Verwertung von Glucose und langkettigen Fettsäuren durch die laktierende Milchkuh. bei Fütterung einer fettangereicherten Diät

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1 1 Verwertung von Glucose und langkettigen Fettsäuren durch die laktierende Milchkuh bei Fütterung einer fettangereicherten Diät VOIGT 1, J., GAAFAR 1, K., KANITZ 2, W., PRECHT 3, D., BECKER 2, F., SCHNEIDER 2, F., SPITSCHAK 2, M., SCHÖNHUSEN 1, U., JUNGHANS 1, P., ASCHENBACH 4, J.R., GÄBEL 4, G. 1 Forschungsbereiche Ernährungsphysiologie "Oskar Kellner" und 2 Fortpflanzungsbiologie des Forschungsinstitut für die Biologie landwirtschaftlicher Nutztiere, D Dummerstorf 3 Institut für Chemie und Physik, Bundesanstalt für Milchforschung, D Kiel 4 Veterinär-Physiologisches Institut, Universität Leipzig, D Leipzig VOIGT, J., GAAFAR, K., KANITZ, W., PRECHT, D., BECKER, F., SCHNEIDER, F., SPITSCHAK, M., SCHÖNHUSEN, U., JUNGHANS, P., ASCHENBACH, J.R., GÄBEL, G. Verwertung von Glucose und langkettigen Fettsäuren durch die laktierende Milchkuh bei Fütterung einer fettangereicherten Diät Dtsch. tierärztl. Wschr. 112 (2005) Zusammenfassung Der Verbleib des Kohlenstoffs aus langkettigen Fettsäuren und Glucose wurde bei Milchkühen, deren Rationen Pansen-geschütztes Fett enthielt, unter Nutzung der Stabil- Isotopentechnik untersucht. Die Untersuchungen wurden in den ersten 15 Laktationswochen mit 2 isoenergetischen und isoproteinogenen Diäten durchgeführt. Die Diät der Versuchsgruppe (n = 16) enthielt anstelle von 1,77 kg Stärke der Kontrolldiät 0,73 kg geschütztes Fett (überwiegend Ca-Salze von Palm- und Sojaöl). Der 13 C-Gehalt des Kohlenstoffs war im Fett natürlicherseits geringer als in der Stärke. Im Vergleich zur Stärkediät wurden Milchleistung und Lactoseabgabe durch die Fettdiät signifikant (P<0,05) erhöht. Das Milchfett war geringer, das ausgeatmete CO 2 jedoch höher mit 13 C angereichert (P<0,05). Das bedeutet, dass die Fettsäuren der Diät bevorzugt in das Milchfett eingebaut und

2 2 nicht für die Energiegewinnung oxidiert werden. Weitere Untersuchungen zeigten, dass unter der Fettdiät Blutglucose zu einem signifikant geringeren Ausmaß oxidiert und zu einem höheren Anteil für die Lactosesynthese herangezogen wird. Die Eintrittsrate von Glucose in den Stoffwechselpool der Kuh wurde durch die Diät nicht beeinflusst. Es wird gefolgert, dass die Fettsäuren der Diät einen Glucosespareffekt ausüben und die Glucoseversorgung der Milchdrüse verbessern. VOIGT, J., GAAFAR, K., KANITZ, W., PRECHT, D., BECKER, F., SCHNEIDER, F., SPITSCHAK, M., SCHÖNHUSEN, U., JUNGHANS, P., ASCHENBACH, J.R., GÄBEL, G. Utilization of glucose and long chain fatty acids in lactating dairy cows fed a fat enriched diet. Dtsch. tierärztl. Wschr. 112 (2005) Summary The fate of carbon from long chain fatty acids and glucose in dairy cows which were fed with protected fat was studied using stable isotope technique. The experiment was carried out on two groups of dairy cows (n= 16 in each group) during the first 15 weeks of the lactation period. The cows were fed isoenergetic and isoproteinogenous diets based on corn silage. About 1.8 kg of tapioca starch in the diet of the starch group was substituted by about 0.7 kg of rumen protected fat (Ca salts of palm oil and soybean oil) in the diet of the fat group. The carbon atoms of dietary fat were naturally depleted in 13 C as compared to carbon atoms of starch. Daily milk performance and lactose output were significantly (P<0.05) higher among the cows fed with fat diet. In comparison to the starch group, the enrichment of milk fat with 13 C was significantly lower, while that of breath CO 2 was significantly higher in the fat group (P<0.05). This means the fatty acids were incorporated into milk fat in preference to metabolic oxidation. Further studies showed that blood glucose is oxidized to a lower extent and is used for the synthesis of lactose to a higher proportion if the cows were fed with the fat

