13.3 Ingredientes e aditivos para alimentos

13.3.1 Fontes de Proteínas e Lípidos para Aquafeeds

Desde o final do século XX, houve mudanças significativas na composição dos aquafeeds, mas também avanços na fabricação. Estas transformações originaram-se da necessidade de melhorar a rentabilidade económica da aquicultura, bem como de mitigar os seus impactos ambientais. No entanto, as forças motrizes por trás dessas mudanças é a necessidade de diminuir a quantidade de farinha de peixe (FM) e óleo de peixe (FO) nos alimentos, que tradicionalmente constituíram a maior proporção dos alimentos, especialmente para peixes carnívoros e camarões. Em parte devido à sobrepesca, mas especialmente devido ao aumento contínuo do volume de aquicultura global, há uma necessidade crescente de proteínas e óleos alternativos para substituir FM e FO em aquafeeds.

Fig. 13.2 Relação peixe-in-fish-out (linha azul, eixo y esquerdo) e quantidade de óleo de peixe utilizado (linha amarela, eixo y direito) para alimentação de trutas arco-íris na Finlândia entre 1990 e 2013. (Dados de www.raisioagro. com)

A composição dos alimentos para peixes mudou consideravelmente, uma vez que a proporção de FM nas dietas diminuiu de\ > 60% na década de 90 para\ 20% nas dietas modernas para peixes carnívoros, como o salmão do Atlântico (Salmo salar), e o teor de FO diminuiu de 24% para 10% (Ytrestøyl et al. 2015). Consequentemente, o rácio “fish-in-fish-out” (FIFO) diminuiu abaixo de 1 para o salmão e a truta arco-íris, o que significa que a quantidade de peixe necessária na alimentação para produzir 1 kg de carne de peixe é inferior a 1 kg (Fig. 13.2). Assim, a cultura de peixe carnívora no século XXI é um produtor líquido de peixe. Por outro lado, os alimentos para espécies de peixes onívoros tróficos inferiores (por exemplo, carpas e tilápias) podem conter menos de 5% de FM (Tacon et al. 2011). A agricultura dessas espécies de peixes tróficos baixos é ecologicamente mais sustentável do que para espécies tróficas superiores, e o FIFO para Tilapia foi de 0,15 e para ciprinídeos (espécies de carpa) apenas 0,02 em 2015 (IFFO). Deve-se notar que a substituição total de FM nas dietas de Tilapia (Koch et al. 2016) e salmão (Davidson et al. 2018) não é possível sem afetar significativamente os parâmetros de produção.

Hoje, a maior oferta de proteínas e lipídios nos alimentos para peixes provém de plantas, mas também geralmente de outros setores, incluindo refeições e gorduras provenientes de subprodutos de carne e aves de capoeira e farinha de sangue (Tacon e Metian 2008). Além disso, os resíduos e subprodutos do processamento de peixe (miudezas e resíduos de aparas) são comumente usados para produzir FM e FO. No entanto, devido à regulamentação da UE (CE 2009), a utilização de FM de uma espécie não é permitida como alimento para a mesma espécie, por exemplo, o salmão não pode ser alimentado com FM contendo guarnições de salmão.

As substituições FM e FO por outros ingredientes podem afetar a qualidade do produto que é vendido aos clientes. O peixe tem a reputação de ser um alimento saudável, especialmente devido ao seu alto teor de poli e ácidos graxos altamente insaturados. Mais importante ainda, os frutos do mar são a única fonte de EPA (ácido eicosapentaenóico) e DHA (ácido docosahexaenóico), ambos os quais são ácidos graxos ômega-3 e nutrientes essenciais para muitas funções no corpo humano. Se FM e FO forem substituídos por produtos de origem terrestre, isso afetará diretamente a qualidade da carne de peixe, principalmente sua composição de ácidos gordos, uma vez que a proporção de ácidos graxos ômega-3 (especialmente EPA e DHA) diminuirá enquanto a quantidade de ácidos graxos ômega-6 aumentará juntamente com o aumento do material vegetal que está substituindo FM e FO (Lazzarotto et al. 2018). Como tal, os benefícios para a saúde do consumo de peixe são parcialmente perdidos, e o produto que acaba no prato não é necessariamente o que os consumidores esperavam comprar. No entanto, a fim de superar o problema da diminuição dos ácidos graxos ômega-3 no produto final resultante de ingredientes de peixe mais baixos em aquafeeds, os piscicicultores poderiam empregar as chamadas dietas de acabamento com alto teor de FO durante as fases finais do cultivo (Suomela et al. 2017).

