Aufgaben der Tierernährung Der Anteil der tierischen Erzeugnisse am Gesamterlös der Landwirtschaft betrug im Mittel der letzten Jahre 75 %. Dies zeigt, dass der größte Teil der landwirtschaft lich angebauten Früchte über den Tiermagen veredelt wird. Während nahezu die gesamte Nahrung für Rinder und Schafe für die menschli che Nahrung nicht direkt geeignet ist, können etwa 60 % der an Geflügel, Schwei ne und Mastkälber verabreichten Futtermittel auch vom Menschen verzehrt wer den. Früher setzte sich die Tierernährung vor allem zum Ziel, die tierische Produktion im Sinne einer besseren Ausnutzung von Futtermitteln zu intensivieren, dagegen rückte in den letzten Jahrzehnten zunehmend die Qualität tierischer Erzeugnisse in den Vordergrund. Da die tierischen Produkte der menschlichen Ernährung dienen, müssen sie auch frei von Schadstoffen sein. Diese Schadstofffreiheit muss auch für Futtermittel gewährleistet sein. Nur so kann der Verbraucher in seiner Gesundheit geschützt, aber auch der praktische Landwirt vor ökonomischen Einbußen bewahrt werden. Der Qualitätsbegriff umfasst neben der möglichst rückstandsfreien Erzeugung tierischer Produkte auch die Herstellung eines gesundheitlich einwandfreien und ernährungsphysiologisch wertvollen Produktes mit geschmacklicher Güte sowie die Produktion in Art-gerechten Betrieben bei möglichst geringer Umweltbelastung. Um dem Umweltaspekt mehr gerecht zu werden, muss die Tierernährung deutlich nachhaltiger und ökologischer gestaltet werden. Daher ist es auch Aufgabe der Tierernährungsforschung, Fütterungskonzepte zu entwickeln, die mit einer möglichst niedrigen Ausscheidung an umweltbelastenden Stoffen einhergehen. Bezüglich dieser Forderung sind in den letzten Jahrzehnten viele Strategien entwickelt und umgesetzt worden, nicht zuletzt, weil sie auch ökonomisch sinnvoll sind. Ökologisch handeln bedeutet aber auch, die Umwelt über die eigenen Landesgrenzen hinaus zu schonen. Durch die erfreuliche Zunahme des Wohlstandes in vielen Ländern der Erde werden auch immer mehr Lebensmittel tierischen Ursprungs verzehrt. Vielfach werden dazu aber Tropenwälder gerodet, um die Flächen für Rinderweiden und den Sojaanbau zu vergrößern. Unsere Massentierhaltung wäre derzeit ohne Futtermittel, die auf ehemaligen Tropenwaldflächen erzeugt wurden, nicht möglich. Zwar sind für eine vollwertige Ernährung des Menschen geringe Mengen tierischer Lebensmittel durchaus sehr wünschenswert, der Verbrauch an Rind- und Schweinefleisch liegt jedoch vielfach bereits über einem gesundheitlich verträglichen Maß. Eine Reduktion des Verzehrs tierischer Produkte würde somit nicht nur der Umwelt, sondern auch der Gesundheit des Verbrauchers zugutekommen. Andererseits bedarf es auch forschungsseitig Lösungen, um dem gegenwärtig gewaltigen Strom an Nährstoffen aus den Tropen und Subtropen nach Europa entgegenzuwirken. Die Sojapflanze ist durch den hohen Anteil an Eiweiß und dessen Qualität ein derzeit unverzichtbarer Bestandteil in der Fütterung monogastrischer Nutztiere. Einheimische Nutzpflanzen erfüllen diese Kriterien meist nicht. Die Umweltbelastung könnte deutlich reduziert werden, wenn die Pflanzenwissenschaften ihre Bemühungen, den Ertrag zu steigern, verstärkt auf eine für Mensch und Tier bedarfsgerechtere Zusammensetzung von Pflan- 17
