Hvala vam što ste posjetili Nature.com. Verzija pretraživača koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje rezultate preporučujemo upotrebu novijeg pretraživača (ili onemogućavanje režima kompatibilnosti u Internet Explorer-u). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Crna muva vojnik (Hermetia illucens, L. 1758) je svejed detritivorni insekt sa visokim potencijalom za korištenje organskih nusproizvoda bogatih ugljikohidratima. Među ugljikohidratima, crne mušice vojnike se oslanjaju na rastvorljive šećere za rast i sintezu lipida. Cilj ovog istraživanja bio je procijeniti efekte uobičajenih rastvorljivih šećera na razvoj, preživljavanje i profil masnih kiselina crnih mušica. Dodati hranu za piliće monosaharidima i disaharidima odvojeno. Celuloza je korištena kao kontrola. Ličinke hranjene glukozom, fruktozom, saharozom i maltozom rasle su brže od kontrolnih larvi. Nasuprot tome, laktoza je imala antinutritivni učinak na larve, usporavajući rast i smanjujući konačnu tjelesnu težinu pojedinca. Međutim, svi rastvorljivi šećeri učinili su larve debljima od onih hranjenih kontrolnom hranom. Značajno je da su testirani šećeri oblikovali profil masnih kiselina. Maltoza i saharoza povećavaju sadržaj zasićenih masnih kiselina u odnosu na celulozu. Nasuprot tome, laktoza je povećala bioakumulaciju nezasićenih masnih kiselina u ishrani. Ova studija je prva koja pokazuje učinak rastvorljivog šećera na sastav masnih kiselina larvi crne muhe vojnika. Naši rezultati pokazuju da ispitani ugljikohidrati imaju značajan utjecaj na sastav masnih kiselina larvi crne muhe i stoga mogu odrediti njihovu konačnu primjenu.
Globalna potražnja za energijom i životinjskim proteinima nastavlja da raste1. U kontekstu globalnog zagrijavanja, imperativ je pronaći zelenije alternative fosilnoj energiji i tradicionalnim metodama proizvodnje hrane uz povećanje proizvodnje. Insekti su obećavajući kandidati za rješavanje ovih problema zbog njihovog nižeg hemijskog sastava i utjecaja na okoliš u poređenju sa tradicionalnim uzgojem stoke2. Među insektima, odličan kandidat za rješavanje ovih problema je crna muva vojnik (BSF), Hermetia illucens (L. 1758), detritovorna vrsta sposobna da se hrani raznim organskim supstratima3. Stoga bi valorizacija ovih supstrata kroz uzgoj BSF-a mogla stvoriti novi izvor sirovina za zadovoljavanje potreba različitih industrija.
Larve BSF (BSFL) mogu se hraniti poljoprivrednim i agroindustrijskim nusproizvodima kao što su zrno pivara, ostaci povrća, voćna kaša i stari kruh, koji su posebno pogodni za rast BSFL zbog visokog sadržaja ugljikohidrata (CH)4,5, 6 sadržaja. Velika proizvodnja BSFL-a rezultira stvaranjem dva proizvoda: izmeta, mješavine ostataka supstrata i izmeta koji se može koristiti kao gnojivo za uzgoj biljaka7 i larvi, koje se uglavnom sastoje od proteina, lipida i hitina. Proteini i lipidi se uglavnom koriste u stočarstvu, biogorivu i kozmetici8,9. Što se tiče hitina, ovaj biopolimer nalazi primenu u poljoprivredno-prehrambenom sektoru, biotehnologiji i zdravstvu10.
BSF je autogeni holometabolni insekt, što znači da njegova metamorfoza i reprodukcija, posebno faze životnog ciklusa insekta koje troše energiju, mogu biti u potpunosti podržane rezervama hranjivih tvari koje se stvaraju tijekom rasta larvi11. Preciznije, sinteza proteina i lipida dovodi do razvoja masnog tijela, važnog organa za skladištenje koji oslobađa energiju tokom faza nehranjenja BSF-a: prepupa (tj. finalna faza larve tokom koje larve BSF-a pocrne dok se hrane i traže za okruženje pogodno za metamorfozu), kukuljice (tj. nepomični stadij tokom kojeg insekt prolazi kroz metamorfozu) i odrasli12,13. CH je glavni izvor energije u ishrani BSF14. Među ovim nutrijentima, vlaknasti CH kao što su hemiceluloza, celuloza i lignin, za razliku od disaharida i polisaharida (kao što je škrob), ne mogu se probaviti od strane BSFL15,16. Varenje CH je važan preliminarni korak za apsorpciju ugljikohidrata, koji se na kraju hidroliziraju u jednostavne šećere u crijevima16. Jednostavni šećeri se zatim mogu apsorbirati (tj. kroz crijevnu peritrofičnu membranu) i metabolizirati kako bi se proizvela energija17. Kao što je već spomenuto, larve skladište višak energije u obliku lipida u masnom tijelu12,18. Lipidi za skladištenje sastoje se od triglicerida (neutralnih lipida formiranih od jedne molekule glicerola i tri masne kiseline) koje sintetiziraju larve iz jednostavnih šećera u ishrani. Ovi CH osiguravaju acetil-CoA supstrate potrebne za biosintezu masnih kiselina (FA) putem puteva sintaze masnih kiselina i tioesteraze19. Profilom masnih kiselina lipida H. illucens prirodno dominiraju zasićene masne kiseline (SFA) sa visokim udjelom laurinske kiseline (C12:0)19,20. Stoga, visok sadržaj lipida i sastav masnih kiselina brzo postaju ograničavajući faktori za korištenje cijelih larvi u stočnoj hrani, posebno u akvakulturi gdje su potrebne višestruko nezasićene masne kiseline (PUFA)21.
