Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com. Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS. Na dosiahnutie najlepších výsledkov odporúčame použiť novší prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer). Medzitým, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, budeme stránku zobrazovať bez štýlov a JavaScriptu.
Muška čierna (Hermetia illucens, L. 1758) je všežravý hmyz s vysokým potenciálom zužitkovania organických vedľajších produktov bohatých na sacharidy. Spomedzi sacharidov sa muchy čierneho vojaka spoliehajú na rozpustné cukry pre rast a syntézu lipidov. Cieľom tejto štúdie bolo zhodnotiť účinky bežných rozpustných cukrov na vývoj, prežitie a profil mastných kyselín mušiek vojaka čierneho. Kuraciemu krmivu doplňte monosacharidy a disacharidy oddelene. Ako kontrola sa použila celulóza. Larvy kŕmené glukózou, fruktózou, sacharózou a maltózou rástli rýchlejšie ako kontrolné larvy. Naproti tomu laktóza mala na larvy antinutričný účinok, spomaľovala rast a znižovala konečnú telesnú hmotnosť jedinca. Avšak všetky rozpustné cukry spôsobili, že larvy boli tučnejšie ako tie, ktoré boli kŕmené kontrolnou stravou. Pozoruhodné je, že testované cukry formovali profil mastných kyselín. Maltóza a sacharóza zvýšili obsah nasýtených mastných kyselín v porovnaní s celulózou. Na rozdiel od toho laktóza zvýšila bioakumuláciu nenasýtených mastných kyselín z potravy. Táto štúdia je prvou, ktorá demonštruje vplyv rozpustného cukru na zloženie mastných kyselín lariev mušiek čierneho. Naše výsledky naznačujú, že testované sacharidy majú významný vplyv na zloženie mastných kyselín lariev mušiek vojaka čierneho a môžu teda určovať ich konečnú aplikáciu.
Globálny dopyt po energii a živočíšnych bielkovinách naďalej rastie1. V kontexte globálneho otepľovania je nevyhnutné nájsť ekologickejšie alternatívy k fosílnej energii a tradičným metódam výroby potravín a zároveň zvýšiť produkciu. Hmyz je sľubnými kandidátmi na riešenie týchto problémov vzhľadom na ich nižšie chemické zloženie a vplyv na životné prostredie v porovnaní s tradičným chovom dobytka2. Spomedzi hmyzu je vynikajúcim kandidátom na riešenie týchto problémov mucha čierna (BSF), Hermetia illucens (L. 1758), detritivorný druh schopný živiť sa rôznymi organickými substrátmi3. Valorizácia týchto substrátov prostredníctvom šľachtenia BSF by preto mohla vytvoriť nový zdroj surovín, ktorý by vyhovoval potrebám rôznych priemyselných odvetví.
Larvy BSF (BSFL) sa môžu živiť poľnohospodárskymi a poľnohospodársko-priemyselnými vedľajšími produktmi, ako sú pivovarské obilie, zeleninové zvyšky, ovocná dreň a starý chlieb, ktoré sú obzvlášť vhodné pre rast BSFL vďaka vysokému obsahu sacharidov (CH)4,5, 6 obsah. Pri veľkovýrobe BSFL vznikajú dva produkty: výkaly, zmes zvyškov substrátu a výkalov, ktoré možno použiť ako hnojivo na pestovanie rastlín7, a larvy, ktoré sa skladajú najmä z bielkovín, lipidov a chitínu. Proteíny a lipidy sa používajú najmä v chove dobytka, biopalivách a kozmetike8,9. Pokiaľ ide o chitín, tento biopolymér nachádza uplatnenie v agropotravinárskom sektore, biotechnológii a zdravotníctve10.
BSF je autogénny holometabolický hmyz, čo znamená, že jeho metamorfóza a rozmnožovanie, najmä energeticky náročné štádiá životného cyklu hmyzu, môžu byť plne podporované zásobami živín vytvorenými počas rastu lariev11. Presnejšie povedané, syntéza bielkovín a lipidov vedie k vývoju tukového tela, dôležitého zásobného orgánu, ktorý uvoľňuje energiu počas fáz bez kŕmenia BSF: prepupa (tj konečné štádium lariev, počas ktorého larvy BSF sčernejú pri kŕmení a hľadaní. pre prostredie vhodné na metamorfózu), kukly (tj nepohyblivé štádium, počas ktorého hmyz prechádza metamorfózou) a dospelé jedinca12,13. CH je hlavným zdrojom energie v strave BSF14. Spomedzi týchto živín nemôže BSFL15,16 stráviť vláknitý CH, ako je hemicelulóza, celulóza a lignín, na rozdiel od disacharidov a polysacharidov (ako je škrob). Trávenie CH je dôležitým predbežným krokom pre absorpciu uhľohydrátov, ktoré sa nakoniec v čreve hydrolyzujú na jednoduché cukry16. Jednoduché cukry sa potom môžu absorbovať (tj cez peritrofickú membránu čreva) a metabolizovať na výrobu energie17. Ako bolo uvedené vyššie, larvy ukladajú prebytočnú energiu ako lipidy v tukovom tele12,18. Zásobné lipidy pozostávajú z triglyceridov (neutrálne lipidy vytvorené z jednej molekuly glycerolu a troch mastných kyselín), ktoré larvy syntetizujú z jednoduchých cukrov v potrave. Tieto CH poskytujú acetyl-CoA substráty potrebné na biosyntézu mastných kyselín (FA) prostredníctvom dráh syntázy mastných kyselín a tioesterázy19. V profile mastných kyselín lipidov H. illucens prirodzene dominujú nasýtené mastné kyseliny (SFA) s vysokým podielom kyseliny laurovej (C12:0)19,20. Preto sa vysoký obsah lipidov a zloženie mastných kyselín rýchlo stávajú limitujúcimi faktormi pre použitie celých lariev v krmive pre zvieratá, najmä v akvakultúre, kde sú potrebné polynenasýtené mastné kyseliny (PUFA)21.
