PERSPECTIVES D’AMELIORATION DE L’INDUSTRIE DES ALIMENTS D’AQUACULTURE PAR L’APPLICATION DE LA PROTEASE EN AQUACULTURE

Les régimes à faible teneur en farine de poisson et à faible teneur en protéines sont deux stratégies nutritionnelles importantes utilisées pour relever les défis liés à la rareté et à la durabilité des sources de protéines dans l’aquaculture. Cependant, ces régimes ont été associés à des effets négatifs sur les performances de croissance, l’utilisation des aliments et la résistance aux maladies des animaux aquatiques. Pour atténuer ces problèmes, des protéases exogènes ont été utilisées pour améliorer la qualité des régimes à faible teneur en protéines ou des substituts de farine de poisson, améliorant ainsi la biodisponibilité des ingrédients nutritionnels. En outre, des préparations de protéase ont également été utilisées pour hydrolyser enzymatiquement des substituts de farine de poisson, améliorant ainsi leur utilisation nutritionnelle. La présente étude vise à consolider les progrès récents de la recherche sur l’utilisation de la protéase en aquaculture et à conclure les avantages et les limites de son application, afin de fournir une compréhension globale du sujet et d’identifier les possibilités de recherche future.

1. Introduction

L’aquaculture est un secteur en plein essor dans l’industrie de la production alimentaire et occupe une position critique dans la fourniture de nourriture (FAO, 2020). La consommation d’aliments aquatiques a augmenté à un taux de 3,0 % par an entre 1961 et 2019, dépassant le taux de croissance correspondant de la population mondiale et la doublant presque dans le même laps de temps (FAO, 2020). Cependant, malgré cette croissance, l’application de la farine de poisson obtenue à partir de poissons fourragers sauvages en tant qu’aliment aquatique reste un défi important. La production mondiale de farine de poisson consommée par le secteur de l’aquaculture est passée de 33 % à 66 % entre 2000 et 2016 et atteindra 78 % après 2019. La récolte de poissons fourrage entraîne toujours une surexploitation qui a un impact négatif sur les écosystèmes aquatiques, car ces poissons jouent un rôle essentiel dans la conversion du plancton en nourriture pour les espèces des niveaux trophiques supérieurs. En outre, la production de farine de poisson est fortement influencée par les conditions météorologiques, telles que le phénomène El Niño-Southern Oscillation. La production mondiale de farine de poisson devrait se stabiliser à long terme autour de 5 millions de tonnes métriques, ce qui est insuffisant pour répondre à l’expansion prévue de l’aquaculture. En outre, le prix de la farine de poisson semble augmenter beaucoup plus rapidement que sa production, passant de 657 USD par tonne métrique en juillet 2002 à 1 610 USD par tonne métrique en juillet 2022. Il est donc impératif de minimiser l’utilisation de farine de poisson dans les aliments pour poissons. Deux stratégies nutritionnelles principales, à savoir les régimes à faible teneur en farine de poisson (RFF) et les régimes d’épargne de protéines (REP), pourraient être mises en œuvre pour faire face au problème susmentionné. Les régimes à faible teneur en farine de poisson consistent à remplacer la farine de poisson par des protéines alternatives, notamment des sous-produits de la pêche et des animaux terrestres, des farines d’origine végétale, des protéines unicellulaires et des farines d’insectes, dans les aliments formulés afin de satisfaire les besoins standard en protéines des poissons. Une quantité croissante de farine de poisson provenant de sous-produits de la pêche serait utilisée et a été estimée à plus de 27 % de la farine de poisson mondiale utilisée en aquaculture en 2020 (FAO, 2020). Les insectes et les protéines unicellulaires sont une alternative prometteuse aux aliments conventionnels car ils ont un cycle de vie court, leur production ne nécessite pas d’immenses terres arables et ils ont des protéines hautement digestibles avec un profil d’acides aminés similaire à celui des farines de poisson. Les protéines d’origine végétale, telles que le concentré de protéines de coton, le tourteau de soja et le tourteau de colza, ont récemment fait l’objet d’études approfondies pour remplacer les farines de poisson. Le régime d’épargne protéique est un régime nutritionnel caractérisé par une faible teneur en protéines alimentaires, complétée par une supplémentation en nutriments essentiels, notamment en acides aminés, en lipides élevés et en sucre élevé.

S’il est reconnu que les RFF et les REP permettent de réaliser des économies et de réduire la dépendance à l’égard des farines de poisson, des études ont également établi un lien entre ces produits et des effets néfastes sur les poissons et les crevettes. Actuellement, les protéines d’origine végétale dominent la substitution des farines de poisson dans l’alimentation aquatique ; cependant, ces protéines présentent plusieurs inconvénients, notamment des facteurs antinutritionnels (FAN), une faible digestibilité, une biodisponibilité médiocre et des problèmes d’appétence. Des recherches antérieures ont indiqué que les régimes incorporant des protéines végétales peuvent entraver l’activité des enzymes digestives. Cette entrave est attribuée à la présence d’inhibiteurs de protéase dans les protéines végétales, qui se lient aux sites actifs des protéases endogènes. L’ajout d’enzymes exogènes aux aliments pour animaux aquatiques est une approche nutritionnelle éprouvée qui peut améliorer la qualité des régimes alimentaires comprenant des protéines d’origine végétale ou d’autres protéines indésirables. Les protéases, en tant qu’additif enzymatique alimentaire, peuvent améliorer l’utilisation des protéines en remédiant aux déficiences enzymatiques endogènes et en hydrolysant les protéines macromoléculaires. En outre, elles peuvent améliorer l’absorption d’autres nutriments. Les protéases sont des additifs sensibles à la chaleur dont l’efficacité diminue au cours de la transformation des aliments pour animaux, et le processus d’extrusion est le principal responsable de la dégradation des nutriments thermosensibles. L’industrie de l’alimentation animale compte sur ce processus pour gélatiniser l’amidon, inactiver les ANF et détruire les micro-organismes pathogènes ; par conséquent, la méthode optimale de supplémentation en protéases de l’alimentation animale doit être soigneusement étudiée. Actuellement, les préparations de protéases sont également appliquées de manière créative à l’hydrolyse enzymatique des sources de protéines. Les protéines traitées à la protéase présentent toujours une meilleure digestibilité des protéines brutes et davantage de substances bioactives, tandis que les ANF présents dans les protéines hydrolysées par voie enzymatique peuvent être réduits. La présente étude conclut l’application de la protéase dans l’alimentation aquatique, englobant ses attributs avantageux ainsi que ses limites inhérentes, dans le but de faciliter une compréhension approfondie du sujet et de suggérer des pistes prospectives pour des recherches plus approfondies afin d’exploiter pleinement tous les résultats potentiels.

