Tak fordi du besøgte Nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse. For de bedste resultater anbefaler vi at bruge en nyere browser (eller deaktivere kompatibilitetstilstand i Internet Explorer). I mellemtiden, for at sikre fortsat support, vil vi vise webstedet uden typografier og JavaScript.
Den sorte soldaterflue (Hermetia illucens, L. 1758) er et altædende skadeligt insekt med et stort potentiale for at udnytte kulhydratrige organiske biprodukter. Blandt kulhydrater er sorte soldaterfluer afhængige af opløselige sukkerarter for vækst og lipidsyntese. Formålet med denne undersøgelse var at evaluere virkningerne af almindelige opløselige sukkerarter på udviklingen, overlevelsen og fedtsyreprofilen af sorte soldaterfluer. Suppler kyllingefoder med monosaccharider og disaccharider separat. Cellulose blev anvendt som kontrol. Larver fodret med glukose, fructose, saccharose og maltose voksede hurtigere end kontrollarver. I modsætning hertil havde lactose en antiernæringsmæssig effekt på larver, sænkede væksten og reducerede den endelige individuelle kropsvægt. Alle opløselige sukkerarter gjorde imidlertid larverne federe end dem, der blev fodret med kontroldiæten. Det er især de testede sukkerarter, der formede fedtsyreprofilen. Maltose og saccharose øgede indholdet af mættede fedtsyrer sammenlignet med cellulose. I modsætning hertil øgede laktose bioakkumulationen af umættede fedtsyrer i kosten. Denne undersøgelse er den første til at demonstrere virkningen af opløseligt sukker på fedtsyresammensætningen af sorte soldatfluelarver. Vores resultater indikerer, at de testede kulhydrater har en signifikant effekt på fedtsyresammensætningen af sorte soldatfluelarver og kan derfor bestemme deres endelige anvendelse.
Den globale efterspørgsel efter energi og animalsk protein fortsætter med at stige1. I forbindelse med global opvarmning er det bydende nødvendigt at finde grønnere alternativer til fossil energi og traditionelle fødevareproduktionsmetoder og samtidig øge produktionen. Insekter er lovende kandidater til at løse disse problemer på grund af deres lavere kemiske sammensætning og miljøpåvirkning sammenlignet med traditionelt husdyrbrug2. Blandt insekter er en fremragende kandidat til at løse disse problemer den sorte soldaterflue (BSF), Hermetia illucens (L. 1758), en skadelig art, der er i stand til at fodre på en række organiske substrater3. Derfor kan valorisering af disse substrater gennem BSF-avl skabe en ny kilde til råmaterialer for at imødekomme behovene i forskellige industrier.
BSF-larver (BSFL) kan fodre med landbrugs- og agroindustrielle biprodukter såsom bryggers korn, grøntsagsrester, frugtpulp og gammelt brød, som er særligt velegnede til BSFL-vækst på grund af deres høje kulhydrat (CH)4,5, 6 indhold. Storskalaproduktion af BSFL resulterer i dannelsen af to produkter: fæces, en blanding af substratrester og fæces, der kan bruges som gødning til plantedyrkning7, og larver, som hovedsageligt er sammensat af proteiner, lipider og kitin. Proteiner og lipider bruges hovedsageligt i husdyrbrug, biobrændstof og kosmetik8,9. Hvad angår kitin, finder denne biopolymer anvendelse i landbrugsfødevaresektoren, bioteknologi og sundhedspleje10.
BSF er et autogent holometaboløst insekt, hvilket betyder, at dets metamorfose og reproduktion, især de energiforbrugende stadier af insektets livscyklus, fuldt ud kan understøttes af næringsreserver genereret under larvevækst11. Mere specifikt fører protein- og lipidsyntese til udviklingen af fedtlegemet, et vigtigt lagringsorgan, der frigiver energi under de ikke-fødende faser af BSF: prepupa (dvs. det sidste larvestadie, hvor BSF-larverne bliver sorte, mens de fodrer og søger for et miljø, der er egnet til metamorfose), pupper (dvs. det ikke-bevægelige stadium, hvor insektet gennemgår metamorfose) og voksne12,13. CH er den vigtigste energikilde i kosten til BSF14. Blandt disse næringsstoffer kan fibrøst CH såsom hemicellulose, cellulose og lignin, i modsætning til disaccharider og polysaccharider (såsom stivelse), ikke fordøjes af BSFL15,16. Fordøjelse af CH er et vigtigt indledende trin for absorptionen af kulhydrater, som i sidste ende hydrolyseres til simple sukkerarter i tarmen16. De simple sukkerarter kan derefter absorberes (dvs. gennem tarmens peritrofiske membran) og metaboliseres til at producere energi17. Som nævnt ovenfor lagrer larver overskydende energi som lipider i fedtkroppen12,18. Opbevaringslipiderne består af triglycerider (neutrale lipider dannet af et glycerolmolekyle og tre fedtsyrer), som syntetiseres af larverne fra kostens simple sukkerarter. Disse CH tilvejebringer de acetyl-CoA-substrater, der kræves til fedtsyrebiosyntese (FA) via fedtsyresyntase- og thioesterasevejene19. Fedtsyreprofilen af H. illucens lipider er naturligt domineret af mættede fedtsyrer (SFA) med en høj andel af laurinsyre (C12:0)19,20. Derfor er det høje lipidindhold og fedtsyresammensætningen hurtigt ved at blive begrænsende faktorer for brugen af hele larver i dyrefoder, især i akvakultur, hvor der er behov for flerumættede fedtsyrer (PUFA)21.
