Comité Organizador Jornadas Germán Stolzenbach M. Carlos Trejo Jiménez Mario Eduardo Olivares Andrés Barrezueta Ricardo Ehrenfeld Coordinador General: Mario Eduardo Olivares Editor: Mario Eduardo Olivares Traducciones Mario Eduardo Olivares J. Francisco Inostroza M. Ricardo Ehrenfeld Supervisión editorial: Andrés Barrezueta Diagramación: Ricardo Ayub A. Ayub & Anuch Publicidad Ltda. OSORNO. Mayo 7, 2008.
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INDICE: AGRADECIMIENTOS
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PROLOGO
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OPTIMIZANDO LA UTILIZACION DE FORRAJES EN EL GANADO LECHERO Dr. David K. Combs, Departamento de Ciencia Lechera Universidad de Wisconsin-Madison
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TECNOLOGIAS DISPONIBLES PARA ALIMENTAR VACAS LECHERAS EN TIEMPOS DE ALTOS COSTOS DE ALIMENTACION Guillermo Schroeder, Ph.D. Cargill, Animal Nutrition / USA
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UTILIZACION DEL CRECIENTE SUMINISTRO DE GRANOS DE DESTILERIA Robert Kaiser y Randy Shaver Departamento de Ciencias Lecheras Universidad de Wisconsin-Madison Universidad de Wisconsin-Extensi贸n
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COMPRENDIENDO LOS ANALISIS DE FORRAJES Dr. David Combs Co-Autor y Adaptaci贸n: J. Francisco Inostroza M. Departamento de Dairy Science - Universidad de Wisconsin Madison
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FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION The Pennsylvania State University, College of Agricultural Sciences
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EXPOSITORES Randy D. Shaver B.S. en Ciencias Lecheras en la Pennsylvania State University. M.S. del Department of Animal Sciences en la University of Maryland. Doctorado en Ciencia Lechera en la University of Wisconsin-Madison. Professor del Department of Dairy Science, University of Wisconsin-Madison. Su área de interés se ha enfocado tanto en extensión como en investigación en la nutrición aplicada en vacas lecheras. Con amplia experencia como extensionista en diferentes países del mundo. David K. Combs B.S. del Department of Animal Science de la University of Minnesota-St. Paul. M.S. del Department of Animal Science de la University of Minnesota-St. Paul. Ph.D. en Dairy Science, University of Wisconsin-Madison. Professor del Department of Dairy Science, University of Wisconsin Madison. Actualmente realiza investigaciones utilización de forrajes, y digestión ruminal de la fibra en vacas lecheras. Así como en utilización de pasturas y el desarrollo de programas de suplementación de energía y proteína, como también la regulación del consumo en vacas lecheras de alta producción. Guillermo Schroeder Médico Veterinario, Universidad del Río de La Plata. Master of Science de la Universidad del Río de La Plata. Ph.D. en Animal Sciences de la Kansas State University Actualmente trabaja en el Innovation Campus de Cargill como responsable del área de Investigación e innovación en Nutrición de Rumiantes en las instalaciones de Cargill Innovation Campus en de Elk River, Estados Unidos.
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AGRADECIMIENTOS Agradecemos a todo el personal de Cooprinsem que brindaron su valiosa ayuda a la organización y promoción de este evento, en especial a Irene González, Dorita Molina, Mabel Asenjo, Maribel Delgado, Raquel Vargas quienes colaboraron en la logística y ejecución de esta importante actividad. A los Jefes de las diferentes sucursales, vendedores de terreno y de mesón, y a todos los profesionales y técnicos que laboran en la Cooperativa y que a través de su trabajo diario, y de forma desinteresada, apoyaron la difusión del evento. Al US Council, quien ha apoyado desinteresadamente a la realización de este evento y al Sr. Jaime Cuellar, representante del Concejo de Granos para Latino América quién ha sido el gestor de este apoyo. También queremos agradecer las gestiones que realizó el Sr. J. Francisco Inostroza M., alumno de Master en Ciencia en Nutrición Animal, Universidad de Wisconsin-Madison Departamento de Nutrición Animal; becado por Alltech, quien ayudó a co-gestar la idea de este evento y ser el nexo con la Universidad de Wisconsin para traer a los Doctores Shaver y Combs.
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PROLOGO En el ámbito agropecuario, la industria lechera es quizás la actividad más dinámica de todas; la situación que enfrentan los productores lecheros era difícil de preveer hace sólo doce meses, incluso seis meses atrás. El tener acceso a información actualizada y relevante permite estar preparado y tener los elementos de juicio necesarios para enfrentar y adaptarse a estos cambios de forma más informada, con un mayor grado de certidumbre, en menos tiempo y con un menor costo relativo. Cooprinsem, consciente de esta permanente necesidad de los profesionales y productores agropecuarios, ofrece, desde hace 40 años, jornadas técnicas, seminarios, charlas y cursos de capacitación. Además, como apoyo a la gestión de los productores agrícolas COOPRINSEM cuenta con varios servicios, entre éstos se destaca: - El control lechero, servicio encargado de controlar mensualmente el rebaño lechero, entregando información útil sobre la producción y dando elementos de juicio para una mejor gestión productiva. - Soluciones computacionales para el manejo de información y gestión agrícola, como son los programas “Control Lechero Intrapredial”, “Manejo de Potreros”, “Formulación de Raciones” y “Software de Contabilidad y Gestión”. - Actualmente ha agregado a sus actuales laboratorios de diagnóstico, bacteriología, calidad de leche y calidad de agua, un laboratorio de análisis de alimentos de consumo animal, el que cuenta con un equipo de Espectroscopía de Reflectancia cercana al Infrarrojo (NIRS). Es en este contexto, de servicios de apoyo y asesorías especializadas que Cooprinsem ofrece hoy a los profesionales y productores agropecuarios, esta jornada de actualización en Nutrición, tema que es especialmente relevante porque se relaciona directamente con el más influyente ítem de costos, la alimentación de nuestras vacas lecheras. En nuestro país la base de la alimentación está conformada por forrajes conservados y praderas, muchas de ellas de alta productividad. La existencia de praderas altamente productivas o la conservación de forrajes de alta calidad permite, por una parte aumentar la producción de leche de la masa actual y por la otra, sustentar el necesario aumento de esta masa ganadera lechera para alcanzar volúmenes que permitan competir en los mercados globales. PAGINA 09
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Lo anterior nos permite inferir que el necesario aumento de la competitividad, pasa por tener en consideración el desafío estructural relacionado tanto, con el mejorar la calidad, cantidad, disponibilidad de alimentos y nutrientes, como el incremento de las competencias de las personas que intervienen en el desarrollo e implementación de dietas para el ganado lechero. Estos hechos motivan a COOPRINSEM a realizar esta nueva versión de sus jornadas técnicas y define los objetivos del evento en términos de mostrar los avances existentes para mejorar la utilización de nuestras praderas y forrajes, así como otros avances recientes en nutrición que permitan mejorar su utilización y conocer como combinarlas con los otros alimentos disponibles en la forma, composición y proporción adecuada.
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Optimizando la utilización de forrajes en el ganado lechero Dr. David K. Combs Departamento de Ciencia Lechera Universidad de Wisconsin-Madison
Las dietas para vacas lecheras de alto nivel productivo son típicamente formuladas para utilizar la mayor cantidad de forraje posible. Las vacas altamente productoras típicamente requieren dietas que contengan alrededor de 70-75% de la materia seca como NDT, 35 a 40% como carbohidratos no fibrosos (CNF), 30% como fibra detergente neutra (FDN) y 1618 % como proteína cruda (PC) (NRC, 2001). Las principales limitaciones para la producción animal son la digestibilidad del forraje y el potencial de consumo. El objetivo de esta presentación es discutir la utilización de forrajes por las vacas lecheras, con particular referencia a cómo los métodos de conservación y el tipo de forraje afectan el metabolismo ruminal y la productividad. COMPOSICION DE FORRAJES FRESCOS Y CONSERVADOS La digestibilidad del forraje varia debido al tipo de forraje y al método de conservación (Tabla 1). Praderas de climas templados como las ballicas (C3) y la alfalfa son bajos en carbohidratos no fibrosos comparados con el ensilaje de Tabla 1. Composición típica de forrajes maíz. El bajo nivel de CNF limita el desarrollo manejados intensivamente de las bacterias ruminales mientras el alto Forraje NDT CNF FDN PC contenido de fibra restringe el consumo ----------% de MS---------por el llenado ruminal. Pasto C3, fresco AM Pasto C3, fresco PM Alfalfa, verde inmadura Alfalfa, ensilaje, inmadura Maíz ensilaje, excelente
64 66 66 61 68
27 32 26 28 40
37 34 33 38 45
24 23 26 23 10
La proteína cruda de los forrajes frescos es degradada amplia y rápidamente en el rumen, lo que en vacas en pastoreo frecuentemente resulta en altas concentraciones de amoniaco ruminal y excesiva excreción de N urinario (Kolver et al., 1998). Esta alta degradación proteica, asociada con bajos aportes de carbohidratos fermentables en el rumen reduce la eficiencia PAGINA 11
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de la producción de proteína microbiana y reduce el aporte de aminoácidos en el intestino delgado de vacas alimentadas en praderas. Reis y Combs (2000) describieron que el aumento de la proporción de carbohidratos no estructurales y el descenso de la proporción de carbohidratos estructurales de una dieta basada en praderas aumento la utilización del N dietario e incrementó la síntesis de proteína microbiana en vacas en lactancia. Las praderas contienen típicamente niveles más altos de CNF que henos y ensilajes. Durante el proceso de henificación los azúcares de las plantas son metabolizados y también convertidos en ácidos durante el proceso de ensilaje. (Woolford, 1984). Las praderas pueden contener un 10% más de unidades de CNF que henos y ensilajes. Los niveles de carbohidratos no fibrosos también varían durante el día porque el azúcar de las plantas se acumula en sus tejidos mientras el proceso de fotosíntesis esta activo. Forrajes cortados tarde en la tarde contienen más altos niveles de CNF que los mismos cosechados temprano, y henos y ensilajes cosechados durante la tarde pueden retener mas altos niveles de azúcares, a pesar del proceso de marchitamiento o de ensilaje. Trabajos realizados en el Reino Unido (Miller et al., 1999) describen que vacas lecheras alimentadas con ballicas con altos niveles de azúcar (cultivares seleccionados por un más alto nivel de azúcar y cosechadas tarde en el día) consumen mas materia seca, producen mas leche y excretan menos nitrógeno urinario que vacas alimentadas con cultivares de ballicas con bajos niveles de azúcar y cosechadas temprano. Esto sugiere que la captura del nitrógeno ruminal por parte de los microbios fue incrementada por relativamente moderados aumentos en la su de carbohidratos fermentables en el rumen. Sin embargo los cambios en la composición de CNF debidos al método de conservación son pequeños en comparación a las diferencias entre forrajes tropicales y de clima templado. El ensilaje de maíz se diferencia de otros forrajes conservados en que contiene mayores niveles de CNF, y estos se presentan mas bajo la forma de almidón y que como azúcares. La degradabilidad de los suplementos derivados del maíz es afectada por el contenido de humedad y puede afectar el rendimiento de vacas a pastoreo (Rearte et al.,1997). La reducción del tamaño de la partícula aumenta la utilización del almidón en vacas lecheras alimentadas con dietas que contienen grano de maíz molido y ensilaje de maíz de alta humedad (San Emetero et al., 2000). Optimizando el metabolismo ruminal de dietas con altos niveles de forrajes. La producción lechera basada en dietas con alta inclusión de forrajes, suministrados tanto en fresco como conservados está limitada por la disponibilidad de energía y proteína. Aún cuando sean seleccionados por su excelente calidad, digestibilidad o manejo los forrajes tropicales son capaces de suplir sólo la mitad del potencial lechero que soportan las praderas de clima templado. La adición de leguminosas a praderas tropicales (C4) mejora la utilización primariamente por el aumento del aporte de energía metabolizable. Cuando las leguminosas PAGINA 12
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son incluidas en mezcla con pasturas C3, el aumento del aporte energético proveniente de ellas es menor, pero el rendimiento lechero permanece limitado por el aporte energético, no por el aporte proteico. (Tabla 2). Tabla 2. Máximo de producción de leche esperable a partir de alimentación con forrajes sin suplementación de energía o proteína (NRC, 2001) Item
CMS, kg EN1 Leche potencial, kg PM Leche potencial, kg FDN consumo, %PV
1
Pradera C4
Pradera C + Leguminosa
Pradera C3
21 7.6 11.9 2.6 4
21 16 21.3 1.9
21 15.6 19.6 2.0
2
Pradera C3 + Leguminosa 21 17.3 25.1 1.6
1
Pradera tropical, madurez temprana C-4 2 Pradera templada, madurez temprana C-3 Leguminosas zonas templadas, madurez temprana 4 Probablemente por sobre la capacidad ruminal debido a la fibra 3
Los principales componentes energéticos encontrados en praderas y forrajes conservados se pueden agrupar según la forma en como ellos son medidos en un procesos normal de análisis de forrajes. El NRC (2001) estima el valor de energía de los alimentos mediante un enfoque aditivo. En un análisis de laboratorio, la digestibilidad real de CNF, FDN, PC, y ácidos grasos (AG) es evaluada y los NDT(1X) para una vez los requerimientos de mantención son estimados utilizando la siguiente ecuación: NDT1X = tdCNF + tdPC +(tdEE x 2.25) + tdFDN -7 Los CNF aportados por los forrajes son casi completamente degradados por las bacterias ruminales y son una importante fuente de energía para ellas. Aproximadamente de un 60 a 80% de la proteína del forraje es fermentada en el Tabla 3. NRC (2001). Guía para rumen y entre 40 a 70% de la FDN aportada por los aportes diarios en Vacas de Alta forrajes es degradada en el rumen. Aunque las grasas Producción contenidas en los forrajes aportan entre un 8 a 15 Item % de MS % de ED total % de su energía digestible total, los ácidos grasos aportan muy poco al metabolismo energético de las CNF 35-40 50 16,5-18 20 bacterias ruminales. Las recomendaciones PC FDN 28-30 15-18 nutricionales del NRC (2001) para vacas de alta Grasa 3-7 10-15 producción son resumidas en la Tabla 3. PAGINA 13
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Cuando las recomendaciones para ED (Energía Digestible) son expresadas como un porcentaje de la ED total, se hace evidente que aproximadamente la mitad de los requerimientos de ED de vacas lecheras pueden ser cubiertos por la fracción CNF de la dieta. La fibra de la dieta (FDN) aporta del 15 al 18% del suministro total de ED (Tabla 3). El metabolismo ruminal y la producción de leche pueden ser optimizados basando el balance de las dietas en la concentración de NDT y la distribución del aporte de energía digestible asociada con CNF, FDN, PC y Grasa de la dieta. Las estrategias de suplementación para dietas basadas en forrajes se pueden basar en el análisis de la composición de la estimación del NDT (Tabla 4). Con este enfoque, un forraje como el Pasto Bermuda Tifton 85 podrá ser suplementado con alimentos que aumenten la energía total contenida en la dieta adicionando primariamente CNF. Suplementos con altos niveles de almidón y azúcar son complementarios con dietas que contienen una alta proporción de forrajes como el pasto bermuda que son bajos en CNF digestibles, pero aportan una alta proporción de la ED desde la fibra. Suplementos que aumenten la cantidad de fibra en la dieta se deben evitar porque una alta proporción del aporte total de ED provendría desde el FDN del forraje. Para optimizar la fermentación ruminal de dietas basadas en praderas de climas templados de alta calidad, leguminosas o mezclas leguminosas/gramíneas suplementos con gran proporción de CNF digestibles y moderada cantidad de fibra son complementarios. Con este tipo de forrajes, y con una alta tasa de inclusión de CNF altamente fermentables y sin una inclusión adicional de fibra se debe esperar una reducción del aporte de ED a partir de la fibra. Al parecer dietas basadas en ensilaje de maíz se complementan mejor con suplementos que contienen altos niveles de fibra digestible y relativamente baja proporción de CNF.
Tabla 4. Distribución de la energía digestible (ED) en varios forrajes Item
NDT
CNF FDN PC Grasa
% de MS -----% de la ED total----Recomendación NRC* Tifton-85 Praderas templadas Alfalfa Ensilaje de Maíz
75 55 66 61 66
50 9 25 40 59
18 58 32 20 31
20 23 35 33 11
10-15 10 8 7 9
* Guías para la formulación de raciones para vacas de alta producción en la lactancia temprana
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Si bien este enfoque para el balance de dietas no ha sido probado extensivamente, puede proveer una alternativa a enfoques basados en modelos mecanicistas para la formulación de raciones. Esta aproximación a la formulación de raciones es aún especulativa, pero resultados de varios experimentos que han examinado los efectos de la suplementación sobre producción y metabolismo ruminal de vacas
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alimentadas con dietas basadas en altos niveles de forrajes parecen ser consistentes con esta hipótesis. Reis et al (2001) evaluaron la producción de vacas lecheras alimentadas con forraje chopeado de gramíneas y leguminosas suplementado con maíz grano molido en dos presentaciones, molido grueso (fuente de CNF de relativamente baja velocidad de fermentación ruminal), molido fino (mas rápidamente fermentado en el rumen, mayor disponibilidad de CNF ) y ensilaje de maíz de alta humedad molido grueso. La producción y composición de la leche no fue afectada por los tratamientos, sin embargo la reducción del tamaño de la partícula mejoró la utilización del nitrógeno. Kolver et al., (1998) alimentó vacas a pastoreo con un concentrado basado en maíz molido grueso (14% PC) y luego pastoreo (22% PC) realizado sincrónicamente o asincrónicamente (4 horas después) post pastoreo para testear si la sincronización de la degradación ruminal entre los CHO suplementados y la proteína de la pradera fresca pudiera incrementar la cantidad de nitrógeno retenido para desarrollo y producción de leche. Las vacas alimentadas con la dieta sincronizada tuvieron más bajo nivel de pH (6.06 vs. 6.17) y un más bajo peak de concentración de amoniaco (19.9 vs. 25.5 mg/dl) a las tres horas siguientes al pastoreo de la mañana. Basados en los cambios en la concentración ruminal de amoniaco, la alimentación sincronizada de CHO con pastoreo directo parece aumentar la captura ruminal de nitrógeno; sin embargo estos cambios fueron transitorios y no cambiaron el status del nitrógeno o el rendimiento de las vacas lecheras. Kellaway y Porta (1993) sugieren que con pasturas primaverales de alta calidad y baja fibra, puede existir ventaja en incluir fuentes de fibra digestible como afrechillo de soya (soy hulls), subproductos de trigo, gluten feed, coseta u otros alimentos similares. En la literatura que compara los efectos de la fibra versus el tipo de suplemento de almidón en vacas a pastoreo o aquellas alimentadas con forrajes frescos, (Kibon y Holmes, 1987; Van Vuuren et al, 1987; y Fisher et al,.1996), se muestra que el consumo de forraje aumenta más al ofrecer alimentos fibrosos que al alimentar con suplementos con alto contenido de almidón. Sin embargo, de estos informes, sólo Meijs (1986) encontró evidencia que esto aumenta significativamente la producción de leche. Reis y Combs (2000a) mostraron que cuando vacas lecheras pastoreando praderas de gramíneas/leguminosas fueron alimentadas con 5 o 10 Kg./d de un suplemento basado en maíz, la producción de leche, SCM y proteína láctea aumentan y las concentraciones de MUN y amoníaco ruminal disminuyen. Producción de leche y proteína microbiana aumentan en parte debido a un aumento total de la MO (materia orgánica) consumida pero también porque la proporción de la ED provenientes de CNF también aumenta cuando se agrega mas grano a la dieta. MUN y amoníaco ruminal fueron disminuidos presumiblemente por una disminución en la ingesta de RDP (proteína degradable en el rumen) y una mayor PAGINA 15
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utilización del amoniaco ruminal en la síntesis de la proteína microbiana. La suplementación aumenta el consumo de MO, disminuye el consumo de pradera y aumenta la proporción de MO que es digerida en el intestino. Vacas de alta producción que son alimentadas con forraje fresco de alta calidad, heno o ensilaje responderán a la suplementación de energía. La respuesta a los suplementos, sin embargo, puede variar dependiendo de la cantidad de NDT y de la distribución relativa de la energía proveniente de la fibra, carbohidratos no fibrosos, proteína y grasa que constituyen los forrajes.
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REFERENCIAS 1. Fisher, G. E. J., A. M. Dowdeswell, and G. Perrott. 1996. The effects of sward characteristics and supplement type on the herbage intake and milk production of summer-calving cows. Grass and Forage Science. 51:121. 2. Kellaway, R. and S. Porta. 1993. in Feeding Concentrates: Supplements for Dairy Cattle. Daratech Pty LTD. 3/166 Wellington Parade, East Melbourne, Victoria 3002, Australia. 3. Kibon, A., and W. Holmes. 1987. The effect of height of pasture and concentrate composition on dairy cows grazed on continuously stocked pastures. J. Agric. Sci. 109:293. 4. Kolver, E. S. and L. D. Muller. 1998. Performance and nutrient intake of high producing Holstein cows consuming pasture or a total mixed ration. J. Dairy Sci. 81: 1403 . 5. Krysl, L. J., and B. W. Hess. 1993. Influence of supplementation on behavior of grazing cattle. J. Anim. Sci. 71:2546. 6. Miller, L. A., M. K. Theodorou, J. C. MacRae, R. T. Evans, A. T. Adesogan, M. O. Humphreys, N. D. Scollan and J. M. Moorby. 1999. Milk production and N partitioning repsponses in dairy cows offered perennial ryegrass selected for high water-soluble carbohydrate concentrations. S. Afr. J. Anim. Sci. 29:281. 7. National Research Council. 2001. Nutrient Requirement of Dairy Cattle. 7th Ed. National Academy Press. Washington D. C. 8. Rearte, D. H., E. M. Kesley, and G. L. Hargrove. 1986. Forage growth and performance of grazing dairy cows supplemented with concentrate and chopped or long hay. J. Dairy Sci. 69:1048. 9. Reis, R. B. and D. K. Combs. 2000a. Effects of corn processing and supplemental hay on rumen environment and lactation performance of dairy cows grazing grass-legume pasture. J. Dairy Sci. 83:2529. 10. Reis, R. B. and D. K. Combs. 2000b. Effects of increasing levels of grain supplementation on rumen environment and lactation performance of dairy cows grazing grass-legume pasture. J. Dairy Sci. 83:2888. 11. Reis, R. B., San Emeterio, F., D. K. Combs and L. D. Satter. 2001. Effects of corn particle size and source on performance of lactating cows fed direct-cut grass-legume forage. J. Dairy Sci. 84:429. 12. San Emeterio, F., R. B. Reis, W. E. Campos and L. D. Satter. 2000. Effect of coarse or fine grinding on utilization of dry or ensiled corn by lactating dairy cows. J. Dairy Sci. 83:2839. 13. van Vuuren, A. M., C. J. Van der Koelen, and J. Vroons-de Brun. 1986. Influence of level and composition on concentrate supplements on rumen fermentation patterns of grazing dairy cows. Neth. J. of Agric. Sci. 34:457. 14. Woolford, M. K. 1984. The Silage Fermentation. Marcel Dekker, Inc. NY, NY. PAGINA 17
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Tecnologías disponibles para alimentar vacas lecheras en tiempos de altos costos de alimentación Guillermo Schroeder, Ph.D. Cargill, Animal Nutrition / USA guillermo_schroeder@cargill.com
Introducción La producción animal esta enfrentando tiempos de grandes desafíos e interesantes oportunidades. Entre los desafíos podemos destacar la gran demanda de granos para la producción de bio-combustibles (etanol, biodisiel, etc.) que han producido un incremento en los precios de la mayoría de los insumos utilizados para la alimentación animal. Las plantas elaboradoras de etanol han pasado de utilizar el 5% al 30% de la producción total de maíz en los EEUU en solo unos pocos años. No solo la industria del etanol representa un incremento en la demanda de granos, sino que además el actual subsidio ofrecido por el gobierno a la producción de etanol (u$s 0.13/litro) permite a las plantas pagar mas por el maíz (+ u$s 63/tn), dándole una ventaja comparativa respecto a otras industrias como la lechería. Este, y otros aspectos macroeconómicos (como la demanda en Asia), han llevado a que el precio del maíz se haya duplicado en solo un par de años (Figura 1). Además, esta coyuntura ha provocado el incremento en los precios de casi todos los commodities y subproductos, como la harina de soja (+70%) y los granos de destilería (DDG). Al alto precio de los insumos usados en alimentación, hay que agregarle el incremento en el costo de otros insumos claves para la producción de leche como los fertilizantes, combustibles, y forrajes (Figura 2).
