The effect of extrusion with molasses and addition of chitosan or tannins on the rumen undegradable protein fraction of plant protein sources
Date
2020-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Protein is one of the most expensive nutrients in livestock diets. Therefore, it is essential to pursue the efficiency of protein utilisation in ruminant diets. The inclusion of plant protein sources such as lupins and oilcakes in ruminant diets is limited due to high rumen degradable protein (RDP) content as it does not supply enough rumen undegradable protein (RUP) and amino acids for high producing ruminants. One way of improving nitrogen and thus protein efficiency may be to reduce the dietary protein degradation in the rumen, thereby increasing the proportion of RUP. Therefore, by protecting the protein from degradation in the rumen, it would increase the supply of amino acids to the small intestine. This could also reduce nitrogen wastage through excretion in urine, which renders more protein, especially essential amino acids, available for absorption to increase animal production parameters including growth, milk and wool production. The process of extrusion and the addition of a polymer (such as chitosan) or a polyphenol (such as tannins) have shown potential to reduce the rumen degradability of plant protein sources to increase the nutritional value thereof for ruminants. The aim of the current study was, therefore, to increase the RUP fraction of plant protein sources (lupins, canola oilcake meal and soybean oilcake meal) through extrusion (hot and cold) with molasses and the addition of a polymer (chitosan) and polyphenols (hydrolysable tannins).
The effect of extrusion and addition of chitosan and tannins on the dry matter (DM) and crude protein (CP) rumen degradability were determined with the in situ technique, using Dohne Merino wethers weighing ±80 kg, fitted with rumen cannula. The sheep had ad libitum access to clean drinking water and a basal diet of wheat straw and lucerne hay (50:50) during the experimental period. Samples were incubated in the rumen of the sheep in polyester bags at different intervals over several periods during the four different trials.
For the first study, lupin samples of L. albus and L. angustifolius were extruded at maximum temperature reaching 116 °C. Extrusion lowered the soluble fraction while increasing the potential degradable fraction without affecting the rate of degradation of the potential degradable fraction of CP. Extrusion significantly lowered the effective degradability of CP of both lupins by 28% at an outflow rate of 0.08% per hour. No differences were observed between lupin types. Extrusion was found to modify ruminal degradation parameters of L. albus and L. angustifolius, while also decreasing the effective rumen degradation, especially at faster outflow rates.
For the second study, the effect of extrusion with 6% molasses at 116 °C was determined with locally produced canola oilcake meal (CM) and crushed sweet lupins (CL). Extrusion significantly lowered the CP soluble fraction of CM by 62.2%. The soluble fraction of CM did not differ from CL (46.0%) and CL did not differ significantly from crushed sweet lupins extruded (CLE, 38.2%). Extrusion increased the CP potential degradable fraction by 43.5%. At each outflow rate, namely 0.02, 0.04, 0.05, 0.06 and 0.08/h, the CP effective degradability was lower for CM than for CL. The average effective degradability for CM and CL was 68.2% and 78.0%, respectively. Extrusion significantly lowered the CP effective degradability for both protein sources at every outflow rate tested. The biggest effect was seen at 0.08/h where effective degradation was lowered by 25.6%. Extrusion with molasses was found to modify ruminal degradation parameters of both canola oilcake meal and crushed sweet lupins, while also decreasing the effective rumen degradation, especially at faster outflow rates. Thereby, the combined rumen undegradable protein fraction of canola oilcake meal and crushed sweet lupins was increased by 85.4% through extrusion.
The third study evaluated the effect of cold extrusion with 6% molasses and the addition of 1% chitosan on the protein degradability of soybean oilcake meal. This research showed no differences with cold extrusion or the addition of chitosan and molasses on the rumen undegradable protein fraction of soybean oilcake meal. The benefits of extrusion could not be reached with soybean oilcake meal and cold extrusion as applied in this study.
