Ingredienti proteici a base di insetti: estrazione, caratterizzazione molecolare, funzionalità tecnologiche e aspetti di sicurezza

Abstract

Recentemente, a causa dell'aumento della popolazione mondiale e del consumo pro-capite di carne, gli insetti sono stati esplorati come fonte alternativa e sostenibile di proteine animali. In questa tesi di dottorato, due diverse specie di insetti, lesser mealworm (Alphitobius diaperinus) e black soldier fly (Hermetia illucens), sono state studiate come fonte di proteine da poter inserire nel settore alimentare e mangimistico. Entrambi gli insetti hanno dimostrato di essere una valida fonte di proteine, non solo per la loro quantità, ma anche per l'alto profilo nutrizionale, ricco di aminoacidi essenziali. Al fine di integrare le formulazioni di mangimi e alimenti con ingredienti proteici a base di insetti, diversi protocolli di estrazione sono stati esplorati e confrontati. Oltre ai metodi chimici, basati sull'estrazione alcalina e sul frazionamento di Osborne, l'estrazione enzimatica assistita ha dimostrato di essere altrettanto promettente. L’utilizzo di enzimi proteolitici ha dimostrato di essere un valido metodo per preservare la qualità delle proteine e migliorarne la digeribilità. Inoltre, l'idrolisi enzimatica può essere modulata per raggiungere le proprietà tecnologiche desiderate, in base all’uso finale del prodotto. La qualità delle proteine degli insetti può essere danneggiata dalla presenza di enzimi endogeni. In particolare, l’imbrunimento enzimatico nelle frazioni proteiche è risultato essere responsabile di implicazioni a livello chimico e nutrizionale. Nella presente tesi, il blanching, utilizzato come metodo di uccisione degli insetti, è stato identificato come un valido trattamento per inattivare gli enzimi e preservare la qualità delle proteine. Al fine di valutare l'inclusione di ingredienti a base di proteine di insetti nella catena alimentare, è stata anche effettuata una valutazione della sicurezza, concentrandosi principalmente sulla presenza di micotossine e sul potenziale allergenico. Entrambe le specie di insetti hanno dimostrato di rappresentare un rischio allergenico per i futuri consumatori. In particolare, è stata identificata una reattività crociata tra proteine dell'insetto e allergeni noti da crostacei, a causa della stretta omologia tra specie tassonomicamente correlate. Attraverso un approccio proteomico, la tropomiosina è stata identificata come allergene prevalente in entrambi gli insetti e la sua immunoreattività è stata confermata con un siero prelevato da un paziente allergico ai crostacei. L'estrazione enzimatica, precedentemente menzionata, è stata dimostrata essere un valido strumento biotecnologico utilizzabile per ridurre l'immunoreattività delle proteine degli insetti. Oltre agli allergeni, è stata studiata anche la potenziale bioaccumulazione delle micotossine. Infatti, uno dei principali utilizzi degli insetti è correlato alla loro capacità di crescere su un diverso spettro di substrati e sottoprodotti che potrebbero essere potenzialmente contaminati. In questo progetto di tesi, nonostante gli insetti fossero stati coltivati su substrati contaminati da micotossine, non è stata dimostrata la loro capacità di bioaccumulare micotossine. Al contrario è stata identificata la loro capacità di espellerle e / o metabolizzarle in forme non ancora note. In conclusione, i risultati ottenuti in questa tesi di dottorato supportano pienamente gli insetti commestibili come promettente fonte alternativa e sostenibile di proteine, che potrebbero essere introdotte sia nella catena alimentare che in quella mangimistica al fine di soddisfare la futura domanda di proteine di alta qualità.

In the recent years, due to the increasing in world population as well as rising in meat consumption, edible insects have been explored as a sustainable alternative source of animal proteins. In the present PhD thesis two different insect species, lesser mealworm (Alphitobius diaperinus) and black soldier fly (Hermetia illucens), have been deeply explored for their potential to provide high quality and safe proteins to the feed and food sector. Both insects have been demonstrated to be a valid source of proteic material, not only for their amount, but also for the high nutritional profile, rich in essential amino acids. In order to supplement feed and food formulations with insect-based protein ingredients, different extraction protocols have been explored and compared. Besides chemical methods, based on alkali extraction and Osborne fractionation, the enzymatic assisted extraction has been demonstrated to be very promising. As a matter of fact, the use of proteases has been demonstrated to preserve the protein quality and improve digestibility. Further to that, the enzymatic hydrolysis can be tailored in order to reach the desired techno-functionalities, based on the potential end use. Insect protein quality can be hampered by endogenous enzymes. In particular they trigger enzymatic browning in insect protein fractions, with implication also on their chemical and nutritional quality. In the present thesis, blanching treatment, used as killing method for insects, has been identified as valid way to inactivate enzymes and preserve protein quality. In order to evaluate the inclusion of insect protein-based ingredients in the food chain, a safety assessment has also been performed, mostly focusing on mycotoxin presence and allergen potential. Both lesser mealworm and black soldier fly have been determined to pose an allergenic risk for future consumers. In particular, a cross-reactivity between insect proteins and known crustacean allergens has been identified, due to the close homology between taxonomically related species. Through a shotgun proteomics approach, tropomyosin has been identified as prevalent allergen in both insects and its immunoreactivity confirmed with a serum from a patient allergic to crustaceans. The previously mentioned enzymatic assisted extraction has been found to be a valid biotechnological tool in order to reduce the insect protein immunoreactivity. Besides allergens, also the potential bioaccumulation of mycotoxins in insect body was studied. Indeed, one of the main potentials in using insects is their ability to grow on a different spectrum of substrates, and potentially contaminated by-products from the agri-food chain can be used to feed them. In the present thesis, insects were grown on mycotoxin contaminated substrates were demonstrated not to bioaccumulate mycotoxins into their body, but rather to excrete and/or metabolize them in not yet known forms. In conclusion, the results obtained in this PhD thesis fully support edible insects as a promising and sustainable alternative source of proteins which could be introduced in both feed and food chain in order to meet the future high-quality protein demand.