Tack för att du besöker Nature.com. Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd. För bästa resultat rekommenderar vi att du använder en nyare webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläget i Internet Explorer). Under tiden, för att säkerställa fortsatt support, kommer vi att visa webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Den svarta soldatflugan (Hermetia illucens, L. 1758) är en allätande insekt med stor potential att utnyttja kolhydratrika organiska biprodukter. Bland kolhydrater är svarta soldatflugor beroende av lösliga sockerarter för tillväxt och lipidsyntes. Syftet med denna studie var att utvärdera effekterna av vanliga lösliga sockerarter på utvecklingen, överlevnaden och fettsyraprofilen hos svarta soldatflugor. Komplettera kycklingfoder med monosackarider och disackarider separat. Cellulosa användes som kontroll. Larver som matades med glukos, fruktos, sackaros och maltos växte snabbare än kontrolllarver. Däremot hade laktos en antinutritionell effekt på larverna, vilket bromsade tillväxten och minskade den slutliga individuella kroppsvikten. Men alla lösliga sockerarter gjorde larverna fetare än de som fick kontrolldieten. Noterbart är att de testade sockerarterna formade fettsyraprofilen. Maltos och sackaros ökade innehållet av mättade fettsyror jämfört med cellulosa. Däremot ökade laktos bioackumuleringen av omättade fettsyror i kosten. Denna studie är den första som visar effekten av lösligt socker på fettsyrasammansättningen hos svarta soldatfluglarver. Våra resultat indikerar att de testade kolhydraterna har en signifikant effekt på fettsyrasammansättningen hos svarta soldatfluglarver och kan därför avgöra deras slutliga applicering.
Den globala efterfrågan på energi och animaliskt protein fortsätter att öka1. I samband med den globala uppvärmningen är det absolut nödvändigt att hitta grönare alternativ till fossil energi och traditionella livsmedelsproduktionsmetoder samtidigt som produktionen ökar. Insekter är lovande kandidater att ta itu med dessa problem på grund av deras lägre kemiska sammansättning och miljöpåverkan jämfört med traditionell boskapsuppfödning2. Bland insekter är en utmärkt kandidat för att ta itu med dessa frågor den svarta soldatflugan (BSF), Hermetia illucens (L. 1758), en ätande art som kan livnära sig på en mängd olika organiska substrat3. Därför kan valorisering av dessa substrat genom BSF-förädling skapa en ny källa till råvaror för att möta behoven hos olika industrier.
BSF-larver (BSFL) kan livnära sig på jordbruks- och agroindustriella biprodukter såsom bryggers spannmål, grönsaksrester, fruktkött och gammalt bröd, som är särskilt lämpade för BSFL-tillväxt på grund av deras höga kolhydrater (CH)4,5, 6 innehåll. Storskalig produktion av BSFL resulterar i bildandet av två produkter: avföring, en blandning av substratrester och avföring som kan användas som gödningsmedel för växtodling7, och larver, som huvudsakligen består av proteiner, lipider och kitin. Proteiner och lipider används främst i boskapsuppfödning, biobränsle och kosmetika8,9. När det gäller kitin, finner denna biopolymer tillämpningar inom jordbruks-livsmedelssektorn, bioteknik och hälsovård10.
BSF är en autogen holometabolisk insekt, vilket betyder att dess metamorfos och reproduktion, särskilt de energikrävande stadierna av insektens livscykel, helt kan stödjas av näringsreserver som genereras under larvtillväxt11. Mer specifikt leder protein- och lipidsyntesen till utvecklingen av fettkroppen, ett viktigt lagringsorgan som frigör energi under de icke-ätande faserna av BSF: prepupa (dvs. det sista larvstadiet under vilket BSF-larverna blir svarta medan de äter och söker för en miljö som är lämplig för metamorfos), puppor (dvs. det icke-rörliga stadiet under vilket insekten genomgår metamorfos) och vuxna12,13. CH är den huvudsakliga energikällan i kosten för BSF14. Bland dessa näringsämnen kan fibrös CH såsom hemicellulosa, cellulosa och lignin, till skillnad från disackarider och polysackarider (såsom stärkelse), inte smältas av BSFL15,16. Nedbrytning av CH är ett viktigt preliminärt steg för absorptionen av kolhydrater, som i slutändan hydrolyseras till enkla sockerarter i tarmen16. De enkla sockerarterna kan sedan absorberas (dvs genom tarmens peritrofiska membran) och metaboliseras för att producera energi17. Som nämnts ovan lagrar larver överskottsenergi som lipider i fettkroppen12,18. Lagringslipiderna består av triglycerider (neutrala lipider bildade av en glycerolmolekyl och tre fettsyror) som syntetiseras av larverna från enkla sockerarter. Dessa CH tillhandahåller acetyl-CoA-substraten som krävs för biosyntes av fettsyra (FA) via fettsyrasyntas- och tioesterasvägarna19. Fettsyraprofilen för H. illucens lipider domineras naturligt av mättade fettsyror (SFA) med en hög andel laurinsyra (C12:0)19,20. Därför håller den höga lipidhalten och fettsyrasammansättningen snabbt på att bli begränsande faktorer för användningen av hela larver i djurfoder, särskilt i vattenbruk där fleromättade fettsyror (PUFA) behövs21.
