昆虫蛋白在宠物食品中的应用

2022-12-20于雁松马隆凯许晓曦

饲料工业 2022年23期

■于雁松马隆凯许晓曦

（东北农业大学食品学院，乳品科学教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨150030）

昆虫蛋白是不同生长阶段昆虫的虫体蛋白。目前，在全球蛋白质资源紧缺的情况下，食用昆虫被广泛接受成为动物蛋白的可持续性来源。在非洲、亚洲、南美洲的一些国家中，昆虫作为一种重要食物出现在人们日常的餐桌上，这些昆虫被稍作加工后即可食用，这已在食虫国家成为一种传统。据数据显示，自然界中可食用的昆虫种类超过2 000 种，不同种类昆虫营养成分差异较大[1]。昆虫中含有蛋白质、脂肪（ω-3 脂肪酸含量丰富）、维生素和矿物质等营养元素[2]，其中蛋白质含量可达35%～61%[3]，生长阶段和种类的差异使蛋白质含量不同。昆虫蛋白中含有丰富的氨基酸，还能够满足生物体内对必需氨基酸的需求，并且昆虫蛋白中的抗菌肽具有潜在药用价值[4]。除此之外，昆虫种类丰富、繁殖周期短、易于饲养等特点为昆虫蛋白的应用提供了重要基础条件[5]。

2021年以来，我国宠物行业逐渐从快速发展期步入到稳定成熟期，宠物食品个性化、丰富化趋势愈加明显。与此同时，随着生活水平的提高和精细化养宠理念的提出，人们更加关心宠物食品的营养成分是否均衡，他们在挑选宠物食品时，通常会挑选除了满足宠物肌肉、骨骼、血液、毛发及其他器官的生长发育外，还要适合宠物体型及不同生长时期特殊需求的宠物食品[6]。据资料显示[7]，宠物食品作为宠物行业产业结构中最大的细分市场其市场份额达到了40%，在巨大的市场需求下，为宠物食品提供营养功能性的可靠来源成为亟待解决的问题。

在过去，肉类、奶类、鱼类作为宠物食品中蛋白质的主要来源时，一些犬、猫会发生过敏反应，而如今，昆虫蛋白作为新型的优质蛋白质来源可能会解决这一问题。昆虫蛋白除了具有同等高蛋白质含量外，氨基酸的组成也更为合理。研究发现[8]，蚯蚓的粗蛋白含量高达60.4%，必需氨基酸含量也能达到30.66%。不仅如此，昆虫氨基酸消化率较高，相比植物蛋白，昆虫蛋白更有利于宠物的吸收，并且昆虫蛋白中赖氨酸和苏氨酸含量也相对较高[9]。研究发现[10]，蝇蛆、黄粉虫和大麦虫蛋白质富含功能性氨基酸（如谷氨酸、精氨酸和一些支链氨基酸）。此外，这些蛋白质还含有大量赖氨酸、蛋氨酸和苏氨酸[11]，可以用作稳定的氨基酸补充剂，并参与多种生物活性物质的化学合成。因此，将昆虫蛋白用于宠物食品中对于宠物营养的全面摄取具有积极作用。

1 昆虫蛋白的来源及成分

1.1 昆虫蛋白的分类及来源(见表1、表2)

表1 可食用昆虫目的分布

表2 几种常见的昆虫干体的常规营养成分含量（干物质基础，%）

研究发现[12]，昆虫类中常见的食用昆虫主要有鞘翅目、鳞翅目、直翅目等7 种昆虫类群(见表1)。有研究证实[13]，直翅目昆虫蛋白质含量普遍较高，而鞘翅目昆虫蛋白质含量普遍偏低。根据FAO∕WHO（联合国粮农组织和世界卫生组织）提供的参考标准，当蛋白质中必需氨基酸与总氨基酸的比例约40%时，可作为优质蛋白质。研究得出[8]昆虫干体常规营养成分含量（见表2）。数据整理后可得，蚱蚕蛹和蝇蛆的必需氨基酸含量与总氨基酸含量的比例约为44.10%和48.00%，而黄粉虫的这一数据也能达到52.01%，均符合FAO∕WHO 推荐的理想蛋白质模型指数。

