av Roberto Acosta, Yoav Rosen och, Ra'ananAriav, Phibro Aqua, Phibro Animal Health Corporation, Ecuador och Phibro Aqua, Phibro Animal Health Corporation, Israel
Produktionen av fisk och skaldjur har ökat stadigt sedan slutet av 80-talet på grund av bidraget från vattenbrukssektorn. Dessutom, efterfrågan på vattenbruksarter som fisk, skaldjur, och kräftdjur förväntas fortsätta växa inom en snar framtid.
För att hålla jämna steg med denna förutspådda efterfrågan på skaldjur, vattenbrukssektorn behöver utveckla innovativa och miljövänliga lösningar som förbättrar odlade arters överlevnad och tillväxt, samtidigt som produktionskostnaderna sänks.
Vattenbruksfoder spelar en avgörande roll för odlingsarternas prestanda och hälsa, och står för en stor del av produktionskostnaderna. Det är, därför, avgörande för att fortsätta utveckla foder som ökar fodereffektiviteten, förbättra djurhälsan, och producera mindre avfall.
Fodertillsatser har spelat en viktig roll för att förbättra vattenfoder. Saponiner, till exempel, är en viktig och etablerad fodertillsats inom skaldjursvattenbruk. I den här artikeln, de fördelaktiga effekterna av saponiner när fodertillsatser undersöks, med särskild tonvikt på dess användning för odling av den vita Stillahavsräkan (Penaeus vannamei), vilket representerar ungefär hälften av produktionen av kräftdjursvattenbruk (53 %).
Effekten av saponiner för att förbättra näringsupptaget, matsmältningskapacitet, och tillväxtprestanda diskuteras tillsammans med de positiva effekterna av saponiner i räkors immunsystem och dess motståndskraft mot patogener. Dessutom, Användningen av saponiner för att minska näringsbelastningen i avloppsvatten från räkor från vattenbruk ses också över.
Vattenbruk:Global status och trender
Vattenbruksproduktion är den snabbast växande livsmedelsproduktionssektorn och är ansvarig för en kraftig ökning av tillgången på skaldjur för mänsklig konsumtion, speciellt sedan slutet av 80-talet då den globala produktionen av fångst av fisk och skaldjur stagnerade. Enligt den senaste rapporten som publicerades 2018 av FN:s livsmedels- och jordbruksorganisation, Vattenbruket stod för 47 procent av den totala globala skaldjursproduktionen 2016 med 80 miljoner ton registrerade i FAO:s register.
Dessutom, 30,1 miljoner ton vattenväxter och 37, 900 ton icke-livsmedelsprodukter odlades. Det totala uppskattade första försäljningsvärdet för global vattenbruksproduktion 2016 uppgår till 243,5 USD (FAO, 2018) och 19, 271 tusen jordbrukare står för global sysselsättningsstatistik.
Bland huvudgrupperna för produktion av skaldjur, kräftdjur utgör 9,8 procent av världens vattenbruksproduktion, med totalt 64 odlade arter. Andra grupper inkluderar fisk och skaldjur som representerar 67,6 procent och 21,4 procent av odlade arter, respektive.
Den huvudsakliga arten av odlade kräftdjur är räkor, kräfta, och krabbor, den vanligaste producerade arten är Stillahavsräkan (Penaeus vannamei) som representerar mer än hälften av kräftdjursproduktionen (53%). De återstående fem mest producerade kräftdjursarterna är den röda sumpkräftan (Procambarusclarkii, 12%), den kinesiska vantekrabban (Eriocheirsinensis, 10 %), jättetigerräkan (Penaeus monodon, 9%), den orientaliska flodräkan (Macrobrachiumnipponense, 4 %) och den jättelika flodräkan (Macrobrachiumrosenbergii, 3 %). Produktionen av marina räkor dominerar klart kräftdjursvattenbruket, främst i asiatiska och latinamerikanska länder, inklusive Kina, Vietnam, Indonesien, Indien, Ecuador och Thailand.
För närvarande, den globala efterfrågan på skaldjur fortsätter att växa avsevärt på grund av en mängd olika sociala och ekonomiska faktorer, nämligen, befolkningstillväxt, stigande inkomster, och förbättrad distributionskedja från producenter till slutkonsumenter. Konsumtionen per capita har ökat i genomsnitt med 1,5 procent per år sedan 1961, stigande från 9,0 kg 1961 till uppskattningsvis 20,5 kg 2017.
