Bu derleme çalışmasında ruminantların beslenmesinde kullanılan yemlerin sindirilebilirliğinin belirlenmesinde fekal NIRS (Near-infrared Reflectance Spectrophotometry) (FNIRS) analiz yönteminin kullanılma imkanları ele alınmaktadır. Bu yöntemde fekal NIR spektrumuyla diyetin besin madde içerikleri ve sindirilebilirliği arasında ilişki kurulmaktadır. Fekal NIRS yöntemi yemlerin sindirilebilirliklerinin belirlenmesinde kullanılan diğer in vivo ve in vitro yöntemlere göre bazı avantajlara sahiptir. Sözkonusu avantajlar arasında hızlı sonuç vermesi, yem kaynaklarının analizinde yoğun bir ön işleme ihtiyaç duymaması, büyük ölçekli örneklemeye imkan vermesi, kalibrasyon aşaması dışında kimyasal analizlere ihtiyaç duymaması, tek bir örneğin taranmasıyla birden fazla bileşenin (besin maddesinin) belirlenmesine imkan vermesi, dışkı örneklerinin toplanmasının kolay olması yer almaktadır.
An alternative Method for Determining the Feed Digestibility:FNIRS ( Faecal Near Infrared Reflectance Spectroscopy)
Abstract
In this review, the possibility of using faecal NIRS (Near-infrared Reflectance Spectrophotometry) (FNIRS) method for determining the digestibilites of feeds used in ruminant nutrition is discussed. In this method, a relationship is established between faecal NIR spectrum and nutrient content and digestibility of diets. Faecal NIRS method has some advantages over other in vivo and in vitro methods used in determination of digestibility of feeds. Among these advantages are speediness, lacking of need for sample processing, lacking of need chemical analyses except for calibration, the range of attributes that can be predicted from a single analysis and simplicity of feces collection.
Key Words: In vitro digestibility, Near Infrared Reflectance Spectrophotometry (NIRS), faces, ruminant, feed.
Giriş
Yem kalitesini belirleyen en önemli unsurlardan birisi olan sindirilebilirliğin doğru ve güvenilir bir şekilde belirlenebilmesine imkân sağlayan metotların geliştirilmesi uzun yıllardan beri araştırıcıların ilgi odağını oluşturmuştur. Bu amaçla, 1) yemlerin in vivo, in vitro ve in sacco sindirilebilirliklerinin belirlenmesi, 2) özafagal fistül yöntemiyle sindirilebilirliğin belirlenmesi gibi metotlar kullanılmaktadır (1). Bahsedilen bu yöntemler uygulama açısından bir takım zorluklar içermeleri, cerrahi müdahale gerektirmeleri, otlatılan hayvanlarda güvenilir sonuçlar vermemeleri gibi bir takım olumsuzluklar içermektedir (2) . Bu olumsuzluklar araştırıcıları bu amaçla kullanılabilecek alternatif yaklaşımlar bulma yönünde çalışma yapmaya sevk etmiştir. Söz konusu yaklaşımlardan birisi diyet ve dışkı örnekleri arasında saptanan bazı ilişkilerin sindirilebilirliğin tespitinde kullanılmasıdır (3). NIRS teknolojisi sindirilebilirliğin dolaylı yöntemlerle belirlenmesine yönelik çalışmalarda ilk kez Lyons ve Shuth (4) tarafından serbest otlayan hayvanlarda dışkı taraması yolu ile kaba yem kalitesinin belirlenmesi amacı ile kullanılmıştır (5). Dışkı profiline dayanılarak sindirilebilirliğin belirlendiği yöntemler arasında dışkı ham protein (HPd) değerinin kullanılması (6) ve dışkıya NIRS (Near Infrared Reflectance Spectroscopy) yönteminin (FNIRS) uygulanması (7) yer almaktadır. NIRS yönteminin herhangi bir yemdeki besin maddesinin analizinde kullanılma yöntemi Şekil 1’de gösterilmiştir. Bu yöntemde herhangi bir ürün NIRS ve klasik kimyasal yöntemle analize tabi tutulmakta ve elde edilen bilgiler bir “tahmin eşitliği”’nin oluşturulmasında kullanılmakta ve klasik kimyasal yöntem devre dışı bırakılmaktadır (5). Fanchone ve ark. (2) dışkı örneklerine uygulanan NIRS yönteminin in vivo organik madde sindirilebilirliğinin (OMS) belirlenmesinde HPd’nin kullanılması durumuna göre daha isabetli sonuçlar verdiğini