Effects of extrusion process variables on the nutritional quality of dry dog feeds

In order to obtain safe and highly digestible foods destined to copanion animals the quality of the raw materials is essential. Food digestibility is a fundamental aspect in the pet foood industries, and particularly for the production of “complete foods”, that are opportunely formulated for the satisfaction of the entire animals nutritional needs. Dog food digestibility can be evalutated thorugh specific equations, through in vivo methods in which are employed animals, or in vitro methods, that simulate the passage of the food through the gastrointestinal tract, by using digestive enzymes. The majority of the pet foods sold nowadays are obtained by using the extrusion, a fast process that in few seconds can mix and heat raw materials (both dry and/or fresh) and turn into kibbles, that are already sanitized, and ready to be stabilizd through a drying phase. The extrusion process applies high temperatures (until 150°C) and pressure (40 atm), and in those conditions the digestibility of the material can be increased (starch gelatinisation, protein denaturation), but also the nutritional quality can be compormised by a decrease of available aminoacids (Maillard reaction) or available starch (starch retrogradation), fats oxydation and vitamin losses. A careful monitoring of the extrusion process is a key point in the assurance of the feed nutritional quality. In the present work the extrusion process for the dog foods production, the monitoring of the process parameters and the following evaluation of the digestibility, and the metabolic resoponses to the diets produced were studied. A further study regarded also the in vitro methods for the estimation of the food digestibility. This thesis is composed of an introductive bibliographic review and 3 experiments. The objective of the first contribution was the evaluation of the use of alpha amylases during the extrusion process, as possible mean for increasing the process procutivity. Two experiments were conducted, in each one the addiction of a different alpha amylase was tested. The productive parameters, along with the diets digestibility were evaluated. Resuld demonstrated an increase in extrusion productivity (until 40%) and a reduction of the energetic costs when the alpha amylase is added, without altering the food digestibility. The second contribution focused on the influence of the raw materials particle size and extrusion temperature on prodtive process and nutritional quality (digestibility, glycemic response and intestinal fermentations). To this purpose the same diet was ground using 4 different sieves mesh (0.5,0.8, 1.4 e 2 mm), and further extuded using two different extruder conformations,that allowed to reach two different temperatures (110 or 135°C). The 8 experimental diets obtained were then tested on 48 adult healthy dogs. Extrusion temperatures did not affect any parameter considered, while the raw material particle sze modified the productibity, that increased linearly to a particle size increase. If it is considered that in order to obtain finer particle sizes the energetic expense increases, the increase in productivity, along with a lower energetic demand for the grinding can be traduced in lower porductive costs. The in vivo tests demonstrated that to an increase in particle size corresponds a decrease in dry matter and protein digestibility, but also a higher microbial proliferation (significant linear increase of total aerobes, anaerobes and bifidobacteria). Moreover a lower fecal pH and ammonia, along with a higher SCFA production were registrated in animals fed diets with higher particle size. Those factors can contribute in keeping animals in healthy intestinal conditions. In the third contribute an in vitro 2 steps method (digestion with pepsin and pancreatin) was studied and some possible improvements were tested. A precipitation step with ethanol, before the recovery of the digested samples throug filtration, was introduced with the objective of increasing the soluble but not digested feed fraction, that otherwise wolud be lost during the filtration phase. Another objective of the study was to make the method easily reproducible in any simply equipped laboratory, to this purpose the in vitro procedure was carried out in a waterbath with manual or automatic agitation, instead of the equipment used in the original method, a thermostated camera with a magnetic stirrer . Samples used were previously tested for their in vivo digestibility. The in vitro estimation of the dog feed digestibility improved with ethanol precipitation, but a higher number of samples should be tested for the confirmation of an effective improvement. The use of a waterbath with manual agitation does not seem to interfere with the in vitro digestibility estimation; the reproducibility and repeatibility of the test conducted in waterbath is similar to that of the incubation equipment employed in the original method.

