Doctoraatsverdediging

Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen
Supplementation of autotrophic microalgae to the diet of laying hens to enrich eggs with long chain omega-3 fatty acids
Doctorandus/a PhD student
  Naam: Charlotte Lemahieu
Promotie / Defence
  Wanneer: 14.04.2016, 16u00
  Taal van verdediging: Nederlands
  Waar: E1003 (ex-C803), 00.1003, Etienne Sabbelaan 53, 8500 Kortrijk
 
Promotor / Supervisor
  Prof. dr. ir. Imogen Foubert (promotor)
  Prof. dr. ir. Johan Buyse (co-promotor)
  Mevrouw Charlotte Bruneel (co-promotor)
 
Samenvatting van het onderzoek / Summary of Research

De gezondheidsvoordelen gerelateerd aan omega-3 vetzuren (n-3 PUFA) zijn algemeen gekend en aanvaard. Binnen de globale bevolking is echter veel minder geweten dat een duidelijk onderscheid dient gemaakt te worden tussen de kortere keten n-3 PUFA, zoals α-linoleenzuur (ALA), en de langere keten (LC) n-3 PUFA, zoals eicosapentaeenzuur (EPA) en docosahexaeenzuur (DHA). De gezondheidsbevorderende eigenschappen worden namelijk hoofdzakelijk gerelateerd aan de n-3 LC-PUFA, maar de omzetting van ALA tot EPA en DHA is in het menselijk lichaam zeer beperkt. Directe inname van n-3 LC-PUFA is dus van groot belang. De dagelijkse aanbevolen hoeveelheid n-3 LC-PUFA, namelijk 250 mg EPA+DHA, wordt echter nauwelijks bereikt in westerse landen, omwille van de lage consumptie van voedingsproducten natuurlijk rijk aan n-3 LC-PUFA, zoals vette vis. Aanrijking van frequent geconsumeerde voedingsproducten met n-3 LC-PUFA kan ervoor zorgen dat de dagelijkse aanbevolen hoeveelheid toch bereikt wordt. In dit opzicht vormen eieren een potentieel voedingsproduct om aan te rijken met n-3 LC-PUFA. Ze worden wereldwijd aanvaard en maken een integraal deel uit van het voedingspatroon. Bovendien kan het n-3 PUFA profiel van het ei eenvoudig aangepast worden door supplementatie van verschillende n-3 PUFA rijke bronnen aan het voeder van leghennen. Visolie, als bron van n-3 LC-PUFA, kan, bijvoorbeeld, aan het voeder van leghennen gesupplementeerd worden om eieren aangerijkt met n-3 LC-PUFA te bekomen. Omwille van de gelimiteerde visvoorraden en de smaak- en geurafwijkingen die waargenomen worden in deze aangerijkte eieren, wordt er echter gezocht naar alternatieve n-3 LC-PUFA bronnen. In dit opzicht zijn microalgen een mogelijk alternatieve bron van n-3 LC-PUFA. Vissen bevatten immers enkel n-3 LC-PUFA door de consumptie van microalgen, die de eerste stap in de mariene voedselketen vertegenwoordigen. Onderzoek werd al verricht rond de supplementatie van heterotrofe microalgen (d.w.z. gekweekt op basis van een organische koolstofbron d.m.v. fermentatieprocessen) aan het voeder van leghennen om eieren aan te rijken met n-3 LC-PUFA. Echter, vanuit duurzaamheidsperspectief is het meer aangewezen om autotrofe microalgen (d.w.z. gekweekt op basis van zonlicht en koolstofdioxide) als alternatieve bron van n-3 LC-PUFA te gebruiken om eieren aan te rijken met n-3 LC-PUFA.

Het globale doel van deze doctoraatsstudie was het onderzoeken van de supplementatie van autotrofe microalgen aan het voeder van leghennen om eieren aan te rijken met n-3 LC-PUFA.

