Halle Wittenberg, Germany
February 12, 2020
y far the largest proportion of soybeans grown worldwide is used for animal feed. This is particularly problematic because soybean cultivation inflicts massive environmental damage on supplier countries. The Institute of Agricultural and Nutritional Sciences at Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) is therefore currently researching domestic alternatives as part of the SilaToast project. This project is conducted jointly with the Saxon State Office for the Environment, Agriculture and Geology (LfULG), with the aim of determining what special handling alternative feedstuffs will require to equal the nutritional value of soybeans.
Soy is a popular feedstuff mainly due to its high protein content. However, its cultivation has been criticized on several grounds. For one, most soybeans, grown primarily in South America, are genetically modified, a practice which European consumers increasingly object to. Soybean cultivation also destroys important ecological areas such as rainforests, and their transport over long distances pollutes the environment. The overall poor environmental footprint of soya has led the Federal Ministry of Agriculture and Food (BMEL) to support research into substitutes. It funds the joint MLU and LfULG SilaToast project for testing two native legumes, the pea and the field bean. "Our main goal is to improve the feed value of regionally produced feedstuffs by fermentation and thermal treatment so they can replace soy protein both quantitatively and qualitatively," states Prof. Dr. Olaf Steinhöfel, MLU honorary professor and the LfULG’s project lead. However, this is not the only motivation. "Domestic legumes also benefit agriculture, the environment, and the climate in multiple ways," according to Annette Zeyner, professor of animal nutrition at the MLU. They loosen the soil and store nitrogen from the air, which other plants are incapable of.
Peas in particular contain copious amounts of protein and starch. "But at this point they don’t measure up to soy, partly because they contain many so-called anti-nutritive factors," Zeyner explains. These are substances that hinder the absorption of valuable nutrients. However, the problem is relatively easy to solve, as Zeyner's working group has discovered. For one, anti-nutritive ingredients are largely degraded by normal agricultural ensiling practices. Another method for boosting the legume’s nutritional properties, although not yet widely used in combination with ensiling, is heat exposure. Thermal treatment does more than just further degrade the anti-nutritive factors in peas.
In a recent study, Zeyner and her collaborator Dr. Martin Bachmann were able to show that it also keeps the proteins from being decomposed as quickly by bacteria in the rumen of cows and other ruminants. Decomposition that happens too soon is problematic for two reasons: one, a large amount of nitrogen is excreted via the fecal matter and can thus enter the groundwater as a nitrate or the air as nitrous oxide, a potent greenhouse gas, and, two, valuable essential amino acids are lost in the process. These need to survive the passage to the small intestine to be absorbed there. This is particularly important in order for dairy cows to achieve sufficient production.
"The sticking point is that overheating in turn damages the proteins", says Zeyner. The project therefore determined the optimal temperature, length of thermal treatment, and silage moisture content. In laboratory testing, Bachmann was able to show that ensiling and thermal treatment did not impact gas and methane production. Scanning electron microscope imaging moreover showed that starch molecules were not altered by heating.
LfULG is carrying out the feeding tests with dairy cows. The MLU's Merbitz Agricultural and Nutritional Research Centre also houses standardized regulatory testing to determine the energy content of feed, using sheep as the model animal. The ensilaged and heat-treated peas can potentially also be used with pigs and poultry.
Recent studies:
Bachmann et al. Ruminal In Vitro Protein Degradation and Apparent Digestibility of Energy and Nutrients in Sheep Fed Native or Ensiled + Toasted Pea (Pisum sativum) Grains. Animals (2019). doi: 10.3390/ani9070401
Bachmann et al. Effects of toasting temperature and duration on in vitro ruminal gas production kinetics and post-ruminal crude protein from field pea (Pisum sativum) legume grain silages. Livestock Sci. (2020) doi: 10.1016/j.livsci.2020.103944
Erbse statt Soja im Tierfutter
Der bei weitem größte Teil der weltweit angebauten Sojabohnen wird für Tierfutter verwendet. Das ist besonders hinsichtlich der massiven Umweltschäden in den Herkunftsländern problematisch. Am Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) wird daher zusammen mit dem Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG) zu heimischen Alternativen geforscht. Um denselben Nährwert wie Soja zu liefern, sind allerdings spezielle Behandlungen notwendig.
