蝇蛆生物转化餐厨残渣对产物特性的影响

姚玉梅 ，王兆文 ，张琦峰 ，齐自成 ※，王宗国

（1. 山东省农业机械科学研究院,济南 250100；2. 山东省农业科学院(寿光)农牧废弃物资源化利用产业技术研究院,潍坊 262700；3. 寿光市泽畅生物科技有限公司,潍坊 262700；4. 山东省诸城市农机农经发展中心,潍坊 262200）

0 引言

中国饲料原料资源短缺形势严峻，作物秸秆、畜禽粪污、餐厨残渣等多元有机废弃物综合利用率不高[1-2]，成为制约养殖业和农业发展的瓶颈问题。利用蝇蛆、黑水虻、白金花金龟等腐食性昆虫幼虫将传统难以处理的有机废弃物转化为高蛋白产品和有机肥，打通了生态系统的有机质大循环，成为缓解蛋白短缺和有机废弃物处理难度大的重要方法[3]，受到了国内外研究学者的广泛关注[4-7]。

昆虫生物转化技术是在幼虫体的生长代谢期间，在适宜条件下将有机废弃物转化为虫体生物量，并显著改善废弃物的理化特性，具有处理周期短、转化效率高，且对基质原料的脱水、除臭、杀菌、重金属钝化等作用明显的特点[8-9]。其中，蛆虫幼虫具有生长速度快、生存能力强，取食量大、取食范围广的特点，且蛆虫营养价值高，是赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸等必需氨基酸的重要来源，深加工后获得的抗菌肽、甲壳素、蛆油可应用于饲料、食品工业、医药、造纸、日用化工、印染纺织及农业等领域[10-12]，经济社会生态效益显著，应用前景广阔。

国内外研究学者主要开展了基于蛆虫养殖物料理化特性、给料频率、接种密度、通风量等养殖工艺参数优化[13-16]，和虫粪分离装置、工厂化养殖配套装备研制等方面的初步研究[17]。研究发现，蝇蛆幼虫成活率、体长、体质量等生长发育性能受养殖物料碳氮比、酸碱度和含水率等理化特性影响。这是由于蝇蛆幼虫生活习性和微生物活跃度受养殖物料的理化特性的影响[8,18-20]。基于不同理化特性养殖物料获取的蛆虫和虫粪品质存在明显差异，影响了其饲料化、肥料化应用[21]。目前，利用蝇蛆幼虫处理餐厨残渣技术已相对成熟，获取的蛆虫营养成分丰富合理，蛋白含量略低于鱼粉，作为替代鱼粉的新型蛋白源可在水产动物饲喂上应用并效果良好。然而，基于蝇蛆生物转化餐厨残渣对蛆虫和虫粪的产物特性影响研究目前尚未深入探讨。

本文聚焦物质循环再生和制约关系，以预处理后的餐厨残渣为原料，以生物转化过程产物为研究对象，开展生物转化过程中物料理化特性、蛆虫生物量和虫粪理化特性变化的研究，深入考察转化过程产物重金属含量变化特征，明确重金属在餐厨残渣-蝇蛆腐生链中的转移和积累规律。研究结果将为蝇蛆生物转化餐厨残渣提供重要的基础数据，为后续蛆虫品质评价、资源筛选及饲料化应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料：餐厨残渣由潍坊金信达生物化工有限公司提供，主要是食物消费过程中产生的废弃物。功能蝇和蛆虫养殖物料由泽畅生物科技有限公司提供，其中，功能蝇经泽畅生物科技有限公司人工干预筛选培育，蛆虫养殖物料为餐厨残渣粉碎处理后加入4 ‰ EM 复合菌剂腐熟3～5 d 制备得到。所需化学试剂及分子质量标准品等均购于国药集团上海化学试剂有限公司，化学试剂均为分析纯。

1.2 蝇蛆转化餐厨残渣试验设计

功能蝇日常投喂料为质量比8:2 的营养粉和红糖，蝇房产卵条件为环境温度为20～30 ℃、相对湿度为50%～70%、接卵配料为含水率70%的麦麸中添加1 ‰的诱导剂搅拌均匀后静置12 h 的混配料。产生的蝇卵转移至蛆虫养殖车间2 m×16 m 水泥养殖池中，保持养殖车间环境温度40 ℃以下，空气相对湿度70%以下。养殖池上方放置换流风机，并根据温度需求翻抛物料，辅以喷施水雾降温。当养殖池物料温度高于50 ℃时，每半小时翻抛一次；养殖池物料温度低于50 ℃时，每1～2 h 翻抛一次。