Siden opdagelsen af BSFL's potentiale til at reducere organisk affald, har undersøgelser af værdien af forskellige biprodukter vist, at sammensætningen af BSFL delvist er reguleret af dens kost. I øjeblikket forbedres reguleringen af FA-profilen for H. illucens fortsat. BSFL's evne til at bioakkumulere PUFA er blevet demonstreret på PUFA-rige substrater såsom alger, fiskeaffald eller måltider såsom hørfrø, hvilket giver en FA-profil af højere kvalitet til dyreernæring19,22,23. I modsætning hertil er der for biprodukter, der ikke er beriget med PUFA, ikke altid en sammenhæng mellem diæt-FA-profilerne og larve-FA, hvilket indikerer indflydelsen af andre næringsstoffer24,25. Faktisk er virkningen af fordøjeligt CH på FA-profiler stadig dårligt forstået og underforsket24,25,26,27.
Så vidt vi ved, er deres ernæringsmæssige rolle stadig dårligt forstået i H. illucens ernæring, selvom totale monosaccharider og disaccharider er rigelige i kosten af H. illucens. Formålet med denne undersøgelse var at belyse deres virkninger på BSFL-ernæring og lipidsammensætning. Vi vil evaluere larvernes vækst, overlevelse og produktivitet under forskellige ernæringsforhold. Derefter vil vi beskrive lipidindholdet og fedtsyreprofilen for hver diæt for at fremhæve virkningerne af CH på BSFLs ernæringskvalitet.
Vi antog, at arten af den testede CH ville påvirke (1) larvevækst, (2) totale lipidniveauer og (3) modulere FA-profilen. Monosaccharider kan absorberes direkte, mens disaccharider skal hydrolyseres. Monosaccharider er således mere tilgængelige som direkte energikilder eller precursorer for lipogenese via FA-syntase- og thioesterase-vejene, hvorved H. illucens larvevækst øges og akkumulering af reservelipider (især laurinsyre) fremmes.
Den testede CH påvirkede larvernes gennemsnitlige kropsvægt under vækst (fig. 1). FRU, GLU, SUC og MAL øgede larvens kropsvægt svarende til kontroldiæten (CEL). I modsætning hertil så LAC og GAL ud til at forsinke larveudviklingen. Navnlig havde LAC en signifikant negativ effekt på larvevæksten sammenlignet med SUC gennem hele vækstperioden: 9,16 ± 1,10 mg versus 15,00 ± 1,01 mg på dag 3 (F6,21 = 12,77, p < 0,001; Fig. 1), 125,11 ± 426. mg og 211,79 ± 14,93 mg, henholdsvis på dag 17 (F6,21 = 38,57, p < 0,001; Fig. 1).
Brug af forskellige monosaccharider (fructose (FRU), galactose (GAL), glucose (GLU)), disaccharider (lactose (LAC), maltose (MAL), saccharose (SUC) og cellulose (CEL) som kontroller. Vækst af larver fodret med sorte soldatfluelarver. Hvert punkt på kurven repræsenterer den gennemsnitlige individuelle vægt (mg) beregnet ved at veje 20 tilfældigt udvalgte larver fra en population på 100 larver (n = 4). Fejlbjælker repræsenterer SD.
CEL-diæten gav fremragende larveoverlevelse på 95,5 ± 3,8%. Desuden blev overlevelsen af H. illucens fodret diæter indeholdende opløseligt CH reduceret (GLM: χ = 107,13, df = 21, p < 0,001), som var forårsaget af MAL og SUC (disaccharider) i den undersøgte CH. Dødeligheden var lavere end for GLU, FRU, GAL (monosaccharid) og LAC (EMM: p < 0,001, figur 2).
Boxplot af overlevelse af sorte soldatfluelarver behandlet med forskellige monosaccharider (fructose, galactose, glucose), disaccharider (lactose, maltose, saccharose) og cellulose som kontroller. Behandlinger med samme bogstav er ikke signifikant forskellige fra hinanden (EMM, p > 0,05).
Alle testede diæter tillod larverne at nå præpupalstadiet. Imidlertid havde de testede CH'er tendens til at forlænge larveudviklingen (F6,21=9,60, p<0,001; tabel 1). Især var det længere tid for larver fodret med GAL og LAC at nå præpupalstadiet sammenlignet med larver opdrættet på CEL (CEL-GAL: p<0,001; CEL-LAC: p<0,001; tabel 1).
Den testede CH havde også forskellige virkninger på larvens kropsvægt, idet kropsvægten af larver fodret med CEL-diæten nåede 180,19 ± 11,35 mg (F6,21 = 16,86, p < 0,001; Fig. 3). FRU, GLU, MAL og SUC resulterede i en gennemsnitlig endelig larvelegemsvægt på mere end 200 mg, hvilket var signifikant højere end for CEL (p < 0,05). I modsætning hertil havde larver fodret med GAL og LAC lavere kropsvægte, i gennemsnit henholdsvis 177,64 ± 4,23 mg og 156,30 ± 2,59 mg (p < 0,05). Denne effekt var mere udtalt med LAC, hvor den endelige kropsvægt var lavere end med kontroldiæten (CEL-LAC: forskel = 23,89 mg; p = 0,03; figur 3).
Gennemsnitlig endelig vægt af individuelle larver udtrykt som larvepletter (mg) og sorte soldaterfluer udtrykt som histogram (g) fodret med forskellige monosaccharider (fructose, galactose, glucose), disaccharider (lactose, maltose, saccharose) og cellulose (som kontrol). Søjlebogstaver repræsenterer grupper, der er signifikant forskellige i total larvevægt (p < 0,001). Bogstaver forbundet med larvepletter repræsenterer grupper med signifikant forskellige individuelle larvevægte (p < 0,001). Fejlbjælker repræsenterer SD.
