Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com. Wersja przeglądarki, której używasz, obsługuje ograniczoną obsługę CSS. Aby uzyskać najlepsze wyniki, zalecamy użycie nowszej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer). W międzyczasie, aby zapewnić ciągłość wsparcia, będziemy wyświetlać witrynę bez stylów i JavaScript.
Mucha żołnierska (Hermetia illucens, L. 1758) to wszystkożerny, szkodliwy owad o dużym potencjale wykorzystania organicznych produktów ubocznych bogatych w węglowodany. Spośród węglowodanów muchówki czarne opierają się na rozpuszczalnych cukrach do wzrostu i syntezy lipidów. Celem tego badania była ocena wpływu powszechnie występujących cukrów rozpuszczalnych na rozwój, przeżycie i profil kwasów tłuszczowych muchówek czarnych. Uzupełniaj paszę dla kurczaków oddzielnie monosacharydami i disacharydami. Jako kontrolę zastosowano celulozę. Larwy karmione glukozą, fruktozą, sacharozą i maltozą rosły szybciej niż larwy kontrolne. Natomiast laktoza miała działanie antyżywieniowe na larwy, spowalniając wzrost i zmniejszając końcową masę ciała osobnika. Jednakże wszystkie rozpuszczalne cukry powodowały, że larwy były grubsze niż te karmione dietą kontrolną. Warto zauważyć, że badane cukry kształtowały profil kwasów tłuszczowych. Maltoza i sacharoza zwiększały zawartość nasyconych kwasów tłuszczowych w porównaniu z celulozą. Natomiast laktoza zwiększała bioakumulację nienasyconych kwasów tłuszczowych w diecie. Badanie to jako pierwsze wykazało wpływ rozpuszczalnego cukru na skład kwasów tłuszczowych larw muchy czarnego żołnierza. Wyniki naszych badań wskazują, że badane węglowodany mają istotny wpływ na skład kwasów tłuszczowych larw muchówki czarnego żołnierza i mogą w związku z tym decydować o ich ostatecznym zastosowaniu.
Globalne zapotrzebowanie na energię i białko zwierzęce stale rośnie1. W kontekście globalnego ocieplenia konieczne jest znalezienie bardziej ekologicznych alternatyw dla energii kopalnej i tradycyjnych metod produkcji żywności, przy jednoczesnym zwiększaniu produkcji. Owady są obiecującymi kandydatami do rozwiązania tych problemów ze względu na ich niższy skład chemiczny i mniejszy wpływ na środowisko w porównaniu z tradycyjną hodowlą zwierząt gospodarskich2. Wśród owadów doskonałym kandydatem do rozwiązania tych problemów jest mucha czarna (BSF), Hermetia illucens (L. 1758), gatunek szkodliwie żywiący się różnymi podłożami organicznymi3. Dlatego waloryzacja tych substratów poprzez hodowlę BSF może stworzyć nowe źródło surowców, które zaspokoją potrzeby różnych gałęzi przemysłu.
Larwy BSF (BSFL) mogą żerować na rolniczych i rolno-przemysłowych produktach ubocznych, takich jak ziarno browarniane, pozostałości warzywne, miazga owocowa i czerstwy chleb, które są szczególnie odpowiednie dla wzrostu BSFL ze względu na wysoką zawartość węglowodanów (CH)4,5, 6 treści. Produkcja BSFL na dużą skalę powoduje powstawanie dwóch produktów: odchodów – mieszaniny resztek substratu i odchodów, które można wykorzystać jako nawóz do uprawy roślin7 oraz larw, które składają się głównie z białek, lipidów i chityny. Białka i lipidy wykorzystywane są głównie w hodowli zwierząt, biopaliwach i kosmetykach8,9. Jeśli chodzi o chitynę, biopolimer ten znajduje zastosowanie w sektorze rolno-spożywczym, biotechnologii i ochronie zdrowia10.
BSF jest autogenicznym owadem holometabolicznym, co oznacza, że jego metamorfoza i rozmnażanie, zwłaszcza energochłonne etapy cyklu życiowego owada, mogą być w całości wspierane przez rezerwy składników odżywczych generowane podczas wzrostu larw11. Mówiąc dokładniej, synteza białek i lipidów prowadzi do rozwoju ciała tłuszczowego, ważnego narządu magazynującego, który uwalnia energię w fazach BSF innych niż żerowanie: przedpoczwarki (tj. końcowego stadium larwalnego, podczas którego larwy BSF stają się czarne podczas żerowania i poszukiwania) dla środowiska odpowiedniego do metamorfozy), poczwarki (tj. etap nieruchliwy, podczas którego owad ulega metamorfozie) i osobniki dorosłe12,13. CH jest głównym źródłem energii w diecie BSF14. Wśród tych składników odżywczych włóknisty CH, taki jak hemiceluloza, celuloza i lignina, w przeciwieństwie do disacharydów i polisacharydów (takich jak skrobia), nie może być trawiony przez BSFL15,16. Trawienie CH jest ważnym etapem wstępnym wchłaniania węglowodanów, które ostatecznie ulegają hydrolizie do cukrów prostych w jelicie16. Cukry proste mogą następnie zostać wchłonięte (tj. przez błonę perytroficzną jelita) i metabolizowane w celu wytworzenia energii17. Jak wspomniano powyżej, larwy magazynują nadmiar energii w postaci lipidów w ciele tłuszczowym12,18. Lipidy magazynujące składają się z trójglicerydów (neutralnych lipidów utworzonych z jednej cząsteczki glicerolu i trzech kwasów tłuszczowych) syntetyzowanych przez larwy z cukrów prostych z pożywienia. Te CH zapewniają substraty acetylo-CoA wymagane do biosyntezy kwasów tłuszczowych (FA) poprzez szlaki syntazy kwasów tłuszczowych i tioesterazy19. W profilu kwasów tłuszczowych lipidów H. illucens w sposób naturalny dominują nasycone kwasy tłuszczowe (SFA) z dużą zawartością kwasu laurynowego (C12:0)19,20. Dlatego też wysoka zawartość lipidów i skład kwasów tłuszczowych szybko stają się czynnikami ograniczającymi wykorzystanie całych larw w paszach dla zwierząt, szczególnie w akwakulturze, gdzie potrzebne są wielonienasycone kwasy tłuszczowe (PUFA)21.