Uma nova opção interessante para substituir FO em alimentos para peixes é a possibilidade de engenharia genética, isto é, plantas geneticamente modificadas que podem produzir EPA e DHA, por exemplo, óleo de Camelina sativa geneticamente modificada (nome comum de camelina, ouro de prazer ou linho falso, que é conhecido por ter níveis elevados de ácidos graxos ômega-3) foi utilizado com sucesso para o cultivo de salmão, acabando com uma concentração muito alta em EPA e DHA nos peixes (Betancor et al. 2017). No entanto, a utilização de organismos geneticamente modificados na produção de alimentos humanos está sujeita a aprovação regulamentar e pode não ser uma opção a curto prazo.

Outra nova possibilidade de substituir FM em aquafeeds são as proteínas feitas de insetos (Makkar et al. 2014). Esta nova opção só se tornou possível na UE recentemente, quando a UE alterou a legislação, permitindo refeições de insetos em aquafeeds (UE 2017). As espécies que podem ser utilizadas são a mosca-soldado preto (Hermetia illucens), a mosca doméstica comum (Musca domestica), a minhoca amarela (Tenebrio molitor), a minhoca menor (Alphitobius diaperinus), o críquete doméstico (Acheta domesticus), o grilo em faixas (_Gryllodes) e grilo de campo (Gryllus assimilis). Os insectos devem ser criados em certos substratos permitidos. Os experimentos de crescimento realizados com diferentes espécies de peixes mostram que substituir FM por farinha feita de larvas de mosca-soldado preto não compromete necessariamente o crescimento e outros parâmetros de produção (Van Huis e Oonincx 2017). Por outro lado, as refeições feitas de minhoca amarela poderiam substituir a FM apenas parcialmente para evitar a diminuição do crescimento (Van Huis e Oonincx 2017). No entanto, a substituição FM por farinha de insetos pode causar uma queda nos ácidos graxos ômega-3, uma vez que eles são nulos de EPA e DHA (Makkar e Ankers 2014).

Em contraste com os insetos, as microalgas geralmente têm perfis nutricionalmente favoráveis de aminoácidos e ácidos graxos (incluindo EPA e DHA), mas há também uma grande variação entre as espécies a este respeito. A substituição parcial de FM e FO em aquafeeds por certas microalgas tem dado resultados promissores (Camachorodríguez et al. 2017; Shah et al. 2018) e, no futuro, o uso de microalgas em aquafeeds pode aumentar (White 2017), embora seu uso possa ser limitado pelo preço.

Este breve resumo dos potenciais ingredientes para a alimentação animal indica que existe uma vasta gama de possibilidades de substituir, pelo menos parcialmente, FM e FO nos alimentos para peixes. Em geral, o perfil de aminoácidos de FM é ideal para a maioria das espécies de peixes e FO contém DHA e EPA que são praticamente impossíveis de fornecer a partir de óleos terrestres, embora a engenharia genética possa mudar a situação no futuro. No entanto, os produtos OGM têm primeiro de ser aceites na legislação e, em seguida, pelos clientes.