The fourth study evaluated the effect of cold extrusion with 6% molasses and the addition of 1% hydrolysable tannins on the protein degradability of soybean oilcake meal. This research showed no differences with cold extrusion with molasses and the addition of 1% hydrolysable tannins on the rumen undegradable protein fraction of soybean oilcake meal. The benefits of extrusion could not be reached with soybean oilcake meal and cold extrusion as applied in this study.
The RUP fraction of lupins and canola oilcake meal was increased by extrusion with molasses in this study, and therefore it could be included more efficiently in ruminant diets. This study showed that the benefits of extrusion could be reached at a relatively lower temperature of 116 °C to reduce the chance of heat damage and possible production cost. The temperatures during cold extrusion might have been too low to elicit the desired effects. Furthermore, the addition of 1% chitosan or tannins might have been too low to elicit the desired protein binding effect. Even though no significant differences were seen in this study by cold extrusion or addition of chitosan and tannins, the literature shows that chitosan and tannins have great potential as a feed additive by binding protein. However, more research is needed to fully understand the mode of action of chitosan and tannins in the rumen and the bioavailability of bound protein in the small intestine. The possibility for further improvement still exists by adjusting the processing conditions of extrusion and method of including different additives. Achieved results in the first two studies should also be tested in a biological study to determine the availability of amino acids in the RUP fractions.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Proteïene is een van die duurste voedingstowwe in vee-diëte. Daarom is dit noodsaaklik om doeltreffendheid van proteïenbenutting in herkouerdiëte na te streef. Die insluiting van plantproteïenbronne soos lupiene en canola oliekoeke in herkouerdiëte is beperk weens die hoë rumen-afbreekbare proteïen (RDP) -inhoud, aangesien dit nie genoeg rumen-onafbreekbare proteïene (RUP) en aminosure lewer vir hoë produserende herkouers nie. Een manier om stikstof en dus proteïeneffektiwiteit te verbeter, kan wees om die proteïenafbreking in die rumen te verminder en sodoende die verhouding RUP te verhoog. As gevolg van die beskerming van die proteïen teen afbraak in die rumen, sal dit die toevoer van aminosure na die dunderm verhoog. Dit kan ook die vermorsing van stikstof deur uitskeiding in uriene verminder, wat meer proteïene, veral noodsaaklike aminosure, beskikbaar stel vir opname en dus tot verhoging in die produksieparameters van diere kan lei, soos groei, melk en wolproduksie. Die proses van ekstrusie en die toevoeging van 'n polimeer (soos chitosan) of 'n polifenol (soos tanniene) het potensiaal getoon om die rumen afbreekbaarheid van plantproteïenbronne te kan verminder om die voedingswaarde daarvan vir herkouers te verhoog. Die doel van die huidige studie was dus om die RUP-fraksie van plantproteïenbronne (lupiene, canola-oliekoekmeel en soja-oliekoekmeel) te verhoog deur ekstrusie (warm en koud) met molasse en die toevoeging van 'n polimeer (chitosan) en polifenole (hidroliseerbare tanniene). Die effek van ekstrusie en toevoeging van chitosan en tanniene op die droë materiaal (DM) en ruproteïen (CP) rumen afbreekbaarheid is bepaal met behulp van die in situ tegniek, met behulp van Dohne Merino hammels van ± 80 kg, toegerus met rumen kanule. Die skape het ad libitum toegang gehad tot skoon drinkwater en 'n basiese dieet van koringstrooi en lusernhooi (50:50) gedurende die