每批次投入养殖物料700～800 kg，每日投喂一次，养殖3～4 d 即可收获蛆虫。转化工艺均设有3 组平行试验。采用筛分机将蛆虫、虫粪筛分完全，取部分蛆虫经粉碎机（上海博朗电器有限公司，中国）粉碎制备蛆虫鲜样，于-20 ℃冰箱密封储存；取部分蛆虫经清洗、烘干、杀菌处理，粗粉后细粉过0.5 mm 筛制备蛆虫干粉，于-20 ℃冰箱密封储存。取部分蛆虫鲜样、蛆虫干粉和虫粪样品用于后续的化学分析。蝇蛆转化餐厨残渣工艺流程图如图1 所示。

图1 蝇蛆生物转化餐厨残渣工艺流程Fig.1 Process flow chart for bioconversion of kitchen wastes using fly maggots

1.3 指标测定

1.3.1 基础理化特性测定

参照NY/T 525-2021 有机肥料中方法测定蛆虫养殖物料和虫粪样品中的水分、有机质、总氮、总磷、总钾和氯离子含量。将鲜样和去离子水按固液比1∶10（质量体积比）浸提过滤取其上清液，利用PHS-3C 型pH 计（上海仪电科学仪器股份有限公司，中国）测定酸碱度（pH 值）；采用K9860 型定氮仪（济南海能仪器股份有限公司，中国）测定蛆虫样品粗蛋白含量，操作步骤参照GB/T 6432-2018；采用XT151 型索氏脂肪测定仪（Ankom 公司，美国）测定粗脂肪含量，操作步骤参照GB/T 6433-2006；采用DL-101-2BS 型鼓风干燥箱（天津市中环实验电炉有限公司，中国）在（105±5）℃干燥直至恒质量以测定水分含量；采用SX-8-10 型马弗炉（天津泰斯特仪器有限公司，中国）在（575±25）℃燃烧直至恒质量以测定粗灰分含量；水溶性氯化物含量测定方法参照GB/T 6439-2007。

为进一步分析蛆虫干粉样品经干燥后理化特性的变化，采用UV-1800 型紫外-可见分光光度计（Shimadzu公司，日本）在400 nm 波长下测定蛆虫干粉总磷含量，操作步骤参照GB/T 6437-2018；采用乙二胺四乙酸二钠络合滴定法测定其钙含量，操作步骤参照GB/T 6436-2018；采用定氮仪测定挥发性盐基氮，操作步骤参照GB/T 32141-2015；通过冷溶剂自动电位滴定法测定酸价，操作步骤参照GB 5009.229-2016；通过过滤法测定胃蛋白酶消化率，操作步骤参照GB/T 17811-2008。

1.3.2 氨基酸组成

蛆虫鲜样和蛆虫干粉样品经6 mol/L 盐酸溶液在120 ℃ 条件下水解12 h，采用LA8080 型全自动氨基酸分析仪（Hitachi 公司，日本），操作步骤参考GB/T 18246-2019。采用主要氨基酸化学评分（Chemical Score,CS）评价蛆虫的营养价值，以卵蛋白作为标准蛋白进行计算，计算公式为

式中CS为蛆虫主要氨基酸化学评分，%；A为蛆虫样品中必需氨基酸含量，%；A0为标准蛋白必需氨基酸含量，%。

1.3.3 粪大肠菌群数和蛔虫卵死亡率

采用XSP-BM-2CA 型显微镜（上海上光实业仪器有限公司，中国）测定样品中粪大肠菌群数和蛔虫卵死亡率，测定方法参考GB/T 19524.1-2004、GB/T 19524.2-2004。其中，样品中粪大肠菌群数和蛔虫卵死亡率状况评价采用NY/T 525-2021 有机肥料限量指标要求：粪大肠菌数≤100 个/g，蛔虫卵死亡率≥95%。

