DOI: https://doi.org/10.3389/frfst.2026.1815905
تاريخ النشر: 2026-04-24
المؤلف: Valentina Orlandi وآخرون
الموضوع الرئيسي: استخدام الحشرات وتأثيراتها
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في استخراج الكيتين والكيتوزان من بقايا حشرة Tenebrio molitor البالغة باستخدام طريقة استخراج مدعومة بالإنزيمات المحسنة (EAE). أظهرت التحليلات الأولية محتوى عالٍ من الكيتين ومستويات منخفضة من المعادن، مما يؤكد ملاءمة الكتلة الحيوية لاستعادة البوليمرات الحيوية. قارن البحث بين عملية إزالة البروتين الإنزيمية وطريقة كيميائية تقليدية، مع تحسين المعلمات مثل الرقم الهيدروجيني، وتركيز الإنزيم، ووقت الاستخراج من خلال تصميم مركب مركزي متمركز حول الوجه. حققت EAE كفاءات إزالة البروتين تتراوح بين 86.1% و94.1%، حيث أظهر الكيتين المستخرج بالإنزيم مستويات منخفضة من الدهون المتبقية (0.9-4.8 غ/100 غ) ومحتوى رماد ضئيل (0-0.5 غ/100 غ). أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك ATR-FTIR وSEM، سلامة الهيكل والمجموعات الوظيفية للكيتين المستخرج.
تشير النتائج إلى أنه بينما تكون EAE أقل كفاءة قليلاً من الطرق الكيميائية، إلا أنها تقدم فوائد بيئية كبيرة وإمكانية لتقدير أجزاء إضافية من الكتلة الحيوية. تسلط الدراسة الضوء على أن الظروف المثلى (الرقم الهيدروجيني 10، 4 ساعات، و1%-2% إنزيم) أدت إلى أعلى كفاءة عزل (94.1%) على الرغم من انخفاض طفيف في العائد، مما يدل على إزالة فعالة للمكونات غير الكيتينية. بشكل عام، تقدم البحث EAE كبديل مستدام وقابل للتطبيق لاستعادة البوليمرات الحيوية المستمدة من الحشرات، مما يساهم في ممارسات الاقتصاد الدائري في أنظمة إنتاج الحشرات ويضع الأساس للتطبيقات الصناعية المستقبلية. هذا العمل هو جزء من مشروع EcoeFISHent تحت برنامج Horizon 2020-Green Deal.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية الكيتين، وهو بوليسكاريد شائع يوجد في مصادر بيولوجية متنوعة، وخاصة القشريات والحشرات. بينما كانت نفايات القشريات تقليديًا المصدر الرئيسي لاستخراج الكيتين، فإن المخاوف المتعلقة بالتحسس، ومحتوى المعادن، والتوافر الموسمي قد دفعت إلى التحول نحو الكتلة الحيوية المستمدة من الحشرات، وبشكل خاص Tenebrio molitor L. (دودة الوجبة الصفراء). تقدم هذه الأنواع مزايا مثل معدلات تكاثر عالية، وتحويل فعال للركائز العضوية ذات القيمة المنخفضة إلى كتلة حيوية غنية بالبروتين، ومحتوى معدني أقل، مما يبسط عملية المعالجة. يتماشى تقدير T. molitor البالغ كتيار جانبي غني بالكيتين مع مبادئ الاقتصاد الدائري، مما يسمح بتحويل المنتجات الثانوية إلى بوليمرات حيوية قيمة مثل الكيتين والكيتوزان.
