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Authors
Abstract(s)
Chitin and chitosan are two well-known biopolymers, that have a wide range of
physiochemical and biological properties which makes them extremely versatile, and
capable of being applied in sectors like the agricultural, biomedical, pharmaceutical,
food, amongst others. Crustaceans and their by-products are the main source of chitin
extraction and chitosan production, and the chitosan market is in constant expansion,
and it is estimated that by 2027 the market will reach 4.7 billion USD. However, chitin is
also synthesized in several other living organisms such as insects, fungi, and algae. In
particular insects are of special interest due to the growing popularity of entomophagy.
This popularity is manifested on both the industry (increase in insect rearing companies
and food products incorporating insects) and in academia, with a vast selection of studies
focusing on insect fractionation (proteins, lipids, and chitin). As such, chitin extraction
and chitosan production from insects presents an opportunity to increase the economic
value of edible insects. The current study aimed to examine two different edible insect
species as alternative sources for the extraction of these polymers, namely yellow
mealworm larvae (T. molitor), adult house cricket (A. domesticus) as well as by-products
(legs and wings) generated by house cricket rearing. The extraction was achieved through
an optimized chemical treatment based on sequential acid and alkaline hydrolysis. In an
attempt for a greener extraction, an alternative method based on natural deep eutectic
solvents was also employed. After the extraction the samples were physiochemical and
biologically characterized. The chemical treatment resulted in total chitin yields of 8.15%,
7.77% and 13.85% (Dry Weight basis), for T. molitor larvae, A. domesticus (adult) and A.
domesticus by-products, respectively. Concerning the extraction with the natural deep
eutectic solvents, the resultant chitin yields were very high in comparison to the chemical
treatment which indicates high impurity of the samples and for that reason, further
analysis of these samples were abandoned. The FTIR results of the different extracted
chitin samples showed patterns of a-chitin while the chitosan results indicated the
effectiveness of the deacetylation. Additionally, the FTIR results from the insect samples
were similar to those from the commercial shrimp samples and were also confirmed
throughout FT-RAMAN analysis. The highest degree of deacetylation was found in the
chitosan from adult A. domesticus (63.7%), followed by T. molitor chitosan (62.3%) and
lastly L&W chitosan (62.0%). The x-ray diffraction analysis also confirmed the obtained
results from the spectroscopy and in addition demonstrated that chitosan had a more
amorphous structure than chitin, due to the patterns and crystallinity index (CrI) values
obtained. The molecular weight of the different chitosan samples was 302.58 kDa,
332.58 kDa and 245.77 kDa for T. molitor larvae, A. domesticus (adult) and A.
domesticus by-products, respectively. SEM images revealed different surface morphologies for all the samples, although the majority showed microporous and fibrous
structures. The thermogravimetric analysis results for the chitin samples demonstrated
higher thermal stability for the commercial chitin, however, in the case of chitosan the
more thermal stable sample was the chitosan extracted from T. molitor larvae. From the
biological activity evaluation, it was possible to conclude that all chitosan samples
showed capacity to inhibit oxidative peroxidation in the ß-carotene bleaching test.
However, no scavenging activity in the DPPH test was observed. All samples displayed
low antimicrobial activity against different Gram-positive and Gram-negative bacteria
and the highest antibacterial activity was observed against Klebsiella pneumoniae. Nonantifungal activity was found during the assays.
