Biotechnological approaches to boost the application of insect meal as a source of feed protein

Abstract

O crescimento da população mundial resulta no aumento da procura por proteína animal para alimentação humana. A produção de ração animal, depende de fontes de proteína como as de origem vegetal, que levam à redução de terra e recursos hídricos disponíveis. Assim, a procura de ingredientes alternativos é de grande importância. Os insetos são consumidos naturalmente por animais monogástricos, como espécies aquáticas, e a produção em larga escala de insetos para rações (ou alimentos) está a começar a ser explorada, uma vez que os insetos podem crescer em resíduos, sendo uma produção sustentável. No entanto, a incorporação de farinha de insetos (FI) para rações ainda é limitada devido ao seu alto teor em quitina, que é de difícil digestão para os animais. O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de estratégias biotecnológicas para o tratamento de FI de modo a reduzir o seu conteúdo em quitina. O trabalho envolveu a aplicação de duas abordagens: a primeira baseou-se na produção de quitinase por fermentação em estado sólido (FES) utilizando subprodutos, seguida da utilização das quitinases para tratar as FI; a segunda centrou-se no tratamento direto de FI por SSF. Os resultados obtidos permitiram selecionar Aspergillus niger CECT 2088 como o fungo melhor produtor de quitinase entre espécies testadas de Aspergillus e Trichoderma. A produção de quitinase por FES usando cascas de camarão (CC) foi 12 vezes mais elevada quando CC foi misturada com dreche (D). A produção de quitinase em CC+D foi otimizada em termos de tempo de fermentação e humidade usando um desenho experimental fatorial. A enzima obtida na fermentação foi usada no tratamento enzimático de FI de moscas-soldado-negro (Hermentia illucens), verificando-se que 2 h de tratamento foram suficientes para hidrolisar este material nas condições otimizadas de pH e temperatura. Na segunda abordagem foi utilizado um planeamento centroide simplex para determinar o impacto da mistura de FI com farelo de trigo (FT), observando-se que a mistura de 50% (p/p) de FT com a FI foi a que produziu melhores resultados. O tratamento de FI por FES aumentou 1.2 vezes a proteína, diminuiu o teor de lipídios em 55% e diminuiu 27% a fibra total, demostrando o potencial de FES como estratégia de bio processamento para melhorar as propriedades nutricionais de FI, com vista a potenciar a sua aplicação na alimentação animal, particularmente na aquicultura.

The growth of human population has greatly increased the demand for animal proteins for human food. The provision of animal feed, depends on protein sources, such as of vegetable origin, that lead to land and water resources occupation. Thus, search for new alternatives of feed protein to animal production is of most importance. Insects are naturally consumed by monogastric and aquatic species, and the large-scale production of insects for feed (or food) is starting to be exploited, since insects can grow in wastes, so having a sustainable production. However, Insect meal (ISM) incorporation in animal feed is still limited due to the high content of chitin that are difficult to digest by some animals. The main goal of this work was to develop biotechnological strategies of insect meal treatment to reduce the levels of chitin. The work was developed in two approaches: one was based on the production of chitinase by solid-sate fermentation (SSF) using as substrates by-products, followed by the use of chitinases to treat ISM; the other was the direct treatment of ISM by SSF. The results allowed to select Aspergillus niger CECT 2088 as the best chitinase producer among the species tested of Aspergillus and Trichoderma. The production of chitinase by SSF of shrimp shells (SS) was 12-fold improved by the mixture of SS with brewer spent grain (BSG). The production of chitinase in SS+BSG was optimized by a factorial design of experiments in terms of time and moisture. The enzyme obtained was tested in the enzymatic treatment of ISM derived from black soldier flies (Hermentia illucens) and it was found that 2 h of treatment led to the maximum hydrolysis under the optimized conditions tested of pH and temperature. The second approach studied in this work was the feasibility of direct ISM treatment by SSF. A simplex centroid design of experiments was applied to find the impact of mixing ISM (two ISMs were tested differing in the fat content) with wheat bran (WB) and it was found an optimum with a mixture of 50% (w/w) of WB with the ISM not defatted. ISM treatment by SSF led to an increase of protein of 1.2-fold, a decrease of lipids content of 55% and a decrease of total fiber of 27%, showing the great potential of SSF as a bioprocessing strategy to improve nutritional properties of ISM to boost its application in animal feed, particularly in aquafeed.