Diss. ETH No. 15210 VITAMINE AND ein DIETS FOR GROWING PIGS IMPACT ON PERFORMANCE, QUALITY TRAITS AND PARAMETERS OF OXIDATIVE STABILITY IN DIGESTA, BLOOD AND SELECTED TISSUES A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH for the degree of Doctor of Natural Seiences presented by Barbara Eichenberger Dipl. Ing.-Agr. ETH born May 16, 1973 citizen of Beinwil am See AG accepted on the recommendation of Prof. Dr. C. Wenk, examiner Prof. Dr. H. P. Pfirter, co-examiner Dr. S. Gebert, co-examiner Zürich 2003
SUMMARY SUMMARY Both vitamin E and C have antioxidative properties. While the lipid-soluble vitamin E is essential for pigs, as for all other farm animals, the water-soluble vitamin C can be synthesised in liver. Several studies suggested that both vitamins act synergistically since vitamin C regenerates tocopheryl radicals and the resulting vitamin E can act again as an antioxidant or be stored. In the present study the impact of dietary vitamin E and C on performance of pigs, quality traits and parameters of oxidative stability in digesta, blood and selected tissues was investigated. In addition, the influence of storage time on quality traits and antioxidative stability in meat (m. longissimus dorsi) was examined. The aim of the first experiment was to investigate the influence and possible interaction of vitamin E and C supplementation on contents of both vitamins in blood and digesta of growing pigs and on the digestibility of energy and vitamin E in different parts of the gastrointestinal tract. For that 12 Large White barrows (66 kg until 92 kg BW) were allotted to four different feeding treatments: Basal diet (B), + 200 mg/kg dl-a-tocopherylacetate (E), + 300 mg/kg crystalline ascorbic acid (C) or both (EC). Dietary vitamin E led to increased (P < 0.005) vitamin E concentrations in plasma, whereas time of sampling (l h before or 3 h after feeding) had no influence on the level. After an experimental period of 4 weeks, plasma content of vitamin C was increased (P < 0.05) in the supplemented groups. Levels of ascorbic acid were higher after feeding than before. Other measured blood parameters were not affected by treatments. Digesta vitamin E content was positively influenced due to diets (P < 0.001). In addition, in all investigated parts of the intestine vitamin E was increased in treatment C. Fed ascorbic acid had no significant effect on vitamin C content in digesta; only in the stornach some positive tendencies could be found. The vitamin supplementation led to lower susceptibility for oxidation (TBARS) in ileum (3.3 mg MDA/kg DM in EC versus 8.9 mg MDA/kg DM in B; P < 0.005), caecum and colon. In the second experiment 40 barrows (Large White) were fed with the same diets, as used in the first experiment, from 25 kg until 106 kg BW to investigate growth performance, content of both vitamins and oxidative stability of different tissues. Both growth performance of the pigs and carcass characteristics were not affected by treatments. Dietary vitamin E supple- - 1 -
SUMMARY mentation had a significant effect on vitamin E and a-tocopherol content in all investigated tissues, whereas backfat outer layer, liver, spleen, kidney and heart had higher levels than m. longissimus dorsi and harn. Except for harn some synergistic action between dietary vitamin C and vitamin E content in tissues could be shown as long as no vitamin E was supplemented. Correlations between the levels of the two vitamins were positive for kidney (r = 0.169), m. longissimus dorsi (r =0.499) and harn (r =0.361) and negative for heart (r =- 0.350). In liver and spleen no interaction could be found. The vitamin C concentration and TBARS were increased or at least equal in all tissues due to dietary ascorbic acid. Dietary a-tocopherol supplementation resulted in lower TBARS in backfat outer layer (0.35 mg MDAfkg in B versus 0.28 mg MDAfkg in E), but increased in heart and harn. In treatment EC TBARS