昆虫粉在水产饲料中的应用及效果提升技术

■舒昊明 何小刚 艾春香* 蔡旺进 胡 兵

（1.厦门大学海洋与地球学院，福建厦门361005；2.福建天马科技集团股份有限公司，福建福清350308）

昆虫(Insect)，隶属于节肢动物门(Arthropod)，昆虫纲(Insecta)，其种类繁多、形态各异，是地球上数量最多的动物群体。由于昆虫具有分布广泛、易饲养、营养物质丰富、功能性物质含量较高等特点，逐渐成为人们开发新型饲料原料研究与应用的热点。常用作饲料蛋白源的昆虫包括直翅目[1-2]、鞘翅目[3-4]、鳞翅目[5]、双翅目[6-8]等目的种类，昆虫除了作为饲料蛋白源，还可作为功能性饲料添加剂。目前，昆虫粉作为水产饲料原料已应用于许多鱼类、虾蟹类[凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）[3]]以及某些两栖动物[大鲵（Andrias davidianus）[9]、黑 斑 蛙（Rana nigromaculata Hallowell）[10]]等水产动物，其养殖效果随昆虫种类、使用量以及养殖动物种类不同而有所差异。一般而言，昆虫饲料与养殖动物生长性能以及一些特定的免疫功能相关性良好[11]。

大多数昆虫的生活史包括卵期、幼虫期、蛹期和成虫期，且繁殖周期较短，如黑水虻(Hermetia illu⁃cens L.)整个生长周期35 d左右[12]。昆虫在不同时期，其体态与营养物质含量差异很大，如黄粉虫（Tene⁃brio molitor）蛹、幼虫和成虫的脂肪含量分别为36.2%、34.1%和30.9%，且在各季节和幼虫龄期含脂肪量各异，蛹和越冬幼虫的脂肪含量较高，成虫和生长期幼虫的脂肪含量较低[13]。黑水虻幼虫含有丰富的必需氨基酸(essential amino acid, EAA)，其中亮氨酸、缬氨酸和赖氨酸含量较高，占EAA 总量23.32%，EAA 量占氨基酸总量(Total amino acid, TAA)的比例达51.07%，超过联合国粮农组织/世界卫生组织(WHO/FAO)所规定的EAA/TAA 为40%的标准[14]。桑蚕(Bombyx mori Linnaeus)作为鳞翅目代表物种，通常在蛹期作为原料应用到水产饲料中，这主要是由于桑蚕蛹蛋白质中含有18 种氨基酸，其中8 种人体EAA/TAA 为44.1%，比例适宜，符合标准，易被吸收利用，是一种较为理想的优质蛋白质[15]。

1 昆虫的营养特点

昆虫是一种营养物质丰富的动物，它可以提供许多高质量蛋白质和微量营养素。同时，昆虫也是脂肪的重要来源，其脂肪质量因昆虫的种类和饲养条件而异。近几年，有关昆虫的蛋白质(氨基酸)、脂肪(脂肪酸)、微量元素、维生素以及几丁质等作了大量的分析测定。

1.1 昆虫的蛋白质、氨基酸组成及其含量

昆虫的蛋白质含量与质量是判定其能否作为水产饲料中替代鱼粉的关键因子，因为蛋白质质量与水产动物以及人类需求息息相关。测定数据显示，部分昆虫蛋白质平均含量高达80%左右[16]，其含量变化主要受昆虫的种类及加工工艺的影响。如等翅目白蚁科(Termitidae)和直翅目蟋蟀科(Gryllidae)、蝗科(Acridi⁃dae)中某些可食昆虫干物质的蛋白质含量大约为35.3%～61.3%之间[17]，有几种蝗虫的蛋白质含量高达77%[18]。因此，就蛋白质的含量而言，昆虫是一种有价值的可持续开发的蛋白质资源，可作为食物和饲料的成分。昆虫粉在水产养殖动物饲料中的应用，应根据其蛋白质的消化率和氨基酸组成等方面进行定量评估，昆虫蛋白质含有丰富的EAA，然而目前有关昆虫蛋白质消化率和质量与人类需求之间的关系尚未充分评估。早期，人们利用蛋白质消化-纠正氨基酸评分(PDCAAS)评价蚕蛹蛋白质质量，其蛋白质质量与肉类相似，满足人体需要的限制性氨基酸为亮氨酸[19-20]，这也进一步论证了昆虫是一种营养价值高的蛋白源。自2011 年以来，蛋白质质量通常使用可消化不可缺少氨基酸评分(DIAAS)方法评估[21]，这种方法可以得到不同食物来源之间蛋白质质量更准确、更直接的可比性度量。