Sedan upptäckten av BSFL:s potential att minska organiskt avfall har studier av värdet av olika biprodukter visat att sammansättningen av BSFL delvis regleras av dess kost. För närvarande fortsätter regleringen av FA-profilen för H. illucens att förbättras. Förmågan hos BSFL att bioackumulera PUFA har visats på PUFA-rika substrat som alger, fiskavfall eller måltider som linfrö, vilket ger en FA-profil av högre kvalitet för djurnäring19,22,23. Däremot, för biprodukter som inte är berikade med PUFA, finns det inte alltid en korrelation mellan dietära FA-profilerna och larver FA, vilket indikerar påverkan av andra näringsämnen24,25. Faktum är att effekten av smältbar CH på FA-profiler fortfarande är dåligt förstådd och underforskad24,25,26,27.
Så vitt vi vet, även om totala monosackarider och disackarider är rikligt förekommande i kosten för H. illucens, är deras näringsmässiga roll fortfarande dåligt förstådd i H. illucens näring. Syftet med denna studie var att belysa deras effekter på BSFL-näring och lipidsammansättning. Vi kommer att utvärdera tillväxten, överlevnaden och produktiviteten hos larver under olika näringsförhållanden. Sedan kommer vi att beskriva lipidhalten och fettsyraprofilen för varje diet för att belysa effekterna av CH på BSFLs näringskvalitet.
Vi antog att naturen hos den testade CH skulle påverka (1) larvtillväxt, (2) totala lipidnivåer och (3) modulera FA-profilen. Monosackarider kan absorberas direkt, medan disackarider måste hydrolyseras. Monosackarider är således mer tillgängliga som direkta energikällor eller prekursorer för lipogenes via FA-syntas- och tioesterasvägarna, vilket ökar H. illucens larvtillväxt och främjar ackumuleringen av reservlipider (särskilt laurinsyra).
Den testade CH påverkade larvernas genomsnittliga kroppsvikt under tillväxt (Fig. 1). FRU, GLU, SUC och MAL ökade larvernas kroppsvikt på samma sätt som kontrolldieten (CEL). Däremot verkade LAC och GAL fördröja larvutvecklingen. Noterbart var att LAC hade en signifikant negativ effekt på larvtillväxten jämfört med SUC under hela tillväxtperioden: 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 och 211,79 ± 14,93 mg, respektive dag 17 (F6,21 = 38,57, p < 0,001; Fig. 1).
Använder olika monosackarider (fruktos (FRU), galaktos (GAL), glukos (GLU)), disackarider (laktos (LAC), maltos (MAL), sackaros (SUC) och cellulosa (CEL) som kontroller. Tillväxt av larver som matas med larver av svarta soldatflugor. Varje punkt på kurvan representerar den genomsnittliga individuella vikten (mg) beräknad genom att väga 20 slumpmässigt utvalda larver från en population på 100 larver (n = 4). Felstaplar representerar SD.
CEL-dieten gav utmärkt larveröverlevnad på 95,5 ± 3,8 %. Dessutom reducerades överlevnaden för H. illucens matade dieter innehållande lösligt CH (GLM: χ = 107,13, df = 21, p < 0,001), vilket orsakades av MAL och SUC (disackarider) i den studerade CH. Dödligheten var lägre än för GLU, FRU, GAL (monosackarid) och LAC (EMM: p < 0,001, figur 2).
Boxplot över överlevnad av svarta soldatfluglarver behandlade med olika monosackarider (fruktos, galaktos, glukos), disackarider (laktos, maltos, sackaros) och cellulosa som kontroller. Behandlingar med samma bokstav skiljer sig inte signifikant från varandra (EMM, p > 0,05).
Alla testade dieter tillät larverna att nå prepupalstadiet. De testade CH:erna tenderade dock att förlänga larvutvecklingen (F6,21=9,60, p<0,001; Tabell 1). Speciellt tog larver som matades med GAL och LAC längre tid att nå prepupalstadiet jämfört med larver som fötts upp på CEL (CEL-GAL: p<0,001; CEL-LAC: p<0,001; Tabell 1).
Den testade CH hade också olika effekter på larvernas kroppsvikt, där kroppsvikten för larver som matades med CEL-dieten nådde 180,19 ± 11,35 mg (F6,21 = 16,86, p < 0,001; Fig. 3). FRU, GLU, MAL och SUC resulterade i en genomsnittlig slutlig larverkroppsvikt på mer än 200 mg, vilket var signifikant högre än för CEL (p < 0,05). Däremot hade larver som matades med GAL och LAC lägre kroppsvikter, i genomsnitt 177,64 ± 4,23 mg respektive 156,30 ± 2,59 mg (p < 0,05). Denna effekt var mer uttalad med LAC, där den slutliga kroppsvikten var lägre än med kontrolldieten (CEL-LAC: skillnad = 23,89 mg; p = 0,03; figur 3).
Genomsnittlig slutvikt av enskilda larver uttryckt som larvfläckar (mg) och svarta soldatflugor uttryckt som histogram (g) matade med olika monosackarider (fruktos, galaktos, glukos), disackarider (laktos, maltos, sackaros) och cellulosa (som kontroll). Kolumnbokstäver representerar grupper som är signifikant olika i total larvvikt (p < 0,001). Bokstäver associerade med larvfläckar representerar grupper med signifikant olika individuella larvvikter (p < 0,001). Felstaplar representerar SD.
Maximal individuell vikt var oberoende av den maximala slutliga totala larvkolonivikten. Faktum är att dieter innehållande FRU, GLU, MAL och SUC inte ökade den totala larvvikten som producerades i tanken jämfört med CEL (Figur 3). LAC minskade dock den totala vikten signifikant (CEL-LAC: skillnad = 9,14 g; p < 0,001; figur 3).