bildirmekte ve bu durumun NIRS yönteminde sindirilebilirlik ile ilgili daha fazla sayıda bileşenin kullanılmasından kaynaklandığını bildirmektedir. Stuth ve ark. (5), NIRS yönteminin hızlı sonuç alınmasını mümkün kıldığını, fazla iş gücü gerektirmediğini, kısa vadede pahalı gibi görünmekle birlikte uzun vadede düşük maliyetli bir yöntem olduğunu, hayvanlarda herhangi bir cerrahi müdahaleyi gerektirmediğini, herhangi bir kimyasal madde kullanımına ihtiyaç duymadığını ve ham protein, sindirilebilir organik madde, ADF ve NDF gibi unsurların tek bir analitik işlemde belirlenebilmesine imkân verdiğini bildirmektedir. Coates (8), FNIRS yönteminde dışkı örneği alınmasının oldukça basit olduğunu, alınan dışkı örneğinin taze ve herhangi bir bulaşıklık içermeyen formda olması gerektiğini bildirmektedir. Dışkı formunun FNIRS analizinde başarıyı etkilediğini bildiren Leite ve Stuth (9) pelet formundaki koyun ve keçi dışkılarının ham protein (HP) içeriği ve sindirilebilirlik derecelerinin çevresel etkenlere karşı 7 güne kadar stabil kalabildiğini ileri sürmüşlerdir. Sığır dışkı örneklerinde bu süre yaklaşık 48 saat olarak bildirilmektedir. Bununla birlikte, taze dışkı örneklerinin ahırda veya ağılda rektumdan, padoklarda ise yeni dışkılanmış dışkı yığınlarından toplanmasında kayda değer bir güçlük söz konusu olmadığından FNIRS analizinde kullanılacak dışkı örneklerinin taze formda olması ve toplanan dışkı örneklerinin uygun bir kapalı kaba (ağzı sırlanmış plastik torbalar gb.) alındıktan sonra dondurulması önerilmektedir. Örneklerin analiz laboratuvarlarına ulaştırılma süreleri analiz sonuçlarını etkileyebilmektedir. Bu sürelerin uzun olması ve aynı zamanda yüksek çevre sıcaklıkları, dışkıdaki yüksek nem içeriği ve hatta dışkının elde edildiği hayvanın tükettiği kaba yemin kalitesi FNIRS analizindeki başarıyı etkileyebilmektedir. Genelde dışkı örneklerinin dondurucudan çıktıktan sonra 5 güne kadar stabilitelerini korudukları ileri sürülmektedir. Dışkı örneklerinin FNIRS analizi öncesinde 60-65 C’ de kurutulmaları ve öğütülmeleri gerekir. Fekal NIRS analizinin yaklaşık her örnek için 2-3 dakika sürdüğü kabul edilirse herhangi bir taze dışkı örneğinin FNIRS analiz sonuçlarının en fazla 30 saat içinde alınabilmesi mümkün olmaktadır (8). Allen ve ark. (10), FNIRS analiz yönteminde portatif NIRS cihazlarının kullanılmasıyla bu sürenin daha da kısalacağını ileri sürmektedir. Bu araştırıcıların önerdikleri yöntemde dışkı örnekleri herhangi bir ön işleme (kurutma ve öğütme gib.) tabi tutulmamaksızın taze olarak NIRS analizinde kullanılmakta ve 2 saat gibi kısa sürede sonuç alınabilmektedir.
Bu çalışmada FNIRS yönteminin sindirilebilirliğin belirlenmesinde kullanılma potansiyeli farklı çalışmalardan elde edilen sonuçların ışığı altında irdelenecektir.
Fekal NIRS Yönteminin Sindirilebilirliğin Belirlenmesinde Kullanılma Potansiyeli
NIRS yönteminin kaba yemlerin besleme değerlerinin belirlenmesine yönelik çalışmalarda kullanılması özellikle son 20 yılda artış göstermiştir (11). Bir çok çalışmada NIRS yönteminden dışkı ve yemlerin komposizyonu ve özelliklerinin belirlenmesi amacı ile yararlanılmıştır. Günümüzde özafagal içerik veya dışkı spekturumundan geliştirilen NIRS kalibrasyon eşitlikleri çayır otlarının in vivo sindirilebilirliği ve tüketim düzeylerinin belirlenmesinde kullanılmaktadır. Bu konuda özellikle dışkı spektrumu ön plana çıkmaktadır. Çünkü dışkı hayvanın diyeti, ve bulunduğu ekolojik ortam hakkında bazı bilgiler sağlayabilmektedir. Ayrıca, dışkı hayvanların örneklenemediği, hatta çoğu zaman düzenli şekilde gözlemlenemediği durumlarda bulunabilmekte ve dolayısıyla analize tabi tutulabilmektedir. Diyet, dışkı ve ilgili hayvanın bir çok özelliği NIRS yöntemiyle ölçülebilmektedir (12).
