Spirulina (Arthrospira platensis) als alternative Proteinquelle für Fische | Auswirkungen eines vollständigen Austausches von Fischmehl auf Wachstum, Mikrobiom, Produktqualität und Konsumentenakzeptanz | Spirulina (Arthrospira platensis) as an alternative protein source for fish | Effects of a complete replacement of fish meal on growth, microbiome, product quality and consumer acceptance.

Mikroalgen

Eine nachhaltigere Produktion von Nutztieren steht immer stärker im Fokus der Konsumenten. Durch die voranschreitende Überfischung der Weltmeere wird auch die Aquakultur als Hauptabnehmer für Fischmehl kritisiert, denn die Produktion dieser Ressource kann nicht nur das Ökosystem und Fischpopulationen nachhaltig schädigen, sondern verbraucht zudem viel Energie. Als Resultat steigen die Preise für Fischmehl seit Jahren an und die Suche nach einer geeigneten nachhaltigeren Alternative scheint unumgänglich. Die Mikroalge Spirulina (Arthrospira platensis) hat sich bereits in mehreren Studien als geeig-nete Proteinquelle für Fische herausgestellt. Ein anteiliger Austausch von Fischmehl gegen Spirulina kann förderlich für das Wachstum und die Gesundheit der Fische sein. Im Gegen-satz zu Fischmehl können Mikroalgen in Abhängigkeit von Produktionssystem und Standort deutliche Vorteile im Bereich der Nachhaltigkeit aufweisen. Ziel dieses Promotionsvorhabens war es daher, die Eignung von Spirulina als vollständiges Fischmehlsubstitut zu erproben. In diesem Kontext wurden vier Studien durchgeführt und die Auswirkungen der Substitution auf das Wachstum, das intestinale Mikrobiom, die Produktqualität sowie die Konsumentenak-zeptanz untersucht. In der ersten Studie wurde der Effekt eines vollständigen Austauschs von Fischmehl gegen Spirulina auf das Darmmikrobiom von Afrikanischen Welsen (Clarias gariepinus) mittels 16s rRNA-Sequenzierung untersucht. Aus den Sequenzierungsdaten konnten keine statisti-schen Unterschiede in der bakteriellen Vielfalt gefunden werden. Insgesamt dominierten Fusobakterien als einzige Taxa aus der Gattung Cetobacterium. Im Mikrobiom der Fische der Kontrolldiät war hingegen vorwiegend das Bakterium der Gattung Romboutsia zu finden. In den Spirulina-Gruppen konnten vermehrt Bakterien der Gattung Plesiomonas und Bacteroides gefunden werden. Dennoch wurde die Gesamtstruktur der mikrobiellen Gemeinschaft des Darms durch die experimentellen Diäten nicht beeinflusst. Die zweite Untersuchung beschäftigte sich mit den Auswirkungen einer vollständigen Substi-tution von Fischmehl durch Spirulina auf das Wachstum und die Produktqualität von Afrika-nischen Welsen (Clarias gariepinus). Die Welse wurden über zehn Wochen mit einer Diät auf Fischmehlbasis (Kontrolldiät) und einer Diät, in der das Fischmehl vollständig durch Spirulina ersetzt wurde, gefüttert. Dabei zeigte sich in den Spirulina-Gruppen eine abnehmende Wachs-tumsleistung, während sich die Futterverwertung der beiden Diäten nicht unterschied. Außer-dem zeigten mit Spirulina gefütterte Fische eine intensivere Gelbfärbung der Haut sowie des rohen und gekochten Filets. Die Analyse der Fettsäuren ergab höhere Anteile von Palmitinsäu-re und Linolsäure, aber abnehmende Gehalte an Lignocerinsäure und Eicosapentaensäure bei Welsen, die mit Spirulina gefüttert wurden. Insgesamt wiesen die Gruppen die gleiche Ge-samtmenge an gesättigten, einfach ungesättigten und mehrfach ungesättigten Fettsäuren auf. Die Ergebnisse führten zu dem Schluss, dass eine Optimierung der Spirulina-Diät notwendig ist, um wirtschaftliche Verluste in der Produktion von Welsen zu vermeiden. Die dritte Studie erforschte den Effekt einer vollständigen Substitution von Fischmehl durch Spirulina auf das Wachstum und die Produktqualität von Bachsaibling (Salvelinus fontinalis), Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss) und Bachforelle (Salmo trutta fario). In einem zehnwöchigen Fütterungsversuch wurden zwei Versuchsdiäten verwendet, die entweder Fischmehl (Kontrolldiät) oder Spirulina als Hauptproteinquelle enthielten. Es wurden Unter-schiede zwischen den Arten in der Akzeptanz und