餐厨废弃物昆虫生物转化资源利用中的应用研究_朱丽可.pdf

摘要：在我国碳达峰碳中和发展战略背景下，餐厨有机垃圾的资源化处理已经成为垃圾分类末端处理处置的关键问题。昆虫蛋白行业市场规模高速增长，昆虫生物转化处理技术由于具有资源化利用水平高、投资成本低、产品多样化且经济价值高等特点，利用蝇蛆养殖生产高附加值的昆虫蛋白源饲料已逐渐应用于有机废弃物后端的处理处置中。从餐厨有机固渣的资源化利用角度出发，对红头蝇的生物特性、营养价值、生物转化路线以及终端昆虫蛋白产品的利用进行了详细阐述，以期为我国有机垃圾生物转化处理项目的开展及产业链的延伸提供指导与参考。关键词：餐厨固渣；红头蝇；昆虫转化；高值利用Abstract：At present，under the background of carbon emission peak and carbon neutrality development strategy inChina，the resource treatment of food organic waste has become a key issue for terminal treatment and disposal of wasteclassification.The market scale of insect protein industry is growing rapidly，and due to its characteristics of highresource utilization level，low investment cost，product diversification and high economic value，insectbiotransformation technology used fly maggots breeding to produce high value-added insect protein source feed hasgradually applied in the treatment and disposal of organic waste.This article focuses on the resource utilization oforganic solid residues，and elaborates on the biological characteristics and nutritional value of red-eyed flies，bioconversion process routes of organic solid waste and utility of terminal insect protein products，providing guidanceand reference for industrial chain development and extension of organic waste bioconversion treatment project.Key words：organic food waste；red-eyed fly；insect biotransformation；high-value utilization中图分类号：X799.3文献标识码：A文章编号：16741021（2023）050001-061引言近年来，我国大力推行垃圾分类，餐厨垃圾作为一类特殊的有机废弃物，占生活垃圾总量的 3762，其具有高含水率、营养组分丰富以及易酸化等特性，有机质含量占干物质的比例在 78左右，每年产生量高达 6 000 万 t 以上。目前，国内外常用的有机湿垃圾处理技术，如卫生填埋、焚烧、厌氧消化和好氧堆肥等，存在资源化利用效率低、成本高和附加值低以及二次污染严重等问题。