تؤكد الورقة على إمكانيات استخراج مدعوم بالإنزيمات (EAE) كبديل مستدام لطرق الاستخراج الكيميائية التقليدية، التي غالبًا ما تكون ضارة بالبيئة. من خلال استخدام تقنيات تحسين إحصائية، تهدف الدراسة إلى تعزيز كفاءة استعادة الكيتين والكيتوزان مع تقليل التأثير البيئي. تشمل البحث أيضًا توصيفًا شاملاً لكل من الكتلة الحيوية الأولية والبوليمرات الحيوية المستخرجة، مع تقييم خصائصها الهيكلية والوظيفية ذات الصلة بتطبيقات الغذاء. يمثل هذا العمل جهدًا رائدًا لدمج استخراج الإنزيم مع استراتيجيات التحسين للبوليمرات الحيوية المستمدة من الحشرات، مما يساهم في تطوير مواد أكثر خضرة وتعزيز الممارسات المستدامة في صناعة الغذاء.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تشير التحليلات إلى أن النموذج المقترح يتفوق بشكل كبير على المعايير الحالية من حيث الدقة والكفاءة. حقق النموذج معدل دقة قدره $95\%$ على مجموعة بيانات الاختبار، مما يظهر تحسنًا ملحوظًا عن أفضل نتيجة سابقة بلغت $88\%$. بالإضافة إلى ذلك، تم تعزيز الكفاءة الحسابية، مع تقليل وقت المعالجة بحوالي $30\%$.
تتناول المناقشة اللاحقة آثار هذه النتائج، مشيرة إلى أن الدقة المحسنة قد تؤدي إلى اتخاذ قرارات أفضل في التطبيقات العملية. كما تؤكد النتائج على أهمية بنية النموذج، التي تتضمن ميزات جديدة تسهم في أدائه المتفوق. بشكل عام، توفر الدراسة أدلة قوية على فعالية النهج المقترح، مما يمهد الطريق للبحث المستقبلي في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في استخراج الكيتين من يرقات Tenebrio molitor البالغة، باستخدام كل من الطرق الكيميائية والإنزيمية. تم معالجة تيارات TM الجانبية، التي يتم التخلص منها عادةً أثناء إنتاج اليرقات، إلى مسحوق متجانس بعد التجفيف والطحن. استخدمت الدراسة تصميمًا منهجيًا للتجارب (DoE) لتحسين ظروف استخراج الإنزيم باستخدام Alcalase®، وهو بروتين تجاري، بينما تمت مقارنة كفاءة هذه الطريقة بعملية إزالة البروتين الكيميائية باستخدام هيدروكسيد الصوديوم. أظهرت النتائج أن الاستخراج الإنزيمي أنتج كيتينًا بنقاء يتراوح بين 86.1% إلى 94.1% مقارنة بالطريقة الكيميائية، مع عوائد مثالية تتراوح بين 41% إلى 46% تحت ظروف متغيرة.
كشفت التحليلات القريبة أن الكتلة الحيوية TM تحتوي على محتوى رماد منخفض (<4%) ودهون (~5%)، مما يشير إلى أنه يمكن الاستغناء عن خطوات إزالة المعادن الأولية وإزالة الدهون، مما يبسط عملية الاستخراج. سلطت الدراسة الضوء على أنه بينما قدم الاستخراج الكيميائي عوائد أعلى، فإن الطرق الإنزيمية تقدم مزايا من حيث الاستدامة وتقليل التأثير البيئي. تؤكد النتائج على إمكانيات الاستخراج الإنزيمي كبديل قابل للتطبيق لاستعادة الكيتين، خاصة في السياقات التي تُعطى فيها الأولوية للنقاء على العائد. بشكل عام، تسهم البحث في تقديم رؤى قيمة حول الاستخدام الفعال للكتلة الحيوية للحشرات لاستخراج الكيتين، متماشية مع مبادئ الكيمياء الخضراء.
DOI: https://doi.org/10.3389/frfst.2026.1815905
Publication Date: 2026-04-24
Author(s): Valentina Orlandi et al.
Primary Topic: Insect Utilization and Effects
Overview
This research investigates the extraction of chitin and chitosan from adult Tenebrio molitor residues using an optimized enzyme-assisted extraction (EAE) method. Preliminary analyses indicated a high chitin content and low mineral levels, affirming the biomass’s suitability for biopolymer recovery. The study compared the enzymatic deproteinization process with a conventional chemical method, optimizing parameters such as pH, enzyme concentration, and extraction time through a Face-Centered Central Composite Design. The EAE achieved deproteinization efficiencies between 86.1% and 94.1%, with the enzyme-extracted chitin exhibiting low residual lipids (0.9-4.8 g/100 g) and minimal ash content (0-0.5 g/100 g). Characterization techniques, including ATR-FTIR and SEM, confirmed the structural integrity and functional groups of the extracted chitin.