Od objavenia potenciálu BSFL znižovať organický odpad štúdie o hodnote rôznych vedľajších produktov ukázali, že zloženie BSFL je čiastočne regulované jeho stravou. V súčasnosti sa regulácia FA profilu H. illucens naďalej zlepšuje. Schopnosť BSFL bioakumulovať PUFA bola preukázaná na substrátoch bohatých na PUFA, ako sú riasy, rybí odpad alebo jedlá, ako je ľanové semienko, ktoré poskytuje kvalitnejší profil FA pre výživu zvierat19,22,23. Naopak, v prípade vedľajších produktov, ktoré nie sú obohatené o PUFA, nie je vždy korelácia medzi profilmi FA v potrave a FA lariev, čo naznačuje vplyv iných živín24,25. V skutočnosti zostáva účinok stráviteľného CH na profily FA nedostatočne pochopený a nedostatočne preskúmaný24, 25, 26, 27.
Podľa našich najlepších vedomostí, hoci sú celkové monosacharidy a disacharidy v strave H. illucens bohaté, ich nutričná úloha zostáva vo výžive H. illucens nedostatočne pochopená. Cieľom tejto štúdie bolo objasniť ich účinky na výživu BSFL a zloženie lipidov. Budeme hodnotiť rast, prežitie a produktivitu lariev v rôznych nutričných podmienkach. Potom opíšeme obsah lipidov a profil mastných kyselín každej diéty, aby sme zdôraznili účinky CH na nutričnú kvalitu BSFL.
Predpokladali sme, že povaha testovaného CH ovplyvní (1) rast lariev, (2) celkové hladiny lipidov a (3) moduluje profil FA. Monosacharidy sa môžu absorbovať priamo, zatiaľ čo disacharidy sa musia hydrolyzovať. Monosacharidy sú teda dostupnejšie ako priame zdroje energie alebo prekurzory pre lipogenézu prostredníctvom FA syntázových a tioesterázových dráh, čím sa zvyšuje rast lariev H. illucens a podporuje sa akumulácia rezervných lipidov (najmä kyseliny laurovej).
Testovaný CH ovplyvnil priemernú telesnú hmotnosť lariev počas rastu (obr. 1). FRU, GLU, SUC a MAL zvýšili telesnú hmotnosť lariev podobne ako kontrolná diéta (CEL). Naopak, zdá sa, že LAC a GAL spomaľujú vývoj lariev. Najmä LAC mal významný negatívny vplyv na rast lariev v porovnaní s SUC počas obdobia rastu: 9,16 ± 1,10 mg oproti 15,00 ± 1,01 mg v deň 3 (F6,21 = 12,77, p < 0,001; Obr. 1), 125,11 ± 4,26 mg a 211,79 ± 14,93 mg, na 17. deň (F6,21 = 38,57, p < 0,001; obr. 1).
Použitie rôznych monosacharidov (fruktóza (FRU), galaktóza (GAL), glukóza (GLU)), disacharidy (laktóza (LAC), maltóza (MAL), sacharóza (SUC)) a celulóza (CEL) ako kontroly. Rast lariev kŕmených larvami muchy čierneho vojaka. Každý bod na krivke predstavuje strednú hmotnosť jednotlivca (mg) vypočítanú odvážením 20 náhodne vybraných lariev z populácie 100 lariev (n = 4). Chybové úsečky predstavujú SD.
CEL diéta poskytla vynikajúce prežitie lariev 95,5 ± 3,8 %. Navyše, prežívanie H. illucens kŕmených stravou obsahujúcou rozpustný CH sa znížilo (GLM: χ = 107,13, df = 21, p < 0,001), čo bolo spôsobené MAL a SUC (disacharidy) v študovanom CH. Úmrtnosť bola nižšia ako u GLU, FRU, GAL (monosacharid) a LAC (EMM: p < 0,001, obrázok 2).
Boxplot prežitia lariev múch čiernych ošetrených rôznymi monosacharidmi (fruktóza, galaktóza, glukóza), disacharidmi (laktóza, maltóza, sacharóza) a celulózou ako kontrolami. Ošetrenia s rovnakým písmenom sa navzájom významne nelíšia (EMM, p > 0,05).
Všetky testované diéty umožnili larvám dosiahnuť prepupal štádium. Testované CH však mali tendenciu predĺžiť vývoj lariev (F6,21=9,60, p<0,001; tabuľka 1). Najmä larvám kŕmeným GAL a LAC trvalo dlhšie, kým dosiahli prepupal štádium, v porovnaní s larvami chovanými na CEL (CEL-GAL: p<0,001; CEL-LAC: p<0,001; tabuľka 1).
Testovaný CH mal rôzne účinky aj na telesnú hmotnosť lariev, pričom telesná hmotnosť lariev kŕmených CEL diétou dosahovala 180,19 ± 11,35 mg (F6,21 = 16,86, p < 0,001; obr. 3). FRU, GLU, MAL a SUC viedli k priemernej konečnej telesnej hmotnosti lariev viac ako 200 mg, čo bolo významne vyššie ako pri CEL (p < 0,05). Na rozdiel od toho, larvy kŕmené GAL a LAC mali nižšiu telesnú hmotnosť, v priemere 177,64 ± 4,23 mg a 156,30 ± 2,59 mg (p < 0,05). Tento účinok bol výraznejší pri LAC, kde bola konečná telesná hmotnosť nižšia ako pri kontrolnej diéte (CEL-LAC: rozdiel = 23,89 mg; p = 0,03; obrázok 3).
Priemerná konečná hmotnosť jednotlivých lariev vyjadrená ako škvrny lariev (mg) a mušiek čierneho vyjadrená ako histogram (g) kŕmených rôznymi monosacharidmi (fruktóza, galaktóza, glukóza), disacharidmi (laktóza, maltóza, sacharóza) a celulózou (ako kontrola). Stĺpcové písmená predstavujú skupiny výrazne odlišné v celkovej hmotnosti lariev (p < 0,001). Písmená spojené s larválnymi škvrnami predstavujú skupiny s výrazne odlišnou hmotnosťou jednotlivých lariev (p < 0,001). Chybové úsečky predstavujú SD.