在维持水产动物正常生长发育过程中，不仅需要考虑蛋白质水平，还需要保持氨基酸的平衡。不同昆虫种类体内氨基酸的含量各异，根据世界卫生组织(2007)的研究，除了大部分半翅目昆虫的异亮氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸和缬氨酸含量较低，双翅目昆虫的亮氨酸和半胱氨酸含量较低外，大多数可食用昆虫基本能够提供人类营养所需的EAA。某些昆虫物种的苯丙氨酸和酪氨酸含量较高，一些昆虫物种富含色氨酸、赖氨酸和苏氨酸[22]。同时，双翅目某些昆虫的氨基酸结构和鱼粉中氨基酸更为接近，某些直翅目和鞘翅目昆虫体内氨基酸结构和大豆氨基酸更为接近[17]。总体来说，目前用于水产饲料大多数昆虫的氨基酸与水产动物生长所需求呈现一种良好的相关性。

1.2 脂肪

昆虫的脂质水平通常在7.9%～40%之间[23-24]，可为水产动物提供丰富的脂肪。使用索氏提取法提取脱水后，测定了九香虫(Coridius chinensis)、黄粉虫(Te⁃nebrio molitor)和大麦虫(Zophoba satratus Fab.)等昆虫的粗脂肪，其含量在24.01%～43.27%之间，利用气相色谱仪测定粗脂肪中不饱和脂肪酸的组成，其三种不饱和脂肪酸(油酸、亚油酸、亚麻酸)总含量分别为4.6%、76.2%、59.3%。这也说明九香虫、黄粉虫、大麦虫作为水产饲料添加剂具有良好的效用，能够提供足够的油脂来源，保证水产动物良好的生长状态[25]。食品中脂肪的营养质量通常是由脂肪酸的组成决定的。脂肪酸作为脂肪的基本组成，其结构与功能差异很大，根据其结构不同可分为三大类：饱和脂肪酸(SFA)、单不饱和脂肪酸(MUFA)和多不饱和脂肪酸(PUFA)，决定了膳食脂肪的营养质量。研究昆虫脂肪的同时，掌握一种具有营养优势的脂肪酸谱的昆虫油提取方法也很有意义。以蜜蜂(Bee)为代表的膜翅目昆虫中饱和脂肪酸(SFA)含量为31.8%，以白蚁为代表的等翅目昆虫中SFA 含量为42.0%，单不饱和脂肪酸(MUFA)的含量在22.0%～48.6%之间，多不饱和脂肪酸(PUFA)的含量在16.0%～39.8%之间，某些直翅目(蝗虫、蟋蟀)和鳞翅目昆虫PUFA 含量尤其高[22]。昆虫体内脂肪酸含量的变化较大，主要受制于昆虫的种类、食物与养殖方式[22，26-27]，将鱼的内脏喂给黑兵蝇幼虫，会导致昆虫脂肪显著富集，尤其是多不饱和n-3脂肪酸、二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)[28]。陆生昆虫往往会缺乏高度不饱和脂肪酸，这有损鱼类的生长健康[29]。因此在食用昆虫作为水产饲料应该注意使用不同水平的n-3脂肪酸强化这些饲料，达到适合鱼类生长的平衡状态。但总的来说，昆虫是必需的n-3 和n-6 脂肪酸的宝贵来源[30]，而在饮食中使用PUFA替代SFA被证明可以降低患冠心病的风险[29]。

1.3 昆虫的微量元素与维生素组成及含量

作为维持机体正常生命活动的钙、铁、硒、钾等微量元素在昆虫体内都被发现过[31-32]，其中，尤其是铁、锌两种元素在昆虫中含量丰富，可以很好地弥补某些中低收入国家饮食中矿物质的缺乏问题。昆虫体内含有多种维生素[33]，维生素和矿物质分布在很大程度上取决于昆虫食物组成。可以根据水产动物微量元素和维生素的营养需求，控制昆虫养殖条件，使其体内的维生素和矿物质达到预期水平[34]。从已有研究来看，昆虫矿物质的特定生物利用率尚未建立一个完整的评估体系，需要更充分地评估其营养价值。

