黑水虻对猪禽肠道健康和肠道菌群影响的研究进展

仲崇华，桂福星，曹立亭,4，郭荣富

(1.云南农业大学动物科学技术学院，昆明 650201;2.西南大学动物科学技术学院，重庆 402460;3.西南大学动物医学院，重庆 402460;4.西南大学中兽医药研究所，重庆 402460)

昆虫具有良好的营养价值，因其含有高水平的蛋白质(60%～80%)和脂质(31%～43%)，已被视为最有希望替代饲料动物蛋白的来源之一，有望解决人类食品和动物饲料蛋白质来源的国际困境[1-4]，特别是应对因气候变化和人口增长导致的全球粮食不安全的担忧[5]。据报道，黑水虻幼虫粉(hermetia illucens larvae meal，HILM)是蛋白质和能量的优质来源，富含大量的必需和非必需氨基酸以及饱和、单不饱和与多不饱和脂肪酸、维生素和矿物质[6-7]。其蛋白质含量高达47.6%，可作为饲料蛋白质的替代品，其优势在于能够将废物转化为饲料原料，其饲养所需空间小，污染治理成本低，还能够杀灭或清除动物体内及粪便中的部分病原菌[8-9]，从而对动物免疫系统产生积极影响，促进动物健康，同时减少动物生产中抗生素的使用，更有利于提高动物机体免疫、调节肠道菌群[10]。HILM被认为是可用于动物饲粮的蛋白质饲料原料的动物级替代品。作者着重阐述了黑水虻的营养特性和主要活性物质及其对猪禽肠道健康及菌群的影响，以期为黑水虻的科学研究和在动物生产中推广应用提供参考。

1 黑水虻的营养特性及主要活性成分

1.1 黑水虻的营养特性

黑水虻的生命周期可分为卵、幼虫、蛹和成虫4个阶段[11]。成虫交配后产卵，虫卵通过动物粪便、蔬菜废物、厨余垃圾等作为饲养基质，在适宜环境条件下孵化[12-13]，收集得到的幼虫和预蛹经烘干处理即得到蛋白质饲料原料。现在国内外已经有成熟的种虫饲养和幼虫规模养殖技术，具备黑水虻作为动物饲料的生产规模。

黑水虻幼虫干物质主要由蛋白质(31.7%～47.6%)、脂肪(11.8%～34.3%)[14]和粗纤维、粗灰分组成，营养价值丰富，含多种必需氨基酸和矿物质[15-16]。其中赖氨酸含量特别丰富(占其蛋白质含量的6%～8%)，赖氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和苏氨酸等的水平与豆粕相似[17]，必需氨基酸含量总体上优于玉米蛋白粉[18]。与其他昆虫相比，黑水虻幼虫的丙氨酸、蛋氨酸、组氨酸和色氨酸含量较高，精氨酸含量较低[19]。矿物质丰富，干物质(DM)中钙(5%～8%)和磷(0.6%～1.5%)含量均高于鱼粉，据报道，最高的钙磷比值为8.4[20]。因此，黑水虻具有替代畜禽常规蛋白质饲料原料的可行性。此外黑水虻还含有比较丰富的胡萝卜素和类胡萝卜素，以及抗菌肽等多种生物活性物质[21]。

1.2 黑水虻含有的主要活性物质

抗菌肽(AMPs)是从黑水虻幼虫中提取的具有药用价值的重要效应分子，可抵御病原体入侵[22]，增强其自身的先天宿主免疫防御能力。近年来研究发现，黑水虻幼虫自身免疫系统产生的抗菌肽具有广谱抗菌活性[23]。Li等[24]研究证实，黑水虻防御素样肽2(DLP2)和防御素样肽4(DLP4)可将脾脏和肾脏中的播散性细菌负荷降低95%以上，降低血清中促炎细胞因子水平，同时增加抗炎细胞因子水平，以修复肺脏和脾脏的损伤。也有研究指出黑水虻中提取的Hill-Cec1和Hill-Cec10两种抗菌肽可有效防止铜绿假单胞菌生物膜形成，该两种抗菌肽有望引领新的抗菌药物开发以用于治疗绿脓杆菌等革兰氏阴性病原菌引起的机体感染[25]。