Maximálna hmotnosť jednotlivca bola nezávislá od maximálnej konečnej celkovej hmotnosti kolónie lariev. V skutočnosti diéty obsahujúce FRU, GLU, MAL a SUC nezvýšili celkovú hmotnosť lariev vyprodukovaných v nádrži v porovnaní s CEL (obrázok 3). Avšak LAC významne znížil celkovú hmotnosť (CEL-LAC: rozdiel = 9,14 g; p < 0,001; obrázok 3).
Tabuľka 1 ukazuje výnos (larvy/deň). Je zaujímavé, že optimálne výťažky CEL, MAL a SUC boli podobné (tabuľka 1). Naproti tomu FRU, GAL, GLU a LAC znížili výťažok v porovnaní s CEL (tabuľka 1). Najhoršie dopadli GAL a LAC: výťažok sa znížil na polovicu na iba 0,51 ± 0,09 g lariev/deň a 0,48 ± 0,06 g lariev/deň (tabuľka 1).
Monosacharidy a disacharidy zvýšili obsah lipidov u lariev CF (tabuľka 1). Na diéte CLE sa získali larvy s obsahom lipidov 23,19 ± 0,70 % obsahu DM. Pre porovnanie, priemerný obsah lipidov u lariev kŕmených rozpustným cukrom bol viac ako 30 % (tabuľka 1). Testované CH však zvýšili obsah tuku v rovnakej miere.
Ako sa očakávalo, subjekty s CG ovplyvnili profil FA lariev v rôznej miere (obr. 4). Obsah SFA bol vysoký vo všetkých diétach a dosahoval viac ako 60 %. MAL a SUC nevyvážili profil FA, čo viedlo k zvýšeniu obsahu SFA. V prípade MAL viedla táto nerovnováha na jednej strane predovšetkým k poklesu obsahu mononenasýtených mastných kyselín (MUFA) (F6,21 = 7,47; p < 0,001; obr. 4). Na druhej strane, pre SUC bol pokles rovnomernejší medzi MUFA a PUFA. LAC a MAL mali opačné účinky na spektrum 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; obrázok 4). Zdá sa, že nižší podiel SFA v larvách kŕmených LAC zvyšuje obsah MUFA. Najmä hladiny MUFA boli vyššie u lariev kŕmených LAC v porovnaní s inými rozpustnými cukrami okrem GAL (F6,21 = 7,47; p < 0,001; obrázok 4).
Použitie rôznych monosacharidov (fruktóza (FRU), galaktóza (GAL), glukóza (GLU)), disacharidy (laktóza (LAC), maltóza (MAL), sacharóza (SUC)) a celulóza (CEL) ako kontroly, krabicový graf mastných kyselín kompozícia podávaná larvám muchy čierneho vojaka. Výsledky sú vyjadrené ako percento celkového FAME. Ošetrenia označené rôznymi písmenami sú výrazne odlišné (p < 0,001). a) Podiel nasýtených mastných kyselín; b) mononenasýtené mastné kyseliny; c) Polynenasýtené mastné kyseliny.
Spomedzi identifikovaných mastných kyselín dominovala kyselina laurová (C12:0) vo všetkých pozorovaných spektrách (viac ako 40 %). Ďalšími prítomnými SFA boli kyselina palmitová (C16:0) (menej ako 10 %), kyselina stearová (C18:0) (menej ako 2,5 %) a kyselina kaprínová (C10:0) (menej ako 1,5 %). MUFA boli zastúpené hlavne kyselinou olejovou (C18:1n9) (menej ako 9,5%), zatiaľ čo PUFA pozostávali hlavne z kyseliny linolovej (C18:2n6) (menej ako 13,0%) (pozri doplnkovú tabuľku S1). Okrem toho nebolo možné identifikovať malý podiel zlúčenín, najmä v spektrách lariev CEL, kde neidentifikovaná zlúčenina číslo 9 (UND9) predstavovala v priemere 2,46 ± 0,52% (pozri doplnkovú tabuľku S1). Analýza GC × GC-FID naznačila, že by to mohla byť 20-uhlíková mastná kyselina s piatimi alebo šiestimi dvojitými väzbami (pozri doplnkový obrázok S5).
Analýza PERMANOVA odhalila tri odlišné skupiny na základe profilov mastných kyselín (F6,21 = 7,79, p < 0,001; obrázok 5). Analýza hlavných zložiek (PCA) spektra TBC to ilustruje a je vysvetlená dvoma zložkami (obrázok 5). Hlavné zložky vysvetlili 57,9 % rozptylu a zahŕňali, v poradí dôležitosti, kyselinu laurovú (C12:0), kyselinu olejovú (C18:1n9), kyselinu palmitovú (C16:0), kyselinu stearovú (C18:0) a kyselina linolénová (C18:3n3) (pozri obrázok S4). Druhá zložka vysvetlila 26,3% rozptylu a zahŕňala v poradí dôležitosti kyselinu dekánovú (C10:0) a kyselinu linolovú (C18:2n6 cis) (pozri doplnkový obrázok S4). Profily diét s obsahom jednoduchých cukrov (FRU, GAL a GLU) vykazovali podobné charakteristiky. Na rozdiel od toho, disacharidy poskytli rôzne profily: MAL a SUC na jednej strane a LAC na strane druhej. Najmä MAL bol jediný cukor, ktorý zmenil profil FA v porovnaní s CEL. Okrem toho sa profil MAL výrazne líšil od profilov FRU a GLU. Najmä profil MAL vykazoval najvyšší podiel C12:0 (54,59 ± 2,17 %), čím bol porovnateľný s CEL (43,10 ± 5,01 %), LAC (43,35 ± 1,31 %), FRU (48,90 ± 1,97 %) a Profily GLU (48,38 ± 2,17 %) (pozri doplnkovú tabuľku S1). Spektrum MAL tiež vykazovalo najnižší obsah C18:1n9 (9,52 ± 0,50 %), čím sa ďalej odlišovalo od spektier LAC (12,86 ± 0,52 %) a CEL (12,40 ± 1,31 %). Podobný trend bol pozorovaný pre C16:0. V druhej zložke vykazovalo spektrum LAC najvyšší obsah C18:2n6 (17,22 ± 0,46 %), zatiaľ čo MAL vykazovalo najnižší obsah (12,58 ± 0,67 %). C18: 2n6 tiež odlišoval LAC od kontroly (CEL), ktorá vykazovala nižšie hladiny (13,41 ± 2,48%) (pozri doplnkovú tabuľku S1).