1.4 昆虫的甲壳素含量

甲壳素是一种复杂的多糖结构，又称为几丁质，广泛存在于低等植物菌类、藻类的细胞，节肢动物虾、蟹、蝇蛆和昆虫的外壳，高等植物的细胞壁中[35]。其中，昆虫原表皮层中甲壳素成分含量为25%～60%[36]，主要形成坚硬的外骨骼结构。几丁质是由乙酰氨基葡萄糖聚合物组成[36]，通常天然的甲壳素在脱去乙酰氨基后，形成的衍生物为壳聚糖[22]，在食品保鲜、医学、环境和化工等方面存在着广泛应用[37～39]。甲壳素本质上被认为是膳食纤维，也可以作为一种益生菌，它可以促进生长，同时抑制肠道中的致病菌[36]。昆虫粉在水产饲料中应用，因其富含甲壳素而有助于减轻肠道功能障碍，使得水产动物更加健康生长。人体消化液中存在几丁质降解酶[36]，在水产动物体内是否存在几丁质降解酶值得进一步探索，使用了昆虫粉的水产饲料中添加适量的甲壳素酶，有助于水产动物对几丁质的消化。使用了蝇蛆粉的泥鳅饲料中添加0.1%的甲壳素酶，能够有效地保障其生长性能，增强其非特异性免疫力[40]。通过一定的工艺可以提取昆虫中甲壳素，昆虫成虫甲壳素提取得率高于幼虫[41]，将甲壳素进一步加工为系列产品，均具有良好的应用前景[42]。

2 昆虫在水产饲料中的应用现状与存在的问题

随着水产养殖业的快速发展，鱼粉等资源短缺问题日益显现，水产饲料蛋白源的供需矛盾日益尖锐。开发昆虫作为水产饲料蛋白源已成为当今的热点之一。美国密西水产研究所较为系统地研究了昆虫作为水产饲料蛋白源的效果，规模化培育出了优质的虫蛾蛋白，并且实现了生产应用[43]。在欧洲，为了减轻对蛋白质的进口依赖，同时确保欧盟农民和客户拥有可持续利用的蛋白来源，欧盟成员国代表于2017 年春季正式批准了欧盟委员会关于昆虫蛋白作为水产饲料的提案[44]。从世界范围内来看，使用昆虫蛋白作为水产饲料成分也是世界粮食安全的一大进步，因为不断消耗海洋鱼类资源获取鱼粉作为饲料蛋白源，对于生物资源以及水域生态建设等极具破坏力。将水产饲料中鱼粉用昆虫蛋白部分或全部替代，有助于节约鱼粉资源，这对于保护海洋渔业生物资源和维护良好的海洋生态环境等方面也具有深远意义。

近年来，我国有关家蝇幼虫、蚂蚁等养殖昆虫的研究与实践取得了阶段性的进展。使用昆虫作为水产饲料蛋白源，同时也是一个新的饲料资源开发利用方式。尽管目前昆虫的产量还不足以用于商业鱼类饲料的生产，但它们作为未来水产生产的可持续原料显示出巨大的潜力[45]。昆虫蛋白资源的开发可以缓解优质蛋白资源短缺的问题，促进水产饲料业的绿色发展。然而以昆虫作为水产饲料蛋白源的应用中仍存在许多亟待解决的问题。

2.1 昆虫体内氨基酸以及EPA和DHA的限制

维持水产动物健康生长，保证各种EAA 的平衡性极其重要。不同昆虫体内的氨基酸成分各异，且与鱼粉氨基酸组成存在差异，因此使用昆虫蛋白替代鱼粉需要考虑氨基酸的平衡，补充不足的氨基酸。研究表明，凡纳滨对虾饲料中使用15%的黄粉虫其生长性能与用正常饲料喂养无显著差异，但对虾体内蛋氨酸含量低，在使用黄粉虫作为凡纳滨对虾饲料中的替代蛋白质饲料，应注意补充蛋氨酸，保证水产动物体内氨基酸平衡[3]。此外，高度不饱和脂肪酸涉及到多种功能，如细胞膜的结构和类二十烷酸产物的生成[46]。大部分的海水鱼类生长需要足够的EPA 和DHA，同时对于这些脂肪酸合成能力很有限，因此需要通过食物摄取以满足自身的需求。昆虫的体内缺乏足够的EPA 和DHA，如果使用昆虫作为水产饲料，就需要综合考虑饲料中高度不饱和脂肪酸的平衡，避免影响养殖鱼类的生长、健康和品质。

