Una nuova biotecnologia basata sull’insetto Hermetia illucens per produrre fonti nutrizionali sostenibili e molecole bioattive con proprietà citoprotettive

In un contesto globale di crescita demografica e incremento della domanda di fonti nutrizionali alternative e sostenibili, l’allevamento degli insetti ed in particolare della mosca soldato (BSF), Hermetia illucens, caratterizzato da ridotti impatti ambientali ed economici e da elevate prospettive di industrializzazione, si configura come una promettente soluzione per soddisfare le richieste di proteine ad elevato valore nutrizionale, riducendo al contempo gli scarti della filiera agroalimentare in un contesto di economia circolare. Il processo di bioconversione degli scarti mediato dalle larve di BSF è uno strumento valido ed estremamente efficiente per la riduzione del volume degli scarti e la simultanea produzione di biomassa larvale di alto valore aggiunto ricca di proteine, lipidi e chitina, che può essere utilizzata sia nel settore della mangimistica che per diverse applicazioni industriali, incluse la produzione di biodiesel, bioplastiche e nutraceutici, con un residuo organico che presenta delle buone caratteristiche come ammendante per l’agricoltura. Il presente progetto si propone di valutare il potenziale applicativo di H. illucens, quale nuova biotecnologia sostenibile per la valorizzazione di scarti organici e la produzione di fonti nutrizionali alternative e molecole bioattive. L’obiettivo generale del progetto è lo studio, attraverso un approccio multidisciplinare, delle risposte cellulari a diversi derivati di BSF sia in vitro che in vivo. Una prima parte del progetto si focalizza sul potenziale nutritivo di farine ottenute dalla biomassa larvale di BSF allevata su scarti organici, come fonti proteiche alternative in acquacoltura. Larve di H. illucens sono state allevate su una matrice di scarti agroalimentari fino al raggiungimento del V stadio e dello stadio di prepupa. Entrambi gli stadi di sviluppo sono poi stati utilizzati per produrre farine da testare come ingredienti alternativi alle farine e olio di pesce, fonti proteiche convenzionali dell’acquacoltura, nell’alimentazione di zebrafish in un feeding trial di 60 giorni. Le risposte cellulari valutate sull’organismo modello zebrafish, che condivide diversi parametri fisiologici, morfologici e meccanismi di sviluppo con molte specie ittiche di acquacoltura, hanno dimostrato che le farine di BSF rappresentano delle valide alternative sostenibili per garantire le performance di crescita, salute e benessere delle specie acquatiche. La valutazione dei specifici pathways correlati alla miogenesi, alla risposta immunitaria e allo stress ha evidenziato, infatti, che i derivati proteici delle farine rappresentano degli ingredienti innovativi per la crescita sostenibile del settore dell’acquacoltura, sia in termini ecologici che economici e, sottolineano la prospettiva di formulare diete specie-specifiche per soddisfare le richieste nutrizionali delle specie di interesse commerciale riducendo notevolmente l’impatto ambientale della produzione ittica con un approccio di economia circolare. I dati relativi all’influenza delle diete sperimentali sulle eventuali modificazioni epigenetiche del genoma di zebrafish, in particolare la metilazione del DNA, permetteranno di chiarire i meccanismi di regolazione implicati nelle risposte cellulari alle diete a base di BSF. La biomassa larvale di BSF, caratterizzata da proteine ad elevato valore nutrizionale, oltre che un ingrediente innovativo e sostenibile per la formulazione di mangimi per animali e acquacoltura, rappresenta una valida fonte di molecole con potenziale attività biologica. Pertanto, l’attività di ricerca è stata orientata anche verso la produzione di idrolizzati (BPH) dalla frazione proteica delle larve, mediante estrazione e idrolisi enzimatica, che sono stati successivamente valutati per la loro potenziale attività biologica in vitro. I BPH sono stati caratterizzati tramite spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) ed elettroforesi su gel (SDS-PAGE) e quindi è stata investigata la loro possibile attività antiossidante (BPH nel range 0.1-1.5 mg/mL) in un