PCA graf profilu mastných kyselín lariev čiernej muchy s rôznymi monosacharidmi (fruktóza, galaktóza, glukóza), disacharidmi (laktóza, maltóza, sacharóza) a celulózou ako kontrolou.
Na štúdium nutričných účinkov rozpustných cukrov na larvy H. illucens bola celulóza (CEL) v krmive pre kurčatá nahradená glukózou (GLU), fruktózou (FRU), galaktózou (GAL), maltózou (MAL), sacharózou (SUC) a laktóza (LAC). Avšak monosacharidy a disacharidy mali rôzne účinky na vývoj, prežitie a zloženie lariev HF. Napríklad GLU, FRU a ich disacharidové formy (MAL a SUC) mali pozitívne podporné účinky na rast lariev, čo im umožnilo dosiahnuť vyššiu konečnú telesnú hmotnosť ako CEL. Na rozdiel od nestráviteľných CEL, GLU, FRU a SUC môžu obísť črevnú bariéru a slúžiť ako dôležité zdroje živín v formulovaných diétach16,28. MAL nemá špecifické živočíšne transportéry a predpokladá sa, že sa pred asimiláciou hydrolyzuje na dve molekuly glukózy15. Tieto molekuly sú uložené v tele hmyzu ako priamy zdroj energie alebo ako lipidy18. Po prvé, pokiaľ ide o posledné uvedené, niektoré z pozorovaných intramodálnych rozdielov môžu byť spôsobené malými rozdielmi v pomeroch pohlaví. V prípade H. illucens môže byť rozmnožovanie úplne spontánne: dospelé samice majú prirodzene dostatočné zásoby znášky vajíčok a sú ťažšie ako samce29. Akumulácia lipidov v BSFL však koreluje s príjmom rozpustného CH2 v strave, ako sa predtým pozorovalo pre GLU a xylózu26, 30. Napríklad Li et al.30 pozorovali, že keď sa do krmiva pre larvy pridalo 8 % GLU, obsah lipidov v larvách BSF sa zvýšil o 7,78 % v porovnaní s kontrolami. Naše výsledky sú v súlade s týmito pozorovaniami, ktoré ukazujú, že obsah tuku u lariev kŕmených rozpustným cukrom bol vyšší ako u lariev kŕmených diétou CEL v porovnaní s 8,57% zvýšením pri suplementácii GLU. Prekvapivo boli podobné výsledky pozorované u lariev kŕmených GAL a LAC, napriek nepriaznivým účinkom na rast lariev, konečnú telesnú hmotnosť a prežitie. Larvy kŕmené LAC boli výrazne menšie ako tie, ktoré boli kŕmené CEL diétou, ale ich obsah tuku bol porovnateľný s larvami kŕmenými inými rozpustnými cukrami. Tieto výsledky zdôrazňujú antinutričné účinky laktózy na BSFL. Po prvé, strava obsahuje veľké množstvo CH. Systémy absorpcie a hydrolýzy monosacharidov a disacharidov môžu dosiahnuť nasýtenie, čo spôsobí prekážky v procese asimilácie. Pokiaľ ide o hydrolýzu, vykonávajú ju α- a β-glukozidázy31. Tieto enzýmy majú preferované substráty v závislosti od ich veľkosti a chemických väzieb (a alebo p väzby) medzi ich monosacharidmi15. Hydrolýza LAC na GLU a GAL sa uskutočňuje β-galaktozidázou, enzýmom, ktorého aktivita bola preukázaná v čreve BSF32. Jeho expresia však môže byť nedostatočná v porovnaní s množstvom LAC spotrebovaného larvami. Na rozdiel od toho a-glukozidáza maltáza a sacharáza 15, o ktorých je známe, že sú hojne exprimované hmyzom, sú schopné rozložiť veľké množstvá MAL a sacharózy SUC, čím obmedzujú tento sýtiaci účinok. Po druhé, antinutričné účinky môžu byť spôsobené zníženou stimuláciou aktivity intestinálnej amylázy hmyzu a spomalením kŕmenia v porovnaní s inými spôsobmi liečby. Rozpustné cukry boli skutočne identifikované ako stimulátory enzýmovej aktivity dôležitej pre trávenie hmyzu, ako je amyláza, a ako spúšťače reakcie na kŕmenie33,34,35. Stupeň stimulácie sa líši v závislosti od molekulárnej štruktúry cukru. V skutočnosti disacharidy vyžadujú hydrolýzu pred absorpciou a majú tendenciu stimulovať amylázu viac ako ich monosacharidy34. Naopak, LAC má miernejší účinok a zistilo sa, že nie je schopný podporovať rast hmyzu u rôznych druhov33,35. Napríklad u škodcu Spodoptera exigua (Boddie 1850) nebola zistená žiadna hydrolytická aktivita LAC v extraktoch enzýmov stredného čreva húsenice36.
Pokiaľ ide o spektrum FA, naše výsledky naznačujú významné modulačné účinky testovaného CH. Je pozoruhodné, že hoci kyselina laurová (C12: 0) predstavovala menej ako 1% celkového FA v strave, dominovala vo všetkých profiloch (pozri doplnkovú tabuľku S1). To je v súlade s predchádzajúcimi údajmi, že kyselina laurová sa syntetizuje z diétneho CH v H. illucens cestou zahŕňajúcou acetyl-CoA karboxylázu a FA syntázu19,27,37. Naše výsledky potvrdzujú, že CEL je do značnej miery nestráviteľný a pôsobí ako „objemové činidlo“ v kontrolných diétach BSF, ako sa uvádza v niekoľkých štúdiách BSFL38,39,40. Nahradenie CEL monosacharidmi a disacharidmi inými ako LAC zvýšilo pomer C12:0, čo naznačuje zvýšené vychytávanie CH larvami. Je zaujímavé, že disacharidy MAL a SUC podporujú syntézu kyseliny laurovej efektívnejšie ako ich monosacharidy, čo naznačuje, že napriek vyššiemu stupňu polymerizácie GLU a FRU a keďže Drosophila je jediným transportérom sacharózy, ktorý bol identifikovaný u živočíšnych proteínov, transportéry disacharidov nemusia byť prítomné v čreve lariev H. illucens15, využitie GLU a FRU sa zvyšuje. Avšak, hoci GLU a FRU sú teoreticky ľahšie metabolizované BSF, sú tiež ľahšie metabolizované substrátmi a črevnými mikroorganizmami, čo môže viesť k ich rýchlejšej degradácii a zníženej utilizácii larvami v porovnaní s disacharidmi.
