Management with micronutrient composition of entomoproducts by edible insects’ feeding schedule optimisation

• Nadezhda V. Tyshko
• Kseniya A. Timoshenko
• Svetlana I. Shestakova
• Vladimir A. Zotov

Abstract

The trend to the modern food industry’s reorientation into the manufacturing of food with increased nutritional density, enriched, among other things, with complete protein, leads to the need to expand the raw material base and search for non-traditional protein sources, among which insects are considered to be a very promising resource. The insects species composition, the food use of which is approved in countries that previously had no tradition of using such raw materials, is represented by ubiquitous synanthropic organisms that have accompanied mankind for thousands of years – the mealybug (Tenebrio molitor), house cricket (A. domesticus) and others. In particular, A. domesticus belongs to polyphagous species that feed both plant and animal substrates, producing their own complete protein. Based on the results of our own research and analysis of literature data, the chemical composition of arthropods potentially used for food purposes requires careful control due to the possible risk of excessive content of mineral components. Both regulation of feed composition and feeding schedule of insects, taking into consideration their age and species affiliation, can be considered as risk management methods.

The purpose of the research was the investigation of the influence of feeding schedule on the micronutrient (mineral) composition of house cricket A. domesticus biomass.

Material and methods. The A. domesticus house cricket produced by ONTO LLC was used for this research. Elemental analysis of 8 insect samples was carried out. The content of potassium, sodium, calcium, magnesium, manganese, cobalt, chromium, nickel, iron, copper, zinc, lead and cadmium in insect biomass samples was determined by atomic absorption spectroscopy. The element composition of cricket biomass (age of the 6^th moult and adults) obtained under different feeding schedule was assessed from the view point of the possibility for using insects as a source of relevant mineral substances, for which the element content in biomass was compared with the norms of physiological requirements for humans.

Results. In insect samples kept under conditions of stable feed supply, the content of calcium, iron, copper, zinc and manganese increased with insect growth, reaching a maximum level at the stage of the 6^th moult and decreasing when the adult age was reached. At all stages of insect growth, incubation without food for 24 hours resulted in a 45% decrease in the content of copper and zinc, a 33% decrease in calcium and manganese, and a 15% decrease in iron. No effect of insect feeding schedule on the content of potassium, sodium, magnesium, and chromium, as well as lead and cadmium in biomass was revealed.

Conclusion. House crickets can serve a source of minerals and trace elements in the human diet, and there is a risk of excessive intake of mineral elements when using raw materials from A. domesticus in food. In spite of the fact that the results of the conducted studies indicate the possibility of adjusting the elemental composition of cricket biomass by changing the feed formulation and feeding regimes, when developing hygienic (sanitary and chemical) standards for novel objects of technical regulation – raw materials and food derived from insects, it is necessary to take into consideration the variability of mineral composition and include manganese, copper, zinc and chromium in the list of controlled indicators.

Keywords: novel insect-derived food; safety assessment; element composition; mineral; trace element; alternative protein sources; entomoprotein

Популяризация здорового образа жизни и доступность информации о правильном питании привели к значительным изменениям пищевых привычек современного человека, сводящихся к стремлению потреблять меньше углеводов и жиров, соблюдая баланс пищевых веществ и при необходимости повышая долю белка, витаминов и эссенциальных элементов в ежедневном рационе. Такое увеличение спроса на полноценный белок усиливает нагрузку на сельскохозяйственный и производственный сектор промышленности: в соответствии с прогнозами Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций, к 2050 г. потребность в белке может дополнительно увеличиться на 50%, что более чем на 260 млн тонн превышает современные объемы производства пищевого и кормового протеина [1, 2]. Для удовлетворения растущих потребностей в полноценном белке необходимо развивать сырьевую базу, включая альтернативные источники белка, проводить оптимизацию технологических процессов, позволяя в том числе свести к минимуму воздействие на окружающую среду [3-5]. В качестве альтернативного сырья могут использоваться как традиционно потребляемые человеком продукты, подвергнутые технологической обработке, например бобовые и получаемые из них аналоги мяса [6, 7], так и менее привычные продукты, например водоросли, микроорганизмы, насекомые, искусственно культивируемое мясо [8].

