Modulation of the biochemical profile of black soldier fly (Hermetia illucens) using co-products of marine origin | Modulação do perfil bioquímico da mosca soldado negro (Hermetia illucens) através da utilização de co-produtos de origem marinha

Aquaculture has assumed paramount importance in the context of global food security and sustainability. This thesis aims to elucidate the importance of aquaculture, outline the challenges it faces and highlight the emerging role of insects as a sustainable solution to some of these challenges. Despite its importance, aquaculture faces several challenges, namely the sustainability of the ingredients used in aquafeeds production. One of the most pressing challenges is the environmental impact associated with feed for marine organisms, as they are still dependent on fish meal and oil derived directly or indirectly from wild fish. This reliance on wild-caught fish not only threatens marine ecosystems, but also represents a sustainability paradigm for aquaculture. In recent years, insects have emerged as a promising solution to some of the challenges facing aquaculture. Insects, such as the black soldier fly (Hermetia illucens), are rich in proteins and lipids and can be raised efficiently using organic waste streams, making them a sustainable option that contributes to the diversification of conventional ingredients used in the formulation of aquaculture feeds. Its ability to convert organic waste into high-quality proteins is aligned with the principles of circular economy and resource efficiency. Insect-based diets have shown promise in improving the growth and health of several aquatic species, including fish and shrimp. Using insects as a protein source reduces dependence on wild-caught fish for food production, thereby relieving pressure on marine ecosystems. Furthermore, insect farming has a significantly smaller environmental footprint compared to traditional fishmeal production. The first study, detailed in Chapter II, developed a complete review of the substrates used to improve the lipid profile of Black Soldier Fly Larvae (BSFL). An increase in literature production on BSFL lipid profiles, especially in recent years, has been evident, with prominent publications in journals such as Aquaculture, Animals, and Animal Feed Science and Technology. This indicates the growing recognition within the scientific community of the potential of BSFL as a valuable ingredient for aquaculture feeds, necessitating the adaptation of its biochemical composition for aquaculture feed formulations. Cereals, manure, and fish and shellfish emerged as the three main substrates for BSFL feeding. The study integrated 81 BSFL fatty acid profiles associated with 81 distinct substrates to establish an average lipid profile. It was found that saturated fatty acids (SFA) constituted 60% of the total lipids, monounsaturated fatty acids (MUFA) around 20% and polyunsaturated fatty acids (PUFA) almost 20%. Marine-based substrates promoted an improved lipid profile, particularly higher levels of eicosapentaenoic acid (EPA), docosahexaenoic acid (DHA) and PUFA. Therefore, these substrates are advantageous for growing BSFL biomass intended for feeding marine species, although logistical challenges may arise. However, these allow for economical feed production and the balanced incorporation of proteins and lipids in a single ingredient. Chapter III presents the second study, which investigates the performance of BSFL raised with expired fish feed enriched with high levels of n-3 fatty acids (FA). Its main objective was to understand the ability of BSFL to assimilate these specific FAs and evaluate its general efficiency in metabolizing this substrate. This research encompassed three distinct temporal trials, each involving varying levels of replacement of the conventional BSFL diet with an expired salmonid feed. When completely replacing the control feed with the expired feed, a reduction in larval weight was recorded, even during short test periods (e.g., 2 days), and an increase in mortality in prolonged tests (7 and 10 days). Notably, the 2-day tests resulted in a significant 14.48% increase in n-3 FA levels in BSFL. In longer tests, despite continuous access to these fatty acids, no greater incorporation of these biomolecules was detected. The introduction of an expired salmonid feed led to