Od czasu odkrycia potencjału BSFL w zakresie redukcji odpadów organicznych, badania nad wartością różnych produktów ubocznych wykazały, że skład BSFL jest częściowo regulowany przez jego dietę. Obecnie regulacja profilu FA H. illucens stale się poprawia. Zdolność BSFL do bioakumulacji PUFA wykazano na podłożach bogatych w PUFA, takich jak algi, odpady rybne lub mączki, takie jak siemię lniane, co zapewnia wyższą jakość profilu FA w żywieniu zwierząt19,22,23. Natomiast w przypadku produktów ubocznych, które nie są wzbogacone w PUFA, nie zawsze istnieje korelacja między profilami FA w diecie a FA larwami, co wskazuje na wpływ innych składników odżywczych24,25. W rzeczywistości wpływ strawnego CH na profile FA pozostaje słabo poznany i niedostatecznie zbadany24,25,26,27.
Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, chociaż w diecie H. illucens występują duże ilości monosacharydów i disacharydów ogółem, ich rola odżywcza w żywieniu H. illucens pozostaje słabo poznana. Celem tego badania było wyjaśnienie ich wpływu na odżywianie BSFL i skład lipidów. Ocenimy wzrost, przeżycie i produktywność larw w różnych warunkach żywieniowych. Następnie opiszemy zawartość lipidów i profil kwasów tłuszczowych w każdej diecie, aby podkreślić wpływ CH na jakość odżywczą BSFL.
Postawiliśmy hipotezę, że charakter testowanego CH będzie miał wpływ (1) na wzrost larw, (2) całkowity poziom lipidów i (3) moduluje profil FA. Monosacharydy mogą być wchłaniane bezpośrednio, natomiast disacharydy muszą ulegać hydrolizie. Monosacharydy są zatem bardziej dostępne jako bezpośrednie źródła energii lub prekursory lipogenezy poprzez szlaki syntazy FA i tioesterazy, zwiększając w ten sposób wzrost larw H. illucens i promując gromadzenie rezerwowych lipidów (zwłaszcza kwasu laurynowego).
Badany CH wpływał na średnią masę ciała larw w okresie wzrostu (ryc. 1). FRU, GLU, SUC i MAL zwiększały masę ciała larw podobnie jak dieta kontrolna (CEL). Natomiast LAC i GAL wydawały się opóźniać rozwój larw. Warto zauważyć, że LAC miał istotny negatywny wpływ na wzrost larw w porównaniu z SUC w całym okresie wzrostu: 9,16 ± 1,10 mg w porównaniu z 15,00 ± 1,01 mg w dniu 3 (F6,21 = 12,77, p < 0,001; ryc. 1), 125,11 ± 4,26 mg i 211,79 ± 14,93 mg dziennie 17 (F6,21 = 38,57, p < 0,001; ryc. 1).
Stosując różne monosacharydy (fruktoza (FRU), galaktoza (GAL), glukoza (GLU)), disacharydy (laktoza (LAC), maltoza (MAL), sacharoza (SUC)) i celuloza (CEL) jako kontrole. Wzrost larw karmionych larwami muchy czarnego żołnierza. Każdy punkt na krzywej reprezentuje średnią masę osobnika (mg) obliczoną poprzez zważenie 20 losowo wybranych larw z populacji 100 larw (n = 4). Słupki błędów reprezentują SD.
Dieta CEL zapewniła doskonałe przeżycie larw wynoszące 95,5 ± 3,8%. Ponadto zmniejszono przeżywalność H. illucens karmionych dietami zawierającymi rozpuszczalny CH (GLM: χ = 107,13, df = 21, p < 0,001), co było spowodowane obecnością MAL i SUC (disacharydów) w badanych CH. Śmiertelność była niższa niż w przypadku GLU, FRU, GAL (monosacharyd) i LAC (EMM: p < 0,001, ryc. 2).
Wykres pudełkowy przeżycia larw muchy czarnego żołnierza traktowanych różnymi monosacharydami (fruktozą, galaktozą, glukozą), disacharydami (laktozą, maltozą, sacharozą) i celulozą jako kontrolami. Zabiegi oznaczone tą samą literą nie różnią się istotnie od siebie (EMM, p > 0,05).
Wszystkie badane diety umożliwiły larwom osiągnięcie stadium przedpoczwarkowego. Jednakże badane CH miały tendencję do wydłużania rozwoju larwalnego (F6,21=9,60, p<0,001; Tabela 1). W szczególności larwom karmionym GAL i LAC osiągnięcie stadium przedpoczwarkowego trwało dłużej w porównaniu z larwami hodowanymi na CEL (CEL-GAL: p<0,001; CEL-LAC: p<0,001; Tabela 1).
Badany CH różnił się także wpływem na masę ciała larw, przy czym masa ciała larw żywionych dietą CEL sięgała 180,19 ± 11,35 mg (F6,21 = 16,86, p < 0,001; ryc. 3). FRU, GLU, MAL i SUC dawały średnią końcową masę ciała larw przekraczającą 200 mg, czyli znacznie wyższą niż CEL (p < 0,05). Natomiast larwy karmione GAL i LAC miały niższą masę ciała, średnio odpowiednio 177,64 ± 4,23 mg i 156,30 ± 2,59 mg (p < 0,05). Efekt ten był bardziej wyraźny w przypadku diety LAC, gdzie końcowa masa ciała była niższa niż w przypadku diety kontrolnej (CEL-LAC: różnica = 23,89 mg; p = 0,03; Ryc. 3).
Średnia końcowa masa pojedynczych larw wyrażona jako plamki larwalne (mg) i czarnych muchówek wyrażona jako histogram (g) karmionych różnymi monosacharydami (fruktoza, galaktoza, glukoza), disacharydami (laktoza, maltoza, sacharoza) i celulozą (jako kontrola). Litery kolumnowe oznaczają grupy istotnie różniące się całkowitą masą larw (p < 0,001). Litery związane z plamami larwalnymi reprezentują grupy o znacząco różnej masie poszczególnych larw (p < 0,001). Słupki błędów reprezentują SD.
