Digestibility and functionality of black soldier fly larvae meal in Atlantic salmon feeds

Abstract

Fordøyeligheten og funksjonaliteten til delvis avfettet mel av svarte soldatfluelarver (BSFL) er studert i fôret til atlantisk laks (Salmo salar). Insektmel er et lovende alternativ til konvensjonelle fôringredienser på grunn av deres gode protein- og aminosyre (AA)-sammensetning.

Det første målet i denne avhandlingen (Artikkel I) fokuserte primært på å evaluere protein- og aminosyrefordøyeligheten hos oppdrettet atlantisk laks ved hjelp av in vivo- og in vitro-metoder. Laks- og pattedyrenzymer ble vurdert for å studere in vitro løselighet av proteiner og AA i BSF-mel. BSFL-mel hadde en fordøyelig verdi for råprotein >85% og en protein løselighet på 24%. Fordøyeligheten ble rapportert som >80% for de fleste AA, og in vitro-løselighetsverdiene for AA i BSFL-mel varierte mellom 10-44%. Det ble observert høyere løselighet for AA med kommersielle enzymer enn med fiskeenzymer. Videre forsøkte studien å sammenligne in vivo- og in vitro-metodene for å vurdere egnetheten til in vitro-metodene. Det ble observert en høy korrelasjon (dog ikke signifikant) mellom in vitro- og in vivo-fordøyelighet av proteiner i BSFL-mel, men ikke på nivået av AA.

Deretter undersøkte Artikkel II prestasjon, overlevelse, helse og velferd hos oppdrettet atlantisk laks under produksjonsrelevante forhold. Forsøket ble utført i åpne merder i sjø, eksponert for naturlige stressfaktorer og dermed lignende realistiske forhold på en kommersiell gård. Fisken vokste fra ~ 0,2 kg til høstingsstørrelse ~4,5-5 kg. Atlantisk laks som ble fôret med BSFL-mel ved 5% hadde redusert plasmakortisol under kronisk stress (patogeninfeksjon og miljøstressfaktorer), men uten diettvirkning under avlusningsstress. Videre forbedret BSFL 5% dietten også blodprofilen og endret egenskapene til hudens mukosa. Imidlertid ble det observert økt respons av proinflammatoriske gener i den samme dietten, noe som understreker aktivering av den medfødte immunresponsen hos laks som ble fôret med BSFL-mel. Videre hadde BSFL-basert diett ingen negativ effekt på leverfunksjonen; i stedet reduserte den plasmakonsentrasjonen av aspartataminotransferase og alaninaminotransferase hos laks fôret med BSFL 5%. Dermed hadde inkludering av BSFL-mel i kosten ved 5% en positiv immunmodulerende effekt på atlantisk laks.

Artikkel III undersøkte de diettrelaterte effektene av BSFL-mel på vurdering av filetkvalitet hos oppdrettet atlantisk laks under produksjonsrelevante forhold. Generelt sett kompromitterte inkluderingen av BSFL-mel i dietten opp til 10% ikke fysisk, kjemisk, næringsmessig eller sensorisk attributter for fileten. Det ble ikke observert effekter av diett på filetfarge eller -tekstur. Imidlertid ble det lagt merke til at uavhengig av dietten hadde laksefileten en høyere gulfargeindeks, antatt å skyldes lagringsvarighet av fileten. Videre påvirket BSFL 10% dietten de ernæringsmessige kvalitetsindikatorene til laks, selv om det var marginalt. Det ble også observert høyere nivå av sink og jern i laksfileten fôret med BSFL 10%. Sensorisk analyse utført på laksefileten viste at en diett med BSFL ikke påvirket betydelig den sensoriske kvaliteten.

