Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt heeft beperkte CSS-ondersteuning. Voor de beste resultaten raden wij u aan een nieuwere browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om voortdurende ondersteuning te garanderen, zullen we de site in de tussentijd weergeven zonder stijlen en JavaScript.
De zwarte soldatenvlieg (Hermetia illucens, L. 1758) is een omnivoor detritivoor insect met een hoog potentieel voor het benutten van koolhydraatrijke organische bijproducten. Van de koolhydraten zijn zwarte soldaatvliegen afhankelijk van oplosbare suikers voor groei en lipidensynthese. Het doel van deze studie was om de effecten van veel voorkomende oplosbare suikers op de ontwikkeling, overleving en vetzuurprofiel van zwarte soldaatvliegen te evalueren. Kippenvoer afzonderlijk aanvullen met monosachariden en disachariden. Cellulose werd als controle gebruikt. Larven gevoed met glucose, fructose, sucrose en maltose groeiden sneller dan controlelarven. Daarentegen had lactose een antinutritioneel effect op larven, waardoor de groei werd vertraagd en het uiteindelijke individuele lichaamsgewicht werd verminderd. Alle oplosbare suikers maakten de larven echter dikker dan die van het controledieet. Met name vormden de geteste suikers het vetzuurprofiel. Maltose en sucrose verhoogden het gehalte aan verzadigde vetzuren in vergelijking met cellulose. Daarentegen verhoogde lactose de bioaccumulatie van onverzadigde vetzuren in de voeding. Deze studie is de eerste die het effect van oplosbare suiker op de vetzuursamenstelling van larven van de zwarte soldaatvlieg aantoont. Onze resultaten geven aan dat de geteste koolhydraten een significant effect hebben op de vetzuursamenstelling van larven van de zwarte soldaatvlieg en daarom mogelijk bepalend zijn voor hun uiteindelijke toepassing.
De mondiale vraag naar energie en dierlijke eiwitten blijft toenemen1. In de context van de opwarming van de aarde is het absoluut noodzakelijk om groenere alternatieven te vinden voor fossiele energie en traditionele voedselproductiemethoden en tegelijkertijd de productie te verhogen. Insecten zijn veelbelovende kandidaten om deze problemen aan te pakken vanwege hun lagere chemische samenstelling en milieu-impact in vergelijking met de traditionele veehouderij2. Onder de insecten is de zwarte soldaatvlieg (BSF), Hermetia illucens (L. 1758), een uitstekende kandidaat om deze problemen aan te pakken, een detritivore soort die zich kan voeden met een verscheidenheid aan organische substraten3. Daarom zou het valoriseren van deze substraten door middel van BOV-veredeling een nieuwe bron van grondstoffen kunnen creëren om aan de behoeften van verschillende industrieën te voldoen.
BSF-larven (BSFL) kunnen zich voeden met agrarische en agro-industriële bijproducten zoals biergraan, groenteresten, fruitpulp en oud brood, die vanwege hun hoge koolhydraatgehalte (CH) bijzonder geschikt zijn voor de groei van BSFL4,5, 6 inhoud. Grootschalige productie van BSFL resulteert in de vorming van twee producten: ontlasting, een mengsel van substraatresten en ontlasting dat gebruikt kan worden als meststof voor de plantenteelt7, en larven, die voornamelijk bestaan uit eiwitten, lipiden en chitine. Eiwitten en lipiden worden vooral gebruikt in de veehouderij, biobrandstoffen en cosmetica8,9. Wat chitine betreft, vindt dit biopolymeer toepassingen in de agrifoodsector, de biotechnologie en de gezondheidszorg10.
BSF is een autogeen holometabolisch insect, wat betekent dat de metamorfose en voortplanting ervan, met name de energieverslindende stadia van de levenscyclus van het insect, volledig kunnen worden ondersteund door voedingsreserves die worden gegenereerd tijdens de groei van de larven11. Meer specifiek leidt de synthese van eiwitten en lipiden tot de ontwikkeling van het vetlichaam, een belangrijk opslagorgaan dat energie vrijgeeft tijdens de niet-voedende fasen van BSF: prepupa (dat wil zeggen, het laatste larvale stadium waarin BSF-larven zwart worden tijdens het voeden en zoeken naar voedsel). voor een omgeving die geschikt is voor metamorfose), poppen (dwz het niet-beweeglijke stadium waarin het insect een metamorfose ondergaat) en volwassenen12,13. CH is de belangrijkste energiebron in het dieet van BSF14. Van deze voedingsstoffen kunnen vezelachtige CH zoals hemicellulose, cellulose en lignine, in tegenstelling tot disachariden en polysachariden (zoals zetmeel), niet worden verteerd door BSFL15,16. De vertering van CH is een belangrijke voorbereidende stap voor de opname van koolhydraten, die uiteindelijk in de darm worden gehydrolyseerd tot eenvoudige suikers16. De eenvoudige suikers kunnen vervolgens worden geabsorbeerd (dat wil zeggen, via het peritrofische darmmembraan) en gemetaboliseerd om energie te produceren17. Zoals hierboven vermeld, slaan larven overtollige energie op als lipiden in het vetlichaam12,18. De opslaglipiden bestaan uit triglyceriden (neutrale lipiden gevormd uit één glycerolmolecuul en drie vetzuren) die door de larven worden gesynthetiseerd uit eenvoudige suikers uit de voeding. Deze CH leveren de acetyl-CoA-substraten die nodig zijn voor de biosynthese van vetzuren (FA) via de vetzuursynthase- en thioesterase-routes . Het vetzuurprofiel van de lipiden van H. illucens wordt van nature gedomineerd door verzadigde vetzuren (SFA) met een hoog gehalte aan laurinezuur (C12:0)19,20. Daarom worden het hoge lipidengehalte en de hoge vetzuursamenstelling snel beperkende factoren voor het gebruik van hele larven in diervoeding, vooral in de aquacultuur waar meervoudig onverzadigde vetzuren (PUFA) nodig zijn21.
