Improving the utilisation of phytate-bound phosphorus in feed for poultry and pigs through increased efficacy of exogenous phytase in the anterior digestive tract

Abstract

The majority of phosphorus (P) in feedstuffs is present as phytate-P. Phytate is the storage form of P in seeds and grains and consists of an inositol ring with six phosphate groups bound to it. The phytate-P is only partially utilised by monogastric animals. The undigested P is excreted in the animal manure and may then lead to drainage of P from agricultural land and subsequently environmental pollution. To reduce the amount of P in faeces exogenous phytase is routinely added to the diet of monogastric animals. However, even with phytase added, the degradation of phytate is not complete. The efficacy of phytase is dependent on pH levels in addition to the retention time in the segments of the digestive system with the optimal pH. The most important site for exogenous phytase activity is in anterior digestive tract, due to the pH levels there. To test the effect of acid addition to the diet on the efficacy of an exogenous phytase, and whether the efficacy would be further improved by an increased retention time in the anterior digestive tract, three animal experiments were carried out. In all animal experiments, a wheat-based diet with a high phytate-P content was used. The diet had either no addition (CON), formic acid added (ACID), 500 FTU C. braakii-derived phytase added (PHY) or both acid and phytase added (PHYA). In addition, an in vitro experiment where the efficacy of four commercial phytase products at selected pH levels and incubation times was tested, and a field assessment of the crop usage in commercial broiler chickens was carried out. The results from the in vitro experiment described in Paper I was used to determine which phytase and pH levels to use in the experimental diets. In experiment I, 800 broiler chickens in 80 different pens were either ad libitum or intermittently fed the experimental diets from 15 to 36 days of age. From one bird per pen, tibia and contents from jejunum and ileum were collected. Crop contents were collected from intermittently fed birds 80, 160 and 240 min after the start of the feeding. The results showed that there was a positive effect of phytase on P digestibility and bone mineralisation. Already after 80 minutes retention time in the crop, there was an effect of acid addition on phytase efficacy, with a considerably enhanced phytate degradation and formation of lower inositol phosphate-isomers. A prolonged retention time in the crop further increased this degradation. Phytase increased P digestibility, intermittent feeding increased apparent jejunal digestibility (AJD) of P and P retention. In Paper II, a field assessment was carried out to map the extent of crop usage and thus retention time in ad libitum fed commercial broiler chickens. The assessment showed that ad libitum fed birds use the crop for storage to a higher degree than previously assumed. In the chicken experiment (experiment II), the short-term effect of acid addition on phytase efficacy in the crop was studied. At 20 and 21 days of age, starved birds were fed for one hour, and crop and gizzard contents were collected every 20 minutes until 140 minutes after the start of the feeding. In the birds euthanised 60 and 140 minutes after the start of the feeding, contents from jejunum and ileum were collected as well. Phytase improved P retention, and the PHYA diet increased the AJD of P. All diets reduced the concentration of phytate in the crop with time. However, the PHYA diet resulted in a higher reduction than the other two diets from 20 minutes and onwards. Simultaneously, the concentration of the lower inositol phosphate isomers increased. In Paper III, 32 piglets with a mean weight of 21.1 kg were distributed in eight pens with recording of individual feed intake. Equal amounts of the experimental diets were fed twice daily. Performance was recorded, pH in the stomach, jejunum and ileum was measured and content from the jejunum and ileum was collected for assessment of P digestibility. Faeces was collected for total digestibility measurements, and left third and fourth metacarpal were analysed for bone mineralisation. Phytase addition increased growth, AJD of P, apparent total tract digestibility (ATTD) of P and Ca in addition to bone mineralisation. Acid addition improved growth, feed efficacy and ATTD of Mg, Fe and Ca, however no interaction effect between acid and phytase was found. Even though acid addition reduced the stomach pH in pigs no indications of an increased phytase activity with acid addition was found. In chickens, an increased phytate degradation in the anterior digestive tract and improved AJD of P was found with acidification of the diet containing phytase. The effect of acid addition on phytase activity in the crop in broiler chicken was found already after a short retention typically could be observed with ad libitum feeding, and was increased with increased retention time in the crop. However, no additional effect of acid addition was found in the apparent ileal digestibility (AID) and the total tract digestibility of P in any of the experiments.

