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Aktuelle Neuigkeiten aus dem Unternehmen Biochem.

Den Elementen auf der Spur. Aspekte beim Einsatz organisch gebundener Spurenelemente im Rinderfutter

Kühe

Spurenelemente spielen bei allen Tieren für eine Vielzahl physiologischer Prozesse eine wesentliche Rolle. Sie erfüllen in vielen Stoffwechselprozessen Schlüsselfunktionen, vor allem als Katalysatoren für Enzyme und Hormone, und sind essenziell für die Gesundheit. Der natürliche Gehalt an Spurenelementen im Futter, insbesondere in Grünfutter, kann aufgrund diverser Faktoren wie Wachstumsstadium der Pflanze, Bodenbeschaffenheit, Düngepraxis, Art, Sorte, Jahreszeit und Beweidungsdruck stark variieren. So sinkt zum Beispiel der Gehalt an Spurenelementen stark mit zunehmendem Rohfasergehalt. Für Rinder sind die Elemente Kupfer, Zink, Mangan, Kobalt, Jod und Selen am wichtigsten. Es wird empfohlen, diese durch Futteradditive aus Mineralstoffen und Konzentraten zuzuführen, um den Versorgungsbedarf zu erfüllen.

Die natürliche Konzentration dieser Spurenelemente im Futter reicht häufig nicht aus oder sie sind nicht in ausreichendem Maße bioverfügbar, um den Bedarf der Tiere in modernen Produktionssystemen zu decken. Zwischen 2015 und 2018 lag die Konzentration von Zink in Silage in der Regel unter dem empfohlenen Gehalt von 50 mg pro kg Trockensubstanz (GfE, 2001) und analysierte Proben zeigten hohe Unterschiede zwischen den Jahren und im Jahresverlauf (Abb. 1). Daher wird empfohlen, Futtermittel auf ihren Spurenelementgehalt zu analysieren, sofern der native Gehalt bei der Formulierung des Mineralstoffgehalts im Futter berücksichtigt wird.

Abbildung 1: Durchschnittlicher nativer Zinkgehalt in Gras- und Maissilagen 2015 – 2018 (basierend auf LUFA Nord-West, Jahresberichte 2015-2018)Abbildung 1: Durchschnittlicher nativer Zinkgehalt in Gras- und Maissilagen 2015 – 2018 (basierend auf LUFA Nord-West, Jahresberichte 2015-2018)

Die europäischen Futtermittelvorschriften lassen eine breite Palette an mineralischen Zusatzstoffen im Rinderfutter zu und regeln auch die zulässigen Höchstmengen im Endfutter. Aufgrund von Umweltschutzbedenken wurden die zulässigen Höchstmengen einiger Spurenelemente in den letzten Jahrzehnten mehrfach reduziert. Auf der anderen Seite ist bekannt, dass die folgenden Umstände und Faktoren den Bedarf an Spurenelementen bei Mast- und Zuchtrindern erhöhen: Zitzenkanalverhornung, Regeneration nach dem Kalben sowie weitere umweltbedingte und physiologische Belastungen.

Falls über die Ernährung keine ausreichenden Mengen an Spurenelementen bereitgestellt werden, muss das Tier auf die körpereigenen Reserven zugreifen, sodass sich diese verringern. Bei subklinischem Mineralstoffmangel können bei Kühen unspezifische Symptome wie verringerte Fruchtbarkeit, geringere Milchleistung, höhere Inzidenz von Mastitis, verminderte Wachstumsrate oder vermehrte Klauenprobleme auftreten. Eine Beurteilung des Spurenelementstatus der Tiere auf Grundlage von Blut- oder Haaranalysen sowie von Analysen des Futters und Trinkwassers kann dazu beitragen, sowohl primäre als auch sekundäre Mangelzustände zu erkennen. Aufgrund der wechselnden Anforderungen im Produktionszyklus und der Unterschiede zwischen den landwirtschaftlichen Betrieben und ihrem Tierbestand ist eine ausreichende Versorgung mit Spurenelementen eine große Herausforderung. Auch wenn sich die Anforderungen anhand der Summe aus dem Bedarf an Spurenelementen für die Erhaltung sowie dem Bedarf für Wachstumsleistung und Milchproduktion grob abschätzen lassen, ist der tatsächliche Bedarf des einzelnen Tieres nur schwer zu berechnen. Wenn es um die Festlegung der Bedarfswerte von Hochleistungskühen geht, passen die offiziellen Empfehlungen oft nicht mehr zu den anspruchsvollen Bedingungen in modernen Produktionsbetrieben. Außerdem werden die besonderen gesundheitlichen Auswirkungen einiger Spurenelemente nicht berücksichtigt. Ein Beispiel dafür sind die positiven Auswirkungen einer erhöhten Menge an absorbierbarem Zink, die sich in einer geringeren Zahl an somatischen Zellen in der Milch auswirkt, was teilweise auf die positiven Effekte von Zink auf die Zitzenkanalverhornung zurückzuführen ist.