Eerst en vooral werd aangetoond dat de supplementatie van verschillende microalgensoorten (Phaeodactylum tricornutumNannochloropsis oculata, Isochrysis galbana en Chlorella fusca) leidt tot verschillende n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiënties in de eidooier. Dit kan verklaard worden door het verschillend n-3 PUFA profiel en de verschillende biotoegankelijkheid van de n-3 PUFA bij verschillende microalgensoorten. Chlorella, als ALA-rijke bron, geeft aanleiding tot de laagste n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiëntie in eieren aangezien de conversie van ALA tot n-3 LC-PUFA beperkt is. N-3 LC-PUFA rijke bronnen zoals Phaeodactylum, Isochrysis en Nannochloropsis geven aanleiding tot beduidend hogere n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiënties in vergelijking met Chlorella. De aanrijkingsefficiëntie bekomen door supplementatie van Nannochloropsis aan het voeder van leghennen lag echter beduidend lager in vergelijking met supplementatie van Phaeodactylum en Isochrysis. Nannochloropsis beschikt namelijk over een zeer harde, moeilijk verteerbare celwand, die waarschijnlijk leidt tot een lagere biotoegankelijkheid van de n-3 PUFA in vergelijking met de andere microalgensoorten zoals Phaeodactylum en Isochrysis, die niet over een moeilijk verteerbare celwand beschikken. Dit werd bevestigd door de n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiëntie bekomen door supplementatie van Nannochloropsis aan het voeder van leghennen te vergelijken tussen de intacte en gedisrupteerde vorm van Nannochloropsis. De gedisrupteerde vorm, met een hogere biotoegankelijkheid van de n-3 PUFA, gaf duidelijk aanleiding tot significant hogere aanrijkingsefficiënties in vergelijking met de intacte vorm. Het n-3 LC-PUFA profiel, daarentegen, heeft weinig invloed op de aanrijkingsefficiëntie aangezien geen verschil in efficiëntie werd waargenomen tussen de gedisrupteerde vorm van Nannochloropsis, als EPA bron, en Isochrysis, als DHA bron.

Niet enkel de verschillende microalgensoorten geven aanleiding tot verschillende n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiënties in de eidooier, maar ook de supplementatiedosis heeft een beduidende impact. Een toenemende n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiëntie, door supplementatie van Isochrysis aan het voeder van leghennen, werd waargenomen tot een supplementatiedosis van 120 mg n-3 PUFA per 100 g voeder. Hogere dosissen resulteerden in een daling van de n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiëntie. Bijgevolg wordt 120 mg n-3 PUFA per 100 g voeder als meest geschikte supplementatiedosis gezien. Ook werd waargenomen dat het n-3 LC-PUFA aanrijkingsproces in de eidooier gradueel verloopt, met een maximale aanrijking na 14 dagen supplementatie.

Bij supplementatie van autotrofe microalgen aan het voeder van de leghennen werd, naast de aanrijking aan n-3 LC-PUFA in de eidooier ook een beduidende kleurverandering van de eidooier waargenomen. Deze veranderingen in eidooierkleur kunnen toegeschreven worden aan de aanrijking in de eidooier van carotenoïden, afkomstig van de autotrofe microalgenbiomassa. Deze aanrijking aan carotenoïden in de eidooier kan aanleiding geven tot extra voordelen zoals de bescherming van de n-3 LC-PUFA tegen oxidatie, omwille van de antioxidatieve eigenschappen gerelateerd aan carotenoïden. Maar, aangezien de eidooierkleur een belangrijke kwaliteitsparameter is, moet deze steeds aanvaardbaar blijven voor de consument.

Tot slot werd een vergelijkende studie gemaakt waarbij de n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiëntie bekomen door supplementatie van commerciële n-3 PUFA bronnen (lijnzaad, visolie en een commercieel beschikbare heterotrofe microalg, namelijk schizochytrium) en autotrofe microalgen vergeleken werd. Als autotrofe microalg werd Isochrysis gesupplementeerd aan het voeder van de leghennen aangezien met deze alg de hoogste n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiëntie bekomen werd terwijl de eidooierkleur nog steeds aanvaardbaar was voor de consument. De vier verschillende n-3 PUFA bronnen werden gesupplementeerd in de meest geschikte supplementatiedosis: 120 mg n-3 PUFA per 100 g voeder. Niet alleen het n-3 PUFA profiel maar ook de biotoegankelijkheid van de n-3 PUFA bleken een beduidende invloed op de n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiëntie te hebben. Visolie, als bron van EPA en DHA, leidt tot de hoogste n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiëntie in de eidooier in vergelijking met de andere n-3 PUFA bronnen. Dit suggereert een hogere biotoegankelijkheid van de n-3 PUFA indien gesupplementeerd onder de vorm van olie in plaats van biomassa. De verschillende aanrijkingsefficiënties bekomen door de supplementatie van de andere bronnen, allen onder de vorm van biomassa, kan verklaard worden door het verschil in n-3 PUFA profiel. Een hogere verhouding aan ALA+SDA (met een eerder inefficiënte omzetting tot DHA) ten opzichte van n-3 LC-PUFA geeft aanleiding tot lagere n-3 LC-PUFA aanrijkingsefficiënties.