La qualità delle materie prime è un requisito fondamentale per ottenere alimenti per animali da compagnia sani e altamente digeribili. Soprattutto nel caso di alimenti “completi”, cioè studiati per soddisfare l’intero fabbisogno degli animali da compagnia, la digeribilità è un importante indice della qualità degli ingredienti ed un parametro di assoluto rilievo per l’industria del pet food. Essa può essere valutata attraverso l’uso di equazioni, metodiche in vivo che prevedono l’utilizzo di animali sperimentali e metodiche in vitro, che simulano il passaggio gastrointestinale degli alimenti mediante l’uso di enzimi digestivi. La quasi totalità degli alimenti destinati agli animali da compagnia è ottenuta attraverso l’estrusione, processo produttivo che consente in pochi secondi di passare dalla materia prima (farina o residui freschi dell’industria alimentare umana) al prodotto estruso, sanitizzato e pronto per essere stabilizzato tramite essiccazione. Il processo di estrusione prevede l’applicazione di alte temperature (fino a 150°C) e pressioni (fino a 40 atm), che possono sia migliorare la digeribilità (gelatinizzazione dell’amido, denaturazione proteica) degli alimenti, sia comprometterne la qualità nutrizionale (reazione di Maillard, retrogradazione dell’amido, ossidazione, perdita di vitamine). L’attento monitoraggio del processo di estrusione viene ad essere quindi un elemento basilare per poter garantire un prodotto nutrizionalmente corretto. Il presente lavoro di tesi ha avuto lo scopo di approfondire il processo di estrusione di alimenti per cani, monitorando il processo produttivo per verificarne l’impatto sulla digeribilità e le risposte metaboliche degli animali alle diete prodotte. Il primo contributo ha avuto come oggetto l’esecuzione di un processo estrusivo ai fini di valutare le ripercussioni dello stesso sulla materia prima aggiunta di due alfa amilasi differenti. Si è rilevato come l’aggiunta di tali enzimi al prodotto consente di raggiungere un aumento della produttività dell’estrusore ed una sensibile riduzione del costo energetico. Nel secondo contributo sperimentale è stata approfondita l’influenza delle dimensioni delle materie prime e della temperatura di estrusione sul processo produttivo e sulla qualità nutrizionale degli alimenti prodotti, espressa in termini di digeribilità e fermentazione intestinale. Nel presente esperimento è stata formulata una dieta di mantenimento per cani adulti, in seguito macinata utilizzando quattro setacci con granulometrie differenti. Le diete così ottenute sono state successivamente estruse utilizzando due diverse conformazioni dell’estrusore. Il piano sperimentale ha quindi previsto il test in vivo delle otto diete sperimentali su , 48 animali Le temperature di estrusione non hanno influito su nessun parametro. Al contrario, si è evidenziato una correlazione positiva tra granulometria e produttività. Considerando che l’energia impiegata per la macinazione aumenta di pari passo con la diminuzione della granulometria desiderata, si evince come si possa ottenere un’ulteriore diminuzione dei costi produttivi. L’esperimento in vivo ha dimostrato che ad un aumento delle dimensioni delle materie prime corrisponde una diminuzione della digeribilità di materia secca, proteine e grassi, ma anche una maggiore proliferazione microbica (batteri aerobi totali, anaerobi totali e bifido batteri), una diminuzione del pH e della concentrazione di ammoniaca fecale, ed una maggiore produzione di acidi grassi a catena corta, tutti fattori che migliorano la salute degli animali. Il lavoro descritto nel terzo contributo ha avuto come finalità l’implementazione di una metodica in vitro che prevede la simulazione del processo digestivo con enzimi quali pepsina e pancreatina. Attraverso l’introduzione di uno passaggio aggiuntivo di precipitazione con etanolo si è cercato di recuperare la componente solubile indigerita, che altrimenti verrebbe persa in fase di filtrazione. Si è inoltre cercato di rendere il metodo facilmente riproducibile anche con le strumentazioni più comuni; Infatti, in sostituzione della camera termostatata dotata di un agitatore magnetico utilizzata nel metodo originale, si è proceduto utilizzando un bagno termostatato in cui i campioni venivano agitati manualmente. Per tale lavoro, sono stati impiegati campioni di mangimi su cui erano già state eseguite precedenti analisi di digeribilità in vivo. L’introduzione della fase di precipitazione, ha favorito l’avvicinamento della stima di digeriblità in vitro al valore ottenuto in vivo. Inoltre, l’utilizzo del bagno termostatato come sistema di incubazione non sembra interferire con la stima della digeribilità in vitro e ha dimostrato una riproducibilità e ripetibilità del tutto paragonabili a quelle del metodo di incubazione originale. Grazie a questi incoraggianti primi risultati, sarebbe lecito pianificare in futuro l’applicazione dello stesso protocollo su una maggiore numerosità campionaria, al fine di affinare e irrobustire i risultati fin qui ottenuti.