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동애등에(Hermetiaillucens, L. 1758)는 탄수화물이 풍부한 유기 부산물을 활용할 가능성이 높은 잡식성 해로운 곤충입니다. 탄수화물 중에서 동애등에는 성장과 지질 합성을 위해 수용성 설탕에 의존합니다. 이 연구의 목적은 동애등에의 발달, 생존 및 지방산 프로필에 대한 일반적인 수용성 설탕의 영향을 평가하는 것이었습니다. 단당류와 이당류를 별도로 닭 사료에 보충하십시오. 셀룰로오스를 대조군으로 사용했습니다. 포도당, 과당, 자당, 맥아당을 먹인 유충은 대조군 유충보다 빠르게 성장했습니다. 대조적으로, 유당은 유충에 항영양 효과를 나타내어 성장을 늦추고 최종 개체 체중을 감소시켰습니다. 그러나 모든 수용성 설탕은 대조 사료를 먹인 유충보다 유충을 더 뚱뚱하게 만들었습니다. 특히, 테스트된 설탕은 지방산 프로필을 형성했습니다. Maltose와 sucrose는 셀룰로오스에 비해 포화지방산 함량을 증가시켰다. 대조적으로, 유당은 식이성 불포화지방산의 생체축적을 증가시켰습니다. 이 연구는 동애등에 유충의 지방산 조성에 수용성 설탕이 미치는 영향을 최초로 입증한 것입니다. 우리의 결과는 테스트한 탄수화물이 동애등에 유충의 지방산 구성에 중요한 영향을 미치므로 최종 적용을 결정할 수 있음을 나타냅니다.
에너지와 동물성 단백질에 대한 세계적 수요는 계속해서 증가하고 있습니다1. 지구 온난화의 맥락에서 생산량을 늘리면서 화석 에너지와 전통적인 식품 생산 방법에 대한 보다 친환경적인 대안을 찾는 것이 필수적입니다. 곤충은 전통적인 축산업에 비해 화학적 조성이 낮고 환경에 미치는 영향이 낮기 때문에 이러한 문제를 해결할 수 있는 유망한 후보입니다2. 곤충 중에서 이러한 문제를 해결할 수 있는 탁월한 후보는 다양한 유기 기질을 섭식할 수 있는 유해종인 동애등에(BSF), Hermetiaillucens(L. 1758)입니다3. 따라서 BSF 육종을 통해 이러한 기질의 가치를 높이면 다양한 산업의 요구를 충족하는 새로운 원료 공급원을 창출할 수 있습니다.
BSF 유충(BSFL)은 양조 곡물, 야채 잔류물, 과일 펄프 및 오래된 빵과 같은 농업 및 농업 산업 부산물을 먹을 수 있으며, 이는 높은 탄수화물(CH)4,5로 인해 BSFL 성장에 특히 적합합니다. 6개 내용. BSFL의 대규모 생산으로 인해 식물 재배를 위한 비료로 사용할 수 있는 기질 잔류물과 대변의 혼합물인 대변과 주로 단백질, 지질 및 키틴으로 구성된 유충이라는 두 가지 제품이 형성됩니다. 단백질과 지질은 주로 가축 사육, 바이오 연료 및 화장품에 사용됩니다8,9. 키틴의 경우, 이 생체고분자는 농식품 부문, 생명공학 및 의료 분야에 응용됩니다10.
BSF는 자생 홀로대사 곤충입니다. 즉, BSF의 변태와 번식, 특히 곤충 수명 주기의 에너지 소비 단계는 유충 성장 중에 생성된 영양분 매장량에 의해 전적으로 뒷받침될 수 있습니다11. 보다 구체적으로, 단백질과 지질 합성은 BSF의 비섭식 단계인 prepupa(즉, BSF 애벌레가 먹이를 먹고 검색하는 동안 검게 변하는 마지막 애벌레 단계) 동안 에너지를 방출하는 중요한 저장 기관인 지방체의 발달로 이어집니다. 변태에 적합한 환경), 번데기(즉, 곤충이 변태를 겪는 비운동성 단계) 및 성충12,13. CH는 BSF14 식단의 주요 에너지원입니다. 이러한 영양소 중에서 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스 및 리그닌과 같은 섬유질 CH는 이당류 및 다당류(예: 전분)와 달리 BSFL15,16에 의해 소화될 수 없습니다. CH의 소화는 궁극적으로 장에서 단당으로 가수분해되는 탄수화물 흡수를 위한 중요한 예비 단계입니다16. 그런 다음 단당은 흡수되어(즉, 장의 부영양막을 통해) 대사되어 에너지를 생성할 수 있습니다17. 위에서 언급한 바와 같이, 유충은 지방체12,18에 지질로 과도한 에너지를 저장합니다. 저장 지질은 유충이 식이성 단순당으로부터 합성한 트리글리세리드(1개의 글리세롤 분자와 3개의 지방산으로 형성된 중성 지질)로 구성됩니다. 이들 CH는 지방산 합성효소 및 티오에스테라제 경로를 통해 지방산(FA) 생합성에 필요한 아세틸-CoA 기질을 제공합니다. H.illucens 지질의 지방산 프로필은 자연적으로 라우르산(C12:0)의 비율이 높은 포화지방산(SFA)이 지배적입니다19,20. 따라서 높은 지질 함량과 지방산 조성은 특히 다중불포화지방산(PUFA)이 필요한 양식업에서 동물 사료에 전체 유충을 사용하는 데 대한 제한 요인이 되고 있습니다21.