Sinds de ontdekking van het potentieel van BSFL om organisch afval te verminderen, hebben onderzoeken naar de waarde van verschillende bijproducten aangetoond dat de samenstelling van BSFL gedeeltelijk wordt gereguleerd door het dieet. Momenteel blijft de regulering van het FA-profiel van H. illucens verbeteren. Het vermogen van BSFL om PUFA te bioaccumuleren is aangetoond op PUFA-rijke substraten zoals algen, visuitwerpselen of maaltijden zoals lijnzaad, wat een FA-profiel van hogere kwaliteit voor diervoeding oplevert19,22,23. Voor bijproducten die niet zijn verrijkt met PUFA is er daarentegen niet altijd een correlatie tussen de FA-profielen in de voeding en de FA-larven, wat de invloed van andere voedingsstoffen aangeeft24,25. In feite blijft het effect van verteerbare CH op FA-profielen slecht begrepen en onvoldoende onderzocht24,25,26,27.
Voor zover wij weten, blijft hun nutritionele rol in de voeding van H. illucens slecht begrepen, hoewel de totale hoeveelheid monosachariden en disachariden overvloedig aanwezig is in het dieet van H. illucens. Het doel van deze studie was om hun effecten op de BSFL-voeding en de lipidensamenstelling op te helderen. We zullen de groei, overleving en productiviteit van larven onder verschillende voedingsomstandigheden evalueren. Vervolgens zullen we het lipidengehalte en het vetzuurprofiel van elk dieet beschrijven om de effecten van CH op de voedingskwaliteit van BSFL te benadrukken.
We veronderstelden dat de aard van de geteste CH (1) de groei van de larven, (2) de totale lipidenniveaus en (3) het FA-profiel zou moduleren. Monosachariden kunnen direct worden geabsorbeerd, terwijl disachariden moeten worden gehydrolyseerd. Monosachariden zijn dus beter beschikbaar als directe energiebronnen of voorlopers voor lipogenese via de FA-synthase- en thioesterase-routes, waardoor de larvale groei van H. illucens wordt versterkt en de accumulatie van reservelipiden (vooral laurinezuur) wordt bevorderd.
De geteste CH beïnvloedde het gemiddelde lichaamsgewicht van de larven tijdens de groei (Fig. 1). FRU, GLU, SUC en MAL verhoogden het lichaamsgewicht van de larven op vergelijkbare wijze als het controledieet (CEL). Daarentegen leken LAC en GAL de ontwikkeling van de larven te vertragen. Met name had LAC een significant negatief effect op de larvale groei vergeleken met SUC gedurende de gehele groeiperiode: 9,16 ± 1,10 mg versus 15,00 ± 1,01 mg op dag 3 (F6,21 = 12,77, p < 0,001; Fig. 1), 125,11 ± 4,26 mg en 211,79 ± 14,93 mg respectievelijk op de dag 17 (F6,21 = 38,57, p < 0,001; figuur 1).
Gebruik van verschillende monosachariden (fructose (FRU), galactose (GAL), glucose (GLU)), disachariden (lactose (LAC), maltose (MAL), sucrose (SUC)) en cellulose (CEL) als controles. Groei van larven gevoed met larven van de zwarte soldaatvlieg. Elk punt op de curve vertegenwoordigt het gemiddelde individuele gewicht (mg), berekend door het wegen van 20 willekeurig geselecteerde larven uit een populatie van 100 larven (n = 4). Foutbalken vertegenwoordigen SD.
Het CEL-dieet zorgde voor een uitstekende overleving van de larven van 95,5 ± 3,8%. Bovendien was de overleving van met H. illucens gevoede diëten die oplosbaar CH bevatten verminderd (GLM: χ = 107,13, df = 21, p < 0,001), wat werd veroorzaakt door MAL en SUC (disacchariden) in de onderzochte CH. De mortaliteit was lager dan die van GLU, FRU, GAL (monosaccharide) en LAC (EMM: p <0,001, figuur 2).
Boxplot van de overleving van larven van de zwarte soldaatvlieg behandeld met verschillende monosachariden (fructose, galactose, glucose), disachariden (lactose, maltose, sucrose) en cellulose als controles. Behandelingen met dezelfde letter verschillen niet significant van elkaar (EMM, p > 0,05).
Bij alle geteste diëten konden de larven het prepupstadium bereiken. De geteste CH's hadden echter de neiging de ontwikkeling van de larven te verlengen (F6,21=9,60, p<0,001; Tabel 1). In het bijzonder duurde het langer voordat larven gevoed met GAL en LAC het prepupstadium bereikten vergeleken met larven gekweekt op CEL (CEL-GAL: p<0,001; CEL-LAC: p<0,001; tabel 1).
De geteste CH had ook verschillende effecten op het lichaamsgewicht van de larven, waarbij het lichaamsgewicht van larven gevoed met het CEL-dieet 180,19 ± 11,35 mg bereikte (F6,21 = 16,86, p <0,001; Fig. 3). FRU, GLU, MAL en SUC resulteerden in een gemiddeld uiteindelijk lichaamsgewicht van de larve van meer dan 200 mg, wat significant hoger was dan dat van CEL (p < 0,05). Daarentegen hadden larven gevoed met GAL en LAC een lager lichaamsgewicht, respectievelijk gemiddeld 177,64 ± 4,23 mg en 156,30 ± 2,59 mg (p <0,05). Dit effect was meer uitgesproken bij LAC, waar het uiteindelijke lichaamsgewicht lager was dan bij het controledieet (CEL-LAC: verschil = 23,89 mg; p = 0,03; Figuur 3).
Gemiddeld eindgewicht van individuele larven uitgedrukt als larvale vlekken (mg) en zwarte soldaatvliegen uitgedrukt als histogram (g) gevoed met verschillende monosachariden (fructose, galactose, glucose), disachariden (lactose, maltose, sucrose) en cellulose (als controle). Zuilvormige letters vertegenwoordigen groepen die significant verschillen in totaal larvale gewicht (p <0,001). Letters geassocieerd met larvale vlekken vertegenwoordigen groepen met significant verschillende individuele larvale gewichten (p <0,001). Foutbalken vertegenwoordigen SD.
Het maximale individuele gewicht was onafhankelijk van het maximale uiteindelijke totale gewicht van de larvenkolonie. In feite verhoogden diëten die FRU, GLU, MAL en SUC bevatten het totale larvale gewicht dat in het aquarium werd geproduceerd niet in vergelijking met CEL (Figuur 3). LAC verminderde echter het totale gewicht aanzienlijk (CEL-LAC: verschil = 9,14 g; p <0,001; Figuur 3).
