Investigations on nutritional characteristics of microalgae with emphasis on ruminants

Abstract

The main objective of the present thesis was to systematically determine nutritional characteristics of microalgae and evaluate the suitability of microalgae as feedstuffs, particularly for ruminants. The experiments comprised a comprehensive characterisation of microalgae nutrient profiles with chemical-analytical methods and the determination of extent and dynamics of nutrient utilization using in vitro methods. In order to generate a comprehensive database on nutrient composition of microalgae, 16 commercial microalgae biomasses of four genera (Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis, and Phaeodactylum) were analysed utilizing established methods for food and feed evaluation (Manuscript 1). These investigations included determination of the in vitro crude protein (CP) digestibility for pigs. Nutrient analyses showed a considerable variation particularly in concentrations of proximate nutrients, minerals, and fatty acids, both among and within genera. This variation presumably resulted from varying cultivation conditions and it was concluded that general mean values are not appropriate to characterize microalgae in terms nutrient composition. Manuscript 2 aimed to determine characteristics of the nutritional value of microalgae for ruminants utilizing different in vitro methods. The commercial biomasses included in Manuscript 1 were investigated using the Hohenheim Gas Test method. The investigations comprised the determination of several ruminal fermentation characteristics, of the energy value, and of the protein value. A three-step enzymatic in vitro system was used to estimate intestinal digestibility of ruminally undegraded CP (IDP). Ruminal fermentation of the investigated microalgae biomasses was overall low, which was indicated by an overall low level of production of gas and volatile fatty acids, and a low ruminal CP degradation. As a result of low ruminal fermentation, microalgae biomasses were characterized by high concentrations of ruminally undegradable CP (RUP; 386, 399, 315, and 263 g RUP/kg DM at passage rate of 8 %/h for Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis, and Phaeodactylum, respectively). Thus, microalgae appear to be potential alternative protein sources for high performing animals. However, this was contradicted by low IDP, which was determined for microalgae in the present thesis for the first time (mean values for Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis, and Phaeodactylum were 27, 43, 43, and 40 % of RUP respectively). The variation observed in nutrient profiles was reflected in several nutritional characteristics. A common objective of Manuscript 1 and Manuscript 2 was to investigate whether cell disruption affects nutritional characteristics of microalgae. In Manuscript 1, effects of cell disruption on in vitro CP digestibility for pigs were investigated and in Manuscript 2 several in vitro methods were utilized to investigate effects of cell disruption on the nutritional value of microalgae for ruminants. Mechanical cell disruption with a ball mill enhanced in vitro CP digestibility and ruminal fermentation in most of the samples, presumably by the destruction of cells and hence an increase in nutrient accessibility. Nevertheless, concerning the protein value of microalgae in ruminants, application of mechanical cell disruption cannot not be recommended because it decreased RUP but did not increase IDP so that intestinal digestible RUP was overall decreased by cell disruption. The aim of the third manuscript was to investigate the effects of variable cultivation conditions on nutrient composition and nutritional characteristics for ruminants of the microalgae Chlorella vulgaris. Chlorella vulgaris was cultivated under varying conditions (saturation, nitrogen and CO2 depletion, outdoor cultivation). The obtained biomasses were analysed for their nutrient composition and their nutritional value for ruminants using different in vitro methods. Both, nutrient composition and characteristics of the nutritional value for ruminants were affected by the cultivation process. Nutrient deficient conditions had rather adverse effects in terms of digestibility, protein value, and nutrient productivity. It can be concluded that microalgae have potential as alternative protein source for ruminants. Nevertheless, this potential is contradicted by low IDP, but the findings obtained herein have to be verified in future studies. Furthermore, the results of the present thesis show that nutrient composition and ruminal fermentation characteristics of microalgae vary considerably between and in many cases even within microalgae genera. Thus, to the extent possible, it should be strived for a standardisation of cultivation conditions, in order allow better predictions of nutritional characteristics of microalgae.

Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, systematisch Futterwerteigenschaften von Mikroalgen zu untersuchen und ihre Eignung als Futtermittel, insbesondere für Wiederkäuer, zu bewerten. Die Untersuchungen beinhalteten eine umfassende Charakterisierung der Nährstoffprofile von Mikroalgen mit Labormethoden, sowie die Bestimmung von Ausmaß und Dynamik der Nährstoffverwertung mit in vitro Methoden. Um eine umfassende Datengrundlage zu den Nährstoffprofilen von Mikroalgen zu schaffen, wurden 16 kommerzielle Mikroalgenbiomassen von vier Gattungen (Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis und Phaeodactylum) mit etablierten Methoden der Lebens- und Futtermittelbewertung untersucht (Manuskript 1). Diese Untersuchungen beinhalteten die Bestimmung der Verdaulichkeit des Rohproteins (XP) von Mikroalgen für Schweine. Die Nährstoffanalytik zeigte sowohl zwischen als auch innerhalb der Gattungen eine erhebliche Variation, insbesondere in den Konzentrationen von Rohnährstoffen, Mineralstoffen und Fettsäuren. Diese Variation resultierte vermutlich aus unterschiedlichen Kultivierungsbedingungen und es wurde geschlussfolgert, dass allgemeingültige Mittelwerte ungeeignet sind, um Mikroalgen hinsichtlich ihrer Nährstoffzusammensetzung zu charakterisieren. Das Ziel der Untersuchungen für Manuskript 2 war es, Futterwerteigenschaften von Mikroalgen für Wiederkäuer mit verschiedenen in vitro Methoden zu bestimmen. Die kommerziellen Biomassen aus Manuskript 1 wurden mit der Methode des Hohenheimer Futterwerttests untersucht. Die Untersuchungen umfassten die Bestimmung verschiedener Charakteristika der ruminalen Fermentation, des Energiewertes und des Proteinwertes. Ein dreistufiges, enzymatisches in vitro System wurde verwendetet, um die intestinale Verdaulichkeit des ruminal nicht abbaubaren XP (IDP) zu ermitteln. Die ruminale Fermentation der untersuchten Mikroalgen war gering, was anhand des generell niedrigen Niveaus der Produktion von Gas und flüchtigen Fettsäuren, sowie dem niedrigen ruminalen XP-Abbau deutlich wurde. Als Folge des niedrigen ruminalen XP-Abbaus wurden die Mikroalgenbiomassen durch hohe Konzentrationen an ruminal nicht abbaubaren XP (UDP) geprägt (386, 399, 315 und 263 g UDP/kg Trockenmasse bei einer Passagerate von 8 %/h für Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis und Phaeodactylum). Demnach scheinen Mikroalgen als alternative Proteinquelle Potential zu haben, insbesondere für Hochleistungstiere. Allerdings ist dieses Potential durch die geringe IDP, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit das erste Mal für Mikroalgen ermittelt wurde, möglicherweise stark eingeschränkt (Mittelwerte für Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis und Phaeodactylum: 27, 43, 43 und 40 % des UDP). Die Variation, die bei den Nährstoffprofilen beobachtet wurde, spiegelte sich auch in verschiedenen Futterwerteigenschaften für Wiederkäuer wider. Ein gemeinsames Ziel von Manuskript 1 und Manuskript 2 war es, zu untersuchen ob ein Zellwandaufschluss die Futterwerteigenschaften von Mikroalgen beeinflusst. In Manuskript 1 wurde der Effekt eines Zellwandschlusses auf die in vitro XP-Verdaulichkeit von Mikroalgen beim Schwein untersucht. In Manuskript 2 wurden verschiedene in vitro Methoden genutzt um die Effekte eines Zellwandaufschlusses auf Futterwerteigenschaften für Wiederkäuer zu untersuchen. Ein mechanischer Zellwandaufschluss mit einer Rührwerkskugelmühle erhöhte bei den meisten Proben die in vitro XP-Verdaulichkeit und die ruminale Fermentation, was wahrscheinlich auf die Zerstörung der Zellwände und die daraus resultierende Erhöhung der Nährstoffverfügbarkeit zurückzuführen war. Allerdings führte dies zu einer geringeren Konzentration an UDP, wobei die IDP nicht zunahm, sodass die Menge an intestinal verdaulichem UDP generell sank. Daher ist die Anwendung eines mechanischen Zellwandaufschlusses von Mikroalgen hinsichtlich ihres Proteinwertes für Wiederkäuer als ungünstig zu bewerten und kann nicht empfohlen werden. Das Ziel des dritten Manuskripts war es, die Effekte von verschiedenen Kultivierungsbedingungen auf die Nährstoffzusammensetzung und die Futterwerteigenschaften für Wiederkäuer bei der Mikroalge Chlorella vulgaris zu untersuchen. Chlorella vulgaris wurde bei variierenden Bedingungen (Nährstoffsättigung, Stickstoff- und CO2-Limitierung, Freiland) kultiviert. Die gewonnenen Biomassen wurden hinsichtlich ihrer Nährstoffzusammensetzung und ihrer Futterwerteigenschaften für Wiederkäuer mit in vitro Methoden untersucht. Sowohl die Nährstoffzusammensetzung als auch Futterwerteigenschaften für Wiederkäuer wurden durch den Kultivierungsprozess beeinflusst. Hinsichtlich der Verdaulichkeit und des Proteinwertes, sowie hinsichtlich der Nährstoffproduktivität hatte eine Nährstofflimitierung eher ungünstige Effekte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Mikroalgen Potential als alternative Proteinquelle für Wiederkäuer haben. Allerdings ist dieses Potential durch die niedrige IDP möglicherweise stark einschränkt. Daher sollten die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit in zukünftigen Studien verifiziert werden. Außerdem zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass sowohl die Nährstoffzusammensetzung, als auch die Futterwerteigenschaften von Mikroalgen für Wiederkäuer einer großen Variation unterliegen. Die gilt nicht nur zwischen den untersuchten Mikroalgengattungen, sondern in vielen Fällen auch innerhalb einer Gattung. Daher sollte, soweit möglich, eine Standardisierung der Kultivierungsbedingungen angestrebt werden, um eine bessere Vorhersagbarkeit von Futterwerteigenschaften für Mikroalgen zu ermöglichen.