益生菌强化饲粮黄粉虫幼虫生物组分超声辅助提取效应

《Insects》：Effects of Ultrasound-Assisted Extraction of Biofractions from Yellow Mealworm Larvae Fed a Probiotic-Enriched Diet

　　

随着对可持续蛋白源需求的增长，可食用昆虫如黄粉虫（Tenebrio molitor）幼虫作为优质营养蛋白受到关注。尽管已有研究探讨益生菌补充改善昆虫生长性能，但其对蛋白品质及下游加工的影响仍不清楚。研究人员在幼虫饲养阶段增设三种益生菌（Pediococcus pentosaceus，PP；Bacillus velezensis，BV；Bacillus coagulans，BC）强化饲粮，并以标准饲粮为对照，收获后采用碱溶-等电沉淀法（对照）及超声辅助提取（UST，5、15、25 min）处理冷冻未脱脂幼虫浆，分析蛋白与脂质组分。结果显示，益生菌与UST及其交互作用均显著影响蛋白提取率，但延长超声时间未提升得率，BV组得率最高；近红外组成与色泽受处理影响有限，仅脂肪共提取随UST延长而增加。益生菌改变脂肪酸与氨基酸谱，并与UST交互影响提取物含量；UST提升游离巯基（SH）含量，益生菌与UST共同调控表面疏水性，ζ电位受饲粮影响，粒径无显著变化。溶解度呈pH依赖（0–约90%），UST在pH 2与7有影响而益生菌无影响。FTIR显示以β-折叠为主（约41–47%），DSC中变性/熔融温度不受益生菌影响但受UST改变焓变。研究表明，益生菌带来菌株特异性得率改善并调节理化功能与营养价值，生物因素与UST可协同定制生物组分特性，但工艺优化仍需深入。

研究背景与立项依据

全球高蛋白需求与常规畜牧业资源环境压力推动了可食用昆虫作为可持续蛋白源的研究。黄粉虫（Tenebrio molitor）幼虫因周期短、营养高（干基蛋白40–60%）被视作规模化原料；将其加工为蛋白隔离物等生物组分可降低消费者感官屏障。益生菌补充在畜禽水产中可改善生长，但益生菌饲粮是否改变幼虫生化组成及下游蛋白/脂质提取效率与功能特性尚缺乏系统证据。传统碱提等电法存在变性、高化学品消耗与废水问题，超声辅助提取（ultrasound-assisted extraction，UST）借空化效应增强传质，但在“湿法未脱脂幼虫”这一最小加工场景下与益生菌的交互机制未被阐明。该研究即在《Insects》报道上述空白的填补尝试。

主要技术方法概述

研究人员以黄粉虫幼虫为对象，设标准饲粮（Std.）与三种益生菌（Pediococcus pentosaceus，PP；Bacillus velezensis，BV；Bacillus coagulans，BC）强化饲粮，幼虫冷冻研磨成浆（料液比1:3 w/v）后行碱调pH 10提取，对照为0 min等电沉淀，UST组在20 kHz、500 W探头发波5/15/25 min（5 s开/关），后续等电沉淀pH 4.3–4.5、洗涤、复溶冻干、乙醇脱脂得蛋白粉（TMLP）。表征涵盖Dumas蛋白定量、LC–MS氨基酸、GC-FAME脂肪酸、SDS-PAGE、Ellman法游离SH、ANS荧光疏水性、内源荧光、pH 2/5/7/11溶解度、Zetasizer粒径与ζ电位、UATR-FTIR二级结构、DSC热性质；统计采用GLM阶乘回归（α=0.05）。样本队列为上述四饲粮×四UST时长组合、三重复批次。

研究结果

3.1 蛋白提取率：益生菌与UST及交互显著（p<0.05）；BV组最高、BC最低；UST从0至25 min总体得率下降，唯BV随UST延长略升。湿幼虫基质使UST增益受限，长时超声致蛋白重聚集与热累积反降回收。