Tabel 1 toont de opbrengst (larven/dag). Interessant genoeg waren de optimale opbrengsten van CEL, MAL en SUC vergelijkbaar (Tabel 1). FRU, GAL, GLU en LAC verminderden daarentegen de opbrengst vergeleken met CEL (Tabel 1). GAL en LAC presteerden het slechtst: de opbrengst werd gehalveerd tot respectievelijk slechts 0,51 ± 0,09 g larven/dag en 0,48 ± 0,06 g larven/dag (Tabel 1).
Monosachariden en disachariden verhoogden het lipidengehalte van de CF-larven (Tabel 1). Op het CLE-dieet werden larven verkregen met een lipidegehalte van 23,19 ± 0,70% van het DM-gehalte. Ter vergelijking: het gemiddelde lipidengehalte in larven gevoed met oplosbare suiker was meer dan 30% (Tabel 1). De geteste CH’s verhoogden hun vetgehalte echter in dezelfde mate.
Zoals verwacht beïnvloedden de CG-proefpersonen het FA-profiel van de larven in verschillende mate (figuur 4). Het SFA-gehalte was in alle diëten hoog en bereikte meer dan 60%. MAL en SUC brachten het FA-profiel uit balans, wat leidde tot een toename van het SFA-gehalte. In het geval van MAL leidde deze onbalans enerzijds vooral tot een afname van het gehalte aan enkelvoudig onverzadigde vetzuren (MUFA) (F6,21 = 7,47; p < 0,001; figuur 4). Aan de andere kant was de afname voor SUC meer uniform tussen MUFA en PUFA. LAC en MAL hadden tegengestelde effecten op het FA-spectrum (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; Figuur 4). Het lagere aandeel SFA in met LAC gevoede larven lijkt het MUFA-gehalte te verhogen. In het bijzonder waren de MUFA-niveaus hoger in met LAC gevoede larven vergeleken met andere oplosbare suikers behalve GAL (F6,21 = 7,47; p <0,001; Figuur 4).
Gebruik van verschillende monosachariden (fructose (FRU), galactose (GAL), glucose (GLU)), disachariden (lactose (LAC), maltose (MAL), sucrose (SUC)) en cellulose (CEL) als controles, boxplot van vetzuur samenstelling gevoerd aan larven van de zwarte soldaatvlieg. De resultaten worden uitgedrukt als percentage van de totale FAME. Behandelingen gemarkeerd met verschillende letters zijn significant verschillend (p <0,001). (a) Aandeel verzadigde vetzuren; (b) Enkelvoudig onverzadigde vetzuren; (c) Meervoudig onverzadigde vetzuren.
Van de geïdentificeerde vetzuren was laurinezuur (C12:0) dominant in alle waargenomen spectra (meer dan 40%). Andere aanwezige SFA's waren palmitinezuur (C16:0) (minder dan 10%), stearinezuur (C18:0) (minder dan 2,5%) en caprinezuur (C10:0) (minder dan 1,5%). MUFA's werden voornamelijk vertegenwoordigd door oliezuur (C18:1n9) (minder dan 9,5%), terwijl PUFA's voornamelijk bestonden uit linolzuur (C18:2n6) (minder dan 13,0%) (zie aanvullende tabel S1). Bovendien kon een klein deel van de verbindingen niet worden geïdentificeerd, vooral in de spectra van CEL-larven, waar niet-geïdentificeerde verbinding nummer 9 (UND9) gemiddeld 2,46 ± 0,52% voor zijn rekening nam (zie aanvullende tabel S1). GC×GC-FID-analyse suggereerde dat het een vetzuur met 20 koolstofatomen zou kunnen zijn met vijf of zes dubbele bindingen (zie aanvullende figuur S5).
De PERMANOVA-analyse onthulde drie verschillende groepen op basis van de vetzuurprofielen (F6,21 = 7,79, p <0,001; Figuur 5). Hoofdcomponentenanalyse (PCA) van het TBC-spectrum illustreert dit en wordt verklaard door twee componenten (Figuur 5). De belangrijkste componenten verklaarden 57,9% van de variantie en omvatten, in volgorde van belangrijkheid, laurinezuur (C12:0), oliezuur (C18:1n9), palmitinezuur (C16:0), stearinezuur (C18:0) en linoleenzuur (C18:3n3) (zie Figuur S4). De tweede component verklaarde 26,3% van de variantie en omvatte, in volgorde van belangrijkheid, decaanzuur (C10:0) en linolzuur (C18:2n6 cis) (zie aanvullende figuur S4). De profielen van diëten die eenvoudige suikers bevatten (FRU, GAL en GLU) vertoonden vergelijkbare kenmerken. Disachariden leverden daarentegen verschillende profielen op: MAL en SUC aan de ene kant en LAC aan de andere kant. In het bijzonder was MAL de enige suiker die het FA-profiel veranderde in vergelijking met CEL. Bovendien verschilde het MAL-profiel aanzienlijk van de FRU- en GLU-profielen. In het bijzonder vertoonde het MAL-profiel het hoogste aandeel C12:0 (54,59 ± 2,17%), waardoor het vergelijkbaar is met de CEL (43,10 ± 5,01%), LAC (43,35 ± 1,31%), FRU (48,90 ± 1,97%) en GLU-profielen (48,38 ± 2,17%) (zie aanvullende tabel S1). Het MAL-spectrum vertoonde ook het laagste C18:1n9-gehalte (9,52 ± 0,50%), waardoor het zich verder onderscheidde van de LAC- (12,86 ± 0,52%) en CEL-spectra (12,40 ± 1,31%). Een soortgelijke trend werd waargenomen voor C16:0. In de tweede component vertoonde het LAC-spectrum het hoogste C18:2n6-gehalte (17,22 ± 0,46%), terwijl MAL het laagste vertoonde (12,58 ± 0,67%). C18:2n6 differentieerde ook LAC van de controle (CEL), die lagere niveaus vertoonde (13,41 ± 2,48%) (zie aanvullende tabel S1).
