Research Collection. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Gebert, Stefan. Publication Date: 1998

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1 Research Collection Doctoral Thesis Effects of microbial phytase and vitamin E in fat supplemented diets for growing pigs and laying hens on performance, nutrient utilization and product stability against oxidative alterations Author(s): Gebert, Stefan Publication Date: 1998 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss. ETH No Effects ofmicrobial phytase and vitamin E in fat supplemented diets for growing pigs and laying hens on performance, nutrient utilization and product stability against oxidative alterations A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZÜRICH for the degree of Doctor of Technical Seiences presented by Stefan Gebert Dipl. Ing.-Agr. ETH bom May 23, 1967 citizen of Zürich ZH accepted on the recommendation of Prof. Dr. C. Wenk, examiner Prof. Dr. H.P. Pfirter, co-examiner Dr. G. Bee, co-examiner Zürich 1998

3 SUMMARY The objective of the present studies was to evaluate the effect of microbial phytase and/or vitamin E supplementation to diets varying in level of unsaturated fatty acids for growing pigs and laying hens. The influence on growth and laying performance, digestibility of minerals and fatty acids, carcass composition, as wen as meat, fat and egg quality (mainly with respect to oxidative stability during storage), were investigated. In the first experiment, forty growing-finishing pigs (barrows) from 26 to 106 kg body weight were fed ad libitum a barley-com based diet with inclusion of 5 % fat (C) or the same diet supplemented with either 1200 PTU phytase (Ph) or 200 mg vitamin E (E), or both (PhE). Dietary microbial phytase resulted in a marked improvement of daily weight gain (+ 129 g per day) and feed conversion ratio ( kg/kg). The vitamin E supplementation did not affect growth performance, and no significant interaction between the both supplements could be observed. Plasma alkaline phosphatase activity was reduced by 101 U/1, plasma phosphorus (+ 1.1 mmol/l), and iron ( mmol/l) concentrations were increased by dietary phytase. Plasma vitamin E concentration was 2.28 mg/l higher by the vitamin E addition. The inclusion of microbial phytase to the diets on average improved the faecal digestibility ofphosphous (P), calcium (Ca), magnesium (Mg),iron (Fe), copper (Cu) and zinc (Zn) in a highly significant way. The results indicate that the digestibility of the macro and micro minerals was highest for animals fed diet PhE and lowest for animals fed treatment C. The precaecal fat ( %), monounsaturated ( %) and polyenic fatty acids ( %) digestibility was reduced for pigs fed diets added with phytase. Overall, the lowest fatty acid digestibilities were always found in treatment Ph and the highest in treatments C and E, whereas diet PhE was in a middle position. Carcass characteristics such as slaughter yield, lean cuts, total fat tissue and backfat thickness were not affected by dietary supplements. At the 1er rip chop (M. longissimus dorsz) the meat colour was paler and the phl values lower due to the phytase addition compared to the other groups. The a-tocopherol concentrations were higher ( Ilg/g tissue or 89 Ilg/g fat) and thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) were significandy lower in the longissimus dorsi muscle of pigs fed diets with added vitamin E. In adipose tissue the a tocopherol concentrations were increased by 181lg/g tissue or 211lg/g fat due to vitamin E - 1 -

