Cultivation of lupine-cereal mixtures and their nutritional value
Loading...
Date
2017
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowy Instytut Badawczy w Puławach
Abstract
Description
The study was conducted in two parts. The first part focused on the cultivation techniques of lupin–cereal mixtures, while the second part evaluated the chemical composition and biological value of barley–lupin compound feed mixtures containing raw lupin seeds (LR) or ethanol-extracted seeds (LE). In addition, multiple regression models were developed for practical use to assess the quality and utilization of protein in barley–lupin mixtures based on their amino acid composition, alkaloid (ALK) content, raffinose family oligosaccharides (RFO), and β-glucans.
Field experiments demonstrated that yellow lupine is a suitable component to cultivation in mixture with barley. Traditional and determinate varieties have the same usefulness to cultivation in this type of stands. Sowing method significantly differentiate the mass of vegetative and generative organs of both mixture components. The highest yield of lupine seeds and barley grain was obtained from pure stands of barley and mixtures with the greatest share of barley. Whereas the highest yield of protein was obtained from pure sowing of lupine, a little lower from mixtures, and the lower from pure sowings of barley. Together with increasing of barley share in mixture and decreasing of lupine share the mass of vegetative and generative organs of lupine and barley was decreasing. It was a consequence of decrease of some morphological, physiological and microbiological indicators of yielding. In this conditions had place the reduction among other things: number of pods and ears, leaf area per plant and photosynthesis intensity. In regard on greater stability of yielding and higher protein yield than from pure stands, which were caused by better utilization of natural environment resources, it can be recognized that this type of stands could be an important element of balanced production of plant protein. However, to this effect was sufficiently great the lupine share in mixture yield should amounted at least 50%.
The plant material evaluated for chemical and biological properties included white and yellow lupin seeds (both LR and LE forms) and barley grain. Basic chemical composition, amino acid profiles (g·100 g–1 protein), and selected anti-nutritional factors (ANFs)–alkaloids (ALK) and RFO–were determined. Ethanol extraction induced changes in the chemical composition of lupin seeds, resulting in a product with slightly higher protein concentration and an improved amino acid profile. Moreover, the process produced feed with nearly 50% lower ALK content and about fivefold lower RFO content.
Biological evaluation was conducted on laboratory rats using barley–lupin mixtures containing LR seeds with or without synthetic amino acids (AS), and mixtures containing LE seeds with or without AS. The reduction in RFO content in LE allowed for improved protein growth efficiency ratio values (PERstand) compared to those obtained with LR mixtures. Supplementation with synthetic amino acids improved PERstand values in both types of mixtures, but to a greater extent in LE-based mixtures. All examined factors (lupin species, proportion of lupin and barley in mixtures, and AS supplementation) had a statistically significant effect on feed intake, protein intake, body weight gain, and PERstand. The relatively low biological quality of protein in LE-based mixtures was mainly due to the deficiency of essential amino acids, while the presence of ANFs had only a minor effect. Therefore, ethanol-extracted lupin supplemented with synthetic amino acids may serve as an important alternative to conventional high-protein feed components used in compound feed mixtures.
Multiple regression analyses confirmed that β-glucans exert a beneficial positive effect on PERstand. The nutritional value of protein (EAAI – Essential Amino Acid Index, and CS – Chemical Score) together with the levels of β-glucans and RFO in the experimental mixtures best explained the variability of the dependent variable PERstand. Thus, the developed multiple regression model with a high coefficient of determination (R² = 0.97) can be considered a useful alternative method for assessing protein quality (PER) without the use of laboratory rat growth assays. Comparison of predicted PER values from the selected model confirmed that ethanol extraction improves the nutritional value (PER) of lupin seeds by enhancing their amino acid composition and reducing the content of major ANFs (ALK and RFO).
