Use of microencapsulated feed additives composed of organic acids and essential oils in broiler chicken diets: effects on growth performance and gut health

Abstract

El creixent interès mundial per donar suport a un sistema agrícola sostenible requereix millorar les pràctiques agrícoles que siguin rendibles, respectuoses amb el medi ambient, bones per a les comunitats i lliures d’antibiòtics. En aquest marc, la gestió de la salut intestinal és crucial per a la sostenibilitat de la producció d’aus de corral sota programes sense antibiòtics, especialment amb la pressió creixent de malalties intestinals com la coccidiosi i l’enteritis necròtica. Així, la salut intestinal s’ha convertit en un tema d’investigació extremadament important per la seva complexitat amb un enfocament especial en el desenvolupament d’additius per a pinsos que ajudin a mantenir la microbiota intestinal sana. Això implica un estalvi energètic per a l’hoste que es tradueix en una millora del rendiment productiu de les aus. Entre els additius per a pinsos utilitzats, els àcids orgànics i els olis essencials s’han utilitzat àmpliament en la producció d’aus de corral a causa dels efectes demostrats d’estimulació del creixement. L’objectiu principal de la tesi actual era estudiar els efectes de les barreges microencapsulades d’àcids orgànics i olis essencials sobre el rendiment del creixement i la salut intestinal de pollastres d´engreix sotmesos a diferents condicions difícils, i destacar els mecanismes d’acció darrere d’aquests efectes. Per aconseguir aquest objectiu es van realitzar una sèrie d’assaigs i els resultats obtinguts es van presentar en tres capítols (capítols 4 a 6). El capítol 4 tenia com a objectiu desenvolupar un panell d’expressió gènica personalitzada, que podria proporcionar una instantània de la variació de l’expressió gènica en condicions difícils. Es van dur a terme dos assaigs on els polls d’engreix van ser desafiats amb enteritis necròtica en el primer, mentre que es va aplicar un desafiament coccidial en el segon assaig. Es van incorporar al panell diversos gens implicats en diferents funcions, com ara la funció de barrera, la resposta immune, el transport de nutrients, així com l’estrès oxidatiu i les hormones digestives. Els resultats obtinguts van mostrar que el panell desenvolupat permet un perfil d’expressió gènica global que ofereix una visió més gran dels gens i les vies implicades en la resposta dels polls de gra als reptes dels patògens. També proporciona informació sobre les diferències dels patrons d’expressió gènica i la magnitud de les respostes sota un repte de vacuna coccidial o NE. Els objectius del capítol 5 eren (1) mostrar evidències de l’alliberament progressiu d’àcid fumàric i timol, com a exemples d’àcids orgànics i olis essencials, quan aquests estan microencapsulats en micropartícules de matriu lipídica en condicions intestinals in vitro i in vivo; i (2) avaluar l’efecte de l’àcid fumàric microencapsulat i el timol sobre el rendiment i la salut intestinal dels pollastres broilers amb un període de dejuni a curt termini com a model de dany a la mucosa i augment de la permeabilitat GIT. Els resultats obtinguts van mostrar que la matriu utilitzada era capaç de proporcionar tant el moment com la ubicació adequats per a l’alliberament de compostos actius. A més, l’àcid fumàric microencapsulat, el timol o la seva combinació van mostrar efectes positius quan els broilers estaven sotmesos a condicions difícils, alleujant els efectes negatius promoguts pel desafiament del dejuni sobre el rendiment dels animals, la histomorfologia intestinal i la microbiota. El capítol 6 tenia com a objectiu investigar l’eficàcia de diferents barreges microencapsulades que contenien àcids orgànics i olis essencials sobre el rendiment i la salut intestinal dels polls d’engreix en condicions difícils d’enteritis necròtica.