a reduction in SFA and an increase in MUFA and PUFA in BSFL. The best results were observed in 2-day trials, particularly with high substitution levels (75% and 100%). These conditions, despite causing some loss of larval weight, produced greater biomass compared to the 7- and 10-day trials, with better survival rates and greater incorporation of n-3 FA. This suggests that utilizing BSFL to produce enriched meals may provide a viable solution for reintegrating expired fish feeds into aquafeed formulations. This approach increases food security by capitalizing on BSFL's pathogen and mycotoxin reduction capabilities, contributing to the sustainability of aquaculture production through the recovery of essential nutrients. Chapter IV focuses on the third study, emphasizing the enhancement of bioavailability of nutrients to improve their assimilation. The study evaluated the importance of hydrolysis of Atlantic codfish frames as a solution to facilitate the integration of essential nutrients in the black soldier fly (BSF) production process. This research significantly contributes to the valorisation of Atlantic cod waste by optimizing the production of hydrolysates from waste generated during industrial processing. The optimized process promoted efficient liquefaction of Atlantic codfish frames, producing Fish Protein Hydrolysates (FPH) with a degree of hydrolysis of 37% and a very high in vitro digestibility (92%). The FPH obtained from this process had a substantial protein content of 70 g/l, with an average peptide size of approximately 1709 Da, including 41% peptides in the 1-3 Da range and 37% essential amino acids. These characteristics position FPH as a promising ingredient for both raw material and potential human consumption. Furthermore, the study carried out revealed convincing antioxidant and antihypertensive activities in HPF. These findings highlight the potential for recovering valuable compounds and protein-rich ingredients from marine waste and by-products, with applications in the nutraceutical, food and feed industries. Chapter V presents the fourth study, which addressed the use of by-catch fish and by-products from the fishing industry to improve the lipid profile and overall nutritional composition of BSFL. The study explored the application of hydrolysed fish products and fats extracted from discarded fish and fish by-products rich in n-3 FA, to improve the lipid content and nutritional profile of BSF larvae. The hypothesis presented is that the incorporation of hydrolysed fish products and fats from these sources into BSFL diets will result in an improved lipid profile, particularly enriched with n-3 FA, offering nutritional benefits to fish that consume BSFL. To test these hypotheses, four substrates (tuna heads (TH), codfish frames (CF), blue whiting (BW) and horse mackerel (HM)) were provided under three treatments (hydrolysates, fish oil and untreated). Interestingly, the substrate with the lowest fat content, CF (cod frames), showed good results regarding n-3 fatty acid content, survival, and bioconversion. However, trials that resorted to the use of fish from bycatch, particularly the substrate BW100 (100% untreated blue whiting) in untreated diets and the substrates HMO20 (20% horse mackerel oil) and HMO10 (horse mackerel oil at 10%) with added oils, produced the most promising results. These results are in line with initial expectations that by combining the ideal substrate to produce BSFL (the control diet – chicken feed) with the source of n-3 fatty acids par excellence (fish oil) it would be possible to produce an ingredient with high potential for application in the formulation of aquaculture feeds. In this study, hydrolysed substrates with lower substitution levels also showed good performance in terms of survival, bioconversion, essential amino acid content and FA content in BSFL. These findings validate the thesis that high-quality proteins and fats can improve the performance and biochemical content of BSFL. In conclusion, this thesis offers a perspective on BSF as a new ingredient for feed formulations suitable for marine organisms, offering sustainable solutions for improving the lipid profile of BSF, meeting the nutritional needs of aquatic organisms and contributing to the reduction of environmental pressures associated with conventional aquaculture feed production.

