nutrient utilization. Coarse particles may therefore be beneficial for InsP6 degradation. Moreover, dietary coarse particles might mitigate the inhibitory effects of high dietary calcium (Ca) concentrations by lowering the pH in the digestive tract. The first study aimed to investigate the single and interactive effects of feed particle size and Ca concentration in the absence and presence of exogenous phytase on InsP6 degradation, prececal digestibility of P, Ca, and amino acids (AA), and retention of P, Ca, and nitrogen (N). Ross 308 broiler chickens received experimental diets from day 7 to 22/23 of life. Experimental diets differed in feed particle size (fine and coarse; 222 and 309 μm), Ca concentration (low and high; 4.9 and 7.2 g/kg), and phytase supplementation (0 and 1,000 FTU/kg). Prececal InsP6 disappearance increased with coarse particle size without phytase supplementation. Supplemented phytase removed such differences. Coarse particles were associated with higher gizzard weights and lower gizzard content pH compared to fine particles, whereas high dietary Ca concentration increased the pH of the gizzard content. Thus, the antinutritive effects of the higher dietary Ca concentration were not mitigated by using coarse feed particles, resulting in a reduction in prececal InsP6 disappearance and digestibility of P and most of the AA. Prececal AA digestibility increased with dietary coarse particles compared to fine particles. In the presence of phytase, high dietary Ca enhanced InsP6 disappearance in the crop. The first study found that dietary coarsely ground feed particles without supplemented phytase increased prececal InsP6 disappearance, but phytase supplementation compensated for this particle size effect. Accordingly, the objective of the second study was to determine the single and interactive effects of feed particle size and phytase level. Effects on growth performance, prececal InsP6 disappearance, prececal digestibility of P and Ca, and tibia characteristics were examined. From day 10 to 38 of life, Ross 308 broilers were fed experimental diets containing fine and coarse feed particles (434 and 729 μm) and without and with phytase supplementation (300, 600, and 1,200 FTU/kg). Particle size and phytase did not interact significantly concerning any measured trait. Contrary to expectations, finely ground feed particles increased prececal InsP6 disappearance and P digestibility, suggesting coarse grinding of rapeseed meal may not benefit birds. Growth performance, prececal InsP6 disappearance and related P digestibility, as well as tibia ash and breaking strength, were increased by phytase supplementation. This indicated that diets met the bird’s P requirement at the given total P level and 1,200 FTU phytase/kg, allowing the renouncement of feed phosphate in the grower and finisher phases without adverse effects on performance and bones. Based on a previous study that found a linear relationship between the dietary InsP6 concentration and the prececal InsP6 disappearance caused by supplemented phytase, the third study aimed to verify this indication of a constant prececal InsP6 disappearance per unit of supplemented phytase. This suggested that the efficiency of supplemented phytase was not affected by dietary InsP6 concentration. The study investigated the effects of dietary InsP6 concentration and phytase supplementation on gastrointestinal InsP6 degradation, prececal digestibility of P, AA, and Ca, and N-corrected metabolizable energy (MEN) in broiler chickens. Ross 308 broilers were provided with diets from day 14 to 22/23 of life. Dietary InsP6 was increased by substituting corn starch with a mixture of 50 % soybean meal, 20 % rapeseed meal, 20 % sunflower meal, and 10 % rice bran (oilseed meal-rice bran levels (ORL)). Experimental diets included four dietary InsP6-P concentrations (ORL1, ORL2, ORL3, and ORL4) and three phytase levels (500, 1,500, and 3,000 FTU/kg). Feed ingredient exchange led to additional diet alterations beyond changes in InsP6 concentration, including variations in P, crude protein, Ca, and fiber concentrations. Increasing ORL decreased the InsP6 disappearance in the crop. Prececal InsP6 disappearance and P digestibility decreased linearly with increasing ORL at 500 FTU/kg, whereas ileal myo-inositol concentration was unaffected. This indicated that the supplemented phytase was the limiting factor for the complete dephosphorylation of InsP6 to myo-inositol. At 1,500 and 3,000 FTU/kg, prececal InsP6 disappearance and P digestibility differed hardly among ORL but decreased with increasing ORL. A non-linear relationship was found at 500 FTU/kg when prececal InsP6 disappearance or ileal myo-inositol concentration relative to FTU was regressed against dietary InsP6. Such relationships were linear at 1,500 and 3,000 FTU/kg, suggesting that the efficiency of supplemented phytase to fully hydrolyze InsP6 to myo-inositol at 1,500 FTU/kg or higher was impaired by phytase level but not ORL. The cecal InsP6 concentration increased with ORL and decreased with phytase. Increasing ORL decreased the prececal digestibility of all AA (except cysteine) and MEN. In conclusion, conflicting effects on InsP6 degradation concerning feed particle size and its effects on endogenous and supplemented enzymes were found. This suggests that using coarsely ground particles in the feed may not be equally effective for all ingredients. Rapeseed meal is potentially less suitable than wheat or corn in coarsely ground form. Regardless of phytase level, coarse feed particles increased prececal AA digestibility. Due to the inconsistent results and a lack of studies regarding feed particle size effects on InsP6 degradation and prececal AA digestibility, further research is needed. The antinutritive effects of dietary Ca on InsP6 degradation and prececal AA digestibility could not be compensated for by using coarse feed particles. To maximize nutrient utilization, feed particle size should be adapted to the respective raw material, and dietary Ca should be as low as possible without risking a deficit, combined with phytase. Supplemented phytase at 1,500 FTU/kg or higher does not impair InsP6 degradation and prececal AA digestibility in response to increasing ORL. Thus, adjusting the phytase level to increased dietary InsP6 concentrations was not necessary under the conditions of this study, and further research is necessary.

Phosphor (P) ist ein essenzielles Element für die physiologischen Mechanismen des Geflügels, weshalb eine angemessene Versorgung mit P von entscheidender Bedeutung ist. In pflanzlichen Futtermitteln, die üblicherweise in der Geflügelernährung eingesetzt werden, ist die primäre Bindungsform von P das Phytat, ein Salz der Phytinsäure (InsP6). Um P aus InsP6 für die Absorption freisetzen zu können, werden InsP6 hydrolysierende Enzyme, wie Phytasen und Phosphatasen benötigt. Das Ausmaß der P-Freisetzung hängt von der limitierten und variablen endogenen Enzymkapazität des Geflügels ab, InsP6 abzubauen. Infolgedessen wird das Futter häufig mit teuren mineralische P-Quellen ergänzt, die aus den endlichen weltweiten Gesteinsphosphaten hergestellt werden, um den P-Bedarf zu decken. Nicht absorbierter P wird über die Exkremente ausgeschieden und trägt zur Umweltverschmutzung bei. Die Supplementierung von exogener Phytase zum Geflügelfutter erhöht die Freisetzung von P aus InsP6 und ermöglicht dadurch eine Reduzierung des Einsatzes von mineralischen P-Supplementen. Um die P-Verwertung weiter zu steigern und vollständig auf mineralische P-Supplemente verzichten zu können, ist es wichtig, sowohl die einzelnen als auch die interaktiven Effekte auf die Effizienz von Phytasen zu verstehen. Daher wurden drei in-vivo