基于这种背景，生物转化技术应运而生，将有机垃圾转化为高价值昆虫蛋白物质，其产品多样化、经济价值显著，且能够有效杜绝同源性污染的问题，在有机废弃物处理中的优势突出，近年来受到国内外学者和工程研究人员的广泛关注1-3，也对我国固碳减排目标的实现具有重要意义。为解决餐厨有机废弃物的末端处置问题，国内外先后发展出利用蚯蚓、蝇类、黑水虻、黄粉虫等昆虫转化技术路线。其中，蝇类的生物学特性较为突出，其种类繁多、分布广泛、发育周期适中，具有抗逆性强、对油盐不敏感特性，能够取食新鲜的餐厨垃圾，饲养技术相对简单3-4。我国每年进口鱼粉作为大宗动物源蛋白 200 万300 万 t，难以满足多样化收稿日期：2023-01-31；修订日期：2023-04-12。作者简介：朱丽可，女，1990 年生，工程师，硕士，主要研究方向为有机废弃物的高效处理与资源化利用。基金项目：江苏省科技成果转化专项资金项目（BA2020035）；2021 年常州市现代农业产业技术体系项目。餐厨废弃物昆虫生物转化资源利用中的应用研究朱丽可1，2汤晓艳1，2田延威1魏永攀1，2张扬1，2（1 维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏常州 213125；2 常州维尔利农业科技发展有限公司，江苏常州 213139）循环经济Recycle Economy1的后端养殖需求。蝇蛆幼虫营养价值全面，干物质含有 4855的粗蛋白和 2030的脂肪，能提供多种微生素、抗菌肽、丰富的脂肪酸、有机酸等复杂的功能性成分，在石蛙、甲鱼、南美白对虾等以食肉为主的高端养殖领域具有不可替代的优势，可为市场提供大宗廉价且营养丰富的昆虫蛋白、昆虫油脂等产品4。同时，生物转化技术能快速激活相关的产品研发及服务市场，产品可被广泛应用于饲料生产、生态养殖、营养保健、医药及工业等领域。因此，利用昆虫转化技术处理餐厨有机固渣能够开发的潜在市场空间十分可观。2红头蝇生物学特性21形态特征蝇类是双翅目（Diptera）环裂亚目（Cyclorrhapha）昆虫的通称，是一类体型粗壮、多毛、小型至中型的昆虫5，对环境的适应性极强，几乎遍布世界各地。蝇在生物学上属典型的完全变态昆虫，我国已知的瓣类蝇类超过 1 500 种，红头苍蝇则是由野生苍蝇中的丝光绿蝇（Lucillia sericata）驯化而来5-6，触角黑褐色，头部为红色，背部具金绿色光泽，生命周期3060 d，需经卵、幼虫、蛹、成虫 4 个时期（见图 1），是目前人工养殖的主养品种之一。卵：卵乳白色，呈椭圆形或香蕉形，长约 1 mm。小幼虫从卵壳背面两条嵴间最薄的膜处破壳钻出。卵期的发育时间一般为 824 h，最适温度为 2235，最适湿度为 7580，且卵的孵化时间随温度升高而缩短。幼虫：幼虫期是关键成长期，俗称蝇蛆，历经 3个龄期，体长逐步成长为 513 mm，呈长圆锥形，无眼无足，体色由透明、乳白变为乳黄色，直至成熟、化蛹7。蝇蛆畏惧强光，喜居于避光黑暗处，且喜食腐败的发酵有机物。蛹：化蛹至羽化阶段呈围蛹状称为蛹期，体色由淡逐渐变深形成深褐色，长 58 mm。蛹壳内不断进行变态直至形成苍蝇的雏形，即进入羽化期，在其头部的额囊交替膨胀与收缩作用下，挤开蛹壳头端而爬出5，7。成虫：从蛹羽化的苍蝇体壁柔软，双翅尚未展开，一般需经历“静止爬行伸体展翅体壁硬化”阶段，进而发育成为具有飞翔、采食和繁殖能力的成蝇5-7，整个过程通常需 224 h。a卵b幼虫c蛹d成虫图 1红头蝇不同生命阶段形态2环境保护与循环经济22生活习性红头蝇属于杂食性蝇类，常见于人群聚居区域附近或在野外活动，适应力强，其幼虫和成虫主要滋生于腥臭腐败的物质。苍蝇具有明显的趋光性，而其幼虫（蛆）则具有明显的负趋光性，喜向隐蔽缝隙处逃逸。红头苍蝇繁殖能力惊人，繁殖期通常为 12周，在适宜温度下，雄性家蝇羽化后 1824 h、雌性家蝇羽化后 30 h 即可性成熟交配，每只雌蝇终生的产卵量可达 500800 粒7。