Størstedelen av fosfor (P) i fôrvarer finnes i form av fytat-P. Fytat er lagringsformen for P i frø og korn og består av en inositolring med seks fosfatgrupper bundet til den. Fytat-P er bare delvis tilgjengelig for enmagede dyr. Ufordøyd P skilles ut i gjødsla og kan deretter føre til avrenning av P fra jordbruksmark og dermed forurensning. For å redusere mengden P i gjødsla blir derfor eksogen fytase rutinemessig tilsatt fôret til enmagede dyr. Selv med tilsatt fytase er ikke nedbrytningen av fytat fullstendig. Effekten av fytase er avhengig av pH-nivået i tillegg til oppholdstiden i de delene av fordøyelseskanalen med optimal pH. Det viktigste stedet for eksogen fytaseaktivitet er i den fremre delen av fordøyelseskanalen på grunn av pH-nivået der. For å teste effekten av syretilsetning i fôret på effektiviteten til en eksogen fytase, og om denne effekten ville forbedres ytterligere ved økt oppholdstidtid i den fremre delen av fordøyelseskanalen, ble det utført tre dyreforsøk. I alle forsøkene ble det brukt et hvetebasert fôr med et høyt innhold av fytat-P. Fôret var enten uten tilsetninger (CON), tilsatt maursyre (ACID), tilsatt 500 FTU C. braakii-derivert fytase (PHY) eller tilsatt både syre og fytase (PHYA). I tillegg ble det gjort et in vitro forsøk hvor effektiviteten av fire kommersielle fytaser ved gitte pH-nivåer og inkubasjonstider ble testet, og det ble gjort en kartlegging av bruken av kro i kommersielle slaktekyllinger. Resultatene fra in vitro forsøket som er beskrevet i artikkel I ble brukt til å avgjøre hvilken fytase og hvilket pH-nivåer som skulle brukes i fôret i dyreforsøkene. I forsøk I ble 800 slaktekyllinger fordelt på 80 forskjellige binger enten fôret ad libitum eller med måltidsfôring fra 15 til 36 dagers alder. Fra en kylling i hver binge ble tibia og innholdet fra jejunum og ileum samlet. Innholdet i kro ble samlet fra måltidsfôrede kyllinger 80, 160 og 240 minutter etter starten av fôringen. Resultatene viste at fytase økte fosforfordøyeligheten og mineralisering av bein. Allerede etter 80 minutter oppholdstid i kroa var det en effekt av syretilsetning på fytase-effektivitet, med en betydelig forbedret nedbrytning av fytat og danning av lavere inositol fosfat-isomerer. Lengre oppholdstid i kroa økte denne nedbrytningen ytterligere. Fytase økte fordøyeligheten av P og måltidsfôring økte apparent jejunal fordøyelighet (AJD) av P og P retensjon.

I artikkel II ble det gjennomført en kartlegging av omfanget av bruken av kro, og dermed oppholdstid, i ad libitum fôrede kommersielle slaktekyllinger. Kartleggingen viste at ad libitum-fôrede kyllinger bruker kroa til lagring i større grad enn tidligere antatt. I kyllingforsøket (forsøk II) ble effekten av kort oppholdstid og syretilsetning på fytaseeffektivitet i kro undersøkt. Ved 20 og 21 dagers alder ble fastende kyllinger gitt tilgang på fôr i en time, og innholdet i kro og krås ble samlet hvert tjuende minutt til 140 minutter etter starten av fôringen. Hos kyllingene som ble avlivet 60 og 140 minutter etter starten av fôringen ble innhold fra jejunum og ileum også samlet. Fytase økte P retensjon, og PHYA-fôret økte AJD av P. Alle fôrene reduserte konsentrasjonen av fytat i kro over tid. PHYA-fôret resulterte imidlertid i en større reduksjon enn de andre to fôrene fra 20 minutter og utover. Samtidig økte konsentrasjonen av lavere inositol fosfat-isomerer. I artikkel III ble 32 smågris med en gjennomsnittsvekt på 21,1 kg fordelt i åtte binger med individuell registrering av fôropptak. Grisene ble tildelt like store mengder fôr to ganger daglig. Produksjonsresultater ble beregnet, pH i magesekken, jejunum og ileum ble målt og innhold fra jejunum og ileum ble samlet for beregning av fordøyelighet av P. Gjødsel ble samlet for beregning av total fordøyelighet og tredje og fjerde metakarpal ble samlet for beregning av mineralisering av bein. Tilsetning av fytase økte tilveksten, AJD av P, og apparent total fordøyelighet (ATTD) av P og Ca i tillegg til mineraliseringen av bein. Tilsetning av syre økte tilveksten, fôrutnyttelsen og total fordøyelighet av Mg, Fe og Ca, men ingen samspillseffekt mellom syre og fytase ble funnet. Selv om tilsetning av syre reduserte pH i magesekken hos gris, ble det ikke funnet indikasjoner på økt fytaseaktivitet med syretilsetning. Hos kyllinger ble det funnet en økt nedbrytning av fytat i den fremre delen av fordøyelseskanalen og økt jejunal fordøyelighet av P med tilsetning av syre til fôret med fytase. Det ble også funnet en effekt av syretilsetning på fytaseaktivitet allerede etter kort oppholdstid i kroa hos slaktekylling, som typisk kan bli sett med ad libitum fôring, og ble økt med lengre oppholdstid i kroa. Imidlertid ble det ikke funnet noen tilleggseffekt av syretilsetning på apparent ileal fordøyelighet (AID) og total fordøyelighet av P i noen av forsøkene.