eksperimentele periode. Monsters is gedurende die vier verskillende proewe met verskillende tussenposes gedurende verskillende periodes in die rumen van die skape in poliëstersakkies geïnkubeer. In die eerste studie is lupien monsters van L. albus en L. angustifolius by 'n maksimum temperatuur van 116 °C geëkstrudeer. Ekstrusie het die CP oplosbare fraksie verlaag terwyl die potensiële afbreekbare fraksie vergroot was sonder om die afbrekingstempo van die potensiële afbreekbare fraksie te beïnvloed. Ekstrusie het die effektiewe afbreekbaarheid van CP van albei lupiene met 28% verlaag teen 'n deurvloeitempo van 0,08% per uur. Geen verskille is waargeneem tussen tipes lupiene nie. Daar is gevind dat ekstrusie die rumen afbreekparameters van L. albus en L. angustifolius verander, terwyl dit ook die effektiewe rumen afbreekbaarheid verminder, veral teen vinniger deurvloeitempos. In die tweede studie is die effek van ekstrusie met 6% molasse by 116 °C bepaal met plaaslik vervaardigde canola-oliekoekmeel (CM) en fyngedrukte soetlupiene (CL). Ekstrusie het die CP-oplosbare fraksie van CM aansienlik verlaag met 62,2%. Die oplosbare fraksie van CM verskil nie van CL nie (46,0%) en CL verskil nie beduidend van geëkstrudeer fyngedrukte soetlupiene nie (CLE, 38,2%). Ekstrusie het die CP potensiële afbreekbare fraksie met 43,5% verhoog. By elke deurvloeitempo, naamlik 0,02, 0,04, 0,05, 0,06 en 0,08 / h, was die CP effektiewe afbreekbaarheid laer vir CM as vir CL. Die gemiddelde effektiewe afbreekbaarheid vir CM en CL was onderskeidelik 68,2% en 78,0%. Ekstrusie het die CP effektiewe afbreekbaarheid vir beide proteïenbronne aansienlik verlaag teen elke getoetsde deurvloeitempo. Die grootste effek is gesien by 0,08 / h, waar effektiewe afbreekbaarheid met 25,6% verlaag is. Daar is gevind dat ekstrusie met molasse die rumen afbreekparameters van beide canola oliekoekmeel en fyngedrukte soetlupiene verander, terwyl dit ook effektiewe afbreekbaarheid in die rumen verminder, veral teen vinniger deurvloeisnelhede. Daardeur is die rumen se onafbreekbare proteïenfraksie van canola oliekoekmeel en fyngedrukte lupiene gesamentlik met 85,4% verhoog deur ekstrusie. Die derde studie het die effek van koue ekstrusie met 6% molasse en die toevoeging van 1% chitosan op die proteïenafbreekbaarheid van sojaboon oliekoekmeel geëvalueer. Hierdie navorsing het geen verskille getoon met koue extrusie of die toevoeging van chitosan en molasse op die rumen onafbreekbare proteïenfraksie van sojaboon oliekoekmeel nie. Die voordele van ekstrusie kon nie bereik word met sojaboon oliekoekmeel en koue ekstrusie soos toegepas in hierdie studie nie. Die vierde studie het die effek van koue ekstrusie met 6% molasse en die toevoeging van 1% hidroliseerbare tanniene op die proteïenafbreekbaarheid van sojaboon oliekoekmeel geëvalueer. Hierdie navorsing het geen verskille getoon met koue ekstrusie met molasse en die toevoeging van 1% hidroliseerbare tanniene op die rumen onafbreekbare proteïenfraksie van sojaboon oliekoekmeel nie. Die voordele van ekstrusie kon nie bereik word met sojaboon oliekoekmeel en koue extrusie soos toegepas in hierdie studie nie. Die RUP fraksie van lupiene en canola oliekoekmeel is in hierdie studie deur ekstrusie met molasse verhoog, en daarom kan dit doeltreffender ingesluit word in herkouerdiëte. Hierdie studie het getoon dat die voordele van ekstrusie bereik kan word by 'n relatief laer temperatuur van 116 °C om die kans op hittebeskadiging en moontlike produksiekoste te verminder. Die temperature tydens koue extrusie kon te laag gewees het om die gewenste effekte te bewerkstellig. Verder sou die toevoeging van 1% chitosan of tanniene te laag gewees het om die