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Abstract(s)
Globally, the human diet significantly relies on animal-derived products. The agri-food industry needs to optimize animal growth and performance to meet consumers demands, while reducing costs, ensuring product quality, and addressing sustainability and health concerns. Enhancing diets, through feed/food fortification with bioactive ingredients targeting gut microbiota is a promising strategy to promote the well-being and animal’s performance. Agro-industrial byproducts are potential sources of these bioactive ingredients, however, their effects and potential application on animal/human diets must be carefully evaluated. The main goal of this doctoral research was to create a platform of in vitro models that simulate the human and animal gastrointestinal tract (GIT), the GIOTA platform. Thus, models were implemented to assess and validate the impact of feed/food supplemented with bioactive ingredients on the gut microbiota, before resorting to in vivo trials. This supports the development of new products and promotes the inclusion of more sustainable ingredients, such as some of the byproducts tested in these models. The experimental work focused on 3 types of GIT: Human, Poultry and Bovine. In the first part, the preservation of human fecal inoculum was optimized, and the metabolic profile of colonic fermentations was compared between fresh and frozen inoculum. Storage at -20 oC with a 30% (v/v) glycerol solution allowed maintaining the viability of the inoculum for 90 days without affecting colonic fermentations. Furthermore, with the in vitro model already implemented, the impact of food matrices on microbiota modulation was evaluated. Skim milk (SKM) supplemented at 1% (w/v) by different well-known functional ingredients that modulate the gut microbiota were tested. The combination of SKM with fructo-oligosaccharides proved to be most beneficial for consumer’s health, promoting Lactobacillus, Bifidobacterium and Clostridium cluster IV, increasing the production of short-chain fatty acids, and reducing ammonia production. In second part, a poultry GIT in vitro model, specifically chickens, was designed to predict the effects of feed formulations on their microbiota. Two preservation methods of cecal inoculum were studied: (1) 5 % (v/v) dimethyl sulfoxide (DMSO) at -80 oC and (2) 30% (v/v) glycerol at -20 oC. Fresh and frozen inoculums were used in this model, and their fermentation profile were compared. The DMSO preservation method proved to be the most appropriate for cecal inoculum preservation for 90 days. Additionally, to validate the results of the in vitro model, a broiler chicken in vivo assay and the chicken in vitro model were performed, comparing the effect of incorporating in feed 1% (w/w) sugarcane bagasse lignin, a byproduct of the sugarcane industry. The tested supplementation, in the in vivo assay, had a positive impact on broiler chicken cecum, increasing the acetate and butyrate concentrations and reducing the presence of Enterobacteriaceae. The GIT model showed a similar trend in microbiota modulation of the in vivo assay, but still requires adjustments in inoculum preparation. In third part, to assess the impact of diet on the bovine intestinal microbiota’s, 2 in vitro models were developed, one for adult cow (ruminant) and another for calf (monogastric). Preservation studies of rumen and fecal inoculum from adult cows were also performed. In the adult cow model, ruminal and hindgut fermentations were performed with fresh and frozen inoculum, while in the calf model only hindgut fermentations were performed. Preservation at -80 oC was the condition that least affected inoculum’s bacterial viability and did not affect their fermentative capacity. Simultaneously, a calf in vivo assay and a calf model were conducted and compared on the evaluation of the effect of supplementing 1% (w/w) autolyzed spent yeast (AY) from farnesene production on milk replacer (MR). The AY supplementation, in the in vivo assay, had a positive impact on calf’s hindgut microbiota, increasing the presence of Bifidobacterium. However, this result was not observed in the model, which requires adjustments in the methodology associated with the digestion of liquid feed matrices. Scientific research and innovation play a crucial role in addressing modern challenges in the agri-food industry. The developed models serve as valuable and sustainable tools in evaluating the impact and validating the potential of new products of new products in the animal and human feeding industries.