4 supplementation. The oxidative stability, expressed as TBARS values, of the backfat was reduced by the phytase addition and improved by dietary vitamin E supplementation. The fatty acid profiles of pereine muscle and backfat were minimally influenced by microbial phytase supplementation, and vitamin E did not alter their fatty acid composition. In a second series of experiments involving a total of sixty-four growing-finishing pigs (barrows) from 25 (75) to 104 kg body weight, a similar feed as in the first experiment but with a higher oxidative capacity owing to inclusion of7 % safflower oil was used. In agreement with the first experiment, mean daily weight gain was highest and feed conversion ratio lowest for pigs fed phytase-supplemented diets. The precaecal digestibility of P was improved (+ 43 %). Zn (- 28 %), total fat (- 4 %) as weil as saturated (- 9 %), monounsaturated (- 6 %) and polyunsaturated (- 2 %) fatty acids (SFA, MUFA and PUFA) were less digested owing to phytase inclusion. The vitamin E digestibility was not affected by dietary vitarnin E supplementation. The cornbined addition ofphytase and vitamin E (fhe) always improved the digestibility ofdietary fat and all analysed fatty acids. At the 10 th rip chop (M. longissimus dorsz) the ph-values and water-holding capacity were not influenced by dietary treatments. Colour stability significandy changed after 8 and 16 days of storage at 4 C under fluorescent light, but not due to dietary phytase or vitamin E. L* values (luminance) increased, whereas a*-values (redness) decreased. Refrigerated storage did not reduce the a-tocopherol concentration of pork chops. The content of a-tocopherol in longissimus dorsi muscle and backfat outer layer was significandy increased for pigs fed diets with added vitarnin E and lowered for pigs fed phytase supplemented diets. TBARS values of backfat were decreased by 0.11 mg malondialdehyd (MDA) per kg tissue owing to vitamin E inclusion to the diets, whereas lipid oxidation of pork chops was not affected by dietary supplements but increased with length of storage. Microbial phytase reduced the induction time (- 1.8 h) in adipose tissue, meaning increased susceptibility to lipid oxidation. Only slight changes of fatty acid profiles could be observed in M. longissimus dorsi and backfat outer layer. The percentage of MUFA in pork chops was increased in each treatment at 16 days of storage. On factorial basis, phytase supplementation lead to a statistically significant lower MUFA content, whereas the amount ofpufa was not affected by dietary supplements. In addition to the pig experiments, a study with laying hens was conducted to determine the effects of dietary fats varying in degree of saturation (safflower oil and/or tallow), with or without vitamin E supplementation at various levels (0, 100 or 200 mg per kg feed) of the - 2 -

5 diets, based on wheat and com, Laying rate, egg weight, daily feed intake and feed efficiency were neither affected by dietary fat source nor by vitamin E level. After 6 months of storage of the eggs at 4 C yolk dry matter was reduced. In fresh egg yolk the crude fat content was reduced due to vitamin E supplementation as well as the inclusion of safflower oil. The mean a-tocopherol concentrations were strongly influenced, at 0 and 6 months of storage, by dietary vitamin E level. TBARS values were increased in a highly significant way by an increased vitarnin E concentration in egg yolk, meaning higher susceptibility to lipid oxidation. The addition of safflower oil to the layer diets resulted in a general increase ofpufa (08:2 0>-6 and C20:4 0>-6), followed by a decrease of MUFA (06:1 0>-7 and C18:1 0>-9) in egg yolk lipids. On the other hand, dietary tallow led to an increase of 08:40>-3 and C22:6 0>-3 in egg lipids compared to the eggs from the safflower oil diets. The fatty acid profile offresh yolk lipids was altered by the level of vitamin Einthe diet. That means a reduced total fatty acids-, SFA- and PUFAcontent. After 6 months of storage a general higher content of SFA, MUFA, PUFA (except C18:4 0>-3 in eggs of diets including safflower oil) and total fatty acids was observed than in fresh yolk lipids. ZUSAMMENFASSUNG Zur Erfassung der Wirkung einer Zulage von mikrobieller Phytase und/oder von Vitamin E Zusätzen, zu Futter mit unterschiedlichem Gehalt an ungesättigten Fettsäuren, wurden Versuchsreihen mit Schweinen und Legehennen durchgeführt. Der Einfluss auf die Mastbzw. Legeleistung, die Verdaulichkeit der Mineralstoffe und der Fettsäuren, die Schlachtkörperzusammensetzung sowie ausgewählte Parameter der Fleisch-, Fett- und Eiqualität, insbesondere bezüglich deren Lagerungsverhaltens, wurde untersucht. In einer ersten Versuchsreihe erhielten 40 Mastschweine (Kastraten) ad libitum ein Gerste Mais betontes, 5 % zugesetztes Fett enthaltendes Futter (C), oder dasselbe Futter supplementiert mit entweder 1200 P11J Phytase (P) oder 200 mg Vitamin E (E), oder mit beiden Zusätzen (PhE). Die Phytasezulage zum Futter erhöhte den Tageszuwachs (+ 129 g pro Tag) und reduzierte den Futteraufwand pro kg Zuwachs ( kg/kg). Vitamin E beeinflusste die - 3 -