Soja ist vor allem aufgrund seines hohen Eiweißanteils ein beliebtes Futtermittel. Der Anbau steht jedoch aus mehreren Gründen in der Kritik. Der Großteil der vor allem in Südamerika angebauten Sojabohnen ist gentechnisch verändert, was europäische Verbraucher zunehmend ablehnen. Zudem werden wichtige Naturflächen wie Regenwälder zerstört und der Transportweg ist lang. Alles in allem ist die Umweltbilanz von Soja schlecht, weswegen das Bundesministerium für Landwirtschaft und Ernährung (BMEL) die Suche nach Alternativen unterstützt. Die MLU und das LfULG werden für das Projekt SilaToast gefördert, welches den Einsatz der heimischen Hülsenfrüchte Erbse und Ackerbohne testet. "Dabei geht es vor allem darum, den Futterwert regional erzeugter Futtermittel durch Fermentation und Erhitzung so zu verbessern, dass sie Sojaprotein quantitativ und qualitativ ersetzen können", sagt Prof. Dr. Olaf Steinhöfel, Honorarprofessor an der MLU und Leiter des Vorhabens am LfULG. Das ist jedoch nicht die einzige Motivation. "Die einheimischen Leguminosen bringen auch viele Vorteile für die Landwirtschaft, die Umwelt und das Klima", sagt Annette Zeyner, Professorin für Tierernährung an der MLU. Sie lockern den Boden auf und speichern Stickstoff aus der Luft, wozu andere Pflanzen nicht in der Lage sind.
Insbesondere Erbsen enthalten große Mengen an Protein und Stärke. "Sie können aber mit Soja bisher nicht mithalten, auch weil sie viele sogenannte antinutritive Inhaltsstoffe enthalten", erklärt Zeyner. Das sind Bestandteile, welche die Aufnahme wertvoller Nährstoffe behindern. Das Problem lässt sich jedoch relativ einfach lösen, wie Zeyners Arbeitsgruppe herausgefunden hat. Beim in der Landwirtschaft üblichen Silieren werden antinutritive Inhaltsstoffe weitgehend abgebaut. Ein weiteres Verfahren, das in der Kombination mit Silieren noch nicht so weit verbreitet ist, verbessert die ernährungsphysiologischen Eigenschaften weiter: das Toasten. Durch die Hitzebehandlung werden nicht nur die antinutritiven Inhaltsstoffe bei Erbsen noch weiter reduziert.
In einer aktuellen Studie konnten Zeyner und ihr Mitarbeiter Dr. Martin Bachmann zeigen, dass dadurch außerdem die Proteine im Pansen von Kühen und anderen Wiederkäuern weniger schnell durch Bakterien zersetzt werden. Eine zu frühe Zersetzung ist aus zwei Gründen problematisch. Zum einen wird eine große Menge Stickstoff über die Exkremente ausgeschieden und kann so als Nitrat ins Grundwasser oder in Form von Lachgas, einem hochwirksamen Treibhausgas, in die Luft gelangen. Zum anderen gehen aber auch wertvolle essentielle Aminosäuren verloren. Diese sollen den Weg bis in den Dünndarm überstehen und dort aufgenommen werden. Insbesondere bei Milchkühen ist das für eine ausreichende Leistung wichtig.
"Der Knackpunkt ist, dass zu heißes Toasten wiederum die Proteine schädigt", sagt Zeyner. In dem Projekt wurden daher die optimale Temperatur und Dauer des Toastens ermittelt. Auch der Feuchtigkeitsgehalt der Silage wurde optimiert. In Laborversuchen konnte Bachmann zeigen, dass Silieren und Toasten keinen Einfluss auf die Gas- und Methanproduktion hatten. Bilder aus dem Rasterelektronenmikroskop zeigen zudem, dass die Stärkemoleküle durch das Erhitzen nicht verändert werden.
Die Fütterungsversuche werden vom LfULG mit Milchkühen durchgeführt. Am Agrar- und ernährungswissenschaftlichen Versuchszentrum Merbitz der MLU finden zudem gesetzlich vorgeschriebene standardisierte Versuche zur Ermittlung des Energiegehalts des Futters mit Schafen als Modelltier statt. Die silierten und getoasteten Erbsen könnten auch bei Schweinen und Geflügel eingesetzt werden.
Originalpublikation:
Bachmann et al. Ruminal In Vitro Protein Degradation and Apparent Digestibility of Energy and Nutrients in Sheep Fed Native or Ensiled + Toasted Pea (Pisum sativum) Grains. Animals (2019). http://dx.doi.org/10.3390/ani9070401
Bachmann et al. Effects of toasting temperature and duration on in vitro ruminal gas production kinetics and post-ruminal crude protein from field pea (Pisum sativum) legume grain silages. Livestock Sci. (2020) https://doi.org/10.1016/j.livsci.2020.103944
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