DOI: https://doi.org/10.3389/fvets.2025.1588425
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40989956
تاريخ النشر: 2025-09-08
المؤلف: Damiano Cavallini وآخرون
الموضوع الرئيسي: صناعة الغذاء وعلم الأحياء المائية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تحسين البروتين الغذائي وتوازن الطاقة في تغذية الأبقار الحلوب لتعزيز كفاءة إنتاج الحليب واستدامته. شملت الدراسة ثمانية أبقار هولشتاين متعددة الولادات تم تخصيصها لأربعة أنظمة غذائية متساوية الطاقة: بروتين عالي وحبوب عالية (HP-HC)، بروتين عالي ومنتجات ثانوية ألياف عالية (HP-HF)، أحماض أمينية محمية من الكرش وحبوب عالية (AA-HC)، وأحماض أمينية محمية من الكرش ومنتجات ثانوية ألياف عالية (AA-HF). استخدمت التجربة تصميم مربع لاتيني لتقييم معايير مختلفة، بما في ذلك استهلاك المادة الجافة (DMI)، إنتاج الحليب، تخمر الكرش، استخدام النيتروجين (N)، وهضم النظام الغذائي. أشارت النتائج إلى أن الأنظمة الغذائية التي تحتوي على منتجات ثانوية ألياف لم تؤثر سلبًا على DMI أو وقت الرضاعة. ومن الجدير بالذكر أن الأبقار التي تتغذى على أنظمة غذائية منخفضة البروتين مدعومة بأحماض أمينية محمية من الكرش أظهرت انخفاضًا في مستويات الأمونيا في الكرش (-1.61 ملغ/ديسيلتر)، وزيادة كفاءة استخدام النيتروجين (+5.61%)، وانخفاض استهلاك الماء (-21 لتر/يوم).
تشدد الخلاصة على أن خفض محتوى البروتين الغذائي إلى حوالي 12% مع تضمين أحماض أمينية محمية من الكرش يحسن بشكل فعال كفاءة استخدام النيتروجين، مما يؤدي إلى تقليل خسائر النيتروجين واستهلاك الماء، وبالتالي يفيد الاستدامة البيئية. ومع ذلك، يُنصح بالحذر، حيث أن نقص إمدادات النيتروجين في الكرش قد يؤثر سلبًا على إنتاج الحليب والهضم بسبب نقص محتمل في الأحماض. تقترح الدراسة أن استبدال الحبوب بمنتجات ثانوية عالية الألياف هو استراتيجية قابلة للتطبيق تحافظ على DMI، والرضاعة، وجودة الحليب، مما يخفف من المنافسة على موارد الغذاء بين الماشية والبشر. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف الآثار طويلة الأجل لهذه التعديلات الغذائية لتحسين النتائج البيئية والاقتصادية.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية الحاجة الملحة لحلول مبتكرة لتعزيز استدامة الزراعة الحلوب، وخاصة من خلال تحسين ممارسات إدارة الأعلاف. تبرز استراتيجيتين رئيسيتين: الاستخدام الاستراتيجي للمنتجات الثانوية الزراعية وتقليل البروتين الغذائي. تهدف هذه الأساليب إلى التخفيف من الأثر البيئي لعمليات الألبان من خلال تحسين استخدام النيتروجين (N) وتقليل المنافسة بين مصادر الغذاء والأعلاف. تناقش الورقة التفاعلات المعقدة بين الميكروبات في الكرش ومصادر طاقتها، مشددة على إمكانية استخدام المنتجات الثانوية الألياف كبدائل مستدامة للحبوب، التي تعتبر ضرورية في الأنظمة الغذائية البشرية.
علاوة على ذلك، توضح المقدمة التحديات المرتبطة بإدارة النيتروجين في الأبقار الحلوب، مشيرة إلى أن جزءًا كبيرًا من النيتروجين المستهلك لا يتم تحويله بكفاءة إلى بروتين الحليب. يمكن أن يؤدي النيتروجين الزائد إلى مشاكل بيئية، مثل زيادة الانبعاثات الغازية من السماد. لمعالجة هذه التحديات، تقترح الدراسة اعتماد أنظمة غذائية منخفضة البروتين مدعومة بأحماض أمينية محمية من الكرش (RP-AA)، التي أظهرت وعدًا في الحفاظ على إنتاج الحليب مع تحسين كفاءة استخدام النيتروجين. تهدف الأبحاث إلى تقييم آثار هذه الاستراتيجيات الغذائية على استدامة الزراعة الحلوب، مع فرضية أنها ستعزز كفاءة النيتروجين، وتقلل من إفراز النيتروجين البيئي، وتحافظ على إنتاج الحليب الكافي ووظيفة الكرش.