Globalmente, a dieta humana depende significativamente de produtos de origem animal. A indústria agroalimentar precisa otimizar o crescimento e produtividade dos animais de forma a corresponder às exigências dos consumidores, além de reduzir custos, assegurar a qualidade dos produtos e abordar as preocupações de sustentabilidade e saúde. Melhorar as dietas, através do enriquecimento de rações/alimentos com ingredientes bioativos direcionados para a microbiota intestinal é uma estratégia promissora para promover o bem- estar e o desempenho animal. Os subprodutos agroindustriais são potenciais fontes destes ingredientes bioativos, porém, os seus efeitos e a sua potencial aplicação em dietas animais/ humanas devem ser cuidadosamente avaliadas. O principal objetivo deste doutoramento foi criar uma plataforma de modelos in vitro que simulam o trato gastrointestinal (GIT) humano e animal, a plataforma GIOTA. Assim, foram implementados modelos que permitem avaliar e validar o impacto de alimentação suplementada com ingredientes bioativos, na microbiota intestinal, antes de realizar os ensaios in vivo. Desta forma, apoia o desenvolvimento de novos produtos e potencia a inclusão de ingredientes de origem mais sustentável, como é o caso de alguns dos subprodutos testados nestes modelos. O trabalho experimental foi desenvolvido com foco em 3 tipos de GIT: Humano, Aviário e Bovino. Na primeira parte, foi otimizada a preservação do inóculo fecal humano e comparado o perfil metabólico das fermentações colónicas entre inóculo fresco e congelado. O armazenamento a -20 oC com solução de 30% (v/v) de glicerol permitiu manter a viabilidade do inóculo ao longo de 90 dias sem afetar as fermentações colónicas. Para além disso, já com o modelo in vitro implementado, o impacto das matrizes alimentares na modulação da microbiota foi avaliado. Assim, foi testado o leite magro (SKM) suplementado com 1% (m/v) de diferentes ingredientes funcionais estabelecidos na modulação da microbiota intestinal. A combinação de SKM com fruto-oligossacarídeos mostrou ser a mais benéfica para a saúde do consumidor com maior promoção Lactobacillus, Bifidobacterium, e Clostridium cluster IV, aumentando a produção de ácidos gordos de cadeia curta e reduzindo a produção de amoníaco. Na segunda parte, desenvolveu-se um modelo in vitro GIT das aves, mais especificamente de frango, com o objetivo de prever os efeitos de formulações de rações na microbiota destes animais. Foram estudados 2 métodos de preservação do inóculo cecal: (1) 5% (v/v) de dimetilsulfóxido (DMSO) a -80 oC e (2) 30% (v/v) de glicerol a -20 oC. Neste modelo foram usados inóculos frescos e congelados, e o perfil de fermentação de ambos comparado. O método de preservação com DMSO demonstrou ser o mais apropriado na preservação do inóculo cecal ao longo de 90 dias. Paralelamente, com o intuito de validar os resultados do modelo in vitro, foram realizados um ensaio in vivo em frangos e a avaliação no modelo de frango, que comparou o efeito da incorporação na ração de 1% (m/m) de lignina de bagaço de cana-de-açúcar (SCB), um subproduto da indústria da cana-de-açúcar. A suplementação testada nos frangos teve um impacto positivo nos seus cecos, aumentando a concentração de acetato e butirato e diminuindo a presença de Enterobacteriaceae. O modelo GIT mostrou uma tendência semelhante na modulação da microbiota em relação ao ensaio in vivo, mas ainda requer ajustes na preparação do inoculo. Na terceira parte, para avaliar o impacto da alimentação na microbiota intestinal de bovinos, foram desenvolvidos 2 modelos in vitro, um para a vaca adulta (ruminante) e outro para vitelo (monogástrico). Também foram realizados estudos de preservação dos inóculos ruminal e fecal da vaca adulta. No modelo vaca adulta, foram feitas fermentações ruminais e intestinais com inóculos frescos e congelados, enquanto no modelo vitelo só fermentações intestinais. A preservação a -80 oC foi a condição que menos afetou viabilidade bacteriana dos inóculos e não afetou a sua capacidade fermentativa. Simultaneamente, foram realizados e comparados os resultados de um ensaio in vivo em vitelos e o modelo vitelo da adição no leite de substituição (MR) de 1% (m/m) levedura autolisada (AY) proveniente da produção de farneseno. A suplementação de AY, no ensaio in vivo, teve um impacto positivo na microbiota intestinal dos vitelos, aumentando a presença de Bifidobacterium. Porém, este resultado não foi verificado no modelo, que requer ajustes na metodologia de digestão das matrizes alimentar líquidas. A investigação científica e a inovação desempenham um papel crucial nos desafios modernos da indústria agroalimentar. Os modelos desenvolvidos servem como ferramentas úteis e sustentáveis na avaliação do impacto e validar o potencial de novos produtos/ingredientes nas indústrias de alimentação animal e humana.
