蠅蛆生物轉化餐廚殘渣對產物特性的影響

姚玉梅 ，王兆文 ，張琦峰 ，齊自成 ※，王宗國

（1. 山東省農業機械科學研究院,濟南 250100；2. 山東省農業科學院(壽光)農牧廢棄物資源化利用產業技術研究院,濰坊 262700；3. 壽光市澤暢生物科技有限公司,濰坊 262700；4. 山東省諸城市農機農經發展中心,濰坊 262200）

0 引言

中國飼料原料資源短缺形勢嚴峻，作物秸稈、畜禽糞污、餐廚殘渣等多元有機廢棄物綜合利用率不高[1-2]，成為制約養殖業和農業發展的瓶頸問題。利用蠅蛆、黑水虻、白金花金龜等腐食性昆蟲幼蟲將傳統難以處理的有機廢棄物轉化為高蛋白產品和有機肥，打通了生態系統的有機質大循環，成為緩解蛋白短缺和有機廢棄物處理難度大的重要方法[3]，受到了國內外研究學者的廣泛關注[4-7]。

昆蟲生物轉化技術是在幼蟲體的生長代謝期間，在適宜條件下將有機廢棄物轉化為蟲體生物量，并顯著改善廢棄物的理化特性，具有處理周期短、轉化效率高，且對基質原料的脫水、除臭、殺菌、重金屬鈍化等作用明顯的特點[8-9]。其中，蛆蟲幼蟲具有生長速度快、生存能力強，取食量大、取食范圍廣的特點，且蛆蟲營養價值高，是賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸等必需氨基酸的重要來源，深加工后獲得的抗菌肽、甲殼素、蛆油可應用于飼料、食品工業、醫藥、造紙、日用化工、印染紡織及農業等領域[10-12]，經濟社會生態效益顯著，應用前景廣闊。

國內外研究學者主要開展了基于蛆蟲養殖物料理化特性、給料頻率、接種密度、通風量等養殖工藝參數優化[13-16]，和蟲糞分離裝置、工廠化養殖配套裝備研制等方面的初步研究[17]。研究發現，蠅蛆幼蟲成活率、體長、體質量等生長發育性能受養殖物料碳氮比、酸堿度和含水率等理化特性影響。這是由于蠅蛆幼蟲生活習性和微生物活躍度受養殖物料的理化特性的影響[8,18-20]。基于不同理化特性養殖物料獲取的蛆蟲和蟲糞品質存在明顯差異，影響了其飼料化、肥料化應用[21]。目前，利用蠅蛆幼蟲處理餐廚殘渣技術已相對成熟，獲取的蛆蟲營養成分豐富合理，蛋白含量略低于魚粉，作為替代魚粉的新型蛋白源可在水產動物飼喂上應用并效果良好。然而，基于蠅蛆生物轉化餐廚殘渣對蛆蟲和蟲糞的產物特性影響研究目前尚未深入探討。

本文聚焦物質循環再生和制約關系，以預處理后的餐廚殘渣為原料，以生物轉化過程產物為研究對象，開展生物轉化過程中物料理化特性、蛆蟲生物量和蟲糞理化特性變化的研究，深入考察轉化過程產物重金屬含量變化特征，明確重金屬在餐廚殘渣-蠅蛆腐生鏈中的轉移和積累規律。研究結果將為蠅蛆生物轉化餐廚殘渣提供重要的基礎數據，為后續蛆蟲品質評價、資源篩選及飼料化應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料：餐廚殘渣由濰坊金信達生物化工有限公司提供，主要是食物消費過程中產生的廢棄物。功能蠅和蛆蟲養殖物料由澤暢生物科技有限公司提供，其中，功能蠅經澤暢生物科技有限公司人工干預篩選培育，蛆蟲養殖物料為餐廚殘渣粉碎處理后加入4 ‰ EM 復合菌劑腐熟3～5 d 制備得到。所需化學試劑及分子質量標準品等均購于國藥集團上海化學試劑有限公司，化學試劑均為分析純。

1.2 蠅蛆轉化餐廚殘渣試驗設計

功能蠅日常投喂料為質量比8:2 的營養粉和紅糖，蠅房產卵條件為環境溫度為20～30 ℃、相對濕度為50%～70%、接卵配料為含水率70%的麥麩中添加1 ‰的誘導劑攪拌均勻后靜置12 h 的混配料。產生的蠅卵轉移至蛆蟲養殖車間2 m×16 m 水泥養殖池中，保持養殖車間環境溫度40 ℃以下，空氣相對濕度70%以下。養殖池上方放置換流風機，并根據溫度需求翻拋物料，輔以噴施水霧降溫。當養殖池物料溫度高于50 ℃時，每半小時翻拋一次；養殖池物料溫度低于50 ℃時，每1～2 h 翻拋一次。