Несмотря на то что употребление насекомых в пищу - распространенная практика во многих культурах по всему миру [9], их применение в качестве альтернативного источника пищевого белка остается новым для стран Европы, Северной Америки и Евразийского экономического союза [10]. В этих странах основными источниками белка являются продукты сельскохозяйственной деятельности и морского промысла, в который входит добыча ракообразных, имеющих длительную историю пищевого использования во всем мире. Такие морские и пресноводные деликатесы, как креветки, омары, крабы, раки, являются ближайшими родственниками насекомых и относятся к тому же типу - членистоногие, чья роль в экосистемах весьма обширна и во многом определяется участием в переработке органических субстратов. Кормовая база большинства членистоногих включает ткани животного и растительного происхождения, обеспечивая стабильность круговорота питательных веществ, в частности азота.

В странах, не имевших опыта пищевого применения насекомых, были выделены несколько видов наземных членистоногих, относящихся к перспективным источникам пищевого белка - желтый мучной червь (Tenebriomolitor), перелетная саранча (Locustamigratoria) и малый мучной червь (Alphitobiusdiaperinus), а также домашний сверчок (Achetadomesticus) [11]. Эти насекомые неприхотливы в условиях содержания и в основном относятся к повсеместно распространенным синантропным видам, сопровождавшим человечество на протяжении тысячелетий. В частности, A. domesticus относится к полифагам, питающимся субстратом как растительного, так и животного происхождения, продуцируя на его основе собственный полноценный белок, составляющий 60-75% массы тела насекомого в пересчете на сухой вес, а также может служить источником жирных кислот, минеральных веществ и витаминов [12]. Следует отметить, что минеральный состав насекомых, выращенных в искусственных условиях, может быть оптимизирован с учетом физиологических потребностей человека, ведь макро- и микроэлементы относятся к незаменимым факторам питания, с самыми разнообразными функциями обеспечения поддержания кислотно-щелочного равновесия, регулирования водно-солевого обмена, передачи нервных импульсов, мышечных расслаблений/сокращений. Кроме того, минеральные элементы являются кофакторами ферментативных систем и компонентами сложных белков, участвуют в регуляции клеточного метаболизма и должны постоянно поступать в организм с пищей и водой [13].

Кроме высокой пищевой ценности, можно отметить высокую скорость роста A. domesticus. Культивирование сверчка до взрослой особи занимает примерно 2 мес от вылупления и включает 3 стадии развития: яйцо, нимфу и имаго (взрослое насекомое). В отличие от личиночной стадии, стадия нимфы сходна со взрослыми особями по внешним признакам, но отличается от них меньшими размерами, недоразвитым половым аппаратом и крыльями. Метаморфоза нимфы в имаго проходит за 9-11 линек в зависимости от условий содержания и корма. Продолжительность жизни взрослой особи сверчка обычно составляет 3 мес. В пищевых целях могут быть использованы как взрослые насекомые (имаго), так и подросшие до 6-9-й линьки (предимаго), все еще не достигшие по размеру взрослой особи, но содержащие меньшее количество хитина [14, 15].

Промышленное разведение домового сверчка предполагает использование специальных ферм, где в контролируемых условиях выращивают селекционированные популяции насекомых. В помещениях, где содержатся сверчки, поддерживаются стабильные температура и влажность, при этом сами насекомые находятся в специализированных контейнерах и разделены по стадиям развития. После достижения A. domesticus нужного возраста насекомых подвергают бланшированию, в том числе для обеспечения микробиологической безопасности, и конвекционной сушке. Далее биомасса сверчка проходит технологическую переработку, направленную на измельчение и/или получение отдельных фракций, таких как белковые концентраты и жиры [16, 17].

