© Mahamoudou Kone, 2020
Étude de la composition des matières organiques
végétales résiduelles sur les performances de
croissance, les bilans de bioconversion et la qualité
nutritionnelle des larves de mouches soldats noires
Mémoire
Mahamoudou Kone
Maîtrise en sciences animales - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Étude de la composition des matières organiques végétales résiduelles
sur les performances de croissance, les bilans de bioconversion et la
qualité nutritionnelle des larves de mouches soldats noires
Mémoire
Mahamoudou Koné
Maîtrise avec mémoire en sciences animales
Maître ès sciences (M. Sc.)
Sous la direction de :
Grant W Vandenberg, Ph.D
Faculté des Sciences de l’Agriculture et de l’Alimentation
ii
Résumé
Cette étude visait à étudier le potentiel des larves de mouches soldats noires (MSN) à convertir les matières organiques végétales (MOV) pré-consommation à forte teneur en humidité recueillies chez les détaillants alimentaires de la région de Québec. Les MOV recueillies dans des épiceries clientes d’un collecteur de matières organiques résiduelles (MOR) local (Sanimax Inc, Québec, Canada) ont été caractérisées quantitativement (masse et fréquence des différents types de MOV) et qualitativement (matières sèches, cendres, fibres, glucides, énergie, contenu en protéines et en lipides). Différentes diètes à base de MOV ont été formulées pour alimenter des larves de mouches et tester leurs effets sur la croissance (poids moyen, longueur, largeur, rapport longueur/largeur et indice de Fulton) et la composition proximale nutritionnelle des larves de MSN. De plus, cette étude établit le rendement de conversion auquel on peut s'attendre sur ces matières par la production de larves de MSN. L’évolution de différents paramètres physico-chimique (température et pH) lors de la bioconversion et le profil nutritionnel des larves sont aussi présentés.
iii
Abstract
The purpose of this study was to study the potential of BSF larvae to convert high moisture, pre-consumer organic vegetable matter (VRO) collected from food retailers in the Quebec City area. The VRO collected from grocery store through a partner local residual organic matter (ROM) collector (Sanimax Inc, Quebec, Canada) were characterized quantitatively (mass and frequency for different categories of VRO) and qualitatively (dry matter, ash, fibre, carbohydrates, energy, protein and fat content). Different VRO diets have been formulated to feed BSF larvae and test their effects on growth (average weight, length, width, length/width ratio and Fulton index) and the nutritional proximal composition of BSF larvae. In addition, this study establishes the conversion yield that can be expected on these materials for the production of BSF larvae. The evolution of different physico-chemical parameters (temperature and pH) during bioconversion and the nutritional profile of the larvae are also presented.
iv Table des matières
Résumé ... ii
Abstract ... iii
Liste des figures ... vii
Liste des tableaux ... viii
Liste des abréviations, sigles, acronymes ... ix
Dédicace ... xi
Remerciements ... xii
Avant-propos ... xiv
Introduction générale ... 1
Chapitre 1 : Revue de littérature ... 4
1.1. Le gaspillage alimentaire : généralités ... 4
1.2. Gestion des matières organiques résiduelles putrescibles au Québec ... 4
1.2.1. Les matières organiques et le gaspillage alimentaire au Québec... 4
1.2.2. Portrait des déchets organiques de types alimentaires générés au Québec ... 5
1.2.3. Modèle de gestion ... 6
1.3. Valorisation des matières organiques résiduelles par les mouches soldats noires ... 7
1.3.1. Principe, rendement et produits à valeur ajoutée issu du procédé de bioconversion 7 1.4. Les mouches soldats noires comme source alternative pour l'alimentation du bétail ... 8
1.4.1. Valeur nutritionnelle des larves de mouche soldat noire ... 8
1.4.2. Volailles ... 10
1.4.3. Porcs ... 11
1.4.4. Poissons ... 11
1.5. La mouche soldat noire (Hermetia illucens) - cycle de vie et production ... 12
1.5.1. Cycle de vie des mouches soldats noires ... 13
1.6. Techniques d’élevage et approches nutritionnelles ... 1
1.6.1. Techniques d’élevage ... 1
1.6.1.1. Écloserie ... 1
1.6.1.2. Production en masse ... 1
1.6.2. Approches nutritionnelles et facteurs abiotiques ... 2
1.7. Comparaison de quelques paramètres entre les expériences de bioconversion des larves de mouche soldat noire ... 3
1.8. Hypothèses et Objectifs ... 5
v
1.8.2. Objectifs ... 5
1.8.2.1. Objectif général ... 5
1.8.2.2. Objectifs spécifiques ... 5
Chapitre 2 : Impact de la composition des matières organiques végétales sur la croissance et la qualité nutritionnelle des larves de mouches soldats noires ... 6
Résumé ... 6
Abstract ... 8
2.1. Introduction ... 9
2.2. Matériel et méthodes ... 11
2.2.1. Approvisionnement en matières organiques résiduelles ... 11
2.2.1.1. Origine des matières résiduelles ... 11
2.2.1.2. Caractérisation des matières résiduelles ... 11
2.2.1.3. Homogénat des matières organiques végétales ... 11
2.2.2. Formulation des diètes ... 12
2.2.3. Essais expérimentaux ... 13
2.2.3.1. Matériel biologique ... 13
2.2.3.2. Protocole d’alimentation des larves ... 13
2.2.3.3. Échantillonnages et design expérimental ... 14
2.2.4. Performances de croissance et bioconversion ... 15
2.2.5. Profil nutritionnel des diètes et des larves ... 15
2.2.6. Analyses statistiques ... 16
2.3. Résultats ... 18
2.3.1. Caractérisation des matières organiques résiduelles de type pré-consommation .. 18
2.3.2. Évolution des températures ambiantes et des substrats alimentaires lors des essais alimentaires ... 20
2.3.3. pH observés dans les substrats alimentaires en fonction de l’âge larvaire ... 21
2.3.4. Performances zootechniques des larves de mouche soldat noire en fonction des diètes et des jours de récolte ... 22
2.3.5. Rendement et bioconversion des larves ... 26
2.3.6. Profil nutritionnel des larves ... 29
2.4. Discussion ... 48
2.4.1. Caractérisation des matières organiques résiduelles chez les détaillants alimentaires ... 48
vi
Conclusion ... 55
Bibliographie ... 56
Annexe... 73
Essai nutritionnel de la quantité de matières organiques végétales à fournir aux larves de mouche soldat noire pour une bioconversion optimale ... 73
1. Introduction ... 73
2. Matériel et méthodes ... 74
2.1. Approvisionnement en matières organiques résiduelles... 74
2.1.1. Origine des matières organiques... 74
2.1.2. Caractérisation et préparation des matières organiques ... 74
2.1.3. Formulation des diètes et essai nutritionnel ... 74
2.2. Essais expérimentaux ... 75
2.2.1. Matériel biologique ... 75
2.2.2. Échantillonnages ... 76
2.3. Performances de croissance et bioconversion ... 76
2.4. Qualité nutritionnelle des diètes et des larves ... 76
2.5. Analyses statistiques ... 76
3. Résultats ... 78
3.1. Évolution des températures ambiantes et des substrats alimentaires ... 78
3.2. pH observés dans les substrats alimentaires en fonction de l’âge larvaire ... 79
3.3. Performances zootechniques des larves en fonction des diètes et des quantités ... 80
3.4. Rendement et bioconversion des larves... 82
vii
Liste des figures
Figure 1: Proportion (%) du gaspillage alimentaire au Canada en fonction des secteurs. Graphique reproduit de Gooch et Felfel (2014). ... 5 Figure 2: Cycle de vie des mouches soldats noires (photos par Mahamoudou Koné). ... 14 Figure 3: Schémas du dispositif expérimental du chapitre 2. ... 14 Figure 4: Proportion (%) des différentes catégories de matières résiduelles en fonction des semaines récoltées chez les détaillants alimentaires de la région de Québec à l'automne 2018. ... 18 Figure 5: Proportion moyenne (%) des différentes catégories de matières résiduelles récoltées chez les détaillants alimentaires de la région de Québec à l'automne 2018. ... 19 Figure 6 : Suivi (jours post-éclosion) de la température moyenne (± écart-type) observée dans les différents substrats alimentaires lors des essais nutritionnels (n = 3). ... 21 Figure 7 : Suivi (jours post-éclosion) du pH moyen (± écart-type) observé dans les différents substrats alimentaires lors des essais nutritionnels (n = 3). ... 22 Figure 8: Schémas du dispositif expérimental. ... 75 Figure 9: Suivi (jours post-éclosion) de la température moyenne (± écart-type) observée dans les substrats alimentaires en fonction de l’âge larvaire (n = 1). ... 78 Figure 10: Suivi (jours post-éclosion) de la température moyenne (± écart-type) observée dans les substrats alimentaires en fonction de l’âge larvaire (n = 1). ... 79
