Modeling digestion in the growing pig
Modélisation de la digestion chez le porc en croissance
Résumé
The applications for mechanistic modelling in the field of animal sciences are numerous, and are as important for practical purposes as for research and teaching. One of its most important possibilities is the prediction of the laws of response of the animal to its environment. This approach allows growth, quality of products, excretion, etc. to be taken into account simultaneously even in non-standard conditions. In the pig, most of the models published to date concern the growth of animals. These models include the main determining factors for the partition of nutrients between the functions of maintenance and growth, but the digestive step is generally not described. Besides, the time step considered is most often one day, which does not allow satisfactory modelling of metabolism since the dynamics of nutrient supply can be of importance. Some models describe in part aspects of digestion (gastric emptying, transit, degradations) but no one covers this function as a whole. A simple model of digestion in the pig was developed from data available in literature. lt includes four anatomical compartments (stomach, two portions of small intestine, large intestine) between which the transit of digesta is represented. ln these anatomical compartments, the main digestive events (degradation, absorption, endogenous secretion) are described for the various fractions of digesta (proteins, starch, triglycerides, dietary fibre, minerals). In addition, microbial fermentation is taken into account in the large intestine. The total number of compartments is 44. The time step used is 1 minute. Thus, the model allows the simulation of the evolution of the level and composition of each anatomical compartment with time, as well as the kinetics of absorption of nutrients. The comparison of the outputs of the model with data from literature shows that the general behavior of the model is sound. Its structure can be used as a basis for further developments and could take into account additional variation factors of digestive processes. An application of this model is the study of endogenous nitrogen secretion. Data from the literature on endogenous nitrogen flow at the ileum are quite variable and sometimes contradictory. This parameter is though essential for the interpretation of ileal amino acid digestibility results. A quantitative study performed on about one hundred published results shows that some major variation factors such as feeding level or fibre content of feed can be identified and quantified when the effects of experimental procedures are taken into account. The amino acid profile of endogenous protein flow at the ileum is less variable and an estimation of the non specific part of endogenous secretions is proposed. A complementary approach was to list the various sources of endogenous nitrogen supply in the gut, and to adapt the model of digestion to represent the transit, the degradation and the absorption. The results are in agreement with the trends of the quantitative literature review. Moreover, the simulation allows an estimation of some factors which are difficult to measure in experiments: kinetics of absorption of endogenous amino acids, follow up through time of the quantities of proteins of endogenous origin at the different levels of intestine. Some perspectives for development and improvement of this type of model are then discussed : how to maintain a simple representation of transit that accounts as precisely as possible for the kinetics of digestive events, and particularly of the minimum time of transit through the small intestine; to what extent can a model of digestion be of use in the prediction of feed digestibility, what are the perspectives for the use of such an approach in growth models and metabolism models, and in excretion modelling.
Les possibilités d'application de la modélisation mécaniste en sciences animales sont nombreuses, autant dans la pratique que pour la recherche et l'enseignement. L'une des potentialités importantes est la prédiction des lois de réponse de l'animal à son environnement. Cette approche permet la prise en compte simultanée de la croissance, la qualité des produits, l'excrétion, etc. y compris dans des conditions non standard. Chez le porc, la plupart des modèles publiés à ce jour concernent la croissance des animaux. Ces modèles intègrent les principaux déterminants de la partition des nutriments entre les fonctions d'entretien et de croissance, mais la prise en compte de l'étape digestive est peu détaillée. En outre, le pas de temps considéré est généralement la journée, ce qui ne permet pas une modélisation satisfaisante du métabolisme puisque la dynamique des apports alimentaires peut être importante. Quelques modèles décrivent partiellement certains aspects de la digestion (évacuation gastrique, transit, dégradations), mais aucun ne couvre l'ensemble de cette fonction. Un modèle simple de la digestion chez le porc a été élaboré à partir des données disponibles dans la bibliographie. Il comporte quatre compartiments anatomiques (estomac, 2 portions d'intestin grêle, gros intestin) entre lesquels le transit des digesta est représenté. Dans ces compartiments, les principaux événements digestifs (dégradations, absorption, sécrétions endogènes) sont décrits pour les différentes fractions (protéines, amidon, triglycérides, fibres, minéraux). En outre, les fermentations microbiennes sont prises en compte dans le gros intestin. Le nombre total de compartiments est de 44. Le pas de temps utilisé étant de 1 min., le modèle permet de simuler l'évolution du niveau et de la composition de chaque compartiment au cours du temps, ainsi que la cinétique d'absorption des nutriments. La comparaison des sorties du modèle avec des résultats de la bibliographie montre que le comportement global du modèle est cohérent. La structure proposée peut servir de base pour des développements ultérieurs et la prise en compte de nouveaux facteurs de variation de la digestion. Une application du modèle est l'étude de la sécrétion endogène d'azote. La littérature comporte des résultats variables et parfois contradictoires sur le passage d'azote d'origine endogène à l'iléon. Ce paramètre est important pour l'interprétation des données de digestibilité iléale des acides aminés. Une étude quantitative sur une centaine de résultats publiés montre toutefois que certains grands facteurs de variation (niveau d'ingestion, teneur en NDF) peuvent être identifiés et quantifiés en prenant en compte les différences dues aux techniques d'investigation. Le profil des protéines endogènes passant à l'iléon est par contre moins variable et une estimation de la partie de l'endogène non spécifique à l'aliment est proposée. Une approche complémentaire a consisté à recenser les sources d'apport de l'azote endogène dans le tube digestif et à adapter notre modèle de digestion pour en suivre le transit, la dégradation et l'absorption. Les résultats permettent de retrouver un certain nombre de résultats de la compilation bibliographique. De plus, la simulation donne une estimation de grandeurs difficilement mesurables expérimentalement : cinétique de l'absorption des acides aminés d'origine endogène, suivi dans le temps des quantités de protéines endogènes présentes aux différents niveaux de l'intestin. Des perspectives de développement et d'amélioration de ce type de modèle sont ensuite discutées : comment conserver une représentation simple du transit qui rende compte le plus précisément possible de la cinétique des événements en en particulier du temps minimal nécessaire au franchissement de l'intestin grêle; dans quelle mesure un modèle de digestion peut-il servir à la prédiction de la digestibilité des aliments; quelles sont les perspectives d'utilisation de cette approche dans des modèles de croissance et de métabolisme des animaux, et dans la modélisation de l'excrétion.
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Bastianelli_these_modelisation_digestion_porc_1996.pdf (40.67 Mo)
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