PhD thesis - University of Veterinary Medicine Vienna - 2023

Subacute ruminal acidosis (SARA) is a health disorder commonly reported in cows fed acidogenic diets like under intensive dairy farm operations. Typical acidogenic diets are those rich in starchy concentrates. Cows normally experience SARA when the mean ruminal pH descends intermittently through several hours below 5.8 during the day. Furthermore, SARA is associated with inflammation and liver tissue damage. In this regard, phytogenic compounds are herbal-derived products rich in secondary plant metabolites like essential oils. These compounds have lately received renewed interests in the animal production industry as feed additives replacing various conventional feed additives. In dairy cattle, there is an interest to use phytogenic additives as a tool to alleviate the negative impacts of acidogenic diets including changes in rumen buffering, rumen acidosis and dysbiosis as well as the related systemic effects such as inflammation. The first main objective of this thesis was to evaluate whether the supplementation with single phytogenic compounds (PHY) will influence saliva composition and dynamics in cattle fed acidogenic diets. The second main objective was to assess the duration of high-concentrate feeding challenge on ruminal fermentation, inflammation, salivary composition, eating, chewing and lying behavior in cattle fed a phytogenic additive supplementation (PAS). For this purpose, two separate experiments were conducted. The first one evaluated 9 different PHY supplemented separately in a 65% concentrate diet (DM basis), during a short-term period of 4 hours. Whereas the second one focused on evaluating the dietary supplementation of a PAS including L-menthol, thymol, eugenol, mint oil (Mentha arvensis) and cloves powder (Syzygium aromaticum) in a diet with the same concentrate inclusion level as in the first study, but fed during 4 consecutive weeks. For experiment one, multiple samples were collected daily to evaluate short-term responses, whereas for experiment two the sampling was done weekly. The first experiment demonstrated that certain PHY hold potential to influence saliva and feed ensalivation to a different extent than others. For example, compared to a control diet without PHY, supplementation of thyme oil increased unstimulated salivary buffer capacity. In addition, garlic oil increased salivary osmolality and phosphate concentration; thymol and capsaicin increased the buffer capacity; gentian root increased buffer capacity of the saliva secretion during eating. Thymol and ginger increased salivation rate, while capsaicin increased the saliva flow. The second experiment proved that we were able to induce SARA in cows, but also demonstrated that during weeks 3 and 4 of high-concentrate feeding, the PAS reduced the risk of SARA. Phytogenic supplementation increased acetate, butyrate, isobutyrate and isovalerate concentration but decreased propionate in week 2 compared to control with no changes in mean ruminal pH or the time that ruminal pH was below 5.8, as well as the acetate to propionate ratio on the same week. Inflammation response seemed to be suppressed by PAS during weeks 3 and 4 as indicated by reduced haptoglobin and serum amyloid A. Feed ensalivation was not influenced by PAS, only by high-concentrate diet compared to a forage only diet. Rumination time decreased as high-concentrate feeding weeks progressed. Also, PAS increased sorting behavior in favor of physically effective fiber on week 2 and increased saliva pH in week 4. Additionally, cows ate with a greater pace (meal size and eating rate) with advanced duration of high-concentrate diet, which may explain the increased risk of acidosis. Nevertheless, PAS reduced meal size in week 2, which may explain the reduced risk of SARA for cows on the following weeks within the trial. To conclude, the experiments conducted are evidence that supplementation of PAS containing L-menthol, thymol, eugenol, mint oil and cloves powder hold potential to positively modulate saliva and ruminal fermentation in dairy cattle challenged with a long-term high-concentrate diet.