Figura 1. Evolución del precio del grano de maíz en los últimos 10 años en USA (USDA, 2008) PAGINA 19
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Todo esto implica que el productor lechero tenga que enfrentarse a constantes incrementos en los costos de producción. Aun los pronósticos mas optimistas no parecen predecir que esta tendencia se vaya a revertir en los próximos dos años. Por lo tanto, hoy mas que nunca, es importante manejar las variables que determinan los costos de producción y utilizar toda la tecnología e información disponible para maximizar la rentabilidad de nuestras empresas lecheras en tiempos tan complejos.
Figura 2. Evolución de los costos de otros insumos como combustibles (fuel) y fertilizantes en los últimos 10 años en USA (USDA, 2008)
Alimentar vacas en tiempos de crisis Resulta evidente que las industrias relacionadas con la producción de productos animales (leche, carne, cerdos, pollos, etc.) han sido las mas perjudicadas por los altos incrementos en los costos de producción derivados de altos precios de granos y combustibles.
Figura 3. Evolución del precio de la leche en los últimos 10 años en USA (USDA, 2008)
Algunas estimaciones en USA indican que el costo de producción de leche ha se ha incrementado en mas de 20% en solo un año. Esto ha sido absorbido por la mayoría de los tambos debido a un incremento histórico en el precio de la leche (Figura 3), pero la relación costo de producción: precio de la leche parece ir aumentando con el tiempo y mientras los PAGINA 20
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precios de los insumos (granos, forrajes) siguen alcistas, el precio de la leche parece haber alcanzado un techo por ahora. Aunque este escenario parezca negativo y pesimista, tiempos de desafíos y crisis siempre se han relacionados con tiempos de grandes oportunidades y avances. En cuanto a alimentación de vacas lecheras se refiere, es tiempo de aplicar todo el conocimiento científico y práctico que nuestra industria a generado en los últimos 100 años para aprovechar cada oportunidad de maximizar rentabilidad. Por lo tanto, el objetivo de esta presentación es describir alguna de las tecnologías y conceptos que aplicados en conjunto permitirán mantener rentabilidad en tiempos de crisis. Tecnologías disponibles La buena noticia en este contexto es que hay muchas herramientas tecnológicas y avances en conocimientos científicos que están disponibles para ser utilizados en nuestros tambos. Alguno de ellos son: • Programas de alimentación (softwares) La vaca lechera de alta producción presenta altos requerimientos nutricionales. La estimación de dichos requerimientos en forma precisa es clave para poder formular dietas que expresen el potencial productivo de la vaca al tiempo que reduzca problemas de salud. El conociendo científico en esta área ha avanzado significativamente gracias al uso de nuevas técnicas de investigación y a la mejora en las vías de comunicación y transferencia de dichos descubrimientos. También ha sido indudable la evolución de los sistemas de estimación de nutrientes, pasando desde modelos muy primitivos a complejos modelos matemáticos de simulación de procesos biológicos que predicen requerimientos basándose en factores del animal y del ambiente. Cuando dichos programas se basan en datos científicos y tienen componentes económicos que permiten formular raciones a mínimo costo, representan herramientas de suma utilidad en tiempos de gran volatilidad de precios de insumos y gran variedad de subproductos disponibles (a veces temporalmente) para la alimentación animal. Cada programa tiene sus ventajas y limitantes y no es objetivo de esta presentación comparar programas disponibles y dar recomendaciones. La exactitud con la cual los programas predicen resultados va a depender en gran medida de la exactitud de los datos o variables asumidas (nivel de consumo, estado fisiológico del animal, factores ambientales, calidad de los alimentos disponibles, etc.). Además, es el sentido común y la experiencia profesional del nutricionista quien determinara el uso correcto de cualquiera de dichos programas. PAGINA 21
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• Analizar los ingredientes es cada vez más importante Los rumiantes tienen la ventaja comparativa de poder aprovechar la fermentación a nivel ruminal para proveerse de energía, proteína y otros nutrientes claves. Esta característica no solo permite el uso de forrajes y alimentos altos en fibra sino que además se pueden utilizar un gran número de subproductos de la industria (pulpa de citrus, cascarilla de soja, DDG, etc.) de limitado valor en otras especies (cerdos y aves). Estos subproductos usualmente presentan ventajas competitivas en cuanto a precios (dependiendo de la zona, disponibilidad, etc.), pero usualmente tienen una gran variabilidad en cuanto a composición. Incluso dentro de un mismo proveedor (planta), la variación en el tiempo puede ser muy alta, dependiendo de la materia prima utilizada y de los procesos de elaboración de cada producto (etanol, aceites, azucares, etc.). En un contexto en el cual la utilización de subproductos puede presentar mayores oportunidades debido al alto costo de otros insumos, es de vital importancia saber que es lo que le vamos a ofrecer a nuestras vacas. Similares comentarios pueden hacerse para el uso de pasturas y otros forrajes. Es sabido que las pasturas cambian en composición de una estación del año a otra, de un potrero a otro e incluso dentro de un mismo día. En todos los casos, frecuentes análisis de laboratorio nos brindaran la información necesaria para corregir la dieta, mantener un aporte de nutrientes constante (ver siguiente sección) y maximizar rentabilidad. Afortunadamente el avance en las técnicas e instrumentos utilizados en los laboratorios de calidad de alimentos han sido importantes. Por ejemplo, equipos como los basados en reflectancia en el infrarrojo cercano (NIR), cuando están calibrados adecuadamente, permiten obtener resultados casi inmediatos de composición nutricional de distintos ingredientes. No solo hoy contamos con análisis más rápidos y menos costosos, sino que además son mucho más completos. Por ejemplo, se ha avanzado del simple análisis de proteína cruda, a estimaciones de distintas fracciones como nitrógeno no proteíco, proteína degradable y no degradable en rumen, etc. (Cuadro 1). Cuadro 1. Evolución en la determinación de fracciones nutricionales en los alimentos ANTES
Proteína cruda
Fibra
Carbohidratos no-fibra
Grasas
HOY
Nitrógeno no proteíco Proteína degradable en rumen Proteína no degradable en rumen Proteína soluble en rumen Péptidos Amino ácidos Amino ácidos digestibles a nivel intestinal
Lignina FDN FDA Fibra efectiva Fibra digestible
Fibra soluble Almidón Almidón gelatinizado Azúcares Lactosa Glicerol Acidos orgánicos
Saturadas In saturadas Acidos grasos
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Estos resultados no solo permitirán formular raciones en base a nutrientes (ver siguiente sección) en forma más precisa, sino que son una herramienta útil para determinar el precio a pagar por un ingrediente dependiendo de su calidad. Un ejemplo típico son los subproductos de la industria del etanol: DDG. La variación en composición de los DDG es muy importante (como será discutido en otras presentaciones en estas jornadas) y su valor nutricional y económico dependerá de la composición nutricional, del nivel a ser incluidos en la dieta y del precio relativo de otros ingredientes. Por ejemplo, de acuerdo con el NRC (2001), el contenido promedio de proteína es del 29.7% con un coeficiente de variación del 11%. Asumiendo un escenario en el cual se fórmula una dieta a base de silaje de maíz (30%) y de alfalfa (20%), y con disponibilidad de otros subproductos y granos a precios corrientes, un análisis de costo de oportunidad usando programación lineal sugiere que bajo esas condiciones deberíamos pagar un 3% menos del valor si la proteína cruda baja del 29.7 a 26.4% (reducción en un desvío estándar) pero hasta un 5% más si sube de 29.7 a 33.0%. Si se asume un nivel de proteína fijo en 29.7% pero se reduce el nivel de grasa desde la media (10%) reportada por NRC (2001) en un desvío estándar (3.4%), el precio a pagar bajo esas condiciones debería ser un 6% menos para que los DDG se mantengan en la dieta sin que cambie el costo de la alimentación. Este es tan solo un simple ejemplo de cómo conociendo la composición nutricional de los ingredientes y teniendo herramientas como programas de formulación de mínimo costo se pueden tomar decisiones más concientes a la hora de comprar insumos y formular raciones. En condiciones de alimentación a base de pasturas, los programas deben ser adaptados a dichas condiciones y la dieta ha de ser formulada no solo considerando los factores del animal y la producción individual sino además maximizando la rentabilidad del sistema. • Las vacas necesitan nutrientes, no ingredientes Cuando hablamos de nutrientes nos referimos a compuestos que son metabolizados por el animal (amino ácidos, azúcares, grasas, vitaminas, etc.) y que pueden ser aportados por los distintos ingredientes (alfalfa, maíz, semilla de algodón, premezcla mineral, etc.) de la dieta. Las vacas no presentan requerimientos (mínimos niveles) de maíz o harina de soja, sino que presenta requerimientos de almidón y amino ácidos esenciales. Este concepto que parece tan obvio para muchos, es importante de entender y aplicar si queremos tener mayor flexibilidad para formular dietas para vacas lecheras. Además, ha sido demostrado muchas veces que las vacas necesitan una gran consistencia (regularidad) en el aporte de nutrientes, no así en el de los ingredientes que aportan dichos nutrientes. Por lo tanto, es mas importante PAGINA 23
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mantener niveles de almidón o ciertos amino ácidos (por ejemplo) estables en el tiempo, independientemente de si usamos un ingrediente u otro para alcanzar dichos niveles. No depender de ingredientes fijos nos permite, además, utilizar al máximo los subproductos industriales y aprovechar cada ingrediente cuando su costo tenga ventajas competitivas respecto a otros ingredientes que aportan similares nutrientes. Esto va a requerir de un preciso conocimiento de la calidad nutricional de cada ingrediente (como fue descrito anteriormente) ya que en muchos casos, un mismo ingrediente (por ejemplo DDG, pasturas) puede tener un rango de composición muy amplio. Por lo tanto, más preciso sea nuestro conocimiento sobre los requerimientos nutricionales de las vacas y sobre la composición nutricional de los ingredientes disponibles, mayor será nuestra flexibilidad para formular raciones y mayor la rentabilidad obtenida. Pero empecemos a pensar en nutrientes mas que en ingredientes. Combinando todo en un sistema: dietas a medida Cuando se puede combinar las tecnologías disponibles (análisis de laboratorio, programas de requerimientos nutricionales basados en información científica) y se vence el paradigma de que las vacas no necesitan ingredientes fijos sino un aporte de nutrientes constantes, es posible formular dietas flexibles y a “medida” de cada situación específica. Este a sido el modelo que Cargill Nutrición Animal ha venido desarrollando e implementando exitosamente en USA. Mas de 50 años de investigación y desarrollo han permitido desarrollar un sistema de alimentación de vacas lecheras basados en: • Adecuada evaluación del valor nutritivo de los alimentos disponibles en el campo (pasturas, silajes, henos, etc.). Esto no solo incluye análisis de laboratorio, sino que también análisis físico (tamaño de partícula, duraza de grano, densidad, etc.). • Correcta determinación de los nutrientes requeridos por las vacas a las que se le formulara la dieta. • Correcta determinación de los nutrientes requeridos por las vacas a las que se le formulará la dieta. • Compra de ingredientes en base a su precio y calidad, usando bases de datos que permiten conocer el óptimo proveedor para cada materia prima dependiendo del nutriente que se requiere en cada formula. • Priorizando un aporte estable de nutrientes mas que un aporte estable de ingredientes. Básicamente, los consultores determinan que es lo que hay disponible en el campo (laboratorio, análisis físico) y en base a eso y a los requerimientos de las vacas formulan concentrados PAGINA 24
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“a medida” para ese campo y para ese determinado momento del año. La planta de alimentos formula dicho concentrado aprovechando los mejores precios disponibles de ingredientes siempre y cuando cubra las especificaciones nutricionales solicitada por los consultores. Un aspecto muy importante de este sistema es que todos los nutrientes (tanto los aportados por los ingredientes como los requeridos por los animales) son estimados de forma similar, siendo consistente en los procedimientos y evitando variaciones entre laboratorios y técnicas. El uso de dietas hechas a medidas en base a formulas estrictas en su contenido de nutrientes pero flexibles en los ingredientes a utilizar usualmente permite aprovechar el “retardo” en el aumento del costo de algunos ingredientes alternativos con respecto a otros (Figura 4). Por ejemplo, el aumento relativo de la pulpa de remolacha ha sido mas significativo que en la pulpa de citrus, por lo tanto, contar con un sistema que estime cuanto mas de un ingrediente puedo usar por el otro mientras mantenga los nutirientes requeridos, va a permitir reducir costos de alimentación sin afectar la producción de leche de las vacas. Este sistema es solo un ejemplo que usando la tecnología de disponible se puede alimentar vacas lecheras en tiempos en los que los alimentos (granos) tienen precios record y aun así mantener la rentabilidad. Resumen: - Estamos atravesando momentos de precios históricos de los commodities normalmente usados para Figura 4. Variación de precio en ingredientes que aportan alimentar animales carbohidratos a nivel ruminal relativo a su precio en agosto - Mantener la rentabilidad va de 2006. a requerir el máximo uso de la tecnología actualmente disponible para formular raciones de mínimo costo mientras la producción no es afectada. - Formular dietas especificas para cada situación en base un sistema que incluya el uso correcto de programas de alimentación, análisis de laboratorio y flexibilidad en ingredientes va a permitir maximizar la rentabilidad. PAGINA 25
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Utilización del creciente suministro de granos de destilería Robert Kaiser y Randy Shaver Departamento de Ciencias Lecheras Universidad de Wisconsin-Madison Universidad de Wisconsin-Extensión
Introducción A través de la región del medio oeste norteamericano, nuevas plantas de etanol (principalmente para el proceso de la molienda en seco vs. el de molienda húmeda) se están planificando y construyendo, mientras que las plantas existentes se expanden. Hoy en día el 98 por ciento del etanol comercialmente producido es utilizado para extender la gasolina. Los atributos del etanol permiten que sea utilizado como un impulsor de octano y como el oxigenador preferido para el sustituto de la gasolina MTBE (éter metil tert-butílico). Por reducir las emisiones dañinas de los vehículos el Etanol es ampliamente aceptado por su contribución a mejorar el ambiente y la salud pública. Además no es tóxico y es rápidamente biodegradado en las aguas superficiales, subterráneas y suelo. El Etanol contiene un 35% de oxígeno y al ser agregado a combustibles fósiles (gasolina y diesel) se produce una mejor combustión de ellos, reduciendo así las emisiones. La legislación de Energía firmada para ser aprobada como ley por el Presidente Bush el 8 de Agosto de 2005 incluye un programa estándar de combustible renovable (RFS) a escala nacional, que duplicará el uso de etanol y biodiesel en el 2012. Las disposiciones de RFS establecieron un volumen inicial de 4 billones de galones de combustibles renovables en el 2006 e incrementos a 7.5 billones de galones en el 2012 (1 galón= 3,785 lts.). Se usan dos métodos para la producción de etanol a partir de granos: la molienda en seco y la molienda húmeda, y cada proceso genera co-productos únicos. Los Productos primarios de la molienda húmeda incluyen: harina de maíz, jarabe de maíz, edulcorantes y aceite de maíz además de subproductos alimenticios - licor de maíz, harina de germen de maíz, gluten feed, gluten de maíz y harina de gluten de maíz. Las plantas que utilizan la tecnología de molienda en seco son significativamente más baratas de construir y típicamente producen solo tres productos: etanol, granos de destilería y dióxido de carbono. Una planta moderna de molienda en seco bien administrada genera, por cada bushel de maíz procesado, aproximadamente 2.85 galones de etanol, 18 libras de granos secos de destilería con solubles PAGINA 27
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(DDGS) y 18 libras de CO2. Una planta típica de la zona procesa 20 millones de bushels de maíz anualmente (1 b. aprox. 25 kg.). Desde 1980 al 2000 la producción de granos de destilería aumento diez veces, de 320 mil a 3.5 millones de toneladas métricas (1 tonelada métrica = 1000 kilos = 2204.6 libras). En comparación con el año 2000, la producción de granos de destilería se duplicó nuevamente en el 2004 a sobre las 7.3 millones de toneladas métricas y se mantiene como el producto de alimentación para el ganado de mayor crecimiento. Para ilustrar lo que el ilustración actual volumen de granos de destilería significa lo pondremos en perspectiva. El ganado lechero nacional (EE.UU.) de aproximadamente 9 millones de vacas necesitaría consumir 7.2 libras de granos de destilería por día en una lactancia de 305 días para consumir la actual provisión. Los granos de destilería son también utilizados en las raciones de las vaquillas de reemplazo, en las dietas de otras clases de ganado tales como ganado para carne, cerdos y aves, y son también un importante commodity de exportación. Si bien nuestro ganado nacional puede hacer total uso de la disponibilidad de granos de destilería, eso necesariamente pasa por la sustitución de otros alimentos ahora incluidos en sus dietas. Actualmente existen 101 plantas de etanol en operación y 33 nuevas plantas en construcción. Se espera que la producción de etanol supere los 4.5 billones de galones este año. Muchas plantas de etanol construidas en los últimos diez años emplean la tecnología de la molienda en seco y estas generan alrededor del 75% del volumen total de etanol. Con abastecimiento crecientes y exportaciones relativamente estables (cerca de 1 millón de toneladas métricas) es evidente que la industria lechera de Estados Unidos y los productores de ganado están complementando las dietas animales con granos de destilería. Diversos granos del cereal (maíz, sorgo, trigo, centeno, etc.) se usan para producir alcohol de grano o etanol. En el medio oeste donde muchas plantas generan combustible vs. bebidas alcohólicas, el grano que predominante se usa es el maíz. Durante el procesamiento, el grano entero limpio es molido para aumentar el área de superficie, se le agrega agua para hacer un salvado, que se cocina bajo presión. Al cocinarlo se gelatiniza el almidón y se reduce mucho la población microbios indeseables dentro de la mezcla. El salvado o papilla es luego enfriada y se le agregan enzimas para licuar la masa y convertir el almidón en azúcar. Luego se le añade la levadura para fermentar el azúcar en alcohol y dióxido de carbono. Durante miles de años, esta innovación en biotecnología, es decir, la conversión de sustrato fermentable (frutas, granos, flores) a través de un agente vivo (levadura) en alcohol ha servido para levantar el espíritu humano. Inicialmente este beneficio a la humanidad fue a través del consumo directo de alcohol en la forma de vino, y más recientemente, como una fuente de energía renovable y agente oxigenador para combustibles fósiles. PAGINA 28
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El resto de este artículo explorará la mejor manera en que la industria lechera puede utilizar granos de destilería y residuos no alcohólicos de fermentación del maíz. Luego de la eliminación del etanol por medio de los procesos de destilación, todo el sedimento es llevado a centrífugas en donde las partículas de granos son separadas de los sólidos disueltos. Los sólidos disueltos, que son llevados en el sedimento delgado, son entonces concentrados en jarabe por medio de evaporadores de múltiples efectos. El jarabe puede entonces ser comercializado como destilados solubles condensados (CDS) o secos y comercializarse como destilados secos condensados (DDS). Sin embargo, muy poco CDS o DDS es producido actualmente. En muchas plantas los solubles son agregados al sustrato sólido, y se comercializan como granos húmedos destilados con solubles (DWGS) o como granos secos destilados con solubles (DDGS) y el producto combinado logra el equilibrio en la materia seca. Los granos destilados se ofrecen entonces para la venta a fabricantes de alimentos/manipuladores o directamente a productores de ganado. La comercialización de DWGS ocurre usualmente dentro de 150 millas de la planta debido a los costos de transporte asociados a su alto contenido de agua. Desde la perspectiva de las operaciones de una planta, el no tener que secar todos los subproductos de los destilados representa un importante ahorro en sus costos de energía. Asumiendo que estos ahorros son traspasados al cliente, se crea una situación de beneficio mutuo para ambas entidades; la gerencia de la planta de etanol logra una producción más eficiente de energía por bushel de maíz y los productores lecheros tienen el potencial para obtener mayores ingresos por sobre los costos de alimentación. Composición Nutritiva de los Granos de Distilería con Solubles La composición nutritiva y la variabilidad de los alimentos son factores importantes a considerar cuando se evalúan alimentos para su inclusión en las raciones lecheras. La composición nutritiva de los granos de destilería, como con muchos subproductos, está influenciada por múltiples variables: tipo de grano usado, calidad del grano, procesos de molienda, extensión de la fermentación, condiciones de secado, cantidad de solubles mezclados con la masa y separación de partículas. Dependiendo de la fábrica y si se produce DWGS o DDGS, la proporción relativa del sustrato versus los solubles del producto final varían. Contactos personales con expertos de la industria indican que la composición de DWGS varía entre un 65% de sustrato y un 35% de solubles a un 45% de sustrato y un 55% de solubles sobre la base de materia seca. En la Tabla 1, se incluyen valores medios de nutrientes y desviaciones estándar de seis encuestas de granos de destilería secos (Robinson, 2005; Hardy et al., 1998; DePeters et al., 2000; Belyea et al., 1989; Spiehs et al., 2002) y granos de destilería húmedos (Kaiser, 2005). Estos valores se comparan favorablemente con análisis de DDGS reportados en los Requerimientos de Nutrientes del Ganado Lechero del Consejo Nacional de Investigación 2001. PAGINA 29
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Tabla 1. Promedio de nutrientes y desviaciones estádar de los granos de destlería con solubles de siete grupos de datos
NRC, DDGS Kaiser, DWGS Robinson, DDGS Robinson, Dakota Gold® Hardy, DDGS
MS
DE PC
9 0.2 3 5.8 9 0.1 8 8.2 9 2.7
8 9.0
2 1.8 9.7 2 1.5 6.6 3 1.6 0.1 3 0.9 0.7 3 1.0 0.1 3 1.2 3 0.6 3 1.1 0.2
P 0.8 0.9 0.9 0.7
DE 0.1 0.2 0.1 0.1
0.8 0.7 0.9
DePeters, DDGS Belyea, DDGS Spiehs, DDGS
NRC, DDGS Kaiser, DWGS Robinson, DDGS Robinson, Dakota Gold® Hardy, DDGS DePeters, DDGS Belyea, DDGS Spiehs, DDGS
DE
EE
DE
EE UW
DE
FDN-D
DE
3.0
59.0
6.4
FDN
DE
38.8
7.8
30.1
1.6
1 0.0 1 0.5
2.6
11.5
3.5
33.7
4.7
76.2
7.6
1.2
11.9 1 0.5 1 3.0
0.7
28.1
2.4
77.5
1.5
1.2
48.8
3.2
1.3
35.6
8.2
0.9
33.0
1.5
1.0
7.4 1 0.9
0.5
42.0
4.3
Ca 0.2 0.1 0.1 0.0
DE 0.1 0.1 0.0 0.0
K 1.1 1.2 1.0 0.9
DE 0.2 0.1 0.2 0.1
Mg 0.3 0.4 0.3 0.3
DE 0.1 0.0 0.1 0.0
DE
4.5
0.4
0.0 0.0 0.0
1.0 0.9 0.9
0.1 0.1 0.1
0.4 0.3 0.3
0.0 0.0 0.0
DE 1.1 1.5 0.8 0.2 0.6 0.3 0.3 0.5
Cenizas UW
0.0 0.1 0.0 0.0 0.1 0.1
Cenizas 5.2 5.6 4.9 4.6 4.3 4.7 3.1 5.8
3.3
1.5 0.6 1.4
3.4 1.0
16.4
1.2
MS = Materia seca, DE = Desviación estándar, PC = Proteína cruda, EE = extracto etéreo - hidrólisis ácida, EE UW = extracto etéreo Universidad de Wisconsin-Madison - Soxhlet, FDN = Fibra detergente neutra, NDF-D = Digestibilidad de FDN, P = Fósforo, Ca = Calcio, K = Potasio, Mg = Magnesio.
