昆蟲蛋白的功能特性及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀

茍夢星 王 嵐 翟江洋 姚欣雨 盧安琪

鄭州工程技術(shù)學(xué)院化工食品學(xué)院 河南鄭州 450000

當(dāng)前，世界人口的持續(xù)增長導(dǎo)致人類對動物蛋白需求量增加，并促進(jìn)了肉類消費(fèi)的大幅增長，預(yù)計到2050年全球肉類消費(fèi)將增長75%[1]。雖然目前畜牧業(yè)在農(nóng)業(yè)用地中占據(jù)很大比例，但現(xiàn)有的動物蛋白資源仍不能滿足人類的需求，并且飼養(yǎng)傳統(tǒng)畜牧動物產(chǎn)生的氣體和藥物殘留對環(huán)境污染較大。因此，尋求新的蛋白資源迫在眉睫。

昆蟲是數(shù)量最大、種類最多的動物類群之一，目前全球可食用昆蟲共計1 000多種，我國常見的主要有8種(見圖1)。昆蟲蛋白不僅營養(yǎng)豐富，氨基酸配比均衡，且其豐富的賴氨酸和含硫氨基酸可彌補(bǔ)主食供給的不足，與谷薯類食物形成良好的蛋白互補(bǔ)作用[2]。同時，昆蟲在飼養(yǎng)過程中溫室氣體和氮排放量較低，對環(huán)境污染較小[3]。因此，昆蟲蛋白成為國內(nèi)外新蛋白資源的研究熱點。

1 昆蟲蛋白的功能特性

1.1 降血壓

血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)是機(jī)體調(diào)節(jié)血壓的關(guān)鍵酶，ACE活性抑制有利于達(dá)到降血壓作用。目前有多項研究表明，昆蟲蛋白水解物具有較強(qiáng)的降血壓活性，并且部分研究已對降壓活性肽進(jìn)行了提取純化和序列鑒定。

Hall F[4](2018)等用堿性蛋白酶水解蟋蟀粉，結(jié)果表明蟋蟀蛋白的水解度與ACE抑制活性具有顯著相關(guān)性，水解度增加則ACE抑制作用增強(qiáng)。Dai C[5](2013)等用堿性蛋白酶水解脫脂黃粉蟲，當(dāng)水解度為20%時，ACE抑制活性最高。Vercruysse L[6](2010)等從棉葉蟲蛋白中提取到2種具有較高降壓活性的天然ACE抑制肽(Ala-Val-Phe和Val-Phe)。黃粉蟲水解產(chǎn)物中提取的最強(qiáng)ACE抑制活性的Tyl-Ala-Asn肽，可以顯著降低自發(fā)性高血壓大鼠的收縮壓[5]。此外，相較于合成類降血壓藥物，從可食用昆蟲蛋白質(zhì)中提取出的天然ACE抑制肽對人體具有較低的副作用[7]。

1.2 降血糖

據(jù)世界衛(wèi)生組織報道，當(dāng)前糖尿病患者人數(shù)約占全球總?cè)丝诘?%，預(yù)計到2025年糖尿病的發(fā)病率將增加一倍[8]。食源性生物肽因其在預(yù)防慢性疾病方面的作用而備受關(guān)注，可食用昆蟲因其較高的蛋白質(zhì)含量和持續(xù)的生產(chǎn)潛力，成為新生物活性肽的良好來源。Hall F[4](2018)等和Nongonierma AB[9](2018)等分別對蟋蟀蛋白進(jìn)行酶水解，結(jié)果表明蟋蟀蛋白水解物具有較強(qiáng)的降血糖作用，其作用機(jī)制是通過抑制二肽基肽酶IV(DPP-IV)活力，且水解物中含有的較低分子量的多肽表現(xiàn)出最高的抑制活性。Fernando RP[10](2018)等對黃粉蟲蛋白水解產(chǎn)物進(jìn)行生物活性鑒定，并探究了這些活性肽的作用機(jī)制，主要是通過抑制DPP-Ⅳ和α-葡萄糖苷酶的活性從而調(diào)節(jié)糖基化指數(shù)。

