《ACS Omega》：Environmental Evaluation of Yellow Mealworm Larvae Products: Analysis of Modeling Choices and Nutritional Impact-Adjusted Comparison
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本综述通过生命周期评估（LCA）和营养生命周期评估（n-LCA）方法，系统分析了黄粉虫（Tenebrio molitor）及其衍生食品（千层面）的环境影响。研究比较了归因性模型（aLCA）和后果性模型（cLCA）的结果，并采用营养质量评分（qNRF1.10.2）进行营养调整比较。结果表明，昆虫饲料生产是黄粉虫系统的主要环境热点，而建模方法的选择显著影响结果。尽管黄粉虫营养密度相对较低，但其营养调整后的环境影响普遍低于传统动物产品，凸显了昆虫作为可持续蛋白质来源的潜力与挑战。
引言
蛋白质是细胞生命活动的基础，作为结构支持、生化催化剂、激素、酶以及骨骼、皮肤、器官和肌肉的组成部分。为满足功能需求，蛋白质摄入量因年龄、性别、健康状况或体力活动水平而异，推荐摄入量为0.8克/公斤体重，安全（可耐受）上限为2克/公斤体重。然而，蛋白质消费模式及其分布存在潜在问题。一方面，尽管在广泛区域样本中人均每日总蛋白质摄入量达标，但考虑到蛋白质消化率和利用率，平均消费量低于所需水平，这可能带来严重的潜在影响。另一方面，植物性产品中的蛋白质在人类饮食中普遍稀缺，而动物蛋白，特别是红肉的消费量超过了推荐量。事实上，从1961年到2021年，动物产品的每日蛋白质供应量增加了90%。尽管全球范围内植物蛋白摄入量超过动物蛋白，但在欧洲或中美洲等地区，这一趋势分别在20世纪70年代末和21世纪初发生了逆转。由于过量摄入肉类可能带来的健康副作用，以及为满足推荐量而改变饮食模式的必要性，加之畜牧系统强烈的环境相互作用，来自替代来源的蛋白质正吸引越来越多的关注。
替代蛋白质（APs）的好处之一已被确定为促进健康，因为含有替代蛋白质的产品报告了较低的能量密度、胆固醇和饱和脂肪，但具有较高的膳食纤维浓度和微量营养素的可用性。特别是，昆虫被用作食品配料，以提高世界各地膳食的营养质量，其具体目的包括改善蛋白质来源稀缺国家的人口健康，或开发补充和增强不平衡饮食的异国产品。尽管食虫性（即昆虫消费）在一些亚洲、非洲或拉丁美洲文化中很常见，但对大多数西方人群来说仍然陌生。在欧洲国家，昆虫被归类为“新型食品”，即在1997年5月15日之前未被人类大量消费的食品。欧盟委员会目前正在努力授权昆虫供人类消费，已经批准了黄粉虫、迁徙蝗虫、家蟋蟀和黑菌虫。现有证据表明，可食用昆虫的蛋白质浓度与牛肉或猪肉相似，大多数物种满足世界卫生组织推荐的氨基酸含量。昆虫似乎也是纤维的有前途来源，因为其外骨骼由几丁质组成，同时也是omega-3多不饱和脂肪酸的来源，其浓度可能与鱼类和海产品相当。微量营养素的存在，包括铁、锌、钾、镁或B族维生素，非常突出，使昆虫成为帮助改善粮食不安全的有力且可区域适应的营养来源。除了其营养重要性外，昆虫有潜力成为比其他广泛消费的动物产品更具环境可持续性的营养来源。尽管环境影响取决于物种、生产方法和所用饲料，但主要益处与相对较高的饲料转化率（FCR）、低水和土地需求以及温室气体（GHG）产生量少有关。