Maksimal individuel vægt var uafhængig af den maksimale endelige totale larvekolonivægt. Faktisk øgede diæter indeholdende FRU, GLU, MAL og SUC ikke den samlede larvevægt produceret i tanken sammenlignet med CEL (figur 3). LAC reducerede imidlertid den totale vægt signifikant (CEL-LAC: forskel = 9,14 g; p < 0,001; figur 3).
Tabel 1 viser udbyttet (larver/dag). Interessant nok var de optimale udbytter af CEL, MAL og SUC ens (tabel 1). I modsætning hertil reducerede FRU, GAL, GLU og LAC udbyttet sammenlignet med CEL (tabel 1). GAL og LAC klarede sig dårligst: Udbyttet blev halveret til henholdsvis 0,51 ± 0,09 g larver/dag og 0,48 ± 0,06 g larver/dag (tabel 1).
Monosaccharider og disaccharider øgede lipidindholdet i CF-larverne (tabel 1). På CLE-diæten blev der opnået larver med et lipidindhold på 23,19 ± 0,70% af DM-indholdet. Til sammenligning var det gennemsnitlige lipidindhold i larver fodret med opløseligt sukker mere end 30% (tabel 1). Imidlertid øgede de testede CH'er deres fedtindhold i samme grad.
Som forventet påvirkede CG-personerne FA-profilen af larverne i varierende grad (fig. 4). SFA-indholdet var højt i alle diæter og nåede mere end 60 %. MAL og SUC udlignede FA-profilen, hvilket førte til en stigning i SFA-indholdet. I tilfælde af MAL førte denne ubalance på den ene side overvejende til et fald i indholdet af monoumættede fedtsyrer (MUFA) (F6,21 = 7,47; p < 0,001; fig. 4). På den anden side for SUC var faldet mere ensartet mellem MUFA og PUFA. LAC og MAL havde modsatte virkninger på FA-spektret (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; figur 4). Den lavere andel af SFA i LAC-fodrede larver ser ud til at øge MUFA-indholdet. Især MUFA-niveauer var højere i LAC-fodrede larver sammenlignet med andre opløselige sukkerarter undtagen GAL (F6,21 = 7,47; p < 0,001; figur 4).
Brug af forskellige monosaccharider (fructose (FRU), galactose (GAL), glucose (GLU)), disaccharider (lactose (LAC), maltose (MAL), saccharose (SUC) og cellulose (CEL) som kontroller, boksplot af fedtsyre sammensætning fodret til sorte soldatfluelarver. Resultaterne er udtrykt i procent af den samlede FAME. Behandlinger markeret med forskellige bogstaver er signifikant forskellige (p < 0,001). (a) Andel af mættede fedtsyrer; (b) enkeltumættede fedtsyrer; (c) Flerumættede fedtsyrer.
Blandt de identificerede fedtsyrer var laurinsyre (C12:0) dominerende i alle observerede spektre (mere end 40%). Andre tilstedeværende SFA'er var palmitinsyre (C16:0) (mindre end 10%), stearinsyre (C18:0) (mindre end 2,5%) og caprinsyre (C10:0) (mindre end 1,5%). MUFA'er var hovedsageligt repræsenteret af oliesyre (C18:1n9) (mindre end 9,5%), mens PUFA'er hovedsageligt var sammensat af linolsyre (C18:2n6) (mindre end 13,0%) (se supplerende tabel S1). Derudover kunne en lille andel af forbindelser ikke identificeres, især i spektrene af CEL-larver, hvor uidentificeret forbindelse nummer 9 (UND9) udgjorde et gennemsnit på 2,46 ± 0,52% (se supplerende tabel S1). GC × GC-FID-analyse antydede, at det kunne være en 20-carbon fedtsyre med fem eller seks dobbeltbindinger (se supplerende figur S5).
PERMANOVA-analysen afslørede tre distinkte grupper baseret på fedtsyreprofilerne (F6,21 = 7,79, p < 0,001; figur 5). Principal komponentanalyse (PCA) af TBC-spektret illustrerer dette og forklares med to komponenter (figur 5). Hovedkomponenterne forklarede 57,9 % af variansen og omfattede, i rækkefølge efter betydning, laurinsyre (C12:0), oliesyre (C18:1n9), palmitinsyre (C16:0), stearinsyre (C18:0) og linolensyre (C18:3n3) (se figur S4). Den anden komponent forklarede 26,3 % af variansen og inkluderede, i rækkefølge efter betydning, decansyre (C10:0) og linolsyre (C18:2n6 cis) (se supplerende figur S4). Profilerne for diæter indeholdende simple sukkerarter (FRU, GAL og GLU) viste lignende karakteristika. I modsætning hertil gav disaccharider forskellige profiler: MAL og SUC på den ene side og LAC på den anden side. Især MAL var det eneste sukker, der ændrede FA-profilen sammenlignet med CEL. Derudover var MAL-profilen signifikant forskellig fra FRU- og GLU-profilerne. Især MAL-profilen viste den højeste andel af C12:0 (54,59 ± 2,17%), hvilket gør den sammenlignelig med CEL (43,10 ± 5,01%), LAC (43,35 ± 1,31%), FRU (48,90 ± 1,97%) og GLU (48,38 ± 2,17%) profiler (se supplerende tabel S1). MAL-spektret viste også det laveste C18:1n9-indhold (9,52 ± 0,50 %), hvilket yderligere differentierede det fra LAC (12,86 ± 0,52 %) og CEL (12,40 ± 1,31 %) spektre. En lignende tendens blev observeret for C16:0. I den anden komponent viste LAC-spektret det højeste C18:2n6-indhold (17,22 ± 0,46%), mens MAL viste det laveste (12,58 ± 0,67%). C18:2n6 differentierede også LAC fra kontrollen (CEL), som viste lavere niveauer (13,41 ± 2,48%) (se supplerende tabel S1).