每批次投入養殖物料700～800 kg，每日投喂一次，養殖3～4 d 即可收獲蛆蟲。轉化工藝均設有3 組平行試驗。采用篩分機將蛆蟲、蟲糞篩分完全，取部分蛆蟲經粉碎機（上海博朗電器有限公司，中國）粉碎制備蛆蟲鮮樣，于-20 ℃冰箱密封儲存；取部分蛆蟲經清洗、烘干、殺菌處理，粗粉后細粉過0.5 mm 篩制備蛆蟲干粉，于-20 ℃冰箱密封儲存。取部分蛆蟲鮮樣、蛆蟲干粉和蟲糞樣品用于后續的化學分析。蠅蛆轉化餐廚殘渣工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 蠅蛆生物轉化餐廚殘渣工藝流程Fig.1 Process flow chart for bioconversion of kitchen wastes using fly maggots

1.3 指標測定

1.3.1 基礎理化特性測定

參照NY/T 525-2021 有機肥料中方法測定蛆蟲養殖物料和蟲糞樣品中的水分、有機質、總氮、總磷、總鉀和氯離子含量。將鮮樣和去離子水按固液比1∶10（質量體積比）浸提過濾取其上清液，利用PHS-3C 型pH 計（上海儀電科學儀器股份有限公司，中國）測定酸堿度（pH 值）；采用K9860 型定氮儀（濟南海能儀器股份有限公司，中國）測定蛆蟲樣品粗蛋白含量，操作步驟參照GB/T 6432-2018；采用XT151 型索氏脂肪測定儀（Ankom 公司，美國）測定粗脂肪含量，操作步驟參照GB/T 6433-2006；采用DL-101-2BS 型鼓風干燥箱（天津市中環實驗電爐有限公司，中國）在（105±5）℃干燥直至恒質量以測定水分含量；采用SX-8-10 型馬弗爐（天津泰斯特儀器有限公司，中國）在（575±25）℃燃燒直至恒質量以測定粗灰分含量；水溶性氯化物含量測定方法參照GB/T 6439-2007。

為進一步分析蛆蟲干粉樣品經干燥后理化特性的變化，采用UV-1800 型紫外-可見分光光度計（Shimadzu公司，日本）在400 nm 波長下測定蛆蟲干粉總磷含量，操作步驟參照GB/T 6437-2018；采用乙二胺四乙酸二鈉絡合滴定法測定其鈣含量，操作步驟參照GB/T 6436-2018；采用定氮儀測定揮發性鹽基氮，操作步驟參照GB/T 32141-2015；通過冷溶劑自動電位滴定法測定酸價，操作步驟參照GB 5009.229-2016；通過過濾法測定胃蛋白酶消化率，操作步驟參照GB/T 17811-2008。

1.3.2 氨基酸組成

蛆蟲鮮樣和蛆蟲干粉樣品經6 mol/L 鹽酸溶液在120 ℃ 條件下水解12 h，采用LA8080 型全自動氨基酸分析儀（Hitachi 公司，日本），操作步驟參考GB/T 18246-2019。采用主要氨基酸化學評分（Chemical Score,CS）評價蛆蟲的營養價值，以卵蛋白作為標準蛋白進行計算，計算公式為

式中CS為蛆蟲主要氨基酸化學評分，%；A為蛆蟲樣品中必需氨基酸含量，%；A0為標準蛋白必需氨基酸含量，%。

1.3.3 糞大腸菌群數和蛔蟲卵死亡率

采用XSP-BM-2CA 型顯微鏡（上海上光實業儀器有限公司，中國）測定樣品中糞大腸菌群數和蛔蟲卵死亡率，測定方法參考GB/T 19524.1-2004、GB/T 19524.2-2004。其中，樣品中糞大腸菌群數和蛔蟲卵死亡率狀況評價采用NY/T 525-2021 有機肥料限量指標要求：糞大腸菌數≤100 個/g，蛔蟲卵死亡率≥95%。

1.3.4 霉菌毒素

采用Waters Xevo TQ-S micro 型液相色譜質譜聯用儀（Waters 公司，美國）測定蛆蟲樣品中的黃曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮含量，參照NY/T 2071-2011 方法；生化試驗、血清學試驗方法檢出沙門氏菌，操作步驟參照GB/T 13091-2018；采用平皿計數法測定霉菌總數，操作步驟參照GB/T 13092-2006；參照NY/T 555-2002 方法測定大腸菌群數。其中，樣品中霉菌毒素限量規定參考NY/T 1444-2007《微生物飼料添加劑技術通則》中要求：作為飼料添加劑使用時，不得檢出沙門氏菌，霉菌總數＜2.0×107個/kg，大腸菌群＜1.0×105個/kg。

