Upgrading plant ingredients in feed for salmonids by thermo-mechanical treatment and acid salts

Abstract

Inclusion of plant ingredients in diets for salmonids is restricted due to low energy contents, unbalanced amino acid (AA) composition and presence of antinutritional factors (ANF). The objective of this thesis was to investigate methods for improving the nutritional and physical quality of plant ingredients in diets for salmonids by use of thermomechanical treatment and supplemental organic acid salts. Diets containing plant ingredients derived from soybeans or barley were exposed to thermo-mechanical treatment at different temperatures by (1) expander pretreatment, (2) extrusion and (3) autoclaving, with or without the supplementation of 12 g kg-1 potassium diformate (KDF) or 10.6 g kg-1 sodium diformate (NaDF). Nutritional quality was evaluated by the content of dietary AA, available lysine and trypsin inhibitor activity (TIA), as well as in vivo apparent digestibility in Atlantic salmon (Salmo salar), rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) and mink (Neovison vison). In addition, a two-step in vitro gastrointestinal model (GIM) was used to assess protein solubility and bioavailability of AA by use of digestive enzymes from Atlantic salmon. Physical quality of extruded diets was evaluated by measuring hardness, expansion ratio, durability and water stability index (WSI). Expander pretreatment of full-fat soybean meal (FFSBM) at 100 and 120 ºC improved (P<0.05) the digestibility of arginine, glutamine and tyrosine in Atlantic salmon. The higher digestibility of expander pretreated FFSBM was confirmed in mink. The improved digestibility of AA in Atlantic salmon and mink by expander pretreatment of FFSBM coincided with the reduction in dietary TIA. Extrusion of diets containing toasted soybean meal (SBM) at 150 ºC improved (P<0.05) the digestibility of crude protein (CP) and several individual AA in Atlantic salmon compared to extrusion at 110 ºC. Similar findings were observed for diets containing barley protein concentrate (BPC) when fed to rainbow trout. Extrusion at 141 ºC improved (P<0.05) the digestibility of starch, CP, arginine and several dispensable AA, but reduced (P<0.01) the digestibility of phenylalanine compared to extrusion at 110 ºC. The improved digestibility of protein and AA in rainbow trout with increasing extrusion temperatures was associated with higher availability of lysine in diets extruded at 141 ºC. Heat treatment at 130 ºC by autoclaving reduced the dietary AA content (P<0.05), the in vivo digestibility of CP and all individual AA in mink, as well as the in vitro bioavailability of AA (P<0.01) compared to heat treatment at 100 ºC. The adverse effects of heat treatment at long treatment times on the nutritional quality of diets were also shown by reductions in dietary contents of reactive and available lysine (P<0.001), protein solubility (P<0.01) and increased browning (P<0.001). Supplementation of KDF to FFSBM and SBM diets did generally not (P>0.1) affect nutrient digestibility in Atlantic salmon and mink, whereas supplementation of NaDF improved (P<0.05) the digestibility of most major nutrients and individual AA in rainbow trout. Addition of NaDF did not (P>0.1) affect the digestibility of CP or individual AA in mink. Physical quality of the extruded diets was affected by both extrusion temperature and supplementation of organic acid salts. Increased pellet expansion was observed in diets with soybeans processed by expander pretreatment and increasing extrusion temperatures, while supplemental KDF reduced pellet expansion. In diets with BPC, increasing extrusion temperatures improved pellet durability. Addition of NaDF improved the expansion ratio, durability and WSI compared to diets without NaDF. The improved digestibility of plant proteins in salmonids by thermo-mechanical treatment at increasing temperatures is explained by a reduction in heat-labile ANF concurrent with higher availability of AA, as a result of denaturation and structural unfolding of protein molecules. The negative effects of increasing temperatures in combination with long treatment times in the autoclave on digestibility of CP and AA in mink was explained by a reduction in AA availability. Supplementation of acid salts did not consistently improve the digestibility of plant ingredients in salmonids and did not protect the protein from heat-induced damage during prolonged heat treatment. The lack of consistency remains unclear and requires further investigation. Both increasing temperatures during extrusion and supplementation of acid salts affected the physical quality of the feeds. The improved physical quality by supplemental acid salts indicates increased binding of feed particles.