طرق البحث
في هذه الدراسة، التزم الباحثون بإجراءات التعامل القياسية مع الحيوانات دون أي تعديلات، مما يضمن الامتثال للتوجيه 2010/63/EU والمتطلبات القانونية للاتحاد الأوروبي لرعاية الحيوانات (98/58/EC). تم اختيار ثمانية أبقار هولشتاين متعددة الولادات بناءً على معايير محددة مثل عدد الولادات (2.63 ± 0.25)، إنتاج الحليب (44.79 ± 3.30 كغ)، والأيام في الحليب (53.00 ± 6.49)، وتم إيواؤها في حظائر مربوطة ذات تهوية طبيعية تسهل السلوكيات الطبيعية مثل الوقوف، والاستلقاء، والأكل، والرضاعة. حصلت جميع إجراءات الحيوانات على موافقة من لجنة رعاية واستخدام الحيوانات في جامعة بولونيا (Prot. N. 4,405).
أُجريت التجربة في الحظيرة التعليمية التجريبية بجامعة بولونيا، حيث تم تقسيم الأبقار إلى أربعة أزواج وخضعت لتصميم تجريبي مربع لاتيني. تم تخصيص كل زوج عشوائيًا لأحد الأنظمة الغذائية الأربعة المتساوية الطاقة بالتتابع، مع تصنيف النظام الغذائي الأول كبروتين عالي وحبوب عالية (HP-HC)، ليكون مجموعة التحكم. كانت الحظائر المربوطة مزودة بصناديق تغذية فردية تحتوي على أنظمة وزن مستمرة وأوعية مياه تعمل بالضغط مع عدادات فردية، بينما تم إجراء عملية الحلب مرتين يوميًا باستخدام نظام تقليدي في الساعة 7:00 صباحًا و7:30 مساءً.
النتائج
تشير نتائج التجربة إلى وجود اختلافات كبيرة في درجات حالة الجسم وأوزان الجسم بين الأبقار التي تتغذى على أنظمة غذائية مختلفة، وخاصة تلك التي تحتوي على دمج الأحماض الأمينية (AA)، والتي أظهرت درجات أعلى (2.47 لـ AA-HF) مقارنة بأنظمة البروتين العالي (HP). ومع ذلك، لم تُلاحظ اختلافات كبيرة في إجمالي استهلاك المادة الجافة (DMI) أو وقت الرضاعة عبر الأنظمة الغذائية، مع متوسط استهلاك قدره 26.40 كغ. كان استهلاك المغذيات متسقًا مع التركيبات الغذائية، حيث أظهر استهلاكًا أعلى من النشا والبروتين الخام في أنظمة HP، بينما كانت النسب الألياف أكبر في أنظمة HF. ومن الجدير بالذكر أن استهلاك الماء اليومي كان أيضًا أعلى في أنظمة HP (167.88 لتر) مقارنة بأنظمة AA (146.98 لتر).
أظهر تحليل بيئة الكرش أن الأبقار التي تتغذى على أنظمة HF كانت لديها قيم pH للكرش أقل ومتوسط وقت رضاعة أقل لكل وحدة من aNDFom. بالإضافة إلى ذلك، كانت مستويات الأمونيا أقل في أنظمة AA مقارنة بأنظمة HP، بينما أظهرت الأحماض الدهنية المتطايرة (VFAs) نسبة أعلى من الأسيتات في أنظمة HF. وجدت الدراسة أيضًا أن إجمالي إنتاج الحليب كان أكبر في أنظمة HP (37.71 كغ) مقارنة بأنظمة AA (36.39 كغ)، مع تأثر محتوى بروتين الحليب بمصدر الطاقة في النظام الغذائي. علاوة على ذلك، كانت كفاءة تحويل النيتروجين الغذائي إلى بروتين الحليب أعلى في أنظمة AA (35.37%) مقارنة بأنظمة HP (29.76%). بشكل عام، تسلط هذه النتائج الضوء على التفاعلات المعقدة بين تركيبة النظام الغذائي، واستهلاك المغذيات، وأداء الحيوان.