2. Protéases alimentaires

Les protéases, identifiées pour la première fois en 1903, sont des enzymes responsables de la décomposition des protéines complexes en unités plus petites par hydrolyse. Malgré cela, les protéases exogènes n’ont été utilisées comme additif enzymatique commercial monocomposant qu’au cours des 10 à 15 dernières années. En tant que produit émergent, sa part du marché mondial se multiplie, évaluée à 3 454,3 millions de dollars en 2020, et les projections actuelles indiquent qu’elle atteindra 5 762,7 millions de dollars d’ici à 2030. Les protéases alimentaires commerciales, telles que l’alcalase, la papaïne, l’arôme, la neutrase et la trypsine, peuvent être classées en trois catégories en fonction de leur source : animale, végétale et microorganique. Elles peuvent également être divisées en protéases acides, neutres et alcalines en fonction des valeurs du pH de fonctionnement. Le pH et la température influencent toujours l’activité de la protéase. Certaines études suggèrent que ces variables peuvent modifier la structure des protéases, ce qui a un impact sur leur activité. Par conséquent, les résultats peuvent fluctuer en fonction du pH du tractus gastro-intestinal de l’animal et de la température de culture. Compte tenu de la variabilité des plages de pH dans le tractus gastro-intestinal des animaux aquatiques, il est impératif de tenir compte de ces facteurs lors de l’utilisation de protéases dans les aliments pour animaux aquatiques. Néanmoins, il semble que les applications actuelles dans l’alimentation aquatique ne tiennent pas compte de ces facteurs. Le tableau S1 fournit des informations sur certaines protéases alimentaires commerciales utilisées en aquaculture. La plupart d’entre elles sont dérivées de la fermentation de micro-organismes et représentent près des deux tiers du marché. La principale raison de la prévalence des protéases microbiennes est leur caractéristique en tant qu’enzymes extracellulaires, ce qui les rend faciles à extraire et rentables à produire sans sacrifier leur activité catalytique élevée. En outre, divers micro-organismes peuvent produire des protéases industrielles, qui peuvent être modifiées à l’aide de technologies avancées. Il convient de noter que les activités protéasiques sont très spécifiques dans leur clivage. Par exemple, la trypsine et l’alcalase sont deux protéases différentes avec des spécificités de substrat distinctes. La trypsine cible les liaisons peptidiques situées du côté C-terminal des résidus lysine et arginine, tandis que l’alcalase présente une spécificité plus large, préférant hydrolyser les liaisons peptidiques situées du côté C-terminal des résidus hydrophobes, comme le montre la Fig. 1. Les peptides consistent en une séquence particulière d’acides aminés libérés de la protéine en vrac et présentent différentes activités telles que des profils antioxydants, antibactériens, immunorégulateurs et anti-inflammatoires. En aquaculture, l’utilisation des protéases peut être classée en deux catégories d’applications distinctes. Premièrement, en tant qu’additif alimentaire et deuxièmement, pour le prétraitement des substituts de farine de poisson. Les effets de la préparation de protéases alimentaires en aquaculture peuvent être résumés comme suit (Fig. 2) : compléter la carence en protéases endogènes et hydrolyser les protéines complexes en unités plus simples. La supplémentation en enzymes digestives endogènes améliore la digestibilité des nutriments par les animaux d’élevage, en particulier des protéines. Par conséquent, elle réduit efficacement les émissions d’azote (N). En outre, la décomposition des grosses molécules de protéines favorise la formation de peptides bioactifs et la dégradation de certains antinutriments protéiques. Ces effets ont non seulement une influence positive sur la santé et la croissance des poissons d’élevage, mais ils génèrent également des avantages économiques.

Fig. 1. Représentation schématique de l’hydrolyse enzymatique des protéines en peptides ou en acides aminés libres par l’alcalase et la trypsine.

Fig. 2. Illustration des avantages d’une protéase exogène dans l’alimentation des poissons. N = azote.