PCA-plot af fedtsyreprofil af sorte soldatfluelarver med forskellige monosaccharider (fructose, galactose, glucose), disaccharider (lactose, maltose, saccharose) og cellulose som kontrol.
For at studere de ernæringsmæssige virkninger af opløselige sukkerarter på H. illucens larver blev cellulose (CEL) i kyllingefoder erstattet med glucose (GLU), fructose (FRU), galactose (GAL), maltose (MAL), saccharose (SUC) og laktose (LAC). Imidlertid havde monosaccharider og disaccharider forskellige virkninger på udviklingen, overlevelsen og sammensætningen af HF-larver. For eksempel udøvede GLU, FRU og deres disaccharidformer (MAL og SUC) positive understøttende virkninger på larvevækst, hvilket gjorde det muligt for dem at opnå højere endelige kropsvægte end CEL. I modsætning til ufordøjelige CEL kan GLU, FRU og SUC omgå tarmbarrieren og tjene som vigtige næringskilder i formulerede diæter16,28. MAL mangler specifikke dyretransportører og menes at blive hydrolyseret til to glukosemolekyler før assimilering15. Disse molekyler lagres i insektkroppen som en direkte energikilde eller som lipider18. For det første, med hensyn til sidstnævnte, kan nogle af de observerede intramodale forskelle skyldes små forskelle i kønsforhold. Faktisk kan reproduktionen hos H. illucens være helt spontan: voksne hunner har naturligt nok æglægningsreserver og er tungere end hanner29. Imidlertid korrelerer lipidakkumulering i BSFL med diætopløseligt CH2-indtag, som tidligere observeret for GLU og xylose26,30. For eksempel observerede Li et al.30, at når 8% GLU blev tilføjet til larvediæten, steg lipidindholdet i BSF-larver med 7,78% sammenlignet med kontroller. Vores resultater er i overensstemmelse med disse observationer, der viser, at fedtindholdet i larver fodret med det opløselige sukker var højere end i larver fodret med CEL-diæten, sammenlignet med en stigning på 8,57% med GLU-tilskud. Overraskende nok blev lignende resultater observeret i larver fodret med GAL og LAC, på trods af de negative virkninger på larvevækst, endelig kropsvægt og overlevelse. Larver fodret med LAC var signifikant mindre end dem, der blev fodret med CEL-diæten, men deres fedtindhold var sammenligneligt med larver fodret med andre opløselige sukkerarter. Disse resultater fremhæver laktoses antiernæringsmæssige virkninger på BSFL. For det første indeholder kosten en stor mængde CH. Absorptions- og hydrolysesystemerne af henholdsvis monosaccharider og disaccharider kan nå mætning, hvilket forårsager flaskehalse i assimileringsprocessen. Hvad angår hydrolyse, udføres den af α- og β-glucosidaser 31 . Disse enzymer har foretrukne substrater afhængigt af deres størrelse og de kemiske bindinger (α- eller β-bindinger) mellem deres konstituerende monosaccharider 15 . Hydrolyse af LAC til GLU og GAL udføres af β-galactosidase, et enzym, hvis aktivitet er blevet påvist i tarmen af BSF 32 . Imidlertid kan dets ekspression være utilstrækkelig sammenlignet med mængden af LAC, der forbruges af larver. I modsætning hertil er α-glucosidase maltase og sucrase 15, som er kendt for at være rigeligt udtrykt i insekter, i stand til at nedbryde store mængder af MAL og saccharose SUC og derved begrænse denne mættende effekt. For det andet kan antiernæringsmæssige virkninger skyldes den reducerede stimulering af insektintestinal amylaseaktivitet og langsommere fodringsadfærd sammenlignet med andre behandlinger. Faktisk er opløselige sukkerarter blevet identificeret som stimulatorer af enzymaktivitet, der er vigtige for insektfordøjelse, såsom amylase, og som udløser af fodringsreaktionen33,34,35. Stimuleringsgraden varierer afhængigt af sukkerets molekylære struktur. Faktisk kræver disaccharider hydrolyse før absorption og har en tendens til at stimulere amylase mere end deres konstituerende monosaccharider34. I modsætning hertil har LAC en mildere virkning og har vist sig at være ude af stand til at understøtte insektvækst hos forskellige arter33,35. For eksempel i skadedyret Spodoptera exigua (Boddie 1850) blev der ikke påvist nogen hydrolytisk aktivitet af LAC i ekstrakter af larvemidtarmsenzymer36.
Med hensyn til FA-spektret indikerer vores resultater signifikante modulerende virkninger af den testede CH. Det er bemærkelsesværdigt, at selvom laurinsyre (C12:0) udgjorde mindre end 1% af den samlede FA i kosten, dominerede den i alle profiler (se supplerende tabel S1). Dette er i overensstemmelse med tidligere data om, at laurinsyre syntetiseres fra diæt-CH i H. illucens via en vej, der involverer acetyl-CoA-carboxylase og FA-syntase19,27,37. Vores resultater bekræfter, at CEL stort set er ufordøjeligt og fungerer som et "fyldemiddel" i BSF-kontroldiæter, som diskuteret i flere BSFL-studier38,39,40. Udskiftning af CEL med monosaccharider og disaccharider andre end LAC øgede C12:0-forholdet, hvilket indikerer øget CH-optagelse af larver. Interessant nok fremmer disacchariderne MAL og SUC laurinsyresyntesen mere effektivt end deres konstituerende monosaccharider, hvilket tyder på, at disaccharidtransportører på trods af den højere grad af polymerisation af GLU og FRU, og da Drosophila er den eneste saccharosetransporter, der er blevet identificeret i animalske proteinarter. er muligvis ikke til stede i tarmen hos H. illucens larver15, udnyttelsen af GLU og FRU øges. Men selvom GLU og FRU teoretisk lettere metaboliseres af BSF, metaboliseres de også lettere af substrater og tarmmikroorganismer, hvilket kan resultere i deres hurtigere nedbrydning og nedsat udnyttelse af larver sammenlignet med disaccharider.