Comparados con el maíz, en los granos de destilería se encuentra un valor tres veces mayor en la concentración de proteína, grasa y fibra y a diferencia del maíz el cual es alto en almidón, los granos de destilería están desprovistos de almidón. El proceso de producción de etanol también realza la digestibilidad de la fracción de fibra. La fibra altamente digestible PAGINA 30
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y el contenido moderado de grasa clasifican a los granos de maíz de destilería como un alimento de gran valor energético. Los residuos de la fermentación además contienen células de levadura, complejo vitamínico B y otros nutrientes formados durante el proceso de fermentación - destilación. La calidad proteica de los destilados de granos de maíz es similar a otros productos en base a maíz, los cuales son intrínsecamente bajos en lisina. DDGS y DWGS son excelentes fuentes de proteína no degradable (PND). Durante el proceso de secado de los granos o los solubles de destilería la proteína se puede dañar por efecto del calor, reduciendo la eficiencia de la utilización de la proteína por los animales (Cromwell et al. 1993). Cromwell encontró que las elevadas temperaturas de secado elevan por sobre un 13% los niveles de nitrógeno ligados a la fracción detergente ácido insoluble (ADIN) y estos valores fueron correlacionados negativamente con la digestibilidad aparente del nitrógeno. La proteína potencialmente dañada con el calor es usualmente una gran preocupación en el caso de DDGS más que con DWGS. Comparado con el grano de maíz, la concentración de fósforo es tres veces mayor en los granos de destilería y se debe tener en consideración al formular las dietas de las vacas a fin de minimizar su excreción en el medio ambiente.
Aspectos Nutritivos - Dietas para las Vacas DDS, CDS, granos de molienda de secado (DDG), DDGS y DWGS han sido utilizados con éxito en las raciones de lechería por más de un siglo. Durante los últimos 50 años se han realizado un sinnúmero de investigaciones comparando estos productos con otras fuentes de proteina y energía que demuestran el valor nutricional de los subproductos de destilería. Los meta-análisis de datos de literatura (Kaiser et al., 2005 revisó 21 pruebas con 53 controles vs. comparaciones de granos de destilería de 1980 a 2005; Kalscheur, 2005 - revisó 24 estudios 98 comparaciones de tratamiento de 1982 a 2005) confirman las respuestas en el rendimiento de las lactancias a la inclusión de granos de destilería en la dieta de vacas lactantes. Los DDGS se ha convertido en un fuente común de los suplementos proteicos en las lecherías comerciales, a menudo constituyen un 25-35% de la mezcla base de materia seca (Base MS), dependiendo de la relación de precios con los otros componentes disponibles. Una comparación común entre los nutricionistas del área lechera es que una libra de DDGS es aproximadamente equivalente a 0.6 libras de maíz y 0.4 libras de harina de soja. PAGINA 31
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El trabajo realizado por investigadores de Nebraska (Al-Suwaiegh et al., 2002) llevó a cabo una comparación de granos de destilería húmedos versus granos de destilería secos provenientes de maíz o sorgo. Las dietas de vacas en lactancia contenían 25% de ensilaje de maíz, 25% henilaje de alfalfa, y 15% granos de destilería con solubles (Base MS). Los tratamientos fueron con maíz y DDGS, maíz y DWGS, sorgo y DWGS. La producción de leche fue similar para los granos de destilería secos y húmedos con una pequeña ventaja para el maíz por sobre el sorgo. La proteína de la leche y la grasa fueron similares a través de los tratamientos con una pequeña ventaja para DDGS en comparación con DWGS. Recientemente, investigadores del Estado de Dakota del Sur (Anderson et al., 2006) evaluaron los granos de destilería secos vs. los húmedos en dos concentraciones en las dietas (10% ó'3f 20% de DM) de vacas en lactancia. La producción de leche fue similar a través del tratamiento de los granos de destilería. Los porcentajes de grasa y proteína de la leche fueron superiores para DWGS que para DDGS. La ingesta de materia seca fue similar a través de los tratamientos de granos de destilería en ambos estudios sugiriendo que el mayor contenido de humedad de las dietas con DWGS no limitaba la ingesta. El agua por sí misma no limita la ingesta de materia seca y dado que el bajo pH y los ácidos orgánicos elevados no son propios de DWGS, no parece probable que la alimentación con granos de destilería húmedos afecten la ingesta adversamente. Sin embargo, el consumo puede disminuir si los DWGS no son utilizados rápidamente y se deterioran.
Guías para la alimentación Cuando se formulan raciones, cada ingrediente es examinado en base a su contribución nutricional y sus interacciones con otros alimentos (forma física, dinámica ruminal, efectos sobre el perfil aminoacídico, etc). DWGS y DDGS son alimentos muy palatables y frecuentemente se utilizan entre un 5 a 15% de las dietas en base materia seca en vacas lactantes. Los estudios revisados en el meta-análisis citado anteriormente reportan niveles de inclusión satisfactorios por sobre un 30% de granos de destilería (base MS) en dietas de vacas lecheras. El limite básico de la cantidad a utilizar de granos de destilería se relaciona con el contenido de proteína, calidad y grasa total de la dieta. Como se menciono previamente, los granos de destilería son una excelente fuente de proteína no degradable. Dependiendo de las características de la proteína de otros ingredientes de la dieta, utilizar altos niveles de granos de destilería puede aumentar los niveles de PND por sobre las recomendaciones nutricionales y deprimir los niveles ruminales de amonio. PAGINA 32
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Cuando esto ocurre, la flora ruminal no tiene una adecuada fuente de nitrógeno, reduciéndose la producción de proteína microbiana, se deprime la digestión de fibra y la ingesta de materia seca. Maximizar la cantidad y calidad de proteína disponible a nivel intestinal es vital para lograr altos niveles de producción láctea. Un error costoso en cualquier dieta para vacas lecheras es el limitar la síntesis proteica microbiana. Linn y Chase (1996) recomiendan limitar la cantidad de proteína cruda proveniente de fuentes de maíz en dietas de vacas lecheras a un 60% de la proteína cruda total, esto incluye fuentes identificadas como ensilaje de maíz, maíz grano, destilados de maíz, gluten de maíz y gluten feed. Como la proteína de maíz es deficiente en lisina, esta parece ser una recomendación prudente. Con la introducción de los Requerimientos de nutrientes para ganado lechero 2001, se dispuso de una valiosa herramienta para evaluar raciones. Después de que se ingresan los ingredientes de la dieta y la información de las vacas, el programa de evaluación de raciones predice las cantidades de nutrientes requeridos por el animal, los nutrientes aportados por los ingredientes de la ración y sus balances positivos o negativos. El modelo predice la proteína degradable en el rúmen (PD), la PND y identifica también, basado en valores de tabla, cuando los aminoácidos como lisina o metionina pueden limitar la producción de leche. La utilización del modelo sugiere que la limitación a utilizar un 60% de la proteína cruda proveniente de fuentes de maíz, puede ser sobrepasada cuando se utiliza otros alimentos altos en lisina, como harina de sangre o lisina protegida en la dieta. Los carbohidratos no fibrosos (CNF) y el contenido de almidón de las dietas de vacas lecheras no debiera exceder el 35-40% y el 25-30% (Base MS), respectivamente. Dietas que exceden estos niveles de CNF y almidón tienen el potencial de causar acidosis ruminales. Una característica de los granos de destilería es que su energía neta de lactancia equivale a la del maíz sin contribuir apreciablemente a la carga de almidones del rumen. Los bajos valores de CNF al igual que el moderadamente alto nivel de grasa de los granos de destilería pueden, sin embargo, presentar desafíos nutricionales adicionales. Los microorganismos ruminales necesitan de fuentes rápidamente disponibles de energía y nitrógeno para crecer rápidamente. Es aquí donde otros ingredientes de la ración necesitan complementar a los granos de destilería. Si granos enteros de oleaginosas, como poroto de soya o pepa de algodón, son incluidos, la inclusión potencial máxima de los granos de destilería se ve reducida para evitar que los niveles de grasa sobrepasen el 6%. Leonardi et al. (2005) reportó que alimentar hasta un 15% de DDGS cuando la dieta general contenía un 5% de ácidos grasos (aprox. 6% de grasa cruda) incrementó la producción de leche y proteína sin disminuir la producción de grasa. Las guías de alimentación mencionadas previamente parecen complejas, sin embargo los nutricionistas aplican cada día estos principios a los granos de destilería, al PAGINA 33
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igual que a una plétora de otros alimentos, en incontables dietas formuladas para la alimentación de vacas lecheras. Si las guías sugeridas son seguidas, los granos de destilería pueden ser incoporados efectivamente en dietas de vacas lecheras.
Consideraciones de manejo y almacenaje Los DDGS son relativamente fáciles de manejar y almacenar en los predios, mientras que el DWGS presenta algunos desafíos adicionales. Los DWGS frescos típicamente tienen una materia seca de un 30 a 40%. Algunos administradores de plantas de Etanol, buscando lograr una ventaja competitiva están secando aún mas el DWGS. El subir la materia seca a un 40 o 50% puede mejorar las características de manejo del producto, haciéndolo más atractivo a los operadores de empresas lecheras y aumentando la distancia desde la planta hasta la cual es económicamente posible el comercializar los DWGS. Como se describe previamente, el cocinar la masa reduce grandemente la población microbiana, especialmente aquellos microorganismos que pudieran competir por el sustrato. Por ello el proceso entrega un producto que es, al menos inicialmente, bajo en microorganismos, incluyendo aquellos responsables del deterioro de éste. Cuando el producto es expuesto al aire tiene una vida útil de dos a siete días, dependiendo del clima. En lecherías de gran tamaño, el DWGS es frecuentemente entregado mediante un camión de volteo o de descarga automática y es mantenido en silos de cemento a nivel del suelo, siendo utilizado antes de que se descomponga. El DWGS utilizado en el ensayo de Nebraska fue almacenado en bolsas para ensilar de tres metros de diámetro y los investigadores reportaron una excelente mantención de la calidad del producto durante el año que duro el estudio. Una conclusión lógica de la extensión de la vida útil fue que la bolsa plástica evitó el contacto con el aire. Es poco probable que exista suficiente substrato fermentable residual y bacterias productoras de ácido láctico para facilitar los procesos de fermentación similares a otros cultivos ensilados. El almacenamiento en bolsas de plástico puede hacer que el alimentar DWGS sea posible para una mayor cantidad de lecherías cercanas a las plantas de Etanol. El costo del ensacado es estimado en $ 6 a $ 7 por tonelada, incluyendo el arriendo de la máquina ensacadora, bolsa plástica y combustible. (Comunicación personal, Lyle Lange, Lange Ag Systems). Resumen Los granos de destilería son excelentes fuentes de alimentos para el ganado lechero pero deben tener un precio competitivo para desplazar otros alimentos actualmente incluidos en PAGINA 34
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las raciones de vacas lecheras. A medida que aumenta la producción de Etanol para suplir la demanda y los estándares de los combustibles renovables, la oferta de los granos de destilería va a aumentar significativamente. El DWGS esta sujeto a biodegradación y debe ser manejado en forma apropiada en la planta como en el predio. Las tasas de inclusión en la dieta y las estrategias de almacenamiento en el predio deben ser desarrolladas para poder capturar el máximo de su valor alimenticio. Los administradores inteligentes de plantas de Etanol reconocen la importancia de la consistencia del producto y están comenzando a proveer servicios adicionales a los clientes productores de leche.
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JORNADAS COOPRINSEM 2008 / AVANCES EN NUTRICION DE VACAS LECHERAS
Referencias Al-Suwaiegh, S., K. C. Fanning, R. J. Grant, C. T. Milton, and T. J. Klopfenstein. 2002 Utilization of distillers grains from the fermentation of sorghum or corn in diets of finishing beef and lactating dairy cattle. J. Anim. Sci. 80:1105 Anderson, J. L. , D. J. Schingoethe, K. F. Kalscheur, and A. R. Hippen. 2006. Evaluation of dried and wet distillers grains included at two concentrations in the diets of lactating dairy cows. J. Dairy Sci. 89:3133–'3f3142. Belyea, R. L., B. J. Steevens, R. J. Restrepo, and A. P. Clubb. 1989. Variation in composition of by-product feeds. J. Dairy Sci. 72:2339 Cromwell, G. L., K. L. Herkelman, and T. S. Stahly. 1993. Physical, chemical, and nutritional characteristics of distillers dried grains with solubles for chicks and pigs. J. Anim. Sci. 71:679 DePeters, E. J., J. G. Fadel, M. J. Arana, N. Ohanesian, M. A. Etchebarne, C. A. Hamilton, R. G. Hinders, M. D. Maloney, C. A. Old, T. J. Riordan, H. Perez-Monti, and J. W. Pareas. 2000. Variability in chemical composition of seventeen selected by-product feedstuffs used by the California dairy industry. Prof. Animal Sci. 16:69 Hardy, S. R., J-M. Akayezu, J. G. Linn, and J. M. Cassidy. 1998. Nutrient composition of distillers grains with added solubles. J. Dairy Sci. 81:1201 Kaiser, R. M., E. C. Schwab, R. D. Shaver, and L. E. Armentano. 2005. Using ethanol industry co-products in dairy rations. ASAS Midwest Meeting, Des Moines, IA Kaiser, R. M. 2005. Variation in composition of distillers wet grains with solubles. Proc. 4State Dairy Nutrition and Management Conference. Dubuque, IA Kalscheur, K. F. 2005. Impacts of feeding distillers grains on milk fat, protein and yield. Distillers Grains Technology Council, Louisville, KY. Leonardi, C., S. Bertics, and L. E. Armentano, 2005. Effect of increasing oil from distillers grains or corn oil on lactation performance. J. Dairy Sci. 88:2820–'3f2827. Linn, J. G. and Chase, L. 1996. Using distillers grains in dairy cattle rations. Proc. Professional Dairy Management Seminar. Dubuque, IA. National Research Council. 2001. Nutrient Requirements of Dairy Cattle. 7th rev. ed., Natl. Acad. Press, Washington DC. Robinson, P. H. 2005. Ethanol industry co-products: milling process, nutrient content and variation. ASAS Midwest Meeting, Des Moines, IA. Spiehs, M. J., M. H. Whitney, and G. C. Shurson. 2002. Nutrient database for distillers dried grains with solubles produced from new ethanol plants in Minnesota and South Dakota. J. Anim. Sci. 80:2639
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EXTENSION CIRCULAR 422
FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
CONTENTS Part I: Background in Basic Nutrition of Dairy Cattle ........................... 1 Rumen physiology ................................................................................................................ 1 Rumination and saliva production ..................................................................................... 3 Function of the rumen ........................................................................................................... 3 Rumen microbiology ............................................................................................................. 4 Microbial digestion in the rumen ........................................................................................ 6 Carbohydrates ................................................................................................................ 6 Protein ............................................................................................................................. 8 Lipids ............................................................................................................................... 8 Vitamins .......................................................................................................................... 8 Basic nutritional concepts behind feeding dairy cattle .................................................... 8 Dry matter intake and its effect on the cow ..................................................................... 11
Part II: Feed and Feed Nutrients for Dairy Cattle .............................. 13 Carbohydrates ...................................................................................................................... 13 Fats ......................................................................................................................................... 15 Protein ................................................................................................................................... 17 Energy ................................................................................................................................... 21 Minerals ................................................................................................................................ 23 Vitamins ................................................................................................................................ 25 Water ...................................................................................................................................... 26
List of Figures Figure 1. Summary of digestion and absorption in the ruminant. ............................................ 2 Figure 2. Ruminal fermentation as a consequence of adaptation due to pH regulation. .......... 6 Figure 3. Feed, nutrient flow from the rumen, and milk components. ..................................... 6
List of Tables .......................................................... Inside back cover
Prepared by Virginia Ishler, extension assistant in the Department of Dairy and Animal Science; Jud Heinrichs, professor of dairy and animal science; and Gabriella Varga, associate professor of animal science. Development of this publication was made possible through a grant from Church & Dwight Co., Inc., manufacturers of ARM & HAMMER速 feed ingredients.
TABLES Table 1. Rate of passage of feed for dry cows and lactating cows. ................................ 1 Table 2. Effect of ration on eating rate and on saliva production. ................................. 3 Table 3. Chemical composition of saliva from cattle. ....................................................... 3 Table 4. Typcial composition of rumen gases. ................................................................... 4 Table 5. Grouping of rumen bacterial species according to the type of substrates fermented. ........................................................................................ 5 Table 6. Effect of forage to concentrate ratio on the volatile fatty acid proportions in the lactating cow. .......................................................................... 7 Table 7. Estimated rumen fermentation characteristics. .................................................. 7 Table 8. Feed ingredient sources that are utilized by ruminants. .................................. 8 Table 9. Eating, rumination behavior, rumen pH, volatile fatty acids (VFA’s), average milk yield, and milk composition as influenced by particle size of the ration. ..................................................................................................... 9 Table 10. Differences in extent of ruminal digestion of starches as affected by source and processing. ................................................................................... 10 Table 11. Target scores for stages of lactation using the 5-point body condition scale. ............................................................................................ 11 Table 12. Classification of concentrate ingredients. ......................................................... 13 Table 13. Carbohydrate fractions for some common forages and feed ingredients. ................................................................................................... 14 Table 14. Fiber partition in various forages. ...................................................................... 15 Table 15. Guidelines for forage neutral detergent fiber (NDF) and forage dry matter intakes. ................................................................................... 15 Table 16. Guide to carbohydrate composition in rations for high-producing dairy cows. ................................................................................ 15 Table 17. Fatty acid profile of various commodity and specialty fat sources. .............. 16 Table 18. Crude protein and protein fractions in various forages and feed ingredients. ................................................................................................... 17 Table 19. Average distribution of protein and nitrogen fractions in some feedstuffs. .................................................................................................... 18 Table 20. List of the essential and nonessential amino acids. ......................................... 19 Table 21. The essential amino acid profiles of milk, ruminal bacteria, and feeds. ...... 19 Table 22. Guide to protein composition in rations for high-producing dairy cows. ............................................................................................................. 20 Table 23. Regression equations for estimating energy values of various feeds. .......... 20 Table 24. Calculation of cattle NEM and NEG values. .................................................... 21 Table 25. Summarization of minerals in the dairy ration. ............................................... 22 Table 26. Guide to mineral composition in rations for high-producing cows. ............ 24 Table 27. Summarization of fat-soluble vitamins in the dairy ration. ........................... 25 Table 28. Guide to vitamin composition in rations for high-producing dairy cows. ............................................................................................................. 25 Table 29. Water intake needs by various age groups of dairy cattle, drinking water only. ............................................................................................. 26 Table 30. Interpretation of a water analysis report. .......................................................... 27
PART I: BACKGROUND IN BASIC NUTRITION OF DAIRY CATTLE Feed costs represent 45 to 60 percent of the total cost of producing milk. The key to maximizing dairy farm profitability is to maintain nutrient levels while carefully managing feed costs. When optimal nutrition is achieved, cows will produce better quality and larger quantities of milk. Overall health should improve, resulting in cost savings in veterinary fees, breeding, and treatment with drugs. A basic understanding of animal nutrition as it applies to dairy cattle is essential to good herd management. Proper feeding of the dairy cow is complicated and requires a combination of scientific knowledge, creativity, and good management skills to balance the needs of the rumen microorganisms and the needs of the animal.
Rumen physiology What makes ruminant animals unique is their four stomach compartments: the reticulum, the rumen, the omasum, and the abomasum. The reticulum and the rumen are often discussed together because they are adjoining compartments. The reticulum is actually the largest of the various sacs of the rumen. Digestion of feedstuffs by microorganisms takes place in both stomach compartments. The reticulum, often called “the blind pouch,” is the first stomach compartment. If the cow consumes metal or other large indigestible items, the honeycomb structure of the stomach wall acts as a sieve and prohibits any hardware from moving further into the digestive tract. Feed that enters the reticulum is later regurgitated and remasticated as part of the cud. The reticulum can contain up to 2.5 gallons of undigested feed and feed being digested (digesta). The rumen is a large, hollow
muscular organ. The rumen develops anatomically in size, structure, and microbial activity as the calf’s diet is changed from liquid milk or replacer to dry feed or silages. In the mature ruminant, the rumen nearly fills the entire left side of the abdominal cavity. The rumen is a fermentation vat that can hold 40 to 60 gallons of material and is the site of microbial activity. An estimated 150 billion microorganisms per teaspoon are present in its contents. They consist of bacteria, protozoa, and fungi. Bacteria require a warm, moist, oxygenfree environment for optimum growth. This type of environment is naturally maintained in the rumen with a temperature range of 100 to 108oF. If cows are fed a proper balance of forages and grain, the pH should range between 5.8 and 6.4, which allows the growth of many species of bacteria. The omasum is sometimes referred to as the “manyplies” because of its many layers of muscular tissue. In the omasum, the particle size of digesta is reduced, and any excess water is removed before the digesta enters the abomasum. The omasum can contain up to 4 gallons of digesta. The fourth compartment is the abomasum or “true stomach,” where acids and enzymes further digest the cow’s digesta. It is the first true glandular portion of the gastrointestinal tract where the stomach walls secrete enzymes. It functions very similarly to the stomach of many simple stomached animals such as the pig. This stomach compartment can hold approximately 5 gallons of material. The time that digesta remains in the abomasum is very short compared to the retention time of feeds in the rumen. The turnover rate of feedstuffs in the rumen and total retention time in the digestive tract, for lactating and dry cows, are shown in Table 1.
The presence of food in the abomasum stimulates hydrochloric acid production. Hydrochloric acid converts pepsinogen to pepsin, which breaks down protein to shorter molecular chain compounds such as peptides and amino acids for further digestion and absorption in the small intestine. The true stomach has a low pH of 2 to 4, due largely to this acid production. Some fat digestion also occurs in the true stomach. Digesta flowing from the abomasum to the small intestines is composed of small particles suspended in liquid digesta. There is little sorting of particulate matter, and the flow of liquid and particles is rather similar. As digesta passes through the small intestine, the pH increases at a relatively slow rate. This has important implications for enzymatic activity in the intestine because enzymes secreted by the pancreas and intestinal mucosa generally have a pH optimum which is neutral to slightly alkaline. Table 1. Rate of passage of feed for dry cows and lactating cows. ITEM Body weight, lb
DRY COWSa 1541
MILK COWSa 1381
Dry matter intake, lb/day
23.8
43.5
Milk production, lb/day
—
53.6
Ruminal mean retention time, hr Grain Hay
25.6 30.0
19.4 30.3
Total mean retention time in the digestive tract, hr Grain Hay
47.0 55.3
39.2 50.7
Source: Adapted from Hartnell, G. F. and L. D. Satter. 1979. Determination of rumen fill, retention time and ruminal turnover rates of ingesta at different stages of lactation in dairy cows. J. Anim. Sci. 48:381. a Means reported in this table were taken from four dry cows and four lactating cows.
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Bile salts, which are synthesized in the liver from cholesterol, aid in maintaining this alkaline pH in the small intestine. They also act as emulsifiers that separate fat globules and give lipase enzymes more surface area upon which to act. Both the biliary and the pancreatic secretions neutralize the gastric acids and provide enzymes for hydrolysis of starches, proteins, and lipids. The small intestine is the main absorption site for these breakdown products (Figure 1).
In adult ruminants fed high forage diets, virtually all of the soluble sugars as well as most of the starch in feeds are fermented by the rumen microbial population. However, animals fed high grain diets at high intake levels may have as much as 50 percent of the dietary starch escape ruminal fermentation and be presented in the lower tract for digestion. In these circumstances, substantial amounts of glucose may be absorbed from the small intestine.
Protein reaching the small intestine of the ruminant is derived from three sources: (a) dietary protein that has escaped breakdown by rumen microbes; (b) protein contained in bacterial and protozoal cells that flow out of the rumen; and (c) endogenous proteins contained in sloughed cells and secretions into the abomasum and intestine. Pancreatic and intestinal proteases break down these forms of protein so the amino acids and peptides can be absorbed in the small intestine.