13.3.2 O uso de aditivos especializados para alimentação animal sob medida para aquapônica

Adaptar aquafeeds específicos aos sistemas aquánicos é mais desafiador do que o desenvolvimento convencional de ração aquícola, já que a natureza dos sistemas aquánicos exige que os aquafeeds forneçam não apenas nutrição aos animais cultivados, mas também às plantas cultivadas e às comunidades microbianas que habitam o sistema. A prática aquapônica atual utiliza aquafeeds formulados para fornecer uma nutrição ideal aos animais aquáticos cultivados; no entanto, como a maior entrada de nutrientes em sistemas aquapônicos (Roosta e Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011; Junge et al. 2017), os alimentos também precisam levar em conta os requisitos de nutrientes do componente de produção vegetal. Isto é especialmente importante para sistemas aquánicos em escala comercial, onde a produtividade do sistema de produção vegetal tem um grande impacto na rentabilidade geral do sistema (Adler et al. 2000; Palm et al. 2014; Love et al. 2015a) e onde o desempenho de produção melhorado do componente da planta pode ser significativamente melhorar a rentabilidade geral do sistema.

Assim, o objectivo global do desenvolvimento de alimentos aquánicos adaptados consistiria em conceber um alimento para animais que estabeleça um equilíbrio entre o fornecimento de nutrientes vegetais adicionais, mantendo simultaneamente o funcionamento aceitável do sistema aquapónico (isto é, qualidade suficiente da água para a produção animal, desempenho do biofiltro e digestor anaeróbio, e absorção de nutrientes pelas plantas). Para tal, a alimentação aquapónica final adaptada pode não ser ideal para a produção de animais aquáticos ou vegetais individualmente, mas seria melhor para o sistema aquapónico no seu conjunto. O ponto ideal seria determinado com base em parâmetros globais de desempenho do sistema, por exemplo, medidas de sustentabilidade económica e/ou ambiental.

Um dos principais desafios no aumento da produção de sistemas aquapônicos acoplados são as concentrações relativamente baixas de nutrientes macro e micro plantas (principalmente na forma inorgânica) na água de recirculação, em comparação com os sistemas hidropônicos convencionais. Esses baixos níveis de nutrientes podem resultar em deficiências de nutrientes nas plantas e taxas de produção de plantas inferiores (Graber and Junge 2009; Kloas et al. 2015; Goddek et al. 2015; Bittsanszky et al. 2016; Delaide et al. 2017). Um outro desafio é a quantidade significativa de cloreto de sódio em aquafeeds convencionais à base de farinha de peixe e o potencial acúmulo de sódio em sistemas aquapônicos (Treadwell et al. 2010). Diferentes abordagens podem ser desenvolvidas para enfrentar esses desafios, como soluções tecnológicas, por exemplo, sistemas aquapônicos dissociados (Goddek et al. 2016) (ver também [Cap. 8](/comunitário/artigos/capítulos 8-sistemas aquapônicos desacoplados)), suplementação direta de nutrientes no sistema de produção vegetal via spray foliar ou adição à água de recirculação (Rakocy et al. 2006; Roosta e Hamidpour 2011), ou a cultura de uma planta melhor tolerante ao sal (ver [Cap. 12](/comunidade/artigos/capítulo 12-aquaponics-alternativos-tipos e abordagens)). Uma nova abordagem é o desenvolvimento de aquafeeds adaptados especificamente para uso em aquapônica.

