Het gebruik van saponinen in de aquacultuur

door Roberto Acosta, Yoav Rosen en, Ra'anan Ariav, Phibro Aqua, Phibro Animal Health Corporation, Ecuador en Phibro Aqua, Phibro Animal Health Corporation, Israël

De productie van zeevruchten is sinds eind jaren 80 gestaag toegenomen dankzij de bijdrage van de aquacultuursector. Bovendien, de vraag naar aquacultuursoorten zoals vissen, schaaldieren, en schaaldieren zullen naar verwachting in de nabije toekomst blijven groeien.

Om aan deze voorspelde vraag naar zeevruchten te kunnen voldoen, de aquacultuursector moet innovatieve en milieuvriendelijke oplossingen ontwikkelen die de overleving en groei van gekweekte soorten verbeteren, terwijl tegelijkertijd de productiekosten worden verlaagd.

Aquacultuurvoer speelt een cruciale rol op de prestaties en gezondheid van de kweeksoorten, en vertegenwoordigt een groot deel van de productiekosten. Het is, daarom, cruciaal om voer te blijven ontwikkelen dat de voerefficiëntie verhoogt, de gezondheid van dieren verbeteren, en produceren minder afval.

Voeradditieven hebben een belangrijke rol gespeeld om aquafeeds te verbeteren. Saponinen, bijvoorbeeld, zijn een belangrijk en gevestigd toevoegingsmiddel voor diervoeders in de aquacultuur van zeevruchten. In dit artikel, de gunstige effecten van saponinen als toevoegingsmiddelen voor diervoeding worden onderzocht, met bijzondere nadruk op het gebruik ervan voor de kweek van de Pacifische witte garnaal (Penaeus vannamei), die ongeveer de helft van de aquacultuurproductie van schaaldieren vertegenwoordigt (53%).

Het effect van saponinen om de opname van voedingsstoffen te verbeteren, verteringscapaciteit, en groeiprestaties worden besproken samen met de positieve effecten van saponinen op het immuunsysteem van garnalen en de resistentie tegen pathogenen. Bovendien, het gebruik van saponinen om de nutriëntenbelasting van het afvalwater van garnalenaquacultuur te verminderen wordt ook beoordeeld.

Aquacultuur:wereldwijde status en trends

De aquacultuurproductie is de snelst groeiende voedselproductiesector en is verantwoordelijk voor een grote toename van het aanbod van zeevruchten voor menselijke consumptie, vooral sinds het einde van de jaren 80, toen de wereldwijde productie van visvangst stagneerde. Volgens het laatste rapport dat in 2018 is gepubliceerd door de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties, aquacultuur vertegenwoordigde 47 procent van de totale wereldwijde productie van zeevruchten in 2016, met 80 miljoen ton geregistreerd in FAO-records.

Bovendien, 30,1 miljoen ton waterplanten en 37, 900 ton non-food producten werden gekweekt. De totale geschatte waarde van de eerste verkoop van de wereldwijde aquacultuurproductie in 2016 bedraagt ​​US $ 243,5 (FAO, 2018) en 19, 271 duizend boeren zijn verantwoordelijk voor wereldwijde werkgelegenheidsstatistieken.

Onder de belangrijkste groepen van de productie van zeevruchten, schaaldieren maken 9,8 procent uit van de wereldwijde aquacultuurproductie, met in totaal 64 gekweekte soorten. Andere groepen zijn onder meer vinvissen en schaaldieren die 67,6 procent en 21,4 procent van de gekweekte soorten vertegenwoordigen, respectievelijk.

De belangrijkste soorten gekweekte schaaldieren zijn garnalen, rivierkreeft, en krabben, de meest geproduceerde soort is de Pacifische witte garnaal (Penaeus vannamei), die meer dan de helft van de productie van schaaldieren vertegenwoordigt (53%). De overige vijf geproduceerde soorten schaaldieren zijn de rode moeraskreeft (Procambarusclarkii, 12%), de Chinese wolhandkrab (Eriocheirsinensis, 10%), de reuzentijgergarnaal (Penaeus monodon, 9%), de oosterse riviergarnaal (Macrobrachiumnipponense, 4%) en de reuzenriviergarnaal (Macrobrachiumrosenbergii, 3%). De productie van zeegarnalen domineert duidelijk de aquacultuur van schaaldieren, voornamelijk plaatsvinden in Aziatische en Latijns-Amerikaanse landen, inclusief China, Vietnam, Indonesië, Indië, Ecuador en Thailand.