Maksymalna masa osobnika była niezależna od maksymalnej końcowej masy całkowitej kolonii larw. W rzeczywistości diety zawierające FRU, GLU, MAL i SUC nie zwiększały całkowitej masy larw wytwarzanych w zbiorniku w porównaniu z CEL (Rysunek 3). Jednakże LAC istotnie zmniejszyło masę całkowitą (CEL-LAC: różnica = 9,14 g; p < 0,001; ryc. 3).
Tabela 1 przedstawia wydajność (larwy/dzień). Co ciekawe, optymalne wydajności CEL, MAL i SUC były podobne (Tabela 1). Natomiast FRU, GAL, GLU i LAC zmniejszały wydajność w porównaniu do CEL (Tabela 1). Najgorzej wypadły GAL i LAC: wydajność spadła o połowę do zaledwie 0,51 ± 0,09 g larw/dzień i 0,48 ± 0,06 g larw/dzień (tabela 1).
Monosacharydy i disacharydy zwiększały zawartość lipidów w larwach CF (Tabela 1). Na diecie CLE uzyskano larwy o zawartości lipidów 23,19 ± 0,70% zawartości suchej masy. Dla porównania średnia zawartość lipidów u larw karmionych cukrem rozpuszczalnym wynosiła ponad 30% (tab. 1). Jednakże badane CH w tym samym stopniu zwiększyły zawartość tłuszczu.
Zgodnie z oczekiwaniami, osobniki CG w różnym stopniu wpływały na profil FA larw (ryc. 4). Zawartość SFA była wysoka we wszystkich dietach i sięgała ponad 60%. MAL i SUC zaburzały równowagę profilu FA, co prowadziło do wzrostu zawartości SFA. W przypadku MAL z jednej strony ta nierównowaga prowadziła przede wszystkim do zmniejszenia zawartości jednonienasyconych kwasów tłuszczowych (MUFA) (F6,21 = 7,47; p < 0,001; ryc. 4). Z drugiej strony w przypadku SUC spadek był bardziej równomierny pomiędzy MUFA i PUFA. LAC i MAL miały przeciwny wpływ na widmo FA (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; ryc. 4). Wydaje się, że niższy udział SFA w larwach karmionych LAC zwiększa zawartość MUFA. W szczególności poziomy MUFA były wyższe u larw karmionych LAC w porównaniu z innymi cukrami rozpuszczalnymi z wyjątkiem GAL (F6,21 = 7,47; p < 0,001; Figura 4).
Stosując różne monosacharydy (fruktoza (FRU), galaktoza (GAL), glukoza (GLU)), disacharydy (laktoza (LAC), maltoza (MAL), sacharoza (SUC)) i celuloza (CEL) jako kontrole, wykres pudełkowy kwasów tłuszczowych kompozycją karmioną larwami muchy czarnego żołnierza. Wyniki wyrażono jako procent całkowitej SŁAWY. Zabiegi oznaczone różnymi literami różnią się istotnie (p < 0,001). (a) Proporcja nasyconych kwasów tłuszczowych; (b) Jednonienasycone kwasy tłuszczowe; (c) Wielonienasycone kwasy tłuszczowe.
Wśród zidentyfikowanych kwasów tłuszczowych we wszystkich obserwowanych widmach dominował kwas laurynowy (C12:0) (ponad 40%). Inne obecne SFA to kwas palmitynowy (C16:0) (mniej niż 10%), kwas stearynowy (C18:0) (mniej niż 2,5%) i kwas kaprynowy (C10:0) (mniej niż 1,5%). MUFA były reprezentowane głównie przez kwas oleinowy (C18: 1n9) (mniej niż 9,5%), podczas gdy PUFA składały się głównie z kwasu linolowego (C18:2n6) (mniej niż 13,0%) (patrz tabela uzupełniająca S1). Ponadto nie można było zidentyfikować niewielkiej części związków, szczególnie w widmach larw CEL, gdzie niezidentyfikowany związek nr 9 (UND9) stanowił średnio 2,46 ± 0,52% (patrz tabela uzupełniająca S1). Analiza GC × GC-FID sugeruje, że może to być 20-węglowy kwas tłuszczowy z pięcioma lub sześcioma wiązaniami podwójnymi (patrz rysunek uzupełniający S5).
Analiza PERMANOVA ujawniła trzy odrębne grupy na podstawie profili kwasów tłuszczowych (F6,21 = 7,79, p < 0,001; Ryc. 5). Ilustruje to analiza głównych składowych (PCA) widma TBC, którą wyjaśniono za pomocą dwóch składowych (rysunek 5). Główne składniki wyjaśniały 57,9% wariancji i obejmowały, w kolejności ważności, kwas laurynowy (C12:0), kwas oleinowy (C18:1n9), kwas palmitynowy (C16:0), kwas stearynowy (C18:0) i kwas linolenowy (C18:3n3) (patrz rysunek S4). Drugi składnik wyjaśnił 26, 3% wariancji i obejmował, według ważności, kwas dekanowy (C10: 0) i kwas linolowy (C18: 2n6 cis) (patrz rysunek uzupełniający S4). Profile diet zawierających cukry proste (FRU, GAL i GLU) wykazywały podobną charakterystykę. Natomiast disacharydy dawały różne profile: MAL i SUC z jednej strony oraz LAC z drugiej. W szczególności MAL był jedynym cukrem, który zmienił profil FA w porównaniu z CEL. Ponadto profil MAL różnił się istotnie od profili FRU i GLU. W szczególności profil MAL wykazywał najwyższy udział C12:0 (54,59 ± 2,17%), co czyni go porównywalnym z CEL (43,10 ± 5,01%), LAC (43,35 ± 1,31%), FRU (48,90 ± 1,97%) i Profile GLU (48,38 ± 2,17%) (patrz tabela dodatkowa S1). Widmo MAL również wykazało najniższą zawartość C18:1n9 (9,52 ± 0,50%), co dodatkowo odróżniało je od widm LAC (12,86 ± 0,52%) i CEL (12,40 ± 1,31%). Podobną tendencję zaobserwowano dla C16:0. W składowej drugiej widmo LAC wykazało największą zawartość C18:2n6 (17,22 ± 0,46%), a najmniejszą MAL (12,58 ± 0,67%). C18: 2n6 również różnicowało LAC od kontroli (CEL), która wykazała niższe poziomy (13, 41 ± 2, 48%) (patrz tabela uzupełniająca S1).
