Emulsion-based encapsulation systems stabilized with insect proteins: Production with premix microporous emulsification

Abstract

El principal objectiu fou produir sistemes d’encapsulació basats en emulsions emprant ingredients i tecnologies sostenibles. S’han combinat amb èxit la concentració per osmosi directa i la emulsificació per membranes en la valorització d’extracte de polifenol de garrofa. Especies d’insectes amb potencial per ser comercialitzades s’han valorat com a emulsificants. Fraccions proteiques de larva de mosca de soldat negre (BSFPC, Hermetia illucens) i d’escarabat búfal (LMPC, Alphitobius diaperinus) s’han utilitzat per estabilitzar emulsions simples i múltiples mitjançant emulsificació amb membranes dinàmiques de porositat controlada. BSFPC presenta millors resultats que la proteïna de sèrum de llet (WPI) per l’estabilització d’emulsions d’oli de llimona amb una fracció d’oli del 40%. Per emulsions d’oli de gira-sol, BSFCP es comporta de forma similar a WPI. En emulsions W1/O/W2, LMPC es comporta de manera similar a WPI i a la proteïna de pèsol (PPI) durant cicles de congelació-descongelació, en medi àcid i bàsic i durant l’emmagatzematge a diferents condicions. A més, mostra millors propietats que WPI i PPI per estabilitzar emulsions a 90ºC, indicant els avantatges d’utilitzar-les en aliments que han de passar per tractaments tèrmics. En canvi, no poden igualar l’estabilitat de les emulsions amb WPI quan es varia el gradient de pressió osmòtica entre les dues fases aquoses. S’ha comprovat l’eficàcia de les proteïnes d’insecte per encapsular un polifenol comercial en sistemes sòlids a partir d’emulsions W1/O/W2 assecades per atomització o liofilització. En el procés de fraccionament de proteïnes s’ha comprovat que solvents verds, com l’etanol, isopropanol i 2-metiltetrahidrofurà, es poden utilitzar alternativament a l’hexà en el desgreixat de molturats d’insecte. El rendiment d’extracció i les propietats emulsificants de les proteïnes resultants confirmen l’eficàcia d’aquests solvents. El resultats demostren que els concentrats de proteïna d’insectes utilitzats són una bona alternativa a les proteïnes làctiques o de plantes per la producció de sistemes d’encapsulació basats en emulsions.

El principal objetivo fue producir sistemas de encapsulación basados en emulsiones utilizando ingredientes y tecnologías sostenibles. Se han combinado con éxito la concentración por ósmosis directa y la emulsificación por membranas en la valorización de extracto de polifenol de algarroba. Especies de insectos con potencial para ser comercializadas se han valorado como emulsificantes. Fracciones proteicas de larva de mosca de soldado negro (BSFPC, Hermetia illucens) y de escarabajo búfalo (LMPC, Alphitobius diaperinus) se han utilizado para estabilizar emulsiones simples y múltiples mediante emulsificación con membranas dinámicas de porosidad controlada. BSFPC presenta mejores resultados que la proteína de suero de leche (WPI) para la estabilización de emulsiones de aceite de limón con una fracción de aceite del 40%. En emulsiones de aceite de girasol, BSFCP se comporta de forma similar a WPI. En emulsiones W1/O/W2, LMPC actúa como WPI y la proteína de guisante (PPI) durante los ciclos de congelación-descongelación, en medio ácido y básico y durante el almacenamiento en diferentes condiciones. Además, muestra mejores propiedades que WPI y PPI para estabilizar emulsiones a 90ºC, indicando la ventaja de utilizarlas en alimentos que tienen que pasar por tratamientos térmicos. En cambio, no pueden igualar la estabilidad de las emulsiones con WPI cuando se varía el gradiente de presión osmótica entre las dos fases acuosas. Se ha comprobado la eficacia de las proteínas de insecto para encapsular un polifenol comercial en sistemas sólidos a partir de emulsiones W1/O/W2 secadas por atomización o liofilización. En el proceso de fraccionamiento de proteínas se ha comprobado que solventes verdes, como el etanol, isopropanol y 2-metiltetrahidrofurano, se pueden utilizar alternativamente al hexano en el desengrasado de molturados de insecto. Los resultados demuestran que los concentrados de proteína de insectos utilizados son una buena alternativa a las proteínas lácteas o de plantas para la producción de sistemas de encapsulación basados en emulsiones.

The focus of the thesis is to produce emulsion-based encapsulation systems using both sustainable ingredients and technologies. Specifically, valorisation of an agri-food by product (carob pulp polyphenol) was proved feasible coupling forward osmosis for concentration and membrane emulsification for encapsulation. Insect powder defatting by solvent extraction was investigated using green solvents (ethanol, isopropanol, and 2-methyltetrahydrofuran), paying special attention to defatting yield and the techno-functional properties of the resulting protein fractions, particularly emulsifying ability. Single and double emulsions stabilised with sustainable protein sources from insects, black soldier fly (Hermetia illucens) and lesser mealworm (Alphitobius diaperinus) larvae, have been successfully produced for the first time by a low-energy high-throughput emulsification technology based on dynamic membranes of tunable pore size (DMTS). H. illucens protein concentrate showed superior ability to stabilize higher lemon oil fraction (40 wt%) compared to whey protein isolate. A commercial polyphenol extract was encapsulated in W1/O/W2 emulsions stabilised with A. diaperinus protein concentrate. These emulsions displayed a comparable stability under freeze-thaw cycles, storage conditions, acidic, and alkaline conditions than the ones stabilized with WPI, and better than the ones stabilized with pea protein. However, they were less able to withstand osmotic pressure differences compared to whey protein. Insect protein stabilized W1/O/W2 emulsions showed less changes in droplet size distribution at the highest temperature tested (90ºC) than the ones stabilized with whey or pea protein, pointing out the benefit of using insect proteins in emulsions that need to undergo heat treatment. Solid microcapsules were successfully produced from refined polyphenol loaded W1/O/W2 emulsions stabilized with insect protein by spray drying or freeze drying. The results demonstrate the insect protein concentrates assessed are a promising sustainable ingredient to replace diary and plant proteins in the emulsion-based encapsulation systems.