
Characterization and application of a Tunisian clay for the control of mycotoxins in broiler feed
(2022)
- Author
- Roua Rejeb (UGent)
- Promoter
- Madiha Hadj Ayed, Gunther Antonissen (UGent) , Achraf Ghorbal and Richard Ducatelle (UGent)
- Organization
- Abstract
- Mycotoxins are secondary metabolites produced by particular molds (fungi) that occur naturally in food and feed. Mycotoxins can be a source of various negative health effects and can be a significant health danger to livestock and humans. Aflatoxins are considered as the most important mycotoxins because of their carcinogenicity and their high prevalence. Nonetheless, chronic exposure to low concentration of aflatoxins can cause deleterious effects on performance in a variety of farm animals including poultry. To overcome the negative effect of mycotoxins, various strategies are being used. Adding mycotoxin binders to the feed is probably the most common post-harvest mitigation approach. Binders aim to adsorb mycotoxins to their surface in the gastro-intestinal tract forming a binder-toxin complex which is removed with the excreta. Mycotoxin binders may indeed also adsorb nutrients, micronutrients and veterinary drugs. Among the mycotoxin binders, clays are known to have promising adsorbing characteristics and are used as feed additives to overcome the negative effects of mycotoxicosis in livestock farming. Modification of clay minerals by heat treatment, known as calcination, can modify their physicochemical characteristics, thus enhance their adsorption characteristic. At the start of this PhD thesis, little was known about the effect of calcination on mycotoxins binding. The General Introduction of this doctoral thesis highlights the risks associated with mycotoxins in animal feed. Both the exposure and toxicokinetics of aflatoxins (AFs) and zearalenone (ZEN) are discussed. Then, an overview of the legislation and pre- and post-harvest methods to decrease the impact of mycotoxins on animal health and performance are presented. The second part of the introduction is devoted to mycotoxin binders, with a focus on the diversity, structure and physicochemical properties of clay minerals. Furthermore, an overview of the modified clay is given, with a specific attention to the modification of clays by calcination. Finally, the possible negative effects of the clay supplementation to animal feed are discussed. The General Objective of this dissertation is to study the physicochemical characteristics of a Tunisian montmorillonite (MMT) clay before and after calcination and to investigate the effectiveness and safety of the calcined MMT clay in broilers feed. In Chapter I, the physicochemical properties of Tunisian MMT clay before and after calcination at 550°C were studied. Then, an in vitro model that mimics the pH conditions of the monogastric gastrointestinal tract was used to evaluate the binding efficacy of the binders when artificially mixed with AFs and ZEN. After heat treatment, some changes in the mineralogical and textural properties were observed. In addition, the calcined clay (CC) had higher adsorption capacity for AFB2 (86 vs 99% for CP and CC, respectively) , AFG1 (60 vs 80% for CP and CC, respectively), AFG2 (30 vs 96% for CP and CC, respectively) and ZEN (1 vs 41% for CP and CC, respectively) than the purified clay (CP) at neutral pH. In Chapter II, an in vivo toxicokinetic study of AFG1 with or without MMT clay was performed. AFG1 (2 mg/kg BW) was administered by intravenous injection or orally with or without binder at a dose of 1g/kg BW. The plasma levels of AFG1 were quantified using UHPLC-MS/MS. The presence of possible phase I and phase II metabolites of AFG1 were analyzed using UHPLC-HRMS. A low absolute oral bioavailability of 18.41% was observed for AFG1 in broiler chickens. AFG1 was rapidly absorbed after oral administration and rapidly eliminated after oral as well as IV administration. Furthermore, the efficacy of calcined MMT in binding AFG1 was demonstrated for the first time. Calcination of MMT reduced the oral bioavailability of AFG1 (7.61 ± 4.76%). In addition, no phase I nor phase II metabolites were detected. These findings confirm that calcination of the purified MMT clay enhanced the adsorption of AFG1 in the gastro-intestinal tract after oral administration, thereby