A fim de resolver a escassez de nutrientes vegetais na aquapônica, os alimentos aquapônicos adaptados precisam aumentar a quantidade de nutrientes disponíveis nas plantas, seja aumentando as concentrações de nutrientes específicos após a excreção pelos animais cultivados, seja tornando os nutrientes mais biodisponíveis após a excreção e biotransformação, para rápida absorção pelas plantas. Alcançar este aumento da excreção de nutrientes não é, no entanto, tão simples como complementar o aumento da quantidade de nutrientes desejados para as dietas aquacultura, pois há muitos fatores (muitas vezes conflitantes) que precisam ser considerados em um sistema aquapônico integrado. Por exemplo, embora a produção ideal das plantas exija concentrações aumentadas de nutrientes específicos, certos minerais, por exemplo, certas formas de ferro e selénio, podem ser tóxicos para os peixes mesmo em baixas concentrações e, por conseguinte, teriam níveis máximos admissíveis na água circulante (Endut et al. 2011; Tacon 1987). Além dos níveis totais de nutrientes, a relação entre nutrientes (por exemplo, a relação P:N) também é importante para a produção vegetal (Buzby e Lin 2014), e os desequilíbrios nas relações entre nutrientes podem levar à acumulação de certos nutrientes em sistemas aquapônicos (Kloas et al. 2015). Além disso, mesmo que um alimento aquapônico aumente os níveis de nutrientes das plantas, a qualidade global da água e o pH do sistema ainda precisam ser mantidos dentro de limites aceitáveis para garantir a produção animal aceitável, a absorção eficiente dos nutrientes pelas raízes das plantas, o funcionamento ideal dos biofiltros e digestores anaeróbicos ( Goddek et al. 2015b; Rakocy et al. 2006) e para evitar a precipitação de certos nutrientes importantes como fosfatos, pois isso os tornará indisponíveis para as plantas (Tyson et al. 2011). Para alcançar esse equilíbrio global não é uma façanha média, pois existem interações complexas entre as diferentes formas de nitrogênio no sistema (NH<sub3/sub, NHsub4/subsup+/sup, Nosub2/subsup-/sup, Nosub3/subsup-/sup), o pH do sistema e a variedade de metais e outros íons presentes no sistema (Tyson et al. 2011; Goddek et al. 2015; Bittsanszky et al. 2016).

Falta Comum de Nutrientes em Sistemas Aquapônicos

As plantas requerem uma gama de macro e micronutrientes para o crescimento e desenvolvimento. Os sistemas aquapônicos são comumente deficientes nos macronutrientes vegetais potássio (K), fósforo (P), ferro (Fe), manganês (Mn) e enxofre (S) (Graber and Junge 2009; Roosta e Hamidpour 2011). O nitrogênio (N) está presente em diferentes formas em sistemas aquapônicos, e é excretado como parte do metabolismo protéico dos animais aquáticos cultivados (Rakocy et al. 2006; Roosta e Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011), após o qual entra no ciclo do nitrogênio no ambiente aquapônico integrado. (O nitrogênio é discutido em pormenor em [Cap. 9](/comunidade/artigos/capítulo 9-nutriente-cicling-in-aquaponics-sistemas) e, portanto, é excluído da presente discussão.)

A utilização de aditivos específicos para a alimentação animal aquícola selecionados pode contribuir para o desenvolvimento de espécies aquáticas adaptadas especificamente para a aquapônica, fornecendo nutrientes adicionais aos animais aquáticos e/ou plantas cultivadas ou ajustando a proporção de nutrientes. Os aditivos alimentares para aquicultura são diversos, com uma ampla gama de funções e mecanismos de trabalho. As funções podem ser nutritivas e não nutritivas, e os aditivos podem ser direcionados para a ação na alimentação ou para os processos fisiológicos dos animais aquáticos cultivados (Encarnação 2016). Para efeitos do presente capítulo, a tónica é colocada em três tipos específicos de aditivos que podem auxiliar a adaptação das dietas aquapónicas: (1) suplementos minerais adicionados directamente aos alimentos para animais, (2) minerais que são adicionados co-incidentalmente como parte de aditivos que servem para fins não minerais e (3) aditivos que tornar os minerais, já presentes nos alimentos, mais disponíveis para os animais aquáticos e/ou plantas cultivados em sistemas aquánicos.