Выращивание насекомых таким методом позволяет получать биомассу, элементный состав которой может зависеть от нескольких факторов, включая состав корма и взаимодействие между его компонентами, влияющие на пищеварение и доступность элементов, а также вид насекомых и стадию роста, при этом исключаются факторы окружающей среды, такие как уровни загрязнения или естественные концентрации в зоне обитания [18]. Имеющиеся в доступной литературе данные по исследованию химического состава и содержания микронутриентов показывают, что состав A. domesticus не вызывает опасений с точки зрения аккумуляции вредных веществ [11, 19]. При сравнении химического состава насекомых с привычными источниками белка было показало, что домашние сверчки A. domesticus и перелетная саранча L. migratoria содержат схожие количества цинка и большее количество железа по сравнению с мясом курицы, свининой и говядиной, а концентрация железа и цинка в мучном хрущаке T. molitor выше, чем в мясе курицы и свинине, но ниже, чем в говядине [20]. При этом присутствие одних минеральных примесей может усиливать накопление других, например увеличенное содержание селена в корме A. domesticus, приводило к усилению накопления железа и алюминия [19-22].

Исходя из результатов собственных исследований и анализа данных литературы, химический состав членистоногих, потенциально используемых в пищевых целях, требует тщательного контроля из-за возможного риска избыточного содержания минеральных компонентов. Для этого в первую очередь требуется регулировать состав корма, учитывать вид и фазу роста насекомого. При работе с сельскохозяйственными животными влияние рациона и условий содержания частично снижается за счет возможности избирательного получения частей туши, используемых в пищу, без содержимого желудочно-кишечного тракта, что не доступно при работе с насекомыми. Однако избавить насекомых от остатков корма можно альтернативным методом - путем введения этапа выдержки без корма в течение ограниченного времени перед убоем.

Цель данного исследования - изучение влияния режима кормления на микронутриентный (минеральный) состав биомассы домового сверчка A. domesticus.

Материал и методы

Для работы использовали домового сверчка A. domesticus (ООО "ОНТО", РФ). Был проведен элементный анализ 8 образцов насекомых, из которых 1-4-й образцы были получены после 24 ч выдерживания без корма перед убоем, 5-8-й образцы - после стабильной подачи корма. Образцы были отобраны на 4 этапах взросления исследуемых насекомых: в возрасте 2, 4, 6-й линьки и взрослых особей (имаго). Характеристика образцов приведена в табл. 1. Насекомых содержали в одинаковых условиях, включая состав корма. Отобранные образцы сверчка замораживали и гомогенизировали перед анализом.

Содержание калия, натрия, кальция, магния, марганца, кобальта, хрома и никеля в образцах биомассы насекомых определяли в 3 повторностях по Р 4.1.1672-03 "Руководство по методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище", железа, меди, цинка, свинца и кадмия - по ГОСТ 30178-96 "Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов".

Статистические исследования проведены с использованием Microsoft Office (Excel) 2021. Для характеристики вариационного ряда рассчитывали среднее арифметическое и стандартную ошибку среднего. Различия считали статистически значимыми при р≤0,05.

Оценку элементного состава биомассы сверчка (возраст 6-й линьки и имаго), полученного при разных режимах кормления, проводили с точки зрения возможности использования насекомых в качестве источника соответствующих минеральных веществ, для чего содержание элемента в биомассе сравнивали с нормами физиологических потребностей [МР 2.3.1.0253- 21 "Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации" и "Единые санитарно-эпидемиологические и гигиенические требования к продукции (товарам), подлежащей санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю)"]. Анализ содержания минеральных веществ проводили из расчета на 100 г биомассы, что соответствует вероятному уровню суточного потребления человеком (согласно расчетам, представленным в рекомендациях Commission Implementing Regulation (EU) 2022/188 of 10 February 2022 authorising the placing on the market of frozen, dried and powder forms of A. domesticus as a novel food).

Результаты и обсуждение

В аспекте безопасности пищевой продукции в первую очередь контролируется содержание токсичных элементов, однако негативное действие может проявляться и при поступлении эссенциальных веществ в дозах, превышающих нормы потребления. Первичный анализ риска избыточного поступления минеральных компонентов в составе биомассы насекомых предполагает такую возможность, свидетельствуя о необходимости изучения методов управления этим риском.