Od otkrića potencijala BSFL-a da smanji organski otpad, studije o vrijednosti različitih nusproizvoda su pokazale da je sastav BSFL-a dijelom reguliran njegovom ishranom. Trenutno, regulacija FA profila H. illucens nastavlja da se poboljšava. Sposobnost BSFL-a da bioakumulira PUFA je demonstrirana na supstratima bogatim PUFA-ima kao što su alge, riblji otpad ili jela kao što je laneno sjeme, što pruža kvalitetniji profil FA za ishranu životinja19,22,23. Nasuprot tome, za nusproizvode koji nisu obogaćeni PUFA, ne postoji uvijek korelacija između profila FA u ishrani i FA larve, što ukazuje na utjecaj drugih nutrijenata24,25. U stvari, efekat probavljivog CH na profile FA ostaje slabo shvaćen i nedovoljno istražen24,25,26,27.
Koliko je nama poznato, iako su ukupni monosaharidi i disaharidi u izobilju u ishrani H. illucens, njihova nutritivna uloga ostaje slabo shvaćena u ishrani H. illucens. Cilj ove studije bio je da se razjasni njihov uticaj na ishranu BSFL i sastav lipida. Procijenit ćemo rast, preživljavanje i produktivnost larvi u različitim nutritivnim uvjetima. Zatim ćemo opisati sadržaj lipida i profil masnih kiselina svake dijete kako bismo istakli efekte CH na kvalitetu ishrane BSFL.
Pretpostavili smo da će priroda testiranog CH uticati na (1) rast larve, (2) ukupne nivoe lipida i (3) modulaciju profila FA. Monosaharidi se mogu direktno apsorbovati, dok se disaharidi moraju hidrolizirati. Monosaharidi su stoga dostupniji kao direktni izvori energije ili prekursori za lipogenezu putem puteva FA sintaze i tioesteraze, čime se pospješuje rast larvi H. illucens i promoviše akumulacija rezervnih lipida (posebno laurinske kiseline).
Ispitivani CH je uticao na prosječnu tjelesnu masu larvi tokom rasta (Sl. 1). FRU, GLU, SUC i MAL povećali su tjelesnu težinu larve slično kontrolnoj ishrani (CEL). Nasuprot tome, čini se da LAC i GAL usporavaju razvoj larvi. Primetno je da je LAC imao značajan negativan uticaj na rast larvi u poređenju sa SUC tokom celog perioda rasta: 9,16 ± 1,10 mg naspram 15,00 ± 1,01 mg na dan 3 (F6,21 = 12,77, p < 0,001; Slika 1), 125,11 ± 4 mg i 211,79 ± 14,93 mg, respektivno, 17. dana (F6,21 = 38,57, p < 0,001; sl. 1).
Korištenje različitih monosaharida (fruktoze (FRU), galaktoze (GAL), glukoze (GLU)), disaharida (laktoze (LAC), maltoze (MAL), saharoze (SUC)) i celuloze (CEL) kao kontrole. Rast larvi hranjenih larvama crne muhe vojnika. Svaka tačka na krivulji predstavlja srednju individualnu težinu (mg) izračunatu vaganjem 20 nasumično odabranih larvi iz populacije od 100 larvi (n = 4). Trake grešaka predstavljaju SD.
CEL dijeta je pružila odlično preživljavanje larvi od 95,5 ± 3,8%. Štaviše, smanjeno je preživljavanje ishrane hranjenih H. illucens sa rastvorljivim CH (GLM: χ = 107,13, df = 21, p < 0,001), što je uzrokovano MAL i SUC (disaharidi) u proučavanom CH. Smrtnost je bila niža nego kod GLU, FRU, GAL (monosaharida) i LAC-a (EMM: p < 0,001, Slika 2).
Boksplot preživljavanja larvi crne muhe vojnike tretiranih raznim monosaharidima (fruktoza, galaktoza, glukoza), disaharidima (laktoza, maltoza, saharoza) i celulozom kao kontrolama. Tretmani sa istim slovom se međusobno značajno ne razlikuju (EMM, p > 0,05).
Sve testirane dijete omogućile su larvama da dođu u prepupalnu fazu. Međutim, testirani CH su imali tendenciju da produže razvoj larvi (F6,21=9,60, p<0,001; Tabela 1). Konkretno, larvama koje su hranjene GAL-om i LAC-om trebalo je duže da dođu do prepupalnog stadija u poređenju sa larvama uzgojenim na CEL-u (CEL-GAL: p<0,001; CEL-LAC: p<0,001; Tabela 1).
Testirani CH je takođe imao različite efekte na tjelesnu težinu larvi, pri čemu je tjelesna težina larvi hranjenih CEL ishranom dostigla 180,19 ± 11,35 mg (F6,21 = 16,86, p < 0,001; sl. 3). FRU, GLU, MAL i SUC rezultirali su prosječnom konačnom tjelesnom težinom larve većom od 200 mg, što je značajno više od one kod CEL (p < 0,05). Nasuprot tome, larve hranjene GAL-om i LAC-om imale su nižu tjelesnu težinu, u prosjeku 177,64 ± 4,23 mg i 156,30 ± 2,59 mg, respektivno (p < 0,05). Ovaj efekat je bio izraženiji kod LAC, gde je konačna telesna težina bila niža nego kod kontrolne dijete (CEL-LAC: razlika = 23,89 mg; p = 0,03; Slika 3).
Srednja konačna težina pojedinačnih larvi izražena kao larve (mg) i crne muhe vojnike izražene kao histogram (g) hranjene su različitim monosaharidima (fruktoza, galaktoza, glukoza), disaharidima (laktoza, maltoza, saharoza) i celulozom (kao kontrola). Stupasta slova predstavljaju grupe značajno različite po ukupnoj težini larve (p < 0,001). Slova povezana s mrljama larve predstavljaju grupe sa značajno različitim individualnim težinama larvi (p < 0,001). Trake grešaka predstavljaju SD.
Maksimalna individualna težina bila je nezavisna od maksimalne konačne ukupne težine kolonije larvi. Zapravo, ishrane koje sadrže FRU, GLU, MAL i SUC nisu povećale ukupnu težinu larve proizvedene u rezervoaru u poređenju sa CEL (Slika 3). Međutim, LAC je značajno smanjio ukupnu težinu (CEL-LAC: razlika = 9,14 g; p < 0,001; Slika 3).
