Extrusão e hidrólise sobre a formação de produto de Maillard e utilização metabólica de farinha de vísceras de aves em cães

Abstract

Proteínas animais são extremamente importantes na nutrição dos pets. Entre essas fontes, a farinha de vísceras de aves (FVA) é um dos ingredientes mais amplamente utilizados em cães e gatos devido à sua disponibilidade comercial, boa palatabilidade e digestibilidade. No entanto, a variabilidade nas matérias-primas e nas condições de processamento frequentemente afeta sua consistência nutricional. Para enfrentar essas limitações, a farinha hidrolisada de aves (FHA) surgiu como uma alternativa promissora, oferecendo maior digestibilidade, aumento da concentração de proteínas, redução do teor de minerais e lipídios, propriedades bioativas potenciais e características hipoalergênicas. Além do processamento necessário para a preparação das matérias-primas, essas proteínas animais são ainda submetidas à extrusão durante a produção de ração; no entanto, seu impacto na formação e na utilização metabólica dos produtos da reação de Maillard tem sido pouco investigado em cães. O objetivo desta tese foi avaliar como a hidrólise enzimática e o processamento por extrusão afetam a qualidade das proteínas em cães alimentados com matérias-primas derivadas de aves, avaliando seu impacto na formação de compostos de Maillard (FCM), na digestibilidade aparente total do trato (DATT), na disponibilidade metabólica (DM), nos produtos de fermentação fecal e na formação e no metabolismo de aminas. O documento é dividido em três capítulos: uma introdução geral e uma revisão bibliográfica; um segundo capítulo descrevendo um experimento que avaliou a aplicação de um protocolo sem o uso de gaiolas, adaptado ao método de oxidação indireta de aminoácido indicador (OIAI), usando fenilalanina L-[1-¹³C]; e um capítulo principal examinando como dois níveis de energia mecânica específica (EME) durante a extrusão influenciaram a formação de compostos de Maillard e a qualidade das proteínas das dietas baseadas em FVA ou FHA. No Capítulo 2, foram formuladas duas dietas extrusadas: uma dieta completa contendo 28% de proteína bruta (PB) e uma dieta baixa em proteína contendo 6% de PB, ambas padronizadas para 22 g/kg de fenilalanina + tirosina. Utilizando uma técnica de diluição, foram produzidos cinco níveis de proteína (6–14% PB) e uma dieta de adaptação (11% PB). Três protocolos de alimentação e amostragem (P1, P2 e P3) foram avaliados, utilizando dez cães por protocolo. Todos os cães alcançaram o platô isotópico (PI); no entanto, o tempo necessário e a precisão variaram entre os protocolos. O Protocolo P1 foi o mais lento e menos preciso (183,7 ± 8,4 min; r² = 0,39). O Protocolo P3 atingiu o PI mais rapidamente (105,4 ± 6,1 min; r² = 0,67), porém com precisão moderada. O Protocolo P2 proporcionou o melhor equilíbrio entre tempo e precisão (170,6 ± 6,7 min; r² = 0,81), demonstrando ser uma abordagem eficiente e minimamente invasiva, que reduziu o manuseio dos animais e eliminou a necessidade de gaiolas metabólicas ou câmaras respiratórias, tornando-se tanto confiável quanto eticamente apropriada. No Capítulo 3, três formulações (100% FVA, 50% FVA:50% FHA e 100% FHA como fontes de proteína) foram extrusadas sob aplicação controlada de EME (10 kWh/t; temperatura de extrusão de 100 °C) ou alta (25 kWh/t; temperatura de extrusão de 150 °C) e testadas em oito cães por tratamento. A EME alta aumentou as concentrações de hidroximetilfurfural, com maior incremento para FHA (P < 0,001), e reduziu o DATT da proteína (de 87,5 ± 0,8% para 85,3 ± 0,7%; P < 0,01). A aplicação controlada de energia preservou a integridade proteica, resultando em maior DATT para FHA (89,1 ± 0,6%) em comparação com FVA (86,3 ± 0,5%; P < 0,01). A EME alta aumentou os ácidos graxos de cadeia ramificada nas fezes, enquanto a EME controlada promoveu a gelatinização moderada do amido e aumentou as concentrações de ácidos graxos de cadeia curta nas fezes (P < 0,001). As concentrações de aminas biogênicas nas fezes aumentaram com a inclusão de FHA, e o balanço de serotonina mudou de negativo para positivo quando a excreção fecal foi subtraída da ingestão (P < 0,01). Dietas processadas sob alta EME exigiram maior ingestão de proteína para estabilizar a oxidação do traçador (12,7 ± 0,5% vs. 12,15 ± 0,4% PB), sendo a FHA mais afetada (P < 0,01). Sob EME controlada, a FHA exigiu menor ingestão de proteína para estabilizar a oxidação do traçador (10,2 ± 0,6% vs. 11,1 ± 0,3% PB; P < 0,01), exibiu maior taxa de síntese proteica (3,27 ± 0,1 vs. 2,55 ± 0,2 g de proteína/kg⁰·⁷⁵/dia; P < 0,001) e apresentou DM 10% superior à da FVA. A DM proteica também diminuiu sob EME alta (21% menor para FHA e 7% menor para FVA; P < 0,01). De modo geral, o excesso de EME reduziu o valor nutricional ao promover reações de Maillard, enquanto a EME controlada combinada com a hidrólise enzimática aumentou a digestibilidade, a disponibilidade metabólica e a qualidade geral das proteínas de derivados de aves para cães.

