Takk for at du besøker Nature.com. Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte. For best resultat anbefaler vi å bruke en nyere nettleser (eller deaktivere kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, vil vi vise nettstedet uten stiler og JavaScript.
Den svarte soldatflua (Hermetia illucens, L. 1758) er et altetende skadelig insekt med et høyt potensial for å utnytte karbohydratrike organiske biprodukter. Blant karbohydrater er svarte soldatfluer avhengige av løselig sukker for vekst og lipidsyntese. Målet med denne studien var å evaluere effekten av vanlige løselige sukkerarter på utviklingen, overlevelsen og fettsyreprofilen til svarte soldatfluer. Suppler kyllingfôr med monosakkarider og disakkarider separat. Cellulose ble brukt som en kontroll. Larver matet med glukose, fruktose, sukrose og maltose vokste raskere enn kontrolllarver. I motsetning til dette hadde laktose en antiernæringsmessig effekt på larver, bremset veksten og redusert den endelige individuelle kroppsvekten. Alle løselige sukkerarter gjorde imidlertid larvene fetere enn de som ble matet med kontrolldietten. Spesielt formet de testede sukkerene fettsyreprofilen. Maltose og sukrose økte innholdet av mettede fettsyrer sammenlignet med cellulose. Derimot økte laktose bioakkumuleringen av umettede fettsyrer i kosten. Denne studien er den første som demonstrerer effekten av løselig sukker på fettsyresammensetningen til svarte soldatfluelarver. Resultatene våre indikerer at de testede karbohydratene har en betydelig effekt på fettsyresammensetningen til svarte soldatfluelarver og kan derfor bestemme deres endelige anvendelse.
Den globale etterspørselen etter energi og animalsk protein fortsetter å øke1. I sammenheng med global oppvarming er det viktig å finne grønnere alternativer til fossil energi og tradisjonelle matproduksjonsmetoder samtidig som produksjonen økes. Insekter er lovende kandidater til å løse disse problemene på grunn av deres lavere kjemiske sammensetning og miljøpåvirkning sammenlignet med tradisjonell husdyrhold2. Blant insekter er en utmerket kandidat til å ta opp disse problemene svart soldatflue (BSF), Hermetia illucens (L. 1758), en skadelig art som er i stand til å livnære seg på en rekke organiske underlag3. Derfor kan valorisering av disse substratene gjennom BSF-avl skape en ny kilde til råvarer for å møte behovene til ulike næringer.
BSF-larver (BSFL) kan livnære seg på landbruks- og agroindustrielle biprodukter som bryggerkorn, grønnsaksrester, fruktkjøtt og gammelt brød, som er spesielt egnet for BSFL-vekst på grunn av deres høye karbohydrater (CH)4,5, 6 innhold. Storskala produksjon av BSFL resulterer i dannelse av to produkter: avføring, en blanding av substratrester og avføring som kan brukes som gjødsel for plantedyrking7, og larver som hovedsakelig er sammensatt av proteiner, lipider og kitin. Proteiner og lipider brukes hovedsakelig i husdyrhold, biodrivstoff og kosmetikk8,9. Når det gjelder kitin, finner denne biopolymeren bruk i landbruksnæringen, bioteknologi og helsevesen10.
BSF er et autogent holometaboløst insekt, noe som betyr at dets metamorfose og reproduksjon, spesielt de energikrevende stadiene i insektets livssyklus, fullstendig kan støttes av næringsreserver generert under larvevekst11. Mer spesifikt fører protein- og lipidsyntese til utviklingen av fettkroppen, et viktig lagringsorgan som frigjør energi under de ikke-matende fasene av BSF: prepupa (dvs. det siste larvestadiet der BSF-larvene blir svarte mens de mater og søker for et miljø som er egnet for metamorfose), pupper (dvs. det ikke-bevegelige stadiet der insektet gjennomgår metamorfose) og voksne12,13. CH er den viktigste energikilden i kostholdet til BSF14. Blant disse næringsstoffene kan fibrøs CH som hemicellulose, cellulose og lignin, i motsetning til disakkarider og polysakkarider (som stivelse), ikke fordøyes av BSFL15,16. Fordøyelse av CH er et viktig foreløpig trinn for absorpsjon av karbohydrater, som til slutt hydrolyseres til enkle sukkerarter i tarmen16. De enkle sukkerene kan deretter absorberes (dvs. gjennom tarmens peritrofiske membran) og metaboliseres for å produsere energi17. Som nevnt ovenfor lagrer larver overflødig energi som lipider i fettkroppen12,18. Lagringslipidene består av triglyserider (nøytrale lipider dannet av ett glyserolmolekyl og tre fettsyrer) syntetisert av larvene fra enkle sukkerarter. Disse CH gir acetyl-CoA-substratene som kreves for fettsyrebiosyntese (FA) via fettsyresyntase- og tioesterase-veiene19. Fettsyreprofilen til H. illucens lipider domineres naturlig av mettede fettsyrer (SFA) med høy andel laurinsyre (C12:0)19,20. Derfor er det høye lipidinnholdet og fettsyresammensetningen raskt i ferd med å bli begrensende faktorer for bruk av hele larver i dyrefôr, spesielt i akvakultur der flerumettede fettsyrer (PUFA) er nødvendig21.