المناقشة
ت outlines قسم المناقشة في الورقة البحثية استراتيجية مزدوجة تهدف إلى تعزيز استدامة الزراعة الحلوب من خلال تقليل مستويات البروتين الغذائي مع إضافة أحماض أمينية محمية من الكرش، واستبدال مصادر الطاقة التقليدية من الحبوب بمنتجات ثانوية ألياف. وجدت الدراسة عدم وجود اختلافات كبيرة في استهلاك المادة الجافة (DMI) أو مقاييس إنتاج الحليب عبر الأنظمة الغذائية المختلفة، مما يشير إلى أن الاستهلاك يتأثر أكثر بجودة العلف من مستويات البروتين. ومن الجدير بالذكر أنه بينما زادت الأنظمة الغذائية عالية البروتين من نواتج النيتروجين واستهلاك الماء، فإنها أيضًا زادت من خطر المشكلات البيئية مثل الإثراء بالماء. على العكس من ذلك، أظهرت الأنظمة الغذائية المدعومة بالأحماض الأمينية تحسين كفاءة استخدام النيتروجين دون التأثير على إنتاج الحليب.
كشف تحليل سائل الكرش أن الأنظمة الغذائية عالية البروتين أدت إلى ارتفاع مستويات الأمونيا، والتي، على الرغم من كونها ضرورية لنمو الميكروبات، لم تتوافق مع تحسين أداء الحيوان في المجموعة المدعومة بالأحماض الأمينية. وهذا يشير إلى أن التزامن الفعال بين إمدادات الطاقة والنيتروجين يمكن أن يقلل من الحاجة إلى تركيزات عالية من الأمونيا. بالإضافة إلى ذلك، لم يسهم دمج المنتجات الثانوية الألياف في الأنظمة الغذائية فقط في الحفاظ على DMI ووقت الرضاعة، بل ساهم أيضًا في تقليل المنافسة على موارد الغذاء، مما يعزز الأمن الغذائي العالمي. تسلط الدراسة الضوء على إمكانية هذه الاستراتيجيات الغذائية لتحسين الاستدامة البيئية في الزراعة الحلوب، على الرغم من أنها تعترف بالقيود المتعلقة بالمدة التجريبية القصيرة وحجم العينة. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف الآثار طويلة الأجل لهذه الممارسات الغذائية على صحة الحيوان وإنتاجيته.
DOI: https://doi.org/10.3389/fvets.2025.1588425
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40989956
Publication Date: 2025-09-08
Author(s): Damiano Cavallini et al.
Primary Topic: Food Industry and Aquatic Biology
Overview
The study investigates the optimization of dietary protein and energy balance in dairy cow feeding to enhance milk production efficiency and sustainability. It involved eight multiparous Holstein cows assigned to four isoenergetic diets: High Protein and High Cereals (HP-HC), High Protein and High Fibrous By-products (HP-HF), Rumen-Protected Amino Acids and High Cereals (AA-HC), and Rumen-Protected Amino Acids and High Fibrous By-products (AA-HF). The trial utilized a Latin square design to assess various parameters, including dry matter intake (DMI), milk production, rumen fermentation, nitrogen (N) utilization, and diet digestibility. Results indicated that diets incorporating fibrous by-products did not adversely affect DMI or rumination time. Notably, cows on lower protein diets supplemented with rumen-protected amino acids exhibited reduced ruminal ammonia levels (-1.61 mg/dL), enhanced N utilization efficiency (+5.61%), and decreased water intake (-21 L/day).
The conclusion emphasizes that lowering dietary protein content to approximately 12% while incorporating rumen-protected amino acids effectively improves N use efficiency, leading to reduced nitrogen losses and water consumption, thus benefiting environmental sustainability. However, caution is advised, as insufficient ruminal N supply may negatively impact milk production and digestibility due to potential isoacid deficiencies. The study suggests that substituting cereals with high-fiber by-products is a viable strategy that maintains DMI, rumination, and milk quality, thereby alleviating competition for food resources between livestock and humans. Future research is recommended to explore the long-term implications of these dietary modifications for optimizing environmental and economic outcomes.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the pressing need for innovative solutions to enhance the sustainability of dairy farming, particularly through improved feed management practices. It highlights two key strategies: the strategic use of agricultural by-products and the reduction of dietary protein. These approaches aim to mitigate the environmental impact of dairy operations by optimizing nitrogen (N) utilization and minimizing competition between food and feed sources. The paper discusses the complex interactions between rumen microorganisms and their energy sources, emphasizing the potential of fibrous by-products as sustainable alternatives to cereals, which are crucial in human diets.
