Hydrolysis of Atlantic salmon (Salmo salar) rest raw materials : influence of process conditions and evaluation of hydrolysate in diets for broiler chickens and piglets

Abstract

Annually Norway produces 1.3 million tons of Atlantic salmon and the levels of production are still rising. After withdrawal of eviscerated fish and filet, 336 000 tons of rest raw material are available for further processing. About 50% of the rest raw material from aquaculture in Norway is used to produce a semisolid fluid called salmon-silage supplying the animal feed industry, where it is known to be rich in marine proteins and oil. It is however possible to increase the value of this rest raw material by milder processes e.g. enzymatic hydrolysis, allowing to recover proteins and extract oil in order to supply the market with higher value products with desired features. The general goal when utilizing rest raw material from aquaculture is to exploit valuable marine proteins and oil, and increase the sustainability in both aquaculture and livestock production. The enzymatic hydrolysis process is achieved by activity of enzymes at certain temperature for a defined time. During the hydrolysis process, smaller peptides and free amino acids are formed and solubilized in an aqueous phase called salmon protein hydrolysate (SPH). Hydrolysates containing peptides are shown to be more efficiently absorbed in the small intestine in comparison to both intact protein and free amino acids. In addition, hydrolysates from marine sources have good functional and bioactive properties. Broiler chickens and piglets are more prone to small intestinal dysfunction linked to retarded growth and enteric diseases the first 14 days, post-hatch and post-weaning respectively. Traditionally in Norway, fishmeal is used during these periods, as the content of easily digestible protein with a well-balanced amino acid composition is high in fishmeal. The content of peptides in the hydrolysates are thought to improve intestinal function and intestinal health that are important for high utilization of feed, improved growth and disease resistance. The overall aim of this study was to develop protein feed ingredient(s) from Atlantic salmon rest raw materials with higher nutritional value than fishmeal for inclusion in feed formulations for broiler chickens and piglets. One experiment evaluated the influence of process conditions during hydrolysis of salmon rest raw material on hydrolysate yield and composition, while two other experiments evaluated the influence of salmon protein hydrolysate in diets for broiler chickens and piglets on growth performance, intestinal morphometry, and ileal microbiota (piglets only). This study has shown that unstable and traditionally low value viscera-containing raw materials are possible to utilize in an effective way when care is taken during the whole process from slaughter to hydrolysis. Two different starting materials were used as substrates for enzymatic hydrolysis, in addition, initial oil withdrawal and initial heat inactivation of the endogenous enzymes were performed on one starting material. We found that the composition of starting material reflected the proximal composition of the hydrolysate, as high lipid content in the raw material tended to increase the lipid content in the hydrolysate at the expense of crude protein content. Initial heat inactivation of the endogenous enzymes dramatically influenced the yield, as no hydrolysis seemed to take place after the addition of papain and bromelain. Mild thermal treatment (40°C) to facilitate oil withdrawal before hydrolysis of viscera with addition of papain and bromelain, resulted in high quality of the withdrawn oil, and no significant difference in SPH yield or protein recovery. Small differences were observed in the SPH on yield, protein recovery, the degree of hydrolysis, amino acid composition, nutritional value or number of different bioactive peptides detected when the commercial enzymes, Protamex and papain plus bromelain, were used on the same starting material. Additionally, hydrolysates from hydrolysis of viscera with only endogenous enzymes performed similarly to the afore-mentioned measures, but contained more lipids and was more bitter in comparison to hydrolysates from viscera obtained by addition of commercial enzymes. In the broiler chicken experiment, two hydrolysates from viscera were produced, one by use of only endogenous