PCA-grafiek van het vetzuurprofiel van zwarte soldaatvlieglarven met verschillende monosachariden (fructose, galactose, glucose), disachariden (lactose, maltose, sucrose) en cellulose als controle.
Om de voedingseffecten van oplosbare suikers op H. illucens-larven te bestuderen, werd cellulose (CEL) in kippenvoer vervangen door glucose (GLU), fructose (FRU), galactose (GAL), maltose (MAL), sucrose (SUC) en lactose (LAC). Monosachariden en disachariden hadden echter verschillende effecten op de ontwikkeling, overleving en samenstelling van HF-larven. GLU, FRU en hun disacharidevormen (MAL en SUC) oefenden bijvoorbeeld positieve ondersteunende effecten uit op de groei van de larven, waardoor ze een hoger uiteindelijk lichaamsgewicht konden bereiken dan CEL. In tegenstelling tot onverteerbare CEL kunnen GLU, FRU en SUC de darmbarrière omzeilen en dienen als belangrijke voedingsbronnen in samengestelde diëten16,28. MAL mist specifieke diertransporters en er wordt aangenomen dat het vóór assimilatie wordt gehydrolyseerd tot twee glucosemoleculen15. Deze moleculen worden in het insectenlichaam opgeslagen als directe energiebron of als lipiden18. Ten eerste, wat dit laatste betreft, kunnen sommige van de waargenomen intramodale verschillen te wijten zijn aan kleine verschillen in geslachtsverhoudingen. Bij H. illucens kan de voortplanting zelfs volledig spontaan zijn: volwassen vrouwtjes beschikken van nature over voldoende eilegreserves en zijn zwaarder dan mannetjes29. De accumulatie van lipiden in BSFL correleert echter met de inname van oplosbaar CH2 via de voeding, zoals eerder waargenomen voor GLU en xylose26,30. Li et al.30 hebben bijvoorbeeld waargenomen dat wanneer 8% GLU aan het larvendieet werd toegevoegd, het lipidengehalte van BSF-larven met 7,78% toenam in vergelijking met controles. Onze resultaten komen overeen met deze waarnemingen en laten zien dat het vetgehalte van larven die met oplosbare suiker werden gevoed hoger was dan dat van larven die het CEL-dieet kregen, vergeleken met een toename van 8,57% met GLU-suppletie. Verrassend genoeg werden vergelijkbare resultaten waargenomen bij larven gevoed met GAL en LAC, ondanks de nadelige effecten op de groei van de larven, het uiteindelijke lichaamsgewicht en de overleving. Larven gevoed met LAC waren significant kleiner dan die gevoed met het CEL-dieet, maar hun vetgehalte was vergelijkbaar met dat van larven gevoed met de andere oplosbare suikers. Deze resultaten benadrukken de antinutritionele effecten van lactose op BSFL. Ten eerste bevat het dieet een grote hoeveelheid CH. De absorptie- en hydrolysesystemen van respectievelijk monosachariden en disachariden kunnen verzadiging bereiken, waardoor knelpunten in het assimilatieproces ontstaan. Wat de hydrolyse betreft, deze wordt uitgevoerd door α- en β-glucosidasen 31. Deze enzymen hebben voorkeurssubstraten afhankelijk van hun grootte en de chemische bindingen (a- of β-bindingen) tussen hun samenstellende monosachariden 15 . Hydrolyse van LAC tot GLU en GAL wordt uitgevoerd door β-galactosidase, een enzym waarvan de activiteit is aangetoond in de darmen van BSF 32. De expressie ervan kan echter onvoldoende zijn in vergelijking met de hoeveelheid LAC die door larven wordt geconsumeerd. Daarentegen zijn α-glucosidase maltase en sucrase 15, waarvan bekend is dat ze overvloedig tot expressie komen in insecten, in staat grote hoeveelheden MAL en sucrose SUC af te breken, waardoor dit verzadigende effect wordt beperkt. Ten tweede kunnen antinutritionele effecten te wijten zijn aan de verminderde stimulatie van amylase-activiteit in de darmen van insecten en de vertraging van het voedingsgedrag in vergelijking met andere behandelingen. Oplosbare suikers zijn inderdaad geïdentificeerd als stimulatoren van enzymactiviteit die belangrijk is voor de spijsvertering van insecten, zoals amylase, en als triggers van de voedingsreactie33,34,35. De mate van stimulatie varieert afhankelijk van de moleculaire structuur van de suiker. In feite vereisen disachariden hydrolyse vóór absorptie en hebben ze de neiging amylase sterker te stimuleren dan hun samenstellende monosachariden34. LAC heeft daarentegen een milder effect en blijkt niet in staat de insectengroei bij verschillende soorten te ondersteunen33,35. In de plaag Spodoptera exigua (Boddie 1850) werd bijvoorbeeld geen hydrolytische activiteit van LAC gedetecteerd in extracten van middendarmenzymen van rupsen36.
Wat het FA-spectrum betreft, duiden onze resultaten op significante modulerende effecten van de geteste CH. Hoewel laurinezuur (C12:0) minder dan 1% van de totale FA in de voeding uitmaakte, domineerde het met name in alle profielen (zie aanvullende tabel S1). Dit komt overeen met eerdere gegevens dat laurinezuur wordt gesynthetiseerd uit CH uit de voeding in H. illucens via een route waarbij acetyl-CoA-carboxylase en FA-synthase betrokken zijn . Onze resultaten bevestigen dat CEL grotendeels onverteerbaar is en fungeert als een “bulkmiddel” in BSF-controlediëten, zoals besproken in verschillende BSFL-onderzoeken38,39,40. Het vervangen van CEL door andere monosachariden en disachariden dan LAC verhoogde de C12:0-verhouding, wat wijst op een verhoogde CH-opname door larven. Interessant is dat de disachariden MAL en SUC de laurinezuursynthese efficiënter bevorderen dan hun samenstellende monosachariden, wat suggereert dat ondanks de hogere polymerisatiegraad van GLU en FRU, en aangezien Drosophila de enige sucrosetransporter is die is geïdentificeerd in dierlijke eiwitsoorten, disacharidetransporters mogelijk niet aanwezig is in de darmen van H. illucens-larven15, wordt het gebruik van GLU en FRU verhoogd. Hoewel GLU en FRU theoretisch gezien gemakkelijker door BSF worden gemetaboliseerd, worden ze ook gemakkelijker gemetaboliseerd door substraten en darmmicro-organismen, wat kan resulteren in een snellere afbraak en een verminderd gebruik door larven in vergelijking met disachariden.
