The aim of the research presented in this thesis was to examine processing responses in the extruder and the effect of extrusion on the physical and nutritional properties of polysaccharides in plant ingredients used in feed for salmonids
Physical and nutritional properties of polysaccharides in extruded fish feed
English language abstract The aim of the research presented in this thesis was to examine processing responses in the extruder and the effect of extrusion on the physical and nutritional properties of polysaccharides in plant ingredients used in feed for salmonids. Polysaccharides in plant material may be classified as non-starch (NSP) or starch polysaccharides. NSP are considered indigestible for Atlantic salmon but can influence the physical properties of the pellet. Starch acts as a binder and ensures expansion of the feed through gelatinisation, which enhances the nutritional value of the starch. Cereal starch is known to be easier to gelatinise than legume starch, but the literature shows that animal feed containing cereal starch does not always obtain complete gelatinisation. A need for greater understanding of the different polysaccharides has grown in recent years due to the increased use of starch- and NSP-rich protein sources in fish feed.
The aims of the first study were two fold. First, to assess whether differential scanning calorimetry (DSC) was a useful tool for rapid analyses of the degree of gelatinisation (DG) in fish feed. And second, to investigate the DG in commercial feed for salmonids. This study showed that in a random sampling of commercial grower diets, of diameter ~12 mm for Atlantic salmon (Salmo salar), not all diets were entirely gelatinised. Different gelatinisation temperatures were observed among the diets by DSC analyses, indicating differences in origin of starch source and/or processing conditions. There is reason to believe that legumes were included in some of the diets. The observed variation within companies on DG indicates need for increased understanding of legumes and their starch gelatinisation.
A legume subject to wide investigation in aquaculture feed is soybean (Glycine max). Over the last decade many components in the soybean have been suggested to cause negative effects on nutrient digestibility and gut health in salmonids. The NSP fraction of soy is believed to affect digestibility and intestinal microflora. The second study was designed to include purified NSP originating from soybean. To examine both native and extruded NSP, an aliquot of the purified NSP from soy was extruded. The diets themselves were cold pelleted to minimise further heat treatment. A diet with cellulose as the sole source of NSP and a diet with soybean meal (SBM) as NSP source were also made. All diets containing any form of NSP had an inclusion rate of ~100 g kg-1 of this indigestible component. In addition, a diet without NSP was used. It contained fishmeal (FM), fish oil (FO), and starch as main ingredients. Nutrient digestibilities were estimated in a four week trial with 0.25 kg Atlantic salmon reared in seawater. Compared to the diet without NSP, digestibility of macro nutrients was not reduced in fish fed diets with purified soy-NSP or cellulose, while it was reduced in fish fed the SBM diets. The SBM diet also induced morphological changes in the distal intestine, while this was not the case for the other diets. However, faecal excretion of sodium increased in the diets with the purified soy-NSP compared to both the diet without NSP and the cellulose diet. As adverse nutritional effects were not observed for the fish fed the diets with purified soybean NSP, this component was determined not to be the cause of the anti nutritional effects seen in fish fed the SBM diet.
The third study was designed to investigate how diets, and their ingredients, responded to identical operating variables in the extruder. Furthermore the same feed formulations were processed at two different levels of specific mechanical energy (SME), to see how the diets responded to differences in treatment severity. In addition, feed for a digestibility trial (fourth study) was produced to achieve a fixed product density. Different plant ingredients were included in fish meal based diets at 140 – 240 g kg-1 inclusion. The experimental ingredients were corn gluten, defatted soybean, defatted sunflower, dehulled lupin, defatted double-low rapeseed, whole field pea, whole and dehulled faba bean, whole wheat, and naked oat. To reach the same level of macro nutrients in the diets, wheat starch and cellulose were used as fillers. In addition to the ten plant meal containing diets, a reference diet with FM, FO, starch and cellulose was made.
