Moderne Entwicklungen in der

Moderne Entwicklungen in der

Futterbewertung von Wiederkäuern

Univ.-Doz. Dr. Leonhard Gruber

LFZ Raumberg-Gumpenstein, Institut für Nutztierforschung

10. Forum angewandte Forschung in der Rinder- und Schweinefütterung 24. und 25. März 2010, Fulda

a = Zellulose

a = Zellulose b = Hemizelluloseb = Hemizellulose c = Zellwandproteinc = Zellwandprotein c a

b

(NULTSCH 2001)

a = Zellulose

a = Zellulose b = Hemizelluloseb = Hemizellulose c = Zellwandproteinc = Zellwandprotein c a

b

(NULTSCH 2001)

c a

b

(NULTSCH 2001)

Übersicht

1. Einleitung

2. Chemische Zusammensetzung der Gerüstsubstanzen 3. Analyse der Gerüstsubstanzen

4. Bedeutung der Gerüstsubstanzen in der Ernährung der Wiederkäuer

- Anwendung im Cornell-System

- Physikalische Regulation der Futteraufnahme durch NDF

- Beurteilung der Wiederkäuergerechtheit durch peNDF

5. Schlussfolgerungen

Einleitung

Grundmechanismen des Stoffwechsels und der Energieumwandlung

O

₂

-produzierende phototrophe Organismen organotrophe aerob atmende Organismen

(SCHLEGEL 1992)

SONNE ENTROPIE

Strahlungs- energie

Biochemische Energie und Wärme und andere

organ. Verbindungen

H

₂

O H

₂

O

C

₆

H

₁₂

O

₆

O

₂

O

₂

CO

₂

[H] [H]

Stoffwechselplan von

Hexosen abbauenden, aerob atmenden Zellen

Fructose-1,6-bisphosphat-Weg 1

Pentosephosphat-Weg 2

2-Keto-3-desoxy-6-phosphogluconat-Weg 3

Tricarbonsäure-Cyclus 4

Atmungskette 5

Substratphosphorylierung 6

Atmungskettenphosphorylierung 7

Monomeren-Synthese 8

Polymeren-Synthese 9

KATABOLISMUS ANABOLISMUS

Hexosen [H]

[H]

Monomere

(Bausteine)

Aminosäuren

Nucleotide Zucker

Polymere

(Makromoleküle)

Proteine

Polynucleotide Polysaccaride

ATP

CO₂

CO₂

CO₂ CO₂ O₂ H₂O

1 2

3

4 5

6

7 8

9

Nährstoffabbau im Pansen

Kohlenhydrate Protein Fett

CH

₄

/ CO

₂

Amino-

säuren Glycerin

Ungesättigte Fettsäuren NH

₄

FFS

Flüchtige Fettsäuren

BIOMASSE Bakterien Protozoen

Gesättigte

Fettsäuren FFS

Passage- und Fermentationsraten im Pansen

Flüssigkeit

Feststoffe

k _Passage

0,03 - 0,15 (pro h) 0,20 - 0,70 (pro h)

0,08 - 0,20 (pro h)

0,03 - 0,20 (pro h)

k _Passage

Futter

Blatt von Bermudagras (Cynodon dactylon)

Rasterelektronenmikroskop - Vergrößerung ca. 240 × (Wattiaux 1998, nach Akin 1986)

Grundfutter

vor und nach Fermentation

Ziel ist wiederkäuergerechte Fütterung

Essigsäure – Propionsäure 3:1

18 bis 20 % Rohfaser

(nach KAUFMANN 1979) („Füttern mit Verstand“, LWK Schleswig-Holstein)

Ruminale Fermentation als Folge der Anpassung an die pH-Regulation

Milchsäure

Propion- säure Essigsäure

Zellulose abbauende

Flora

Stärke abbauende

Flora

pH-Wert im Pansen

7.0 6.5 6.0 5.5 5.0

70 60 50 40 30 20 10

Mol (% )

Buttersäure

(nach KAUFMANN et al. 1980)

Chemische

Zusammensetzung

der Gerüstsubstanzen

β-1 – 4-glukosidische Bindung → Zellulose

H

Projektionsformel- schreibweise (nach Fischer)

Ringschreibweise (nach Haworth)