reducing its bioavailability, thus reducing its toxic effects. In Chapter III, an in vivo study was performed to evaluate the safety of the mycotoxin binder and possible interactions with nutrients (vitamin A and minerals). The calcined MMT clay was added to broiler chickens feed at levels of 0.2% and 1%. This experiment demonstrated that the addition of the mycotoxin binder did not alter the absorption of nutrients, indicating safe use. The second goal of the in vivo experiment was to study the effect of the studied binder on the performance, meat quality and histopathology of broilers. The results demonstrated that the addition of 0.2% of the binder did not alter the growth performance, carcass yield and meat quality of broilers. However, a decrease in abdominal fat was observed in broilers on feed supplemented with calcined MMT. Moreover, nitrogen retention coefficient increased significantly in broilers fed a diet supplemented with 0.2% calcined MMT. The General Conclusion of this doctoral dissertation was that calcination of Tunisian MMT clay enhanced the adsorption of aflatoxins in the gastro-intestinal tract of broiler chickens. We demonstrated that AFG1 is characterized by low absolute oral bioavailability, as well as the absence of phase I and phase II metabolites. For the possible interaction with nutrients and mycotoxin binders studied in this thesis, no interaction was observed with the inclusion rates of 0.2% and 1% in broiler chickens feed. Moreover, supplementation of broiler chickens feed with 0.2% was safe and did not alter the growth performance and meat quality with a decrease in the carcass adiposity and an improvement of nitrogen retention and nutrient absorption. However, further research is needed to further elucidate the mechanism resulting in these effects.
- Les mycotoxines sont des métabolites secondaires produits par des moisissures particulières (champignons) présentes naturellement dans les denrées alimentaires et les aliments pour les bétails. Elles peuvent être une source de divers effets négatifs sur la santé et peuvent constituer un danger important pour la santé animale et humaine. Les aflatoxines sont considérées comme les mycotoxines les plus importantes en raison de leur cancérogénicité et de leur prévalence élevée. Néanmoins, l’exposition chronique à une faible concentration d’aflatoxines peut avoir des effets délétères sur les performances de divers animaux d’élevage, y compris les volailles. Afin atténuer l’effet négatif des mycotoxines, diverses stratégies sont adoptées. L’incorporation des adsorbants dans l’alimentation animale est l’approche la plus courante pour réduire l’effet des mycotoxines. Les adsorbants visent à lier les mycotoxines à leur surface dans le tractus gastro-intestinal, formant un complexe liant-toxine qui est éliminé avec les excréments. Les adsorbants des mycotoxines peuvent également adsorber des nutriments, des micronutriments et des médicaments vétérinaires. Parmi ces liants figurent les argiles qui ont un pouvoir d’adsorption prometteur et qui sont utilisées comme additifs alimentaires pour réduire les effets indésirables de la mycotoxicose dans l’élevage. La modification des argiles par traitement thermique, appelée calcination, peut modifier leurs caractéristiques physico-chimiques et améliorer leur efficacité. C’est dans ce contexte, que nous avons réalisé ce travail. Dans l’Introduction Générale on a mis en évidence les risques associés à la présence des mycotoxines dans l’alimentation animale. L’exposition et la toxicocinétiques des aflatoxines (AFs) et de la zéaralénone (ZEN) sont discutées. Ensuite, on a donné un aperçu sur la législation et les méthodes appliquées avant et après la récolte et permettant de réduire l’impact des mycotoxines sur la santé et la performances des animaux. La deuxième partie de l’introduction est consacrée aux liants des mycotoxines, en mettant l’accent sur la diversité, la structure et les propriétés physico-chimiques des argiles. En outre, un aperçu de l’argile traitée est rapporter, avec une attention particulière à la modification des argiles par calcination. Enfin, les inconvénients possibles de la supplémentation des argiles dans l’alimentation animale a été discutés. L’Objectif Général de cette thèse est d’étudier les caractéristiques