3. Effets de l’application de protéases sur les animaux aquatiques

   3.1. Performance de croissance

Des recherches antérieures ont démontré de manière cohérente les avantages d’une supplémentation en protéases dans les régimes alimentaires en termes de croissance.  Dans le cas des poissons omnivores, un dosage de 500 mg/kg de supplémentation en protéase dans les régimes PSD s’est avéré améliorer de manière significative divers indicateurs de performance de croissance du tilapia du Nil Oreochromis niloticus, y compris le poids corporel final (FBW), le gain de poids (WG), le taux de croissance spécifique (SGR), le ratio d’efficacité protéique (PER) et l’indice de conversion alimentaire (FCR). De même, une étude sur le tilapia bleu O. niloticus × Oreochromis aureus a rapporté que la supplémentation de 175 mg/kg de protéase dans des régimes sans farine de poisson pouvait améliorer de manière significative les paramètres FBW, WG et FCR. En outre, une étude menée sur le poisson carnivore, le bar européen Dicentrarchus labrax, a suggéré que la supplémentation alimentaire de niveaux élevés de drêches de distillerie à haute teneur en protéines (HPDDG) avec inclusion de protéase augmentait les performances de croissance, ainsi que la FCR. Pour les espèces de crustacés, de multiples études menées sur la crevette blanche du Pacifique (Litopenaeus vannamei) ont démontré que l’ajout de protéase dans les régimes alimentaires à base de RFF s’est avéré être une stratégie nutritionnelle efficace pour améliorer la croissance des crevettes. Des résultats positifs similaires ont été observés dans une étude sur le crabe chinois à mitaine Eriocheir sinensis.  Une autre étude, menée sur le tilapia du Nil, a indiqué qu’une dose élevée de protéase pouvait inhiber les performances de croissance du tilapia du Nil. D’autres recherches ont également indiqué que la supplémentation excessive en protéase exogène induisait toujours des effets négatifs sur la croissance. On suppose que cela peut être dû à l’ajout excessif de protéase, entraînant des troubles métaboliques d’autres nutriments dans les aliments composés. Selon Guan et al. (2021), la supplémentation avec des niveaux élevés de protéase a entraîné une réduction de 42,1 % de la graisse abdominale en régulant le métabolisme du glucose et des lipides. Parallèlement, cette supplémentation a également entraîné une diminution du ratio d’efficacité protéique (PER) et entravé les performances de croissance de l’achigan à grande bouche Micropterus salmoides. En outre, Song et al. (2017)  ont proposé qu’une inclusion excessive de protéase puisse causer des dommages aux intestins en hydrolysant les protéines de la muqueuse lorsque les substrats disponibles pour l’hydrolyse sont insuffisants. L’effet de l’ajout de protéase sur la croissance des animaux aquatiques est également influencé par les différentes méthodes de granulation.

Shi et al. (2016) ont supplémenté des RFF avec de la protéase exogène à des niveaux de 125, 150 et 175 mg/kg, et les ont transformés en utilisant soit la technologie de granulation, soit la technologie d’extrusion. Les résultats de l’étude ont indiqué que la carpe gibel (Carassius auratus gibelio) présentait des performances de croissance significativement meilleures lorsqu’elle était nourrie avec des régimes granulés aux trois niveaux de supplémentation, par rapport aux régimes extrudés supplémentés en protéase. En outre, l’action de stimulation de la croissance de la supplémentation en protéase est significativement affectée par les ingrédients de l’aliment composé. Par exemple, une étude sur la carpe commune Cyprinus carpio a montré qu’un supplément de 175 mg/kg de protéase dans des régimes à base de 20 % de farine de poisson n’avait pas d’impact significatif sur la croissance des poissons. Cependant, lorsque le niveau d’inclusion de la farine de poisson dans les régimes est réduit à 10 % ou 6 % et que les protéines sont remplacées par de la farine de soja, le poids des poissons augmente de manière significative par rapport aux groupes sans protéase. En aquaculture, les régimes alimentaires sont formulés selon une stratégie nutritionnelle qui permet à un animal d’atteindre les meilleures performances de croissance avec des coûts minimaux. Si les besoins nutritionnels des régimes expérimentaux pour l’animal étudié ne sont pas réduits au niveau minimum optimal, toute augmentation de l’utilisation des nutriments ou de la croissance des poissons causée par des protéases exogènes ne peut pas refléter la réponse réelle de l’animal.

L’hydrolyse enzymatique des protéines sous traitement protéasique pour remplacer une proportion appropriée de protéines non traitées ou de farine de poisson est également bénéfique pour la croissance des poissons. Selon Pfeuti et al. (2019), l’incorporation de farine de plumes traitée à la protéase dans l’alimentation de la truite arc-en-ciel Oncorhynchus mykiss a contribué à une augmentation du taux de croissance de 10,5 % à 11,5 % par rapport aux homologues non traités. De même, Cao et al. (2020) ont constaté que la farine de plumes traitée à la kératinase (KFM) pouvait favoriser un taux de croissance du turbot juvénile Scophthalmus maximus de 81 % supérieur à celui du groupe traité à la vapeur. Le remplacement d’environ trois quarts des protéines prémélangées non hydrolysées par des hydrolysats de protéines prémélangées dans le régime alimentaire des larves de tête de serpent Channa argus a entraîné une augmentation de 38,1 % de leur FBW. Une étude sur le barramundi juvénile Lates calcarifer a montré que les algues brutes ne pouvaient remplacer que 20 % des farines de poisson dans les régimes basés sur l’indicateur WG, alors que le niveau de remplacement pouvait être augmenté jusqu’à 40 % lorsqu’elles étaient complétées par des algues traitées à la protéase. En ce qui concerne les protéines de soja traitées à la protéase (SPP), Song et al. (2014) ont confirmé que le fait de remplacer jusqu’à 85 % des protéines de farine de poisson par des SPP avait un impact négatif sur la croissance de la plie étoilée Platichthys stellatus. Cependant, les niveaux de remplacement faibles à modérés (15 % à 50 %) pourraient améliorer de manière significative les paramètres de croissance par rapport aux groupes soumis à un régime à base de farine de poisson complète. En outre, de nombreuses recherches portant sur les effets des protéines alimentaires traitées par protéase sur les larves de poisson ont suggéré que ces produits hydrolysés par voie enzymatique peuvent faciliter une croissance rapide en servant de source hautement digestible d’acides aminés essentiels (AAE) et de protéines dans les régimes alimentaires. Contrairement aux adultes, les larves de poisson ont une faible capacité à utiliser pleinement les aliments formulés conventionnels en raison de l’immaturité de leur tube digestif et de l’absence de systèmes digestifs fonctionnels. Par rapport aux protéines volumineuses, les hydrolysats de protéines (c’est-à-dire prédigérées) de faible poids moléculaire sont plus facilement absorbés par les cellules épithéliales intestinales. Cependant, la surconsommation d’hydrolysats de protéines dans l’alimentation a également une influence négative sur la croissance des larves de poissons. En tant qu’additifs alimentaires, l’hydrolyse des protéines à base de protéases a été utilisée avec succès dans les REP et les RFF pour atténuer l’inhibition de la croissance causée par le remplacement de niveaux élevés de farine de poisson par des protéines d’origine végétale dans les aliments pour animaux d’aquaculture. Chez les poissons herbivores, Xiao et al. (2017) ont constaté qu’en complétant le régime alimentaire de la carpe Ctenopharyngodon idella avec 10 g/kg de protéines de soja traitées à la protéase, leurs performances de croissance ont augmenté de manière significative. La différence de performance de croissance entre les poissons soumis à un régime riche en protéines (34 % de PB) et ceux recevant le supplément de protéines de soja traitées à la protéase (ajouté à un régime à 32 % de PB) n’était pas statistiquement significative. Chez le poisson carnivore, le bar européen, l’ajout de 30 g/kg d’hydrolysats d’anchois et de calmar géant a démontré la capacité de réduire les effets négatifs du RFF. De même, 33,4 g/kg d’hydrolysat de crevettes, 28,8 g/kg d’hydrolysat de tilapia et 31,2 g/kg d’hydrolysat de krill ajoutés au RFF de jeunes plies olivâtres Paralichthys olivaceus ont donné de meilleurs résultats sur les performances de croissance du poisson. La supplémentation en hydrolysat enzymatique de protéines a partiellement atténué la carence en acides aminés causée par le REP ou le RFF, ce qui a permis d’améliorer la croissance en répondant aux besoins des animaux. En outre, certains hydrolysats de protéines ont montré une attractivité supérieure pour les animaux aquatiques. Par exemple , Cheng et al. (2019) ont suggéré que les régimes alimentaires contenant de l’hydrolysat de protéines de farine de coton (PFC) étaient plus attractifs que ceux comprenant de l’extrait de calmar, des nucléotides de levure, de la bétaïne et de l’allicine chez l’Eriocher sinensis ; par conséquent, il a été recommandé d’ajouter 0,6 % de PFC dans les régimes alimentaires en tant qu’attractifs. Dans une autre étude, il a été prouvé que la supplémentation alimentaire de CPH à 6 g/kg stimulait l’appétit et augmentait le taux d’alimentation des carpes via la voie de signalisation de la cible de la rapamycine (TOR), ce qui a finalement contribué à l’amélioration des performances de croissance.