2.2 昆虫体内积累的有毒有害物质和重金属

昆虫体内所含有的有害物质主要包括农药残留、毒素、重金属离子以及一些病原微生物等。使用含有药物残留的生物体作为原料来生产饲料，会使饲料中存在微量的药物残留[47]。农药残留主要是由于杀虫剂的泛滥使用，通过河流蒸发等作用扩散到大面积的土地。野外捕获的昆虫更容易受到这些有毒有害物质的影响。养殖昆虫依靠这些含有农药残留的食物或其它有机副产品为食物来源，增加毒素在昆虫体内积累导致危害。使用母鸡粪便饲养的昆虫喂养尼罗罗非鱼，发现肝脏内谷胱甘肽转移酶(GST)水平升高，表明母鸡粪便中存在杀虫剂、药物或有毒残留物的存在[48]。

重金属离子主要包括四大重金属离子：铅、镉、汞、砷。昆虫长期适应野外生活，在主动或被动过程中吸收这些重金属与自然毒素。如果不加以控制，使用这些含有大量农药以及重金属离子的昆虫饲养水产动物，并通过连续的生物富集作用，最后危害人类的健康[49]。另外一个方面就是，昆虫饲料中可能会含有一些病原微生物，例如：沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等。由于昆虫数量巨大，将其应用到水产饲料中要综合评价其安全质量，以避免有毒有害物质产生一系列负面问题。

3 昆虫蛋白在水产饲料中应用及其效果提升的技术措施

3.1 作为蛋白源替代

作为替代鱼粉的蛋白源大概可以分成动物性蛋白源(如昆虫、肉骨粉、鸡肉粉、血粉、羽毛粉等畜禽加工副产品)、植物性蛋白源(如豆粕、菜粕、棉粕、花生粕等)和单细胞蛋白(如微藻粉、酵母粉等)。普遍认为非鱼粉蛋白源替代水产饲料中的鱼粉，其适口性差、蛋白质消化率低、氨基酸不平衡、存在抗营养因子、脂肪酸不平衡、微量元素不足等是限制因素。昆虫具有种类多样性以及改变氨基酸和脂肪的能力等多方面的优势，将其作为水产饲料蛋白来源是行业发展的一种新趋势，是部分或者完全替代鱼粉的最佳选择之一。研究表明，昆虫粉取代传统蛋白质来源10%～100%的比例，不会影响水产动物和家禽的生长性能，甚至在某些情况下，昆虫饲料比传统饲料效果更佳显著[50]。但也有实验证明，饲料中昆虫粉的替代率超过30%会降低动物的生长速度，这也取决于水产动物和昆虫种类的不同[51]。从营养学的角度看，昆虫的蛋白质和脂质含量因种类和发育阶段而异，但是由于甲壳素的存在使昆虫的应用具有更大的挑战性。然而，值得我们注意的一点是，作为鱼类广泛食用的甲壳类动物中也很有几丁质成分，所以其中的过程值得进一步研究。从环境效益来看，使用昆虫作为水产饲料蛋白源，可以在一定程度上利用生活生产的废物，同时维护生态的稳定性。