Sesselform- schreibweise

OH O OH

OH H H

H

HO

C

H

OH H

O

H

HO HO

HO H

4

H H

1

CH ₂ OH

2

1 3

4

5 6

H ₂ OH HO

HO

C ¹ H H

H H

O C ²

C ³ C ⁴ C ⁵ C ⁶

OH

OH

H ₂ OH H

3 2 5 6

H

Projektionsformel- schreibweise (nach Fischer)

Ringschreibweise (nach Haworth)

Sesselform- schreibweise

OH O OH

OH H H

H

HO

C

H

OH H

O

H

HO HO

HO H

4

H H

1

CH ₂ OH

2

1 3

4

5 6

H ₂ OH HO

HO

C ¹ H H

H H

O C ²

C ³ C ⁴ C ⁵ C ⁶

OH

OH

H ₂ OH H

3 2 5 6

(nach NULTSCH 2001, KARLSON et al. 2005)

O OH OH

H H

H HO

C H

OH H

H OH

O OH OH

H H

H HO

C H

OH H

H OH

6

4 1

5

2

3 2

Ringschreibweise (nach Haworth)

Zellulose (β-1–4-Bindung) und Stärke (α-1–4-Bindung)

(nach NULTSCH 2001, KARLSON et al. 2005) O

HO

OH

O

1 4 CH₂OH O

CH₂OH

CH₂OH O O

4 O

HO

OH

HO

1 4

OH 1

HOH₂C

HOH₂C

O O

O

O

O HO HO HO

OH

O OH

4

1 4

4

1 1

CH₂OH OH O

Zellulose

Stärke

Struktur und Substitutionsmuster des Lignins

(nach OESTMANN et al. 1995, NULTSCH 2001) OCH₃

OCH₃ Syringyl-

Sinapyl-

OCH₃ H

Guajakyl- Coniferyl-

H H

Phenyl- Cumaryl-

R2

R1

Aromatischer Typ Phenylpropan

OCH₃ OCH₃

Syringyl- Sinapyl-

OCH₃ H

Guajakyl- Coniferyl-

H H

Phenyl- Cumaryl-

R2

R1

Aromatischer Typ Phenylpropan

Phenylpropan-Körper OH

R₂ R₁

CH HC

CH₂OH

OH OH

OH OH

O O

OH O

Ausschnitt aus einem Ligninmolekül Phenylpropan-Körper

OH

R₂ R₁

CH HC

CH₂OH

OH OH

OH OH

O O

OH O

Ausschnitt aus einem Ligninmolekül

Synthese von Lignin-Monomeren (Shikimisäure-Weg)

Shikimisäure Zwischenstufe Phenylalanin

COOH HOOC

HO HO

OH

NH₂ CH₂CHCOOH

O

CH₂C–COOH CH₂CHCOOH NH₂

CH=CHCOOH Zimtsäure Tyrosin

OH

CH=CHCOOH p-Cumarsäure

OH

CH=CHCOOH CH=CHCOOH Ferulasäure Kaffeesäure

OH OH

CH₃O OH

CH=CHCOOH CH=CHCOOH

CH₃O OH

OCH₃

OH

HO OCH₃

Sinapinsäure 5-Hydroxy-Ferulasäure Shikimisäure Zwischenstufe Phenylalanin

COOH HOOC

HO HO

OH

NH₂ CH₂CHCOOH

O

CH₂C–COOH CH₂CHCOOH NH₂

CH=CHCOOH Zimtsäure Tyrosin

OH

CH=CHCOOH p-Cumarsäure

OH

CH=CHCOOH CH=CHCOOH Ferulasäure Kaffeesäure

OH OH

CH₃O OH

CH=CHCOOH CH=CHCOOH

CH₃O OH

OCH₃

OH

HO OCH₃

Sinapinsäure 5-Hydroxy-Ferulasäure

(nach OESTMANN et al. 1995)

Bindungen von p-Cumarsäure und Ferulasäure zu anderen Zellwandkomponenten

OCH₃

Kernlignin p-Cumarsäure

Ferulasäure HO

O

OH CH₂ OH

OH OCH₃

O CH CH C O

O

CH CH O C

Hemizellulose O

O OH

OH O

O OH

O O

O OH

OH O

OCH₃

Kernlignin p-Cumarsäure

Ferulasäure HO

O

OH CH₂ OH

OH OCH₃

O CH CH C O

O

CH CH O C

Hemizellulose O

O OH

OH O

O OH

O O

O OH

OH O

(nach JUNG 1989)