3.2. Dégradation des FAN et hydrolyse des protéines complexes en unités plus simples

La promotion de la croissance des animaux aquatiques par la protéase est également partiellement attribuée à ses effets positifs sur l’hydrolyse des antinutriments protéiques qui sont connus pour être nocifs. Des études ont démontré que le prétraitement par la protéase pouvait dégrader de manière significative les FAN. Par exemple, Yu et al. (2018)  ont suggéré que le traitement à la kératinase pouvait dégrader efficacement près de 60% de β-globuline de soja et 37% de globuline de soja dans le tourteau de soja.

Tan et Sun (2017)  ont étudié la capacité d’hydrolyse de différentes protéases du marché chinois sur la dégradation des ANF de la farine de soja in vitro et ont constaté que la protéase DP100 pouvait éliminer de manière significative 73,3 % et 52,1 % de la glycinine et de la β-conglycinine, respectivement. En outre, il a été rapporté que l’ajout de protéase dans les régimes alimentaires pouvait également réduire les FNA au cours de la production d’aliments pour animaux. Par exemple, Wu et al. (2020)  ont étudié l’effet de quatre niveaux graduels de supplémentation en protéase dans des régimes à base de plantes contenant de la globuline de soja (16,65 g/kg) et de la β-conglycinine (15,85 g/kg) sur le tilapia du Nil. Les résultats de l’étude ont révélé une réduction significative de la concentration de ces deux FAN en fonction de la dose.

Une autre fonction principale de la protéase serait l’hydrolyse enzymatique des protéines en acides aminés individuels et en peptides. Song et al. (2018) ont utilisé une protéase neutre pour décomposer un mélange de tourteaux de soja et de graines de coton (1:1) et ont constaté que les teneurs en azote soluble dans l’eau augmentaient de 8,3 % à 42,7 %. Une analyse plus détaillée de la distribution de la masse moléculaire a montré que les teneurs de quatre gammes différentes (<1 000 Da, 1 000 à 3 000 Da, 3 000 à 5 000 Da et >5 000 Da) ont toutes augmenté de manière significative. On sait que les petits peptides sont plus facilement absorbés que les protéines de poids moléculaire élevé, ce qui explique en partie les effets de la protéase sur la croissance. Il est bien connu que les petits peptides et les acides aminés libres présentent des mécanismes d’absorption distincts, ce qui réduit l’antagonisme causé par la compétition pour les sites d’absorption communs des acides aminés libres. En outre, les petits peptides peuvent être entièrement absorbés dans le système circulatoire et utilisés par le foie pour créer directement des protéines, ce qui permet d’obtenir un taux de synthèse protéique plus élevé que l’utilisation d’acides aminés seuls. Cependant, une étude portant sur le bar tacheté Lateolabrax maculatus a montré que le remplacement de 50 % de la farine de poisson dans leur alimentation par des isolats de protéines de soja hydrolysées à base de protéase entraînait une diminution à la fois du poids corporel et du taux de croissance du poids corporel (SGR). Une autre étude sur le totoaba Totoaba macdonaldi, remplaçant 40 % de la farine de poisson alimentaire par des isolats de protéines de soja à base de protéase, a également indiqué que le poisson était considérablement affecté négativement. Ce résultat peut être largement attribué au fait que les niveaux accrus de peptides luminaux et d’acides aminés libres qui en résultent peuvent saturer les peptides intestinaux et les transporteurs d’acides aminés. Cela pourrait provoquer un afflux rapide de peptides, qui pourrait à son tour accélérer l’oxydation des acides aminés et l’excrétion endogène. Par conséquent, les acides aminés en excès dans les régimes contenant des protéines traitées par protéase peuvent être excrétés sous forme de molécules intactes par l’urine ou les branchies, ce qui pourrait expliquer en partie l’altération de la croissance observée. Comme le montrent les travaux de Yuan et al. (2019), le remplacement de la farine de poisson par des niveaux élevés d’hydrolysat de protéines de tourteau de coton a entraîné une diminution des performances de croissance des poissons. Plus précisément, le remplacement a entraîné une diminution du métabolisme des acides aminés et a activé la voie AMPK/SIRT1 tout en inhibant la voie de signalisation TOR.

