Feeding by-product feedstuffs affected milk fatty acid profile and the expression of lipogenic genes in ruminants

Abstract

The present thesis aimed to evaluate industrial by-products, ensiled olive cake (OC), and dried distillers’ grains with solubles (DDGS) as diet components to ruminants. Since nutrition is the primary environmental factor regulating milk's concentration and composition, particularly milk fat, feeding industrial by-products rich in unsaturated fatty acids (FA), like DDGS and OC, is a reasonable attempt to improve the nutritional quality of milk and dairy products. In this regard, the effect of dietary inclusion of 10% (on diet DM) of ensiled OC, as a replacement of forages, was evaluated in two experiments, investigating the effects on milk yield, composition and FA profile of cow milk (Chapter 2 and 3) and related Halloumi cheese (Chapter 3). Moreover, for examining any possible impact of this oil rich by-product feeding on bovine lipid metabolism, changes in the expression of selected genes involved in mammary and adipose lipid metabolism were assessed (Chapter 3). The results of these studies showed that the inclusion of 10% (DM) of ensiled OC did not affect milk yield and improved the quality of milk and Halloumi cheese by reducing saturated lipids and increased unsaturated ones including oleic (C18:1 cis-9), vaccenic (C18:1 trans-11) and conjugated linoleic (CLA cis-9, trans-11; rumenic acid) acids, all related to positive effects to human health. Milk FA differences observed were not associated with alterations in the mammary expression of genes involved in FA synthesis, uptake, translocation, and lipogenesis regulation. However, an upregulation of SREBF1 mRNA expression in perirenal fat of cows fed the OC diet was demonstrated. Furthermore, to evaluate the use of this by-product on other ruminant species, an additional study was implemented in lactating goats testing the effects of 10 and 20% inclusion rates (DM) of ensiled OC supplementation (OC10 and OC20 groups, respectively) on milk yield, composition and FA profile (Chapter 4). The expression of genes related to mammary and adipose lipid metabolism of Control and OC20 groups was also evaluated for examining the effect of OC feeding on mammary and adipose tissue metabolism. The results of this study confirmed those observed in cows. More specifically, all major saturated FA between C4:0 to C16:0 were reduced, and consequently, the atherogenic index was diminished, while the content of long-chain (>16 carbons; LCFA) and mono-unsaturated FA (MUFA) were enhanced in the caprine milk of both OC groups. Among individual UFA, increments of oleic, C18:1 trans-10, and vaccenic acids were demonstrated in both OC groups, as well as in the concentration of rumenic acid, which was increased by 11 and 21% (P < 0.001) with OC10 and OC20 diets, accordingly, compared to Control. Additionally, the supplementation of goat diets with 20% (DM) of ensiled OC altered the mammary expression of SLC2A1 (P < 0.05), VLDLR (P < 0.01), FABP3 (P < 0.01) and elevated the SLC2A1 (P < 0.05) and FASN (P < 0.01) genes in the adipose tissue. Finally, another by-product that was also studied was the wheat based-DDGS included at rates of 6% and 12% (DM) in diets of dairy ewes, as a replacement of concentrate mix, investigating its potential effects on milk production and content, as well as on milk FA composition (Chapter 5). The results showed that milk yield, milk protein percentage, protein, and fat yield did not differ between groups. In contrast, milk