Tabela 1 prikazuje prinos (larve/dan). Zanimljivo je da su optimalni prinosi CEL, MAL i SUC bili slični (Tabela 1). Nasuprot tome, FRU, GAL, GLU i LAC su smanjili prinos u poređenju sa CEL (Tabela 1). Najlošije su pokazali GAL i LAC: prinos je prepolovljen na samo 0,51 ± 0,09 g larvi/dan i 0,48 ± 0,06 g larvi/dan, respektivno (Tabela 1).
Monosaharidi i disaharidi povećavaju sadržaj lipida u larvi CF (Tabela 1). Na CLE ishrani su dobijene larve sa sadržajem lipida od 23,19 ± 0,70% sadržaja DM. Poređenja radi, prosječni sadržaj lipida u larvama hranjenim rastvorljivim šećerom bio je više od 30% (Tabela 1). Međutim, ispitani CH su u istoj mjeri povećali sadržaj masti.
Kao što se i očekivalo, CG subjekti su u različitom stepenu uticali na FA profil larvi (slika 4). Sadržaj SFA bio je visok u svim dijetama i dostigao je više od 60%. MAL i SUC su debalansirali profil FA, što je dovelo do povećanja sadržaja SFA. U slučaju MAL-a, s jedne strane, ova neravnoteža je dovela pretežno do smanjenja sadržaja mononezasićenih masnih kiselina (MUFA) (F6,21 = 7,47; p < 0,001; sl. 4). S druge strane, za SUC, smanjenje je bilo ravnomjernije između MUFA i PUFA. LAC i MAL su imali suprotne efekte na FA spektar (SFA: F6,21 = 8,74; p < 0,001; MUFA: F6,21 = 7,47; p < 0,001; PUFA: χ2 = 19,60; Df = 6; p < 0,001; 4). Čini se da manji udio SFA u larvama koje se hrane LAC-om povećava sadržaj MUFA. Konkretno, nivoi MUFA bili su viši u larvama hranjenim LAC-om u poređenju sa drugim rastvorljivim šećerima osim GAL-a (F6,21 = 7,47; p < 0,001; Slika 4).
Korištenje različitih monosaharida (fruktoze (FRU), galaktoze (GAL), glukoze (GLU)), disaharida (laktoze (LAC), maltoze (MAL), saharoze (SUC)) i celuloze (CEL) kao kontrole, kutijasti prikaz masnih kiselina sastav hranjen larvama muhe crnog vojnika. Rezultati su izraženi kao postotak ukupnog FAME-a. Tretmani označeni različitim slovima značajno se razlikuju (p < 0,001). (a) Udio zasićenih masnih kiselina; (b) Mononezasićene masne kiseline; (c) Polinezasićene masne kiseline.
Među identifikovanim masnim kiselinama, laurinska kiselina (C12:0) je bila dominantna u svim posmatranim spektrima (više od 40%). Ostale prisutne SFA bile su palmitinska kiselina (C16:0) (manje od 10%), stearinska kiselina (C18:0) (manje od 2,5%) i kaprinska kiselina (C10:0) (manje od 1,5%). MUFA su uglavnom bile zastupljene oleinskom kiselinom (C18:1n9) (manje od 9,5%), dok su PUFA uglavnom bile sastavljene od linolne kiseline (C18:2n6) (manje od 13,0%) (vidi dodatnu tabelu S1). Osim toga, mali dio jedinjenja nije mogao biti identificiran, posebno u spektrima CEL larvi, gdje je neidentificirano jedinjenje broj 9 (UND9) činilo u prosjeku 2,46 ± 0,52% (vidi dodatnu tabelu S1). GC×GC-FID analiza je sugerirala da bi to mogla biti masna kiselina od 20 ugljika s pet ili šest dvostrukih veza (vidi dodatnu sliku S5).
PERMANOVA analiza je otkrila tri različite grupe na osnovu profila masnih kiselina (F6,21 = 7,79, p < 0,001; Slika 5). Analiza glavnih komponenti (PCA) TBC spektra to ilustruje i objašnjena je sa dvije komponente (Slika 5). Glavne komponente su objasnile 57,9% varijanse i uključivale, po redu važnosti, laurinsku kiselinu (C12:0), oleinsku kiselinu (C18:1n9), palmitinsku kiselinu (C16:0), stearinsku kiselinu (C18:0) i linolenska kiselina (C18:3n3) (vidi sliku S4). Druga komponenta je objasnila 26,3% varijanse i uključila, po redu važnosti, dekansku kiselinu (C10:0) i linolnu kiselinu (C18:2n6 cis) (vidi dodatnu sliku S4). Profili dijeta koje sadrže jednostavne šećere (FRU, GAL i GLU) pokazuju slične karakteristike. Nasuprot tome, disaharidi su dali različite profile: MAL i SUC s jedne strane i LAC s druge strane. Konkretno, MAL je bio jedini šećer koji je promijenio FA profil u odnosu na CEL. Osim toga, MAL profil se značajno razlikovao od FRU i GLU profila. Konkretno, profil MAL pokazao je najveći udio C12:0 (54,59 ± 2,17%), što ga čini uporedivim sa CEL (43,10 ± 5,01%), LAC (43,35 ± 1,31%), FRU (48,90 ± 1,97%) i GLU (48,38 ± 2,17%) profili (vidi Dodatna tabela S1). MAL spektar je takođe pokazao najniži sadržaj C18:1n9 (9,52 ± 0,50%), što ga je dodatno razlikovalo od LAC (12,86 ± 0,52%) i CEL (12,40 ± 1,31%) spektra. Sličan trend je uočen i za C16:0. U drugoj komponenti, LAC spektar je pokazao najveći sadržaj C18:2n6 (17,22 ± 0,46%), dok je MAL pokazao najmanji (12,58 ± 0,67%). C18:2n6 je također razlikovao LAC od kontrolne (CEL), koja je pokazala niže razine (13,41 ± 2,48%) (vidi dodatnu tabelu S1).