Figure 1. Summary of digestion and absorption in the ruminant. DIGESTIVE ORGAN
FEED CONSTITUENT
MOUTH
Nonprotein nitrogen (NPN)
Feed proteins
Fats
NPN
Feed proteins
Fats
Carbohydrates
Cellulose Hemicellulose B
RETICULUM B
B
Bacterial protein (contains essential amino acids)
RUMEN
B
B
Volatile fatty acids (VFA's)
OMASUM
B
Starches Sugars B
Glucose
VFA's
ABOMASUM OR TRUE STOMACH
Bacterial protein
Feed protein
Peptides Peptides
Fats
Amino acids
Fatty acids and Glycerol
Starches Sugars
SMALL INTESTINE
KEY:
= some absorbed
= main site of absorption
B = bacterial action
Glucose
PART I: BACKGROUND IN BASIC NUTRITION OF DAIRY CATTLE
Lipids arriving in the small intestine are primarily esterified fatty acids and phospholipids. Triglycerides that escape ruminal breakdown and esterified fatty acids of microbial origin are readily hydrolyzed by pancreatic lipase to release free fatty acids. These are absorbed by the intestinal mucosal cells. Any material that has not been utilized in the digestive tract to this point enters the large intestine. Absorption of water, minerals, nitrogen, and volatile fatty acids occurs in the large intestine. The homostatic functions of the large intestine involve electrolyte balance, some microbial fermentation, and temporary storage for excreta. Any products that have not been digested will pass out through the feces. Fecal material contains undigested feed, metabolic fecal nitrogen, and undigested fat and bacteria.
Rumination and saliva production A ruminant animal has the ability to ingest feed rapidly and to complete the chewing at a later time. This process is known as rumination. The steps involved are regurgitation of the feed, remastication or rechewing, resalivation, and reswallowing of rumen digesta. The process of rumination reduces the particle size of feeds, which enhances microbial function and allows for easier passage out of the stomach compartments. The regurgitated material is called a “bolus” or “cud” and consists primarily of chewed material coated with saliva. Saliva is a major secretion into the digestive tract, and its production is directly related to the amount of time a cow spends eating and ruminating (Table 2). Production of saliva in a mature ruminant can exceed 47.5 gallons per day when cows chew six to eight hours per day. Saliva is rich in mineral ions, particularly sodium, phosphate, and bicarbonate, which serve as buffering agents in the digestive system (Table 3).
Saliva neutralizes the acids produced during fermentation and helps to maintain an ideal environment for bacteria growth. Production of saliva can be encouraged by controlling the ruminant’s diet. The more a cow chews, the more saliva it produces. The amount of time a cow spends chewing is influenced by feeding management practices and the nature of the diet. The order in which feed ingredients are fed, the particle size of the feeds, the number of times during the day cows are fed, and the type of feed consumed can all directly affect saliva production. Long hay stimulates the greatest amount of chewing, rumination, and saliva production. Feeding forages high in cell wall content or neutral detergent fiber would tend to increase rumination time.
Table 2. Effect of ration on eating rate and on saliva production. EATING RATE POUNDS OF FEED/MIN
FEED
SALIVARY PRODUCTION TEASPOONS/POUND OF FEED
Pelleted
.79
1.0
Fresh grass
.62
1.5
Silage
.55
2.0
Dried grass
.18
5.0
Hay
.15
6.0
Source: Bailey, C. B.1958. The role of secretion of mixed saliva in the cow. In: Proceedings of the Nutrition Society, p. xiii.
Table 3. Chemical composition of saliva from cattle. ELEMENT
mEq/la
Sodium
126
Potassium
6
Phosphate
26
Chloride Bicarbonate
7 126
Source: Bailey, C. B. and C. C. Balch. 1961. Saliva secretion and its relation to feeding in cattle. British Journal of Nutrition 15:371. a mEq/l
is milliequivalents per liter.
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Rumination may be significantly reduced, for example, by feeding high amounts of concentrates and finely chopped forages. High moisture feeds such as pasture or silage can reduce saliva produced per pound of dry matter intake by 50 percent. Grains or pelleted feeds can reduce the flow to 20 percent of that on a long-hay diet. Saliva production can drop dramatically if the cow does not receive adequate effective fiber, which is defined as a combination of forage particle size and forage neutral detergent fiber intake.
Function of the rumen The rumen through its strong musculature allows mixing and churning of digesta. The movement of the rumen mixes the contents, promoting turnover and accessibility of the coarser forage particles for regurgitation, cud chewing, size reduction, and microbial digestion. Fine forage particles, dense concentrate particles, and materials which have become hydrated tend to congregate near the bottom. Particles tend to move out from the rumen as they are reduced in size through cud chewing and microbial action. The microbes also pass from the rumen for possible digestion in the lower gastrointestinal tract. The structuring and composition of rumen contents is influenced by diet. Since the dairy cow consumes such a varied selection of feedstuffs and feed particle sizes, rumen contents do not have a uniform composition, and as a result there is stratification of feed particles. Long-hay diets produce contents with a large, less dense, floating layer beneath the gas dome with relatively liquid contents and suspended fiber beneath. Denser material sinks to the bottom of the rumen. The floating mat is composed of the more recently ingested forage. In diets where forage particle size is fine and forage neutral detergent fiber is low, the floating mat is diminished, but this occurs to a much greater extent when high levels of
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FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
pelleted grain or concentrates are fed. The rumen contents with these types of diets are generally more viscous. The function of the rumen as a fermentation vat and the presence of certain bacteria promote the development of gases. These gases are found in the upper part of the rumen with carbon dioxide and methane making up the largest portion (Table 4). The proportion of these gases is dependent on rumen ecology and fermentation balance. Ordinarily, the proportion of carbon dioxide is two to three times that of methane, although a large quantity of carbon dioxide is reduced to methane. Approximately 132 to 264 gallons of gas produced by fermentation are belched each day. The eructation of gases via belching is important in bloat prevention.
Table 4. Typical composition of rumen gases. COMPONENT
AVERAGE PERCENT
Hydrogen
0.2
Oxygen
0.5
Nitrogen
7.0
Methane
26.8
Carbon dioxide
65.5
Source: Sniffen, C. J. and H. H. Herdt. The Veterinary Clinics of North America: Food Animal Practice, Vol 7, No 2. Philadelphia, Pa.: W. B. Saunders Company, 1991.
The mucosal surface of the rumen is characterized by ruminal papillae, the organs of absorption. Papillae distribution, size, and number are closely related to forage to concentrate ratio, feeding habits, forage availability, and digestibility. If a ruminant’s diet is significantly altered, as in moving from a high forage diet to a high grain diet or a dry cow ration to a lactating cow diet, this change should be implemented gradually to allow ruminal papillae time to adapt to nutritional changes. An adaptation
period of two to three weeks is usually needed. The development of the ruminal papillae is related to the production of certain acids from the fermentation of feeds. Increasing the proportions of butyric and propionic acids, as seen with high grain rations, increases blood flow to the ruminal epithelium, which stimulates vascular budding and epithelial cell proliferation. Papillae either grow in size and number or shorten in size, depending on the diet and the fermentation acids produced.
Rumen microbiology The objective of feeding dairy cattle nutritionally balanced diets is to provide a rumen environment that maximizes microbial production and growth. When designing rations for ruminants, the needs of both the animal and the rumen microorganisms must be considered. In order to optimize animal performance, compromises in feeding the microbes or the cow may occur. The microbial population in the rumen consists of bacteria, protozoa, and fungi. The majority of the concentration is as bacteria, which can number 1010 to 1011 cells/gram of rumen contents. Bacteria can be grouped according to their three main shapes (cocci, rods, and spirilla), according to their size (generally from 0.3 to 50 Îźm), and according to their different structures. They can also be grouped according to the type of substrate fermented and are categorized into eight distinct groups of rumen bacteria (Table 5). These species of bacteria degrade or utilize products such as cellulose, hemicellulose, starch, sugars, intermediate acids, protein, and lipids and produce methane. An expanded classification could include pectin utilizers and ammonia producers. Most species of bacteria are capable of fermenting more than one substrate. The methane-producing bacteria are a special class of microorganisms
responsible for regulating the overall fermentation in the rumen. They remove hydrogen gas by reducing carbon dioxide with hydrogen gas to form methane. Producing methane keeps the hydrogen concentration in the rumen low, which allows methanogenic bacteria to promote the growth of other bacterial species and provides for a more efficient fermentation. The effective removal of hydrogen by these methanogenic species encourages hydrogen-producing species to produce more hydrogen and thus alter their metabolism towards higher yielding pathways. These higher yielding pathways result in the synthesis of more microbial cells, which increases available protein to the ruminant. The protozoa in the rumen number about 105 to 106 cells/gram of rumen contents and are influenced by feeding practices. Higher numbers of protozoa are generally found in the rumen when diets of high digestibility are fed. Different types of diets seem to encourage different protozoal genera. Some protozoa numbers are higher when diets contain large amounts of soluble sugars and other types predominate with high starch diets. The protozoa actively ingest bacteria as a source of protein. They also appear to be a stabilizing factor for fermentation end products. Protozoa, like bacteria and fungi, contribute to fiber digestion. While the protozoa are an integral part of the microbial population and have a marked effect on the fermentation, their benefit to the ruminant is still controversial. The anaerobic fungi are the most recently recognized group of rumen microbes. When animals are fed a high forage diet, rumen fungi may contribute up to 8 percent of the microbial mass. While it is still unclear whether these fungi are functionally significant, they have been shown to degrade cellulose and xylans, indicating some role in fiber digestion.
PART I: BACKGROUND IN BASIC NUTRITION OF DAIRY CATTLE
Table 5. Grouping of rumen bacterial species according to the type of substrates fermented. Major Cellulolytic Species Bacteroides succinogenes Ruminococcus flavefaciens Ruminococcus albus Butyrivibrio fibrisolvens Major Pectinolytic Species Butyrivibrio fibrisolvens Bacteroides ruminicola Lachnospira multiparus Succinivibrio dextrinosolvens Treponema bryantii Streptococcus bovis Major Ureolytic Species Succinivibrio dextrinosolvens Selenomonas sp. Bacteroides ruminicola Ruminococcus bromii Butyrivibrio sp. Treponema sp. Major Sugar-utilizing Species Treponema bryantii Lactobacillus vitulinus Lactobacillus ruminus Major Proteolytic Species Bacteroides amylophilus Bacteroides ruminicola Butyrivibrio fibrisolvens Streptococcus bovis
Major Lipid-utilizing Species Anaerovibrio lipolytica Butyrivibrio fibrisolvens Treponema bryantii Eubacterium sp. Fusocillus sp. Micrococcus sp. Major Hemicellulolytic Species Butyrivibrio fibrisolvens Bacteroides ruminicola Ruminococcus sp. Major Amylolytic Species Bacteroides amylophilus Streptococcus bovis Succinimonas amylolytica Bacteroides ruminicola Major Methane-producing Species Methanobrevibacter ruminantium Methanobacterium formicicum Methanomicrobium mobile Major Acid-utilizing Species Megasphaera elsdenii Selenomonas ruminantium Major Ammonia-producing Species Bacteroides ruminicola Megasphera elsdenii Selenomonas ruminantium
Source: Church, D. C., ed. The Ruminant Animal: Digestive Physiology and Nutrition. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1988.
There are three interconnecting environments in which the microbes are located in the rumen. The first is the liquid phase, where free-living microbial groups in the rumen fluid feed on soluble carbohydrates and protein. This portion makes up 25 percent of the microbial mass. Next is the solid phase, where the microbial groups associated with or attached to food particles digest insoluble polysaccharides, such as starch and fiber, as well as the less soluble proteins. This can make up as much as 70 percent of the microbial mass. In the last phase, 5 percent of the microbes attach to the rumen epithelium cells or to the protozoa.
Microbial attachment in the rumen has numerous implications in the ruminant. In order for bacteria to maintain their numbers in the rumen, it is necessary that their reproduction time be shorter than the turnover rate of the rumen digesta. Since the passage rate of the particulate phase is much slower than that of the liquid phase in the rumen, slower-growing species attach to particle matter and are thereby prevented from being washed out of the rumen. The diet fed to the dairy cow influences the number and relative proportions of the different microbial species in the rumen.
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Consideration of microbial reproduction rate is essential when making dietary changes in any ruminant. Major changes in the diet require a period of transition to allow for shifts in the populations of different microbial species. This adaptation may take several days. One of the most common problems encountered in nutrition management is sudden changes in the ruminant’s diet to include large amounts of readily fermentable carbohydrates. Feeding diets of this type results in a succession of changes in the rumen microbial population during the adaptation period, specifically in those bacteria which produce and utilize lactate. In this type of scenario, the acidsensitive lactate utilizers are replaced by acid-tolerant lactate utilizers. Lactic acidosis arises from this abrupt shift to a high concentrate diet and keeps the effective lactate-utilizing species from increasing in sufficient numbers to prevent the accumulation of lactate. This results in decreasing the rumen pH to a very acidic level, less than 5.5. Rumen pH is one of the most variable factors which can influence the microbial population and the levels of volatile fatty acids produced (Figure 2). The rumen pH at which certain functions are optimized can differ. There are two basic groups of bacteria which function at various pH’s. The fiber digesters are most active at a pH of 6.2 to 6.8. Cellulolytic bacteria and methanogenic bacteria can be reduced when the pH begins to fall below 6.0. The starch digesters prefer a more acidic environment, a pH of 5.2 to 6.0. Certain species of protozoa can be greatly depressed with a pH under 5.5. To accommodate all these needs, normal feeding practices should maintain a pH range between 5.8 to 6.4.
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FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
Microbial digestion in the rumen The rumen provides a site where the rumen microorganisms can digest carbohydrates, proteins, and fiber. Through this digestion process, energy or volatile fatty acids (VFA’s) and microbial protein that can be utilized by the animal are produced (Figure 3). Carbohydrates When carbohydrates, both structural (neutral detergent fiber) and nonstructural (sugars and starches), undergo microbial fermentation, they produce VFA’s. The primary VFA’s in descending order of abundance are acetic, propionic, butyric, isobutyric, valeric, isovaleric, and traces of various other acids. The VFA’s can provide up to 80 percent of the energy needs of the animal. Acetic acid can constitute 50 to 60 percent of the total VFA’s. It predominates in a high forage diet. Acetate is used for fatty acid synthesis and is the main precursor for lipogenesis in adipose tissue. Some acetate is also used for muscle metabolism and body fat. Production of adequate levels of acetate in the rumen is essential to maintain adequate quantities of milk fat. Acetic acid levels can drop if there is a lack of effective fiber in the ration. This can also occur when feeding a heavy concentrate diet or a diet high in heattreated starch as in pelleting, steam crimping, or steam flaking. High intakes of oil can also depress acetic acid. Propionic acid can make up 18 to 20 percent of the total VFA’s. It reaches its highest concentration in a high grain diet. Propionic acid provides energy through conversion to blood glucose in the liver. It is also used in lactose or milk sugar synthesis. Butyric acid provides energy to the rumen wall and makes up 12 to 18 percent of the total VFA’s. It is largely converted to ketones during absorption through the rumen epithelium. B-hydroxybutric acid (B-HBA) accounts for more than 80 percent of the ketones. B-HBA is
Figure 2. Ruminal fermentation as a consequence of adaptation due to pH regulation. Mol % 70– Lactic acid
60– Active cellulolytic flora
50– 40–
Active amylolytic flora
Propionic acid
30– Acetic acid
20– 10– 7
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5
Rumen pH
Kaufman, W., H. Hagemeister, and G. Durksen. Adaptation to changes in dietary composition level and frequency of feeding. In: Digestive Physiology and Metabolism in Ruminants, ed. Y. Ruckebusch and P. Thivend. Westport, Ct.: AVI Publishing, 1980, p. 587.
Figure 3. Feed, nutrient flow from the rumen, and milk components. Crude protein
FEED
Sugar, starch
Fermentable fiber
Fat
DIP UIP
Microbial growth and fermentation Microbial protein
NUTRIENTS
Amino acids
Propionic (glucose)
Acetic, butyric
MILK COMPONENTS
Milk protein
Milk lactose
Milk fat
Fatty acids
Source: Sniffen, C. J. and H. H. Herdt. The Veterinary Clinics of North America: Food Animal Practice, Vol 7, No 2. Philadelphia, Pa.: W. B. Saunders, 1991. Note: UIP = undegradable intake protein; DIP = degradable intake protein.
used for fatty acid synthesis in adipose and mammary gland tissues. The proportion of VFA’s are greatly influenced by diet and the status of the methanogenic population in the rumen. Despite wide swings in the microbial population and differences in feed intake,
ruminal VFA proportions are fairly stable among diets with varying forage to concentrate ratios. However, the ruminal proportions of VFA’s are largely pH dependent. In general, as the forage to concentrate ratio decreases, the acetate to
PART I: BACKGROUND IN BASIC NUTRITION OF DAIRY CATTLE
propionate ratio also decreases (Table 6). As cellulose and hemicellulose levels increase relative to soluble carbohydrate and starch levels, the acetate to propionate ratio also tends to increase. However, VFA production from a given substrate such as cellulose or starch varies with diet composition (Table 7). Although cellulose and hemicellulose are usually digested simultaneously in forages, the end-products produced may vary depending on diet. The vast majority of VFA’s are passively absorbed through the rumen wall. This continuous removal of VFA by absorption from the reticulo-rumen is important for maintaining a stable ruminal pH. Removal of acid products is also important for the continued growth of cellulolytic organisms. VFA’s that remain in the digesta flow from the rumen to the lower tract and are absorbed by the omasum and abomasum. Rate of VFA absorption from the rumen is influenced by the chain length of individual acids and ruminal pH. Increasing the chain length of the acid results in increased absorption rates in the following order: butyrate greater than propionate greater than acetate. Lower pH and the resultant increases in the proportion of the acids in the rumen favor more rapid absorption. The net absorption of VFA’s reaching the blood is dependent on the concentration in the rumen and the quantity used by the rumen wall. The rates of utilization by the rumen wall are for butyrate → propionate → acetate. As a result of the higher concentration in the rumen and the low rate of utilization by the rumen wall, acetate enters the blood in the greatest quantity, followed by propionate. Very little butyrate enters the blood due to the lesser amount in the rumen and greater amount metabolized by the rumen wall. Lactic acid is important when starch is a part of the diet and is itself fermented to acetate, propionate, and butyrate. Lactate, when present, is absorbed
Table 6. Effect of forage to concentrate ratio on the volatile fatty acid proportions in the lactating cow. FORAGE TO CONCENTRATE RATIO
ACETATE
MOLAR RATIOS, % PROPIONATE
100:00
71.4
16.0
7.9
75:25
68.2
18.1
8.0
50:50
65.3
18.4
10.4
40:60
59.8
25.9
10.2
20:80
53.6
30.6
10.7
BUTYRATE
Source: Physiology of Digestion and Metabolism in the Ruminant, ed. A.T. Phillipson. Newcastle-uponTyne, England: Oriel Press, 1970, p. 422.
Table 7. Estimated rumen fermentation characteristics. DIET a
SUBSTRATE Soluble
carbohydrate c
Starch
Hemicellulose
Cellulose
PROPORTION OF CARBOHYDRATE CONVERTED TO b ACETATE PROPIONATE BUTYRATE
F
0.69
0.20
0.10
C
0.45
0.21
0.30
F
0.59
0.14
0.20
C
0.40
0.30
0.20
F
0.57
0.18
0.21
C
0.56
0.26
0.11
F
0.66
0.09
0.23
C
0.79
0.06
0.06
Source: Murphy, M. R., R. L. Baldwin, and L. J. Koong. 1982. Estimation of stoichiometric parameters for rumen fermentation of roughage and concentrate diets. J. Animal Sci. 55:411-421. aF
codes forage diets; C codes diets containing more than 50 percent of a cereal-based concentrate diet.
b Ratios
do not add up to 100 because the isoacids are not taken into account.
c Soluble
carbohydrate fraction includes organic acids and pectin in this analysis.
Note: The acetate to propionate ratio resulting from fermentation of hemicellulose in a high forage diet was 3.2, but only 2.2 when fermented in a high grain diet. The acetate to propionate ratio from cellulose fermentation also varied with diet, 13.1 for a forage diet and 7.3 for a grain diet, both being much higher than that produced by hemicellulose.
directly through the rumen wall. Lactic acid does not accumulate to any large extent in dairy cattle that have been fed nutritionally sound rations that are managed properly. If gradual introduction of grains is practiced, the lactateutilizing bacteria will develop and permit only a transient increase in lactic acid accumulation following ingestion of a diet high in readily fermentable carbohy-
drates. Problems arise when large amounts of starch or cereal concentrates are fed. Total lactate in severe cases may comprise 50 to 90 percent of the total rumen acids. The absorption of large amounts of lactic acid across the rumen wall to the blood produces systemic acidosis and results in animals going off feed, developing laminitis, and performing poorly overall.
7
8
FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
Protein Another critical function of the rumen microbes is synthesis of microbial protein. The biological value of microbial protein is 66 to 87 percent. Dietary protein may be improved or reduced in biological value by rumen microbes, depending on the quality of protein fed. Most ruminal bacteria can use ammonia nitrogen as a source of nitrogen. Some species of bacteria require additional nitrogen compounds such as intact protein or carbon chains of certain amino acids for most efficient or rapid growth. Ammonia is derived in the rumen through microbial degradation of dietary protein and dietary nonprotein nitrogen, from hydrolysis of recycled urea to the rumen, and from degradation of microbial crude protein. Rumen ammonia disappears from the rumen in different ways, such as incorporation of the nitrogen by the microbes, absorption through the rumen wall, and flushing to the omasum. Ammonia not taken up by the microbes is absorbed directly through the rumen wall. The rate of absorption is dependent on the pH of the rumen environment and the concentration of ammonia. Absorption is rapid at a pH of 6.5 or higher. It declines to nearly zero at a pH of 4.5. Ammonia absorption increases as ruminal concentration increases. Indications of ammonia toxicity include ruminal ammonia concentration above 100 mg/dl, ruminal pH above 8, and blood plasma ammonia concentrations above 2 mg/dl. Substitution of dietary nonprotein nitrogen, such as urea, for protein from plant and animal sources can reduce costs of protein supplementation. Urea is degraded by the microbes into ammonia, which can be used for microbial synthesis resulting in microbial protein. The microbes can also utilize nonprotein nitrogen in ensiled feeds and other feedstuffs. During the ensiling process, ammonia, amines, amides, and nitrates
result from the degradation of protein and can be used as nitrogen sources by the rumen microbes. The ruminant animal relies upon microbial crude protein synthesized in the rumen and dietary protein which escapes digestion in the rumen for its supply of amino acids. Microbial protein is very high in quality, rivaling animal protein and exceeding most vegetable proteins in essential amino acid content. However, the rumen microbes cannot produce all the essential amino acids required for animal growth and high levels of milk production. The amino acids are absorbed and utilized in the small intestine. Most amino acids are used in the synthesis of body proteins, such as muscle and milk proteins. Some amino acids, especially those from protein reserves in the body tissue, may be used to maintain blood glucose levels and meet energy needs. Lipids Rumen microbes rapidly and extensively modify dietary lipids. Hydrolysis in the rumen proceeds rapidly after ingestion. The microbial metabolism of galactolipids (found in plant leaves) and triglycerides (found in seeds) starts with their hydrolysis. The glycerol and galactose portions are readily fermented to VFA’s. Liberated fatty acids are neutralized at rumen pH and adhere to
the surfaces of bacteria and feed particles. The rumen microbes cannot use fatty acids as an energy source, and their use is restricted to cell incorporation and synthetic purposes. Following the breakdown of lipids, the microbes are responsible for biohydrogenation, or the addition of hydrogen to fatty acids with double bonds. An example would be the microbial hydrogenation of oleic acid to stearic acid. Vitamins The rumen also functions in synthesizing B-complex vitamins and vitamin K. This makes the dairy cow less dependent on dietary sources. If cobalt intake is adequate, then vitamin B12 is generally not lacking. Additional supplementation of niacin or vitamin B12 may show a production response, though sometimes only in high-producing cows under stress.
Basic nutritional concepts behind feeding dairy cattle Ruminants are excellent recyclers. They consume fibrous feeds and waste byproducts that are not suitable for consumption by humans and singlestomached animals and convert them into nutritious feeds like meat and milk. Table 8 lists feed sources that are utilized by the ruminant.