gewenste proteïenbindingseffek te bewerkstellig. Alhoewel geen noemenswaardige verskille in hierdie studie deur koue extrusie of toevoeging van chitosan en tanniene waargeneem is nie, toon die literatuur dat chitosan en tanniene tog potensiaal het om proteïen te bind. Daar is egter meer navorsing nodig om die werking van chitosan en tanniene in die rumen en die biobeskikbaarheid van gebonde proteïene in die dunderm ten volle te begryp. Die moontlikheid vir verdere verbetering bestaan steeds deur die verwerkingstoestande van extrusie en die metode om verskillende bymiddels in te sluit, aan te pas. Bereikte resultate in die eerste twee studies moet ook in 'n biologiese studie getoets word om die beskikbaarheid van aminosure in die RUP fraksies te bepaal.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Proteïene is een van die duurste voedingstowwe in vee-diëte. Daarom is dit noodsaaklik om doeltreffendheid van proteïenbenutting in herkouerdiëte na te streef. Die insluiting van plantproteïenbronne soos lupiene en canola oliekoeke in herkouerdiëte is beperk weens die hoë rumen-afbreekbare proteïen (RDP) -inhoud, aangesien dit nie genoeg rumen-onafbreekbare proteïene (RUP) en aminosure lewer vir hoë produserende herkouers nie. Een manier om stikstof en dus proteïeneffektiwiteit te verbeter, kan wees om die proteïenafbreking in die rumen te verminder en sodoende die verhouding RUP te verhoog. As gevolg van die beskerming van die proteïen teen afbraak in die rumen, sal dit die toevoer van aminosure na die dunderm verhoog. Dit kan ook die vermorsing van stikstof deur uitskeiding in uriene verminder, wat meer proteïene, veral noodsaaklike aminosure, beskikbaar stel vir opname en dus tot verhoging in die produksieparameters van diere kan lei, soos groei, melk en wolproduksie. Die proses van ekstrusie en die toevoeging van 'n polimeer (soos chitosan) of 'n polifenol (soos tanniene) het potensiaal getoon om die rumen afbreekbaarheid van plantproteïenbronne te kan verminder om die voedingswaarde daarvan vir herkouers te verhoog. Die doel van die huidige studie was dus om die RUP-fraksie van plantproteïenbronne (lupiene, canola-oliekoekmeel en soja-oliekoekmeel) te verhoog deur ekstrusie (warm en koud) met molasse en die toevoeging van 'n polimeer (chitosan) en polifenole (hidroliseerbare tanniene). Die effek van ekstrusie en toevoeging van chitosan en tanniene op die droë materiaal (DM) en ruproteïen (CP) rumen afbreekbaarheid is bepaal met behulp van die in situ tegniek, met behulp van Dohne Merino hammels van ± 80 kg, toegerus met rumen kanule. Die skape het ad libitum toegang gehad tot skoon drinkwater en 'n basiese dieet van koringstrooi en lusernhooi (50:50) gedurende die eksperimentele periode. Monsters is gedurende die vier verskillende proewe met verskillende tussenposes gedurende verskillende periodes in die rumen van die skape in poliëstersakkies geïnkubeer. In die eerste studie is lupien monsters van L. albus en L. angustifolius by 'n maksimum temperatuur van 116 °C geëkstrudeer. Ekstrusie het die CP oplosbare fraksie verlaag terwyl die potensiële afbreekbare fraksie vergroot was sonder om die afbrekingstempo van die potensiële afbreekbare fraksie te beïnvloed. Ekstrusie het die effektiewe afbreekbaarheid van CP van albei lupiene met 28% verlaag teen 'n deurvloeitempo van 0,08% per uur. Geen verskille is waargeneem tussen tipes lupiene nie. Daar is gevind dat ekstrusie die rumen afbreekparameters van L. albus en L. angustifolius verander, terwyl dit ook die effektiewe rumen afbreekbaarheid verminder, veral teen vinniger deurvloeitempos. In die tweede studie is die effek van ekstrusie met 6% molasse by 116 °C bepaal met plaaslik vervaardigde