甜菜粕基日粮对黑水虻幼虫化学成分、矿物质谱系及几丁质产量的影响

《Animals》：Impact of Sugar Beet Pulp-Based Diets on the Chemical Composition, Mineral Profile, and Chitin Yield of Black Soldier Fly (Hermetia illucens L.) Larvae

　　

摘要：在工业化副产物（如甜菜粕，SBP）用于黑水虻（Hermetia illucens L.）养殖是实现循环饲料生产的一项有吸引力的策略，但其对幼虫化学成分和表皮矿化作用的影响仍需详细表征。本研究评估了添加SBP（含或不含木霉属（Trichoderma sp.）接种或甜菜糖蜜）对全黑水虻幼虫的常规营养成分、宏量与微量矿物质谱系以及重量法几丁质产量的影响。研究人员将5日龄幼虫在三个独立的生物学周期内（每个处理设 n = 3个饲养容器）于四种日粮上饲养：对照组（100%小麦麸）、方案1（60%小麦麸+40% SBP）、方案2（60%小麦麸+40% SBP并添加木霉属（Trichoderma sp.）1 × 106 CFU/g）及方案3（60%小麦麸+30% SBP+10%糖蜜）。幼虫收获时未经过收获前禁食期，以反映商业全幼虫加工方式。日粮中添加SBP显著降低了幼虫粗蛋白含量（方案1为44.66 ± 2.88%干物质（DM），方案2为44.36 ± 3.12% DM，方案3为45.25 ± 0.97% DM，而对照组为50.85 ± 3.23% DM；p = 0.038），这反映了SBP较低的蛋白质密度。粗脂肪（32.18–36.32% DM；p = 0.774）和水溶性碳水化合物（1.80–2.20% DM；p = 0.388）在处理间无显著差异。添加SBP显著提高了粗灰分含量（10.59–13.68% DM，对照组为5.75 ± 0.52% DM；p < 0.001）和全虫体钙含量（7.46–8.84% DM，对照组为2.43 ± 1.39% DM；p = 0.003），使幼虫钙磷比从2.45:1扩大至8.04:1。所有SBP日粮中锰浓度均升高（661.2–700.6 mg/kg，对照组为589.9 ± 71.7 mg/kg；p = 0.041），而方案1中铁含量显著升高（286.9 ± 71.5 mg/kg，对照组为168.9 ± 34.4 mg/kg；p = 0.024）。40% SBP日粮的重量法几丁质产量（方案1为7.75 ± 0.22% DM；方案2为7.82 ± 0.18% DM）显著高于对照组（7.34 ± 0.15% DM；p = 0.004），而方案3的几丁质含量最低（7.14 ± 0.12% DM）。真菌接种与单独添加SBP相比未产生显著差异。这些结果表明，基于SBP的日粮可显著提高全虫体灰分和钙含量，同时改变几丁质产量，为将昆虫粉定制用于非反刍动物饲料提供了关键成分基准。

甜菜粕基日粮对黑水虻幼虫营养组成与矿物质沉积的影响：研究解读

一、研究背景与问题提出

在全球循环经济与可持续蛋白生产需求日益增长的背景下，利用农业工业副产物进行昆虫生物转化被视为一条极具潜力的路径。传统畜禽及水产饲料蛋白源（如豆粕和鱼粉）面临土地使用变化、森林砍伐及海洋资源过度开发等重大环境挑战。黑水虻（Hermetia illucens L.）作为一种高效的生物转化昆虫，能够将低价值农业工业副产物转化为富含蛋白质和脂质的幼虫生物量。其幼虫具有显著的生理可塑性，可在高水分、中等纤维含量的异质底物上生长，这是黄粉虫（Tenebrio molitor）或家蟋蟀（Acheta domesticus）等其它规模化饲养昆虫难以适应的。值得注意的是，黑水虻幼虫能利用碳酸钙矿化其表皮外骨骼，即使在谷类日粮上也能建立2:1至4:1的基础钙磷比（Ca:P），这与黄粉虫和蟋蟀通常呈现的0.1:1至0.3:1倒置钙磷比形成鲜明对比。

