FORMER FOODSTUFFS PRODUCTS INTENDED FOR PIG NUTRITION: IN VITRO AND IN VIVO NUTRITIONAL EVALUATION, IMPACT ON GROWTH PERFORMANCES AND GUT HEALTH

Livestock play a key role in food security, through food provision, agricultural production, and by providing employment and income. However, with the diminishing availability of farmland, climate change and the threat of declining water resources, the goal is to meet the growing demand for food and feed by using fewer resources. Exploiting alternative ingredients for livestock, feed could be one way of increasing livestock sustainability. This thesis focused on processed and ready-to-eat food products that are no longer suitable for human consumption due to logistical, manufacturing or packaging defects. Such products would normally go to a landfill yet actually have a high potential of being used as sustainable feed ingredients. The first part of this thesis investigated the chemical composition of six different former foodstuff products (FFPs). Based on the FFP composition data, the digestible energy and metabolisable energy values for pigs were estimated. In addition, the in vitro digestibility values of FFPs were evaluated using a multi-step enzymatic technique. The in vitro predicted glycaemic index and hydrolysis index of the same samples were examined using a two-step in vitro digestion assay. In the second part, the safety issues linked to the use of FFPs were investigated. FFP samples were thus analysed in relation to the microbial load and the presence of presumed remnants of packaging materials. For this purpose, two different methods were used: stereomicroscopy, according to published methods; and stereomicroscopy coupled with a computer vision system. The final part addressed the effects of a diet in which common cereal grains were partially replaced by FFPs in post weaning piglet diets. Specifically, pig growth performance and selected plasma biochemical variables were evaluated in twelve post-weaning piglets. The apparent total tract digestibility of dry matter and the faecal microbiota were also characterized. When compared with common cereal grains used in pig feed formulations, FFPs can be considered a fortified version of cereals, with comparable in vitro digestibility values and with higher glycaemic and hydrolysis indexes, thus characterizing them as an excellent source of carbohydrates. All FFP samples were safe from a microbiological point of view, showing a limited microbial load and were always Salmonella free. Regarding the presumed remnants of packaging materials, the contamination level was always below the safety threshold set by German authorities, and the validated method demonstrated that packaging remnants were mainly from the 1-mm sieve mesh fraction. In order to find a more rapid and objective method for evaluating the packaging remnants, the innovative computer vision system was a rapid alternative for the detection of packaging remnants in ex-food samples when combined with a stereomicroscope. The in vivo study revealed that both in vitro and in vivo digestibility values were higher for the diet based on FFPs compared to the control diet. At the end of the experiment, no differences in growth performance were observed, however the plasma glucose increased in piglets fed FFPs compared to piglets fed the control diet, while the urea concentration decreased. The sequencing analysis of the variable regions V3 and V4 of the 16S rRNA gene showed that the use of FFPs in the post-weaning period decreased the bacterial richness and evenness in the large intestine. The unweighted beta diversity analysis also resulted in a statistically significant difference between the two groups in terms of the taxa composition. The linear discriminant analysis of effect size also demonstrated an increased amount of Proteobacteria phylum and a decreased amount of Lactobacillales genus in the FFP compared to the control group. The results highlighted the potential of these alternative feed ingredients and their safe use in pig nutrition. This is essential for establishing the best scientific practices for the use of FFPs in animal nutrition and feeding. Given the increasing need to obtain a more sustainable livestock sector, research in animal sciences should focus not only on increasing the efficiency of the animal production chain but also on the efficiency of the entire food system in ensuring sustainable nutrition. By recognizing that former foodstuffs that are not suitable for human consumption are a resource for animal nutrition and not a waste product, food and feed industries could reduce the amount of waste sent to landfill or deposed-off every year, thus saving costs, and reducing the environmental impact of the food production chain.