viii
Liste des tableaux
Tableau 1: Compositions chimiques moyennes (%, base sèche), minimales et maximales (entre parenthèses) des larves d'Hermetia illucens répertoriées dans la littérature. ... 9 Tableau 2: Teneur moyenne minimales et maximales (entre parenthèses) en minéraux des larves de MSN (%, base sèche). ... 9 Tableau 3: Composition minimales et maximales (entre parenthèses) en acide aminé des larves de MSN (%, base sèche). ... 10 Tableau 4: Comparaison de quelques paramètres entre les expériences de bioconversion avec les larves de MSN (ND : non disponible). ... 4 Tableau 5: Compositions des diètes. ... 12 Tableau 6: Différentes valeur-p1 entre les diètes (D) et les jours de récolte (J) sur les performances
zootechniques des larves. ... 24 Tableau 7: Effet des diètes et des jours de récolte sur les performances zootechniques des larves de MSN. ... 25 Tableau 8: Différentes valeur-p1 entre les diètes (D) et les jours de récolte (J) sur le rendement et
la bioconversion des larves. ... 27 Tableau 9: Effets des diètes et des jours de récolte sur le rendement et la bioconversion des larves.28 Tableau 10: Différentes valeur-p1 entre les diètes (D) et les jours de récolte (J) sur la composition
proximale des larves. ... 45 Tableau 11: Effets des traitements et des jours de récolte sur la qualité nutritionnelle des larves (%, base sèche) ... 46 Tableau 12: Différentes valeur-p1 entre les diètes (D) et les quantités (Q) sur les performances
zootechniques des larves. ... 80 Tableau 13: Effets des diètes en fonction des quantités sur les performances zootechniques des larves de MSN ... 81 Tableau 14: Différentes valeur-p1 entre les diètes (D) et les quantités (Q) sur le rendement et la
bioconversion des larves... 82 Tableau 15: Effets des diètes en fonction des quantités sur le rendement et la bioconversion des larves. ... 82 Tableau 16: Différentes valeur-p1 entre les diètes (D) et les quantités d’aliments (Q) sur la qualité
nutritionnelle des larves. ... 84 Tableau 17: Effets des diètes en fonction des quantités (Q) sur la qualité nutritionnelle des larves (%, base sèche). ... 85
ix
Liste des abréviations, sigles, acronymes
ADF Fibre détergente acide
ANOVA Analyse de variance
Bilan_bio_BS Bilan de bioconversion sur base sèche
BSF Black soldier fly (mouche soldat noire)
BL_BH Biomasse larvaire sur base humide
BL_BS Biomasse larvaire sur base sèche
CA Conversion alimentaire
cm Centimètre
cm2 Centimètre carré
CRIBIQ Consortium de recherche et innovations en bioprocédés industriels au Québec
CRSNG/NSERC Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada
D Diètes
ENA Extractif non azoté
Facteur K Coefficient de condition de Fulton ou Indice de Fulton
FAO Organisation des Nations Unies pour l’Alimentation et l’Agriculture
FASAM Formation agricole pour la sécurité alimentaire au Mali FSAA Faculté des sciences de l’agriculture et de l’alimentation
g Gramme
GP Gain de poids
GRIPHA Groupe de recherche intégré en physiologie et sciences
animales
H2O Eau
HR Humidité relative
ICI Industries commerces et institutions
IPR/IFRA Institut polytechnique rural de formation et de recherche appliquée
Ind. finaux Individus finaux
J Jours
Kg Kilogramme
Kp Facteur de conversion de l’azote en protéine
L Litre
l Lumière
LARSA Laboratoire de recherche en sciences aquatiques
LB Lipide brut
x
m Mètre
mg Milligramme
MJ/Kg Méga joules/kilogramme
mm Millimètre
MOR Matières organiques résiduelles
MS Matières sèches
MSN Mouche soldat noire
MOV Matières organiques végétales
N Noirceur
ND Non disponible
NDF Fibre détergente neutre
NS Non significatif
ONU Organisation des Nations Unies
PA Prise alimentaire
PB Protéine brute
pH Potentiel Hydrogène
Pm_BH Poids moyen sur base humide
Q Quantités
QC Québec
R Référence
RAQ Ressources Aquatiques Québec
RH Relative humidity (humidité relative)
ROM Residual organic matter (Matières organiques résiduelles)
T Température
Tc Traitement contrôle
T30 Traitement à trente pourcent de matières organiques
végétales
T50 Traitement à cinquante pourcent de matières organiques
végétales
T70 Traitement à soixante pourcent de matières organiques
végétales
T100 Traitement à cent pourcent de matières organiques
végétales
VRO Vegetable organic matter (matières organiques végétales)
% Pourcentage
°C Degré Celsius
3RV-E Réduction, réutilisation, recyclage, valorisation et élimination
xi
Dédicace
C’est avec un réel sentiment filial et une profonde gratitude que je dédie ce mémoire à mes parents, Salif Koné et Bakary Koné et à leurs très chères épouses respectives Korotoum
Diallo et Aminata Bagayoko qui, en plus de m’avoir scolarisé n’ont à aucun moment failli
xii
Remerciements
Je rends grâce à Dieu le tout puissant et miséricordieux qui m’a donné la force, le courage et la santé de mener à bien cette étude et de rédiger ce mémoire de fin de cycle.
J’exprime ma profonde gratitude, à la direction de l’Institut Polytechnique Rural de Formation et de Recherche Appliquée (IPR/IFRA) de Katibougou, de m’avoir permis cette opportunité de formation.
Je remercie le projet FASAM de m’avoir offert une bourse, dans l’optique de contribuer à la sécurité alimentaire au Mali, merci à tout son personnel pour leur assistance.
Merci à tous les autres organismes financiers de ce projet (Sanimax, Protix, CRIBIQ, RAQ, CRSNG/NSERC, Métro Sté Foy).
Mes remerciements à l’Université Laval, à la FSAA et à tout le corps professoral du département des sciences animales, pour avoir contribué à m’instruire, afin d’aider le paysan d’Afrique en l'aimant.
Je ne saurais présenter ce mémoire sans adresser mes sincères remerciements à :
mon Directeur de recherche Grant W Vandenberg, qui malgré ses multiples taches, a bien voulu m’accueillir, merci pour les encouragements et conseils ;
Marie Hélène-Deschamps, professionnelle de recherche, pour ses commentaires constructifs et ses recommandations ;
Louise Hénault-Ethier et à Alexis Fortin pour leur assistance et leur précieux conseil ;
Jessica Deletraz, pour son immensurable aide tout au long de mes expériences ; Yolaine Lebeuf, pour son aide et conseil, qu’elle retrouve ici mes sentiments de
reconnaissance ;
tout le personnel du Laboratoire de Recherche en Sciences Aquatiques, (Émilie Proulx Jean- Christophe Therrien) pour vos précieuses aides.
tout le personnel du laboratoire du département des sciences animales (GRIPHA), Nancy Bolduc, Annick Rioux, Annie Peletier et aux nombreux stagiaires qui ont porté main forte pour la réalisation des travaux de ce projet.
toute ma famille (frères, sœurs, amis) en général, et à mon petit frère Daouda Koné en particulier pour leurs soutiens spirituels et matériels, qu’ils trouvent aussi l’expression de ma profonde gratitude ;
xiii
grand merci à ma femme Mme Koné Adiaratou Diallo pour sa patience, ses encouragements et soutiens moraux qui ne m’ont jamais manqué durant toute ma formation ;
tous mes collègues étudiants de l’équipe Grant W Vandenberg (Bakary Diarra, M’ballou Cissé, Jennifer Larouche, Waly N’Diaye, Julian Beniers, Justine Richard-Giroux) ;
Enfin je remercie tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la bonne réalisation de ce projet, que tous retrouvent ici même, de ma part, une profonde gratitude.
xiv
Avant-propos
Ce mémoire comporte une introduction générale, deux chapitres et une annexe. L’introduction générale est organisée comme suit : mise en contexte, description de la problématique de recherche et des objectifs poursuivis. Le premier chapitre correspond à la revue de littérature et comprend une synthèse bibliographique en rapport avec la problématique de la gestion des matières organiques résiduelles et du portrait des déchets organiques de types alimentaire générés au Québec. Il décrit également la mouche soldat noire (MSN) et son utilisation pour la valorisation des matières organiques résiduelles. Le second chapitre, rédigé sous forme d'article scientifique a permis d’étudier l’impact de la composition des matières organiques végétales sur la croissance et la qualité nutritionnelle des larves de mouches soldats noires. Je suis l'auteur principal de l’article, les coauteurs sont Marie-Hélène Deschamps, Louise Hénault-Ethier, Yolaine Lebeuf et Grant W. Vandenberg. Cet article sera soumis pour publication dans la revue « Insect as Food and Feed ».
