《The European Zoological Journal》：The chemical composition of plant and insect flour as a factor that differentiates the development of storage pests
摘要
可食用昆虫营养丰富，有望成为传统但常供给不足食品的健康、可持续替代品。而这种前景广阔的蛋白质来源能否实现持续稳定的供应，关键在于正确的储存方法。本研究旨在评估杂拟谷盗（Tribolium confusumDuv.）在小麦粉、研磨的昆虫蛋白粉（蟋蟀粉）以及含有其添加剂（2%、5%、10%和50%的蟋蟀粉与小麦粉混合）的产品上的发育情况。发育监测（无选择测试）显示，该害虫在高含量蟋蟀粉（100%，50%）的组合中发育最为旺盛。这些结果证明，昆虫蛋白可以成为仓储害虫的食物来源。实验的第二部分，考虑到被分析昆虫的食物偏好，发现在自由选择的情况下，该昆虫更愿意栖息于植物粉（小麦粉）以及含有少量昆虫粉添加（2%，5%）的组合中。在高比例昆虫蛋白（10%，50%）的组合中，被测试甲虫的发育强度显著降低，而在纯蟋蟀粉（100%）的组合中，未发现任何杂拟谷盗的后代。尽管蟋蟀粉是杂拟谷盗的良好食物，但它并不吸引该害虫的成虫形态。这可能是由于其成分中缺乏挥发性引诱物，或者这些化合物被其他物质所掩盖。蟋蟀粉中的高蛋白含量（68.05%）可能表明蛋白质是造成这些效应的原因，进一步研究应探索其对杂拟谷盗取食行为的影响。
引言
昆虫是一种有价值但未得到充分利用的优质食物来源。它们是蛋白质、脂肪酸以及微量与常量元素的丰富储备。由于纤维含量高，食用昆虫也有益于肠道微生物群，可增加益生菌的数量。此外，与传统的植物或动物生产相比，其养殖产生的温室气体和氨更少，用水也更少。因此，欧盟委员会也在2021年颁布了一项实施条例，授权将干黄粉虫幼虫、迁徙蝗虫和家蟋蟀作为人类食品成分投放市场。
除了生产或消费者接受度之外，该市场发展的一个重要方向是为这些产品提供安全、长期储存的条件。食品在储存过程中的损失主要由仓储害虫造成，损失可高达20%。由于人们对昆虫作为食品的兴趣日益增长，有必要了解以昆虫蛋白制成的粉状产品及其添加产品的仓储害虫的取食行为和偏好。这些信息可为设计此类食品在仓库中的安全储存方式提供指导。杂拟谷盗被认为是最危险的仓储害虫之一，在粉碎的谷物产品上发育最为旺盛。与其他仓储害虫一样，该物种的发育动态主要取决于温度、湿度以及所取食食物的类型。其食物偏好由所栖息产品的物理特性（包括硬度、透明度、厚度、破碎程度）和化学特性（包括蛋白质、淀粉、粗纤维、脂肪含量）决定。
鉴于杂拟谷盗的高度生态可塑性，我们提出了一个总体研究假设，即蟋蟀粉及其在小麦粉中的添加是可供测试害虫取食的食物来源。这一点在科学文献中尚未得到充分验证。为了填补这一信息空白，本研究旨在测试这一假设，并分析此类食物对测试害虫的影响性质。研究假设通过以下方式检验：
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评估在纯蟋蟀粉及其不同比例添加到小麦粉的混合物上，杂拟谷盗种群的发育参数。
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分析由于食物化学组成的不同，杂拟谷盗在蟋蟀粉和小麦粉上发育的差异。
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检验蟋蟀粉的化学组成是否会影响其寻找和接受此类食物的过程。
通过让杂拟谷盗取食选定类型的食物（无选择测试）或拥有自由选择食物的机会（自由选择测试）来评估上述假设的影响。
材料与方法
材料
在恒定的温度（30°C）和湿度（70%）条件以及完全黑暗的环境下，对杂拟谷盗在小麦粉（对照）、家蟋蟀粉（Cf_100%）以及含有2%、5%、10%和50%昆虫粉添加的小麦粉上的发育进行了昆虫学观察。实验使用的昆虫来自保守培养种群。
生物测定
无选择测试
将面粉材料样品（10克）称重并置于有通风孔的容器中。每种六种组合进行10次重复实验，组合包括：对照（纯小麦粉）、Cf_2%、Cf_5%、Cf_10%、Cf_50%和Cf_100%。将四只被测试甲虫个体（两性各两只，约14日龄）引入装有称重面粉的容器中。23天后移除这些成虫。在移除成虫后的第30天开始昆虫学观察，并每7天重复一次，直至所有成虫羽化。监测包括对其数量的分析。此外，实验结束后，对残留物料进行称重，并计算其质量损失。
自由选择测试
在恒定的实验室条件下评估了面粉甲虫的食物偏好。实验使用由有机玻璃制成的、具有六边形底座的竞技场。在竞技场中央，呈圆形放置了装有所有测试组合面粉的六个培养皿。在培养皿围成的圆圈中心，释放了12对约14日龄的成虫。7天后，计数并移除竞技场和测试材料中的成虫形态。装有测试面粉组合和其中所产卵的培养皿被转移到带有通风孔的容器中。昆虫的进一步发育在恒定、均一的热湿条件下进行。实验进行了5次重复。
Figure 1. Schematic diagram of the arena (a vinyl container with a hexagonal base, 10 cm sides, and 6 cm height) in which T. confusum oviposition site selection was studied in a free-choice test, with graphically depicted vessels containing the flour combinations analysed. The centre illustrates the location where adult T. confusum were released and were free to choose their food.