Tabell 1 visar skörden (larver/dag). Intressant nog var de optimala utbytena av CEL, MAL och SUC likartade (tabell 1). Däremot reducerade FRU, GAL, GLU och LAC utbytet jämfört med CEL (tabell 1). GAL och LAC presterade sämst: avkastningen halverades till endast 0,51 ± 0,09 g larver/dag respektive 0,48 ± 0,06 g larver/dag (tabell 1).
Monosackarider och disackarider ökade lipidhalten i CF-larverna (tabell 1). På CLE-dieten erhölls larver med en lipidhalt på 23,19 ± 0,70 % av DM-halten. Som jämförelse var den genomsnittliga lipidhalten i larver som matades med lösligt socker mer än 30 % (tabell 1). Men de testade CH:arna ökade sin fetthalt i samma utsträckning.
Som förväntat påverkade CG-personerna larvernas FA-profil i varierande grad (Fig. 4). SFA-halten var hög i alla dieter och nådde mer än 60 %. MAL och SUC obalanserade FA-profilen, vilket ledde till en ökning av SFA-innehållet. När det gäller MAL ledde å ena sidan denna obalans övervägande till en minskning av halten enkelomättade fettsyror (MUFA) (F6,21 = 7,47; p < 0,001; Fig. 4). Å andra sidan, för SUC, var minskningen mer enhetlig mellan MUFA och PUFA. LAC och MAL hade motsatta effekter på FA-spektrumet (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; figur 4). Den lägre andelen SFA i LAC-matade larver verkar öka MUFA-halten. I synnerhet var MUFA-nivåerna högre i LAC-matade larver jämfört med andra lösliga sockerarter förutom GAL (F6,21 = 7,47; p < 0,001; figur 4).
Använder olika monosackarider (fruktos (FRU), galaktos (GAL), glukos (GLU)), disackarider (laktos (LAC), maltos (MAL), sackaros (SUC) och cellulosa (CEL) som kontroller, boxplot av fettsyra sammansättning matas till larver av svarta soldatflugor. Resultaten uttrycks i procent av total FAME. Behandlingar markerade med olika bokstäver är signifikant olika (p < 0,001). (a) Andel mättade fettsyror. (b) Enkelomättade fettsyror; (c) Fleromättade fettsyror.
Bland de identifierade fettsyrorna var laurinsyra (C12:0) dominant i alla observerade spektra (mer än 40%). Andra närvarande SFA var palmitinsyra (C16:0) (mindre än 10%), stearinsyra (C18:0) (mindre än 2,5%) och kaprinsyra (C10:0) (mindre än 1,5%). MUFA representerades huvudsakligen av oljesyra (C18:1n9) (mindre än 9,5%), medan PUFA huvudsakligen bestod av linolsyra (C18:2n6) (mindre än 13,0%) (se tilläggstabell S1). Dessutom kunde en liten andel föreningar inte identifieras, särskilt i spektra av CEL-larver, där oidentifierad förening nummer 9 (UND9) stod för i genomsnitt 2,46 ± 0,52 % (se tilläggstabell S1). GC×GC-FID-analys antydde att det kan vara en 20-kolsfettsyra med fem eller sex dubbelbindningar (se kompletterande figur S5).
PERMANOVA-analysen avslöjade tre distinkta grupper baserade på fettsyraprofilerna (F6,21 = 7,79, p < 0,001; figur 5). Principal komponentanalys (PCA) av TBC-spektrumet illustrerar detta och förklaras av två komponenter (Figur 5). De huvudsakliga komponenterna förklarade 57,9 % av variansen och inkluderade, i viktordning, laurinsyra (C12:0), oljesyra (C18:1n9), palmitinsyra (C16:0), stearinsyra (C18:0) och linolensyra (C18:3n3) (se figur S4). Den andra komponenten förklarade 26,3 % av variansen och inkluderade, i viktordning, dekansyra (C10:0) och linolsyra (C18:2n6 cis) (se kompletterande figur S4). Profilerna för dieter som innehåller enkla sockerarter (FRU, GAL och GLU) visade liknande egenskaper. Däremot gav disackarider olika profiler: MAL och SUC å ena sidan och LAC å andra sidan. I synnerhet var MAL det enda sockret som ändrade FA-profilen jämfört med CEL. Dessutom skilde sig MAL-profilen signifikant från FRU- och GLU-profilerna. I synnerhet visade MAL-profilen den högsta andelen C12:0 (54,59 ± 2,17%), vilket gör den jämförbar med CEL (43,10 ± 5,01%), LAC (43,35 ± 1,31%), FRU (48,90 ± 1,97%) och GLU (48,38 ± 2,17%) profiler (se tilläggstabell S1). MAL-spektrumet visade också det lägsta C18:1n9-innehållet (9,52 ± 0,50 %), vilket ytterligare differentierade det från LAC (12,86 ± 0,52 %) och CEL (12,40 ± 1,31 %) spektra. En liknande trend observerades för C16:0. I den andra komponenten visade LAC-spektrumet det högsta C18:2n6-innehållet (17,22 ± 0,46%), medan MAL visade det lägsta (12,58 ± 0,67%). C18:2n6 skilde också LAC från kontrollen (CEL), som visade lägre nivåer (13,41 ± 2,48%) (se tilläggstabell S1).