1. _Suplementação mineral direta em alimentos aquapônicos _

A suplementação de minerais diretamente em dietas aquícolas utilizadas em sistemas aquánicos é um método potencial para aumentar a quantidade de minerais excretados pelos animais cultivados ou para adicionar minerais específicos exigidos pelas plantas em sistemas aquánicos. Os minerais são rotineiramente adicionados sob a forma de pré-misturas minerais às dietas aquícolas, para fornecer aos animais aquáticos cultivados os elementos essenciais necessários para o crescimento e o desenvolvimento (Ng et al. 2001; NRC 2011). Quaisquer minerais não absorvidos pelos peixes durante a digestão são excretados, e se estes estiverem na forma solúvel (principalmente iônica) no sistema aquapônico, estes estão disponíveis para absorção vegetal (Tyson et al. 2011; Goddek et al. 2015). Não é claro como seria viável essa abordagem, uma vez que há escassas informações sobre a eficácia da adição de suplementos minerais aos aquafeeds com o objetivo de melhorar a produção de plantas aquapônicas. Em geral, as necessidades minerais e o metabolismo na aquicultura são pouco compreendidos em comparação com a produção de animais terrestres, pelo que a viabilidade desta abordagem não está bem descrita. Potenciais vantagens para esta abordagem seria que ela poderia revelar-se uma intervenção bastante simples para melhorar o desempenho geral do sistema, poderia permitir a suplementação de uma ampla gama de nutrientes, e é provável que seja relativamente baixo custo. No entanto, ainda é necessária uma investigação substancial para evitar quaisquer grandes armadilhas potenciais que possam surgir. Um deles centra-se no fato de que os minerais suplementados destinados às plantas precisam primeiro passar pelo trato digestivo dos animais aquáticos cultivados e estes podem ser absorvidos total ou parcialmente durante esta passagem. Isso pode levar à acumulação indesejada de minerais nos animais aquáticos, ou a interferência na absorção intestinal normal de nutrientes e/ou minerais e nos processos fisiológicos (Oliva-Teles 2012). Podem ocorrer interações significativas entre os minerais dietéticos em dietas aquacícolas (Davis e Gatlin 1996), e estas precisam ser determinadas antes que a suplementação mineral direta em dietas aquapônicas possa ser utilizada. Outros efeitos potenciais podem incluir a alteração da estrutura física e das características quimiossensoriais dos alimentos para animais, o que, por sua vez, pode afectar a palatabilidade dos alimentos. É evidente que ainda é necessária uma investigação substancial para que este método de adaptação dos alimentos aquapónicos possa ser adoptado.

2. Adição coincidental de minerais através de aditivos para a alimentação animal

Determinadas classes de aditivos para a alimentação animal são adicionadas aos alimentos aquáticos sob a forma de compostos iónicos e em que apenas um dos iões contribui para a actividade pretendida. O outro íon é visto como uma adição coincidental e inevitável à alimentação aquática e muitas vezes não é considerado em nenhuma pesquisa aquícola. Um exemplo específico dessa classe de aditivos utilizados frequentemente para a alimentação animal são os sais ácidos orgânicos, em que o ingrediente ativo pretendido na alimentação aquática é o ânion de um ácido orgânico (por exemplo, formato, acetato, butirato ou lactato) e o catião que o acompanha é frequentemente ignorado na nutrição dos animais cultivados. Assim, se o catião acompanhante for escolhido propositadamente para ser um nutriente importante macro ou micro plantas, existe o potencial de que ele possa ser excretado pelos animais cultivados na água do sistema e estar disponível para absorção pelas plantas.

Os ácidos orgânicos de cadeia curta e os seus sais tornaram-se bem conhecidos e frequentemente utilizados em aditivos para a alimentação animal, tanto na alimentação animal terrestre como na aquicultura, onde os compostos são empregados como potenciadores de desempenho e agentes para melhorar a resistência à doença. Esses compostos podem ter diferentes mecanismos de funcionamento, incluindo atuar como antimicrobianos, antibióticos ou promotores de crescimento, aumentando a digestibilidade e utilização dos nutrientes e atuando como fonte de energia diretamente metabolizável (Partanen e Mroz 1999; Lückstädt 2008; Ng e Koh 2017). Ou os ácidos orgânicos nativos ou seus sais podem ser utilizados em dietas de aquicultura, mas as formas salinas dos compostos são muitas vezes preferidas pelos fabricantes, pois são menos corrosivas para alimentar equipamentos de fabricação, são menos pungentes e estão disponíveis em forma sólida (pó), o que simplifica a adição ao alimentos formulados durante a fabricação (Encarnação 2016; Ng e Koh 2017). Para uma revisão abrangente sobre o uso de ácidos orgânicos e seus sais na aquicultura, os leitores são encaminhados para o trabalho de Ng e Koh (2017).