Animal proteins are critically important in pet nutrition. Among these sources, poultry by-product meal (PBM) is one of the most widely used ingredients for dogs and cats due to its commercial availability, and good palatability and digestibility. However, variability in raw materials and rendering conditions often affects its nutritional consistency. To address these limitations, hydrolyzed poultry by-product meal (HPM) has emerged as a promising alternative, offering higher digestibility, increased protein concentration, reduced mineral and lipid contents, potential bioactive properties, and hypoallergenic characteristics. In addition to the processing required for raw material preparation, these animal proteins are further subjected to extrusion during kibble production; however, its impact on Maillard reaction product formation and metabolic utilization has been little investigated in dogs. The aim of this thesis was to evaluate how enzymatic hydrolysis and extrusion processing affect protein quality in dogs fed poultry-derived raw materials by assessing their impact on the formation of Maillard compounds (MC), total tract apparent digestibility (TTAD), metabolic availability (MA), fermentation products in feces, and amine formation and metabolism. The document is divided into three chapters: a general introduction and literature review; a second chapter describing an experiment that evaluated the application of a cage-free protocol adapted to the indicator amino acid oxidation (IAAO) method using L-[1-¹³C] phenylalanine; and a main chapter examining how two levels of specific mechanical energy (SME) during extrusion influenced the formation of Maillard compounds and the protein quality of PBM- or HPM-based diets. In Chapter 2, two extruded diets were formulated: a complete diet containing 28% crude protein (CP) and a low-protein diet containing 6% CP, both standardized to 22 g/kg of phenylalanine + tyrosine. Using a dilution technique, five protein levels (6–14% CP) and one adaptation diet (11% CP) were produced. Three feeding and sampling protocols (P1, P2, and P3) were evaluated using ten dogs per protocol. All dogs achieved isotopic steady state (ISS); however, the time required, and accuracy varied among protocols. Protocol P1 was the slowest and least accurate (183.7 ± 8.4 min; r² = 0.39). Protocol P3 reached ISS the fastest (105.4 ± 6.1 min; r² = 0.67), but with moderate accuracy. Protocol P2 provided the best balance between time and accuracy (170.6 ± 6.7 min; r² = 0.81), proving to be an efficient and minimally invasive approach that reduced animal handling and eliminated the need for metabolic cages or respiration chambers, making it both reliable and ethically appropriate. In chapter 3, three formulations (100% PBM, 50% HPM:50% PBM, and 100% HPM as protein sources) were extruded under either controlled (10 kWh/t; extrusion temperature 100 °C) or high (25 kWh/t; extrusion temperature 150 °C) SME application and tested in 8 dogs per treatment. High SME increased hydroxymethylfurfural concentrations, with a greater increase for HPM (P < 0.001), and reduced the TTAD of protein (from 87.5 ± 0.8% to 85.3 ± 0.7%; P < 0.01). Controlled SME preserved protein integrity, resulting in higher TTAD for HPM (89.1 ± 0.6%) compared with PBM (86.3 ± 0.5%; P < 0.01). High SME increased branched-chain fatty acids in feces, whereas controlled SME promoted moderate starch gelatinization and increased fecal short-chain fatty acid concentrations (P < 0.001). Biogenic amine concentrations in feces increased with HPM inclusion, and serotonin balance shifted from negative to positive when fecal excretion was subtracted from intake (P < 0.01). Diets processed under high SME required greater protein intake to stabilize tracer oxidation (12.7 ± 0.5% vs. 12.15 ± 0.4% CP), with HPM being more affected (P < 0.01). Under controlled SME, HPM required lower protein intake to stabilize tracer oxidation (10.2 ± 0.6% vs. 11.1 ± 0.3% CP; P < 0.01), exhibited a higher protein synthesis rate (3.27 ± 0.1 vs. 2.55 ± 0.2 g protein/kg⁰·⁷⁵/day; P < 0.001), and showed a 10% higher metabolic availability (MA) than PBM. Protein MA also declined under high SME (21% lower for HPM and 7% lower for PBM; P < 0.01). Overall, excessive SME reduced nutritional value by promoting Maillard reactions, whereas controlled SME combined with enzymatic hydrolysis enhanced digestibility, metabolic availability, and overall protein quality of poultry protein derivatives for dogs.