fat percentage decreased only in the group contained the highest inclusion rate of DDGS compared to the Control group. The milk FA profile of ewes fed both DDGS diets improved significantly. In particular, the concentration of total SFA was reduced, while long-chain, mono-unsaturated, and poly-unsaturated FA content was increased in the milk of DDGS groups. Additionally, the content of linoleic (C18:2n-6) and rumenic acids was elevated in both DDGS groups compared to control. Changes in FA profile resulted in a decline in the atherogenic index of milk by 20% and 35% in the groups contained 6 and 12% (DM) of DDGS, respectively, compared to control. Overall, the findings of the present dissertation, which are summarized and discussed in Chapter 6, are very promising and fully support the use of these by-products (OC and DDGS) in ruminant diets for improving the quality of milk and derived Halloumi cheese, opening new insights and perspectives for their practical application and future research.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η αξιολόγηση βιομηχανικών υποπροϊόντων, (ενσίρωμα ελαιοπλακούντα, ΕΠ, και αποξηραμένα στέμφυλα σιτηρών με διαλυτά συστατικά, ΣΣΔΣ), στη διατροφή των μηρυκαστικών. Δεδομένου ότι η διατροφή των ζώων αποτελεί τον κύριο περιβαλλοντικό παράγοντα ρύθμισης της απόδοσης και της σύνθεσης του γάλακτος, στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε η χρήση αυτών των οικονομικά αποδοτικών εναλλακτικών ζωοτροφών με σκοπό τη βελτίωση της ποιότητας του γάλακτος και των προϊόντων του. Δεδομένου αυτών, στην παρούσα διατριβή έγινε αντικατάσταση των χονδροειδών ζωοτροφών με 10% (Ξ.Ο. σιτηρεσίου) ενσιρώματος ΕΠ, και αξιολογήθηκε σε δύο πειράματα με αγελάδες, διερευνώντας τις επιπτώσεις στην απόδοση και σύσταση του γάλακτος, καθώς και στο προφίλ των λιπαρών οξέων (Λ.Ο.) του γάλακτος (Κεφάλαιο 2 και 3) και του παραγόμενου Χαλουμιού (Κεφάλαιο 3). Επιπλέον, προκειμένου να εξεταστούν πιθανές μεταβολές στο μεταβολισμό του λίπους λόγω της διατροφής των αγελάδων με ΕΠ, αξιολογήθηκε η έκφραση συγκεκριμένων γονιδίων που εμπλέκονται στο μεταβολισμό των λιπιδίων στο μαστό και στο λιπώδη ιστό (Κεφάλαιο 3). Τα αποτελέσματα αυτών των μελετών έδειξαν ότι, η συμπερίληψη 10% ενσιρώματος ΕΠ στην διατροφή των αγελάδων δεν επηρέασε την απόδοση και τη σύσταση του γάλακτος, αλλά βελτίωσε την ποιότητα αυτού και του παραγόμενου Χαλουμιού, μειώνοντας σημαντικά το ποσοστό των κορεσμένων Λ.Ο. με ταυτόχρονη αύξηση των ακόρεστων Λ.Ο., συμπεριλαμβανομένου του ελαϊκού (C18: 1 cis-9), βασενικού (C18: 1 trans-11) και του συζευγμένου λινελαϊκού (CLA 18:2 cis-9, trans-11) οξέος. Επιπλέον, μειώθηκε σημαντικά ο δείκτης δημιουργίας αθηρωματικών πλακών (AI), τόσο στο γάλα όσο και στο παραγόμενο Χαλούμι. Οι μεταβολές στα Λ.Ο. που παρατηρήθηκαν στο αγελαδινό γάλα λόγω της χορήγησης ΕΠ δεν συσχετίστηκαν με μεταβολές στην έκφραση των εξεταζόμενων γονιδίων που εμπλέκονται στη σύνθεση, πρόσληψη, μεταφορά των Λ.Ο. και στη ρύθμιση της λιπογένεσης του μαστού. Ωστόσο, αξίζει να σημειωθεί ότι παρατηρήθηκε αυξημένη έκφραση του μεταγραφικού παράγοντα SREBF1 στο περινεφρικό λίπος των αγελάδων που διατράφηκαν με ενσιρωμένο ΕΠ. Προκειμένου να αξιολογηθεί η χρήση αυτού του υποπροϊόντος (ενσίρωμα ΕΠ), σε άλλα είδη μηρυκαστικών, πραγματοποιήθηκε μια επιπρόσθετη μελέτη σε αίγες κατά την διάρκεια της γαλακτοπαραγωγής, στην οποία εξετάστηκε η επίδραση της χρήσης 10% (ΕΠ10) και 20% (ΕΠ20), στην Ξ.Ο. του σιτηρεσίου, ενσιρώματος ΕΠ στην παραγωγή, τη σύσταση και το προφίλ των Λ.