1.3.5 維生素組成

采用LC-20AT 型高效液相色譜儀（Shimadzu 公司，日本）和AFS-930 型原子熒光分光光度計（北京吉天儀器有限公司，中國）測定蛆蟲樣品中的維生素A、維生素B2、維生素B6、維生素D3 含量，測試方法參照

GB/T 17817-2010、GB/T 14701-2019、GB/T 14702-2018、GB/T 17818-2010。

1.3.6 重金屬元素含量

采用AA240Z 型原子吸收分光光度計（Agilent 公司，美國）和原子熒光分光光度計測定樣本中的砷（As）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鎘（Cd）鉻（Cr）等重金屬元素含量（mg/kg，以干基計），測定方法參照NY/T1978-2010、GB/T13079-2006、GB/T 13080-2018、GB/T13081-2006、GB/T 13082-1991、GB/T13088-2006。其中，Hg、Pb、Cd、Cr 元素含量的檢出限分別為＜0.000、＜2、＜0.1、＜0.01 mg/kg；重金屬狀況評價采用NY/T 525-2021 有機肥料中重金屬限量指標要求：As≤15、Hg≤2、Pb≤50、Cd≤3、Cr≤150 mg/kg。

采用生物富集系數（Bioaccumulation Coefficients,BC）評價蛆蟲對重金屬元素的生物富集作用，計算公式為

式中BC為蛆蟲對重金屬元素的生物富集系數；B為蛆蟲重金屬元素含量，mg/kg；B0為餐廚殘渣重金屬元素含量，mg/kg。

1.3.7 蛆蟲體質量變化

每天11:00 和23:00 定時記錄蛆蟲體質量，即分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 日齡，分別標記為D1、D1.5，…，D4.0，共計7 個時間點。同時，記錄養殖飼料的初始質量M0和收獲的4.0 日齡蛆蟲總質量M1。根據以下等式計算蛆蟲平均日增質量（Z）、相對生長率(S)和蛆蟲產率（C）的值

式中n為日齡，取值為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0；Dn為n日齡蛆蟲體質量，g；Dn-0.5為（n-0.5）日齡蛆蟲體質量，g；Z為蛆蟲平均日增質量，%；Zn為n日齡蛆蟲平均日增質量，g；S為蛆蟲相對生長率，%；Sn為n日齡蛆蟲相對生長率，%；M0為養殖飼料的初始質量，g；M1為收獲的4.0 日齡蛆蟲總質量，g；C為蛆蟲產率，%。

1.4 數據分析

采用Origin 8.5 制圖（美國OriginLab 公司）。數據均采用SPSS V20.0 軟件（美國IBM 公司）分析，在95%置信區間被認為具有統計學意義（P＜ 0.05）。

2 結果與分析

2.1 養殖物料、蛆蟲與蟲糞的基礎特性分析

養殖物料經蛆蟲幼蟲生物轉化為蛆蟲和蟲糞，其理化特性數據如表1 和表2 所示。由表1 可知，蟲糞樣品中總氮、總鉀和有機質質量分數降低，這是由于養殖物料中有機物質被分解的緣故；總磷含量較轉化處理前有所增加，這是因為蟲糞中含水率下降，產生了養分“濃縮效應”[22]。由表2 可知，蛆蟲鮮樣經干燥處理后，粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、水溶性氯化物等含量相對增加，這是因為樣品含水率降低，產生了養分“濃縮效應”；此時，蛆蟲干粉中粗蛋白和粗脂肪質量分數分別為53.99%和21.05%，可作為一種較為理想的高蛋白營養添加劑使用。進一步獲取了蛆蟲干粉樣品的鈣質量分數、總磷質量分數、酸價、胃蛋白酶消化率、揮發性鹽基氮數據，分別為0.51%、0.76%、2.60 mg/g、87.35%、132.50 mg/100 g。由酸價數據可知，蛆蟲干粉油脂新鮮，品質未變壞；且胃蛋白酶消化率＞85%，明顯高于合格魚粉的胃蛋白酶消化率要求，可作為基礎飼糧替代品提高飼糧代謝能表觀利用率[23]；但其揮發性鹽基氮含量較高，這可能是由于干燥處理使蛆蟲樣品發生本質變化，破壞其鮮度引起的。