Na prvý pohľad bol obsah lipidov lariev kŕmených LAC a MAL porovnateľný, čo naznačuje podobnú biologickú dostupnosť týchto cukrov. Prekvapivo však bol profil FA LAC bohatší na SFA, najmä s nižším obsahom C12:0, v porovnaní s MAL. Jednou z hypotéz na vysvetlenie tohto rozdielu je, že LAC môže stimulovať bioakumuláciu FA z potravy prostredníctvom acetyl-CoA FA syntázy. Na podporu tejto hypotézy mali larvy LAC najnižší pomer dekanoátu (C10:0) (0,77 ± 0,13 %) ako diéta CEL (1,27 ± 0,16 %), čo naznačuje znížené aktivity syntázy a tioesterázy FA19. Po druhé, mastné kyseliny z potravy sa považujú za hlavný faktor ovplyvňujúci zloženie SFA H. illucens27. V našich experimentoch kyselina linolová (C18:2n6) tvorila 54,81 % mastných kyselín z potravy, pričom podiel v larvách LAC bol 17,22 ± 0,46 % a v MAL 12,58 ± 0,67 %. Kyselina olejová (cis + trans C18:1n9) (23,22 % v strave) vykazovala podobný trend. Pomer kyseliny α-linolénovej (C18:3n3) tiež podporuje hypotézu bioakumulácie. Je známe, že táto mastná kyselina sa akumuluje v BSFL po obohatení substrátu, ako je pridanie koláča z ľanového semena, až do 6-9% celkových mastných kyselín v larvách19. V obohatenej strave môže C18:3n3 tvoriť až 35 % z celkového množstva mastných kyselín v strave. V našej štúdii však C18:3n3 predstavoval iba 2,51% profilu mastných kyselín. Aj keď podiel zistený v prírode bol u našich lariev nižší, tento podiel bol vyšší u lariev LAC (0,87 ± 0,02 %) ako v MAL (0,49 ± 0,04 %) (p < 0,001; pozri doplnkovú tabuľku S1). CEL diéta mala stredný podiel 0,72 ± 0,18 %. Nakoniec pomer kyseliny palmitovej (C16:0) v larvách CF odráža príspevok syntetických dráh a diétneho FA19. Hoc a spol. 19 pozorovali, že syntéza C16:0 sa znížila, keď bola strava obohatená o ľanové semienko, čo sa pripisovalo zníženiu dostupnosti substrátu acetyl-CoA v dôsledku zníženia pomeru CH. Prekvapivo, hoci obe diéty mali podobný obsah CH a MAL vykazovali vyššiu biologickú dostupnosť, larvy MAL vykazovali najnižší pomer C16:0 (10,46 ± 0,77 %), zatiaľ čo LAC vykazovali vyšší podiel, čo predstavuje 12,85 ± 0,27 % (p < 0,05; pozri Doplnková tabuľka S1). Tieto výsledky poukazujú na komplexný vplyv živín na trávenie a metabolizmus BSFL. V súčasnosti je výskum na túto tému dôkladnejší u Lepidoptera ako u Diptera. U húseníc bol LAC identifikovaný ako slabý stimulant kŕmenia v porovnaní s inými rozpustnými cukrami, ako sú SUC a FRU34,35. Najmä u Spodopteralittoralis (Boisduval 1833) konzumácia MAL stimulovala amylolytickú aktivitu v čreve vo väčšej miere ako LAC34. Podobné účinky v BSFL môžu vysvetliť zvýšenú stimuláciu syntetickej dráhy C12: 0 u lariev MAL, ktorá je spojená so zvýšeným črevným absorbovaným CH, predĺženým kŕmením a účinkom intestinálnej amylázy. Menej stimulácia rytmu kŕmenia v prítomnosti LAC môže tiež vysvetliť pomalší rast lariev LAC. Okrem toho Liu Yanxia a kol. 27 poznamenal, že skladovateľnosť lipidov v substrátoch H. illucens bola dlhšia ako životnosť CH. Preto sa larvy LAC môžu viac spoliehať na lipidy v potrave, aby dokončili svoj vývoj, čo môže zvýšiť ich konečný obsah lipidov a modulovať ich profil mastných kyselín.
Pokiaľ je nám známe, iba niekoľko štúdií testovalo účinky pridania monosacharidov a disacharidov do stravy BSF na ich profily FA. Po prvé, Li a kol. 30 hodnotili účinky GLU a xylózy a pozorovali hladiny lipidov podobné našim pri 8 % rýchlosti pridávania. Profil FA nebol podrobný a pozostával hlavne z SFA, ale nezistili sa žiadne rozdiely medzi týmito dvoma cukrami alebo keď boli prezentované súčasne30. Okrem toho Cohn a kol. 41 nepreukázal žiadny účinok pridania 20 % GLU, SUC, FRU a GAL ku krmivu pre kurčatá na príslušné profily FA. Tieto spektrá boli získané skôr z technických ako biologických replikátov, čo, ako vysvetlili autori, môže obmedziť štatistickú analýzu. Okrem toho absencia kontroly izocukru (pomocou CEL) obmedzuje interpretáciu výsledkov. Nedávno dve štúdie Nugroho RA et al. preukázali anomálie v spektrách FA42,43. V prvej štúdii Nugroho RA et al. 43 testovali účinok pridania FRU do fermentovanej múčky z palmových jadier. Profil FA výsledných lariev vykazoval abnormálne vysoké hladiny PUFA, z ktorých viac ako 90 % pochádzalo zo stravy obsahujúcej 10 % FRU (podobne ako v našej štúdii). Hoci táto strava obsahovala rybie pelety bohaté na PUFA, hlásené hodnoty profilu FA lariev na kontrolnej strave pozostávajúcej zo 100 % fermentovaného PCM neboli v súlade so žiadnym predtým hláseným profilom, najmä abnormálna hladina C18:3n3 17,77 ± 1,67 % a 26,08 ± 0,20 % pre konjugovanú kyselinu linolovú (C18:2n6t), vzácnu izomér kyseliny linolovej. Druhá štúdia ukázala podobné výsledky vrátane FRU, GLU, MAL a SUC42 vo fermentovanej múčke z palmových jadier. Tieto štúdie, podobne ako tie naše, poukazujú na vážne ťažkosti pri porovnávaní výsledkov zo skúšok výživy lariev BSF, ako sú výber kontrol, interakcie s inými zdrojmi živín a metódy analýzy FA.