Dans cet article, Marie-Hélène Deschamps et moi, sommes les responsables de l’analyse statistique. Mon directeur Grant W. Vandenberg et les co-autrices Marie-Hélène Deschamps, Louise Hénault-Ethier, Yolaine Lebeuf ont élaboré le projet, supervisé sa réalisation et participé à la rédaction de l’article.
Enfin, l’annexe présente l’essai nutritionnel réalisé afin de déterminer la quantité de matières organiques végétales à fournir aux larves de MSN pour une bioconversion optimale.
1
Introduction générale
Selon l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO), la population mondiale dépassera les 9 milliards d’êtres humains en 2050. Cependant, la demande mondiale pour les denrées alimentaires devrait augmenter de près de 70%, ce qui ajoutera de la pression sur les ressources agricoles déjà rares ou en forte demande ainsi que sur les écosystèmes (FAO, 2004, 2012; Van Huis et al., 2014). De plus, chaque année environ 1,3 milliards de tonnes de nourriture sont gaspillées mondialement, dont 15 à 30% de fruits et légumes ce qui équivaut à une perte économique annuelle d'environ 750 milliards de dollars (FAO, 2004, 2011).
La mise au rebut de denrées comestibles entraîne de nombreux effets négatifs sur l’économie, la société, l’environnement et entraîne un questionnement éthique majeur. En effet, la quantité de nourriture gaspillée mondialement est quatre fois supérieure aux besoins alimentaires actuels des populations souffrant de la faim (Simard Tremblay, 2015). En 2015, l’Organisation des Nations Unies (ONU) a convenu d’un programme mondial comportant 15 objectifs, souhaitant parvenir à une gestion durable du gaspillage alimentaire. L’objectif 12 stipule l’atteinte d’une réduction de moitié, d’ici 2030, de la quantité de déchets alimentaires générés par habitant (ONU, 2016). Par conséquent, l’atteinte de ces objectifs entraîne une demande pressante pour le développement de multiples technologies de valorisation des déchets alimentaires ce qui permettra corollairement d'atténuer les effets néfastes de la génération et de la gestion des déchets alimentaires (ONU, 2016; Cheng et al., 2017).
Au Québec, 3 328 000 tonnes de matières organiques putrescibles ont été éliminées en 2015, dont 1 661 000 tonnes du secteur municipal et 1 667 000 tonnes du secteur industriel commercial et institutionnel (ICI). En 2015, près de 29% des déchets organiques du secteur municipal ont été valorisés, soit une augmentation de 9% par rapport à 2012 et 19% des déchets organiques des ICI dont une baisse de 4% par rapport à celui de 2012. Ces déchets ont été recyclés, principalement dans des installations centralisées de compostage et de biométhanisation (Recyc-Québec, 2015a). La quantité totale de matières résiduelles éliminées par habitant en 2015 au Québec se situait à 685 kg en baisse de 5,7% par rapport à 2012 (Recyc-Québec, 2015a). Au Québec, près de 5,7 millions de tonnes de matières
2
organiques devront être mieux valorisées, puisque leur enfouissement sera banni d’ici 2022 (Recyc-Québec, 2015b). Cependant, depuis les dix dernières années le gouvernement a privilégié et financé les technologies de traitement biologique par compostage (processus de stabilisation aérobie générant du compost) et la biométhanisation (digestion anaérobie générant du biométhane et un digestat s’apparentant au compost) (MDDEP, 2011; Recyc-Québec, 2015a). En tout, 650 millions de dollars ont été octroyés entre 2011 et 2015 pour la création d’infrastructures de traitement de matière organique par biométhanisation ou par compostage (MDDEP, 2011).
Pourtant, d’autres avenues de valorisation biologiques existent, tel que le surcyclage des matières organiques via la production en masse de larves d’insectes, aussi appelé entotechnologies. Cette dernière représente une réelle opportunité de valorisation écologique pour toutes sortes de matières organiques résiduelles et pourrait également offrir une alimentation durable au bétail (Sheppard et al., 1994; Diener, et al., 2009; Sánchez et al., 2014). Outre la production d’aliments pour les animaux, cette technologie émergente est tout à fait indiquée pour contribuer à résoudre diverses problématiques mondiales telles que l’amélioration de la santé des sols à travers la production de fertilisant de qualité, la gestion durable des déchets organiques et l'atténuation des gaz à effet de serre (Lal et al., 2007; Bogner et al., 2008). Il a été démontré que la farine de larve de mouche soldat noire (MSN) constituait un aliment nutritif et une source de protéines alternatives intéressante pour l’alimentation animale (volailles, porcs et poissons) (Bondari et Sheppard, 1987; Newton et al., 2005a; Belluco et al., 2013; Sánchez-Muros et al., 2014; Laureati et al., 2016; Cummins et al., 2017). Selon Driemeyer (2016), la farine de larves de MSN est capable de substituer le soya, le maïs et la farine de poissons qui sont utilisés de nos jours pour l’alimentation du bétail. Également, de nombreuses études de bioconversion par les larves ont été conduites sur différentes diètes ‒ tels que les déchets municipaux (Diener et al., 2011a), les déchets de cuisine (Diener et al., 2009), les excréments humains (Tomberlin, 2001; Newton et al., 2005b), le fumier de poulets (Tomberlin et al., 2002), le lisier de porc (Newton et al., 2005b), le fumier de vache (Gobbi
et al., 2013), ainsi que les abats de poissons (St-Hilaire et al., 2007). Elles ont conclu que
la croissance et la composition physico-chimique des larves dépendent du type de diète fournie.
3
Cependant, dans le contexte québécois, il existe très peu d’études sur l’alimentation des larves de MSN avec les déchets végétaux locaux, comme celle réalisée par Giroux et al., (2012) qui a évalué différentes biomasses pour l'élevage pilote de larves de MSN. Le présent projet vise à étudier l’effet de la qualité des déchets organiques végétaux sur la croissance et la qualité nutritionnelle des larves de MSN.
4
Chapitre 1 : Revue de littérature
1.1. Le gaspillage alimentaire : généralités
La « perte alimentaire » désigne la mise au rebut d'aliments comestibles originellement destinés à la consommation humaine lors de la production, de la post-récolte et de la transformation dans la chaîne d'approvisionnement alimentaire. Les « déchets alimentaires sont définis comme les déchets générés lors de la distribution, du stockage, préparation des repas ou consommation de repas » (Karmee et Lin, 2014).
