亮斑扁角水虻高附加值產(chǎn)品開發(fā)的研究進(jìn)展

高 俏， 劉馨檜， 李 逵， 雷朝亮， 朱 芬

(湖北省利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物國際科技合作基地，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430070)

亮斑扁角水虻高附加值產(chǎn)品開發(fā)的研究進(jìn)展

高 俏， 劉馨檜， 李 逵， 雷朝亮， 朱 芬*

(湖北省利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物國際科技合作基地，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430070)

亮斑扁角水虻(HermetiaillucensLinnaeus)，俗稱黑水虻，幼蟲腐食性，生物量大，生長周期較短，在有機(jī)廢棄物無害化處理中得到廣泛應(yīng)用，生產(chǎn)的黑水虻可用于提取抗菌肽、提煉生物柴油、加工成昆蟲蛋白或提取幾丁質(zhì)和殼聚糖。對以黑水虻為原料高附加值產(chǎn)品開發(fā)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，為黑水虻養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益更大化提供理論依據(jù)。

黑水虻；抗菌肽；生物柴油；昆蟲蛋白；殼聚糖

亮斑扁角水虻(HermetiaillucensLinnaeus)又名光亮扁角水虻，俗稱黑水虻，屬于雙翅目水虻科扁角水虻屬。幼蟲腐食性，食量大，抗逆性強(qiáng)[1]。研究表明，黑水虻可用于畜禽糞便、餐飲垃圾、蔬菜水果垃圾、作物秸稈等的無害化處理[2-4]。黑水虻幼蟲集中取食糞便后可減少糞便中大腸桿菌及沙門氏菌的數(shù)量并有效控制家蠅的滋生[5-6]。在有機(jī)廢棄物無害化處理過程中黑水虻被大量生產(chǎn)出來。筆者對利用黑水虻獲得昆蟲蛋白、抗菌肽、幾丁質(zhì)、殼聚糖及生物柴油等高附加值產(chǎn)品的研究進(jìn)行了綜述，以期為黑水虻養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益評估及有機(jī)廢棄物-黑水虻-高附加值昆蟲產(chǎn)品的一體化生產(chǎn)提供借鑒。

1 黑水虻蛋白

黑水虻幼蟲體內(nèi)含有豐富的蛋白[3]。許彥騰等[7]以黑水虻幼蟲為原料，分別采用堿提法、 酶提法、鹽提法和 Tris-HCl 緩沖液提法對黑水虻幼蟲蛋白質(zhì)進(jìn)行提取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堿提法的提取效率最高，為88.49%。堿提法的最佳工藝：黑水虻幼蟲40 ℃烘干粉碎后，40 ℃下用索氏提取法去脂12 h，去脂部分室溫風(fēng)干，過100目篩得到脫脂粉。1 g脫脂粉加22 mL 22.4 g/L NaOH，53 ℃恒溫攪拌提取2 h，4 800 r/min離心10 min后得到上清蛋白粗提液。用1 mol/L HCl溶液將粗提液pH調(diào)至4.8，4 ℃靜置提取2 h，4 800 r/min離心10 min，得到蛋白質(zhì)沉淀。該方法提取的蛋白質(zhì)經(jīng)紫外-可見光譜掃描測定，結(jié)果顯示僅在285 nm處有最大吸收峰，符合蛋白質(zhì)溶液在280 nm 附近有最大吸收峰的規(guī)律，說明所提蛋白質(zhì)純度較高。黑水虻蛋白質(zhì)具有較強(qiáng)的抗氧化活性，對其總還原能力，超氧陰離子自由基清除活性，清除羥基自由基、 DPPH自由基、ABTS 自由基能力，螯合亞鐵離子的能力， 亞油酸體系中抑制過氧化能力等體外抗氧化活性檢測表明，黑水虻蛋白質(zhì)的抗氧化能力介于卵清白蛋白(OVA)和抗壞血酸(VC)之間[8]。