PCA dijagram profila masnih kiselina larvi crne muhe vojnika sa različitim monosaharidima (fruktoza, galaktoza, glukoza), disaharidima (laktoza, maltoza, saharoza) i celulozom kao kontrola.
Za proučavanje nutritivnih efekata rastvorljivih šećera na larve H. illucens, celuloza (CEL) u hrani za pile zamenjena je glukozom (GLU), fruktozom (FRU), galaktozom (GAL), maltozom (MAL), saharozom (SUC) i laktoza (LAC). Međutim, monosaharidi i disaharidi su imali različite efekte na razvoj, preživljavanje i sastav HF larvi. Na primjer, GLU, FRU i njihovi disaharidni oblici (MAL i SUC) su imali pozitivne potporne efekte na rast larvi, omogućavajući im da postignu veću konačnu tjelesnu težinu od CEL. Za razliku od neprobavljivih CEL, GLU, FRU i SUC mogu zaobići crijevnu barijeru i poslužiti kao važni izvori hranjivih tvari u formuliranim dijetama16,28. MAL-u nedostaju specifični životinjski transporteri i smatra se da se hidrolizira u dva molekula glukoze prije asimilacije15. Ovi molekuli se pohranjuju u tijelu insekta kao direktan izvor energije ili kao lipidi18. Prvo, s obzirom na potonje, neke od uočenih intramodalnih razlika mogu biti posljedica malih razlika u omjeru spolova. Zaista, kod H. illucens reprodukcija može biti potpuno spontana: odrasle ženke prirodno imaju dovoljne rezerve za polaganje jaja i teže su od mužjaka29. Međutim, akumulacija lipida u BSFL korelira sa unosom CH2 rastvorljivog u ishrani, kao što je prethodno uočeno za GLU i ksilozu26,30. Na primjer, Li i sar.30 su primijetili da kada se 8% GLU doda u ishranu larvi, sadržaj lipida u BSF larvi se povećao za 7,78% u poređenju sa kontrolama. Naši rezultati su u skladu sa ovim zapažanjima, pokazujući da je sadržaj masti u larvama koje su hranjene rastvorljivim šećerom bio veći nego kod larvi hranjenih CEL ishranom, u poređenju sa povećanjem od 8,57% sa suplementacijom GLU. Iznenađujuće, slični rezultati su uočeni kod larvi hranjenih GAL-om i LAC-om, uprkos štetnim efektima na rast larvi, konačnu tjelesnu težinu i preživljavanje. Ličinke hranjene LAC-om bile su značajno manje od onih hranjenih CEL ishranom, ali njihov sadržaj masti bio je uporediv sa larvama hranjenim drugim rastvorljivim šećerima. Ovi rezultati naglašavaju antinutritivne efekte laktoze na BSFL. Prvo, ishrana sadrži veliku količinu CH. Sistemi apsorpcije i hidrolize monosaharida i disaharida, respektivno, mogu dostići zasićenje, uzrokujući uska grla u procesu asimilacije. Što se tiče hidrolize, nju provode α- i β-glukozidaze 31 . Ovi enzimi imaju poželjne supstrate u zavisnosti od njihove veličine i hemijskih veza (α ili β veza) između njihovih sastavnih monosaharida 15 . Hidrolizu LAC-a u GLU i GAL provodi β-galaktozidaza, enzim čija je aktivnost dokazana u crijevima BSF-a 32 . Međutim, njegova ekspresija može biti nedovoljna u poređenju sa količinom LAC-a koju konzumiraju larve. Suprotno tome, α-glukozidaza maltaza i saharaza 15, za koje se zna da su obilno izražene u insektima, sposobne su razgraditi velike količine MAL-a i saharoze SUC, ograničavajući na taj način ovaj efekat zasićenja. Drugo, antinutritivni efekti mogu biti posljedica smanjene stimulacije intestinalne amilaze insekata i usporavanja ponašanja pri hranjenju u usporedbi s drugim tretmanima. Zaista, topljivi šećeri su identificirani kao stimulatori aktivnosti enzima važnih za probavu insekata, kao što je amilaza, i kao pokretači odgovora na hranjenje33,34,35. Stepen stimulacije varira u zavisnosti od molekularne strukture šećera. U stvari, disaharidi zahtijevaju hidrolizu prije apsorpcije i imaju tendenciju da stimuliraju amilazu više od monosaharida koji su u njihovom sastavu34. Nasuprot tome, LAC ima blaži učinak i utvrđeno je da nije u stanju podržati rast insekata kod različitih vrsta33,35. Na primjer, kod štetnika Spodoptera exigua (Boddie 1850), nije otkrivena hidrolitička aktivnost LAC-a u ekstraktima enzima srednjeg crijeva gusjenice36.
Što se tiče FA spektra, naši rezultati ukazuju na značajne modulatorne efekte testiranog CH. Primjetno, iako je laurinska kiselina (C12:0) činila manje od 1% ukupne FA u ishrani, ona je dominirala u svim profilima (vidi dodatnu tabelu S1). Ovo je u skladu s prethodnim podacima da se laurinska kiselina sintetizira iz CH u hrani H. illucens putem puta koji uključuje acetil-CoA karboksilazu i FA sintazu19,27,37. Naši rezultati potvrđuju da je CEL u velikoj mjeri neprobavljiv i djeluje kao „sredstvo za povećanje mase“ u BSF kontrolnim dijetama, kao što je diskutovano u nekoliko BSFL studija38,39,40. Zamjena CEL monosaharidima i disaharidima koji nisu LAC povećala je omjer C12:0, što ukazuje na povećano uzimanje CH od strane ličinki. Zanimljivo je da disaharidi MAL i SUC pospješuju sintezu laurinske kiseline efikasnije od svojih sastavnih monosaharida, što sugerira da uprkos višem stupnju polimerizacije GLU i FRU, i budući da je Drosophila jedini transporter saharoze koji je identificiran u vrstama životinjskih proteina, disaharidni transporteri možda nisu prisutni u crijevima H. illucens larvae15, korištenje GLU i FRU je povećan. Međutim, iako se GLU i FRU teoretski lakše metaboliziraju od strane BSF-a, oni se također lakše metaboliziraju supstratima i crijevnim mikroorganizmima, što može rezultirati njihovom bržom degradacijom i smanjenom upotrebom od strane ličinki u odnosu na disaharide.
