昆虫蛋白生产中黑水虻幼虫饲养挥发性有机化合物的TD–GC–MS轮廓及潜在气味相关性

《Food Chemistry: X》：TD–GC–MS profiling of volatile organic compounds and potential odor relevance during insect protein production

　　

热脱附–气相色谱–质谱联用（thermal desorption–gas chromatography–mass spectrometry, TD–GC–MS）用于分析昆虫蛋白生产过程中挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）及潜在气味相关性。含黑水虻幼虫（black soldier fly larvae, BSFL；*Hermetia illucens*）的容器中挥发性信号高于仅含饲料的对照。富含蛋白质的鱼类饲料显示出更显著的蛋白质相关VOCs。碳水化合物来源的VOCs在早期饲养阶段占主导。推定气味物谱随饲料处理不同而变化。

动物源肉食是全球食品系统的重要支柱，也是人类蛋白质的主要来源。全球饲养的畜禽数量超过700亿，其环境负担不可忽视；畜牧养殖是气候变化的重要驱动因素，并向大气释放大量温室气体。在此背景下，昆虫养殖因高蛋白产量和相对较低的环境足迹而受到关注。昆虫已被正式归类为畜禽，昆虫养殖被预计可作为传统畜牧养殖的可持续蛋白生产替代途径。黑水虻幼虫（black soldier fly larvae, BSFL；*Hermetia illucens*）可利用有机废物流高效饲养，将废物转化为蛋白质和脂质等资源。尽管BSFL可户外饲养，室内或半室内系统通常更受偏好，因为其可独立于天气等外部因素进行精确环境控制。BSFL生长和生物转化效率受温度、湿度等饲养条件影响。在BSFL对有机废物的生物转化过程中，废物元素组分在幼虫生物量和气体排放之间再分配，气体排放主要包括二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）。这些气体排放的另一个组分是挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs），其中许多参与气味形成。VOCs组成可能反映饲料组分降解以及幼虫和相关微生物的代谢活动。表征这些挥发性化合物对于理解BSFL生产系统的化学环境很重要：部分VOCs具有气味活性，可能影响室内空气质量和职业暴露，同时其谱图也可提供底物降解和幼虫-微生物代谢信息。然而，BSFL饲养过程中的VOC生成仍表征不足，尤其涉及其时间变化和饲料组成影响。由于碳水化合物、蛋白质和脂质经历不同的代谢和微生物降解途径，不同生化组成的饲料可能产生不同的挥发谱和气味活性化合物。因此，理解这些关系对于表征BSFL生产的挥发化学以及改善昆虫蛋白生产系统的监测和管理很重要。本研究主要目标是表征BSFL饲养过程中饲料依赖性和时间性VOC生成。研究人员使用三种具有不同生化组成的商业饲料，考察饲料特性与幼虫生长、生化组成和VOC谱的关系；比较含幼虫和不含幼虫饲养系统的VOCs，以评估幼虫活动及BSFL相关微生物相对于单独饲料底物的贡献；采用两种吸附管检测VOCs；并评估碳水化合物、蛋白质、脂质和木质纤维素相关VOCs的时间变化以及气味活性化合物的出现。该研究旨在为理解昆虫生物量生产中的VOC形成提供化学基础，并支持未来饲料选择、气味管理和可持续昆虫蛋白生产策略。

关键技术方法：四日龄BSFL来自韩国国家畜产科学院（National Institute of Animal Science, Republic of Korea）。三种商业狗、鱼、猪饲料调湿至60 wt%，每盒500 g湿重并引入1000头幼虫，设含BSFL盒与仅饲料对照，28 °C黑暗饲养。生化分析采用离子交换色谱测定氨基酸并估算蛋白，脂肪酸甲酯（fatty acid methyl esters, FAMEs）-气相色谱-火焰离子化检测器测脂质，热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）测灰分，元素分析测硫，差值法计算碳水化合物。VOCs采用Air Toxics和Tenax TA吸附管被动采样，每5天更换，15天内收集3个阶段，并设程序空白。分析采用TD–GC–MS，DB-1柱，电子电离（electron ionization, EI）70 eV，选择离子监测/全扫描（selected ion monitoring/scan, SIM/scan），m/z 20–350，NIST库推定注释，峰面积作为相对时间积分响应。

3.1 不同饲料上的幼虫生长：通过饲料生化分析和BSFL干重、氨基酸及脂质测定，研究人员发现鱼饲料蛋白含量最高（44.78 wt%），狗饲料脂质最高（7.39 wt%），猪饲料碳水化合物最高（76.86 wt%），所有饲料灰分低于1 wt%且含硫。第5天，狗饲料幼虫平均干重最高（47.68 mg），鱼饲料次之（39.74 mg），猪饲料最低（17.59 mg），但不能由总碳水化合物、蛋白或脂质简单解释。第5–10天，猪饲料幼虫增重最大（19.87 mg/幼虫），狗和鱼分别增重4.68和5.75 mg；第10–15天仅鱼饲料处理幼虫干重继续增加，狗和猪处理下降。第15天鱼饲料幼虫干重最高（52.47 mg），其次狗（40.93 mg）和猪（35.28 mg），与初始蛋白含量顺序一致。残留底物蛋白消耗为鱼64.91 g、狗40.69 g、猪25.26 g，表明蛋白可用性和消耗贡献了处理间生长差异。幼虫脂质含量以狗饲料最高，鱼次之，猪最低，与底物脂质一致；幼虫蛋白含量不直接对应初始蛋白，猪饲料幼虫蛋白高于鱼饲料，但各处理氨基酸谱差异不大，谷氨酸最多，天冬氨酸和亮氨酸次之。饲料特性影响总蛋白和脂质积累，但对幼虫蛋白相对氨基酸组成影响有限。

