KSP: Bio-farming for bioactive compounds

Hovedmålet med «bioACTive» prosjektet har vært å undersøke muligheter for verdiforbedring av lokalt produserte urter ved å kartlegge faktorer av betydning for kultivering og anvendelser av urteekstrakter i dyrefôr og matemballasje. Ekstrakter av urter med positive bioaktive egenskaper er testet i laks og kylling, og i matemballasje for å undersøke om planteekstraktene kan bidra til bedre helse og velferd i fisk- og fjørfe, og om de kan forlenge holdbarheten til innpakket mat. Målet med prosjektet har vært å vurdere mulighet for å bruke naturlige planter som bærekraftige erstatninger for antibiotika og syntetiske konserveringsmidler i dyr- og matproduksjon. NIBIO har produsert planter i veksthus, tunnel og på friland, hvorav ni plantearter; oregano, ryllik, peppermynte, humle, rosenrot, reinrot, malurt, portulakk og rosmarin ble selektert for testing. Kultiveringsforsøkene viste store variasjoner i utbytte, aktive metabolitter og oksalsyre i forhold til dyrkingsbetingelser, og stor variasjon i antioksidant aktivitet og totalt innhold av fenoler i ulike plantedeler (stilk, blad). I forsøk med rosmarin og oregano dyrket under ulike lysforhold, lyslengder og bølgelengder, ble det også funnet variasjoner i utbytte, innhold av fenoler og bioaktivitet. Portulakk var en av de artene som har potensial for norsk kultivering, den har kort dyrkingstid, er robust og kan dyrkes overalt. Resultatene kan bidra til å veilede produsenter om optimalising av lokale dyrkingsforhold. Plantchem har laget planteekstrakter og selektert ut ekstrakter som viste best bioaktivitet for biologisk testing. Effekter på planteutbytte, antioksidant aktivitet og innholdet av fenoler ble karakterisert i 130 urteekstrakter fra 9 ulike planter. Vannekstraksjon ga best utbytte, fulgt av etanol og di-klormetan (DCM) ekstrakter. Etanolekstrakt ga best antioksidant effekt. Blant DCM-ekstraktene viste rosmarin høyest antioksidant kapasiteten, mens oregano ga best effekt for vann-ekstraktene, og humle for etanol-ekstraktene. Oregano inneholdt mest fenoler, samtidig som det ble funnet en positiv korrelasjon mellom antioksidant-kapasitet og innholdet av totale fenoler for både etanol- og vannekstraktene. Produksjonen av rosmarinsyre og oreganol A, de viktigste fenol forbindelsene i oregano, ble stimulert ved å kultivere plantene med en kombinasjon av rødt og hvitt lys, mens nær infrarødt lys ikke ga økt innhold av fenoler. Ekstrakter av humle (DCM) og reinrotblader (etanol) ble valgt ut for biologisk evaluering i laks (Nofima). De to urteekstraktene ble tilsatt forsøksfôr på to nivå (0,1 %, 0,2 %). Det ble ikke funnet signifikante forskjeller i tilvekst for urtegrupper sammenlignet med kontrollfisk, men vektøkning og sluttvekt i laks var litt lavere i grupper som fikk urtetilskudd, særlig i laks fôret med høyt innhold av humle. Fôrinntaket ble redusert i alle urtegrupper, særlig for humle, noe som kan tyde på problem med smakelighet. Aktiviteten av antioksidantenzymer (SOD, Catalase, GSH, GSSG), og markører for oksidativt stress (MDA, FRAP, TAS) indikerte at redoksbalansen i laks fôret med humle (0.2%) var negativt påvirket. Histologi av midt- og baktarm viste en mild betennelse i humleforet fisk (0.2%), mens skinn og tarm ellers var friske og sunne. Forsøket viste ikke antimikrobiell eller antioksidant effekter i laks, men har produsert ny kunnskap og metoder for ekstraksjon, applisering, og dosering av urteekstrakter av praktisk betydning for akvakultur. I et forsøk med kylling (Veterinærinstituttet) ble det valgt ut ekstrakter av humle (DCM), reinrot (etanol) og malurt (etanol) for biologisk evaluering alene (0.2%), og i kombinasjon. Fekale prøver ble samlet inn for patogenanalyse (Eimeria spp. og Clostridium perfringens) og blindtarminnhold for mikrobiotaanalyse. Målinger inkluderte fôreffektivitet, levende vekt, organvekter, histologiske analyser av tarmvev foruten evaluering av anti-inflammatoriske responser. Resultatene så langt har ikke vist klare effekter av planteekstraktene på mikrobiota, helse eller vekst. Biomarkører i serum- og fekale prøver vil bli undersøkt og resultatene fra forsøket vil bli publisert. For å undersøke effekter på holdbarhet av mat, ble ekstrakter av rosmarin og oregano (etanol, vann) tilsatt en biopolymer (kasein), og påført matemballasjen ved spraying eller elektrospinning (Nofima, PetruPoni). Rosmarin vannekstrakter økte fasthet og holdbarhet til jordbær og det ble vist betydelige reduksjoner i vekst av gjær og mugg. I forsøk med ekstrakter av reinrot-, rosenrot- og oreganovann ble det påvist bedre kvalitet av rød paprika og agurk i biofilmbelagte grønnsaker. Vannektrakt av rosmarin ga gode antioksidantegenskaper, forsinket oksidasjon i en eplemasse og viste et godt potensial for anvendelser i bioaktiv matemballasje. Metanol ekstrakt av rosmarin- og oregano inkorporert i de elektrospunnede fibrene økte antioksidant aktiviteten, særlig for rosmarinekstrakt.