Siden oppdagelsen av potensialet til BSFL for å redusere organisk avfall, har studier på verdien av ulike biprodukter vist at sammensetningen av BSFL delvis er regulert av kostholdet. For tiden fortsetter reguleringen av FA-profilen til H. illucens å forbedre seg. BSFLs evne til å bioakkumulere PUFA er demonstrert på PUFA-rike substrater som alger, fiskeavfall eller måltider som linfrø, noe som gir en høyere kvalitet FA-profil for dyreernæring19,22,23. I motsetning til dette, for biprodukter som ikke er anriket på PUFA, er det ikke alltid en korrelasjon mellom diett-FA-profilene og larve-FA, noe som indikerer påvirkningen av andre næringsstoffer24,25. Faktisk er effekten av fordøyelig CH på FA-profiler fortsatt dårlig forstått og undersøkt24,25,26,27.
Så vidt vi vet, selv om totale monosakkarider og disakkarider er rikelig i kostholdet til H. illucens, er deres ernæringsmessige rolle fortsatt dårlig forstått i H. illucens ernæring. Målet med denne studien var å belyse deres effekter på BSFL-ernæring og lipidsammensetning. Vi vil evaluere veksten, overlevelsen og produktiviteten til larver under ulike ernæringsmessige forhold. Deretter vil vi beskrive lipidinnholdet og fettsyreprofilen til hver diett for å fremheve effekten av CH på BSFLs ernæringskvalitet.
Vi antok at naturen til den testede CH ville påvirke (1) larvevekst, (2) totale lipidnivåer og (3) modulere FA-profilen. Monosakkarider kan absorberes direkte, mens disakkarider må hydrolyseres. Monosakkarider er dermed mer tilgjengelige som direkte energikilder eller forløpere for lipogenese via FA-syntase- og tioesterase-veiene, og forsterker derved H. illucens larvevekst og fremmer akkumulering av reservelipider (spesielt laurinsyre).
Den testede CH påvirket gjennomsnittlig kroppsvekt til larver under vekst (fig. 1). FRU, GLU, SUC og MAL økte larvenes kroppsvekt på samme måte som kontrolldietten (CEL). Derimot så LAC og GAL ut til å forsinke larveutviklingen. Spesielt hadde LAC en signifikant negativ effekt på larvevekst sammenlignet med SUC gjennom hele vekstperioden: 9,16 ± 1,10 mg mot 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).
Bruk av forskjellige monosakkarider (fruktose (FRU), galaktose (GAL), glukose (GLU)), disakkarider (laktose (LAC), maltose (MAL), sukrose (SUC) og cellulose (CEL) som kontroller. Vekst av larver matet med svarte soldatfluelarver. Hvert punkt på kurven representerer gjennomsnittlig individuell vekt (mg) beregnet ved å veie 20 tilfeldig utvalgte larver fra en populasjon på 100 larver (n = 4). Feilstreker representerer SD.
CEL-dietten ga utmerket larveoverlevelse på 95,5 ± 3,8 %. Videre ble overlevelsen av H. illucens matet dietter som inneholder løselig CH redusert (GLM: χ = 107,13, df = 21, p < 0,001), som var forårsaket av MAL og SUC (disakkarider) i den studerte CH. Dødeligheten var lavere enn for GLU, FRU, GAL (monosakkarid) og LAC (EMM: p < 0,001, figur 2).
Boksplott for overlevelse av svarte soldatfluelarver behandlet med ulike monosakkarider (fruktose, galaktose, glukose), disakkarider (laktose, maltose, sukrose) og cellulose som kontroller. Behandlinger med samme bokstav er ikke signifikant forskjellige fra hverandre (EMM, p > 0,05).
Alle dietter som ble testet tillot larvene å nå prepupalstadiet. Imidlertid hadde CH-ene som ble testet en tendens til å forlenge larveutviklingen (F6,21=9,60, p<0,001; Tabell 1). Spesielt larver matet med GAL og LAC tok lengre tid å nå prepupalstadiet sammenlignet med larver oppdrettet på CEL (CEL-GAL: p<0,001; CEL-LAC: p<0,001; Tabell 1).
Den testede CH hadde også ulike effekter på larvenes kroppsvekt, med kroppsvekten til larver som ble matet med CEL-dietten som nådde 180,19 ± 11,35 mg (F6,21 = 16,86, p < 0,001; Fig. 3). FRU, GLU, MAL og SUC resulterte i en gjennomsnittlig endelig larvekroppsvekt på mer enn 200 mg, som var signifikant høyere enn for CEL (p < 0,05). I motsetning til dette hadde larver matet med GAL og LAC lavere kroppsvekter, i gjennomsnitt henholdsvis 177,64 ± 4,23 mg og 156,30 ± 2,59 mg (p < 0,05). Denne effekten var mer uttalt med LAC, der den endelige kroppsvekten var lavere enn med kontrolldietten (CEL-LAC: forskjell = 23,89 mg; p = 0,03; figur 3).
Gjennomsnittlig endelig vekt av individuelle larver uttrykt som larveflekker (mg) og svarte soldatfluer uttrykt som histogram (g) matet med forskjellige monosakkarider (fruktose, galaktose, glukose), disakkarider (laktose, maltose, sukrose) og cellulose (som kontroll). Søylebokstaver representerer grupper signifikant forskjellige i total larvevekt (p < 0,001). Bokstaver assosiert med larveflekker representerer grupper med signifikant forskjellig individuell larvevekt (p < 0,001). Feilstreker representerer SD.
Maksimal individuell vekt var uavhengig av den maksimale endelige totale larvekoloniens vekt. Faktisk økte ikke dietter som inneholdt FRU, GLU, MAL og SUC den totale larvevekten produsert i tanken sammenlignet med CEL (Figur 3). Imidlertid reduserte LAC den totale vekten signifikant (CEL-LAC: forskjell = 9,14 g; p < 0,001; Figur 3).