在此背景下，本研究的重点是黄粉虫，它是欧盟首批被批准为安全食用的昆虫之一，及其作为健康和可持续食品来源的潜力。迄今为止，大量研究分析了黄粉虫的营养质量，一些研究进行了生命周期评估（LCA）以估算与其生产相关的环境影响。由于近期对该产品的广泛兴趣，第一个LCA可追溯到2018年，该评估评估了用于饲料目的的黄粉虫的环境影响。最近，Zlaugotne及其同事通过比较包括黑水虻或大豆蛋白在内的其他蛋白质来源的影响来补充这项研究。Dreyer及其合作者将重点转向人类消费，考虑了位于奥地利农场的数据，而Tello等人则更进一步，评估了基于黄粉虫的牛奶的影响。最后，Laroche及其同事使用不同的提取和纯化方法计算了来自黄粉虫的蛋白质提取物的碳足迹和生态效率。为了对现有技术水平做出贡献，本研究应用LCA分析黄粉虫农场和假设的衍生产品（即基于黄粉虫的千层面）的环境影响和热点。与现有文献相比，本文研究了建模决策对结果的影响，评估了不同的归因性和后果性LCA情景，以解决产品系统的多功能性问题。归因性LCA试图提供与特定产品相关的全球环境影响部分的信息，而后果性LCA旨在提供作为决策后果（通常由产品需求变化表示）直接或间接发生的负担的信息。此外，还进行了比较性营养LCA，以对比黄粉虫和其他替代蛋白质在营养质量方面的环境概况，以及它们在膳食中替代的影响。为此，应用了质量营养丰富食品1.10.2模型（qNRF1.10.2），该模型将营养素摄入充足性和蛋白质质量结合在一个单一分数中，以衡量产品的真实功能。根据综述，所有出版物都通过考虑蛋白质数量来处理营养LCA方法，但未能考虑更全面的营养密度视角。此外，它们没有依赖不同的方法，如后果性LCA，来研究因产品需求变化而对环境结果产生的影响。这种行动者应对其生产和消费行为的后果负责的后果主义思想是环境管理体系的基础。因此，cLCA允许通过使用边际数据改变产品需求来评估市场内的所有因果效应关系。在昆虫的特殊情况下，Thévenot等人已确定这是确定该部门未来方向的必要条件。
LCA方法论
研究目标
分析分为两个阶段，基于预期产品。首先，将LCA应用于黄粉虫幼虫，目的是估算与饲养和加工相关的环境影响并确定瓶颈。其次，对即食餐（千层面）进行了LCA，其中蛋白质来源被黄粉虫和其他替代蛋白质取代，以评估和比较环境和营养影响。本研究最初采用归因性（aLCA）方法来评估基于平均真实数据的现状情景的表现，这构成了基线情景并有助于澄清生产的环境热点。由于产品系统的多功能性（其中主要副产品是虫粪），基于不同归因性分配程序的定义，敏感性分析由两个情景组成。此外，还执行了后果性LCA（cLCA）视角，以评估方法变更对环境结果的影响。cLCA试图提供作为决策后果的直接和间接环境负担的信息。在这种情况下，研究了对黄粉虫产品需求增加的影响。
功能和功能单位（FU）
此时，必须区分产品系统的功能和最终产品的功能。系统的主要功能是生产黄粉虫，随后生产用于食品目的的餐食，而这些产品的功能是为人体的维持和发育提供营养素和生物活性化合物。
鉴于这是一个多功能过程，在aLCA中使用了四个基于质量的功能单位（FU），反映了所获得产品的不同功能：（i）1公斤可供人类食用的黄粉虫幼虫，（ii）一份蛋白质来源（牛肉）被黄粉虫取代的千层面，（iii）1公斤作为黄粉虫饲养副产品的虫粪，以及（iv）1公斤黄粉虫残留物。此外，为了表示理想产品的真实功能，应用了黄粉虫和餐食的质量营养丰富食品1.10.2分数作为功能单位。这种营养分析模型测量宏量和微量营养素摄入的充足性，并引入可消化必需氨基酸评分（DIAAS）来提供根据其消化率和生物利用度调整的蛋白质含量。qNRF1.10.2分数估计算法见公式1。
qNRF1.10.2 = ( (蛋白质 × DIAAS / DRIp) + ∑i=10(营养素i/ DRIi) - ∑j=2(Lj/ MRIj) )
其中蛋白质表示食物中蛋白质含量（克/100克），DIAAS是可消化必需氨基酸评分（%），DRIp是蛋白质的每日推荐摄入量，营养素i是100克食物中鼓励摄入的营养素“i”的浓度（i = 纤维、维生素A、B9、B12、E、D、Zn、Mg、Ca和Fe），DRIi是营养素“i”的每日推荐摄入量，Lj是100克食物中 disqualifying 营养素“j”的含量（j = 饱和脂肪酸和Na），MRIj是营养素“j”的每日最大推荐摄入量。
对于后果性分析，定义了（i）1公斤干燥黄粉虫幼虫和（ii）1份基于黄粉虫的餐食（千层面）市场需求增加的功能单位。
系统边界和描述