유기 폐기물을 줄이는 BSFL의 잠재력이 발견된 이후, 다양한 부산물의 가치에 대한 연구를 통해 BSFL의 구성이 식단에 의해 부분적으로 조절되는 것으로 나타났습니다. 현재 H.illucens의 FA 프로파일에 대한 규제는 지속적으로 개선되고 있습니다. PUFA를 생물학적으로 축적하는 BSFL의 능력은 조류, 어류 폐기물 또는 아마씨와 같은 식사와 같은 PUFA가 풍부한 기질에서 입증되었으며, 이는 동물 영양에 대한 더 높은 품질의 FA 프로필을 제공합니다19,22,23. 대조적으로, PUFA가 풍부하지 않은 부산물의 경우, 식이 FA 프로필과 유충 FA 사이에 항상 상관관계가 있는 것은 아니며, 이는 다른 영양소의 영향을 나타냅니다24,25. 실제로, FA 프로필에 대한 소화 가능한 CH의 효과는 여전히 잘 이해되지 않고 연구도 부족합니다24,25,26,27.
우리가 아는 한, 총 단당류와 이당류가 H.illucens의 식단에 풍부하지만 H.illucens의 영양에서 이들의 영양적 역할은 아직 잘 이해되지 않고 있습니다. 이 연구의 목적은 BSFL 영양 및 지질 구성에 미치는 영향을 밝히는 것이었습니다. 다양한 영양 조건에서 유충의 성장, 생존 및 생산성을 평가합니다. 그런 다음 CH가 BSFL 영양 품질에 미치는 영향을 강조하기 위해 각 식단의 지질 함량과 지방산 프로필을 설명합니다.
우리는 테스트된 CH의 특성이 (1) 애벌레 성장, (2) 총 지질 수준 및 (3) FA 프로필을 조절하는 데 영향을 미칠 것이라고 가정했습니다. 단당류는 직접 흡수될 수 있는 반면, 이당류는 가수분해되어야 합니다. 따라서 단당류는 FA 합성효소 및 티오에스테라제 경로를 통해 지방 생성을 위한 직접적인 에너지원 또는 전구체로 더 많이 이용 가능하며, 이에 따라 H.illucens 유충 성장을 강화하고 예비 지질(특히 라우르산)의 축적을 촉진합니다.
테스트된 CH는 성장하는 동안 유충의 평균 체중에 영향을 미쳤습니다(그림 1). FRU, GLU, SUC 및 MAL은 대조 식단(CEL)과 유사하게 유충 체중을 증가시켰습니다. 대조적으로, LAC와 GAL은 유충 발달을 지연시키는 것으로 나타났습니다. 특히, LAC는 성장 기간 전체에 걸쳐 SUC에 비해 유충 성장에 유의미한 부정적인 영향을 미쳤습니다. 3일째에 9.16 ± 1.10 mg 대 15.00 ± 1.01 mg(F6,21 = 12.77, p < 0.001; 그림 1), 125.11 ± 4.26 mg 및 211.79 ± 14.93 mg 17일째(F6,21 = 38.57, p< 0.001; 그림 1).
다양한 단당류(과당(FRU), 갈락토스(GAL), 포도당(GLU)), 이당류(유당(LAC), 맥아당(MAL), 자당(SUC)) 및 셀룰로오스(CEL)를 대조군으로 사용합니다. 동애등에 유충을 먹인 유충의 성장. 곡선의 각 점은 100마리의 유충(n = 4) 집단에서 무작위로 선택된 20개의 유충의 무게를 측정하여 계산된 평균 개별 체중(mg)을 나타냅니다. 오류 막대는 SD를 나타냅니다.
CEL 식단은 95.5 ± 3.8%의 우수한 유충 생존율을 제공했습니다. 더욱이, 가용성 CH를 함유한 H.illucens 사료의 생존은 감소되었으며(GLM: χ = 107.13, df = 21, p < 0.001), 이는 연구된 CH의 MAL 및 SUC(이당류)에 의해 발생했습니다. 사망률은 GLU, FRU, GAL(단당류), LAC(EMM: p < 0.001, 그림 2)보다 낮았습니다.
다양한 단당류(과당, 갈락토오스, 포도당), 이당류(유당, 맥아당, 자당) 및 셀룰로오스를 대조군으로 처리한 동애등에 유충의 생존에 대한 상자 그림. 동일한 문자를 사용한 처리는 서로 크게 다르지 않습니다(EMM, p > 0.05).
테스트한 모든 식단에서는 유충이 번데기 전 단계에 도달할 수 있었습니다. 그러나 테스트된 CH는 유충 발달을 연장하는 경향이 있었습니다(F6,21=9.60, p<0.001; 표 1). 특히, GAL과 LAC를 먹인 유충은 CEL에서 자란 유충에 비해 번데기 전 단계에 도달하는 데 더 오랜 시간이 걸렸습니다(CEL-GAL: p<0.001; CEL-LAC: p<0.001; 표 1).
테스트된 CH는 또한 CEL 식단을 먹인 유충의 체중이 180.19 ± 11.35 mg에 도달하면서 유충 체중에 다른 영향을 미쳤습니다(F6,21 = 16.86, p < 0.001; 그림 3). FRU, GLU, MAL 및 SUC는 평균 최종 유충 체중이 200 mg 이상으로 CEL보다 유의하게 높았습니다(p < 0.05). 대조적으로, GAL 및 LAC를 공급한 유충은 각각 평균 177.64 ± 4.23 mg 및 156.30 ± 2.59 mg으로 체중이 더 낮았습니다(p < 0.05). 이 효과는 LAC에서 더욱 두드러졌는데, 여기서 최종 체중은 대조군 식이보다 낮았습니다(CEL-LAC: 차이 = 23.89 mg; p = 0.03; 그림 3).
유충 반점(mg)으로 표현된 개별 유충의 평균 최종 무게와 히스토그램(g)으로 표현된 검은 동애등에 다양한 단당류(과당, 갈락토스, 포도당), 이당류(유당, 맥아당, 자당) 및 셀룰로오스(대조군)를 공급했습니다. 기둥 모양의 문자는 총 유충 중량이 크게 다른 그룹을 나타냅니다(p < 0.001). 애벌레 반점과 관련된 문자는 개별 애벌레 무게가 크게 다른 그룹을 나타냅니다(p< 0.001). 오류 막대는 SD를 나타냅니다.