谷物的化学特性
小麦粉和家蟋蟀粉的化学分析采用了先前出版物中描述的方法。
统计分析
对描述杂拟谷盗发育参数的数据（后代数量、面粉平均质量损失、单个后代个体平均质量）进行了分布评估。对数据进行了适当的转换，并使用单因素方差分析（ANOVA）评估了添加不同比例蟋蟀粉的组合中研究变量差异的显著性。通过非度量多维尺度（NMDS）、冗余分析（RDA）和典型对应分析（CCA）等方法评估了化学参数与害虫发育之间的关系。
结果
在具有不同蟋蟀粉含量的介质上，杂拟谷盗的发育在无选择测试和自由选择测试组合中进行了评估。
无选择测试
方差分析（ANOVA）显示，蟋蟀粉添加量的变化与被区分出的面粉甲虫发育强度参数之间存在显著差异。测试甲虫物种的后代数量（F = 21.03; p < .01）以及该害虫发育所消耗面粉的质量损失（F = 7.32; p < .01）因蟋蟀粉添加量的不同而存在显著差异。然而，该因素对后代甲虫的平均质量没有显著影响（F = 0.95; p = 0.46）。
被研究的甲虫物种在纯蟋蟀粉（平均202.8个个体）和该面粉占50%添加到小麦粉的组合（平均204.8个个体）上发育条件最佳。在添加少量蟋蟀粉的组合中，杂拟谷盗的后代数量显著减少（10% – 142.4个个体；5% – 116.3个个体和2% – 130.4个个体）。当甲虫在纯小麦粉上发育时，记录到的后代甲虫数量最少（平均109.1个个体）。
Figure 2. Average number of T. confusum progeny developing on flour with different additions of cricket flour (*means marked with the same letter do not differ significantly, by Tukey’s HSD test). SE: Standard Error.
杂拟谷盗取食所导致的食物质量损失，因蟋蟀粉添加量的不同而存在显著差异。该害虫在含有50%蟋蟀粉添加（Cf_50%）的组合中取食的食物最多，平均为1.08克。在添加2%蟋蟀粉（平均1.01克）、10%（0.84克）和5%（0.83克）的组合中也记录了显著的食物质量损失。对照组合（对照）的该参数（0.81克）平均数值相近。当杂拟谷盗在纯蟋蟀粉上发育时，记录到的被取食食物重量最低，平均为0.63克。
Figure 3. The average value of weight loss of food on which T. confusum was growing depending on the addition of cricket flour (*means marked with the same letter do not differ significantly, by Tukey’s HSD test). SE: Standard Error.
单个后代甲虫的平均重量在测试组合之间没有显著差异。在纯蟋蟀粉上观察到的后代重量最高（平均0.0025克），而在对照小麦粉上最低（0.0020克）。
Figure 4. The average weight of 1 T. confusum offspring beetle developed on the tested combinations depending on the addition of cricket flour (*means marked with the same letter index do not differ significantly, by Tukey’s HSD test). SE: Standard Error.
自由选择测试
在自由选择实验变体中，ANOVA显示蟋蟀粉添加量的变化与描述杂拟谷盗发育强度的参数之间存在显著差异。测试甲虫物种的后代个体数量（F = 14.3; p < .01）、该害虫发育所消耗面粉的质量损失（F = 10.5; p < .01）以及后代甲虫的平均质量（F = 10.2; p < .01）均因蟋蟀粉添加量的不同而存在显著差异。
在自由选择组合中，甲虫更倾向于选择添加少量蟋蟀粉（Cf_5% 和 Cf_2%）的食物和纯小麦粉（对照）作为产卵地点。在Cf_5%组合中发现了最大数量的后代，平均69.0个后代个体。在Cf_2%组合（平均35.2个个体）和对照组合（平均38.6个个体）中发现了较低的数量。增加食物中蟋蟀粉的比例导致杂拟谷盗后代数量的显著减少（Cf_10% – 平均12.8个个体；Cf_50% – 平均0.2个个体）。该害虫未在纯蟋蟀粉组合中产卵，因此此处未出现后代。
Figure 5. The average number of progeny beetles of T. confusum observed on the tested combinations with different shares of cricket flour in the free-choice test. (*means marked with the same letter index do not differ significantly, by Tukey’s HSD test) SE: Standard Error.