系统边界设定为从摇篮到消费者，包括原材料生产和供应、黄粉虫饲养、杀死和漂烫、设施维护、中间废物管理、最终餐食的生产以及黄粉虫粪便和残留物的脱水以生产商业虫粪和饲料。由于缺乏可靠数据以及该阶段对总体影响的预期贡献较低（因为公司仅在国家层面销售产品），从工业到家庭的运输被忽略。尽管大多数与食品相关的LCA研究采用从摇篮到大门的方法，但对于营养LCA，优选将系统边界扩展到消费阶段，以考虑家庭储存和烹饪后营养素特性及其生物利用度的变化。
关于黄粉虫生产，饲料成分生产的土壤准备、种植、施肥、收获和其他田间活动被包括在界限内。此外，考虑了饲料的运输，包括从批发商到供应商以及从供应商到农场的运输。所研究的农场位于蓬特韦德拉（西班牙西北部），年生产能力为18吨黄粉虫幼虫（活重）。黄粉虫饲养在气候控制室中进行，温度为26°C，湿度水平约为65%。年度生产周期包括12个月，在此期间饲养三批。该操作在塑料托盘中进行，托盘中含有由谷物组成的饲料基质，包括麦麸、燕麦、玉米和大豆。此外，每2天喂食一次由土豆和麦芽组成的湿饲料作为营养补充。包括蔬菜的清洁剂。饲料转化率（FCR），即生产1公斤幼虫所摄入的饲料量，估计为4。饲养过程从产卵和幼虫发育开始。从第14周开始，产生的90%幼虫被提取用于后续阶段，而剩余的10%保留在托盘中进行繁殖（化蛹和昆虫饲养）。设施维护和饲养托盘清洁也包括在系统边界内。前者通过使用化学产品（地板清洁剂）和杀螨剂每日清洁室来进行，以避免外部试剂的污染。托盘清洁通过去除新鲜饲料残留物、未发育的死黄粉虫和多余的粪便来进行，留下一层薄薄的层作为隔热层。有机废物（每天1-2公斤）被放入容器中进行管理，而未发育的黄粉虫（平均每周11公斤）在干燥机中脱水8小时，并出售给鸟类饲料工厂。另一方面，多余的粪便也被脱水并出售用作有机肥料。这种虫粪的NPK含量为3/3/3，有机质浓度为80%，pH值为6.5。关于幼虫的生命周期，一旦收集，它们被进行冷冻杀死和漂烫以消除潜在病原体。这些阶段是根据文献考虑的，因为在所研究行业的数据收集时，昆虫用于人类消费在西班牙刚刚开始，因此活昆虫被出售用作动物饲料。
解决千层面生产的系统是假设的，并考虑了所有成分的生产和烹饪过程。该系统是根据自制食谱创建的，采用每种成分的数量并遵循其制备的所有步骤。为了更新含有牛肉的传统餐食，使用qNRF1.10.2分数进行了用黄粉虫或其他替代蛋白质的替代。基于此，黄粉虫的数量应为牛肉数量的1.25倍，以提供相同的营养质量。与先前的“子系统”类似，谷物和蔬菜的种植和加工，以及乳制品和脂肪（如油）的生产被包括在边界内。由于缺乏真实可靠的数据，这些成分的运输未在系统中考虑。烹饪过程包括水的消耗以及使用电炉进行意大利面煮沸、煸炒、肉类和白酱制备，以及使用烤箱进行最终烘烤。
归因性情景中的多功能性
如前所述，理想产品（即黄粉虫幼虫）的生产伴随着副产品的产生，即虫粪和由死亡和未发育蠕虫组成的黄粉虫残留物。这种多功能性在归因性模型中通过经济分配来解决，正如Tello等人所做的那样。该情景在整个手稿中被称为“TMAE”。为此，根据所研究公司的信息，估算了虫粪的平均价格为2.44欧元/100克。干燥黄粉虫残留物考虑了相同的价格，因为它与粪便进行相同的增值操作。对于昆虫，基于欧洲市场昆虫的平均价格，采用了22.10欧元/100克。因此，21.58%的影响分配给虫粪，0.27%分配给干燥黄粉虫残留物，78.15%分配给黄粉虫幼虫。另一方面，麦麸生产中也发现了多功能过程，它同时生产麸皮和面粉。在这种情况下，使用经济分配，考虑面粉的市场价格为0.64欧元/公斤，麸皮为0.18欧元/公斤，导致89.37%的影响分配给面粉，10.63%分配给麸皮。使用经济分配是合理的，因为它符合ISO分配层次结构，当物理关系不适用时优先考虑经济价值，并确保与所应用的背景数据库的方法学一致性。
根据UNE-EN ISO 14044，当多功能性可以通过不同程序处理时，应进行敏感性分析以说明偏离所选方法的后果。因此，在归因性模型中执行了两次分配变更：
- 1.