Результаты исследования элементного состава A. domesticus приведены на рис. 1, 2. В образцах насекомых со стабильной подачей корма концентрации меди, цинка, марганца, железа (см. рис. 1), а также кальция (см. рис. 2А) увеличивались по мере роста насекомых, максимальная концентрация достигалась в возрасте 6-й линьки, при этом у взрослых особей (имаго) содержание кальция и микроэлементов было достоверно ниже (р<0,05). В процессе роста содержание меди, цинка и марганца в биомассе сверчков, содержавшихся в условиях стабильной подачи корма, увеличивалось более чем на 100% (104-165%) в сравнении со сверчками, выдержанными без корма, у которых разница в содержании меди, цинка и марганца не превышала 60%. Накопление железа и кальция также происходило интенсивнее в биомассе сверчков, содержавшихся в условиях стабильной подачи корма (отличие минимального и максимального содержания в биомассе составляло 50%), а в образцах, прошедших голодный этап, концентрация кальция изменялась в пределах погрешности метода. Таким образом, концентрация меди, цинка, марганца, железа и кальция в образцах насекомых, прошедших голодный этап, была статистически значимо ниже (меди и цинка - на 45±3%, кальция и марганца - на 33±2%, железа - на 15±1%, р<0,05), чем в образцах насекомых при стабильной подаче корма.

Содержание калия, магния и натрия в образцах сверчка постепенно увеличивалось по мере роста насекомых, при этом сохранялась тенденция к более низкому содержанию этих элементов в образцах насекомых, прошедших "голодный" этап, однако достоверной зависимости отмечено не было (см. рис. 2).

Концентрация свинца и кадмия в исследованных образцах домового сверчка не превышала 1,0 мг/кг (значение соответствует требованиям безопасности, указанным в ТР ТС 021/2011 для пищевых продуктов животного происхождения, сходных с исследуемыми образцами по количеству белка, жира и влаги). Содержание хрома, увеличивавшееся при переходе на стадию имаго (взрослого насекомого) как у сверчков, стабильно получавших корм, так и у прошедших этап 24-часового голодания, не превышало 0,5 мг/кг. В целом для свинца, кадмия и хрома наблюдалось сохранение тенденции к поддержанию более высокой концентрации в образцах, полученных при стабильной подаче корма.

Во всех исследованных образцах биомассы сверчка содержание кобальта и никеля было ниже уровня чувствительности метода определения (≤0,01 мг/кг).

Оценка элементного состава биомассы сверчка с точки зрения возможности использования насекомых в качестве источников минеральных веществ продемонстрировала, что в 100 г образца сверчка возраста 6-й линьки, получавшего стабильное питание, содержание марганца и цинка не превышало адекватных суточных уровней потребления этих элементов для человека, тогда как содержание меди было выше адекватного уровня потребления почти на 20% (табл. 2), что может привести к негативным последствиям при включении такого продукта в рацион. Элементный состав насекомых того же возраста, прошедших "голодный" этап, обеспечивал поступление со 100 г биомассы всех микроэлементов в пределах норм физиологических потребностей человека.

Изучение биомассы взрослых сверчков продемонстрировало сходную картину в части влияния "голодного" этапа, позволившего снизить содержание в образцах марганца, меди и цинка в среднем в 2 раза (табл. 3).

Таким образом, изменение режима кормления приводило к снижению в биомассе насекомых концентрации меди, цинка, кальция, марганца и железа и не влияло на содержание калия, натрия, магния, свинца и кадмия.

Предупреждение избыточного поступления микронутриентов с пищей может быть достигнуто за счет более низкого уровня потребления такого продукта в рационе, например, допустимые уровни содержания кадмия, свинца и ртути в мясе и мясопродуктах в несколько раз ниже, чем в рыбе и нерыбных объектах промысла. Такая разница концентраций компенсируется нормами потребления в соответствии с Рекомендациями по рациональным нормам потребления пищевых продуктов, отвечающих современным требованиям здорового питания, утвержденными приказом Минздрава России от 19.08.2016 № 614: для мясных продуктов она составляет 73 кг в год (200 г/сут), а для рыбных - 22 кг в год (60 г/сут). Таким образом, несмотря на более высокие допустимые уровни содержания некоторых токсичных элементов в рыбных продуктах и невозможности их контролировать из-за условий промысла, риск избыточного поступления элементов регулируется посредством более низкого уровня потребления таких продуктов, что актуально для рыбы, моллюсков и ракообразных. Такой же подход может быть применен при формировании гигиенических (санитарно-химических) нормативов для сырья и пищевой продукции, полученных из насекомых.