최대 개별 중량은 최대 최종 총 유충 식민지 중량과 무관했습니다. 실제로 FRU, GLU, MAL 및 SUC를 함유한 사료는 CEL과 비교하여 탱크에서 생산된 총 유충 중량을 증가시키지 않았습니다(그림 3). 그러나 LAC는 총 중량을 크게 감소시켰습니다(CEL-LAC: 차이 = 9.14g; p< 0.001; 그림 3).
표 1은 생산량(유충/일)을 보여줍니다. 흥미롭게도 CEL, MAL 및 SUC의 최적 수율은 유사했습니다(표 1). 대조적으로, FRU, GAL, GLU 및 LAC는 CEL에 비해 수율을 감소시켰습니다(표 1). GAL과 LAC는 최악의 성능을 보였습니다. 수확량은 각각 0.51 ± 0.09g 유충/일 및 0.48 ± 0.06g 유충/일로 절반으로 줄었습니다(표 1).
단당류와 이당류는 CF 유충의 지질 함량을 증가시켰습니다(표 1). CLE 사료에서는 지질 함량이 DM 함량의 23.19 ± 0.70%인 유충이 얻어졌습니다. 비교를 위해, 수용성 설탕을 먹인 유충의 평균 지질 함량은 30% 이상이었습니다(표 1). 그러나 테스트된 CH는 지방 함량을 같은 정도로 증가시켰습니다.
예상대로 CG 피험자는 유충의 FA 프로필에 다양한 정도로 영향을 미쳤습니다 (그림 4). SFA 함량은 모든 식단에서 높았으며 60% 이상에 달했습니다. MAL과 SUC는 FA 프로필의 불균형을 초래하여 SFA 콘텐츠가 증가했습니다. MAL의 경우, 이러한 불균형은 주로 단일불포화지방산(MUFA) 함량의 감소로 이어졌습니다(F6,21 = 7.47; p < 0.001; 그림 4). 반면, SUC의 경우 MUFA와 PUFA 사이에서 감소폭이 더 균일했습니다. LAC와 MAL은 FA 스펙트럼에 반대 효과를 가졌습니다(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; 그림 4). LAC를 먹인 유충에서 SFA의 비율이 낮을수록 MUFA 함량이 증가하는 것으로 보입니다. 특히, MUFA 수준은 GAL을 제외한 다른 가용성 설탕에 비해 LAC 공급 유충에서 더 높았습니다(F6,21 = 7.47; p < 0.001; 그림 4).
다양한 단당류(과당(FRU), 갈락토오스(GAL), 포도당(GLU)), 이당류(유당(LAC), 맥아당(MAL), 자당(SUC)) 및 셀룰로오스(CEL)를 대조군으로 사용하여 지방산의 상자 그림 검은 동애등에 유충에게 먹이는 조성물. 결과는 총 FAME의 백분율로 표시됩니다. 다른 문자로 표시된 치료법은 상당히 다릅니다(p < 0.001). (a) 포화지방산의 비율 (b) 단일불포화지방산; (c) 다중불포화지방산.
확인된 지방산 중에서 라우르산(C12:0)이 관찰된 모든 스펙트럼에서 지배적이었습니다(40% 이상). 다른 존재하는 SFA는 팔미트산(C16:0)(10% 미만), 스테아르산(C18:0)(2.5% 미만) 및 카프르산(C10:0)(1.5% 미만)이었습니다. MUFA는 주로 올레산(C18:1n9)(9.5% 미만)으로 대표되는 반면, PUFA는 주로 리놀레산(C18:2n6)(13.0% 미만)으로 구성됩니다(보충 표 S1 참조). 또한, 특히 CEL 유충의 스펙트럼에서는 미확인 화합물 번호 9(UND9)가 평균 2.46 ± 0.52%를 차지하는 소량의 화합물을 식별할 수 없었습니다(보충 표 S1 참조). GC×GC-FID 분석에 따르면 5개 또는 6개의 이중 결합이 있는 20개 탄소 지방산일 수 있습니다(보충 그림 S5 참조).
PERMANOVA 분석에서는 지방산 프로필을 기반으로 세 가지 별개의 그룹이 밝혀졌습니다(F6,21 = 7.79, p < 0.001; 그림 5). TBC 스펙트럼의 주성분 분석(PCA)은 이를 설명하며 두 가지 구성 요소로 설명됩니다(그림 5). 주요 성분은 분산의 57.9%를 설명했으며 중요한 순서대로 라우르산(C12:0), 올레산(C18:1n9), 팔미트산(C16:0), 스테아르산(C18:0) 및 리놀렌산(C18:3n3)(그림 S4 참조). 두 번째 구성 요소는 분산의 26.3%를 설명하고 중요한 순서대로 데칸산(C10:0)과 리놀레산(C18:2n6 cis)을 포함했습니다(보충 그림 S4 참조). 단순당(FRU, GAL, GLU)을 함유한 식단의 프로필도 비슷한 특성을 보였습니다. 대조적으로, 이당류는 한편으로는 MAL 및 SUC, 다른 한편으로는 LAC라는 서로 다른 프로파일을 생성했습니다. 특히 MAL은 CEL과 비교하여 FA 프로필을 변경한 유일한 설탕이었습니다. 또한 MAL 프로필은 FRU 및 GLU 프로필과 크게 달랐습니다. 특히 MAL 프로파일은 C12:0(54.59±2.17%)의 비율이 가장 높게 나타나 CEL(43.10±5.01%), LAC(43.35±1.31%), FRU(48.90±1.97%), GLU(48.38 ± 2.17%) 프로파일(보충 표 S1 참조) MAL 스펙트럼은 또한 가장 낮은 C18:1n9 함량(9.52 ± 0.50%)을 보여 LAC(12.86 ± 0.52%) 및 CEL(12.40 ± 1.31%) 스펙트럼과 더욱 차별화되었습니다. C16:0에서도 유사한 경향이 관찰되었습니다. 두 번째 성분에서는 LAC 스펙트럼에서 C18:2n6 함량이 가장 높았고(17.22±0.46%), MAL이 가장 낮았습니다(12.58±0.67%). C18:2n6은 또한 LAC를 대조군(CEL)과 구별했는데, 이는 더 낮은 수준(13.41 ± 2.48%)을 나타냈습니다(보충 표 S1 참조).