Globalmente, a dieta humana depende significativamente de produtos de origem animal. A indústria agroalimentar precisa otimizar o crescimento e produtividade dos animais de forma a corresponder às exigências dos consumidores, além de reduzir custos, assegurar a qualidade dos produtos e abordar as preocupações de sustentabilidade e saúde. Melhorar as dietas, através do enriquecimento de rações/alimentos com ingredientes bioativos direcionados para a microbiota intestinal é uma estratégia promissora para promover o bem- estar e o desempenho animal. Os subprodutos agroindustriais são potenciais fontes destes ingredientes bioativos, porém, os seus efeitos e a sua potencial aplicação em dietas animais/ humanas devem ser cuidadosamente avaliadas. O principal objetivo deste doutoramento foi criar uma plataforma de modelos in vitro que simulam o trato gastrointestinal (GIT) humano e animal, a plataforma GIOTA. Assim, foram implementados modelos que permitem avaliar e validar o impacto de alimentação suplementada com ingredientes bioativos, na microbiota intestinal, antes de realizar os ensaios in vivo. Desta forma, apoia o desenvolvimento de novos produtos e potencia a inclusão de ingredientes de origem mais sustentável, como é o caso de alguns dos subprodutos testados nestes modelos. O trabalho experimental foi desenvolvido com foco em 3 tipos de GIT: Humano, Aviário e Bovino. Na primeira parte, foi otimizada a preservação do inóculo fecal humano e comparado o perfil metabólico das fermentações colónicas entre inóculo fresco e congelado. O armazenamento a -20 oC com solução de 30% (v/v) de glicerol permitiu manter a viabilidade do inóculo ao longo de 90 dias sem afetar as fermentações colónicas. Para além disso, já com o modelo in vitro implementado, o impacto das matrizes alimentares na modulação da microbiota foi avaliado. Assim, foi testado o leite magro (SKM) suplementado com 1% (m/v) de diferentes ingredientes funcionais estabelecidos na modulação da microbiota intestinal. A combinação de SKM com fruto-oligossacarídeos mostrou ser a mais benéfica para a saúde do consumidor com maior promoção Lactobacillus, Bifidobacterium, e Clostridium cluster IV, aumentando a produção de ácidos gordos de cadeia curta e reduzindo a produção de amoníaco. Na segunda parte, desenvolveu-se um modelo in vitro GIT das aves, mais especificamente de frango, com o objetivo de prever os efeitos de formulações de rações na microbiota destes animais. Foram estudados 2 métodos de preservação do inóculo cecal: (1) 5% (v/v) de dimetilsulfóxido (DMSO) a -80 oC e (2) 30% (v/v) de glicerol a -20 oC. Neste modelo foram usados inóculos frescos e congelados, e o perfil de fermentação de ambos comparado. O método de preservação com DMSO demonstrou ser o mais apropriado na preservação do inóculo cecal ao longo de 90 dias. Paralelamente, com o intuito de validar os resultados do modelo in vitro, foram realizados um ensaio in vivo em frangos e a avaliação no modelo de frango, que comparou o efeito da incorporação na ração de 1% (m/m) de lignina de bagaço de cana-de-açúcar (SCB), um subproduto da indústria da cana-de-açúcar. A suplementação testada nos frangos teve um impacto positivo nos seus cecos, aumentando a concentração de acetato e butirato e diminuindo a presença de Enterobacteriaceae. O modelo GIT mostrou uma tendência semelhante na modulação da microbiota em relação ao ensaio in vivo, mas ainda requer ajustes na preparação do inoculo. Na terceira parte, para avaliar o impacto da alimentação na microbiota intestinal de bovinos, foram desenvolvidos 2 modelos in vitro, um para a vaca adulta (ruminante) e outro para vitelo (monogástrico). Também foram realizados estudos de preservação dos inóculos ruminal e fecal da vaca adulta. No modelo vaca adulta, foram feitas fermentações ruminais e intestinais com inóculos frescos e congelados, enquanto no modelo vitelo só fermentações intestinais. A preservação a -80 oC foi a condição que menos afetou viabilidade bacteriana dos inóculos e não afetou a sua capacidade fermentativa. Simultaneamente, foram realizados e comparados os resultados de um ensaio in vivo em vitelos e o modelo vitelo da adição no leite de substituição (MR) de 1% (m/m) levedura autolisada (AY) proveniente da produção de farneseno. A suplementação de AY, no ensaio in vivo, teve um impacto positivo na microbiota intestinal dos vitelos, aumentando a presença de Bifidobacterium. Porém, este resultado não foi verificado no modelo, que requer ajustes na metodologia de digestão das matrizes alimentar líquidas. A investigação científica e a inovação desempenham um papel crucial nos desafios modernos da indústria agroalimentar. Os modelos desenvolvidos servem como ferramentas úteis e sustentáveis na avaliação do impacto e validar o potencial de novos produtos/ingredientes nas indústrias de alimentação animal e humana.
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Keywords
Human Animals Gastrointestinal tract (GIT) In vitro model Microbiota modulation Humano Animais Trato gastrointestinal (GIT) Modelos in vitro Modulação de microbiota