3 3 diet. The glucose entry rate into the body glucose pool was not different between the diets. In conclusion, the dietary fatty acids perform a glucose sparing effect and improve the glucose supply for the mammary gland. Key words: Glucose; rumen protected fat; dairy cattle; 13C; Einleitung Die Energieversorgung der hochleistenden Milchkuh ist die entscheidende Größe für das erreichte Leistungsniveau. Der Energiebedarf wird in vielen energetischen Bewertungssystemen als Nettoenergie-Laktation (NEL) ausgewiesen und leitet sich von der umsetzbaren Energie (ME) ab. Für die ME gilt das Gesetz der energetischen Isodynamie der Nährstoffe nach RUBNER (1883). Danach können sich die verdaulichen Nährstoffe gegenseitig energetisch ersetzen. Stofflich ist das nur bedingt der Fall. Aus langkettigen Fettsäuren kann keine Glucose synthetisiert werden. Für spezifische Produktionsleistungen ist deshalb die Natur des energetischen Substrates bedeutsam. So ist für die Milchsynthese Glucose essentiell. Die produzierte Milchmenge steht in einem funktionellen Zusammenhang mit der verfügbaren Glucose in der Milchdrüse, da die osmotische Regulation der Wasseraufnahme im Lumen des Golgi-Apparates vorwiegend durch die aus Glucose synthetisierte Lactose reguliert wird. In Versuchen, in denen unter isoenergetischen Bedingungen durch postruminale Glucoseinfusionen der Glucoseeintritt in den Stoffwechselpool erhöht wurde, stiegen die Milchleistung und Lactosesynthese signifikant an (HURTAUD et al., 2000; RIGOUT et al., 2002). Intraruminal infundierte Propionsäure als Hauptsubstrat der Gluconeogenese wirkt ähnlich (RIGOUT et al., 2003). Die Erhöhung der Propionsäurebildung im Pansen und/oder der Glucoseabsorption im Dünndarm durch die Erhöhung des Gehaltes an Stärke bzw. durch die Erhöhung des Anteils pansenresistenter Stärke in der Ration stößt auf physiologische Grenzen; hohe Stärkegehalte können zur Pansenacidose führen und das Verdauungsvermögen des kleinen Intestinums für

4 4 Stärke ist begrenzt. Aus diesem Grund und infolge der hohen Energiedichte besitzt die Einbeziehung von pansengeschütztem Fett in die Milchkuhfütterung zunehmendes Interesse. Dabei hat sich gezeigt, dass durch derartige Rationen die Milchleistung signifikant erhöht werden kann (DRACKLEY et al., 2002). Dieser Effekt kann nur dadurch erklärt werden, dass langkettige Fettsäuren im Stoffwechsel der Kuh eine glucosesparende Wirkung ausüben. Die durchgeführten Untersuchungen hatten das Ziel, diese These zu belegen. Material Zwei Gruppen zu je 16 Holstein-Milchkühen erhielten in den ersten 15 Laktationswochen isoenergetische und isoproteinogene Rationen auf der Basis von Maissilage, Grassilage und Konzentrat. In der Konzentratmischung der Fettgruppe waren 1,77 kg Tapiokastärke der Stärkegruppe durch 0,73 kg pansengeschütztes Fett (überwiegend Ca-Salze der Fettsäuren von Palmfett und Sojaöl) ersetzt. Die Nährstoffeinnahme ist in der Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1: Nährstoffaufnahme der Kühe in der 2. bis 15. Laktationswoche. Stärkediät Fettdiät SEM 2 P 3 n = 15 1 n = 16 Tr.-Subst., kg Kuh d -1 20,82 20,11 1,55 0,214 Rohfaser, kg Kuh d -1 2,90 3,04 0,26 0,155 Stärke, kg Kuh d -1 4,94 3,17 0,60 <0,001 Rohfett, kg Kuh d -1 0,54 1,27 0,10 <0,001 Nutzbares Protein 4, kg Kuh d -1 3,30 3,42 0,20 0,189 NEL 4, MJ Kuh d ,7 148,6 11,5 0,497 1 Eine Kuh fiel infolge Klauenprobleme aus; 2 Standardfehler des Mittelwertes (ANOVA); 3 t-test für unabhängige Stichproben; 4 Berechnet (GfE, 2001) Es wurden wöchentlich Blut- und Milchproben entnommen. Bei 8 weiteren Kühen wurde in der 6. bis 10. Laktationswoche die Ausscheidung von 13 C in Milchbestandteilen und im ausgeatmeten CO 2 nach einmaliger i. v. Gabe von D-[U- 13 C 6 ]Glucose verfolgt. Aus der Abnahme der Tracerkonzentration im Plasma nach der Applikation wurden Poolgröße und Glucoseeintrittsrate in den Glucosepool berechnet. Die Ergebnisse wurden durch eine

