Influence of cow diet on nutritional profile of milk and dairy products and effects on alterations of human gut microbiota by an in vitro digestion model

Health-conscious consumers are demanding milk with higher proportions of healthy fatty acids as polyunsatured fatty acids (PUFA), and lower proportion of saturated fatty acids (SFA). Milk and dairy products contribute significantly to the consumption of essential nutrients in human populations. Despite its important roles in human nutrition, consumption of milk has declined, because nutritional guidelines have limited capita consumption of SFA, which to a significant proportion originate from milk and dairy products (USDA and HHS, 2010). A strategy to improve the FA profile of milk and dairy products is the supplementation of cow’s diet with oilseeds, which decrease the proportion of SFA, by decreasing de novo FA synthesis in the mammary gland. Feeding flaxseed to dairy cows decreases the concentrations of short-chain fatty acids and medium chain fatty acids and increases the long-chain fatty acid content in milk fat. However, oilseeds, and in particular flaxseed, have a very high costs that discourage farmers in their utilization. It’s necessary, therefore to find a compromise between costs and the right amount to be administered in the diet to the animals to ameliorate milk yield and composition. In Italy, about 80% of dairy farms produce milk of Friesian cows both for direct consumption and for cheese production. Jersey breed and it has been used to improve the efficiency of the cheesemaking sector in different part of the world, and is characterized by improved longevity, superior udder health, higher cheese yield, reduced feed and water requirement. The gastrointestinal tract constitutes the body’s largest interface with the external environment and is exposed to a vast amount of foreign material, including pathogenic and commensal bacteria, as well as food antigens. Oral tolerance is an important property of the gut immune system; intestinal homeostasis requires balanced interactions between the gut microbiota, dietary antigens. At birth, we are colonized with a complex community of microbes that reaches up to a density of 1 × 1012 bacterial cells per grams of content in the adult colon. These microbes live in a symbiotic relationship with the host and they are determinants in health and disease influencing nutrient absorption, barrier function and immune development. On the basis of the previous considerations and considering that oil seeds are expensive and many farmers are reluctant to use them the aims of this PhD thesis are: 1. trying to reduce the daily amount of flaxseed administered to animals in order to increase the content of polyunsaturated fatty acids in milk at the expense of saturated fatty acids, and to encourage its utilization by farmers as supplements to dairy cows with a reduction of management costs; 2. testing the effects of flaxseed administration on two different dairy cows breeds: Friesian and Jersey; 3. evaluating the transferring of polyunsaturated fatty acids in two different dairy products (Caciotta vs Caciocavallo) at different ripening time; 4. evaluating the effects of dairy products naturally enriched in polyunsaturated fatty acids on human health by an in vitro digestion model with the evaluation of changes in: a) fatty acid profile of dairy products after in vitro digestion; b) short chain fatty acids (SCFA) produced by gut microbiota; c) changes in gut microbiota populations by fecal fermentation followed by pyrosequencing. The higher milk content of C18:3n3 in milk suggests that the reduction in the amount of flaxseed supplementation can also improve milk fatty acid profile with a consistent reduction of production costs; however, Friesian and Jersey cows replied differently to the same flaxseed supplementation; Polyunsatured fatty acids are transferred into dairy products, especially in Caciotta cheese, suggesting that probably the different cheese making influenced the transferring. After in vitro digestion, fatty acids remain in the digest; their presence can have beneficial effects on the gastrointestinal tract and consequently on human health. Moreover the presence and the amount of short chain fatty acids (SCFA) could suggest some changes of microbiological populations that could have beneficial effects on human health.

