Panoramica degli ultimi lavori fatti alla Cornell University sull’analisi della digestione della fibra

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Panoramica degli ultimi lavori fatti alla Cornell University sull’analisi della digestione della fibra

Poter descrivere un processo biologico con un’equazione matematica significa essere in grado di poterlo quantificare. Poter quantificare un processo biologico significa avere i mezzi per poterlo rendere più efficiente. Alla Cornell University, nel dipartimento di Scienze Animali, ci sono il laboratorio e il centro di ricerca del “Dairy science” dove si studiano i processi biologici delle bovine da latte al fine di poter capire quali equazioni si possono adottare per descriverli, quantificarli e renderli più efficienti. In un mondo in continua crescita è di grande importanza poter produrre prodotti animali in modo efficiente, sia per garantire nutrimenti a tutti sia per la salvaguardia del nostro eco-sistema.

Dal 1992 diversi scienziati alla Cornell hanno dato il loro prezioso contributo per sviluppare uno strumento che permetta a nutrizionisti ed allevatori di rendere più efficienti ed eco-sostenibili i bovini nelle loro produzioni. Questo strumento è il CNCPS (Van Amburgh et al., 2015). Il CNCPS considera l’impatto che dieta, caratteristiche ambientali, gestione aziendale e caratteristiche dell’animale hanno sulla produzione di latte ed sull’escrezione di azoto e fosforo. Questo è possibile perchè il motore del CNCPS è costituito da diversi set di equazioni o “sub-models” che, connessi tra di loro, sono in grado di descrivere le dinamiche del sistema animale-ambiente-dieta-gestione aziendale e prevedere la performance dell’animale.

In una dieta per bovini la fibra è uno dei principali nutrimenti per diversi motivi. Prima di tutto, i bovini, essendo ruminanti, sono in grado di digerire la componente fibrosa delle piante, cosa che altri mammiferi non possono fare. Inoltre, la fibra essendo ubiquitaria è il nutriente più economico. Le più importanti fonti di fibra sono i foraggi, seguiti dai sotto-prodotti delle piante. Quindi è importante, per la sostenibilità economica aziendale e per ridurre la competizione alimentare con altri mammiferi, includere nelle diete dei ruminanti quantità discrete di foraggi e sotto-prodotti vegetali. Infine, la fibra ha effetti positivi per la salubrità ruminale e quindi indirettamente per l’animale.

Il dottorato di ricerca di Raffrenato, terminato nel 2011, ed il dottorato di ricerca di Zontini, tenutosi tra il 2012-16, erano volti a migliorare la parte del CNCPS che descrive le dinamiche di digestione della fibra nel rumine. Per capire quale equazione adottare per descrivere un qualsiasi sistema occorre innanzitutto sapere come raccogliere dati per poterlo studiare. Nel caso specifico della digestione della fibra nel rumine era necessario sapere come analizzare il contenuto di fibra in un campione di alimento e come analizzare la digestione della fibra nel rumine.

Per l’analisi della fibra alla Cornell si impiega aNDFom come metodica di laboratorio. Una serie di studi ha portato all’utilizzo di questo acronimo: nel 1970 Goering e Van Soest avevano proposto di combinare 0.5 gr di campione con 100 ml di detergente neutro, far bollire per un’ora e filtrare la soluzione in un crogiolo. Questo processo permetteva di isolare la componente fibrosa, allora definita NDF (neutral detergent fiber). Successivamente Mertens nel 2002 aveva suggerito di aggiungere alfa-amilase e solfito di sodio al detergente neutro, questo avrebbe purificato maggiormente la componente fibrosa da carboidrati e proteine legati alla fibra. Per questo motivo NDF divenne aNDF. Infine nella Cornell Nutrition Conference 2014, il gruppo di ricerca della Cornell propose di purificare ulteriormente l’aNDF dal contenuto di ceneri, che generalmente è basso a meno che il campione non sia contaminato da suolo. Mettendo i residui aNDF in fornaci a 500°C si può analizzare il contenuto di ceneri e per sottrazione si ottiene aNDFom (aNDFom = aNDF – ceneri). Inoltre nel 2010 Raffrenato e Van Amburgh avevano dimostrato che il filtraggio su crogioli causava la perdita delle particelle di campione più piccole e quindi portava ad una sottostima dell’attuale tenore di fibra, per questo i ricercatori avevano proposto di utilizzare filtri in carta di vetro che avevano fori di dimensioni più piccole dei crogioli.