1.3 抗氧化

氧化應(yīng)激是導(dǎo)致人類疾病和炎癥發(fā)生的重要原因之一，抗氧化物質(zhì)可有效清除自由基，保持機(jī)體健康。近年多項研究表明，昆蟲蛋白具有較強(qiáng)的抗氧化功能。Dutta P[11](2017)等用無水乙醇提取蟋蟀蛋白，在10mg/mL的劑量下提取物的抗氧化能力最強(qiáng)，并且可能在對氧化損傷方面發(fā)揮重要作用。Hierro J[12](2020)等采用不同的方法獲得黃粉蟲和家蠅的蛋白提取物，結(jié)果所有提取物均表現(xiàn)出良好的抗氧化活性，其中乙醇和水(1∶1，v/v)提取物的效果最好，且抗氧化活性與總酚類化合物呈顯著的正相關(guān)。Hall F[4](2018)等發(fā)現(xiàn)用堿性蛋白酶水解蟋蟀粉，水解物具有較高的清除自由基活性。

1.4 增強(qiáng)免疫力

昆蟲體內(nèi)因不同刺激而產(chǎn)生的免疫物質(zhì)稱為抗菌肽，昆蟲抗菌肽作用廣泛，尤其在免疫調(diào)控方面。楊靜[13](2018)等對抗菌肽進(jìn)行改良設(shè)計，發(fā)現(xiàn)抗菌肽能促進(jìn)重組金屬蛋白酶和上皮細(xì)胞代謝的產(chǎn)生以及促進(jìn)傷口愈合，此外抗菌肽還可以促進(jìn)巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞分化，導(dǎo)致免疫應(yīng)答極化。許曉燕[14](2020)等研究不同種類的昆蟲發(fā)現(xiàn)，其抗菌肽在體內(nèi)發(fā)揮的機(jī)制不同，主要通過Toll樣受體信號通路、NF-κB信號通路和MAPK信號通路。Eleftherianos I[15](2021)等表明抗菌肽參與體液免疫和細(xì)胞免疫，并且發(fā)現(xiàn)抗菌肽不僅能參與宿主防御，還擴(kuò)展到腸道微生物群穩(wěn)態(tài)、腫瘤控制、壽命調(diào)節(jié)和神經(jīng)過程。

2 昆蟲蛋白的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

昆蟲蛋白的食用在全球很多國家已取得一定進(jìn)展，并研制開發(fā)出多種類型的昆蟲食品。Orsi L[16](2019)等報道了采用小粉蟲(Alphitobius diaperinus)制備的整只昆蟲零食(如見圖2a)，Azzollini D[17](2018)等采用10%的黃粉蟲與谷物復(fù)配，不僅味道與無蟲零食無異，而且增加了其營養(yǎng)價值。采用17%的蟋蟀粉制作的昆蟲蛋白棒(如見圖2b)，而適量添加黃粉蟲可在提高能量棒蛋白含量的同時增加其營養(yǎng)價值，同時還具有獨(dú)特的風(fēng)味[18]。采用4%的小粉蟲制備的昆蟲麥片(如見圖2c)，采用10%的小粉蟲制備的意大利面食(如見圖2d)，采用45%的脫水小粉蟲開發(fā)的昆蟲漢堡蛋白餅(如見圖2e)。Smetana S[19](2018)等采用雙螺桿擠壓技術(shù)，將15%～50%濃度的黑菌蟲蛋白濃縮物與水混合擠壓制備肉類似物，且與對照組(大豆蛋白)最相似的品質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征。

昆蟲蛋白粉在新型面包、果凍、飲料、牛奶等生產(chǎn)方面也有廣泛應(yīng)用。添加20%的黃粉蟲蛋白漿[20]和添加15%的蟋蟀蛋白漿[21]制作的昆蟲面包不僅色香味俱佳且具有較高的營養(yǎng)價值。添加8%黃粉蟲制作的昆蟲蛋白果凍以及添加蠶蛹蛋白肽制備的可緩解疲勞的運(yùn)動飲料[22]，不僅口感與市售相同，而且增加了營養(yǎng)價值[20]。此外，利用黃粉蟲蛋白制作的昆蟲奶，相較于牛奶，不僅營養(yǎng)價值符合標(biāo)準(zhǔn)，而且對環(huán)境影響比牛乳小40.9%[23]。