Na prvi pogled, sadržaj lipida u larvi hranjenim LAC i MAL bio je uporediv, što ukazuje na sličnu bioraspoloživost ovih šećera. Međutim, iznenađujuće, FA profil LAC-a bio je bogatiji SFA, posebno sa nižim sadržajem C12:0, u poređenju sa MAL-om. Jedna hipoteza koja objašnjava ovu razliku je da LAC može stimulirati bioakumulaciju prehrambenih FA putem acetil-CoA FA sintaze. U prilog ovoj hipotezi, LAC larve su imale najniži omjer dekanoata (C10:0) (0,77 ± 0,13%) u odnosu na CEL dijetu (1,27 ± 0,16%), što ukazuje na smanjenu aktivnost FA sintaze i tioesteraze19. Drugo, smatra se da su masne kiseline iz ishrane glavni faktor koji utiče na sastav SFA H. illucens27. U našim eksperimentima, linolna kiselina (C18:2n6) činila je 54,81% dijetalnih masnih kiselina, pri čemu je udio u LAC larvama bio 17,22 ± 0,46%, a u MAL-u 12,58 ± 0,67%. Oleinska kiselina (cis + trans C18:1n9) (23,22% u ishrani) pokazala je sličan trend. Odnos α-linolenske kiseline (C18:3n3) takođe podržava hipotezu o bioakumulaciji. Poznato je da se ova masna kiselina akumulira u BSFL-u nakon obogaćivanja supstrata, kao što je dodavanje pogače od lanenog sjemena, do 6-9% ukupnih masnih kiselina u larvi19. U obogaćenoj ishrani, C18:3n3 može činiti do 35% ukupnih dijetalnih masnih kiselina. Međutim, u našoj studiji, C18:3n3 čini samo 2,51% profila masnih kiselina. Iako je udio pronađen u prirodi bio manji kod naših ličinki, ovaj udio je bio veći u LAC larvi (0,87 ± 0,02%) nego u MAL (0,49 ± 0,04%) (p < 0,001; vidi dodatnu tabelu S1). CEL dijeta je imala srednji udio od 0,72 ± 0,18%. Konačno, omjer palmitinske kiseline (C16:0) u larvama CF odražava doprinos sintetičkih puteva i prehrambenih FA19. Hoc et al. 19 je primijetio da je sinteza C16:0 smanjena kada je prehrana obogaćena brašnom od lanenog sjemena, što se pripisuje smanjenju dostupnosti acetil-CoA supstrata zbog smanjenja omjera CH. Iznenađujuće, iako su obje dijete imale sličan sadržaj CH i MAL je pokazao veću bioraspoloživost, larve MAL su pokazale najniži omjer C16:0 (10,46 ± 0,77%), dok je LAC pokazao veći udio, čineći 12,85 ± 0,27% (p < 0,05; vidi; vidi; vidi). Dodatna tabela S1). Ovi rezultati naglašavaju složeni utjecaj nutrijenata na probavu i metabolizam BSFL-a. Trenutno su istraživanja na ovu temu detaljnija kod Lepidoptera nego kod Diptera. Kod gusjenica, LAC je identificiran kao slab stimulans hranidbenog ponašanja u poređenju s drugim rastvorljivim šećerima kao što su SUC i FRU34,35. Konkretno, kod Spodopteralittoralis (Boisduval 1833), potrošnja MAL-a je stimulirala amilolitičku aktivnost u crijevima u većoj mjeri nego LAC34. Slični efekti u BSFL mogu objasniti pojačanu stimulaciju C12:0 sintetičkog puta u MAL larvama, što je povezano sa povećanom intestinalnom apsorpcijom CH, produženim hranjenjem i djelovanjem intestinalne amilaze. Manja stimulacija ritma hranjenja u prisustvu LAC-a također može objasniti sporiji rast LAC larvi. Štaviše, Liu Yanxia et al. 27 je primijetio da je rok trajanja lipida u supstratima H. illucens bio duži od CH. Stoga se larve LAC-a mogu više oslanjati na lipide u ishrani kako bi završili svoj razvoj, što može povećati njihov konačni sadržaj lipida i modulirati njihov profil masnih kiselina.
Koliko nam je poznato, samo nekoliko studija je testiralo efekte dodavanja monosaharida i disaharida BSF ishrani na njihove FA profile. Prvo, Li et al. 30 je procijenilo efekte GLU-a i ksiloze i uočilo nivoe lipida slične našem sa stopom dodavanja od 8%. Profil FA nije bio detaljan i sastojao se uglavnom od SFA, ali nisu pronađene razlike između dva šećera ili kada su predstavljeni istovremeno30. Nadalje, Cohn et al. 41 nije pokazao nikakav efekat dodatka 20% GLU, SUC, FRU i GAL hrani za piliće na odgovarajuće profile FA. Ovi spektri su dobijeni iz tehničkih, a ne bioloških replika, što, kako su objasnili autori, može ograničiti statističku analizu. Nadalje, nedostatak kontrole izo šećera (koristeći CEL) ograničava interpretaciju rezultata. Nedavno su dvije studije Nugroho RA et al. pokazao anomalije u spektru FA42,43. U prvoj studiji, Nugroho RA et al. 43 je testirao efekat dodavanja FRU fermentisanom brašnu od palminih koštica. FA profil rezultirajućih larvi pokazao je abnormalno visoke nivoe PUFA, od kojih je više od 90% izvedeno iz ishrane koja sadrži 10% FRU (slično našoj studiji). Iako je ova dijeta sadržavala riblje pelete bogate PUFA, prijavljene vrijednosti FA profila larvi na kontrolnoj ishrani koja se sastoji od 100% fermentiranog PCM-a nisu bile u skladu s bilo kojim prethodno prijavljenim profilom, posebno abnormalnim nivoom C18:3n3 od 17,77 ± 1,67% i 26,08 ± 0,20% za konjugovanu linolnu kiselinu (C18:2n6t), rijedak izomer linolne kiseline. Druga studija je pokazala slične rezultate uključujući FRU, GLU, MAL i SUC42 u fermentiranom brašnu od palminih koštica. Ove studije, poput naše, ističu ozbiljne poteškoće u upoređivanju rezultata ispitivanja ishrane larvi BSF, kao što su izbori kontrole, interakcije sa drugim izvorima nutrijenata i metode analize FA.