physico-chimiques de l’argile montmorillonite extraite de la Tunisie (MMT) ,avant et après calcination et d’évaluer l’efficacité et la sécurité de cette argile calcinée sue le poulet de chair. Dans le Chapitre I, on a étudié les propriétés physico-chimiques de MMT avant et après calcination à 550 °C. Ensuite, un modèle in vitro imitant les conditions de pH du tractus gastro-intestinal monogastrique a été utilisé pour évaluer l'efficacité d’adsorption des liants lorsqu'ils sont mélangés artificiellement avec des AF et du ZEN. Après le traitement thermique, on a observé des changements dans les propriétés minéralogiques et texturales. En outre, l’argile calcinée (CC) avait une capacité d’adsorption plus élevée pour l’AFB2 (86 vs 99 % pour CP et CC, respectivement), l’AFG1 (60 vs 80 % pour CP et CC, respectivement) et le ZEN (1 vs 41 % pour CP et CC, respectivement) que l’argile purifiée (CP) à pH neutre. Le traitement thermique de l'argile étudiée a augmenté l'adsorption de l'AFB2, de l'AFG1 et de l'AFG2, suite à l'augmentation de la taille des pores de l'argile causée par le processus de calcination. Dans le Chapitre II, une étude toxicocinétique in vivo de l'AFG1 avec ou sans argile MMT a été réalisée. L'AFG1 (2 mg/kg BW) a été administrée par injection intraveineuse (IV) ou par voie orale avec ou sans liant à une dose de 1g/kg PV. Les taux plasmatiques d'AFG1 ont été quantifiés par UHPLC-MS/MS. La présence d'éventuels métabolites de phase I et de phase II de l'AFG1 a été analysée par UHPLC-HRMS. Une faible biodisponibilité orale absolue de 18,41 % a été observée pour l'AFG1 chez les poulets de chair. L'AFG1 a été rapidement absorbée après administration orale et rapidement éliminée après l’administration orale ainsi que l’administration IV. En outre, l'efficacité du MMT calcinée pour fixer l'AFG1 a été démontrée pour la première fois. La calcination du MMT a réduit la biodisponibilité orale de l'AFG1 (7,61 ± 4,76 %). De plus, aucun métabolite de phase I ou de phase II n'a été décelé. Ces résultats confirment que la calcination de l'argile MMT purifiée a amélioré l'adsorption de l'AFG1 dans le tractus gastro-intestinal après administration orale, réduisant ainsi sa biodisponibilité et ses effets toxiques conséquemment. Dans le Chapitre III, une étude in vivo a été effectuée pour évaluer l'innocuité de l’adsorbant des mycotoxines et les interactions possibles avec les nutriments (Vitamine A et minéraux). L'argile MMT calcinée a été ajoutée à l'alimentation du poulet de chair à des niveaux de 0,2% et 1%. Cette expérience a démontré que l'ajout du liant de mycotoxine n'a pas affecté l'absorption des nutriments, ce qui approuve une utilisation en toute sécurité. Le second objectif de l’essai in vivo était d'étudier l'effet l’argile calcinée sur les performances, la qualité de la viande et l'histopathologie des poulets de chair. Les résultats ont dévoilé que l'ajout de 0,2% de l’argile n'a pas modifié les performances de croissance, le rendement carcasse et la qualité de la viande des poulets de chair par rapport à l'ajout de 1%. Cependant, une diminution du gras abdominal a été observée chez les poulets nourris avec l’aliment additionné de MMT calcinée. En ce qui concerne la digestibilité des nutriments, on a uniquement observé un effet sur le coefficient de rétention de l'azote qui a augmenté de manière significative chez les poulets nourris avec un régime additionné de 0,2 % de MMT calcinée. En Conclusion Générale de cette thèse, la calcination de l'argile tunisienne MMT améliore l'adsorption des aflatoxines dans le tractus gastro-intestinal des poulets de chair. Nous avons démontré que l'AFG1 est caractérisée par une faible biodisponibilité orale absolue, ainsi que par l'absence de métabolites de phase I et de phase II. Concernant l’interaction possible avec les nutriments et les liants des mycotoxines étudiés dans cette thèse, aucune interaction n'a été observée avec les taux d'incorporation de 0,2% et 1% dans l’alimentation. De plus, la supplémentation de l'alimentation du poulet de chair avec 0,2% n'a pas altéré les performances de croissance. Elle a diminué l'adiposité de la carcasse et amélioré la rétention azotée et l'absorption des nutriments. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour élucider davantage le mécanisme responsable de ces effets.
