黑水虻資源化利用研究

■于懷龍 黃小燕

（上海優(yōu)久生物科技有限公司，上海201615）

黑水虻（Hermetia illucens L.），學(xué)名亮斑扁角水虻，為昆蟲綱水虻科昆蟲[1]，陸生，營腐食性生活，原分布于南美洲熱帶草原，后傳入美國、阿根廷等地區(qū)，目前主要分布在全球熱帶、亞熱帶和溫帶的大部分地區(qū)[2]。在我國，黑水虻在華北、華南以及東南沿海地區(qū)均有分布[1,3]。黑水虻具有營養(yǎng)富集作用，能降解餐廚垃圾以及動物糞便，并富集其中的有益營養(yǎng)成分，轉(zhuǎn)化為高附加值的水虻蟲體蛋白，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，中國、美國、日本等國家和地區(qū)已經(jīng)對黑水虻展開了研究與探索，主要集中在畜禽糞便無公害處理、利用黑水虻幼蟲提取活性成分以及黑水虻產(chǎn)品開發(fā)利用等方面。本文對黑水虻的生物學(xué)特性及其開發(fā)應(yīng)用等方面展開簡要概述，為黑水虻的資源化利用提供理論依據(jù)。

1 黑水虻的生物學(xué)特性

黑水虻的生長周期歷經(jīng)卵期、幼蟲期、蛹期和成蟲期，整個生長周期35 d左右[4]。黑水虻的卵呈長橢圓形，外觀光潔，顏色為乳白色，以卵塊形式聚產(chǎn)，卵孵化時間受季節(jié)、地區(qū)和溫度影響，一般為4～14 d，適宜孵化溫度25～33℃，適宜孵化濕度60%～80%。黑水虻幼蟲期15 d左右，適宜生長溫度為25～30℃，幼蟲期根據(jù)蛻皮次數(shù)分為六個齡期，低齡幼蟲為白色，隨著齡期增加幼蟲顏色變深，一齡幼蟲基本不取食，二齡幼蟲開始大量取食，六齡期幼蟲稱為預(yù)蛹，呈黃黑色、表皮結(jié)實(shí)而有韌性，預(yù)蛹不再取食，離開食物，尋找干燥溫暖的空隙準(zhǔn)備化蛹[5]。黑水虻幼蟲取食特別廣泛，能消化除骨骼與幾丁質(zhì)外的幾乎所有固體有機(jī)廢棄物，可用于畜禽糞便、餐廚垃圾、食品加工下腳料的處理。黑水虻在幼蟲表皮蛻內(nèi)度過蛹期，在此期間黑水虻適宜生長溫度為25～28℃。黑水虻成蟲比較大，體長15 mm左右，具有黑色的頭部，眼周圍有微黃色小點(diǎn)，頭頂較寬，活成蟲的翅膀具有藍(lán)色金屬光澤，死后呈微暗色[4]，成蟲適宜生長及繁殖溫度應(yīng)不低于26℃。

2 黑水虻在畜禽糞便處理中的應(yīng)用

目前，畜禽養(yǎng)殖場每天會產(chǎn)生大量的畜禽糞便，單以養(yǎng)豬排糞測算的數(shù)據(jù)為例，每天豬糞排放量達(dá)82.3萬噸，畜牧業(yè)產(chǎn)生的污染占整個污染的14.3%[6]，對環(huán)境造成很大的壓力?，F(xiàn)在，國家對環(huán)保的管控力度正在加強(qiáng)，大批污染較大的養(yǎng)殖場倒閉或整改，因此合理有效地處理畜禽產(chǎn)生的大量糞便具有重要意義。畜禽糞便中含有大量的如蛋白、脂肪等營養(yǎng)成分，其含量與口糧成正相關(guān)[7]。黑水虻在畜禽糞便處理方面具有巨大的優(yōu)勢。一方面，黑水虻幼蟲營腐食性，繁殖能力和適應(yīng)能力較強(qiáng)，生活周期較短，同時預(yù)蛹化蛹前具有遷徙特性，有利于黑水虻幼蟲分離。另一方面，黑水虻不攜帶病菌，同時也不進(jìn)入人類的住所，對人類居住及生存環(huán)境完全安全無害[8]。因此，利用黑水虻集約化處理畜禽糞便，降解糞便中的有機(jī)物，可減少糞便堆積帶來的各種污染問題。

2.1 降低畜禽糞便造成的環(huán)境污染

黑水虻對畜禽糞便具有較高的降解率，不僅可明顯降低畜禽糞便的堆積和污染，而且可在一定程度上消除畜禽糞便產(chǎn)生的臭味。通過黑水虻幼蟲取食，兩周內(nèi)可使畜禽糞便堆積減少56%[9]，處理后的畜禽糞便所含的各種營養(yǎng)元素均得到不同程度的降低，Byrd等研究發(fā)現(xiàn)，利用黑水虻處理豬糞，豬糞中的氮、磷和鉀含量分別降低了55.1%、44.1%和52.8%[10]。經(jīng)黑水虻幼蟲處理后的畜禽糞便的臭味也會大部分得到消除，極大地降低糞便對空氣、水質(zhì)以及土壤造成的污染。

