Utilization of agri-food wastes and products to enhance the nutritional value of the larval stage of Tenebrio molitor (Coleoptera: Tenebrionidae): study of nutritional value, biofunctional components, and development of novel foods

Abstract

The larval stage of Tenebrio molitor L. – T. molitor (Coleoptera: Tenebrionidae) has been recognized since 2021 as one of the insect species approved for human consumption by the European Union (EU). This insect has attracted the interest of the scientific community as it has a high nutritional value, short life cycle, and efficient use of resources, and does not require large amounts of water or extensive facilities for rearing. The nutritional value of T. molitor is due to its increased containment of pure protein and fat, as well as its high content of essential amino acids, fatty acids, trace elements and minerals. Despite their remarkable nutritional value, the larvae of this insect are deficient in vitamins C and A, β-carotene, and antioxidants such as polyphenols, which are of great value and benefit to human health. The main objective of the present PhD research is to enhance the nutritional value of T. molitor larvae through their dietary substrate, following the principles of circular economy, and to incorporate larval flour into a product that is nutrient-poor but widely consumed. To achieve this objective, this PhD thesis focused on the utilization of by-products and products of the food and agro-industry, which are rich in the above-mentioned nutrients (in combination with their main feed substrate, wheat bran), as nutritional substrates for rearing T. molitor larvae. The rational management of by-products from the primary sector aims at developing new and improved T. molitor larvae with strong nutritional and bioactive characteristics. In the first attempt to boost the nutritional value of the larvae, the albedo of orange peels (25% w/w of the whole fruit) was used, as it is rich in antioxidants like vitamin C, carotenoids, and phenolic compounds. Diets included 10%, 17.5%, and 25% albedo mixed with wheat bran, while control larvae were fed exclusively with wheat bran. The addition of albedo proved beneficial for larval growth and nutritional value. At 17.5% and 25% albedo, a significant increase in growth was observed without negative effects on survival. Even at 10% albedo, there was a 13.18% increase in crude protein content, reaching 37.05% with 25% albedo. Meanwhile, fat and carbohydrate levels decreased due to the sharp rise in protein content. Noteworthy increases were observed in vitamin A (by 85%, 144%, and 198% for diets containing 10%, 17.5%, and 25% albedo, respectively) and vitamin C. Additionally, polyphenol levels increased by 15.6%, 23.4%, and 31.8% for the respective albedo percentages compared to the control group, enhancing the larvae’s antioxidant activity. Overall, using 25% orange peels is highly recommended for T. molitor rearing as it offers multiple benefits in growth and nutritional composition. Furthermore, incorporating orange peel albedo in the larvae's diet helps reduce the cost of mass rearing protocols, making the entire production process feasible through waste management strategies. In the second attempt to improve the nutritional value of T. molitor larvae, the leaves of Moringa oleifera (M. oleifera) were used as a dietary supplement. Moringa oleifera is a highly nutritious, multi-purpose plant whose various parts can be used for food or commercial purposes. Its leaves, in particular, are extremely rich in proteins, providing all essential amino acids required by the