1.3.4 霉菌毒素

采用Waters Xevo TQ-S micro 型液相色谱质谱联用仪（Waters 公司，美国）测定蛆虫样品中的黄曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮含量，参照NY/T 2071-2011 方法；生化试验、血清学试验方法检出沙门氏菌，操作步骤参照GB/T 13091-2018；采用平皿计数法测定霉菌总数，操作步骤参照GB/T 13092-2006；参照NY/T 555-2002 方法测定大肠菌群数。其中，样品中霉菌毒素限量规定参考NY/T 1444-2007《微生物饲料添加剂技术通则》中要求：作为饲料添加剂使用时，不得检出沙门氏菌，霉菌总数＜2.0×107个/kg，大肠菌群＜1.0×105个/kg。

1.3.5 维生素组成

采用LC-20AT 型高效液相色谱仪（Shimadzu 公司，日本）和AFS-930 型原子荧光分光光度计（北京吉天仪器有限公司，中国）测定蛆虫样品中的维生素A、维生素B2、维生素B6、维生素D3 含量，测试方法参照

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

1.3.6 重金属元素含量

采用AA240Z 型原子吸收分光光度计（Agilent 公司，美国）和原子荧光分光光度计测定样本中的砷（As）、汞（Hg）、铅（Pb）、镉（Cd）铬（Cr）等重金属元素含量（mg/kg，以干基计），测定方法参照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 元素含量的检出限分别为＜0.000、＜2、＜0.1、＜0.01 mg/kg；重金属状况评价采用NY/T 525-2021 有机肥料中重金属限量指标要求：As≤15、Hg≤2、Pb≤50、Cd≤3、Cr≤150 mg/kg。

采用生物富集系数（Bioaccumulation Coefficients,BC）评价蛆虫对重金属元素的生物富集作用，计算公式为

式中BC为蛆虫对重金属元素的生物富集系数；B为蛆虫重金属元素含量，mg/kg；B0为餐厨残渣重金属元素含量，mg/kg。

1.3.7 蛆虫体质量变化

每天11:00 和23:00 定时记录蛆虫体质量，即分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 日龄，分别标记为D1、D1.5，…，D4.0，共计7 个时间点。同时，记录养殖饲料的初始质量M0和收获的4.0 日龄蛆虫总质量M1。根据以下等式计算蛆虫平均日增质量（Z）、相对生长率(S)和蛆虫产率（C）的值

式中n为日龄，取值为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0；Dn为n日龄蛆虫体质量，g；Dn-0.5为（n-0.5）日龄蛆虫体质量，g；Z为蛆虫平均日增质量，%；Zn为n日龄蛆虫平均日增质量，g；S为蛆虫相对生长率，%；Sn为n日龄蛆虫相对生长率，%；M0为养殖饲料的初始质量，g；M1为收获的4.0 日龄蛆虫总质量，g；C为蛆虫产率，%。

1.4 数据分析

采用Origin 8.5 制图（美国OriginLab 公司）。数据均采用SPSS V20.0 软件（美国IBM 公司）分析，在95%置信区间被认为具有统计学意义（P＜ 0.05）。

2 结果与分析

2.1 养殖物料、蛆虫与虫粪的基础特性分析

养殖物料经蛆虫幼虫生物转化为蛆虫和虫粪，其理化特性数据如表1 和表2 所示。由表1 可知，虫粪样品中总氮、总钾和有机质质量分数降低，这是由于养殖物料中有机物质被分解的缘故；总磷含量较转化处理前有所增加，这是因为虫粪中含水率下降，产生了养分“浓缩效应”[22]。由表2 可知，蛆虫鲜样经干燥处理后，粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、水溶性氯化物等含量相对增加，这是因为样品含水率降低，产生了养分“浓缩效应”；此时，蛆虫干粉中粗蛋白和粗脂肪质量分数分别为53.99%和21.05%，可作为一种较为理想的高蛋白营养添加剂使用。进一步获取了蛆虫干粉样品的钙质量分数、总磷质量分数、酸价、胃蛋白酶消化率、挥发性盐基氮数据，分别为0.51%、0.76%、2.60 mg/g、87.35%、132.50 mg/100 g。由酸价数据可知，蛆虫干粉油脂新鲜，品质未变坏；且胃蛋白酶消化率＞85%，明显高于合格鱼粉的胃蛋白酶消化率要求，可作为基础饲粮替代品提高饲粮代谢能表观利用率[23]；但其挥发性盐基氮含量较高，这可能是由于干燥处理使蛆虫样品发生本质变化，破坏其鲜度引起的。