Tokom eksperimenata, uočili smo da boja i miris supstrata variraju u zavisnosti od ishrane koja se koristi. Ovo sugerira da mikroorganizmi mogu igrati ulogu u rezultatima uočenim u supstratu i probavnom sistemu larvi. Zapravo, monosaharidi i disaharidi se lako metaboliziraju kolonizirajućim mikroorganizmima. Brza potrošnja rastvorljivih šećera od strane mikroorganizama može rezultirati oslobađanjem velikih količina mikrobnih metaboličkih proizvoda kao što su etanol, mliječna kiselina, kratkolančane masne kiseline (npr. octena kiselina, propionska kiselina, maslačna kiselina) i ugljični dioksid44. Neka od ovih jedinjenja mogu biti odgovorna za smrtonosne toksične efekte na larve koje su takođe primetili Cohn et al.41 u sličnim razvojnim uslovima. Na primjer, etanol je štetan za insekte45. Velike količine emisija ugljičnog dioksida mogu dovesti do njegovog nakupljanja na dnu spremnika, što može lišiti atmosferu kisika ako cirkulacija zraka ne dopušta njegovo oslobađanje. Što se tiče SCFA, njihov učinak na insekte, posebno H. illucens, ostaje slabo shvaćen, iako se pokazalo da su mliječna kiselina, propionska kiselina i maslačna kiselina smrtonosne kod Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775)46. U Drosophila melanogaster Meigen 1830, ovi SCFA su olfaktorni markeri koji vode ženke do mjesta ovipozicije, što ukazuje na korisnu ulogu u razvoju larvi47. Međutim, octena kiselina je klasifikovana kao opasna tvar i može značajno inhibirati razvoj larvi47. Nasuprot tome, nedavno je otkriveno da laktat dobijen iz mikroba ima zaštitni učinak protiv invazivnih crijevnih mikroba u Drosophila48. Nadalje, mikroorganizmi u probavnom sistemu također igraju ulogu u varenju CH kod insekata49. Fiziološki efekti SCFA na mikrobiotu crijeva, kao što su brzina hranjenja i ekspresija gena, opisani su kod kičmenjaka 50 . Oni također mogu imati trofički učinak na larve H. illucens i mogu djelomično doprinijeti regulaciji profila FA. Studije o nutritivnim efektima ovih proizvoda mikrobne fermentacije će razjasniti njihov učinak na ishranu H. illucens i pružiti osnovu za buduća istraživanja o korisnim ili štetnim mikroorganizmima u smislu njihovog razvoja i vrijednosti supstrata bogatih FA. U tom smislu se sve više proučava uloga mikroorganizama u probavnim procesima insekata uzgajanih u masovnim uzgojima. Insekti se počinju posmatrati kao bioreaktori koji obezbeđuju pH i uslove oksigenacije koji olakšavaju razvoj mikroorganizama specijalizovanih za razgradnju ili detoksikaciju hranljivih materija koje insekti teško probavljaju 51 . Nedavno su Xiang et al.52 pokazali da, na primjer, inokulacija organskog otpada mješavinom bakterija omogućava CF-u da privuče bakterije specijalizovane za razgradnju lignoceluloze, poboljšavajući njenu degradaciju u supstratu u poređenju sa supstratima bez ličinki.
Konačno, s obzirom na korisnu upotrebu organskog otpada od strane H. illucens, CEL i SUC dijeta proizvele su najveći broj larvi dnevno. To znači da je uprkos nižoj konačnoj težini pojedinačnih jedinki, ukupna težina larve proizvedena na supstratu koji se sastoji od neprobavljivog CH uporediva s onom dobivenom na homosaharidnoj ishrani koja sadrži monosaharide i disaharide. U našoj studiji, važno je napomenuti da su nivoi drugih nutrijenata dovoljni da podrže rast populacije larvi i da bi dodavanje CEL-a trebalo biti ograničeno. Međutim, konačni sastav larvi se razlikuje, naglašavajući važnost odabira prave strategije za valorizaciju insekata. CEL larve hranjene cjelovitom hranom pogodnije su za upotrebu kao stočna hrana zbog nižeg sadržaja masti i niže razine laurinske kiseline, dok larve hranjene SUC ili MAL dijetama zahtijevaju odmašćivanje pritiskom kako bi se povećala vrijednost ulja, posebno u biogorivu. sektoru. LAC se nalazi u nusproizvodima mliječne industrije kao što je surutka iz proizvodnje sira. Nedavno je njegova upotreba (3,5% laktoze) poboljšala konačnu tjelesnu težinu larve53. Međutim, kontrolna dijeta u ovoj studiji sadržavala je polovinu sadržaja lipida. Stoga su antinutritivni efekti LAC-a mogli biti suzbijeni bioakumulacijom lipida u ishrani larvi.