Tabell 1 viser avlingen (larver/døgn). Interessant nok var de optimale utbyttene av CEL, MAL og SUC like (tabell 1). Derimot reduserte FRU, GAL, GLU og LAC utbyttet sammenlignet med CEL (tabell 1). GAL og LAC presterte dårligst: Avlingen ble halvert til henholdsvis 0,51 ± 0,09 g larver/dag og 0,48 ± 0,06 g larver/dag (tabell 1).
Monosakkarider og disakkarider økte lipidinnholdet i CF-larvene (tabell 1). På CLE-dietten ble det oppnådd larver med et lipidinnhold på 23,19 ± 0,70 % av DM-innholdet. Til sammenligning var gjennomsnittlig lipidinnhold i larver matet med løselig sukker mer enn 30 % (tabell 1). Imidlertid økte de testede CH-ene fettinnholdet i samme grad.
Som forventet påvirket CG-personene FA-profilen til larvene i varierende grad (fig. 4). SFA-innholdet var høyt i alle dietter og nådde mer enn 60 %. MAL og SUC ubalanserte FA-profilen, noe som førte til en økning i SFA-innholdet. Når det gjelder MAL, førte på den ene siden denne ubalansen overveiende til en reduksjon i innholdet av enumettede fettsyrer (MUFA) (F6,21 = 7,47; p < 0,001; Fig. 4). På den annen side, for SUC, var nedgangen mer jevn mellom MUFA og PUFA. LAC og MAL hadde motsatte effekter på FA-spekteret (SFA: F6,21 = 8,74; p < 0,001; MUFA: F6,21 = 7,47; p < 0,001; PUFA: χ2 = 19,60; Df = 6; p < 0,001; 4). Den lavere andelen SFA i LAC-matede larver ser ut til å øke MUFA-innholdet. Spesielt var MUFA-nivåene høyere i LAC-matede larver sammenlignet med andre løselige sukkerarter bortsett fra GAL (F6,21 = 7,47; p < 0,001; figur 4).
Bruk av forskjellige monosakkarider (fruktose (FRU), galaktose (GAL), glukose (GLU)), disakkarider (laktose (LAC), maltose (MAL), sukrose (SUC) og cellulose (CEL) som kontroller, boksplott av fettsyre sammensetning matet til svarte soldatfluelarver. Resultatene er uttrykt som prosent av total FAME. Behandlinger merket med forskjellige bokstaver er signifikant forskjellige (p < 0,001). (a) Andel mettede fettsyrer; (b) enumettede fettsyrer; (c) Flerumettede fettsyrer.
Blant de identifiserte fettsyrene var laurinsyre (C12:0) dominerende i alle observerte spektre (mer enn 40 %). Andre tilstedeværende SFAer var palmitinsyre (C16:0) (mindre enn 10%), stearinsyre (C18:0) (mindre enn 2,5%) og kaprinsyre (C10:0) (mindre enn 1,5%). MUFA-er var hovedsakelig representert av oljesyre (C18:1n9) (mindre enn 9,5%), mens PUFA-er hovedsakelig var sammensatt av linolsyre (C18:2n6) (mindre enn 13,0%) (se tilleggstabell S1). I tillegg kunne en liten andel av forbindelser ikke identifiseres, spesielt i spektrene til CEL-larver, der uidentifisert forbindelse nummer 9 (UND9) utgjorde et gjennomsnitt på 2,46 ± 0,52 % (se tilleggstabell S1). GC × GC-FID-analyse antydet at det kan være en 20-karbon fettsyre med fem eller seks dobbeltbindinger (se tilleggsfigur S5).
PERMANOVA-analysen avdekket tre distinkte grupper basert på fettsyreprofilene (F6,21 = 7,79, p < 0,001; figur 5). Hovedkomponentanalyse (PCA) av TBC-spekteret illustrerer dette og forklares med to komponenter (Figur 5). Hovedkomponentene forklarte 57,9 % av variansen og inkluderte, i viktig rekkefølge, laurinsyre (C12:0), oljesyre (C18:1n9), palmitinsyre (C16:0), stearinsyre (C18:0) og linolensyre (C18:3n3) (se figur S4). Den andre komponenten forklarte 26,3 % av variansen og inkluderte, i betydningsrekkefølge, dekansyre (C10:0) og linolsyre (C18:2n6 cis) (se tilleggsfigur S4). Profilene til dietter som inneholder enkle sukkerarter (FRU, GAL og GLU) viste lignende egenskaper. Derimot ga disakkarider forskjellige profiler: MAL og SUC på den ene siden og LAC på den andre. Spesielt var MAL det eneste sukkeret som endret FA-profilen sammenlignet med CEL. I tillegg var MAL-profilen signifikant forskjellig fra FRU- og GLU-profilene. Spesielt viste MAL-profilen den høyeste andelen C12:0 (54,59 ± 2,17%), noe som gjør den sammenlignbar med CEL (43,10 ± 5,01%), LAC (43,35 ± 1,31%), FRU (48,90 ± 1,97%) og GLU (48,38 ± 2,17%) profiler (se tilleggstabell S1). MAL-spekteret viste også det laveste C18:1n9-innholdet (9,52 ± 0,50 %), noe som differensierte det ytterligere fra LAC (12,86 ± 0,52 %) og CEL (12,40 ± 1,31 %) spektra. En lignende trend ble observert for C16:0. I den andre komponenten viste LAC-spekteret det høyeste C18:2n6-innholdet (17,22 ± 0,46 %), mens MAL viste det laveste (12,58 ± 0,67 %). C18:2n6 differensierte også LAC fra kontrollen (CEL), som viste lavere nivåer (13,41 ± 2,48%) (se tilleggstabell S1).