PhD Thesis - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2023

Die subakute Pansenazidose (SARA) ist eine Erkrankung, die häufig bei Kühen auftritt, die mit acidogenen Rationen gefüttert werden, wie es in intensiven Milchproduktionssystemen gängig ist. Typische acidogene Rationen sind solche, die reich an stärkehaltigen Kraftfuttern sind. Bei Kühen tritt SARA normalerweise auf, wenn der durchschnittliche pH-Wert im Pansen über mehrere Stunden des Tages unter 5,8 sinkt. Außerdem wird SARA mit Entzündungen und Lebergewebeschäden in Verbindung gebracht. Phytogene Verbindungen sind pflanzliche Stoffe, die reich an sekundären Pflanzenmetaboliten wie ätherischen Ölen oder anderen Komponenten sind und in letzter Zeit als Futtermittelzusatzstoffe, die verschiedene konventionelle Futtermittelzusatzstoffe ersetzen, wieder an Interesse in der Tierproduktion gewonnen haben. Beim Milchvieh besteht ein Interesse daran, phytogene Verbindungen zur Linderung negativer Auswirkungen von acidogenen Rationen bei Milchkühen einzusetzen, einschließlich Veränderungen der Pansenpufferung, Pansenazidose und Dysbiose sowie der damit verbundenen systemischen Auswirkungen wie beispielsweise Entzündungsgeschehen. Das erste Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, zu untersuchen, ob die Ergänzung mit einzelnen phytogenen Verbindungen (PHY) die Speichelzusammensetzung und -dynamik bei Rindern beeinflusst, die mit acidogenen Rationen gefüttert werden. Das zweite Hauptziel bestand darin, die Dauer einer kraftfutterreichen Fütterung auf die Pansenfermentation, Entzündungen, Speichelzusammensetzung, Fress-, Kau- und Liegeverhalten bei Rindern zu untersuchen, die mit einem phytogenen Zusatzstoff (PAS) gefüttert wurden. Zu diesem Zweck wurden zwei getrennte Versuche durchgeführt. Im ersten Versuch wurden Kühe über einen kurzen Zeitraum von 4 Stunden untersucht, die eine Ration mit 65% Kraftfutter erhielten, das mit 9 verschiedenen PHY ergänzt wurde. Der zweite Versuch konzentrierte sich auf die Bewertung der Supplementierung mit einer PAS-Mischung aus L-Menthol, Thymol, Eugenol, Minzöl (Mentha arvensis) und Gewürznelkenpulver (Syzygium aromaticum) bei gleichem Kraftfutteranteil über vier aufeinanderfolgende Wochen. Im ersten Versuch wurden täglich mehrere Proben entnommen, um die kurzfristigen Reaktionen zu bewerten, während die Probennahme im zweiten Versuch wöchentlich erfolgte. Unser erster Versuch zeigte, dass bestimmte PHY das Potenzial haben, den Speichel und die Futtereinspeichelung in anderem Ausmaß zu beeinflussen als andere. Beispielsweise erhöhte die Zugabe von Thymianöl die Pufferkapazität unstimulierten Speichels. Des Weiteren erhöhte Knoblauchöl die Speichelosmolalität und die Phosphatkonzentration; Thymol und Capsaicin erhöhten die Pufferkapazität; Enzianwurzel erhöhte die Pufferkapazität der Speichelsekretion während des Fressens. Thymol und Ingwer erhöhten die Speichelflussrate, während Capsaicin den Speichelfluss erhöhte. Unser zweiter Versuch zeigte, dass wir in der Lage waren, SARA bei Kühen auszulösen, aber ebenso, dass die PAS-Supplementierung das SARA-Risiko in den Wochen 3 und 4 der kraftfutterreichen Fütterung reduzierte. Die phytogene Supplementierung erhöhte die Pansenfermentationsparameter einschließlich Acetat, Butyrat, Isobutyrat und Isovalerat, verringerte aber Propionat im Vergleich zur Kontrolle in Woche 2, ohne dass sich der mittlere Pansen-pH-Wert oder die Dauer, in der der ruminale pH-Wert unter 5,8 blieb, sowie das Acetat-Propionat-Verhältnis in derselben Woche änderten. Die Entzündungsreaktion, einschließlich Haptoglobin und Serum Amyloid A, schien durch die PAS-Gabe in den Wochen 3 und 4 unterdrückt zu werden. Die Futtereinspeichelung wurde durch PAS nicht beeinflusst, nur durch die kraftfuttereiche Fütterung im Vergleich zur reinen Fütterung mit Raufutter. Die Wiederkauzeit verringerte sich über die Zeit mit fortschreitender Fütterung der Ration mit hohem Kraftfutteranteil. Außerdem steigerte PAS das Sortierverhalten zugunsten physikalisch effektiver Faser in Woche 2 und erhöhte den Speichel-pH-Wert in Woche 4. Zusätzlich fraßen die Kühe mit zunehmender Dauer der kraftfutterreichen Fütterung schneller (Mahlzeitengröße und Fressgeschwindigkeit), was das erhöhte Azidoserisiko erklären könnte. Nichtsdestotrotz reduzierte PHY die Mahlzeitgröße in Woche 2, was das geringere SARA-Risiko der Kühe in den darauffolgenden Wochen erklären könnte. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die durchgeführten Experimente belegen, dass die Supplementierung mit PAS wie L-Menthol, Thymol, Eugenol, Minzöl und Gewürznelkenpulver das Potenzial hat, den Speichel und die Pansenfermentation bei Milchkühen, die über einen längeren Zeitraum kraftfutterreich gefüttert werden, positiv zu beeinflussen.

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XV, 114 Seiten