were lower in m. longissimus dorsi and backfat outer layer, equal in heart and higher in liver and harn compared to treatment e. In backfat outer layer vitamin E was positively correlated with rancimat induction time (r =0.550) and negatively with TBARS (r =-0.202), indicating a better oxidative stability. The third experiment was carried out with 40 pigs (barrows, Large White) allocated to four cereal-based diets (13.4 MJ/kg DE, 168 g/kg CP, + 140 mg/kg dl-a-tocopherylacetate) which were supplemented with 0, 100, 200 or 400 mg/kg crystalline ascorbic acid. The points of interest focused on interactions of vitamin E, C and oxidative stability in various tissues and the additional influence of storage time in m. longissimus dorsi. DM, vitamin E, vitamin C and TBARS were analysed in all investigated tissues and in addition colour (L, a and b values) and drip loss in m. longissimus dorsi at day 0, 1, 2, 3, 4 and 8 and vitamin E content and TBARS in homogenised muscle at day 0, 2, 4 and 8 respectively. Sampies were stored in darkness at + 4 "C, The treatments did not influence growth performance and slaughter data of the pigs. In heart, liver and spleen dietary ascorbic acid led to increased vitamin E content, whereas in m. longissimus dorsi and backfat outer layer lower levels were detected. As a consequence, TBARS of backfat outer layer were mostly increased in the 400 mg-diet. But in liver and spleen, TBARS did not differ between the basal and the 400 mg-diet, although the vitamin E concentration was increased in the latter. Colour parameters and drip loss (9 th rib, 111. longissimus dorsi), but also vitamin E concentration and TBARS of homogenised m. longissimus dorsi decreased during storage and were only affected by time. The lower TBARS (better oxidative stability) was surprising, as normally lower stability is expected with declining tocopherollevels. - 2 -
SUMMARY In the fourth experiment some pigs of a Danish breed line, which are not able to synthesise vitamin C, were used. They are dependent on dietary sourees. The objective of the fourth experiment was to examine the influence of different vitamin C supplementation on vitamin E and C content and on oxidative stability of plasma, digesta of stornach and ileum and liver and m. longissimus dorsi sampies of vitamin C deficient pigs. The animals (n =7) were fed from 43 to 104 kg BW with a diet (cereals, extracted soybean meal, 240 mg dl-utocopherylacetate) allotted to 3 treatments: + 100 mg/kg, + 200 mg/kg or + 400 mg/kg crystalline ascorbic acid. Both plasma levels of vitamin E and C were increased 3 h after feeding but not I h before. Haematocrit and haemoglobin contents were influenced in the same manner but were above of a critical low value at every time. With increasing dietary vitamin C supplementation vitamin E contents in plasma, stomaeh, faeces and tissue sampies were decreased even though all treatments had the same tocopherol supplementation. A positive effeet on vitamin C content due to ascorbic acid supply could be demonstrated in all investigated sampies. The addition with 200 mg vitamin C resulted in decreased TBARS compared to the 100 mg-diet in stomaeh, ileal digesta and m. longissimus dorsi while the high ascorbic acid feed (400 mg) led to higher susceptibility for oxidation. In contrast, in liver sampies TBARS were decreased when pigs were fed with 400 ppm ascorbic acid and in faeces sampies the oxidative stability was decreased (higher TBARS) with increasing dietary vitamin C. - 3 -