影响苍蝇寿命的主要因素有温度、湿度、光照、食物及水8，雌蝇从羽化至首次产卵的时间长短也与环境温度密切相关，最佳生存环境要求温度 2535、空气湿度 6070，饲料中通常需添加含蛋白质或多种氨基酸的营养类食料，如糖、鸡蛋、奶粉等，利于苍蝇正常生长与发育。3昆虫营养成分红头蝇幼虫的营养成分全面，含有丰富的抗菌肽、几丁质、蛋白质、矿物质元素等高价值成分，以及多种生命活动所需要的微量元素，如铁、锌、磷、钾、钙等，具有广谱抗菌活性。鲜冻虫、虫浆以及干虫 3 种不同商品虫产品的营养组分分析见表 1。蝇蛆鲜冻虫水分含量为 746，粗蛋白含量为 135，粗脂肪含量则相对较低，约 71，天冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸、亮氨酸和赖氨酸的含量相对较多，氨基酸总含量达到 152，与虫浆营养成分差别不大；蝇蛆干虫粗蛋白为 505，粗脂肪为 309，氨基酸总量为 328。有研究显示，蝇蛆必需的氨基酸种类较为齐全，其含量是鱼粉的 23 倍9，而干蛆皮中含有300548的甲壳素10，石灰石、蜡质、色素、碳酸盐和重金属含量低，是提取甲壳素、制备壳聚糖的优良原料。表 1红头蝇蝇蛆鲜冻虫、虫浆及干虫营养成分分析注：表中数据均按收到基计；*为天冬氨酸（Asp）、苏氨酸（Thr）、丝氨酸（Ser）、谷氨酸（Glu）、甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、胱氨酸（Cys）、缬氨酸（Val）、蛋氨酸（Met）、异亮氨酸（IIe）、亮氨酸（Leu）、酪氨酸（Tyr）、苯丙氨酸（Phe）、赖氨酸（Lys）、组氨酸（His）、精氨酸（Arg）、脯氨酸（Pro）17 种氨基酸总含量。蝇蛆的粗蛋白含量明显高于植物蛋白原料，稍低于或略近于鱼粉及蚕蛹粉9-11，其营养价值丰富、成本低，是代替鱼粉的优质动物蛋白饲料资源。目前，蝇蛆已作为饲料代替部分鱼粉被广泛应用于禽畜和水产养殖，较大程度上缓解了动物性蛋白饲料的不足。蝇蛆还可用于各类养殖饲料产品的制备以及医学清腐抗菌，其有效成分也在化工、生物、医药检测项目鲜冻虫虫浆干虫水分/%74.678.45.2氨基酸总量*/（g100 g-1）15.211.932.8三聚氰胺/（mgkg-1）未检出（2.00）未检出（2.00）未检出（2.00）粗蛋白/%13.516.750.5钙/%0.540.221.03磷/%0.230.240.51汞/（mgkg-1）未检出（0.05）未检出（0.05）未检出（0.05）砷/（mgkg-1）0.040.030.04镉/（mgkg-1）未检出（0.15）未检出（0.15）未检出（0.15）铅/（mgkg-1）未检出（0.3）未检出（0.3）未检出（0.3）铬/（mgkg-1）0.080.120.30大肠菌群/（个100 g-1）1.11061.11055.0105沙门氏菌/25 g未检出未检出未检出黄曲霉毒素B1/（gkg-1）未检出（2.0）未检出（2.0）未检出（2.0）玉米赤酶烯酮/（gkg-1）未检出（10.0）未检出（10.0）未检出（10.0）粗纤维/%2.92.75.8粗脂肪/（g100 g-1）7.14.830.93等领域受到了越来越多的关注和重视。4餐厨固渣昆虫转化技术路线利用餐厨有机固渣养殖蝇蛆主体采用“种虫繁殖虫卵孵化与育雏幼虫养殖虫粪分离商品虫加工”工艺技术路线，如图 2 所示。图 2蝇蛆昆虫转化有机固渣的技术路线虫卵孵化与育雏：收集的蝇卵中含料量应5，收集后在 12 h 内孵化。孵化的环境温度（培养基料温度）需控制在 2832，湿度需控制在 6080。蝇卵孵化过程中配以猪血、水、麸皮作为开口饲料，经 1218 h 后，蝇卵破壳孵化成小幼虫，待孵化率达到 85以上，在同一环境下进入小幼虫的育雏阶段，育雏周期通常为 115 d。