La produzione animale riveste un ruolo chiave nel garantire la sicurezza alimentare. Tale ruolo viene esercitato soprattutto grazie all’approvvigionamento di prodotti di origine animale e prodotti dell’agricoltura. Tuttavia, a causa delle diminuite disponibilità di terreni destinati all’allevamento ed alla agricoltura, insieme ai cambiamenti climatici e alla riduzione delle risorse idriche, diventa sempre più importante aumentare la sostenibilità e l’efficienza del settore agroalimentare. Per fare ciò, diventa necessario soddisfare le crescenti esigenze utilizzando al tempo stesso una quantità ridotta di risorse. Questa tesi ha avuto come tema principale quello di esaminare a fondo il potenziale utilizzo di scarti della industria alimentare (chiamati “former foodstuffs products”, FFPs) come ingredienti alternativi e sostenibili per la nutrizione animale. I prodotti esaminati sono alimenti che vengono scartati dalla grande distribuzione per difetti relativi alla loro forma, al loro colore, al loro packaging ecc. Tali scarti solitamente sono destinati a diventare rifiuto, nonostante il loro elevato potenziale nel poter essere utilizzati come ingredienti sostenibili per mangimi. La prima parte della tesi si concentra sull’analisi della composizione chimica di sei diversi tipi di FFPs. Inoltre, di questi prodotti sono state anche stimate l’energia digeribile e metabolizzabile con riferimento ai suini, la digeribilità in vitro, l’indice glicemico e di idrolisi attraverso tecniche di digestione enzimatica. La seconda parte della tesi è stata dedicata agli aspetti legati alla sicurezza dei FFPs. Campioni di FFPs sono stati quindi analizzati per la loro carica microbica e la presenza di residui di materiale di imballaggio. Per questo ultimo aspetto, sono stati testati due metodi differenti: il primo, precedentemente validato, basato sull’uso dello stereomicroscopio; il secondo, basato sull’uso dello stereomicroscopio accoppiato ad un sistema digitale di acquisizione di immagine (Computer Vision System). L’ultima parte, invece, ha investigato gli effetti di una dieta in cui in cui i cereali comunemente utilizzati per la formulazione di diete per suini in post svezzamento, sono stati parzialmente sostituiti dagli FFPs. In particolare, una dieta di controllo e quella contenente FFPs sono state confrontate per quanto riguarda la digeribilità in vitro ed in vivo della sostanza secca, le performances di crescita di suini in post svezzamento, così come alcuni metaboliti ematici ed il microbiota fecale. I risultati della tesi hanno dimostrato che gli FFPs possono essere considerati una “versione fortificata” dei cereali tradizionali comunemente utilizzati nel settore suinicolo, con valori di digeribilità in vitro comparabili agli stessi, ma con valori di indice glicemico e di idrolisi maggiori, caratterizzandoli come una fonte eccellente di carboidrati. Tutti i campioni di FFP sono risultati sicuri dal punto di vista microbiologico e sempre privi di Salmonella. Per quanto concerne la presenza di residui di materiale da imballaggio, il livello di contaminazione è risultata sempre al di sotto delle soglie di tolleranza. Il Computer Vision System si è inoltre rivelato essere una rapida alternativa per rilevare la presenza di materiali di imballaggio nei FFPs se accoppiata allo seteromicroscopio. Lo studio in vivo ha rivelato che sia i valori di digeribilità in vitro che in vivo delle diete contenenti FFPs sono maggiori rispetto ai valori delle diete di controllo. Alla fine dell’esperimento, non sono state osservate differenze nelle performance di crescita, tuttavia nei suinetti alimentati con la dieta FFP c’è stato un aumento di glucosio plasmatico ed una riduzione nella concentrazione di urea. Il sequenziamento di nuova generazione delle regioni variabili V3 e V4 del gene che codifica per il 16S rRNA hanno evidenziato come l’utilizzo di FFPs nelle diete per suini in post svezzamento riduca sia la numerosità che la biodiversità dei batteri che costituiscono il microbiota nel largo intestino. L’analisi “unweighted beta diversity” ha anche dimostrato piccole differenze nella composizione dei taxa batterici tra il gruppo FFP e quello di controllo. Inoltre, l’analisi lineare delle discriminanti ha documentato un aumento del phylum Proteobacteria ed una diminuzione del genere Lactobacillales nel gruppo FFP rispetto al controllo. Questi risultati hanno messo in evidenza il potenziale di questi ingredienti alternativi ed il loro utilizzo sicuro nella nutrizione suinicola. Il loro aumentato utilizzo potrebbe quindi portare ad una riduzione dello spreco alimentare, una riduzione dei costi del mangime, e ad un ridotto impatto ambientale della catena alimentare.