Wykres PCA profilu kwasów tłuszczowych larw muchy czarnego żołnierza z różnymi monosacharydami (fruktoza, galaktoza, glukoza), disacharydami (laktoza, maltoza, sacharoza) i celulozą jako kontrolą.
Aby zbadać wpływ odżywczy cukrów rozpuszczalnych na larwy H. illucens, celulozę (CEL) w paszy dla kurcząt zastąpiono glukozą (GLU), fruktozą (FRU), galaktozą (GAL), maltozą (MAL), sacharozą (SUC) i laktoza (LAC). Jednakże monosacharydy i disacharydy miały różny wpływ na rozwój, przeżycie i skład larw HF. Na przykład GLU, FRU i ich formy disacharydowe (MAL i SUC) wywierały pozytywny wpływ wspomagający na wzrost larw, umożliwiając im osiągnięcie wyższej końcowej masy ciała niż CEL. W przeciwieństwie do niestrawnych CEL, GLU, FRU i SUC mogą ominąć barierę jelitową i służyć jako ważne źródła składników odżywczych w formułowanych dietach16,28. W MAL brakuje specyficznych transporterów zwierzęcych i uważa się, że przed asymilacją ulega hydrolizie do dwóch cząsteczek glukozy15. Cząsteczki te są magazynowane w ciele owada jako bezpośrednie źródło energii lub jako lipidy18. Po pierwsze, w tym ostatnim przypadku część zaobserwowanych różnic wewnątrzmodalnych może wynikać z niewielkich różnic w proporcjach płci. Rzeczywiście, u H. illucens rozmnażanie może być całkowicie spontaniczne: dorosłe samice w naturalny sposób mają wystarczające rezerwy na znoszenie jaj i są cięższe od samców29. Jednakże akumulacja lipidów w BSFL koreluje ze spożyciem rozpuszczalnego CH2 w diecie, jak zaobserwowano wcześniej dla GLU i ksylozy26,30. Na przykład Li i wsp.30 zaobserwowali, że po dodaniu 8% GLU do diety larw zawartość lipidów w larwach BSF wzrosła o 7,78% w porównaniu z grupą kontrolną. Nasze wyniki są zgodne z tymi obserwacjami, pokazując, że zawartość tłuszczu w larwach karmionych rozpuszczalnym cukrem była wyższa niż u larw karmionych dietą CEL, w porównaniu ze wzrostem o 8,57% w przypadku suplementacji GLU. Co zaskakujące, podobne wyniki zaobserwowano u larw karmionych GAL i LAC, pomimo niekorzystnego wpływu na wzrost larw, ostateczną masę ciała i przeżycie. Larwy karmione dietą LAC były znacznie mniejsze niż larwy karmione dietą CEL, ale ich zawartość tłuszczu była porównywalna z larwami karmionymi innymi rozpuszczalnymi cukrami. Wyniki te podkreślają antyżywieniowy wpływ laktozy na BSFL. Po pierwsze, dieta zawiera dużą ilość CH. Układy absorpcji i hydrolizy odpowiednio monosacharydów i disacharydów mogą osiągnąć nasycenie, powodując wąskie gardła w procesie asymilacji. Jeśli chodzi o hydrolizę, przeprowadzają ją α- i β-glukozydazy 31 . Enzymy te mają preferowane substraty w zależności od ich wielkości i wiązań chemicznych (wiązania α lub β) pomiędzy tworzącymi je monosacharydami 15 . Hydrolizę LAC do GLU i GAL przeprowadza β-galaktozydaza, enzym, którego aktywność wykazano w jelitach BSF 32 . Jednakże jego ekspresja może być niewystarczająca w porównaniu do ilości LAC spożywanej przez larwy. W przeciwieństwie do tego, α-glukozydaza maltaza i sukraza 15, o których wiadomo, że ulegają znacznej ekspresji u owadów, są w stanie rozkładać duże ilości MAL i sacharozy SUC, ograniczając w ten sposób efekt nasycenia. Po drugie, działanie antyżywieniowe może wynikać ze zmniejszonej stymulacji aktywności amylazy jelitowej owadów i spowolnienia zachowań żywieniowych w porównaniu z innymi metodami leczenia. Rzeczywiście, rozpuszczalne cukry zostały zidentyfikowane jako stymulatory aktywności enzymów ważnych dla trawienia owadów, takie jak amylaza, oraz jako wyzwalacze reakcji żywieniowej33,34,35. Stopień stymulacji różni się w zależności od struktury molekularnej cukru. W rzeczywistości disacharydy wymagają hydrolizy przed absorpcją i mają tendencję do stymulowania amylazy bardziej niż ich składowe monosacharydy34. Natomiast LAC ma łagodniejsze działanie i stwierdzono, że nie jest w stanie wspierać wzrostu owadów u różnych gatunków33,35. Przykładowo u szkodnika Spodoptera exigua (Boddie 1850) nie wykryto aktywności hydrolitycznej LAC w ekstraktach enzymów jelita środkowego gąsienicy36.
Jeśli chodzi o widmo FA, nasze wyniki wskazują na istotne efekty modulacyjne badanego CH. Warto zauważyć, że chociaż kwas laurynowy (C12: 0) stanowił mniej niż 1% całkowitego FA w diecie, dominował we wszystkich profilach (patrz tabela uzupełniająca S1). Jest to zgodne z wcześniejszymi danymi, że kwas laurynowy jest syntetyzowany z dietetycznego CH w H. illucens poprzez szlak obejmujący karboksylazę acetylo-CoA i syntazę FA19,27,37. Nasze wyniki potwierdzają, że CEL jest w dużej mierze niestrawny i działa jako „substancja wypełniająca” w dietach kontrolnych BSF, jak omówiono w kilku badaniach BSFL38,39,40. Zastąpienie CEL monosacharydami i disacharydami innymi niż LAC zwiększyło stosunek C12:0, wskazując na zwiększony wychwyt CH przez larwy. Co ciekawe, disacharydy MAL i SUC wspomagają syntezę kwasu laurynowego skuteczniej niż ich składowe monosacharydy, co sugeruje, że pomimo wyższego stopnia polimeryzacji GLU i FRU oraz ponieważ Drosophila jest jedynym transporterem sacharozy zidentyfikowanym w gatunkach białek zwierzęcych, transportery disacharydów może nie być obecny w jelitach larw H. illucens15, zwiększa się wykorzystanie GLU i FRU. Jednakże, chociaż GLU i FRU są teoretycznie łatwiej metabolizowane przez BSF, są również łatwiej metabolizowane przez substraty i mikroorganizmy jelitowe, co może skutkować ich szybszą degradacją i zmniejszonym wykorzystaniem przez larwy w porównaniu z disacharydami.