关于害虫取食和发育期间记录的食物质量损失的结果，与害虫后代数量的结果几乎一致。食物质量的最大损失记录在对照组合（平均0.5786克）和Cf_5%（平均0.5412克）。该参数的显著较低值记录在Cf_2%组合（平均0.3784克）和Cf_10%（平均0.1216克）。纯蟋蟀粉没有记录到食物质量损失，而含有其50%比例的组合损失极小（Cf_50% – 平均0.0033克）。
Figure 6. The loss of flour mass during the development of T. confusum was observed in the tested combinations with different shares of cricket flour in the free-choice test. (*means marked with the same letter index do not differ significantly, by Tukey’s HSD test) SE: Standard Error.
对于描述单个后代甲虫质量的值，也观察到了与上述两个杂拟谷盗发育参数相似的趋势。
Figure 7. The average mass of 1 progeny beetle of T. confusum observed on the tested combinations with different shares of cricket flour in a free-choice test. (*means marked with the same letter index do not differ significantly, by Tukey’s HSD test).
通过对所选化学成分参数（干物质、粗灰分、总蛋白质、粗脂肪和粗纤维）含量的评估，研究了小麦粉（对照）和蟋蟀粉（Cf_100%）在化学组成上的差异。两种测试面粉在化学组成上存在显著差异。蟋蟀粉在干物质、粗灰分、总蛋白质和粗脂肪含量上均显著高于小麦粉。在总蛋白质含量（对照 – 10.12%；Cf_100% – 68.05%）和粗脂肪含量（对照 – 0.41%；Cf_100% – 16.78%）上发现了巨大差异。在蟋蟀粉中还检测到了粗纤维，而小麦粉中则没有。
通过NMDS分析获得了化学组成差异的图形化解释和确认，生成的树状图展示了描述小麦粉和蟋蟀粉测试组合化学组成的不同多边形。
Figure 8. NMDS diagram describing similarities of the tested wheat flour and cricket flour with respect to the tested chemical compounds.
为了确定所测食物类型的化学组成对杂拟谷盗发育的影响，进行了典型对应分析（CCA）。所选参数——杂拟谷盗世代个体数量——与食物中粗灰分、总蛋白质、粗脂肪和粗纤维的含量强相关，尤其与后两种化合物（粗脂肪和粗纤维）的关系明显。对于食物中干物质含量，发现了反向相关性——其在食物中的增加影响了害虫后代数量的减少。第二个描述杂拟谷盗发育的参数——食物质量损失，与小麦粉组合强相关。在这种组合上发育的甲虫比在蟋蟀粉上发育时取食了更大量的食物。
Figure 9. Relationship (CCA) between chemical compounds of flour (wheat and cricket) and development parameters of T. confusum.
粗脂肪是可能显著影响仓储害虫发育的一个因素。因此，对小麦粉和蟋蟀粉中分离出的脂肪酸组成进行了更详细的研究。这两种面粉在所区分脂肪酸的含量上有所不同。蟋蟀粉含有小麦粉中没有的脂肪酸C12:0、C14:1、C20:2和C20:4。与小麦粉相比，蟋蟀粉的特征是以下酸含量更高：肉豆蔻酸（C14:0）、棕榈酸（C16:0）、棕榈油酸（C16:1）、硬脂酸（C18:0）、油酸（C18:1）和花生酸（C20:0）。小麦粉含有显著更多的以下酸：十五烷酸（C15:0）、十七碳烯酸（C17:1）、亚油酸（C18:2）、α-亚麻酸（C18:3）和二十碳烯酸（C20:1）。
为了确定所研究面粉类型中的哪些脂肪酸可能影响杂拟谷盗的发育，进行了冗余分析（RDA）。结果图形解释表明，三个决定面粉甲虫发育强度的因素（后代数量、质量损失、1个成虫质量）被区分出来。注意到害虫后代世代数量与碳链长度为C12:0、C18:0、C18:1、C20:2和C20:4的脂肪酸含量之间存在显著相关性。第二个发育参数（质量损失）与面粉中十五烷酸（C15:0）的较高含量显著相关。在两种面粉中所测脂肪酸含量与1个后代甲虫质量之间未发现显著相关性。
Figure 10. Relationship (RDA) between fatty acids of flour (wheat and cricket) and development parameters of T. confusum.