PCA-plott av fettsyreprofilen til svarte soldatfluelarver med forskjellige monosakkarider (fruktose, galaktose, glukose), disakkarider (laktose, maltose, sukrose) og cellulose som kontroll.
For å studere de ernæringsmessige effektene av løselig sukker på H. illucens larver, ble cellulose (CEL) i kyllingfôr erstattet med glukose (GLU), fruktose (FRU), galaktose (GAL), maltose (MAL), sukrose (SUC), og laktose (LAC). Imidlertid hadde monosakkarider og disakkarider ulike effekter på utvikling, overlevelse og sammensetning av HF-larver. For eksempel utøvde GLU, FRU og deres disakkaridformer (MAL og SUC) positive støttende effekter på larvevekst, slik at de oppnådde høyere endelige kroppsvekter enn CEL. I motsetning til ufordøyelig CEL, kan GLU, FRU og SUC omgå tarmbarrieren og tjene som viktige næringskilder i formulerte dietter16,28. MAL mangler spesifikke dyretransportører og antas å bli hydrolysert til to glukosemolekyler før assimilering15. Disse molekylene lagres i insektkroppen som en direkte energikilde eller som lipider18. For det første, med hensyn til sistnevnte, kan noen av de observerte intramodale forskjellene skyldes små forskjeller i kjønnsforhold. Faktisk kan reproduksjonen hos H. illucens være helt spontan: voksne hunner har naturlig nok eggleggingsreserver og er tyngre enn hannene29. Imidlertid korrelerer lipidakkumulering i BSFL med inntak av løselig CH2 i kosten, som tidligere observert for GLU og xylose26,30. For eksempel observerte Li et al.30 at når 8 % GLU ble tilsatt larvedietten, økte lipidinnholdet i BSF-larver med 7,78 % sammenlignet med kontrollene. Resultatene våre stemmer overens med disse observasjonene, og viser at fettinnholdet i larver som ble matet med det løselige sukkeret, var høyere enn i larver som ble matet med CEL-dietten, sammenlignet med en økning på 8,57 % med GLU-tilskudd. Overraskende nok ble lignende resultater observert i larver som ble matet med GAL og LAC, til tross for de negative effektene på larvevekst, endelig kroppsvekt og overlevelse. Larver som ble matet med LAC var betydelig mindre enn de som ble matet med CEL-dietten, men fettinnholdet deres var sammenlignbart med larver som ble matet med andre løselige sukkerarter. Disse resultatene fremhever de antiernæringsmessige effektene av laktose på BSFL. For det første inneholder dietten en stor mengde CH. Absorpsjons- og hydrolysesystemene til henholdsvis monosakkarider og disakkarider kan nå metning, og forårsake flaskehalser i assimileringsprosessen. Når det gjelder hydrolyse, utføres den av α- og β-glukosidaser 31 . Disse enzymene har foretrukne substrater avhengig av størrelsen og de kjemiske bindingene (α- eller β-bindinger) mellom deres monosakkarider 15 . Hydrolyse av LAC til GLU og GAL utføres av β-galaktosidase, et enzym hvis aktivitet er påvist i tarmen til BSF 32 . Imidlertid kan uttrykket være utilstrekkelig sammenlignet med mengden LAC som konsumeres av larver. Derimot er α-glukosidase maltase og sukrase 15, som er kjent for å være rikelig uttrykt i insekter, i stand til å bryte ned store mengder MAL og sukrose SUC, og dermed begrense denne mettende effekten. For det andre kan antiernæringsmessige effekter skyldes redusert stimulering av insekts intestinal amylaseaktivitet og senking av fôringsatferd sammenlignet med andre behandlinger. Faktisk har løselige sukkerarter blitt identifisert som stimulatorer av enzymaktivitet som er viktig for insektfordøyelse, slik som amylase, og som triggere av fôringsresponsen33,34,35. Graden av stimulering varierer avhengig av sukkerets molekylære struktur. Faktisk krever disakkarider hydrolyse før absorpsjon og har en tendens til å stimulere amylase mer enn deres monosakkarider34. I motsetning til dette har LAC en mildere effekt og har vist seg å være ute av stand til å støtte insektvekst hos forskjellige arter33,35. For eksempel, i skadedyret Spodoptera exigua (Boddie 1850), ble det ikke påvist hydrolytisk aktivitet av LAC i ekstrakter av larvemidtarmsenzymer36.
Når det gjelder FA-spekteret, indikerer resultatene våre betydelige modulerende effekter av den testede CH. Spesielt, selv om laurinsyre (C12:0) utgjorde mindre enn 1 % av den totale FA i kosten, dominerte den i alle profiler (se tilleggstabell S1). Dette samsvarer med tidligere data om at laurinsyre syntetiseres fra diett CH i H. illucens via en vei som involverer acetyl-CoA-karboksylase og FA-syntase19,27,37. Resultatene våre bekrefter at CEL stort sett er ufordøyelig og fungerer som en "bulking agent" i BSF-kontrolldietter, som diskutert i flere BSFL-studier38,39,40. Å erstatte CEL med andre monosakkarider og disakkarider enn LAC økte C12:0-forholdet, noe som indikerer økt CH-opptak av larver. Interessant nok fremmer disakkaridene MAL og SUC laurinsyresyntesen mer effektivt enn monosakkaridene deres, noe som tyder på at disakkaridtransportører til tross for den høyere graden av polymerisering av GLU og FRU, og siden Drosophila er den eneste sukrosetransportøren som har blitt identifisert i dyreproteinarter. kan ikke være tilstede i tarmen til H. illucens larver15, bruk av GLU og FRU økes. Men selv om GLU og FRU teoretisk sett lettere metaboliseres av BSF, metaboliseres de også lettere av substrater og tarmmikroorganismer, noe som kan resultere i deres raskere nedbrytning og redusert utnyttelse av larver sammenlignet med disakkarider.