- Mycotoxinen zijn secundaire metabolieten die worden geproduceerd door bepaalde schimmels die van nature in voedsel en diervoeder voorkomen. Mycotoxinen kunnen een oorzaak vormen van verschillende nadelige effecten op de gezondheid van mensen en landbouwhuisdieren. Omwille van hun carcinogeniciteit en hun hoge prevalentie worden aflatoxinen beschouwd als de belangrijkste mycotoxinen. Daarnaast kan een chronische blootstelling aan lage concentraties van aflatoxinen ook nadelige effecten hebben op de productieparameters van landbouwhuisdieren, zoals pluimvee. Verschillende strategieën kunnen toegepast worden om de nadelige effect van mycotoxinen te controleren. Het toevoegen van mycotoxinebinders aan het voer is waarschijnlijk de meest gebruikelijke aanpak na de oogst. Binders hebben tot doel mycotoxinen aan hun oppervlak in het maagdarmkanaal te adsorberen en een niet-resorbeerbaar binder-toxinecomplex te vormen. Mycotoxinebinders kunnen echter ook voedingsstoffen, micronutriënten en diergeneesmiddelen binden. Van de mycotoxinebinders is bekend dat klei veelbelovende adsorberende eigenschappen bezit. Kleimineralen worden dan ook frequent gebruikt als voederadditief om de nadelige effecten van mycotoxines op de diergezondheid in de veehouderij te controleren. De modificatie van kleimineralen door hittebehandeling, bekend als calcinatie, kan hun fysisch-chemische eigenschappen wijzigen, waardoor hun adsorptiecapaciteit wordt verbeterd. Bij de start van dit proefschrift was er echter weinig bekend over het effect van calcineren op de binding van mycotoxinen. De Algemene Inleiding van dit doctoraatsproefschrift belicht de risico's verbonden aan mycotoxinen in diervoeder. Zowel de blootstelling als de toxicokinetiek van aflatoxinen (AFs) en zearalenone (ZEN) worden besproken. Vervolgens wordt een overzicht gegeven van de wetgeving en de controle strategiën voor en na de oogst om de impact van mycotoxinen op de gezondheid en prestaties van dieren te verminderen. Het tweede deel van de inleiding is gewijd aan mycotoxinebinders, met een focus op de diversiteit, structuur en fysisch-chemische eigenschappen van kleimineralen. Verder wordt een overzicht gegeven van de gemodificeerde klei, met specifieke aandacht voor de modificatie van kleimineralen door calcinatie. Tenslotte worden de mogelijke negatieve effecten van de kleisuppletie aan diervoeder besproken. De Algemene Doelstelling van dit proefschrift is het bestuderen van de fysisch-chemische eigenschappen van een Tunesische montmorilloniet (MMT) klei voor en na calcinatie en het onderzoeken van de effectiviteit en veiligheid van de gecalcineerde MMT-klei in vleeskuikenvoer. In Hoofdstuk I werden de fysisch-chemische eigenschappen van Tunesische MMT-klei voor en na calcineren bij 550 °C bestudeerd. Vervolgens werd een in vitro-model gebruikt dat de pH-omstandigheden van het maagdarmkanaal nabootst om de bindingseffectiviteit van de binders te evalueren wanneer ze kunstmatig worden gemengd met AF's en ZEN. . Na hittebehandeling werden enkele veranderingen geobserveerd in de mineralogische en textuureigenschappen van de bestudeerde klei. In vergelijking met de gewone gezuiverde klei (CP) had de gecalcineerde klei (CC) ook een hogere adsorptive capaciteit voor AFB2 (86 vs 99% voor respectievelijk CP en CC), AFG1 (60 vs 80% voor respectievelijk CP en CC), AFG2 (30 vs 96% voor respectievelijk CP en CC) en ZEN (1 vs 41% voor