1.2 昆虫蛋白的特殊功能成分

1.2.1 抗菌肽

抗菌肽（antimicrobial peptides，AMPS）通常由5～100 个氨基酸组成，是宿主为抵抗病原体入侵而产生的一类小分子多肽。AMPS一直以来作为免疫系统的重要组成部分，被称为“天然抗菌剂”[14]。昆虫在遭到微生物感染或意外伤害时，体内AMPS基因的表达会显著增加，而这些AMPS 可以破坏细菌细胞壁和细胞膜的完整性，进而导致细胞内外渗透压失衡，使细菌死亡。另一方面，AMPS 还可以通过抑制细菌核酸的合成来影响其蛋白质的合成，进而起到免疫的效果[15]。AMPS具有广谱抗菌性质，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌、病毒以及肿瘤细胞均有抑制作用。有研究发现[16]，黄蜂中AMPS 对宠物体内大肠杆菌、肺炎克雷伯菌均有较强的抗菌作用。此外，由于AMPS 的靶向特异性和作用机制的复杂性，许多AMPS 相对安全，不会产生毒副作用和相关耐药微生物[17]。与传统抗生素相比，AMPS不易产生耐药性，为动物生产中减少抗生素的使用提供了良好的解决方法[18]，对患有耐甲氧西林金黄色葡萄球菌以及抗生素耐药的大肠杆菌、沙门氏菌的宠物猫、宠物犬的治疗具有积极作用。

昆虫生物种群大，AMPS 来源广泛，已经从蝇蛆、黑水虻、柞蚕、黄粉虫等昆虫体内提取到多种AMPS，并在食品保鲜、饲料调配等食品方面得到广泛应用。如Liu等[19]报道，添加极少量的AMPS就可以对抑制微生物的生长产生显著影响，还能减缓肉制品中的脂质氧化；周钢[20]发现，在治疗由沙门氏菌感染引起的白痢病鸡过程中，从蝇蛆中提取的AMPS可以显著改善症状；尚丽君等[21]研究表明，在饲料中添加250 mg∕kg的AMPS 可显著提高仔猪的饲料转化率和生长性能，同时亦可提高产量、降低成本；张耀文等[22]在蛋鸡产蛋后期的日粮中添加100 mg∕kg天蚕素AMPS，提高了蛋鸡的生产效率，并改善其肠道黏膜的形态。此外，AMPS 在发挥免疫特性方面也得到应用，Ren 等[23]证实，断奶仔猪血液中免疫球蛋白G（IgG）、免疫球蛋白M（IgM）、免疫球蛋白A（IgA）与血清总补体CH50等免疫因子的含量的增加与在饲料中添加500 mg∕kg 的AMPS有关。此外，有研究表明[24]，从黑水虻幼虫的免疫组织中检测并提取了一种新型抗菌肽DLP4，当小鼠感染耐甲氧西林金黄色葡萄球菌后，以3.0～7.5 mg∕kg的DLP4 剂量范围治疗，小鼠的存活率可达到80%～100%。这些研究充分证明了AMPS 对于动物免疫系统的积极作用，为宠物医疗与宠物食品的开发研究提供了重要参考依据，同时，在未来AMPS 将会成为人类开发研制抗菌药物的重要仿生学模板。

1.2.2 凝集素

凝集素是昆虫的天然免疫识别受体，主要代表为C 型凝集素（C-type lectins，CTLS），它是一种钙依赖性糖结合蛋白[25]。某些昆虫CTLS作为识别受体在天然免疫系统中发挥着重要作用，在监测昆虫免疫的过程中，当发现外来微生物入侵时，CTLS能够准确识别并与之结合，通过凝集、包埋、黑化、吞噬和氧化酶激活等免疫反应将其排出体外。并且，CTLS 也能够促进细胞间的黏附。除此之外，一些凝集素还具有增强细胞代谢的功能（如有丝分裂等），它们分散在细胞中，使细胞呈细长状或圆形。CTLS 通过各种机制介导昆虫-微生物组内稳态的调节，并在昆虫-微生物相互作用过程中显示出多效性[26]。