Handel med skaldjur för mänsklig konsumtion och icke-livsmedelsändamål (t.ex. djurfoder, farmaceutisk, nutraceutiska, kosmetika, bland annat) spelar en stor roll i ekonomisk utveckling, särskilt i utvecklingsländer, stärka ett brett utbud av branscher och aktiviteter såsom resurshantering, infrastruktur och utrustningskonstruktion, forskning och teknik, och livsmedelsförädling.
För att hålla jämna steg med efterfrågan och möta FN:s 2030-agenda för hållbar utveckling, vattenbruksnäringen har möjlighet att förbättra sin hållbarhet i ljuset av en föränderlig värld.
Som sådan, framtida trender för vattenbruksproduktion inkluderar (i) en minskning av användningen av antibiotika för att mildra expansionen av resistenta mikrobiella stammar, (ii) spridningen av integrerade multitrofiska vattenbrukssystem (IMTA) som minskar miljöförstöring och överdriven utsöndring av kväve och fosfor till miljön, iii) förbättring av foderformuleringar, eftersom odlingen av utfodrade arter fortsätter att öka i förhållande till odlingen av outfodrade arter, iv) och utvecklingen av vattenbrukssystem och utrustning, förbättra produktiviteten och minska den potentiella miljöpåverkan.
Vattenbruksfoder står ofta för hälften av de totala produktionskostnaderna. Det är, därför, avgörande för att utveckla innovativa foderformuleringar och nya ingredienser som förbättrar den näringsmässiga kvaliteten på skaldjursprodukter, särskilt genom att öka fodereffektiviteten och metabolisk assimilering av näringsämnen, samt minska foderspill genom att förbättra foderdistributionssystem och främja cirkulär ekonomi.
Dessa är, verkligen, bland de högsta prioriteringarna inom vattenbruksindustrin. Utfodringseffektivitet och bättre näringsprofiler kan uppnås genom att inkludera fodertillsatser i vattenfoder, bidra till ökade produktionshastigheter och en minskning av förekomsten av infektionssjukdomar såsom vita fläcksyndrom och tidig mortalitetssyndrom, som fortfarande är ett stort hot mot vattenbruket med räkor eftersom de leder till massdödlighet och stora ekonomiska förluster.
I sista hand, fodertillsatser som förbättrar matsmältningsprestandan och minskar förekomsten av skadedjur och sjukdomar bidrar till att minska djurens stress och, därför, förbättra djurens välbefinnande i vattenbruksanläggningar. I nästa avsnitt, vi lyfter fram vikten av fodertillsatser i vattenbruket.
Vikten av livsmedelstillsatser i vattenbruk:Det specifika fallet med saponiner
Intensifieringen av vattenbruksproduktionen är inte utan utmaningar, eftersom det kan leda till suboptimala odlingsförhållanden som leder till djurstress och dålig vattenkvalitet, som begränsar odlade djurs tillväxtprestanda och välbefinnande.
Således, fodertillsatser används ofta i vattenbruksproduktion som ett sätt att minska stress, öka reproduktionseffektiviteten, förbättra individuell hälsostatus och immunsvar, och förbättra tillväxtprestanda genom att förbättra retentionen av näringsämnen, matsmältning, och assimilering.
Fodertillsatser som främjar djurens välbefinnande är särskilt relevanta för vattenbruk med räkor eftersom räkor saknar ett adaptivt immunsystem och enbart förlitar sig på medfödd immunitet för att bekämpa patogener och sjukdomar. Några exempel på fodertillsatser inkluderar glukaner, C-vitamin, probiotika, prebiotika, organiska syror, nukleotider, karotenoider, bioaktiva fettsyror, och växtbaserade kosttillskott.
För närvarande, Det finns en växande marknad för att införliva naturliga föreningar i vattenfoder på grund av det faktum att slutkonsumenter föredrar kemikaliefria livsmedel och produkter, samtidigt som de kräver miljövänliga produktionsprocesser.
Dessutom, användningen av syntetiska ämnen, såsom antibiotika och hormoner, är inte längre accepterat i flera länder. Verkligen, användningen av antibiotika som tillväxtfrämjare inom vattenbruket förbjöds 2006 av Europeiska unionen (förordning 1831/2003/EG). Följaktligen, naturliga ingredienser, som växtbaserade fodermedel, används nu ofta inom vattenbruk som tillskott och även som fiskmjölsersättning.
Ändå, det är viktigt att betona att växtfoder måste uppfylla specifika näringsmässiga och icke-näringsmässiga egenskaper för att kunna ingå i vattenfoder, som låga halter av fiber, högt proteininnehåll, lämplig aminosyraprofil, hög näringssmältbarhet, samt lämplig smaklighet för att maximera foderacceptans och -intag.