Ο. του αιγινού γάλακτος (Κεφάλαιο 4). Επιπλέον, στην ίδια μελέτη, εκτιμήθηκε η έκφραση επιλεγμένων γονιδίων που σχετίζονται με το μεταβολισμό των λιπιδίων στο μαστό και το λιπώδη ιστό, χρησιμοποιώντας ιστούς από την ομάδα του μάρτυρα και την ομάδα ΕΠ20. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ημερήσια παραγωγή του γάλακτος δεν επηρεάστηκε, αλλά το ποσοστό του λίπους στο γάλα αυξήθηκε σημαντικά με την αύξηση των ποσοστών συμπερίληψης ΕΠ. Το ποσοστό πρωτεΐνης του γάλακτος αυξήθηκε και στις δύο ομάδες που διατράφηκαν με ΕΠ, ωστόσο με στατιστικώς σημαντική διαφορά ανιχνεύσιμη μόνο στο γάλα της ομάδας ΕΠ20. Επιπροσθέτως, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης επιβεβαίωσαν εκείνα που παρατηρήθηκαν στις αγελάδες, σε σχέση με τη σύνθεση των Λ.Ο. του γάλακτος. Πιο συγκεκριμένα, όλα τα κύρια κορεσμένα Λ.Ο. μεταξύ C4:0 έως C16:0 μειώθηκαν σημαντικά και κατά συνέπεια ο δείκτης δημιουργίας αθηρωματικών πλακών (AI) ελαττώθηκε, ενώ το ποσοστό των μακράς αλύσου Λ.Ο. (> 16 C) και μονο-ακόρεστων Λ.Ο. αυξήθηκε στο αιγινό γάλα και των δύο ομάδων που διατράφηκαν με ενσίρωμα ΕΠ. Επίσης, το ποσοστό συγκεκριμένων ακόρεστων Λ.Ο. όπως είναι το ελαικό, C18:1 trans-11 και το ρουμενικό CLA cis-9, trans-11 οξύ, που θεωρούνται ωφέλιμα για την ανθρώπινη υγεία, αυξήθηκε σημαντικά και στις δύο ομάδες που διατράφηκαν με ΕΠ. Επιπροσθέτως, η συμπερίληψη 20% ενσιρώματος ΕΠ στη διατροφή των αιγών, αύξησε την έκφραση γονιδίων που εμπλέκονται στην πρόσληψη και στη μεταφορά Λ.Ο. στο μαστό (δηλαδή των γονιδίων SLC2A1, VLDLR και FABP3) και αύξησε την έκφραση γονιδίων που εμπλέκονται στη μεταφορά γλυκόζης (SLC2A1) και σύνθεσης Λ.Ο. (FASN) στον λιπώδη ιστό.Τέλος, ένα άλλο βιομηχανικό υποπροϊόν που μελετήθηκε, επίσης, ήταν τα αποξηραμένα στέμφυλα σιτηρών με διαλυτά συστατικά (ΣΣΔΣ), το οποίο συμπεριλήφθηκε σε ποσοστά 6% και 12% (επί της Ξ.Ο. του ολικού σιτηρεσίου) στη διατροφή προβάτων, ως αντικατάσταση του μείγματος συμπυκνωμένων ζωοτροφών, διερευνώντας τις πιθανές μεταβολές στην παραγωγή, σύσταση και σύνθεση Λ.Ο. του γάλακτος (Κεφάλαιο 5). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η παραγωγή και το ποσοστό πρωτεΐνης του πρόβειου γάλακτος δεν επηρεάστηκαν, ενώ παρατηρήθηκε μείωση στο ποσοστό του λίπους του γάλακτος με τη συμπερίληψη 12% ΣΣΔΣ στο σιτηρέσιο των προβατίνων. Ωστόσο, το σημαντικότερο εύρημα αυτής της μελέτης ήταν το γεγονός ότι η ποιότητα του λίπους, δηλαδή το προφίλ των Λ.Ο. του γάλακτος, βελτιώθηκε σημαντικά από τη διατροφή των προβατίνων με ΣΣΔΣ. Συγκεκριμένα, η συγκέντρωση του συνόλου των κορεσμένων Λ.Ο. μειώθηκε σημαντικά, ενώ το ποσοστό των μακράς αλύσου, μονο-ακόρεστων και πολυ-ακόρεστων Λ.Ο. αυξήθηκε στο γάλα των ομάδων που διατράφηκαν με ΣΣΔΣ. Επιπρόσθετα, η συγκέντρωση του λινελαϊκό (C18:2 n-6) και συζευγμένου λινελαϊκού (CLA cis-9, trans-11) οξέος αυξήθηκε και στις δύο ομάδες ΣΣΔΣ συγκριτικά με τον μάρτυρα. Οι αλλαγές που παρατηρήθηκαν στο προφίλ των Λ.Ο. οδήγησαν σε μείωση του δείκτη δημιουργίας αθηρωματικών πλακών (AI) κατά 20% και 35% στις ομάδες που διατράφηκαν με 6 και 12% ΣΣΔΣ, αντίστοιχα, συγκριτικά με τον μάρτυρα, υποδηλώνοντας τη χρήση αυτού του υποπροϊόντος ως μέσο για τη βελτίωση της ποιότητας των λιπιδίων του γάλακτος.Τα ευρήματα της παρούσας διατριβής, τα οποία συνοψίζονται και συζητούνται στο Κεφάλαιο 6, είναι πολύ ελπιδοφόρα και υποστηρίζουν πλήρως τη χρήση αυτών των υποπροϊόντων (ενσίρωμα ελαιοπλακούντα και αποξηραμένα στέμφυλα σιτηρών με διαλυτά συστατικά) στη διατροφή των μηρυκαστικών για τη βελτίωση της ποιότητας του γάλακτος και του παραγόμενου Χαλουμιού, αναδεικνύοντας νέες προοπτικές για μελλοντική έρευνα και εφαρμογή.