1.2. Gestion des matières organiques résiduelles putrescibles au
Québec
1.2.1. Les matières organiques et le gaspillage alimentaire au Québec
La quantité de matières résiduelles éliminées par habitant en 2015 au Québec se situait à 685 kg, soit une baisse de 5,7% par rapport à 2012 (Recyc-Québec, 2015a). Les matières organiques, parfois aussi appelées matières compostables ou putrescibles, sont définies comme étant « tout résidu qui se putréfie et se décompose sous l’action des microorganismes. » L’appellation est réservée, en ce qui concerne le secteur résidentiel, aux résidus de table et de jardin, y compris le gazon et les feuilles mortes (Recyc-Québec, 2009 ; 2010). Ces matières organiques représentent 44% des résidus générés par les Québécois (Recyc-Québec, 2015a). Les résidus alimentaires à eux seuls représentent 23% des résidus générés par les Québécois, les plastiques 7%; métaux 3%; verre 6%; textiles 3%; matières compostables 44%; les résidus verts 12%; les papiers et cartons 20%; et autres 2% (Recyc-Québec, 2010 ; 2012). Très peu de données existent ou sont accessibles, quant au gaspillage alimentaire au Québec, mais quelques statistiques canadiennes fournissent des repères potentiellement valables pour le Québec. Au Canada, c’est 40% des aliments produits qui sont gaspillés, ce qui représente une somme de plus de 31 milliards de dollars ; soit 183 kg de nourriture par an par personne (Statistiques Canada, 2015). Une famille canadienne jette au moins 123 kg de fruits et légumes par année (Gooch et Felfel, 2014). La quantité de légumes et de fruits gaspillés par personne au Canada en 2009 était de 78 kg et 45 kg, respectivement (Gooch et Felfel, 2014; Statistiques Canada, 2015). Cependant, au Québec le consommateur met au rebut des résidus alimentaires ayant une valeur moyenne de 771 dollars chaque année. Cette somme est 2,5 fois plus importante que
5
celle du citoyen américain (Proulx, 2013). Ainsi, les médias ont déclaré les Québécois « Champions du gaspillage alimentaire » (Proulx, 2013). Le gaspillage alimentaire touche tous les secteurs, de la production jusqu’à la consommation, en passant par le transport, la transformation industrielle et la vente au détail.
Figure 1: Proportion (%) du gaspillage alimentaire au Canada en fonction des secteurs.
Graphique reproduit de Gooch et Felfel (2014).
1.2.2. Portrait des déchets organiques de types alimentaires générés au Québec
À ce jour, il existe peu de données disponibles sur la composition des matières organiques de types alimentaires et leurs disponibilités en fonction des saisons au Québec. Néanmoins, une étude de caractérisation menée par Recyc-Québec a montré que les épiceries, les restaurants et les dépanneurs sont ceux dont la présence de matières organiques de type alimentaire dans les déchets s’avère être dominante (45% à 70%) (Recyc-Québec, 2009). La seconde catégorie comprend les commerces dont la présence de matières organiques de types alimentaires se retrouve dans des proportions de 20% à 35%, tels les commerces de services, les hôtels/motels et les bars. Enfin, il y a certains commerces où on retrouve majoritairement du papier/carton (plus de 40%) tels les pharmacies et les magasins de grande surface (Recyc-Québec, 2009).
41 20 10 10 4 9 1
Consommateurs Transformation industrielle
Vente au détail Production
Transport et distribution Restaurants et hotels Dechets de restauration internationaux
6
Bien que la mondialisation du commerce alimentaire nous permette d’acheter à peu près n’importe quel fruit et légume à n’importe quel moment de l’année. Les disponibilités des fruits et légumes du Québec varient en fonction des saisons et influencent en retour la composition des matières résiduelles alimentaires (Equiterre, 2010). Les fruits et légumes disponibles en tout temps sont les carottes, les betteraves, les champignons, les choux (verts et rouges), les oignons, les poireaux, les rutabagas, les échalotes françaises, les laitues, les pommes et les pommes de terre. En automne, l’ail, l’aubergine, le brocoli, le céleri, la framboise, le céleri-rave, la citrouille, la courge et la poire sont les fruits et légumes les plus abondants. La tomate de serre, le céleri-rave et le navet (rabiole) sont les fruits et légumes en abondance pendant l’hiver. Au printemps se trouvent l’asperge, le concombre, la rhubarbe et l’épinard et enfin, à l’été, se sont la bette à carde, la cerise, l'épinard, et les radis (Equiterre, 2010). La variabilité saisonnière des fruits et légumes dans les marchés à une influence certaine sur la composition des résidus organiques disponibles.
1.2.3. Modèle de gestion
Au Québec, la gestion intégrée des déchets est souvent désignée par l’acronyme 3RV-E compte tenu de ces cinq paliers: réduction, réutilisation, recyclage et valorisation (compostage et biométhanisation) ainsi que l’élimination (enfouissement) (Olivier, 2007). Face à l'interdiction d'enfouir les matières organiques au Québec d’ici 2022 (MDDEP, 2011; Recyc-Québec, 2015a), le gouvernement a privilégié le compostage et la biométhanisation comme les deux seules méthodes de recyclage des matières organiques. Toutefois, d'autres voies existent comme le surcyclage des déchets organiques à travers la production en masse de larves d’insectes, une forme d’entotechnologie, qui est une des évidentes opportunités de valorisation de toutes sortes de matières organiques résiduelles de façon durable et écologique (Sheppard et al., 1994; Diener et al., 2009; Sánchez et al., 2014). Un taux de conversion élevé, de faibles émissions en gaz à effet de serre et de petites superficies d’élevage sont autant d’avantages qui confèrent à cette filière une empreinte écologique minimale (Sheppard et al.,1994; Diener et al., 2009; Sánchez et al., 2014).
7
1.3. Valorisation des matières organiques résiduelles par les mouches
soldats noires
1.3.1. Principe, rendement et produits à valeur ajoutée issu du procédé de bioconversion
La combinaison de sa capacité de traitement des déchets avec la génération d’une biomasse de valeur économique (larves) fait de la MSN un outil prometteur pour la gestion des déchets organiques. Les larves de MSN se sont révélées efficaces dans la gestion des fumiers et des déchets organiques (Newton et al., 2005a). Selon Tomberlin (2001) et Newton et al., (2005b) les larves de MSN réussissent à réduire les excréments humains et les convertir en biomasse, en réduisant considérablement l’odeur. Les larves ont réduit de 50% le volume du fumier de poulet et a permis d’éliminer les vecteurs de maladies possibles (Tomberlin et al., 2002). En général, les larves peuvent consommer 15 kg/m2/jour de surface d'aliment. En gros, 20% en poids de matière organique alimentaire sont convertis en tissus par les larves (Ghughuskar, 2012). L’étude réalisée par Diener et al., (2011a) a montré que la réduction du volume des matières organiques variait entre 66,4 à 78,9% en fonction de la quantité quotidienne de matières organiques ajoutées à l'unité expérimentale et de la présence ou absence d'un système de drainage. Diener et al., (2011a) ont montré qu’avec une densité de 0,86 larve/cm2 on pouvait atteindre un taux d'alimentation quotidien de 507 mg/larve/jour, ce qui est bien supérieur aux 61 mg de déchets de cuisine proposés par Diener et al., (2009). La bioconversion de fumier par les larves de MSN offre de nombreux avantages, y compris une réduction jusqu’à 56% du volume des matières organiques sans odeur nauséabonde (Newton et al., 2005a). Les expériences avec le fumier de vaches ont montré des réductions de 43% d'azote et 67% de phosphore (Gobbi, 2012). Les activités larvaires et bactériennes peuvent réduire la matière sèche, mais aussi d'autres composants tels que l'azote ou le phosphore. Parallèlement à la production de larves et de prépupes, un résidu composé des excréments larvaires et de la diète non-digérée (frass) est également produit (Diener et al., 2009). Les bioproduits et marchés issus de la transformation des larves sont variés. En effet, protéines, lipides, frass (déjections et matières organiques résiduelles après la bioconversion par les larves) similaire au compost et autres extraits (chitine, enzymes, antibiotiques) sont d’un grand intérêt pour les marchés
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agroalimentaires, médicaux, pharmacologiques ou énergétique (Defoliart, 1995; Bukkens et Paoletti, 2005).
1.4. Les mouches soldats noires comme source alternative pour
l'alimentation du bétail
Le potentiel des larves de MSN en tant qu'ingrédient dans la diète a été testé lors d'essais alimentaires chez de nombreuses espèces animales et s'est avéré un produit performant pour la croissance des animaux. Les mouches pondent des œufs qui se développent rapidement en larves (le stade d’alimentation avec un gain pondéral important), puis en prépupes (le stade le plus riche en protéines et en lipides) et enfin en pupe. (Se référer à la section 1.5.1 du chapitre 2 pour plus d’amples informations sur le cycle de vie et de métamorphose de la MSN). Par ailleurs, ce sont surtout les stades larvaires et prépupes qui semblent intéressants dans les études alimentaires. Par exemple, les larves et prépupes de MSN sont une source de nutriments de qualité pour les volailles (Hale, 1973; Sánchez-Muros et al., 2014), les porcs (Newton et al., 1977; Laureati et al., 2016) et les poissons (Bondari et Sheppard, 1987; Cummins et al., 2017). Les prépupes pourraient être un aliment alternatif approprié pour animaux pouvant substituer la farine de poisson, le son de blé et le maïs que nous utilisons actuellement pour nourrir le bétail (Makkar et al., 2014; Driemeyer, 2016).