I consumatori richiedono costantemente la presenza sul mercato di alimenti salutistici, che in termini di latte e prodotti lattiero-caseari si traducono in un latte con percentuali più elevate di acidi grassi “sani” come gli acidi grassi polinsaturi (PUFA), ed una più bassa percentuale di acidi grassi saturi (SFA). Il latte e prodotti lattiero-caseari contribuiscono in modo significativo all’assorbimento di sostanze nutritive essenziali nella dieta. Nonostante ciò, il consumo di latte ha fatto registrare un’inflessione a causa delle linee guida nutrizionali che suggeriscono di limitare il consumo pro capite di SFA, che per una parte significativa provengono da latte e derivati (USDA e HHS, 2010). Una strategia per migliorare il profilo di FA di latte e prodotti lattiero-caseari è l'integrazione della dieta bovina con semi oleaginosi, che diminuiscono la percentuale di SFA nel latte, diminuendo la sintesi de novo di FA nella ghiandola mammaria. Da precedenti sperimentazioni emerge che la supplementazione di semi di lino nella dieta delle bovine da latte riduce le concentrazioni di acidi grassi a corta catena corta e acidi grassi a media catena, ed aumenta il contenuto di acidi grassi a lunga catena nel grasso del latte. Tuttavia, l’inclusione dei semi oleaginosi, in particolare dei semi di lino, nella dieta della vacca da latte, scoraggia gli allevatori dal loro utilizzo, a causa del costo molto elevato. É necessario, quindi, trovare un compromesso tra costi aggiuntivi stimati e la giusta quantità di semi oleaginosi da somministrare nella dieta degli animali per migliorare la produzione di latte e la sua composizione. In Italia, circa l'80% delle aziende lattiero-casearie utilizza vacche di razza Frisona per la produzione lattea da destinare sia al consumo diretto che alla produzione di formaggio. Le bovine di razza Jersey vengono utilizzate per migliorare l'efficienza del settore della produzione di formaggio in diverse parti del mondo. Il tratto gastrointestinale costituisce la più grande interfaccia del corpo con l'ambiente esterno ed è esposto ad una grande quantità di materiale estraneo, inclusi batteri patogeni e commensali, così come antigeni alimentari. La tolleranza orale è una proprietà importante del sistema immunitario intestinale; l’omeostasi intestinale richiede interazioni equilibrate tra il microbiota intestinale e gli antigeni alimentari. Alla nascita, siamo colonizzati da una complessa comunità di cellule mcrobiche che arriva fino a una densità di 1 × 1012 cellule batteriche per grammo di microbi contenuti nel colon adulto. Queste cellule microbiche vivono in una relazione simbiotica con l'ospite e sono determinanti in materia di salute e di malattia, influenzando l'assorbimento dei nutrienti, la funzione di barriera e lo sviluppo del sistema immunitario. Sulla base delle considerazioni precedenti gli scopi del presente lavoro di tesi sono: 1. cercare di ridurre la quantità giornaliera di semi di lino somministrati agli animali per incoraggiare il loro utilizzo da parte degli allevatori per aumentare il contenuto di acidi grassi polinsaturi nel latte a scapito degli acidi grassi saturi con una connotazione salutistica del latte prodotto; 2. testare gli effetti della somministrazione di semi di lino su due diverse razze da latte: Frisona e Jersey; 3. valutare il trasferimento di acidi grassi polinsaturi in due diversi prodotti lattiero-caseari (Caciotta vs Caciocavallo) con tempi di stagionatura diversi; 4. valutare gli effetti dei prodotti lattiero-caseari naturalmente arricchiti in acidi grassi polinsaturi sulla salute umana di un modello di digestione in vitro con la valutazione di: a) variazioni di profilo degli acidi grassi di prodotti lattiero-caseari dopo la digestione in vitro; b) acidi grassi a catena corta (SCFA) prodotti dal gut microbiota; c) variazioni della flora intestinale tramite fermentazione fecale seguito da pirosequenziamento. Dai risultati ottenuti il contenuto elevato di latte C18:3n3 nel latte suggerisce che la riduzione della quantità di supplementazione di semi di lino nella dieta delle bovine può migliorare latte profilo di acidi grassi con una consistente riduzione dei costi di produzione; le razze sottoposet alla sperimentazione, Frisona e Jersey hanno risposto in modo diverso alla stessa supplementazione di semi di lino. Gli acidi grassi polinsaturi sono stati trasferiti nei prodotti lattiero caseari, soprattutto nella Caciotta, suggerendo un ruolo determinante del protocollo di caseificazione nel trasferimento della tipologia di acido grasso della dieta. Dopo la digestione in vitro, gli acidi grassi rimangono nel digerito gastro-intestinale; la loro presenza può avere effetti benefici sul tratto gastrointestinale e di conseguenza sulla salute umana. Inoltre la presenza e la quantità di acidi grassi a catena corta (SCFA) ritrovata nei fermentati fecali suggeriscono alcuni cambiamenti delle popolazioni microbiche indotte dalla presenza dei prodotti lattiero caseari sperimentali, lasciando intravedere importanti effetti benefici sulla salute umana.