Yeast (Cyberlindnera jadinii): an alternative protein source in pig and poultry feed

Abstract

The demand for food protein sources continues to increase rapidly along with the World population. Consequently, the European livestock industry requires a growing supply of feed protein to meet these demands. Furthermore, the European Commission and the United Nations have advised the implementation of sustainable measures in this field. Protein-rich ingredients currently used in European livestock feed, such as soybean meal, fish meal, and rapeseed meal, have all been associated with sustainability issues. Developing alternative and locally-produced protein sources can mitigate the pressure of protein imports to Europe, and especially to Northern Europe, where the capacity to produce protein is limited by the harsh climate. Microbial ingredients such as yeast can be grown on a variety of sugars produced from lignocellulosic biomass, independently of arable land and atmospheric conditions. Recently, Cyberlindnera jadinii yeast (previously classified as Candida utilis) grown on local lignocellulosic sugars, has shown potential to replace conventional protein sources in diets for pigs and broiler chickens, but little is known of its effects on the growth and digestive performance of these animals. Three experiments were, therefore, conducted to evaluate the effects of replacing soybean meal, fish meal and rapeseed meal with graded levels of C. jadinii in pig (Exp. 1 and 2) and poultry diets (Exp. 3), on growth performance, digestive function, and utilization of protein and energy in young pigs and broiler chickens. C. jadinii was grown on second-generation sugars obtained from lignocellulosic biomass of Norway spruce trees (Picea abies) by using the Borregaard advanced lignin (BALI) process. The sugars were used in the growth media for the yeast, as described by Øverland and Skrede (2017) and Sharma et al. (2018a). The experiments described here are reported in Papers I, II and III. In Paper I the effects of dried inactivated C. jadinii replacing conventional protein sources in diets for weaned piglets were evaluated in terms of growth performance and digestive function. Forty-eight piglets weaned at 30 days of age (11.06 ± 0.84 kg initial BW) were fed one of four dietary treatments: a conventional control diet with soybean meal, fish meal, rapeseed meal, and potato protein concentrate or one of three experimental diets containing 10, 20 or 40% CP from C. jadinii (CU10, CU20, and CU40, respectively). Piglets were equally distributed by litter, gender, and BW and allotted to the dietary treatments, with 12 replicates per treatment. Each pig constituted an experimental unit. Adding C. jadinii to diets did not affect piglet growth performance. The CU40 diet had higher apparent total tract digestibility (ATTD) of CP and ash compared with the control diet. The ATTD of neutral detergent fiber was lower in the CU40 diet than in the control. The apparent ileal digestibility (AID) of ash was higher in the CU40 diet compared with the control, while the AID of CP and amino acids were unaffected. Villi height increased in jejunum and ileum, and villus-height: crypt-depth ratio increased in the jejunum of pigs fed the CU40 diet compared with pigs fed the control diet. Fecal dry matter increased linearly with increasing levels of C. jadinii in the diets seven days after weaning and was higher for the pigs fed 40% CP from C. jadinii compared with the control group. Trypsin activity and mRNA expression of genes encoding for nutrient transporters in the jejunum did not differ among diets. In Paper II the protein and energy utilization of the same diets were evaluated in young pigs (16.69 ± 4.45 kg initial BW). Twenty-four intact boars were fed one of the four diets with two pigs per diet per period, during three periods, and a total of six replicates per diet. Each animal constituted an experimental unit. The three periods were divided into a period of adaptation in stables followed by a period of adaptation in balance cages. Each period included an energy and nitrogen balance experiment of four days, including a respiration experiment of 22 h. During the balance period and respiration experiments, the pigs were kept individually, in cages with devices for quantitative collection of feces, urine and feed residues. Individual respiration measurements were performed in open-air-circuit respiration chambers. Growth performance, feed intake, nitrogen, energy metabolism, and apparent total tract nutrient digestibility were similar among dietary treatments. In Paper III, the effects of dietary C. jadinii on growth performance digestive and absorptive capacity of newly-hatched male broiler chickens were evaluated. The dietary treatments consisted of four diets including one control diet based on wheat, oats, maize and SBM, and three diets with 10, 20 and 30% CP from C. jadinii. One-thousand broiler chickens (42.0 ± 0.75 g initial BW) were distributed to 20-floor pens with 50 birds each, constituting five replicates per diet. Growth performance and feed intake linearly decreased with increasing dietary inclusion of C. jadinii, but they were similar between the control diets and diets with 10% CP from C. jadinii. Duodenal crypt depth linearly decreased with increasing amounts of C. jadinii in diets, but ileal villus height was similar between the control diet and diet with 30% yeast protein. Altogether, the results indicate that C. jadinii can replace up to 40% CP in conventional youngpig diets and 10% of CP in broiler chicken diets, in terms of growth performance, feed intake, nitrogen, and energy metabolism, digestive function, and intestinal morphometry.