6 Mastleistung nicht, und eine statistisch gesicherte Interaktion der beiden Zusätze konnte ebenfalls nicht beobachtet werden. Bei den Tieren mit Enzymzulage im Futter war die Aktivität der alkalischen Phosphatase um 101 U/I reduziert, die Plasma- Phosphor- (+ 1.1 mmol/l) und Eisen- Konzentration ( mmol/l) erhöht. Die Vitamin E-Zulage zum Futter führte zu einer um 2.28 mg/l erhöhten Vitamin E-Konzentration im Plasma. Die faecale Verdaulichkeit von Phosphor (P), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Kupfer (Cu) und Zink (Zn) wurde durch die Phytasesupplementierung hochsignifikant erhöht. Die Ergebnisse zeigen im weiteren, dass die Verdaulichkeit der Mengen- und Spurenelemente in der Variante PhE am höchsten und in der Variante C am niedrigsten war. Die Phytasezulage reduzierte die präcaecale Verdaulichkeit der Gesamt- ( %), Monoen- ( %) und Polyen- ( %) Fettsäuren. Zusamenfassend kann festgehalten werden, dass die Fettsäuren-Verdaulichkeit in der Variante Ph jeweils am niedrigsten und in den Varianten C unde am höchsten war, währenddemvariantephe eine intermediäre Position einnahm. Die Schlachtausbeute und die Schlachtkörperzusammensetzung, beurteilt anhand des Anteils wertvoller Fleischstücke, Fettgewebe insgesamt und Rückenspeckdicke wurden durch die Zusätze nicht beeinflusst. Die Phytasezulage zum Futter bewirkte helleres Muskelfleisch (M. longissimus dorsi, lote Rippe) und einen tieferen phi-wert im Vergleich zu den anderen Varianten. Die Vitamin E-Zulage hatte eine erhöhte a-tocopherol Konzentration ( Jlg/g Gewebe oder 89 Jlg/g Fett) im M. longissimus dorsi sowie eine verbesserte Oxidationsstabilität, gemessen anhand der Thiobarbitursäure-reaktiven Substanzen (fbars), zur Folge. In der Rückenspeckaussenschicht von Tieren mit zusätzlichem Vitamin E im Futter war der a-tocopherol Gehalt im Vergleich zu den unsupplementierten Tieren um 18 Jlg/g Gewebe oder 21 Jlg/g Fett erhöht. Die Oxidationsanfälligkeit des Fettes in diesem Gewebe war bei Phytaseeinsatz erhöht und bei Vitamin E-Zusatz erniedrigt. Das Fettsäurenmuster des M. longissimus dorsi und des Fettgewebes wurde durch die Vitamin E Zulage zum Futter nicht beeinflusst. Hingegen bewirkte die Phytasesupplementierung geringfügige Veränderungen in den untersuchten Geweben. In einer zweiten Versuchsserie wurde an insgesamt 62 männlichen kastrierten Mastschweinen im Lebendgewichstbereich von 25 (75) bis 104 kg ein gleich zusammengesetztes Futter wie im ersten Versuch, jedoch durch Miteinbezug von 7 % Distelöl (Saffloröl) mit wesentlich höherem Gehalt an mehrfach ungesättigten Fettsäuren und dadurch höherer oxidativer Kapazität, verwendet. -4-