Wie stark die Absorption ist, hängt von vielen Faktoren ab. Daher ist es schwierig, die tatsächlich absorbierbare Menge an Spurenelementen aus nativen Quellen und Futtermittelzusatzstoffen vorherzusagen. Zum einen spielen physiologische Einflüsse wie Art und Alter des Tieres, Trächtigkeitsphase, Spurenelementstatus, Gesundheitszustand und die Darmflora eine wichtige Rolle. Zum anderen müssen ernährungsbedingte Faktoren wie das Vorhandensein von Antagonisten, die Futterzusammensetzung und die Futteraufbereitung berücksichtigt werden. Man darf davon ausgehen, dass in fast allen Fütterungsszenarien mehrere Antagonisten vorkommen, die sich negativ auf die Absorptionsfähigkeit von Spurenelementen auswirken. Ein bekanntes Beispiel ist der sekundäre Kupfermangel, der durch einen hohen Eisengehalt im Trinkwasser oder durch erhöhte Mengen an Schwefel und Molybdän im Futter verursacht wird. Schließlich nimmt auch die Spurenelementquelle selbst aufgrund von Unterschieden bei der Wertigkeit des Metalls, der Dosierung und der Art der chemischen Bindung Einfluss auf die Absorptionsfähigkeit. Abhängig von den spezifischen chemischen Eigenschaften unterscheiden sich Spurenelementquellen hinsichtlich ihrer Löslichkeit, ihrer pH-Wechselwirkungen und letztendlich ihrer Verfügbarkeit zur Absorption. Unterschiede bei der Bioverfügbarkeit zwischen verschiedenen Arten der chemischen Bindung sind in vivo dokumentiert worden. Die vorhandene Literatur weist auf eine geringe Bioverfügbarkeit nativer Spurenelemente hin. Sulfate werden als vorteilhaft gegenüber Oxiden angesehen und organisch gebundene (chelatierte) Formen ermöglichen eine bessere Absorption von Zn, Mn, Cu und Fe als die anorganischen Formen.

Seit den 1990er-Jahren wurden mehrere Chelat-Kategorien von Zink, Mangan, Kupfer und Eisen in Europa auf den Markt gebracht. Aus futtermittelrechtlicher Sicht sind Chelate durch die Bindung der genannten Metalle an organische Verbindungen auf Aminosäurebasis charakterisiert. Historisch gesehen waren die ersten in der EU zugelassenen Chelatverbindungen Produkte, bei denen Spurenelemente an hydrolysiertes Sojaprotein gebunden waren. Seit 2006 folgten verschiedene Chelate, die auf nur einer einzigen Aminosäure basieren.