Počas experimentov sme pozorovali, že farba a vôňa substrátu sa menili v závislosti od použitej stravy. To naznačuje, že mikroorganizmy môžu hrať úlohu vo výsledkoch pozorovaných v substráte a tráviacom systéme lariev. V skutočnosti sa monosacharidy a disacharidy ľahko metabolizujú kolonizáciou mikroorganizmov. Rýchla konzumácia rozpustných cukrov mikroorganizmami môže viesť k uvoľneniu veľkého množstva produktov mikrobiálneho metabolizmu, ako je etanol, kyselina mliečna, mastné kyseliny s krátkym reťazcom (napr. kyselina octová, kyselina propiónová, kyselina maslová) a oxid uhličitý44. Niektoré z týchto zlúčenín môžu byť zodpovedné za smrteľné toxické účinky na larvy, ktoré tiež pozorovali Cohn et al.41 za podobných vývojových podmienok. Napríklad etanol je škodlivý pre hmyz45. Veľké množstvo emisií oxidu uhličitého môže viesť k jeho akumulácii na dne nádrže, čo môže pripraviť atmosféru o kyslík, ak cirkulácia vzduchu neumožní jeho uvoľnenie. Pokiaľ ide o SCFA, ich účinky na hmyz, najmä H. illucens, zostávajú nedostatočne pochopené, hoci sa ukázalo, že kyselina mliečna, kyselina propiónová a kyselina maslová sú smrteľné pre Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775)46. V Drosophila melanogaster Meigen 1830 sú tieto SCFA čuchové markery, ktoré vedú samice na miesta kladenia vajíčok, čo naznačuje prospešnú úlohu vo vývoji lariev47. Kyselina octová je však klasifikovaná ako nebezpečná látka a môže výrazne inhibovať vývoj lariev47. Na rozdiel od toho sa nedávno zistilo, že mikrobiálne odvodený laktát má ochranný účinok proti invazívnym črevným mikróbom v Drosophila48. Okrem toho mikroorganizmy v tráviacom systéme zohrávajú úlohu aj pri trávení CH u hmyzu49. Fyziologické účinky SCFA na črevnú mikroflóru, ako je rýchlosť kŕmenia a génová expresia, boli opísané u stavovcov 50 . Môžu mať tiež trofický účinok na larvy H. illucens a môžu čiastočne prispievať k regulácii profilov FA. Štúdie o nutričných účinkoch týchto produktov mikrobiálnej fermentácie objasnia ich účinky na výživu H. illucens a poskytnú základ pre budúce štúdie o prospešných alebo škodlivých mikroorganizmoch z hľadiska ich vývoja a hodnoty substrátov bohatých na FA. V tomto ohľade sa čoraz viac skúma úloha mikroorganizmov v tráviacich procesoch masovo chovaného hmyzu. Na hmyz sa začína nazerať ako na bioreaktory, ktoré poskytujú podmienky pH a okysličovanie, ktoré uľahčujú vývoj mikroorganizmov špecializovaných na degradáciu alebo detoxikáciu živín, ktoré hmyz ťažko strávi 51 . Nedávno Xiang et al.52 demonštrovali, že napríklad naočkovanie organického odpadu bakteriálnou zmesou umožňuje CF prilákať baktérie špecializované na degradáciu lignocelulózy, čím sa zlepší jej degradácia v substráte v porovnaní so substrátmi bez lariev.
Napokon, pokiaľ ide o prospešné využitie organického odpadu H. illucens, diéty CEL a SUC produkovali najvyšší počet lariev za deň. To znamená, že napriek nižšej konečnej hmotnosti jednotlivých jedincov je celková hmotnosť lariev vyprodukovaná na substráte pozostávajúcom z nestráviteľného CH porovnateľná s hmotnosťou získanou na homosacharidovej strave obsahujúcej monosacharidy a disacharidy. V našej štúdii je dôležité poznamenať, že hladiny iných živín sú dostatočné na podporu rastu populácie lariev a že pridávanie CEL by malo byť obmedzené. Konečné zloženie lariev sa však líši, čo zdôrazňuje dôležitosť výberu správnej stratégie na zhodnotenie hmyzu. Larvy CEL kŕmené celým krmivom sú vhodnejšie na použitie ako krmivo pre zvieratá kvôli ich nižšiemu obsahu tuku a nižším hladinám kyseliny laurovej, zatiaľ čo larvy kŕmené stravou SUC alebo MAL vyžadujú odtučnenie lisovaním, aby sa zvýšila hodnota oleja, najmä v biopalive sektore. LAC sa nachádza vo vedľajších produktoch mliekarenského priemyslu, ako je srvátka z výroby syra. Nedávno jeho použitie (3,5 % laktózy) zlepšilo konečnú telesnú hmotnosť lariev53. Kontrolná strava v tejto štúdii však obsahovala polovičný obsah lipidov. Preto antinutričné účinky LAC mohli byť ovplyvnené bioakumuláciou lipidov v potrave lariev.