canola-oliekoekmeel (CM) en fyngedrukte soetlupiene (CL). Ekstrusie het die CP-oplosbare fraksie van CM aansienlik verlaag met 62,2%. Die oplosbare fraksie van CM verskil nie van CL nie (46,0%) en CL verskil nie beduidend van geëkstrudeer fyngedrukte soetlupiene nie (CLE, 38,2%). Ekstrusie het die CP potensiële afbreekbare fraksie met 43,5% verhoog. By elke deurvloeitempo, naamlik 0,02, 0,04, 0,05, 0,06 en 0,08 / h, was die CP effektiewe afbreekbaarheid laer vir CM as vir CL. Die gemiddelde effektiewe afbreekbaarheid vir CM en CL was onderskeidelik 68,2% en 78,0%. Ekstrusie het die CP effektiewe afbreekbaarheid vir beide proteïenbronne aansienlik verlaag teen elke getoetsde deurvloeitempo. Die grootste effek is gesien by 0,08 / h, waar effektiewe afbreekbaarheid met 25,6% verlaag is. Daar is gevind dat ekstrusie met molasse die rumen afbreekparameters van beide canola oliekoekmeel en fyngedrukte soetlupiene verander, terwyl dit ook effektiewe afbreekbaarheid in die rumen verminder, veral teen vinniger deurvloeisnelhede. Daardeur is die rumen se onafbreekbare proteïenfraksie van canola oliekoekmeel en fyngedrukte lupiene gesamentlik met 85,4% verhoog deur ekstrusie. Die derde studie het die effek van koue ekstrusie met 6% molasse en die toevoeging van 1% chitosan op die proteïenafbreekbaarheid van sojaboon oliekoekmeel geëvalueer. Hierdie navorsing het geen verskille getoon met koue extrusie of die toevoeging van chitosan en molasse op die rumen onafbreekbare proteïenfraksie van sojaboon oliekoekmeel nie. Die voordele van ekstrusie kon nie bereik word met sojaboon oliekoekmeel en koue ekstrusie soos toegepas in hierdie studie nie. Die vierde studie het die effek van koue ekstrusie met 6% molasse en die toevoeging van 1% hidroliseerbare tanniene op die proteïenafbreekbaarheid van sojaboon oliekoekmeel geëvalueer. Hierdie navorsing het geen verskille getoon met koue ekstrusie met molasse en die toevoeging van 1% hidroliseerbare tanniene op die rumen onafbreekbare proteïenfraksie van sojaboon oliekoekmeel nie. Die voordele van ekstrusie kon nie bereik word met sojaboon oliekoekmeel en koue extrusie soos toegepas in hierdie studie nie. Die RUP fraksie van lupiene en canola oliekoekmeel is in hierdie studie deur ekstrusie met molasse verhoog, en daarom kan dit doeltreffender ingesluit word in herkouerdiëte. Hierdie studie het getoon dat die voordele van ekstrusie bereik kan word by 'n relatief laer temperatuur van 116 °C om die kans op hittebeskadiging en moontlike produksiekoste te verminder. Die temperature tydens koue extrusie kon te laag gewees het om die gewenste effekte te bewerkstellig. Verder sou die toevoeging van 1% chitosan of tanniene te laag gewees het om die gewenste proteïenbindingseffek te bewerkstellig. Alhoewel geen noemenswaardige verskille in hierdie studie deur koue extrusie of toevoeging van chitosan en tanniene waargeneem is nie, toon die literatuur dat chitosan en tanniene tog potensiaal het om proteïen te bind. Daar is egter meer navorsing nodig om die werking van chitosan en tanniene in die rumen en die biobeskikbaarheid van gebonde proteïene in die dunderm ten volle te begryp. Die moontlikheid vir verdere verbetering bestaan steeds deur die verwerkingstoestande van extrusie en die metode om verskillende bymiddels in te sluit, aan te pas. Bereikte resultate in die eerste twee studies moet ook in 'n biologiese studie getoets word om die beskikbaarheid van aminosure in die RUP fraksies te bepaal.
Description
Thesis (MScAgric)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Molasses as feed, Plant proteins as feed, Proteolysis, Ruminants -- Feeding and feeds, Protein nitrogen, Proteins in animal nutrition, UCTD