Modell der Zellwand nach Franz

Primärwand: 10-25 % Zellulose, 25-50 % Hemizellulose, 10-35 % Pektin, 10 % Protein Sekundärwand: 40-80 % Zellulose, 10-40 % Hemizellulose, 5-25 % Lignin

(nach FRANZ 1991) Plasmalemma

Sekundärwand

Primärwand

Mittellamelle

Zellulose

Hemizellulose

Pektin

Modell der Zellwand nach Albersheim

Fasern sind polymere pflanzliche Substanzen, die von den Verdauungsenzymen der Säugetiere nicht gespalten werden können (Van Soest 1980) –

Bestandteile: Zellulose, Hemizellulose, Lignin, Pektin, Gummi, Galaktane etc.

(NULTSCH 2001)

a = Zellulose

a = Zellulose b = Hemizellulose b = Hemizellulose c = Zellwandprotein c = Zellwandprotein c a

b

Lignifizierung der Zellwand

(nach JUNG & DEETZ 1993)

seku nd ä re Zell w a nd

pri m ä re Zell w a nd

-xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx -

^{A A A}

F

A A

F

Ligninpolymere

Sinapin-Alkohol

Coniferyl-Alkohol

F= Ferulasäure A= Arabinoxylose X= Xylose

Mittel - la melle

Aufbau der pflanzlichen Primärwand

Hauptbestandteile:

Zellulose, Hemizellulosen, Pektin, Glukoproteine Glukoprotein

Hemizellulose

Zellulosefibrillen

Pektin HGS**

(smooth region)

Ca

²⁺

Pektin RG I*

(hairy region) Pektin RG II*

Biomembran

* Rhamnogalakturonan

** Homogalakturonsäure

(nach FISCHRGÄBE, Münster)

Gras von innen betrachtet

Foto Thomet (2008)

Analyse der

Gerüstsubstanzen

Charakterisierung der Kohlenhydrate

Annahme der Weender Analyse:

Rohfaser = Gerüstsubstanzen, niedrige Verdaulichkeit

Problem:

Rohfaser beschreibt Gerüstsubstanzen nicht genau:

Gerüstsubstanzen (Faser):

Nach Van SOEST (1982, 1994):

N-freie Extraktstoffe = leichtverdauliche

Kohlenhydrate (Nichtfaser)

• Erfasst nicht die gesamte Faser (Hemizellulose)

• Teil des Lignins gelöst (→ NfE!)

In ND-Lösung unlösliche Matrix, dafür keine Enzyme bei Säugetieren

NDF: Zellulose, Hemizellulose, Lignin Zellulose: ADF – ADL

Hemizellulose: NDF – ADF

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Weender- Analyse

Detergenzien- Analyse

Rohasche Rohasche

Rohprotein Rohprotein

Rohfett Rohfett

N-freie Extrakt- stoffe *

Nichtfaser- Kohlen- hydrate *

Rohfaser

Zellulose *

ADL Hemi- zellulose *

* durch Differenz errechnet

ZellinhaltstoffeNDF (Zellwände, Gerüstsubstanzen)

ADFNFC

• Zusammensetzung der Gerüstsubstanzen variiert

je nach Spezies (Gräser, Leguminosen, Umbelliferen)

Rohfaser

Rückstand nach Kochprozess mit Säure und Lauge

Kochen mit 1,25 % H

₂

SO

₄

, 30 min Kochen mit 1,25 % KOH, 30 min Fettlösung mit Azeton

Rückstand veraschen

Gerüstsubstanzen NDF, ADF, ADL

Blatt von Bermudagras Rasterelektronenmikroskop Vergrösserung 240 ×

(Wattiaux 1998, nach Akin 1986) Zellwand vor und nach Verdauung

NDF: Lösung der Zellinhaltsstoffe, Gewinnung der Zellwände

Reagens A: Na-Lauryl-Sulfat, EDTA, Triethylen-Glykol, Borax (Puffer) Reagens B: Na

₂

HPO

₄

(Puffer)

Kochen mit Mischung von Reagens A + B, 60 min Fettlösung mit Azeton

Rückstand veraschen (→ NDFom)