- Prosjektet har bidratt til utvikling av kunnskap og kompetanseoppbygging når det gjelder optimalisering av dyrkingsforholdene for en rekke norsk kultiverte urter, med fokus på høyt utbytte og bioaktivitet av norske planter kultivert i utmark og i veksttunneler (Nibio, Plantchem, Frøvoll Gård, Bosheimsmarken). Eksempelvis er det funnet at purslane (portulakk) kan være en verdifull avling i Norge da den har kort veksttid, er sunn og kan dyrkes i det meste av landet. - Planteekstraksjonsutbyttet, antioksidantaktivitetene og totalt fenolinnhold har blitt karakterisert i 130 urteekstrakter fra ni forskjellige planter (Plantchem, Nofima, Nibio). Bioaktivitet er analysert for ulike deler av plantene (stilk, blader) - Bioaktive filmer for applisering på matemballasje er utviklet og det er vist at biofilmer med urteekstrakter kan være effektive mht å øke holdbarhet av bær og frukt (PetruPoni, Nofima). Holdbarhetsbevarende matemballasjematerialer gir mulighet for å ta i bruk naturlige, funksjonelle materialer med minimal avhengighet av syntetiske tilsetningsstoffer. - Stabilitet av fôr under lagring er undersøkt for utvalgte urter, men det ble ikke påvist antioksidative effekter eller bedre holdbarhet av fôrene. - Fôringsforsøk med laks (Nofima, Skretting) og fjørfe (NVI, Norgesfôr) har vært utfordrende. Det ble ikke funnet antioksidative eller antimikrobielle egenskaper for noen av de utvalgte urtene. In vivo-studiene av laks og slaktekylling har likevel gitt et verdifullt grunnlag for fremtidig forskning ved å identifisere sentrale metodiske aspekter for videre testing, og har understreket viktigheten av å optimalisere ekstraksjonsprotokoller, appliseringsmetoder og riktig doseringer for sikker påføring av planteekstrakter. I tillegg er det utviklet nye metoder for å vurdere effekter av ekstraktene på dyrehelse, særlig for kylling. Resultatene muliggjør en mer målrettet forskningsinnsats i fremtidige dyreforsøk. Selv om det ikke ble observert noen signifikante effekter på vekst eller helseparametere hos levende dyr, vil funnene bidra til å spare ressurser i fremtidige forsøk og muliggjøre en mer målrettet forskningsinnsats. For samfunnet anses prosjektresultatene som et verdifullt bidrag mht å nå målene om bærekraft og effektiv ressursutnyttelse som beskrevet i Regjeringens bioøkonomistrategi og FNs bærekraftsmål.

The objective for the “Bio-farming for bioactive compounds” projects is to document that it is possible to reduce fish diseases of farmed salmon, improve poultry health and gut microbiota and to design biodegradable packaging materials with antimicrobial properties using bioactive compounds from herbs. We have selected 9 Norwegian herbs expected to give high production of bioactive compounds. Growth conditions will be described related to climatic stress and upscaling of production for advanced closed green-house systems, open field, and growth tunnels. Bioactive compounds in herbs will then be extracted, fractionated, and isolated and screened for antioxidant, antimicrobial, anti-inflammatory characteristics. Analytical samples will be characterized by means of targeted and non-targeted metabolomics and in invitro testing. Effects of additives in fish feed will be examined in invitro test systems, determining antimicrobial activity of extracts, fractions, and isolates of herbs on the growth of Atlantic salmon pathogens. The benefits will be measured as impacts on growth, health, and immunity in fish, and physiological impacts on specific tissues (head kidney, skin, gut, blood). Benefitial effects from extracts as feed additives in poultry feed will be examined by in vitro and in vivo testing. The effects will be documented on anti-oxidant and anti-inflammatoric potential, performance, counts of intestinal pathogens, and microbiota profile. The third application is to design and optimize sustainable methods for incorporation of antimicrobial herb extract into food packaging materials, giving longer shelf life. Different cutting-edge technologies (High pressure processing, ultra-sound, and electrospinning) will be tested for an enhanced incorporation. The project is interdisciplinary, and collaboration and competence dissemination are important goals in the work.