Uiteindelijk kon geconcludeerd worden dat autotrofe microalgen een mogelijke bron van n-3 LC-PUFA kunnen zijn om eieren aan te rijken met deze interessante vetzuren. Er dient echter rekening gehouden te worden met het n-3 PUFA profiel en de biotoegankelijkheid van de n-3 PUFA bij de keuze van een geschikte autotrofe microalgensoort. Vanuit economisch standpunt is de kostprijs van de autotrofe microalgenbiomassa momenteel te hoog, in vergelijking met de huidige commercieel beschikbare n-3 PUFA bronnen, om een economisch rendabel n-3 LC-PUFA aangerijkt ei op de markt te brengen. Verschillende instanties, microalgenproducenten en onderzoekers voorspellen echter in de toekomst een beduidende daling in kostprijs, wat concurrentie met de huidige n-3 PUFA bronnen wel mogelijk zou maken. Daarnaast biedt de supplementatie van autotrofe microalgen aan het voeder van leghennen mogelijk extra voordelen, zoals bijvoorbeeld de hogere oxidatieve stabiliteit van de n-3 LC-PUFA in de eidooier door aanrijking van de dooier met carotenoïden, afkomstig van de autotrofe microalgenbiomassa.


The health benefits related to omega-3 polyunsaturated fatty acids (n-3 PUFA), and more specifically the long chain (LC) n-3 PUFA eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA), are generally recognized. Since the conversion of the shorter chain n-3 PUFA α-linolenic acid (ALA) to the n-3 LC-PUFA EPA and DHA is rather limited, the direct intake of EPA and DHA is of great importance. However, the daily intake of these n-3 LC-PUFA is below the daily recommended intake of 250 mg EPA+DHA, due to the inadequate consumption of food products naturally rich in n-3 LC-PUFA, such as fatty fish. In this context, enrichment of commonly consumed foods with n-3 LC-PUFA can raise the intake of these fatty acids to the recommended level. Eggs, for example, are generally consumed and form an integral part of the diet, all over the world. Furthermore, the n-3 PUFA profile can easily be modified by supplementation of different n-3 PUFA sources to the diet of the laying hens. Fish oil, as n-3 LC-PUFA source, can, for example, be supplemented to the diet of the laying hens to enrich eggs with n-3 LC-PUFA. However, because of the declining fish stocks and the off-flavours present in the eggs, alternative n-3 LC-PUFA sources must be found. Microalgae can be very promising since the n-3 LC-PUFA present in fish originate from microalgae. Research has already been performed on the supplementation of heterotrophic microalgae (i.e. they obtain their nutrients and energy from organic compounds which are produced by other organisms, via fermentation processes). However, from a sustainability viewpoint, it would be more interesting to use autotrophic microalgae (i.e. they use light and CO2 to form their biomass) as alternative n-3 LC-PUFA source to enrich eggs with n-3 LC-PUFA.

The global aim of this doctoral work was therefore to study the supplementation of autotrophic microalgae to the diet of laying hens to enrich eggs with n-3 LC-PUFA.

First of all, it was shown that the supplementation of different microalgal species (Phaeodactylum tricornutum, Nannochloropsis oculata, Isochrysis galbana and Chlorella fusca), leads to different n-3 LC-PUFA enrichment efficiencies in the egg yolk, due to the different n-3 PUFA profiles and the different bioaccessibility of the n-3 PUFA. ALA rich sources, such as Chlorella, lead to the lowest n-3 LC-PUFA enrichment efficiency since the conversion of ALA to n-3 LC-PUFA is rather limited. n-3 LC-PUFA rich sources such as Phaeodactylum, Isochrysis and Nannochloropsis lead to significantly higher n-3 LC-PUFA enrichment efficiencies. However, the enrichment efficiency when using Nannochloropsis is drastically lower in comparison with Phaeodactylum and Isochrysis. Nannochloropsis contains a cell wall, which is very hard to digest and thus may lead to a lower bioaccessibility of the n-3 PUFA compared to the other autotrophic microalgal species Isochrysis and Phaeodactylum, which do not contain a (rigid) cell wall. This was confirmed by comparing the n-3 LC-PUFA enrichment efficiency obtained by supplementation of Nannochloropsis to the diet of the laying hens in either intact or disrupted form. The disrupted form, with a higher bioaccessibility of the n-3 PUFA, lead to significant higher n-3 LC-PUFA enrichment efficiencies compared to the intact form. The n-3 LC-PUFA profile, on the other hand, has less influence on the n-3 LC-PUFA enrichment efficiency since no difference was observed between the disrupted form of Nannochloropsis (EPA sources) and Isochrysis (DHA source).

