Spirulina and Chlorella vulgaris as ingredients in diet of weaned piglets : a valorization approach using feed enzymes

Tese especialmente elaborada para obtenção do grau de Doutor em Ciências Veterinárias na especialidade de Produção Animal, área científica de Produção Animal e Segurança Alimentar

ABSTRACT - Worldwide swine production will face challenges in the coming years associated with feeding, mainly due to the high cost and environmental impact of importation of conventional feedstuffs. Therefore, the need for sustainable alternative feedstuffs is clear. Microalgae, due to their production systems, may be a sustainable alternative. However, their recalcitrant cell walls decrease nutrient bioavailability for pigs. To solve the association with feed enzymes, namely Carbohydrates-Active enZymes (CAZymes), has been equated. Arthrospira platensis (Spirulina) and Chlorella vulgaris are the two most studied microalgae, as a supplement, in swine feeding. Thus, in an initial approach, the aim of this Thesis was to evaluate the inclusion of 10% Spirulina in diets of post-weaned piglets, supplemented with two CAZymes (Rovabio® Excel AP or lysozyme) on growth performance, nutrient digestibility, health status, liver metabolism and meat quality traits. Growth performance was negatively affected by this dietary inclusion, with a significant increase in digesta viscosity and a lower protein digestibility. The use of lysozyme, in contrast to Rovabio® Excel AP, proved to be more efficient in the degradation of cell walls; however, the released proteins were not absorbed, as animal growth was impaired. Meat quality traits were not affected by the inclusion of Spirulina, individually or supplemented with feed enzymes, as well as no changes were observed on hepatic metabolism despite the improvement in hepatic antioxidant potential, especially in terms of total carotenoids. On a second approach, a post-weaning piglet trial was performed to determine the nutritional value of diets with 5% Chlorella vulgaris, supplemented with two CAZymes (Rovabio® Excel AP or a mixture of 4-CAZymes previously tested in vitro). Chlorella vulgaris inclusion negatively affected the digestibility of nutrients but without direct effects on growth performance, which can be explained by the compensatory mechanisms observed (greater development of the intestinal mucosa and predominance of beneficial bacteria on intestinal microflora). Meat quality traits were not affected by such dietary inclusion. Systematic antioxidant potential, immune response and hepatic lipid metabolism were improved in the groups fed with Chlorella vulgaris. In conclusion, the results indicate that microalgae have the potential to be exploited as ingredients in swine diets, providing meat nutritional enhancement and improving the health status of the animals. However, reducing the production cost and further knowledge of their nutritional value is necessary

RESUMO - Espirulina e Chlorella vulgaris como ingredientes na dieta de leitões na fase de pós desmame: uma abordagem de valorização utilizando enzimas alimentares - A produção mundial de suínos enfrentará nos próximos anos desafios associados à alimentação, sobretudo devido ao elevado custo e impacto ambiental da importação de matérias-primas convencionais. Torna-se por isso evidente a necessidade de matérias-primas mais sustentáveis. As microalgas, pelas suas características de produção podem ser encaradas como uma alternativa sustentável. As suas paredes celulares recalcitrantes diminuem a biodisponibilidade dos seus nutrientes para os suínos, tendo sido associadas a enzimas que consigam degradá-las, nomeadamente as “Carbohydrates-Active Enzymes” (CAZymes). A Arthrospira platensis (Espirulina) e a Chlorella vulgaris são as duas microalgas mais estudadas, como suplemento, na alimentação de suínos. Desta forma, numa abordagem inicial, o objetivo deste estudo foi avaliar a incorporação de 10% de Espirulina em dietas de leitões na fase de pós-desmame, suplementadas com duas CAZymes (Rovabio® Excel AP ou lisozima), sobre as performances produtivas, digestibilidade dos nutrientes das dietas, estado de saúde, metabolismo hepático e qualidade da carne. As performances zootécnicas foram afetadas negativamente por esta incorporação, verificando-se um aumento significativo da viscosidade da digesta e uma diminuição da digestibilidade da fração proteica. A utilização de lisozima, em contraste com a da Rovabio® Excel AP, mostrou-se mais eficiente na degradação das paredes celulares, no entanto, as proteínas libertadas não foram absorvidas, uma vez que o crescimento destes animais foi igualmente prejudicado. A qualidade da carne não foi afetada pela incorporação de Espirulina, individualmente ou combinada com enzimas alimentares, assim como não se verificaram alterações no metabolismo hepático apesar da melhoria no potencial antioxidante hepático, sobretudo ao nível dos carotenoides totais. Numa segunda abordagem, foi realizado um ensaio com leitões na fase de pós-desmame para apurar o valor nutritivo de dietas com 5% de Chlorella vulgaris, suplementadas com duas CAZymes (Rovabio® Excel AP ou mistura de quatro CAZymes recombinantes testadas in vitro em estudo prévio). A inclusão desta microalga afetou negativamente a digestibilidade dos nutrientes, mas sem efeito direto no crescimento dos animais. A qualidade da carne não foi afetada por esta inclusão. O potencial antioxidante sistémico, a resposta imunitária e o metabolismo lipídico hepático dos leitões foram melhorados nos grupos alimentados com Chlorella vulgaris. A valorização nutritiva da carne e a não afetação do estado de saúde dos animais pela inclusão destas microalgas nas suas dietas são as evidências benéficas para as continuar a considerar como ingrediente nas dietas de leitões. Adicionalmente, será fulcral a redução do seu custo de produção, assim como o estudo do seu valor nutritivo

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