Behovet for protein i matforsyningen øker i takt med den globale befolkningsveksten. Økt kjøttforbruk på grunn av økt kjøpekraft i befolkningen fører også til økt behov for proteinråvarer i fôrindustrien. Tilgangen på fôrproteinråvarer av høy kvalitet og produsert på en bærekraftig og klimavennlig måte er begrenset. Husdyrproduksjonen i Norge og Europa er i dag avhengig av importerte proteinråvarer. Økt selvforsyningsgrad og behovsdekning for bærekraftige fôrproteinråvarer etter EU-kommisjonen og FN (De forente nasjoner) sine anbefalinger er derfor en av de største utfordring i europeisk husdyrproduksjon. Proteinrike råvarer som i dag brukes i europeisk husdyrfôr, for eksempel soyamel, fiskemel og rapsfrø, er alle forbundet med bærekraftsutfordringer. Å utvikle alternative og lokalproduserte proteinråvarer vil redusere behovet for import til Europa, og spesielt til Nord-Europa, der mulighetene for å produsere vegetabilsk protein er begrenset av klimatiske forhold. Mikrobielle råvarer som gjær kan dyrkes på en rekke sukkerarter, uavhengig av jordbruksarealer og klimatiske forhold. Cyberlindera jadinii-gjær (tidligere klassifisert som Candida utilis) dyrket på lokale lignocellulosiske sukkerarter har vist potensial til å kunne erstatte konvensjonelle proteinkilder i fôr til gris og fjørfe når det gjelder protein- og aminosyreinnhold. Imidlertid er kunnskapen om fordøyelighet av næringstoffene i C. jadinii-gjær og effekter på produksjonsresultater mangelfull. Totalt tre dyreforsøk ble derfor utført for å undersøke effekten av å erstatte soyamel, fiskemel og rapsfrø med C. jadinii i fôr til smågris og slaktekylling, på produksjons resultater, fordøyelighet, absorpsjon og utnyttelse av næringsstoffer og energi. C. jadinii ble dyrket på 2. generasjons sukkerarter fra lignocellulosisk biomasse fra Norsk gran (Picea abies) ved bruk av prosessen Borregaard advanced lignin (BALI). Sukkerartene ble brukt som vekstmedium for gjæren som beskrevet av Øverland og Skrede (2017) og Sharma et al. (2018a). Dyreforsøkene er beskrevet og rapportert i artiklene I, II og III. I artikkel I ble effekten av å erstatte konvensjonelle proteinkilder med tørket, inaktivert C. jadinii i fôr til avvent smågris undersøkt med hensyn til produksjonsresultater og fordøyelsesfunksjoner. Førti-åtte smågris, avvent ved 30 dagers alder (11,06 ± 0,84 kg startvekt) ble tildelt fire ulike forsøksfôrblandinger: et konvensjonelt kontrollfôr med soyamel, fiskemel, rapsmel og potetprotein, og tre ulike forsøksfôrblandinger med 10, 20 eller 40% av råproteinet (CP) fra C. jadinii (CU10, CU20 og CU40). Grisene ble fordelt likt etter kull, kjønn og startvekt, med 12 gjentak per behandling. Økende innhold av C. jadinii i forsøksfôret hadde ingen negativ effekt på smågrisens produksjonsresultater, men fordøyelighet og absorpsjon, og gjødselkvaliteten ble forbedret. CU40-forsøksfôret