2 黑水虻抗菌肽

2.1 抗菌肽的誘導(dǎo) 多種方法可誘導(dǎo)黑水虻幼蟲產(chǎn)生抗菌肽，不同方法誘導(dǎo)產(chǎn)生的抗菌肽活性不同，其中，大腸桿菌菌液針刺浸泡60 s，誘導(dǎo)后飼養(yǎng)24 h提取的抗菌肽抑菌活性最高，其次為100 W超聲波誘導(dǎo)20 min產(chǎn)生的抗菌肽[9]。趙啟鳳[9]用蘸有大腸桿菌菌液的針刺試蟲再將試蟲在菌液中浸泡60 s，誘導(dǎo)后飼養(yǎng)24 h提取抗菌肽的方法分別誘導(dǎo)黑水虻2、3、4、5、6齡幼蟲后發(fā)現(xiàn)黑水虻抗菌肽粗提物的抗菌活性隨著蟲齡的增加而增加，至5齡抑菌效果最佳，6齡時抑菌能力開始下降。因此，5齡可作為黑水虻抗菌肽誘導(dǎo)的最佳時期。

2.2 抗菌肽的純化鑒定 利用高效液相色譜法純化黑水虻抗菌肽粗提物，結(jié)果表明，10%乙腈溶液洗脫第48、61、78 min的物質(zhì)對甲氧西林金黃色葡萄球菌有較強(qiáng)的抑制效果[10]。從黑水虻幼蟲血淋巴中誘導(dǎo)并純化抗菌肽DPL4，其對革蘭氏陽性菌包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌具有抗菌活性，與Phlebotomusduboscqi防御素的相似度為75%，在幼蟲未發(fā)生免疫反應(yīng)時蟲內(nèi)未檢測到DLP4基因表達(dá)，一旦發(fā)生免疫反應(yīng)DLP4基因在脂肪體中表達(dá)量最高[11]。夏嬙等[12]研究表明，黑水虻抗菌肽粗提物具有良好的熱穩(wěn)定性和反復(fù)凍融性，適宜pH為5～9，比黃粉蟲和小皺蝽抗菌肽更耐堿，但耐酸能力較弱，室溫可存放96 h。

2.3 抗菌譜 黑水虻幼蟲生活在動物糞便和腐爛植物等富含細(xì)菌和真菌的環(huán)境中，猜測其具有強(qiáng)大的免疫系統(tǒng)用于抵御環(huán)境中的細(xì)菌和真菌。研究發(fā)現(xiàn)，黑水虻幼蟲集中取食糞便后可以減少糞便中大腸桿菌及沙門氏菌的數(shù)量[5]。Park等[10]發(fā)現(xiàn)針刺黑水虻幼蟲可誘導(dǎo)黑水虻的免疫反應(yīng)，且針刺誘導(dǎo)產(chǎn)生的抗菌肽粗提物與自然產(chǎn)生的抗菌肽相比抗菌活性更強(qiáng)，抗菌譜更廣。

甲醇溶液提取的黑水虻幼蟲抑菌物質(zhì)可有效抑制多種革蘭氏陰性菌，包括肺炎桿菌(Klebsiellapneumoniae)、淋球菌(Neisseriagonorrhoeae)和索氏志賀氏菌(Shigellasonnei)[13]。三氯甲烷溶液提取的黑水虻抗菌肽粗提物對6種革蘭氏陽性菌(Staphylococcusaureus、Staphylococcusaureus、Staphylococcusepidermidis、Kocuriarhizophila、Micrococcusluteus、Bacillussubtilis)、3種革蘭氏陰性菌(Escherichiacoli、Enterobacteraerogenes、Pseudomonasaeruginosa)以及1種酵母菌(Candidaalbicans)均具有良好的抑制效果[10]。

3 黑水虻殼聚糖

近年來，有從蠶蛹?xì)ぁⅪu蠅蛆殼、蠅蛆殼、馬尾松毛蟲蛹?xì)ぶ刑崛ぞ厶堑难芯縖14-18]，但從黑水虻蛹?xì)ぶ刑崛ぞ厶堑难芯枯^少。黑水虻蛹?xì)锥≠|(zhì)含量較豐富[19]，幾丁質(zhì)提取率在 12.30%～14.27%，制備殼聚糖收率在83.24%～86.31%[20]。

