Hitzeschäden:Ein wesentlicher Faktor für die Ernährungsvariabilität gängiger Futterzutaten

von Dominique P Bureau, Professor, Abteilung für Tierbiowissenschaften, University of Guelph

Die kosteneffiziente Produktion von Tierfuttermitteln, die sowohl den Ernährungsbedürfnissen der Tiere als auch spezifischen Produktionszielen gerecht werden, hängt von der genauen Definition optimaler Futtermittelspezifikationen auf verdaulicher oder bioverfügbarer Nährstoffbasis ab. Es erfordert auch eine genaue Charakterisierung der Nährstoffzusammensetzung und Verdaulichkeit der in der Formulierung verwendeten Futterressourcen.

Unsere Untersuchungen an der University of Guelph haben immer wieder gezeigt, dass die Verdaulichkeit von Proteinen und Aminosäuren zwischen verschiedenen Zutatentypen und sogar zwischen Chargen derselben Zutat deutlich variieren kann. In den 1990er Jahren dokumentierten wir erhebliche Schwankungen in der Verdaulichkeit von Proteinen und der Bioverfügbarkeit von Aminosäuren bei Regenbogenforellen, wenn sie mit verschiedenen Chargen derselben Futterbestandteile gefüttert wurden. Neuere Arbeiten mit Fischen und Garnelen bestätigen, dass diese Variabilität je nach Art und geografischer Herkunft bestehen bleibt.

Kooperationen mit dem APOTEC Research Center (Ho-Chi-Minh-Stadt, Vietnam), Wittaya Aqua und dem Forschungslabor für Fischernährung der University of Guelph haben 5–15 % Unterschiede in der Verdaulichkeit von Rohprotein und essentiellen Aminosäuren zwischen Sojabohnenmehl (SBM), Fleisch- und Knochenmehl (MBM) und getrockneten Maiskörnern und löslichen Stoffen (DDGS) unterschiedlicher Herkunft in Niltilapia und pazifischen weißen Garnelen ergeben (Tabelle 1). Wachstumsversuche mit denselben Inhaltsstoffen zeigten, dass Unterschiede in der scheinbaren Verdaulichkeit zu messbaren Unterschieden in der Bioverfügbarkeit von Aminosäuren führten, was durch starke Korrelationen zwischen den verdaulichen Aminosäurewerten in der Nahrung und der Proteinzunahme gezeigt wird (Abbildung 1). Diese Ergebnisse unterstreichen die wirtschaftliche Bedeutung der Auswahl der Zutatenchargen, wie eine Simulation der Tilapia-Produktionskosten unter Verwendung von SBM verschiedener Herkunft zeigt (Tabelle 2).

Die Ursache für die Verdaulichkeitsunterschiede zwischen ansonsten ähnlichen Zutaten bleibt unklar, es spielen jedoch sowohl die Herkunft des Rohmaterials als auch die Verarbeitungsbedingungen eine Rolle. Die thermische Verarbeitung – Trocknen, Kochen oder Rösten – ist für viele Futterzutaten von zentraler Bedeutung, und die Wärmebehandlung ist wahrscheinlich ein Faktor für die beobachtete Schwankung der Verdaulichkeit. Hitzeeinwirkung kann eine Reihe chemischer Veränderungen auslösen, die zusammen als „Hitzeschäden“ bezeichnet werden, darunter Proteinoxidation, Pyrolyse, Aminosäureracemisierung, Maillard-Reaktionen und Aminosäurevernetzung. Obwohl diese Reaktionen unter kontrollierten Laborbedingungen untersucht wurden, sind ihre relativen Beiträge und kombinierten Wirkungen in kommerziellen Futtermittelzutaten nicht gut verstanden.

Maillard-Reaktionen erhalten besondere Aufmerksamkeit, da sie bei erhöhten Temperaturen ablaufen und Aminogruppen mit reduzierenden Zuckern reagieren. Lysin ist die anfälligste Aminosäure, gefolgt von Arginin. Reaktives Lysin wird daher als Indikator für die Intensität der Maillard-Reaktion verwendet, und neuere Tests ermöglichen nun die Quantifizierung der Produkte der Maillard-Reaktion.