1.4.1. Valeur nutritionnelle des larves de mouche soldat noire
Les larves de MSN constituent une source alimentaire de grande valeur nutritive, très riche en protéines et en lipides (Tableau 1). Cependant, la teneur en lipides et en protéines est variable et dépend du type de régime alimentaire. La teneur en cendre est relativement élevée, mais variable de 6 à 18%, base sèche (Tableau 1). Elles sont également riches en calcium et phosphore (tableau 2) (Arango Gutiérrez et al., 2004; St-Hilaire et al., 2007; Yu
et al., 2009). Les larves de MSN contiennent différents acides aminés, et celle la plus
importante proportion est la lysine avec 6 à 8% (Tableau 3). Son profil nutritionnel riche et varié fait d’Hermetia illucens (MSN) un insecte prometteur pour l’alimentation animale (Barragán-Fonseca et al., 2018b; Gold et al., 2018).
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Tableau 1: Compositions chimiques moyennes (%, base sèche), minimales et maximales
(entre parenthèses) des larves d'Hermetia illucens répertoriées dans la littérature1.
Protéines brutes n = 5 Fibres brutes n = 1 Lipides bruts n = 5 Cendres n = 5 Énergie brute (MJ / kg MS) 42,1 ± 1,0 (32,1 - 58,6) 8,0 ± 4,0 (7,1- 14,3) 26,0 ± 8,3 (15,0 - 39,8) 10,6 ± 6,0 (6,4 - 18,4) 22,1 ± 3,1 (20,1 - 30,4)
1Sources : St-Hilaire et al., 2007; Makkar et al., 2014; Cheng et al., 2017;
Barragan-Fonseca et al., 2017 - 2018b; Gold et al., 2018.
Tableau 2: Teneur moyenne minimales et maximales (entre parenthèses) en minéraux
des larves de MSN (%, base sèche)1. Ca n = 4 P n = 4 K n = 1 Na n = 1 Mg n = 1 Fe n = 1 Mn n = 1 Zn n = 1 Cu n = 1 g/kg mg/kg 75,6 ± 17,1 (50,0 - 86,3) 9,0 ± 4,0 (6,4 – 15,0) 6,90 1,30 3,90 1,37 246,0 108,0 6,0
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Tableau 3: Composition minimales et maximales (entre parenthèses) en acide aminé
des larves de MSN (%, base sèche)1.
Acide aminé essentiel g/100g d’azote Alanine (n=4) Arginine (n=4) Acide aspartique (n=4) Cystine (n=1) Histidine (n=4) Isoleucine (n=4) Leucine (n=4) Lysine (n=4) Méthionine (n=4) Phénylalanine (n=4) Thréonine (n=4) Tryptophane (n=1) Acide glutamique (n=4) Valine (n=4) Proline (n=4) Serine (n=4) Tyrosine (n=4) 7,7 ± 0,8 (6,9 – 8,8) 5,6 ± 0,3 (5,3 – 6,1) 11,0 ± 1,8 (8,5 – 12,5) 0,1 3,0 ± 1,0 (2,3 – 4,5) 5,1 ± 0,5 (4,7 – 5,6) 7,9 ± 0,6 (7,1 – 8,4) 6,6 ± 0,9 (6,0 – 8,0) 2,1 ± 0,3 (1,7 – 2,4) 5,2 ± 0,4 (4,6 – 5,6) 3,7 ± 1,7 (1,3 – 4,8) 0,5 10,9 ± 2,4 (8,7 – 13,5) 8,2 ± 1,4 (6,4 – 9,1) 6,6 (5,5 – 7,7) 3,1 ± 1,9 (0,3 – 4,2) 6,9 ± 0,7 (6,0 – 7,7)
1Sources : St-Hilaire et al., 2007; Sealey et al., 2011; Makkar et al., 2014; Cheng et al.,
2017.
1.4.2. Volailles
Les poussins nourris avec un régime contenant de la farine de soja ont des gains de poids de l'ordre de 96% tandis que ceux nourris avec des larves de MSN permettent un gain de poids de 93% (Hale, 1973). De plus, il a été constaté qu'avec une inclusion à 10% de farine de larves MSN dans un régime alimentaire pour poulets de chairs, le poids moyen, la consommation cumulative d'aliments et l'apport hebdomadaire ainsi que le gain moyen quotidien étaient significativement plus élevés par rapport au régime alimentaire commercial contenant du soja (Pretorius, 2011). En outre, il n'y avait aucune différence significative dans l'étude d'Adeniji (2007) sur le gain de poids, le taux de conversion des aliments, la rétention des nutriments et l'apport alimentaire des poulets de chair, lorsque la moulée de soya a été remplacé par la farine de larves à différents niveaux. Il a été conclu
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que la farine de larves MSN peut substituer la moulée de soya dans l’alimentation des poulets de chairs.
1.4.3. Porcs
Newton et al. (1977) ont mené un essai sur des porcs et ils ont constaté que la diète constituée de larves MSN est adaptée à l'utilisation dans les régimes alimentaires pour le porc. Ils ont formulé une diète contenant 20% de protéines brutes et 13% de lipides bruts en utilisant de la farine de larves MSN et n’ont pas trouvé de différence significative (croissance et prise alimentaire) entre les porcs du régime d’étude et du régime témoin commercial. Cependant, le contenu en acides aminés ainsi qu’en calcium et en lipides des larves MSN seraient particulièrement avantageux. Lors d’une autre étude (Newton et al., 2005b), des farines de prépupes de MSN ont été utilisées pour remplacer 50% de la farine de sang compris dans le régime alimentaire de porcs maigres juvéniles. Cette diète a eu une meilleure performance (gain de 4% et 9% efficacité alimentaire) que la diète contrôle et ce, malgré l'absence de supplémentation en acides aminés.
1.4.4. Poissons
Plusieurs expériences ont montré que les larves de MSN pouvaient remplacer partiellement ou totalement la farine de poisson dans l’alimentation des poissons. Cependant, des essais supplémentaires ainsi que des analyses économiques sont nécessaires car des performances réduites ont été observées, le type de substrat d’élevage et la méthode de traitement affectent l’utilisation des larves (Makkar et al., 2014).
Des larves de MSN élevées sur du fumier de volaille ont servi à nourrir des poissons chat (Ictalurus punctatus), les résultats de cette étude ont montré que le gain de poids et la taille des poissons chat étaient similaires à ceux du régime commercial (Bondari et Sheppard, 1981). Aussi, le régime contenant de la farine de larves de MSN n’a eu aucun effet sur la prise alimentaire, la texture et l’arôme des poissons. Des résultats similaires ont été trouvés avec le tilapia bleu (Oreochromis aureus) (Bondari et Sheppard, 1981). Newton et al., (2005a) ont révélé que l'utilisation de farine de prépupes MSN pour substituer les farines de poisson est avantageuse jusqu'à un niveau d'inclusion de 7,5%. Une étude menée par St-Hilaire et al. (2007) chez la truite arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss) a indiqué que l'utilisation d'une diète où la farine de prépupes de MSN ne dépassait pas 15% des protéines
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totales n'avait aucun effet néfaste sur la conversion alimentaire des poissons pendant une période d’alimentation de neuf semaines. Des larves de MSN, moulues et séchées, élevées sur du fumier de bovin laitier enrichi avec des abats de truite pourraient être utilisées pour remplacer jusqu’à 50% de protéines de farine de poisson dans les régimes de truites arc-en-ciel. Pendant huit semaines sans affecter de manière significative la croissance du poisson ou la qualité sensorielle des filets de truite arc-en-ciel, bien qu’une légère réduction (non significative de la croissance) ait été observée (Sealey et al., 2011). Les larves de MSN ont également été étudiées par Kroeckel et al., (2012) comme substitut partiel possible des farines de poissons en aquaculture. Il a rapporté que la farine de larves de MSN peut substituer jusqu’à 33% de la farine et l’huile du poisson turbot (Psetta maxima) (Kroeckel et al., 2012). Les résultats de ces études suggèrent que la farine de larves et prépupes de MSN peut être un aliment approprié pour l’alimentation des poissons.