다양한 단당류(과당, 갈락토스, 포도당), 이당류(유당, 맥아당, 자당) 및 셀룰로오스를 대조군으로 사용하여 검은 동애등에 유충의 지방산 프로필에 대한 PCA 플롯.
H.illucens 유충에 대한 수용성 설탕의 영양학적 효과를 연구하기 위해 닭 사료의 셀룰로오스(CEL)를 포도당(GLU), 과당(FRU), 갈락토스(GAL), 말토스(MAL), 자당(SUC) 및 유당(LAC). 그러나 단당류와 이당류는 HF 유충의 발달, 생존 및 구성에 서로 다른 영향을 미쳤습니다. 예를 들어, GLU, FRU 및 이당류 형태(MAL 및 SUC)는 유충 성장에 긍정적인 지지 효과를 발휘하여 CEL보다 더 높은 최종 체중을 달성할 수 있습니다. 소화되지 않는 CEL과 달리 GLU, FRU 및 SUC는 장 장벽을 우회하여 배합식에서 중요한 영양 공급원 역할을 할 수 있습니다16,28. MAL은 특정 동물 수송체가 부족하며 동화되기 전에 두 개의 포도당 분자로 가수분해되는 것으로 생각됩니다15. 이 분자는 직접적인 에너지원이나 지질18로 곤충 몸에 저장됩니다. 첫째, 후자와 관련하여 관찰된 모달 내부 차이 중 일부는 성비의 작은 차이로 인한 것일 수 있습니다. 실제로 H.illucens의 번식은 완전히 자발적일 수 있습니다. 성체 암컷은 자연적으로 충분한 알을 낳을 수 있고 수컷보다 무겁습니다29. 그러나 BSFL의 지질 축적은 이전에 GLU 및 자일로스에서 관찰된 바와 같이 식이성 수용성 CH2 섭취와 상관관계가 있습니다26,30. 예를 들어, Li 등30은 유충 사료에 8% GLU를 첨가했을 때 BSF 유충의 지질 함량이 대조군에 비해 7.78% 증가했음을 관찰했습니다. 우리의 결과는 이러한 관찰과 일치하며, 수용성 설탕을 먹인 유충의 지방 함량은 GLU 보충으로 8.57% 증가한 것과 비교하여 CEL 식단을 먹인 유충의 지방 함량보다 높았다는 것을 보여줍니다. 놀랍게도 유충 성장, 최종 체중 및 생존에 대한 부작용에도 불구하고 GAL과 LAC를 먹인 유충에서도 유사한 결과가 관찰되었습니다. LAC를 먹인 유충은 CEL 식이를 먹인 유충보다 훨씬 작았지만 지방 함량은 다른 수용성 설탕을 먹인 유충과 비슷했습니다. 이러한 결과는 BSFL에 대한 유당의 항영양 효과를 강조합니다. 첫째, 식단에는 다량의 CH가 포함되어 있습니다. 단당류와 이당류의 흡수 및 가수분해 시스템은 각각 포화 상태에 도달하여 동화 과정에서 병목 현상을 일으킬 수 있습니다. 가수분해는 α- 및 β-글루코시다제에 의해 수행됩니다 31 . 이들 효소는 크기와 구성 단당류 사이의 화학 결합(α 또는 β 결합)에 따라 선호되는 기질을 가지고 있습니다 15 . LAC의 GLU 및 GAL로의 가수분해는 BSF32의 장에서 활성이 입증된 효소인 β-갈락토시다제에 의해 수행됩니다. 그러나 유충이 소비하는 LAC의 양에 비해 그 발현이 부족할 수 있습니다. 대조적으로, 곤충에서 풍부하게 발현되는 것으로 알려진 α-글루코시다제 말타제 및 수크라제 15는 다량의 MAL 및 수크로스 SUC를 분해할 수 있어 이러한 포만 효과를 제한합니다. 둘째, 항영양 효과는 다른 치료법에 비해 곤충 장내 아밀라제 활성의 자극이 감소하고 섭식 행동이 느려지는 데 기인할 수 있습니다. 실제로, 수용성 당은 아밀라아제와 같은 곤충 소화에 중요한 효소 활성을 자극하고 섭식 반응을 유발하는 것으로 확인되었습니다33,34,35. 자극의 정도는 설탕의 분자 구조에 따라 다릅니다. 실제로 이당류는 흡수되기 전에 가수분해가 필요하며 구성 단당류보다 아밀라아제를 더 자극하는 경향이 있습니다34. 대조적으로, LAC는 더 약한 효과를 가지며 다양한 종에서 곤충 성장을 지원할 수 없는 것으로 밝혀졌습니다33,35. 예를 들어, 해충 Spodoptera exigua(Boddie 1850)에서는 애벌레 중장 효소 추출물에서 LAC의 가수분해 활성이 검출되지 않았습니다36.