PCA-plott av fettsyraprofilen för svarta soldatfluglarver med olika monosackarider (fruktos, galaktos, glukos), disackarider (laktos, maltos, sackaros) och cellulosa som kontroll.
För att studera näringseffekterna av lösliga sockerarter på H. illucens larver ersattes cellulosa (CEL) i kycklingfoder med glukos (GLU), fruktos (FRU), galaktos (GAL), maltos (MAL), sackaros (SUC) och laktos (LAC). Monosackarider och disackarider hade dock olika effekter på utvecklingen, överlevnaden och sammansättningen av HF-larver. Till exempel utövade GLU, FRU och deras disackaridformer (MAL och SUC) positiva stödjande effekter på larvtillväxt, vilket gjorde att de kunde uppnå högre slutliga kroppsvikter än CEL. Till skillnad från svårsmält CEL kan GLU, FRU och SUC kringgå tarmbarriären och fungera som viktiga näringskällor i formulerade dieter16,28. MAL saknar specifika djurtransportörer och tros hydrolyseras till två glukosmolekyler före assimilering15. Dessa molekyler lagras i insektskroppen som en direkt energikälla eller som lipider18. För det första, när det gäller det senare, kan vissa av de observerade intramodala skillnaderna bero på små skillnader i könskvoter. Faktum är att hos H. illucens kan reproduktionen vara helt spontan: vuxna honor har naturligt tillräckliga äggläggningsreserver och är tyngre än hanar29. Men lipidackumulering i BSFL korrelerar med intag av lösligt CH2 i kosten, som tidigare observerats för GLU och xylos26,30. Till exempel observerade Li et al.30 att när 8 % GLU tillsattes till larvdieten ökade lipidhalten i BSF-larver med 7,78 % jämfört med kontroller. Våra resultat överensstämmer med dessa observationer, som visar att fetthalten i larver som matades med lösligt socker var högre än hos larver som fick CEL-dieten, jämfört med en ökning på 8,57 % med GLU-tillskott. Överraskande nog observerades liknande resultat i larver som matades med GAL och LAC, trots de negativa effekterna på larvtillväxt, slutlig kroppsvikt och överlevnad. Larver som matades med LAC var betydligt mindre än de som fick CEL-dieten, men deras fetthalt var jämförbar med larver som matades med andra lösliga sockerarter. Dessa resultat framhäver laktos mot näringseffekter på BSFL. För det första innehåller kosten en stor mängd CH. Absorptions- och hydrolyssystemen av monosackarider respektive disackarider kan nå mättnad, vilket orsakar flaskhalsar i assimileringsprocessen. När det gäller hydrolys utförs den av α- och β-glukosidaser 31 . Dessa enzymer har föredragna substrat beroende på deras storlek och de kemiska bindningarna (α- eller β-bindningar) mellan deras ingående monosackarider 15 . Hydrolys av LAC till GLU och GAL utförs av β-galaktosidas, ett enzym vars aktivitet har påvisats i tarmen av BSF 32 . Emellertid kan dess uttryck vara otillräckligt jämfört med mängden LAC som konsumeras av larver. Däremot kan a-glukosidasmaltas och sukras 15, som är kända för att uttryckas rikligt i insekter, bryta ner stora mängder MAL och sackaros SUC, och därigenom begränsa denna mättande effekt. För det andra kan antinutritionella effekter bero på den minskade stimuleringen av insekts intestinal amylasaktivitet och långsammare matningsbeteende jämfört med andra behandlingar. Faktum är att lösliga sockerarter har identifierats som stimulatorer av enzymaktivitet som är viktiga för insekters matsmältning, såsom amylas, och som utlösare av matningssvaret33,34,35. Graden av stimulering varierar beroende på sockrets molekylära struktur. Faktum är att disackarider kräver hydrolys före absorption och tenderar att stimulera amylas mer än deras ingående monosackarider34. Däremot har LAC en mildare effekt och har visat sig vara oförmögen att stödja insektstillväxt hos olika arter33,35. Till exempel, i skadegöraren Spodoptera exigua (Boddie 1850), upptäcktes ingen hydrolytisk aktivitet av LAC i extrakt av larv-mellantarmsenzymer36.
När det gäller FA-spektrumet indikerar våra resultat signifikanta modulerande effekter av den testade CH. Noterbart, även om laurinsyra (C12:0) stod för mindre än 1 % av den totala FA i kosten, dominerade den i alla profiler (se tilläggstabell S1). Detta överensstämmer med tidigare data om att laurinsyra syntetiseras från CH i H. illucens via en väg som involverar acetyl-CoA-karboxylas och FA-syntas19,27,37. Våra resultat bekräftar att CEL till stor del är svårsmält och fungerar som ett "bulkmedel" i BSF-kontrolldieter, vilket diskuterats i flera BSFL-studier38,39,40. Att ersätta CEL med andra monosackarider och disackarider än LAC ökade förhållandet C12:0, vilket tyder på ökat CH-upptag av larver. Intressant nog främjar disackariderna MAL och SUC laurinsyrasyntesen mer effektivt än deras ingående monosackarider, vilket tyder på att disackaridtransportörer, trots den högre graden av polymerisation av GLU och FRU, och eftersom Drosophila är den enda sackarostransportören som har identifierats i animaliska proteinarter. kanske inte finns i tarmen hos H. illucens larva15, användningen av GLU och FRU ökas. Men även om GLU och FRU teoretiskt sett lättare metaboliseras av BSF, metaboliseras de också lättare av substrat och tarmmikroorganismer, vilket kan resultera i deras snabbare nedbrytning och minskad användning av larver jämfört med disackarider.