ADF: Lösung der Hemizellulose → Zellulose als Differenz Reagens: konz. H

₂

SO

₄

und

CTAB (Cetyl-Trimethyl-Ammonium-Bromid) Kochen 60 min

ADL: Lösung der Zellulose mit 72 % H

₂

SO

₄

→ Lignin als Differenz Probleme: • Schaumbildung und Filtration

• Störung durch Stärke

→ Beseitigung durch Na-Sulfit → nur bei Bedarf, nicht bei CNCPS ! → Zellwandprotein

• Störung durch Fett (Ethanol)

→ Van Soest et al. 1991, Mertens 2002

→ Beseitigung durch Amylase → aNDF

• Störung durch Protein

Kritikpunkte an der Rohfaseranalyse

• Hemizellulose geht in Lösung

• teilweise Lösung des Lignins

• auch geringe Teile der Zellulose in Lösung

→ Rohfaser ist nur Teil der Faser!

• Anteile von Zellulose, Hemizellulose und Lignin an der Gesamtfaser stark abhängig von Pflanzenspecies (Gräser, Leguminosen, Umbelliferen) → Umrechnung von Rohfaser in Gerüstsubstanzen nicht möglich

• Löslichkeit von Zellulose, Hemizellulose und Lignin bei Rohfaser-Bestimmung stark abhängig von Pflanzenspecies

→ NfE sind fehlerhaft!

Enthalten nicht nur Nichtfaser-Kohlenhydrate,

sondern Hemizellulose und Teile des Lignins, daher Verdaulichkeit

der NfE z.T. niedriger als der Rohfaser

Nährstoff wahre Verdaulichkeit (%) begrenzender Faktor

¹⁾

Lösliche Kohlenhydrate 100 Futteraufnahme

Stärke > 90 Passage mit Kotverlusten

organische Säuren 100 Futteraufnahme und Toxizität

Protein > 90 Fermentation

²⁾

Pektin 98 Fermentation

³⁾

Zellulose variabel

⁴⁾

Lignifizierung, Silizifizierung

Hemizellulose variabel

⁴⁾

und Kutinisierung

Lignin unverdaulich Begrenzung

Kutin unverdaulich der Verwertung

Silicium unverdaulich der Zellwände

Tannine und Polyphenole nicht verfügbar behindern Proteasen und Zellulasen Klasse 2: teilw. nicht verfügbar wegen Lignifizierung

Klasse 1: vollständig verfügbar

Klasse 3: nicht verfügbar

Bioverfügbarkeit von Nährstoffen des Grundfutters

1) Erstlimitierender Faktor bezüglich Verwertung durch das Tier und bezüglich Response

2) Verluste durch Fermentation zu FFS und NH₃ möglich

3) Verwertung des Pektins nur durch mikrobielle Fermentation (wie Zellulose und Hemizellulose)

4) Fermentierbarkeit von Zellulose und Hemizellulose durch Lignifizierung begrenzt

(VAN SOEST 1994)

Klasse Lignin Hemizellulose Zellulose Gräser

Mittel 82 76 21

Bereich 53 - 90 64 - 89 5 - 29

Leguminosen

Mittel 30 63 28

Bereich 8 - 62 21 - 86 12 - 30

Sonstige

Mittel 52 64 22

Bereich 10 - 84 43 - 84 7 - 32

Anteile von Lignin, Hemizellulose und Zellulose, die bei Rohfaserbestimmung gelöst werden

(VAN SOEST 1994)

0 100

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Rohfaser (g/kg TM)

NDF (g/kg TM)

200 300 400 500 600 700

Wiesenfutter Gruber et al. 2006a

Wiesenfutter

NDF = 55,6 + 1,64 × XF R² = 0,845, ± s = 27

Silomais Gruber et al. 2006b

Silomais

NDF = 133,1 + 1,50 × XF R² = 0,743, ± s = 15

Beziehungen zwischen Rohfaser und NDF

Kraftfutter Gruber et al. 2005

Kraftfutter

NDF = 169,9 + 1,25 × XF R² = 0,419, ± s = 116

Wiesenfutter Gruber et al. 2006a

Wiesenfutter

NDF = 55,6 + 1,64 × XF R² = 0,845, ± s = 27

Silomais Gruber et al. 2006b

Silomais

NDF = 133,1 + 1,50 × XF R² = 0,743, ± s = 15

Kraftfutter Gruber et al. 2005

Kraftfutter

NDF = 169,9 + 1,25 × XF R² = 0,419, ± s = 116

Beziehungen zwischen Rohfaser und ADF

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

0 50 100 150 200 250 300 350 400

ADF (g/kg TM)