讨论
由于蟋蟀粉作为植物面粉的可持续替代品日益重要，有必要识别可能影响储存昆虫蛋白质量和数量的潜在威胁。了解蟋蟀粉特性对仓储害虫食物偏好的影响，将有助于在昆虫养殖这一新农业领域中，为加工昆虫蛋白制定详细的保护方法。杂拟谷盗的发育动态严格取决于其所取食物的类型和破碎程度。所进行的实验（无选择测试）表明，破碎的昆虫蛋白为其发育创造了条件。而且，杂拟谷盗在高含量昆虫粉（Cf_100%，Cf_50%）的组合中发育最为旺盛。但在多重选择的生物测试中，当被分析的昆虫有机会选择其偏好的食物类型时，则显示出相反的关系。在能够自由获取多样化饮食的条件下，面粉甲虫在小麦粉（对照）和低含量蟋蟀粉（Cf_2% 和 Cf_5%）的组合中产卵数量最多。另一项对玉米象在粗粒小麦粉面团和添加了蟋蟀粉的粗粒小麦粉面团上的行为反应分析也显示，该害虫更倾向于栖息于未添加昆虫蛋白的产品。
昆虫取食对数量损失的影响是食品储存期间的一个关键威胁。导致直接损失的食物产品质量损失是描述仓储害虫发育的基本参数之一。我们之前的研究表明，谷象和谷蠹的发育与该参数密切相关。然而，我们对杂拟谷盗的昆虫学实验表明，所测试的物理参数并不总是与甲虫的发育强度线性相关，这可能受到栖息食物类型的影响。在储存纯昆虫蛋白（Cf_100%）的情况下，观察到的质量损失最低，这在组织该产品的储存系统时可能有用。在决定蟋蟀粉长期储存有效性的因素中，最重要的包括温度、湿度、包装类型和储存时间。
除了物理特性外，化学参数对仓储害虫的发生和发育也有显著影响，它们既可以作为驱避剂，也可以作为引诱剂作用于昆虫。植物粉和作为昆虫蛋白来源的面粉在化学组成上存在统计学上的显著差异。被测害虫消化道中含有的消化酶使其能够有效利用富含蛋白质的食物基质。先前的研究表明，仓储害虫的发育与其取食产品中的蛋白质含量密切相关。蟋蟀粉以高含量的该成分为特征（高达70%），这可能刺激面粉甲虫的发育。我们的观察结果证实了这一点，显示在高蛋白质含量的组合中，杂拟谷盗发育更加强烈。通过典型对应分析也证明了蛋白质对测试害虫在昆虫粉上发育的影响。
我们之前的观察表明，杂拟谷盗在小米上的发育取决于研磨程度和脂肪酸。酸类对面粉甲虫发育的影响也得到证实。分析显示，所测试的面粉在脂肪酸含量上存在差异，其中昆虫粉的特征是脂肪酸含量更高。蟋蟀粉含有未在植物粉中记录的脂肪酸（C12:0；C14:1；C20:2；C20:4）以及其他脂肪酸的更高含量（C14:0；C16:0；C16:1；C18:0；C18:1；C20:0）。这些物质的存在或其更高的浓度，可能影响了杂拟谷盗在害虫无法选择其他食物的实验中的强烈发育。谷物通过释放挥发性有机化合物（包括萜类化合物、脂肪酸、烷烃、烯烃、酯类、醛类和酮类）来修饰释放的化学气味信号，使其对害虫具有驱避性。检测气味的能力决定了昆虫大多数生理和行为反应。昆虫接收到的嗅觉信号是影响其寻找和定殖食物的关键决定因素。因此，仓储害虫的食物偏好很大程度上由储存食品释放的气味刺激决定。研究表明，小麦粉的挥发性气味物质被认为是吸引和刺激仓储害虫继续取食的主导因素。另一项研究显示，含有昆虫蛋白的产品对玉米象吸引力较低，源于其掩盖食物气味的特性。在我们的自由选择实验中，面粉甲虫栖息于那些通过嗅觉识别的产品（纯小麦粉或高含量小麦粉的组合）。这可能表明，蟋蟀粉不含吸引杂拟谷盗的挥发性物质，并且在浓度高时，它会掩盖植物粉的引诱剂。
总结
蟋蟀粉是能够支持杂拟谷盗发育的栖息地，其在这种材料上的繁殖潜力显著高于植物（小麦）粉，这可能取决于化学组成，特别是蛋白质含量。然而，昆虫粉可能不含吸引测试昆虫的化合物（食物引诱剂）或具有食物驱避特性的化合物（驱避甲虫）。因此，家蟋蟀粉释放的挥发性物质的组成可能提高其在储存期间的安全性。这一主题需要进一步研究，特别是关于蛋白质的性质及其对成虫及其幼虫食物选择的影响。这项研究可能对制定从昆虫生产的食品的可持续和安全储存建议至关重要。