1.5. La mouche soldat noire (Hermetia illucens) - cycle de vie et
production
La mouche soldat noire (MSN), Hermetia illucens (Linné, 1758), est un diptère de la famille des Stratiomyidae native d’Amérique allant de 40 degrés nord à 40 degrés sud (Callan, 1974). Leur répartition actuelle s'étend dans la plupart des environnements tropicaux et subtropicaux du monde entier (James, 1935; Diener et al., 2009). Elles ont des fémurs et tibia noirs, et les tarses au bout des pattes sont jaunes pâles. Les antennes aériennes, longues, noires et droites, dépassent leur tête. Les adultes en bonne santé mesurent environ 15 à 22 mm (Sheppard et al., 2002). La femelle, habituellement plus grande que le mâle, possède un abdomen rougeâtre tandis que le mâle a un abdomen bronze (Oliveira et al., 2016). La MSN n'est pas reconnue comme un parasite parce que l'adulte n'est pas attiré par les habitats humains ou les aliments (Alvarez, 2012). Contrairement à d'autres espèces de diptères, Hermetia illucens n’est pas considérée comme un vecteur de maladie ou de nuisance pour l’homme (Furman et al., 1959). Les risques de transmission de maladies de MSN à l'homme dans une installation de gestion des déchets ne sont pas connus, mais avec l'utilisation d’équipement de protection individuelle adéquat, l'incidence de ce transfert ne devrait pas être bien pire que les vecteurs de maladies actuels présents
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dans une décharge (Alvarez, 2012). Par contre, elles ont été identifiées dans des cas isolés de myiases (H. L. Lee et al., 1995).
1.5.1. Cycle de vie des mouches soldats noires
Le cycle de vie des MSN (voir figure 2) commence par l'accouplement entre adultes mâles et femelles. Le stade adulte est entièrement consacré à la reproduction (recherche d'un partenaire, accouplement et ponte) (Tomberlin, 2001). Les mouches adultes ne se nourrissent pas et dépendent des matières grasses emmagasinées lors de la dernière phase larvaire (Newton et al., 2005a; Mullen et al., 2009). La longévité du stade adulte (5 - 8 jours) est fonction de l'épuisement des réserves de graisse. Quelques heures après l'émergence du stade ailé, les femelles se trouvent un partenaire. Le mâle l'intercepte à mi-vol et l’accouplement se termine au sol. La femelle ne tarde pas après l’accouplement à pondre dans un environnement sec, comme sur les fissures et crevasses près des matières organiques putrescibles (Tomberlin, 2001). Une fois cette réserve épuisée, l'adulte meurt (Myers et al., 2008). Une femelle peut pondre entre 500 à 1200 œufs. Chaque œuf a une longueur d'environ 1 mm et une couleur blanc crémeux (Diclaro et Kaufman, 2009). Les œufs prennent environ 4 jours pour éclore.
Après éclosion, les larves trouvent les matières organiques aux environs immédiats et commencent immédiatement à s’alimenter. Les études menées par Hall et Gerhardt (2002) ont indiqué que les larves de MSN peuvent atteindre au dernier stade larvaire une longueur allant jusqu'à 27 mm, une largeur allant jusqu'à 6 mm et peser jusqu'à 220 mg (Diclaro et Kaufman, 2009). Les larves sont blanches avec une petite tête en saillie contenant la partie buccale. En conditions optimales, les larves nécessitent environ 14 jours pour compléter leur développement (six stades ou instars) (Hall et Gerhardt, 2002).
Les larves ont un appétit vorace (jusqu'à 300 mg de matière fraîche/larve/jour) pour une large gamme de matières organiques (biomasse végétale, fruits et légumes, déchets d’usine, abats, fumiers, lisiers et carcasses de poissons (Ndegwa et Thompson, 2001; Nguyen, 2013). Après le sixième stade larvaire, le stade de pupaison commence (phase finale de mue d’Hermetia illucens). Au stade prépupe, les larves contiennent des taux élevés de protéines (32–58%) et de lipides bruts (15–39%) (Cheng et al., 2017; Barragán-Fonseca et
al., 2018b; Gold et al., 2018). Elles quittent leur site d'alimentation, à la recherche d'un environnement sec et protégé. Une fois que cela se produit, la pupaison commence.
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L'exosquelette s'obscurcit en pigmentation et une pupe se développe à l'intérieur de l'exosquelette (Park, 2016). La pupaison prend encore deux semaines avant qu'un adulte émerge. Ensuite, les adultes qui ont émergés se reproduisent à nouveau et le cycle reprend (Park, 2016).
Figure 2: Cycle de vie des mouches soldats noires (photos par Mahamoudou Koné).
Les larves de MSN ont la capacité de prolonger leur cycle de vie, dans des conditions hostiles (Tomberlin et al., 2009; Holmes et al., 2012). Dans des conditions défavorables, les larves peuvent prendre jusqu’à quatre mois avant d’être matures. En cas de pénurie de nourriture ou de conditions défavorables (déficience en oxygène, baisse de température inférieure à 20°C, hausse de température supérieure à 36°C), les larves réduisent leur alimentation ou cessent de se nourrir (Tomberlin et al., 2009). Dans d'autres conditions, lorsque la survie de l'individu est menacée (exemples : température élevée, conditions toxiques), les larves essaient d'abandonner la source d'alimentation (Diener et al., 2011a). Pour un bon système de traitement des larves de MSN, il est donc extrêmement important de déterminer ce qui déclenche l'arrêt de la prise alimentaire ou de la migration en masse des larves immatures (Diener et al., 2011a).
Tomberlin et al., (2009) ont montré que les mouches adultes élevées à une température de 27°C sont en moyenne 5% plus lourdes et ont une durée de vie 10% plus longue que celles
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élevées à 30°C. De plus, les larves élevées sous 27°C prennent quatre jours de plus pour compléter leur développement larvaire par rapport à celles sous 30°C (Tomberlin et al., 2009).
La méthode conventionnelle de bioconversion par les larves de MSN est de nourrir les larves directement avec des déchets alimentaires sans aucun ajustement de l'humidité (Diener et al., 2011b; Nguyen et al., 2013; Cheng et al., 2017). Quoique l’alimentation humide puisse être simple et permettre de gagner du temps, elle peut présenter des difficultés pour la séparation des larves des résidus à la fin de leur croissance. En effet, les résidus trop humides (teneur en humidité de 82–86%) peuvent affecter la distribution granulométrique, la bioconversion, les performances de croissance, la survie des larves et être trop visqueux pour le tamisage (Diener et al., 2011a; Barragán-Fonseca et al., 2018a). Des études ont montré que la teneur en humidité de certains déchets organiques, tels que le fumier de volaille et les boues de fosse septique, pouvait affecter de manière significative la croissance et la survie des larves (Fatchurochim et al., 1989; Banks et al., 2014). Banks
et al., (2014) ont évalué l’effet de la teneur en humidité des boues de fosse septique (65%,
75% et 85% d’humidité) et ont signalé que la teneur en humidité avait un effet significatif sur la croissance et la survie des larves nourries avec des diètes à 85% d'humidité. Fatchurochim et al., (1989) ont évalué l'effet de la teneur en humidité du fumier de volaille sur le taux de survie des larves à des taux d'humidité compris entre 20 et 90% et ont constaté que le taux de survie des larves variait de manière significative selon les niveaux d'humidité, le taux le plus élevé se situant entre 40 et 60%. Étant donné, le rôle important de la teneur en eau du régime sur la bioconversion, la croissance et la survie des larves, il est essentiel de comprendre les effets de la teneur en eau des déchets alimentaires sur la bioconversion des larves de MSN pour un traitement efficace des déchets alimentaires (Cheng et al., 2017; Barragan-Fonseca et al., 2018b).