高賢濤[19]對豬糞飼養(yǎng)的黑水虻蛹?xì)ぞ厶堑奶崛」に囘M(jìn)行研究，結(jié)果表明，30 ℃下采用1.5 mol/L HCl浸泡蛹?xì)? h可最大程度地去除蛹?xì)ぶ械臒o機(jī)鹽，同時保證殼聚糖無降解，水洗至中性后采用9% NaOH浸泡蛹?xì)? h可最大程度地去除蛹?xì)ぶ械牡鞍踪|(zhì)。徐齊云等[20]對黑水虻蛹?xì)ぶ袔锥≠|(zhì)的提取和殼聚糖的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，用最佳工藝提取殼聚糖脫乙酰度值為82.24%～83.17%：100 g黑水虻蛹?xì)ぜ尤?00 mL 5% HCl 26 ℃浸泡至不產(chǎn)生氣泡，洗滌至中性后60 ℃烘干6 h，加入12% NaOH 90 ℃浸泡2 h充分去除蛋白，洗滌至中性后60 ℃烘干6 h。每2 g干燥后樣品置于 10 mL 3.6% HCl 溶液中浸泡 0.5 h， 然后加入 40 mL NaClO 溶液在 80 ℃水浴中處理 4 h， 干燥后得到幾丁質(zhì)。1 g幾丁質(zhì)加入50 mL 40% NaOH 溶液，在90 ℃水浴鍋中反應(yīng)3 h，水洗至中性，在 60 ℃干燥箱中烘 6 h，即得到殼聚糖。

4 黑水虻幼蟲提煉生物柴油

4.1 提煉方法 研究表明，有機(jī)廢棄物飼養(yǎng)的黑水虻幼蟲脂肪含量較高，可用于提煉生物柴油。Li等[21]優(yōu)化了從黑水虻中提取生物柴油的方法，結(jié)果表明，黑水虻幼蟲烘干磨碎后石油醚浸泡48 h提取粗脂肪→甲醇∶粗脂肪=8∶1混合，1% H2SO4作為催化劑進(jìn)行酸催化酯化反應(yīng)75 ℃反應(yīng)60 min→過濾取上層清液→甲醇∶上清液=6∶1混合，以0.8% NaOH作為催化劑進(jìn)行堿催化酯基轉(zhuǎn)移反應(yīng)65 ℃水浴30 min→過濾，取上清，80 ℃蒸餾去除多余甲醛，獲得生物柴油。

4.2 不同飼養(yǎng)基質(zhì)對黑水虻生物柴油產(chǎn)量的影響 研究表明，黑水虻以多種基質(zhì)為食，不同基質(zhì)飼養(yǎng)的黑水虻體內(nèi)的油脂含量不同，生物柴油的生產(chǎn)效率也不同(表1)。

表1 生物柴油生產(chǎn)參數(shù)

注：1 kg不同基質(zhì)飼養(yǎng)1 000頭黑水虻。產(chǎn)油率=生物柴油產(chǎn)量/1 000頭黑水虻生物量×100%，用秸稈和餐飲垃圾飼養(yǎng)黑水虻時加入了0.34%的細(xì)菌Rid-X提高生物柴油的產(chǎn)量。RSW:Restaurant Solid Waste.SRF:solid residual fraction of restaurant waste aftertypical grease extraction.PMRAF:Pig manure residue after anaerobic fermentation.

Note:1 000 individual bluck soldier fly fed on 1 kg different substance.Biodiesel rate= biodiesel yield/1 000 individual Hermetia illucens biomass×100%; biodiesel extracted from Hermetia illucens fed on straw and restaurant waste was improved by adding 0.34% Rid-X.RSW.Restaurant solid waste; SRF.Solid residual fraction of restaurant waste after typical grease extraction.PMRAF.Pig manure residue after anaerobic fermentation.