W pracy przedstawiono badania w dwóch częściach. Pierwsza dotyczyła techniki uprawy mieszanek łubinowo-zbożowych, natomiast druga oceny chemicznej i biologicznej zestawów paszowych jęczmienno-łubinowych (mieszanki treściwe), z udziałem nasion suro- wych (LR) i poddanych ekstrakcji etanolem (LE). Dodatkowo opracowano modele regresji wielorakich do praktycznego zastosowania w celu oceny jakości i wykorzystania białka mie- szanek jęczmienno-łubinowych na podstawie składu aminokwasowego, alkaloidów (ALK), oligosacharydów rodziny rafinozy (ORR) oraz β-glukanów. Wyniki badań polowych pozwalają stwierdzić, że łubin żółty jest odpowiednim kom- ponentem do uprawy w mieszance z jęczmieniem. Odmiany tradycyjne i samokończące są tak samo przydatne do uprawy w tego typu zasiewach. Sposób siewu istotnie różnicuje masę organów wegetatywnych i generatywnych obu komponentów mieszanki. Największy plon nasion łubinu i ziarna jęczmienia uzyskano z zasiewów czystych jęczmienia oraz z miesza- nek z największym udziałem jęczmienia. Natomiast najwyższy plon białka uzyskano z za- siewów czystych łubinu, nieco mniejszy z roślin uprawianych w mieszankach, a najmniejszy z zasiewów czystych jęczmienia. Wraz ze zwiększaniem udziału jęczmienia w mieszance i zmniejszaniem udziału łubinu zmniejszała się masa wegetatywnych i generatywnych orga- nów łubinu i jęczmienia. Było to konsekwencją zmniejszenia niektórych morfologicznych, fizjologicznych i mikrobiologicznych wskaźników plonowania. Ograniczeniu uległy między innymi: liczba strąków i kłosów, powierzchnia liści na roślinie oraz intensywność fotosynte- zy. Ze względu na większą stabilność plonowania oraz wyższe niż z siewów czystych plony białka, spowodowane lepszym wykorzystaniem zasobów środowiska przyrodniczego, na- leży uznać, że tego typu zasiewy mogą stanowić ważny element zrównoważonej produkcji białka roślinnego. Jednak, aby efekt ten był wystarczająco duży, udział łubinu w plonie mie- szanki powinien wynosić przynajmniej 50%. Materiałem badań, który został poddany ocenie chemicznej i biologicznej był łubin biały i żółty w formie nasion LR i LE oraz ziarna jęczmienia. Scharakteryzowano podsta- wowy skład chemiczny, skład aminokwasowy (g·100 g–1 białka), β-glukany jęczmienia oraz związki antyodżywcze łubinu (ANF) – ALK i ORR. Procedura ekstrakcji etanolem spowo- dowała zmiany w składzie chemicznym nasion łubinu i dała produkt o nieznacznie większej koncentracji białka i lepszym składzie aminokwasowym. Ponadto uzyskano paszę o obniżo- nym stężeniu ALK prawie o połowę i obniżonym stężeniu ORR około 5-krotnie. Badania biologiczne przeprowadzono na szczurach laboratoryjnych. Badano mie- szanki jęczmienno-łubinowe z nasionami LR, z/bez dodatku aminokwasów syntetycznych (AS) oraz mieszanki jęczmienno-łubinowe z nasionami LE, z/bez dodatku AS. Obniżenie stężenia ORR w LE pozwoliło na uzyskanie lepszych wyników dla współczynników wydajności wzrostowej białka (PERstand) w porównaniu z wynikami uzyskanymi dla mie- szanek zawierających LS. Suplementacja aminokwasów syntetycznych poprawiła warto- ści PERstand w obu rodzajach mieszanek, ale w większym stopniu w kombinacjach z LE. Wszystkie badane czynniki (gatunek łubinu, udział łubinu i jęczmienia w mieszankach, do- datek AS) miały statystycznie istotny wpływ na pobranie paszy, spożycie białka, przyrosty masy ciała i PERstand. Główną przyczyną stosunkowo niskiej jakości biologicznej białka mieszanek łubinowo-jęczmiennych z udziałem LE był niedobór aminokwasów egzogen- nych, natomiast ilość ANF miała niewielkie znaczenie. Dlatego łubin poddany ekstrakcji i uzupełniony aminokwasami syntetycznymi może być ważnym substytutem innych pasz wysokobiałkowych stosowanych jako komponent mieszanek paszowych. Opracowane regresje wielorakie udowodniły, że β-glukany mają korzystny dodatni wpływ na PERstand. Wartość odżywcza białka (EAAI, ang. Essential Amino Acid Index i CS, ang. Chemical Score) oraz ilość β-glukanów i ORR w mieszankach doświadczal- nych w największym stopniu wyjaśniały zmienność zmiennej zależnej PERstand, dlatego opracowany wybrany model regresji wielorakiej o wysokim współczynniku determinacji (R2 = 0,97) może być użyteczny jako alternatywna metoda oceny jakości białka PER bez wykorzystywania szczurów laboratoryjnych w testach wzrostowych. Porównanie przewidy- wanych PER na podstawie wybranego modelu predykcyjnego potwierdziło, że metoda eks- trakcji nasion etanolem podnosi wartość odżywczą łubinu (PER) na skutek poprawy składu aminokwasowego i redukcji ilości dominujących ANF (ALK i ORR).