human body, as well as high levels of total polyphenols and vitamins like C, β -carotene, and ash. The examined diets included 100% wheat bran (control sample) and various mixtures of Moringa oleifera leaves with wheat bran: 10, 25, and 50%. The results showed that larval growth was positively affected. By the sixth week (final growth stage), larvae fed on enriched diets had weights between 62 mg and 70 mg, significantly higher than the control group (54 mg). Crude protein content increased by 22.61% with the 50% M. oleifera leaf diet compared to the control sample (p < 0.05). This increase in protein correlated with a reduction in carbohydrates, total fat, and caloric content. Moreover, β -carotene and vitamin A levels rose between 129% and 491.63%. Vitamin C content also increased, with the control larvae having significantly lower amounts compared to those fed with 50% Moringa oleifera leaves (p < 0.05). Antioxidant activity also improved in the larvae fed with the mixtures. In conclusion, adding M. oleifera leaves to the diet of T. molitor larvae proves beneficial in enhancing their nutritional value, improving protein, vitamin, and antioxidant content. The 50% M. oleifera diet offers significant advantages, making the larvae more nutritious and sustainable for human consumption, opening new avenues for sustainable food production and circular economy in insect farming. The efforts to enhance the nutritional value of T. molitor larvae concluded with the use of varying percentages of spent coffee grounds mixed with wheat bran. This by-product was chosen as coffee grounds are one of the largest food industry waste products, generated annually after coffee roasting and brewing. The coffee grounds were added at 10% and 25% levels, mixed with wheat bran, while larvae fed with 100% wheat bran served as the control sample. The addition of spent coffee grounds slightly reduced the larvae’s survival rate but did not affect their weight gain. A diet of 25% spent coffee grounds proved highly beneficial, boosting the larvae's vitamin and polyphenol content, as well as their antioxidant capacity. The production of new protein-rich foods is facilitated, with a 45.26% increase in crude protein content observed in larvae fed with 10% spent coffee grounds. Additionally, vitamin C levels increased by 81.28%, and vitamin A by 822.79% in samples reared on 25% spent coffee grounds. This study further supports the idea that insects can effectively consume a wide range of products and absorb the nutrients available in their diet. Moreover, it highlights the potential of T. molitor larvae to become one of the most nutrient-rich sources of animal protein. Considering the positive impact of the examined by-products on enhancing the growth and nutritional value of T. molitor larvae, specific T. molitor-based flours were selected for the preparation of innovative and nutritionally enriched foods. First, flour made from larvae raised on conventional feed was selected, followed by larvae fed with 10% spent coffee grounds. The latter sample was chosen because it exhibited the highest protein content among all enriched larvae. The addition of insect flour from larvae reared with 10% coffee by-product proved more than sufficient, as protein content increased by 24.56% compared to the conventional biscuit and by 10.32% compared to the biscuit containing flour from conventionally fed larvae. At the same time, total fat content showed an increase of 12.10%, while carbohydrates decreased by 6.60% between the first two biscuits being compared. As for the sensory characteristics, the only