Not only different microalgal species lead to different n-3 LC-PUFA enrichment efficiencies, but also the supplementation dose has a significant impact. An increase in enrichment efficiency, obtained by supplementation of Isochrysis to the diet of the laying hens, was observed until a supplementation dose of 120 mg n-3 PUFA per 100 g feed but at higher n-3 PUFA doses, a decrease in enrichment efficiency was observed. Thus, 120 mg n-3 PUFA per 100 g feed is the most appropriate supplementation dose. Furthermore, it was observed that the enrichment of n-3 LC-PUFA in the egg yolk is a gradual process, with the maximal enrichment after 14 days of supplementation.

In addition to the enrichment of n-3 LC-PUFA in the egg yolk by supplementation of autotrophic microalgal species to the diet of the laying hens, changes in the egg yolk color were also observed, due to carotenoid enrichment in the egg yolk. This could lead to additional benefits such as a higher protection of the n-3 LC-PUFA against oxidation due to the antioxidative nature of several carotenoids. However, since the yolk color is an important quality parameter, it should remain within the range of consumer acceptability.

To evaluate the n-3 LC-PUFA enrichment efficiency obtained by the supplementation of commercial n-3 PUFA sources (flaxseed, fish oil and a commercially available heterotrophic microalgal species, i.e. Schizochytrium ) compared to autotrophic microalgae, a comparative study was conducted. Isochrysis was selected as the most optimal microalgal species to use since it leads to the highest n-3 LC-PUFA enrichment efficiency while still retaining an acceptable yolk color. The four n-3 PUFA sources were supplemented in the same n-3 PUFA supplementation dose: 120 mg n-3 PUFA per 100 g feed. This study showed that next to the n-3 PUFA profile also the bioaccessibility of the n-3 PUFA plays an important role. Fish oil (as EPA and DHA source) leads to the highest n-3 LC-PUFA enrichment efficiency compared to the other n-3 PUFA sources. This suggested a higher bioaccessibility of the n-3 PUFA supplemented as oil compared to n-3 PUFA supplemented as biomass. The difference in enrichment efficiency between the other three n-3 PUFA sources, supplemented as biomass, can be explained by the difference in n-3 PUFA profile. Higher ratios of ALA+SDA (with a rather inefficient conversion to DHA) to n-3 LC-PUFA lead to lower n-3 LC-PUFA enrichment efficiencies.

Taken all results together, autotrophic microalgae could serve as n-3 LC-PUFA source to enrich eggs with these fatty acids. However, the n-3 PUFA profile and n-3 PUFA bioaccessibilitiy of the microalgal species should be taken into account. Evaluating the economical aspect of the n-3 PUFA enriched eggs obtained by supplementation of autotrophic microalgae, it was concluded that the cost is too high due to the high cost price of the autotrophic microalgal biomass compared to the already available n-3 PUFA sources such as flaxseed, fish oil or heterotrophic microalgal species. Several organizations, microalgal producers and researchers however predict a decrease of the production cost in the near future, which will make it possible to compete with the currently commercially available n-3 PUFA sources. Next to this, additional benefits could be related to the supplementation of autotrophic microalgae to the diet of the laying hens such as for example the additional health benefits and higher oxidative stability of the n-3 LC-PUFA related to the enrichment of carotenoids.

 

 

 

 

 
Volledige tekst van het doctoraat / full text
https://lirias.kuleuven.be/handle/123456789/532222

 
Examencommissie / Board of examiners
  Prof. dr. ir. Imogen Foubert (promotor)
  Prof. dr. ir. Johan Buyse (co-promotor)
  Mevrouw Charlotte Bruneel (co-promotor)
  Prof. dr. ir. Herman Ramon (voorzitter/chairman)
  Prof. dr. ir. Imogen Foubert (secretaris/secretary)
  Dr. Kristof Brijs
  Prof. dr. Koenraad Muylaert
  Prof.dr.ir. René Kwakkel , Universiteit Wageningen
  Dr. Sven De Vos , INVE België NV