A quitina e o quitosano são dois biopolímeros bastante conhecidos, que têm uma grande diversidade de excelentes propriedades físico-químicas e biológicas que os tornam extremamente versáteis e capazes de serem aplicados em setores como a agricultura, biomédico, farmacêutico, alimentar, entre outros. Os crustáceos e os seus subprodutos são a principal fonte de extração de quitina e produção de quitosano, sendo que o mercado do quitosano está em constante expansão e estima-se que atingirá 4.7 biliões de dólares até 2027. No entanto a quitina, é também sintetizada noutros organismos vivos como os insetos, fungos e algas. Os insetos em particular são de especial interesse devido ao grande crescimento da popularidade da entomofagia. Esta popularidade é manifestada tanto na indústria (aumento de empresas que produzem insetos e produtos alimentares que incorporam insetos), como no mundo académico, com um vasto leque de estudos que se focam no fracionamento dos insetos (proteínas, lípidos e quitina). Desta forma, a extração de quitina e produção de quitosano a partir de insetos apresenta uma oportunidade para aumentar o valor económico dos insetos edíveis. O presente estudo teve como objetivo estudar duas espécies edíveis de insetos como fontes alternativas para a extração destes polímeros, especificamente larvas do besouro da farinha (T. molitor), indivíduos adultos do grilo doméstico (A. domesticus), assim como os subprodutos (patas e asas) gerados pela produção dos grilos domésticos. A extração de quitina foi conseguida através de um método químico otimizado baseado na hidrólise ácida e alcalina, sendo que foi também aplicado um método alternativo numa tentativa de ter extração mais ecológica, recorrendo a sistemas de solventes eutécticos naturais. Após a extração as amostras foram caracterizadas físico-química e biologicamente. O tratamento químico resultou em rendimentos totais de quitina de 8.15%, 7.77% e 13.85% (baseado em matéria seca) para as larvas de T. molitor, os indivíduos adultos de A. domesticus e os seus subprodutos, respetivamente. Considerando a extração com os solventes eutécticos, os rendimentos resultantes foram bastante elevados em comparação com o tratamento químico, o que indica elevada impureza das amostras e por essa razão futuras análises às amostras foram abandonadas. Os resultados obtidos por FTIR-ATR das diferentes amostras de quitina extraída mostraram padrões de aquitina, enquanto os resultados do quitosano indicaram que a deacetilação foi eficaz. Adicionalmente, os resultados de FTIR-ATR das amostras de insetos eram semelhantes às amostras comerciais de camarão, resultados esses que foram também confirmados através de análise por FT-RAMAM. O maior grau de deacetilação (%) foi encontrado no quitosano de A. domesticus (indivíduos adultos) (63.7%), seguido pelo quitosano de T. molitor (62.3%) e por último o quitosano derivado das patas e asas (62.0%). A análise de difração por raio X também confirmou os resultados obtidos previamente na espectroscopia e adicionalmente demonstrou que o quitosano tem uma estrutura mais amorfa que a quitina, devido aos padrões obtidos e aos valores do índice de cristalinidade (CrI). O peso molecular das diferentes amostras de quitosano foram 302.58 kDa, 332.58 kDa e 245.77 kDa para as larvas de T. molitor, os indivíduos adultos de A. domesticus e os seus subprodutos respetivamente. As imagens de SEM revelaram diferentes morfologias de superfície para todas as amostras, ainda que a maioria tenha apresentado estruturas microporosas e fibrosas. Os resultados da análise termogravimétrica para as amostras de quitina demonstraram maior estabilidade térmica para a amostra comercial de quitina, no entanto no caso do quitosano a amostra termicamente mais estável foi o quitosano extraído das larvas de T. molitor. A partir da avaliação da atividade biológica foi encontrada capacidade das amostras de quitosano para inibir a peroxidação lipídica no teste do ß-caroteno. No entanto, nenhuma das amostras demonstrou atividade para sequestrar radicais livres no teste do DPPH. Todas as amostras apresentaram baixa atividade antimicrobiana contra bactérias Grampositivas e Gram-negativas, sendo que a atividade antimicrobiana mais elevada foi obtida contra a Klebsiella pneumoniae. Nenhuma atividade antifúngica foi observada durante os ensaios.