Aufgaben der Tierernährung zenproteinen ausrichten würden. Dies gilt vor allem für die Hauptnutzpflanzen Mais, Reis und Weizen. Da sich die Bevölkerung in Südamerika vorwiegend mit Mais und die Bevölkerung in Asien vor allem mit Reis ernährt, käme dies dem Bestreben, eine vollwertige Ernährung auch des Menschen zu erreichen, deutlich näher. Mit Grundnahrungsmitteln und Futter, die eine ideale Proteinzusammensetzung aufweisen, käme man auch mit deutlich weniger Eiweiß in der Ernährung von Mensch und Tier aus. Dies würde die Stickstoffausscheidung minimieren, den Sojastrom aus den Tropen und Subtropen eindämmen und damit in erheblichem Maße auch die Umwelt schonen. Der Tierernährung kommt damit eine Vielfalt von Aufgaben zu. Primäres Ziel der Ernährung ist es jedoch, den ständigen Verbrauch an Nährstoffen und Energie, die jeder tierische Organismus hat, über die Nahrung zuzuführen. Dieser Stoff- und Energiewechsel ist Kriterium für alle Lebensvorgänge. Die Pflanzen liefern über den Weg der Photosynthese größtenteils die für das Tier notwendigen organischen Verbindungen wie Kohlenhydrate, Proteine, Fett und Vitamine. Daneben braucht das Tier, ebenso wie die Pflanze, gewisse anorganische Substanzen. Erst dann kann der tierische Organismus wachsen, körpereigene Substanzen aufbauen bzw. erneuern und Produkte wie Milch und Eier bilden. Zusätzliche Qualität kann über variierende Kompositionen der Futterbestandteile, Futtermittelkontrolle und Haltungsbedingungen erlangt werden. Dieser Zusammenhang zwischen der Nahrung und den Lebensäußerungen ist der Bereich der Ernährung. Nur mit naturwissenschaftlichen Methoden lassen sich diese Vorgänge erforschen. Praktische Fütterungsversuche dürfen streng genom men nicht ohne weiteres verallgemeinert werden. Echte Fortschritte sind deshalb in der Tierernährung besonders durch Grundlagenforschung möglich. Die Grund lagen der Ernährung reichen aber von der Chemie und Biochemie bis zur Anato mie, Physiologie, Mikrobiologie, Immunologie, Technologie und Genetik der Pflan ze und des Tieres. Obgleich das landwirtschaftliche Nutztier im Mittelpunkt der Tierernährungsforschung steht, müssen viele grundlegende Fragen vor allem zur Stoffwechselphysiologie auch an Labortieren erforscht werden. Hierzu ist auch die Entwicklung neuer und immer genauerer Analysenverfahren notwendig, die eine Erforschung bis hin zu molekularen Vorgängen auf Zellebene möglich macht. Übertragbar auf das landwirtschaftliche Nutztier sind die gewonnenen Erkenntnisse beim Labortier aber nur dann, wenn sie auch an der jeweiligen Nutztierspezies verifiziert werden. Dies gilt immer, unabhängig welches System in der Fütterung angestrebt wird und natürlich auch für ökologische Belange. Die Erforschung solcher Grundlagen ist meist nur in Wechselbeziehung zu den anderen Disziplinen möglich. Ziel aller Forschungsbemühungen muss am Ende die Gesundheit des Tieres sowie die Erzeugung qualitativ hochwertiger tierischer Produkte sein. Das Gebiet spannt sich weit, der möglichen Irrtümer sind viele. Mancher popu läre Artikel über Fütterungsprobleme ist falsch oder verwirrend. Die erste Voraus setzung für eine rationelle und gezielte Fütterung ist deswegen die Kenntnis der Grundlagen. Im Folgenden sollen deshalb zunächst die wichtigsten Grundlagen der Tierernährung und anschließend die entsprechenden Fütterungshinweise behan delt werden. Das Einkommen eines Betriebes wird nämlich durch rationelle und zweckmäßige Tierernährung wesentlich beeinflusst, zumal der Anteil der Futterko sten bei den verschiedenen Nutzungsformen die Hälfte bis zu zwei Drittel der Gesamtkosten ausmacht. 18