enzymes and one with the addition of the commercial enzymes papain plus bromelain in mixture. The hydrolysates were included with 5% and 10% (50% and 100% exchange for fishmeal protein) in both the starter and grower diets for broiler chickens. In addition, one fishmeal diet (FM) and one plant protein-based diet (PP) were included as controls. Inclusion of SPH in the starter diet significantly increased the average daily gain (ADG) in comparison to the control diets (FM and PP). Morphometric analysis, at day 10, showed increased duodenal villus height and tendencies to increased ileal villus height and villus absorption area when marine proteins were included in the diets in comparison to the plant protein-based diet. The improved small intestinal development may favor growth performance at older ages, which corresponds well to the observed increase of ADG in broiler chickens fed marine protein diets in comparison to the PP diet during the grower period. In the piglet experiment, two hydrolysates were produced without addition of commercial enzymes, one from viscera and one from a mixture of viscera, heads and frames. Two diets were included 10% SPH in exchange for fishmeal protein, one diet was included fishmeal (FM) and one diet was based on plant protein (PP). Piglets did not show differences in growth performance during the first 11 days or for the overall period for any of the diets. In addition, only small differences were detected in the ileal microbiota community, although, an inverse correlation was shown between the genera Turicibacter and Lactobacillus, which together comprised most of the ileal bacterial genera. The piglets fed diets containing marine proteins showed increased duodenal villus absorption area and tendencies to increased duodenal villus height at day 11, in comparison to piglets fed the PP diet. In both broiler chickens and piglets we found a significant positive correlation between duodenal villus height and ADG during the first 10 days post-hatch and 11 days post-weaning, respectively, indicating the importance of intestinal development and maintenance in both broiler chickens and piglets for growth performance. In conclusion, enzymatic hydrolysis seem to be a feasible way to extract nutritional valuable proteins and peptides from Atlantic salmon rest raw materials. Salmon protein hydrolysates are found to be an excellent novel source of proteins with high nutritional value and potentially positive effects on intestinal development and maintenance.

Norge har en økende produksjon av Atlantisk laks og produserer årlig 1,3 millioner tonn. Etter sløying og filetering er 336 000 tonn restråstoff tilgjengelig for videre bearbeidelse. Omtrent 50% av restråstoffet som oppstår ved slakting av laks i Norge blir syrekonservert til et produkt kalt lakseensilasje, som hovedsakelig brukes som råvare i fôrindustrien. Imidlertid er det mulig å øke verdien av lakserestråstoffet og produsere mer høyverdige produkter ved mer skånsom og styrt prosessering som f.eks. enzymatisk hydrolyse. Det overordnede målet ved utnyttelse av restråstoff fra lakseoppdrettsnæringen er å utvinne verdifulle marine proteiner og olje, samt å øke bærekraften i både akvakulturnæringen og i husdyrproduksjonen. Enzymatisk hydrolyse oppnås med enzymatisk aktivitet ved en gitt temperatur over en definert tid. Under hydrolyseprosessen blir proteinet brutt ned til små peptider og frie aminosyrer i en vandig løsning kalt lakseproteinhydrolysat (SPH). Det er vist at hydrolysater som inneholder peptider blir absorbert mer effektivt i tarmen sammenlignet med både intakt protein og frie aminosyrer. I tillegg har marine peptider gode funksjonelle og bioaktive egenskaper. Kylling og smågris er mer utsatt for fordøyelsesforstyrrelser og redusert vekst i løpet av de første 14 dagene etter henholdsvis klekking og avvenning. Tradisjonelt er fiskemel brukt i fôret i disse periodene da innholdet av lettfordøyelig protein med en velbalansert aminosyre-sammensetning er høyt i fiskemel. Generelt mener en at marine proteinhydrolysater og dermed peptider i dyrefôr kan bedre både tarmfunksjon og tarmhelse som igjen er viktig for en høy utnyttelsesgrad av fôret, økt tilvekst og motstandskraft mot sykdom. Målet med denne studien var å utvikle proteinråvare(r) basert på restråstoff fra lakseoppdrett med høyere næringsverdi enn fiskemel til bruk i fôr til kylling og smågris. Ett eksperiment evaluerte effekten av ulike