A aquacultura assumiu uma importância primordial no contexto da segurança e sustentabilidade alimentar global. Esta tese visa elucidar a importância da aquacultura, delinear os desafios que enfrenta e sublinhar o papel emergente dos insetos como uma solução sustentável para alguns destes desafios. Apesar da sua importância, a aquacultura enfrenta vários desafios relevantes nomeadamente a sustentabilidade das rações utilizadas na produção. Um dos desafios mais prementes é o impacto ambiental associado às rações para organismos marinhos, uma vez que estas são ainda muito dependentes de farinha e óleo de peixe derivados direta ou indiretamente de peixes selvagens. Esta dependência de peixes capturados na natureza não só ameaça os ecossistemas marinhos, mas também representa um paradigma de sustentabilidade para a aquacultura. Nos últimos anos, os insetos surgiram como uma solução promissora para alguns dos desafios enfrentados pela aquacultura. Os insetos, tal como a mosca soldado negra (Hermetia illucens), são ricos em proteínas e lípidos e podem ser criados de forma eficiente com recurso a fluxos de resíduos orgânicos, tornando-os uma opção sustentável que contribui para a diversificação dos ingredientes convencionais utilizados na formulação de rações aquícolas. A sua capacidade de converter resíduos orgânicos em proteínas de alta qualidade está alinhada com os princípios da economia circular e da eficiência de recursos. As dietas à base de insetos têm-se mostrado promissoras na melhoria do crescimento e da saúde de várias espécies aquáticas, incluindo peixes e camarões. A utilização de insetos como fonte de proteína reduz a dependência de peixes capturados na natureza para a produção de alimentos, aliviando assim a pressão sobre os ecossistemas marinhos. Além disso, a criação de insetos tem uma pegada ambiental significativamente menor em comparação com a produção tradicional de farinha de peixe. O primeiro estudo, detalhado no Capítulo II, desenvolveu uma revisão completa dos substratos usados para melhorar o perfil lipídico de Larvas de Mosca Soldado Negra (BSFL). Um aumento na produção de literatura sobre perfis lipídicos de BSFL, especialmente nos últimos anos, foi evidente, com publicações proeminentes em revistas como Aquaculture, Animals e Animal Feed Science and Technology. Isto indica o crescente reconhecimento dentro da comunidade científica do potencial do BSFL como um ingrediente valioso para rações para aquacultura, necessitando, para isso, da adaptação da sua composição bioquímica para formulações de rações para aquacultura. Cereais, estrume e peixes e marisco emergiram como os três principais substratos para alimentação de BSFL. O estudo integrou 81 perfis de ácidos gordos de BSFL associados a 81 substratos distintos para estabelecer um perfil lipídico médio. Verificou-se que os ácidos gordos saturados (SFA) constituíam 60% do total de lípidos, os ácidos gordos monoinsaturados (MUFA) cerca de 20% e os ácidos gordos polinsaturados (PUFA) quase 20%. Os substratos de base marinha promoveram um perfil lipídico melhorado, particularmente níveis mais elevados de ácido eicosapentaenóico (EPA), ácido docosahexaenóico (DHA) e PUFA. Portanto, estes substratos são vantajosos para o cultivo de biomassa BSFL destinada à alimentação de espécies marinhas, embora possam surgir desafios logísticos. No entanto, estes permitem uma produção de ração económica e a incorporação balanceada de proteínas e lipídios num único ingrediente. O Capítulo III apresenta o segundo estudo, que investiga o desempenho de BSFL criada com ração expirada para peixes, enriquecida com níveis elevados de ácidos gordos (AG) n-3. O seu objetivo principal foi compreender a capacidade da BSFL em assimilar esses AG específicos e avaliar sua eficiência geral na metabolização deste substrato. Esta pesquisa abrangeu três ensaios temporais distintos, cada um envolvendo vários níveis de substituição da dieta convencional de BSFL por uma ração expirada para salmonídeos. Aquando da substituição completa da ração controlo pela ração expirada, foi registada uma redução no peso larvar, mesmo durante períodos curtos de ensaio (por exemplo, 2 dias), e um aumento da mortalidade em ensaios prolongados (7 e 10 dias). Notavelmente, os testes de 2 dias resultaram num aumento significativo de 14,48% nos níveis de AG n-3 na BSFL. Nos ensaios mais prolongados, apesar do acesso contínuo a estes ácidos gordos, não foi detetada uma maior incorporação destas biomoléculas. A introdução de uma ração expirada para salmonídeos levou à redução de SFA e ao aumento de MUFA e PUFA no BSFL. Os melhores resultados foram observados em ensaios de 2 dias, particularmente com níveis elevados de substituição (75% e 100%). Estas