Nach allgemeiner Überzeugung liegt der Vorteil der chelatierten Formen in der Bindungsstärke zwischen den Spurenelementen und der organischen Verbindung. Diese ist höher als bei einer einfachen Ionenbindung, wie sie in den meisten anorganischen Verbindungen wie den Sulfaten vorliegt. Bei der Passage durch den oberen Magen-Darm-Trakt sind die chelatierten Spurenelemente stabiler und besser gegen Antagonisten geschützt als Formen mit Ionenbindungen, die im Pansen leicht dissoziieren und anfälliger für antagonistische Effekte sind. Dadurch steht eine höhere Menge an Spurenelementen für die Absorption im Dünndarm zur Verfügung. Um die Wirksamkeit von Spurenelementverbindungen zu vergleichen, liefern Messungen der Absorption und der Speichermengen der Spurenelemente im Körper die wertvollsten Informationen. Die bessere Bioverfügbarkeit chelatierter Formen in Gegenwart von Antagonisten, im Vergleich zu anorganischen Verbindungen wurde in wissenschaftlichen Studien nachgewiesen, z. B. von Hansen et al. 2008 (Abbildung 2). Ein weiterer Aspekt ist, dass mit einer besseren Bioverfügbarkeit von Spurenelementen die Supplementierung und damit die Ausscheidung potenziell umweltbelastender Elemente wie Cu und Zn über die Gülle reduziert werden kann, was für die kommenden Jahrzehnte ein immer wichtigeres Anliegen ist.

Abbildung 2: Relative Bioverfügbarkeit verschiedener Cu-Quellen in Gegenwart von Antagonisten (2400 mg S/kg Trockenmasse + 2 mg Mo/kg Trockenmasse) (basierend auf Hansen et al., 2008)Abbildung 2: Relative Bioverfügbarkeit verschiedener Cu-Quellen in Gegenwart von Antagonisten (2400 mg S/kg Trockenmasse + 2 mg Mo/kg Trockenmasse) (basierend auf Hansen et al., 2008)

Eine allgemein anerkannte Methode zur Bewertung von Unterschieden in der Bioverfügbarkeit verschiedener Spurenelementquellen besteht darin, Tiere gezielt mit Futter unterhalb ihres Spurenelement Bedarfes zu füttern, um Bedingungen mit einem Ungleichgewicht an Spurenelementen zu simulieren. Ein solcher Versuch zeigte, dass die verschiedenen eingesetzten Chelatformen den Spurenelementstatus der Tiere vergleichbar gut unterstützten und signifikant bessere Ergebnisse als Sulfate erreichten (Abbildung 3). Daraus wiederum ergibt sich, dass für Hersteller von Vormischungen Unterschiede in den technischen Produkteigenschaften wie Metallgehalt oder Partikelgrößenverteilung bei der Wahl der Chelatformen höhere Relevanz haben. Hinsichtlich der Bioverfügbarkeit und der technischen Eigenschaften stellen Chelate auf Glycinbasis eine der effizientesten organischen Quellen für Spurenelemente dar.

Abbildung 3: Scheinbare Zinkverdaulichkeit verschiedener Quellen (%) beim Ferkel als Tiermodell (Mittelwert, SD, n = 12) a-b: signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen (P≤0,05) (Hildebrand & Weiner, 2017)Abbildung 3: Scheinbare Zinkverdaulichkeit verschiedener Quellen (%) beim Ferkel als Tiermodell (Mittelwert, SD, n = 12) a-b: signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen (P≤0,05) (Hildebrand & Weiner, 2017)

Wie in mehreren Feldstudien von Biochem gezeigt wurde, führte der Einsatz von E.C.O.Trace®-Spurenelementen zu positiven Effekten bei Milchkühen. Dazu gehören eine verbesserte Eutergesundheit, eine kürzere Trockenstehzeit und eine bessere Klauenstabilität – alles relevante Parameter für eine hohe Lebensleistung. In einer aktuellen Studie an Milchkühen in einem großen Landwirtschaftsbetrieb im Osten Deutschlands erhielt die Kontrollgruppe ein Mineralfutter mit 1200 mg Zink, 800 mg Mangan und 240 mg Kupfer pro Tier und Tag aus Oxiden und Sulfaten. In der parallel laufenden Testgruppe wurden die anorganischen Formen teilweise durch Glycinchelate (E.C.O.Trace®) ersetzt, und zwar in Höhe von 40 % für Zink, 30 % für Mangan und 50 % für Kupfer. Beim Teilaustausch der anorganischen Spurenelemente durch E.C.O.Trace® steigerte sich die tägliche Milchleistung deutlich (37,3 vs. 35,9 l pro Kuh und Tag). Darüber hinaus verbesserten sich die Fertilitätsparameter: Der Anteil der Kühe mit Trächtigkeit nach 120 Tagen in Milch war signifikant höher (Abbildung 4). Hormonbehandlungen zur Aktivierung der Brunst konnten reduziert und die Empfängnisrate von 33 % auf 42 % erhöht werden.