避免经济分配，并将影响完全分配给黄粉虫（情景“TMAW”），因为生产系统是专门为饲养和加工该产品而设计的。该策略已被其他可比较的LCA研究采用，并允许进行适当的结果比较。
- 2.
应用基于质量的分配（“TMAM”），其中70.78%的影响分配给虫粪，0.90%分配给残留物，28.32%分配给黄粉虫幼虫。该评估的结果与基线案例的结果一起在第3.2节中提供。现状（aLCA）中的环境影响量化。
后果性方法下的多功能性
为了衡量与产品需求变化相关的环境后果，采用了后果性方法（情景“TMC”）。为此，采用扩展方法来核算产品需求变化引起的市场响应所产生的更广泛的环境影响。
确定了边际供应商，即响应产品（黄粉虫幼虫和基于黄粉虫的千层面）需求变化而改变生产能力的生产商，并将其包括在系统边界内。对黄粉虫产品需求的增长（无约束市场）将导致黄粉虫产量增加，这就需要饲料。因此，它将导致谷物和块茎生产的边际市场响应，以满足人类和黄粉虫的需求。副产品预计将发挥其功能。干燥黄粉虫残留物将用作鸟类的昆虫基饲料，从而减少对传统饲料的需求。这种市场替代是基于调整后的蛋白质含量在计算中考虑的。类似地，虫粪将用作肥料，这将减少对其他有机肥料的需求。在这种情况下，考虑了有机质浓度，假设一种商业有机肥料的NPK含量为3/2/3，有机质浓度为52.7%。图2展示了带有反事实单元的流程图。
生命周期清单（LCI）
黄粉虫生产的LCI数据由位于西班牙西北部的一家黄粉虫生产企业提供。数据汇编通过问卷调查和与经理的访谈进行，采用2022年的信息。信息包括生产系统描述、用于饲养和加工黄粉虫的资源的数量和供应：饲料成分、气候室和干燥机的电力、水或清洁剂等其他材料。为了在LCA软件中建模，使用了来自Ecoinvent v3.10数据库（归因性情景使用 cutoff 系统模型，后果性情景使用 consequential 系统模型）和Agribalyse 3.1.1数据库的背景过程。选择这些数据库的局限性在结论部分讨论。LCI摘要见表1，背景过程和适应细节可参考支持信息的表S.1和S.2。
谷物用作饲料的种植特征细节未提供，但已知所有成分源自西班牙。因此，从文献和LCA数据库中考虑了西班牙生产的作物的LCI，并根据经理数据包括了运输。对LCI进行了调整，例如更新电力来源、资源区域化等，以获得最现实的条件。运输被认为由小型柴油卡车进行。未消耗的干湿饲料产生的处理处置残留物被认为根据西班牙的废物管理策略进行处理。因此，5.67%的有机废物被回收，22.90%被堆肥，58.15%被填埋，13.28%被焚烧。有关饲养过程的数据是在12个月的生产期内收集的。饲养箱的材料假定为聚丙烯，其使用寿命考虑为7.5年。饲养排放包括N2O和NH3，并根据Oonincx等人提供的测量值估算。饲料和基质降解产生的CO2排放也被考虑在分析中。由于饲料成分组成和饲养条件相似，Oonincx等人报告的值被用作代理。关于清洁剂，杀螨剂溶液根据商业产品的化学成分建模，其由除虫菊酯和菜籽油组成，浓度分别为4.59克/升和823.3克/升。关于能源消耗，使用了剩余电力。它是指在可再生能源需求得到满足后仍留在电网组合中的电力。因此，由于生产商使用西班牙电网组合的电力，为避免电力供应中的重复计算，应减去已供应给其他消费者的这部分绿色能源。该资源大约由58%的化石资源（主要是天然气和硬煤）、36%的核能和6%的可再生能源（特别是风能和太阳能）组成。杀死和漂烫黄粉虫的电力需求由Dreyer等人估算。
千层面餐的食谱和烹饪程序摘自BBC和Schmidt Rivera与Azapagic。成分和电力假定尽可能在西班牙生产，或在欧洲平均市场生产。电力使用基于炉灶和烤箱的平均消耗量，考虑食谱中为每个器具指定的烹饪时间。餐食生产的所有输入和输出（LCI）在表2中报告。