Ved første øjekast var lipidindholdet i larver fodret med LAC og MAL sammenligneligt, hvilket indikerer lignende biotilgængelighed af disse sukkerarter. Imidlertid var FA-profilen af LAC overraskende rigere på SFA, især med lavere C12:0-indhold sammenlignet med MAL. En hypotese til at forklare denne forskel er, at LAC kan stimulere bioakkumuleringen af diætisk FA via acetyl-CoA FA-syntase. Understøttelse af denne hypotese havde LAC-larver det laveste forhold mellem decanoat (C10:0) (0,77 ± 0,13 %) end CEL-diæten (1,27 ± 0,16 %), hvilket indikerer reducerede FA-syntase- og thioesteraseaktiviteter19. For det andet anses fedtsyrer i kosten for at være den vigtigste faktor, der påvirker SFA-sammensætningen af H. illucens27. I vores forsøg udgjorde linolsyre (C18:2n6) 54,81 % af fedtsyrerne i kosten, hvor andelen i LAC-larver var 17,22 ± 0,46 % og i MAL 12,58 ± 0,67 %. Oliesyre (cis + trans C18:1n9) (23,22 % i kosten) viste en lignende tendens. Forholdet mellem α-linolensyre (C18:3n3) understøtter også bioakkumulationshypotesen. Denne fedtsyre er kendt for at akkumulere i BSFL ved substratberigelse, såsom tilsætning af hørfrøkage, op til 6-9% af de samlede fedtsyrer i larver19. I beriget kost kan C18:3n3 udgøre op til 35 % af de samlede fedtsyrer i kosten. I vores undersøgelse udgjorde C18:3n3 dog kun 2,51 % af fedtsyreprofilen. Selvom andelen fundet i naturen var lavere i vores larver, var denne andel højere i LAC-larver (0,87 ± 0,02%) end i MAL (0,49 ± 0,04%) (p < 0,001; se supplerende tabel S1). CEL-diæten havde en mellemandel på 0,72 ± 0,18%. Endelig afspejler palmitinsyre-forholdet (C16:0) i CF-larver bidraget fra syntetiske veje og diæt-FA19. Hoc et al. 19 observerede, at C16:0-syntese blev reduceret, når kosten blev beriget med hørfrømel, hvilket blev tilskrevet et fald i tilgængeligheden af acetyl-CoA-substratet på grund af et fald i CH-forholdet. Selvom begge diæter havde lignende CH-indhold, og MAL viste højere biotilgængelighed, viste MAL-larver det laveste C16:0-forhold (10,46 ± 0,77 %), hvorimod LAC viste en højere andel, der tegnede sig for 12,85 ± 0,27 % (p < 0,05; se; se Supplerende tabel S1). Disse resultater fremhæver den komplekse indflydelse af næringsstoffer på BSFL-fordøjelse og metabolisme. I øjeblikket er forskning om dette emne mere grundig i Lepidoptera end i Diptera. Hos larver blev LAC identificeret som en svag stimulans af fodringsadfærd sammenlignet med andre opløselige sukkerarter såsom SUC og FRU34,35. Især i Spodopteralittoralis (Boisduval 1833) stimulerede MAL-forbrug den amylolytiske aktivitet i tarmen i højere grad end LAC34. Lignende effekter i BSFL kan forklare den øgede stimulering af C12:0-syntesevejen i MAL-larver, som er forbundet med øget intestinalt absorberet CH, forlænget fodring og intestinal amylasevirkning. Mindre stimulering af fodringsrytmen i nærvær af LAC kan også forklare den langsommere vækst af LAC-larver. Desuden har Liu Yanxia et al. 27 bemærkede, at holdbarheden af lipider i H. illucens-substrater var længere end for CH. Derfor kan LAC-larver stole mere på diætlipider for at fuldføre deres udvikling, hvilket kan øge deres endelige lipidindhold og modulere deres fedtsyreprofil.
Så vidt vi ved, har kun få undersøgelser testet virkningerne af monosaccharid- og disaccharidtilsætning til BSF-diæter på deres FA-profiler. Først Li et al. 30 vurderede virkningerne af GLU og xylose og observerede lipidniveauer svarende til vores ved en tilsætningshastighed på 8 %. FA-profilen var ikke detaljeret og bestod hovedsageligt af SFA, men der blev ikke fundet forskelle mellem de to sukkerarter, eller hvornår de blev præsenteret samtidigt30. Endvidere har Cohn et al. 41 viste ingen effekt af 20% GLU, SUC, FRU og GAL tilsætning til kyllingefoder på de respektive FA-profiler. Disse spektre blev opnået fra tekniske snarere end biologiske replikater, hvilket, som forklaret af forfatterne, kan begrænse den statistiske analyse. Desuden begrænser manglen på iso-sukkerkontrol (ved hjælp af CEL) fortolkningen af resultaterne. For nylig har to undersøgelser af Nugroho RA et al. påviste anomalier i FA-spektrene42,43. I den første undersøgelse, Nugroho RA et al. 43 testede effekten af at tilsætte FRU til fermenteret palmekernemel. FA-profilen af de resulterende larver viste unormalt høje niveauer af PUFA, hvoraf mere end 90% var afledt af kosten indeholdende 10% FRU (svarende til vores undersøgelse). Selvom denne diæt indeholdt PUFA-rige fiskepellets, var de rapporterede FA-profilværdier for larverne på kontroldiæten bestående af 100 % fermenteret PCM ikke i overensstemmelse med nogen tidligere rapporteret profil, især det unormale niveau af C18:3n3 på 17,77 ± 1,67 % og 26,08 ± 0,20 % for konjugeret linolsyre (C18:2n6t), en sjælden isomer af linolsyre. Den anden undersøgelse viste lignende resultater inklusive FRU, GLU, MAL og SUC42 i fermenteret palmekernemel. Disse undersøgelser, ligesom vores, fremhæver alvorlige vanskeligheder med at sammenligne resultater fra forsøg med BSF-larvediæt, såsom kontrolvalg, interaktioner med andre næringskilder og FA-analysemetoder.