Ved første øyekast var lipidinnholdet i larver matet med LAC og MAL sammenlignbart, noe som indikerer lignende biotilgjengelighet for disse sukkerene. Imidlertid var FA-profilen til LAC overraskende rikere på SFA, spesielt med lavere C12:0-innhold sammenlignet med MAL. En hypotese for å forklare denne forskjellen er at LAC kan stimulere bioakkumulering av FA via acetyl-CoA FA-syntase. Som støtte for denne hypotesen, hadde LAC-larver det laveste forholdet mellom dekanoat (C10:0) (0,77 ± 0,13 %) enn CEL-dietten (1,27 ± 0,16 %), noe som indikerer reduserte FA-syntase- og tioesteraseaktiviteter19. For det andre anses fettsyrer i kosten for å være hovedfaktoren som påvirker SFA-sammensetningen til H. illucens27. I våre eksperimenter utgjorde linolsyre (C18:2n6) 54,81 % av fettsyrene i kosten, med andelen i LAC-larver på 17,22 ± 0,46 % og i MAL 12,58 ± 0,67 %. Oljesyre (cis + trans C18:1n9) (23,22 % i dietten) viste en lignende trend. Forholdet mellom α-linolensyre (C18:3n3) støtter også bioakkumuleringshypotesen. Denne fettsyren er kjent for å akkumuleres i BSFL ved substratanrikning, som tilsetning av linfrøkake, opptil 6-9 % av de totale fettsyrene i larver19. I beriket kosthold kan C18:3n3 utgjøre opptil 35 % av de totale fettsyrene i kosten. I vår studie utgjorde imidlertid C18:3n3 bare 2,51 % av fettsyreprofilen. Selv om andelen funnet i naturen var lavere hos larvene våre, var denne andelen høyere hos LAC-larver (0,87 ± 0,02 %) enn i MAL (0,49 ± 0,04 %) (p < 0,001; se tilleggstabell S1). CEL-dietten hadde en mellomandel på 0,72 ± 0,18 %. Til slutt reflekterer palmitinsyre-forholdet (C16:0) i CF-larver bidraget fra syntetiske veier og diett-FA19. Hoc et al. 19 observerte at C16:0-syntese ble redusert når dietten ble beriket med linfrømel, noe som ble tilskrevet en reduksjon i tilgjengeligheten av acetyl-CoA-substratet på grunn av en reduksjon i CH-forholdet. Overraskende nok, selv om begge diettene hadde likt CH-innhold og MAL viste høyere biotilgjengelighet, viste MAL-larver det laveste C16:0-forholdet (10,46 ± 0,77 %), mens LAC viste en høyere andel, og utgjorde 12,85 ± 0,27 % (p < 0,05; se; se Tilleggstabell S1). Disse resultatene fremhever den komplekse påvirkningen av næringsstoffer på BSFL fordøyelse og metabolisme. For tiden er forskning på dette emnet mer grundig i Lepidoptera enn i Diptera. Hos larver ble LAC identifisert som et svakt stimulerende middel for fôringsatferd sammenlignet med andre løselige sukkerarter som SUC og FRU34,35. Spesielt i Spodopteralittoralis (Boisduval 1833) stimulerte MAL-forbruk amylolytisk aktivitet i tarmen i større grad enn LAC34. Lignende effekter i BSFL kan forklare den forbedrede stimuleringen av C12:0-synteseveien i MAL-larver, som er assosiert med økt intestinalt absorbert CH, langvarig fôring og intestinal amylasevirkning. Mindre stimulering av fôringsrytmen i nærvær av LAC kan også forklare den langsommere veksten av LAC-larver. Dessuten har Liu Yanxia et al. 27 bemerket at holdbarheten til lipider i H. illucens-substrater var lengre enn for CH. Derfor kan LAC-larver stole mer på diettlipider for å fullføre utviklingen, noe som kan øke deres endelige lipidinnhold og modulere deres fettsyreprofil.
Så vidt vi vet, har bare noen få studier testet effekten av monosakkarid- og disakkaridtilsetning til BSF-dietter på deres FA-profiler. Først, Li et al. 30 vurderte effekten av GLU og xylose og observerte lipidnivåer som ligner på vårt ved en tilsetningshastighet på 8 %. FA-profilen var ikke detaljert og besto hovedsakelig av SFA, men det ble ikke funnet forskjeller mellom de to sukkerene eller når de ble presentert samtidig30. Videre har Cohn et al. 41 viste ingen effekt av 20 % GLU, SUC, FRU og GAL tilsetning til kyllingfôr på de respektive FA-profilene. Disse spektrene ble hentet fra tekniske snarere enn biologiske replikater, som, som forklart av forfatterne, kan begrense den statistiske analysen. Videre begrenser mangelen på iso-sukkerkontroll (ved bruk av CEL) tolkningen av resultatene. Nylig har to studier av Nugroho RA et al. demonstrerte anomalier i FA-spektrene42,43. I den første studien viste Nugroho RA et al. 43 testet effekten av å tilsette FRU til fermentert palmekjernemel. FA-profilen til de resulterende larvene viste unormalt høye nivåer av PUFA, mer enn 90 % av disse var avledet fra dietten som inneholdt 10 % FRU (ligner på vår studie). Selv om denne dietten inneholdt PUFA-rike fiskepellets, var de rapporterte FA-profilverdiene til larvene på kontrolldietten bestående av 100 % fermentert PCM ikke i samsvar med noen tidligere rapportert profil, spesielt det unormale nivået av C18:3n3 på 17,77 ± 1,67 % og 26,08 ± 0,20 % for konjugert linolsyre (C18:2n6t), en sjelden isomer av linolsyre. Den andre studien viste lignende resultater inkludert FRU, GLU, MAL og SUC42 i fermentert palmekjernemel. Disse studiene, som vår, fremhever alvorlige vanskeligheter med å sammenligne resultater fra BSF-larvediettforsøk, for eksempel kontrollvalg, interaksjoner med andre næringskilder og FA-analysemetoder.
