Use of tenebrio molitor larvae meal and the prebiotic chitosan in pig nutrition

Abstract

The growing global demand for sustainable and efficient food production has intensified interest in alternative feed resources that can support livestock performance while reducing environmental impact. As the world population is projected to surpass 10 billion by 2050, the pressure on agriculture and animal production systems will continue to increase, particularly for high-quality protein sources such as pork. Traditional feedstuffs, including soybean meal and fishmeal, are facing limitations in availability, cost stability, and environmental sustainability. Issues such as deforestation linked to soybean cultivation, marine overexploitation affecting fishmeal production, volatility in international trade, and regulatory restrictions on animal by-products further complicate feed formulation within the European Union. In this context, finding new protein-rich feed ingredients has become essential for ensuring the future strength and sustainability of livestock production systems.Insects have emerged as a promising solution to these challenges due to their high nutritional value, excellent feed conversion efficiency, low environmental footprint, and compatibility with circular bioeconomy principles. Tenebrio molitor (yellow mealworm) larvae, in particular, are characterized by high levels of digestible protein, lipids, essential amino acids, vitamins, minerals, and bioactive compounds such as chitin and antimicrobial peptides. EU regulatory developments, most notably the 2021 authorization of processed insect protein for poultry and swine, have accelerated interest in their potential use in monogastric nutrition. Importantly, the nutritional and functional value of insect meals can be modulated through the larvae’s rearing substrate, offering a unique opportunity to enrich the profile of insect-derived feed ingredients by incorporating plant-based bioactive compounds. This represents an innovative area of research with limited available data, particularly regarding the use of enriched-substrate insects in pig nutrition. Chitosan, a deacetylated derivative of chitin, has gained increasing attention as a functional feed additive with prebiotic, antimicrobial, and immunomodulatory properties. Its potential to improve gut microbiota composition, support digestive health, and enhance growth performance makes it highly valuable during the critical early-weaning period in pigs. Despite its promising effects, its combined use with insect meal has never before been evaluated in early growing pigs. This dissertation was designed to fill these gaps by investigating both the nutritional and functional potential of T. molitor larvae meal, produced on conventional or phytochemical-enriched substrates, and by evaluating the combined impact of conventional insect meal and chitosan supplementation. Two experimental feeding trials were conducted: one in early-growing pigs and one in finishing pigs. Together, these trials aimed to assess the effects of insect meal and chitosan on zootechnical parameters, gut microbiota, health biomarkers, and meat quality traits. On the first trial, sixty early-growing pigs were allocated into five dietary treatments: a control diet, two diets containing 10% T. molitor meal produced on conventional or phytochemical-enriched substrates, a diet supplemented with chitosan, and a combined conventional insect meal–chitosan diet. The whole experimental trial lasted 42 days. Results revealed that the combined use of conventional T. molitor meal and chitosan significantly improved growth performance, demonstrating a synergistic effect. Gut microbiota composition was altered by insect-based diets and chitosan supplementation, with significant