目前，有关凝集素提取方法有诸多研究，其中高嘉[27]试验证明，将昆虫生理盐水作为提取溶液，用亲和层法可纯化凝集素。凝集素具有抗癌、抑菌和免疫调节的作用。研究发现[28]，线粒体途径诱导癌细胞凋亡是家蝇凝集素发挥抗癌作用的主要途径，它主要通过阻止癌细胞增殖来发挥抗癌作用。Zhou 等[29]从蝇蛆中提取到了两种新型CTLS，并对其抗病毒特性进行了试验分析，结果表明两种新型CTLS 作为流感治疗药物能够有效抑制H1N1流感病毒的复制。Tokunaga 等[30]发现桑蚕幼虫中的CTLS 在诱导根瘤形成的免疫反应中起重要作用。同样，Rao 等[31]也证实家蚕的23个CTLS基因在介导细胞黏附和先天免疫时，对病原体进行准确识别过程中均表现出了不同的免疫特征。Cheng 等[32]发现白纹伊蚊唾液中的一种甘露糖结合CTL 可参与抵御酵母菌和革兰氏阳性菌的感染。此外，一些CTLS 对鱼类有抗菌作用，有研究发现[33]，在鲤鱼中，经β-葡聚糖凝胶聚糖刺激后，巨噬细胞上的CTLS 显著下降，这种负反馈机制能够有效防止在细菌和真菌感染过程中对鲤鱼免疫细胞的过度刺激。在未来宠物行业中引入理想的CTLS基因工程可能是保障宠物健康和提高宠物抗病性的一种有效方法。现如今，科学家已经在多种昆虫中发现了凝集素（如柞蚕、果蝇和蟋蟀），包括了鳞翅目、鞘翅目等多个昆虫类群[34]，但尚未有将其应用于食品及药品的研究报道。

1.2.3 多酚氧化酶

多酚氧化酶是一种广泛存在于自然界生物中的金属蛋白酶。其中，昆虫中的多酚氧化酶为3型含铜蛋白[35]，在病原物入侵时发挥重要作用，多酚氧化酶可经由受体准确识别病原物，在丝氨酸蛋白酶作用下切割激活，短时间即可发生黑化反应[36]。Shao 等[37]在家蚕后肠组织中发现了多酚氧化酶，其使后肠粪便发生黑化反应，这一过程不仅抑制了细菌的生长，还起到调节肠道菌群的作用，此外还发现，多酚氧化酶能够固定和杀死大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌等革兰氏阴性菌和枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌。近年来，随着人们对多酚氧化酶结构功能研究的不断深入，对多酚氧化酶蛋白质的活性、构成以及抑菌作用等有了更为全面的了解。研究发现，昆虫中的多酚氧化酶功能并非仅有免疫功能，更加证实了在昆虫中多酚氧化酶有着更广阔的使用价值，这些研究结果表明，多酚氧化酶在保障宠物健康方面可能具有较好的应用前景。

2 昆虫蛋白在宠物食品中应用的可行性

近年来，宠物行业在国内外均呈现生机勃勃的发展态势，其中，宠物食品的发展备受关注。在产品品质方面，人们越来越重视宠物食品的营养保健作用，更倾向于关注宠物食品的功能性，而宠物食品企业也对产品进行了更详细、更专业的分类，在产品研发过程中，对天然成分在产品中的应用进行了更深入的研究。以下内容重点分析了国内外宠物食品中使用昆虫蛋白的现状，并对昆虫蛋白在宠物食品中的开发及应用前景以宠物饲料和宠物零食及宠物功能食品两方面进行论述。

2.1 昆虫蛋白在宠物食品方面国内外的应用现状

在一些发达国家中，人们对于宠物的花费普遍较高。在美国，犬、猫年均消费金额分别为1 549美元∕只和988 美元∕只，中国人养犬、猫年均消费金额略低于美国，分别约为美国的75%和64%。就养宠家庭的比例来看，2017 年美国有68%的家庭饲养至少一个宠物，而中国家庭养宠率仅为1.7%[38]。由此可见，中国宠物行业发展潜力较大，宠物市场前景较为乐观。宠物饲料以高复购性、价格稳定等属性为特点，占有着宠物食品中最大份额，在美国，猫、犬饲料消费额占宠物食品消费总额的65%以上，在中国，这一数据也可达到57%。近年来作为增进人们和宠物感情的重要沟通工具，宠物零食在宠物食品消费量和占比也在持续上升。