Rohfaser (g/kg TM)

Silomais

ADF = 33,7 + 0,99 × XF R² = 0,726, ± s = 10

Silomais Gruber et al. 2006b

Wiesenfutter

ADF = 61,6 + 0,90 × XF R² = 0,858, ± s = 14

Wiesenfutter Gruber et al. 2006a

Kraftfutter

ADF = 16,4 + 1,20 × XF R² = 0,857, ± s = 39

Kraftfutter Gruber et al. 2005

Silomais

ADF = 33,7 + 0,99 × XF R² = 0,726, ± s = 10

Silomais Gruber et al. 2006b

Wiesenfutter

ADF = 61,6 + 0,90 × XF R² = 0,858, ± s = 14

Wiesenfutter Gruber et al. 2006a

Kraftfutter

ADF = 16,4 + 1,20 × XF R² = 0,857, ± s = 39

Kraftfutter Gruber et al. 2005

Beziehungen zwischen Rohfaser und ADL

0 20 40 60 80 100 120 140

0 50 100 150 200 250 300 350 400

ADL (g/kg TM)

Rohfaser (g/kg TM)

Silomais

ADL = 16,12 + 0,069 × XF R² = 0,580, ± s = 4,6

Silomais Gruber et al. 2006b

Wiesenfutter

ADL = -15,54 + 0,194 × XF R² = 0,711, ± s = 4,8

Wiesenfutter Gruber et al. 2006a

Kraftfutter

ADL = 6,53+ 0,270 × XF R² = 0,427, ± s = 24,7

Kraftfutter Gruber et al. 2005

Silomais

ADL = 16,12 + 0,069 × XF R² = 0,580, ± s = 4,6

Silomais Gruber et al. 2006b

Wiesenfutter

ADL = -15,54 + 0,194 × XF R² = 0,711, ± s = 4,8

Wiesenfutter Gruber et al. 2006a

Kraftfutter

ADL = 6,53+ 0,270 × XF R² = 0,427, ± s = 24,7

Kraftfutter Gruber et al. 2005

Bedeutung der

Gerüstsubstanzen in der Ernährung der

Wiederkäuer

Fraktionierung der Kohlenhydrate nach dem CNCPS (I)

( nach Abbauraten im Pansen) CHO = 1000 – XP – XL – XA

4 Fraktionen

1. Faser-Kohlenhydrate (FC): Zellulose, Hemizellulose, Lignin Fraktion C = ADL × 2,4

Fraktion B

₂

= NDF – NDIP – C

2. Nichtfaser-Kohlenhydrate (NFC): Zucker, Stärke, (Pektin) NFC = CHO – FC

Fraktionierung in A und B

₁

nach CNCPS-Tabelle (Feed Library) Fraktion A = NFC × A%

Fraktion B

₁

= NFC – A

Fraktion A: Zucker und flüchtige Substanzen Fraktion B

₁

: Stärke und Pektine

Fraktion B

₂

: verdauliche Faserkohlenhydrate Fraktion C: unverdauliche Faser

FC = B

₂

+ C

(SNIFFEN et al. 1992)

Fraktionierung der Kohlenhydrate (II)

Modifikation nach LANZAS et al. (2007) → 8 Fraktionen

4 A-Fraktionen: A

₁

= flüchtige Fettsäuren A

₂

= Milchsäure

A

₃

= weitere organische Säuren A

₄

= Zucker

3 B-Fraktionen: B

₁

= Stärke

B

₂

= lösliche Faser B

₃

= abbaubare NDF

1 C-Fraktion: nicht-abbaubare NDF

(LANZAS et al. 2007)

Fraktionierung des Proteins nach dem CNCPS

( nach Abbauraten im Pansen)

5 Fraktionen

Fraktion A: sofort und vollständig abbaubares Protein (NPN)

Fraktion B

₁

: rasch abbaubares, lösliches echtes Protein (Albumin, Globulin) Fraktion B

₂

: Protein mit mittlerer Abbaurate (Glutelin)

Fraktion B

₃

: langsam abbaubares Protein (Extensin, Prolamin)

Fraktion C: unabbaubares Protein (nicht verfügbar, an Zellwand gebunden)