ZUSAMMENFASSUNG ZUSAMMENFASSUNG Sowohl Vitamin E wie auch Vitamin C weisen eine antioxidative Wirkung auf. Während das fettlösliche Vitamin E für alle Nutztiere, so auch für das Schwein, essentiell ist, kann das wasserlösliche Vitamin C durch das Schwein selber in der Leber synthetisiert werden. Verschiedene Studien haben eine synergistische Wirkung der beiden Antioxidantien aufgezeigt. Dabei regeneriert Vitamin C Tocopherol-Radikale und das so wieder hergestellte Vitamin E kann erneut als Antioxidans wirken oder in den Zellmembranen eingelagert werden. Das Ziel der vorliegenden Studie war die Untersuchung eines möglichen Einflusses von Vitamin E und C im Futter für wachsende Schweine. Dazu wurden Wachstumsparameter erhoben wie auch die Wirkung einer Vitaminsupplementierung auf Chymus, Blut und ausgewählte Gewebe hin untersucht. Zusätzlich wurde das Lagerungsverhalten von Magerfleisch (m. longissimus dorsi) bezüglich Tropfsaftverlust, Farbparameter, Vitamingehalt und Oxidationsstabilität beschrieben. Im ersten Versuch wurden 12 Kastraten (66-92 kg LG) auf vier Fütterungsvarianten (Basisration (Variante B); + 200 mg/kg dl-o-tocopherylacetat (Variante E); + 300 mg/kg kristalline Ascorbinsäure (Variante C) oder beide Vitamine (Variante EC) verteilt eingestallt und Blut und Chymusproben aus Magen, Dünndarm, Blinddarm und Dickdarm gesammelt. Der Vitamingehalt, die partielle Verdaulichkeit der Energie und Vitamine, sowie Parameter zur Erfassung der Oxidationsstabilität wurden bestimmt. Die Supplementierung mit Vitamin E führte zu einem erhöhten (P < 0.005) Vitamin E Gehalt im Plasma, wobei der Zeitpunkt der Blutentnahme (l h vor, respektive 3 h nach der letzten Fütterung) keinen Einfluss hatte. Nach einer vierwöchigen Versuchsdauer war der Vitamin C Gehalt in den Proben der supplementierten Tiere (Variante C und EC) erhöht (P < 0.05). Zudem waren die Werte nach der Fütterung auf einem höheren Niveau als eine Stunde vor der Futtergabe. Auch in den Chymusproben wurde der Vitamin E Gehalt hochsignifikant durch die o-tocopherol Zulage im Futter beeinflusst. Durch die alleinige Verfütterung von Ascorbinsäure (Variante C) als Vitaminzusatz konnte der Vitamin E Gehalt in allen Chymusproben erhöht werden. Hingegen hatte die Zulage von Vitamin C keine Auswirkungen auf den Vitamin C Gehalt im Chymus. Lediglich im Mageninhalt war eine leichte Erhöhung feststellbar. Durch die Verfütterung antioxidativ wirksamer Vitamine konnte die Oxidationsanfälligkeit, gemessen als TBARS, im Dünndarm (3.3 mg - 4 -
ZUSAMMENFASSUNG MDA/kg TS in EC versus 8.9 mglkg TS in B; P < 0.05), Blind- und Dickdarm gesenkt werden. Im zweiten Versuch wurde der Einfluss der beiden Antioxidantien auf Mastleistung, Vitamin E und C Gehalt sowie auf die Oxidationsstabilität verschiedener Gewebe untersucht. Dazu wurden 40 Kastraten (Edelschwein) im analogen 2 x 2 Faktoren-Design wie in Experiment 1 von 25-106 kg LG gemästet und anschliessend geschlachtet. Sowohl die Mastleistung wie die Schlachtkörperparameter wurden nicht durch die einzelnen Futtervarianten beeinflusst. Der Gehalt an Gesamt- wie auch u-tocopherol wurde durch die Futtersupplementierung mit Vitamin E signifikant beeinflusst. Dabei lagen die Konzentrationen in der Rückenspeckaussenschicht, Leber, Milz, Niere und im Herz generell auf einem höheren Niveau als im m. longissimus dorsi und Schinken. Mit Ausnahme des Schinkens waren synergistische Effekte zwischen Vitamin E und C feststellbar, sofern kein u-tocopherol gefüttert wurde. Die Korrelation zwischen den beiden Vitaminen war positiv in Niere (r = 0.169), m. longissimus dorsi (r = 0.499) und Schinken (r = 0.361), respektive negativ im Herz (r = -0.350). In der Leber und der Milz konnte keine Beziehung zwischen den beiden Faktoren gefunden werden. Vitamin C Gehalte und TBARS Werte waren aufgrund der Vitamin C Supplementierung des Futters auf gleichem Niveau oder wurden tendenziell erhöht. Die Zulage von «-Tocopherol hatte geringere TBARS (bessere Oxidationsstabilität) in der Rückenspeckaussenschicht zur Folge, während in Herz und Schinken höhere Werte ermittelt wurden. Die Zulage beider Vitamine (Variante EC) führte verglichen mit Variante C zu tieferen TBARS im m. longissimus dorsi und in der Rückenspeckaussenschicht und zu höheren Werten in Leber und Schinken. In der Rückenspeckaussenschicht konnten eine positive Korrelation zwischen