Momenteel, de wereldwijde vraag naar zeevruchten blijft aanzienlijk groeien als gevolg van een verscheidenheid aan sociale en economische factoren, namelijk, bevolkingsgroei, stijgende inkomens, en een verbeterde distributie in de toeleveringsketen van producenten naar de eindverbruikers. Het verbruik per hoofd van de bevolking is sinds 1961 met gemiddeld 1,5 procent per jaar gestegen, stijgend van 9,0 kg in 1961 tot naar schatting 20,5 kg in 2017.

De handel in zeevruchten voor menselijke consumptie en non-food doeleinden (bv. diervoeder, farmaceutisch, nutraceutisch, cosmetica, onder andere) speelt een grote rol in de economische ontwikkeling, vooral in ontwikkelingslanden, het stimuleren van een breed scala aan industrieën en activiteiten, zoals resource management, infrastructuur en apparatuurbouw, onderzoek en technologie, en voedselverwerking.

Om gelijke tred te houden met de vraag en te voldoen aan de 2030 Agenda voor Duurzame Ontwikkeling van de Verenigde Naties, de aquacultuurindustrie heeft de mogelijkheid om haar duurzaamheid te verbeteren in het licht van een veranderende wereld.

Als zodanig, toekomstige trends voor de aquacultuurproductie zijn onder meer (i) een vermindering van het gebruik van antibiotica om de uitbreiding van resistente microbiële stammen tegen te gaan, (ii) de verspreiding van geïntegreerde multitrofische aquacultuursystemen (IMTA) die de aantasting van het milieu en de overmatige uitscheiding van stikstof en fosfor naar het milieu verminderen, (iii) de verbetering van voerformuleringen, aangezien de kweek van gevoede soorten blijft stijgen in verhouding tot de kweek van niet-gevoede soorten, (iv) en de evolutie van aquacultuursystemen en -apparatuur, het verbeteren van de productiviteit en het verminderen van de potentiële milieueffecten.

Aquacultuurvoer is vaak goed voor de helft van de totale productiekosten. Het is, daarom, cruciaal om innovatieve voerformules en nieuwe ingrediënten te ontwikkelen die de voedingskwaliteit van zeevruchtenproducten verbeteren, met name door het verhogen van de voerefficiëntie en de metabolische assimilatie van voedingsstoffen, evenals het verminderen van voerverspilling door het verbeteren van voerdistributiesystemen en het bevorderen van circulaire economie-inspanningen.

Dit zijn, inderdaad, behoren tot de topprioriteiten in de aquacultuursector. Voerefficiëntie en betere voedingsprofielen kunnen worden bereikt door toevoeging van voeradditieven in aquafeeds, bijdragen aan hogere productiesnelheden en een vermindering van het optreden van infectieziekten zoals het witte-vlek-syndroom en het vroege-sterftesyndroom, die nog steeds een grote bedreiging vormen voor de aquacultuur van garnalen, aangezien ze leiden tot massale sterfte en grote economische verliezen.

uiteindelijk, voeradditieven die de spijsvertering verbeteren en het optreden van plagen en ziekten verminderen, dragen bij aan het verminderen van stress bij dieren en, daarom, verbetering van het dierenwelzijn in aquacultuurfaciliteiten. In de volgende sectie, we benadrukken het belang van toevoegingsmiddelen in de aquacultuur.

Het belang van levensmiddelenadditieven in de aquacultuur:het specifieke geval van saponinen

De intensivering van de aquacultuurproductie is niet zonder uitdagingen, omdat het kan leiden tot suboptimale kweekomstandigheden die leiden tot stress bij dieren en een slechte waterkwaliteit, die de groeiprestaties en het welzijn van gekweekte dieren beperken.