FA 스펙트럼과 관련하여 우리의 결과는 테스트된 CH의 중요한 변조 효과를 나타냅니다. 특히, 라우르산(C12:0)은 식단에서 총 FA의 1% 미만을 차지했지만 모든 프로필에서 지배적이었습니다(보충 표 S1 참조). 이는 라우르산이 아세틸-CoA 카르복실라제 및 FA 신타제19,27,37와 관련된 경로를 통해 H. 일루센스의 식이 CH로부터 합성된다는 이전 데이터와 일치합니다. 우리의 결과는 여러 BSFL 연구38,39,40에서 논의된 바와 같이 CEL이 대체로 소화되지 않으며 BSF 조절 식단에서 "팽창제" 역할을 한다는 것을 확인시켜 줍니다. CEL을 LAC 이외의 단당류 및 이당류로 대체하면 C12:0 비율이 증가하여 유충의 CH 흡수가 증가했음을 나타냅니다. 흥미롭게도, 이당류인 MAL과 SUC는 구성 단당류보다 더 효율적으로 라우르산 합성을 촉진하는데, 이는 GLU와 FRU의 더 높은 중합도에도 불구하고 초파리가 동물 단백질 종에서 확인된 유일한 자당 수송체이기 때문에 이당류 수송체가 H.illucens 유충의 장에 존재하지 않을 수 있으므로15 GLU 및 FRU의 활용이 증가합니다. 그러나 GLU와 FRU는 이론적으로 BSF에 의해 더 쉽게 대사되지만 기질과 장내 미생물에 의해 더 쉽게 대사되므로 이당류에 비해 더 빠르게 분해되고 유충의 이용률이 감소할 수 있습니다.
언뜻보기에 LAC와 MAL을 먹인 유충의 지질 함량은 비슷했으며 이는 이들 당의 생물학적 이용 가능성이 유사하다는 것을 나타냅니다. 그러나 놀랍게도 LAC의 FA 프로필은 MAL에 비해 SFA가 더 풍부했으며 특히 C12:0 함량이 낮았습니다. 이러한 차이를 설명하는 한 가지 가설은 LAC가 아세틸-CoA FA 합성효소를 통해 식이 FA의 생체축적을 자극할 수 있다는 것입니다. 이 가설을 뒷받침하는 LAC 유충은 CEL 식단(1.27 ± 0.16%)보다 데카노에이트(C10:0) 비율(0.77 ± 0.13%)이 가장 낮았으며 이는 FA 합성효소 및 티오에스테라제 활성이 감소했음을 나타냅니다. 둘째, 식이지방산은 H.illucens의 SFA 구성에 영향을 미치는 주요 요인으로 간주됩니다. 우리의 실험에서 리놀레산(C18:2n6)은 식이지방산의 54.81%를 차지했으며 LAC 유충의 비율은 17.22 ± 0.46%, MAL의 비율은 12.58 ± 0.67%였습니다. 올레산(cis + trans C18:1n9)(식이 중 23.22%)도 비슷한 경향을 보였습니다. α-리놀렌산(C18:3n3)의 비율도 생체축적 가설을 뒷받침합니다. 이 지방산은 아마씨 케이크 첨가와 같은 기질 강화 시 BSFL에 축적되는 것으로 알려져 있으며 유충 총 지방산의 최대 6-9%를 차지합니다19. 강화된 식단에서 C18:3n3은 전체 식이지방산의 최대 35%를 차지할 수 있습니다. 그러나 우리 연구에서 C18:3n3은 지방산 프로필의 2.51%만을 차지했습니다. 자연에서 발견되는 비율은 우리 유충에서 낮았지만 이 비율은 MAL(0.49 ± 0.04%)보다 LAC 유충(0.87 ± 0.02%)에서 더 높았습니다(p < 0.001, 보충 표 S1 참조). CEL 다이어트는 0.72 ± 0.18%의 중간 비율을 보였습니다. 마지막으로, CF 유충의 팔미트산(C16:0) 비율은 합성 경로와 식이 FA19의 기여를 반영합니다. Hoc et al. 19는 식단에 아마씨 가루가 풍부할 때 C16:0 합성이 감소한다는 것을 관찰했는데, 이는 CH 비율의 감소로 인해 아세틸-CoA 기질의 가용성이 감소했기 때문입니다. 놀랍게도 두 식단 모두 CH 함량이 유사하고 MAL이 더 높은 생체 이용률을 보였지만 MAL 유충은 가장 낮은 C16:0 비율(10.46 ± 0.77%)을 보인 반면 LAC는 12.85 ± 0.27%를 차지하여 더 높은 비율을 보였습니다(p < 0.05; 참조). 보충 표 S1). 이러한 결과는 BSFL 소화 및 대사에 대한 영양소의 복잡한 영향을 강조합니다. 현재 이 주제에 대한 연구는 파리목보다 나비목에서 더 철저합니다. 애벌레에서 LAC는 SUC 및 FRU와 같은 다른 가용성 설탕에 비해 약한 섭식 행동 자극제로 확인되었습니다. 특히, Spodopteralittoralis(Boisduval 1833)에서 MAL 섭취는 LAC34보다 장내 전분분해 활성을 더 크게 자극했습니다. BSFL에서의 유사한 효과는 MAL 유충의 C12:0 합성 경로의 강화된 자극을 설명할 수 있으며, 이는 장에서 흡수된 CH의 증가, 장기간의 섭식 및 장의 아밀라제 작용과 관련이 있습니다. LAC가 있는 경우 섭식 리듬의 자극이 적어 LAC 유충의 성장 속도가 느려지는 것을 설명할 수도 있습니다. 또한 Liu Yanxia et al. 27은 H.illucens 기질의 지질의 저장 수명이 CH의 저장 수명보다 길다는 점을 지적했습니다. 따라서 LAC 유충은 발달을 완료하기 위해 식이 지질에 더 많이 의존할 수 있으며, 이는 최종 지질 함량을 증가시키고 지방산 프로필을 조절할 수 있습니다.