幼虫养殖：经过育雏后的小幼虫进行商品幼虫养殖阶段，这个阶段也是大量消耗有机固渣的过程，物料经破碎、发酵、调配后作为昆虫饲料进行喂养，可根据养殖需求添加麦麸、青糠、木屑等辅料控制饲料水分；发酵菌种可选择乳酸菌、酵母菌或复合 EM菌，发酵时间 23 d。饲料的投加量、营养成分、含水率和环境的温湿度以及空气的流通情况，都会直接影响到幼虫的发育效果和发育时间长短。生产实践中，有机饲料投加量可视幼虫的吃料状态和吃料速度有一定程度波动，通常为 510 kg/m2，养殖周期 45 d。在幼虫养殖阶段，环境温度宜控制在 2830，湿度宜控制在 65808。在这个过程中，由于幼虫的疯狂进食和自身活动摩擦会产生局部热量，物料内部温度存在一定幅度上升，需同步做好通风降温措施。虫粪分离及商品虫加工：待幼虫养殖成熟后即可进行虫粪分离阶段。经滚筒筛或振动筛机械筛分出鲜虫、虫粪和废渣。实际生产过程中，由于粪料粒径与幼虫相近，难以通过单纯机械筛分形式实现虫粪分离，可采用光选、红外线分选、人工覆膜等深度分离方式。鉴于蝇蛆养殖原料的来源为餐厨垃圾，蝇蛆作为后端水产或畜禽饲料可能存在一定的安全风险，风险因子主要为蝇蛆肠胃内未消化完全的有机固渣、肠胃内及蝇蛆表面微生物（大肠杆菌、沙门氏菌等）和黏膜，因此，通常在虫蛆分离后对鲜虫进行消毒清肠处理或者蒸煮漂烫处理。商品虫可根据需要制成不同的产品形式，主要包括鲜冻虫、干虫、虫浆、干虫粉、虫油，较为常见的为前两者。5昆虫蛋白及虫粪的利用51昆虫蛋白常规利用目前，国内蝇蛆养殖已朝着规模化、工厂化方向发展，其生产技术与产品的制备工艺也随之日渐成熟，蝇蛆昆虫蛋白的利用市场也更加广阔。因季节变化，市场需求必然产生差异，为保障销售，后端产品可选择鲜冻虫、虫浆、干虫等形式，见图 3。鲜冻虫虫浆干虫图 3不同蝇蛆商品虫形式4环境保护与循环经济蝇蛆幼虫体内含天然产物抗菌活性蛋白，对病原菌、致病菌有极强的抑制或杀灭活性，鲜冻虫广泛应用于水产和禽畜养殖，如鱼、蟹、青蛙、猪等，以提高动物免疫力。虫浆为蝇蛆鲜虫打浆后配以麸皮、豆粕等辅料混合密闭发酵而成，可用于水产养殖、畜牧养殖的开口饲料或日常拌料。干虫以鲜虫为原料，由高温瞬间杀虫并均匀烘烤而成，通常选用微波烘干方式，伴随杀菌膨化功能，易于控制产品质量，保持虫体色泽和鲜度，但能耗相对较高，也可采用红外线烘干、热风烘干或翻炒烘干等形式处理，鲜虫与干虫的比例一般为 4151。干虫为淡黄色长 12 cm 的虫体，是各种食肉型、杂食性宠物、动物的高质量零食，可促进畜禽及水产动物营养吸收与生长发育。52产品深加工利用在昆虫蛋白深加工方面，蝇蛆广阔的发展前景和巨大的发展潜力尚未完全展现，部分企业和研究学者在大力尝试开发蝇蛆在食品和医疗保健方向的技术运用，如蛋白粉、虫油、甲壳素、抗菌肽等的制备与提取，这对于昆虫蛋白后端市场与经济价值的开发利用具有重要意义。521蛋白粉蝇蛆蛋白粉为鲜虫经清洗、高温干燥、粉碎、萃取、脱脂及灭菌而成，主要成分为蛋白质、脂肪和甲壳素，含特有的抗菌肽。2018 年国家卫计委新食品原料受理了蝇蛆蛋白粉 卫食新申字（2017）第 0008号，这是卫计委首次受理蝇蛆来源的蛋白质产品。该产品原料是用隔离驯化多代家蝇生产的卵，采用酒糟作为培养原料，收获成熟的家蝇 3 龄幼虫再经清洗、高温干燥、粉碎等工艺制备而成，其蛋白质52、脂肪17、能量1 800 kJ/100 g。蝇蛆蛋白粉可作为水产或禽畜动物的饲料添加剂，能够提高水产或禽畜动物的蛋白的吸收利用率与机体免疫力，一定程度上弥补鱼粉在功能性上的缺陷，但替代鱼粉蛋白比例宜低于 1511-13。522昆虫油昆虫油是以高蛋白蝇蛆虫为原料，采用机械压榨、溶剂萃取热浸、超声辅助溶剂浸提、微波辅助溶剂浸提等工艺，使油脂从原材料中分离出来。昆虫脂质及油脂富含大量的不饱和脂肪酸，具有抗氧化防衰老、预防疾病等功效，可作为优质营养调和宠物食品用油，补充油酸、亚油酸和亚麻酸，或用于制药、保健食品添加用油、化妆品添加剂、工业润滑油等领域14。