Dus, voeradditieven worden vaak gebruikt in de aquacultuurproductie als middel om stress te verminderen, reproductieve efficiëntie verhogen, verbetering van de individuele gezondheidsstatus en immuunrespons, en de groeiprestaties verbeteren door het vasthouden van voedingsstoffen te verbeteren, spijsvertering, en assimilatie.

Voederadditieven die het welzijn van dieren bevorderen, zijn met name relevant voor de aquacultuur van garnalen, aangezien garnalen geen adaptief immuunsysteem hebben en uitsluitend vertrouwen op aangeboren immuniteit om ziekteverwekkers en ziekten te bestrijden. Enkele voorbeelden van toevoegingsmiddelen zijn glucanen, vitamine C, probiotica, prebiotica, organische zuren, nucleotiden, carotenoïden, bioactieve vetzuren, en plantaardige supplementen.

Momenteel, er is een groeiende markt om natuurlijke verbindingen in aquafeeds op te nemen vanwege het feit dat de eindconsument de voorkeur geeft aan voedingsmiddelen en producten die vrij zijn van chemicaliën, terwijl ook milieuvriendelijke productieprocessen worden geëist.

Aanvullend, het gebruik van synthetische stoffen, zoals antibiotica en hormonen, wordt in verschillende landen niet meer geaccepteerd. Inderdaad, het gebruik van antibiotica als groeibevorderaar in de aquacultuur werd in 2006 door de Europese Unie verboden (Verordening 1831/2003/EG). Bijgevolg, natuurlijke ingrediënten, zoals plantaardige voeders, worden nu veel gebruikt in de aquacultuur als aanvulling en ook als vervanging voor vismeel.

Hoe dan ook, het is belangrijk om te benadrukken dat plantenvoeders moeten voldoen aan specifieke nutritionele en niet-nutritionele kenmerken voor opname in aquafeeds, zoals een laag vezelgehalte, hoog eiwitgehalte, passend aminozuurprofiel, hoge verteerbaarheid van voedingsstoffen, evenals een geschikte smakelijkheid om de voeracceptatie en -opname te maximaliseren.

Onder de niet-nutritionele kenmerken, beschikbaarheid, duurzaamheid, prijs, gemak van verwerking, en opslag en functionaliteit (duurzaamheid, uitbreiding, water stabiliteit, olieabsorptie) zijn kritische kenmerken die moeten worden geëvalueerd.

Verschillende planten- en algenextracten van aloë vera, kurkuma, kaneel, propolis, Echinacea, knoflook, groene thee, komijn, gember, zeepschors boom, Mojave-yucca, microalgen Naviculasp, Spirulina, en Ulva sp, onder andere, zijn al getest en aangetoond voor positieve effecten op overlevingskansen, hematologische en immuunparameters, en verbetering van de groeiprestaties van vissen en garnalen.

Onder dergelijke voedingssupplementen, saponinen gewonnen uit zeepbastboom (Quillajasaponaria) en Mojave yucca (Yucca schidigera) hebben bewezen zeer veelbelovende ingrediënten te zijn voor aquafeeds als natuurlijke groeibevorderaars.

Saponinen worden geclassificeerd als stoffen met meerdere voordelen, vooral in belangrijke parameters zoals voeropname, verteerbaarheid van voedingsstoffen, darmfysiologie, metabolisme, groei, en gezondheid. Deze verbindingen zijn van nature voorkomende plantglycosiden met een steroïde- of triterpenoïde-structuur en reinigende eigenschappen.

Echter, bij hoge concentraties, het is belangrijk op te merken dat saponinen schadelijke effecten kunnen hebben op waterdieren, zoals verminderde voeropname, remming van actieve opname van voedingsstoffen, verminderde vruchtbaarheid en verminderde verteerbaarheid van eiwitten.