modello cellulare di stress ossidativo costituito da fibroblasti L-929 trattati con H2O2. I risultati ottenuti hanno dimostrato che i BPH possono avere un ruolo citoprotettivo, in modo dose-dipendente, contro lo stress ossidativo cellulare indotto da H2O2 e che l’attività antiossidante è dovuta alla riduzione dei livelli di ROS, rilevata tramite citofluorimetria e microscopia a fluorescenza, e all’induzione della traslocazione nucleare di Nrf2, un regolatore chiave della risposta antiossidante nelle cellule, valutata sia mediante analisi quantitativa dell’espressione genica (qPCR) che mediante analisi di immunofluorescenza indiretta. Questi risultati evidenziano la possibilità di produrre, in un processo su larga scala, preziosi idrolizzati proteici di BSF contenenti molecole con attività biologica e proprietà citoprotettive che possono essere applicate come nuovi ingredienti promotori della salute in diversi settori industriali. L’utilizzo di insetti, ed in particolare di H. illucens, fornisce la concreta possibilità di trasformare i sottoprodotti della filiera agroalimentare in materiale proteico dalle elevate proprietà nutrizionali. Nell’ambito delle potenzialità della mosca soldato come biotecnologia per la risoluzione di due sfide globali quali gestione degli scarti e produzioni di fonti proteiche alternative, l’utilizzo delle larve nel settore mangimistico non può prescindere dalla valutazione della sicurezza microbiologica delle larve allevate su substrati di crescita catalogati come scarti alimentari. Tali scarti sono infatti soggetti alla proliferazione di microrganismi quali batteri, lieviti e muffe che trovano un ambiente favorevole alla loro crescita per la presenza di acqua e nutrienti. I dati attualmente disponibili sulla sicurezza igenico-sanitaria nell’utilizzo di scarti organici per l’allevamento di H. illucens mirato alla produzione di proteine, sono ancora del tutto insufficienti per rendere tale biotecnologia applicabile al mercato attuale. Il terzo filone di ricerca di questo progetto è stato quindi orientato alla valutazione della sicurezza microbiologica sull’utilizzo di scarti alimentari come substrato organico per la crescita delle larve di BSF destinate all’alimentazione animale e alla valutazione dell’efficacia di trattamenti post-raccolta delle larve, come la pastorizzazione, sulla sicurezza microbiologica. I substrati di crescita delle larve sono stati formulati per ottenere un campione rappresentativo del rifiuto umido urbano prodotto nelle abitazioni domestiche. I risultati ottenuti rivelano che la presenza di diverse popolazioni microbiche nei substrati di crescita di origine animale e vegetale è correlata ai profili microbiologici, così come le cariche, nelle larve di BSF. È stato anche dimostrato che la carica microbica può essere efficacemente ridotta attraverso trattamenti post-raccolta di pastorizzazione delle larve con un effetto tempo-dipendente sulla riduzione delle popolazioni costituite da batteri lattici, muffe, lieviti, E. coli, enterobatteri. L’assenza di microrganismi patogeni come Salmonella spp. e Listeria monocytogenes nei profili microbiologici delle larve di BSF, insieme alla riduzione della carica microbica in seguito al trattamento di pastorizzazione per 3 minuti (e una maggiore efficacia se la durata del trattamento si prolunga per 5 minuti), in combinazione alla successiva disidratazione che abbassa l’acqua libera (Aw) necessaria alla sopravvivenza e moltiplicazione dei microrganismi, supporta il potenziale applicativo delle larve allevate su scarti alimentari e costituisce un elemento cruciale per sperimentare metodologie alternative ed efficaci per garantire la sicurezza microbiologica delle larve. Ulteriori studi saranno necessari per verificare l’eventuale influenza dei trattamenti post-raccolta sulle proprietà nutrizionali e le caratteristiche delle molecole con attività biologica estratte dalla biomassa di BSF. Saranno necessarie ulteriori ricerche in questa direzione che potranno indirizzare le scelte politiche e legislative verso allevamenti sostenibili di insetti che riducendo gli impatti negativi permettano una significativa e valida produzione di nutrienti nel prossimo futuro.