Table 8. Feed ingredient sources that are utilized by ruminants. FORAGE
CROP WASTES
FOOD-PROCESSING
FIBER-PROCESSING
PROTEIN
ANIMAL
CROPS
WASTES
WASTES
SUBSTITUTES
WASTES
Legumes
Straw
Corn factory
Wood fines
Urea
Blood meal
Grasses
Cornstalks
Apple pomace
Paper
Meat meal
Corn silage
Pea vines
Beet pulp
Cardboard
Anhydrousammonia
Small grain
Bean vines
Brewers grain
Cottonseed hulls
Sorghumsudan
Distillers grain Soyhulls Oil meals Bakery waste Mill by-products
Bone meal Feather meal Fish meal
PART I: BACKGROUND IN BASIC NUTRITION OF DAIRY CATTLE
Land that is not suitable for growing food crops for human consumption can be utilized to grow forage for ruminants. Perennial and annual forages, such as alfalfa and corn silage, are low-cost and land-effective sources of nutrients. In order for the ruminant to utilize these various sources of feedstuffs, certain basic rules for nutrition must be followed to ensure optimum performance. The main concepts are related to feed particle size, the structural and nonstructural carbohydrate fractions, and the protein fractions supplied from the various feeds. Adequate effective fiber is necessary for proper rumen function. Rations fed with insufficient forage particle length result in cows spending less time chewing, which decreases the volume of saliva produced and leads to inadequate buffering and lower rumen pH. When rumen pH falls below 6.0, the growth of the cellulolytic organisms can be reduced, allowing for an increase in the propionate-producing microbes. This can cause a decrease in the acetate to propionate ratio and potentially result in a lower milk fat percentage. Particle size is important, especially for forage utilization and maintenance of a good fiber mat in the rumen. A fiber mat is essential to assure adequate growth and microbe activity and results in an increase of VFA’s, especially acetate, and microbial protein yield. Table 9 illustrates the influence particle size can have on rumen function and production parameters. Feeding a ration with reduced forage particle size will increase dry matter intake, decrease digestibility, and result in lower rumen solid retention time. Rations that have a smaller initial forage particle size will enter the rumen at an even smaller size after initial chewing and swallowing, and therefore leave the rumen at a faster rate. The result is an increase in the rumen turnover rate allowing for an increase in dry matter intake, but because the rate of passage is
9
Table 9. Eating, rumination behavior, rumen pH, volatile fatty acids (VFA’s), average milk yield, and milk composition as influenced by particle size of the ration. FINE
RATION MEDIUM
COARSE
Eating, min./24 hr
195.3
204.4
204.7
Ruminating, min./24 hr
374.4 a
466.3 b
530.7 c
Total chewing time, min./24 hr
569.7a
670.7 b
735.4 c
5.3 a
5.9 b
6.0 b
Acetic
58.33 c
61.24 d
61.82 d
Propionic
22.34 c
20.16 c, d
19.46 d
Actual milk, lb/day
69.3
70.6
68.4
4% FCM, lb/day
60.5 a
66.6 b, c
64.9 a, c
Milk fat, %
3.0 a
3.6 b, c
3.8c
Milk protein, %
3.0
3.0
3.1
ITEM
pH VFA, molar %
Source: Grant et al. 1990. Milk fat depression in dairy cows: Role of silage particle size. J. Dairy Sci. 73:183442. Note: Rations formulated on 55:45 silage to concentrate basis consisting of alfalfa silage, high moisture corn, and a mineral vitamin supplement. A field chopper with knives adjusted to a 3/16-inch theoretical cut length and fitted with a 3-inch recutter screen chopped the fine silage. A 3/8-inch theoretical cut length yielded coarsely chopped silage. A 1:1 mixture (dry weight) of the two silages provided the intermediate particle length in the medium ration. a, b, c, d Means
within rows with unlike superscripts differ significantly.
faster, less time is available for microbes to digest the feeds. In addition to the forage particle length, the fiber content in the diet is important. Fiber is necessary to provide adequate amounts of complex carbohydrates to slow digestibility and control the acidity in the rumen. Acid detergent fiber and neutral detergent fiber (ADF, NDF) are the main fiber fractions that are used in ration formulation. For highproducing, early lactation animals, recommendations are 18 to 20 percent of ADF and 28 to 30 percent of NDF in the total ration dry matter. The level of forage NDF and the forage particle length in the diet play an important role in determining effective fiber in the diet. However, not all fiber is of equal value in the ration. See Carbohydrates (p. 13) for more in-depth information on forage
NDF and on the nonstructural carbohydrates. The digestibility of the fiber will vary depending on the source. For example, fiber in some by-product ingredients may be more digestible and more quickly digested than forage with the same fiber content. Fiber in lowquality forage may not be adequately digested. However, forages that are too immature may be lacking adequate fiber and may be digested too rapidly. The manner in which grains are prepared can have a substantial effect on both the rumen environment and the cow. The particle size of the grains, such as fine ground, coarse, rolled, or steam flaked, can affect the digestibility of the grain and the total ration. The finer the grind of a cereal grain, the more exposed the endosperm of the grain, which allows
10
FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
for easier attack by rumen microbes. The type of heat processing influences availability of the starch (Table 10). This is associated with the gelatinization and rupture of the starch granules as seen, for example, in steam flaking. The method of grain processing, the amount of concentrate fed, and the level of nonstructural carbohydrates (NSC) in the total ration dry matter have a tremendous influence on animal performance. There needs to be a balance between the cell wall (NDF) and the cell contents (NSC) to maximize production as well as maintain the health of the animal. Effective fiber is needed in the diet to provide a fiber mat and to slow down the availability of the carbohydrates to avoid low rumen pH. The NSC or sugars and starches are necessary to provide readily available energy for the rumen microbes and the animal. Balancing rations too far in one direction or the other can be detrimental to the dairy cow. The main objective in balancing NDF and NSC is to control rumen pH. The optimum range in pH is 5.8 to 6.4 for synthesis of microbial protein and B-complex vitamins. This pH range may be somewhat higher or lower for short periods of time throughout the day, especially in conventional feeding systems. Ruminal pH normally fluctuates less when cows are fed a total mixed ration. There are various ways to control the pH, such as providing adequate effective fiber and providing a balance of protein nitrogen, concentrate, fiber, and minerals in the rumen. Much of the final outcome of daily rumen pH level and fluctuation is determined by the feeding system and feeding management practice. In conventional feeding systems (those where grain and forage are fed separately), implementing a feeding strategy is essential to eliminate the peaks and valleys in rumen pH. Some common recommendations are feeding hay prior to concentrates, feeding high protein forages and concentrates close to feeding
Table 10. Differences in extent of ruminal digestion of starches as affected by source and processing. PROCESSING
OATS
PERCENTAGE DIGESTION IN THE RUMEN WHEAT BARLEY CORN
MILO
Ensiled, high moisture (fine grind)
99
99
98
85
—
Steam flaked (thin flake)
99
98
97
86
84
Ensiled, high moisture (coarse rolled)
—
—
—
82
80
Dry, fine grind
94
93
91
78
72
Dry, medium grind
89
88
87
74
68
Dry, coarse grind
79
78
77
65
61
Dry, whole
—
—
—
60
—
Source: H. H. Van Horn and C. J. Wilcox, ed. 1992. Nonstructural and structural carbohydrates. In: Large Dairy Herd Management. Management Services, American Dairy Science Association, Champaign, Ill., p 222.
of high energy feeds, and feeding concentrates more than twice daily. Buffers can aid in controlling rumen pH. Sodium bicarbonate is the mostly widely used dietary buffer. Rations which benefit the most from buffers are rations containing a large percentage of corn silage and/or high moisture corn, and low fiber forages. In addition to a good balance between the carbohydrate fractions, there needs to be a balance between rumen degradable and rumen bypass protein to meet the amino acid needs of highproducing cows. Bypass or undegradable intake protein (UIP) should range from 35 to 40 percent for early lactation and high milk production (over 80 pounds of milk per day). Paying close attention to the amino acid profile of bypass sources of protein will help supply the essential amino acids in the diet. However, balancing for UIP alone is not recommended. Adequate degradable protein is necessary so there are sufficient ammonia levels in the rumen to meet the nitrogen needs of the microbes. In order for the ruminant to function properly, the nutritionist must know what substrates the rumen microbes are sensitive to so they can be avoided when
formulating rations. The rumen microbes are sensitive to both excessive and deficient levels of protein, ammonia, urea, and the type and level of fat in the ration. Mineral levels, especially calcium, phosphorus, sulfur, magnesium, copper, zinc, and cobalt, can cause problems when either too high or too low. Abnormally fermented material may alter the VFA’s and lactic acid in the rumen. This is more apt to occur if pH or moisture contents of the material are out of the optimum range. Using feed spoiled by mold, putrefaction, and mycotoxins may decrease production and may increase the incidence of displaced abomasum. Water can have an effect on the rumen microorganisms especially when there is heavy bacterial or metal contamination or high mineral concentrations such as chloride. Water that is extremely acidic or alkaline can also create problems. It may be necessary to send water samples out for analysis to check for abnormalities, especially when rations on paper appear balanced but cows are not responding accordingly.
PART I: BACKGROUND IN BASIC NUTRITION OF DAIRY CATTLE
Dry matter intake and its effect on the cow The main objective in feeding management is to increase the dry matter intake of the cows. With this increase should come higher levels of milk production. In order for this to happen, close attention to energy, ration digestibility, rumen fill, palatability, temperature, body weight of the animal, feeding conditions, environment, ventilation, frequency of feeding, and water intake and quality are necessary. Establishing optimal standards in each category should result in optimal dry matter intake. Most lactating cows will eat to satisfy energy needs if presented with a sound and balanced ration. Yet cows producing over 85 pounds of milk often cannot eat enough to meet their energy needs. They may utilize body energy reserves, mostly fat, to make up at least part of any energy deficiency. One pound of body fat may be utilized to effectively produce 7 to 9 pounds of milk, depending on the fat test. High-producing cows should be in good body condition before they go dry. Table 11 gives the recommended range for body condition scores for the different stages of lactation. Each score change represents 120 to 150 pounds of body weight gain or loss. Obesity should be avoided because cows will be more susceptible to going off feed, ketosis,
Table 11. Target scores for stages of lactation using the 5-point body condition scale. STAGE OF LACTATION
TARGET BODY CONDITION SCORE
Cows at calving
3+ to 4-
Early lactation
3- to 3
Mid-lactation
3
Late lactation
3 to 3+
Dry
3+ to 4-
Source: Body-condition Scoring as a Tool for Dairy Herd Management. Penn State Extension Circular 363.
calving difficulties, and more infections such as mastitis. Low-producing and late-lactation animals will sometimes consume more feed than is necessary to meet energy needs; thus body condition should be monitored closely with these animals. Dry cows may consume double their needs if allowed to eat free choice. When ration digestibility is too low, animals usually cannot eat enough to meet their nutrient needs. If the energy density in the diet is less than .66 Mcal NEL, then it may be impossible for highproducing cows to meet their energy requirements. Some rations that are relatively high in digestibility may be consumed at lower levels since energy needs may be met with less intake. High-quality rations for high-producing dairy cattle should contain around .74 Mcal NEL. Rations containing too much concentrate and not enough forage and effective fiber may actually depress intakes, milk production, and fat test and may adversely affect health. Ration digestibility may also be depressed by an improper balance of nutrients. Low-quality forage is a more frequent cause of lowered intakes and performance than the lack of energy in the concentrate portion of the ration. Improper forage and grain preparation may depress digestibility, performance, and sometimes total ration dry matter intake. When feeding rations with low digestibility, rumen fill is quickly achieved. These rations are digested slowly and, to a lesser extent, pass out of the rumen at a slower rate. When rumen fill occurs, a signal is sent to the brain stem to stop intake as part of the overall process of intake regulation. The use of sodium bicarbonate or sesquicarbonate at .80 percent in the total ration dry matter can increase digestibility by raising the rumen pH. This can result in higher dry matter intakes. An increase in milk production and/or fat test may be noted when these additives are fed.
11
Palatability is also a concern, especially in conventional feeding systems. Certain feedstuffs and additives may depress intakes of concentrates when fed conventionally compared to a total mixed ration (TMR). For example, animal protein blends may have to be limited in the grain mix used on a conventional ration compared to higher levels that can be fed in a TMR. Some species and varieties of forage are less palatable than others and may have to be restricted. Both feeding conditions and environmental climate can limit intake. When the climate exceeds 65oF and 65 percent humidity, dry matter intake and often milk production and fat test may decrease. A substantial decrease in total ration dry matter may occur at over 80oF and 80 percent humidity. Thus there is a seasonal effect on dry matter intake with higher consumption usually occurring during cool weather and depressed intakes occurring during hot, humid weather. Forage quality and the energy content of the concentrates as well as the density levels of protein, minerals, and effective fiber generally need to be increased during the summer months. Poorly ventilated feeding or housing areas can increase heat and humidity and allow strong odors, such as ammonia, to become concentrated, which can cause a decline in consumption because animals spend less time in those areas. Dry matter intake can be depressed when heating, putrefaction, and mold occur in ensiled feeds or TMR’s. This can be minimized by not removing ensiled feeds from the silo much in advance of feeding. Ensiled feeds that have undergone abnormal fermentation may depress intakes. The presence of certain toxins, such as mycotoxins, alkaloids, and tannin, can cause problems. In order to minimize their effects on low performance, feed more often throughout the day, especially during the summer, to keep feed fresh and from heating. Avoid using problem feeds for milk cows,
12
FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
especially early lactation or highproducing cows. Increasing feeding frequency may not be necessary when feeding a balanced ration that is managed properly. However, feeding more frequently than one to three times daily may be necessary in many situations to attain expected total ration dry matter intakes, feed utilization, and production.
Water consumption and quality are often overlooked as important factors affecting dry matter intake. In order for animals to receive a plentiful and clean supply of water, watering devices should be functioning properly to allow adequate intake. The chemical and bacterial quality should be checked occasionally for possible contaminants. A balanced ration will allow for
proper digestibility, good dry matter intakes, and satisfactory feed utilization. A ration should be developed with profitable levels of milk production in mind. In addition to balancing for the many nutrients, do not overlook the physical aspects of the ration, such as minimum forage required, maximum levels of concentrate to feed, effective fiber, and palatability.
PART II: FEED AND FEED NUTRIENTS FOR DAIRY CATTLE Many different feeds or combinations of feeds can be successfully used in rations for dairy cattle. Feed ingredients supply sources of nutrients, fiber, and particle size necessary for normal digestion, metabolism, and performance. Because feeds vary in cost and nutrient content, good judgment must be used in the selection process. The type, source, and level of forages, roughages, concentrates, minerals, vitamins, and other additives in the diet must be considered when trying to meet the cow’s nutrient requirements. Forages are perennial and annual crops grown for use as pasture, green chop, haylage, silage, or hay that have been harvested at the proper length. They contain significant levels of protein, fiber, energy, and vitamins A and E. If the crops have been sun-cured, the feed may also contain significant levels of vitamin D. Roughages are crops or processing wastes of adequate particle size that are high in fiber, relatively low in energy content, and devoid of fat soluble vitamins A, D, and E. Cereal straw, cornstalks, cottonseed hulls, corn cobs, or apple pomace with hulls are common roughages. Concentrates are cereal grains and by-product feedstuffs containing relatively high levels of energy. Generally, concentrates are finer in particle size than properly harvested forages. Table 12 shows the classification of commonly used feed ingredients. A dairy cow’s diet is usually composed of various feed ingredients which can help meet her nutrient requirements. However, no one nutrient is more important than another, and an excess or deficiency of one or more nutrients can limit performance. Knowing what nutrients feed ingredients supply to a ration will help optimize feed utilization. The main nutrient categories
of importance in dairy cattle rations are carbohydrates, fats, proteins, minerals, vitamins, and water. While fiber is not a nutrient by strict definition, it plays a critical role in digestion and must be considered when formulating rations.
Carbohydrates Carbohydrates are the primary energy source for the ruminant and can be divided into two main fractions, structural and nonstructural. The structural portion of the plant is the cell wall material and is analytically defined as neutral detergent fiber (NDF). NDF consists of cellulose, hemicellulose, lignin, and a portion of the pectin. Forage intakes can be set using NDF when formulating dairy rations.
Acid detergent fiber (ADF) is another fiber value reported which contains only cellulose and lignin. Ruminants are unable to digest lignin; thus the higher the lignin content of a feed, the lower its digestibility. These complex carbohydrates are more slowly digested and often less completely digested than the nonstructural carbohydrates. The simple or nonstructural carbohydrates (NSC) consist of the cell contents, including sugars, starches, pectins, short chains of cellulose-like substances (β-glucans), and in ensiled products, the fermentation acids. NSC is not a chemically achieved value but rather is estimated as [100 - (CP + NDF + ether extract + ash)]. This type of
Table 12. Classification of concentrate ingredients. CP a > 40%
UIP a > 45% OF CP
SP a > 30% OF CP
Corn gluten meal
Blood meal
Corn gluten feed
Urea
Corn gluten meal
Whole cottonseed
Raw soybeans
Fish meal
Wheat midds
Canola meal
Animal protein blends
Raw soybeans
Cottonseed meal
Brewers grains (wet and dry)
Urea
Heat-treated soybeans
Distillers grains
Soybean meal (44% or 48%)
Heat-treated soybeans
NSC a >55%
FAT >18%
NDFa >35%
Bakery product (i.e., bread)
Chocolate
Beet pulp
Barley
Bakery waste products
Corn gluten feed
Milo
Raw soybeans
Distillers grain
Rye
Whole cottonseed
Wheat midds
Corn
Candy waste products
Brewers grain (wet and dry)
Hominy
Tallow
Whole cottonseed
Oats
Heat-treated soybeans
Soyhulls
Wheat Source: Concentrates for Dairy Cattle. Penn State Dairy and Animal Science Extension Fact Sheet 94-06. a CP
= crude protein; UIP = undegradable intake protein; SP = soluble protein; NSC = nonstructural carbohydrates; NDF = neutral detergent fiber. All values are listed on a dry matter basis.
14
FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
carbohydrate is highly digestible when compared to NDF. Even though pectins and β-glucans are part of the cell wall, they are included in the NSC fraction because they are rapidly fermented and easily digestible (Table 13). The amount of structural and nonstructural carbohydrates in a ration can have a profound effect on production and health if not properly balanced in a ration. The partitioning of the carbohydrate fractions between plant species, especially legumes and grasses, is different and can affect the extent and rate of digestion. Comparing legumes and grasses of similar maturities, legumes are generally higher in lignin and lower in NDF. Grasses tend to be higher in hemicellulose and NDF. The range for cellulose is fairly similar between the two types of forage (Table 14). Since legumes tend to have a higher lignin content compared to grasses, less NDF is available for digestion. Legumes have a faster rate of digestion than grasses, and therefore intakes are higher with legume forages. The rate of digestion is slower for grasses because they remain in the rumen longer. Consequently, the total amount of digestion is greater for grasses. Forage dry matter intake of predominantly grass forages can be restricted while still maintaining adequate forage NDF intake (Table 15). These differences between legumes and grasses can influence how rations are formulated for forage NDF and forage dry matter intake. The NSC fractions of forages can also influence digestion. Pectins are found in legumes but are negligible in grasses. Pectins can ferment in the rumen as rapidly as starch, but they form acetate rather than propionate. β-glucans, which are a major component of grasses, ferment more slowly. The NDF found in most concentrate ingredients is less effective due to finer particle size, greater density, higher digestibility, and quicker passage from
Table 13. Carbohydrate fractions for some common forages and feed ingredients.
INGREDIENT
% DM BASIS NSC
SUGAR
% OF NONSTRUCTURAL CARBOHYDRATES PECTINS STARCH β-GLUCANS
VFA
Alfalfa haylage
23.0
0.0
40.9
33.0
26.1
Grass hay
17.2
35.4
15.2
49.4
0.0
Corn silage
45.3
0.0
71.3
0.0
28.7
Barley
61.8
9.1
81.7
9.2
0.0
Corn
71.4
20.0
80.0
0.0
0.0
Hominy
59.9
8.9
80.4
10.7
0.0
Oats
42.4
4.4
95.6
0.0
0.0
Wheat
73.8
8.9
80.2
10.9
0.0
HMEC
70.8
0.0
94.8
0.0
5.2
HMSC
75.9
0.0
97.2
0.0
2.8
Canola
25.8
11.4
45.6
43.0
0.0
Distillers
10.3
0.0
100.0
0.0
0.0
Corn gluten feed
24.7
3.7
71.2
25.1
0.0
Corn gluten meal
17.3
0.0
69.4
30.6
0.0
Soyhulls
14.1
18.8
18.8
62.4
0.0
Soybean meal, 44%
34.4
25.0
25.0
50.0
0.0
Wheat midds
31.2
10.0
90.0
0.0
0.0
Source: Adapted from T. Miller, J. Grimmett, and W. Hoover, West Virginia University, 1993.
the rumen than forage NDF. Most concentrates are too fine in particle size to provide a sufficient rumen mat, maintain normal rumen epithelial tissue, and stimulate sufficient chewing and eructation of gases. For these reasons, it is generally recommended that most of the NDF in the diet be in the form of forage NDF. The NSC fractions of cereal grains usually contain over 80 percent starch. Most by-product feeds contain a larger portion of the NSC fractions as starch with the remainder as sugars and pectins. In concentrate ingredients, the availability and rate of digestion of the starch depend on the grain source and processing method. A good balance between the carbohydrate fractions is necessary to maintain normal rumen function and metabolism (Table 16). Extremes in either direction can adversely affect animal performance and health. For example, if forages are chopped too fine, then the
effectiveness of fiber present in furnishing a mat for microbial function and stimulating good rumen motility is reduced. Low digestibility of the forage also may reduce the effectiveness of the fiber present. In order to keep the rumen functioning normally, minimum forage levels and proper particle size length of ensiled forages must be ensured. Low fiber, both ADF and NDF, in the ration can result from lack of forage and/ or extremely high-quality forage (mainly early spring or late fall cuttings). Lack of fiber can lower milk fat test and production and cause metabolic problems, such as rumen acidosis and infectious diseases. These problems can be controlled by following sound guidelines for forage harvesting, forage particle size length, and forage NDF intake, and forage dry matter intake. A proper intake of NSC is necessary to provide sufficient propionic acid production to help meet the animal’s energy needs, allow for adequate
PART II: FEED AND FEED NUTRIENTS FOR DAIRY CATTLE
Table 16. Guide to carbohydrate composition in rations for high-producing dairy cows.
Table 14. Fiber partition in various forages. FORAGE Legume haylage Legume silage MM legumeb haylage MM legumeb silage MM grassb haylage MM grassb silage Grass silage Corn silage
% DM
ADF
NDF
% DM BASIS HEMICELLULOSE
56a 51-62
34 30-38
44 36-51
10 5-14
27 23-30
37 30-43
39 33-44
47 40-55
8.9 4.1-13.6
55 51-60
37 31-42
48 40-56
35 27-42
39 35-42
59 52-65
ITEM
STAGE OF LACTATION EARLY MID LATE
7.4 5.7-9.0
Forage NDF, % DM
21-24
25-26
27-28
Total NDF, % DM
28-32
33-35
36-38
31 22-34
7.7 5.3-10.0
NSC, % DM
32-38
32-38
32-38
11.5 5.7-17.3
29 25-33
7.8 4.3-11.4
52 45-59
13.4 7.8-18.9
32 29-35
6.8 5.4-8.3
38 34-43
54 46-62
15.7 10.8-21
31 27-34
7.7 5.5-9.9
36 28-45
39 35-44
56 50-63
17.0 12-22
33 29-36
6.9 4.7-9.0
31 21-41
41 37-44
62 55-68
21 15-27
24 31-37
6.4 4.9-7.8
33 25-40
26 22-30
45 38-51
19 15-23
23 19-27
2.8 2.2-3.5
CELLULOSE
LIGNIN
Note: Samples from NEDHIC Forage Testing Lab, Ithaca, N.Y. Analysis performed by J. B. Robertson, Department of Animal Science, Cornell University. a Mean one standard deviation (range indicated by darker shading represents 67% of samples received) will fall within these values. b MM legume refers to mixed mainly legume forage; MM grass refers to mixed mainly grass forage.