Şekil 1. FNIRS Yönteminin Şematik Gösterimi (Stuth ve ark., 2003).
Dışkı analizi yolu ile hayvan diyetlerinin özelliklerinin belirlenmesinde çoğunlukla diyetin sahip olduğu bazı özellikler ile dışkıdaki bazı unsurların konsantrasyonları arasındaki kantitatif ilişkilerden faydalanılmaktadır. Hayvan diyetlerinin özelliklerinin belirlenmesinde FNIRS yönteminin kullanılması diyet materyalinin değişikliğe uğraması veya elden çıkması ve sindirim içeriğinin sindirim kanalından geçişi esnasında endojen kaynaklı unsurların karışması durumunda bile dışkıda diyeti tanımlayabilecek düzeyde spektral bilginin (verinin) mevcut olacağı öngörüsüne dayanmaktadır. Dışkı analizi ile diyetin ham protein (HP) içeriği ive sindirilebilirlik derecesi ile yem tüketim düzeyi belirlenebilmektedir. Fekal NIRS yöntemi dışkıda veya yemde mineral madde konsantrasyonunun belirlenmesinde başarılı olamamaktadır (12). Bir çok FNIRS çalışmasında ortalama kuru madde (KM) sindirilebilirlikleri % 40-65 arasında değişen düşük ve orta kaliteli kaba yemler ele alınmaktadır. Bu çalışmalarda diyetin önemli bir kısmı sindirimden kaçmakta ve dışkıda görülebilmektedir. Dışkıda bulunan diğer önemli bileşenler arasında rumende üretilip sindirilmeden atılan mikroorganizma artıkları ve sindirim kanalında içeriğe karışan endojen salgılar bulunmaktadır.Kaba yem tüketen ruminantlarda mikrobiyel kaynaklı N dışkıdaki toplam azotun % 45-60’lık kısmını oluşturmakta olup bu oran konsantre yem tüketen ruminantlarda biraz daha yüksek olabilmektedir. Kaba yem temelli diyet tüketen ruminantlarda dışkının NIR spektrumu tüketilen kaba yemin spektrumuna benzemektedir. Ayrıca, ruminal mikrobiyel fermantasyona maruz kalan kaba yem artıklarının spektrumu kaba yem ve dışkının spektrumuna yakın benzerlik göstermekte olup, bu durum kaba yem ve dışkı spektrumları arasındaki farklılığın büyük ölçüde bitki bileşenlerinin ruminal mikrobiyel sindirimleriyle ilişkili olduğu yönündeki hipotezi destekler nitelikledir.
Kaba yemlerin ruminal mikrobiyel sindirime maruz kalmaları durumunda bu kaba yemlere ait NIR spektrumlarında gözlenen değişimler saptanabilmekte ve sindirilebilen ve sindirilemeyen bitki kısımları ile ilişkili olan NIR spektrum bölgeleri tanımlanabilmekte ve yorumlanabilmektedir (13; 14). Coleman ve Murray (15), 2216 nm dalga boyunda odaklanan spektrum bölgelerinin rumen fermantasyonu esnasında sindirilen kaba yem bileşenleri ile ilişkili olduğunu saptamıştır. Bu bölgeler şekerler, nişasta ve selüloz gibi -OH gruplarına sahip olan bileşikler için karakteristiktir. Aynı çalışmada 2306, 2346 ve 2382 nm spektrum bölgelerinin rumen fermantasyonu esnasında sindirilmeyen kaba yem bileşenleri (lignin, sindirilemeyen hücre duvarı bileşenleri ve kütikülar mumlar) ile ilişkili olduğu belirlenmiştir.