El creciente interés mundial por apoyar un sistema agrícola sostenible requiere mejorar las prácticas agrícolas para que sean rentables, respetuosas con el medio ambiente, y a su vez utilicen un nivel muy reducido de antimicrobianos. En este marco, el manejo de la salud intestinal es clave para garantizar la sostenibilidad de la producción avícola bajo programas libres de antibióticos, especialmente con la creciente presión de enfermedades intestinales como la coccidiosis y la enteritis necrótica. Por lo tanto, la salud intestinal se ha convertido en un tema de investigación prioritario en la producción ganadera, con un enfoque práctico dirigido al desarrollo de aditivos y estrategias alimentarias que ayuden a mantener una microbiota intestinal saludable. El objetivo es que esta situación permita un ahorro energético para el huésped lo que se traduce en una mejora en el rendimiento productivo de las aves. Entre los aditivos alimentarios más utilizados, los ácidos orgánicos y los aceites esenciales se han utilizado ampliamente en la producción avícola debido a sus efectos constatados como estimulantes del crecimiento. El objetivo principal de la presente tesis fue estudiar los efectos de mezclas microencapsuladas de ácidos orgánicos y aceites esenciales sobre el rendimiento productivo y la salud intestinal de pollos de engorde expuestos a diferentes condiciones desafiantes, y resaltar los principales mecanismos de acción responsables de estos efectos. Para lograr este objetivo diseñamos una serie de ensayos que han sido descritos junto con sus resultados en tres capítulos (capítulo 4 al 6). El capítulo 4 tuvo como objetivo principal desarrollar un panel de expresión génica, dirigido a proporcionar una fotografía instantánea de posibles variaciones en la expresión génica al nivel de intestino delgado en condiciones de desafío. Se realizaron dos ensayos en los que los pollos de engorde fueron desafiados con enteritis necrótica en el primero, mientras que en el segundo ensayo se aplicó un desafío con una sobredosis de vacuna de coccidia. En el panel se incorporaron varios genes implicados en diferentes funciones, incluida la función de barrera, la respuesta inmunitaria, el transporte de nutrientes, así como el estrés oxidativo y las hormonas digestivas. Los resultados obtenidos mostraron que el panel desarrollado permite la obtención de un perfil de expresión génica global que ofrece una visión más amplia de los genes y las vías involucradas en la respuesta de los pollos de engorde a los desafíos con patógenos. También proporciona información sobre las diferencias de los patrones de expresión génica y la magnitud de las respuestas bajo un desafío con una sobre dosis de vacuna de coccidia o de enteritis necrótica. Los objetivos del capítulo 5 fueron (1) mostrar evidencia de la liberación progresiva de ácido fumárico y timol, como ejemplos de ácidos orgánicos y aceites esenciales, cuando estos están microencapsulados en una matriz lipídica simulando las condiciones intestinales in vitro y luego in vivo; y (2) evaluar el efecto de la mezcla encapsulada del ácido fumárico y el timol sobre el rendimiento y la salud intestinal de pollos de engorde desafiados con un ayuno de duración corta como modelo de daño de la mucosa intestinal relacionada con un aumento de la permeabilidad del tracto gastro-intestinal. Los resultados obtenidos mostraron que la matriz utilizada pudo proporcionar tanto el momento como la ubicación adecuados para la liberación de los compuestos activos. Además, el ácido fumárico microencapsulado, el timol microencapsulado o su combinación mostraron efectos positivos cuando los pollos de engorde se sometieron a condiciones desafiantes, reduciendo los efectos negativos promovidos por el desafío del ayuno sobre el rendimiento productivo, la histología intestinal y la microbiota. El capítulo 6 tuvo como objetivo principal investigar la eficacia de diferentes mezclas microencapsuladas.

The increasing worldwide interest towards supporting a sustainable agricultural system requires upgrading farming practices that are profitable, environmentally friendly, good for communities, and antibiotic-free. In this frame, managing gut health is crucial for the sustainability of poultry production under antibiotic free programs, especially with the increasing pressure of intestinal diseases such as coccidiosis and necrotic enteritis. Thus, gut health has become an extremely important research topic due to its complexity with a special focus on developing feed additives which help to maintain healthy intestinal microbiota. This implies energy saving for the host which results in an improvement in productive performance of the birds. Among the used feed additives, organic acids and essential oils have been extensively used in poultry production due to proved growth stimulatory effects. The main objective of the current thesis was to study the effects of microencapsulated blends of organic acids and essential oils on growth performance and gut health of broiler chickens subjected to different challenging conditions, and to highlight the mechanisms of action behind these effects. In order to achieve this objective a series of trials were performed and the obtained results were presented in three chapters (chapter 4 to 6). The chapter 4 aimed to develop a custom gene expression panel, which could provide a snapshot of gene expression variation under challenging conditions. Two trials were conducted where broilers were challenged with necrotic enteritis in the first one while a coccidial challenge was applied in the second trial. Several genes involved in different functions were incorporated in the panel including barrier function, immune response, nutrient transport as well as oxidative stress and digestive hormones. The obtained results showed that the developed panel allows a global gene expression profiling which gives a greater overview of genes and pathways involved in broiler response to pathogen challenges. It also provides insights into differences of gene expression patterns and magnitude of responses under either a coccidial vaccine challenge or NE. The objectives of chapter 5 were (1) to show evidence of the progressive release of fumaric acid and thymol, as examples of organic acids and essential oils, when these are microencapsulated in lipid matrix microparticles under in vitro and in vivo intestinal conditions; and (2) to evaluate the effect of microencapsulated fumaric acid and thymol on the performance and gut health of broiler chickens challenged with a short-term fasting period as a model of mucosal damage and increased GIT permeability. The obtained results showed that the used matrix was able to provide both the right timing and location for the release of active compounds. Moreover, microencapsulated fumaric acid, thymol, or their combination showed positive effects when broilers were subjected to challenging conditions, alleviating the negative effects promoted by the fasting challenge on animal performance, intestinal histomorpholgy, and microbiota. Chapter 6 aimed to investigate the efficacy of different microencapsulated blends containing organic acids and essential oils on performance and gut health of broilers under challenging conditions of necrotic enteritis. Two experiments were carried out, in which the first trial aimed to determine the design of combinations with a high efficiency, while the second trial focused on finding the optimal dose for each combination. Results of the first trial showed that the tested blends enhanced the abundance of some beneficial families such as Ruminococcaceae and Lachnospiraceae; while reducing that of harmful ones such as Enterobacteriaceae and Helicobacteraceae. This positively influenced the intestinal histomorphology and thereby the growth performance of challenged broilers.