2.2 驅(qū)避家蠅

黑水虻可以對家蠅的滋生產(chǎn)生抑制作用。Sheppard推測黑水虻幼蟲可能會產(chǎn)生驅(qū)避家蠅的物質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，家蠅幼蟲不適合在經(jīng)黑水虻幼蟲取食過的糞便中生長，黑水虻幼蟲生活的糞便中也不利于家蠅成蟲產(chǎn)卵，經(jīng)黑水虻處理后雞糞對家蠅具有100%的控制率，對小家蠅具有99.9%的控制率[11]。因此利用黑水虻處理畜禽糞便，有利于解決畜禽養(yǎng)殖過程中家蠅滋生的問題。

2.3 抑制畜禽糞便中有害微生物活動

通過黑水虻取食畜禽糞便，有利于抑制畜禽糞便中一些有害微生物的活動。研究表明，經(jīng)黑水虻幼蟲取食過得雞糞，其大腸桿菌和沙門氏腸桿菌數(shù)量降低了至少2 000倍[12]。另外，黑水虻幼蟲能夠?qū)δ膛＜S便中的大腸桿菌O157∶H7產(chǎn)生有效的抑制作用[13]。因此，利用黑水虻幼蟲處理畜禽糞便，可降低畜禽糞便中的有害微生物數(shù)量，進(jìn)而減少對環(huán)境的損害。

3 黑水虻開發(fā)利用研究

3.1 黑水虻飼料利用研究

3.1.1 黑水虻幼蟲飼料營養(yǎng)價值

黑水虻幼蟲含有豐富的蛋白質(zhì)，其粗蛋白質(zhì)含量與植物性蛋白原料(如葵籽餅、豆粕等)相近，但低于魚粉。粗脂肪和粗纖維含量較高，顯著高于魚粉和豆粕，而灰分含量高于豆粕但低于魚粉。黑水虻幼蟲含有豐富的必需氨基酸，其中亮氨酸、纈氨酸和賴氨酸含量較高，可以作為飼料的優(yōu)質(zhì)蛋白原料。林啟訓(xùn)等對黑水虻幼蟲氨基酸組成進(jìn)行研究，結(jié)果表明必需氨基酸含量高于WHO/FAO規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，占總氨基酸含量的比值高達(dá)51.07%[14]。黑水虻幼蟲中脂肪酸也較為豐富，研究發(fā)現(xiàn)，取食餐廚垃圾的黑水虻幼蟲粉中不飽和脂肪酸含量在總脂肪中的占比為60.85%，而必需脂肪酸含量為總脂肪的23.72%，特別含有較高比例的油酸和亞油酸，分別為30.7%和21.3%。取食雞糞的黑水虻幼蟲粉中不飽和脂肪酸占總脂肪的34.61%，必需脂肪酸占總脂肪的8.2%。黑水虻幼蟲粉還含有豐富的微量元素，其中Fe、Mg、Zn、Cu、Mn含量顯著高于魚粉和豆粕。Newton等研究了黑水虻幼蟲的營養(yǎng)組成，其干重為42%～43%，灰分含量為11%～15%，黑水虻幼蟲粉含有42%～44%的蛋白質(zhì)，31%～35%的脂肪，4.8%～5.1%的鈣，0.60%～0.63%的磷[9]。

3.1.2 黑水虻幼蟲飼料化應(yīng)用

黑水虻幼蟲含有豐富的營養(yǎng)成分，特別適合添加到動物飼料中。Marco等在肉雞的基礎(chǔ)日糧中添加25%的黑水虻幼蟲干粉，發(fā)現(xiàn)其粗蛋白質(zhì)、粗脂肪和17種氨基酸水平均高于未添加黑水虻幼蟲干粉的飼料，經(jīng)飼喂后，肉雞的消化率和回腸表觀消化率也均高于未添加黑水虻幼蟲干粉的飼料[15]。Hale探究了雞飼料配方中的豆粕粉是否可由黑水虻幼蟲粉代替，研究表明畜禽糞便飼養(yǎng)的黑水虻幼蟲粉適合添加到雞飼料中[16]。Newton等將牛糞飼養(yǎng)過的黑水虻幼蟲粉添加到豬飼料中，研究表明黑水虻幼蟲干粉含有較高含量的氨基酸、粗脂肪和鈣，特別適合作為豬飼料生產(chǎn)的添加劑[9]。