Table 15. Guidelines for forage neutral detergent fiber (NDF) and forage dry matter intakes. FORAGE NDF AS % OF BODY WEIGHT a
INTAKE LEVEL
.75%b
Minimum if ration provides 1.3-1.4% total NDF by use of by-product feeds.
.85%b
Minimum if ration provides 1.0-1.2% total NDF by use of grains or starch feeds.
.90%
Moderately low
.95%
Average
1.00%
Moderately high
1.10%
Maximum
Source: Using Neutral Detergent Fiber to Set Forage Intakes for Dairy Cows. Penn State Dairy and Animal Science Extension Fact Sheet 93-2. a Forage
dry matter intake should range between 1.4 to 2.4 percent of body weight regardless of forage NDF intake parameters. b Higher
15
minimum may be necessary if forage is chopped too fine.
Example of intake parameters between grass and legume forage: Average body weight: 1300 lb; desired forage NDF as % BW: 0.90% Legume hay @ 48% NDF; grass hay @ 62% NDF; 1300 X .009 = 11.7 lb forage NDF Intake of legume forage: 11.7 รท .48 = 24.3 lb รท 1300 x 100 = 1.9% BW forage dry matter intake Intake of grass forage: 11.7 รท .62 = 18.8 lb รท 1300 x 100 = 1.45% BW forage dry matter intake
Source: Use of Total Mixed Rations (TMR) for Dairy Cows. Penn State Dairy and Animal Science Extension Fact Sheet 94-25.
microbial protein synthesis, and maintain normal fiber digestion as well as other rumen functions. Inadequate NSC may depress the energy available from propionic and lactic acid production, reduce microbial protein synthesis, and decrease fiber digestion. Excessive NSC may depress fiber digestibility, acetic acid production, and milk fat test, as well as cause abnormalities in rumen tissue, which may lead to ulcers and liver abscesses.
Fats Fat or ether extract can be used as an energy source for the high-producing dairy cow. Fat is approximately 2.25 times more energy rich than protein or carbohydrates on a pound for pound basis. Yet rumen microorganisms cannot tolerate high levels of fat. The types and levels of fats used in dairy cattle rations should be scrutinized closely both nutritionally and economically. The main lipid component of forages is galactolipid, which involves glycerol, galactose, and unsaturated fatty acids (primarily linoleic and linolenic acid). Their concentration declines with the age of the plant and will vary with the proportion of leaves to stems. The main storage lipids found in both plant seeds and animal fats are triglycerides (three fatty acids attached to glycerol). Some of the specialty products labeled as rumen inert are comprised of either triglycerides, free-fatty acids, or calcium salts of fatty acids. The fatty acid
16
FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
profile of vegetable, animal, and specialty fats is an important characteristic because of how it relates to ruminal inertness and postruminal digestibility (Table 17). Fatty acids can be either saturated or unsaturated. Common saturated fatty acids (myristic, palmitic, and stearic) are solid at room temperature and melt at above body temperature. Unsaturated fatty acids (palmitoleic, oleic, linoleic, and linolenic) vary in melting point but tend to be liquid at room temperature. Unsaturated fats are more likely to interfere with ruminal fermentation than saturated fatty acids. The fatty acids in whole cottonseed and full-fat soybeans contain large amounts of unsaturated fatty acids. However, whole oilseeds are less likely to interfere with ruminal fermentation compared to free oils. Whole oilseeds are slowly digested, allowing for a slow release of the oil in the rumen and more extensive microbial hydrogenation. Tallow is the most commonly fed animal fat. It is comprised of about 50 percent saturated fatty acids. Saturated fats are believed to be relatively inert in the rumen because of their high melting point and low solubility in rumen fluid. However, 40 percent of the fatty acids in tallow are oleic acid, which may impair rumen fermentation when added in large quantities. Fatty acids in grease and animalvegetable blends are highly unsaturated. Their fatty acid profiles can be quite variable, and therefore they are not generally recommended for lactating cow diets. Specialty fats that completely bypass the rumen are highly saturated. Many of these products consist of tallow or hydrogenated tallow. Others have the fatty acids complexed with calcium, which is relatively insoluble in rumen fluid. To meet the essential fatty acid needs of the dairy cow, relatively low intakes of fat are needed. In most cases, 2 to 3 percent fat in the basal diet is adequate. A
Table 17. Fatty acid profile of various commodity and specialty fat sources. COMMODITY FAT SOURCES FATTY ACID WEIGHT, %
WHOLE COTTONSEED
WHOLE SOYBEANS
TALLOW
GREASE
ANIMALVEGETABLE BLEND
Myristic
1
—
3
3
1
Palmitic
25
11
26
18
22
Palmitoleic
—
—
6
4
5
3
4
19
12
5
Oleic
17
24
40
47
36
Linoleic
54
54
5
13
29
Linolenic
—
7
1
3
2
Saturated, % a
29
15
48
33
28
Unsaturated, % b
71
85
52
67
72
Stearic
YELLOW
SPECIALTY FAT SOURCES FATTY ACID WEIGHT, %
BOOSTER ALIFET
FAT
CAROLAC
DAIRY 80
ENERGY BOOSTER
MEGALAC
Myristic
3
3
2
4
2
2
Palmitic
27
25
24
28
49
51
1
3
3
2
—
—
Palmitoleic Stearic
37
22
35
55
35
4
Oleic
31
45
33
11
13
35
Linoleic
1
2
2
—
1
8
Linolenic
—
—
1
—
—
—
Saturated, % a
67
50
61
87
86
57
Unsaturated, % b
33
50
39
13
14
43
Sources: Palmquist, D. L. 1988. The feeding value of fats. In: Feed Science, ed. E.R. Orskov. Amsterdam: Elsevier Science, 1988, pp. 293-311. Palmquist, D. L., A. Kelbly, and D. Kinsey. 1989. Digestibility by lactating dairy cows of diets containing two levels of several commercial fats. J. Dairy Sci. 72:572 (Suppl. 1). DePeters, E. J., S. J. Taylor, C. M. Finley, and T.R. Famula. 1987. Dietary fat and nitrogen composition of milk from lactating cows. J. Dairy Sci. 70:1192. a Saturated
fatty acids (Myristic, Palmitic, Stearic).
b Unsaturated
fatty acids (Palmitoleic, Oleic, Linoleic, Linolenic).
recommended limit for cows producing between 70 and 90 pounds of 4 percent fat-corrected milk is an additional 1.0 to 1.5 pounds of added fat from unprotected sources, such as animal fats, oilseeds, or a combination of the two, can be fed. This should result in an additional 2 to 3 percent fat in the ration totaling 5 percent. Cows producing over 90 pounds of 4 percent fat-corrected milk can be fed an additional .50 to 1.0 pound of pro-
tected fat. This would increase the total dietary fat to 6 to 7 percent of the total ration dry matter. When supplemental fat is added to dairy rations, certain minerals must be adjusted. Modifications to the levels of calcium, phosphorus, and magnesium are needed. It may also be necessary to increase selenium and vitamin E. (See Minerals, p. 23, and Vitamins, p. 25.)
PART II: FEED AND FEED NUTRIENTS FOR DAIRY CATTLE
Protein Ruminant protein nutrition is complicated and requires examining protein quality, protein fractions, and total protein. Certain levels of degradable, soluble, and undegradable intake protein must be present in the dairy cow’s diet to meet the needs of rumen microbes as well as provide essential amino acids to the small intestine. Developing rations to meet the cow’s requirement for protein entails much more than balancing rations for total crude protein. The crude protein value reported for forages and feeds is a measure of their nitrogen content only; it does not indicate whether the nitrogen is contained as amino acid or true protein nitrogen or some nonprotein nitrogen source. It also does not tell how degradable or available the nitrogen in the feed is for rumen microbes to synthesize, how much of the amino acid nitrogen in the feed escapes degradation in the rumen, or the quality of this bypass protein. All these items need to be considered when formulating rations. The three protein fractions most commonly used in ration formulations are degradable, undegradable, and soluble intake protein. The rumen microbes require an adequate supply of ruminally available nitrogen which comes from degradable sources of nitrogen in feeds, including both protein and nonprotein nitrogen sources. In addition, the rumen microbes benefit from a limited amount of the protein readily dissolving in the rumen. This is referred to as soluble intake protein. Protein that escapes or bypasses the rumen is referred to as undegradable intake protein. When formulating rations, knowing how feed ingredients will contribute to the various protein fractions in a dairy cow’s ration can be helpful for better meeting her protein requirements. Table 18 lists some of the crude protein fractions in various feedstuffs commonly fed to dairy cows.
17
Table 18. Crude protein and protein fractions in various forages and feed ingredients. % DM BASIS FEEDSTUFF Grass hay MM grass
hay a
% DM
CRUDE PROTEIN
90.0
10.5
% OF CRUDE PROTEIN SOLUBLE UNDEGRADABLE PROTEIN
INTAKE PROTEIN
29.0
37.0
90.0
12.5
30.0
34.0
Legume hay
90.0
18.6
32.0
28.0
MM legume hay a
90.0
16.8
31.0
31.0
Grass silage b
<35 35-50 >55
12.6
51.0 47.0 41.0
23.0 29.0 45.0
MM grass silage a
<35 35-50 >55
14.0
52.5 50.0 42.0
22.0 27.0 42.0
Legume silage
<35 35-50 >55
19.3
60.0 54.0 48.0
18.0 23.0 36.0
MM legume silage a
<35 35-50 >55
17.4
57.0 52.0 46.0
20.0 25.0 39.0
Corn silage
33.0
8.8
48.0
31.0
Corn silage-urea
34.0
13.2
70.0
19.0
Corn silage-NH3
34.0
12.0
57.0
27.0
Blood meal
91.0
93.0
7.5
82.0
Brewers grain, dry
92.0
27.1
7.4
49.0
Brewers grain, wet
22.0
28.0
10.0
45.0
Canola meal
92.5
40.8
28.0
23.0
Corn, ear (dry)
87.0
9.0
15.6
65.6
Corn, ear (high moisture)
69.0
8.8
36.0
35.0
Corn, shell (dry)
88.0
10.0
12.0
52.0
Corn, shell (high moisture)
74.4
9.5
33.0
35.0
Corn gluten feed
90.0
23.0
52.0
25.0
Corn gluten meal
90.0
67.2
5.0
55.0
Corn distillers, dark
91.0
29.0
15.0
47.0
Corn distillers, light
92.0
29.0
15.0
54.0
Cottonseed, whole
88.4
23.7
27.1
41.0
Soybeans, raw
90.0
41.8
40.0
26.0
Soybeans, cooked
90.0
41.8
17.0
50.0
Soybean meal, 44%
90.0
50.0
20.0
35.0
Soybean meal, 48%
90.0
54.5
20.0
35.0
Wheat midds
89.0
18.0
40.0
21.0
Note: The expectancies on crude protein and protein fractions are provided for use when analyses are not available. If feasible, test concentrate ingredients as well as forages. These best-fit data have been developed from Northeast DHI forage testing summaries and compilations by the National Research Council (NRC) and from the feed industry. a MM
grass refers to mixed mainly grass forage. MM legume refers to mixed mainly legume forage.
b Use
the grass data for small grain silage.
18
FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
A more detailed description of the protein fractions can be determined using the detergent system for analyses of carbohydrates along with the partitioning of protein by borate buffer. These protein fractions are identified as fraction A (ammonia, nitrates, amino acids, and peptides), fraction B1 (globulins and some albumins), fraction B2 (mostly albumins and glutelins), fraction B3 (prolamins), and fraction C (Maillard products bound to lignin). Fraction A protein degrades in the rumen instantaneously with none reaching the small intestine. Small amounts of fraction B1 reach the lower digestive track with intestinal digestibility being complete. The undegradable protein fractions consist of variable amounts of B2 (30 to 70 percent), most of B3, and fraction C. Fraction C bypasses the entire digestion system. Heat added or generated during the processing of some grains and by-products increases the bypass protein because globulins and albumins in the B1 fraction are denatured and are now in the B2 or B3 fraction. Table 19 lists the distribution of protein and nitrogen fractions in some commonly used feedstuffs. Although it is important to be aware of the detail involved with the various protein fractions, at present most feed analysis reports and ration formulation programs deal with target numbers related only to soluble, degradable, and undegradable intake protein. Balancing rations on protein quality tends to be more complex compared to meeting the animal’s requirement for total protein and protein fractions. Attention to both microbial protein production and the amino acid profile of feeds is needed. Protein quality refers to the balance and amount of essential amino acids that a particular feed contains. There are approximately 23 different amino acids; each has a unique structure and all contain nitrogen. Approximately
Table 19. Average distribution of protein and nitrogen fractions in some feedstuffs. % DM BASIS CRUDE
FEEDSTUFF
PROTEIN
A
B1
% OF CRUDE PROTEIN B2 B3
C
Concentrates: Blood meal
91.7
0.2
4.7
93.9
0.0
1.2
Brewers grain, dry
25.4
2.9
1.2
55.5
28.4
12.0
Canola
42.3
21.1
11.3
57.0
4.2
6.4
Corn grain
10.1
7.7
3.3
74.0 a
10.0
5.0
0.0
44.1 a
10.6
5.3
4.8
66.2 a
10.0
7.8
0.0
51.3 a
10.4
8.3
5.0
14.9 a
43.1
20.0
0.0
43.2 a
5.7
2.1
9.0
2.0
Corn grain (high moisture) Corn, ear (dry) Corn, ear (high moisture) Corn distillers, dry Corn gluten feed
10.1 9.0 9.0 29.5 25.6
40.0 11.2 30.0 17.0 49.0
Corn gluten meal
65.9
3.0
1.2
84.8 a
Cottonseed, whole
23.0
0.8
39.2
54.0
0.0
6.0
Cottonseed meal
44.8
8.0
12.0
48.4
2.4
7.6
Fish meal
66.6
0.0
12.0
87.0
0.1
0.9
Soybean meal, 44%
49.9
11.0
9.0
75
3.0
2.0
Soybean meal, 48%
55.1
11.0
9.0
75
3.0
2.0
Soybeans, raw
42.8
10.0
34.2
51.4
1.5
2.9
Soybeans, heated
42.8
5.7
0.0
70.7
16.3
7.3
Wheat midds
18.4
12.0
28.0
56.0
1.4
2.6
Alfalfa hay, prebloom
21.7
28.8
1.2
55.0
5.0
10.0
Alfalfa hay, early bloom
19.0
28.8
1.2
52.2
7.8
10.0
Alfalfa hay, mid bloom
17.0
26.9
1.1
46.8
11.2
14.0
Grass hay, late vegetative
16.0
24.0
1.0
44.0
25.3
5.7
Grass hay, mid bloom
9.1
24.0
1.0
44.0
24.9
6.1
Grass hay, mature
7.0
24.0
1.0
44.0
24.5
6.5
Alfalfa silage, early bloom
19.0
50.0
0.0
23.3
11.7
15.0
Alfalfa silage, mid bloom
17.0
45.0
0.0
23.0
14.0
18.0
Corn silage, 45% grain
9.0
45.0
0.0
38.6
8.5
7.9
Corn silage, 34% grain
8.6
50.0
0.0
34.0
8.0
8.0
Corn silage, 25% grain
8.3
55.0
0.0
29.0
7.5
8.5
Forages:
Source: Russell, J. B., J. D. O’Connor, D. G. Fox, P. J. Van Soest, and C. J. Sniffen. A net carbohydrate and protein system for evaluating cattle diets: I. Ruminal fermentation. J. Animal Sci. 1992. 70:3551–3561. a Corn
products contain zein, a slow-degrading prolamine protein that is soluble in neutral detergent fiber.
PART II: FEED AND FEED NUTRIENTS FOR DAIRY CATTLE
Table 20. List of the essential and nonessential amino acids. ESSENTIAL AMINO ACIDS
NONESSENTIAL AMINO ACIDS
Arginine (Arg)
Alanine
Histidine (His)
Aspartic acid
Isoleucine ( Ile)
Citrulline
Leucine (Leu)
Cysteine
Lysine (Lys)
Cystine
Methionine (Met)
Glutamic acid
Phenylalanine (Phe)
Glycine
Threonine (Thr)
Hydroxyglutamic acid
Tryptophan (Trp)
Hydroxyproline
Valine (Val)
Norleucine Proline Serine Tyrosine
10 to 13 amino acids must be supplied in the ration and are designated as essential (Table 20). Some of the essential amino acids, such as lysine and methionine, are labeled as limiting amino acids. If the appropriate precursors, such as nitrogen and sulfur, are present in the rumen, then essential amino acids can be synthesized by the rumen microbes. This is one of the unique features of rumen microbes. Microbial protein is high-quality protein because it has a good balance of the essential amino acids needed by the cow. Microbial protein contributes a large portion of protein for the ruminant animal to digest in the small intestine. As much as 3.0 to 3.5 pounds of microbial protein can be synthesized per day in the
19
rumen of a mature Holstein dairy cow. However, all the needs of a highproducing cow for essential amino acids cannot be met by microbial protein synthesis alone. Certain essential amino acids need to be supplied in the ration, and a sufficient proportion of this source must escape or bypass rumen degradation. Rations need to be balanced for those essential amino acids that are likely to be limiting under particular feeding situations. Feed ingredients can vary in their amino acid quality, and by incorporating various sources dairy producers can better meet the animal’s requirement (Table 21). The most limiting amino acids for the high-producing dairy cow are lysine, methionine, and arginine.
Table 21. The essential amino acid profiles of milk, ruminal bacteria, and feeds. ITEM
ARG
Milk
7.2
ILE
LEU
5.5
11.4
19.5
16.0
5.5
10.0
10.4
4.2
11.5
15.9
16.6
5.0
Corn silage
6.4
5.5
10.3
27.8
7.5
Hay crop silage
8.9
5.3
11.0
18.9
12.8
5.9
9.6
7.6
11.2
Bacteria
Barley Blood meal Brewer’s grain, dry
HIS
% OF TOTAL ESSENTIAL AMINO ACID LYS MET
PHE
THR
TRP
VAL
8.9
3.0
13.0
10.1
11.3
2.7
12.3
4.8
12.0
10.1
1.4
14.1
10.3
3.8
13.5
10.3
3.3
14.7
18.4
9.6
4.5
13.3
9.1
3.1
13.6
2.1
22.8
15.7
2.1
12.3
8.1
2.7
15.4
8.9
6.4
10.6
17.6
11.4
4.8
10.3
11.4
3.0
15.6
Canola meal
14.0
6.7
9.3
16.9
13.1
4.8
9.5
10.5
3.0
12.4
Corn grain
10.8
7.0
8.2
29.1
7.0
5.0
11.3
8.4
1.7
11.5
Corn gluten meal
6.9
4.7
9.3
36.4
3.8
5.5
13.8
7.5
1.5
10.7
Corn distillers, dark
7.7
7.2
9.8
26.3
6.2
5.2
11.1
10.3
2.7
13.4
Cottonseed meal
25.4
6.0
7.7
13.9
9.6
3.8
12.2
7.7
2.9
10.8
Feather meal
14.7
1.1
10.0
29.3
3.9
2.1
10.0
10.5
1.5
17.1
Fish meal
13.1
5.7
9.3
16.5
17.0
6.3
8.8
9.5
2.4
11.3
Meat and bone meal
20.5
5.5
7.8
16.2
14.2
3.6
9.2
9.0
1.8
12.1
Sorghum grain
9.4
5.8
9.4
30.9
5.6
4.3
12.6
8.0
2.2
11.8
Soybean meal
16.3
5.7
10.8
17.0
13.7
3.1
11.0
8.6
3.0
10.6
Wheat middlings
15.2
6.6
9.7
18.9
8.0
4.6
12.6
8.3
3.4
12.6
Source: Schwab, C. Amino acid nutrition of the high performance ruminant. Rhône-Poulenc Animal Nutrition and Health Symposium, San Francisco, Calif. 1995, pp. 1-75.
20
FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
Table 23. Regression equations for estimating energy values of various feeds.
Table 22. Guide to protein composition in rations for high-producing dairy cows. STAGE OF LACTATION EARLY MID LATE Crude protein, % DM
17-18
16-17
15-16
Soluble protein, % CP
30-34
32-36
32-38
Degradable protein, % CP
62-66
62-66
62-66
Undegradable protein, % CP 34-38
34-38
34-38
Source: Use of Total Mixed Rations (TMR) for Dairy Cows. Penn State Dairy and Animal Science Extension Fact Sheet 94-25.
In the past, problems in protein nutrition were specific to either excesses or deficiencies in total crude protein. Now attention to the protein fractions and protein quality and maintaining a good balance are considered critical. This is important not only for maximal milk production, but for economical and environmental concerns. Table 22 gives some guidelines for protein fractions in the total ration dry matter for dairy cattle.
FEED
NET ENERGY FOR LACTATION NEL (MCAL /LB)
Legumes
NEL = 1.044 - (0.0119 x ADF) ex: NEL = 1.044 - (0.0119 x 40) NEL = 0.568 Mcal/lb
TDN = 4.898 + (NEL x 89.796) ex: TDN = 4.898 + (0.568 x 89.796) TDN = 55.9%
Legume-grass mixtures
NEL = 1.0876 - (0.0127 x ADF) ex: NEL = 1.0876 - (0.0127 x 40) NEL = 0.580 Mcal/lb
TDN = 4.898 + (NEL x 89.796) ex: TDN = 4.898 + (0.580 x 89.796) TDN = 57.0%
Grasses, small grains, sorghum, sudangrass forages
NEL = 1.085 - (0.0124 x ADF) ex: NEL = 1.085 - (0.0124 x 40) NEL = 0.589 Mcal/lb
TDN = 4.898 + (NEL x 89.796) ex: TDN = 4.898 + (0.589 x 89.796) TDN = 57.8%
Bermuda grass
NEL = [(0.0245 x TDN) - 0.12] x 0.454 TDN = 95.679 - (1.224 x ADF) ex: NEL = [(0.0245 x 50.4 ) - 0.12] x 0.454 ex: TDN = 95.679 - (1.224 x 37) NEL = 0.506 Mcal/lb TDN = 50.4%
Corn silage, whole plant (unadjusted values)
NEL = 1.044 - (0.0124 x ADF) ex: NEL = 1.044 - (0.0124 x 30) NEL = 0.672 Mcal/lb
TDN = 31.4 + (53.1 x NEL) ex: TDN = 31.4 + (53.1 x 0.672) TDN = 67.1%
Corn silage, whole plant (adjusted values) a
Adj. NEL = (ATDN - 31.4) รท 53.1 ex: Adj. NEL = (66.4 - 31.4) รท 53.1 Adj. NEL = 0.659 Mcal/lb
Adj. TDN = 92.49 + (-0.6525 x DM) ex: Adj. TDN = 92.49 + (-0.6525 x 40) Adj. TDN = 66.4%
Total mixed rations b NEL = [(TDN x 0.0245) - 0.12] x 0.454 (forage + grain) ex: NEL = [(72.9 x .0245) - 0.12] x 0.454 NEL = 0.756 Mcal/lb
TOTAL DIGESTIBLE NUTRIENTS (TDN), %
TDN = 93.53 - (1.03 x ADF) ex: TDN = 93.53 - (1.03 x 20) TDN = 72.9%
Concentrate mixtures c
NEL = [(TDN x 0.0245) - 0.12] x 0.454 TDN = 81.41 - (0.60 x CF d) ex: NEL = [ (77.2 x 0.0245) - 0.12] x 0.454 ex: TDN = 81.41 - (0.60 x 7.0) NEL = .804 Mcal/lb TDN = 77.2%
Ear corn
NEL = 1.036 - (0.0203 x ADF) ex: NEL = 1.036 - (0.0203 x 16) NEL = 0.711 Mcal/lb
TDN = 99.72 - (1.927 x ADF) ex: TDN = 99.72 - (1.927 x 16) TDN = 68.9%
Shelled corn
NEL = .9050 - (0.0026 x ADF) ex: NEL = 0.9050 - (0.0026 x 4) NEL = 0.895 Mcal/lb
TDN = 92.22 - (1.535 x ADF) ex: TDN = 92.22 - (1.535 x 4) TDN = 86.1%
Small grains
NEL = .9265 - (0.00793 x ADF) ex: NEL = 0.9265 - (0.00793 x 12) NEL = 0.831 Mcal/lb
TDN = 4.898 + (NEL x 89.796) ex: TDN = 4.898 + (0.831 x 89.796) TDN = 79.5%
Source: Developed by R. S. Adams, Penn State professor emeritus of dairy science, for use in forage and feed-testing schemes. Revised 1994. Note: All values are on a dry matter basis. ADF = acid detergent fiber. a
Adjusted values are to compensate for overmature or hard grain fed to cattle. If the adjusted TDN value is lower than the unadjusted value, then all adjusted values for various energy expressions are reported for corn silage. DM = dry matter.
b
Based on use of normal Northeastern U.S. forages and low-fiber concentrates with no added fat, when fed at forage-to-concentrate ratios commonly used for milking cows. Use TDN and NEL values for individual feeds to estimate these values for a TMR with a known formula. c
Based on a USDA complication of values obtained for low-fat concentrate formulas using book values for individual ingredients. Use values for individual feeds to obtain TDN and NEL values for known formulas.
d
CF = crude fiber. CF = (ADF x .83) - 1.30. Example: CF = (10 x .83) - 1.30 = 7.0.