Studien durchgeführt, um einen tieferen Einblick in den InsP6-Abbau und die damit verbundenen Merkmale im Verdauungstrakt von Broilern zu gewinnen, die durch Futterbestandteile und deren physikalische Eigenschaften beeinflusst werden. Die Verwendung von groben Futterpartikeln in den Rationen von Broilern verbessert die Entwicklung des Verdauungstrakts und die Nährstoffverwertung. Grobe Partikel können daher für den InsP6-Abbau von Vorteil sein. Darüber hinaus könnten diese die hemmenden Effekte einer hohen Calcium (Ca)-Konzentration im Futter auf den InsP6-Abbau abschwächen, indem sie den pH-Wert im Verdauungstrakt senken. In der ersten Studie wurden die einzelnen und interaktiven Effekte der Futterpartikelgröße sowie der Ca-Konzentration ohne und mit Phytase auf den InsP6-Abbau, die praecaecale Verdaulichkeit von P, Ca und Aminosäuren (AA) sowie die Retention von P, Ca und Stickstoff (N) untersucht. Ross 308 Broiler erhielten die Versuchsrationen vom 7. bis zum 22./23. Lebenstag. Die Versuchsrationen unterschieden sich in der Futterpartikelgröße (fein und grob; 222 und 309 μm), der Ca-Konzentration (niedrig und hoch; 4,9 und 7,2 g/kg) und der Phytase-Supplementierung (0 und 1000 FTU/kg). Das praecaecale InsP6-Verschwinden nahm mit groben Partikeln zu, wenn keine Phytase supplementiert wurde. Eine Phytase-Supplementierung glich diese Unterschiede aus. Im Vergleich zu feinen Partikeln waren grobe Partikel mit einem höheren Gewicht des Muskelmagens und einem niedrigeren pH-Wert des Muskelmageninhalts assoziiert. Eine hohe Ca-Konzentration erhöhte hingegen den pH-Wert des Muskelmageninhalts. Somit wurden die antinutritiven Effekte von Ca durch die Verwendung grober Futterpartikel nicht verringert. Dies führte zu einer Reduktion des praecaecalen InsP6-Verschwindens und der Verdaulichkeit von P und den meisten AA. Die praecaecale AA-Verdaulichkeit stieg mit groben Partikeln im Vergleich zu feinen Partikeln an. Eine hohe Ca-Konzentration in Kombination mit Phytase erhöhte das InsP6-Verschwinden im Kropf. In der ersten Studie wurde gezeigt, dass grobe Futterpartikel ohne Phytase-Supplementierung das praecaecale InsP6-Verschwinden erhöhten, während eine Phytase-Supplementierung diesen Partikeleffekt kompensierte. Das Ziel der zweiten Studie war es daher, die einzelnen und interaktiven Effekte der Futterpartikelgröße und Phytase-Dosierung zu ermitteln. Dabei wurden die Effekte auf die Wachstumsleistung, das praecaecale InsP6-Verschwinden, die praecaecale Verdaulichkeit von P und Ca sowie die Mineralisierungsmerkmale der Tibia untersucht. Broiler der Linie Ross 308 wurden vom 10. bis zum 38. Lebenstag mit Versuchsfutter gefüttert, das feine und grobe Futterpartikel (434 und 729 μm) ohne und mit Phytase-Supplementierung (300, 600 und 1200 FTU/kg) enthielt. Die Partikelgröße und die Phytase-Dosierung interagierten bei keinem der gemessenen Merkmale signifikant. Entgegen den Erwartungen führten die feinen Partikel zu einer Erhöhung des praecaecalen InsP6-Abbaus und der praecaecalen P-Verdaulichkeit. Dies deutet an, dass das grobe Mahlen von Rapsextraktionsschrot für das Geflügel möglicherweise nicht von Vorteil ist. Die Phytase-Supplementierung steigerte die Wachstumsleistung, das praecaecale InsP6-Verschwinden, die praecaecale P-Verdaulichkeit, die Tibia-Asche und die Tibia-Bruchfestigkeit. Dies lässt vermuten, dass der P-Bedarf der Broiler bei gegebenem Gesamt-P-Gehalt und 1200 FTU Phytase/kg gedeckt war, was den Verzicht auf Futterphosphat in der Aufzucht- und Endmastphase ohne Einbußen bei der Leistung und Knochenmineralisierung ermöglicht. Basierend auf den Ergebnissen einer früheren Studie, in der eine lineare Beziehung zwischen der InsP6-Konzentration in der Ration und dem durch Phytase-Supplementierung verursachten praecaecalen InsP6-Verschwinden festgestellt wurde, sollte in der dritten Studie dieser Hinweis auf ein