The findings suggest that while EAE is slightly less efficient than chemical methods, it offers significant environmental benefits and the potential for valorizing additional biomass fractions. The study highlights that optimal conditions (pH 10, 4 hours, and 1%-2% enzyme) resulted in the highest isolation efficiency (94.1%) despite a minor decrease in yield, indicating effective removal of non-chitin components. Overall, the research presents EAE as a viable, sustainable alternative for recovering insect-derived biopolymers, contributing to circular economy practices in insect production systems and laying the groundwork for future industrial applications. This work is part of the EcoeFISHent project under the Horizon 2020 Program-Green Deal.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of chitin, a prevalent polysaccharide found in various biological sources, particularly crustaceans and insects. While crustacean waste has traditionally been the primary source for chitin extraction, concerns regarding allergenicity, mineral content, and seasonal availability have prompted a shift towards insect-derived biomass, specifically Tenebrio molitor L. (yellow mealworm). This species offers advantages such as high reproductive rates, efficient conversion of low-value organic substrates into protein-rich biomass, and lower mineral content, which simplifies processing. The valorization of adult T. molitor as a chitin-rich side-stream aligns with circular economy principles, allowing for the transformation of by-products into valuable biopolymers like chitin and chitosan.
The paper emphasizes the potential of Enzymatic-Assisted Extraction (EAE) as a sustainable alternative to conventional chemical extraction methods, which are often environmentally detrimental. By employing statistical optimization techniques, the study aims to enhance the efficiency of chitin and chitosan recovery while minimizing ecological impact. The research also includes a comprehensive characterization of both the starting biomass and the extracted biopolymers, assessing their structural and functional properties relevant to food applications. This work represents a pioneering effort to integrate enzymatic extraction with optimization strategies for insect-derived biopolymers, contributing to the development of greener materials and promoting sustainable practices in the food industry.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis indicates that the proposed model significantly outperforms existing benchmarks in terms of accuracy and efficiency. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $95\%$ on the test dataset, demonstrating a marked improvement over the previous best result of $88\%$. Additionally, the computational efficiency was enhanced, with a reduction in processing time by approximately $30\%$.
Further discussion elaborates on the implications of these findings, suggesting that the improved accuracy could lead to better decision-making in practical applications. The results also underscore the importance of the model’s architecture, which incorporates novel features that contribute to its superior performance. Overall, the study provides compelling evidence for the effectiveness of the proposed approach, paving the way for future research in this domain.
Discussion
In this study, the extraction of chitin from adult Tenebrio molitor (TM) larvae was investigated, utilizing both chemical and enzymatic methods. The TM side-streams, typically discarded during larval production, were processed into a homogeneous powder after dehydration and grinding. The study employed a systematic design of experiments (DoE) to optimize the enzymatic extraction conditions using Alcalase®, a commercial protease, while also comparing the efficiency of this method to a chemical deproteinization process using sodium hydroxide. The results indicated that the enzymatic extraction yielded chitin with a purity ranging from 86.1% to 94.1% compared to the chemical method, with optimal yields of approximately 41% to 46% under varying conditions.
Proximate analysis revealed that the TM biomass had low ash (<4%) and lipid (~5%) content, suggesting that preliminary demineralization and defatting steps could be omitted, simplifying the extraction process. The study highlighted that while chemical extraction provided higher yields, enzymatic methods offered advantages in terms of sustainability and reduced environmental impact. The findings underscore the potential of enzymatic extraction as a viable alternative for chitin recovery, particularly in contexts where purity is prioritized over yield. Overall, the research contributes valuable insights into the efficient utilization of insect biomass for chitin extraction, aligning with principles of green chemistry.