Lösliches Protein: Phosphat-Borat-Puffer (SolXP)

(nach Krishnamoorthy et al. 1982, Licitra et al. 1996)

Lösliches echtes Protein: Präzipitieren mit Trichlor-Essigsäure NPN = SolXP – B

₁

NDIP: in Gerüstsubstanzen gebundener N ADIP: unabbaubares Protein (C)

B

₃

= NDIP – ADIP

B

₂

= XP – (A + B

₁

+ B

₃

+ C)

XP = Kjeldahl-N × 6,25

Stickstoff-Fraktionen im CORNELL-System

AD unlöslicher N (ADIN)

Detergenzien-Lösungen Phosphat-Borat-Puffer

(nach KRISHNAMOORTHY et al. 1982) Gruber (2001)

Gesamt-Stickstoff

Löslicher N Unlöslicher N NDF

ND unlöslicher N (NDIN)

NPN Echtes Protein

Trichlor-Essigsäure

ADF

XP – (A + B

₁

+ B

₃

+ C) NDIN – ADIN

A B

₁

B

₂

B

₃

C

SolXP – B

₁

Proteinfraktionen von Wiesenfutter in Abhängigkeit vom NDF-Gehalt

Rohprotein Proteinfraktion A Proteinfraktion B

₁

Proteinfraktion B

₂

Proteinfraktion B

₃

Proteinfraktion C

50 75 100 125 150 175 200 225

300 400 500 600 700

NDF (g/kg TM)

Rohprotein (g/kg TM)

0 10 20 30 40 50 60

300 400 500 600 700

Proteinfraktion A (% des XP)

0 2 4 6 8 10 12

300 400 500 600 700 Proteinfraktion B1 (% des XP)

0 10 20 30 40 50 60

300 400 500 600 700 Proteinfraktion B2 (% des XP)

5 15 25 35 45 55

300 400 500 600 700 Proteinfraktion B3 (% des XP)

0 5 10 15 20 25 30

300 400 500 600 700

Proteinfraktion C (% des XP)

NDF (g/kg TM) NDF (g/kg TM)

Grünfutter Silage Heu

(GRUBER et al. 2004)

Kohlenhydratfraktionen von Wiesenfutter in Abhängigkeit vom NDF-Gehalt

Kohlenhydrate Kohlenhydratfraktion A Kohlenhydratfraktion B

₁

Faser-Kohlenhydrate Kohlenhydratfraktion B

₂

Kohlenhydratfraktion C

550 600 650 700 750 800 850

300 400 500 600 700

Kohlenhydrate (g/kg TM)

0 5 10 15 20 25 30 35

300 400 500 600 700

CHO-Fraktion A (% der CHO)

0 5 10 15 20 25 30 35 40

300 400 500 600 700 CHO-Fraktion B1 (% der CHO)

30 40 50 60 70 80 90 100

300 400 500 600 700

Faser-Kohlenhydrate (% der CHO)

20 30 40 50 60 70

300 400 500 600 700 CHO-Fraktion B2 (% der CHO)

8 12 16 20 24 28 32

300 400 500 600 700

CHO-Fraktion C (% der CHO)

NDF (g/kg TM) NDF (g/kg TM) NDF (g/kg TM)

Grünfutter Silage Heu

(GRUBER et al. 2004)

ND- und AD-unlöslicher N sowie Kohlenhydrate nach Weender und CNCPS Analyse in Wiesenfutter

ND-unlösliches Protein Rohfaser N-freie Extraktstoffe

AD-unlösliches Protein Nichtfaser-Kohlenhydrate

NDF-unlösliches Protein (g/kg NDF)

3 6 9 12 15 18 21 24

300 400 500 600 700

NDF (g/kg TM) NDF (g/kg TM) NDF (g/kg TM)

Grünfutter Silage Heu

ADF-unlösliches Protein (g/kg ADF)

0 2 4 6 8 10 12 14

300 400 500 600 700

Rohfaser (g/kg TM)

150 200 250 300 350 400

300 400 500 600 700

Faser-Kohlenhydrate (g/kg TM)

300 400 500 600 700

300 400 500 600 700

N-freie Extraktstoffe (g/kg TM)

300 350 400 450 500 550 600

300 400 500 600 700

Nichtfaser-Kohlenhydrate (g/kg TM)

100 200 300 400 500

300 400 500 600 700

Faser-Kohlenhydrate

(GRUBER et al. 2004)