From the third study it was observed that the plant based ingredients showed unique processing responses and physical properties, hence specific processing parameters have to be designed for each ingredient. The diets with the protein-rich ingredients performed better in physical quality than the diets with the starch-rich ingredients. A difference was observed between NSP inherent in plant meals and cellulosic NSP; at equal inclusion rates the cellulose diets resulted in less expanded pellets. Inherent NSP seemed to prevent the starch from gelatinising, and starch from legume sources tended to be less gelatinised than cereal starch. In line with previous studies, an increase in SME resulted in increased gelatinisation. For SME, the sunflower diet resulted in increased SME compared to the other diets.
The fourth study, feeding ~0.7 kg Atlantic salmon in seawater with the diets produced in the third study, showed that numerous plant ingredients are suitable for use in diets to Atlantic salmon. Additional treatment may be required for selected ingredients such as sunflower and rapeseed to increase digestibility. However, it was observed that the inclusion of dietary cellulose was related to a decrease in lipid digestibility. No relationship was seen between the nutritional and physicochemical properties of the diets.
Based on the observation that certain ingredients would benefit from additional pre-treatment to improve nutritional performance, a fifth study was planned as a factorial 4 x 2 x 2 design to assess the effect of an integrated pre-treatment step on physical properties of fish feed. Four plant ingredients, soybean, rapeseed, field pea, and faba bean were part of FM based diets with levels of macronutrients similar to that of commercial salmonid diets. For the two diets with soybean and rapeseed inclusion, wheat was included as a starch source. The feed mash was either subjected to conventional conditioning (75°C, 62 s, 270 g kg-1 total moisture) before being processed in a co-rotating twin screw extruder, or the plant fraction of the mash was incubated (45°C, 45 min, 400 g kg-1 total moisture) before adding the FM fraction and subsequently conditioning and extruding the total feed mash as described above. Two levels of screw speed were tested (325 or 225 rpm). The results showed that incubation of the plant meal fraction can modify processing responses and physical properties of the extruded feed. The hardness of the diets with starch-rich ingredients increased as a result of incubation, while this was not the case for diets with protein-rich ingredients.
Overall, the studies reported in this thesis showed that processing responses were unique for different plant ingredients. No single ingredient or ingredient group outperformed the other in physical properties, although the sunflower diet led to harder pellets. NSP inherent in plant based ingredients compared to cellulosic NSP seemed to have a different effect on physicochemical or nutritional properties of the feed. However, the effect of cellulosic NSP was inconsistent on lipid digestibility. NSP from soybean did not seem to alter digestibility of main nutrients. A novel pre-treatment method developed to increase nutritional quality of plant ingredients, did not interfere with the aim of acceptable physical quality on the extruded feed.
For more information, please contact: olav.kraugerud_umb.no
Key words / ISI database key words: compound feed; Atlantic salmon; extrusion; starch; gelatinisation; differential scanning calorimetry; scanning electron microscopy; non-starch polysaccharides; fibre; soybean; cellulose; digestibility; enteritis; specific mechanical energy; plant meal; sunflower; rapeseed; field pea; faba bean; corn gluten; lupin; wheat; oat; viscosity; pathology; conditioning; incubation; SME
Fysiske og ernæringsmessige egenskaper til polysakkarider i ekstrudert fiskefôr
Norsk sammendrag Avhandlingens hovedmål var å undersøke hvilken effekt den økte bruken av ulike plantebaserte mel har i fiskefôr, når det gjelder polysakkariders innvirkning på prosessresponser i ekstruderen, på fôrets fysiske egenskaper og ernæringsmessige konsekvenser hos laks (Salmo salar). Polysakkarider fra planteriket kan inndeles i stivelse, som er fordøyelig og gir fôret dets struktur og binding, og i fiber/ikke-stivelsepolysakkarider (NSP), som i all hovedsak er ufordøyelig.