significant difference was observed in the color of the biscuits, where the one enriched with larvae fed with 10% coffee by-product exhibited a distinct darker brown color compared to the conventional biscuit. Notably, the aforementioned product was also found to have a slightly sweeter and more pleasant taste. These findings highlight the substantial value of incorporating nutrient-enriched larvae into food production, as it can significantly enhance the nutritional value of the product while reducing both the economic and environmental costs, associated with raw material farming. The preservation of organoleptic properties to a large extent, combined with the darker color and slightly sweeter taste, suggests that the product could find a place in the market as a healthy alternative choice without posing challenges to consumer acceptance.

Η προνύμφη του Tenebrio molitor L. – T. molitor (Coleoptera: Tenebrionidae) έχει αναγνωριστεί από το 2021 ως ένα από τα εγκεκριμένα έντομα για ανθρώπινη κατανάλωση από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ε.Ε.). Αυτό το έντομο έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, καθώς διαθέτει υψηλή διατροφική αξία, σύντομο κύκλο ζωής και αποδοτική χρήση πόρων. Παράλληλα, δεν απαιτεί μεγάλες ποσότητες νερού ή εκτενείς εγκαταστάσεις για την εκτροφή του. Η διατροφική αξία του T. molitor οφείλεται στο υψηλό ποσοστό καθαρής πρωτεΐνης και λίπους, καθώς και στην πλούσια περιεκτικότητα σε απαραίτητα αμινοξέα, λιπαρά οξέα, ιχνοστοιχεία και μέταλλα. Παρά την αξιοσημείωτη θρεπτική τους αξία, οι προνύμφες του εντόμου αυτού παρουσιάζουν ελλείψεις σε βιταμίνες C και A, β-καροτένιο, καθώς και σε αντιοξειδωτικά στοιχεία όπως οι πολυφαινόλες, που έχουν έντονη αξία και οφέλη για την ανθρώπινη υγεία. Το κύριο αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής έρευνας είναι η ενίσχυση της ανάπτυξης και της θρεπτικής αξίας των προνυμφών Tenebrio molitor μέσω του διατροφικού τους υποστρώματος, ακολουθώντας τις αρχές της κυκλικής οικονομίας, και η ενσωμάτωσή του αλεύρου των πιο πρωτεϊνικά πλούσιων προνυμφών, σε ένα προϊόν που είναι θρεπτικά φτωχό αλλά δυνητικά ευρέως καταναλώσιμο. Για την επίτευξη αυτού του στόχου, η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στην αξιοποίηση υποπροϊόντων και προϊόντων της βιομηχανίας τροφίμων και της αγροβιομηχανίας, τα οποία είναι πλούσια στα προαναφερθέντα θρεπτικά στοιχεία, ως διατροφικά υποστρώματα εκτροφής των προνυμφών T. molitor (σε συνδυασμούς με το κύριο διατροφικό τους υπόστρωμα, το πίτουρο σίτου). Η ορθολογική διαχείριση των παραπροϊόντων του πρωτογενούς τομέα αποσκοπεί στην ανάπτυξη νέων και βελτιωμένων προνυμφών Tenebrio molitor με έντονα θρεπτικά και βιοδραστικά χαρακτηριστικά. Στην πρώτη προσπάθεια ενίσχυσης της θρεπτικής αξίας των προνυμφών, χρησιμοποιήθηκε το albedo της φλούδας πορτοκαλιού (25% w/w ολόκληρου του φρούτου), το οποίο είναι πλούσιο σε αντιοξειδωτικές ενώσεις όπως η βιταμίνη C, καροτενοειδή και φαινολικές ενώσεις. Οι δίαιτες περιλάμβαναν 10%, 17,5% και 25% albedo αναμεμιγμένο με πίτουρο σίτου, ενώ οι προνύμφες μάρτυρας εκτράφηκαν αποκλειστικά με πίτουρο σίτου. Η προσθήκη albedo αποδείχθηκε ευεργετική για την ανάπτυξη και τη θρεπτική αξία των προνυμφών. Με την προσθήκη 17,5% και 25% albedo, παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση στην ανάπτυξή τους χωρίς αρνητικές επιπτώσεις στην επιβίωση. Παράλληλα, ακόμη και με 10% albedo, υπήρξε αύξηση 13,18% στην περιεκτικότητα της ακατέργαστης πρωτεΐνης των προνυμφών, φτάνοντας το 37,05% με την κατανάλωση 25% albedo. Παράλληλα, η περιεκτικότητα σε λίπος και υδατάνθρακες μειώθηκαν, λόγω της