respectievelijk CP en CC) bij een neutrale pH, dit effect was geassocieerd met de grotere poriegrootte van het kleimineraal ten gevolge van calcinatie. In Hoofdstuk II werd een in vivo toxicokinetische studie van AFG1 met of zonder MMT-klei uitgevoerd. AFG1 (2 mg/kg LG) werd toegediend via intraveneuze injectie of oraal met of zonder binder (1 g/kg lichaamsgewicht). De plasmaspiegels van AFG1 werden gekwantificeerd met behulp van UHPLC-MS/MS. De aanwezigheid van mogelijke fase I en fase II metabolieten van AFG1 werden geanalyseerd met UHPLC-HRMS. Een lage absolute orale biologische beschikbaarheid van 18,41% werd waargenomen voor AFG1 bij vleeskuikens. AFG1 werd snel geabsorbeerd na orale toediening en snel geëlimineerd na zowel orale als IV-toediening. In deze studie werd bovendien voor het eerst de klinische werkzaamheid van de gecalcineerde MMT-klei voor het binden van AFG1 aangetoond. Het calcineren van MMT verminderde de orale biologische beschikbaarheid van AFG1 (7,61 ± 4,76%). Verder werden geen fase I- of fase II-metabolieten waargenomen. Deze bevindingen bevestigen dat calcinatie van de gezuiverde MMT-klei de adsorptie van AFG1 in het maagdarmkanaal na orale toediening verhoogde, waardoor de biologische beschikbaarheid ervan werd verminderd. Dit effect kan leiden tot een verminderde toxiciteit van AFG1 na inname. In Hoofdstuk III werd een in vivo onderzoek uitgevoerd om de veiligheid van het mycotoxinebinder en mogelijke interacties met nutriënten (vitamine A en mineralen) te evalueren. Hiervoor werd respectivelijk 0.2% of 1% van de gecalcineerde MMT-klei toegevoegd aan het voer van vleeskuikens. Dit experiment toonde aan dat de toevoeging van de mycotoxine binder geen effect had op de opname van voedingsstoffen, wat wijst op veilig gebruik. Het tweede doel van het in vivo experiment was om het effect van het bestudeerde binder op de prestatiesparameters, vleeskwaliteit en histopathologie van vleeskuikens te bestuderen. De resultaten toonden aan dat de toevoeging van 0,2% van de binder de groeiprestatie, karkasopbrengst en vleeskwaliteit van vleeskuikens niet beïnvloedde in vergelijking met de toevoeging van 1%. Er werd echter een afname van buikvet waargenomen bij vleeskuikens die voer kregen met gecalcineerde MMT. Voor de verteerbaarheid van nutriënten werd alleen een effect op de stikstofretentiecoëfficiënt waargenomen. Stikstofretentiecoëfficiënt nam significant toe bij vleeskuikens die een dieet kregen aangevuld met 0,2% gecalcineerde MMT. De Algemene Conclusie van dit proefschrift was dat het calcineren van Tunesische MMT-klei de adsorptie van aflatoxinen in het maagdarmkanaal van vleeskuikens verhoogde. We hebben aangetoond dat AFG1 wordt gekenmerkt door een lage absolute orale biologische beschikbaarheid, evenals de afwezigheid van fase I- en fase II-metabolieten. Er werd geen interactie waargenomen tussen de opname van nutriënten en mycotoxinebinders die in dit proefschrift zijn bestudeerd, bij inclusiepercentages van 0,2% en 1% gecalcineerde MMT-klei in het voeder van vleeskuikens. Bovendien was supplementatie van voer voor vleeskuikens met 0,2% gealcineerde MMT-klei veilig en veranderde het de groeiprestaties en vleeskwaliteit niet met zelfs een afname van de karkasvetdichtheid, en een verbetering van de stikstofretentie en opname van voedingsstoffen. Er is echter verder onderzoek nodig om het mechanisme dat tot deze effecten leidt, verder op te helderen.