Her ne kadar FNIRS yöntemi tüm hayvan yetiştiricilik biçimlerinde kullanılabilirse de özellikle otlayan hayvanlarda çok fazla önem taşımaktadır. Çünkü çayır-meralarda otlayan hayvanların tükettikleri kaba yem miktarı ve çeşidi doğru bir şekilde belirlenememektedir. Bu nedenle çayır-mera otlarının besin madde analizleri otlayan hayvanların diyet kalitesinin belirlenmesinde pek faydalı sonuç verememektedir. Halbuki, diyetlerin sindirilemeyen kısımlarının (atıklarının) kimyasal kompozisyonu tüketilen kaba yemlerin kimyasal kompozisyonu ile yakın benzerlik içerisindedir ve bu nedenle dışkı diyetin özellikleri hakkında kapsamlı bilgiler sağlayabilmektedir (16). Bu nedenle FNIRS analizi diyetin özelliklerinin belirlenmesinde çok etkili bir araç olarak karşımıza çıkmaktadır. Diyetlerin kimyasal (besin madde içerikleri) ve fonksiyonel (sindirilebilirlik ve yem tüketimi vb) niteliklerinin tahmininde kullanılacak FNIRS kalibrasyon eşitliklerinin geliştirilebilmesi için dışkı örneklerinin NIR spektrumuyla eşleşecek ilgili diyetsel özelliklerin (referans değerler) belirlenmesi gerekmektedir. Söz konusu referans değerler in vitro analizler yanında in vivo denemelerden de elde edilebilmektedir (17). Decruyenaere ve ark. (11), çayır otunun organik madde sindirilebilirliğinin (OMS) belirlenmesinde FNIRS ve fekal nitrojen indikatör (FNI) yöntemlerinin etkinlik derecelerinin karşılaştırılması amacı ile yürüttükleri çalışmada OMS değerlerini FNIRS ve FNI yöntemlerinde, sırasıyla, 0.689 ve 0.773 olarak belirlemişler ve bu 2 yöntemin arasında önemli derecede korelasyon bulunduğunu (r=0.61) ortaya koymuşlardır. Araştırıcılar bu bilgiler ışığında çayır otlarının sindirilebilirliğinin FNIRS yöntemiyle yüksek derecede etkinlikle ve hızlı bir şekilde belirlenebileceğini ileri sürmüşlerdir. Leite ve ark. (9), serbest otlayan keçilerde diyet kalitesinin tahmin edilmesinde FNIRS yönteminin oldukça etkin olduğunu ileri sürmüşlerdir. Söz konusu çalışmada %40.9 ve 71.8 arasında değişen SOM değerlerine sahip olan toplam 86 örneklik kalibrasyon setinden faydalanılarak geliştirilen sindirebilir organik madde (SOM) kalibrasyon ve validasyon (doğrulama) eşitlikleri için saptanan belirleme katsayılarının (sırasıyla R2= 0.93 ve R2= 0.91) oldukça yüksek olduğu görülmektedir. Kalibrasyon ve validasyon eşitlikleri için belirlenen standart hata değerleri (sırasıyla 2.02 ve 2.12) yüksek düzeyde doğruluk (isabet) derecesini işaret etmektedir. Lyons ve Stuth (4), FNIRS analizinde özafagal kanüllü et sığırlarından elde ettikleri verileri kalibrasyon amacı ile kullanmış ve OMS için determinasyon katsayısı (R2) ve standart hata değerlerini (SEK) sırasıyla 0.80 ve % 1.6 olarak belirlemiştir. Farklı araştırıcılar tarafından saptanan bazı diyetsel özelliklerin FNIRS yöntemiyle tahminlerine dair parametreler Stuth ve ark. (5) tarafından derlenmiştir (Tablo 1).
Sonuç
Ruminantların beslenmesinde kullanılan başta kaba yemler olmak üzere tüm yem kaynaklarının sindirilebilirlik derecelerinin belirlenmesinde FNIRS teknolojisinin kayda değer bir potansiyele sahip olduğu görülmektedir. Bu teknoloji tüm hayvancılık yetiştirme sistemlerinde kullanılabilmekle birlikte özellikle serbest otlayan ruminantların söz konusu olması durumunda daha fazla ön plana çıkmaktadır. Çünkü, serbest otlayan hayvanlarca tüketilen çayır-mera bitkilerinin OMS ve KMS değerlerinin klasik in vivo ve in vitro teknikler kullanılarak doğru ve güvenilir bir şekilde belirlenmesi mümkün değildir. Bu konudaki eksikliği gidermek amacı ile özafagal kanüllü hayvanların kullanılması da hayvan refahı açısından uygun bulunmamaktadır. Bunun yanında, FNIRS teknolojisi diğer tekniklere göre hızlı sonuç vermesi, yem kaynaklarının analizinde yoğun bir ön işleme ihtiyaç duymaması, büyük ölçekli örneklemeye imkan vermesi, kalibrasyon aşaması dışında kimyasal analizlere ihtiyaç duymaması, tek bir örneğin taranmasıyla birden fazla bileşenin (besin maddesinin) belirlenmesine imkan vermesi, dışkı örneklerinin toplanmasının kolay olması gibi avantajlara sahiptir.