Vid första anblicken var lipidhalten i larver som matades med LAC och MAL jämförbar, vilket tyder på liknande biotillgänglighet för dessa sockerarter. Men överraskande nog var FA-profilen för LAC rikare på SFA, särskilt med lägre C12:0-innehåll, jämfört med MAL. En hypotes för att förklara denna skillnad är att LAC kan stimulera bioackumuleringen av FA via acetyl-CoA FA-syntas. Som stöd för denna hypotes hade LAC-larver det lägsta förhållandet mellan dekanoat (C10:0) (0,77 ± 0,13 %) än CEL-dieten (1,27 ± 0,16 %), vilket tyder på minskad aktivitet av FA-syntas och tioesteras19. För det andra anses fettsyror i kosten vara den huvudsakliga faktorn som påverkar SFA-sammansättningen av H. illucens27. I våra experiment stod linolsyra (C18:2n6) för 54,81 % av fettsyrorna i kosten, med andelen i LAC-larver 17,22 ± 0,46 % och i MAL 12,58 ± 0,67 %. Oljesyra (cis + trans C18:1n9) (23,22 % i kosten) visade en liknande trend. Förhållandet mellan α-linolensyra (C18:3n3) stöder också hypotesen om bioackumulering. Denna fettsyra är känd för att ackumuleras i BSFL vid substratanrikning, såsom tillsats av linfrökaka, upp till 6-9 % av de totala fettsyrorna i larver19. I berikad kost kan C18:3n3 stå för upp till 35 % av de totala fettsyrorna i kosten. Men i vår studie stod C18:3n3 för endast 2,51 % av fettsyraprofilen. Även om andelen som hittades i naturen var lägre i våra larver, var denna andel högre i LAC-larver (0,87 ± 0,02%) än i MAL (0,49 ± 0,04%) (p < 0,001; se tilläggstabell S1). CEL-dieten hade en mellanandel på 0,72 ± 0,18 %. Slutligen återspeglar förhållandet palmitinsyra (C16:0) i CF-larver bidraget från syntetiska vägar och FA19 i kosten. Hoc et al. 19 observerade att C16:0-syntesen reducerades när kosten berikades med linfrömjöl, vilket tillskrevs en minskning av tillgängligheten av acetyl-CoA-substratet på grund av en minskning av CH-förhållandet. Överraskande nog, även om båda dieterna hade liknande CH-innehåll och MAL visade högre biotillgänglighet, visade MAL-larver det lägsta C16:0-förhållandet (10,46 ± 0,77%), medan LAC visade en högre andel, vilket stod för 12,85 ± 0,27% (p < 0,05; se; se Kompletterande tabell S1). Dessa resultat belyser näringsämnenas komplexa inverkan på BSFL-matsmältning och metabolism. För närvarande är forskningen om detta ämne mer grundlig i Lepidoptera än i Diptera. Hos larver identifierades LAC som en svag stimulans av ätbeteende jämfört med andra lösliga sockerarter som SUC och FRU34,35. Speciellt i Spodopteralittoralis (Boisduval 1833) stimulerade MAL-konsumtion amylolytisk aktivitet i tarmen i större utsträckning än LAC34. Liknande effekter i BSFL kan förklara den ökade stimuleringen av C12:0-syntesvägen i MAL-larver, som är associerad med ökad intestinalt absorberad CH, förlängd matning och intestinal amylasverkan. Mindre stimulering av matningsrytmen i närvaro av LAC kan också förklara den långsammare tillväxten av LAC-larver. Dessutom har Liu Yanxia et al. 27 noterade att hållbarheten för lipider i H. illucens-substrat var längre än för CH. Därför kan LAC-larver förlita sig mer på lipider i kosten för att fullborda sin utveckling, vilket kan öka deras slutliga lipidinnehåll och modulera deras fettsyraprofil.
Så vitt vi vet har endast ett fåtal studier testat effekterna av monosackarider och disackarider till BSF-dieter på deras FA-profiler. Först, Li et al. 30 utvärderade effekterna av GLU och xylos och observerade lipidnivåer som liknade våra vid en tillsatshastighet på 8 %. FA-profilen var inte detaljerad och bestod huvudsakligen av SFA, men inga skillnader hittades mellan de två sockerarterna eller när de presenterades samtidigt30. Vidare har Cohn et al. 41 visade ingen effekt av 20 % GLU, SUC, FRU och GAL tillsats till kycklingfoder på respektive FA-profiler. Dessa spektra erhölls från tekniska snarare än biologiska replikat, vilket, som förklarats av författarna, kan begränsa den statistiska analysen. Dessutom begränsar bristen på iso-sockerkontroll (med CEL) tolkningen av resultaten. Nyligen har två studier av Nugroho RA et al. visade anomalier i FA-spektra42,43. I den första studien, Nugroho RA et al. 43 testade effekten av att tillsätta FRU till fermenterat palmkärnmjöl. FA-profilen för de resulterande larverna visade onormalt höga nivåer av PUFA, varav mer än 90% härrörde från kosten innehållande 10% FRU (liknande vår studie). Även om denna diet innehöll PUFA-rika fiskpellets, var de rapporterade FA-profilvärdena för larverna på kontrolldieten bestående av 100 % fermenterad PCM inte förenliga med någon tidigare rapporterad profil, särskilt den onormala nivån av C18:3n3 på 17,77 ± 1,67 % och 26,08 ± 0,20 % för konjugerad linolsyra (C18:2n6t), en sällsynt isomer av linolsyra. Den andra studien visade liknande resultat inklusive FRU, GLU, MAL och SUC42 i fermenterat palmkärnmjöl. Dessa studier, liksom vår, belyser allvarliga svårigheter med att jämföra resultat från BSF-larvdietförsök, såsom kontrollval, interaktioner med andra näringskällor och FA-analysmetoder.