Under eksperimenterne observerede vi, at farven og lugten af substratet varierede afhængigt af den anvendte kost. Dette tyder på, at mikroorganismer kan spille en rolle i de resultater, der observeres i substratet og larvernes fordøjelsessystem. Faktisk metaboliseres monosaccharider og disaccharider let af koloniserende mikroorganismer. Mikroorganismers hurtige forbrug af opløselige sukkerarter kan resultere i frigivelse af store mængder af mikrobielle stofskifteprodukter såsom ethanol, mælkesyre, kortkædede fedtsyrer (f.eks. eddikesyre, propionsyre, smørsyre) og kuldioxid44. Nogle af disse forbindelser kan være ansvarlige for de dødelige toksiske virkninger på larver også observeret af Cohn et al.41 under lignende udviklingsbetingelser. Ethanol er for eksempel skadeligt for insekter45. Store mængder kuldioxidudledning kan resultere i akkumulering i bunden af tanken, hvilket kan fratage atmosfæren ilt, hvis luftcirkulationen ikke tillader dens frigivelse. Med hensyn til SCFA'er er deres virkninger på insekter, især H. illucens, stadig dårligt forstået, selvom mælkesyre, propionsyre og smørsyre har vist sig at være dødelige i Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775)46. I Drosophila melanogaster Meigen 1830 er disse SCFA'er olfaktoriske markører, der leder hunner til æglægningssteder, hvilket tyder på en gavnlig rolle i larveudvikling47. Eddikesyre er dog klassificeret som et farligt stof og kan i væsentlig grad hæmme larveudviklingen47. I modsætning hertil har mikrobielt afledt lactat for nylig vist sig at have en beskyttende virkning mod invasive tarmmikrober i Drosophila48. Desuden spiller mikroorganismer i fordøjelsessystemet også en rolle i CH-fordøjelsen hos insekter49. Fysiologiske virkninger af SCFA'er på tarmmikrobiotaen, såsom fodringshastighed og genekspression, er blevet beskrevet i hvirveldyr 50 . De kan også have en trofisk effekt på H. illucens larver og kan delvist bidrage til reguleringen af FA-profiler. Undersøgelser af de ernæringsmæssige virkninger af disse mikrobielle fermenteringsprodukter vil klarlægge deres virkninger på H. illucens ernæring og danne grundlag for fremtidige undersøgelser af gavnlige eller skadelige mikroorganismer med hensyn til deres udvikling og værdien af FA-rige substrater. I denne henseende bliver mikroorganismers rolle i fordøjelsesprocesserne af masseopdrættede insekter i stigende grad undersøgt. Insekter er begyndt at blive betragtet som bioreaktorer, der giver pH- og iltningsforhold, der letter udviklingen af mikroorganismer, der er specialiseret i nedbrydning eller afgiftning af næringsstoffer, som er svære for insekter at fordøje 51 . For nylig demonstrerede Xiang et al.52, at for eksempel podning af organisk affald med en bakterieblanding gør det muligt for CF at tiltrække bakterier, der er specialiseret i lignocellulosenedbrydning, hvilket forbedrer nedbrydningen i substratet sammenlignet med substrater uden larver.
Endelig, med hensyn til H. illucens gavnlige brug af organisk affald, producerede CEL- og SUC-diæterne det højeste antal larver pr. dag. Dette betyder, at på trods af den lavere slutvægt af individuelle individer, er den samlede larvevægt, der produceres på et substrat bestående af ufordøjeligt CH, sammenlignelig med den, der opnås på en homosaccharid-diæt indeholdende monosaccharider og disaccharider. I vores undersøgelse er det vigtigt at bemærke, at niveauerne af andre næringsstoffer er tilstrækkelige til at understøtte væksten af larvepopulationen, og at tilsætningen af CEL bør begrænses. Den endelige sammensætning af larverne er dog forskellig, hvilket understreger vigtigheden af at vælge den rigtige strategi for valorisering af insekterne. CEL-larver fodret med helfoder er mere velegnede til brug som dyrefoder på grund af deres lavere fedtindhold og lavere laurinsyreniveauer, hvorimod larver fodret med SUC- eller MAL-diæter kræver affedtning ved presning for at øge værdien af olien, især i biobrændstoffet sektor. LAC findes i mejeriindustriens biprodukter såsom valle fra osteproduktion. For nylig forbedrede dets anvendelse (3,5 % laktose) den endelige larvernes kropsvægt53. Kontroldiæten i denne undersøgelse indeholdt dog halvdelen af lipidindholdet. Derfor kan de antiernæringsmæssige virkninger af LAC være blevet modvirket af larvebioakkumulering af diætlipider.
Som vist af tidligere undersøgelser påvirker egenskaberne af monosaccharider og disaccharider signifikant væksten af BSFL og modulerer dens FA-profil. Især ser LAC ud til at spille en antiernæringsmæssig rolle under larveudviklingen ved at begrænse tilgængeligheden af CH til lipidabsorption i kosten og derved fremme UFA-bioakkumulering. I denne sammenhæng ville det være interessant at udføre bioassays ved hjælp af diæter, der kombinerer PUFA og LAC. Desuden forbliver mikroorganismers rolle, især rollen af mikrobielle metabolitter (såsom SCFA'er) afledt af sukkerfermenteringsprocesser, et forskningsemne, der er værd at undersøge.