Passage- und Fermentationsraten im Pansen

Flüssigkeit

Feststoffe

k _Passage

0,03 - 0,15 (pro h) 0,20 - 0,70 (pro h)

0,08 - 0,20 (pro h)

0,03 - 0,20 (pro h)

k _Passage Futter

(nach RUSSELL 2002)

Errechnung der effektiven Fermentation im Pansen nach dem CNCPS

Einfluss auf Fermentationsrate k

_f

: Eigenschaft des Futters

(Wiederkauen)

(Futterverarbeitung)

Einfluss auf Passagerate k

_p

: Futteraufnahme

Art des Futters (GF, KF) Statischer Auftrieb

Abbaukinetik

Verarbeitung (Häckseln, Mähen)

Abbaurate (pro h)

Effektive Abbaubarkeit (%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0,21 0,24 0,27 0,30 0,33

(k _f ) (k _f + k _p ) deg =

0,030 0,060 0,090 0,120 0,150

Passagerate (pro h)

(nach RUSSELL 2002)

Einfluss der CHO-Fermentationsrate bzw. Wachstumsrate auf den Ertrag an Mikroorganismen im CNCPS

Effizienz = 1 / [(Erhaltung / Wachstumsrate) + (1 / theoretisch maximale Leistung)]

Effizienz = Wachstums-Effizienz (g Bakterienzellen pro g fermentierter CHO) Erhaltung = Erhaltungsbedarf der Bakterien

FC = 0,05 g fermentierte CHO pro g Bakterien pro Stunde NFC = 0,15 g fermentierte CHO pro g Bakterien pro Stunde

theoretisch maximale Leistung der Bakterien = 0,40; (0,50 × 0,8 = 0,40 g Bakterienzellen pro g fermentierter CHO) 0,00

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

CHO-Fermentationsrate bzw. Mikroben-Wachstumsrate (pro h)

Mikrobieller Ertrag (g Zellen/g ferm. CHO)

FC Bakterien NFC Bakterien

Zellulose

roh Maisst ä rke behandelt Pektin FC Bakterien NFC Bakterien FC Bakterien NFC Bakterien

Zellulose

roh Maisst ä rke behandelt Pektin

(nach ISAACSON et al. 1975 bzw. RUSSELL et al. 1992)

7 10 13 16 19 22 25

650 600 550 500 450 400 350 NDF-Gehalt der Ration (g/kg TM)

Futt erauf nahme (k g TM)

Physikalische Regulation:

IT

_NEL

> IT

_NDF

IT

_NDF

IT

_NEL

(20 ECM) IT

_NEL

(30 ECM) IT

_NEL

(10 ECM)

Physiologische Regulation:

IT

_NEL

< IT

_NDF

IT

_NDF

= 12.5 × LM / NDF

IT

_NEL

= NEL-Bedarf / NEL-Gehalt

IT

_NEL

(390 NDF)

(nach MERTENS 1994)

Physikalische und physiologische

Regulation der Futteraufnahme

Mindestgehalte ¹ an NDF und Höchstgehalte ¹ an NFC von Milchviehrationen ²

Min. Gehalt

an NDF aus GF

Min. Gehalt an NDF

Max. Gehalt an NFC

Min. Gehalt an ADF

19 25 44 17

18 27 42 18

17 29 40 19

16 31 38 20

15 33 36 21

1

Gehalte in % der TM

2

Bedingungen: Totale Mischration

ausreichende Partikelgröße vorwiegend Mais als Kraftfutter

(NRC 2001)

Einfluss des Gehaltes an peNDF auf den

Milchfettgehalt bzw. den pH-Wert im Panseninhalt

(nach MERTENS 1997) 0

Milchfett-Gehalt

peNDF (% der TM)

Milchfett-Gehalt (%) pH-Wert im Pansen

peNDF (% der TM) 4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60

5,4 5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6

Milchfett % =

4,32 - 0,171 × (100/peNDF %) R² = 0,63; s_{y. ×} = 0,17

pH-Wert im Pansen =

pH-Wert im Pansen

6,67 - 0,143 × (100/peNDF %) R² = 0,71; s_y.× = 0,10

Abgrenzung normaler pH-Werte im Pansen von subakuter Pansenazidose

Metaanalyse: 45 experiments, 187 treatment means

pH-Wert im Pansen Mittelwert untere Grenze obere Grenze

Tagesmittelwert

Normale Fermentation 6,32 6,16 6,49

Subakute Azidose 5,98 5,82 6,14

Dauer pH < 5,8 (h/d)