昆蟲抗凍蛋白還可作為食品改良劑，將昆蟲抗凍蛋白加入到冰凍食品中，可以消除產(chǎn)品的冰渣，有效改善冰凍產(chǎn)品的質(zhì)量和口味。此外，昆蟲抗菌肽良好有的熱穩(wěn)定性，可被用來做安全可靠的食品保藏劑和防腐劑，而將其應(yīng)用在熱加工食品中，可以有效的預(yù)防食品發(fā)酵過程中的雜菌污染和巴氏殺菌后的再污染[2]。

2.2 在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

昆蟲類藥物是臨床上應(yīng)用廣泛的一類藥物。使用昆蟲類藥物治療傷口愈合、癌癥及胃功能損傷、炎癥疾病等均具有良好的效果,且患者不良反應(yīng)的發(fā)生率較低[24]，其中應(yīng)用最廣泛的昆蟲是美洲大蠊。Liao Q[25](2021)等通過提取美國大蠊的蛋白多糖復(fù)合物，其可作為糖尿病小鼠傷口愈合生物活性物質(zhì)，加速糖尿病小鼠的急性傷口。Hongyan M[26](2020)等提取的美洲大蠊的生物活性物質(zhì)可以抑制肝癌，其作用機(jī)制是通過降低PI3K和P-Akt蛋白的相對表達(dá)來調(diào)節(jié)PI3K/Akt途徑。當(dāng)前，昆蟲蛋白類藥物的研發(fā)正邁向更深層次。龐艷波[27](2019)等將從美洲大蠊中提取到的一類特殊多元醇化合物聯(lián)合奧美拉唑治療慢性糜爛性胃炎，療效顯著，能有效減輕患者的炎癥反應(yīng)，促使患者胃功能恢復(fù)。趙燕[28](2021)等將美洲大蠊康復(fù)新液用于輔助治療患兒皰疹性口腔炎，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可緩解癥狀并改善炎癥反應(yīng)，促進(jìn)患兒康復(fù)。另外，膜翅目昆蟲提取物Ento-II涂膜劑可以改變大鼠腦缺血后的神經(jīng)功能缺損，具有促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)的作用，能明顯改善血瘀性腦缺血模型大鼠的血液流變學(xué)作用，表明其具有活血化瘀作用[29]。

2.3 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

昆蟲蛋白中富含多種對動物有益的物質(zhì)且成本較低，作為飼料來源能夠促進(jìn)動物生長、降低成本、提高養(yǎng)殖效率，在畜禽飼料中加入黃粉蟲粉、蚯蚓粉、蠅蛆粉等昆蟲蛋白干粉，能夠改善肉質(zhì)和提高產(chǎn)蛋率[30]。昆蟲蛋白粉中含有豐富的幾丁質(zhì)，是昆蟲蛋白粉中的抗?fàn)I養(yǎng)因子。楊炳輝[31](2018)等的研究發(fā)現(xiàn)幾丁質(zhì)酶Chi92能有效降解幾丁質(zhì)，在昆蟲蛋白粉的基礎(chǔ)上配合幾丁質(zhì)酶Chi92能更有效的促進(jìn)羅非魚的生長與健康。

王艷[32](2009)等將昆蟲的抗凍蛋白基因插入大豆葉綠體載體中，轉(zhuǎn)化后煙草的耐寒性明顯優(yōu)于野生煙草，證明用基因工程將昆蟲抗凍蛋白基因轉(zhuǎn)入抗凍性差的植物體內(nèi)，可提高其抗凍耐寒能力，為農(nóng)業(yè)種植提供新思路。