Kao što su pokazala prethodna istraživanja, svojstva monosaharida i disaharida značajno utiču na rast BSFL i moduliraju njegov FA profil. Čini se da LAC posebno igra antinutritivnu ulogu tokom razvoja larve ograničavajući dostupnost CH za apsorpciju lipida u ishrani, čime se promoviše bioakumulacija UFA. U ovom kontekstu, bilo bi zanimljivo provesti biotestove koristeći dijetu koja kombinuje PUFA i LAC. Nadalje, uloga mikroorganizama, posebno uloga mikrobnih metabolita (kao što su SCFA) nastalih iz procesa fermentacije šećera, ostaje tema istraživanja vrijedna istraživanja.
Insekti su dobijeni iz BSF kolonije Laboratorije za funkcionalnu i evolucijsku entomologiju osnovane 2017. u Agro-Bio Tech, Gembloux, Belgija (za više detalja o metodama uzgoja, vidjeti Hoc et al. 19). Za eksperimentalna ispitivanja, 2,0 g BSF jaja nasumično je sakupljeno dnevno iz kaveza za uzgoj i inkubirano u 2,0 kg 70% vlažne hrane za pile (Aveve, Leuven, Belgija). Pet dana nakon izleganja, larve su odvojene od supstrata i ručno prebrojane u eksperimentalne svrhe. Izmjerena je početna težina svake serije. Prosječna individualna težina bila je 7,125 ± 0,41 mg, a prosjek za svaki tretman je prikazan u Dodatnoj tabeli S2.
Formulacija dijete je prilagođena studiji Barragan-Fonseca et al. 38 . Ukratko, pronađen je kompromis između istog kvaliteta hrane za ličinke pilića, sličnog sadržaja suhe tvari (DM), visokog CH (10% bazirano na svježoj hrani) i teksture, budući da jednostavni šećeri i disaharidi nemaju teksturna svojstva. Prema podacima proizvođača (Chicken Feed, AVEVE, Leuven, Belgija), ispitani CH (tj. rastvorljivi šećer) je dodat odvojeno kao autoklavirana vodena otopina (15,9%) ishrani koja se sastoji od 16,0% proteina, 5,0% ukupnih lipida, 11,9% mljevene hrane za piliće koja se sastoji od pepela i 4,8% vlakana. U svakoj tegli od 750 ml (17,20 × 11,50 × 6,00 cm, AVA, Tempsee, Belgija), 101,9 g autoklaviranog rastvora CH je pomešano sa 37,8 g hrane za pile. Za svaku ishranu sadržaj suhe materije je bio 37,0%, uključujući homogene proteine (11,7%), homogene lipide (3,7%) i homogene šećere (26,9% dodanog CH). CH testirani su glukoza (GLU), fruktoza (FRU), galaktoza (GAL), maltoza (MAL), saharoza (SUC) i laktoza (LAC). Kontrolna ishrana se sastojala od celuloze (CEL), koja se smatra neprobavljivom za larve H. illucens 38 . Stotinu ličinki starih 5 dana stavljeno je u poslužavnik sa poklopcem s rupom prečnika 1 cm u sredini i prekriven plastičnom mrežom protiv komaraca. Svaka dijeta je ponovljena četiri puta.
Težina larvi je mjerena tri dana nakon početka eksperimenta. Za svako mjerenje, 20 larvi je uklonjeno iz supstrata korištenjem sterilne tople vode i pinceta, osušeno i izvagano (STX223, Ohaus Scout, Parsippany, SAD). Nakon vaganja, larve su vraćene u centar supstrata. Mjerenja su vršena redovno tri puta sedmično do pojave prve predkukuljice. U ovom trenutku sakupite, prebrojite i izmjerite sve larve kako je prethodno opisano. Odvojite larve u stadiju 6 (tj. bijele larve koje odgovaraju stadiju larve koji prethodi stadiju prepupa) i prepupae (tj., posljednji stadij larve tokom kojeg larve BSF-a pocrne, prestanu da se hrane i traže okruženje pogodno za metamorfozu) i pohranite na - 18°C za analizu sastava. Prinos je izračunat kao odnos ukupne mase insekata (larve i predkukuljice faze 6) dobijene po posudi (g) i vremena razvoja (d). Sve srednje vrijednosti u tekstu su izražene kao: srednja vrijednost ± SD.
Svi naredni koraci uz upotrebu rastvarača (heksan (Hex), hloroform (CHCl3), metanol (MeOH)) izvedeni su ispod dimne haube i zahtijevali su nošenje nitrilnih rukavica, kecelja i zaštitnih naočara.
Bijele larve su sušene u zamrzivaču FreeZone6 (Labconco Corp., Kansas City, MO, SAD) 72 h, a zatim mljevene (IKA A10, Staufen, Njemačka). Ukupni lipidi su ekstrahovani iz ±1 g praha pomoću Folch metode 54. Sadržaj preostale vlage u svakom liofiliziranom uzorku određen je u duplikatu pomoću analizatora vlage (MA 150, Sartorius, Göttiggen, Njemačka) da bi se ispravili ukupni lipidi.