A quitina e o quitosano são dois biopolímeros bastante conhecidos, que têm uma grande diversidade de excelentes propriedades físico-químicas e biológicas que os tornam extremamente versáteis e capazes de serem aplicados em setores como a agricultura, biomédico, farmacêutico, alimentar, entre outros. Os crustáceos e os seus subprodutos são a principal fonte de extração de quitina e produção de quitosano, sendo que o mercado do quitosano está em constante expansão e estima-se que atingirá 4.7 biliões de dólares até 2027. No entanto a quitina, é também sintetizada noutros organismos vivos como os insetos, fungos e algas. Os insetos em particular são de especial interesse devido ao grande crescimento da popularidade da entomofagia. Esta popularidade é manifestada tanto na indústria (aumento de empresas que produzem insetos e produtos alimentares que incorporam insetos), como no mundo académico, com um vasto leque de estudos que se focam no fracionamento dos insetos (proteínas, lípidos e quitina). Desta forma, a extração de quitina e produção de quitosano a partir de insetos apresenta uma oportunidade para aumentar o valor económico dos insetos edíveis. O presente estudo teve como objetivo estudar duas espécies edíveis de insetos como fontes alternativas para a extração destes polímeros, especificamente larvas do besouro da farinha (T. molitor), indivíduos adultos do grilo doméstico (A. domesticus), assim como os subprodutos (patas e asas) gerados pela produção dos grilos domésticos. A extração de quitina foi conseguida através de um método químico otimizado baseado na hidrólise ácida e alcalina, sendo que foi também aplicado um método alternativo numa tentativa de ter extração mais ecológica, recorrendo a sistemas de solventes eutécticos naturais. Após a extração as amostras foram caracterizadas físico-química e biologicamente. O tratamento químico resultou em rendimentos totais de quitina de 8.15%, 7.77% e 13.85% (baseado em matéria seca) para as larvas de T. molitor, os indivíduos adultos de A. domesticus e os seus subprodutos, respetivamente. Considerando a extração com os solventes eutécticos, os rendimentos resultantes foram bastante elevados em comparação com o tratamento químico, o que indica elevada impureza das amostras e por essa razão futuras análises às amostras foram abandonadas. Os resultados obtidos por FTIR-ATR das diferentes amostras de quitina extraída mostraram padrões de aquitina, enquanto os resultados do quitosano indicaram que a deacetilação foi eficaz. Adicionalmente, os resultados de FTIR-ATR das amostras de insetos eram semelhantes às amostras comerciais de camarão, resultados esses que foram também confirmados através de análise por FT-RAMAM. O maior grau de deacetilação (%) foi encontrado no quitosano de A. domesticus (indivíduos adultos) (63.7%), seguido pelo quitosano de T. molitor (62.3%) e por último o quitosano derivado das patas e asas (62.0%). A análise de difração por raio X também confirmou os resultados obtidos previamente na espectroscopia e adicionalmente demonstrou que o quitosano tem uma estrutura mais amorfa que a quitina, devido aos padrões obtidos e aos valores do índice de cristalinidade (CrI). O peso molecular das diferentes amostras de quitosano foram 302.58 kDa, 332.58 kDa e 245.77 kDa para as larvas de T. molitor, os indivíduos adultos de A. domesticus e os seus subprodutos respetivamente. As imagens de SEM revelaram diferentes morfologias de superfície para todas as amostras, ainda que a maioria tenha apresentado estruturas microporosas e fibrosas. Os resultados da análise termogravimétrica para as amostras de quitina demonstraram maior estabilidade térmica para a amostra comercial de quitina, no entanto no caso do quitosano a amostra termicamente mais estável foi o quitosano extraído das larvas de T. molitor. A partir da avaliação da atividade biológica foi encontrada capacidade das amostras de quitosano para inibir a peroxidação lipídica no teste do ß-caroteno. No entanto, nenhuma das amostras demonstrou atividade para sequestrar radicais livres no teste do DPPH. Todas as amostras apresentaram baixa atividade antimicrobiana contra bactérias Grampositivas e Gram-negativas, sendo que a atividade antimicrobiana mais elevada foi obtida contra a Klebsiella pneumoniae. Nenhuma atividade antifúngica foi observada durante os ensaios.
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Subprodutos Caracterização Economia Circular Insetos Quitina Quitosano