Tablo 1. Bazı diyetsel özelliklerin FNIRS yöntemiyle tahminlerine ait parametreler
Hayvan türü R2 SEK
In vitro OMS Sığır 0.69 1.66
In vitro OMS Sığır 0.80 1.75
In vitro OMS Sığır 0.93 2.02
In vitro OMS Sığır 0,83 3.39
In vitro OMS Sığır 0.90 3.02
In vitro OMS Sığır 0.90 1.90
İn vivo KMS Koyun 0.94 2.26
In vitro OMS Koyun 0.94 2.26
İn vivo KMS Keçi 0.95 2.86
İn vivo KMS Keçi 0.95 2.44
OMS: Organik madde sindirebilirliği; KMS: kuru madde sindirebilirliği; SEK: Kalibrasyon eşitliği standart hatası; R2 :Belirleme (determinasyon) katsayısı
Kaynaklar
Volesky, J.D., Coleman, W.S. 1996. Estimation of botanical composition of esophageal extrusa samples using near infrared reflectance spectroscopy. J.Range. Manage. 49: 163-166.
Fanchone, A., Archimede, H., Boval, M. 2009. Comparison of Fecal Crude Protein and Fecal Near- infrared Reflectance spectroscopy to Predict Digestibility of Fresh Grass Consumed by Sheep. J.Anim.Sci., 87:236-243.
Holecheck, J.L., Vavra, M., Pieper, R.D. 1982. Methods for Determining the Nutritive Quality of Range Ruminant Diets: a Review. J.Anim. Sci., 54: 363-376.
Lyons R.K., Stuth, J.W. 1992. Fecal NIRS equations for predicting diet quality of free-ranging cattle. J.Range Manage. 45, 238-244.
Stuth, J., Jama, A., Tolleson, D. 2003. Direct and Indirect Means of Predicting Forage Quality through Near Infrared Reflectance Spectroscopy. Field Crops Research, 84: 45-56.
Boval, M., Archimede, H., Fleury, J., Xande, A. 2003. The ability of faecal nitrogen to predict digestibility for goats and sheep fed with tropical herbage. J.Agric.Sci. 140: 443-450.
Landau, S., Glasser, T., Dvash, L. 2006. Monitoring nutrition in small ruminants with the aid of near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) technology: A Review. Small Rumin. Res. 61:1-11.
Coates, D.B.2000. Faecal NIRS-what does it offer today’s grazier? Tropical Grasslands, 34, 230-239.
Leite, E.R., Stuth, J.W. 1995. Fecal NIRS Equtions to Assess Diet Quality of Free-ranging goats. Small Ruminat Research, 15, 223-230.
Allen, J.D., Tolleson, D.R., Hall, L.W., Burrows, C.D., Xie, G., Duff, G.C. 2010. Use of a portable near-infrared spectrophotometer to predict nutrient composition of feces from Holstein cattle fed high-concentrate diets. Proceedings, Western Section, American Society of Animal Science, Vol. 61.
Decruyenaere, V., Froidmont, E., bartiaux-Thill, N., Buldgen, A., Stilmant, D. 2012. Faecal near-infrared reflectance spectroscopy (NIRS) compared with other techniques for estimating the in vivo digsetibility and dry matter intake of lactating grazing dairy cows. Animal feed Sci. and Tech., 173, 220-234.
Dixon, R., Coates, D. J. Near Infrared Spectroscopy of faeces to evaluate the nutrition and physiology of herbivores. Near Infrared Spectroscopy. 17, 1-31.
Barton, F.E., Wolsink, J.H., Vedder, H.M. 1986. Near infrared reflectance spectroscopy of untreated and ammoniated barley straw. Anim. Feed Sci. Technol. 15, 189.
Givens, D.I., Baker, C.W., Zamine, B. 1992. Regions of normalised near infrared reflectance difference spectra related to the rumen digestion of straws. Anim. Feed Sci. Technol. 36, 1 .
Coleman, S.W., Murray, I. 1993. The use of near infrared reflectance spectroscopy to define nutrient digestion of hay by cattle”, Anim. Feed Sci. Technol. 44, 237.
Boval, M., Coates, D.B., Leconte, P., Decruyenaere, Archimede, H. 2004. Faecal near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) to assess chemical composition, in vivo digestibility and intake of tropical grass by Ceole cattle. Anim. Feed Sci. Technol. 114, 19-29.
Stilmant, D., Lecomte, P., Decruyenaere, V. Limbourg, V., Dardenne, P. 1999. Approach on a continious description of daily weight gain of grazing bulls related to NIR predictions of intake and quality of the grass .In:Proceedings of the fifth International Symposium of Nutrition of Herbivores, 11-16 April, San Antonio,TX. http://cnrit.tamu.edu/conf/isnb/.