  3.3. Coefficient de digestibilité apparente (CDA) des nutriments

L’amélioration de la croissance des animaux aquatiques par la protéase est aussi principalement attribuée à l’amélioration de la digestibilité des nutriments. La quantité idéale de protéase exogène ajoutée à l’alimentation a un impact considérable sur la digestibilité des nutriments, en particulier des protéines brutes (ADCCP), Hassaan et al. (2019) ont confirmé que l’alimentation du tilapia du Nil comprenant de la protéase conduisait à une amélioration des ADC pour les acides aminés essentiels (ADCEAA). Lee et al. (2020) ont examiné l’impact de l’inclusion de protéase alimentaire sur la digestibilité des acides aminés chez la truite arc-en-ciel nourrie avec 17 ingrédients alimentaires différents. Les résultats ont validé une augmentation de l’ADCEAA et des acides aminés non essentiels (ADCNEAA). Outre les protéines brutes et les acides aminés, une dose optimale d’inclusion de protéase exogène pourrait également améliorer efficacement la digestibilité d’autres nutriments : les cendres brutes (ADCAsh), les lipides bruts (ADCCL), l’énergie brute (ADCGE) et la matière sèche (ADCDM). Par exemple, Maryam et al. (2022) ont constaté qu’une supplémentation en protéase de 150 à 750 mg/kg dans un régime à base de sous-produits de volaille augmentait de manière significative l’ADCAsh, l’ADCCL et l’ADCDM chez le rohu Labeo rohita. Parallèlement, Drew et al. (2005) ont rapporté qu’une supplémentation en protéase modérée dans des régimes à base de mélanges de canola et de pois entraînait des augmentations significatives de l’ADCCL, de l’ADCGE et de l’ADCDM. En ce qui concerne les oligo-éléments et les macro-éléments, une étude menée sur le tilapia a démontré que la supplémentation en protéase alimentaire dans le LFD ne produisait pas d’améliorations statistiquement significatives des ADC pour le calcium (ADCCa), le phosphore (ADCP), le fer (ADCFe) et le cuivre (ADCCu). Cependant, d’autres études ont indiqué que les niveaux d’ADCP augmentaient à la suite de la supplémentation en protéases. En outre, Ayhan et al. (2008)  et Cho et Bureau (2001)  ont rapporté que l’ajout de protéase dans l’alimentation de la daurade royale Sparus aurata contribuait à une augmentation significative des CDA de l’azote (CDA), un facteur crucial affectant la qualité de l’eau.

  3.4. Fonction physiologique

Récemment, certaines études ont confirmé les effets bénéfiques des protéases sur la fonction physiologique des animaux aquatiques, ce qui peut potentiellement favoriser les performances de croissance. Chez les poissons, des réductions de l’aspartate aminotransférase (AST) et de l’alanine aminotransférase (ALT) dans le sang ont été rapportées chez le tilapia du Nil, la carpe gibbeuse et l’achigan à grande bouche, nourris avec des niveaux adéquats de supplémentation en protéases. De même, Yang et al. (2022) ont rapporté qu’une supplémentation alimentaire en protéase de 200 à 800 mg/kg pouvait réduire de manière significative les taux d’AST et d’ALT chez l’écrevisse rouge des marais Procambarus clarkia nourrie avec des régimes à base de plantes. Les taux sanguins d’ALT et d’AST sont des indicateurs cruciaux des lésions hépatiques chez les animaux aquatiques, et leurs faibles niveaux indiquent toujours que le foie est en bonne santé. Les résultats susmentionnés ont étayé l’affirmation selon laquelle l’incorporation de protéase dans le LFD exerçait un effet hépatoprotecteur sur les animaux aquatiques. Il a été observé que l’utilisation de LFD, en particulier les formulations alimentaires remplaçant les farines de poisson par des protéines d’origine végétale, prédisposait considérablement les poissons ou les crevettes à des dommages induits par le stress oxydatif. Il a été vérifié que la supplémentation en protéase exerce un effet protecteur positif contre les dommages induits par le stress oxydatif. Par exemple, une étude sur la carpe gibel a montré qu’une supplémentation en protéase de 500 mg/kg dans le LFD pouvait augmenter de manière significative la capacité antioxydante totale hépatique (T-AOC), les activités totales de la superoxyde dismutase (T-SOD) et les activités de la glutathion peroxydase (GPX) ainsi que les contenus intestinaux de T-SOD, de complément 4 et d’immunoglobuline A sécrétoire. De même, la supplémentation du régime alimentaire des crevettes blanches du Pacifique avec 175 mg/kg de protéase a amélioré de manière significative le système immunitaire non spécifique. Cela s’est manifesté par l’augmentation des activités de la polyphénol oxydase et de la T-SOD, tant dans le sérum que dans l’hépatopancréas. En outre, une réduction de l’accumulation de MDA hématologique des crevettes soumises à un défi avec Vibrio parahaemolyticus a été observée dans l’étude de Song et al. (2017). Selon Wu et al. (2020), l’incorporation de protéases dans les régimes alimentaires peut renforcer les activités des enzymes antioxydantes sériques, éliminer les radicaux libres et réguler l’expression de l’ARNm de tnf-α, il-1β et hsp70, ce qui contribue à protéger les cellules endothéliales contre le stress causé par les régimes alimentaires à base de plantes.