4.3 不同飼養(yǎng)基質(zhì)對黑水虻生物柴油質(zhì)量的影響 研究表明，從不同基質(zhì)飼養(yǎng)的黑水虻中提取的生物柴油質(zhì)量不同，但均符合歐盟生物柴油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)EN14214(表2)。

4.4 提高黑水虻生物柴油產(chǎn)量的方法 Li等[26]在黑水虻的飼料中添加葡萄糖和木糖可以提高黑水虻的油脂累積量：在黑水虻人工飼料中添加6%葡萄糖，油脂含量從26.53%增加至34.31%；在黑水虻的人工飼料中添加6%木糖，黑水虻的油脂含量從26.85%增加至34.60%。黑水虻對飼料中添加的葡萄糖和木糖的轉(zhuǎn)化率分別為97.3%和93.8%。因此，在利用黑水虻生產(chǎn)生物柴油時可適量添加葡萄糖和木糖以提高生物柴油產(chǎn)量。

5 展望

該研究通過綜述黑水虻蛋白、抗菌肽、殼聚糖、生物柴油4種物質(zhì)的提取過程等，結(jié)果表明，黑水虻體內(nèi)含有豐富的高附加值活性物質(zhì)，需要改進(jìn)方法將其提取出來。另外，抗菌肽提取后的殘渣可繼續(xù)進(jìn)行生物柴油的提煉，生物柴油提煉剩余的殘渣可用于提取昆蟲蛋白，通過不斷優(yōu)化調(diào)節(jié)各物質(zhì)的提取工藝可以形成黑水虻抗菌肽-生物柴油-昆蟲蛋白的高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)鏈，實(shí)現(xiàn)黑水虻養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

表2 不同基質(zhì)飼養(yǎng)的黑水虻中提取的生物柴油質(zhì)量參數(shù)與歐盟生物柴油質(zhì)量參數(shù)(EN14214)

注：—代表未檢測到，空白處代表未報道。

Note:—Stand for no detected,blank stand for no reported.

[1] 喻國輝，陳燕紅，喻子牛，等.黑水虻幼蟲和預(yù)蛹的飼料價值研究進(jìn)展[J].昆蟲知識，2009，46(1):41-45.

[2] LI W,LI Q,ZHENG L Y,et al.Potential biodiesel and biogas production from corncob by anaerobic fermentation and black soldier fly[J].Bioresource Technol,2015,194:276-282.

[3] NGUYEN T T,TOMBERLIN J K,VANLAERHOVEN S.Ability of black soldier fly (Diptera:Stratiomyidae) larvae to recycle food waste[J].Environ Entomol,2015,44(2):406-410.

[4] ZHENG L Y,HOU Y F,LI W,et al.Biodiesel production from rice straw and restaurant waste employing black soldier fly assisted by microbes[J].Energy,2012,47(1):225-229.

[5] ERICKSON M C,ISLAM M,SHEPPARD C,et al.Reduction ofEscherichiacoliO157∶H7 andSalmonellaentericaserovar enteritidis in chicken manure by larvae of the black soldier fly[J].Jood Protect ,2004,67(4):685-690.

[6] SHEPPARD C.House fly and lesser fly control utilizing the black soldier fly in manure management systems for caged laying hens[J].Environ Entomol,1983,12(5):1439-1442.

[7] 許彥騰，張建新，宋真真，等.響應(yīng)面法優(yōu)化黑水虻幼蟲蛋白質(zhì)提取工藝[J].昆蟲學(xué)報，2014，57(4):401-410.

[8] 許彥騰，張建新，宋真真，等.黑水虻幼蟲蛋白質(zhì)的制備及體外抗氧化活性[J].核農(nóng)學(xué)報，2014,28(11):2001-2009.

[9] 趙啟鳳.黑水虻抗菌肽誘導(dǎo)及粗提物活性研究[D].遵義：遵義醫(yī)學(xué)院，2012.

[10] PARK S I,CHANG B S,YOE S M.Detection of antimicrobial substances from larvae of the black soldier fly,Hermetiaillucens(Diptera:Stratiomyidae)[J].Entomol Res,2014,44(2):58-64.

[11] PARK S I,KIM J W,YOE S M.Purification and characterization of a novel antibacterial peptide from black soldier fly (Hermetiaillucens) larvae[J].Dev Comp Immunol,2015,52(1):98-106.

[12] 夏嬙，趙啟鳳，廖業(yè)，等.黑水虻抗菌肽粗提物生物學(xué)穩(wěn)定性觀察[J].山東醫(yī)藥，2013，53(36):91-92.