- Keywords
- clays, montmorillonite, adsorption, mycotoxins, broiler chicken, safety, performance, meat quality, nutrient digestibility
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- Rejeb, Roua. Characterization and Application of a Tunisian Clay for the Control of Mycotoxins in Broiler Feed. Sousse University. Higher Agronomic Institute of Chott-Mariem ; Ghent University. Faculty of Veterinary Medicine, 2022.
- APA
- Rejeb, R. (2022). Characterization and application of a Tunisian clay for the control of mycotoxins in broiler feed. Sousse University. Higher Agronomic Institute of Chott-Mariem ; Ghent University. Faculty of Veterinary Medicine, Sousse, Tunisia ; Merelbeke, Belgium.
- Chicago author-date
- Rejeb, Roua. 2022. “Characterization and Application of a Tunisian Clay for the Control of Mycotoxins in Broiler Feed.” Sousse, Tunisia ; Merelbeke, Belgium: Sousse University. Higher Agronomic Institute of Chott-Mariem ; Ghent University. Faculty of Veterinary Medicine.
- Chicago author-date (all authors)
- Rejeb, Roua. 2022. “Characterization and Application of a Tunisian Clay for the Control of Mycotoxins in Broiler Feed.” Sousse, Tunisia ; Merelbeke, Belgium: Sousse University. Higher Agronomic Institute of Chott-Mariem ; Ghent University. Faculty of Veterinary Medicine.
- Vancouver
- 1.Rejeb R. Characterization and application of a Tunisian clay for the control of mycotoxins in broiler feed. [Sousse, Tunisia ; Merelbeke, Belgium]: Sousse University. Higher Agronomic Institute of Chott-Mariem ; Ghent University. Faculty of Veterinary Medicine; 2022.
- IEEE
- [1]R. Rejeb, “Characterization and application of a Tunisian clay for the control of mycotoxins in broiler feed,” Sousse University. Higher Agronomic Institute of Chott-Mariem ; Ghent University. Faculty of Veterinary Medicine, Sousse, Tunisia ; Merelbeke, Belgium, 2022.
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Among the mycotoxin binders, clays are known to have promising adsorbing characteristics and are used as feed additives to overcome the negative effects of mycotoxicosis in livestock farming. Modification of clay minerals by heat treatment, known as calcination, can modify their physicochemical characteristics, thus enhance their adsorption characteristic. At the start of this PhD thesis, little was known about the effect of calcination on mycotoxins binding. The General Introduction of this doctoral thesis highlights the risks associated with mycotoxins in animal feed. Both the exposure and toxicokinetics of aflatoxins (AFs) and zearalenone (ZEN) are discussed. Then, an overview of the legislation and pre- and post-harvest methods to decrease the impact of mycotoxins on animal health and performance are presented. The second part of the introduction is devoted to mycotoxin binders, with a focus on the diversity, structure and physicochemical properties of clay minerals. 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Calcination of MMT reduced the oral bioavailability of AFG1 (7.61 ± 4.76%). In addition, no phase I nor phase II metabolites were detected. These findings confirm that calcination of the purified MMT clay enhanced the adsorption of AFG1 in the gastro-intestinal tract after oral administration, thereby reducing its bioavailability, thus reducing its toxic effects. In Chapter III, an in vivo study was performed to evaluate the safety of the mycotoxin binder and possible interactions with nutrients (vitamin A and minerals). The calcined MMT clay was added to broiler chickens feed at levels of 0.2% and 1%. This experiment demonstrated that the addition of the mycotoxin binder did not alter the absorption of nutrients, indicating safe use. The second goal of the in vivo experiment was to study the effect of the studied binder on the performance, meat quality and histopathology of broilers. 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