Ako ukázali predchádzajúce štúdie, vlastnosti monosacharidov a disacharidov významne ovplyvňujú rast BSFL a modulujú jeho profil FA. Najmä sa zdá, že LAC hrá antinutričnú úlohu počas vývoja lariev tým, že obmedzuje dostupnosť CH pre absorpciu lipidov v strave, čím podporuje bioakumuláciu UFA. V tejto súvislosti by bolo zaujímavé uskutočniť biologické testy s použitím diét kombinujúcich PUFA a LAC. Okrem toho úloha mikroorganizmov, najmä úloha mikrobiálnych metabolitov (ako sú SCFA) odvodených z procesov fermentácie cukru, zostáva výskumnou témou hodnou skúmania.
Hmyz bol získaný z kolónie BSF Laboratória funkčnej a evolučnej entomológie založenej v roku 2017 v Agro-Bio Tech, Gembloux, Belgicko (podrobnejšie o metódach chovu pozri Hoc et al. 19). Na experimentálne pokusy sa 2,0 g vajec BSF náhodne odoberali denne z chovných klietok a inkubovali sa v 2,0 kg 70 % vlhkého krmiva pre kurčatá (Aveve, Leuven, Belgicko). Päť dní po vyliahnutí sa larvy oddelili od substrátu a manuálne sa spočítali na experimentálne účely. Zmerala sa počiatočná hmotnosť každej dávky. Priemerná hmotnosť jednotlivca bola 7,125 ± 0,41 mg a priemer pre každú liečbu je uvedený v doplnkovej tabuľke S2.
Formulácia stravy bola upravená zo štúdie Barragan-Fonseca et al. 38. Stručne povedané, bol nájdený kompromis medzi rovnakou kvalitou krmiva pre larvy kurčiat, podobným obsahom sušiny (DM), vysokým CH (10 % na základe čerstvej stravy) a textúrou, pretože jednoduché cukry a disacharidy nemajú žiadne textúrne vlastnosti. Podľa informácií výrobcu (Chicken Feed, AVEVE, Leuven, Belgicko) bol testovaný CH (t.j. rozpustný cukor) pridaný samostatne ako autoklávovaný vodný roztok (15,9 %) do stravy pozostávajúcej z 16,0 % bielkovín, 5,0 % celkových lipidov, 11,9 % mletého krmiva pre kurčatá pozostávajúce z popola a 4,8 % vlákniny. V každej nádobe s objemom 750 ml (17,20 × 11,50 × 6,00 cm, AVA, Tempsee, Belgicko) sa zmiešalo 101,9 g autoklávovaného roztoku CH s 37,8 g krmiva pre kurčatá. Pre každú diétu bol obsah sušiny 37,0 %, vrátane homogénneho proteínu (11,7 %), homogénnych lipidov (3,7 %) a homogénnych cukrov (26,9 % pridaného CH). Testovanými CH boli glukóza (GLU), fruktóza (FRU), galaktóza (GAL), maltóza (MAL), sacharóza (SUC) a laktóza (LAC). Kontrolná strava pozostávala z celulózy (CEL), ktorá sa považuje za nestráviteľnú pre larvy H. illucens38. Sto 5-dňových lariev sa umiestnilo do podnosu s vekom s otvorom s priemerom 1 cm v strede a prikrylo sa plastovou moskytiérou. Každá diéta sa opakovala štyrikrát.
Hmotnosť lariev sa merala tri dni po začiatku experimentu. Pri každom meraní sa zo substrátu pomocou sterilnej teplej vody a klieští odstránilo 20 lariev, vysušili sa a zvážili (STX223, Ohaus Scout, Parsippany, USA). Po zvážení sa larvy vrátili do stredu substrátu. Merania sa uskutočňovali pravidelne trikrát týždenne, až kým sa neobjavila prvá prepupa. V tomto bode zozbierajte, spočítajte a odvážte všetky larvy, ako je opísané vyššie. Oddeľte larvy štádia 6 (tj biele larvy zodpovedajúce štádiu lariev predchádzajúcemu štádiu pred kukly) a predkukly (t. j. posledné štádium lariev, počas ktorého larvy BSF sčernejú, prestanú sa kŕmiť a hľadajú prostredie vhodné na metamorfózu) a skladujte pri - 18 °C pre analýzu zloženia. Výťažok sa vypočítal ako pomer celkovej hmotnosti hmyzu (lariev a predkukly štádia 6) získanej na misku (g) k dobe vývoja (d). Všetky stredné hodnoty v texte sú vyjadrené ako: priemer ± SD.
Všetky nasledujúce kroky s použitím rozpúšťadiel (hexán (Hex), chloroform (CHCl3), metanol (MeOH)) sa uskutočnili pod digestorom a vyžadovali si nosenie nitrilových rukavíc, záster a bezpečnostných okuliarov.
Biele larvy sa sušili v lyofilizátore FreeZone6 (Labconco Corp., Kansas City, MO, USA) počas 72 hodín a potom sa rozomleli (IKA A10, Staufen, Nemecko). Celkové lipidy sa extrahovali z ± 1 g prášku s použitím Folchovej metódy 54. Obsah zvyškovej vlhkosti každej lyofilizovanej vzorky sa stanovil dvojmo s použitím analyzátora vlhkosti (MA 150, Sartorius, Göttiggen, Nemecko) na korekciu na celkové lipidy.