우리가 아는 한, BSF 식단에 단당류와 이당류를 첨가하는 것이 FA 프로필에 미치는 영향을 테스트한 연구는 소수에 불과합니다. 첫째, Li et al. 30은 GLU와 자일로스의 효과를 평가하고 8% 첨가율에서 우리와 유사한 지질 수준을 관찰했습니다. FA 프로파일은 상세하지 않았고 주로 SFA로 구성되었지만 두 설탕 사이 또는 동시에 제시되었을 때 차이는 발견되지 않았습니다. 또한, Cohn et al. 41은 각각의 FA 프로필에 대한 닭 사료에 대한 20% GLU, SUC, FRU 및 GAL 첨가가 효과가 없음을 보여주었습니다. 이러한 스펙트럼은 생물학적 복제가 아닌 기술적인 복제에서 얻었으며, 이는 저자가 설명한 대로 통계 분석을 제한할 수 있습니다. 더욱이, 이소당 제어(CEL 사용)가 부족하여 결과 해석이 제한됩니다. 최근 Nugroho RA et al. FA 스펙트럼42,43에서 이상을 입증했습니다. 첫 번째 연구에서는 Nugroho RA et al. 43명은 발효 팜핵박에 FRU를 첨가하는 효과를 테스트했습니다. 생성된 유충의 FA 프로필은 비정상적으로 높은 수준의 PUFA를 나타냈으며, 그 중 90% 이상이 10% FRU를 함유한 식단에서 파생되었습니다(우리 연구와 유사). 이 식단에는 PUFA가 풍부한 생선 알갱이가 포함되어 있지만 100% 발효 PCM으로 구성된 대조 식단에서 보고된 유충의 FA 프로필 값은 이전에 보고된 프로필, 특히 C18:3n3의 비정상적인 수준인 17.77과 일치하지 않았습니다. 희귀 이성체인 공액 리놀레산(C18:2n6t)의 경우 ± 1.67% 및 26.08 ± 0.20% 리놀레산. 두 번째 연구에서는 발효 팜핵분에서 FRU, GLU, MAL 및 SUC42를 포함하여 유사한 결과를 보여주었습니다. 우리 연구와 마찬가지로 이러한 연구는 대조 선택, 다른 영양 공급원과의 상호 작용 및 FA 분석 방법과 같은 BSF 유충 사료 실험의 결과를 비교하는 데 심각한 어려움을 강조합니다.
실험을 통해 우리는 사용된 사료에 따라 기질의 색과 냄새가 달라지는 것을 관찰했습니다. 이는 미생물이 유충의 기질과 소화 시스템에서 관찰된 결과에 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 실제로 단당류와 이당류는 미생물에 의해 쉽게 대사됩니다. 미생물에 의한 용해성 당의 급속한 소비는 에탄올, 젖산, 단쇄 지방산(예: 아세트산, 프로피온산, 부티르산) 및 이산화탄소와 같은 미생물 대사산물을 대량으로 방출할 수 있습니다44. 이들 화합물 중 일부는 유사한 발달 조건에서 Cohn et al.41에 의해 관찰된 유충에 대한 치명적인 독성 영향의 원인일 수 있습니다. 예를 들어, 에탄올은 곤충에게 해롭습니다45. 다량의 이산화탄소가 배출되면 탱크 바닥에 이산화탄소가 축적될 수 있으며, 공기 순환으로 인해 산소가 배출되지 않으면 대기 산소가 박탈될 수 있습니다. SCFA와 관련하여 곤충, 특히 H.illucens에 대한 영향은 잘 알려져 있지 않지만 젖산, 프로피온산 및 부티르산은 Callosobruchus maculatus에서 치명적인 것으로 나타났습니다(Fabricius 1775)46. Drosophila melanogaster Meigen 1830에서 이러한 SCFA는 암컷을 산란 장소로 안내하는 후각 마커로, 애벌레 발달에 유익한 역할을 제안합니다. 그러나 아세트산은 유해 물질로 분류되며 애벌레 발달을 크게 억제할 수 있습니다47. 대조적으로, 미생물 유래 젖산은 최근 Drosophila48의 침입성 장내 미생물에 대한 보호 효과가 있는 것으로 밝혀졌습니다. 또한, 소화 시스템의 미생물은 곤충의 CH 소화에도 역할을 합니다49. 섭식 속도 및 유전자 발현과 같은 장내 미생물군에 대한 SCFA의 생리학적 효과는 척추동물에서 설명되었습니다50. 그들은 또한 H.illucens 유충에 영양 효과를 줄 수 있으며 FA 프로필 규제에 부분적으로 기여할 수 있습니다. 이러한 미생물 발효산물의 영양학적 효과에 대한 연구는 H.illucens 영양에 미치는 영향을 명확히 하고 FA가 풍부한 기질의 가치와 개발 측면에서 유익하거나 유해한 미생물에 대한 향후 연구의 기초를 제공할 것입니다. 이와 관련하여, 대량 양식 곤충의 소화 과정에서 미생물의 역할에 대한 연구가 점점 더 활발해지고 있습니다. 곤충은 곤충이 소화하기 어려운 영양소의 분해 또는 해독에 특화된 미생물의 발달을 촉진하는 pH 및 산소화 조건을 제공하는 생물 반응기로 간주되기 시작했습니다 51 . 최근 Xiang et al.52은 예를 들어 유기 폐기물에 박테리아 혼합물을 접종하면 CF가 리그노셀룰로오스 분해에 특화된 박테리아를 유인하여 유충이 없는 기질에 비해 기질에서의 분해를 향상시킬 수 있음을 입증했습니다.