En outre, des études ont fait état d’une amélioration de la capacité antioxydante et de l’immunoréaction dans des régimes composés de protéines traitées à la protéase chez les poissons et les crabes. Chez la carpe nourrie au PSD, Song et al. (2020) ont démontré que les protéines de soja hydrolysées par voie enzymatique peuvent atténuer les réponses inflammatoires en régulant les voies de signalisation NF-κB et TOR. Chez la carpe Jian C. carpio var, Xiao et al. (2019) ont rapporté que les protéines de soja traitées par protéase pouvaient diminuer les teneurs en MDA et en carbonyle des protéines, améliorer les activités des enzymes antioxydantes et les teneurs en glutathion, et renforcer les expressions de l’ARNm des enzymes antioxydantes et de Nrf2. De même, le traitement des poissons avec des régimes alimentaires comprenant des hydrolysats de protéines de soja en remplacement de la farine de poisson à 30 % pourrait augmenter de manière significative les activités sériques T-SOD et T-AOC tout en diminuant les teneurs en MDA chez la plie étoilée juvénile P. stellatus. Chez le crabe chinois à mitaines, l’inclusion alimentaire de 30 à 60 g/kg d’hydrolysat de protéines de farine de coton peut améliorer de manière significative la capacité antioxydante et la réponse immunitaire en activant les gènes liés à l’immunité tels que Tolls et MyD88.

Parmi les indicateurs susmentionnés, le MDA est un marqueur essentiel pour évaluer les dommages oxydatifs dans les organismes. Les résultats indiquent systématiquement que l’ajout de protéase ou l’inclusion de protéines traitées à la protéase a un effet réducteur sur les niveaux de MDA. L’activité des enzymes antioxydantes (telles que la T-SOD, la T-AOC et la GPX) a été identifiée comme un facteur essentiel dans la lutte contre la peroxydation des lipides et l’amélioration des dommages oxydatifs. Le passage ci-dessus explique partiellement l’impact des protéases sur les dommages oxydatifs et les réponses inflammatoires d’un point de vue de la régulation moléculaire, mais il ne développe pas efficacement les mécanismes spécifiques impliqués. Les études récentes se sont principalement concentrées sur les effets des protéases sur la croissance des poissons et la digestibilité des nutriments, en accordant peu d’attention à leur impact sur les fonctions physiologiques. La fonction immunitaire des protéases semble être attribuée principalement à l’hydrolyse des protéines. On pense que ces petites substances moléculaires libérées contiennent des peptides bioactifs possédant des propriétés antioxydantes et anti-inflammatoires. Ces peptides ont le potentiel de fonctionner comme un piégeur efficace d’espèces réactives de l’oxygène. Certains peptides libérés présentent des propriétés de chélation des ions métalliques ou de réduction des hydroperoxydes afin de protéger les poissons du stress oxydatif. Il est donc nécessaire de mener d’autres études pour examiner cette question de manière critique.

 3.5. Résistance aux maladies

En outre, l’inclusion de protéines traitées à la protéase est signalée comme améliorant les taux de survie des poissons après des infections parasitaires ou bactériennes. Resende et al. (2022) ont rapporté que 30 g/kg d’hydrolysats de sang de porc dans le LFD pour le bar européen ont amélioré la résistance du poisson à l’infection par Tenacibaculum maritimum. En outre, l’alimentation des larves de bar européen avec des additifs d’hydrolysats de protéines a amélioré de manière significative la résistance du poisson à Vibrio anguillarum. Une autre étude sur la même espèce adulte nourrie avec des hydrolysats de protéines de crevettes a montré un taux de survie cumulatif plus élevé lorsque les poissons ont été confrontés à une épizootie de Vibrio Pelagius. Des résultats similaires ont également été rapportés chez la daurade royale adulte Pagrus major nourrie avec des hydrolysats de protéines de crevettes, et chez les juvéniles nourris avec un concentré d’hydrolysat de rill, tous deux après avoir été attaqués par Edwardsiella tarda. La supplémentation en hydrolysat de viscères de thon dans les régimes alimentaires a amélioré la résistance à l’infection par Streptococcus iniae chez le pompano Trachinotus blochii et le barramundi juvénile Lates calcarifer. En outre, une réduction de l’accumulation de la mortalité cumulée sur 96 h de la crevette blanche du Pacifique mise au défi par Vibrio parahaemolyticus a été observée dans l’étude de Song et al. (2017). Par conséquent, l’incorporation d’hydrolysats de protéines dans les régimes alimentaires des poissons ou des crevettes pourrait servir d’approche nutritionnelle pratique pour prévenir la ténacibaculose et réduire les pertes économiques en aquaculture. Les protéines traitées par protéase contiennent toujours de petits peptides avec des activités biologiques, possédant des propriétés physiologiques potentielles au-delà d’une nutrition normale et adéquate (Fig. 3) (Hartmann et Meisel, 2007 ; López-Barrios et al., 2014 ; Udenigwe et Aluko, 2011). Les peptides bioactifs contenus dans les protéines soumises à des enzymes peuvent être des composants importants qui renforcent la résistance des animaux aux maladies. À ce jour, de nombreuses études ont exploré les avantages fonctionnels des peptides bioactifs dérivés de sources de protéines, telles que le tourteau de soja, le tourteau de coton, le tourteau de colza et les protéines marines ou de sous-produits de volaille. En détail, Duan et al. (2021) ont confirmé que la protéine de colza était une bonne source potentielle de peptides antimicrobiens (PAM) en utilisant une approche in silico. Un article portant sur de multiples méta-analyses a démontré les effets bénéfiques des peptides antimicrobiens ajoutés aux régimes alimentaires sur la santé et les fonctions corporelles des animaux aquatiques. Comme indiqué ci-dessus, ces peptides bioactifs contribuent à l’état de santé des animaux d’élevage, ce qui devient également le principal argument de vente pour la promotion des protéines hydrolysées par voie enzymatique dans l’industrie de l’alimentation animale.