Bland de icke-näringsmässiga egenskaperna, tillgänglighet, hållbarhet, pris, enkel bearbetning, och förvaring och funktionalitet (hållbarhet, expansion, vattenstabilitet, oljeabsorption) är kritiska egenskaper som ska utvärderas.
Flera växt- och algextrakt från aloe vera, gurkmeja, kanel, propolis, Echinacea, vitlök, grönt te, kummin, ingefära, tvålbarkträd, Mojave yucca, mikroalger Naviculasp, Spirulina, och Ulva sp, bland andra, har redan testats och demonstrerats för positiva effekter på överlevnadsgrad, hematologiska och immunparametrar, och förbättring av tillväxtprestanda för fisk och räkor.
Bland sådana kosttillskott, saponiner utvunna från tvålbarkträd (Quillajasaponaria) och Mojave yucca (Yucca schidigera) har visat sig vara mycket lovande ingredienser för vattenfoder som naturliga tillväxtfrämjare.
Saponiner klassificeras som ämnen med flera fördelar, särskilt i nyckelparametrar som foderintag, näringsämnessmältbarhet, tarmfysiologi, ämnesomsättning, tillväxt, och hälsa. Dessa föreningar är naturligt förekommande växtglykosider som har en steroid- eller triterpenoidstruktur och har tvättmedelsegenskaper.
Dock, vid höga koncentrationer, det är viktigt att notera att saponiner kan ha skadliga effekter på vattenlevande djur, såsom sänkt foderintag, hämning av aktivt upptag av näringsämnen, minskning av fertiliteten och en minskning av proteinsmältbarheten.
Ändå, hälsofrämjande effekter, som anti-cancerframkallande, antimikrobiell, sjunkande kolesterol, immunmodulerande och antiinflammatorisk aktivitet, har rapporterats när saponiner används i lägre koncentrationer och i korrekt balanserad fodertillskottsformel.
De positiva effekterna av saponiner i näringsupptaget, matsmältningskapacitet och tillväxtprestanda hos vattenbruksarter
En av de stora utmaningarna inom vattenbruksproduktionen är utvecklingen av foderformuleringar som ersätter knappa och kostsamma ingredienser, som fiskmjöl och fiskolja, och som förbättrar foderkonversationsförhållanden (FCR) och tillväxtprestanda.
Saponiner är etablerade kandidater som fodertillskott eftersom de har visat sig öka permeabiliteten hos tunntarmsslemhinnaceller, vilket ökar näringsupptaget, särskilt av makromolekyler. Dessutom, deras tvättmedelsliknande aktivitet förbättrar smältbarheten av kolhydrater genom att minska viskositeten.
Stimulering av matsmältningsenzymaktivitet som amylas, trypsin, alkaliskt proteas, leucin aminopeptidas, alkaliskt fosfatas, och lipas har också rapporterats, tillsammans med en ökning av andningsenzymer som cytokrom c-oxidas. Sådana rapporter belyser saponinernas potential att öka smältbarheten av näringsämnen, främst proteiner och kolhydrater, samtidigt som det gynnar anabola processer genom att förbättra den aerobiska ämnesomsättningen.
Flera studier har visat kapaciteten hos saponiner att öka tillväxtförmågan hos odlade fiskar och räkor. Till exempel, kost med vanlig karp som innehöll Quillaja-saponiner visade högre metabolisk effektivitet och genomsnittliga kroppsvikter (avsevärt ökade med 37,5 till 73,2%), snabbare tillväxttakt (specifik tillväxttakt ökade med 0,7 till 1,18 % per dag), och ökade användningseffektivitetsindex, inklusive matomvandlingseffektivitet, proteinproduktivt värde, och proteinökning samtidigt som rutinmässiga metaboliska hastigheter bibehålls.
Liknande resultat observerades för Nile tilapia, avslöjar betydligt högre energiretention och lipidomvandling när de kompletteras med en saponinblandning. Kosttillskott baserade på tre procent saponinblandning, särskilt från Quillajaar och Yucca-extrakt, visade positiva effekter på vikt- och längduppgång, tillväxt och överlevnad, och bättre foderomvandlingsförhållanden för Stillahavsräkor, vilket leder till högre biomassautbyte per tank och en ökning av den totala produktionen med 15 till 26 procent.