Insekter blev opnået fra BSF-kolonien i Laboratory of Functional and Evolutionary Entomology etableret i 2017 ved Agro-Bio Tech, Gembloux, Belgien (for flere detaljer om opdrætsmetoder, se Hoc et al. 19). Til eksperimentelle forsøg blev 2,0 g BSF-æg tilfældigt indsamlet dagligt fra avlsbure og inkuberet i 2,0 kg 70 % vådt kyllingefoder (Aveve, Leuven, Belgien). Fem dage efter klækning blev larverne adskilt fra substratet og talt manuelt til eksperimentelle formål. Startvægten af hver batch blev målt. Den gennemsnitlige individuelle vægt var 7,125 ± 0,41 mg, og gennemsnittet for hver behandling er vist i supplerende tabel S2.
Diætformuleringen blev tilpasset fra undersøgelsen af Barragan-Fonseca et al. 38. Kort fortalt blev der fundet et kompromis mellem samme foderkvalitet til larvekyllinger, tilsvarende tørstofindhold (DM), højt CH (10 % baseret på frisk kost) og tekstur, da simple sukkerarter og disaccharider ikke har nogen teksturelle egenskaber. Ifølge producentens oplysninger (kyllingefoder, AVEVE, Leuven, Belgien) blev den testede CH (dvs. opløseligt sukker) tilsat separat som en autoklaveret vandig opløsning (15,9 %) til en diæt bestående af 16,0 % protein, 5,0 % totale lipider, 11,9 % malet kyllingefoder bestående af aske og 4,8 % fibre. I hver 750 ml krukke (17,20 x 11,50 x 6,00 cm, AVA, Tempsee, Belgien) blev 101,9 g autoklaveret CH-opløsning blandet med 37,8 g kyllingefoder. For hver diæt var tørstofindholdet 37,0 %, inklusive homogent protein (11,7 %), homogene lipider (3,7 %) og homogene sukkerarter (26,9 % af tilsat CH). De testede CH var glucose (GLU), fructose (FRU), galactose (GAL), maltose (MAL), saccharose (SUC) og lactose (LAC). Kontroldiæten bestod af cellulose (CEL), som anses for ufordøjelig for H. illucens larver 38 . Hundrede 5 dage gamle larver blev anbragt i en bakke forsynet med låg med et hul på 1 cm i diameter i midten og dækket med et plastikmyggenet. Hver diæt blev gentaget fire gange.
Larvevægten blev målt tre dage efter forsøgets start. For hver måling blev 20 larver fjernet fra substratet ved hjælp af sterilt varmt vand og pincet, tørret og vejet (STX223, Ohaus Scout, Parsippany, USA). Efter vejning blev larverne returneret til midten af substratet. Målinger blev taget regelmæssigt tre gange om ugen, indtil den første præpuppe dukkede op. På dette tidspunkt skal du indsamle, tælle og veje alle larver som beskrevet tidligere. Adskil trin 6-larver (dvs. hvide larver svarende til larvestadiet forud for præpuppestadiet) og præpupper (dvs. det sidste larvestadie, hvor BSF-larver bliver sorte, stopper med at spise og søger et miljø, der er egnet til metamorfose) og opbevares ved - 18°C til sammensætningsanalyse. Udbyttet blev beregnet som forholdet mellem den samlede masse af insekter (larver og præpupper fra trin 6) opnået pr. skål (g) og udviklingstiden (d). Alle middelværdier i teksten er udtrykt som: middel ± SD.
Alle efterfølgende trin ved anvendelse af opløsningsmidler (hexan (Hex), chloroform (CHCl3), methanol (MeOH)) blev udført under et stinkskab og krævede nitrilhandsker, forklæder og sikkerhedsbriller.
Hvide larver blev tørret i en FreeZone6 frysetørrer (Labconco Corp., Kansas City, MO, USA) i 72 timer og derefter formalet (IKA A10, Staufen, Tyskland). Totale lipider blev ekstraheret fra ± 1 g pulver under anvendelse af Folch-metoden 54. Det resterende fugtindhold af hver frysetørret prøve blev bestemt i to eksemplarer ved anvendelse af en fugtanalysator (MA 150, Sartorius, Göttiggen, Tyskland) for at korrigere for totale lipider.
Totale lipider blev transesterificeret under sure betingelser for at opnå fedtsyremethylestere. Kort fortalt blev ca. 10 mg lipider/100 µl CHCl3-opløsning (100 µl) fordampet med nitrogen i et 8 ml Pyrex©-rør (SciLabware – DWK Life Sciences, London, UK). Røret blev anbragt i Hex (0,5 ml) (PESTINORM®SUPRATRACE n-Hexane > 95 % til organisk sporanalyse, VWR Chemicals, Radnor, PA, USA) og Hex/MeOH/BF3 (20/25/55) opløsning (0,5) ml) i et vandbad ved 70 °C i 90 min. Efter afkøling blev 10% vandig H2S04-opløsning (0,2 ml) og mættet NaCI-opløsning (0,5 ml) tilsat. Bland røret og fyld blandingen med ren Hex (8,0 ml). En del af den øvre fase blev overført til et hætteglas og analyseret ved gaskromatografi med en flammeioniseringsdetektor (GC-FID). Prøver blev analyseret ved hjælp af en Trace GC Ultra (Thermo Scientific, Waltham, MA, USA) udstyret med en split/splitløs injektor (240 °C) i split mode (split flow: 10 mL/min), en Stabilwax®-DA kolonne ( 30 m, 0,25 mm id, 0,25 μm, Restek Corp., Bellefonte, PA, USA) og en FID (250°C). Temperaturprogrammet blev indstillet som følger: 50 °C i 1 min, stigende til 150 °C ved 30 °C/min, stigende til 240 °C ved 4 °C/min og fortsættelse ved 240 °C i 5 minutter. Hex blev brugt som en blindprøve, og en referencestandard indeholdende 37 fedtsyremethylestere (Supelco 37-komponent FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, Belgien) blev brugt til identifikation. Identifikationen af umættede fedtsyrer (UFA'er) blev bekræftet af omfattende todimensionel GC (GC×GC-FID), og tilstedeværelsen af isomerer blev nøjagtigt bestemt ved en let tilpasning af metoden ifølge Ferrara et al. 55. Instrumentdetaljer kan findes i Supplerende Tabel S3 og resultaterne i Supplerende Figur S5.