5 5 einfaktorielle ANOVA analysiert und Differenzen mit t-tests bei zweiseitiger Alternative auf Signifikanz geprüft. Ergebnisse Die Kühe erreichten erst nach der 13. Laktationswoche eine ausgeglichene energetische Bilanz. Ihre Milchleistung und die sezernierten Milchinhaltsstoffe zwischen der 4. und 14. Laktationswoche sind in der Tab. 2 aufgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den Austausch von Stärke durch Fett die Milchleistung und der Austrag an Lactose signifikant angestiegen sind. Tabelle 2: Milchleistung und Milchinhaltsstoffe bei partiellem Austausch von Stärke durch geschütztes Fett in der Ration der Kühe in der 4. bis 14. Laktationswoche. Diät Leistung Stärke (n = 15) Fett (n = 16) SEM 1 P 2 Milch, kg/d 39,15 42,76 4,26 0,026 Fett, g/d ,904 Protein, g/d ,756 Lactose, g/d ,032 1 Standdardfehler des Mittelwertes (ANOVA); 2 t-test für unabhängige Stichproben Die in der Tab. 3 aufgeführten Blutparameter belegen, dass bei in der Tendenz vermindertem Glucosespiegel der Insulinspiegel signifikant reduziert und die Gehalte an ß-Hydroxybutyrat und den unveresterten Fettsäuren signifikant erhöht sind. Tabelle 3: Mittlere Konzentrationen von Glucose, Insulin, ß-Hydroxybutyrat und unveresterten Fettsäuren (NEFA) im Blutplasma in der 1. bis 15. Laktationswoche. Diet Stärke (n = 15) Fett (n = 16) SEM 1 P 2 Glucose, mmol/l 3,20 2,83 0,60 0,080 Insulin, µu/ml 14,76 11,55 3,23 0,010 ß-Hydroxybutyrat, mmol/l 1,16 1,91 0,51 < 0,001 NEFA, µmol/l ,7 0,006 1 Standardfehler des Mittelwertes (ANOVA);. 2 t-test für unabhängige Stichproben