1 Zusammensetzung von Nahrung und Tier
1 Zusammensetzung von Nahrung und Tier Der größte Teil der tierischen Nahrung stammt aus Pflanzen sowie Rückständen verarbeite ter pflanzlicher Produkte. Die darin enthaltenen Stoffe ermöglichen dem Tier seine Lebensäußerungen und den Aufbau von tierischem Gewebe. Wir nennen diese Stoffe Nährstoffe. Bislang sind über 50 verschiedene Nährstoffe bekannt. Die Nährstoffe sind in den verschiedensten Futtermitteln in mehr oder weniger konzentrierter, gut verdaulicher oder bedingt durch hohe Mengen Gerüstsubstanzen in schlecht zu verdauender Form enthalten. Grundsätzlich sind in der Nahrung dieselben Substanzklassen vertreten wie sie auch im Tierkörper vorkommen: Wasser, Eiweiß, Fette, Kohlenhydrate, Vitamine und Mineralstoffe. Der Unterschied zwischen Tier und Nahrung liegt in der verschiedenen Zusammensetzung dieser Substanzen wie auch in den Mengen, in denen die einzelnen Stoffe vorkommen. In Pflanzen variieren die Gehalte an verschiedenen Nährstoffen sehr stark. Im Allgemeinen überwiegt der Anteil an Kohlenhydraten, die der Pflanze als Energiereserve dienen. Der Gehalt des tierischen Organismus an Kohlenhydraten ist dagegen sehr gering. Er beträgt weniger als 1 %. Im Tier werden zugeführte Kohlenhydrate laufend ab- und umgebaut und für energetische Zwecke herangezogen. Überschüssige Energie wird vom Tier im Wesentlichen in Form von Fett gespeichert. Der Fettgehalt eines jeden Tieres schwankt deshalb sehr stark. Ausgewachsene, normal ernährte Tiere zeigen im Mittel folgende chemische Zusammensetzung: 55 60 % Wasser 15 20 % Eiweiß 18 25 % Fett 3 4,5 % Mineralstoffe Die Zusammensetzung des Körpers variiert jedoch innerhalb einer gewissen Spannbreite, die bestimmt wird von der Tierart, den interindividuellen Unterschieden innerhalb einer Tierspezies, dem Alter und auch dem Ernährungszustand des Tieres. Die verschiedenen Nährstoffe sind nun keineswegs in allen Geweben und Organen gleichmäßig verteilt. Lipide sind Bestandteil aller Zellmembranen, dienen dem mechanischen Schutz innerer Organe (Nieren, Darmgekröse) oder fungieren als Füllgewebe. Als Energiespeicher findet sich das Fett in den Fettdepots sowie unter der Haut. Das Eiweiß ist entsprechend seiner funktionellen und strukturellen Bedeutung in jeder Zelle vorhanden. So enthalten Muskeln, welche ungefähr die Hälfte der gesamten Körpermasse ausmachen, 75 80 % Eiweiß in der Trockenmasse. Mehr als 60 % des Körperwassers befindet sich als sogenannte Intrazellulärflüssigkeit im Inneren der Zellen. Die extrazelluläre Flüssigkeit verteilt sich vor allem auf das Interstitium, während ein kleiner Teil als Blutplasma im Gefäßsystem zirkuliert. Als transzelluläre Flüssigkeit bezeichnet man Wasser in Hohlräumen, wie dem Magen-Darmtrakt, sowie an Oberflächen. Organsysteme enthalten entsprechend ihrer Funktion viel oder nur wenig Wasser (70 80 % in Herz, Niere, Lunge und Muskel; etwa 20 % im Skelett und Fettgewebe). Die geringen Mengen Kohlenhydrate finden sich vornehmlich in der Leber und Skelettmuskulatur. Auch die einzelnen Mineralstoffe zeigen ein typisches Ver teilungsmuster im Körper. 20