Inkludering av planteråvarer i fôr til laksefisk er begrenset på grunn av lavt energiinnhold, ubalansert aminosyresammensetning og innhold av antinæringsstoffer. Formålet med denne avhandlingen var å undersøke metoder for å forbedre ernæringsmessig- og fysisk kvalitet av planteråvarer i fôr til laksefisk ved bruk av termomekanisk behandling og tilsetning av organiske syresalter. Fôr som inneholdt planteråvarer fra soyabønner eller bygg ble eksponert for termomekanisk behandling ved ulike temperaturer under (1) ekspanderforbehandling, (2) ekstrudering og (3) autoklavering, med eller uten tilsetning av 12 g kg-1 kalium diformiat (KDF) eller 10.6 g kg-1 natrium diformiat (NaDF). Ernæringsmessig kvalitet ble evaluert som aminosyreinnhold i fôret, tilgjengelig lysin og trypsininhibitor-aktivitet (TIA), samt in vivo apparent fordøyelighet i Atlantisk laks (Salmo salar), regnbueørret (Oncorhynchus mykiss) og mink (Neovison vison). En tostegs in vitro fordøyelighetsmodell (GIM) ble i tillegg brukt for å vurdere proteinløselighet og biotilgjengelighet av aminosyrer ved bruk av fordøyelsesenzymer fra Atlantisk laks. Fysisk kvalitet av de ekstruderte fôrene ble vurdert ved å måle hardhet, ekspansjon, durabilitet og vannstabilitetsindeks (WSI). Ekspanderforbehandling av fullfett soyamel (FFSBM) ved 100 og 120 ºC ga økt (P<0.05) fordøyelighet av arginin, glutamin og tyrosin hos Atlantisk laks. Den høyere fordøyeligheten av ekspanderforbehandlet FFSBM ble bekreftet i mink. Den økte fordøyeligheten av aminosyrer i Atlantisk laks og mink ved ekspanderforbehandling av FFSBM var sammenfallende med reduksjon av TIA i fôret. Ekstrudering av dietter som inneholdt varmebehandlet og avfetta soyamel (SBM) ved 150 ºC ga forbedret (P<0.05) fordøyelighet av råprotein og flere individuelle aminosyrer sammenliknet med ekstrudering ved 110 ºC. Liknende resultater ble observert da dietter med byggproteinkonsentrat (BPC) ble fôret til regnbueørret. Ekstrudering ved 141 ºC ga en høyere (P<0.05) fordøyelighet av stivelse, råprotein, arginin og flere ikke-essensielle aminosyrer, men resulterte i redusert (P<0.01) fordøyelighet av fenylalanin sammenliknet med ekstrudering ved 141 ºC. Varmebehandling ved autoklavering på 130 ºC ga redusert innhold av aminosyrer i fôret (P<0.05), redusert in vivo fordøyelighet av råprotein og alle essensielle aminosyrer i mink, samt redusert in vitro biotilgjengelighet av aminosyrer (P<0.01) sammenliknet med varmebehandling ved 100 ºC. De negative effektene av varmebehandling og lang behandlingstid på ernæringsmessig kvalitet på fôret ble også vist ved reduksjoner i fôrets innhold av reaktivt og tilgjengelig lysin (P<0.001), redusert proteinløselighet (P<0.01) og økt bruning (P<0.001). Tilsetning av KDF til fôr med FFSBM og SBM ga generelt ingen (P>0.1) effekt på fordøyeligheten av næringsstoff hos Atlantisk laks og mink, mens tilsetning av NaDF ga en forbedret (P<0.05) fordøyelighet av de fleste hovednæringsstoffer og aminosyrer hos regnbueørret. Tilsetning av NaDF påvirket ikke (P>0.1) fordøyeligheten av råprotein eller individuelle aminosyrer hos mink. Fysisk kvalitet av det ekstruderte fôret ble påvirket av både ekstruderingstemperatur og syresalter. Ekspanderforbehandling og økt ekstruderingstemperatur ga økt ekspansjon av fôr som inneholdt soya, mens tilsetning av KDF ga redusert ekspansjon. Økende ekstruderingstemperatur ga forbedret durabilitet av fôr med BPC, mens tilsetning av NaDF ga økt ekspansjon, durabilitet og WSI sammenliknet med fôr uten NaDF. Forbedringen av fordøyeligheten av planteråvarer hos laksefisk ved bruk av termomekanisk behandling med økte temperaturer er forklart ved en reduksjon i varmelabile antinæringsstoff, samtidig med økt tilgjengelighet av aminosyrer som et resultat av denaturering og åpning av proteinstrukturer. Negative effekter av økende temperatur i kombinasjon med lang behandlingstid under autoklavering på fordøyeligheten av råprotein og aminosyrer er forklart ved redusert aminosyretilgjengelighet. Tilsetning av syresalter ga variable resultater på fordøyeligheten av planteråvarer hos laksefisk. Årsaken til dette er fortsatt uklart og krever videre undersøkelser. Både økende temperaturer under ekstrudering og tilsetning av syresalter påvirket fysisk kvalitet på fôret. Forbedringen i fysisk kvalitet ved tilsetning av syresalter indikerer en økt binding mellom fôrpartikler.