Na pierwszy rzut oka zawartość lipidów w larwach LAC i MAL była porównywalna, co wskazywało na podobną biodostępność tych cukrów. Jednakże, co zaskakujące, profil FA LAC był bogatszy w SFA, zwłaszcza przy niższej zawartości C12:0, w porównaniu z MAL. Jedna z hipotez wyjaśniających tę różnicę jest taka, że LAC może stymulować bioakumulację FA w diecie poprzez syntazę FA acetylo-CoA. Na poparcie tej hipotezy larwy LAC miały najniższy stosunek dekanianu (C10: 0) (0,77 ± 0,13%) niż dieta CEL (1,27 ± 0,16%), co wskazuje na zmniejszoną aktywność syntazy FA i tioesterazy19. Po drugie, uważa się, że kwasy tłuszczowe w diecie są głównym czynnikiem wpływającym na skład SFA H. illucens27. W naszych doświadczeniach kwas linolowy (C18:2n6) stanowił 54,81% kwasów tłuszczowych w diecie, przy czym u larw LAC wynosił 17,22 ± 0,46%, a w MAL 12,58 ± 0,67%. Podobną tendencję wykazywał kwas oleinowy (cis + trans C18:1n9) (23,22% w diecie). Stosunek kwasu α-linolenowego (C18:3n3) również potwierdza hipotezę o bioakumulacji. Wiadomo, że ten kwas tłuszczowy gromadzi się w BSFL po wzbogaceniu substratu, takim jak dodatek makucha lnianego, do 6-9% całkowitej zawartości kwasów tłuszczowych w larwach19. We wzbogaconych dietach C18:3n3 może stanowić do 35% całkowitej zawartości kwasów tłuszczowych w diecie. Jednak w naszym badaniu C18:3n3 stanowił jedynie 2,51% profilu kwasów tłuszczowych. Chociaż odsetek występujący w naturze był niższy w naszych larwach, odsetek ten był wyższy u larw LAC (0, 87 ± 0, 02%) niż w MAL (0, 49 ± 0, 04%) (p <0, 001; patrz tabela uzupełniająca S1). Dieta CEL miała pośredni udział 0,72 ± 0,18%. Wreszcie stosunek kwasu palmitynowego (C16: 0) w larwach CF odzwierciedla udział szlaków syntetycznych i dietetycznego FA19. Hoc i in. 19 zaobserwowali, że synteza C16:0 uległa zmniejszeniu w przypadku wzbogacenia diety o mączkę lnianą, co przypisano zmniejszeniu dostępności substratu acetylo-CoA w wyniku zmniejszenia stosunku CH. Co zaskakujące, chociaż obie diety miały podobną zawartość CH, a MAL wykazywała wyższą biodostępność, larwy MAL wykazywały najniższy stosunek C16:0 (10,46 ± 0,77%), podczas gdy LAC charakteryzował się wyższą proporcją, stanowiącą 12,85 ± 0,27% (p < 0,05; zob. Tabela uzupełniająca S1). Wyniki te podkreślają złożony wpływ składników odżywczych na trawienie i metabolizm BSFL. Obecnie badania na ten temat są dokładniejsze u Lepidoptera niż u Diptera. U gąsienic stwierdzono, że LAC jest słabym stymulantem zachowań żywieniowych w porównaniu z innymi cukrami rozpuszczalnymi, takimi jak SUC i FRU34,35. W szczególności u Spodopteralittoralis (Boisduval 1833) spożycie MAL stymulowało aktywność amylolityczną w jelicie w większym stopniu niż LAC34. Podobne efekty w BSFL mogą wyjaśniać zwiększoną stymulację szlaku syntezy C12:0 u larw MAL, co jest związane ze zwiększonym wchłanianiem CH w jelitach, przedłużonym żerowaniem i działaniem amylazy jelitowej. Mniejsza stymulacja rytmu żerowania w obecności LAC może również wyjaśniać wolniejszy wzrost larw LAC. Co więcej, Liu Yanxia i in. 27 zauważyli, że trwałość lipidów w substratach H. illucens była dłuższa niż w przypadku CH. Dlatego też larwy LAC mogą w większym stopniu polegać na lipidach z pożywienia, aby zakończyć swój rozwój, co może zwiększyć ich końcową zawartość lipidów i modulować ich profil kwasów tłuszczowych.
O ile nam wiadomo, tylko w kilku badaniach sprawdzano wpływ dodatku monosacharydów i disacharydów do diet BSF na profile FA. Po pierwsze, Li i in. 30 ocenili wpływ GLU i ksylozy i zaobserwowali poziomy lipidów podobne do naszych przy 8% dodatku. Profil FA nie był szczegółowy i składał się głównie z SFA, ale nie stwierdzono różnic pomiędzy obydwoma cukrami ani gdy były one obecne jednocześnie30. Co więcej, Cohn i in. 41 nie wykazało wpływu dodatku 20% GLU, SUC, FRU i GAL do paszy dla kurcząt na odpowiednie profile FA. Widma te uzyskano z replik technicznych, a nie biologicznych, co – jak wyjaśnili autorzy – może ograniczać analizę statystyczną. Ponadto brak kontroli izocukru (za pomocą CEL) ogranicza interpretację wyników. Niedawno dwa badania przeprowadzone przez Nugroho RA i wsp. wykazał anomalie w widmach FA42,43. W pierwszym badaniu Nugroho RA i wsp. 43 przetestowali wpływ dodania FRU do sfermentowanej mąki z ziaren palmowych. Profil FA powstałych larw wykazywał nienormalnie wysoki poziom PUFA, z których ponad 90% pochodziło z diety zawierającej 10% FRU (podobnie jak w naszym badaniu). Chociaż dieta ta zawierała granulki rybne bogate w PUFA, zgłoszone wartości profilu FA larw na diecie kontrolnej składającej się w 100% z fermentowanego PCM nie były zgodne z żadnym wcześniej raportowanym profilem, w szczególności z nieprawidłowym poziomem C18:3n3 wynoszącym 17,77 ± 1,67% i 26,08 ± 0,20% dla sprzężonego kwasu linolowego (C18:2n6t), rzadkiego izomeru kwas linolowy. Drugie badanie wykazało podobne wyniki dotyczące FRU, GLU, MAL i SUC42 w mączce z fermentowanych ziaren palmowych. Badania te, podobnie jak nasze, podkreślają poważne trudności w porównaniu wyników badań diety larw BSF, takich jak wybory kontrolne, interakcje z innymi źródłami składników odżywczych i metody analizy FA.