表1 养殖物料与虫粪样品的基础特性数据Table 1 Characteristic data of breeding materials and insect feces samples

表2 蛆虫样品的基础特性数据Table 2 Characteristic data of maggot samples

2.2 蝇蛆生物转化工艺对产物特性变化的影响

2.2.1 蛆虫体质量变化

蛆虫体质量变化如图2 所示。由图2 可知，随着日龄的增加，蛆虫体质量呈增加趋势，其平均日增量和相对生长率呈下降趋势，与先前的研究结果一致[24]。在1.0～2.5 日龄时，蛆虫的平均日增质量和相对生长率较大，表明在该阶段下蛆虫生长发育较快，因而可在该阶段下加强蛆虫饲喂频率，进而提高养殖物料的转化速率，节约养殖成本；而随着时间的进一步增加，平均日增量和相对生长率减缓，表明蛆虫已经饲喂完成。4.0 日龄后，由蛆虫总产量计算得到蛆虫产率为33.60%，此时，测定虫粪有机质质量分数为44.34%，相较于养殖物料有机质质量分数下降了11.71%。结合蛆虫产率和有机质降解率数据分析，每3 t 养殖物料约产出1t 蛆虫，基于养殖物料调制和蝇蛆养殖工艺优化的研究有待深入研究。

图2 蛆虫体质量变化Fig.2 Body weight change of maggots

2.2.2 氨基酸组成

蛆虫中氨基酸含量不仅决定其营养价值，同时也影响其适口性，正确客观的评价其氨基酸组成非常重要。因此，对蛆虫样品进行氨基酸组成分析，并根据FAO和WHO 提出的氨基酸组成模式对几种必需氨基酸进行化学评分[25]评价，结果分别见表3 和表4。一般而言，氨基酸总量越高，其品质越好；氨基酸总量与粗蛋白含量之间的差异越小，其品质越好；在氨基酸总量相同的情况下，其必需氨基酸含量越高，其品质越好[26]。由表3可知，蛆虫样品都含有17 种氨基酸，17 种氨基酸总量/粗蛋白值为93.67%，一定程度上表明蛆虫氨基酸组成较为均衡。进一步研究发现，两种蛆虫样品的各种氨基酸含量排序基本一致，其中谷氨酸含量最高，这一结果与现有研究一致[23]；但是必需氨基酸含量和氨基酸总量存在较大差异，蛆虫鲜样和蛆虫干粉中必需氨基酸和总氨基酸质量分数分别为5.48%、8.23%和19.94%、30.65%，这可能是由于干燥处理引起的氨基酸非酶性氧化和含水率降低造成的养分浓缩的共同作用导致。由表4 可知，蛆虫鲜样中的必需氨基酸评分皆低于推荐值，而蛆虫干粉的必需氨基酸评分超过推荐值，除了亮氨酸，苯丙氨酸+酪氨酸（Phe+Tyr）含量很丰富，超过推荐标准的116.38%；含硫氨基酸超过推荐标准的66.11%。研究结果可对饲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试验数据。

表3 蛆虫蛋白质的氨基酸组成Table 3 Amino acid composition of maggot protein

表4 蛆虫蛋白质主要必需氨基酸的化学评分Table 4 Chemical score of major essential amino acids in maggot protein

2.2.3 微生物、霉菌毒素含量

充分考虑到蛆虫在采食过程中因养殖物料原料、饲喂不当引起微生物、霉菌及霉菌毒素污染，导致蝇蛆生长发育缓慢、餐厨残渣处理速率降低；蛆虫作为饲料添加剂应用时，因霉菌污染造成饲料营养价值和适口性的降低，同时因毒素积累影响动物健康等问题，依据现行标准规定的方法对样本中的沙门氏菌、大肠菌群、霉菌总数等微生物指标和黄曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮毒素含量进行了检测[27]。研究发现：蛆虫样品未受黄曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮毒素的污染，未检出沙门氏菌，霉菌检出水平为＜10 CFU/g，大肠菌群检出水平为＜3 MPN/g，含量均低于NY/T 1 444-2007《微生物饲料添加剂技术通则》的最高允许量；养殖物料和虫粪样品中未检出蛔虫卵和粪大肠菌群等微生物，这表明在蛆虫饲料化应用和虫粪还田施用时不会带入病原菌，具有一定的生物安全性。