黑水虻幼蟲在水產(chǎn)飼料方面也有較多的應(yīng)用研究。胡俊茹等采用等氮等脂方法，將黑水虻幼蟲粉按照不同的比例替代黃顙魚幼魚日糧中的魚粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)替代量小于30%時，黃顙魚幼魚增重量與對照組無顯著差異，而且血清中谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶、尿素和三酰甘油的含量均得到一定程度的降低。林啟訓(xùn)等為了代替魚粉，將黑水虻幼蟲粉用于泥鰍飼料中，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加9%～11%的黑水虻幼蟲粉，泥鰍的攝食狀態(tài)和成活率與對照組相近[17]。

不過，黑水虻預(yù)蛹中含有一定量的多聚幾丁質(zhì)，由于畜禽不含有幾丁質(zhì)酶，對該物質(zhì)的消化能力較差，同時該物質(zhì)也會影響其他營養(yǎng)成分的消化利用[18]。這在一定程度上限制了黑水虻在畜禽飼料中的應(yīng)用，因此去除預(yù)蛹中的幾丁質(zhì)是黑水虻幼蟲飼料化應(yīng)用研究的重要組成部分。當(dāng)然對于鯉魚、鱈魚等含有幾丁質(zhì)酶的動物來說，預(yù)蛹中的幾丁質(zhì)不僅對其無害，而且還可以作為一種額外的營養(yǎng)來源。此外黑水虻預(yù)蛹中的幾丁質(zhì)還可用于新型殼聚糖的提取，對于醫(yī)學(xué)和食品等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值[19]。

3.2 黑水虻藥用價值研究

黑水虻幼蟲藥用價值潛力較大，經(jīng)過誘導(dǎo)，黑水虻幼蟲會產(chǎn)生溶菌酶、抗菌肽、凝集素等多種免疫成分。研究發(fā)現(xiàn)，黑水虻幼蟲可在體內(nèi)消化瘧疾、霍亂等多種病原微生物，可以推斷黑水虻幼蟲體內(nèi)具有較強(qiáng)的免疫系統(tǒng)，進(jìn)而推斷黑水虻幼蟲是提取抗菌肽的優(yōu)質(zhì)原料。目前國內(nèi)外對抗菌肽展開了大量研究。當(dāng)黑水虻幼蟲受到外界刺激，體內(nèi)通過免疫反應(yīng)會產(chǎn)生一類具有抗菌能力的小分子活性肽，稱為黑水虻抗菌肽，該抗菌肽分子量小、水溶性好、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、無免疫原性、抗菌譜廣，不作用于正常的真核細(xì)胞，只對原核細(xì)胞和發(fā)生病變的真核細(xì)胞產(chǎn)生作用[20]，應(yīng)用前景良好。夏嬙等研究發(fā)現(xiàn)，用大腸桿菌液針刺浸泡黑水虻幼蟲1 min，繼續(xù)飼養(yǎng)24 h，從其中分離得到的抗菌肽具有抑制大腸桿菌生長的良好效果[21]。從經(jīng)誘導(dǎo)的黑水虻幼蟲中分離得到的抗菌肽不僅具有抑菌作用，而且還有一定的抗病毒、抗腫瘤的作用[22]，同時不會增加致病菌的耐藥性。

研究發(fā)現(xiàn)，黑水虻幼蟲能夠分泌己二酸，歐美許多國家利用己二酸較強(qiáng)的廣譜抗菌能力，將黑水虻幼蟲用于皮膚損傷(如燒傷和創(chuàng)傷愈合等)的臨床處理，當(dāng)己二酸濃度達(dá)到120 μg/ml時，可以有效抑制痢疾和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌等的生長[2]。Choi等從黑水虻幼蟲體內(nèi)直接提取分離出己二酸，可有效抑制革蘭氏陰性菌(如肺炎克雷伯菌、淋病奈瑟菌、宋內(nèi)志賀菌等)的活性[23]。

此外，黑水虻幼蟲體內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了大量其它的抗菌物質(zhì)，例如月桂酸、蛋白酶、P450解毒酶、水解酶等，經(jīng)免疫反應(yīng)產(chǎn)生的BF64抗菌蛋白和BD2抗菌蛋白，具有特別強(qiáng)的抗菌能力，是青霉素的幾百倍。黑水虻幼蟲體內(nèi)豐富的抗菌物質(zhì)，使其在醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可以開發(fā)制備更多具有抗菌、保健的醫(yī)藥產(chǎn)品。