reductions in pathogenic bacterial groups and increase of beneficial microbial populations. Blood biomarkers remained largely unaffected, except for an increase in cholesterol levels in pigs receiving enriched-substrate larvae meal, a result that requires further investigation. Meat quality traits were also positively influenced, with improved oxidative stability, elevated total phenolic content, favorable modifications in fatty acid composition, and beneficial shifts in meat microbial populations. These findings collectively demonstrate that the use of insect meal, especially when combined with chitosan, can function as an effective strategy to support gut health, growth performance, and meat quality during the early-growing phase. The second trial was conducted in finishing pigs, providing the first published evidence on the use of T. molitor meal during the final phase of swine production. Eight-teen pigs were allocated to three treatments: a control diet and diets including insect meal derived from conventional or enriched substrates. Throughout the experimental period, measurements were evaluated for growth performance, blood biomarkers, fecal microbial profiles, and meat quality characteristics. While growth performance was not significantly affected by insect meal supplementation at this stage, profound effects were observed on gut microbiota composition, including reductions in Enterobacteriaceae populations and increases in beneficial anaerobic bacteria. Notably, several meat quality characteristics improved, including higher antioxidant capacity, and increased collagen content in belly cuts. A central innovation of this dissertation lies in the use of T. molitor larvae reared on phytochemical-enriched substrates. The enrichment of the rearing substrate with medicinal aromatic plant residues, rich in antioxidant and antimicrobial compounds, successfully transferred bioactive properties into the resulting insect meal. This led to measurable improvements in meat oxidative stability in both early-growing and finishing pigs, while enhancements in the fatty acid profile were observed in the early-growing pigs. These findings show a promising opportunity to create more targeted insect-based feed ingredients by enriching the larvae’s substrate. This approach also supports the circular bioeconomy by turning plant by-products into valuable and more functional feed. Another major contribution is the first-time evaluation of the combined use of T. molitor meal and chitosan in early-weaned pigs. The current trial demonstrates that the combination of bioactive feed ingredients administered during the post-weaning phase had synergistic improvements performance, gut microbiota, and meat oxidative stability. Such approaches directly align with the consumers’ need to reduce antibiotic use. Overall, this dissertation provides a comprehensive evaluation of insect meal and chitosan as innovative feed ingredients for swine nutrition. By improving zootechnical parameters, gut microbial profile, blood biomarkers, and meat quality characteristics, it offers a robust scientific proof supporting the usage of insect-derived proteins and functional bioactive compounds in pig diets. The results highlight that T. molitor larvae meal, particularly when produced on enriched substrates, can serve as a sustainable and nutritionally effective substitute to conventional protein sources. Furthermore, chitosan supplementation in early-growing pigs presents clear advantages that require further study in combination with different insect species. In conclusion, this dissertation represents a significant contribution to establishing environmentally responsible and superior feed strategies for contemporary swine production. By successfully integrating insect meal and natural bioactive compounds, the findings open new avenues for simultaneously optimizing animal health and enhancing the quality of the produced meat. To fully understand this knowledge, future research should determine the ideal dosage, study the long-term effects on the pigs' health, and explain the path of nutrients and compounds moving from the feed, through the insects, and into the pigs.