甜菜粕（SBP）是制糖工业产生的主要农业工业副产物，全球年产量超过5000万吨湿粕。SBP富含结构碳水化合物（果胶、纤维素和半纤维素，占干物质65%以上），但粗蛋白含量低（7–10% DM）。此外，制糖过程中添加石灰进行碳酸饱充，使残留粕中富集了钙沉淀物。尽管已有研究探索了黑水虻在果渣、酒糟和城市生物废弃物上的生长情况，但将SBP作为主要日粮成分的研究仍十分有限。由于SBP纤维密度高、氮含量低，研究者提出通过真菌接种或碳水化合物补充等生物干预手段来提高底物可利用性。木霉属（Trichoderma sp.）以其丰富的纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶产生能力著称，可部分水解顽固的植物细胞壁，可能提高昆虫幼虫的营养生物可及性；而补充甜菜糖蜜等可溶性碳水化合物，可为幼虫脂质生成和代谢生长提供易发酵能量。

然而，高纤维、高钙的SBP基质如何影响黑水虻全虫体的宏量矿物质平衡（钙、磷、钾、钠、镁）、微量元素积累（铁、锌、锰、铜）及重量法几丁质沉积，仍存在显著的知识空白。本研究正是基于这一背景，系统评估了以SBP替代小麦麸（含或不含木霉接种或糖蜜添加）对黑水虻幼虫常规营养素、矿物质谱系和几丁质产量的影响。

二、研究设计与技术方法

本研究采用标准化饲养试验设计。5日龄黑水虻幼虫取自立陶宛考纳斯UAB Insectum的活跃繁殖群体，所有试验周期均使用同一连续亲本遗传群体以消除遗传漂移。幼虫初始平均个体重为10.0 ± 0.4 mg湿重（对应2.8 ± 0.1 mg干物质/幼虫）。饲养在标准化聚丙烯容器（40 × 30 × 22 cm）中进行，放养密度为5只幼虫/cm2（每容器6000只幼虫）。试验设置4种日粮处理：对照组（100%小麦麸）、方案1（60%小麦麸+40% SBP）、方案2（60%小麦麸+40% SBP并添加木霉属1 × 10⁶ CFU/g）、方案3（60%小麦麸+30% SBP+10%糖蜜）。每个处理设3个生物学重复（n = 3），共12个容器单元，跨越3个独立生物学周期。所有日粮调整至70.0 ± 1.0%初始含水量，以0.06 g湿底物/幼虫的投喂率一次性投喂。饲养在28.0 ± 0.5 °C、70.0 ± 2.0%相对湿度、完全黑暗条件下进行18天。幼虫在发育第23天（饲养试验第18天）收获，处于晚期五龄/早期六龄阶段，未进行收获前禁食期以反映商业全幼虫加工方式。

主要技术方法包括：粗蛋白采用凯氏定氮法（ISO 5983-1:2005）测定，氮含量乘以标准转换系数6.25，同时采用昆虫特异性氮-蛋白转换系数（Kp = 4.76–5.60）量化几丁质中非蛋白氮（NPN）造成的过估；粗脂肪采用索氏提取法（ISO 11085:2015）以石油醚为溶剂测定；粗灰分采用马弗炉550 ± 25 °C焚烧至恒重（ISO 5984:2022）；水溶性碳水化合物采用蒽酮-硫酸比色法测定；总磷采用钼钒黄分光光度法（430 nm）测定；矿物质元素（钙、钾、钠、镁、铁、锌、锰、铜）采用火焰原子吸收光谱法（FAAS，ISO 6869:2000）测定。几丁质产量采用三步化学提取重量法：2 M HCl脱矿（65 °C，4 h）、2 M NaOH脱蛋白（100–105 °C回流，8 h）、1% H₂O₂脱色（70 °C，1 h），以幼虫干物质为基础计算几丁质产量。统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）及Tukey HSD事后多重比较，显著性水平设为 p < 0.05。

三、研究结果

3.1 常规宏量营养素、灰分含量与几丁质产量

日粮配方显著影响幼虫粗蛋白（F_3,8 = 4.72，p = 0.038）、粗灰分（F_3,8 = 32.14，p < 0.001）和几丁质提取产量（F_3,8 = 14.88，p = 0.004）。粗脂肪（p = 0.774）和水溶性碳水化合物（p = 0.388）在处理间无显著差异。

粗蛋白含量在100%小麦麸对照组最高（50.85 ± 3.23% DM）。添加SBP使粗蛋白显著降至方案1的44.66 ± 2.88% DM、方案2的44.36 ± 3.12% DM和方案3的45.25 ± 0.97% DM（p < 0.05 vs. 对照组），三个含SBP日粮间无显著差异。采用昆虫特异性因子（Kp = 5.00）校正后，估计真蛋白含量为对照组40.68%、SBP处理组35.49–36.20%，表明使用N × 6.25存在约12%的高估。

