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