3 食用昆蟲營養(yǎng)性及安全性

3.1 食用昆蟲的營養(yǎng)性

食用昆蟲富含人體必需氨基酸，并且氨基酸組成合理，與肉類和糧食具有較強(qiáng)互補(bǔ)性，易被人體消化吸收，消化利用率為70%～98.93%[2]。食用昆蟲的成蟲脂肪含量一般較低，不飽和脂肪酸含量一般為飽和脂肪酸含量的2.5倍以上，類似于魚油的脂肪酸組成，符合人體食用最佳脂肪比例。昆蟲體內(nèi)所含脂肪酸具有多種生理活性，如促進(jìn)生物體的生長發(fā)育以及抗癌、降低膽固醇含量、降低患血栓和冠心病的風(fēng)險及預(yù)防動脈粥樣硬化等，對人體健康十分有益[33]。

3.2 食用昆蟲的安全性

昆蟲蛋白能否作為未來食物蛋白質(zhì)的新型來源，在很大程度上取決于其安全性和營養(yǎng)質(zhì)量的保證。

(1)在食用昆蟲相關(guān)的諸多問題中，昆蟲蛋白導(dǎo)致的過敏風(fēng)險是必須首要考慮的。經(jīng)常會有因食用昆蟲而導(dǎo)致過敏反應(yīng)發(fā)生的案例，但目前對這類過敏反應(yīng)還未發(fā)現(xiàn)更好的針對性治療方法。Okezie O[34](2010)等調(diào)查發(fā)現(xiàn)在食用昆蟲后會出現(xiàn)皮疹發(fā)癢、面部腫脹、輕度低血壓和不同的過敏性休克反應(yīng)。

(2)昆蟲的飼養(yǎng)方式、生活條件和加工過程導(dǎo)致昆蟲的外部和消化道內(nèi)具有多種微生物群[35]。食品的總微生物負(fù)荷量決定了食品安全和食品貨架期，而昆蟲是病原微生物的傳播媒介，因此確定可食用昆蟲的微生物安全至關(guān)重要。

(3)昆蟲在食用中可能含有寄生蟲，存在一定的食用安全風(fēng)險。昆蟲含有的天然有害物質(zhì)，如天然毒素、抗?fàn)I養(yǎng)因子等，都會對昆蟲的食用安全產(chǎn)生影響。

(4)通過對兒童和孕婦體內(nèi)鉛含量的研究發(fā)現(xiàn)，鉛含量升高與食用干蝗蟲鉛含量的增高有直接關(guān)系。食用昆蟲可能帶來生物和化學(xué)風(fēng)險，應(yīng)在受控條件的農(nóng)場飼養(yǎng)，并且整個生產(chǎn)鏈都要遵循嚴(yán)格的衛(wèi)生和消毒規(guī)范[35]。

4 展望

雖然當(dāng)前有關(guān)昆蟲蛋白的研究十分活躍，但對于昆蟲蛋白作為人類營養(yǎng)的消費(fèi)認(rèn)知是有限的，昆蟲蛋白仍存在產(chǎn)業(yè)化程度低、研究不夠全面、管理體系不完善等問題。今后有必要在以下幾個方面進(jìn)行重點研究。

(1)針對現(xiàn)代健康需求，應(yīng)進(jìn)一步挖掘昆蟲蛋白的保健功能，如緩解壓力、有助睡眠、調(diào)節(jié)免疫力等，從而開發(fā)出適合現(xiàn)代不同需求人群的功能食品。

(2)優(yōu)化可食用昆蟲蛋白類功能食品的制作工藝和技術(shù)，開發(fā)出具有功能特性的多樣化食品，如功能飲料、面包、餅干、糖果、薯片等。

(3)昆蟲肽作為抗高血壓、抗菌、抗氧化和抗糖尿病藥物的最新進(jìn)展再次表明昆蟲蛋白具有廣泛的功能活性，昆蟲生物活性肽的大規(guī)模生產(chǎn)可為未來食品及生物技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展提供更加廣闊的前景。

(4)在昆蟲食品的安全、質(zhì)量以及微生物的風(fēng)險方面應(yīng)加大研究，促進(jìn)食用昆蟲的開發(fā)利用和產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，保障人們食用昆蟲的安全。