粗脂肪含量在各日粮间统计上保持一致，范围为方案1的32.18 ± 8.62% DM至方案2的36.32 ± 5.54% DM（p = 0.774）。水溶性碳水化合物浓度在所有处理中均较低（1.80–2.20% DM，p = 0.388）。

粗灰分含量随SBP添加显著增加（p < 0.001）。与对照组（5.75 ± 0.52% DM）相比，方案1（13.68 ± 0.82% DM）和方案2（12.35 ± 0.91% DM）的灰分含量增加一倍以上，方案1与方案2间无显著差异（p = 0.551）。方案3（糖蜜补充组）灰分含量达10.59 ± 2.31% DM，显著低于方案1（p = 0.046），但仍显著高于对照组（p = 0.003）。

几丁质提取产量表现出显著日粮响应（p = 0.004）。方案2（7.82 ± 0.18% DM）和方案1（7.75 ± 0.22% DM）产量最高，两者间无显著差异（p = 0.941），但均显著高于对照组（7.34 ± 0.15% DM；p = 0.032和p = 0.048）。方案3几丁质含量最低（7.14 ± 0.12% DM），显著低于两个40% SBP日粮（p = 0.005 vs. 方案1；p = 0.003 vs. 方案2），但与对照组统计上相当（p = 0.457）。

3.2 幼虫矿物质谱系

底物配方显著影响幼虫钙（F_3,8 = 11.24，p = 0.003）、磷（F_3,8 = 4.88，p = 0.032）、铁（F_3,8 = 5.61，p = 0.024）和锰（F_3,8 = 4.41，p = 0.041）浓度。钾（p = 0.995）、钠（p = 0.685）、镁（p = 0.863）、锌（p = 0.985）和铜（p = 0.869）在处理间无显著差异。

幼虫钙含量在SBP日粮上增加三倍以上（p = 0.003）。全虫体钙从对照组的2.43 ± 1.39% DM升至方案1的8.06 ± 3.69% DM、方案2的8.84 ± 4.75% DM和方案3的7.46 ± 3.29% DM。Tukey检验确认方案1、2、3均显著高于对照组（p < 0.05），三个SBP日粮间无显著差异（p > 0.05）。

总磷含量存在显著差异（p = 0.032）。方案1磷含量（1.27 ± 0.08% DM）显著高于对照组（0.99 ± 0.03% DM；p = 0.018）。方案2（1.10 ± 0.08% DM）和方案3（1.12 ± 0.21% DM）处于中间水平，与对照组和方案1均无显著差异（p > 0.05）。由于钙的大幅增加，全虫体钙磷比从对照组的2.45:1扩大至方案1的6.35:1、方案2的8.04:1和方案3的6.66:1。

钾（1.56–1.68% DM）、钠（0.67–0.90% DM）和镁（0.59–0.67% DM）无显著日粮变异（p > 0.05），尽管糖蜜组钠含量呈非显著数值增加（方案3：0.90 ± 0.40% DM）。

微量元素方面，方案1铁含量（286.9 ± 71.5 mg/kg）显著高于对照组（168.9 ± 34.4 mg/kg；p = 0.024），方案2（228.0 ± 28.5 mg/kg）和方案3（225.3 ± 82.9 mg/kg）处于中间水平（p > 0.05 vs. 对照组）。所有SBP日粮锰含量均显著升高，方案2达700.6 ± 99.6 mg/kg，对照组为589.9 ± 71.7 mg/kg（p = 0.041）。锌（208.4–234.1 mg/kg；p = 0.985）和铜（18.7–25.4 mg/kg；p = 0.869）在各组间统计上相当。

四、讨论与结论

讨论部分围绕四个核心主题展开。关于粗蛋白含量与非蛋白氮转换，幼虫粗蛋白从对照组的50.85% DM降至SBP日粮的44.36–45.25% DM，主要归因于日粮氮稀释：小麦麸通常含15.5–16.8%粗蛋白，而SBP仅提供8.2–9.8%粗蛋白。木霉接种和糖蜜添加均未逆转这一下降。采用昆虫特异性转换因子（Kp = 5.00）后，真蛋白估计为对照组40.68%、SBP日粮35.49–36.20%，饲料配方师在将SBP饲养的昆虫粉替代常规蛋白原料时应考虑这一非蛋白氮组分。