Ukupni lipidi su transesterifikovani u kiselim uslovima da bi se dobili metil estri masnih kiselina. Ukratko, približno 10 mg lipida/100 µl rastvora CHCl3 (100 µl) je upareno sa dušikom u 8 ml Pyrex© epruvete (SciLabware – DWK Life Sciences, London, UK). Epruveta je stavljena u Hex (0,5 ml) (PESTINORM®SUPRATRACE n-Heksan > 95% za analizu organskih tragova, VWR Chemicals, Radnor, PA, SAD) i rastvor Hex/MeOH/BF3 (20/25/55) (0,5 ml) u vodenom kupatilu na 70 °C 90 min. Nakon hlađenja dodaju se 10% vodeni rastvor H2SO4 (0,2 ml) i zasićeni rastvor NaCl (0,5 ml). Promiješajte epruvetu i napunite smjesu čistim Hexom (8,0 mL). Dio gornje faze prebačen je u bočicu i analiziran gasnom hromatografijom sa detektorom plamene jonizacije (GC-FID). Uzorci su analizirani pomoću Trace GC Ultra (Thermo Scientific, Waltham, MA, SAD) opremljenog split/splitless injektorom (240 °C) u podijeljenom načinu rada (split flow: 10 mL/min), Stabilwax®-DA kolonom ( 30 m, 0,25 mm id, 0,25 μm, Restek Corp., Bellefonte, PA, SAD) i FID (250 °C). Temperaturni program je postavljen na sljedeći način: 50 °C za 1 min, povećanje na 150 °C pri 30 °C/min, povećanje na 240 °C pri 4 °C/min i nastavak na 240 °C za 5 min. Hex je korišten kao slijepa proba, a referentni standard koji sadrži 37 metil estera masnih kiselina (Supelco 37-komponentni FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, Belgija) korišten je za identifikaciju. Identifikacija nezasićenih masnih kiselina (UFA) potvrđena je sveobuhvatnim dvodimenzionalnim GC (GC×GC-FID), a prisustvo izomera je precizno određeno laganom adaptacijom metode Ferrare et al. 55. Detalji instrumenta mogu se naći u Dodatnoj tabeli S3, a rezultati u Dodatnoj slici S5.
Podaci su predstavljeni u Excel formatu tabele (Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA). Statistička analiza je izvršena korišćenjem R Studio (verzija 2023.12.1+402, Boston, SAD) 56 . Podaci o težini larve, vremenu razvoja i produktivnosti procijenjeni su korištenjem linearnog modela (LM) (komanda “lm”, R paket “stats” 56 ) kako se uklapaju u Gausovu distribuciju. Stope preživljavanja primjenom analize binomnog modela procijenjene su korištenjem opšteg linearnog modela (GLM) (komanda “glm”, R paket “lme4” 57 ). Normalnost i homoskedastičnost potvrđeni su pomoću Shapiro testa (komanda “shapiro.test”, R paket “stats” 56) i analize varijanse podataka (komanda betadisper, R paket “vegan” 58). Nakon parne analize značajnih p-vrijednosti (p < 0,05) iz LM ili GLM testa, otkrivene su značajne razlike između grupa pomoću EMM testa (naredba “emmeans”, R paket “emmeans” 59).
Kompletni FA spektri su upoređeni korištenjem multivarijantne permutacijske analize varijanse (tj. permMANOVA; komanda “adonis2”, R paket “vegan” 58) korištenjem Euklidske matrice udaljenosti i 999 permutacija. Ovo pomaže u identifikaciji masnih kiselina na koje utječe priroda ugljikohidrata u ishrani. Značajne razlike u profilima FA dalje su analizirane korišćenjem poređenja u paru. Podaci su zatim vizualizirani korištenjem analize glavnih komponenti (PCA) (komanda “PCA”, R paket “FactoMineR” 60). FA odgovoran za ove razlike je identifikovan tumačenjem korelacionih krugova. Ovi kandidati su potvrđeni korištenjem jednosmjerne analize varijanse (ANOVA) (naredba “aov”, R paket “stats” 56 ) nakon čega je uslijedio Tukeyjev post hoc test (naredba TukeyHSD, R paket “stats” 56 ). Prije analize, normalnost je procijenjena pomoću Shapiro-Wilkovog testa, homoskedastičnost je provjerena pomoću Bartlett testa (komanda “bartlett.test”, R paket “stats” 56), a korištena je neparametarska metoda ako nijedna od dvije pretpostavke nije ispunjena . Analize su upoređene (komanda “kruskal.test”, R paket “stats” 56), a zatim su primijenjeni Dunnovi post hoc testovi (komanda dunn.test, R paket “dunn.test” 56).
Konačna verzija rukopisa provjerena je koristeći Grammarly Editor kao engleski lektor (Grammarly Inc., San Francisco, Kalifornija, SAD) 61 .
Skupovi podataka generisani i analizirani tokom tekuće studije dostupni su od odgovarajućeg autora na razuman zahtjev.
Kim, SW, et al. Zadovoljavanje globalne potražnje za proteinima za životinje: izazovi, mogućnosti i strategije. Annals of Animal Biosciences 7, 221–243 (2019).
Caparros Megido, R., et al. Pregled stanja i perspektiva svjetske proizvodnje jestivih insekata. Entomol. Gen. 44, (2024).
Rehman, K. ur, et al. Crni vojnik (Hermetia illucens) kao potencijalno inovativan i ekološki prihvatljiv alat za upravljanje organskim otpadom: kratak pregled. Istraživanje upravljanja otpadom 41, 81–97 (2023).
Skala, A., et al. Uzgoj supstrata utiče na rast i status makronutrijenata industrijski proizvedenih larvi crne muhe. Sci. Rep. 10, 19448 (2020).
Shu, MK, et al. Antimikrobna svojstva uljnih ekstrakata iz larvi crne muhe vojnika uzgojene na krušnim mrvicama. Nauka o hrani životinja, 64, (2024).
Schmitt, E. i de Vries, W. (2020). Potencijalne prednosti korištenja gnojiva crne vojničke muhe kao dopune tla za proizvodnju hrane i smanjenog utjecaja na okoliš. Trenutno mišljenje. Green Sustain. 25, 100335 (2020).
Franco A. et al. Lipidi crne vojničke muhe—inovativni i održivi izvor. Održivi razvoj, Vol. 13, (2021).
Van Huis, A. Insekti kao hrana i hrana za životinje, novo polje u poljoprivredi: pregled. J. Insect Feed 6, 27–44 (2020).
Kačor, M., Bulak, P., Prots-Petrikha, K., Kirichenko-Babko, M., i Beganovski, A. Različite upotrebe muhe crnog vojnika u industriji i poljoprivredi – pregled. Biologija 12, (2023).
Hock, B., Noel, G., Carpentier, J., Francis, F., i Caparros Megido, R. Optimizacija vještačkog razmnožavanja Hermetia illucens. PLOS ONE 14, (2019).
Vrijeme objave: 25.12.2024