Op het eerste gezicht was het lipidengehalte van larven gevoed met LAC en MAL vergelijkbaar, wat wijst op een vergelijkbare biologische beschikbaarheid van deze suikers. Verrassend genoeg was het FA-profiel van LAC echter rijker aan SFA, vooral met een lager C12:0-gehalte, vergeleken met MAL. Eén hypothese om dit verschil te verklaren is dat LAC de bioaccumulatie van voedings-FA via acetyl-CoA FA-synthase kan stimuleren. Ter ondersteuning van deze hypothese hadden LAC-larven de laagste decanoaat (C10:0) verhouding (0,77 ± 0,13%) dan het CEL-dieet (1,27 ± 0,16%), wat wijst op verminderde FA-synthase- en thioesterase-activiteiten19. Ten tweede worden voedingsvetzuren beschouwd als de belangrijkste factor die de SFA-samenstelling van H. illucens beïnvloedt27. In onze experimenten was linolzuur (C18:2n6) verantwoordelijk voor 54,81% van de vetzuren in de voeding, waarbij het aandeel in LAC-larven 17,22 ± 0,46% was en in MAL 12,58 ± 0,67%. Oliezuur (cis + trans C18:1n9) (23,22% in de voeding) vertoonde een vergelijkbare trend. De verhouding van α-linoleenzuur (C18:3n3) ondersteunt ook de bioaccumulatiehypothese. Het is bekend dat dit vetzuur zich ophoopt in BSFL na substraatverrijking, zoals de toevoeging van lijnzaadkoek, tot 6-9% van de totale vetzuren in larven19. In verrijkte diëten kan C18:3n3 tot 35% van de totale voedingsvetzuren uitmaken. In onze studie was C18:3n3 echter verantwoordelijk voor slechts 2,51% van het vetzuurprofiel. Hoewel het aandeel dat in de natuur werd aangetroffen lager was bij onze larven, was dit aandeel hoger bij LAC-larven (0,87 ± 0,02%) dan bij MAL (0,49 ± 0,04%) (p <0,001; zie aanvullende tabel S1). Het CEL-dieet had een gemiddeld aandeel van 0,72 ± 0,18%. Ten slotte weerspiegelt de verhouding palmitinezuur (C16:0) in CF-larven de bijdrage van synthetische routes en FA19 uit de voeding. Hoc et al. 19 observeerden dat de C16:0-synthese verminderde wanneer het dieet werd verrijkt met lijnzaadmeel, wat werd toegeschreven aan een afname van de beschikbaarheid van het acetyl-CoA-substraat als gevolg van een afname van de CH-verhouding. Hoewel beide diëten een vergelijkbaar CH-gehalte hadden en MAL een hogere biologische beschikbaarheid vertoonde, vertoonden MAL-larven verrassend genoeg de laagste C16:0-ratio (10,46 ± 0,77%), terwijl LAC een hoger aandeel vertoonde, goed voor 12,85 ± 0,27% (p < 0,05; zie Aanvullende tabel S1). Deze resultaten benadrukken de complexe invloed van voedingsstoffen op de vertering en het metabolisme van BSFL. Momenteel is het onderzoek naar dit onderwerp grondiger in Lepidoptera dan in Diptera. Bij rupsen werd LAC geïdentificeerd als een zwakke stimulans voor het voedingsgedrag in vergelijking met andere oplosbare suikers zoals SUC en FRU34,35. In het bijzonder stimuleerde MAL-consumptie in Spodopteralittoralis (Boisduval 1833) de amylolytische activiteit in de darm in grotere mate dan LAC34. Soortgelijke effecten bij BSFL kunnen de verbeterde stimulatie van de C12:0-syntheseroute in MAL-larven verklaren, die geassocieerd is met een verhoogde intestinaal geabsorbeerde CH, langdurige voeding en intestinale amylase-actie. Minder stimulatie van het voedingsritme in de aanwezigheid van LAC kan ook de langzamere groei van LAC-larven verklaren. Bovendien hebben Liu Yanxia et al. 27 merkten op dat de houdbaarheid van lipiden in H. illucens-substraten langer was dan die van CH. Daarom kunnen LAC-larven meer afhankelijk zijn van voedingslipiden om hun ontwikkeling te voltooien, wat hun uiteindelijke lipidengehalte kan verhogen en hun vetzuurprofiel kan moduleren.
Voor zover wij weten, hebben slechts enkele onderzoeken de effecten van monosacharide- en disacharidetoevoeging aan BSF-diëten op hun FA-profielen getest. Ten eerste, Li et al. 30 beoordeelden de effecten van GLU en xylose en observeerden lipidenniveaus vergelijkbaar met de onze bij een toevoegingspercentage van 8%. Het FA-profiel was niet gedetailleerd en bestond voornamelijk uit SFA, maar er werden geen verschillen gevonden tussen de twee suikers of wanneer ze gelijktijdig werden gepresenteerd30. Bovendien hebben Cohn et al. 41 toonde geen effect van 20% GLU, SUC, FRU en GAL toevoeging aan kippenvoer op de respectieve FA-profielen. Deze spectra zijn verkregen uit technische in plaats van biologische replicaties, wat, zoals uitgelegd door de auteurs, de statistische analyse kan beperken. Bovendien beperkt het gebrek aan iso-suikercontrole (met behulp van CEL) de interpretatie van de resultaten. Onlangs hebben twee onderzoeken van Nugroho RA et al. toonde anomalieën aan in de FA-spectra42,43. In het eerste onderzoek hebben Nugroho RA et al. 43 testten het effect van het toevoegen van FRU aan gefermenteerd palmpitmeel. Het FA-profiel van de resulterende larven vertoonde abnormaal hoge niveaus van PUFA, waarvan meer dan 90% afkomstig was van het dieet dat 10% FRU bevatte (vergelijkbaar met onze studie). Hoewel dit dieet PUFA-rijke vispellets bevatte, waren de gerapporteerde FA-profielwaarden van de larven op het controledieet bestaande uit 100% gefermenteerd PCM niet consistent met enig eerder gerapporteerd profiel, met name het abnormale niveau van C18:3n3 van 17,77. ± 1,67% en 26,08 ± 0,20% voor geconjugeerd linolzuur (C18:2n6t), een zeldzaam isomeer van linolzuur. Het tweede onderzoek liet vergelijkbare resultaten zien, waaronder FRU, GLU, MAL en SUC42 in gefermenteerd palmpitmeel. Deze onderzoeken, zoals de onze, benadrukken ernstige problemen bij het vergelijken van de resultaten van BSF-larvendieetproeven, zoals controlekeuzes, interacties met andere voedingsbronnen en FA-analysemethoden.