Hoe dan ook, gezondheidsbevorderende effecten, zoals kankerverwekkend, antimicrobieel, cholesterol verlagend, immuunmodulerende en ontstekingsremmende activiteit, zijn gemeld bij gebruik van saponinen in lagere concentraties en in goed uitgebalanceerde voedingssupplementen.

Gunstige effecten van saponinen bij de opname van voedingsstoffen, verteringscapaciteit en groeiprestaties van aquacultuursoorten

Een van de grootste uitdagingen voor de aquacultuurproductie is de ontwikkeling van voerformuleringen die schaarse en dure ingrediënten vervangen, zoals vismeel en visolie, en die de voerconversatieratio's (FCR) en groeiprestaties verbeteren.

Saponinen zijn gevestigde kandidaten als voedingssupplementen omdat is aangetoond dat ze de doorlaatbaarheid van de slijmvliescellen van de dunne darm verhogen, waardoor de opname van voedingsstoffen wordt verhoogd, vooral van macromoleculen. Bovendien, hun wasmiddelachtige activiteit verbetert de verteerbaarheid van koolhydraten door de viscositeit te verlagen.

De stimulatie van spijsverteringsenzymactiviteit zoals amylase, trypsine, alkalische protease, leucine aminopeptidase, alkalische fosfatase, en lipase is ook gemeld, samen met een boost in ademhalingsenzymen zoals cytochroom c-oxidase. Dergelijke rapporten benadrukken het potentieel van saponinen om de verteerbaarheid van voedingsstoffen te verhogen, voornamelijk eiwitten en koolhydraten, terwijl tegelijkertijd anabole processen worden bevorderd door het aerobe metabolisme te verbeteren.

Verschillende onderzoeken hebben het vermogen van saponinen aangetoond om de groeiprestaties van gekweekte vissen en garnalen te verhogen. Bijvoorbeeld, gewone karper gevoede diëten die Quillaja saponinen bevatten, vertoonden een hogere metabole efficiëntie en een gemiddeld lichaamsgewicht (aanzienlijk verhoogd met 37,5 tot 73,2%), snellere groeisnelheden (specifieke groeisnelheid nam toe met 0,7 tot 1,18% per dag), en verhoogde gebruiksefficiëntie-indexen, inclusief voedselconversie-efficiëntie, eiwit productieve waarde, en eiwittoename terwijl tegelijkertijd de routinematige stofwisseling wordt gehandhaafd.

Vergelijkbare resultaten werden waargenomen voor Nile tilapia, onthullend aanzienlijk hogere energieretentie en lipideconversie wanneer aangevuld met een saponinemengsel. Supplementen op basis van drie procent saponine-melange, met name van Quillaja en Yucca-extracten, toonde gunstige effecten op gewichts- en lengtetoename, groei- en overlevingspercentages, en betere voederconversies van witte garnalen uit de Stille Oceaan, wat leidt tot een hogere biomassaopbrengst per tank en een toename van 15 tot 26 procent van de totale productie.

evenzo, het gebruik van een dieet aangevuld met saponinerijke Quillaja-extracten en vitamine C, leidde tot een verbetering van 14 procent in de productie en een toename van 15 procent in overlevingspercentages van Pacifische witte garnalen, in vergelijking met het toedienen van controlediëten. Resultaten van een ander wetenschappelijk onderzoek tonen ook aan dat de FCR met 23 procent was verbeterd bij garnalen die werden gevoed met het met saponine aangevulde dieet.

Samengevat, met saponine aangevulde diëten hebben belangrijke functionele voordelen voor aquacultuursoorten, vooral als groeibevorderaars en darmgezondheidsproducten, aangedreven door een verbeterde efficiëntie van het voergebruik.

Men denkt dat dergelijke resultaten te wijten zijn aan een grotere opname van voedingsstoffen veroorzaakt door een hogere darmpermeabiliteit en een hogere activiteit van spijsverteringsenzymen geassocieerd met saponine-suppletie.