黑水虻预蛹中富含大量的脂肪，中链脂肪酸以月桂酸含量最高，占总脂肪酸的21%[20]，具有广谱高效的抗病毒和抗菌活性，不仅可以成为动物饲粮中常规蛋白质和能量来源的替代品，还有望作为促生长和调控胃肠道微生物菌群的饲料添加剂[26-28]。当完整的幼虫或预蛹被用作动物饲料中的蛋白质来源时，黑水虻脂肪中月桂酸的抗菌作用可以提供重要的附加值[29]。由此可见，中链脂肪酸及其甘油单酯可有效替代饲料中抗生素，同时作为促进动物性食品安全生产、提高生长性能和动物福利的添加剂之一[30]。

几丁质是黑水虻虫体中天然存在的一种多糖，被认为是自然界中最丰富的生物聚合物之一[31]。几丁质不易被降解，但易被小肠吸收且可被肠道微生物发酵，相关研究证实几丁质可以恢复肠道微生物群落的组成平衡[32-33]；此外，几丁质或衍生物也有抗病毒、抗肿瘤、抗菌活性[34]，因其作为病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP)结合各种抗原呈递细胞上的模式识别受体(pattern recognition receptor，PRR)，从而促进各种细胞因子和免疫介质的分泌[35]。因此，在饲料中使用黑水虻可减少动物养殖业中抗生素的使用，从而控制细菌耐药性的产生以及降低抗生素对人类健康的不利影响[10]。

2 黑水虻对动物肠道健康及菌群的影响

2.1 黑水虻对猪肠道健康及菌群的影响

由表1可知，在同样的营养水平条件下，黑水虻部分替代饲料蛋白能增强机体的免疫机能，同时可改善仔猪肠道菌群，增加肠道有益菌群。研究均发现肠道内乳酸菌含量明显增加，乳酸菌是一种有益菌，对肠道生理机能发挥健康促进作用，它可以产生过氧化氢和抗菌因子(如乳酸和细菌素)，以防止致病菌的定植。同时HILM部分替代仔猪饲料中的鱼粉会增加回肠和盲肠食糜中乳酸和短链脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)的浓度[15]，消化道中的细菌代谢物谱(氨、乳酸、生物胺和SCFA)可作为肠道健康和细菌活性的指标，SCFA对肠道屏障具有显著的益处[36]，丁酸盐对于维持肠道代谢[37]，促进上皮能量代谢和刺激免疫发育尤其重要[38]；还能降低链球菌和大肠杆菌的含量。大肠杆菌被认为是诱发猪腹泻的潜在致病菌，链球菌属内的一些细菌机会性病原体，与引起猪腹泻有关。因此，SCFA和乳酸的增加以及大肠杆菌和链球菌丰度的降低表明，饲料中HILM对肠道健康有益，可提高机体抗病能力，进而促进断奶仔猪的生长[39-40]。此外，HILM替代饲料蛋白可调节回肠黏膜免疫，降低促炎细胞因子mRNA表达和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)蛋白浓度；同时提高抗炎细胞因子和分泌型免疫球蛋白(SIgA)蛋白的mRNA表达[15,41-42]。小肠显示出更高的中性黏蛋白比例，增加了回肠免疫细胞浸润[43-44]。Jin等[39]研究表明，断奶仔猪饲粮中添加HILM可显著增强肠黏膜中的白介素-10(IL-10)、封闭蛋白(occludin)和闭合蛋白3(claudin3)的表达，保护肠绒毛的完整性。

表1 黑水虻对猪肠道免疫及肠道菌群影响Table 1 Effects of Hermetia illucens on intestinal immunity and intestinal microflora in pigs

续表

2.2 黑水虻对家禽肠道健康及菌群的影响

目前，黑水虻在肉鸡和蛋鸡养殖业中应用较为广泛，可用于替代基础饲粮中的大部分蛋白，改善家禽肠道健康，并能一定程度地提高机体免疫力。相关研究证实添加20%的黑水虻活幼虫对蛋鸡的生长性能、健康状况、行为和鸡蛋质量没有负面影响[45]；肉鸡饲粮添加5%黑水虻活幼虫，其脾脏指数更高，肠道形态指标和组织病理学不受影响，对肉鸡生长性能和健康状况没有负面影响[46]；用HILM部分替代肉鸡饲粮中15%豆粕也不会损害动物生长性能和健康，然而替代30%时，生长性能受到抑制，回肠粗蛋白质和氨基酸消化率降低[47]。