Fig. 3. Résumé des fonctions liées aux peptides bioactifs libérés par les sources de protéines alimentaires sous traitement protéasique. Source : Singh et al. (2014)

3.6. Autres

Cette section présente un exposé primaire de l’impact des protéases sur le microbiote intestinal, la réaction comportementale, la qualité de l’eau, la qualité de la chair des animaux aquatiques et l’efficacité économique. Étant donné la rareté de la littérature disponible, les informations présentées dans cette section sont condensées. L’objectif principal est d’inciter à poursuivre la recherche scientifique dans ce domaine captivant.

Plusieurs études ont rapporté l’impact positif de l’incorporation de protéases alimentaires sur la microflore intestinale de divers organismes aquatiques. Par exemple, une étude sur les crevettes blanches du Pacifique a fait état d’une augmentation significative de l’abondance de la microflore dominante telle que les Bacteroidetes, les Proteobacteria et les Actinobacteria. Les micro-organismes intestinaux ont été considérés comme des biocapteurs de la santé nutritionnelle des poissons, en contribuant à l’absorption et en améliorant le système immunitaire. Les protéases modifient le microbiote intestinal et ont ensuite un impact sur le métabolisme et l’immunité, ce qui justifie des recherches plus approfondies.

Une étude sur la réponse comportementale de la carpe commune a révélé que les poissons traités à la papaïne avaient des mouvements et une activité plus importants, ainsi qu’une réponse alimentaire plus intense. En termes de qualité de l’eau, Saleh et al. (2022) ont constaté que l’ajout de 250 mg/kg de protéase dans l’alimentation du tilapia du Nil, dont les besoins en protéines sont typiquement de 30 %, a contribué à une réduction significative des concentrations d’ammoniaque et de nitrite dans l’eau des aquariums. De même, l’ajout d’un extrait de déchets d’ananas à l’alimentation du tilapia, en tant que source de broméline, a entraîné une réduction considérable des niveaux d’ammoniaque libre et d’azote total dans l’eau d’élevage. Il a également été démontré que les enzymes exogènes commerciales composées de xylanase, d’alpha-amylase, de protéinase acide et de protéinase neutre présentent des avantages écologiques en réduisant l’ammoniac dans les systèmes d’aquaculture. En outre, Islam et al.

 ont noté une diminution des niveaux de phosphate, d’ammoniaque, de nitrate et de nitrite dans l’environnement du poisson-chat rayé (Pangasianodon hypophthalmus) nourri avec un régime contenant 500 mg/kg de pepsine. L’amélioration de la qualité de l’eau est largement attribuée à une meilleure utilisation de l’azote ou du phosphore dans les aliments, qui peut être liée à l’ajout de protéase. D’autres preuves à l’appui se trouvent dans la section précédente. Cependant, Saleh et al. (2022)  n’ont pas observé d’amélioration significative de la qualité de l’eau lorsque la protéase était ajoutée à raison de 500 mg/kg dans les groupes nourris avec des DSP. Une étude réalisée par Tewari et al. (2018)  n’a pas non plus démontré une diminution du NH3 de l’eau dans laquelle des carpes communes nourries avec un régime conventionnel supplémenté en papaïne ont été élevées. On peut donc en déduire que les traitements de DSP ou de besoin optimal en protéines réduisent considérablement les émissions d’azote, limitant ainsi l’impact potentiel de la protéase sur l’amélioration de la qualité de l’eau.

Une étude sur l’amour blanc a montré que la supplémentation en protéines de soja traitées à la protéase dans le DSP pouvait améliorer de manière significative la tendreté, la jutosité et la saveur de la chair de l’amour blanc. Une bonne qualité sensorielle stimule toujours les intentions d’achat des consommateurs, et plusieurs études ont été menées pour explorer les stratégies possibles d’amélioration de la qualité sensorielle de la chair à l’heure actuelle. Il semble que la supplémentation en protéines traitées à la protéase dans les régimes alimentaires en tant que stratégie nutritionnelle pour améliorer la saveur du poisson d’élevage mérite des recherches plus approfondies. En science alimentaire, les aliments peuvent être traités par hydrolyse enzymatique afin d’améliorer leur fraîcheur et leur acceptabilité pour les êtres humains. Fournir aux poissons des aliments de haute qualité et attrayants présente le double avantage de produire des filets de poisson délectables tout en favorisant une croissance et un développement optimaux des poissons.

De nombreuses études ont examiné l’efficacité économique des régimes enrichis en protéases. Par exemple, une étude menée par Goda et al. (2020)  a exploré l’application de HPDDG en tant que remplacement du tourteau de soja dans les régimes alimentaires du bar européen. Les résultats ont indiqué que l’ajout de protéase à l’alimentation composée à 50 % de HPDDG a permis d’obtenir le coût total d’alimentation le plus bas par kilogramme de gain de poisson. De même, Mo et al. (2020b)  ont mené une étude sur la dorade royale Rhabdosargus sarba, dans laquelle ils ont examiné deux régimes expérimentaux avec 30 % et 60 % de farine de poisson remplacée par de la lie de soja (SBD). Les régimes remplacés par 30 % et 60 % de farine de poisson ont été complétés par 0,5 % de papaïne (Exp. 1), tandis que le régime à base de farine de poisson et le régime remplacé par 30 % de farine de poisson ont été complétés par 1,3 % de bromélaïne (Exp. 2). Les résultats ont montré que le régime expérimental avec 60 % de SMD et de la papaïne (Exp. 1) a réduit le coût du poisson par kilogramme de 31,8 % par rapport au régime avec 0 % de SMD. En outre, les deux groupes avec la broméline (Exp. 2) ont eu une réduction du coût de 27,0 % et 46,7 % par rapport aux régimes à base de farine de poisson.