Liknande, användningen av en diet kompletterad med saponinrika Quillaja-extrakt och C-vitamin, ledde till en förbättring med 14 procent i produktionen och 15 procents ökning av överlevnadsgraden för Stillahavsräkor, jämfört med administrering av kontrolldieter. Resultat från en annan vetenskaplig studie visar också att FCR förbättrades med 23 procent hos räkor som matades med den saponintillsatta kosten.
Sammanfattningsvis, kost med saponintillskott har viktiga funktionella fördelar för vattenbruksarter, särskilt som tillväxtfrämjare och tarmhälsoprodukter som drivs av en förbättrad foderutnyttjandeeffektivitet.
Sådana resultat tros bero på en större näringsabsorption orsakad av högre tarmpermeabilitet och högre aktivitet av matsmältningsenzymer associerade med saponintillskott.
Gynnsamma effekter av saponiner i immunsystemet och resistens mot patogener
Spridningen av sjukdomar anses vara ett av de största problemen inom vattenbruket med räkor. Sjukdomar drivs ofta av dålig vattenkvalitet, höga räktätheter, näringsmässig obalans, och en brist på ordentliga biosäkerhetsmätningar i samband med handel med levande infekterade djur mellan anläggningar.
Räkdammar är benägna att invadera flera patogener inklusive protozoer, svampar, och bakterier. Dock, det största hotet kommer från spridningen av virusinfektioner, som har orsakat stora förluster i flera räkproducerande länder, inklusive i Sydostasien (Taiwan, Kina, Indonesien och Indien) och Sydamerika (Ecuador, Honduras och Mexiko).
De fem mest betydande virusen som påverkar vattenbruket med räkor är infektiöst hypodermalt och hematopoetisk nekrosvirus (IHHNV), gult huvudvirus (YHV), Taura syndrom virus (TSV), vita fläcksyndromvirus (WSSV), och infektiöst myonekrosvirus (IMNV).
Förebyggande åtgärder är för närvarande det bästa tillvägagångssättet för att minska spridningen av virusinfektioner eftersom det inte finns några effektiva behandlingar för utbrott av viruspandemi i vattenbruksanläggningar för räkor. Som sådan, det är av yttersta vikt att upprätthålla optimal vattenkvalitet, men också för att förstärka immunsvaret hos räkor.
immunstimulerande föreningar, lätt administreras genom foder, kan vara en lösning för att mildra problemet med infektionssjukdomar och följaktligen förbättra produktionsavkastningen. Immunstimulerande medel definieras som föreningar som "förstärker det medfödda eller ospecifika immunsvaret genom att interagera direkt med celler i systemet, aktivera dem'.
Flera föreningar har administrerats som immunstimulerande medel i vattenbruksanläggningar för att förbättra hälsotillståndet hos räkor, inklusive peptidoglykaner, lipopolysackarider, oligosackarider, vitaminer, nukleotider, antibakteriella peptider, cytokiner, probiotika, och örter, växt- och algextrakt.
Flera verkningssätt av immunstimulerande medel har använts i penaeidräkor, såsom:(i) förstärkning av fagocytos av patogener genom aktivering av fagocytiska celler i hemolymfen, (ii) ökande antibakteriella och antiseptiska egenskaper hos hemolymfen, (iii) aktivera signaltransduktion och propenoloxidassystemet.
Mer specifikt, växtextrakt har rapporterats förbättra ospecifika immunegenskaper som leukocytfunktion, verkar mot ett brett spektrum av patogener. Ändå, flera faktorer bör beaktas vid administrering av immunstimulerande medel eftersom deras effektivitet beror på tidpunkten för administrering, dosering, och verkningssätt.
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, respiratory burst, 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. Dessutom, another study carried out using the giant freshwater prawn also showed that saponins can modulate the immune system by increasing total haemocyte count and, i sista hand, 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, Således, 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.
Dessutom, nutrient excess may lead to the eutrophication of coastal ecosystems, causing mass mortality events. Som ett exempel, 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.
Dock, the elevated costs of technology, poor planning, and lack of regulation may hamper the use of such innovative methods. Således, 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.
Dessutom, 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.
Till exempel, 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. I en annan 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. Fortfarande, the inhibition of ammonia leaching from feces and feed waste and, därför, 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.
Slutsats
Saponins are important and established feed additives in seafood aquaculture. Övergripande, 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.
Dessutom, saponins have shown positive effects in the immune system of aquatic species and their resistance to pathogens. The integration of saponins in aquafeeds is, därför, a relevant step to improve animal welfare, control infectious diseases, and further advance health management strategies in aquaculture production.
Slutligen, 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.
Sammanfattningsvis, 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.