3.2 昆虫饲养过程中挥发性化合物的产生：通过有幼虫和无幼虫饲养系统的VOC比较，含BSFL盒的总GC–MS峰面积为无幼虫盒的52倍，表明检测到的VOC谱与BSFL活动及相关微生物有关，而非仅与底物微生物有关。两种吸附管比较中，Air Toxics检测到12种化合物，Tenax TA检测到35种，Air Toxics检测到的化合物均被Tenax TA检测到；除乙酸外，Tenax TA产生更大峰面积，因此后续选择Tenax TA。检测VOCs主要为中至高沸点、非极性和中等极性化合物，包括含氧、含硫和芳香化合物。VOC谱随时间和饲料处理变化：狗和猪饲料处理的总峰面积在早期（0–5天）最高后快速下降，鱼饲料处理维持至第10天再下降。第5天，碳水化合物来源VOCs为所有处理中最大类，狗、鱼、猪分别为59.02 area%、42.07 area%和59.34 area%，与饲料高碳水化合物一致，可能反映早期优先利用易降解碳水化合物。乙偶姻在所有饲料处理中相对丰度最高，并伴随2,3-丁二醇，提示糖酵解和发酵途径可能参与。第5天蛋白来源VOCs以鱼饲料最高，狗次之，猪最低，与该顺序初始蛋白含量一致；鱼饲料蛋白来源VOCs到第10天进一步增加，而碳水化合物来源下降，与蛋白降解慢于碳水化合物利用一致。脂质来源VOCs在所有处理中仅占小部分，可能因饲料脂质相对较低，且三酰甘油和多数长链脂肪酸分子量高、挥发性低；28 °C湿润黑暗条件可能限制底物脂质氧化。木质纤维素来源VOCs早期缺失或较低，后期更显著，符合木质纤维素抗生物降解、早期优先利用易利用营养、后期逐渐降解释放木质素和植物来源VOCs。总体早期总GC–MS响应最高，后期难降解组分相关化合物更突出，说明需监测整个饲养期而非单一时间点。

3.3 昆虫饲养过程中VOC谱的气味和食品品质意义：通过推定的有气味VOCs汇总，研究人员指出含硫化合物、挥发性脂肪酸、酚类和吲哚类与生物系统气味形成有关。鱼饲料处理推定鉴定出13种有气味VOCs，猪饲料处理为6种，鱼饲料较高蛋白可能与其更大气味物多样性有关。仅在鱼饲料检测到的二甲胺、3-甲基丁酸和吲哚可由氨基酸和含氮化合物生物降解形成。二甲基二硫醚和二甲基三硫醚在所有处理中检测到；尽管饲料硫低于1 wt%，含硫VOCs产生强色谱信号，可能反映微生物高效转化可利用含硫氨基酸尤其甲硫氨酸为甲硫醇、二甲基二硫醚和二甲基三硫醚等低分子挥发物。这些含硫VOCs具有低气味检测阈值和强烈不愉快气味，可能成为昆虫饲养气味的重要来源，并可能影响室内空气质量和职业健康，但仍需定量排放、职业暴露和健康效应评估。从食品化学看，饲养VOC谱可能关系到昆虫来源成分的感官品质；三甲胺、乙酸和3-甲基丁酸此前被气相色谱-嗅辨法（GC-olfactometry）鉴定为BSFL meal关键异味化合物，贡献鱼腥、酸和奶酪味，但本研究未证明这些化合物转移或保留于收获幼虫。后收获加工可改变昆虫来源成分的挥发和感官特性，脱脂可降低BSFL meal异味强度，发酵可减少不快气味，加工也可能生成新挥发物。因此，需配对表征饲养顶空、收获幼虫生物质和加工成分VOCs，并结合嗅辨或感官分析。

讨论部分总结：观察到的VOC模式需在独立重复饲养单元中进一步确认，未来研究纳入生物重复可统计评估处理效应并提高普适性。5天被动采样提供整个饲养期的整合时间谱，但未来应评估更短采样间隔和采样器特异性摄取特征。由于多种VOCs主要由微生物代谢产生，明确BSFL相关微生物贡献可改善对饲养过程中VOC形成的理解。VOCs还可能通过BSFL化学感觉系统影响幼虫生理和行为，未来应研究其微生物来源和潜在影响。

研究结论翻译：BSFL饲养过程中产生的VOCs通过三种不同动物饲料作为底物进行监测。幼虫生长随饲料组成变化，第15天最高平均干重见于鱼饲料处理，其次为狗饲料和猪饲料。无幼虫对照饲养系统的VOC信号显著低于含幼虫系统，表明观察到的VOC谱与BSFL活动及相关微生物密切相关，而非仅由饲料底物产生。Tenax TA在测试条件下检测到更多化合物，并产生比Air Toxics采样器更高的GC–MS响应。早期饲养期观察到较高总GC–MS峰面积，尤其0–5天，尽管鱼饲料处理的高分析响应持续至第10天。碳水化合物相关VOCs在早期饲养期更突出，而富含蛋白的鱼饲料显示蛋白相关VOCs贡献更大。还检测到若干推定气味物，包括含硫化合物、挥发性脂肪酸、酚类和吲哚类，其谱随饲料处理变化。总体而言，这些结果揭示BSFL饲养过程中VOC谱的时间和饲料依赖模式。需进一步结合定量VOC测量和感官或嗅辨分析，以确定排放率和单个化合物对感知气味的实际贡献。