PART II: FEED AND FEED NUTRIENTS FOR DAIRY CATTLE
Energy Energy is the fuel needed to support all life activities. Animals require energy not only for maintenance, but also to support production including growth, gestation, and lactation. Some excess energy is stored as glycogen, which is found in muscle and liver, but most is stored as fat. Energy for the dairy cow can be expressed in several ways: total digestible nutrients (TDN), net energy of maintenance (NEM), net energy of gain (NEG), and net energy of lactation (NEL). By expressing energy values in these terms, feed energy losses through feces, urine, methane, and heat can be accounted for. TDN is defined as follows: digestible crude protein + digestible crude fiber + digestible fat x 2.25 + digestible nitrogenfree extract. TDN accounts for fecal losses and some urinary losses. Most estimates or expected net energy values are based on TDN levels obtained at maintenance intakes. There is some bias in using TDN values compared to net energy values of certain feeds. For example, TDN values are close to NEL for average and goodquality forages, but higher than NEL for poor forages. TDN is lower than NEL for many concentrates. Net energy should be the energy value expression used to balance rations. It takes into account energy losses from feces, urine, gases, and heat. Net energy is subdivided into maintenance, gain, and lactation. NEM and NEG are used in ration formulations for growing cattle and fattening animals. NEL can be used for ration formulations of milking animals and maintenance of open dry cows and for pregnancy needs during the last two months of gestation. Dairy cows can use energy about as well for maintenance as for milk production. That is why there is one value, NEL, for the mature cow. Most TDN and energy estimates in forage and grain testing are based solely or primarily on regression equations using acid detergent fiber and sometimes
Table 24. Calculation of cattle NEM and NEG values. Step 1. Calculate digestible energy (DE) DE = TDN x 0.04409 DE = 55.9 x 0.04409 DE = 2.465 Step 2. Calculate metabolizable energy (ME) ME = DE x 0.82 ME = 2.465 x 0.82 ME = 2.021 Step 3. Calculate net energy of maintenance (NEM) NEM = (1.37 x ME) - (1.12) - (0.138 x ME2) + (0.0105 x ME3 ) x 0.454 NEM = (2.769 - 1.12 - 0.564 + 0.087) x 0.454 NEM = 0.532 Step 4. Report as NEM Mcal/lb DM. Step 5. Calculate net energy of gain (NEG) NEG = (1.42 x ME) - (1.65) - (0.174 x ME2) + (0.0122 x ME3 ) x 0.454 NEG = 2.870 - 1.65 - 0.711 + 0.101 x 0.454 NEG = 0.277 Step 6. Report as NEG Mcal/lb DM. Source: Developed by R. S. Adams, Penn State professor emeritus of dairy science, using equations mainly available in 1989 NRC for dairy cattle. Note: The example above assumes values for legume forage with 40% ADF, 51% NDF, and 55.9% TDN
neutral detergent fiber values as the indicator (Tables 23 and 24). Not all laboratories compute these estimates in the same manner. Estimates should be compatible with allowances for energy used in the ration balancing program. Formulating rations to meet the energy needs of dairy cattle is dependent upon production level, body condition scores, environmental stress, and deviations in dry matter intake. Some guidelines to follow for NEL Mcal/lb of dry matter for high-producing cows are
21
early lactation, 0.76-0.80; mid lactation, 0.72-0.76; and late lactation, 0.68-0.72. These energy values should not be the sole means of balancing rations for energy. Energy is achieved in sound rations containing adequate levels of NSC and fat. Relying on NEL values only, with no regard to NSC and fat levels in the ration, can be highly detrimental to animal performance and health. Low energy intake often is a problem with young stock and highproducing cows. Inadequate caloric intake can reduce growth, decrease milk production, depress milk protein test and sometimes fat test, and impair reproduction and health. Primary causes can be underfeeding concentrate and/or forage and ration imbalances that impair digestibility, feed utilization, and metabolism. Excessive energy intake can be a problem for cows in mid to late lactation and for dry cows and can occur when overfeeding concentrates. This leads to animals becoming overconditioned or fat. Excess energy can occur in dry cows when they are provided forages free choice for most of the day and can stem from steaming-up or lead-feeding of dry cows by increasing the concentrate to levels greater than .5 percent of body weight daily prior to calving. Rations should be balanced for all animal groups and body condition observed closely so that ration adjustments can be made accordingly.
22
FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
Table 25. Summarization of minerals in the dairy ration. DEFICIENCY SYMPTOMS, ASSOCIATED PROBLEMS (LEVELS LOWER THAN NRC, 1989)
MINERAL
FUNCTION
TOXICITY SYMPTOMS AND PROBLEMS
Calcium (Ca)
Bone and teeth formation; blood clotting; muscle contraction.
Rickets; slow growth and poor bone development; easily fractured bones; reduced milk yield; milk fever (a disturbance of normal calcium metabolism).
Calcium fed at levels more than .95 to 1.00% dry matter basis may reduce intake and lower performance.
Phosphorus (P)
Bone and teeth formation P is involved in energy metabolism, part of DNA and RNA.
Fragile bones; poor growth; low blood P: depraved appetiteâ&#x20AC;&#x201D;chewing wood, hair, and bones; poor reproductive performance. Chronic deficiency may cause animals to have stiff joints.
Excessive phosphorus intakes may cause bone resorption, elevated plasma phosphorus levels, and urinary calculi.
Chlorine (Cl)
Acid-base balance, maintenance of osmotic pressure, manufacture of hydrochloric acid in abomasum.
Craving for salt; reduced appetite.
Excessive levels of chlorine without sodium or potassium can contribute to an acidosis condition.
Magnesium (Mg)
Enzyme activator; found in skeletal tissue and bone.
Irritability; tetany; increased excitability.
Not usually a problem.
Sulfur (S)
Needed for rumen microbial protein synthesis especially when nonprotein nitrogen is fed.
Slow growth; reduced milk production; reduced feed efficiency.
Sulfur levels exceeding .35% on a dry matter basis may reduce intake and overload the urinary excretion system. Sulfur can interfere with the metabolism of other minerals, especially selenium and copper.
Potassium (K)
Maintenance of electrolyte balance; enzyme activator; muscle function; nerve function.
Decreased feed intake; loss of hair glossiness; lower blood and milk potassium.
High levels found in young, very lush forages can interfere with magnesium metabolism and utilization.
Iodine (I)
Synthesis of thyroxine.
Big neck in calves; goitrogenic substances may cause deficiency.
Toxicity signs may appear at 50 to 200 ppm. Symptoms include excess salivation, watery nasal discharge, and coughing.
Iron (Fe)
Part of hemoglobin; part of many enzyme systems.
Nutritional anemia.
Iron concentration exceeding 1,000 ppm is characterized by diarrhea, hyperthermia, metabolic acidosis, and reduced feed intake and daily gain.
Copper (Cu)
Needed for the manufacture of hemoglobin; coenzyme.
Severe diarrhea; abnormal appetite; poor growth; coarse, bleached, or graying of hair coat; osteomalcia.
Toxicity symptoms include jaundice, liver damage, and death. Upper limit is considered 80 ppm.
Cobalt (Co)
Part of vitamin B12; needed for growth of rumen microorganisms.
Reduced appetite; anemia; decreased milk production; rough hair coat.
Upper limit is 10 to 20 ppm. Signs of toxicity include reduced feed intake and body weight; emaciation; weakness; anemia.
Manganese (Mn)
Growth; bone formation; enzyme activator.
Delayed or decreased signs of estrus; poor conception.
Maximum safe level is 1000 ppm. Excess interferes with iron metabolism and induces hypomagnesia.
Zinc (Zn)
Enzyme activator; wound healing.
Decreased weight gains; lowered feed efficiency; skin problems; slow wound healing; listlessness.
Maximum safe level is not more than 500 ppm.
(continued next page)
PART II: FEED AND FEED NUTRIENTS FOR DAIRY CATTLE
23
Table 25. (continued) MINERAL
FUNCTION
DEFICIENCY SYMPTOMS, ASSOCIATED PROBLEMS (LEVELS LOWER THAN NRC, 1989)
Selenium (Se)
Functions with certain enzymes; associated with vitamin E.
White muscle disease in calves; retained placenta.
Maximum safe level is 3 to 5 ppm. Toxicity shown by “alkali disease” or “blind staggers”; lameness; sloughed hooves.
Molybdenum (Mo)
Part of the enzyme xanthine oxidase.
Loss of weight; emaciation; diarrhea.
Maximum safe level is 6 ppm. Symptoms include emaciation; intense liquid diarrhea; weakness; stiffness; hair color changes.
TOXICITY SYMPTOMS AND PROBLEMS
Sources: Compiled from Jurgens, M. H. Animal Feeding and Nutrition, 5th ed. Dubuque, Iowa: Kendall/Hunt, 1982, and National Research Council (NRC), 1989.
Minerals Minerals can be expressed on the basis of elemental content or total ash. They provide skeletal structure to bones and cells and are necessary in many chemical and enzymatic reactions in the body. An animal may draw upon its bones for limited amounts of calcium and phosphorus. Table 25 describes the main functions, deficiency and toxicity symptoms, and associated problems that can occur. Table 26 gives a guide to the mineral levels to use in ration formulation. Calcium can have a pronounced effect on rumen metabolism, production, skeletal growth, and reproduction. Calcium is most likely to be deficient when using rations high in grass or whole-plant corn silage. Failure to supplement or balance rations, especially for young stock and dry cows, can result in poor production and infertility. Milk fever and retained placenta may also increase. Poor skeletal growth and fractures in legs of young stock may result. Excessive calcium in the ration for dry cows and springing heifers can depress digestibility, reduce feed intake, and increase the incidence of milk fever, retained placenta, and uterine infection. The incidence of infertility, especially cystic problems, may increase when calcium is highly excessive. Frequent causes of excessive calcium intake are overfeeding high-calcium forage to dry cows and over-supplementation with
calcium for any animal group. Phosphorus is very important for normal rumen metabolism, reproduction, skeletal growth, and production. Low phosphorus intake frequently occurs in young stock and dry cows from lack of supplementation or concentrate feeding. Sometimes the problem can be due to poor availability of phosphorus sources. Bone growth and strength may become impaired if inadequate levels of phosphorus are supplied. Excessive phosphorus intake is most often encountered in rations for milk cows. This generally results from oversupplementation, particularly when high levels of by-product feed ingredients are fed. Production and especially reproduction may be adversely affected. Prolonged consumption of high phosphorus diets may cause metabolic problems due to disorders associated with calcium absorption and metabolism. Magnesium is necessary to maintain normal rumen fermentation, skeletal growth, production, reproduction, and health. Depressed fiber digestibility and impaired reproduction usually occur when rations are not balanced for this element or properly supplemented. Low magnesium intake may result in grass or winter tetany and complicated milk fever cases. Excessive magnesium may depress intake, digestibility, and production. This may result in nutritional scouring or diarrhea.
Sulfur is necessary for the synthesis of essential amino acids by rumen microbes. Sulfur supplementation is important in rations containing high levels of nonprotein nitrogen since several sulfur-containing amino acids must be made by rumen microbes, notably, cysteine, cystine, and methionine. Low sulfur intake results in an induced protein deficiency, and excessive intake damages liver tissue and function. Forages should be tested periodically and balanced for this nutrient. Potassium is essential for maintaining acid-base balance relationships and allowing transmission of nerve impulses to muscle fibers. It activates or functions as a cofactor in several enzyme systems. Potassium deficiency most often occurs when using rations containing large amounts of wet or dried brewers grains or distillers grains without solubles (light grains). Low intake of potassium can result in reduced feed intake and depressed production and fat test. Inadequate potassium in the diet can also increase stress from heat and humidity and may result in paralysis of rear legs. Excessive intakes of potassium by springing cows and heifers may increase udder congestion and is a factor related to milk fever in anion-cation balance. Sodium and chloride are elements provided by salt, but they are also found to some extent in most feeds. Low salt intake is one of the most common
24
FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
problems in the diet of dairy cattle. This can result from failure to supplement salt when using commercial protein concentrates that are low in salt to make them more palatable. Some rations are balanced using only sodium levels and may result in low chlorine due to the use of buffers. Salt should be provided free choice as well as force fed for most animal groups. Salt should be limited somewhat for springing and dry cows when severe problems are encountered with udder congestion. Low intakes seriously reduce feed intakes and production and may increase the incidence of displaced abomasum. Lack of salt also impairs acid-base balance. Trace elements play an important role in the diet of dairy cattle. A lack of these elements may adversely affect production and especially health to an extent equal to the deficiency of either protein or energy. Dairy producers at least should monitor levels of copper, zinc, and selenium by using suitable trace mineral premixes containing other elements such as manganese, iron, cobalt, and iodine in proper proportions. Low intakes of trace minerals can be widespread in young stock and dry cows. Copper and zinc often are lacking in rations for milk cows because levels of the elements are low in homegrown feeds in many areas of the country. Induced copper deficiency may result from high sulfate, molybdenum, iron, and manganese intakes through polluted water or crops. Selenium is deficient in feeds grown in certain areas of the country (e.g., the Northeast). In many of these deficient areas, selenium is often lacking in rations for young stock and dry cows, and about one-third of the herds still have low levels in milk cows. Low intakes greatly increase susceptibility to infections, including those of the udder, uterus, and foot. Cobalt and iodine are most often lacking in young stock and dry cow
Table 26. Guide to mineral composition in rations for high-producing cows. MINERAL
EARLY
STAGE OF LACTATION MID
LATE
% DM Calcium a
0.81-0.91
0.77-0.87
0.70-0.80
Phosphorus a
0.46-0.52
0.44-0.50
0.40-0.46
Magnesium a
0.28-0.34
0.25-0.31
0.22-0.28
Potassium b
1.20-1.50
1.20-1.50
1.20-1.50
Sulfur
0.23-0.24
0.21-0.23
0.20-0.21
Salt, or
0.45-0.50
0.45-0.50
0.45-0.50
Sodium
0.20-0.25
0.20-0.25
0.20-0.25
Chloride
0.25-0.30
0.25-0.30
0.25-0.30
PPM Manganese
44
44
44
Copper c
11-25
11-25
11-25
Zinc
70-80
70-80
70-80
Iron
100
100
100
Added selenium
0.30
0.30
0.30
Added cobalt
0.20
0.20
0.20
Added iodine
0.50
0.50
0.50
Source: Use of Total Mixed Rations (TMR) for Dairy Cows. Penn State Dairy and Animal Science Extension Fact Sheet 94-25. Note: Table refers to milk production equivalent to a DHI rolling herd average of 18,000 pounds of 4% fat-corrected milk or higher. a
Use these minerals at the higher levels indicated when fat content exceeds 4.0 percent in the total ration dry matter.
b
Use the higher potassium level during hot, humid weather.
c Use
the higher copper levels when low serum copper occurs on rations containing usual levels of 10-12 ppm. Induced copper deficiency may result from excessive intake of iron, manganese, molybdenum, and sulfur.
rations. Lack of cobalt results in a deficiency of vitamin B12, which is essential to animal health and metabolism. Appetite is reduced, and anemia may result when cobalt is lacking. Lack of iodine hampers thyroid function and endocrine or hormonal relationships. Excessive intake of iodine may result in too high values in the milk (over .5 ppm). Dairy producers should provide a trace mineral salt or other mineral-vitamin mixtures containing these trace elements to all groups. Fluorine and molybdenum generally are not lacking in a diet. Excesses to the
point of toxicity are more apt to occur. This may result from high fluorine in some phosphorus supplements or contamination of forage by air pollution near aluminum plants, foundries, and steel mills. Excessive fluorine, over 30 to 40 ppm in the total ration dry matter, causes foot and leg problems and poor production. High molybdenum may result from water contamination, especially in coal areas. This can lead to an induced copper deficiency. Excessive intakes of trace elements may adversely affect production and health. This generally occurs from over-
PART II: FEED AND FEED NUTRIENTS FOR DAIRY CATTLE
25
Table 27. Summarization of fat-soluble vitamins in the dairy ration. DEFICIENCY SYMPTOMS AND ASSOCIATED PROBLEMS (LEVELS LOWER THAN NRC, 1989)
TOXICITY SYMPTOMS AND PROBLEMS
Essential for normal vision; cellular function; and maintenance of epithelial linings of respiratory, reproductive, and digestive tracts.
Night blindness; skin problems; blind, dead or weak calves; reproductive problems.
Toxicity is not considered a problem under most practical feeding programs.
D
Normal bone growth and development; absorption of calcium and phosphorus; mobilization of calcium and phosphorus.
Rickets; osteomalcia.
Maximum limit is 100,000 IU/head daily.
E
Antioxidant; associated with selenium.
Oxidized flavor in milk; muscle problems; white muscle disease; cardiac muscle abnormalities.
Toxicity is not considered a problem under most practical feeding programs.
K
Required for blood clotting.
Moldy sweet clover disease; hemorrhages.
VITAMIN
FUNCTION
A
Sources: Compiled from Jurgens, M. H. Animal Feeding and Nutrition, 5th ed. 1Dubuque, Iowa: Kendall/Hunt, 1982, and National Research Council (NRC), 1989.
supplementation and sometimes from water and feed contamination. Intake levels can be ascertained through the use of blood and liver analyses.
Vitamins Dairy cattle have a physiological requirement for the fat-soluble vitamins A, D, E, and K. Generally, dairy cattle of all ages require a dietary source of vitamins A and E. Vitamin D may be synthesized in the skin under the influence of ultraviolet radiation or may be included in the diet. Rumen microbes synthesize adequate amounts of vitamin K to meet the needs of most dairy cattle with the exception of young calves. Under most feeding situations, there should be few problems with deficiencies (Table 27). However, as dairy cattle are being fed more ensiled forages and exposed to less sunlight, additional vitamin supplementation will be needed to maintain health and high levels of production (Table 28). Fat-soluble vitamins may not constitute a large part of the ration; nonetheless they are extremely important in the health and production of the dairy cow. Vitamin A and its pro-vitamin, beta carotene, are necessary for good health and reproduction. Low vitamin A status is most apt to occur when rations are
high in hay and/or corn silage. Haylage rations also may be low in vitamin A if they do not have good green color. Use of pasture or green chop at a minimum of 50 percent of the forage dry matter for several months can replenish liver stores. Vitamin D supplementation at proper levels may improve calcium and phosphorus utilization, metabolism, and reproductive performance. Low intakes of vitamin D may result in rickets and weak bones, as well as weak or silent heats, especially in young stock. Vitamin D should be included in the formulation of the ration to avoid excessive levels. Excessive intakes occur quite frequently. An intake of 80,000 units per head daily may depress production. An intake exceeding 100,000 units for an extended period may increase the incidence of milk fever as well as infertility, joint problems, lameness, and heart failure. Vitamin E is most apt to be limiting with a ration high in hay or corn silage and haylage lacking green color. Both vitamin E and selenium are necessary for good resistance to disease. Low intake of vitamin E makes the animal more susceptible to infections and has a pronounced effect on the ability of white blood cells to kill organisms and on the production of antibodies. Low vitamin E
Table 28. Guide to vitamin composition in rations for high-producing dairy cows. EARLY VITAMIN Vitamin A
STAGE OF LACTATION MID LATE IU/LB DM
3500
3500
3500
Minimum
750
750
750
Maximum
1100
1100
1100
20
20
20
Vitamin D
Vitamin E
Source: Use of Total Mixed Rations (TMR) for Dairy Cows. Penn State Dairy and Animal Science Extension Fact Sheet 94-25.
intake may result in oxidized flavor, or milk that tastes like cardboard. Many commercial products contain relatively low amounts of this vitamin. Vitamin K generally is not lacking in the ration. It is synthesized by rumen microbes, unlike other fat-soluble vitamins, and affects blood clotting. Sweet clover poisoning is the syndrome most commonly associated with vitamin K deficiency. When sweet clover hay or silage becomes moldy or spoiled, dicoumarol, a fermentation product, develops. The hemorrhagic action of dicoumarol and related derivatives is due to specific antivitamin K activity.
26
FROM FEED TO MILK: UNDERSTANDING RUMEN FUNCTION
Water Adequate water intake is needed to provide for vital body functions. Water is required for maintaining body fluids and proper ion balance; for digesting, absorbing, and metabolizing nutrients; for eliminating waste materials and excess heat from the body; for providing a fluid environment for the developing fetus; and for transporting nutrients to and from body tissue. Adequate water intake of reasonable good chemical and bacteriological quality must be available to optimize dry matter intake. The amount of water consumed is influenced by the dry matter ingested, climatic conditions, composition of the diet, water quality, and the physiological state of the animal. Table 29 shows expected water intakes, and Table 30 provides some standards related to water quality.
Table 29. Water intake needs by various age groups of dairy cattle, drinking water only. COW TYPE
AGE OR CONDITION
GALLONS PER DAYa
Holstein calves
1 mo
1.3-2.0
Holstein calves
2 mo
1.5-2.4
Holstein calves
3 mo
2.1-2.8
Holstein calves
4 mo
3.0-3.5
Holstein heifers
5 mo
3.8-4.6
Holstein heifers
15-18 mo
5.9-7.1
Holstein heifers
18-24 mo
7.3-9.6
Dry cows
Pregnant, 6-9 mo
7-13; average 10
Lactating cows b
Depends on production and other factors. Total water and drinking water intakes for lactating cows can be calculated using the equations and procedures given in footnote b.
Note: Generally, beef cattle consume water at the rate of 1% of body weight in gallons daily. One gallon of water weighs 8.34 pounds. A cubic foot of water weighs 62.4 pounds. Water intake will be higher for all cattle during hot weather. When water is being metered for milk cows, make sure other livestock (i.e., heifers, dry cows, beef cattle, or a bull) that have access to the same watering source are properly discounted so a more accurate estimate of water intake can be achieved. Water from ration usually runs 25 to 50 pounds daily on low- and high-silage rations respectively. Lower levels of water intake given apply to intake in winter; higher levels to hot, humid weather. a At
air temperatures between 50o and 80o Fahrenheit, intake depends upon the forage ration water content. Higher levels apply to an all-hay ration.
b Drinking
water for lactating cows largely depends on the production level, dry matter intake, and ration water intake. It can be estimated using the modified Kertz Equation (A.F. Kertz, Ralston Purina Company): Total water and drinking water intakes for lactating cows may be calculated using the following equation and procedures: Total water intake (lb/day) = (4 x dry matter intake) + pounds of 4% FCM + 25.6 Drinking water intake (lb/day) = total water intake - ration water intake 4% FCM (fat corrected milk) = (.4 x lb milk) + 15 x (lb milk x % fat as decimal) Example: Determine the drinking water intake for a 1,350-pound Holstein cow producing 60 pounds of milk with a 3.7% milk fat test. The moisture content of the ration is 55 percent (45% dry matter). The 4% FCM is (.4 x 60) + 15 x (60 x .037) or 57.3 pounds. The estimated dry matter intake is 43 pounds. Total expected water intake = (4 x 43) + 57.3 + 25.6 = 254.9 lb of total water daily or = 30.6 gallons (254.9 รท 8.34) or = 4.4 lb per lb of 4% FCM produced daily (254.9 รท 57.3) Expected drinking water intake = 254.9 - 52.5* = 202.4 lb of drinking water daily or = 24.3 gallons or = 3.6 lb per lb of 4% FCM produced daily *Ration water is derived as follows: 43 รท 0.45 = 95.5 total as-fed pounds of feed 95.5 x 0.55 = 52.5 lb ration water Additional references dealing with water intake in greater detail are J. Dairy Sci. 66 (1983):35 and J. Dairy Sci. 75 (1992):1,472.