Vitamin E Konzentration und Ranzimat Induktionszeit (r = 0.550), respektive eine negative Beziehung zwischen Vitamin E Gehalt und TBARS (r = -0.202) festgestellt werden. Beide Werte lassen auf eine bessere Oxidationsstabilität im Rückenspeck durch die Futtersupplementierung mit Vitamin E schliessen. Das dritte Experiment wurde wiederum mit 40 Kastraten von 25-105 kg LG durchgeführt. Die Tiere wurden mit einem Futter auf Getreidebasis (13.4 MJ/kg VES, 168 g CP, 140 mglkg dl-«-tocopherylacetat) gefüttert, dem 0, 100, 200 oder 400 mglkg kristalline Ascorbinsäure zugesetzt war. Neben dem Einfluss der unterschiedlich hohen Vitamin C Supplementierung auf Wachstumsleistung der Tiere, Vitamingehalt und Oxidationsstabilität verschiedener Ge- - 5 -
ZUSAMMENFASSUNG webe wurde die Auswirkung unterschiedlich langer Lagerung auf ausgewählte Qualitätsparameter in Magerfleischproben untersucht. Zu diesem Zweck wurden m. longissimus dorsi Proben in Dunkelheit bei + 4 C gelagert und Tropfsaftverlust und Farbe (L, a und b Werte) am Tag 0, 1, 2, 3,4, und 8, respektive der Vitamin E Gehalt und die TBARS am Tag 0, 2, 4 und 8 gemessen. Die verschiedenen Futtervarianten zeigten keinen Einfluss auf die Mastleistung der Tiere und die Schlachtkörperqualität. Die Zugabe von Ascorbinsäure führte in Herz, Leber und Milz zu erhöhten Vitamin E Konzentrationen, während der Vitamin E Gehalt im m. longissimus dorsi und in der Rückenspeckaussenschicht sank. Als Folge davon war im Rückenspeck der Tiere in der Variante mit der höchsten Ascorbinsäuresupplementierung verglichen zur Kontrolldiät die geringste Oxidationsstabilität zu beobachten. Im Vergleich dazu waren die TBARS in Leber und Milz nicht verschieden, obwohl in diesen Geweben höhere Vitamin E Konzentrationen in der 400 mg-diät gefunden wurden. Unabhängig von einer Vitamin C Supplementierung sanken Farbparameter, täglicher Tropfsaftverlust wie auch Vitamin E Konzentrationen und TBARS mit zunehmender Lagerungsdauer. Hauptsächlich die abnehmenden TBARS, welche einer besseren Oxidationsstabilität entsprechen, waren unerwartet, da normalerweise von einer Abnahme der Stabilität während der Lagerung ausgegangen werden kann. Der vierte Versuch wurde mit Tieren aus einer dänischen Zuchtlinie, welche durch einen genetischen Defekt kein Vitamin C synthetisieren können, durchgeführt. Sie sind dadurch auf eine Versorgung über das Futter oder das Trinkwasser angewiesen. Dabei wurde der Einfluss unterschiedlich hoher Vitamin C Supplementierungen auf Vitamin E und C Gehalt und TBARS von Chymus, Plasma und Gewebeproben von Vitamin C defizienten Schweinen untersucht. Die Tiere (n =7) wurden mit einer Grundmischung (Getreide, Sojaextraktionsschrot, 240 mg/kg dl-u-tocopherylacetat), der 100, 200 oder 400 mg/kg kristalline Ascorbinsäure zugesetzt war, von 43-104 kg LG gefüttert. Drei Stunden nach der Fütterung waren der Plasma Level sowohl beim Vitamin E wie auch beim Vitamin C erhöht gegenüber dem eine Stunde vor der Fütterung bestimmten Wert. Hämatokrit- und Hämoglobinwerte verhielten sich in gleicher Weise, lagen aber zu keinem Zeitpunkt und in keiner Variante unterhalb der kritischen Marke für wachsende Schweine. Obwohl allen Futtervarianten die gleiche Menge Vitamin E beigegeben war, nahmen die Tocopherol Konzentrationen in Plasma, Magen- und Dünndarmchymus wie auch in Kot und Gewebeproben mit steigender Ascorbinsäureversorgung ab. Jedoch konnte ein positiver Einfluss der Vitamin C Supplementierung auf den Vitamin C Gehalt in allen Proben festgestellt werden. Wurden 200 mg Vitamin C dem Futter bei- - 6 -
ZUSAMMENFASSUNG gemischt, so sanken die TBARS auf ein tieferes Niveau gegenüber der 100 mg-variante in Magen, Dünndarm und m. longissimus dorsi. Wurden 400 mg supplementiert, waren die TBARS auf einem höheren Level, im Gegensatz zu den Leberproben mit den geringsten TBARS in dieser Variante. Im Kot stiegen die TBARS mit zunehmender Vitamin C Supplementierung an. - 7 -