마지막으로 H.illucens에 의한 유기 폐기물의 유익한 이용과 관련하여 CEL 및 SUC 사료는 하루에 가장 많은 수의 유충을 생산했습니다. 이는 개별 개인의 최종 체중이 더 낮음에도 불구하고 소화되지 않는 CH로 구성된 기질에서 생산된 총 유충 중량이 단당류와 이당류를 포함하는 동종당 식단에서 얻은 것과 비슷하다는 것을 의미합니다. 우리 연구에서는 다른 영양소의 수준이 유충 개체군의 성장을 지원하기에 충분하며 CEL의 추가가 제한되어야 한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 그러나 유충의 최종 구성은 다르기 때문에 곤충의 가치를 높이기 위한 올바른 전략을 선택하는 것이 중요합니다. 전체 사료를 먹인 CEL 유충은 지방 함량이 낮고 라우르산 수치가 낮기 때문에 동물 사료로 사용하기에 더 적합한 반면, SUC 또는 MAL 사료를 먹인 유충은 특히 바이오 연료에서 기름의 가치를 높이기 위해 압착하여 탈지를 필요로 합니다. 부문. LAC는 치즈 생산에서 나오는 유청과 같은 낙농 산업 부산물에서 발견됩니다. 최근에는 유당 3.5%를 사용하여 최종 유충 체중이 향상되었습니다53. 그러나 본 연구의 대조 식단에는 지질 함량이 절반으로 포함되어 있었습니다. 따라서 LAC의 항영양 효과는 유충의 식이 지질의 생체축적에 의해 상쇄되었을 수 있습니다.
이전 연구에서 볼 수 있듯이 단당류와 이당류의 특성은 BSFL의 성장에 큰 영향을 미치고 FA 프로필을 조절합니다. 특히, LAC는 식이성 지질 흡수를 위한 CH의 이용 가능성을 제한하여 UFA 생물축적을 촉진함으로써 유충 발달 동안 항영양적 역할을 하는 것으로 보입니다. 이러한 맥락에서 PUFA와 LAC를 결합한 식단을 사용하여 생물학적 검정을 수행하는 것은 흥미로울 것입니다. 더욱이, 미생물의 역할, 특히 설탕 발효 과정에서 유래된 미생물 대사산물(예: SCFA)의 역할은 여전히 연구할 가치가 있는 연구 주제로 남아 있습니다.
곤충은 벨기에 Gembloux의 Agro-Bio Tech에 2017년에 설립된 기능 및 진화 곤충학 연구소의 BSF 식민지에서 얻었습니다(사육 방법에 대한 자세한 내용은 Hoc et al. 19 참조). 실험적 시도를 위해, 2.0g의 BSF 알을 매일 번식 케이지에서 무작위로 수집하고 2.0kg의 70% 습식 닭 사료(Aveve, Leuven, Belgium)에서 배양했습니다. 부화 5일 후, 유충을 기질에서 분리하고 실험 목적으로 수동으로 계수했습니다. 각 배치의 초기 중량을 측정했습니다. 평균 개인 체중은 7.125 ± 0.41 mg이었으며, 각 치료의 평균은 보충 표 S2에 나와 있습니다.
다이어트 공식은 Barragan-Fonseca et al.의 연구에서 채택되었습니다. 38 . 간단히 말해서, 단순당과 이당류에는 질감 특성이 없기 때문에 유충 닭의 동일한 사료 품질, 유사한 건조물(DM) 함량, 높은 CH(신선한 사료 기준 10%) 및 질감 사이에서 절충안이 발견되었습니다. 제조업체의 정보(Chicken Feed, AVEVE, 벨기에 루벤)에 따르면, 테스트된 CH(즉 가용성 설탕)를 16.0% 단백질, 5.0% 총 지질로 구성된 식단에 고압멸균 수용액(15.9%)으로 별도로 추가했습니다. 재와 섬유질 4.8%로 구성된 11.9% 분쇄 닭 사료입니다. 각 750ml 병(17.20 × 11.50 × 6.00cm, AVA, Tempsee, 벨기에)에 101.9g의 고압멸균된 CH 용액을 37.8g의 닭 사료와 혼합했습니다. 각 사료의 건물 함량은 균질한 단백질(11.7%), 균질한 지질(3.7%) 및 균질한 당(추가된 CH의 26.9%)을 포함하여 37.0%였습니다. 테스트된 CH는 포도당(GLU), 과당(FRU), 갈락토오스(GAL), 말토오스(MAL), 수크로오스(SUC) 및 유당(LAC)이었습니다. 대조군 식이는 H.illucens 유충이 소화할 수 없는 것으로 간주되는 셀룰로오스(CEL)로 구성되었습니다38. 5일된 유충 100마리를 중앙에 직경 1cm의 구멍이 있고 플라스틱 모기장으로 덮인 뚜껑이 달린 트레이에 넣었습니다. 각 식단은 4번 반복되었습니다.
유충의 체중은 실험 시작 3일 후 측정하였다. 각 측정마다 멸균된 따뜻한 물과 겸자를 사용하여 기질에서 20마리의 유충을 제거하고 건조시킨 후 무게를 측정했습니다(STX223, Ohaus Scout, Parsippany, USA). 무게를 잰 후, 유충을 기질 중앙으로 되돌려 놓았습니다. 첫 번째 prepupa가 나타날 때까지 일주일에 세 번씩 정기적으로 측정을 수행했습니다. 이 시점에서 앞에서 설명한 대로 모든 유충을 수집하고 계산하고 무게를 측정합니다. 6단계 유충(즉, 번데기 전 단계 이전 유충 단계에 해당하는 흰색 유충)과 전번데기(즉, BSF 유충이 검게 변하고 섭식을 중단하며 변태에 적합한 환경을 찾는 마지막 유충 단계)를 분리하여 다음 장소에 보관합니다. 조성 분석의 경우 18°C입니다. 수확량은 접시당 얻은 곤충(6단계의 유충 및 전번데기)의 총 질량(g)과 발달 시간(d)의 비율로 계산되었습니다. 본문의 모든 평균값은 평균 ± SD로 표시됩니다.
용매(헥산(Hex), 클로로포름(CHCl3), 메탄올(MeOH))을 사용하는 모든 후속 단계는 흄후드 아래에서 수행되었으며 니트릴 장갑, 앞치마 및 보안경을 착용해야 했습니다.