W trakcie doświadczeń zaobserwowaliśmy, że barwa i zapach podłoża różniły się w zależności od stosowanej diety. Sugeruje to, że mikroorganizmy mogą odgrywać rolę w wynikach obserwowanych w podłożu i układzie pokarmowym larw. W rzeczywistości monosacharydy i disacharydy są łatwo metabolizowane przez kolonizujące mikroorganizmy. Szybkie spożycie cukrów rozpuszczalnych przez mikroorganizmy może skutkować uwolnieniem dużych ilości mikrobiologicznych produktów przemiany materii, takich jak etanol, kwas mlekowy, krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (np. kwas octowy, kwas propionowy, kwas masłowy) i dwutlenek węgla44. Niektóre z tych związków mogą być odpowiedzialne za śmiertelne działanie toksyczne na larwy, które również obserwowali Cohn i wsp.41 w podobnych warunkach rozwojowych. Na przykład etanol jest szkodliwy dla owadów45. Duże ilości emitowanego dwutlenku węgla mogą powodować jego gromadzenie się na dnie zbiornika, co może pozbawić atmosferę tlenu, jeśli cyrkulacja powietrza nie pozwala na jego uwolnienie. Jeśli chodzi o SCFA, ich wpływ na owady, zwłaszcza H. illucens, pozostaje słabo poznany, chociaż wykazano, że kwas mlekowy, kwas propionowy i kwas masłowy są śmiertelne u Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775)46. U Drosophila melanogaster Meigen 1830 te SCFA są markerami węchowymi, które kierują samice do miejsc składania jaj, co sugeruje ich korzystną rolę w rozwoju larw47. Kwas octowy jest jednak klasyfikowany jako substancja niebezpieczna i może znacząco hamować rozwój larw47. Natomiast niedawno odkryto, że mleczan pochodzenia mikrobiologicznego ma działanie ochronne przed inwazyjnymi drobnoustrojami jelitowymi u Drosophila48. Ponadto mikroorganizmy w układzie pokarmowym odgrywają również rolę w trawieniu CH u owadów49. Fizjologiczny wpływ SCFA na mikroflorę jelitową, taki jak tempo żerowania i ekspresja genów, opisano u kręgowców 50 . Mogą również mieć wpływ troficzny na larwy H. illucens i mogą częściowo przyczyniać się do regulacji profili FA. Badania nad wpływem odżywczym tych produktów fermentacji drobnoustrojowej wyjaśnią ich wpływ na odżywianie H. illucens i zapewnią podstawę do przyszłych badań nad pożytecznymi lub szkodliwymi mikroorganizmami pod kątem ich rozwoju i wartości substratów bogatych w FA. W związku z tym coraz częściej badana jest rola mikroorganizmów w procesach trawiennych owadów hodowanych na masową skalę. Owady zaczynają być postrzegane jako bioreaktory zapewniające warunki pH i natlenienia ułatwiające rozwój mikroorganizmów wyspecjalizowanych w degradacji lub detoksykacji składników odżywczych trudnych do strawienia przez owady 51 . Niedawno Xiang i wsp.52 wykazali, że na przykład zaszczepienie odpadów organicznych mieszaniną bakterii pozwala CF przyciągnąć bakterie wyspecjalizowane w degradacji lignocelulozy, poprawiając jej degradację w podłożu w porównaniu z podłożami bez larw.
Wreszcie, jeśli chodzi o korzystne wykorzystanie odpadów organicznych przez H. illucens, największą liczbę larw dziennie wytwarzały diety CEL i SUC. Oznacza to, że pomimo niższej masy końcowej poszczególnych osobników, całkowita masa larw powstałych na podłożu składającym się z niestrawnego CH jest porównywalna z uzyskaną na diecie homosacharydowej zawierającej monosacharydy i disacharydy. W naszym badaniu należy zauważyć, że poziomy innych składników odżywczych są wystarczające do wspierania wzrostu populacji larw i że dodatek CEL powinien być ograniczony. Jednak ostateczny skład larw jest różny, co podkreśla znaczenie wyboru właściwej strategii waloryzacji owadów. Larwy CEL karmione paszą pełnoziarnistą bardziej nadają się do stosowania jako pasza dla zwierząt ze względu na niższą zawartość tłuszczu i niższy poziom kwasu laurynowego, natomiast larwy karmione dietą SUC lub MAL wymagają odtłuszczenia poprzez tłoczenie w celu zwiększenia wartości oleju, szczególnie w biopaliwie sektor. LAC występuje w produktach ubocznych przemysłu mleczarskiego, takich jak serwatka z produkcji sera. Ostatnio jego zastosowanie (3,5% laktozy) poprawiło ostateczną masę ciała larw53. Jednakże dieta kontrolna w tym badaniu zawierała połowę zawartości lipidów. Dlatego też antyżywieniowemu działaniu LAC można przeciwdziałać poprzez bioakumulację lipidów w diecie przez larwy.