目前，昆虫油多取自面包虫（黄粉虫），蝇蛆昆虫深加工成虫油的规模化生产以及市场推广量相对较少，也尚未有统一的国家标准对其水分、酸价、过氧化值、碘值、丙二醛和重金属以及感官特性等提出具体要求，产品纯度和物质含量更多的是根据终端需求调整。523甲壳素蝇蛆体壁含有丰富的甲壳素，甲壳素的制备通常需经化学生物技术脱钙、脱蛋白、脱杂质、脱色，壳聚糖为多糖甲壳素脱除部分乙酰基的产物。目前，工业化生产甲壳素的原料主要来源于虾壳、蟹壳，但其含有大量的石灰质和蜡质，生产工艺复杂，成本较高10，14，因此对昆虫甲壳素的开发具有重要意义。甲壳素是人体不可缺少的第六生命要素，具有强化免疫机能、抑制老化、修复细胞等优良的生理功效，天然抑菌抗菌率高10，已被广泛应用于工业、农业、渔业、化妆品业以及医疗业等领域，诸如布料、渔牧饲料、保湿剂、隐形眼镜和人工血管等。市场对于甲壳素或壳聚糖产品的要求不同，如纯度、密度，SC/T 34032018 甲壳素、壳聚糖 规定了以昆虫壳、菌丝体和鱿鱼骨等为原料制成甲壳素/壳聚糖的工业级与食品级要求，通常为：水分100、灰分10、酸不溶物10、pH6585、脱乙酰度85、无机砷（以 As 计）10 mg/kg、铅20 mg/kg、灰白或微黄有光泽符合食品级标准。524抗菌肽/多肽抗菌肽（AMP）是指昆虫体内经诱导而产生的一类具有抗菌活性的碱性多肽物质，由 2060 个氨基酸残基组成，具有热稳定性、广谱抗菌活性以及免疫调节和修复损伤作用；多肽是由 10100 个氨基酸分子脱水缩合而成的化合物，具有护肤美容功效15。抗菌肽与多肽广泛的生物学活性显示了其在医药、农业、饲料业的良好应用前景。肽类产品的指标要求主要涵盖感官要求（外观色泽、气味、状态）、理化指标（总氮、灰分、水分）、重金属污染物限量、微生物限量（菌落总数），同时需关注多肽纯度、肽含量、氨基酸组成以及抗氧化性和抗菌性等功效。从动植物体内提取抗菌肽一般采用鱼、天蚕、蟾蜍、蛙等动物或大豆等植物原料，由于存在工艺复杂、产量低和成本高等瓶颈，无法真正实现大规模生产，制约着抗菌肽的推广应用，基于人工合成的专一5性、特定性，目前市场主要是依赖于人工合成肽类。相关产业分析显示，全球多肽药物市场规模预计 2026年将达到 660 亿美元，而欧美药企在全球多肽市场占据绝对优势，从长远来看，其市场发展空间广阔。从蝇蛆中提取抗菌肽和多肽目前尚处于研究开发和中试阶段，尚未实现批量化、工厂化生产，其提炼成本、经济效益、制备工艺以及相关政策仍需深度调研。53虫粪的利用蝇蛆幼虫生物转化处理有机废弃物过程中，随着虫体吃食活跃性增加，物料温度呈现先上升趋于平稳再下降的趋势，介质中的酶活性显著改变，基质pH 由酸性逐渐转变为中性或偏碱性，并释放氨气和热量。产生的高质量虫粪质地疏松，呈黑褐色，含水量相对原料显著下降，含有蝇蛆分泌的生物抗菌肽，有机质含量高达 6080，总养分（氮五氧化二磷氧化钾）含量在 5以上，重金属含量均低于限值。虫粪可堆肥腐熟后用作营养土或肥料还田，对土壤微生物活性、水力传导性以及土壤肥力的提高具有显著效果，可提高农作物生长质量16-18，是生态有机农业的环境友好型肥料。值得一提的是，餐厨固渣中易吸收蛋白成分经蝇蛆过腹被转化利用，形成虫粪中的有机物质较为稳定，盐含量约 2，长期作用于农作物栽培可能引起盐分聚集现象，有土壤盐渍化的风险，阻碍种子发芽。可稀释或选择合理配比进行复配，将肥料的含盐量控制在土壤适用范围，或选用特定耐盐类型作物、果树或园林乔木种植，如高粱、水稻、玉米、火龙果、白榆等，由虫粪转化、制备而成的肥料能否长期施用于农田土壤，也有待于进行长期实验研究和定位监测。6结论近年来，国家积极推行垃圾分类工作，餐厨垃圾作为特殊的有机生活垃圾，产生量巨大，资源化规范治理迫在眉睫。基于红头蝇的生物学特性及营养价值，利用生物转化蝇蛆养殖及再利用技术消纳餐厨有机残渣，将原二次污染物转化为优质蛋白饲料以及腐熟度较高、稳定性较好且养分充足的肥料原料，可有效拓展处理工艺链，实现餐厨废弃物的减量化与资源化。