Zusammensetzung von Nahrung und Tier Abbildung 1-1 Beziehung zwischen dem Fett- und Wassergehalt des Körpers (Rind) Zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des tierischen Organismus stehen eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung. Die chemische Analyse des Tierkörpers nach der Schlachtung liefert als direktes Messverfahren die umfassendsten Daten, sie ist bei Großtieren (Mastschweine, Mastrinder) aber äußerst aufwendig und erlaubt zudem nur Aussagen über die Zusammensetzung am Ende der Fütterung. Bei Kleintieren (Ratten, Küken, Ferkel) lässt sich dieser Nachteil mit vertretbarem Aufwand dadurch umgehen, dass während eines Fütterungsversuches mehrere zeitlich gestaffelte Schlachtgruppen untersucht werden. Interessiert primär, wie durch eine bestimmte Ernährung die Zusammensetzung des Tierkörpers laufend verändert wird, kann der gesamte Fettansatz eines Tieres über Respirationsversuche kontinuierlich ermittelt werden, der Eiweißansatz über entsprechende Stickstoff-Bilanzversuche. Eine Reihe weiterer Verfahren zur Bestimmung der Körperzusammensetzung am lebenden Organismus umfasst die Messung des Körperwassers mithilfe markierter Substanzen (D 2 O, O 18 ), des Körperkaliums oder der Körperdichte (Tauchversuch), woraus sich insbesondere der Fettgehalt abschätzen lässt. Neuere Methoden betreffen die Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder der elektrischen Impedanz zur Ermittlung von Körperwasser und Körperzellmasse. Auch die in der medizinischen Diag nos tik angewandte Magnetresonanz-Tomographie wird neuerdings zur Bestimmung des Fett-, Protein- und Phosphorgehaltes von Tieren eingesetzt. Für züchterische Belange wird die Veränderung der Dicke des Rückenspecks und die Querschnittsfläche des Rückenmuskels mittels Ultraschall gemessen. Bei allen diesen mehr indirekten Messungen werden meist korrelative Zusammenhänge zwischen Körperbestandteilen für die Beurteilung der Körperzusammensetzung herangezogen. So besteht zwischen der Menge an Wasser und Fett im Tier eine negative Korrelation, d. h. je höher der Fettgehalt ist, um so geringer ist der Wassergehalt und umgekehrt. Das hängt mit dem geringen Wassergehalt des Fettgewebes zusammen. In Abb. 1-1 ist dieser Zusammenhang aufgezeigt. Die Bestimmung des Wassergehaltes des lebenden Tieres ermöglicht somit Rückschlüsse auf den Fettgehalt. Auch auf den Protein- und Aschegehalt lassen sich Rückschlüsse ziehen, da in einem wasser- und fettfreien tierischen Körper annähernd 80 % Eiweiß und 20 % Asche enthalten sind. 21
1 Zusammensetzung von Nahrung und Tier Weender Futtermittelanalyse Aufbau und Erhaltung des Tierkörpers, ebenso wie die Bildung von Fleisch, Milch oder Eiern erfordern die ständige Zufuhr bestimmter Nährstoffe mit dem Futter. Da die Art der zugeführten Nährstoffe überaus bedeutend ist für die genannten Prozesse, wurde bereits 1860 von HENNEBERG und STROHMANN an der landwirtschaftlichen Versuchsstation in Weende bei Göttingen eine Methode zur Analyse der Nährstoffe im Futter entwickelt. Bei diesem relativ einfachen Verfahren werden jedoch nicht alle Nährstofffraktionen ana lytischchemisch bestimmt, sondern einige auch rechnerisch als Differenz ermittelt. Obgleich die Analysentechniken inzwischen deutlich verbessert wurden, wird diese Analysenmethode auch heute noch angewendet. Die Einteilung der Nährstoffe und die mithilfe der Weender- Futtermittelanalyse ermittelbaren Nährstoffgruppen zeigt Übersicht 1-1. Da die Weender- Futtermittelanalyse nur ganz bestimmte Nährstoffgruppen erfasst, sind für die Rationsgestaltung deshalb noch zusätzliche Analysen einzelner Nährstoffe notwendig. Durch ausgereifte Analysenverfahren können heute spezielle Kohlenhydrate, Fette, Amino säuren, Mengen- und