έντονης αύξησης των πρωτεϊνών. Αξιοσημείωτη είναι η αύξηση των βιταμινών A (οι προνύμφες που τράφηκαν με δίαιτα που περιείχε 10%, 17,5% ή 25% φλούδας πορτοκαλιού - albedo παρουσίασαν σημαντική αύξηση κατά 85%, 144% και 198%, αντίστοιχα) και C. Επιπρόσθετα, αξιοσημείωτη είναι η ενίσχυση των πολυφαινολών (αύξηση 15,6%, 23,4% και 31,8% σε σύγκριση με τις προνύμφες ελέγχου για αυτές που τράφηκαν με δίαιτα που περιείχε 10%, 17,5% ή 25% albedo, αντίστοιχα), καθώς και η βελτίωση της αντιοξειδωτικής δράσης. Συνολικά, η χρήση 25% φλοιών πορτοκαλιού συνιστάται ιδιαίτερα για την εκτροφή, καθώς προσφέρει πολλαπλά πλεονεκτήματα που αφορούν διάφορες ποσοτικές και ποιοτικές παραμέτρους, όπως η ανάπτυξη και η θρεπτική σύνθεση των προνυμφών. Επιπλέον, η προσθήκη albedo από φλούδα πορτοκαλιού στη διατροφή του είδους συμβάλει στη μείωση του κόστους της μαζικής εκτροφής, καθιστώντας ολόκληρη τη διαδικασία παραγωγής μια πιο οικονομικά βιώσιμη επιλογή για την εκτροφή εντόμων. Στη δεύτερη προσπάθεια ενίσχυσης της θρεπτικής αξίας των προνυμφών του T. molitor, χρησιμοποιήθηκαν τα φύλλα του M. oleifera ως πρόσθετο στοιχείο στη διατροφή τους. Το φυτό M. oleifera είναι ένα πολύ θρεπτικό φυτό πολλαπλών χρήσεων με υψηλή θρεπτική αξία, κάθε μέρος του οποίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για διατροφικούς είτε για εμπορικούς σκοπούς. Ιδιαίτερης σημασίας είναι τα φύλλα του φυτού αυτού διότι είναι εξαιρετικά πλούσια σε πρωτεΐνη, παρέχοντας όλα τα απαραίτητα αμινοξέα που απαιτούνται από το ανθρώπινο σώμα, ολικές πολυφαινόλες, βιταμίνες όπως η βιταμίνη C, β-καροτένιο και τέφρα. Οι δίαιτες που εξετάστηκαν περιλάμβαναν 100% πίτουρο σίτου (δείγμα ελέγχου) και διάφορους συνδυασμούς φύλλων με πίτουρο σίτου: 10%, 25% και 50% προσθήκη φύλλων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ανάπτυξη των προνυμφών επηρεάστηκε θετικά με την ύπαρξη φύλλων στη δίαιτά τους. Στη διάρκεια της έκτης εβδομάδας (τελικό στάδιο ανάπτυξης), οι προνύμφες που τρέφονταν με τις εμπλουτισμένες δίαιτες περιείχαν βάρη μεταξύ 62 και 70 mg, σημαντικά υψηλότερα από την ομάδα ελέγχου (54 mg). Η περιεκτικότητα σε ακατέργαστη πρωτεΐνη παρουσίασε αύξηση 22,61% με τη δίαιτα 50% φύλλων σε σύγκριση με το δείγμα ελέγχου (p < 0,05). Αυτή η αύξηση της πρωτεΐνης συσχετίστηκε με τη μείωση των υδατανθράκων, του ολικού λίπους και του θερμιδικού προφίλ των αντίστοιχων προνυμφών. Παράλληλα, τα επίπεδα β-καροτενίου και βιταμίνης Α αυξήθηκαν από 129% έως 491,63% με την προσθήκη φύλλων στη δίαιτά τους. Η περιεκτικότητα σε βιταμίνη C παρουσίασε επίσης αύξηση, με τις προνύμφες της ομάδας ελέγχου να περιέχουν μια στατιστικώς σημαντικά μειωμένη περιεκτικότητα σε σχέση με τις προνύμφες που εκτράφηκαν με 50% φύλλα. Σημαντική ήταν επίσης η αύξηση της αντιοξειδωτικής δράσης στις προνύμφες που τρέφονταν με τα μείγματα. Συμπερασματικά, η προσθήκη φύλλων του M. oleifera στη δίαιτα των προνυμφών του T. molitor αποδεικνύεται ευεργετική στην αύξηση της θρεπτικής τους αξίας, βελτιώνοντας την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες, βιταμίνες και αντιοξειδωτική δράση. Η δίαιτα με 50% φύλλων προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα, καθιστώντας τις προνύμφες πιο θρεπτικές και βιώσιμες για ανθρώπινη κατανάλωση, και ανοίγει νέες προοπτικές για τη βιώσιμη διατροφή και την κυκλική οικονομία στον τομέα της εκτροφής εντόμων. Οι προσπάθειες ενίσχυσης της θρεπτικής αξίας των προνυμφών του T. molitor ολοκληρώθηκαν με την χρήση διάφορων ποσοστών αναλωμένων κόκκων καφέ αναμειγμένων με πίτουρο σίτου. Η επιλογή του υποπροϊόντος αυτού έγκειται στο ότι μεταξύ των μεγαλύτερων υποπροϊόντων που παράγονται και απορρίπτονται