[13] CHOI W H,YUN J H,CHU J P,et al.Antibacterial effect of extracts ofHermetiaillucens(Diptera:Stratiomyidae) larvae against Gram-negative bacteria[J].Entomol Res,2012 42(5):219-226.

[14] 賈延華，劉穎，張燕玲，等.柞蠶蛹皮殼聚糖的制備工藝研究[J].遼寧絲綢，2003(1):10-12.

[15] 劉衛(wèi)星.馬尾松毛蟲蛹?xì)ぜ讱に氐奶崛『蜌ぞ厶堑闹苽溲芯縖D].廣州：中南林學(xué)院，2005:11-13.

[16] 王穩(wěn)航，劉安軍，黃巍，等.鹵蠅蛆殼甲殼素的提取及殼聚糖的制備工藝[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2003，29(6):18-22.

[17] 王曉玲，章懷云.馬尾松毛蟲蛹?xì)ぶ屑讱に氐奶崛⊙芯縖J].食品研究與開發(fā)，2007，28(11):10-14.

[18] 徐寧彤，曲琪環(huán)，周玉巖，等.從蠅蛆中提取殼聚糖的研究[J].飼料博覽，2006(7):32-34.

[19] 高賢濤.豬糞飼養(yǎng)亮斑扁角水虻及水虻蛹?xì)ず娃D(zhuǎn)化豬糞后殘渣的應(yīng)用[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011：14-45.

[20] 徐齊云，喻國輝，安新城.黑水虻蛹?xì)ぶ袔锥≠|(zhì)的提取及殼聚糖制備研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，39(5):87-88.

[21] LI Q,ZHENG L Y,CAI H,et al.From organic waste to biodiesel:Black soldier fly,Hermetiaillucens, makes it feasible[J].Fuel,2011,90(4):1545-1548.

[22] LI Q,ZHENG L Y,QIU N.Bioconversion of dairy manure by black soldier fly (Diptera:Stratiomyidae) for biodiesel and sugar production[J].Waste Manage,2011,31(6):1316-1320.

[23] ZHENG L Y,HOU Y E,LI W,et al.Biodiesel production from rice straw and restaurant waste employing black soldier fly assisted by microbes[J].Energy,2012,47(1):225-229.

[24] ZHENG L Y,LI Q,ZHANG J B,et al.Double the biodiesel yield:Rearing black soldier fly larvae,Hermetiaillucens,on solid residual fraction of restaurant waste after grease extraction for biodiesel production[J].Renew Energ,2012，41(2):75-79.

[25] LI W,LI Q,ZHENG L Y,et al.Potential biodiesel and biogas production from corncob by anaerobic fermentation and black soldier fly[J].Bioresource Technol,2015,194:276-282.

[26] LI W，LI M S，ZHENG L Y，et al.Simultaneous utilization of glucose and xylose for lipid accumulation in black soldier fly[J].Biotechnol Biofuels,2015,8(1):1-6.

Research Progress in the Development of High Value-added Products ofHermetiaillucens

GAO Qiao,LIU Xin-hui,LI Kui,ZHU Fen*et al

(Huazhong Agricultural University,Hubei International Cooperation Base for Waste Conversion by Insects,Wuhan,Hubei 430070)

Hermetiaillucenshas been widely used in organic waste harmless treatment with the large biomass and short growth cycle.Hermetiaillucenscan be used to extract antibacterial peptide,biodiesel,processed into insect protein or extraction of chitin and chitosan.The research progress in the development of high value-added products ofHermetiaillucenswas reviewed,to provide a theoretical basis for obtaining greater economic benefits.

Hermetiaillucens;Antimicrobial peptide; Biodiesel; Insect protein; Chitosan

中英非AgriTT挑戰(zhàn)基金項目(93211301)。

高俏(1992- )，女，湖北益陽人，碩士研究生，研究方向：昆蟲多樣性與資源化利用。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事昆蟲生理生化及昆蟲多樣性與資源化利用研究。

2016-10-21

S 899

A

0517-6611(2016)34-0102-03