Under experimenten observerade vi att substratets färg och lukt varierade beroende på vilken kost som användes. Detta tyder på att mikroorganismer kan spela en roll i de resultat som observeras i substratet och larvernas matsmältningssystem. Faktum är att monosackarider och disackarider lätt metaboliseras av koloniserande mikroorganismer. Mikroorganismers snabba konsumtion av lösliga sockerarter kan resultera i frisättning av stora mängder mikrobiella metaboliska produkter såsom etanol, mjölksyra, kortkedjiga fettsyror (t.ex. ättiksyra, propionsyra, smörsyra) och koldioxid44. Vissa av dessa föreningar kan vara ansvariga för de dödliga toxiska effekterna på larver som också observerats av Cohn et al.41 under liknande utvecklingsförhållanden. Etanol är till exempel skadligt för insekter45. Stora mängder koldioxidutsläpp kan resultera i att det ansamlas i botten av tanken, vilket kan beröva atmosfären på syre om luftcirkulationen inte tillåter att det släpps ut. När det gäller SCFA, är deras effekter på insekter, särskilt H. illucens, fortfarande dåligt förstådda, även om mjölksyra, propionsyra och smörsyra har visat sig vara dödliga i Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775)46. I Drosophila melanogaster Meigen 1830 är dessa SCFA luktmarkörer som leder honor till äggläggningsplatser, vilket tyder på en fördelaktig roll i larvutvecklingen47. Ättiksyra klassificeras dock som ett farligt ämne och kan avsevärt hämma larvutvecklingen47. Däremot har mikrobiellt härlett laktat nyligen visat sig ha en skyddande effekt mot invasiva tarmmikrober i Drosophila48. Vidare spelar mikroorganismer i matsmältningssystemet också en roll vid nedbrytning av CH hos insekter49. Fysiologiska effekter av SCFA på tarmmikrobiotan, såsom matningshastighet och genuttryck, har beskrivits hos ryggradsdjur 50 . De kan också ha en trofisk effekt på H. illucens larver och kan delvis bidra till regleringen av FA-profiler. Studier av de näringsmässiga effekterna av dessa mikrobiella jäsningsprodukter kommer att klargöra deras effekter på H. illucens näring och ge underlag för framtida studier av nyttiga eller skadliga mikroorganismer vad gäller deras utveckling och värdet av FA-rika substrat. I detta avseende studeras mikroorganismernas roll i matsmältningsprocesserna hos massodlade insekter alltmer. Insekter börjar ses som bioreaktorer som ger pH och syresättningsförhållanden som underlättar utvecklingen av mikroorganismer som är specialiserade på nedbrytning eller avgiftning av näringsämnen som är svåra att smälta för insekter 51 . Nyligen visade Xiang et al.52 att till exempel ympning av organiskt avfall med en bakterieblandning tillåter CF att attrahera bakterier specialiserade på nedbrytning av lignocellulosa, vilket förbättrar dess nedbrytning i substratet jämfört med substrat utan larver.
Slutligen, med hänsyn till H. illucens fördelaktiga användning av organiskt avfall, producerade CEL- och SUC-dieterna det högsta antalet larver per dag. Detta innebär att trots den lägre slutvikten hos enskilda individer är den totala larvvikten som produceras på ett substrat bestående av svårsmält CH jämförbar med den som erhålls på en homosackariddiet innehållande monosackarider och disackarider. I vår studie är det viktigt att notera att nivåerna av andra näringsämnen är tillräckliga för att stödja tillväxten av larvpopulationen och att tillsatsen av CEL bör begränsas. Den slutliga sammansättningen av larverna skiljer sig dock åt, vilket understryker vikten av att välja rätt strategi för valorisering av insekterna. CEL-larver som utfodras med helfoder är mer lämpade att användas som djurfoder på grund av deras lägre fetthalt och lägre laurinsyranivåer, medan larver som utfodras med SUC- eller MAL-dieter kräver avfettning genom pressning för att öka värdet på oljan, särskilt i biobränslet sektor. LAC finns i mejeriindustrins biprodukter såsom vassle från ostproduktion. Nyligen förbättrade dess användning (3,5 % laktos) larvernas slutliga kroppsvikt53. Kontrolldieten i denna studie innehöll dock hälften av lipidhalten. Därför kan de antinutritionella effekterna av LAC ha motverkats av larvbioackumulering av dietära lipider.
Som visat av tidigare studier påverkar egenskaperna hos monosackarider och disackarider signifikant tillväxten av BSFL och modulerar dess FA-profil. Speciellt tycks LAC spela en antinutritionell roll under larvutvecklingen genom att begränsa tillgången på CH för lipidabsorption i kosten, och därigenom främja UFA-bioackumulering. I detta sammanhang skulle det vara intressant att genomföra bioanalyser med dieter som kombinerar PUFA och LAC. Dessutom förblir mikroorganismernas roll, särskilt rollen för mikrobiella metaboliter (såsom SCFA) härledda från sockerfermenteringsprocesser, ett forskningsämne som är värt att undersökas.