昆虫作为水产饲料蛋白源应用，不仅只是从科研方面展开，还应该融入一些其它因素。首先，从来源方面比较，由于可耕地面积的减少，会直接影响到大豆等植物的产量，因此不足以维持水产饲料的持续性发展。而昆虫作为地球上种类最多，分布很广的群体，在饲养过程中，会比种植大豆等占据更少的空间。从营养供应方面，大豆等提供的植物性蛋白不能有效的被水产动物所吸收，由于含有抗营养因子，会直接或间接的影响动物的消化酶活性，从而降低蛋白质等营养物质的吸收率。相比之下，昆虫能够提供动物蛋白。并且在昆虫的饲养过程中，可以根据控制昆虫的饮食来保证其营养均衡。由于昆虫种类繁多，使用昆虫作为水产饲料蛋白源的过程，可以同时使用几种昆虫搭配，而不仅仅只是添加一种昆虫，这样在很大程度上可以保证其营养均衡，以及维持昆虫之间生态平衡。以两种不同昆虫粉(IM)替代鱼粉(FM)饲养大西洋鲑（Salmo salar）的结果显示，鱼的摄食量随饲料中IM替代鱼粉量的增加而降低，饲料转化率降低，但实验组与对照组之间的鱼组织形态学检查和感官检测并未发现任何显著差异[52]。

3.2 功能性配合饲料开发的一种提升

抗生素的滥用问题已经越来越严重，大约三分之二的抗菌剂是在养殖业中作为一种饲料添加剂成分，以此达到治疗疾病以及预防的作用，同时也能促进家畜的生长，提高饲料效率，但是这种做法其实严重危害到人类自身健康，在2006 年就已经被欧盟国家禁止使用。因此这也意味着我们需要进一步开发抗菌物质作为饲料添加剂，避免抗生素的滥用。现在人们普遍认为动物胃肠道中的复杂微生物群落可以通过饮食中含有对动物免疫系统有持续影响的益生元化合物来改变[53]，即抗菌肽对于维持肠道健康，提高免疫的能力。

昆虫作为大多数鱼类天然饵料的一部分，具有丰富的天然引诱剂成分，能够很好地提升对鱼类的诱食性。在通过一定的工艺过程处理，改善昆虫的质量、适口性，可以提高鱼类对于饲料的摄食率。目前，有关昆虫适口性对鱼类营养的相关研究较少，但是不可否认，通过改善昆虫养殖过程，获取高品质昆虫水产饲料在未来应用中发挥着至关重要的作用。昆虫除了提供相应的营养外，通过不同的工艺生产，还可以得到其它的衍生产品(如甲壳素油、抗菌肽等)，这些产品在改善水产动物生产性能的同时，还可以增强它们的免疫力。在合适替代范围内，使用黑水虻部分替代鱼粉对锦鲤的生长性能以及形态学特征无显著影响，但是能够增强鱼体抗氧化能力以及免疫能力，维护肝脏功能稳定[54]。天然的抗菌肽耐受动物消化道中蛋白酶以及肽酶的降解，具有良好的稳定性。而黄粉虫经过诱导能产生多重天然抗菌肽[55]，因此可以将黄粉虫为抗菌肽高表达量的“生产车间”，结合其丰富的营养价值，作为一种优质的饲料添加剂，能够提高肉鸡的生长性能，降低肠道中大肠杆菌数量，促进肠道中乳酸杆菌繁殖，改善小肠绒毛形态[56]。昆虫粉和肠道菌群之间能够相互影响，有助于维持生物微生态系的平衡。通过一系列作用，改变肠道中由于外界条件引起的菌群失衡状态，保障肠道内有益菌和致病菌之间处于平衡态，维持机体正常生理状态。而且经黄粉虫喂养的肉鸡消化道内，能检测到比正常水平更低的大肠杆和沙门氏菌，并且显著提高了免疫球蛋白G和免疫球蛋白A的水平[57]。

3.3 提高昆虫粉在水产饲料应用效果的技术措施

3.3.1 提高几丁质消化率的处理过程

大多数水产动物对于几丁质的消化率比较低。而昆虫中含有大量的几丁质。因此，需要采取一定的工艺来提高水产动物对昆虫饲料的消化吸收[58]。通过在饲料中添加几丁质酶和分解几丁质的细菌以提高几丁质蛋白质复合物的消化速率，如以含有甲壳动物贝壳的饲料饲养罗非鱼[59]。几丁质也可以通过化学或加酶的方法被降解为低聚糖、乙酰氨基葡萄糖或壳聚糖再添加至鱼类饲料中。