Det er mange ulike aspekt å vurdere ved bruk av planteråvarer til den kjøttetende laksen. Forklistring av stivelse er fordelaktig for ernæringsmessig kvalitet av og fysiske egenskaper til fôret. Stivelse fra korn er blant de lettere stivelsestypene å forklistre, likevel er ofte ikke fôr med kornstivelse fullt forklistret. Stivelsesrike belgvekster, som det er blitt mer av i fiskefôr de senere år, krever mer varme og/eller hardere prosessering enn stivelse fra korn for å forklistre. Dette gav opphav til designet i den første studien, som var å undersøke i hvilken grad stivelse i kommersielt fiskefôr til laksefisk er forklistret. Det viste seg at blant de tilfeldig utvalgte fôrene var ikke alle fullt forklistret. Variasjonen i forklistringsgrad innen produsent kan være et signal om at kunnskapen om stivelse med fordel kan økes og derigjennom styre forklistringsgraden. Resultatene fra den energetiske analysemetoden (DSC) antydet gjennom temperaturangivelser at stivelsen som ble benyttet i de ulike fôrene var av ulik opprinnelse og/eller var gjenstand for ulik prosessering. Det er grunn til å tro at en type belgvekst var blant stivelseskildene.
Mel fra soyabønner (Glycine max) er trolig den mest studerte planteråvaren i fiskefôr, både fordi aminosyresammensetningen er gunstig, den er lett tilgjengelig i store mengder, det er en relativt lavt priset proteinkilde, og fordi innholdet av antinæringsstoffer har gjort den nødvendig og interessant å forske på. Det siste tiåret er ulike komponenter blitt foreslått som kilde til de ernæringsmessig negative effektene av soyamel i fôr til laks, blant annet NSP-fraksjonen. Derfor ble det igangsatt et forsøk (studie nummer to) der kaldpelletert fôr ble tilsatt ~100 g kg-1 opprenset NSP, soya-NSP både i en versjon som kun var opprenset og en versjon som i tillegg var ekstrudert. Det ble også laget et fôr med NSP fra cellulose og et fôr med soyamel, begge med en estimert NSP konsentrasjon på 100 g kg-1. I tillegg ble det laget et kontrollfôr uten NSP, bestående av fiskemel, fiskeolje og stivelse som hovedingredienser. Laks i saltvann med startvekt ~250 g ble fôret med forsøksfôret i fire uker før prøvetaking. Forsøket viste at fordøyelighet av hovednæringsstoff ikke ble redusert hos laks gitt soya-NSP fôret, sammenlignet med kontrollfôret uten NSP og med cellulosefôret. Fôret med soyamel resulterte i redusert fordøyelighet hos laks. Morfologiske endringer i baktarm hos laks ble kun registrert hos fisk fôret med soyamelsfôret. En forhøyet natriumekskresjon var å finne hos fisk fôret med opprenset soya-NSP, sammenlignet med fisk gitt cellulose- eller kontrollfôr. Basert på kunnskap fra dette forsøket ble det konkludert med at soya-NSP ikke var årsaken til de negative ernæringsmessige og morfologiske konsekvenser sett hos fisk fôret med soyamel.
Ut fra funnene om at NSP ikke hadde særlig ernæringsmessig negativ effekt, og for å øke kunnskapen om forklistring i ulike fôrråvarer, ble det planlagt og utført en kombinert prosesserings- og ernæringsstudie med ulike planteråvarer i konsentrasjoner på 140 – 240 g kg-1 blandet inn i et fiskemelsbasert fôr, henholdsvis studie nummer tre og fire. Planteråvarene var: maisgluten, soyamel, solsikkemel, lupinmel, rapsmel, ertemel, bønnemel, avskallet bønnemel, sammalt hvete og sammalt havre, altså ti fôr samt et kontrollfôr bestående av fiskemel, fiskeolje, hvetestivelse og cellulose som hovedingredienser. For å få tilnærmet lik mengde av hovednæringsstoffene ble hvetestivelse og cellulose benyttet som reguleringsfaktorer.