Insekter erhölls från BSF-kolonin i Laboratory of Functional and Evolutionary Entomology etablerad 2017 vid Agro-Bio Tech, Gembloux, Belgien (för mer information om uppfödningsmetoder, se Hoc et al. 19). För experimentella försök samlades 2,0 g BSF-ägg slumpmässigt in dagligen från avelsburar och inkuberades i 2,0 kg 70 % vått kycklingfoder (Aveve, Leuven, Belgien). Fem dagar efter kläckningen separerades larverna från substratet och räknades manuellt för experimentändamål. Den initiala vikten för varje sats mättes. Den genomsnittliga individuella vikten var 7,125 ± 0,41 mg, och medelvärdet för varje behandling visas i tilläggstabell S2.
Dietformuleringen anpassades från studien av Barragan-Fonseca et al. 38 . Kortfattat fann man en kompromiss mellan samma foderkvalitet för larvkycklingar, liknande torrsubstanshalt (DM), hög CH (10 % baserat på färsk diet) och konsistens, eftersom enkla sockerarter och disackarider inte har några strukturella egenskaper. Enligt tillverkarens information (Chicken Feed, AVEVE, Leuven, Belgien) tillsattes det testade CH (dvs. lösligt socker) separat som en autoklaverad vattenlösning (15,9 %) till en diet bestående av 16,0 % protein, 5,0 % totala lipider, 11,9 % malt kycklingfoder bestående av aska och 4,8 % fibrer. I varje 750 ml burk (17,20 x 11,50 x 6,00 cm, AVA, Tempsee, Belgien) blandades 101,9 g autoklaverad CH-lösning med 37,8 g kycklingfoder. För varje diet var torrsubstanshalten 37,0 %, inklusive homogent protein (11,7 %), homogena lipider (3,7 %) och homogena sockerarter (26,9 % av tillsatt CH). CH som testades var glukos (GLU), fruktos (FRU), galaktos (GAL), maltos (MAL), sackaros (SUC) och laktos (LAC). Kontrolldieten bestod av cellulosa (CEL), som anses svårsmält för H. illucens larver 38 . Hundra 5 dagar gamla larver placerades i en bricka försedd med lock med ett 1 cm diameters hål i mitten och täckt med ett plastmyggnät. Varje diet upprepades fyra gånger.
Larvervikterna mättes tre dagar efter experimentets början. För varje mätning avlägsnades 20 larver från substratet med sterilt varmt vatten och pincett, torkades och vägdes (STX223, Ohaus Scout, Parsippany, USA). Efter vägning återfördes larverna till mitten av substratet. Mätningar gjordes regelbundet tre gånger i veckan tills den första prepuppan dök upp. Vid denna tidpunkt, samla in, räkna och väg alla larver som beskrivits tidigare. Separera larverna i stadium 6 (dvs. vita larver som motsvarar larvstadiet som föregår prepuppstadiet) och prepupper (dvs. det sista larvstadiet under vilket BSF-larver blir svarta, slutar äta och söker en miljö som är lämplig för metamorfos) och lagras vid - 18°C för sammansättningsanalys. Utbytet beräknades som förhållandet mellan den totala massan av insekter (larver och prepuppor från steg 6) erhållen per skål (g) och utvecklingstiden (d). Alla medelvärden i texten uttrycks som: medelvärde ± SD.
Alla efterföljande steg med användning av lösningsmedel (hexan (Hex), kloroform (CHCl3), metanol (MeOH)) utfördes under ett dragskåp och krävde nitrilhandskar, förkläden och skyddsglasögon.
Vita larver torkades i en FreeZone6 frystork (Labconco Corp., Kansas City, MO, USA) i 72 timmar och maldes sedan (IKA A10, Staufen, Tyskland). Totala lipider extraherades från ±1 g pulver med användning av Folch-metoden 54. Den återstående fukthalten i varje lyofiliserat prov bestämdes i duplikat med användning av en fuktanalysator (MA 150, Sartorius, Göttiggen, Tyskland) för att korrigera för totala lipider.
Totala lipider transesterifierades under sura betingelser för att erhålla fettsyrametylestrar. Kortfattat, cirka 10 mg lipider/100 µl CHCl3-lösning (100 µl) indunstades med kväve i ett 8 ml Pyrex©-rör (SciLabware – DWK Life Sciences, London, Storbritannien). Röret placerades i Hex (0,5 ml) (PESTINORM® SUPRATRACE n-Hexane > 95 % för organisk spåranalys, VWR Chemicals, Radnor, PA, USA) och Hex/MeOH/BF3 (20/25/55) lösning (0,5) ml) i ett vattenbad vid 70 °C i 90 min. Efter kylning tillsattes 10% vattenhaltig H2S04-lösning (0,2 ml) och mättad NaCl-lösning (0,5 ml). Blanda röret och fyll blandningen med ren Hex (8,0 ml). En del av den övre fasen överfördes till en flaska och analyserades med gaskromatografi med en flamjoniseringsdetektor (GC-FID). Proverna analyserades med en Trace GC Ultra (Thermo Scientific, Waltham, MA, USA) utrustad med en delad/splitlös injektor (240 °C) i delat läge (delat flöde: 10 ml/min), en Stabilwax®-DA-kolonn ( 30 m, 0,25 mm id, 0,25 μm, Restek Corp., Bellefonte, PA, USA) och en FID (250°C). Temperaturprogrammet ställdes in enligt följande: 50 °C under 1 min, ökande till 150 °C vid 30 °C/min, ökande till 240 °C vid 4 °C/min och fortsättning vid 240 °C i 5 minuter. Hex användes som ett blankprov och en referensstandard innehållande 37 fettsyrametylestrar (Supelco 37-komponent FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, Belgien) användes för identifiering. Identifieringen av omättade fettsyror (UFA) bekräftades av omfattande tvådimensionell GC (GC×GC-FID) och närvaron av isomerer bestämdes noggrant genom en liten anpassning av metoden enligt Ferrara et al. 55. Instrumentdetaljer finns i tilläggstabell S3 och resultaten i tilläggsbild S5.