Dataene præsenteres i Excel-regnearksformat (Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA). Statistisk analyse blev udført ved hjælp af R Studio (version 2023.12.1+402, Boston, USA) 56 . Data om larvevægt, udviklingstid og produktivitet blev estimeret ved hjælp af den lineære model (LM) (kommando "lm", R-pakke "stats" 56 ), da de passer til en Gauss-fordeling. Overlevelsesrater ved hjælp af binomial modelanalyse blev estimeret ved hjælp af den generelle lineære model (GLM) (kommando "glm", R-pakke "lme4" 57 ). Normalitet og homoskedasticitet blev bekræftet ved hjælp af Shapiro-testen (kommando "shapiro.test", R-pakke "stats" 56 ) og analyse af datavarians (kommando betadisper, R-pakke "vegan" 58 ). Efter parvis analyse af signifikante p-værdier (p < 0,05) fra LM- eller GLM-testen blev signifikante forskelle mellem grupper påvist ved hjælp af EMM-testen (kommando "emmeans", R-pakke "emmeans" 59).
De komplette FA-spektre blev sammenlignet ved hjælp af multivariat permutationsanalyse af varians (dvs. permMANOVA; kommando "adonis2", R-pakke "vegan" 58) under anvendelse af den euklidiske afstandsmatrix og 999 permutationer. Dette hjælper med at identificere fedtsyrer, der er påvirket af kostens kulhydraters natur. Signifikante forskelle i FA-profilerne blev yderligere analyseret ved hjælp af parvise sammenligninger. Dataene blev derefter visualiseret ved hjælp af principal komponentanalyse (PCA) (kommando "PCA", R-pakke "FactoMineR" 60). Den FA, der er ansvarlig for disse forskelle, blev identificeret ved at fortolke korrelationscirklerne. Disse kandidater blev bekræftet ved hjælp af en envejsvariansanalyse (ANOVA) (kommando "aov", R-pakke "stats" 56 ) efterfulgt af Tukeys post hoc-test (kommando TukeyHSD, R-pakke "stats" 56 ). Før analyse blev normaliteten vurderet ved hjælp af Shapiro-Wilk-testen, homoskedasticitet blev kontrolleret ved hjælp af Bartlett-testen (kommando "bartlett.test", R-pakke "stats" 56), og en ikke-parametrisk metode blev brugt, hvis ingen af de to antagelser var opfyldt . Analyser blev sammenlignet (kommando “kruskal.test”, R-pakke “stats” 56 ), og derefter blev Dunns post hoc-test anvendt (kommando dunn.test, R-pakke “dunn.test” 56 ).
Den endelige version af manuskriptet blev kontrolleret ved hjælp af Grammarly Editor som engelsk korrekturlæser (Grammarly Inc., San Francisco, Californien, USA) 61 .
De datasæt, der genereres og analyseres under den aktuelle undersøgelse, er tilgængelige fra den tilsvarende forfatter efter rimelig anmodning.
Kim, SW, et al. Møde den globale efterspørgsel efter foderprotein: udfordringer, muligheder og strategier. Annals of Animal Biosciences 7, 221-243 (2019).
Caparros Megido, R., et al. Gennemgang af status og udsigter for verdensproduktion af spiselige insekter. Entomol. Gen. 44, (2024).
Rehman, K. ur, et al. Sort soldaterflue (Hermetia illucens) som et potentielt innovativt og miljøvenligt værktøj til organisk affaldshåndtering: En kort gennemgang. Waste Management Research 41, 81–97 (2023).
Skala, A., et al. Opdrætssubstrat påvirker vækst og makronæringsstofstatus for industrielt producerede sorte soldatfluelarver. Sci. Rep. 10, 19448 (2020).
Shu, MK, et al. Antimikrobielle egenskaber af olieekstrakter fra sorte soldatfluelarver opdrættet på brødkrummer. Animal Food Science, 64, (2024).
Schmitt, E. og de Vries, W. (2020). Potentielle fordele ved at bruge sort soldaterfluegødning som jordforbedring til fødevareproduktion og reduceret miljøbelastning. Aktuel mening. Grøn Sustain. 25, 100335 (2020).
Franco A. et al. Sorte soldaterfluelipider - en innovativ og bæredygtig kilde. Bæredygtig udvikling, Vol. 13, (2021).
Van Huis, A. Insekter som mad og foder, et spirende felt i landbruget: en gennemgang. J. Insect Feed 6, 27–44 (2020).
Kachor, M., Bulak, P., Prots-Petrikha, K., Kirichenko-Babko, M. og Beganovsky, A. Forskellige anvendelser af sorte soldaterfluer i industri og landbrug – en gennemgang. Biologi 12, (2023).
Hock, B., Noel, G., Carpentier, J., Francis, F., og Caparros Megido, R. Optimering af kunstig udbredelse af Hermetia illucens. PLOS ONE 14, (2019).
Indlægstid: 25. december 2024