Abbildung 4: Effekt der Spurenelementquelle auf den Anteil trächtiger Kühe, die Hormonbehandlung und die Empfängnisrate (Mittelwert; a-b: signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen, P<0,05) (Mählmeyer et al., 2019)Abbildung 4: Effekt der Spurenelementquelle auf den Anteil trächtiger Kühe, die Hormonbehandlung und die Empfängnisrate (Mittelwert; a-b: signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen, P<0,05) (Mählmeyer et al., 2019)

Neben der Rinderzucht ist der Einsatz bei Kälbern ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet chelatierter Spurenelemente. Die meisten Kälber werden mit einem Mangel an Spurenelementen geboren. Neben Se, I und Mn werden vor allem Fe, aber auch Cu und Zn über Milchaustauscher oder bestimmte Zusätze an junge Kälber verfüttert, um das Risiko von Anämien und Erkrankungen zu reduzieren. Kälber benötigen eine ausreichende Versorgung für die Hämoglobinsynthese, das Wachstum, die Knochenentwicklung und das Immunsystem. In einer Feldstudie in einem Milchkuhbetrieb in Deutschland wurde die Gabe von Glycinchelaten (E.C.O.Trace®) bei weiblichen Kälbern als Supplementierung der Vollmilchfütterung während der ersten acht Lebenswochen mit der Gabe von Sulfaten verglichen (Hildebrand, 2016). Die tägliche Dosierung betrug 50 mg Fe, 15 mg Zn und 5 mg Cu aus Sulfaten bzw. Glycinaten, die im Milchsammeltank gelöst wurden. Der Feldversuch zeigte, dass die Supplementierung mit essenziellen Spurenelementen in der Vollmilch erforderlich ist, um eine normale Entwicklung der Kälber zu unterstützen. Die Verwendung von E.C.O.Trace®-Glycinchelaten statt Sulfaten war effektiver bei der Unterstützung der Hämoglobinsynthese und des Wachstums (Abbildung 5).

Abbildung 5: Effekt der Spurenelementquelle bei der Aufzucht von Holsteinkälbern. Tägliche Lebendmassezunahme während der 7-wöchigen Aufzuchtzeit (Gramm pro Tag; Mittelwert; n=20) und Hämoglobinstatus, gemessen im Alter von 6-7 Wochen (Gramm pro Liter; Mittelwert; n=20) (Hildebrand, 2016).Abbildung 5: Effekt der Spurenelementquelle bei der Aufzucht von Holsteinkälbern. Tägliche Lebendmassezunahme während der 7-wöchigen Aufzuchtzeit (Gramm pro Tag; Mittelwert; n=20) und Hämoglobinstatus, gemessen im Alter von 6-7 Wochen (Gramm pro Liter; Mittelwert; n=20) (Hildebrand, 2016).

Daraus lässt sich ableiten, dass der teilweise Austausch anorganischer Quellen durch E.C.O.Trace®-Spurenelemente zu einer adäquateren Versorgung der gesamten Herde mit Spurenelementen führt wodurch sowohl tierindividuelle Unterschiede als auch Veränderungen der Umweltbedingungen besser kompensiert werden können. Darüber hinaus muss das Vorhandensein von Antagonisten und der native Gehalt in Futtermitteln berücksichtigt werden. Bei dem Einsatz von glycingebundenen Spurenelementen ist die Bioverfügbarkeit deutlich besser als bei Oxiden und Sulfaten, wodurch die Leistung und der Gesundheitszustand von Milchkühen und Kälbern gesteigert werden.

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