表1 養殖物料與蟲糞樣品的基礎特性數據Table 1 Characteristic data of breeding materials and insect feces samples

表2 蛆蟲樣品的基礎特性數據Table 2 Characteristic data of maggot samples

2.2 蠅蛆生物轉化工藝對產物特性變化的影響

2.2.1 蛆蟲體質量變化

蛆蟲體質量變化如圖2 所示。由圖2 可知，隨著日齡的增加，蛆蟲體質量呈增加趨勢，其平均日增量和相對生長率呈下降趨勢，與先前的研究結果一致[24]。在1.0～2.5 日齡時，蛆蟲的平均日增質量和相對生長率較大，表明在該階段下蛆蟲生長發育較快，因而可在該階段下加強蛆蟲飼喂頻率，進而提高養殖物料的轉化速率，節約養殖成本；而隨著時間的進一步增加，平均日增量和相對生長率減緩，表明蛆蟲已經飼喂完成。4.0 日齡后，由蛆蟲總產量計算得到蛆蟲產率為33.60%，此時，測定蟲糞有機質質量分數為44.34%，相較于養殖物料有機質質量分數下降了11.71%。結合蛆蟲產率和有機質降解率數據分析，每3 t 養殖物料約產出1t 蛆蟲，基于養殖物料調制和蠅蛆養殖工藝優化的研究有待深入研究。

圖2 蛆蟲體質量變化Fig.2 Body weight change of maggots

2.2.2 氨基酸組成

蛆蟲中氨基酸含量不僅決定其營養價值，同時也影響其適口性，正確客觀的評價其氨基酸組成非常重要。因此，對蛆蟲樣品進行氨基酸組成分析，并根據FAO和WHO 提出的氨基酸組成模式對幾種必需氨基酸進行化學評分[25]評價，結果分別見表3 和表4。一般而言，氨基酸總量越高，其品質越好；氨基酸總量與粗蛋白含量之間的差異越小，其品質越好；在氨基酸總量相同的情況下，其必需氨基酸含量越高，其品質越好[26]。由表3可知，蛆蟲樣品都含有17 種氨基酸，17 種氨基酸總量/粗蛋白值為93.67%，一定程度上表明蛆蟲氨基酸組成較為均衡。進一步研究發現，兩種蛆蟲樣品的各種氨基酸含量排序基本一致，其中谷氨酸含量最高，這一結果與現有研究一致[23]；但是必需氨基酸含量和氨基酸總量存在較大差異，蛆蟲鮮樣和蛆蟲干粉中必需氨基酸和總氨基酸質量分數分別為5.48%、8.23%和19.94%、30.65%，這可能是由于干燥處理引起的氨基酸非酶性氧化和含水率降低造成的養分濃縮的共同作用導致。由表4 可知，蛆蟲鮮樣中的必需氨基酸評分皆低于推薦值，而蛆蟲干粉的必需氨基酸評分超過推薦值，除了亮氨酸，苯丙氨酸+酪氨酸（Phe+Tyr）含量很豐富，超過推薦標準的116.38%；含硫氨基酸超過推薦標準的66.11%。研究結果可對飼料中氨基酸的合理平衡配制和氨基酸混合物的合成提供可信的試驗數據。

表3 蛆蟲蛋白質的氨基酸組成Table 3 Amino acid composition of maggot protein

表4 蛆蟲蛋白質主要必需氨基酸的化學評分Table 4 Chemical score of major essential amino acids in maggot protein

2.2.3 微生物、霉菌毒素含量

充分考慮到蛆蟲在采食過程中因養殖物料原料、飼喂不當引起微生物、霉菌及霉菌毒素污染，導致蠅蛆生長發育緩慢、餐廚殘渣處理速率降低；蛆蟲作為飼料添加劑應用時，因霉菌污染造成飼料營養價值和適口性的降低，同時因毒素積累影響動物健康等問題，依據現行標準規定的方法對樣本中的沙門氏菌、大腸菌群、霉菌總數等微生物指標和黃曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮毒素含量進行了檢測[27]。研究發現：蛆蟲樣品未受黃曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮毒素的污染，未檢出沙門氏菌，霉菌檢出水平為＜10 CFU/g，大腸菌群檢出水平為＜3 MPN/g，含量均低于NY/T 1 444-2007《微生物飼料添加劑技術通則》的最高允許量；養殖物料和蟲糞樣品中未檢出蛔蟲卵和糞大腸菌群等微生物，這表明在蛆蟲飼料化應用和蟲糞還田施用時不會帶入病原菌，具有一定的生物安全性。