흰 유충을 FreeZone6 동결 건조기(Labconco Corp., Kansas City, MO, USA)에서 72시간 동안 건조시킨 후 분쇄했습니다(IKA A10, Staufen, Germany). Folch 방법 54를 사용하여 ±1g의 분말에서 총 지질을 추출했습니다. 각 동결건조된 샘플의 잔류 수분 함량을 수분 분석기(MA 150, Sartorius, Göttiggen, Germany)를 사용하여 이중으로 측정하여 총 지질을 보정했습니다.
지방산 메틸 에스테르를 얻기 위해 산성 조건 하에서 전체 지질을 에스테르 교환했습니다. 간단히 말하면, 약 10mg 지질/100μl CHCl3 용액(100μl)을 8ml Pyrex© 튜브(SciLabware – DWK Life Sciences, London, UK)에서 질소와 함께 증발시켰습니다. 튜브를 Hex(0.5 ml)(유기 미량 분석을 위한 PESTINORM®SUPRATRACE n-Hexane > 95%, VWR Chemicals, Radnor, PA, USA) 및 Hex/MeOH/BF3(20/25/55) 용액(0.5 ml)에 넣었습니다. ml) 70°C의 수조에서 90분 동안. 냉각시킨 후, 10% H2SO4 수용액(0.2ml) 및 포화 NaCl 용액(0.5ml)을 첨가하였다. 튜브를 혼합하고 혼합물을 깨끗한 Hex(8.0 mL)로 채웁니다. 상부 상의 일부를 바이알에 옮기고 불꽃 이온화 검출기(GC-FID)를 갖춘 가스 크로마토그래피로 분석했습니다. 샘플은 분할 모드(분할 흐름: 10mL/분)에서 분할/비분할 주입기(240°C)가 장착된 Trace GC Ultra(Thermo Scientific, Waltham, MA, USA), Stabilwax®-DA 컬럼( 30m, 0.25mm id, 0.25μm, Restek Corp., Bellefonte, PA, USA) 및 FID(250°C). 온도 프로그램은 다음과 같이 설정되었습니다: 1분 동안 50°C, 30°C/분으로 150°C까지 증가, 4°C/분으로 240°C까지 증가, 240°C에서 5분 동안 지속. Hex는 공백으로 사용되었으며 37개의 지방산 메틸 에스테르(Supelco 37 성분 FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, Belgium)를 포함하는 참조 표준을 식별에 사용했습니다. 불포화 지방산(UFA)의 식별은 포괄적인 2차원 GC(GC×GC-FID)에 의해 확인되었으며 이성질체의 존재는 Ferrara et al의 방법을 약간 적용하여 정확하게 결정되었습니다. 55. 기기 세부 정보는 보충 표 S3과 보충 그림 S5의 결과에서 확인할 수 있습니다.
데이터는 Excel 스프레드시트 형식(Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA)으로 표시됩니다. 통계 분석은 R Studio(버전 2023.12.1+402, Boston, USA)56를 사용하여 수행되었습니다. 유충 체중, 발달 시간 및 생산성에 대한 데이터는 가우스 분포에 적합한 선형 모델(LM)(명령어 "lm", R 패키지 "stats" 56)을 사용하여 추정되었습니다. 이항 모델 분석을 사용한 생존율은 일반 선형 모델(GLM)(명령어 "glm", R 패키지 "lme4"57)을 사용하여 추정되었습니다. 정규성과 동분산성은 Shapiro 테스트(명령어 "shapiro.test", R 패키지 "stats" 56) 및 데이터 분산 분석(명령어 betadisper, R 패키지 "vegan" 58)을 사용하여 확인되었습니다. LM 또는 GLM 테스트에서 유의미한 p-값(p<0.05)을 쌍으로 분석한 후 EMM 테스트(명령어 "emmeans", R 패키지 "emmeans" 59)를 사용하여 그룹 간의 유의미한 차이가 감지되었습니다.
전체 FA 스펙트럼은 유클리드 거리 행렬과 999 순열을 사용하는 분산의 다변량 순열 분석(예: permMANOVA, 명령 "adonis2", R 패키지 "vegan" 58)을 사용하여 비교되었습니다. 이는 식이 탄수화물의 특성에 영향을 받는 지방산을 식별하는 데 도움이 됩니다. FA 프로필의 중요한 차이는 쌍별 비교를 사용하여 추가로 분석되었습니다. 그런 다음 데이터는 주성분 분석(PCA)(명령 "PCA", R 패키지 "FactoMineR" 60)을 사용하여 시각화되었습니다. 이러한 차이를 담당하는 FA는 상관 관계 원을 해석하여 식별되었습니다. 이러한 후보는 일원 분산 분석(ANOVA)(명령 "aov", R 패키지 "stats" 56)에 이어 Tukey의 사후 테스트(TukeyHSD 명령, R 패키지 "stats" 56)를 사용하여 확인되었습니다. 분석 전 Shapiro-Wilk 검정을 이용하여 정규성을 평가하였고, Bartlett 검정(명령어 "bartlett.test", R 패키지 "stats" 56)을 이용하여 등분산성을 확인하였으며, 두 가정 중 어느 것도 만족하지 않는 경우에는 비모수적 방법을 사용하였다. . 분석을 비교한 다음(명령 "kruskal.test", R 패키지 "stats" 56) Dunn의 사후 테스트를 적용했습니다(명령 dunn.test, R 패키지 "dunn.test" 56).
원고의 최종 버전은 영문 교정자로 Grammarly Editor(Grammarly Inc., San Francisco, California, USA)를 사용하여 확인되었습니다61.
현재 연구 중에 생성되고 분석된 데이터 세트는 합당한 요청이 있을 경우 해당 저자에게 제공됩니다.
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게시 시간: 2024년 12월 25일