Per l’analisi della digestione della fibra nel rumine alla Cornell si impiega la fermentazione in-vitro nella quale, in pratica, si riproducono le condizioni ruminali in una beuta dove vengono posti i campioni a fermentare. Fermentando i campioni per lunghi periodi di tempo Raffrenato ha scoperto che la fibra foraggera non fermenta più dopo 240 ore, Zontini invece che la fibra dei sotto-prodotti delle piante esaurisce la fermentazione entro le 120 ore. Entrambi i ricercatori hanno dimostrato inoltre che la componente fibrosa, sia in foraggi che in sotto-prodotti, è costituita da una frazione che rimane indigerita nel tempo che viene definita uNDF (Figura 1) e che, sottratta dal contenuto di aNDFom, permette di identificare la frazione di fibra digerebile o dNDF (dNDF = aNDFom – uNDF). Successivamente, sempre con le fermentazioni in-vitro a lungo termine e analizzando le fermentazioni ogni 3 ore per le prime 24 e poi ogni 24 ore fino a 120 o 240 ore, si è potuto tracciare le curve di digeribilità che rassomigliavano a decadimenti esponenziali (Figura 1). Questo ha permesso di capire quali equazioni impiegare per descriverne il processo e quindi di avere gli strumenti per poter quantificare i parametri di digestione e, in particolare, i tassi di degradabilità della fibra. Le equazioni impiegate hanno la forma di Equazione 1:

Eq.1 : aNDFom(t) = dNDF(-k*t) + uNDF

Dove aNDFom(t) è la componente fibrosa che fermenta nel tempo t e che è a sua volta composta da una frazione dNDF, che fermenta ad una velocità k, e da una frazione uNDF, che rimane indigerita nel tempo.

Le equazioni riescono a calcolare i tassi di degradabilità (k) grazie a processi di ottimizzazione: in pratica, una volta forniti i valori di aNDFom digerito nel tempo, precedentemente analizzati in laboratorio, le equazioni riescono a stabilire quale valore di k permette loro di tracciare una curva che si avvicina il più possibile a quella analizzata. L’ultimo passo era quello di vedere se fornendo solo poche informazioni, cioè non tutti i valori analizzati di aNDFom digerito ma solamente i valori di aNDFom a inizio e fine fermentazione e due valori intermedi, si poteva ottenere lo stesso risultato di k. Questo avrebbe permesso di ottenere le informazioni necessarie per il razionamento (aNDFom, uNDF, dNDF e k) con il minimo sforzo e avrebbe quindi permesso la divulgazione del procedimento per l’analisi della fibra fatta in Cornell anche in laboratori commerciali esterni. Si è ottenuto che l’analisi della digestione della fibra in foraggi andava fatta a 0, 30, 120 e 240 ore, mentre nei sotto-prodotti a 0, 12, 72 e 120 ore.

Informazioni come tenore di fibra di un alimento, tenore di uNDF e tasso di degradabilità di dNDF sono informazioni utili al CNCPS per bilanciare le diete delle bovine, ma sono anche utili agli allevatori per capire la qualità degli alimenti che vengono impiegati in azienda, ed infine ai genetisti per capire come migliorare la qualità della fibra delle piante utilizzate come alimenti per gli animali da produzione.

Figura 1. Curva di digeribilità della fibra di un campione di polpa di bietola. La fermentazione in-vitro è stata analizzata a 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 30, 48, 72 e 120. Grafico adattato dalla Tesi di Dottorato di Zontini (2016)

 

Bibliografia

Goering, H. K., and P. J. Van Soest (1970). Forage fiber analyses (apparatus, reagents, and some applications). Agric. Handbook 379. ARS, USDA., Washington, DC.

Mertens, D. R. (2002). Gravimetric determination of amylase-treated neutral detergent fiber in feeds with refluxing in beakers or crucibles: collaborative study. Journal of AOAC International 85(6): 1217-1240.

Raffrenato, E. (2011). Physical, chemical and kinetic factors associated with fiber digestibility in ruminants and models describing these relationships. PhD Diss. Department of Animal Science, Cornell University.

Van Amburgh, M. E., E. A. Collao-Saenz, R. J. Higgs, D. A. Ross, E. B. Recktenwald, E. Raffrenato, L. E. Chase, T. R. Overton, J. K. Mills, and A. Foskolos. (2015). The Cornell Net Carbohydrate and Protein System: Updates to the model and evaluation of version 6.5. J. Dairy Sci. 98:6361-6380.

Zontini, A. M. (2016). Characterization of Fiber Fractions in Plant By-Products and Modeling Fiber Digestion with Application in CNCPS 7.0. PhD Diss. Department of Animal Science, Cornell Univeristy.

DOI 10.17432/RMT.2111-2173
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Global Ruminant Technology Manager Email: alemaria.zontini@gmail.com

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