konstantes praecaecales InsP6-Verschwinden pro Einheit supplementierter Phytase systematisch verifiziert werden. Das erste Ziel war, die Effekte der InsP6-Konzentration und der Phytase-Supplementierung auf den gastrointestinalen InsP6-Abbau, die praecaecale Verdaulichkeit von P, AA und Ca sowie die N-korrigierte Umsetzbare Energie (MEN) bei Broilern zu untersuchen. Das zweite Ziel war, zu evaluieren, ob die InsP6-Konzentration die Effizienz unterschiedlicher Phytase-Dosierungen beeinflusst. Den Ross 308 Broilern wurden vom 14. bis zum 22./23. Lebenstag Versuchsrationen gefüttert. Das InsP6 wurde durch den Austausch von Maisstärke gegen eine Mischung aus 50 % Sojaextraktionsschrot, 20 % Rapsextraktionsschrot, 20 % Sonnenblumenextraktionsschrot und 10 % Reiskleie erhöht (Ölsaatschrot-Reiskleie Mischungen (ORL)). Die Versuchsrationen enthielten vier InsP6-P-Konzentrationen (ORL1, ORL2, ORL3 und ORL4) und drei Phytase-Dosierungen (500, 1500 und 3000 FTU/kg). Der Austausch der Futterkomponenten führte zu Veränderungen in den Rationen, die über die InsP6-Konzentration hinausgingen, einschließlich P-, Rohprotein-, Ca- und Faser-Konzentrationen. Eine Erhöhung der ORL reduzierte das InsP6-Verschwinden im Kropf. Das praecaecale InsP6-Verschwinden und die praecaecale P-Verdaulichkeit nahmen bei 500 FTU/kg mit steigenden ORL linear ab, während die Myo-Inositol-Konzentration im Ileum unverändert war. Dies deutet an, dass die supplementierte Phytase der begrenzende Faktor für die vollständige Dephosphorylierung von InsP6 zu Myo-Inositol war. Bei 1500 und 3000 FTU/kg unterschieden sich das praecaecale InsP6-Verschwinden und die praecaecale P-Verdaulichkeit zwischen den ORL kaum, nahmen aber mit zunehmenden ORL ab. Eine nicht-lineare Beziehung wurde bei 500 FTU/kg festgestellt, wenn das praecaecale InsP6-Verschwinden oder die ileale Myo-Inositol-Konzentration relativ zu FTU gegen das InsP6 in der Ration abgetragen wurden. Bei 1500 und 3000 FTU/kg waren diese Beziehungen linear. Dies deutet an, dass die Effizienz der Phytase-Supplementierung ab 1500 FTU/kg durch die Phytase-Dosierung, aber nicht durch die ORL, beeinträchtigt wurde, um InsP6 vollständig zu Myo-Inositol zu hydrolysieren. Die caecale InsP6-Konzentration nahm mit den ORL zu und mit Phytase ab. Eine Erhöhung der ORL verringerte die praecaecale Verdaulichkeit aller AA (außer Cystein) und die MEN. Zusammenfassend wurden widersprüchliche Daten zum InsP6-Abbau in Abhängigkeit von der Futterpartikelgröße und deren Effekte auf die endogenen und supplementierten Enzyme gefunden. Dies deutet an, dass die Verwendung grober Futterpartikel möglicherweise nicht für alle Futterkomponenten gleichermaßen wirksam ist. Rapsextraktionsschrot ist in grob gemahlener Form für das Geflügel womöglich weniger geeignet als Weizen oder Mais. Unabhängig von der Phytase-Dosierung erhöhten grobe Futterpartikel die praecaecale AA-Verdaulichkeit. Aufgrund der widersprüchlichen Ergebnisse und des Mangels an Studien zu den Effekten der Futterpartikelgröße auf den InsP6-Abbau und die praecaecale AA-Verdaulichkeit ist weitere Forschungsarbeit erforderlich. Die antinutritiven Effekte von Ca auf den InsP6-Abbau und die praecaecale AA-Verdaulichkeit konnten durch grobe Futterpartikel nicht ausgeglichen werden. Um die Nährstoffverwertung zu maximieren, sollte die Futterpartikelgröße an das jeweilige Rohmaterial angepasst werden. Zudem sollte die Ca-Konzentration so niedrig wie möglich sein, ohne ein Defizit zu riskieren, und eine Phytase-Supplementierung sollte erfolgen. Eine Phytase-Supplementierung ab 1500 FTU/kg beeinträchtigt den InsP6-Abbau und die praecaecale AA-Verdaulichkeit durch eine Erhöhung der ORL nicht. Unter den gegebenen Versuchsbedingungen ist eine Anpassung der Phytase-Dosierung an die zunehmenden InsP6-Konzentrationen in der Ration nicht erforderlich, jedoch sind weitere Untersuchungen sinnvoll.