Регулирование показателей безопасности пищевой продукции в ряде случаев не ограничивается токсичными элементами: на сегодняшний день существует ряд пищевых продуктов, находящихся в зоне риска по высокому содержанию некоторых микроэлементов, для которых установлены требования безопасности по отдельным показателям (согласно ТР ТС 021/2011 "О безопасности пищевой продукции"), например пектин по содержанию цинка и меди, консервированные продукты по хрому, молочные продукты по меди. Поскольку при анализе содержания минеральных веществ в 100 г биомассы сверчка (вероятный уровень суточного потребления человеком) было показано значительное количество марганца, меди, цинка и хрома (более 50% адекватного уровня потребления данных микроэлементов), есть все основания для включения этих элементов в перечень показателей химической безопасности насекомых и продуктов на их основе.

Таким образом, домовые сверчки могут служить источником макро- и микроэлементов в рационе человека, причем существует риск избыточного поступления минеральных элементов при использовании сырья из A. domesticus в пищу. Несмотря на то что результаты проведенных исследований свидетельствуют о возможности корректировки элементного состава биомассы сверчка изменением рецептуры кормов и режимов кормления, при разработке гигиенических (санитарно-химических) нормативов для новых объектов технического регулирования - сырья и пищевой продукции, полученных из насекомых, необходимо учитывать вариабельность минерального состава и включить в перечень контролируемых показателей содержание марганца, меди, цинка и хрома.