Jak wykazały poprzednie badania, właściwości monosacharydów i disacharydów znacząco wpływają na wzrost BSFL i modulują jego profil FA. W szczególności wydaje się, że LAC odgrywa rolę antyżywieniową podczas rozwoju larw, ograniczając dostępność CH do wchłaniania lipidów z diety, promując w ten sposób bioakumulację UFA. W tym kontekście interesujące byłoby przeprowadzenie testów biologicznych z wykorzystaniem diet łączących PUFA i LAC. Ponadto rola mikroorganizmów, zwłaszcza rola metabolitów drobnoustrojów (takich jak SCFA) pochodzących z procesów fermentacji cukru, pozostaje tematem badawczym wartym zbadania.
Owady pozyskano z kolonii BSF Laboratorium Entomologii Funkcjonalnej i Ewolucyjnej założonego w 2017 roku w Agro-Bio Tech, Gembloux, Belgia (więcej szczegółów na temat metod hodowli można znaleźć w Hoc i in. 19). Do prób eksperymentalnych codziennie pobierano losowo 2,0 g jaj BSF z klatek hodowlanych i inkubowano w 2,0 kg 70% mokrej paszy dla kurczaków (Aveve, Leuven, Belgia). Pięć dni po wykluciu larwy oddzielono od podłoża i zliczono ręcznie w celach doświadczalnych. Zmierzono początkową masę każdej partii. Średnia waga osobnika wynosiła 7,125 ± 0,41 mg, a średnią dla każdego leczenia pokazano w tabeli uzupełniającej S2.
Skład diety został zaadaptowany na podstawie badania przeprowadzonego przez Barragan-Fonseca i in. 38 . W skrócie, stwierdzono kompromis pomiędzy tą samą jakością paszy dla kurcząt larwalnych, podobną zawartością suchej masy (DM), wysoką zawartością CH (10% w przeliczeniu na świeżą dietę) i teksturą, ponieważ cukry proste i disacharydy nie mają właściwości teksturalnych. Według informacji producenta (Chicken Feed, AVEVE, Leuven, Belgia) badany CH (tj. cukier rozpuszczalny) dodawano osobno w postaci autoklawowanego roztworu wodnego (15,9%) do diety składającej się z 16,0% białka, 5,0% lipidów ogółem, 11,9% mielonej paszy dla kurczaków, zawierającej popiół i 4,8% błonnika. W każdym słoju o pojemności 750 ml (17,20 × 11,50 × 6,00 cm, AVA, Tempsee, Belgia) zmieszano 101,9 g autoklawowanego roztworu CH z 37,8 g paszy dla kurczaków. W każdej diecie zawartość suchej masy wynosiła 37,0%, w tym białka jednorodnego (11,7%), lipidów jednorodnych (3,7%) i cukrów jednorodnych (26,9% dodanego CH). Badanymi CH były glukoza (GLU), fruktoza (FRU), galaktoza (GAL), maltoza (MAL), sacharoza (SUC) i laktoza (LAC). Dieta kontrolna składała się z celulozy (CEL), która jest uważana za niestrawną dla larw H. illucens 38 . Sto 5-dniowych larw umieszczono na tacy wyposażonej w pokrywkę z otworem o średnicy 1 cm pośrodku i przykrytej plastikową moskitierą. Każdą dietę powtarzano czterokrotnie.
Masę larw mierzono trzy dni po rozpoczęciu doświadczenia. Do każdego pomiaru usuwano 20 larw z podłoża za pomocą sterylnej ciepłej wody i pęsety, suszono i ważono (STX223, Ohaus Scout, Parsippany, USA). Po zważeniu larwy ponownie umieszczono na środku podłoża. Pomiary wykonywano regularnie trzy razy w tygodniu, aż do pojawienia się pierwszej przedpoczwarki. Na tym etapie należy zebrać, policzyć i zważyć wszystkie larwy, jak opisano wcześniej. Oddzielić larwy w stadium 6 (tj. larwy białe odpowiadające stadium larwalnemu poprzedzającemu stadium przedpoczwarkowe) i przedpoczwarki (tj. ostatnie stadium larwalne, podczas którego larwy BSF stają się czarne, przestają żerować i szukają środowiska odpowiedniego do metamorfozy) i przechowują w - 18°C do analizy składu. Plon obliczono jako stosunek całkowitej masy owadów (larw i przedpoczwarek w stadium 6) uzyskanej z szalki (g) do czasu rozwoju (d). Wszystkie średnie wartości w tekście są wyrażone jako: średnia ± SD.
Wszystkie kolejne etapy z użyciem rozpuszczalników (heksan (Hex), chloroform (CHCl3), metanol (MeOH)) odbywały się pod wyciągiem i wymagały noszenia rękawic nitrylowych, fartuchów i okularów ochronnych.
Białe larwy suszono w liofilizatorze FreeZone6 (Labconco Corp., Kansas City, MO, USA) przez 72 godziny, a następnie mielono (IKA A10, Staufen, Niemcy). Całkowite lipidy ekstrahowano z ± 1 g proszku, stosując metodę Folcha 54. Pozostałą zawartość wilgoci w każdej liofilizowanej próbce oznaczono dwukrotnie, stosując analizator wilgoci (MA 150, Sartorius, Göttiggen, Niemcy) w celu skorygowania całkowitej zawartości lipidów.
Całkowite lipidy transestryfikowano w warunkach kwasowych, otrzymując estry metylowe kwasów tłuszczowych. W skrócie, około 10 mg lipidów/100 µl roztworu CHCl3 (100 µl) odparowano z azotem w 8 ml probówce Pyrex© (SciLabware – DWK Life Sciences, Londyn, UK). Probówkę umieszczono w heksie (0,5 ml) (PESTINORM® SUPRATRACE n-Heksan > 95% do analizy śladowych substancji organicznych, VWR Chemicals, Radnor, PA, USA) i roztworze Hex/MeOH/BF3 (20/25/55) (0,5 ml) w łaźni wodnej o temperaturze 70°C przez 90 min. Po ochłodzeniu dodano 10% wodny roztwór H2SO4 (0,2 ml) i nasycony roztwór NaCl (0,5 ml). Wymieszaj probówkę i napełnij mieszaninę czystym hexem (8,0 ml). Część górnej fazy przeniesiono do fiolki i analizowano metodą chromatografii gazowej z detektorem płomieniowo-jonizacyjnym (GC-FID). Próbki analizowano przy użyciu Trace GC Ultra (Thermo Scientific, Waltham, MA, USA) wyposażonego w iniektor typu split/splitless (240°C) w trybie rozdzielonym (przepływ rozdzielony: 10 ml/min), kolumnę Stabilwax®-DA ( 30 m, średnica wewnętrzna 0,25 mm, 0,25 µm, Restek Corp., Bellefonte, PA, USA) i FID (250°C). Program temperaturowy ustawiono w następujący sposób: 50°C przez 1 min, zwiększając do 150°C przy 30°C/min, zwiększając do 240°C przy 4°C/min i kontynuując w 240°C przez 5 min. Hex zastosowano jako próbę ślepą, a do identyfikacji zastosowano standard odniesienia zawierający 37 estrów metylowych kwasów tłuszczowych (37-składnikowy Supelco FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, Belgia). Identyfikację nienasyconych kwasów tłuszczowych (UFA) potwierdzono kompleksową dwuwymiarową GC (GC×GC-FID), a obecność izomerów dokładnie oznaczono poprzez niewielką adaptację metody Ferrary i in. 55. Szczegóły instrumentu można znaleźć w tabeli dodatkowej S3, a wyniki na rysunku dodatkowym S5.