小肠绒毛高度(villus height，Vh)、隐窝深度(crypt depth，Cd)是衡量小肠消化吸收的重要指标，绒毛高度与隐窝深度之比(Vh/Cd)综合反映小肠的功能状态，其比值下降表明黏膜受损，消化吸收能力下降。如表2所示，饲料中适量添加HILM可以增加十二指肠Vh和回肠Cd，以及Vh/Cd，同时增加空肠和全肠的长度和重量[48-51]；同时也有研究指出随着HILM添加量的增加，空肠和十二指肠的Vh以及空肠Vh/Cd则会降低[49,52]。

表2 黑水虻对家禽肠道形态及免疫的影响Table 2 Effects of Hermetia illucens on intestinal morphology and immunity of poultry

肠道内麦芽糖酶和蔗糖酶活性代表了消化水平的高低。Cutrignelli等[51]研究表明，HILM可使肉鸡十二指肠麦芽糖酶活性升高，降低碱性磷酸酶活性，回肠中麦芽糖酶和蔗糖酶活性升高，从而发挥抑制炎症反应，调节肠道钙吸收和菌群平衡；相反的，也有研究报道，随着饲粮中HILM含量的增加，蛋鸡十二指肠和空肠中碱性磷酸酶水平下降，但不影响麦芽糖酶活性[52]；同时降低火鸡胰蛋白酶活性，但对其粗蛋白质、粗纤维、表观代谢能的表观回肠消化率系数水平没有影响[54]。

丰富的细菌群落与健康状况相关，而较低的细菌多样性以及代谢、免疫和肠道保护功能的降低与多种疾病有关[55]。如表3所示，黑水虻部分替代饲料蛋白或油脂能够增加家禽肠道有益微生物种群数量，减少有害微生物数量。研究指出添加HILM后，拟杆菌门和厚壁菌门是空肠与盲肠微生物组成中最大的细菌门类[49-50]，其在改善肠道疾病、抑制肠道有害细菌的增殖、产生SCFA、降低肠道pH和调节微生物组成方面发挥了重要作用，此外还增加了空肠罗姆布茨菌和毛螺菌科，罗姆布茨菌是维持宿主健康的肠道生物标志物[56]，毛螺菌科是典型的丁酸盐生产家族[57]。丁酸盐具有各种积极特性，因为它代表了肠细胞的重要营养来源，刺激肠道黏蛋白的产生，并改善紧密连接蛋白的完整性[58]；它还参与肠黏膜内的细胞分化和增殖，并且能够降低炎症反应。研究指出，饲粮中使用黑水虻幼虫脂肪，同样增加了肉鸡拟杆菌属和乳酸杆菌的相对丰度，同时减少了潜在致病菌如梭状芽孢杆菌和棒状杆菌[59-60]。乳酸杆菌具有很强的抗菌活性，通过在胃肠道中的竞争性排除抑制病原体的生长，可维持免疫细胞的稳态和宿主肠道健康，乳酸菌属产生的乳酸盐也可以转化为SCFA，但是当添加水平达到15%时，幽门螺杆菌属增加成为特征性菌群[60]。综上所述，饲料添加黑水虻被证明可以调节家禽的肠道微生物群，在肠道健康保护方面起到了积极的效果，这与其含有抗菌肽、几丁质等生物活性成分和调节机体物质代谢有关，可进一步探究其对机体物质代谢的影响与肠道菌群的潜在联系，应用组学和现代分子生物学等技术研究黑水虻对动物机体代谢和肠道功能的调节作用及分子机制。

表3 黑水虻对家禽肠道菌群的影响Table 3 Effects of Hermetia illucens on intestinal microflora of poultry

3 小 结

黑水虻作为一种环保、低饲养成本和高品质的昆虫蛋白质饲料原料，有望成为新型的蛋白质饲料源。目前大量动物试验证实，黑水虻替代动物饲料中的蛋白原料，不仅能提高动物生产性能、抗氧化能力、免疫力等，还有利于改善动物产品品质，特别是改善动物肠道免疫和健康，影响肠道微生物组成及丰度；然而，黑水虻作为新型的蛋白质饲料的饲料营养价值评定及对畜禽产品品质影响机制，以及其对不同动物肠道微生物菌群的生物学效应及作用机制的研究报道较少。因此，探索黑水虻及其活性成分对畜禽免疫力和机体健康的调节作用及其潜在应用价值，阐明黑水虻作为畜禽饲料蛋白质替代品的科学内涵，将其开发为新型的动物饲料蛋白质原料，以有效解决蛋白质饲料原料不足带来的危机，促进畜牧养殖业健康可持续发展。