2.2.4 維生素含量

當蛆蟲作為飼料使用時，體內維生素作為動物攝取食物營養物質的主要元素之一，將對動物的生長發育等起到非常重要的作用。維生素A 具有抗炎緩解氧化應激、提高機體免疫力和抗感染能力，維生素D3 可以調控鈣磷的吸收，維生素B2 和維生素B6 等水溶性維生素主要應用于抗氧化應激和調控機體免疫力。研究發現，蛆蟲樣品中未檢出維生素A、維生素B6、維生素D3，維生素B2 為28.1 mg/kg。在蛆蟲飼料化應用時，應充分考慮飼喂目標動物生產性能需求調控營養水平和飼糧維生素組合。

2.3 重金屬在餐廚殘渣-蛆蟲腐生鏈上的遷轉與積累

餐廚殘渣成分復雜，含有多種重金屬，如砷（As）、鉛（Pb）、汞（Hg）、鎘（Cd）鉻（Cr）等，且重金屬會隨著生物鏈傳遞，并發生富集效應。富集系數是衡量超富集動植物的重要特征，同一動植物對不同重金屬元素的吸收富集作用明顯不同[28]。結合養殖物料重金屬含量和蛆蟲重金屬含量可計算出蛆蟲對重金屬元素的蛆蟲對重金屬元素的生物富集系數[29]。此外，根據中國飼料品質標準（GB/T 6 435-2014）規定，飼料添加劑的水分含量不超過14.40%。若將含水率較大的蛆蟲加工成含水率14.40%的飼料添加劑，若部分蛆蟲重金屬含量超標，制備的蛆蟲飼料添加劑將會有嚴重的品質問題。由表5 可知，養殖物料中砷、鉛、汞、鎘、鉻等重金屬元素含量分別為0.53、4.45、0.06、0.07、24.80 mg/kg。經蛆蟲過腹處理后，蟲糞中重金屬元素含量明顯降低，分別為0.25、1.50、0.03、＜0.01、10.90 mg/kg。由蛆蟲樣品的重金屬含量數據可知，蛆蟲對5 種重金屬元素的富集能力分別為：0.08、＜0.01、0.17、3.71、0.04，蛆蟲對鎘元素的富集能力最強，對鉛元素的富集能力最小，進一步表明蛆蟲對重金屬的富集和排泄具有一定的選擇性[30-31]。

表5 蠅蛆生物轉化餐廚殘渣對產物重金屬元素含量的影響Table 5 Effects of bioconversion of kitchen wastes using maggots on the content of heavy metal elements in products g

經蛆蟲生物轉化后，蟲糞樣品的重金屬元素含量明顯降低，其重金屬濃度與餐廚殘渣養殖物料樣品呈正相關，這可能是因為蛆蟲取食含不同濃度重金屬元素的餐廚殘渣養殖物料對其累積效果不同。在蛆蟲作為飼料和蟲糞作為土壤基質使用時，考慮到重金屬元素在土壤中相對穩定，具有一定的蓄積效應，蟲糞配施過程中對土壤養分、團粒結構和微生物群落結構也具有一定的影響[32-34]，病原物、抗生素、霉菌毒素等有毒化學物質和重金屬元素是否會隨著餐廚殘渣-蛆蟲/蟲糞腐生鏈向更高營養級生物傳遞需要進一步研究。

3 結論

1）以預處理后的餐廚殘渣為養殖物料，探究蠅蛆生物轉化工藝對產物特性的影響。飼喂4 d 收獲的蛆蟲蛋白質質量分數53.99%（超過14.79%），粗脂肪質量分數21.05%（超過6.80%），氨基酸組成基本符合FAO/WHO 推薦值，有害微生物和霉菌含量低于微生物飼料添加劑規定的最高允許量；經生物轉化后，蛆蟲和蟲糞中存在重金屬元素，皆在限量指標之內。

2）參考中國飼料原料魚粉國家標準（GB/T19164-2021），蛆蟲干粉蛋白質質量分數為53.99%，賴氨酸質量分數為74.82%，粗灰分為5.60%，揮發性鹽基氮為132.50 mg/100g，17 種氨基酸總量/粗蛋白值為93.67%，符合三級紅魚粉的理化指標；胃蛋白酶消化率為87.35%，作為基礎飼糧替代品可提高飼糧代謝能表觀利用率。

3）基于重金屬在餐廚殘渣-蛆蟲腐生鏈上的遷轉與積累研究結果發現，蛆蟲對重金屬的富集和排泄具有一定的選擇性，對鎘元素的富集能力最強，對鉛元素的富集能力最小。經蛆蟲生物轉化處理后，蟲糞中的重金屬元素含量明顯降低。