Verwertung von Spirulina festgestellt. Mit Ausnahme der Bachforellen nahmen alle Fischarten die Spirulina-Diät auf. Da die Bachforel-len die Versuchsdiät ablehnten, wurde der Fütterungsversuch für diese Art aufgrund von Tierwohlbedenken abgebrochen. Bei Saiblingen und Regenbogenforellen resultierte die Fütte-rung von Spirulina in einer Abnahme der Wachstumsleistung sowie einer reduzierten Futter-verwertung. Außerdem führte die Spirulina-Diät zu einer Zunahme von gelben und roten Pig-menten im rohen und gekochten Filet und wirkte sich zudem auf das Fettsäuremuster der bei-den Arten aus. Insbesondere der Anteil an gesättigten und einfach ungesättigten Fettsäuren stieg durch die Spirulina-Fütterung an, gleichzeitig reduzierte sich der Gehalt an mehrfach ungesättigten Fettsäuren. Insgesamt geht der vollständige Ersatz von Fischmehl durch Spiruli-na mit einer verringerten Produktionsleistung und Auswirkungen auf wichtige Produktquali-tätsmerkmale wie die Filetfarbe und das Fettsäuremuster einher. Auf Grundlage der Ergebnisse der dritten Studie wurde die gelbe Filetfarbe von Regenbogen-forellen, die aus der vollständigen Substitution von Fischmehl durch Spirulina resultierte, hin-sichtlich ihrer Akzeptanz durch den Konsumenten untersucht. Die zugrundeliegende Hypo-these lautete, dass die Filetfarbe neben anderen Attributen wie Herkunftsland, Preis und Fut-termittelangaben die Akzeptanz der Verbraucher beeinflussen würde. In einem Discrete Choice Experiment wurde die Präferenz und die Zahlungsbereitschaft deutscher Verbraucher für die geänderte Filetfarbe untersucht. Die empirische Analyse basierte auf einer repräsentati-ven Onlinebefragung mit 557 Teilnehmenden. Die Ergebnisse zeigen, dass die gelbe Filetfarbe einen positiven Einfluss auf die Präferenz der Verbraucher hatte und zu einer höheren Zah-lungsbereitschaft führte. Auf Grundlage dieser Ergebnisse kann angenommen werden, dass Spirulina sowohl die Produktqualität verbessert als auch zu einer Wertsteigerung von Forellen-filets führt. Zudem konnte eine stärkere Präferenz der Verbraucher für Filets aus heimischer Herkunft (Deutschland) gegenüber Filets aus Dänemark und der Türkei beobachtet werden. Produktinformationen wie "aus nachhaltiger Fütterung" einen positiven Einfluss auf die Kau-fentscheidung. Im Gegensatz dazu hatten spezifische Futtermittelangaben wie "ohne Fisch-mehl gefüttert", "mit Spirulina gefüttert" und "mit pflanzlichen Proteinen gefüttert" keinen Einfluss auf die Kaufentscheidung. Marketingaktivitäten zur erfolgreichen Vermarktung von Regenbogenforellen, die mit Spirulina gefüttert wurden, sollten sich auf die hohe Nachfrage der Verbraucher für inländisch produzierte Produkte konzentrieren. Darüber hinaus ist es not-wendig, das Bewusstsein und die Akzeptanz der Verbraucher für nachhaltige Produktionsme-thoden in der Aquakultur mittels Informationsvermittlung zu erhöhen. Zusammenfassend zeigen die Forschungsergebnisse dieser Dissertation, dass Spirulina eine geeignete alternative Proteinquelle für den die vollständige Substitution von Fischmehl dar-stellt. Sollte ein hoher Anteil an Fischmehl gegen Spirulina ausgetauscht werden, muss eine artspezifische Optimierung der Diät vorgenommen werden, um reduzierten Wachstumsleis-tungen vorzubeugen. Ebenso muss beachtet werden, dass die ernährungsphysiologische Rele-vanz der veränderten Fettsäuremuster noch weiterer Forschung bedarf. Dennoch ist Spirulina geeignet, um Produktqualitätsmerkmale wie die Pigmentierung der Filets zu verbessern, wodurch es zu einer höheren Kauf- und Zahlungsbereitschaft der Konsumenten kommen kann. Zudem bietet der Einsatz von Spirulina in der Fischernährung vielversprechendes Po-tenzial für eine nachhaltigere Aquakulturproduktion, denn die Mikroalge bietet gleich auf mehreren Ebenen ökologische Vorteile. Allerdings müssen in Zukunft weitere Optimierungen der Anbauprozesse vorgenommen werden, damit der Marktpreis für Spirulina sinkt und die Ressource in konstant hohen Mengen verfügbar ist, sodass sich der Einsatz sowohl aus ökolo-gischer als auch aus ökonomischer Sicht rentiert.