W pracy przedstawiono badania w dwóch częściach. Pierwsza dotyczyła techniki uprawy mieszanek łubinowo-zbożowych, natomiast druga oceny chemicznej i biologicznej zestawów paszowych jęczmienno-łubinowych (mieszanki treściwe), z udziałem nasion suro- wych (LR) i poddanych ekstrakcji etanolem (LE). Dodatkowo opracowano modele regresji wielorakich do praktycznego zastosowania w celu oceny jakości i wykorzystania białka mie- szanek jęczmienno-łubinowych na podstawie składu aminokwasowego, alkaloidów (ALK), oligosacharydów rodziny rafinozy (ORR) oraz β-glukanów. Wyniki badań polowych pozwalają stwierdzić, że łubin żółty jest odpowiednim kom- ponentem do uprawy w mieszance z jęczmieniem. Odmiany tradycyjne i samokończące są tak samo przydatne do uprawy w tego typu zasiewach. Sposób siewu istotnie różnicuje masę organów wegetatywnych i generatywnych obu komponentów mieszanki. Największy plon nasion łubinu i ziarna jęczmienia uzyskano z zasiewów czystych jęczmienia oraz z miesza- nek z największym udziałem jęczmienia. Natomiast najwyższy plon białka uzyskano z za- siewów czystych łubinu, nieco mniejszy z roślin uprawianych w mieszankach, a najmniejszy z zasiewów czystych jęczmienia. Wraz ze zwiększaniem udziału jęczmienia w mieszance i zmniejszaniem udziału łubinu zmniejszała się masa wegetatywnych i generatywnych orga- nów łubinu i jęczmienia. Było to konsekwencją zmniejszenia niektórych morfologicznych, fizjologicznych i mikrobiologicznych wskaźników plonowania. Ograniczeniu uległy między innymi: liczba strąków i kłosów, powierzchnia liści na roślinie oraz intensywność fotosynte- zy. Ze względu na większą stabilność plonowania oraz wyższe niż z siewów czystych plony białka, spowodowane lepszym wykorzystaniem zasobów środowiska przyrodniczego, na- leży uznać, że tego typu zasiewy mogą stanowić ważny element zrównoważonej produkcji białka roślinnego. Jednak, aby efekt ten był wystarczająco duży, udział łubinu w plonie mie- szanki powinien wynosić przynajmniej 50%. Materiałem badań, który został poddany ocenie chemicznej i biologicznej był łubin biały i żółty w formie nasion LR i LE oraz ziarna jęczmienia. Scharakteryzowano podsta- wowy skład chemiczny, skład aminokwasowy (g·100 g–1 białka), β-glukany jęczmienia oraz związki antyodżywcze łubinu (ANF) – ALK i ORR. Procedura ekstrakcji etanolem spowo- dowała zmiany w składzie chemicznym nasion łubinu i dała produkt o nieznacznie większej koncentracji białka i lepszym składzie aminokwasowym. Ponadto uzyskano paszę o obniżo- nym stężeniu ALK prawie o połowę i obniżonym stężeniu ORR około 5-krotnie. Badania biologiczne przeprowadzono na szczurach laboratoryjnych. Badano mie- szanki jęczmienno-łubinowe z nasionami LR, z/bez dodatku aminokwasów syntetycznych (AS) oraz mieszanki jęczmienno-łubinowe z nasionami LE, z/bez dodatku AS. Obniżenie stężenia ORR w LE pozwoliło na uzyskanie lepszych wyników dla współczynników wydajności wzrostowej białka (PERstand) w porównaniu z wynikami uzyskanymi dla mie- szanek zawierających LS. Suplementacja aminokwasów syntetycznych poprawiła warto- ści PERstand w obu rodzajach mieszanek, ale w większym stopniu w kombinacjach z LE. Wszystkie badane czynniki (gatunek łubinu, udział łubinu i jęczmienia w mieszankach, do- datek AS) miały statystycznie istotny wpływ na pobranie paszy, spożycie białka, przyrosty masy ciała i PERstand. Główną przyczyną stosunkowo niskiej jakości biologicznej białka mieszanek łubinowo-jęczmiennych z udziałem LE był niedobór aminokwasów egzogen- nych, natomiast ilość ANF miała niewielkie znaczenie. Dlatego łubin poddany ekstrakcji i uzupełniony aminokwasami syntetycznymi może być ważnym substytutem innych pasz wysokobiałkowych stosowanych jako komponent mieszanek paszowych. Opracowane regresje wielorakie udowodniły, że β-glukany mają korzystny dodatni wpływ na PERstand. Wartość odżywcza białka (EAAI, ang. Essential Amino Acid Index i CS, ang. Chemical Score) oraz ilość β-glukanów i ORR w mieszankach doświadczal- nych w największym stopniu wyjaśniały zmienność zmiennej zależnej PERstand, dlatego opracowany wybrany model regresji wielorakiej o wysokim współczynniku determinacji (R2 = 0,97) może być użyteczny jako alternatywna metoda oceny jakości białka PER bez wykorzystywania szczurów laboratoryjnych w testach wzrostowych. Porównanie przewidy- wanych PER na podstawie wybranego modelu predykcyjnego potwierdziło, że metoda eks- trakcji nasion etanolem podnosi wartość odżywczą łubinu (PER) na skutek poprawy składu aminokwasowego i redukcji ilości dominujących ANF (ALK i ORR).
Keywords
mixtures of lupine and barley, agrotechnics, nutritional value, protein, anti-nutritional compounds, rats, mieszanki łubinu i jęczmienia, agrotechnika, wartość odżywcza, białko, związki antyodżywcze, szczury
Citation
Monografie i Rozprawy Naukowe, 53, ss. 124