6 6 In den Abb. 1 und 2 sind die Ergebnisse der Kohlenstoff-Isotopenmessungen enthalten. Damit sollte der Verbleib des Kohlenstoffs aus den langkettigen Fettsäuren verfolgt werden. Das ist möglich, da der Kohlenstoff der Fettsäuren im Vergleich zu dem der Stärke an 13 C abgereichert ist, also geringere 13 C-Werte besitzt. Der 13 C-Gehalt in einzelnen Milchfraktionen der Fettgruppe ist in Relation zu den Gehaltswerten der Stärkegruppe dargestellt. Wenn zwischen den Gruppen keine Differenz bestünde, wären Werte um null zu erwarten. Das bedeutet, dass kein Einbau von Kohlenstoff aus den Fettsäuren erfolgt. Das ist, mit Ausnahme der Messung in der 15. Laktationswoche, für Lactose und Casein der Fall (Abb. 1). Anders sieht es beim Milchfett aus. Die signifikant geringere Anreicherung mit 13 C in der Fettgruppe zeigt, dass das Futterfett für die Milchfettsynthese herangezogen wird. Überraschenderweise ist der Kohlenstoff im ausgeatmeten CO 2 in der Fettgruppe höher mit 13 C als in der Kontrollgruppe angereichert (Abb. 2). Daraus folgt, dass die Tiere der Fettgruppe zur Energiegewinnung nicht Fett sondern bevorzugt Substrate mit höherer 13 C- Anreicherung oxidieren. Glucose gehört nicht zu diesen Substraten. Die 13 C-Excesswerte im CO 2 nach i. v. Infusion von D-[U- 13 C 6 ]-Glucose sind in der Fettgruppe signifikant geringer als in der Stärkegruppe. (Abb. 3). Demgegenüber ist der 13 C-Einbau in Lactose in der Fettgruppe in der Tendenz erhöht (Tab. 4). Tabelle 4: Wiederfindung von 13 C in Milchfraktionen innerhalb von 72 h nach einmaliger i. v. 13 C-Glucosegabe (% der Dosis; n = 8). Diet Fraktion Stärke Fett SEM 1 P 2 Lactose 42,7 57,6 14,9 0,065 Fett 11,3 9,3 9,8 0,696 Casein 0,8 2,9 3,8 0,295 1 Standardfehler des Mittelwertes (einfaktorielle ANOVA); 2 t-test für abhängige Stichproben Die Gesamtmasse der im Körper vorliegenden Glucose (Glucosepool) ist bei der Fettdiät im Vergleich zur Stärkediät signifikant vermindert. Die mittlere Verweilzeit der Glucose im

7 7 Körper ist geringer. Demgegenüber besteht in der Masse an Glucose, die den Pool täglich durchfließt (Flux, Glucoseeintritt) zwischen beiden Gruppen keine Differenz (Tab. 5). Tabelle 5: Glucoseumsatz (n = 8). Diät Stärke Fett SEM 1 P 2 Glucosepool, g 100,3 67,0 21,5 0,008 Glucoseeintritt, kg/d 2,86 2,98 0,51 0,669 Verweilzeit, min 51,5 33,7 12,8 0,015 1 Standardfehler des Mittelwertes (ANOVA); 2 t-test für abhängige Stichproben Diskussion Die erhöhte Lactoseabgabe in die Milch in der Fettgruppe weist darauf hin, dass die Glucoseversorgung des Euters dieser Kühe gegenüber denen der Kontrollgruppe nicht vermindert, sondern verbessert ist. Da diese Tiere jedoch signifikant weniger glucogene Komponenten mit der Ration aufgenommen haben, kann der hypothetisierte glucosesparende Effekt des Fettes dafür als Ursache angesehen werden. Das Fett ist offensichtlich nur zu einem geringen Ausmaß an den Oxydationsvorgängen beteiligt und erübrigt durch seinen Einbau in das Milchfett teilweise die de novo-synthese der Fettsäuren im Euter. Die dadurch bedinge signifikante Veränderung des Fettsäuremusters wurde bereits in Untersuchungen durch PRECHT et al. (2001) nachgewiesen. Theoretische Betrachtungen (VOIGT, 1980; BERGNER und HOFFMANN, 1996) zeigen, dass die verfütterten 730 g Fettsäuren infolge des nicht erforderlichen NADPH für die Fettsäuresynthese in der Milchdrüse 780 g Glucose einsparen und die 1,77 kg Stärke in der Kontrollration 710 g Glucose liefern können. Die theoretisch um 70 g höhere Glucoseverfügbarkeit erklärt die gesteigerte Lactosesynthese von 170 g/d nur anteilig. Da der Glucoseflux durch die Fütterung nicht beeinflusst wurde, ist davon auszugehen, dass die Gluconeogenese in der Fettgruppe nicht vermindert war. Die mit der Fettfütterung verbundene metabolische Stoffwechsellage, gekennzeichnet durch einen geringeren