Data presenteras i Excel-kalkylbladsformat (Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA). Statistisk analys utfördes med användning av R Studio (version 2023.12.1+402, Boston, USA) 56 . Data om larvvikt, utvecklingstid och produktivitet uppskattades med hjälp av den linjära modellen (LM) (kommando "lm", R-paket "stats" 56 ) eftersom de passar en Gaussisk fördelning. Överlevnadsfrekvenser med hjälp av binomial modellanalys uppskattades med hjälp av den allmänna linjära modellen (GLM) (kommando "glm", R-paket "lme4" 57 ). Normalitet och homoskedasticitet bekräftades med Shapiro-testet (kommandot "shapiro.test", R-paketet "stats" 56 ) och analys av datavarians (kommando betadisper, R-paketet "vegan" 58 ). Efter parvis analys av signifikanta p-värden (p < 0,05) från LM- eller GLM-testet upptäcktes signifikanta skillnader mellan grupper med EMM-testet (kommando "emmeans", R-paket "emmeans" 59).
De fullständiga FA-spektra jämfördes med hjälp av multivariat permutationsanalys av varians (dvs permMANOVA; kommandot "adonis2", R-paketet "vegan" 58) med användning av den euklidiska avståndsmatrisen och 999 permutationer. Detta hjälper till att identifiera fettsyror som påverkas av kolhydraternas natur. Signifikanta skillnader i FA-profilerna analyserades ytterligare med hjälp av parvisa jämförelser. Datan visualiserades sedan med användning av principal component analysis (PCA) (kommando "PCA", R-paket "FactoMineR" 60). Den FA som var ansvarig för dessa skillnader identifierades genom att tolka korrelationscirklarna. Dessa kandidater bekräftades med en enkelriktad variansanalys (ANOVA) (kommando "aov", R-paket "stats" 56 ) följt av Tukeys post hoc-test (kommando TukeyHSD, R-paket "stats" 56 ). Före analys utvärderades normaliteten med Shapiro-Wilk-testet, homoskedasticitet kontrollerades med Bartlett-testet (kommandot "bartlett.test", R-paketet "stats" 56), och en icke-parametrisk metod användes om inget av de två antagandena uppfylldes . Analyser jämfördes (kommandot “kruskal.test”, R-paketet “stats” 56 ), och sedan tillämpades Dunns post hoc-tester (kommando dunn.test, R-paketet “dunn.test” 56 ).
Den slutliga versionen av manuskriptet kontrollerades med Grammarly Editor som engelsk korrekturläsare (Grammarly Inc., San Francisco, Kalifornien, USA) 61 .
Datauppsättningarna som genereras och analyseras under den aktuella studien är tillgängliga från motsvarande författare på rimlig begäran.
Kim, SW, et al. Att möta den globala efterfrågan på foderprotein: utmaningar, möjligheter och strategier. Annals of Animal Biosciences 7, 221–243 (2019).
Caparros Megido, R., et al. Genomgång av status och utsikter för världsproduktionen av ätbara insekter. Entomol. Gen. 44, (2024).
Rehman, K. ur, et al. Svart soldatfluga (Hermetia illucens) som ett potentiellt innovativt och miljövänligt verktyg för organisk avfallshantering: En kort recension. Waste Management Research 41, 81–97 (2023).
Skala, A., et al. Uppfödningssubstrat påverkar tillväxten och makronäringsstatus hos industriellt producerade svarta soldatfluglarver. Sci. Rep. 10, 19448 (2020).
Shu, MK, et al. Antimikrobiella egenskaper hos oljeextrakt från larver av svarta soldatflugor uppfödda på brödsmulor. Animal Food Science, 64, (2024).
Schmitt, E. och de Vries, W. (2020). Potentiella fördelar med att använda svart soldatfluggödsel som jordförbättring för livsmedelsproduktion och minskad miljöpåverkan. Aktuell åsikt. Green Sustain. 25, 100335 (2020).
Franco A. et al. Lipider från svarta soldatflugor – en innovativ och hållbar källa. Hållbar utveckling, vol. 13, (2021).
Van Huis, A. Insekter som mat och foder, ett framväxande fält inom jordbruket: en recension. J. Insektsfoder 6, 27–44 (2020).
Kachor, M., Bulak, P., Prots-Petrikha, K., Kirichenko-Babko, M. och Beganovsky, A. Olika användningar av svarta soldatflugor inom industri och jordbruk – en recension. Biology 12, (2023).
Hock, B., Noel, G., Carpentier, J., Francis, F. och Caparros Megido, R. Optimering av artificiell förökning av Hermetia illucens. PLOS ONE 14, (2019).
Posttid: 2024-12-25