2.2.4 维生素含量

当蛆虫作为饲料使用时，体内维生素作为动物摄取食物营养物质的主要元素之一，将对动物的生长发育等起到非常重要的作用。维生素A 具有抗炎缓解氧化应激、提高机体免疫力和抗感染能力，维生素D3 可以调控钙磷的吸收，维生素B2 和维生素B6 等水溶性维生素主要应用于抗氧化应激和调控机体免疫力。研究发现，蛆虫样品中未检出维生素A、维生素B6、维生素D3，维生素B2 为28.1 mg/kg。在蛆虫饲料化应用时，应充分考虑饲喂目标动物生产性能需求调控营养水平和饲粮维生素组合。

2.3 重金属在餐厨残渣-蛆虫腐生链上的迁转与积累

餐厨残渣成分复杂，含有多种重金属，如砷（As）、铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）铬（Cr）等，且重金属会随着生物链传递，并发生富集效应。富集系数是衡量超富集动植物的重要特征，同一动植物对不同重金属元素的吸收富集作用明显不同[28]。结合养殖物料重金属含量和蛆虫重金属含量可计算出蛆虫对重金属元素的蛆虫对重金属元素的生物富集系数[29]。此外，根据中国饲料品质标准（GB/T 6 435-2014）规定，饲料添加剂的水分含量不超过14.40%。若将含水率较大的蛆虫加工成含水率14.40%的饲料添加剂，若部分蛆虫重金属含量超标，制备的蛆虫饲料添加剂将会有严重的品质问题。由表5 可知，养殖物料中砷、铅、汞、镉、铬等重金属元素含量分别为0.53、4.45、0.06、0.07、24.80 mg/kg。经蛆虫过腹处理后，虫粪中重金属元素含量明显降低，分别为0.25、1.50、0.03、＜0.01、10.90 mg/kg。由蛆虫样品的重金属含量数据可知，蛆虫对5 种重金属元素的富集能力分别为：0.08、＜0.01、0.17、3.71、0.04，蛆虫对镉元素的富集能力最强，对铅元素的富集能力最小，进一步表明蛆虫对重金属的富集和排泄具有一定的选择性[30-31]。

表5 蝇蛆生物转化餐厨残渣对产物重金属元素含量的影响Table 5 Effects of bioconversion of kitchen wastes using maggots on the content of heavy metal elements in products g

经蛆虫生物转化后，虫粪样品的重金属元素含量明显降低，其重金属浓度与餐厨残渣养殖物料样品呈正相关，这可能是因为蛆虫取食含不同浓度重金属元素的餐厨残渣养殖物料对其累积效果不同。在蛆虫作为饲料和虫粪作为土壤基质使用时，考虑到重金属元素在土壤中相对稳定，具有一定的蓄积效应，虫粪配施过程中对土壤养分、团粒结构和微生物群落结构也具有一定的影响[32-34]，病原物、抗生素、霉菌毒素等有毒化学物质和重金属元素是否会随着餐厨残渣-蛆虫/虫粪腐生链向更高营养级生物传递需要进一步研究。

3 结论

1）以预处理后的餐厨残渣为养殖物料，探究蝇蛆生物转化工艺对产物特性的影响。饲喂4 d 收获的蛆虫蛋白质质量分数53.99%（超过14.79%），粗脂肪质量分数21.05%（超过6.80%），氨基酸组成基本符合FAO/WHO 推荐值，有害微生物和霉菌含量低于微生物饲料添加剂规定的最高允许量；经生物转化后，蛆虫和虫粪中存在重金属元素，皆在限量指标之内。

2）参考中国饲料原料鱼粉国家标准（GB/T19164-2021），蛆虫干粉蛋白质质量分数为53.99%，赖氨酸质量分数为74.82%，粗灰分为5.60%，挥发性盐基氮为132.50 mg/100g，17 种氨基酸总量/粗蛋白值为93.67%，符合三级红鱼粉的理化指标；胃蛋白酶消化率为87.35%，作为基础饲粮替代品可提高饲粮代谢能表观利用率。

3）基于重金属在餐厨残渣-蛆虫腐生链上的迁转与积累研究结果发现，蛆虫对重金属的富集和排泄具有一定的选择性，对镉元素的富集能力最强，对铅元素的富集能力最小。经蛆虫生物转化处理后，虫粪中的重金属元素含量明显降低。