同时，可节省固渣焚烧或填埋处置成本，昆虫蛋白的应用还可带来较大的经济效益，有效解决有机残渣的出路问题。在“双碳”背景下，昆虫生物转化是未来餐厨处理的重要途径，后端产品的加工与利用可解决当前餐厨固渣资源浪费和市场上蛋白源紧缺的难题，市场潜力巨大，有待深度开发和推广验证。参考文献1 Zanten Hhev，Mollenhorst H，Oonincx Dgab，et al Fromenvironmentalnuisancetoenvironmentalopportunity：housefly larvae convert waste to livestock feedJ J CleanProd，2015，102（2015）：3623692 Salomone R，Saija G，Mondello G，et alEnvironmental impactof food waste bioconversion by insects：Application of lifecycle assessment to process using Hermetia illucensJ J Cleaner Prod，2017，140：8909053 江承亮，腾昌运，李敬，等蝇蛆生物转化餐厨垃圾的效能评估 J 应用与环境生物学报，2017，23（6）：115911654 封代华利用家蝇幼虫生物转化餐厨垃圾的研究及产业化探索 D 杭州：浙江大学，20165 高宇蝇蛆养殖实用技术 M 北京：中国科学技术出版社，20186 何凤琴蝇蛆养殖与利用技术 M 北京：金盾出版社，20127 莫兴虎，吴通奎，黄功明，等蝇蛆人工养殖技术规程 J 甘肃畜牧兽医，2018，48（2）：88908 蒋亮，何俊不同饲养条件对蝇蛆生长发育及蛹虫繁殖性能的影响 J 经济动物学报，2021（4）：256-2639 武宝生，牛化欣，常杰，等昆虫蛋白营养特性及其在水产饲料中的应用 J 饲料工业，2015，36（4）：555910 张青蝇蛆壳聚糖的制备及其性能研究 D 广州：华南理工大学，201811 宣秋希，尹小凤，齐广海，等蝇蛆蛋白在畜牧生产中应用的研究进展 J 饲料工业，2020，41（5）：131612 乔永刚鱼类饲料中蝇蛆培养物替代鱼粉的研究 D.青岛：中国海洋大学，201413 ViviEndarHerawati，Pinandoyo，DarmantoYS，etalGrowth Performance and Nutrient Content of Carp（CyprinusCarpio）With the Feeding of Maggot Meal SubstitutionCultivated in Different MediaJ IOP Conference Series：Earth and Environmental Science，2019，246（1）：1214 国洪旭蝇蛆油脂、蛋白粉和甲壳素的制备工艺研究 D 昆明：昆明理工大学，201615 王志涛，王旭东，刘玉，等蝇蛆抗菌肽粗提的优化及其抑菌活性研究 J 畜牧与兽医，2016，48（5）：868916 周陈蝇蛆生物有机肥对土壤主要环境及作物生长的影响 D 贵阳：贵州大学，200817 Zhang Z，Wang H，Zhu J，et alSwine manure vermicompostingvia housefly larvae（Musca domestica）：the dynamics ofbiochemical and microbial features J Bioresour Technol，2012，118（8）：56357118 余琳家蝇（Musca domestica L）生物转化厨余垃圾体系的产品品质分析与质量评价 D 成都：四川农业大学，20186环境保护与循环经济