condições, apesar de originarem alguma perda de peso larvar, produziram maior biomassa em comparação com os ensaios de 7 e 10 dias, com melhores taxas de sobrevivência e maior incorporação de AG n-3. Isto sugere que a utilização de BSFL para a reintegração de rações expiradas de peixes poderá constituir uma solução viável para a produção de um ingrediente para formulações de rações adequadas para organismos marinhos. Esta abordagem aumenta a segurança alimentar ao capitalizar as capacidades de redução de agentes patogénicos e micotoxinas da BSFL, contribuindo para a sustentabilidade da produção aquícola através da recuperação de nutrientes essenciais. O Capítulo IV concentra-se no terceiro estudo, enfatizando o aumento da biodisponibilidade para melhorar a assimilação de nutrientes. O estudo avaliou a importância da hidrólise das espinhas peitorais do bacalhau do Atlântico como solução para facilitar a integração de nutrientes essenciais no processo de produção da mosca soldado negra. Esta investigação contribui significativamente para a valorização de resíduos de bacalhau do Atlântico ao otimizar a produção de hidrolisados a partir de resíduos geradas durante o processamento industrial. O processo otimizado promoveu uma liquefação eficiente das espinhas peitorais do bacalhau do Atlântico, produzindo Hidrolisado de Proteína de Peixe (FPH) com um grau de hidrólise de 37% e uma digestibilidade in vitro bastante elevada (92%). O FPH obtido a partir deste processo possui um conteúdo substancial de proteína de 70 g/l, com um tamanho médio de péptidos de aproximadamente 1709 Da, incluindo 41% de péptidos na faixa de 1-3 Da e 37% de aminoácidos essenciais. Estas características posicionam o FPH como um ingrediente promissor tanto para matéria-prima quanto para um potencial consumo humano. Além disso, o estudo realizado revelou atividades antioxidantes e anti-hipertensivas convincentes na FPH. Estas descobertas sublinham o potencial de recuperação de compostos valiosos e ingredientes ricos em proteínas a partir de resíduos e subprodutos marinhos, com aplicações nas indústrias nutracêutica, alimentar e de rações. O Capítulo V apresenta o quarto estudo, que abordou a utilização de peixes de captura acessória e subprodutos da indústria pesqueira para melhorar o perfil lipídico e a composição nutricional geral da BSFL. O estudo explorou a aplicação de produtos de peixe hidrolisados e gorduras extraídas de peixes descartados e subprodutos de peixe ricos em AG n-3, para melhorar o conteúdo lipídico e o perfil nutricional das larvas de BSF. A hipótese apresentada é que a incorporação de produtos de peixe hidrolisados e gorduras destas fontes, nos regimes alimentares de BSFL resultará num perfil lipídico melhorado, particularmente enriquecido com AG n-3, oferecendo benefícios nutricionais aos peixes que consomem BSFL. Para testar essas hipóteses, foram fornecidos quatro substratos (cabeças de atum (TH), espinhas peitorais de bacalhau (CF), verdinho (BW) e carapau (HM)) sob três tratamentos (hidrolisados, óleo de peixe e sem tratamento). Curiosamente, o substrato com menor teor de gordura, CF (espinhas peitorais de bacalhau), apresentou bons resultados relativamente ao conteúdo em ácidos gordos n-3, sobrevivência e bioconversão. No entanto, os ensaios que recorreram à utilização de peixes provenientes de captura acessória, particularmente o substrato BW100 (verdinho não tratado a 100%) em dietas não tratadas e os substratos HMO20 (óleo de carapau a 20%) e HMO10 (óleo de carapau a 10%) com óleos adicionados, produziram os resultados mais promissores. Estes resultados estão alinhados com as expectativas iniciais de que combinando o substrato ideal para a produção de BSFL (a dieta controlo – ração para galinhas) com a fonte de ácidos gordos n-3 por excelência (óleo de peixe) seria possível produzir um ingrediente com elevado potencial para aplicação na formulação de rações aquícolas. Neste estudo, os substratos hidrolisados com níveis de substituição mais baixos também apresentaram bom desempenho ao nível da sobrevivência, bioconversão, teor de aminoácidos essenciais e teor de AG na BSFL. Estes resultados validam a tese de que proteínas e gorduras de alta qualidade podem melhorar o desempenho e o conteúdo bioquímico da BSFL. Neste sentido, a presente tese oferece uma perspetiva sobre a BSF como novo ingrediente para formulações de rações adequadas para organismos marinhos, oferecendo soluções sustentáveis para o melhoramento do perfil lipídico da BSF atendendo às necessidades nutricionais dos organismos aquáticos e contribuindo para a redução das pressões ambientais associadas à produção convencional de rações aquícolas.

Programa Doutoral em Ciência, Tecnologia e Gestão do Mar