7 Wie bereits im ersten Versuch festgestellt, bewirkte die Phytasezulage zum Futter wiederum einen signifikant erhöhten Tageszuwachs und einen reduzierten Futteraufwand pro kg Zuwachs. Die präcaecale Verdaulichkeit von P war durch die Phytasesupplementierung erhöht (+ 43 %), jene von Zn (- 28 %), der Gesamtfettsäuren (- 4 %) sowie der gesättigten- (- 9 %), der Monoen- (- 6 %) und der Polyen- (- 2 %) Fettsäuren (SFA, MUFA und PUFA) reduziert. Der Vitamin E-Zusatz zum Futter beeinflusste die Vitamin E-Verdaulichkeit nicht. Die kombinierte Zulage von Phytase und Vitamin E ryariante PhE) erhöhte die Fettsäurenverdaulichkeit. Im M. Iongissimus dorsi (lote Rippe) waren weder die ph-werte noch das Wasserbindungsvermögen durch die Zulagen zum Futter beeinflusst. Die Farbstabilität änderte nach 8 respektive 16 Tagen Lagerung bei 4 C unter fluoreszierendem Licht. Die Helligkeit (L*-Wert) nahm zu, währenddem die Rotintensität (a*-wert) abnahm. Die Phytase- und/oder Vitamin E-Supplementierung hatte diesbezüglich keinen Einfluss. Durch die Kühllagerung wurde der a-t ocopherolgehalt in den Koteletten nicht verändert. Hingegen bewirkte die Vitamin E-Zulage zum Futter einen erhöhtena-tocopherolgehalt im M. longissimus dorsi und in der Rückenspeckaussenschicht, im Gegensatz zur Phytasezulage, die den Vitamin E-Gehalt in den Geweben reduzierte. Die TBARS des Fettgewebes nahmen durch die Vitamin E-Supplementierung im Durchschnitt tun 0.11 mg Malondialdehyd (MDA) pro kg Gewebe ab. Aufgrund des Phytaseeinsatzes reduzierte sich die Ranzimat Induktionszeit in der Rückenspeckaussenschicht tun 1.8 h, d.h. die Anfälligkeit gegenüber Oxidationsvorgängen war somit erhöht. Die Koteletten wurden durch die Zulagen bezüglich der Oxidationsstabilität nicht beeinflusst; doch zeigte sich während der Dauer der Kühllagerung eine Zunahme der Werte für die TBARS. Das Fettsäuremuster des M. longissimus dorsiund der Rückenspeckaussenschicht wurde durch die Zulagen nur geringfügig verändert. In den Koteletten war der Anteil MUFA nach 16-tägiger Kühllagerung in allen Varianten erhöht. Die faktoriellen Mittelwerte zeigten aufgrund der Phytasesupplementierung eine statistisch gesicherte Abnahme des Anteils an MUFA, obschon der Anteil an PUFA durch die Zulagen unbeeinflusst blieb. In Ergänzung der Untersuchungen mit Mastschweinen wurde bei Legehennen der Einfluss einerseits von Distelöl (Saffloröl) und/oder Rindertalg und andererseits verschiedener hoher Vitamin E- Zulagen (0, 100 oder 200 mg pro kg Futter) zu einem Weizen-Mais betonten Futter untersucht

8 Die tägliche Futteraunahme, die Legeleistung, das Eigewicht und der Futteraufwand pro Eimasse wurden weder durch die unterschiedlichen Fette noch durch den Vitamin E-Gehalt des Futters beeinflusst. Nach einer Lagerdauer von 6 Monaten bei 4 C nahm der Trockensubstanzgehalt des Eidotters ab. Die Vitamin E-Supplementierung und auch das Diste1öl verminderten im frischen Eidotter den Fettgehalt. Die mittleren o Tocopherolkonzentrationen waren zu beiden Analysenzeitpunkten deutlich durch die Vitamin E-Zulagen im Futter beeinflusst. Die Werte für die TBARS waren bei einem höheren a-t ocopherolgehalt im Eidotter höher, was auf eine schlechtere Oxidationsstabilität hinweist. Die Einmischung von Diste1öl zum Legehennenfutter führte im Eidotter zu einer generellen Erhöhung des PUFA-Gehaltes (08:2 ro--6 und C20:4 ro--6) und zu einer gleichzeitigen Abnahme der MUFA (06:1 ro--7 und 08:1 ro--9). Demgegenüber führte die Verwendung von Rindertalg im Futter zu einer Zunahme von 08:4 ro--3 und C22:6 ro--3 im Eifett im Vergleich zu den Distelölvarianten. Das Fettsäuremuster der frischen Eilipide wurde durch den Vitamin E-Gehalt des Futters beeinflusst. Zunehmende Vitamin E- Zufuhr reduzierte den Gehalt an Gesamtlipiden, SFA und PUFA. Die 6-monatige Kühllagerung führte zu einem höheren Anteil an SFA, MUFA, PUFA (ohne 08:4 ro--3 von Eiern aus den Distelölvarianten) und Gesamtlipiden als in den frischen Eidotterproben