8 8 Insulinspiegel und einen erhöhten Gehalt an ß-Hydroxybutyrat, bewirkt offensichtlich eine Hemmung der Glucoseverstoffwechselung im Muskel- und Fettgewebe (Abb. 3), so dass die Milchdrüse bevorzugt mit Glucose versorgt werden kann. Durch den ständig erhöhten Export der Glucose über die Lactose in der Milch ist der Glucosepool im Vergleich zur Kontrollfütterung erniedrigt und die Geschwindigkeit des Glucoseumschlags erhöht. Es ist zu folgern, dass die Milchkuh in der Phase der negativen Energiebilanz die langkettigen Fettsäuren der Diät vorwiegend für die Milchfettsynthese und nicht für die oxidative Energiegewinnung nutzt. Die damit verbundene Einsparung an Glucose ermöglicht eine verbesserte Versorgung der Milchdrüse mit Glucose für die Lactosebildung. Hinzu kommt, dass die Glucoseaufnahme in die oxidierenden Gewebe aufgrund der niedrigeren Glucoseund vor allem Insulinspiegel im Plasma offensichtlich erschwert ist, wodurch die Insulinunabhängige Aufnahme von Glucose in die Milchdrüse profitieren kann. Literatur BERGNER, H., HOFFMANN, L. (1996): Bioenergetik und Stoffproduktion landwirtschaftlicher Nutztiere. OPA, Harwood Academic Publishers, Amsterdam, 382 S. DRACKLEY, J. K., CICELA, T. M., LACOUNT, D. W. (2003): Responses of primiparous and multiparous holstein cows to additional energy from fat or concentrate during summer. J. Dairy Sci. 86, GfE. Gesellschaft für Ernährungsphysiologie. Empfehlungen zur Energie- und Nährstoffversorgung der Milchkühe und Aufzuchtrinder. (2001): DLG-Verlag, Frankfurt HURTAUD, C., LEMOSQUET, S., RULQUIN, H. (2000): Effect of graded duodenal infusions of glucose on yield and composition of milk from dairy cows. 2. Diets based on grass silage. J. Dairy Sci. 83,

9 9 PRECHT, D., VOIGT, J., HAGEMEISTER, H., KANITZ, W. (2001): The influence of dietary rumen-protected linoleic acid on milk fat composition, spreadability of butter and energy balance in dairy cows. Eur. J. Lipid Sci. Technol. 103, RIGOUT, S., LEMOSQUET, S., EYS, VAN J. E., BLUM, J. W., RULQUIN, H. (2002): Duodenal glucose increases glucose fluxes and lactose synthesis in grass silage-fed dairy cows. J. Dairy Sci. 85, RIGOUT, S., HURTAUD, C., LEMOSQUET, S., BACH, A., RULQUIN, H. (2003): Lactational effect of propionic acid and duodenal glucose in cows. J. Dairy Sci. 86, RUBNER, M., 1883: Zit. nach EncycloMedica. Medizinische Datenbank. Urban & Fischer, Voigt, J. (1980): Die Wirkung von NaOH-behandeltem Getreidestroh auf die Höhe und den Ort der Verdauung von Rohzellulose und Stärke bei der Milchkuh. Arch. Anim Nutr. 30, Adresse für Korrespondenz: J. Voigt, Forschungsinstitut für die Biologie landwirtschaftlicher Nutztiere, Wilhelm-Stahl-Allee 2, D Dummerstorf.

10 10 Legenden Abbildung 1: 13 C-Anreicherung in Fett, Lactose und Casein der Milch in der Fettgruppe in Relation zur Anreicherung in der Stärkegruppe (Erläuterung im Text). Mittelwerte mit Standardfehler. Signifikant verschieden zu null (P<0,05, Einstichproben-t-Test ). Abbildung 2: 13 C-Anreicherung im ausgeatmeten CO 2 der Kühe der Fettgruppe in Relation zur Anreicherung in der Stärkegruppe. Mittelwerte mit Standardfehler. Signifikant verschieden zu null (P<0,05, Einstichproben-t-Test). Abbildung 3: 13 C-Exzess im ausgeatmeten CO 2 der Kühe beider Versuchsgruppen nach i. v. Infusion von D-[U- 13 C 6 ]Glucose. Mittelwerte mit Standardfehler. Signifikante Differenz zwischen beiden Diäten (P<0,05, t-test für abhängige Stichproben).

11 11 Abbildung Fett C-Anreicherung [ δ- ] Lactose Casein Laktationswochen

12 12 Abbildung C-Anreicherung [ δ- ] Laktationswochen

13 13 Abbildung 3 10 Stärke Fett 13 C-Exzess [ δ- ] C-Glucose-Infusion Zeit [min]