关于脂质生成与碳水化合物利用，尽管SBP天然脂质含量极低（<1.4% DM），幼虫粗脂肪含量在各处理间保持稳定（32.18–36.32% DM），证明了黑水虻强大的de novo脂质合成代谢能力，可将结构性和非结构性碳水化合物转化为体脂储备。幼虫肠道微生物发酵将可消化纤维组分降解为挥发性脂肪酸（VFAs），主要为乙酸，进入胞质乙酰辅酶A池驱动脂肪酸合成。水溶性碳水化合物在幼虫组织中保持均匀低水平（1.80–2.20% DM），与循环己糖主动稳态转化为糖原或甘油三酯一致。

关于粗灰分动态、胃肠道残留与钙磷比意义，SBP饲养最突出的结果是粗灰分含量从对照组的5.75% DM升至10.59–13.68% DM，主要由钙积累驱动（7.46–8.84% DM vs. 对照组2.43%）。商业甜菜提取过程中，石灰和CO₂在汁液净化阶段引入，将碳酸钙直接沉淀到废弃甜菜粕上，使SBP天然携带高钙浓度（1.10–1.80% DM）。一个重要方法学考量是幼虫未经过24 h禁食期收获，因此分析的灰分、钙和锰浓度反映全幼虫的总元素质量，包括生理组织沉积和幼虫胃肠道内暂存食糜。全幼虫钙磷比从对照组的2.45:1急剧扩大至SBP日粮的6.35:1–8.04:1。在非反刍动物营养中，最佳日粮钙磷比通常为1.2:1至2.0:1，过高钙磷比可通过形成不溶性磷酸钙沉淀降低磷和必需微量元素生物利用度。高钙黑水虻粉可作为蛋鸡的优异钙源，但用于肉鸡或仔猪日粮时需谨慎配方，并补充无机磷酸盐或植酸酶。

关于微量元素保留与矿物质互作，锰在所有SBP日粮中显著升高（661.2–700.6 mg/kg vs. 对照组589.9 mg/kg），方案1铁含量增加（286.9 mg/kg vs. 168.9 mg/kg）。甜菜根从农业土壤中积累锰和铁，这些元素被转移到幼虫生物量中。相反，锌和铜在处理间统计上保持不变，表明高钙条件下黑水虻仍能维持有效的生理稳态。镁保持稳定，证实双翅目组织中的紧密代谢调控。

关于重量法几丁质产量，40% SBP日粮的几丁质产量（方案1为7.75% DM；方案2为7.82% DM）显著高于对照组（7.34% DM）。纤维性日粮可能增加表皮表面积与体脂积累的体积比，或促进更厚的前表皮形成。木霉接种未在单独SBP基础上增强几丁质产量，单次接种无延长预发酵期可能限制了真菌生物量增殖。方案3几丁质含量最低（7.14% DM），反映了减少结构纤维组分同时提供高可及蔗糖使代谢碳分配转向体细胞脂质和碳水化合物储存而非表皮几丁质聚合。从动物营养角度看，适量几丁质（6–8% DM）可作为益生元膳食纤维，支持有益肠道菌群并增强肠道屏障完整性，但过量表皮几丁质会降低幼龄单胃动物总消化道蛋白质消化率。

研究结论：将40%甜菜粕纳入黑水虻日粮显著降低了幼虫粗蛋白含量（从50.85% DM降至44.36–45.25% DM），反映了日粮蛋白稀释效应。然而，幼虫粗脂肪含量保持稳定（32.18–36.32% DM），证明了高纤维日粮上高效的de novo脂质合成能力。SBP添加显著改变了全幼虫生物量的矿物质谱系，使粗灰分含量增加一倍以上（10.59–13.68% DM vs. 5.75% DM），全虫体钙（7.46–8.84% DM vs. 2.43% DM）和锰浓度升高，幼虫钙磷比从2.45:1扩大至8.04:1。由于幼虫未经收获前禁食期，这些升高的矿物质水平反映商业全虫体产品，结合了表皮矿物质隔离与胃肠道食糜残留。40% SBP日粮的重量法几丁质产量（7.75–7.82% DM）较对照组（7.34% DM）适度升高，而方案3以糖蜜替代10% SBP产生最低几丁质产量（7.14% DM），反映代谢向体细胞储存的净转移。木霉接种未经延长预发酵未产生显著差异。对饲料配方师而言，SBP底物饲养的全幼虫生物量代表一种能量和钙密集的饲料成分，非常适合作为蛋禽的天然钙和蛋白质补充剂，但在用于仔猪或肉鸡配方时需进行钙磷再平衡并补充磷。