有研究对肯尼亚基安布地区的200 名消费者进行了调查，有65%的消费者已经意识到在饲料中添加昆虫蛋白的好处。超过70%的消费者表现出偏好和意愿，能够接受将黑水虻幼虫作为饲料添加成分[39]。2019 年初，英国宠物食品公司Yora 推出了一款新型犬粮，其中就添加了黑水虻蛋白，该产品分为1.5 kg装和6.0 kg 装两种规格，售价分别为￡14.99 和￡49.99。与传统蛋白质的生产相比，黑水虻的生长繁殖条件较低且产出率较高，每产出1 kg蛋白质仅需要2%的土地和4%的水。同时，由于黑水虻自然生长条件下14 d内即可达到成熟，因此饲养过程中无需使用生长激素和抗生素。同年年底，俄罗斯Limkorm宠物食品公司在国内“先行开发区”构建了一个宠物食品加工产业带，年产量约30 000 t，成为了俄罗斯历史上首个用于饲养黑水虻幼虫的宠物食品加工综合设施。在德国，犬粮中主要添加黄粉虫幼虫蛋白和黑水虻幼虫蛋白两种昆虫蛋白，在其饲养过程中昆虫的主要食物多为黑麦粉和麦麸，因此产品干净无异味，还带有坚果香气。

国内市场调查研究显示[40]，国产宠物饲料占有量约为进口饲料的4 倍，尽管进口饲料口碑较好，但显然国产饲料品牌性价比更高。通过国内外昆虫蛋白在宠物食品中的应用对比可发现，国外已有多个宠物食品企业生产了添加昆虫蛋白的宠物食品，且国外养宠人接受度较高，但我国目前在宠物食品中添加昆虫蛋白的应用较少，宠物食用昆虫蛋白质的开发尚停留于初期阶段。

2.2 昆虫蛋白在宠物饲料的开发及应用前景

人们在犬粮、猫粮的选取时，营养成分是一个重要的选择依据。蛋白质的缺乏会导致犬和猫皮肤油腻、呈鳞屑状、宠物毛发的质量异常、发育迟缓、体重减轻、繁殖能力下降和产奶量减少。对于宠物，对蛋白质需要的研究是制定其营养需要和饲料配方的基础[41]。美国饲料监督员协会（Association of American Feed Control Officials，AAFCO）将猫和犬营养阶段分为成长繁殖期和成年维持期，并公布了这两个阶段的营养需求标准（见表3）。

表3 猫、犬食品营养（干物质基础，%）

研究发现，犬的蛋白质需求在生长期、妊娠期或哺乳期增加，成年宠物的蛋白质需求在维持期最低[42]。成年期犬饲料干物质中的蛋白质应保持在18%以上，而生长期小狗饲料干物质中的蛋白质应达到22%～25%。猫的蛋白质需求较高，在生长期摄入40%的蛋白质用于生长需要，60%的蛋白质用于维持机体正常生理；犬摄入蛋白质的66%用于生长，用于维持机体生命需求的仅占摄入蛋白质的33%。因此，在幼龄宠物中，幼犬对蛋白质的需求高于幼猫。但在成年阶段，成年猫对蛋白质的需求远远超过成年犬。对于老年宠物而言，饮食中更宜选择高生物价值、高消化率的优质蛋白质[43]。

宠物饲料中的蛋白质大多来自于动物蛋白和植物蛋白。动物蛋白的消化率明显高于植物蛋白[44]，研究证实[45]，食用黄粉虫幼虫可以改善断奶仔猪的生长性能并提高蛋白质利用率。此外，添加10%的黄粉虫幼虫后，氨基酸消化率高于传统动物蛋白。此外，动物蛋白中氨基酸含量丰富，而植物蛋白中缺乏人体某些必需氨基酸，例如在大豆蛋白中，含硫氨基酸含量相对较少，而在谷物蛋白中色氨酸、赖氨酸相对缺乏。猫需要22种氨基酸来进行蛋白质的合成，其中，赖氨酸作为第一限制性氨基酸，只在动物组织中含量丰富，且猫对牛磺酸和精氨酸也有特别的需要[46]。因此，宠物饲料中应用昆虫蛋白作为宠物蛋白质的来源，可以帮助宠物获得更全面、更丰富的氨基酸。近年来，全球经济持续发展、人口不断增多，人类逐渐增大对肉制品的需求，使得在有限的蛋白资源中宠物食品对于肉的依赖逐渐降低，因此，在未来宠物食品生产中，昆虫蛋白将作为可替代、可持续生产的优质蛋白质出现在更多的宠物食品之中[47]。