The sustainability of livestock production is becoming increasingly important for consumers. Due to increasing levels of overfishing of the world's oceans, aquaculture has also been criti-cized for its role as the main consumer of fishmeal. Production of this resource not only causes damage to the ecosystem and fish populations, but also requires high energy consumption. As a result, the price of fishmeal has been rising over the last decade and the search for a suitable and more sustainable alternative is inevitable. The microalgae spirulina (Arthrospira platensis) has already been identified in several studies as a suitable source of protein for fish. A proportional substitution of fishmeal with spirulina can be beneficial for growth and health of fish. In contrast to fishmeal, microalgae can have advantages in sustainability depending on the production system and location. The aim of this dissertation project was therefore to test the suitability of spirulina as a complete fishmeal sub-stitute. In this context, four studies were conducted to investigate the effects of substitution on growth, the intestinal microbiome, product quality and consumer acceptance. In the first study, the effect of a complete replacement of fishmeal by spirulina on the intesti-nal microbiome of African catfish (Clarias gariepinus) was investigated using 16s rRNA se-quencing. Analysis of the sequencing data showed no statistical differences for bacterial di-versity. Overall, in the Spirulina group Fusobacteria dominated as the only taxa from the ge-nus Cetobacterium. In contrast, the microbiome of the control group was dominated by bacte-ria of the genus Romboutsia. In the spirulina group, bacteria of the genus Plesiomonas and Bacteroides were found more frequent. Nevertheless, the overall gut microbiome structure was not affected by the experimental diets. The second study dealt with the effects of a complete substitution of fishmeal with spirulina on the growth and product quality of African catfish (Clarias gariepinus). The catfish were fed either a fishmeal-based diet (control diet) or a diet in which the fishmeal was completely replaced by spirulina for ten weeks. There was a reduction in growth performance observed in the spirulina group, whilst no difference was observed in the feed conversion rates between the two diets. In addition, Spirulina-fed fish showed a more intense yellow coloration of the skin and of the raw and cooked fillet. Analysis of fatty acids revealed higher levels of palmitic and linoleic acid but decreasing levels of lignoceric and eicosapentaenoic acid from the catfish fed with spirulina. Overall, the groups had the same levels of total saturated, monounsaturated and polyunsaturated fatty acids. The results concluded that optimization of the spirulina diet is necessary to avoid economic losses in catfish production. The third study investigated the effect of a complete substitution of fishmeal with spirulina on the growth and product quality of brook trout (Salvelinus fontinalis), rainbow trout (On-corhynchus mykiss) and brown trout (Salmo trutta fario). In a ten-week feeding trial, two ex-perimental diets were used, containing either fishmeal (control diet) or spirulina as the main protein source. Differences were found between species in the acceptance and utilization of spirulina. Except for the brown trout, the spirulina diet was accepted by the fish. As the brown trout rejected the experimental diet, the feeding trial for this species was terminated due to animal welfare concerns. Spirulina feeding resulted in a decrease in growth perfor-mance and a reduction in feed conversion for both brook trout and rainbow trout. In addition, Spirulina diet increased yellow and red pigments in raw and cooked fillets, as well as also af-fecting the fatty acid pattern. In particular, the proportion of saturated and monounsaturated fatty acids increased with spirulina feeding, whilst concurrently the content of polyunsaturat-ed fatty acids decreased. Overall, the complete replacement of fishmeal by Spirulina is associ-ated with reduced production performance andd further effects on important product quality traits such as fillet color and fatty acid pattern were determined. Based on the results of the third study, the yellow fillet colour of rainbow trout resulting from the complete substitution of fishmeal with spirulina was investigated with regard to its ac-ceptance by consumers. The hypothesis was that the fillet color would influence consumer acceptance along with other attributes such as country of origin, price and feed information. In a discrete choice experiment, the preference and willingness of German consumers to pay for the changed fillet color was investigated. The empirical analysis was based on a representa-tive online survey with 557 participants. The results show that the yellow fillet color had a positive influence on consumer preference and consumers were willing to pay more than for a white fillet. These results, show that spirulina improves product quality and increases the value of trout fillets. Moreover, a stronger consumer preference for fillets of domestic origin (Ger-many) was observed ahead of Denmark and Turkey. Product information such as "from sus-tainable resource" had a positive influence on the purchase decision. In contrast, specific feed claims such as "fed without fishmeal", "fed with spirulina" and "fed on plant-based proteins" had no influence on the purchase decision. Marketing activities to successfully market spiruli-na-fed rainbow trout should focus on the high consumer demand for domestic products. Fur-thermore, there is a necessity to increase consumer awareness and acceptance of sustainable production methods in aquaculture. In summary, the research results of this dissertation show that Spirulina is suitable as an alter-native for the complete substitution of fishmeal. If a high content of fishmeal is replaced by spirulina, a species-specific optimization of the diet should be carried out to prevent reduced growth performance. It must also be noted that the nutritional relevance of the altered fatty acid patterns still requires further research. Nevertheless, Spirulina is suitable to incease prod-uct quality characteristics such as the pigmentation of the fillets, which can lead to a higher purchase decision and willingness to and pay of consumers. In addition, the use of spirulina in fish nutrition offers promising potential for a more sustainable aquaculture production, be-cause the microalgae has ecological advantages on several levels. However, further optimisa-tion of the cultivation processes will be necessary in the future so that the market price for spirulina decreases and the resource is available in constantly high quantities, so that its use is profitable from both an ecological and economic perspective.

2022-11-23