References

1. Kanokova M.A., Khamukov Y.Kh. Relation of dietary intake and sustainability of society development. Objectivisation of ideas about the consequences of replacing animal protein with vegetable protein. Mezhdunarodniy zhurnal prikladnykh i fundamental’nykh issledovaniy [International Journal of Applied and Fundamental Research]. 2022; (12): 15–23. DOI: https://doi.org/10.17513/mjpfi.13477 (in Russian)
2. Dolganyuk V., Sukhikh S., Kalashnikova O., Ivanova S., Kashirskikh E., Prosekov A., et al. Food proteins: potential resources. Sustainability. 2023; 15 (7): 5863. DOI: https://doi.org/10.3390/su15075863
3. Tyshko N.V., Sadykova E.O., Shestakova S.I., Aksyuk I.N. New sources of food: from genetically engineered modified organisms to expand the bioresource base of Russia. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2020; 89 (4): 100–9. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2020-10046 (in Russian)
4. Boehm E., Borzekowski D., Ververis E., Lohmann M., Böl G.-F. Communicating food risk-benefit assessments: edible insects as red meat replacers. Front Nutr. 2021; 16 (8): 749696. DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2021.749696
5. Onwezen M., Bouwman E., Reinders M., Dagevos H. A systematic review on consumer acceptance of alternative proteins: pulses, algae, insects, plant-based meat alternatives, and cultured meat. Appetite. 2021; 159: 105058. DOI: https://doi.org/10.1016/j.appet.2020.105058
6. Estell M., Hughes J., Grafenauer S. Plant protein and plant-based meat alternatives: consumer and nutrition professional attitudes and perceptions. Sustainability. 2021; 13 (3): 1478. DOI: https://doi.org/10.3390/su13031478
7. Siddiqui S.A., Khalifa I., Yin T. Valorization of plant proteins for meat analogues design - a comprehensive review. Eur Food Res Technol. 2024; 250: 2479–513. DOI: https://doi.org/10.1007/s00217-024-04565-1
8. Tacon A.G., Lemos D., Metian M. Fish for health: improved nutritional quality of cultured fish for human consumption. Rev Fish Sci Aquac. 2020; 28 (4): 449–58. DOI: https://doi.org/10.1080/23308249.2020.1762163
9. Brightwell H.G. Safety of alternative proteins: technological, environmental and regulatory aspects of cultured meat, plant-based meat, insect protein and single-cell protein. Foods. 2021; 10 (6): 1226. DOI: https://doi.org/10.3390/foods10061226
10. Ramos-Elorduy J. Anthropo‐entomophagy: cultures, evolution and sustainability. Èntomol Res. 2009; 39 (5): 271–88. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1748-5967.2009.00238.x
11. Svanberg I., Berggren A. Insects as past and future food in entomophobic Europe. Food Cult Soc. 2021; 24 (5): 624–38. DOI: https://doi.org/10.1080/15528014.2021.1882170
12. Ververis E., Boué G., Poulsen M., Pires S.M., Niforou A., Thomsen S.T., et al. A systematic review of the nutrient composition, microbiological and toxicological profile of Acheta domesticus (house cricket). J Food Compos Anal. 2022; 114: 104859. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfca.2022.104859
13. Rumbos C., Athanassiou C. Feed additives for insect production. In: G. Arsenos, I. Giannenas (eds). Sustainable Use of Feed Additives in Livestock. Cham: Springer, 2023: 799–810. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-42855-5_27
14. Korolev A.A. Hygiene of nutrition: guide for doctors. Moscow: GEOTAR-Media. 2016: 624 р. ISBN: 978-5-9704-3706-3. (in Russian)
15. Fernandez-Cassi X., Supeanu A., Vaga M., Jansson A., Boqvist S., Vagsholm I. The house cricket (Acheta domesticus) as a novel food: a risk profile. J Insects Food Feed. 2019; 5 (2): 137–57. DOI: https://doi.org/10.3920/JIFF2018.0021
16. Piñera A.V., Charles H.M., Dinh T.A., Killian K.A. Maturation of the immune system of the male house cricket, Acheta domesticus. J Insect Physiol. 2013; 59 (8): 752–60. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jinsphys.2013.05.008
17. Turck D., Bohn T., Castenmiller J., De Henauw S., Hirsch-Ernst K.I., Maciuk A., et al. Safety of frozen and dried formulations from whole house crickets (Acheta domesticus) as a Novel food pursuant to Regulation (EU) 2015/2283. EFSA J. 2021; 19 (8): e06779. DOI: https://doi.org/10.2903/j.efsa.2021.6779
18. Turck D., Bohn T., Castenmiller J., De Henauw S., Hirsch‐Ernst K.I., Maciuk A., et al. Safety of partially defatted house cricket (Acheta domesticus) powder as a novel food pursuant to Regulation (EU) 2015/2283. EFSA J. 2022; 20 (5): e07258. DOI: https://doi.org/10.2903/j.efsa.2022.7258
19. Lange K.W., Nakamura Y. Edible insects as future food: chances and challenges. J Future Foods. 2021; 1 (1): 38–46. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfutfo.2021.10.001
20. Machado I., Suárez Priede A., Rodríguez M. C., Heath D., Heath E., Kouřimská L., et al. Bioaccessibility of trace elements and Fe and Al endogenic nanoparticles in farmed insects: pursuing quality sustainable food. Food Chem. 2024; 458: 140229. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.140229
21. Mwangi M.N., Oonincx D.G.A.B., Stouten T. Insects as sources of iron and zinc in human nutrition. Nutr Res Rev. 2018; 31 (2): 248–55. DOI: https://doi.org/10.1017/S0954422418000094
22. Genchi G., Lauria G., Catalano A., Sinicropi M.S., Carocci A. Biological activity of selenium and its impact on human health. Int J Mol Sci. 2023; 24 (3): 2633. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms24032633
23. Oonincx D.G.A.B., Van der Poel A.F.B. Effects of diet on the chemical composition of migratory locusts (Locusta migratoria). Zoo Biol. 2011; 30 (1): 9–16. DOI: https://doi.org/10.1002/zoo.20308

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.