PART II: FEED AND FEED NUTRIENTS FOR DAIRY CATTLE
27
Table 30. Interpretation of a water analysis report. ITEM
AVERAGE a
EXPECTEDb
POSSIBLE CATTLE PROBLEMSc
7.0
6.8-7.5 6.0-6.4
under 5.5 or over 8.5
8.5 -0.68 5.5 0.7 0.07
6.0-7.5
pH for cows pH for veal calves Stability index Saturation index Turbidity (Jackson units) Color, PCU d Odor threshold
0-30 0-15 PARTS PER MILLION
Dissolved solids Phenothalein alkalinity Total alkalinity Bicarbonate alkalinity Carbon dioxide
368 0.9 141 139 46
500 or less 0-trace 0-400
Chloride e
20.2 35.5 0.23 1.4 208
0-250 0-250 0-1.2 0-1.0 0-180
Calcium Magnesium Sodium Iron Manganese
60.4 13.9 21.8 0.8 0.3
0-43 0-29 0-3 0-0.3 0-0.05
over 500 over 125 over 20 for veal calves over 0.3 (taste, veal) over 0.05 (taste)
Copper Silica Potassium Arsenic Cadmium Chromium Mercury
0.1 8.7 9.1
0-0.6 0-10 0-20 0.05 0-0.01 0-0.05 0-0.005
over 0.6 to 1.0
Sulfate Fluoride Phosphate Total hardness
Lead Nitrate as NO3 f Nitrite as NO2 Hydrogen sulfide Barium Zinc Molybdenum Total bacteria/100 ml Total coliform/100 ml Fecal coliform/100 ml g Fecal strep/100 ml
— — — — — 33.8 0.28 — — — — 336,300 933 — —
over 3,000 over 5,000
0-50
0-0.05 0-44 0-0.33 0-2 0-1 0-5 0-0.068 under 200 less than 1 less than 1 less than 1
over 2,000 over 2.4 (mottling)
over 0.20 over 0.05 over 0.01 over 0.10 over 100 over 4.0-10.0 over 0.1 (taste) over 10 (health) over 25 over 1 million over 1 for calves; over 15 -50 for cows over 1 for calves; over 10 for cows over 3 for calves; over 30 for cows
a For
most parameters, averages are from approximately 350 samples. Most samples were taken from water supplies on farms with animal health or production problems.
b Based
primarily on criteria for water fit for human consumption.
c Based
primarily on research literature and field experiences.
d PCU
= platinum cobalt unit.
e Free
or residual chlorine levels up to .5 to 1 ppm have not adversely affected ruminants. Municipal supplies with .2 to .5 ppm have been successfully used. Swimming pool water with 1 ppm has no demonstrable effects on cattle. Levels of 3 to 5 ppm in farm systems with short contact time have caused no apparent problems.
f Should g If
not be consumed by young human infants if over 44 ppm NO3 or 10 ppm NO3-N.
pollution is from human wastes, fecal coliform should exceed fecal strep by several times. If pollution is from an animal source, strep should exceed coliform in refrigerated samples run soon after taking.
College of Agricultural Sciences
Where trade names appear, no discrimination is intended, and no endorsement by Penn State Cooperative Extension is implied. Issued in furtherance of Cooperative Extension Work, Acts of Congress May 8 and June 30, 1914, in cooperation with the U.S. Department of Agriculture and the Pennsylvania Legislature. L.F. Hood, Director of Cooperative Extension, The Pennsylvania State University.
This publication is available in alternative media on request. The Pennsylvania State University is committed to the policy that all persons shall have equal access to programs, facilities, admission, and employment without regard to personal characteristics not related to ability, performance, or qualifications as determined by University policy or by state or federal authorities. The Pennsylvania State University does not discriminate against any person because of age, ancestry, color, disability or handicap, national origin, race, religious creed, sex, sexual orientation, or veteran status. Direct all inquiries regarding the nondiscrimination policy to the Affirmative Action Director, The Pennsylvania State University, 201 Willard Building, University Park, PA 16802-2801; tel. (814) 863-0471; TDD (814) 865-3175. Š The Pennsylvania State University 1996
5M1295NVO
JORNADAS COOPRINSEM 2008 / AVANCES EN NUTRICION DE VACAS LECHERAS
Comprendiendo los Análisis de Forrajes Dr. David Combs Co-Autor y Adaptación: J. Francisco Inostroza M. Departamento de Dairy Science - Universidad de Wisconsin Madison
Existen varios métodos para estimar el valor nutritivo de los ingredientes que se usan en la formulación de raciones para alimentación animal. Los métodos que permiten medir en forma eficiente el contenido de nutrientes y su digestibilidad son claves como herramienta de apoyo para optimizar el uso de ingredientes. Además, su continuo perfeccionamiento ayuda a los nutricionistas a predecir mejor el desempeño animal. Los métodos que determinan la calidad de los ingredientes incluyen: Apreciación o Examen Visual, Análisis Químico, NIRS (Espectrometría de Infrarrojo Cercano) y mediciones in Vivo e in Vitro. Cada método tiene fortalezas y debilidades dependiendo del uso específico y del tipo de ingrediente que se analiza (forrajes, ensilajes, pre-mezclas, etc.).
ENFOQUE BASICO EN LA EVALUACION DE FORRAJES 1. EVALUACION VISUAL Es el método de evaluación más antiguo y mayormente usado. Este método no sólo se limita al sentido visual, esta relacionado también con la textura y el aroma. La Textura está referida a la textura del tallo y su relación con el estado de madurez al momento de la cosecha. El forraje es evaluado por color, contenido de hojas, madurez y la presencia de hongos, maleza o tierra. La Evaluación Visual es una herramienta importante para detectar factores relacionados con la palatabilidad y preferencias del ganado por un tipo de alimento, que no puede ser medido mediante otros métodos. Entendiendo que este tipo de método es altamente subjetivo, es muy posible que dos personas evalúen el mismo ingrediente de forma diferente. Factores como la intención de uso del forraje y la experiencia del evaluador pueden influenciar en menor o mayor medida el resultado final y es así como se hace muy difícil comunicarlo en términos descriptivos. Aunque la Evaluación Visual es relativamente rápida, el color, la textura y el olor no se relacionan necesariamente bien con el desempeño animal. PAGINA 69
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2. ANALISIS QUIMICO Una valoración definitivamente significativa de la calidad del forraje requiere de un perfil químico del material. El análisis químico básico incluye Materia Seca (MS), Proteína Cruda (PC), Fibra, Ceniza, Calcio y Fósforo. Si se requiere, se puede obtener información más específica como en el caso de subcomponentes de proteína, fibra, carbohidratos, lípidos y minerales, que puedan afectar el desempeño del animal. Otra ventaja del análisis químico es que los procedimientos permiten detectar la presencia de hongos, toxinas u otros contaminantes que se encuentren en algunas muestras de los ingredientes de la ración. La determinación química de los componentes de la ración requiere de procedimientos de laboratorio llamados Química Húmeda, que usualmente toma de 1 a 4 días para obtener los resultados completos. La principal limitación de este tipo de análisis, que afecta en cierta forma y de manera específica en el uso práctico en formulación de raciones, es la demora en la entrega de resultados y su costo. Procedimientos químicos bien estandarizados pueden ser usados para calibrar otros métodos como el NIRS, el cual indirectamente estima la composición nutritiva de los alimentos. 3. ESPECTROMETRIA DE INFRARROJO CERCANO (NIR) o NEAR INFRARED REFLECTANCE SPECTROSCOPY (NIRS en inglés) Los distintos métodos basados en NIR para determinar la mayoría de los constituyentes nutritivos en forrajes han sido usados de forma comercial desde mediados de 1980. NIR ofrece el potencial de obtener una rápida y muy precisa estimación de la composición química de los alimentos (F. Brown and J. E. Moore, 1987). Debido a estas características, y a la posibilidad de analizar una gran cantidad de muestras en forma simultánea, es que ha aumentado el interés por el uso de este método de análisis de forrajes para su uso en formulación de raciones. El forraje puede ser analizado en menos de 10 minutos usando NIR. Este método no mide directamente nutrientes en los alimentos. Los nutrientes son estimados en base a como se refleja la luz infrarroja cercana desde la muestra de alimentos. El reflejo de varias ondas de luz es afectada por enlaces o afinidad química de los compuestos orgánicos del alimento. La correlación entre el reflejo de la luz ultravioleta (UV) y la composición química de las muestras estándar de alimento, son usadas como base para estimar la composición de nutrientes de una muestra desconocida. Estas calibraciones estandarizadas pueden ser usadas en todos los procedimientos que usan NIR. Los laboratorios comerciales pueden
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generar sus propias calibraciones estándar o adquirir calibraciones para el análisis con NIR. El desarrollo de esta tecnología ha llevado a que se empiece a trabajar con m·s precisión en nuevas medidas como digestibilidad in vitro y Proteína No Degradable en Rumen. 4. METODOS IN VIVO E IN VITRO Estos métodos son utilizados para estimar la digestibilidad de la Materia Seca y de la fibra. Debido a su costo y el tiempo requerido para efectuar estos procedimientos, no son usados como análisis de rutina de forrajes para su aplicación en formulación de raciones. Sin embargo, se utilizan extensivamente por científicos y especialistas en genética de cultivos para evaluar la calidad del forraje. La principal diferencia entre estos dos métodos, es que el método IN VITRO se efectúa en el laboratorio bajo condiciones que simulan la degradación de alimentos en el rumen, en tanto el método IN VIVO, se realiza con animales vivos y estiman la digestibilidad aparente basada en la degradación de la muestra de alimento en el rumen y la digestibilidad en el tracto intestinal. DEFINICION DE TERMINOS COMUNES USADOS EN ANALISIS DE FORRAJES Un laboratorio bien equipado para procesar muestras de forrajes, puede obtener información de sus distintos componentes. Usualmente estas muestras necesitan ser analizadas para obtener información nutricional que es muy útil en la formulación de raciones. Los componentes básicos que deberían ser analizados de forma rutinaria son Materia Seca, Proteína Cruda y Fibra Detergente Neutra. Ciertos alimentos varían significativamente en su composición nutritiva, mientras que otros son relativamente consistentes. Ingredientes como granos de cereales secos (maíz, cebada, trigo, etc), y suplementos comerciales de minerales y proteína, no son comúnmente analizados ya que ellos presentan una baja variación en su composición nutritiva. Esta información se puede obtener de forma resumida y está disponible en tablas de composición de alimentos en diferentes libros relacionados a nutrición y alimentación animal. Forrajes y subproductos de la industria de alimentos pueden tener una variación muy alta (significativa), razón por la cual son analizados frecuentemente. Factores como la especie de forraje (leguminosas) y los ensilajes (maíz, ballica, etc), así como el estado de madurez de la planta, manejo de cosecha y almacenamiento, afectarán la composición de nutrientes. PAGINA 71
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Muchos laboratorios ofrecen una amplia variedad de análisis complementarios con el objetivo de entregar una información más detallada y muy necesaria para una formulación de raciones más precisa e incluso para resolver situaciones relacionadas a un problema específico, lo cual es extremadamente importante para diagnosticar un caso específico en la lechería relacionado con la nutrición. • COMPONENTES MEDIDOS DIRECTAMENTE 1. MATERIA SECA (MS) Es el porcentaje del forraje que no es agua. El requerimiento de nutrientes del ganado lechero está expresado en base a la MS. Este componente se usa de muchas formas; a. Formulación de Raciones: El consumo es regulado por la MS del alimento. b. Comparación de Forrajes: La mayoría de los nutrientes están contenidos en la porción de MS del alimento. c. Predice situaciones en cuanto a la calidad. Forrajes ensilados demasiado secos o demasiado húmedos no fermentan correctamente y a menudo tendrán un valor nutritivo reducido. 2. PROTEINA CRUDA (PC) Es una estimación del contenido de proteína total del alimento. Se mide el nitrógeno total y se estima la proteína asumiendo que en promedio esta contiene 16% de nitrógeno (una unidad de proteína / 0.16 unidades de N = 6.25 unidades de proteína por unidad de N). El porcentaje de N es multiplicado por 6.25 para obtener la PC, la cual es una mezcla de Proteína Verdadera (PV) y Nitrógeno No Proteico (NNP), el que puede ser utilizado por los microorganismos en el rumen. Generalmente, mientras más alto el porcentaje de PC, es mayor la calidad del forraje. 3. PROTEINA SOLUBLE (PS) Esta es una estimación de la proteína del alimento que es rápidamente degradada a amoníaco en el rumen. Es comúnmente reportado como porcentaje de la PC. Una parte de la PS es altamente disponible y será utilizada en el rumen para sintetizar proteína microbiana, la cual es muy benéfica en los rumiantes. Alimentar con exceso de proteína soluble resultará en una mayor formación de amoniaco en el rumen. Una parte de él será utilizado por las bacterias y el exceso será absorbido desde el rumen y excretado a través de la orina y la leche. PAGINA 72
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4. FIBRA DETERGENTE ACIDA (FDA) Es el porcentaje del material altamente indigestible del forraje. Está compuesta de celulosa, lignina, cutina, sílice, pectina y proteínas no disponibles. Está inversamente correlacionado con la digestibilidad del forraje, es decir, un bajo valor de FDA indica una mayor digestibilidad. Este valor puede ser usado para calcular la digestibilidad de la materia seca, energía digestible y nutrientes digestibles totales. 5. FIBRA DETERGENTE NEUTRA (FDN) Es el porcentaje del material contenido en la pared celular de los forrajes, que generalmente varía entre 40% y 70%. Está compuesto de celulosa, hemicelulosa, lignina, cutina y proteína no disponible. A medida que los forrajes maduran, la pared celular se hace más densa y la FDN aumenta (expresada como porcentaje total de MS). Este valor es usado para predecir el consumo del animal cuando estos son alimentados con altos porcentajes de inclusión de forrajes en la dieta. Está inversamente relacionado con la digestibilidad, es decir, un valor bajo de FDN del forraje indica un gran potencial de consumo de MS y alta digestibilidad de nutrientes. 6. FIBRA DETERGENTE NEUTRA DIGESTIBLE (FDNd) Es una medida de la digestibilidad de la Fibra Detergente Neutra y es altamente variable. En gramíneas forrajeras y leguminosas, la digestibilidad del FDN está en un rango desde 20% a 70%. Debido a que el 40-70% del forraje está compuesto por FDN, los valores de energía pueden variar considerablemente, debido a las diferencias en digestibilidad de la fibra. El valor de FDN y FDNd permite a los nutricionistas formular raciones más precisas porque se puede estimar de mejor forma el contenido de energía del forraje y el consumo de MS de la dieta. Este valor puede ser obtenido por estimación con el método NIR. 7. ALMIDON Es fracción porción muy digestible de carbohidratos y se encuentra en el contenido celular. Los niveles de almidón en leguminosas y gramíneas forrajeras son usualmente bajos (<10% de la MS). Los ensilajes de maíz comúnmente contienen entre 20-40% de almidón y los granos de cereales entre 50-75%. En general, los parámetros que se mencionaron anteriormente son los que más se analizan con el objetivo de lograr una mejor nutrición animal. Existen otros parámetros que se pueden PAGINA 73
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medir directamente y ser usados con distintos fines, ya sea en formulación de raciones, como para determinar calidad de forrajes y estos son: - Lignina - Grasa - Cenizas - Minerales - Vitaminas - Acidos de Ensilajes - Levaduras y hongos • COMPONENTES NUTRICIONALES CALCULADOS Un gran número de parámetros nutricionales que aparecen en los reportes de análisis de alimentos (forrajes, concentrados, ensilajes), son calculados directamente desde la medición a través de métodos mencionados anteriormente. Algunos valores son usados en la formulación de raciones, mientras que otros son usados para predecir consumo y desempeño animal. Algunos de estos componentes son: 1. NUTRIENTES DIGESTIBLES TOTALES (NDT) Es la sumatoria de los nutrientes orgánicos digestibles (proteína y energía), de un forraje y que están disponibles para el animal, usualmente expresados en términos de MS. Algunos laboratorios predicen NDT del forraje desde el valor de FDA. Tal estimación no es necesariamente la misma que se obtiene con el método de sumatoria de nutrientes. Las ecuaciones de NDT basadas solamente en un componente de fibra varían considerablemente ya que se basan en la cantidad de forrajes usados para calibrar equipos y no existen fórmulas estándar. Otros laboratorios usan la misma fórmula que se utiliza para calcular la Materia Seca Digestible (MSd=88.9 - 0.779 (% FDA)), para calcular el valor de NDT, por lo tanto, estos valores deberían ser los mismos. Todas estas ecuaciones son altamente dependientes de la población de forrajes. 2. CONSUMO DE MATERIA SECA (CMS) Es una estimación de la cantidad d forraje que el animal consumirá cuando solamente un tipo de forraje es ofrecido. El consumo es expresado como un porcentaje del peso corporal del animal y es calculado a partir del FDN del forraje (CMS = 120 / % FDN). PAGINA 74
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3. CALIDAD RELATIVA DEL ALIMENTO (RFQ sigla en inglés) Se calcula estimando la digestibilidad de MS del forraje de acuerdo a la ecuación de NDT que se encuentra en el libro NRC 2001 para vacas lecheras. La Calidad Relativa del Alimento es calculada con los principios básicos similares con los que se calcula el Valor Relativo de los Alimentos (RFV), pero ha sido modificado usando la ecuación sumatoria de los NDT más una ecuación de ingesta que ajusta el efecto de llenado de la fibra debido a los cambios de digestibilidad de esta. RFQ = (CMS, % Peso Corporal) x (NDT, %MS) / 1.23, donde el Consumo de Materia Seca es: CMS = 120 / FDN + (FDNd - 45) x .374 / 1350 X 100 (Mertens, 1987) 4. ENERGIA NETA Los valores de energía son estimados de los resultados de los análisis de laboratorio. La gran mayoría son valores calculados, no medidos. Según el artículo Understanding forage quality, existen 4 enfoques básicos: A. El más común ha sido medir una simple fracción de fibra, usualmente Fibra Detergente Acido, y usar este valor para predecir digestibilidad, Nutrientes Digestibles Totales o Energía Neta de Lactancia. B. Uso de ecuaciones sumatorias para predecir NDT o ENL desde múltiples medidas de la composición del forraje. Estas medidas a menudo incluyen FDN, PC, Extracto Etéreo, lignina y FDA. Estas predicciones pueden ser de mayor precisión cuando se compara con aquellas en las que sólo se basan en un simple valor de fibra, pero con el inconveniente de que toma un poco más de tiempo obtener los resultados y el análisis tiene un mayor costo. Algunos laboratorios entregan resultados utilizando ecuaciones sumatorias, pero no miden todos sus componentes. C. Digestibilidad In Vitro e In Situ son consideradas generalmente el mejor análisis para predecir desempeño animal. Ambas usan líquido ruminal para digerir las muestras. D. Algunos científicos han empezado a observar factores adicionales para describir de mejor forma el contenido de energía del forraje. La medida adicional más común hasta hoy es determinar Carbohidratos No Fibrosos o contenido de Almidón. PAGINA 75
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Si bien es cierto que la decisión de uso de estas distintas fórmulas depende de cada laboratorio, actualmente existe la tendencia a recomendar el método de fórmulas sumatorias, ya que expresan de mejor forma contenidos de Energía Neta, especialmente ENl. Shaver et al., (2002), revisaron la ecuación sumativa de Weiss (1996) y destacaron lo siguiente: • Los componentes de PC no han sido alterados. • El coeficiente de la Digestibilidad del FDN (FDNd), calculado usando la ecuación basada en lignina y FDN, fue reemplazada por una medida directa de laboratorio de FDNd. • El componente de CNF con digestibilidad constante, permanece igual para alfalfa y gramíneas forrajeras. • El componente NFC para ensilaje de maíz fue reemplazado por componentes de CNF con y sin almidón, teniendo en cuenta que el coeficiente de digestibilidad de almidón varía en relación al contenido de MS de la planta entera y el procesado del grano (Schwab and Shaver, 2001). La ecuación sumatoria de energía está disponible para análisis en laboratorios comerciales. Además, Los valores de energía de forrajes generados de esta ecuación sumatoria revisada por Shaver et al, 2002, (NDT y ENL), puede ser usada en formulación de raciones. CONCLUSION Teniendo en cuenta que la evaluación sensorial es muy importante, se requiere de análisis de forrajes y otros alimentos con técnicas de laboratorio más precisas para una mejor formulación de raciones. Un análisis de forraje debería reflejar la calidad promedio del material que está siendo analizado. Solo unos pocos gramos de la muestra que será analizada, representa toneladas de forraje, por lo que es esencial obtener una muestra representativa. Un análisis típico de forraje debería incluir medidas de Materia Seca, Proteína Cruda y Fibra Detergente Neutra. Algunas veces las cenizas también se miden directamente. Muchos otros resultados que proveen los reportes de laboratorio (Energía Neta, Nutrientes Digestibles Totales, Calidad Relativa del Alimento, etc.), son calculados o estimados a partir de los resultados de los análisis. PAGINA 76
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La ecuación sumatoria de energía (Weiss, 1996), ha sido usada por muchos años en algunos laboratorios de análisis de forrajes para calcular el contenido de energía de estos y su enfoque se ha vuelto más común con su inclusión en el NRC 2001. Usando el NIR, el mayor tiempo de procesado y alto costo que significa analizar con química húmeda puede ser reducido a un número necesario de análisis para chequear y reactualizar las calibraciones regularmente. Esto permite un control más frecuente de componentes comerciales, asegurando una competencia y comercialización honesta, lo que es una gran ventaja para el productor de leche y los nutricionistas. Finalmente hay que tener muy claro que la precisión del análisis de forraje, y los valores que en él aparezcan, depende de los procedimientos analíticos que se usen, la precisión de las técnicas de laboratorio y técnicas de muestreo. Un factor no mencionado en este artículo, y que tiene una gran influencia en el resultado final, es el de analizar y entender las técnicas de muestreo, el cual será considerado en futuras ediciones debido a su relevancia. Es por esto que, no existe razón para esperar que diferentes laboratorios generen resultados similares, ya que incluso la variabilidad dentro de cada laboratorio es alta. Recuerden que el NIR no puede ser mejor que lo que la Química Húmeda representa.
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REFERENCIAS American Forage and Grassland Council, the National Forage Testing Association, and The National Hay Association, 2001. UNDERSTANDING FORAGE QUALLITY. J.L. de Boever, B.G. Cottyn, J.M. Vanacker, Ch.V. BoucquC, 1994, The use of NIRS to predict the chemical composition and the energy value of compound feeds for cattle. National Institute for Animal Nutrition, Centrefor Agricultural Research-Ghent. Belgium. National Research Council, S茅ptima Edici贸n, 2001. NUTRIENT REQUIREMENTS OF DAIRY CATTLE. R. D. Shaver, 2002. PRACTICAL APPLICATION OF NEW FORAGE QUALITY TESTS. Department of Dairy Science College of Agricultural & Life Sciences University of WisconsinMadison W. F. Brown and J. E. Moore. Journal of Animal Science. 1987. ANALYSIS OF FORAGE RESEARCH SAMPLES UTILIZING A COMBINATION OF WET CHEMISTRY AND NEAR IN FRARED R E FL ECTANCE SPECTROSCOPY. Weiss, W. P. 1996. ESTIMATING AVAILABLE ENERGY CONTENT OF RUMINANT FEEDS.. Pages 1-11. California Nutrition Conference, Fresno, CA.
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