Insect protein extraction and fractionation via microwave, pH-shifting, and membrane separation: strategies towards innovative food ingredients from sustainable sources

Abstract

Aquesta tesi investiga mètodes ecològics per a l’extracció i fraccionament de proteïnes d’insectes comestibles, amb l’objectiu d’obtenir fraccions amb propietats tecno-funcionals i bioactives millorades. Es van estudiar tres enfocaments: extracció alcalina assistida per microones (MAAE), modificació del pH (pH-shifting) i separació mitjançant membranes, com a alternatives sostenibles als mètodes convencionals. Es van seleccionar quatre espècies: cuc de la farina (Tenebrio molitor), grill de casa (Acheta domesticus), saltamartí (Locusta migratoria) i mosca soldat negra (Hermetia illucens). L’MAAE, tècnica d’extracció suau i efectiva, va incrementar el rendiment proteic, especialment en els grills, tot i que els efectes sobre les propietats emulsificants i espumants van ser variables. La modificació del pH va millorar les funcionalitats proteiques alterant les seves propietats estructurals i fisicoquímiques. Les proteïnes de grill i saltamartí van mantenir la capacitat emulsificant i van augmentar la capacitat espumant, indicant potencial per a aliments basats en emulsions i escumes. L’ultrafiltració (UF) amb membrana de 30 kDa va millorar les propietats interfacials de les fraccions proteiques. La disminució de la concentració proteica va incrementar el flux de permeat per a cuc de la farina, però no per a mosca soldat negra, mostrant la influència de la composició proteica. Un lleu augment del pH va millorar el flux del permeat de mosca soldat negra i va afectar les tendències tecno-funcionals segons l’espècie.

Esta tesis investiga métodos ecológicos para la extracción y fraccionamiento de proteínas de insectos comestibles, con el objetivo de obtener fracciones con propiedades tecno-funcionales y bioactivas mejoradas. Se estudiaron tres enfoques: extracción alcalina asistida por microondas (MAAE), modificación del pH (pH-shifting) y separación mediante membranas, como alternativas sostenibles a los métodos convencionales. Se seleccionaron cuatro especies: gusano de harina (Tenebrio molitor), grillo doméstico (Acheta domesticus), saltamontes (Locusta migratoria) y mosca soldado negra (Hermetia illucens). La MAAE, técnica de extracción suave y efectiva, aumentó el rendimiento proteico, especialmente en grillos, aunque los efectos sobre las propiedades emulsionantes y espumantes fueron variables. La modificación del pH mejoró las funcionalidades proteicas alterando sus propiedades estructurales y fisicoquímicas. Las proteínas de grillo y saltamontes mantuvieron la capacidad emulsionante y aumentaron la capacidad espumante, indicando potencial para alimentos basados en emulsiones y espumas. La ultrafiltración (UF) con membrana de 30 kDa mejoró las propiedades interfaciales de las fracciones proteicas. La reducción de la concentración proteica aumentó el flujo de permeado de gusano de harina, pero no de mosca soldado negra, mostrando la influencia de la composición proteica. Un leve aumento del pH mejoró el flujo de permeado de mosca soldado negra y afectó las tendencias tecno-funcionales según la especie.

This thesis investigates environmentally friendly methods for extracting and fractionating proteins from edible insects to obtain fractions with improved techno-functional and bioactive properties. Three approaches were studied: microwave-assisted alkaline extraction (MAAE), pH-shifting, and membrane-based separation, providing sustainable alternatives to conventional methods. Four insect species were selected: mealworm (Tenebrio molitor), house cricket (Acheta domesticus), grasshopper (Locusta migratoria), and black soldier fly (Hermetia illucens). MAAE as a mild and effective extraction technique, an increase protein yield was observed particularly for cricket with irradiation energy but had inconsistent effects on emulsifying and foaming properties. pH-shifting, as a chemical modification method, improved the protein functionalities by altering structural and physicochemical properties. Cricket and grasshopper proteins maintained emulsifying capacity while increasing foaming ability after alkaline treatment, suggesting potential for emulsion- and foam-based foods. Ultrafiltration (UF) enhanced protein fractions’ interfacial properties using a 30 kDa membrane. Lowering protein concentration improved permeate flux for mealworm protein but not BSF, highlighting the influence of protein composition. Slight increase in pH improved BSF permeate flux and influenced techno-functional trends depending on the insect. Cricket permeate at pH 7 showed collagenase inhibition and no cytotoxicity, indicating cosmetic application potential.