Under forsøkene observerte vi at fargen og lukten på underlaget varierte avhengig av kostholdet som ble brukt. Dette antyder at mikroorganismer kan spille en rolle i resultatene observert i substratet og larvenes fordøyelsessystem. Faktisk metaboliseres monosakkarider og disakkarider lett av koloniserende mikroorganismer. Mikroorganismers raske inntak av løselig sukker kan føre til frigjøring av store mengder mikrobielle metabolske produkter som etanol, melkesyre, kortkjedede fettsyrer (f.eks. eddiksyre, propionsyre, smørsyre) og karbondioksid44. Noen av disse forbindelsene kan være ansvarlige for de dødelige toksiske effektene på larver også observert av Cohn et al.41 under lignende utviklingsforhold. Etanol er for eksempel skadelig for insekter45. Store mengder karbondioksidutslipp kan føre til akkumulering i bunnen av tanken, noe som kan frata atmosfæren oksygen hvis luftsirkulasjonen ikke tillater at den slipper ut. Når det gjelder SCFA, forblir deres virkninger på insekter, spesielt H. illucens, dårlig forstått, selv om melkesyre, propionsyre og smørsyre har vist seg å være dødelige i Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775)46. I Drosophila melanogaster Meigen 1830 er disse SCFA-ene luktmarkører som leder kvinner til eggleggingssteder, noe som antyder en gunstig rolle i larveutviklingen47. Eddiksyre er imidlertid klassifisert som et farlig stoff og kan hemme larveutviklingen betydelig47. I motsetning til dette har mikrobielt avledet laktat nylig blitt funnet å ha en beskyttende effekt mot invasive tarmmikrober i Drosophila48. Videre spiller mikroorganismer i fordøyelsessystemet også en rolle i CH-fordøyelsen hos insekter49. Fysiologiske effekter av SCFA på tarmmikrobiotaen, som fôringshastighet og genuttrykk, er beskrevet hos virveldyr 50 . De kan også ha en trofisk effekt på H. illucens larver og kan delvis bidra til regulering av FA-profiler. Studier av de ernæringsmessige effektene av disse mikrobielle gjæringsproduktene vil klargjøre deres effekter på H. illucens ernæring og gi grunnlag for fremtidige studier på gunstige eller skadelige mikroorganismer når det gjelder deres utvikling og verdien av FA-rike substrater. I denne forbindelse blir mikroorganismers rolle i fordøyelsesprosessene til masseoppdrettede insekter i økende grad studert. Insekter begynner å bli sett på som bioreaktorer, som gir pH og oksygeneringsforhold som letter utviklingen av mikroorganismer som er spesialisert på nedbrytning eller avgiftning av næringsstoffer som er vanskelige for insekter å fordøye 51 . Nylig demonstrerte Xiang et al.52 at for eksempel inokulering av organisk avfall med en bakterieblanding gjør at CF kan tiltrekke seg bakterier som er spesialisert på nedbrytning av lignocellulose, noe som forbedrer nedbrytningen i substratet sammenlignet med substrater uten larver.
Til slutt, med hensyn til fordelaktig bruk av organisk avfall av H. illucens, produserte CEL- og SUC-diettene det høyeste antallet larver per dag. Dette betyr at til tross for den lavere sluttvekten til individuelle individer, er den totale larvevekten produsert på et substrat bestående av ufordøyelig CH sammenlignbar med den som oppnås på en homosakkariddiett som inneholder monosakkarider og disakkarider. I vår studie er det viktig å merke seg at nivåene av andre næringsstoffer er tilstrekkelige til å støtte veksten av larvepopulasjonen og at tilsetningen av CEL bør begrenses. Imidlertid er den endelige sammensetningen av larvene forskjellig, noe som fremhever viktigheten av å velge riktig strategi for å valorisere insektene. CEL-larver fôret med helfôr er mer egnet for bruk som dyrefôr på grunn av deres lavere fettinnhold og lavere laurinsyrenivåer, mens larver fôret med SUC- eller MAL-dietter krever avfetting ved pressing for å øke verdien av oljen, spesielt i biodrivstoffet sektor. LAC finnes i biprodukter fra meieriindustrien som myse fra osteproduksjon. Nylig har bruken (3,5 % laktose) forbedret den endelige larvenes kroppsvekt53. Kontrolldietten i denne studien inneholdt imidlertid halvparten av lipidinnholdet. Derfor kan de antiernæringsmessige effektene av LAC ha blitt motvirket av larvebioakkumulering av diettlipider.
Som vist av tidligere studier, påvirker egenskapene til monosakkarider og disakkarider betydelig veksten av BSFL og modulerer FA-profilen. Spesielt ser LAC ut til å spille en antiernæringsmessig rolle under larveutviklingen ved å begrense tilgjengeligheten av CH for lipidabsorpsjon i kosten, og derved fremme UFA-bioakkumulering. I denne sammenhengen ville det være interessant å gjennomføre bioassays ved bruk av dietter som kombinerer PUFA og LAC. Videre forblir rollen til mikroorganismer, spesielt rollen til mikrobielle metabolitter (som SCFA) avledet fra sukkergjæringsprosesser, et forskningstema som er verdig å undersøke.