1
1.6. Techniques d’élevage et approches nutritionnelles
1.6.1. Techniques d’élevage 1.6.1.1. Écloserie
Des études réalisées par Sheppard et al. (2002) sur l'élevage de la mouche soldat noire révèlent que l'accouplement peut être réalisé de manière fiable dans une cage de 2 m x 2 m x 4 m, dans une serre de 7 m x 9 m x 5 m fournissant de la lumière du soleil et un espace adéquat pour l'accouplement aérien. Les adultes doivent être abreuvés, mais aucune nourriture n'est nécessaire. Il existe la technique d’élevage des MSN au laboratoire qui consiste à mettre 40 g de prépupes dans des volières (28,5 cm x 28,5 cm) exposées à une lumière artificielle (Technologie ADSOL Led, 450 à 700 nm ; Montréal, Canada) qui au bout de deux semaines émergeront pour donner des mouches adultes. L’éclosion des œufs se produit en incubateur (Growth cabinet, MLR-350, Sanyo, Osaka, Japon) à photopériode constante (12l : 12N) à 27°C avec une humidité de 80%. Pour plus d’amples informations voir, les sections 2.2.3.1 et 2.2.3.2 du chapitre 2.
Pieterse et Pretorius (2014) ont signalé que la MSN tolère une large gamme de température et d'humidité avec des adultes qui s'accouplent généralement et pondent à des températures de 24ºC à 36ºC. Sur le lieu d'élevage, une humidité relative de 70 à 80% soutient l'accouplement et l'oviposition (Park, 2016). Les œufs et les larves sont généralement maintenus à 27°C, mais ils semblent également tolérer une gamme de conditions (température et humidité) (Park, 2016). Également, une baisse ou une hausse d’humidité aura un effet négatif sur l’éclosion des œufs et l’émergence des adultes (Holmes, 2012).
1.6.1.2. Production en masse
Deux systèmes de production en masse des larves et des mouches soldats noires adultes paraissent prometteurs (Sheppard et al., 1994; 2002). Le premier système a trait à la production continue, qui consiste à transférer des larves de mouches tous les jours dans des auges construites avec des murs inclinés dans lesquels les larves sont nourries avec un flux constant de déchets à faible volume (Dossey et al., 2016).
Le deuxième système le plus expérimenté au cours des 15 dernières années consiste à installer des lots de larves dans des conteneurs ou dans des bacs, qui permettent d’alimenter
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et surveiller quotidiennement les larves et d’assurer qu’au moins 40% d’entre elles atteindront le stade prépupe (Sheppard et al., 2002).
1.6.2. Approches nutritionnelles et facteurs abiotiques
Les larves de MSN croissent bien à des densités de 2,5 larves/cm2. Chaque cm2 nécessite l’ajout d’au moins 1-1,5 g de substrat le plus frais possible par jour puisqu'elles peuvent tout assimiler entre 4 à 6 heures (Sheppard, 2002).
Des études ont montré que les macronutriments, les protéines, les glucides, les fibres et les lipides contenus dans les diètes fournies aux larves ont une grande influence sur les performances de croissance et la qualité nutritionnelle des larves (Nguyen et al., 2013; Oonincx et al., 2015; Tinder et al., 2017). Les larves nourries avec des fruits et légumes parviennent à une taille et une masse finale inférieure ainsi qu’un temps de développement jusqu’à maturité supérieure par rapport aux larves nourries avec des résidus de cuisine et du foie (Nguyen et al., 2013). La faible teneur en matières grasses et en protéines des fruits et légumes serait probablement en cause (Nguyen et al., 2013; Jucker et al., 2017). L’excès de protéines, pour sa part, entraine une excrétion d’ammoniaque (nauséabonde) tandis que la carence en protéines prolonge le temps de développement larvaire (Carvalho et Mirth, 2017; Gold et al., 2018). Les fibres indigestes (comme la lignine), lorsque données en grandes quantités, peuvent retarder les performances de bioconversion en réduisant la densité globale des éléments nutritifs nécessaires au développement larvaire (Barragan-Fonseca et al., 2017; Gold et al., 2018). Selon Oonincx et al., (2015), le développement larvaire n’est probablement pas ralenti par les lipides, sauf s’ils sont fournis en excès. Dans les régimes faibles en lipides et en protéines, mais riches en glucides, ces derniers sont convertis en lipides par les larves et stockés dans les tissus adipeux en corps gras (Handke
et al., 2013; Pimentel et al., 2017).
La quantité d’aliments servie aux larves a un impact sur le processus de bioconversion. Une forte quantité d’aliments fournie submerge les larves et rend l’accès difficile aux nutriments, tandis qu’une quantité insuffisante occasionne la compétition entre les larves (Banks et al., 2014; Rivers et Dahlem, 2014; Dortmans et al., 2017). Selon Banks et al., (2014), nourrir les larves de MSN en continu tout au long de la croissance (par exemple tous les deux jours) accélère la mue des larves en prépupes et les affaiblit comparativement
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aux larves nourries en batch, une fois au début de l'expérience. Diener et al., (2009) ont proposé des taux d’alimentation de 100 à 125 mg par larves et par jour à 60% d’humidité.
La teneur en humidité et le pH des régimes alimentaires ont des incidences sur les performances des larves pendant la bioconversion. Selon Dortmans et al., (2017) la teneur en humidité des régimes alimentaires doit généralement être comprise entre 70 et 80%. Le pH s’est avéré mortel pour les larves lorsque la valeur était inférieure à 2 alors que des valeurs comprises entre 6 et 8 favoriseraient la croissance et la bioconversion des larves (Ma et al., 2018).
La température du milieu a également d’importante répercussions sur les larves. Newby (1997) a constaté une forte mortalité des larves à une température de 47oC. À l'opposé, une faible prise alimentaire est observée à de basses températures (< 15°C) (Newby, 1997; Myers et al., 2014). Il a ainsi suggéré 35°C comme température d’alimentation optimale pour les larves (Newby, 1997; Cheng et al., 2017).
1.7. Comparaison de quelques paramètres entre les expériences de
bioconversion des larves de mouche soldat noire
Les résultats comparatifs des paramètres de différentes études de bioconversion sont présentés au tableau 4. Cependant, les différents paramètres (taux de survie, poids moyen, morphologie, taux de conversion alimentaire et bilan de bioconversion varient et dépendent du type et de la teneur en humidité du régime alimentaire, de l’humidité et de la température ambiante ainsi que du temps (jours) de développement larvaire (Banks et al., 2014; Oonincx et al., 2015; ur Rehman et al., 2017).
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Tableau 4: Comparaison de quelques paramètres entre les expériences de bioconversion avec les larves de MSN (ND : non disponible).
Références Régine alimentaire Humidité des régimes (%) Température ambiante (oC) Humidité ambiante (%) Taux de survie (%) Temps de développement larvaire (Jours) Poids moyen des larves sur base humide (mg) Longueur (mm) Largeur (mm) Taux de conversion alimentaire Bioconversion (%) sur base sèche
Ma et al., (2018) Mélange de son et farine de maïs 76 27 60 - 70 88 – 99 20 -29 160 - 210 ND ND ND ND ur Rehman et al., (2017) Fumier de bovins laitiers et résidus de soja 78 – 82 27 60 – 70 91 – 99 19 – 23 63 – 123 ND ND 4,2 – 6,2 6,3 – 15,2 Costanza Jucker et al., (2017) Fruits et légumes 86 - 92 25 60 89 – 96 37 – 52 154 – 184 14,8 – 16,0 ND ND ND Cheng et al., (2017) Déchets alimentaires pré et post- consommation 70 - 80 35 ND 95 - 99 12 – 19 119 - 161 ND ND ND ND Tinder et al., (2017) Mélange de sorgho et de niébé 70 28 70 59 - 75 25 - 39 92 – 157 15,2 – 18,0 ND ND ND Manurung et al., (2016) La paille de riz 60 28 65 - 75 51 – 98 38 – 54 ND ND ND ND ND Oonincx et al., (2015) Sous-produits alimentaires ND 28 70 72 – 86 21 – 37 ND ND ND 1,4 – 2,6 ND
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1.8. Hypothèses et Objectifs
1.8.1. Hypothèses
- La composition des matières organiques résiduelles (MOR) varie dans le temps. - Les performances de croissance et de bioconversion des larves varient en fonction
de l’humidité relative (HR) et de la proportion de MOV intégrée aux diètes.
1.8.2. Objectifs
1.8.2.1. Objectif général
Ce projet vise à étudier le potentiel des larves de mouches soldats noires à réaliser la bioconversion des matières organiques végétales (MOV) pouvant contribuer à grande échelle à une meilleure gestion et valorisation des déchets organiques.
1.8.2.2. Objectifs spécifiques
- Caractériser les matières organiques résiduelles recueillies chez le partenaire industriel.
