Study of the use of agro-food by-products and essential oils in pig nutrition and their effect on animal performance, health and meat quality

Abstract

In recent years, livestock production systems have been increasingly affected by unsustainable management practices and by the impacts of climate change. Antibiotics have been widely used in swine and poultry production to enhance growth rates, improve feed efficiency, and reduce disease incidence. However, excessive antibiotic use poses a significant risk for the development of antimicrobial resistance, endangering animal health and, through the One Health continuum, human health as well. Addressing these challenges while ensuring global food security remains a pressing concern and requires sustainable solutions.Consequently, there has been growing research interest in identifying alternative food-production methods capable of reducing environmental impacts and improving the sustainability of production systems. In this context, the search for alternative protein sources, cereal substitutes, and naturally derived feed additives that can support the health of farm animals has intensified. Moreover, the incorporation of agro-industrial by-products into animal diets has been considered both a strategy for reducing waste-disposal costs and improving feeding practices, as well as an important component of environmental sustainability in livestock protein production. These by-products contain an array of bioactive compounds, such as specific fatty acids and polyphenols, which can act as functional ingredients and enhance meat quality. The valorization of agro-industrial by-products as potential feed resources in primary production—particularly in intensive monogastric systems—provides opportunities to implement circular-economy principles through the reutilization of “waste” streams and the reintroduction of valuable nutrients into the livestock food chain. In parallel, phytobiotics derived from medicinal plants and their essential oils—especially oregano essential oil, Crithmum maritimum essential oil, garlic meal, and camelina meal—have gained attention as natural feed additives due to their antimicrobial, antioxidant, and immunomodulatory properties, supporting their use in swine nutrition as a strategy for health management. This doctoral dissertation investigated, for the first time, the simultaneous inclusion of agro-food by-products—winery grape pomace, olive-mill wastewater, and deproteinized whey—in the form of an innovative silage in swine diets at different developmental stages. Emphasis was placed on its capacity to enhance zootechnical performance, modulate gut health, improve meat-quality traits, and potentially reduce the need for chemotherapeutic interventions during critical production periods. In addition, the study evaluated the use of a mixture of four aromatic/medicinal plant extracts and essential oils to determine their effects on productive parameters of weaned pigs, on the microbial flora of the gastrointestinal tract, and on the differentiation of meat quality traits. In this way, the dissertation contributes to the development of production systems oriented simultaneously toward animal welfare, reduced environmental footprint, minimized antibiotic use, conservation of natural nutritional resources, and the enhancement of product quality attributes with a distinct Greek identity in the final product—pork meat. The dissertation also addresses existing knowledge gaps, reports limitations, and outlines future perspectives for implementing holistic, large-scale production strategies with a focus on environmentally and economically sustainable pig farming. Three experimental trials examined the effects of incorporating the novel silage—produced from agro-industrial by-products [olive-mill effluents (olive-mill wastewater), winery residues (grape pomace), and cheese-dairy by-products (deproteinized whey from feta production)]—as well as a phytobiotic mixture of four native medicinal plant extracts and essential oils [oregano essential oil (Origanum vulgare subsp. hirtum), Crithmum maritimum L. essential oil, garlic meal (Allium sativum L.), and camelina meal (Camelina sativa L. Crantz)] on performance parameters, health indicators, and meat quality of weaned and growing–finishing pigs. Zootechnical indicators (Average Daily Gain, Feed Conversion Ratio, Carcass Yield, Final Body Weight), along with biochemical and hematological markers of health, were assessed. Intestinal content from the ileum and caecum was collected for microbiological analysis using culture-based methods and proteomic identification to determine shifts in gut-health indicators resulting from silage and phytobiotic supplementation. Muscle samples [shoulder (triceps brachii), abdominal region (external abdominal), and ham (biceps femoris)] were analyzed chemically and microbiologically, and pH, total phenols, fatty-acid profile, oxidation indices, and colour parameters were determined to evaluate the effects of the innovative feed components on pork quality traits. The inclusion of the innovative silage improved growth performance, increased carcass coverage, and contributed to a more favourable gut-microbial profile enriched with eubiotic microorganisms, supporting the observed zootechnical outcomes and promoting animal health and welfare. It also altered meat-quality characteristics by improving the n-6/n-3 fatty-acid ratio in muscle tissue and increasing total phenolic content and antioxidant capacity. In the third trial, the phytobiotic mixture—used for the first time as a dietary additive—proved suitable for inclusion in weaned-pig diets, producing beneficial effects on gut microbiota composition, enhancing oxidative stability of the meat, modifying fatty-acid profiles, and improving colour attributes, thereby increasing consumer desirability.