Gunstige effecten van saponinen op het immuunsysteem en resistentie tegen pathogenen

De verspreiding van ziekten wordt beschouwd als een van de grootste problemen in de aquacultuur van garnalen. Ziekten worden vaak veroorzaakt door een slechte waterkwaliteit, hoge garnalendichtheden, voedingsonevenwichtigheden, en een gebrek aan goede bioveiligheidsmaatregelen in verband met de handel in levende besmette dieren tussen faciliteiten.

Garnalenvijvers zijn vatbaar voor de invasie van verschillende pathogenen, waaronder protozoa, schimmels, en bacteriën. Echter, de grootste bedreiging komt van de verspreiding van virale infecties, die grote verliezen hebben veroorzaakt in verschillende garnalenproducerende landen, onder meer in Zuidoost-Azië (Taiwan, China, Indonesië en India) en Zuid-Amerika (Ecuador, Honduras en Mexico).

De top vijf van meest significante virussen die de aquacultuur van garnalen aantasten, zijn infectieus hypodermaal en hematopoëtisch necrosevirus (IHHNV), geelkopvirus (YHV), Taura syndroom virus (TSV), witte stip syndroom virus (WSSV), en infectieus myonecrosevirus (IMNV).

Preventieve maatregelen zijn momenteel de beste aanpak om de verspreiding van virale infecties te verminderen, aangezien er geen effectieve behandelingen zijn voor uitbraken van virale pandemie in aquacultuurfaciliteiten voor garnalen. Als zodanig, het is van het allergrootste belang om een ​​optimale waterkwaliteit te behouden, maar ook om de immuunrespons van garnalen te versterken.

Immunostimulerende verbindingen, gemakkelijk toe te dienen via voer, kan een oplossing zijn om het probleem van infectieziekten te verminderen en bijgevolg de productieopbrengsten te verbeteren. Immunostimulantia worden gedefinieerd als verbindingen die 'de aangeboren of niet-specifieke immuunrespons versterken door directe interactie met cellen van het systeem, activeren'.

Verschillende verbindingen zijn toegediend als immunostimulantia in aquacultuurfaciliteiten om de gezondheidsstatus van garnalen te verbeteren, inclusief peptidoglycanen, lipopolysachariden, oligosachariden, vitamines, nucleotiden, antibacteriële peptiden, cytokinen, probiotica, en kruiden, planten- en algenextracten.

Er zijn verschillende werkingsmechanismen van immunostimulantia gebruikt bij penaeïde garnalen, zoals:(i) het versterken van de fagocytose van pathogenen door de activering van fagocytische cellen in de hemolymfe, (ii) toenemende antibacteriële en antiseptische eigenschappen van de hemolymfe, (iii) het activeren van signaaltransductie en het profenoloxidasesysteem.

Specifieker, Van plantenextracten is gemeld dat ze niet-specifieke immuuneigenschappen verbeteren, zoals de leukocytenfunctie, werkt tegen een breed spectrum van pathogenen. Hoe dan ook, er moet rekening worden gehouden met verschillende factoren bij het toedienen van immunostimulantia, aangezien hun efficiëntie afhangt van het tijdstip van toediening, dosering, en werkwijze.

Saponins are among the plant extracts that have been shown to improve the immune response of shrimps and their resistance to pathogens. Immune modulation induced by saponins is apparently related to (i) the induction of cytokines like interleukins and interferons, (ii) the formation of complexes between saponins and antigens and their incorporation into cell or endosomal membranes, exposing antigens to cytosolic proteases (which would otherwise be exposed to digestive degradation), and (iii) the inhibition of non-specific processes such as inflammation and monocyte proliferation.

White shrimp contaminated with Vibrio alginolyticus and immersed in saponin solutions showed increased phagocytic activity and greater clearance efficiency, having higher survival rates, proving the immunomodulatory capacity of saponins.

Immune parameters, such as hyaline cells, total haemocyte count, specific α2-macroglobulin activity, respiratoire uitbarsting, and antioxidant enzyme activity have been shown to increase with saponin supplementation.

Other reports similarly showed the enhancement of bacterial clearance in rainbow trout and the enhancement of chemotactic activity of yellowtail leucocytes. Bovendien, another study carried out using the giant freshwater prawn also showed that saponins can modulate the immune system by increasing total haemocyte count and, uiteindelijk, increasing disease resistance.