Insekter ble hentet fra BSF-kolonien til Laboratory of Functional and Evolutionary Entomology etablert i 2017 ved Agro-Bio Tech, Gembloux, Belgia (for flere detaljer om oppdrettsmetoder, se Hoc et al. 19). For eksperimentelle forsøk ble 2,0 g BSF-egg tilfeldig samlet daglig fra avlsbur og inkubert i 2,0 kg 70 % våt kyllingfôr (Aveve, Leuven, Belgia). Fem dager etter klekking ble larver skilt fra substratet og telt manuelt for eksperimentelle formål. Startvekten av hver batch ble målt. Gjennomsnittlig individuell vekt var 7,125 ± 0,41 mg, og gjennomsnittet for hver behandling er vist i tilleggstabell S2.
Diettformuleringen ble tilpasset fra studien av Barragan-Fonseca et al. 38. Kort fortalt ble det funnet et kompromiss mellom samme fôrkvalitet for larvekyllinger, lignende tørrstoffinnhold (DM), høy CH (10 % basert på fersk diett) og tekstur, siden enkle sukkerarter og disakkarider ikke har noen teksturegenskaper. I følge produsentens informasjon (kyllingfôr, AVEVE, Leuven, Belgia), ble testet CH (dvs. løselig sukker) tilsatt separat som en autoklavert vandig løsning (15,9 %) til en diett bestående av 16,0 % protein, 5,0 % totale lipider, 11,9 % malt kyllingfôr bestående av aske og 4,8 % fiber. I hver 750 ml krukke (17,20 x 11,50 x 6,00 cm, AVA, Tempsee, Belgia) ble 101,9 g autoklavert CH-løsning blandet med 37,8 g kyllingfôr. For hver diett var tørrstoffinnholdet 37,0 %, inkludert homogent protein (11,7 %), homogene lipider (3,7 %) og homogene sukkerarter (26,9 % av tilsatt CH). CH som ble testet var glukose (GLU), fruktose (FRU), galaktose (GAL), maltose (MAL), sukrose (SUC) og laktose (LAC). Kontrolldietten besto av cellulose (CEL), som anses som ufordøyelig for H. illucens larver 38 . Hundre 5 dager gamle larver ble plassert i et brett utstyrt med lokk med 1 cm diameter hull i midten og dekket med et plastmyggnett. Hver diett ble gjentatt fire ganger.
Larvevektene ble målt tre dager etter starten av forsøket. For hver måling ble 20 larver fjernet fra substratet ved bruk av sterilt varmt vann og tang, tørket og veid (STX223, Ohaus Scout, Parsippany, USA). Etter veiing ble larvene returnert til midten av substratet. Målinger ble tatt regelmessig tre ganger i uken til den første prepuppen dukket opp. På dette tidspunktet samles, telles og veies alle larver som beskrevet tidligere. Skill stadium 6-larver (dvs. hvite larver som tilsvarer larvestadiet før prepuppestadiet) og prepupper (dvs. det siste larvestadiet der BSF-larver blir svarte, slutter å mate og søker et miljø som er egnet for metamorfose) og lagres ved - 18°C for sammensetningsanalyse. Utbyttet ble beregnet som forholdet mellom den totale massen av insekter (larver og prepupper fra stadium 6) oppnådd per skål (g) og utviklingstiden (d). Alle gjennomsnittsverdier i teksten er uttrykt som: gjennomsnitt ± SD.
Alle påfølgende trinn ved bruk av løsemidler (heksan (Hex), kloroform (CHCl3), metanol (MeOH)) ble utført under et avtrekksskap og krevde bruk av nitrilhansker, forklær og vernebriller.
Hvite larver ble tørket i en FreeZone6 frysetørker (Labconco Corp., Kansas City, MO, USA) i 72 timer og deretter malt (IKA A10, Staufen, Tyskland). Totale lipider ble ekstrahert fra ±1 g pulver ved bruk av Folch-metoden 54. Restfuktighetsinnholdet i hver frysetørkede prøve ble bestemt i duplikat ved bruk av en fuktighetsanalysator (MA 150, Sartorius, Göttiggen, Tyskland) for å korrigere for totale lipider.
Totale lipider ble transesterifisert under sure betingelser for å oppnå fettsyremetylestere. Kort fortalt ble omtrent 10 mg lipider/100 µl CHCl3-løsning (100 µl) fordampet med nitrogen i et 8 ml Pyrex©-rør (SciLabware – DWK Life Sciences, London, Storbritannia). Røret ble plassert i Hex (0,5 ml) (PESTINORM® SUPRATRACE n-Hexane > 95 % for organisk sporanalyse, VWR Chemicals, Radnor, PA, USA) og Hex/MeOH/BF3 (20/25/55) løsning (0,5) ml) i vannbad ved 70 °C i 90 min. Etter avkjøling ble 10 % vandig H2S04-løsning (0,2 ml) og mettet NaCl-løsning (0,5 ml) tilsatt. Bland røret og fyll blandingen med ren Hex (8,0 ml). En del av den øvre fasen ble overført til et hetteglass og analysert ved gasskromatografi med en flammeioniseringsdetektor (GC-FID). Prøver ble analysert ved bruk av en Trace GC Ultra (Thermo Scientific, Waltham, MA, USA) utstyrt med en delt/splittløs injektor (240 °C) i delt modus (delt strømning: 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 ble satt som følger: 50 °C i 1 min, økende til 150 °C ved 30 °C/min, øke til 240 °C ved 4 °C/min og fortsette ved 240 °C i 5 minutter. Hex ble brukt som blank og en referansestandard som inneholdt 37 fettsyremetylestere (Supelco 37-komponent FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, Belgia) ble brukt for identifikasjon. Identifikasjonen av umettede fettsyrer (UFA) ble bekreftet av omfattende todimensjonal GC (GC×GC-FID) og tilstedeværelsen av isomerer ble nøyaktig bestemt ved en liten tilpasning av metoden til Ferrara et al. 55. Instrumentdetaljer finnes i tilleggstabell S3 og resultatene i tilleggsfigur S5.