Η αυξανόμενη παγκόσμια ζήτηση για βιώσιμη και αποδοτική παραγωγή τροφίμων έχει ενισχύσει σημαντικά το ενδιαφέρον για καινοτόμες πηγές ζωοτροφών υψηλής διατροφικής αξίας. Τέτοιου είδους ζωοτροφές κρίνονται απαραίτητες προκειμένου να διατηρηθεί η παραγωγικότητα των ζώων, ενώ παράλληλα επιδιώκεται και η μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος της κτηνοτροφίας. Με τον παγκόσμιο πληθυσμό να αναμένεται να υπερβεί τα 10 δισεκατομμύρια έως το 2050, η πίεση στα γεωργικά και ζωικά παραγωγικά συστήματα εντείνεται, προκειμένου να εξασφαλισθούν πρωτεϊνικές πηγές υψηλής θρεπτικής αξίας, όπως το χοιρινό κρέας. Οι παραδοσιακές πηγές ζωοτροφών, όπως το σογιάλευρο και το ιχθυάλευρο, αντιμετωπίζουν σοβαρά προβλήματα που αφορούν τη διαθεσιμότητα, την αστάθεια των τιμών και το περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Πιο συγκεκριμένα, η αποψίλωση των δασών για την εξυπηρέτηση των αναγκών καλλιέργειας σόγιας, η θαλάσσια υπεραλίευση που υπονομεύει την παραγωγή ιχθυάλευρου, οι γεωπολιτικές αστάθειες στο διεθνές εμπόριο, καθώς και οι κανονιστικοί περιορισμοί στη χρήση ζωικών υποπροϊόντων, δυσχεραίνουν περαιτέρω τη διαμόρφωση ασφαλών και σταθερών διατροφικών στρατηγικών, ιδίως εντός της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Ως εκ τούτου, η διερεύνηση καινοτόμων πρωτεϊνούχων ζωοτροφών καθίσταται πλέον επιτακτική ανάγκη για τη διασφάλιση και την ενίσχυση των σύγχρονων συστημάτων ζωικής παραγωγής.Την τελευταία δεκαετία, τα έντομα έχουν αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση για την αντιμετώπιση των προκλήσεων στις ζωοτροφές, χάρη στην υψηλή διατροφική τους αξία, τον εξαιρετικό δείκτη μετατρεψιμότητας της τροφής και τη συμβατότητά τους με τις αρχές της κυκλικής οικονομίας. Οι προνύμφες Tenebrio molitor (σκουλήκι των αλεύρων) χαρακτηρίζονται από υψηλά επίπεδα εύπεπτης πρωτεΐνης, λιπιδίων, απαραίτητων αμινοξέων, βιταμινών, μετάλλων, καθώς και βιοδραστικών συστατικών όπως η χιτίνη και τα αντιμικροβιακά πεπτίδια. Οι πρόσφατες νομοθετικές ρυθμίσεις της Ε.Ε., με κορυφαία αυτή του 2021, η οποία επιτρέπει τη χρήση πρωτεϊνών από συγκεκριμένα είδη εντόμων, σε σιτηρέσια πτηνών και χοιρινών, έχουν επιταχύνει το ενδιαφέρον για την εφαρμογή τους στη διατροφή μονογαστρικών ζώων. Ιδιαίτερη έμφαση πρέπει να δοθεί στο ότι η θρεπτική και λειτουργική αξία των εντόμων μπορεί να τροποποιηθεί από το υπόστρωμα εκτροφής που χρησιμοποιείται. Αυτό αποτελεί ένα καινοτόμο ερευνητικό πεδίο, ωστόσο τα διαθέσιμα επιστημονικά δεδομένα παραμένουν περιορισμένα, ειδικά όσον αφορά την επίδραση των εμπλουτισμένων υποστρωμάτων στα σιτηρέσια των χοίρων. Η χιτοσάνη, ένας αποακετυλιωμένος πολυσακχαρίτης που παράγεται από τη χιτίνη, έχει προσελκύσει έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον ως λειτουργικό πρόσθετο ζωοτροφών. Διαθέτει πρεβιοτικές, αντιμικροβιακές και ανοσορρυθμιστικές ιδιότητες και μπορεί να βελτιώσει την εντερική μικροχλωρίδα, την υγεία του εντέρου και τους ρυθμούς ανάπτυξης των παραγωγικών ζώων. Σύμφωνα με την υφιστάμενη δημοσιευμένη βιβλιογραφία, η συνδυαστική χρήση αλεύρων εντόμων του είδους T. molitor και χιτοσάνης δεν έχει εξεταστεί ποτέ ξανά σε απογαλακτισμένα χοιρίδια. Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής, πραγματοποιήθηκαν δύο διατροφικοί πειραματισμοί: ένας σε απογαλακτισμένα χοιρίδια και ένας σε χοίρους τελικής πάχυνσης. Οι πειραματισμοί αξιολόγησαν την επίδραση του αλεύρου εντόμων T. molitor, το οποίο εκτράφηκε σε συμβατικό υπόστρωμα ή υπόστρωμα εμπλουτισμένο με αρωματικά και φαρμακευτικά φυτά της ελληνικής χλωρίδας, με ή χωρίς χιτοσάνη, στις ζωοτεχνικές επιδόσεις, στη μικροχλωρίδα του εντέρου, στους αιματολογικούς και βιοχημικούς δείκτες και στα ποιοτικά χαρακτηριστικά του παραγόμενου κρέατος. Στον πρώτο διατροφικό πειραματισμό, 60 απογαλακτισμένα χοιρίδια τυχαία κατανεμήθηκαν σε πέντε ομάδες: μία ομάδα μαρτύρων, δύο ομάδες που έλαβαν άλευρο εντόμων T. molitor (συμβατικό ή εμπλουτισμένο), μία ομάδα με χιτοσάνη και μία ομάδα που διατράφηκε με τον συνδυασμό συμβατικού αλεύρου εντόμων και χιτοσάνης. Η συνολική διάρκεια του διατροφικού πειραματισμού ήταν 42 ημέρες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο συνδυασμός T. molitor και χιτοσάνης βελτίωσε σημαντικά την ανάπτυξη των χοιριδίων, υποδεικνύοντας συνεργιστική δράση. Η μικροχλωρίδα του εντέρου τροποποιήθηκε σημαντικά, με μείωση παθογόνων βακτηρίων και αύξηση ωφέλιμων πληθυσμών, ενώ οι αιματολογικοί δείκτες παρέμειναν σε φυσιολογικά επίπεδα, με εξαίρεση την αύξηση της χοληστερόλης στην ομάδα που έλαβε το εμπλουτισμένο εντομάλευρο. Η ποιότητα του κρέατος βελτιώθηκε ως προς την αντιοξειδωτική ικανότητα, την περιεκτικότητα σε φαινολικές ενώσεις, και τους μικροβιακούς πληθυσμούς στα παραγόμενα τεμάχια κρέατος. Ο δεύτερος πειραματισμός κάλυψε ένα σημαντικό κενό στη διεθνή βιβλιογραφία, εστιάζοντας στην πρωτοποριακή εφαρμογή του εντόμου T. molitor σε χοίρους τελικής πάχυνσης, μία προσέγγιση που δεν αναφέρεται σε προηγούμενες δημοσιευμένες μελέτες. Συνολικά 18 χοίροι κατανεμήθηκαν τυχαία σε τρεις ομάδες: μία ομάδα μαρτύρων, μία ομάδα όπου χορηγήθηκε σιτηρέσιο με συμβατικό T. molitor και μία ομάδα όπου χορηγήθηκε σιτηρέσιο με το εμπλουτισμένο T. Molitor. Παρόλο που οι ζωοτεχνικές επιδόσεις δεν διαφοροποιήθηκαν σημαντικά, παρατηρήθηκαν ουσιαστικές μεταβολές στη μικροχλωρίδα του εντέρου, συμπεριλαμβανομένης της μείωσης των πληθυσμών Enterobacteriaceae και της αύξησης των ωφέλιμων αναερόβιων βακτηρίων. Επιπλέον, βελτιώθηκαν ποιοτικά χαρακτηριστικά του παραγόμενου κρέατος, όπως αυξημένη αντιοξειδωτική ικανότητα και ενισχυμένη περιεκτικότητα σε κολλαγόνο στα τεμάχια της κοιλιάς. Η βασική καινοτομία της παρούσας διδακτορικής διατριβής έγκειται στην αξιοποίηση εντόμων που αναπτύσσονται σε εμπλουτισμένα υποστρώματα με αρωματικά και φαρμακευτικά φυτά της ελληνικής χλωρίδας, με στόχο τη μεταβίβαση λειτουργικών βιοδραστικών ιδιοτήτων αυτών στο παραγόμενο άλευρο εντόμων. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την ενίσχυση της οξειδωτικής σταθερότητας του παραγόμενου κρέατος και τη βελτίωση της λιπιδικής σύστασης αυτού. Εξίσου σημαντική καινοτομία αποτελεί η πρώτη λεπτομερής αξιολόγηση της συνδυαστικής χορήγησης αλεύρου εντόμων T. molitor και χιτοσάνης σε απογαλακτισμένα χοιρίδια. Αυτός ο συνδυασμός απέδειξε πολυδιάστατα οφέλη, βελτιώνοντας ταυτόχρονα την ανάπτυξη των απογαλακτισμένων χοιριδίων, την υγεία του εντέρου και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του κρέατος Συνολικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή παρέχει μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση των λειτουργικών και διατροφικών δυνατοτήτων του αλεύρου εντόμων T. molitor και της χιτοσάνης στη σύγχρονη χοιροτροφία. Η έρευνα συμβάλλει ουσιαστικά στην ανάπτυξη βιώσιμων και καινοτόμων διατροφικών στρατηγικών. Τα ευρήματα καταδεικνύουν ότι άλευρο εντόμων αποτελεί μια βιώσιμη και θρεπτική πηγή πρωτεϊνούχων ζωοτροφών, ιδιαίτερα όταν προέρχεται από εμπλουτισμένα υποστρώματα, καθώς μεταφέρει βιοδραστικές ιδιότητες στο τελικό προϊόν, ενώ η χιτοσάνη αναδεικνύεται ως ένα αποτελεσματικό λειτουργικό πρόσθετο, παρουσιάζοντας ιδιαίτερη αξία στην ευαίσθητη φάση του απογαλακτισμού των χοιριδίων, όπου επιφέρει συνεργιστικά οφέλη στους ρυθμούς ανάπτυξης και στους βιοδείκτες υγείας.