Τα τελευταία χρόνια, τα συστήματα ζωικής παραγωγής έχουν επηρεαστεί σε αυξανόμενο βαθμό από μη βιώσιμες πρακτικές διαχείρισης και την κλιματική αλλαγή/κρίση. Επιπλέον, τα αντιβιοτικά είχαν χρησιμοποιηθεί ευρέως στη χοιροτροφία και την πτηνοτροφία με σκοπό την αύξηση των ρυθμών ανάπτυξης, τη βελτίωση της αποδοτικότητας της τροφής και τη μείωση της συχνότητας εμφάνισης ασθενειών. Ωστόσο, η υπερβολική χρήση των αντιβιοτικών ενέχει τον κίνδυνο ανάπτυξης ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά διακυβεύοντας την υγεία των ζώων, αλλά και δια μέσω της ενιαίας υγείας την υγεία του ανθρώπου. Η αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων αλλά και η διασφάλιση της παγκόσμιας επισιτιστικής ασφάλειας παραμένουν ζητήματα διαρκούς ανησυχίας, αλλά επιζητούν και τρόπους επίλυσης. Ως εκ τούτου, έχει αναπτυχθεί σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον για την αναζήτηση εναλλακτικών μεθόδων παραγωγής τροφίμων, οι οποίες θα μπορούσαν να μειώσουν τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και να ενισχύσουν τη βιωσιμότητα των συστημάτων παραγωγής. Στο πλαίσιο αυτό, η αναζήτηση εναλλακτικών πρωτεϊνούχων πηγών αλλά και δημητριακών στη διατροφή των ζώων όπως και συστατικών ή πρώτων υλών που μπορεί να συμβάλουν με φυσικό τρόπο στην υγεία των παραγωγικών ζώων έχει αναδειχθεί σε κεντρικό πεδίο έρευνας. Επιπλέον, η χρήση υποπροϊόντων της αγροδιατροφής στα σιτηρέσια των ζώων έχει θεωρηθεί αφενός ως μέσο μείωσης του κόστους διάθεσης των αποβλήτων επεξεργασίας και ως στρατηγική βελτίωσης των διατροφικών πρακτικών στην εκτροφή ζώων και αφετέρου σημαντικός σύμμαχος στην περιβαλλοντική στρατηγική της βιωσιμότητας των συστημάτων παραγωγής ζωικής πρωτεΐνης. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα υποπροϊόντα αυτά περιέχουν πλήθος βιοδραστικών ενώσεων, όπως ορισμένα λιπαρά οξέα και/ή πολυφαινόλες, οι οποίες μπορούν να λειτουργήσουν ως λειτουργικά συστατικά, βελτιώνοντας επιπρόσθετα και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του κρέατος. Η αξιοποίηση αγροβιομηχανικών υποπροϊόντων ως ενδυνάμει διατροφικών πόρων στην πρωτογενή παραγωγή και ιδίως σε εντατικές εκτροφές μονογαστρικών, προσφέρει τη δυνατότητα εφαρμογής των αρχών της κυκλικής οικονομίας μέσω της επαναχρησιμοποίησης «αποβλήτων» και της επανεισαγωγής πολύτιμων θρεπτικών συστατικών που εμπεριέχονται σε αυτά στην τροφική αλυσίδα της ζωικής παραγωγής με πολλαπλούς στόχους και με κύριο τη διατήρηση των φυσικών πόρων του πλανήτη. Παράλληλα, φυτοβιοτικά που προέρχονται από φαρμακευτικά φυτά και τα αιθέρια έλαιά τους —ιδίως το αιθέριο έλαιο ρίγανης, το αιθέριο έλαιο κρίταμου, το άλευρο σκόρδου και της καμελίνας— έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον ως φυσικά πρόσθετα ζωοτροφών λόγω επίδειξης αντιμικροβιακών, αντιοξειδωτικών και ανοσοτροποποιητικών ιδιοτήτων και τη χρήση τους στη διατροφή των χοίρων ως στρατηγική διαχείρισης της υγείας των ζώων. Η παρούσα μελέτη της διδακτορικής διατριβής διερεύνησε για πρώτη φορά την ταυτόχρονη ενσωμάτωση υποπροϊόντων της αγροδιατροφής, όπως στέμφυλων οινοποιίας, υγρών αποβλήτων ελαιουργείων και αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος υπό μορφή καινοτόμου ενσιρώματος στα σιτηρέσια χοίρων, σε διαφορετικές ηλικίες, με έμφαση στη δυνατότητα της ενίσχυσης των ζωοτεχνικών αποδόσεων των ζώων, της ρύθμισης της υγείας του εντέρου και της βελτίωσης ποιοτικών χαρακτηριστικών του κρέατος, καθώς και στον πιθανό τους ρόλο στη μείωση της ανάγκης χρήσης χημειοθεραπευτικών σε συγκεκριμένες κρίσιμες περιόδους της παραγωγικής ζωής των χοίρων. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η χρήση ενός μείγματος τεσσάρων αρωματικών/ φαρμακευτικών φυτών με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασής τους σε παραγωγικές παραμέτρους χοίρων απογαλακτισμού, στην μικροβιακή χλωρίδα του πεπτικού συστήματος καθώς και στη διαποροποίηση ποιοτικών χαρακτηριστικών του κρέατος. Με τον τρόπο αυτό, η διατριβή συμβάλλει στην ανάπτυξη προτύπων συστημάτων παραγωγής προσανατολισμένων ταυτόχρονα στην ευζωία, στη μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος, στην ελαχιστοποίηση χρήσης αντιβιοτικών, στην διαφύλαξη των φυσικών διατροφικών πόρων, αλλά και στην ανάδειξη ποιοτικών σταθερών με Ελληνική ταυτότητα στο τελικό προϊόν παραγωγής, το χοιρινό κρέας. Τέλος, στην παρούσα διατριβή καλύπτονται υπάρχοντα κενά γνώσης και αναφέρονται τυχόν περιορισμοί, και προσδιορίζονται οι μελλοντικές προοπτικές εφαρμογής ολιστικών στρατηγικών παραγωγής σε ευρεία κλίμακα, με έμφαση στη συμβολή τους σε μία περιβαλλοντικά και οικονομικά βιώσιμη χοιροτροφία. Συγκεκριμένα, σε τρεις πειραματικές δοκιμές αξιολογήθηκε η ενσωμάτωση ενός καινοτόμου ενσιρώματος που παρήχθη από υποπροϊόντα της αγροβιομηχανίας [υποπροϊόντα ελαιοτριβείων (κατσίγαρος), οινοποιείων (στέμφυλα) και τυροκομείων (αποπρωτεϊνωμένος ορός γάλακτος από παραγωγή φέτας)], καθώς και ενός φυτοβιοτικού μείγματος τεσσάρων εγχώριων φαρμακευτικών φυτικών εκχυλισμάτων και αιθέριων ελαίων [αιθέριο έλαιο ρίγανης (Origanum vulgare subsp. hirtum), αιθέριο έλαιο κρίταμου (Crithmum maritimum L.), άλευρο σκόρδου (Allium sativum L.) και άλευρο καμελίνας (Camelina sativa L. Crantz)] σε παραμέτρους απόδοσης, σε δείκτες υγείας και στην ποιότητα του κρέατος απογαλακτισμένων και παχυνόμενων χοίρων. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν συγκεκριμένοι παραγωγικοί/ζωοτεχνικοί δείκτες (Μέση Ημερήσια Αύξηση Βάρους, Δείκτης Μετατρεψιμότητας της Τροφής, Απόδοση σε Σφάγιο, Τελικό Βάρος) καθώς και βιοχημικοί και αιματολογικοί δείκτες μετά από αιμοληψία των χοίρων που προσδιορίζουν δείκτες υγείας των ζώων. Ταυτόχρονα, ελήφθη εντερικό περιεχόμενο από τον ειλεό και το τυφλό για μικροβιολογική ανάλυση με καλλιεργητικές μεθόδους και ταυτοποίησης των μικροβιακών οργανισμών μέσω πρωτεωμικών τεχνολογιών, ώστε να διαπιστωθούν οι παράμετροι μεταβολής δεικτών υγείας που προέρχονται από τη χρήση του ενσιρώματος και του μείγματος των φυτοβιοτικών. Ακολούθησε η χημική και μικροβιολογική ανάλυση τεμαχίων μυικών ιστών [ωμοπλάτη (triceps brachii), κοιλιακή χώρα (external abdominal), χοιρομήριο (biceps femoris)] καθώς και ο προσδιορισμός του pH, των ολικών φαινολών, των λιπαρών οξέων, των δεικτών οξείδωσης και του χρώματος με στόχο να αξιολογηθεί η επίδραση των καινοτόμων διατροφικών συστατικών και προσθετικών στις ποιοτικές παραμέτρους του χοιρινού κρέατος. Η χρήση και ενσωμάτωση του καινοτόμου ενσιρώματος είχε ως αποτέλεσμα την βέλτιστη ανάπτυξη των χοίρων, αύξηση του ποσοστού κάλυψης του σφάγιου, συνέβαλε στη διαμόρφωση ενός ευνοϊκότερου μικροβιακού προφίλ με παρουσία ευβιοτικών μικροοργανισμών στον εντερικό σωλήνα, το οποίο συνδέεται και εξηγεί τα ζωοτεχνικά ευρήματα και προάγει την υγεία και την ευζωία των χοίρων, ενώ διαφοροποίησε και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του κρέατος, βελτιώνοντας την αναλογία n-6 προς n-3 λιπαρών οξέων στον μυϊκό ιστό και αυξάνοντας τη συγκέντρωση ολικών φαινολών και την αντιοξειδωτική του ικανότητα. Στον τρίτο πειραματισμό, το υπό εξέταση μείγμα φυτοβιοτικών που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ως προσθετικό διατροφής, έδειξε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη διατροφή των απογαλακτισμένων χοίρων, με θετικά αποτελέσματα στο εντερικό μικροβίωμα και τη διαφοροποίηση των μικροβιακών κοινοτήτων προς ένα ευβιοτικό πρότυπο, την αύξηση της οξειδωτικής σταθερότητας του παραγόμενου κρέατος, τη μεταβολή του προφίλ των λιπαρών οξέων και τη χρωματική του αποτύπωση, ούτως ώστε να γίνει πιο επιθυμητό για τον καταναλωτή.