A utilização de sais ácidos orgânicos na aquapônica tem o potencial de ter benefícios duplos no sistema, onde o anião pode aumentar o desempenho e a resistência à doença dos animais aquáticos cultivados, enquanto o catião (por exemplo, potássio) pode aumentar a quantidade de nutrientes vegetais essenciais excretados. A vantagem potencial desta abordagem é que os níveis de inclusão alimentar de sais ácidos orgânicos podem ser relativamente elevados para um aditivo alimentar, e pesquisas relatam regularmente a inclusão total de sal ácido orgânico de até 2% em peso (Encarnação 2016), embora os fabricantes comerciais tendem a recomendar níveis mais baixos de aproximadamente 0,15-0,5% (Ng e Koh 2017). O catião de sais ácidos orgânicos pode constituir uma proporção significativa do peso total do sal e, como estes são alimentados diariamente aos animais cultivados, podem contribuir com uma quantidade significativa de nutrientes para as plantas em um sistema aquapônico ao longo de um período de crescimento. Nenhuma pesquisa publicada está atualmente disponível que relate resultados para esta linha de inquérito e, como acontece com a suplementação mineral direta para alimentos aquapônicos, esta abordagem precisa ser validada através de pesquisas futuras para determinar o destino dos catiões adicionados como parte dos sais ácidos orgânicos (se eles são excretados ou absorvidos pelos animais aquáticos), e se existem interacções com minerais ou nutrientes. Continua, no entanto, a ser uma excitante via futura de investigação.

3. Aditivos para alimentação animal que tornam os nutrientes mais biodisponíveis para as plantas_

Quantidades crescentes de ingredientes vegetais são usadas em alimentos aquáticos formulados, mas minerais de matérias-primas vegetais são menos biodisponíveis para animais aquáticos cultivados, principalmente devido à presença de fatores anti-nutricionais nos ingredientes alimentares à base de plantas (Naylor et al. 2009; Kumar et al. 2012; Prabhu et al. 2016). Isto significa que uma maior proporção de minerais é excretada nas fezes na forma ligada, exigindo “libertação” antes de estarem disponíveis para absorção vegetal. Um exemplo típico é o fósforo orgânico que ocorre como fitato, que pode se ligar a outros minerais para formar compostos insolúveis, onde a ação microbiana no ambiente é necessária antes que o fósforo seja liberado como fosfato solúvel disponível em plantas (Kumar et al. 2012).

O uso de enzimas exógenas em dietas aquapônicas adaptadas poderia potencialmente contribuir para a liberação de quantidades aumentadas de nutrientes provenientes de aquafeeds com alto teor de plantas, tanto para a nutrição animal como para as plantas em sistemas aquapônicos. As enzimas mais utilizadas em aquafeeds são proteases, carboidratos e fitases, tanto para melhorar a digestão de nutrientes quanto para degradar compostos anti-nutricionais como o fitato (Encarnação 2016), o que pode resultar na liberação de nutrientes adicionais dos aquafeeds. Embora seja sabido que a suplementação enzimática exógena leva a uma melhor utilização de nutrientes nos animais cultivados, não está claro se nutrientes adicionais seriam excretados na forma disponível para plantas, evitando assim uma etapa separada de remineralização em sistemas aquapônicos (ver [Cap. 10](/community/ artigos/capítulos 10-tratamentos aeróbicos-anaeróbicos-para redução e mineralização de lamas aquánicas). Além disso, são possíveis interações entre enzimas exógenas e nutrientes em diferentes partes do trato digestivo dos peixes (Kumar et al. 2012), o que terá implicações adicionais para as quantidades de nutrientes excretados para o crescimento das plantas. Por conseguinte, é necessária uma investigação adicional para determinar a utilidade das enzimas exógenas especificamente para utilização em alimentos para animais aquapónicos.