3.3.2 烘箱干燥法制备昆虫干粉

由于昆虫在储存过程中容易发生腐败，影响蛋白质的品质以及其它营养性能。因此，在昆虫活体储存情况不佳条件下，必须采取一定的工艺来保证其营养，避免因变质腐败而影响饲料的品质。制备昆虫干粉也是一种可行的方案。将昆虫活体通过烘箱干燥，除去体内水分含量，通过多次研磨，获取昆虫干粉。制备昆虫干粉工艺不仅能够避免昆虫因腐败而降低品质问题，而且经过实验研究发现，这种干燥制备昆虫粉的方法对于昆虫的氨基酸组成、营养价值等方面的影响甚小。与微波干燥法制备昆虫干粉相比，传统烘箱干燥法具有更好高的DIAAS和较好的消化率[60]。

3.3.3 利用酶解技术提高昆虫体内蛋白

昆虫体内的蛋白含量很高，为了提高水产动物对蛋白的利用率，应该采取一定的工艺对昆虫进行处理。与此同时，高度工业化的食品和饲料工业以及水产动物对昆虫的消费习性，传统的低加工形式不能够达到人们对于昆虫应用到水产饲料中的预期。所以，应该采取一定的工艺对昆虫蛋白进行加工，不断提高工艺水平，最大化使用昆虫蛋白作为水产饲料的收益。同时，为了实现工业化发展大规模的饲养系统和高效的工艺处理流程，促进水产动物对昆虫蛋白的吸收，可以采用酶解技术提高水产动物对昆虫体内蛋白利用率。酶改性是一种有效的方法，在传统的大豆蛋白，菜籽蛋白以及牛奶蛋白方面，能达到改善蛋白质溶解度、乳化以及发泡属性等高档功能属性[61～63]。目前对昆虫蛋白酶解改性的认识还比较有限。研究通过在不同酶解条件下，使用不同的酶或酶组合、酶底比以及酶解时间对于昆虫蛋白的酶解影响，控制蝗虫迁移蛋白的酶切，得到水解产物具有优质的技术功能特性，从而使其作为复杂食品系统的功能成分具有更好的工业适用性[64]。酶降解技术不仅能提高昆虫蛋白功效性，还可以降低昆虫蛋白的致敏潜能，通过切割引起过敏反应或交叉反应的特定表位产生低致敏性产品[64]。

4 虫粉作为水产饲料质量检测与控制

4.1 检测昆虫的真实性与污染控制以及饲料筛选方法

我国是水产养殖大国，兼水产品消费与出口大国。水产饲料作为养殖业中重要一环，必须防范质量与安全状况以及存在的问题，加强水产饲料的安全与质量控制，确保在水产品养殖端以良好的势头稳步前进。以昆虫蛋白作为功能性饲料开发的原料，必须从源头上降低昆虫体内可能存在对于水产动物以及人类的危害，加强对昆虫养殖的管理，从昆虫食物，昆虫养殖环境，昆虫养殖方式等层面严格规范，减少昆虫体内可能存在的有毒有害物质的残留。因此我们需要严格检测添加到饲料中昆虫粉的真实性，掌握合理的饲料筛选方法，保证其质量安全。

昆虫种类繁多，昆虫蛋白是饲料中蛋白质的一种新的替代来源，对其营养品质和安全质量应加以监测，但是目前尚缺乏适宜检测方法的支持，不能保证昆虫品质真实性与污染控制，因此需要建立一种新颖的昆虫材料分离检测方法。可以通过昆虫的角质碎片细节(如感受器和气管结构)和肌肉纤维结合，结合沉降法与光镜观察，建立昆虫颗粒起源的可靠识别方法[65]。对于饲料成品中的分析更是保障饲料应用安全的关键步骤，如何检测并筛选昆虫成分与含量的合理性至关重要。利用傅里叶变换近红外光谱成像(FT NIR)对饲料中昆虫粕进行检测和定量的筛选方法，采用判别分析，对昆虫膳食碎片在饲料基质中的自动识别，测试饲料样品中昆虫餐定量的可能性，是一种快速、绿色的饲料污染筛选分析方法[66]。

4.2 加强昆虫饲料安全与质量控制，建立合格的质量检测体系

从昆虫养殖、营养指标、加工工艺多方面建立符合水产饲料安全与质量控制的标准体系以及健全昆虫饲料评价与检测体系。对于评价昆虫水产饲料的营养指标(蛋白质、氨基酸、脂质等)，必须使用合理的检测方法，构建一个良好的检测体系，保证其产品质量的安全性。