2.3 昆虫蛋白在宠物零食及宠物功能食品中的可行性研究

由于我国宠物零食在宠物食品中消费规模占比小、增速快的特点，我国宠物食品企业的产品线多以宠物零食为主。相比普通宠物食品，宠物零食的适口性是销量高低的一个重要指标。调查发现，中宠食品最畅销的产品为鸡胸肉制品，其中最典型的是鸡肉丝，其销量几乎占销售总量的10%。鸡肉丝产品常年畅销的原因首先是购买时有较高性价比，第二是宠物在食用丝状零食时能够与主人互动[48]。此外，宠物罐头则具有更好的适口性。在宠物罐头中添加昆虫蛋白可以增加氨基酸的摄取，同时，昆虫蛋白氨基酸的高消化率对于猫犬食用新鲜罐头产品可防止营养不良[49]，但昆虫蛋白的添加对于宠物零食的适口性是一个不小的挑战，今后还需要有更多的研究对添加昆虫蛋白后的宠物零食适口性进行探讨。

除了适口性外，宠物食品的功能性也值得关注，马斯特里赫特大学的研究人员开发了一种用黄粉虫幼虫替代乳制品的方法，其拥有着完整的必需氨基酸谱以及高消化率特点[50]，可作为宠物食品的潜在蛋白来源。因此，在适口性得到解决的前提下，宠物食品在功能性成分的来源上可以将昆虫蛋白作为优质选项。

在追求食品健康的基础上，宠物零食的主食化趋势愈加明显，趣味性和互动性也在不断提高。随着宠物乳制品需求量快速增长，国内企业宠物乳产品也在不断推陈出新（如冻干酸奶魔方、乳酸菌酸奶、羊奶蔬果泥等）。在此基础上，将昆虫蛋白添加到宠物零食中，在保证营养功能的同时，零食种类也趋于多元化，另外，磨牙饼干、洁牙饼干等也可以将昆虫蛋白作为原料，在满足宠物猎食需求的同时呵护牙齿、补充营养，在未来，昆虫蛋白在宠物零食领域发展潜力巨大。

宠物功能食品主要用于补充宠物所需营养以及保障宠物的健康。尽管功能食品有粉状、片剂、膏体等存在形式，但由于宠物种类的差异，宠物功能食品会根据宠物的进食特点来进行最适口的选择（如猫类宠物功能食品因猫的进食偏好而制成膏状）。目前，在国内外宠物市场中宠物功能食品多为片剂，以达到低成本、易于定量等要求[49]。在生物医药方面，宠物功能食品可以更好地发挥昆虫蛋白中含有丰富抗菌肽的优势，对宠物疾病的治疗、预防以及免疫系统的调节具有积极作用，此前已有针对于抗菌肽代替抗生素的可行性研究，宋延飞[50]发现，在饲料中添加480 mg∕kg 的抗菌肽后，断奶仔猪的生长性能及血清免疫指标均明显优于抗生素组；Wang 等[51]研究发现，抗菌肽A3 和P5 能够提高断奶仔猪和肉鸡的生长性能，并与抗生素组处理结果相似。目前研究表明，在家畜饲养中，抗菌肽已能良好代替抗生素，这对于宠物饲养中抗菌肽的利用具有积极意义。在未来，宠物功能食品行业将研发更多多元化的产品来保障宠物的机体健康。

研究人员通过试验从蜂王幼虫中提取出AMPS，并将其用以生产抗病毒生物制剂中，取得显著效果，这充分证明了蜂王幼虫富有极佳的免疫调节特性[52]。此外，昆虫蛋白质中还富含赖氨酸，能够增进大脑发育、增进脂肪代谢、减缓细胞退化。针对于各个生命阶段的宠物，将昆虫蛋白应用于宠物功能食品中可以提高宠物免疫力，降低宠物患病率，对于生长期的宠物来说有助于身体的发育，对于老年宠物来说可以延缓衰老，保障机体健康。研究发现，柞蚕雄蛾口服液对大鼠体内过氧化脂质有明显抑制作用，能够有效延缓宠物衰老程度[53]，因此，在宠物功能食品中添加昆虫蛋白还能够增加宠物活力。