Furthermore, the introduction outlines the challenges associated with nitrogen management in dairy cows, noting that a significant portion of consumed nitrogen is not efficiently converted into milk protein. Excess nitrogen can lead to environmental issues, such as increased gaseous emissions from manure. To address these challenges, the study proposes the adoption of low-protein diets supplemented with rumen-protected amino acids (RP-AA), which have shown promise in maintaining milk yield while improving nitrogen utilization efficiency. The research aims to evaluate the effects of these nutritional strategies on the sustainability of dairy farming, hypothesizing that they will enhance nitrogen efficiency, reduce environmental nitrogen excretion, and maintain adequate milk production and rumen function.
Methods
In this study, the researchers adhered to standard animal handling procedures without any alterations, ensuring compliance with Directive 2010/63/EU and the European Union’s legal requirements for animal welfare (98/58/EC). The eight multiparous Holstein cows, selected based on specific criteria such as lactation number (2.63 ± 0.25), milk production (44.79 ± 3.30 kg), and days in milk (53.00 ± 6.49), were housed in naturally ventilated tie-stall cubicles that facilitated natural behaviors like standing, lying, eating, and ruminating. All animal procedures received approval from the University of Bologna Institutional Animal Care and Use Committee (Prot. N. 4,405).
The trial took place at the University of Bologna’s educational-experimental barn, where the cows were divided into four pairs and subjected to a Latin square experimental design. Each pair was randomly assigned to one of four isoenergetic diets in succession, with the first diet categorized as High Protein and High Cereals (HP-HC), serving as the control group. The tie stalls were equipped with individual feed troughs featuring continuous weighing systems and push-button water bowls with individual meters, while milking was conducted twice daily using a conventional system at 7:00 a.m. and 7:30 p.m.
Results
The results of the trial indicate significant differences in body condition scores and body weights among cows fed different diets, particularly those with amino acid (AA) integration, which showed higher scores (2.47 for AA-HF) compared to high-protein (HP) diets. However, no significant differences were observed in total dry matter intake (DMI) or rumination time across the diets, with an average intake of 26.40 kg. Nutrient intake was consistent with dietary formulations, revealing higher starch and crude protein intakes in HP diets, while fibrous fractions were greater in high-fiber (HF) diets. Notably, daily water intake was also higher in HP diets (167.88 L) compared to AA diets (146.98 L).
Rumen environment analysis revealed that cows on HF diets had lower average rumen pH values and spent less time ruminating per unit of aNDFom. Additionally, ammonia levels were lower in AA diets compared to HP diets, while volatile fatty acids (VFAs) showed a higher acetate proportion in HF diets. The study also found that total milk production was greater in HP diets (37.71 kg) compared to AA diets (36.39 kg), with milk protein content influenced by the energy source of the diet. Furthermore, the conversion efficiency of dietary nitrogen into milk protein was higher in AA diets (35.37%) compared to HP diets (29.76%). Overall, these findings highlight the complex interactions between diet composition, nutrient intake, and animal performance.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines a dual strategy aimed at enhancing the sustainability of dairy farming by reducing dietary protein levels while supplementing with rumen-protected amino acids, and substituting traditional cereal energy sources with fibrous by-products. The study found no significant differences in dry matter intake (DMI) or milk production metrics across various diets, indicating that intake is more influenced by forage quality than protein levels. Notably, while high-protein diets increased nitrogen metabolites and water consumption, they also raised the risk of environmental issues such as water eutrophication. Conversely, diets supplemented with amino acids demonstrated improved nitrogen utilization efficiency without compromising milk production.
The analysis of rumen fluid revealed that high-protein diets led to elevated ammonia levels, which, while necessary for microbial growth, did not correlate with improved animal performance in the amino acid-supplemented group. This suggests that effective synchronization of energy and nitrogen supply can mitigate the need for high ammonia concentrations. Additionally, the integration of fibrous by-products into diets not only maintained DMI and rumination time but also contributed to reduced competition for food resources, enhancing global food security. The study highlights the potential for these dietary strategies to improve environmental sustainability in dairy farming, although it acknowledges limitations related to the short experimental duration and sample size. Future research is recommended to explore the long-term impacts of these dietary practices on animal health and productivity.