Dataene presenteres i Excel-regnearkformat (Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA). Statistisk analyse ble utført ved bruk av R Studio (versjon 2023.12.1+402, Boston, USA) 56 . Data om larvevekt, utviklingstid og produktivitet ble estimert ved bruk av den lineære modellen (LM) (kommando "lm", R-pakke "stats" 56 ) ettersom de passet til en Gauss-fordeling. Overlevelsesrater ved bruk av binomial modellanalyse ble estimert ved bruk av den generelle lineære modellen (GLM) (kommando "glm", R-pakke "lme4" 57 ). Normalitet og homoskedastisitet ble bekreftet ved bruk av Shapiro-testen (kommando “shapiro.test”, R-pakke “stats” 56 ) og analyse av datavarians (kommando betadisper, R-pakke “vegan” 58 ). Etter parvis analyse av signifikante p-verdier (p < 0,05) fra LM- eller GLM-testen, ble det oppdaget signifikante forskjeller mellom grupper ved bruk av EMM-testen (kommando "emmeans", R-pakke "emmeans" 59).
De komplette FA-spektrene ble sammenlignet ved bruk av multivariat permutasjonsanalyse av varians (dvs. permMANOVA; kommando "adonis2", R-pakke "vegan" 58) ved bruk av den euklidiske avstandsmatrisen og 999 permutasjoner. Dette hjelper til med å identifisere fettsyrer som er påvirket av karbohydraters natur. Signifikante forskjeller i FA-profilene ble videre analysert ved bruk av parvise sammenligninger. Dataene ble deretter visualisert ved hjelp av hovedkomponentanalyse (PCA) (kommando "PCA", R-pakke "FactoMineR" 60). FA ansvarlig for disse forskjellene ble identifisert ved å tolke korrelasjonssirklene. Disse kandidatene ble bekreftet ved hjelp av en enveis variansanalyse (ANOVA) (kommando “aov”, R-pakke “stats” 56 ) etterfulgt av Tukeys post hoc-test (kommando TukeyHSD, R-pakke “stats” 56 ). Før analyse ble normalitet vurdert ved bruk av Shapiro-Wilk-testen, homoskedastisitet ble kontrollert ved hjelp av Bartlett-testen (kommando "bartlett.test", R-pakke "stats" 56), og en ikke-parametrisk metode ble brukt hvis ingen av de to forutsetningene ble oppfylt . Analyser ble sammenlignet (kommando “kruskal.test”, R-pakke “stats” 56 ), og deretter ble Dunns post hoc-tester brukt (kommando dunn.test, R-pakke “dunn.test” 56 ).
Den endelige versjonen av manuskriptet ble kontrollert med Grammarly Editor som engelsk korrekturleser (Grammarly Inc., San Francisco, California, USA) 61 .
Datasettene generert og analysert i løpet av den nåværende studien er tilgjengelig fra den tilsvarende forfatteren på rimelig forespørsel.
Kim, SW, et al. Å møte den globale etterspørselen etter fôrprotein: utfordringer, muligheter og strategier. Annals of Animal Biosciences 7, 221–243 (2019).
Caparros Megido, R., et al. Gjennomgang av status og utsikter for verdensproduksjon av spiselige insekter. Entomol. Gen. 44, (2024).
Rehman, K. ur, et al. Svart soldatflue (Hermetia illucens) som et potensielt innovativt og miljøvennlig verktøy for organisk avfallshåndtering: En kort gjennomgang. Waste Management Research 41, 81–97 (2023).
Skala, A., et al. Oppdrettssubstrat påvirker veksten og makronæringsstoffstatusen til industrielt produserte svarte soldatfluelarver. Sci. Rep. 10, 19448 (2020).
Shu, MK, et al. Antimikrobielle egenskaper til oljeekstrakter fra svarte soldatfluelarver oppdrettet på brødsmuler. Animal Food Science, 64, (2024).
Schmitt, E. og de Vries, W. (2020). Potensielle fordeler ved å bruke svart soldatfluegjødsel som jordforbedring for matproduksjon og redusert miljøpåvirkning. Gjeldende mening. Grønn Sustain. 25, 100335 (2020).
Franco A. et al. Svarte soldatfluelipider – en innovativ og bærekraftig kilde. Bærekraftig utvikling, vol. 13, (2021).
Van Huis, A. Insekter som mat og fôr, et fremvoksende felt i landbruket: en gjennomgang. J. Insect Feed 6, 27–44 (2020).
Kachor, M., Bulak, P., Prots-Petrikha, K., Kirichenko-Babko, M. og Beganovsky, A. Ulike bruk av svart soldatflue i industri og landbruk – en gjennomgang. Biology 12, (2023).
Hock, B., Noel, G., Carpentier, J., Francis, F., og Caparros Megido, R. Optimalisering av kunstig forplantning av Hermetia illucens. PLOS ONE 14, (2019).
Innleggstid: 25. desember 2024