Prosesseringsstudien hadde som mål å undersøke hvordan fôrene, og deres respektive råvarer, reagerte ved identiske prosessinnstillingcr. Alle fôrene ble også ekstrudert med ulik mekanisk energi, for å se hvordan responsen var ved endring i prosesseringsbetingelser, noe som blant annet ble evaluert ved å måle fysiokjemiske endringer av ekstrudatet. Fôret som skulle benyttes i den påfølgende ernæringsstudien ble produsert med henblikk på en bestemt bulktetthet av ekstrudatet. I prosesseringsundersøkelsen så man at hvert av fôrene med plantebaserte råstoff oppviste unike prosesseringsresponser og fysiske egenskaper. Ergo bør fôr med ulike råstoff, men som kan ha lik kjemisk sammensetning, bli produsert med spesialtilpassede betingelser for å oppnå identisk fôrkvalitet. Generelt var fôrpellet i klassen proteinrike ingredienser hardere enn fôrpellet med stivelsesrike råvarer. Det så ut til at fôr med cellulose gav hardere og mindre ekspanderte fôrpellet enn fôr der NSP var en naturlig del av plantemelet. I tråd med litteraturverdier, gav en økning i mekanisk energi i ekstruderen en økning i forklistringsgrad. Videre var det fôret med solsikkemel som gav den hardeste fôrpelleten.
Ernæringsforsøket, laks i saltvann med startvekt ~700 g, med ovennevnte fôr viste at en rekke plantebaserte ingredienser er egnet til innblanding i laksefôr. Likevel kan det være fordelaktig med ekstra behandling for solsikke og raps for å oppnå økt fordøyelighet. Det ble registrert at fettfordøyeligheten sank med økende mengde cellulose i fôret. Ingen sammenheng ble registrert mellom fôrenes ernæringsmessige og fysiokjemiske egenskaper.
Det faktum at noen råvarer kan øke ernæringsmessig kvalitet gjennom økt behandling, ledet til et faktorielt 4 x 2 x 2 prosesseringsforsøk, der effekten av et ekstra forbehandlingstrinn på fôrets fysiske kvalitet ble undersøkt (studie nummer fem). Det ble ekstrudert fiskemelsbaserte fôr, med kjemisk innhold relevant for kommersielle laksefôr, med innblanding av en av de fire planteråvarene; soyamel, rapsmel, erter eller åkerbønner. Soya- og rapsfôret ble iblandet sammalt hvete som stivelseskilde. Tørrmelsblandingen ble enten kondisjonert på standard måte (75°C, 62 s, 270 g kg-1 total fuktighet) og deretter prosessert i en medroterende dobbeltskruet ekstruder, eller så ble planteråvarene inkubert for seg selv (45°C, 45 min, 400 g kg-1 total fuktighet) før fiskemelet ble blandet inn og hele tørrmelsblandingen ble kondisjonert og ekstrudert slik som beskrevet over. To ulike skruehastigheter (325 eller 225 omdreininger per minutt) ble benyttet. Det viste seg at inkubering av planteråvarene både kan endre prosessresponser og fôrets fysiske kvalitet. Prosessresponsene for de ulike råvarene viste at de to klassene protein- og stivelsesrike gav ulik respons.
Samlet sett viste arbeidet at hver enkelt råvare trenger tilpassede prosesseringsbetingelser. Ingen enkeltråvare skilte seg markant ut angående fysisk kvalitet, men innblanding av solsikkemel så ut til å gi hardest fôrpellet. NSP naturlig til stede i plantemel hadde, sammenlignet med cellulose, mer utpreget virkning på forklistringsgrad og fekalt tørrstoffinnhold hos laks. Virkningen av cellulose på fettfordøyelighet var tvetydig ut fra resultatene i de to fordøyelighetsstudiene. Det ble ikke påvist negative ernæringsmessige effekter av NSP fra soyabønner. Den integrerte forbehandlingsmetoden, som kan øke ernæringsmessig kvalitet av planteråvarer som solsikke og raps, gav tilfredsstillende fysisk kvalitet på fôrpelleten.
Ytterligere informasjon kan fås ved henvendelse til: olav.kraugerud_umb.no
Nøkkelord til artikkelsøk: compound feed; Atlantic salmon; extrusion; starch; gelatinisation; differential scanning calorimetry; scanning electron microscopy; non-starch polysaccharides; fibre; soybean; cellulose; digestibility; enteritis; specific mechanical energy; plant meal; sunflower; rapeseed; field pea; faba bean; corn gluten; lupin; wheat; oat; viscosity; pathology; conditioning; incubation; SME
