Consequences of varying dietary starch content on metabolic status and production level in dairy cows

Abstract

Subacute ruminal acidosis (SARA) is one of the most common metabolic diseases in dairy cows. The main cause for SARA is an excessive feeding of fermentable carbohydrates, mainly starch. To test the effect of varying starch levels in the diets on metabolic status and productive performance, six lactating Danish Holstein cows with ruminal cannulas and permanent intercostal artery catheters were used in a replicated 3 x 3 Latin square design. Animals were fed ad libitum with a control diet containing 20% starch (DM basis) during the adaptation period (6 days). At day 7 (D1), 9, 11 and 13 (D4) cows received one of the experimental diets containing either 28, 35, 42% starch (DM basis) corresponding to low, medium and high treatments. At day 8, 10, 12 and 14 cows were fed with the control diet. Rumen fluid (ventral and medial), blood, urine and milk samples were collected at day 6, 7 and 13, at -0.5, 1, 2.5, 4, 5.5 and 7 h relative to feeding. Additionally, milk yield, water intake and dry matter intake were recorded. In all samples, pH was measured. In blood samples, partial pressure of O2 and CO2 were measured. In milk samples, glucose, glucose-6-phosphate, β-hydroxybutyrate, lactate dehydrogenase, creatinine, malate, isocitrate and urate concentrations were measured using an enzymatic-fluorometric method. Daily milk samples were also measured for fat, protein, somatic cell count (SCC) and lactose using infrared spectrometry. The MIXED procedure of SAS was used with a model including starch level, sampling time and interaction between both as independent variables, and cow as a repeated effect. Production performance parameters (milk yield, fat, protein, SCC and lactose) were not affected by treatment nor were dry matter and water intake (P>0.05). Parameters affected by time were due to normal metabolic alterations during rumination. Ventral fluid pH was affected by treatment on D1, increasing from the medium treatment to the high treatment (6.19 ± 0.08 and 6.45 ± 0.08, respectively; P=0.01). Blood pH decreased in the medium and high treatments compared to the low treatment (7.50 ± 0.01 and 7.52 ± 0.01, respectively; P=0.02) on D4. Milk urate concentration increased in the medium treatment compared to the low treatment on D1 (129.6 ± 3.79 and 155.5 ± 8.48, respectively; P=0.01) and D4 (110.9 ± 3.79 and 105.7 ± 8.48, respectively; P=0.04). Milk pH decreased in the high treatment compared to the low treatment (6.75 ± 0.01 and 6.80 ± 0.01, respectively; P=0.02) on D1. Milk malate and creatinine were affected by the interaction on D4 (P<0.05) while isocitrate was affected on D1 (P=0.03). Our results demonstrate that all groups had some level of SARA. In general, cows had more metabolic imbalances on D1 than on D4 leading to the conclusion that the rumen microbiome adapted to the high starch content and cows also able to adapt the different metabolic pathways related to excretion of the acid, allowing cows to cope with high levels of dietary starch.

RESUMO - A acidose ruminal subaguda (ARS) é uma doença metabólica comum em vacas leiteiras. A principal causa é a alimentação com excesso de hidratos de carbono fermentescíveis, nomeadamente o amido. Para estudar o efeito da variação do conteúdo de amido nas dietas no estado metabólico e desempenho produtivo, foi realizado um ensaio com seis vacas Danish Holstein lactantes com cânulas ruminais e cateteres na artéria intercostal, num design quadrado latino replicado 3 x 3. A alimentação foi ad libitum com dieta controlo com 20% de amido (MS) durante o período de adaptação (6 dias). No dia 7 (D1), 9, 11 e 13 (D4), foi fornecida uma dieta experimental com 28, 35 ou 42% de amido (MS) correspondendo ao tratamento baixo, médio e alto. No dia 8, 10, 12 e 14 foi fornecida dieta controlo. Foram recolhidas amostras de fluído ruminal (ventral e medial), sangue, urina e leite nos dias 6, 7 e 13, às -0.5, 1, 2.5, 4, 5.5 e 7 h relativamente à hora de alimentação. Foram registados nestes dias o leite produzido, consumo de água e ingestão de matéria seca. Foi medido o pH de todas as amostras. A pressão parcial de O2 e CO2 nas amostras de sangue foi determinada. Foi medida a concentração de glicose, glicose-6-fosfato, β-hidroxibutirato, lactato desidrogenase, creatinina, malato, isocitrato e urato nas amostras de leite utilizando um método enzimático fluorométrico. Foi também determinada a gordura, proteína, contagem de células somáticas (CCS) e lactose nas amostras de leite utilizando espetrofotometria infravermelha. Foi utilizado o procedimento MIXED do SAS com um modelo que incluía nível de amido, hora de amostragem e interação entre os dois como variáveis independentes e a vaca como efeito repetido. O desempenho produtivo (quantidade, gordura, proteína, CCS e lactose), a ingestão de matéria seca e o consumo de água não foram afetados pelo tratamento (P>0.05). Os parâmetros afetados pelo tempo são resultado das alterações metabólicas durante a ruminação. O tratamento afetou o pH do fluído ventral em D1, aumentando do tratamento médio para o alto (6.19 ± 0.08 e 6.45 ± 0.08, resp.; P=0.01). O pH do sangue diminuiu nos tratamentos médio e alto em comparação com o baixo (7.50 ± 0.01 e 7.52 ± 0.01, resp.; P=0.02) em D4. A concentração de urato aumentou no tratamento médio em comparação com o baixo em D1 (129.6 ± 3.79 e 155.5 ± 8.48, resp.; P=0.01) e D4 (110.9 ± 3.79 e 105.7 ± 8.48, resp.; P=0.04). O pH do leite diminuiu no tratamento alto em comparação com o baixo (6.75 ± 0.01 e 6.80 ± 0.01, resp.; P=0.02) em D1. A concentração de malato e creatinina no leite foram afetados pela interação em D4 (P<0.05) e o isocitrato em D1 (P=0.03). Todos os grupos sofreram ARS. Em geral, as vacas demonstraram mais desequilíbrios metabólicos em D1 do que em D4, concluindo que o microbioma ruminal adapta-se ao tratamento e que os animais ajustam as vias metabólicas de excreção do ácido, desvalorizando o elevado conteúdo de amido na dieta.