3.3 黑水虻幼蟲提取生物柴油研究

黑水虻幼蟲體內(nèi)含有大量的脂肪，可以用于生物柴油的提煉和制取。林啟訓(xùn)等采用超臨界流體萃取技術(shù)成功提取了黑水虻幼蟲中油脂成分，該油脂的柴油特征值各指標(biāo)基本達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)[24]。因此，黑水虻幼蟲是一種生產(chǎn)生物柴油的新型優(yōu)質(zhì)原料。Zheng等研究了黑水虻幼蟲與微生物協(xié)同作用于水稻秸稈和餐廚垃圾，通過一段時間培養(yǎng)，可得到12.28%的黑水虻生物量以及4.38%的生物柴油。餐廚垃圾經(jīng)其處理后，水分含量降低了10%，黑水虻幼蟲蟲體粗脂肪含量達(dá)到39.2%，由其生產(chǎn)得到的生物柴油中十二烷酸甲酯、油酸甲酯和十六烷酸甲酯的含量比例接近于以動物油脂為原料生產(chǎn)得到的生物柴油比例，但該生物柴油在低溫下更有優(yōu)勢，比以油菜籽為原料生產(chǎn)的生物柴油的抗氧化能力更強(qiáng)[25]。

3.4 黑水虻生態(tài)循環(huán)模式建立

黑水虻幼蟲可以將畜禽糞便中的有益營養(yǎng)成分進(jìn)行富集，轉(zhuǎn)化為自身的營養(yǎng)物質(zhì)，最后將黑水虻幼蟲加工成人類所需的高附加值產(chǎn)品。因此，可以建立如圖1所示的生態(tài)循環(huán)模型。由圖1可知，該生態(tài)循環(huán)模型主要由畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)、黑水虻幼蟲處理畜禽糞便系統(tǒng)以及黑水虻幼蟲產(chǎn)品加工與利用系統(tǒng)三部分組成。黑水虻幼蟲可以作為飼料添加成分，按照一定的配比加工成畜禽所需的飼料產(chǎn)品，然后可以將飼料產(chǎn)品用于畜禽養(yǎng)殖中。通過畜禽養(yǎng)殖，不僅收獲大量的蛋制品、肉制品等畜禽產(chǎn)品，而且在此過程中產(chǎn)生的大量糞便又可以作為黑水虻的食物，用于黑水虻幼蟲養(yǎng)殖。經(jīng)黑水虻處理后的畜禽糞便可以加工成優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥，用于農(nóng)作物生長。將黑水虻幼蟲收集起來，可以進(jìn)一步加工成人類所需的動物飼料蛋白原料、生物柴油以及抗菌肽等高附加值產(chǎn)品，而動物飼料蛋白原料可以進(jìn)一步加工成飼料，用于畜禽養(yǎng)殖中。由此形成一個封閉的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，有利于資源的合理利用，可以生產(chǎn)出更多高附加值的產(chǎn)品，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)和社會價值。

圖1 基于黑水虻的生態(tài)循環(huán)模式

4 小結(jié)與展望

黑水虻具有資源豐富、分布廣泛、繁殖速度快、吸收轉(zhuǎn)化率高、蟲體活性成分含量高、容易飼養(yǎng)等特點(diǎn)，是一種可資源化利用的水虻科昆蟲，具有廣闊的應(yīng)用前景。建立黑水虻禽畜糞便處理系統(tǒng)，可有效降低對養(yǎng)殖場周邊生態(tài)環(huán)境的污染。將黑水虻幼蟲加工成動物蛋白飼料、生物柴油、抗菌肽等高附加值的產(chǎn)品，可以產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益?；诤谒档纳钐匦?，建立由畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)、黑水虻幼蟲處理畜禽糞便系統(tǒng)、黑水虻幼蟲產(chǎn)品開發(fā)與利用系統(tǒng)三部分組成的生態(tài)循環(huán)模式，有利于資源的合理化、最大化利用，有利于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益的統(tǒng)一。

黑水虻規(guī)?；眠€需要解決以下幾方面的難題，這也是目前研究的主要方向。黑水虻對飼養(yǎng)溫度要求較高，成蟲交配也需要在光照條件下進(jìn)行，在向我國中北部地區(qū)推廣時容易出現(xiàn)成蟲越冬困難的問題，因此需要解決對黑水虻進(jìn)行保溫飼養(yǎng)的難題。目前，需要合理的工藝或方法將黑水虻幼蟲從畜禽糞便中快速有效分離，這是黑水虻幼蟲資源化、規(guī)?；眯枰鉀Q的基本問題。在利用黑水虻幼蟲制備動物蛋白飼料方面，去除預(yù)蛹中的幾丁質(zhì)，是提高黑水虻幼蟲作為飼料添加物質(zhì)量的關(guān)鍵，因此在這方面也需要加強(qiáng)研究。對于利用黑水虻幼蟲制備生物柴油、提取抗菌肽等高附加值產(chǎn)品，合理的工藝是其規(guī)?；a(chǎn)的前提，也是目前研究的熱點(diǎn)。雖然黑水虻資源化、規(guī)?；么嬖谥恍╇y題，但其廣闊的應(yīng)用前景，值得科研人員付出更多的時間和精力對其展開研究。