Denne avhandlingen forsøkte også å undersøke bærekraften til insektbaserte laksefôr basert på karbonavtrykk. Analysen viste at dietten basert på BSFL hadde et lavere karbonavtrykk (CO2e per kg fôr) sammenlignet med planteprotein kilder (soyaproteinkonsentrat (SPC) og guarmel). Ved å bruke CO2-ekvivalentverdiene for SPC, guarpotein og insektmel, kunne vi oppnå en relativ reduksjon på 0,15 til 0,35 kg CO2-ekvivalent per kg fôr. Dette tilsvarer en reduksjon på 6-15% i CO2-utslipp sammenlignet med 2,3 kg CO2-ekvivalent per kg fôr i dagens norske lakseoppdrett. Dermed kan erstatning opp til 10% redusere karbonutslippet fra fôr, noe som deretter kan forbedre den generelle bærekraften til laksefôr med hensyn til karbonutslipp. Totalt sett forbedret diettinntak av BSFL-mel ved 5% inkludering de medfødte immunresponsene, og opp til 10% i fôret til atlantisk laks er mulig uten betydelige negative effekter på fordøyelighet, helse og filetkvalitet.

The digestibility and functionality of partially defatted black soldier fly larvae (BSFL) meal has been studied in Atlantic salmon (Salmo salar) feeds. Insect meals are a promising alternative to mainstream feed ingredients due to their good protein and amino acid (AA) composition.

The first aim of this thesis (Paper I) primarily focused on evaluating the protein and amino acid digestibility in farmed Atlantic salmon using in vivo and in vitro methods. Salmon and mammalian enzyme sources were considered for studying the in vitro protein and AA solubility of BSFL meal. The BSFL meal had a crude protein digestible value >85% and protein solubility of 24%. The digestibility reported >80% for most of the AA and in vitro AA solubility values for BSFL meal ranged between 10-44%. A higher solubility for AA was observed with commercial enzymes than fish enzymes. Furthermore, the study attempted a comparison between the in vivo and in vitro methods to assess the suitability of in vitro methods. A high correlation (though not significant) between in vitro and in vivo protein digestibility in BSFL meal was observed using salmon enzyme but not at the AA level.

Subsequently, Paper II investigated the performance, survival, health and welfare of farmed Atlantic salmon under production relevant conditions. The trial was performed in open sea cages, exposed to natural stressors resembling a realistic commercial farm condition. The fish grew from ~ 0.2 kg to harvest size ~4.5-5 kg. Atlantic salmon fed BSFL meal at 5% reduced the plasma cortisol in salmon under chronic stress (pathogen infestation and environmental stressors) but without dietary effect during delousing stress. Furthermore, BSFL 5% diet also improved the blood profile, and altered the skin mucosal characteristics. Nevertheless, an increased response of pro-inflammatory genes was observed in the same dietary group, underlining an activation of innate immune response in salmon fed dietary BSFL meal. Moreover, the BSFL-based diet did not have negative effect on liver function, instead reduced the plasma aspartate aminotransferase, and alanine aminotransferase when fed BSFL 5%. Thus, inclusion of dietary BSFL at 5% had a positive immunomodulatory effect in Atlantic salmon.

Paper III investigated the dietary effects of BSFL meal on fillet quality of farmed Atlantic salmon from paper II. In general, inclusion of dietary BSFL meal up to 10% did not compromise the fillet physical, chemical, nutritional or sensory attributes. No dietary effect was observed on fillet color and texture. However, it was noticed that salmon fillet irrespective of dietary group had a higher yellowness index which was assumed to be due to fillet storage duration. Furthermore, BSFL 10% diet influenced the nutritional quality indices of salmon, though it was marginal. Also, a higher level of zinc and iron was observed in the salmon fillet fed BSFL 10%. The sensory analysis conducted on salmon fillet showed that dietary BSFL did not significantly affect the overall ‘liking’ of fillet. This thesis also attempts to investigate the sustainability of insect-based salmon feeds based on carbon footprint. The analysis showed that BSFL-based diet had a lower carbon footprint (CO2e per kg feed), when replaced plant protein sources (soy protein concentrate (SPC) and guar meal). Using the CO2 equivalent values for SPC, guar protein and insect meal we could achieve a relative reduction of 0.15 to 0.35kg CO2 equivalent per kg feed. This corresponds to a reduction of 6-15% in CO2 emissions relative to 2.3kg CO2 equivalent per kg feed in present Norwegian salmon farming. Thus, replacement up to 10% can reduce the carbon emission contributed from feed which can subsequently improve the overall sustainability of salmon feed in terms of carbon emissions.

Overall, dietary inclusion of BSFL meal at 5% inclusion improved the innate immune responses and up to 10% in Atlantic salmon feed is possible without significant negative effects on digestibility, health and fillet quality.