Maillard-Reaktionen stellen jedoch nur einen Teil des Bildes dar. Hitze kann auch zur Vernetzung von Proteinen führen und Verbindungen wie Lysinoalanin (LAL), Histidinoalanin (HAL) und Lanthionin (LAN) bilden. Diese vernetzten Aminosäuren können Peptide erzeugen, die gegen eine enzymatische Verdauung resistent sind, selbst wenn sie löslich bleiben und in vitro verdaulich erscheinen. Jahanbin et al. (2021) zeigten, dass höhere Verarbeitungstemperaturen die Konzentration essentieller Aminosäuren reduzierten und gleichzeitig die Zahl der vernetzten Aminosäuren erhöhte. Da diese Peptide von Tieren möglicherweise nicht aufgenommen oder verwertet werden, verringert sich der Nährwert der betroffenen Proteine. Eine direkte Beurteilung der Bioverfügbarkeit von Aminosäuren ist daher unerlässlich, für den routinemäßigen Einsatz in der Industrie jedoch in der Regel zu komplex, teuer und zeitaufwändig.

Die Beurteilung des Ausmaßes von Hitzeschäden und ihrer Auswirkungen auf die Ernährung bleibt eine Herausforderung. Standardmethoden zur Qualitätskontrolle – wie etwa die routinemäßige Aminosäureanalyse – erkennen keine beschädigten oder vernetzten Rückstände. Gängige In-vitro-Tests, einschließlich des Pepsin-HCl-Abbaubarkeitstests, unterscheiden Inhaltsstoffe nur unzureichend mit unterschiedlicher Hitzeschädigung. Neue Techniken – pH-Wert-Verdaubarkeitstests, Raman-Spektroskopie oder direkte Messung von Hitzeschadensmarkern – sind vielversprechend, aber noch nicht validiert oder für den routinemäßigen Einsatz praktisch.

Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist das am weitesten verbreitete QC-Tool in der Futtermittelindustrie. Allerdings ist ihre Fähigkeit, den Nährwert hitzegeschädigter Inhaltsstoffe vorherzusagen, ohne robuste, inhaltsstoffspezifische Kalibrierungen begrenzt. Die Entwicklung solcher Kalibrierungen würde umfangreiche Anstrengungen erfordern, um die komplexen chemischen Veränderungen zu berücksichtigen, die mit Hitzeschäden einhergehen. Folglich mangelt es der Futtermittelindustrie derzeit an schnellen, zuverlässigen und praktischen Werkzeugen zur Bewertung der Auswirkungen von Hitzeschäden auf die Qualität der Zutaten. Solche Tools würden es Herstellern ermöglichen, den verdaulichen und bioverfügbaren Aminosäuregehalt verschiedener Chargen genauer abzuschätzen und so die Genauigkeit und Kosteneffizienz der Formulierung zu verbessern.

Wittaya Aqua, APOTEC und das Fish Nutrition Research Laboratory der University of Guelph forschen aktiv zu diesem Thema mit Unterstützung des United States Soybean Export Council (USSEC) und anderer Partner. Wir rechnen mit erheblichen Fortschritten in den kommenden Monaten und freuen uns über Feedback und Zusammenarbeit von Interessenvertretern aus der Industrie, die daran interessiert sind, diese Forschungsbemühungen voranzutreiben.

Tabelle 1:Zusammenfassung der Ergebnisse der jüngsten Verdaulichkeitsstudien, die in Zusammenarbeit zwischen dem APOTEC Research Center (Vietnam), Wittaya Aqua und dem Fish Nutrition Research Laboratory der University of Guelph durchgeführt wurden.