Tijdens de experimenten merkten we dat de kleur en geur van het substraat varieerden afhankelijk van het gebruikte dieet. Dit suggereert dat micro-organismen een rol kunnen spelen in de resultaten die worden waargenomen in het substraat en het spijsverteringsstelsel van de larven. In feite worden monosachariden en disachariden gemakkelijk gemetaboliseerd door het koloniseren van micro-organismen. De snelle consumptie van oplosbare suikers door micro-organismen kan resulteren in het vrijkomen van grote hoeveelheden microbiële metabolische producten zoals ethanol, melkzuur, vetzuren met een korte keten (bijvoorbeeld azijnzuur, propionzuur, boterzuur) en kooldioxide44. Sommige van deze verbindingen kunnen verantwoordelijk zijn voor de dodelijke toxische effecten op larven die ook door Cohn et al.41 onder vergelijkbare ontwikkelingsomstandigheden worden waargenomen. Ethanol is bijvoorbeeld schadelijk voor insecten45. Grote hoeveelheden koolstofdioxide-emissies kunnen ertoe leiden dat deze zich op de bodem van de tank ophopen, waardoor de atmosfeer van zuurstof kan worden beroofd als de luchtcirculatie het vrijkomen ervan niet toestaat. Wat betreft SCFA's blijven hun effecten op insecten, vooral H. illucens, slecht begrepen, hoewel is aangetoond dat melkzuur, propionzuur en boterzuur dodelijk zijn in Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775)46. In Drosophila melanogaster Meigen 1830 zijn deze SCFA's olfactorische markers die vrouwtjes naar ovipositieplaatsen leiden, wat een gunstige rol in de ontwikkeling van de larven suggereert47. Azijnzuur is echter geclassificeerd als een gevaarlijke stof en kan de ontwikkeling van larven aanzienlijk remmen47. Daarentegen is onlangs gevonden dat microbieel lactaat een beschermend effect heeft tegen invasieve darmmicroben in Drosophila48. Bovendien spelen micro-organismen in het spijsverteringsstelsel ook een rol bij de CH-vertering bij insecten49. Fysiologische effecten van SCFA's op de darmmicrobiota, zoals voedingssnelheid en genexpressie, zijn beschreven bij gewervelde dieren 50 . Ze kunnen ook een trofisch effect hebben op de larven van H. illucens en kunnen gedeeltelijk bijdragen aan de regulatie van FA-profielen. Studies naar de voedingseffecten van deze microbiële fermentatieproducten zullen hun effecten op de voeding van H. illucens verduidelijken en een basis bieden voor toekomstige studies naar nuttige of schadelijke micro-organismen in termen van hun ontwikkeling en de waarde van FA-rijke substraten. In dit opzicht wordt de rol van micro-organismen in de spijsverteringsprocessen van massaal gekweekte insecten steeds meer bestudeerd. Insecten beginnen te worden gezien als bioreactoren, die zorgen voor pH- en zuurstofomstandigheden die de ontwikkeling vergemakkelijken van micro-organismen die gespecialiseerd zijn in de afbraak of ontgifting van voedingsstoffen die moeilijk te verteren zijn voor insecten 51 . Onlangs hebben Xiang et al.52 aangetoond dat bijvoorbeeld het inenten van organisch afval met een bacterieel mengsel CF in staat stelt bacteriën aan te trekken die gespecialiseerd zijn in de afbraak van lignocellulose, waardoor de afbraak ervan in het substraat wordt verbeterd in vergelijking met substraten zonder larven.
Wat ten slotte het nuttige gebruik van organisch afval door H. illucens betreft, produceerden de CEL- en SUC-diëten het hoogste aantal larven per dag. Dit betekent dat ondanks het lagere eindgewicht van individuele individuen, het totale larvale gewicht geproduceerd op een substraat bestaande uit onverteerbare CH vergelijkbaar is met dat verkregen op een homosacharidedieet dat monosachariden en disachariden bevat. In onze studie is het belangrijk op te merken dat de niveaus van andere voedingsstoffen voldoende zijn om de groei van de larvenpopulatie te ondersteunen en dat de toevoeging van CEL beperkt moet zijn. De uiteindelijke samenstelling van de larven verschilt echter, wat het belang benadrukt van het kiezen van de juiste strategie voor het valoriseren van de insecten. CEL-larven gevoed met volvoer zijn geschikter voor gebruik als diervoeder vanwege hun lagere vetgehalte en lagere laurinezuurgehaltes, terwijl larven gevoed met SUC- of MAL-diëten ontvetten door persen nodig hebben om de waarde van de olie te verhogen, vooral in de biobrandstof. sector. LAC wordt aangetroffen in bijproducten van de zuivelindustrie, zoals wei van de kaasproductie. Onlangs verbeterde het gebruik ervan (3,5% lactose) het uiteindelijke lichaamsgewicht van de larve53. Het controledieet in dit onderzoek bevatte echter de helft van het lipidengehalte. Daarom kunnen de antinutritionele effecten van LAC worden tegengegaan door de larvale bioaccumulatie van voedingslipiden.