3.2 蛋白组成与电泳：近红外DM无差异，UST降灰分、升非脱脂粉脂肪共提取（空化促乳化）；氨基酸中苏氨酸、组氨酸受双因素及交互影响，蛋氨酸、赖氨酸受益生菌主导，PP组若干非必需氨基酸偏低；SDS-PAGE显示14–75 kDa带系（表皮、蛋白酶、肌动蛋白等），25 min UST出现低分子碎片带，BC-25最明显。

3.3 游离SH：仅UST显著，随5→25 min由约22–26升至38–42 μmol g^?1，归因二硫键断裂与半胱氨酸暴露，益生菌无主效。

3.4 色泽：L* 51.81–60.41，仅b*受益生菌影响，ΔE与褐变指数无显著处理效。

3.5 表面疏水性（H₀）：双因素及交互显著，UST主效更强；BV基线最高，随UST延长下降，归因超声后疏水区重缔合与小聚集体形成。

3.6 内源荧光：295 nm激发、300–400 nm发射的相对荧光强度无统计显著变化，提示色氨酸微环境未发生可检重构。

3.7 溶解度：pH依赖型（pH 5近零，pH 11达78–92%）；UST在pH 2与7显著降低（p<0.05），益生菌无影响；长时UST促酸性条件聚集。

3.8 粒径与ζ电位：D(3,2)/D(4,3)无显著变化；ζ电位?23至?40 mV，益生菌与UST主效显著（非交互），UST延长使负电减弱（BC除外），益生菌组负电偏高或与蛋白酶暴露酸性残基有关。

3.9 FTIR：Amide I解卷积示β-折叠41–47%、β-转角20–31%、α-螺旋12–22%、无规卷曲12–15%；α-螺旋/β-转角占比受处理漂移但β-折叠主导不变。

3.10 DSC：玻璃化温度（T_g）40.90–48.04 ℃受双因素显著影响，ΔH_g低（0.21–0.89）；变性温度（T_d）87.15–90.19 ℃与熔融温度（T_m）122.02–133.91 ℃不受显著改变，但ΔH_d随UST降（1.75→0.30–0.61）、ΔH_m升；提示非晶相流动性与变性协同性改度而非本征热稳定性移变。

脂肪酸分析（第4节）：益生菌为主效，PP组SFA/MUFA/PUFA最高、BC最低；UST选择性影响15:0、16:0、16:3及n-6/n-3比，长时UST降比值；益生菌×UST交互显著，PP下UST升脂肪酸浓度、BC下抑制。

讨论与结论翻译

讨论指出，湿法未脱脂场景削弱UST对得率的边际贡献，而益生菌通过肠道定植与酶活改变“起始材料”氮同化与蛋白沉积，呈菌株特异性（BV最优、BC最差）。UST主导结构扰动（SH↑、疏水性↓、负ζ↓、ΔH_d↓），益生菌主导营养谱重编程（氨基酸/脂肪酸）与表面电荷偏移；二者交互仅在特定氨基酸、脂肪酸及H₀中显现。

结论部分译述：本研究系统评估幼虫期益生菌强化与UST对黄粉虫蛋白营养、结构及功能的联合效应。UST 0→25 min仅BV组得率可比对照提升；延长时间致游离SH↑、溶解度↓、T_g升、ΔH_d降、H₀降、负ζ减弱，粒径与内源荧光未变。益生菌对得率影响有限，但重塑氨基酸/脂肪酸谱并调节表面电荷、疏水性与色泽；UST主控提取效率与结构功能，对氨基酸/脂肪酸仅选择性作用。生物（益生菌）与物理（UST）干预经互补机制定制昆虫蛋白品质而非单纯提率。因采用冷冻湿幼虫直提未脱脂，得率偏低，凸显常规工艺中干燥脱脂步骤价值。结果为最小加工黄粉虫蛋白配料开发及可持续提取策略优化提供依据，后续需放大评估食品应用。