Scheinbarer Verdaulichkeitskoeffizient (ADC)   Rohprotein Bruttoenergie Arginin Lysin Threonin Nile Tilapia (Versuch 1)  % % % % % SBM aus Argentinien 88 79 94 96 77 SBM aus Brasilien 85 83 94 98 74 SBM aus den USA 91 86 95 98 84 Niltilapia (Versuch 2)       SBM aus Argentinien 85 79 93 94 84 MBM-Charge 1 aus den USA 91 80 90 93 86 MBM-Charge 2 aus den USA 87 81 91 91 77 MBM-Charge aus Ungarn 80 69 77 78 72 Pazifische weiße Garnele       DDGS-Charge 1 aus den USA 86 77 66 60 86 DDGS-Charge 2 aus den USA 80 82 74 67 87 

Abbildung 1:Proteingewinn von pazifischen weißen Garnelen während eines 56-tägigen Wachstumsversuchs als Funktion des gesamten und verdaulichen Arginins der experimentellen Diäten.

Tabelle 2:Bioökonomischer Vergleich von Niltilapia-Produktionsszenarien* zur Bewertung der Kosteneffizienz von Futtermitteln, die mit Sojabohnenmehlquellen unterschiedlicher Verdaulichkeit formuliert sind (Simulation von Wittaya Aqua auf der Grundlage von in Vietnam durchgeführten Laborversuchen)

     Diät mit U.S. SBM  Diät mit argentinischem SBM  Diät mit brasilianischem SBM  Lagerbestand   35.000  35.000 35.000 Strumpfgewicht  g/Fisch 30 30 30 Tage der Kultur (DOC)  Tage 162 167 173 Erntegewicht  g/Fisch 1.000  1.000 1.000 eFCR   1,49 1,54 1,56 Überleben  % 70 70 70 Produktionszyklen pro Jahr   2.3 2.2 2.1       Produktionskosten          Futterkosten  USD/Tonne 756 757 758 Geimpfte Jungfische  USD/Fingerling 0,175  0,175 0,175 Investitionsverlust  USD/Jahr 30.000  30.000 30.000 Energie  USD/Tag 20 20 20 Arbeit  USD/Tag 30 30 30 Ernte und Verarbeitung  USD/kg 0,4 0,4 0,4 Marktpreis für ganzen Tilapia  USD/kg 2,25 2,25 2,25 Marktpreis für Tilapiafilet  USD/kg 7,50 7,50 7,50       Zusammenfassung bei Ernte/Jahr          Ernteinventar   55.200 53.547 51.690 Biomasse ernten  kg 55.200 53.547 51.690 Biomassewert (als ganzer Fisch)  USD 124.200 120.481 116.303 Filetertrag pro Fisch  %  34  34 34 Filetgewicht  kg 18.768 18.206 17.575 Gesamtfiletwert (Einkommen)  USD/Jahr 140.760  136.546  131.810        Kumulativer Futterbedarf  kg 82.800 82.249 82.497 Kumulierte Futterkosten  USD 62.597 62.262 62.533 Kosten für Jungfische bei der Besatzung  13.800 USD 13.387 12.923 Ernte- und Verarbeitungskosten  USD/Jahr 22.080 21.419 20.676 Energie-, Arbeits- und Investitionsabschreibung  USD/Jahr 25.750 25.750 25.750       Gesamtproduktionskosten  USD/Jahr 124.227  122.818  121.882  Gewinn/Verlust  USD/Jahr 16.533 13.728 9.928 Gewinn/Verlust  USD/kg 0,30 0,26 0,19 Marge  % 13  11  8         

*Die bioökonomische Modellierung wurde unter Berücksichtigung eines typischen IPRS-Produktionsszenarios durchgeführt, bei dem Niltilapia von 30 g auf 1.000 g bei einer Wassertemperatur von 29 Grad Celsius angebaut wurde, mit einem Besatzbestand von 35.000 Fischen (140 Fische/m 3) und einer Überlebensrate von 70 %. Die Kostenkomponenten basieren auf Schätzungen für Kolumbien.