prosessbetingelser under hydrolyse av lakserestråstoff med tanke på utbytte og sammensetning av hydrolysatet, mens to andre eksperimenter undersøkte effekten av hydrolysat i fôr til kylling og smågris med tanke på vekstparametre, tarmmorfometri og ileal mikrobiota (kun smågris). Studiet har vist at ustabilt restråstoff med tradisjonelt lav verdi kan utnyttes på en effektiv måte ved kontrollert håndtering under hele prosessen fra slakt til hydrolyse. To ulike restråstoff ble brukt som substrat for enzymatisk hydrolyse. På ett av restråstoffene ble det i tillegg ekstrahert olje og gjennomført varmeinaktivering av de endogene enzymene. Sammensetningen av restråstoffet reflekterte sammensetningen i hydrolysatet, ettersom høyt fettinnhold i restråstoffet tenderte til høyere fettinnhold i hydrolysatet på bekostning av proteininnholdet. Varmeinaktivering av de endogene enzymene hadde stor påvirkning på utbytte av hydrolysatet ettersom det ikke så ut til å skje noen hydrolyse etter tilsetting av papain pluss bromelain. Moderat oppvarming (40 °C) av slo for å lette ekstraksjon av olje før hydrolyse med papain og bromelain, resulterte i høy kvalitet på den ekstraherte oljen og ingen signifikant forskjell i utbytte av hydrolysat eller gjenfinning av protein i hydrolysatet. Små forskjeller ble observert med hensyn til utbytte, gjenfinning av protein, hydrolysegrad, aminosyresammensetning, næringsverdi eller antall forskjellige bioaktive peptider i hydrolysatet når de kommersielle enzymene, Protamex og papain pluss bromelain, ble brukt på samme restråstoff. Hydrolyse av slo med kun endogene enzymer ga tilsvarende verdier i hydrolysatet på de ovenfor nevnte parameterne, men inneholdt mere fett og var mer bitter sammenlignet med hydrolysater produsert fra slo med kommersielle enzymer. I kyllingforsøket ble det brukt to ulike hydrolysater fra slo, ett produsert med kun endogene enzymer og ett med tilsetning av papain og bromelain. Hydrolysatene ble tilsatt med 5% og 10% (50% og 100% i bytte mot fiskemelprotein) i både start- og vekstfôr. I tillegg inngikk ett fôr med fiskemel (FM), og ett planteproteinbasert fôr (PP) som kontrollfôr. Kylling som ble fôret med startfôr inneholdende SPH hadde signifikant høyere gjennomsnittlig daglig tilvekst (ADG) sammenlignet med kylling fôret med kontrollfôr (FM og PP). Morfometrisk analyse, på dag 10, viste økt villi høyde i duodenum og tendenser til økt villi høyde og villi absorpsjonareal i ileum når marine proteiner inngikk i fôret sammenlignet med det planteproteinbaserte fôret. Den forbedrede tynntarmsutviklingen kan bidra til økt tilvekst senere, noe som samsvarer godt med den observerte økningen i tilvekst hos slaktekylling gitt fôr inneholdende marint protein i forhold til det planteproteinbaserte fôret under vekstperioden. I forsøket med smågris ble det brukt to ulike hydrolysater produsert uten bruk av kommersielle enzymer, ett fra slo og ett fra en blanding av slo, hode og rygg. To forsøksfôr inneholdt 10% SPH (100% i bytte mot fiskemelprotein), ett fôr inneholdt fiskemel (FM) og ett fôr var basert på planteprotein (PP). Det ble ikke funnet forskjeller mellom smågris gitt de forskjellige forsøksfôrene med hensyn til vekstparameterne, hverken i løpet av de første 11 dagene eller for hele forsøksperioden. I tillegg ble kun små forskjeller påvist i den ileale bakteriefloraen, selv om et ble funnet en signifikant invers korrelasjon mellom bakterieslektene Turicibacter og Lactobacillus, som sammen utgjorde størsteparten av bakterieslektene i ileum. Smågris som ble fôret med marine proteiner hadde større villi absorpsjonsareal og tendens til høyere villi i duodenum på dag 11, sammenlignet med smågris gitt det planteproteinbaserte fôret. Både hos kylling og gris ble det funnet en signifikant positiv korrelasjon mellom vill høyde i duodenum, og gjennomsnittlig daglig tilvekst i løpet av de første 10 dagene etter klekking og 11 dagene etter avvenning hos henholdsvis kylling og smågris. Dette indikerer betydningen av tarmutvikling og tarmmorfologi hos både kylling og smågris for tilvekst. På bakgrunn av dette studiet kan det konkluderes med at enzymatisk hydrolyse er en velegnet metode for å ekstrahere ernæringsmessige verdifulle proteiner og peptider av restråstoff fra Atlantisk laks. Lakseproteinhydrolysat synes å være en velegnet proteinkilde for kylling og gris med høy ernæringsmessig verdi og potensielle positive effekter på tarmutvikling og morfometri.