Normale Fermentation 2,98 1,62 5,24

Subakute Azidose 9,02 5,47 15,54

(ZEBELI et al. 2008)

Beziehung mittlerer pH-Wert und Dauer pH-Wert < 5,8 sowie Einfluss von peNDF auf pH-Wert im Pansen

(nach ZEBELI et al. 2008)

pH-Wert im Pansen < 5,8 (h) mittlerer pH-Wert im Pansen

5,4

mittlerer pH-Wert im Pansen peNDF (% in TM)

5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8

Dauer pH-Wert < 5,8 (h)

24 20 16 12 8 4 0

0 10 20 30 40

pH-Wert im Pansen

6,8 6,6 6,4 6,2 6,0 5,8 5,6 5,4

Dauer pH-Wert < 5,8 (h) = 133,5 - 21,2 × pH-Mittel ¹⁾

asymptotisches Plateau pH < 5,8 = 1,0 h R² = 0,88; RMSE = 1,7 h

pH-Wert im Pansen = 5,59 + 0,022 × peNDF % ¹⁾

asymptotisches Plateau pH = 6,27 R² = 0,50; RMSE = 0,14

1) wenn pH-Mittel < 6,25 ¹⁾ wenn peNDF < 31,2 %

Einfluss des Gehaltes an peNDF auf die Futteraufnahme und Futterumwandlung

(nach ZEBELI et al. 2008)

I II III I II III

10 20 30 40

0

Futteraufnahme (kg TM)

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Futterumwandlung (Milchfett/Futter, g/kg TM)

20 30 40 50 60 70 80 90

0 10 20 30 40

Futteraufnahme Futterumwandlung

peNDF (% der TM) peNDF (% der TM)

I II III I II III

Futteraufnahme (kg TM) =

22,57 + 0,023 × peNDF % ¹⁾

22,57 + 0,023 × 21,6 - 0,245 × (peNDF % - 21,6) ²⁾

22,57 + 0,023 × 21,6 - 0,245 × (31,9 - 21,6) - 0,897 × (peNDF - 31,9) ³⁾ R² = 0,18; RMSE = 3,03

Futterumwandlung (g Milchfett/kg DMI) =

47,32 + 0,052 × peNDF % ¹⁾

47,32 + 0,052 × 17,1 + 0,498 × (peNDF - 17,1) ²⁾

47,32 + 0,052 × 17,1 + 0,498 × (32,4 - 17,1) - 1,410 × (peNDF - 32,4) ³⁾ R² = 0,48; RMSE = 5,53

1) wenn peNDF ≤ 21,6 %

2) wenn peNDF > 21,6 % oder wenn peNDF ≤ 31,9 %

3) wenn peNDF > 31,9 %

1) wenn peNDF ≤ 17,1 %

2) wenn peNDF > 17,1 % oder wenn peNDF ≤ 32,4 %

3) wenn peNDF > 32,4 %

Erforderliche Gehalte an peNDF

>1,18 mm

in Abhängigkeit von TM-Aufnahme und Gehalt an abbaubarer Stärke (für pH ≥ 6,27)

(STEINGASS & ZEBELI 2008)

abbaubare Stärke

(% der TM) 18 20 22 24 26

10 28,5 29,2 29,9 30,7 31,4

14 30,0 30,8 31,5 32,2 32,9

18 31,6 32,3 33,0 33,8 34,5

22 33,1 33,8 34,6 35,3 36,0

TM Aufnahme (kg)

Schlussfolgerungen

Schlussfolgerungen

 Gerüstsubstanzen sehr komplex zusammengesetzt

 NDF erfasst die gesamte Faser

 Analyse der Gerüstsubstanzen international standardisiert (NDF, NDFom, aNDF, aNDFom)

 Breite Anwendung der Gerüstsubstanzen in der Tierernährung

 Analyse von NDF, ADF, ADL sollte Standard werden - Futterbewertung (z.B. Cornell-System – Protein- und CHO-Fraktionen, Pansenfermentation)

- Futteraufnahme (physikalische Regulation durch NDF)

- Beurteilung der Wiederkäuergerechtheit durch peNDF