Celkové lipidy sa transesterifikovali za kyslých podmienok, aby sa získali metylestery mastných kyselín. V stručnosti, približne 10 mg lipidov/100 ul roztoku CHCI3 (100 ul) sa odparilo s dusíkom v 8 ml skúmavke Pyrex© (SciLabware – DWK Life Sciences, Londýn, UK). Skúmavka bola umiestnená do Hex (0,5 ml) (PESTINORM®SUPRATRACE n-Hexán > 95 % pre organickú stopovú analýzu, VWR Chemicals, Radnor, PA, USA) a Hex/MeOH/BF3 (20/25/55) roztoku (0,5 ml) vo vodnom kúpeli pri 70 °C počas 90 min. Po ochladení sa pridal 10% vodný roztok H2S04 (0,2 ml) a nasýtený roztok NaCl (0,5 ml). Skúmavku premiešajte a naplňte zmes čistým Hex (8,0 ml). Časť hornej fázy sa preniesla do liekovky a analyzovala sa plynovou chromatografiou s plameňovým ionizačným detektorom (GC-FID). Vzorky sa analyzovali pomocou zariadenia Trace GC Ultra (Thermo Scientific, Waltham, MA, USA) vybaveného split/splitless injektorom (240 °C) v split režime (delený prietok: 10 ml/min), kolónou Stabilwax®-DA ( 30 m, 0,25 mm id, 0,25 μm, Restek Corp., Bellefonte, PA, USA) a FID (250 °C). Teplotný program bol nastavený nasledovne: 50 °C počas 1 minúty, zvýšenie na 150 °C pri 30 °C/min, zvýšenie na 240 °C pri 4 °C/min a pokračovanie pri 240 °C počas 5 minút. Hex bol použitý ako slepý pokus a na identifikáciu bol použitý referenčný štandard obsahujúci 37 metylesterov mastných kyselín (Supelco 37-komponentný FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, Belgicko). Identifikácia nenasýtených mastných kyselín (UFA) bola potvrdená komplexnou dvojrozmernou GC (GC×GC-FID) a prítomnosť izomérov bola presne určená miernou úpravou metódy Ferrara et al. 55. Podrobnosti o prístroji možno nájsť v doplnkovej tabuľke S3 a výsledky v doplnkovom obrázku S5.
Údaje sú prezentované vo formáte tabuľky programu Excel (Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA). Štatistická analýza sa uskutočnila pomocou R Studio (verzia 2023.12.1+402, Boston, USA)56. Údaje o hmotnosti lariev, čase vývoja a produktivite sa odhadli pomocou lineárneho modelu (LM) (príkaz „lm“, R balík „štatistiky“ 56 ), keďže zodpovedajú Gaussovmu rozdeleniu. Miery prežitia pomocou analýzy binomického modelu sa odhadli pomocou všeobecného lineárneho modelu (GLM) (príkaz „glm“, R balík „lme4“57). Normalita a homoskedasticita boli potvrdené pomocou Shapiro testu (príkaz „shapiro.test“, balík R „stats“ 56 ) a analýzy rozptylu údajov (príkaz betadisper, balík R „vegan“ 58 ). Po párovej analýze významných p-hodnôt (p < 0,05) z LM alebo GLM testu sa pomocou EMM testu zistili významné rozdiely medzi skupinami (príkaz „emmeans“, R balík „emmeans“ 59).
Kompletné FA spektrá boli porovnané pomocou multivariačnej permutačnej analýzy rozptylu (tj permMANOVA; príkaz „adonis2“, R package „vegan“ 58) s použitím euklidovskej matice vzdialenosti a 999 permutácií. To pomáha identifikovať mastné kyseliny, ktoré sú ovplyvnené povahou sacharidov v strave. Významné rozdiely v profiloch FA sa ďalej analyzovali pomocou párových porovnaní. Údaje sa potom vizualizovali pomocou analýzy hlavných komponentov (PCA) (príkaz „PCA“, balík R „FactoMineR“ 60). FA zodpovedný za tieto rozdiely bol identifikovaný interpretáciou korelačných kruhov. Títo kandidáti boli potvrdení pomocou jednosmernej analýzy rozptylu (ANOVA) (príkaz „aov“, balík R „štatistiky“56), po ktorom nasledoval Tukeyho post hoc test (príkaz TukeyHSD, balík R „štatistiky“56). Pred analýzou sa normalita vyhodnotila pomocou Shapiro-Wilkovho testu, homoskedasticita sa skontrolovala pomocou Bartlettovho testu (príkaz „bartlett.test“, balík R „stats“ 56) a ak nebol splnený ani jeden z dvoch predpokladov, použila sa neparametrická metóda. . Porovnali sa analýzy (príkaz „kruskal.test“, balík R „stats“ 56 ) a potom sa použili Dunnove post hoc testy (príkaz dunn.test, balík R „dunn.test“ 56 ).
Konečná verzia rukopisu bola skontrolovaná pomocou Grammarly Editor ako anglický korektor (Grammarly Inc., San Francisco, Kalifornia, USA) 61 .
Súbory údajov generované a analyzované počas súčasnej štúdie sú k dispozícii od príslušného autora na základe primeranej žiadosti.
Kim, SW, a kol. Uspokojenie globálneho dopytu po kŕmnych bielkovinách: výzvy, príležitosti a stratégie. Annals of Animal Biosciences 7, 221–243 (2019).
Caparros Megido, R., a kol. Prehľad stavu a perspektív svetovej produkcie jedlého hmyzu. Entomol. Gen. 44, (2024).
Rehman, K. ur, a kol. Muška čierneho vojaka (Hermetia illucens) ako potenciálne inovatívny a ekologický nástroj na nakladanie s organickým odpadom: Krátky prehľad. Výskum odpadového hospodárstva 41, 81–97 (2023).
Skala, A., a kol. Chovný substrát ovplyvňuje rast a stav makroživín priemyselne vyrábaných lariev mušiek. Sci. 10, 19448 (2020).
Shu, MK, a kol. Antimikrobiálne vlastnosti olejových extraktov z lariev múch čiernych chovaných na strúhanke. Animal Food Science, 64, (2024).
Schmitt, E. a de Vries, W. (2020). Potenciálne výhody používania hnoja čierneho vojaka ako úpravy pôdy na výrobu potravín a zníženého vplyvu na životné prostredie. Aktuálny názor. Green Sustain. 25, 100335 (2020).
Franco A. a kol. Lipidy z čiernych mušiek – inovatívny a udržateľný zdroj. Trvalo udržateľný rozvoj, roč. 13, (2021).
Van Huis, A. Hmyz ako potravina a krmivo, vznikajúca oblasť v poľnohospodárstve: prehľad. J. Insect Feed 6, 27–44 (2020).
Kachor, M., Bulak, P., Prots-Petrikha, K., Kirichenko-Babko, M. a Beganovsky, A. Rôzne využitie lietania čierneho vojaka v priemysle a poľnohospodárstve – prehľad. Biológia 12, (2023).
Hock, B., Noel, G., Carpentier, J., Francis, F. a Caparros Megido, R. Optimalizácia umelého rozmnožovania Hermetia illucens. PLOS ONE 14, (2019).
Čas odoslania: 25. decembra 2024