Besides the established immunostimulant effect, saponins have also been shown to be good vaccine adjuvants, to have antifungal properties, to reduce viral replication, and to induce detrimental effects on protozoa due to their detergent effect on cell membranes. Such properties are important to reduce the load of internal parasites in cultured shrimps.

The use of saponins to reduce the nutrient load of shrimp aquaculture effluents

Shrimp aquaculture is one of major sources of pollution in tropical and subtropical coastal areas due to discharges from culture ponds, creating excessive nitrogen loads from cultured animals' excretion as an end product of protein metabolism.

Ammonia, and its intermediate product nitrite, are highly toxic to aquatic animals, including fish and crustaceans and should be kept to a minimum in order to maintain animal welfare and, dus, maximise shrimp survival.

Water quality deterioration due to excess ammonia is a major issue in shrimp aquaculture and has been associated with collapses in production, mainly due to the rapid spread of diseases and physiological stress.

Bovendien, nutrient excess may lead to the eutrophication of coastal ecosystems, causing mass mortality events. Als voorbeeld, for every ton of cultured fish, 44-to-66kg of nitrogen and 7.2-to-10.5kg of phosphorus waste are produced. Several innovative and technological solutions have been proposed, in order to mitigate the pollution induced by pond effluents, such as IMTA, improved pond design, construction of buffer ponds, and bioreactors or bio-filters, in addition to reduction agents to treat effluent water and reduce water exchange rates.

Echter, the elevated costs of technology, poor planning, and lack of regulation may hamper the use of such innovative methods. Dus, a straightforward way to reduce the load of nutrients into the coastal environments might be to improve the nutrient composition of feed, given that the dietary requirements and welfare of the animals are still met.

From this point of view, the use of saponins as feed additives is of major interest as plant extracts that contain saponins and glycocomponents are able to bind to ammonia and mediate the conversion of ammonia to nitrite and to nitrate, the latter far less toxic form of nitrogen.

Bovendien, HCO3- may react with ammonia to form urea in the presence of saponins. Yucca extracts have been successfully used in livestock husbandry to control ammonia accumulation in the facilities as well as to reduce odour.

According to this latter study, Yucca extracts can also be used in aquaculture facilities. Bioassays using fish and shrimp in both freshwater and saltwater systems have shown that Yucca and Quillaja extracts reduce ammonia when used as feed additives or liquid extracts for water treatment.

Bijvoorbeeld, a Yucca extract added at 6mg.L-1 every 15 days to fish and shrimp systems achieved a 58-60 percent reduction in ammonia as compared to a control system. In een andere studie, the addition of Yucca extract at 430 mg.L-1 to 30 L tanks in a recirculating water system achieved an 82 percent reduction in ammonia. Nog altijd, the inhibition of ammonia leaching from feces and feed waste and, daarom, the reduction of ammonia levels in water was improved when Yucca or Quillaja extracts were used as feed supplement as compared to water treatment solutions.

Conclusie

Saponins are important and established feed additives in seafood aquaculture. Algemeen, and taking into consideration the positive digestive and growth performance effects particularly observed for Pacific white shrimp, there is overwhelming scientific evidence that saponins can notably contribute to boost shrimp aquaculture production and profitability.

Aanvullend, saponins have shown positive effects in the immune system of aquatic species and their resistance to pathogens. The integration of saponins in aquafeeds is, daarom, a relevant step to improve animal welfare, control infectious diseases, and further advance health management strategies in aquaculture production.

als laatste, the use of saponins in feed formulations can help fish and shrimp farmers in ammonia management strategies, thereby contributing to the establishment of environmentally friendly production processes in order to achieve the sustainable development goals enacted by the United Nations for 2030.

Samengevat, the recognised properties of saponins as growth prometers, immunostimulants, parasitic control, and ammonia reducing agents will certainly help seafood farmers to achieve not only higher production levels and profitability, but also establish effective health management strategies and eco-friendly production processes.