- Caractériser la composition physico-chimique et nutritionnelle des MOV afin de formuler différentes diètes pour nourrir les larves.
- Déterminer l’effet des diètes expérimentales à base de MOV sur la croissance et la composition proximale des larves.
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Chapitre 2 : Impact de la composition des matières organiques
végétales sur la croissance et la qualité nutritionnelle des larves
de mouches soldats noires
Mahamoudou Koné, Marie-Hélène Deschamps, Louise Hénault-Ethier, Yolaine Lebeuf, Grant W. Vandenberg
Département des sciences animales, Faculté des sciences de l’agriculture et de
l’alimentation, Université Laval Pav. Paul-Comtois, 2425 rue de l’Agriculture, Québec (QC), Canada, G1V 0A6.
Résumé
La valorisation des matières organiques résiduelles (MOR) par la production en masse de larves de mouches soldats noires (MSN, Hermetia illucens) est une opportunité réelle d’ajouter de la valeur à toutes sortes de MOR de façon durable et écologique en plus de produire un nouvel aliment alternatif riche en protéines et en lipides. L'objectif de cette étude était de déterminer le potentiel des larves de MSN à bioconvertir les matières organiques végétales (MOV) pré-consommation recueillies auprès de détaillants alimentaires de la région de Québec (Canada). Pour ce faire, 13,2 ± 3,3 kg de MOR par semaine, pendant 10 semaines étaient recueillis chez un collecteur de MOR local (Sanimax Inc, Québec, Canada). Les MOR ont été caractérisés quantitativement (masse et fréquence des différents types de MOR). Les résultats ont montré des variations significatives dans la composition des MOR en fonction du temps ainsi que la présence de contaminants tels que des plastiques (3%), viandes (3%), produits laitiers (2%) et papiers (1%). Les proportions les plus élevées ont été rencontrées pour les catégories légumes et fruits (42% et 32%, respectivement). Les MOV ont été par la suite utilisées pour réaliser des essais nutritionnels. Six diètes (traitements, T) iso-lipidiques et iso-énergétiques ont été formulées à partir d'un régime de référence (R) Gainesville, (R et Tc = 100% Gainesville à 70% et 85% humidité relative (HR) respectivement) auquel a été substitué 30, 50, 70 et 100% de MOV (T30, T50, T70 et T100, respectivement) à 85% HR pour refléter la réalité industrielle. Des larves de MSN de 4 jours (600 larves/5L) ont été alimentées à raison de 160 g/jour pendant 6 jours (J) et récoltées à 10 et 13 J de vie. À J10, les performances de
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croissance (biomasse larvaire totale, poids moyen, longueur, largeur et facteur K des individus) des larves alimentées avec des diètes à 85% HR (TC, T30, T50, T70 ET T100) ont montré des retards comparés à celles alimentées avec le régime référence à 70% HR. Toutefois, à J13, les larves des diètes à 85% HR ont rattrapé leur retard, avec des performances de croissance presque équivalentes au régime référence à J10. À J10, les teneurs en lipides bruts des larves étaient positivement corrélées à la quantité de MOV ajoutée à la diète R. Par ailleurs, le pourcentage en protéines des larves à J10 de toutes les diètes était plus élevé qu’à J13. Nos résultats suggèrent que prolonger le cycle de production de 10 à 13 jours permet d'optimiser la bioconversion et la croissance des larves sur des MOV broyées à 85% HR. Des mélanges de MOV à 30 ou 50% avec un aliment sec protéiné permettent une croissance finale similaire aux larves élevées strictement sur ce dernier. Enfin, les MOV à 85% HR confèrent l'avantage de nécessiter une transformation minimale des matières (séchage, pressage) afin de maximiser la croissance des larves.
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Abstract
The valorization of residual organic material (ROM) through the mass production of black soldier fly larvae (BSF, Hermetia illucens) is a real opportunity to add value to all kinds of ROM in a sustainable and ecological way and to produce new alternative food rich in proteins and lipids. The objective of this study was to determine the potential of BSF larvae to bioconvert pre-consumer vegetable organic matter (VRO) collected from food retailers in the Quebec City area (Canada). To do this, 13.2 ± 3.3 kg of ROM per week for 10 weeks was collected from a local ROM collector (Sanimax Inc, Québec, Canada). The ROM was quantitatively characterized in terms of their content (mass and frequency for different categories of ROM). The results showed significant variations in the composition of ROM by week as well as the presence of contaminants such as plastics (3%), meat (3%), dairy products (2%) and paper (1%). The highest proportions were found for the vegetable and fruit categories (42% and 32%, respectively). The VRO were subsequently used to conduct nutritional trials. Six iso-lipidic and iso-energy diets (treatments, T) were formulated from a reference diet (R) Gainesville, (R and Tc = 100% Gainesville at 70% and 85% relative humidity (RH) respectively) to which 30, 50, 70 and 100% VRO (T30, T50, T70 and T100, respectively) were substituted at 85% RH to reflect the industrial reality. 4-day BSF larvae (600 larvae/5L) were fed 160 g/day for 6 days (D) and harvested at 10 and 13 D of life. At D10, the growth performance (total larval biomass, average weight, length, width and K factor of individuals) of larvae fed diets at 85% RH (TC, T30, T50, T70 and T100) have shown delays compared to those supplied with the reference feed of 70% RH. However, at D13, the larvae of the 85% RH diets caught up with their delay, with growth performance almost equivalent to the diet compared to D10. At D10, larval crude fat levels were positively correlated with the amount of VRO added to the R diet. In addition, the protein percentage of larvae on D10 of all diets was higher than on D13. Our results suggest that extending the production cycle from 10 to 13 days optimizes bioconversion and larval growth on VRO crushed at 85% RH. Mixtures of 30 or 50% VRO with a protein dry feed allow a final growth similar to the larvae raised strictly on the latter. Finally, 85% RH VRO have the advantage of requiring minimal material processing (drying, pressing) to maximize larval growth.
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2.1. Introduction
Annuellement, environ 1,3 milliards de tonnes de nourriture sont gaspillées mondialement, dont 15 à 30% de fruits et légumes, ce qui représente une perte économique annuelle d'environ 750 milliards de dollars (FAO, 2004; Van Huis et al., 2014). En raison du tri post-récolte dû aux exigences de qualité fixées par les détaillants et les consommateurs, les fruits et légumes constituent une part considérable des déchets et des pertes, et ce, particulièrement dans les pays industrialisés (FAO, 2004, 2011; Jucker et al., 2017). Au Québec, près de 5,7 millions de tonnes de matières organiques devront être mieux valorisées, puisque leur enfouissement sera banni d’ici 2022 (Recyc-Québec, 2015b).
La bioconversion des déchets organiques par les larves de mouches soldats noires (MSN) est l’une des technologies émergentes pouvant contribuer à l’atteinte de cet objectif (De Smet et al., 2018). En effet, cette approche, qualifiée d’entotechnologique, représente une réelle opportunité de valorisation pour toutes sortes de matières organiques résiduelles de façon durable et écologique (Sheppard et al., 1994; Diener, et al., 2009; Sánchez et al., 2014). L’élevage en masse de larves de MSN peut produire des aliments alternatifs et éco-responsables (32 à 58% protéines et 15 à 39% lipides; Barragan-Fonseca et al., 2017) pour les animaux monogastriques (volaille, porc et poissons) ainsi qu'un résidu pouvant servir d’amendement organique ayant des propriétés fertilisantes intéressantes appelé frass (Xiao
et al., 2018; Zurbrügg et al., 2018), ce qui permet de générer des revenus pour les industries
de gestion des déchets organiques (Gold et al., 2018).
Plusieurs études de bioconversions ont démontré la capacité des larves à convertir biologiquement plusieurs types de matières organiques dont les déchets municipaux (Diener et al., 2011b), les déchets alimentaires (Cheng et al., 2017), les boues de fosse septique (Banks et al., 2014 ; Nyakeri et al., 2017a), les excréments humains (Lalander et
al., 2013), les lisiers de porc (Newton et al., 2005b), les fumiers de vache (Gobbi et al.,
2013; ur Rehman et al., 2017), ainsi que les fruits et légumes (Jucker et al., 2017; Nyakeri
et al., 2017b).
À l'heure actuelle, seules les larves de MSN séchées, entières et produites sur des substrats 100% végétaux (EnterraGrubsTM, Langley, BC, Canada) ont été accréditées pour