Spurenelemente sowie Vitamine und nicht-nutritive Futterbestandteile bestimmt werden. Im Analysengang werden zunächst Wasser und Trockenmasse unterschieden. Die Bestimmung der Trockenmasse einer zerkleinerten Probe erfolgt im Allgemeinen bei vierstündiger Trocknung mit einer Temperatur von 103 C. Da bei dieser Temperatur neben Wasser auch flüchtige Substanzen wie niedermolekulare oder kurzkettige oder flüchtige Fettsäuren, Ammoniak oder ätherische Öle entweichen, ist der Wert des Rohwassers (= Frischmasse Trockenmasse) in der Regel geringfügig höher als der eigentliche Wassergehalt. Für bestimmte Futtermittel wird die Trocknung unter anderen Bedingungen durchgeführt. Getreide, Mehl, Grütze und Grieß werden zwei Stunden bei 130 C getrocknet, für zucker- und fettreiche Futtermittel sowie hydrolisierte Getreideerzeugnisse wird die Trockenmasse im Vakuumtrockenschrank durch vierstündige Trocknung bei 80 85 C ermittelt. Die Trockenmasse umfasst sowohl anorganische als auch organische Stoffe. Die organischen Stoffe werden, da sie vorwiegend aus Kohlenstoff bestehen, durch Veraschung in einem Muffelofen (550 C) verbrannt. Die anorganische Komponente verbleibt bei dieser Verbrennung als Rückstand. Sie wird als Rohasche bezeichnet. Dabei bedeutet die Vorsilbe Roh in den Formeln (abgekürzt als C = crude), dass es sich nicht um die reine Fraktion der jeweiligen Komponenten handelt. Mithilfe dieses Wertes lässt sich der Anteil der organischen Masse (organischen Substanz) an der Trockenmasse errechnen (organische Masse = Trockenmasse Rohasche). Rohprotein wird standardmäßig nach der Methode von Kjeldahl (Aufschluss mit Schwefelsäure, Destillation und Titration des freigesetzten Ammoniaks) bestimmt. Man erhält hierbei den Stickstoffgehalt der untersuchten Substanz. Ein anderes Verfahren ist die Verbrennungsanalyse, bei der der N-Gehalt nach Verbrennung der Probe mithilfe von Detektoren (Wärmeleitfähigkeit) ermittelt wird. Da Eiweiß 16 % Stickstoff enthält, wird dieser Wert mit 6,25 multipliziert, um den Rohproteingehalt der Ausgangssubstanz zu erhalten. Allerdings sind im Eiweiß der Nahrung nur im Mittel 16 % Stickstoff enthalten, einzelne Futtermittel können davon stärker abweichen. So weist das Eiweiß des Weizens 17,5 % Stickstoff auf, was einem Faktor von 5,71 entspricht. Trotz solcher Schwankungen verwendet man gesonderte Proteinumrechnungsfaktoren nur für Milchprodukte (6,37) und für Kollagen und Hautprodukte (5,55). Da Rohprotein neben den eigentlichen Eiweißkörpern, den Proteinen, auch andere N -haltige Stoffe enthält (Übersicht 1-1), wurde von STUTZER und BARNSTEIN eine Methode zur Bestimmung des Reineiweißes entwickelt. Im Prinzip beruht dieses Verfahren 22
Zusammensetzung von Nahrung und Tier Übersicht 1-1 Die chemische Zusammensetzung von Tier und Nahrung Tier oder Nahrung Rohwasser Trockenmasse Rohasche (Anorganische Stoffe) Organische Substanz Reinasche Mengen- und Spurenelemente Sand Ton Rohprotein Rohfett Rohfaser N-freie Extraktstoffe Amide Reineiweiß Säureamide freie Aminosäuren einfache Peptide N-haltige Glykoside Betain Xanthin Guanin u. a. Triglyceride Phosphatide Cerebroside Sterine Wachse Chlorophyll Carotine Xanthophyll Ätherische Öle Organische Säuren u. a. Cellulose Pentosane Lignin Suberin Cutin Zucker aller Art Stärke Glykogen Inulin Hemicellulosen Pektine u. a. (auch die löslichen Anteile von Cellulose, Pentosanen, Lignin) durch Analyse erfasst aus der Differenz errechnet 23