影响类别的选择
使用SimaPro软件对产品系统进行建模。选择了产品环境足迹类别规则中包含的六个中点影响类别，因为它们对产品系统的环境评估很重要：全球变暖潜能值（GWP）、淡水（FEP）和海洋（MEP）富营养化潜能值、土地利用（LU）、水资源稀缺性（WU）和化石资源消耗（ADP化石）。前者和后者被选中是因为它们能够衡量能源的影响，以及在GWP情况下黄粉虫饲养产生的排放。富营养化潜能值被认为是相关的，因为黄粉虫生产在农业部门中的作用以及饲料成分生产中对肥料的使用。最后，测量了土地和水资源使用，因为它们为与肉类等其他蛋白质来源的比较提供了良好的框架，这些资源对这些资源的需求很大。在SimaPro v9.6软件中使用了环境足迹3.1方法。此外，其他影响类别上的环境足迹在支持信息的表S.3和S.4中报告。通过使用蒙特卡洛模拟进行不确定性分析，运行总共1000次迭代并设置95%的置信区间。
结果与讨论
环境热点识别
图3显示了生命周期阶段对黄粉虫幼虫（内圈）和以黄粉虫为蛋白质来源的千层面餐（外圈）总体环境影响的相对贡献。
黄粉虫生产的饲料配方成分的生产和供应是所有影响类别中最大的贡献者。该阶段在LU（99.9%）、WU（99.9%）和MEP（99%）中占影响的近100%，而其对FEP（88.3%）和GWP（84.4%）的贡献略低，对ADP化石（67.2%）的贡献明显较低。这种趋势归因于作物种植及相关施肥和除草剂施用、灌溉密集型水资源利用以及土壤利用。此外，作物生产中相对较高程度的机械化影响了化石燃料的使用和随之而来的碳排放。黄粉虫生产，包括饲养、杀死和保存，在ADP化石（32.6%）中起着重要作用。在较小程度上，它对GWP贡献了15.1%，对FEP贡献了11%。在所有情况下，负担主要与冷冻和漂烫期间消耗的电力有关，而直接饲养排放、PP箱的生产和使用或气候室的电力消耗被认为是微不足道的。最后，清洁、设施维护以及有机残留物和废水管理的贡献在所有指标上都可以忽略不计。这些趋势与其他作者报告的趋势相似。Dreyer等人同意本研究的观点，即与土地利用相关类别的大部分影响来自饲料成分生产，而黄粉虫生产对GWP、FEP和ADP化石有显著影响。然而，该阶段的贡献（≈50–77%）高于本研究获得的结果，这是饲养设施加热的大量能源消耗和电力组合的不可再生能源的直接结果。Thévenot等人报告了可比较的相对影响，强调了饮食组成在MEP和LU中的重要性，以及黄粉虫加工电力消耗在累积能源需求中的重要性。
关于千层面餐，黄粉虫生产在不同指标上的贡献差异很大。该成分的最低贡献估计为LU的7.11%、FEP的24.6%、GWP的30.3%或ADP化石的31.8%，而MEP上升至46.28%，WU上升至46.26%。通常，构成餐食的其他成分的生产是环境退化的主要驱动因素。它们合计占GWP影响的62.6%、MEP的53.2%、FEP的73.6%、LU的92.8%、ADP化石的49.8%和WU的52.8%。面粉或意大利面等谷物，以及牛奶或奶酪等乳制品，占负担的一半以上。蔬菜也是化石能源消耗的重要来源，而脂肪和其他成分对GWP和FEP有显著贡献。关于烹饪资源，其贡献相对适中，GWP为7.10%，ADP化石为18.4%，主要是由于炉灶和烤箱的电力消耗。
现状（aLCA）中的环境影响量化
图4描绘了每个归因性LCA情景（包括敏感性分析中的情景）和功能单位获得的绝对环境影响。不确定性分析的结果在支持信息中报告。根据图表，可以说明建模方法对结果有重要影响。所有影响类别都观察到相同的趋势：当应用经济分配（TMAE