ετησίως, είναι τα υπολείμματα που παράγονται μετά το ψήσιμο και την παρασκευή καφέ. Ο αναλωμένος κόκκος καφέ περιέχει βιοδραστικές ενώσεις, κυρίως πολυφαινόλες, οι οποίες είναι γνωστές για τις αντιοξειδωτικές τους ιδιότητες. Η προσθήκη ψημένων κόκκων καφέ έγινε σε ποσοστά 10 και 25% αναμειγμένα με πίτουρο σίτου, ενώ οι προνύμφες που είχαν εκτραφεί με 100% πίτουρο σίτου αποτελέσαν το δείγμα ελέγχου. Η προσθήκη ψημένων κόκκων καφέ κατέγραψε μια μικρή μείωση στην επιβίωσή των προνυμφών, χωρίς να επηρεάζεται η αύξηση του βάρους τους. Το διατροφικό υπόστρωμα που αποτελείται από 25% αναλωμένους κόκκους καφέ αποδείχθηκε εξαιρετικά ωφέλιμο για τις προνύμφες Tenebrio molitor, ενισχύοντας την περιεκτικότητά τους σε βιταμίνες και πολυφαινόλες, καθώς και την αντιοξειδωτική τους ικανότητα. Επιπλέον, ο στόχος της παραγωγής νέων τροφών πλούσιων σε πρωτεΐνες, επιτυγχάνεται με την 45,26% αύξηση της περιεκτικότητας σε ακατέργαστη πρωτεΐνη στις προνύμφες μετά την εκτροφή τους με 10% προσθήκη ψημένων κόκκων καφέ. Επιπροσθέτως, παρατηρείται αύξηση της βιταμίνης C κατά 81,28% και της βιταμίνης Α κατά 822,79% στα δείγματα που εκτρέφονται με 25% ψημένους κόκκους καφέ. Και η παρούσα μελέτη τεκμηριώνει περαιτέρω την ιδέα ότι τα έντομα μπορούν να καταναλώνουν αποτελεσματικά ένα ευρύ φάσμα προϊόντων και να απορροφούν αποτελεσματικά τα θρεπτικά συστατικά που προσφέρονται στη διατροφή τους. Λαμβάνοντας υπόψιν το θετικό αντίκτυπο που είχαν τα εξετασθέντα υποπροϊόντα στην ενίσχυση της ανάπτυξης και της θρεπτικής αξίας των προνυμφών T. molitor, έγινε επιλογή των αλεύρων T. molitor που θα χρησιμοποιηθούν για την παρασκευή καινοτόμων και θρεπτικά ενισχυμένων τροφίμων. Συγκεκριμένα παρασκευάστηκε προϊόν αρτοποιίας με εντομάλευρο από προνύμφες που εκτράφηκαν με συμβατική τροφή (πίτουρο σίτου) καθώς και ένα προϊόν αρτοποιίας με εντομάλευρο από προνύμφες που εκτράφηκαν με προσθήκη 10% ψημένων κόκκων καφέ. Το τελευταίο δείγμα επιλέχθηκε διότι εμφάνισε υψηλότερη περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη απ’ όλες τις ενισχυμένες προνύμφες που αναπτύχθηκαν. Η προσθήκη του εντομάλευρου από τις προνύμφες που είχαν εκτραφεί με 10% υποπροϊόντος καφέ αποδεικνύεται περισσότερο από επαρκής, καθώς η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη αυξήθηκε κατά 24.56% σε σχέση με το συμβατικό μπισκότο, και κατά 10,32% σε σχέση με το μπισκότο που περιείχε αλεύρι από συμβατικές προνύμφες T. molitor. Παράλληλα, το ολικό λίπος εμφάνισε αύξηση κατά 12,10% ενώ οι υδατάνθρακες μειώθηκαν κατά 6.60%, συγκρίνοντας το ενισχυμένο με προνύμφες που εκτράφηκαν με υποπροϊόντα καφέ μπισκότο με το συμβατικό. Όσον αφορά τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά, η μόνη ουσιαστική διαφορά εμφανίζεται στο χρώμα των μπισκότων, όπου το ενισχυμένο, με προνύμφες που εκτράφηκαν με 10% υποπροϊόντος καφέ, εμφανίζει χαρακτηριστικά πιο σκούρο καφέ χρώμα σε σύγκριση με το συμβατικό. Βέβαια, αξίζει να σημειωθεί ότι στο προαναφερθέν προϊόν παρατηρήθηκε, επιπλέον, μία ελαφρώς πιο γλυκιά/ ευχάριστη γεύση. Τα αποτελέσματα αυτά καταδεικνύουν την ουσιαστική αξία της ενσωμάτωσης προνυμφών εμπλουτισμένων με θρεπτικά συστατικά στην παραγωγή τροφίμων, καθώς μπορεί να αυξήσει σημαντικά τη θρεπτική αξία του προϊόντος ενώ ταυτόχρονα μειώνεται τόσο το οικονομικό όσο και το περιβαλλοντικό κόστος που σχετίζεται με την εκτροφή πρώτων υλών. Η διατήρηση των οργανοληπτικών χαρακτηριστικών σε μεγάλο βαθμό, σε συνδυασμό με το πιο σκούρο χρώμα και την ελαφρώς πιο γλυκιά γεύση του, υποδηλώνουν ότι το προϊόν μπορεί να βρει θέση στην αγορά ως μια υγιής εναλλακτική λύση χωρίς να θέτει προκλήσεις στην αποδοχή των καταναλωτών.