Zoals uit eerdere onderzoeken is gebleken, beïnvloeden de eigenschappen van monosachariden en disachariden de groei van BSFL aanzienlijk en moduleren ze het FA-profiel ervan. In het bijzonder lijkt LAC een antinutritionele rol te spelen tijdens de ontwikkeling van larven door de beschikbaarheid van CH voor de absorptie van lipiden via de voeding te beperken, waardoor de bioaccumulatie van UFA wordt bevorderd. In deze context zou het interessant zijn om bioassays uit te voeren met diëten die PUFA en LAC combineren. Bovendien blijft de rol van micro-organismen, vooral de rol van microbiële metabolieten (zoals SCFA's) afgeleid van suikerfermentatieprocessen, een onderzoeksonderwerp dat het onderzoeken waard is.
Insecten werden verkregen van de BSF-kolonie van het Laboratorium voor Functionele en Evolutionaire Entomologie, opgericht in 2017 bij Agro-Bio Tech, Gembloux, België (voor meer details over kweekmethoden, zie Hoc et al. 19). Voor experimentele proeven werd dagelijks willekeurig 2,0 g BSF-eieren uit broedkooien verzameld en geïncubeerd in 2,0 kg 70% nat kippenvoer (Aveve, Leuven, België). Vijf dagen na het uitkomen werden de larven van het substraat gescheiden en voor experimentele doeleinden handmatig geteld. Het initiële gewicht van elke batch werd gemeten. Het gemiddelde individuele gewicht was 7,125 ± 0,41 mg, en het gemiddelde voor elke behandeling wordt weergegeven in aanvullende tabel S2.
De dieetformulering is overgenomen uit de studie van Barragan-Fonseca et al. 38. Kortom, er werd een compromis gevonden tussen dezelfde voerkwaliteit voor kippenlarven, een vergelijkbaar drogestofgehalte (DS), een hoog CH (10% gebaseerd op vers dieet) en textuur, aangezien eenvoudige suikers en disachariden geen textuureigenschappen hebben. Volgens de informatie van de fabrikant (Chicken Feed, AVEVE, Leuven, België) werd de geteste CH (dwz oplosbare suiker) afzonderlijk toegevoegd als een geautoclaveerde waterige oplossing (15,9%) aan een dieet bestaande uit 16,0% eiwit, 5,0% totale lipiden, 11,9% gemalen kippenvoer bestaande uit as en 4,8% vezels. In elke pot van 750 ml (17,20 x 11,50 x 6,00 cm, AVA, Tempsee, België) werd 101,9 g geautoclaveerde CH-oplossing gemengd met 37,8 g kippenvoer. Voor elk dieet bedroeg het drogestofgehalte 37,0%, inclusief homogeen eiwit (11,7%), homogene lipiden (3,7%) en homogene suikers (26,9% van de toegevoegde CH). De geteste CH waren glucose (GLU), fructose (FRU), galactose (GAL), maltose (MAL), sucrose (SUC) en lactose (LAC). Het controledieet bestond uit cellulose (CEL), dat als onverteerbaar wordt beschouwd voor larven van H. illucens 38 . Honderd larven van vijf dagen oud werden in een bakje geplaatst, voorzien van een deksel met een gat met een diameter van 1 cm in het midden en afgedekt met een plastic klamboe. Elk dieet werd vier keer herhaald.
Het gewicht van de larven werd drie dagen na aanvang van het experiment gemeten. Voor elke meting werden 20 larven van het substraat verwijderd met behulp van steriel warm water en een pincet, gedroogd en gewogen (STX223, Ohaus Scout, Parsippany, VS). Na wegen werden de larven teruggeplaatst naar het midden van het substraat. Er werden regelmatig driemaal per week metingen verricht totdat de eerste prepop tevoorschijn kwam. Verzamel, tel en weeg op dit punt alle larven zoals eerder beschreven. Scheid larven van stadium 6 (dwz witte larven die overeenkomen met het larvale stadium voorafgaand aan het prepupstadium) en prepoppen (dwz het laatste larvale stadium waarin BSF-larven zwart worden, stoppen met voeden en een omgeving zoeken die geschikt is voor metamorfose) en opslaan in - 18°C voor samenstellingsanalyse. De opbrengst werd berekend als de verhouding van de totale massa aan insecten (larven en voorpoppen van stadium 6) verkregen per schaaltje (g) tot de ontwikkelingstijd (d). Alle gemiddelde waarden in de tekst worden uitgedrukt als: gemiddelde ± SD.
Alle daaropvolgende stappen met behulp van oplosmiddelen (hexaan (Hex), chloroform (CHCl3), methanol (MeOH)) werden uitgevoerd onder een zuurkast en vereisten het dragen van nitrilhandschoenen, schorten en een veiligheidsbril.
Witte larven werden 72 uur gedroogd in een FreeZone6 vriesdroger (Labconco Corp., Kansas City, MO, VS) en vervolgens gemalen (IKA A10, Staufen, Duitsland). Het totale aantal lipiden werd geëxtraheerd uit ±1 g poeder met behulp van de Folch-methode 54. Het resterende vochtgehalte van elk gelyofiliseerd monster werd in tweevoud bepaald met behulp van een vochtanalysator (MA 150, Sartorius, Göttiggen, Duitsland) om te corrigeren voor het totale aantal lipiden.
De totale lipiden werden onder zure omstandigheden omgeësterd om vetzuurmethylesters te verkrijgen. In het kort werd ongeveer 10 mg lipiden/100 µl CHCl3-oplossing (100 µl) verdampt met stikstof in een Pyrex©-buis van 8 ml (SciLabware – DWK Life Sciences, Londen, VK). De buis werd in Hex (0,5 ml) (PESTINORM®SUPRATRACE n-Hexane > 95% voor organische sporenanalyse, VWR Chemicals, Radnor, PA, VS) en Hex/MeOH/BF3 (20/25/55) oplossing (0,5) geplaatst. ml) in een waterbad bij 70 °C gedurende 90 minuten. Na afkoelen werden 10% waterige H2S04-oplossing (0,2 ml) en een verzadigde NaCl-oplossing (0,5 ml) toegevoegd. Meng de buis en vul het mengsel met schone Hex (8,0 ml). Een deel van de bovenste fase werd overgebracht naar een flesje en geanalyseerd door middel van gaschromatografie met een vlamionisatiedetector (GC-FID). Monsters werden geanalyseerd met behulp van een Trace GC Ultra (Thermo Scientific, Waltham, MA, VS) uitgerust met een split/splitless injector (240 °C) in splitmodus (gesplitste stroom: 10 ml/min), een Stabilwax®-DA-kolom ( 30 m, 0,25 mm binnendiameter, 0,25 μm, Restek Corp., Bellefonte, PA, VS) en een FID (250 ° C). Het temperatuurprogramma werd als volgt ingesteld: 50 °C gedurende 1 minuut, oplopend tot 150 °C met 30 °C/min, stijgend tot 240 °C met 4 °C/min en voortgezet bij 240 °C gedurende 5 minuten. Hex werd gebruikt als blanco en een referentiestandaard die 37 vetzuurmethylesters bevatte (Supelco 37-component FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, België) werd gebruikt voor identificatie. De identificatie van onverzadigde vetzuren (UFA's) werd bevestigd door uitgebreide tweedimensionale GC (GC×GC-FID) en de aanwezigheid van isomeren werd nauwkeurig bepaald door een kleine aanpassing van de methode van Ferrara et al. 55. Instrumentdetails zijn te vinden in aanvullende tabel S3 en de resultaten in aanvullende figuur S5.