Mo et al. (2020a)  ont déclaré que compléter les régimes alimentaires à base de déchets alimentaires pour la carpe herbivore avec une combinaison de papaïne et de bromélaïne est une stratégie nutritionnelle viable.

4. Conclusions et perspectives d’avenir

Les additifs protéasiques parviennent à augmenter la digestibilité des nutriments alimentaires, à stimuler les performances de croissance des poissons, à améliorer leur état de santé et à améliorer l’environnement aquacole. En outre, de nombreuses sources de protéines indésirables peuvent être hydrolysées pour devenir des matières premières protéiques de haute qualité avec un faible poids moléculaire, une digestibilité élevée, un faible taux de FNA et davantage de peptides bioactifs.

En tant qu’additifs alimentaires, certains goulets d’étranglement critiques peuvent entraver leur application dans les aliments pour animaux aquatiques. L’un d’entre eux est l’incorporation requise dans les composants de l’aliment, d’une manière qui évite la dénaturation et l’inactivation au cours du traitement, tel que l’extrusion, le séchage et le stockage ultérieur, ou alternativement, la solubilisation et l’élimination faciles via un processus d’enrobage direct lors de l’administration au bassin d’élevage, en particulier lorsque l’aliment n’est pas consommé rapidement. Un autre problème est la fluctuation des activités enzymatiques, car les activités des enzymes digestives endogènes chez les poissons sont significativement affectées par la température de l’environnement par rapport aux animaux homéothermes. Il convient de souligner que la détermination précise du niveau d’inclusion des protéases est un aspect important pour garantir l’efficacité des protéases exogènes dans l’alimentation des poissons. Une supplémentation à faible dose n’a pas eu d’effets perceptibles, alors qu’une supplémentation à forte dose pourrait potentiellement avoir des conséquences négatives sur la santé intestinale et les performances de croissance des poissons d’élevage. Par conséquent, il convient de mener davantage de recherches sur l’estimation des besoins en protéases spécifiques d’espèces aquacoles spécifiques à différentes températures de l’eau. En outre, le pH du tube digestif ou de l’estomac des poissons varie d’une espèce à l’autre et change au cours du développement, ce qui aurait également un impact sur l’efficacité des additifs protéasiques. Néanmoins, la biotechnologie avancée est prometteuse pour ce qui est de fournir des solutions permettant d’améliorer la stabilité des protéases. Par exemple, Su et al. (2022) ont appliqué avec succès une stratégie combinatoire via l’analyse bioinformatique et la conception rationnelle pour améliorer la thermostabilité de la kératinase en vue d’une biodégradation efficace des plumes. Certains polymères utilisés comme vecteurs de protéines ou de médicaments peuvent potentialiser l’efficacité des enzymes exogènes dans les industries médicales et alimentaires. Une étude a suggéré que les enzymes de crevettes encapsulées avec des capsules d’alginate-bentonite contribuaient à une activité enzymatique 27% plus élevée par rapport à l’alimentation de contrôle. Il est donc nécessaire de poursuivre les recherches sur les techniques qui garantissent une bonne immobilisation des enzymes.

Pour les protéines traitées par protéase, le prétraitement peut avoir un impact négatif sur les propriétés des aliments, y compris la contamination microbienne et les caractéristiques finales des granulés, telles que la fermeté et la texture. En outre, les exigences de traitement de ces produits impliquent généralement la déshydratation, le broyage, l’emballage et l’acheminement vers les fabricants d’aliments pour animaux, ce qui entraîne inévitablement une augmentation de l’empreinte carbone. Il est donc nécessaire d’optimiser les conditions d’hydrolyse enzymatique de manière ciblée. De plus, de futures études sont nécessaires pour adopter une méthode plus respectueuse de l’environnement, en utilisant l’hydrolyse enzymatique en ligne en temps réel, de sorte que les produits de l’hydrolyse enzymatique puissent passer directement dans le processus de granulation ultérieur. Des recherches antérieures sur la phytase, une autre enzyme alimentaire, ont montré que son inclusion dans le traitement en ligne en temps réel des aliments composés était efficace pour améliorer la disponibilité des minéraux pour le saumon de l’Atlantique (Salmo salar L.) élevé dans des environnements à basse température. Nos travaux récents ( Xue et al., 2022 ), publiés sous forme de brevet en Chine (CN 113005030 B), ont également confirmé que cette méthode était très efficace et consommait peu. L’opération de traitement en ligne peut être divisée en trois étapes, qui sont illustrées dans les figures suivantes Fig. 4.

Fig. 4. Organigramme de l’incorporation du traitement à la protéase dans le traitement en ligne en temps réel des aliments composés pour poissons. Les étapes sont les suivantes 1) le mélange des protéines avec de l’eau, de la protéase et des régulateurs de pH, suivi de l’agitation et de l’incubation du mélange ; 2) le transfert direct des produits de l’hydrolyse enzymatique dans le mélangeur suivant après incubation, avec d’autres matériaux en poudre et pré-mélangés ; 3) le transport du matériau mélangé dans le bac de tamponnage du flux avant de le transférer dans la machine à souffler pour la production d’aliments pour animaux.

Les préparations de protéases utilisées dans l’industrie de l’alimentation animale sont principalement produites par fermentation microbienne. Chaque étape du processus de production enzymatique peut influencer considérablement la sécurité des enzymes obtenues. Par conséquent, la surveillance des souches microbiennes est essentielle pour garantir l’efficacité et la sécurité des produits enzymatiques. En outre, les micro-organismes nuisibles et les polluants à base de métaux lourds peuvent présenter des risques importants pour la sécurité des produits enzymatiques. Il est donc essentiel de renforcer la normalisation des préparations microbiennes et enzymatiques.

Source : Chen S, Maulu S, Wang J, Xie X, Liang X (2023) The application of protease in aquaculture: Prospects for enhancing the aquafeed industry. Animal Nutrition 105-121.