Dane prezentowane są w formacie arkusza kalkulacyjnego Excel (Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA). Analizę statystyczną przeprowadzono przy użyciu R Studio (wersja 2023.12.1+402, Boston, USA) 56 . Dane dotyczące masy larw, czasu rozwoju i produktywności oszacowano przy użyciu modelu liniowego (LM) (polecenie „lm”, pakiet R „stats” 56 ), ponieważ pasują one do rozkładu Gaussa. Wskaźniki przeżycia za pomocą analizy modelu dwumianowego oszacowano przy użyciu ogólnego modelu liniowego (GLM) (polecenie „glm”, pakiet R „lme4” 57 ). Normalność i homoskedastyczność potwierdzono za pomocą testu Shapiro (polecenie „shapiro.test”, pakiet R „stats” 56 ) i analizy wariancji danych (polecenie betadisper, pakiet R „vegan” 58 ). Po analizie parami istotnych wartości p (p < 0,05) z testu LM lub GLM, istotne różnice pomiędzy grupami wykryto za pomocą testu EMM (polecenie „emmeans”, pakiet R „emmeans” 59).
Kompletne widma FA porównano za pomocą wieloczynnikowej permutacyjnej analizy wariancji (tj. permMANOVA; polecenie „adonis2”, pakiet R „vegan” 58) przy użyciu macierzy odległości euklidesowej i 999 permutacji. Pomaga to zidentyfikować kwasy tłuszczowe, na które wpływa charakter węglowodanów w diecie. Znaczące różnice w profilach FA analizowano dalej, stosując porównania parami. Dane następnie wizualizowano za pomocą analizy głównych składowych (PCA) (polecenie „PCA”, pakiet R „FactoMineR” 60). FA odpowiedzialny za te różnice został zidentyfikowany poprzez interpretację kręgów korelacji. Kandydaci zostali potwierdzeni za pomocą jednokierunkowej analizy wariancji (ANOVA) (polecenie „aov”, pakiet R „stats” 56 ), a następnie testu post hoc Tukeya (polecenie TukeyHSD, pakiet R „stats” 56 ). Przed analizą normalność oceniano za pomocą testu Shapiro-Wilka, homoskedastyczność sprawdzano za pomocą testu Bartletta (polecenie „bartlett.test”, pakiet R „stats” 56), a w przypadku niespełnienia żadnego z dwóch założeń stosowano metodę nieparametryczną . Porównano analizy (polecenie „kruskal.test”, pakiet R „stats” 56 ), a następnie zastosowano testy post hoc Dunna (polecenie dunn.test, pakiet R „dunn.test” 56 ).
Ostateczna wersja manuskryptu została sprawdzona przy użyciu Grammarly Editor jako korektor języka angielskiego (Grammarly Inc., San Francisco, Kalifornia, USA) 61 .
Zbiory danych wygenerowane i przeanalizowane podczas bieżącego badania są dostępne u odpowiedniego autora na uzasadnioną prośbę.
Kim, SW i in. Zaspokajanie światowego zapotrzebowania na białko paszowe: wyzwania, możliwości i strategie. Annals of Animal Biosciences 7, 221–243 (2019).
Caparros Megido, R. i in. Przegląd stanu i perspektyw światowej produkcji owadów jadalnych. Entomol. Gen. 44, (2024).
Rehman, K. ur i in. Mucha czarnego żołnierza (Hermetia illucens) jako potencjalnie innowacyjne i przyjazne dla środowiska narzędzie gospodarki odpadami organicznymi: krótki przegląd. Badania nad gospodarką odpadami 41, 81–97 (2023).
Skala, A. i in. Podłoże hodowlane wpływa na wzrost i stan makroskładników odżywczych produkowanych przemysłowo larw muchy czarnego żołnierza. Nauka. Rep. 10, 19448 (2020).
Shu, MK i in. Właściwości przeciwdrobnoustrojowe ekstraktów olejowych z larw muchy żołnierskiej hodowanych na bułce tartej. Nauka o żywności dla zwierząt, 64, (2024).
Schmitt, E. i de Vries, W. (2020). Potencjalne korzyści wynikające ze stosowania nawozu muchowego czarnego żołnierza jako polepszacza gleby do produkcji żywności i zmniejszonego wpływu na środowisko. Aktualna opinia. Zielony zrównoważony rozwój. 25, 100335 (2020).
Franco A. i in. Lipidy muchy czarnego żołnierza — innowacyjne i zrównoważone źródło. Zrównoważony rozwój, tom. 13, (2021).
Van Huis, A. Owady jako żywność i pasza, wschodząca dziedzina rolnictwa: przegląd. J. Insect Feed 6, 27–44 (2020).
Kachor, M., Bulak, P., Prots-Petrikha, K., Kirichenko-Babko, M. i Beganovsky, A. Różne zastosowania czarnej muchy żołnierza w przemyśle i rolnictwie – przegląd. Biologia 12, (2023).
Hock, B., Noel, G., Carpentier, J., Francis, F. i Caparros Megido, R. Optymalizacja sztucznego rozmnażania Hermetia illucens. PLOS ONE 14, (2019).
Czas publikacji: 25 grudnia 2024 r