De gegevens worden gepresenteerd in Excel-spreadsheetformaat (Microsoft Corporation, Redmond, WA, VS). Statistische analyse werd uitgevoerd met behulp van R Studio (versie 2023.12.1+402, Boston, VS) 56. Gegevens over het gewicht van de larven, de ontwikkelingstijd en de productiviteit werden geschat met behulp van het lineaire model (LM) (commando “lm”, R-pakket “stats” 56 ) omdat ze in een Gaussiaanse verdeling pasten. Overlevingspercentages met behulp van binomiale modelanalyse werden geschat met behulp van het algemene lineaire model (GLM) (commando “glm”, R-pakket “lme4” 57). Normaliteit en homoscedasticiteit werden bevestigd met behulp van de Shapiro-test (opdracht “shapiro.test”, R-pakket “stats” 56 ) en analyse van gegevensvariantie (opdracht betadisper, R-pakket “vegan” 58 ). Na paarsgewijze analyse van significante p-waarden (p < 0,05) uit de LM- of GLM-test werden significante verschillen tussen groepen gedetecteerd met behulp van de EMM-test (commando “emmeans”, R-pakket “emmeans” 59).
De volledige FA-spectra werden vergeleken met behulp van multivariate permutatieanalyse van variantie (dwz permMANOVA; commando "adonis2", R-pakket "veganistisch" 58) met behulp van de Euclidische afstandsmatrix en 999 permutaties. Dit helpt bij het identificeren van vetzuren die worden beïnvloed door de aard van koolhydraten in de voeding. Significante verschillen in de FA-profielen werden verder geanalyseerd met behulp van paarsgewijze vergelijkingen. De gegevens werden vervolgens gevisualiseerd met behulp van Principal Component Analysis (PCA) (opdracht "PCA", R-pakket "FactoMineR" 60). De FA die verantwoordelijk was voor deze verschillen werd geïdentificeerd door de correlatiecirkels te interpreteren. Deze kandidaten werden bevestigd met behulp van een eenrichtingsvariantieanalyse (ANOVA) (opdracht “aov”, R-pakket “stats” 56 ) gevolgd door de post-hoctest van Tukey (opdracht TukeyHSD, R-pakket “stats” 56 ). Vóór de analyse werd de normaliteit beoordeeld met behulp van de Shapiro-Wilk-test, werd de homoscedasticiteit gecontroleerd met behulp van de Bartlett-test (commando “bartlett.test”, R-pakket “stats” 56), en werd een niet-parametrische methode gebruikt als aan geen van de twee aannames werd voldaan. . De analyses werden vergeleken (opdracht “kruskal.test”, R-pakket “stats” 56 ), en vervolgens werden de post-hoc-tests van Dunn toegepast (opdracht dunn.test, R-pakket “dunn.test” 56 ).
De definitieve versie van het manuscript werd gecontroleerd met Grammarly Editor als Engelse proeflezer (Grammarly Inc., San Francisco, Californië, VS) 61 .
De datasets die tijdens het huidige onderzoek zijn gegenereerd en geanalyseerd, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.
Kim, SW, et al. Voldoen aan de mondiale vraag naar voedereiwitten: uitdagingen, kansen en strategieën. Annals of Animal Biosciences 7, 221–243 (2019).
Caparros Megido, R., et al. Overzicht van de status en vooruitzichten van de wereldproductie van eetbare insecten. Entomol. Gen. 44, (2024).
Rehman, K.ur, et al. Zwarte soldatenvlieg (Hermetia illucens) als een potentieel innovatief en milieuvriendelijk instrument voor het beheer van organisch afval: een korte recensie. Afvalbeheeronderzoek 41, 81–97 (2023).
Skala, A., et al. Het kweeksubstraat beïnvloedt de groei en de macronutriëntenstatus van industrieel geproduceerde larven van de zwarte soldaatvlieg. Wetenschap Rep.10, 19448 (2020).
Shu, MK, et al. Antimicrobiële eigenschappen van olie-extracten van larven van de zwarte soldaatvlieg gekweekt op broodkruimels. Diervoedingswetenschappen, 64, (2024).
Schmitt, E. en de Vries, W. (2020). Potentiële voordelen van het gebruik van zwarte soldatenvliegmest als bodemverbeteraar voor de voedselproductie en verminderde impact op het milieu. Huidige mening. Groen ondersteunen. 25, 100335 (2020).
Franco A. et al. Lipiden van de zwarte soldatenvlieg: een innovatieve en duurzame bron. Duurzame ontwikkeling, vol. 13, (2021).
Van Huis, A. Insecten als voedsel en voer, een opkomend vakgebied in de landbouw: een overzicht. J. Insectenvoer 6, 27–44 (2020).
Kachor, M., Bulak, P., Prots-Petrikha, K., Kirichenko-Babko, M., en Beganovsky, A. Verschillende toepassingen van zwarte soldatenvlieg in de industrie en de landbouw - een recensie. Biologie 12, (2023).
Hock, B., Noel, G., Carpentier, J., Francis, F., en Caparros Megido, R. Optimalisatie van kunstmatige voortplanting van Hermetia illucens. PLOS EEN 14, (2019).
Posttijd: 25 december 2024