hadde høyere fekal fordøyelighet (ATTD) av CP og aske sammenliknet med kontrollfôret. ATTD av neutral detergent fiber var lavere i CU40-blandingen sammenliknet med kontrollfôret. Den apparent ileale fordøyeligheten (AID) av aske var høyere i CU40-forsøksfôret sammenlignet med kontrollfôret, mens AID for CP og aminosyrer var upåvirket. Villi-høyde økte i jejunum og ileum, og villus-høyde:kryptdybdeforholdet økte i jejunum hos griser som fikk CU40-forsøksfôret sammenliknet med griser som fikk kontrollfôr. Tørrstoff i gjødsel økte lineært med økende nivå av C. jadinii i forsøksfôret sju dager etter avvenning og var høyere hos griser som fikk CU40-forsøksfôret sammenlignet med de som fikk kontrollfôr. Det var ikke forskjeller i trypsinaktivitet og mRNA-uttrykk av gener som koder for næringstransportører i jejunum mellom forsøksfôrbehandlingene. I artikkel II ble utnyttingen av protein og energi for de samme forsøksfôrblandingene beskrevet i artikkel I undersøkt hos ung gris (16,69 ± 4,45 kg startvekt). Tjuefire ukastrerte hanngris ble fordelt på fire forsøksgrupper og ble tildelt en av de fire forsøksfôrblandingene, det vil si totalt seks gjentak per forsøksgruppe. Forsøksperioden omfattet energi- og nitrogenbalansemålinger over fire dager og respirasjonsmålinger over 22 timer. I forsøksperioden var grisene i individuelle bur med kvantitativ oppsamling av avføring, urin og fôrrester. Individuelle respirasjonsmålinger ble utført i respirasjonskammer med åpen lufttilførsel. Det ble ikke avdekt effekter av økende innblanding av C. jadinii med hensyn til nitrogen- og energimetabolisme og ATTD av næringsstoffer. I artikkel III undersøkte vi effektene av økende innblanding av C. jadinii i fôr til slaktekylling på produksjonsresultater, fordøyelse og absorbsjonskapasitet. Et kontrollfôr basert på hvete, havre, mais og soyamel ble sammenlignet med tre ulike forsøksfôrblandinger der 10, 20 og 30% av CP kom fra C. jadinii. Ett tusen slaktekyllinger (startvekt 42,0 ± 0,75 g) ble fordelt på 20 binger med 50 kyllinger i hver binge, totalt fem gjentak per behandling.Vi fant en lineær reduksjon i fôropptak og produksjonsresultater med økende innhold av gjær i forsøksfôret. Imidlertid var det ingen forskjeller i fôropptak og produksjonsresultater mellom kyllinger som fikk tildelt kontrollfôr sammenlignet med kyllinger som fikk forsøksfôr med 10% av CP fra C. jadinii. Kryptdybden målt i duodenum ble redusert lineært med økende mengde C. jadinii i forsøkfôret. Imidlertid var villus-høyden målt i ileum den samme hos kyllinger som fikk kontrollfôr sammenlignet med de som fikk forsøksfôr med 30% gjær proteinet. Samlet sett indikerer resultatene at C. jadinii kan erstatte opptil 40% av CP i smågrisfôr og 10% av CP i slaktekyllingfôr uten negative effekter på fôropptak, produksjonsresultater, nitrogenog energiforbruk, fordøyelse og absorpsjon samt tarmmorfometri.