《Journal of Insect Physiology》：Using gas exchange measurements to monitor growth, energy expenditure, and body composition of black soldier fly larvae (
Hermetia illucens) on diets varying in protein-to-carbohydrate ratio
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本研究为优化黑水虻幼虫（BSFL）生产，探究了通过非侵入性呼吸测量预测其生长和营养构成的可行性。研究将幼虫置于四种不同蛋白质-碳水化合物（P:C）比例的饲料中饲养七天，测量其生长、存活、气体交换（O2消耗、CO2产生、呼吸交换比RER）和体成分（粗蛋白与粗脂含量）。结果发现，O2消耗与最终生物量强相关，RER与蛋白质和脂肪沉积密切相关。高碳水饲料导致幼虫积累更多脂肪，而高蛋白饲料虽提高蛋白含量但能量投入更大。研究表明，气体交换参数可可靠地反映生长动态、代谢活动和营养同化，将呼吸测量集成到饲养系统中有望实现对虫体产量和营养成分的实时监测。
在应对全球人口增长和资源环境压力的背景下，开发可持续的蛋白质生产体系显得尤为紧迫。传统的动物饲料原料，如豆粕和鱼粉，其生产常伴随着土地占用、水资源消耗和温室气体排放等问题。于是，将有机废弃物转化为高价值生物质的生物转化技术吸引了广泛关注。其中，黑水虻（Black Soldier Fly, Hermetia illucens）的幼虫（BSFL）展现出巨大潜力，它们能够高效取食多种有机废弃物，并将其转化为富含蛋白质和脂肪的虫体，可用于饲料替代。然而，一个关键的科学与管理问题随之而来：如何在不干扰其生长过程的前提下，实时、精准地监测和优化BSFL的生产效率与最终产品的营养品质？反复手动取样称重不仅费时费力，还可能干扰幼虫行为与基质结构，影响生长动态。同时，饲料的宏量营养素组成，特别是蛋白质与碳水化合物（P:C）的比例，已被证实是影响幼虫生长速率、能量转化效率和最终体成分的关键因素。高蛋白饲料通常促进生长和蛋白质沉积，而高碳水饲料则可能导致脂肪过度积累。为了深入理解饲料如何塑造幼虫的代谢与生长，并开发非侵入性的生产监测工具，一项发表在《Journal of Insect Physiology》上的研究应运而生。该研究旨在探究：1）改变饲料宏量营养素组成如何影响BSFL的生长、代谢和体成分；2）饲养过程中的气体交换测量（O2消耗和CO2产生）是否能预测BSFL的生产产出，包括生长速率、产量和质量。
为开展此项研究，研究人员主要应用了几项关键技术方法。首先，他们设计并配制了四种具有不同蛋白质-非纤维碳水化合物（NFC）比例（P:C）的实验饲料，包括一种商业鸡饲料（参考组，REF）和三种半人工饲料（P:C 1:3, 1:5, 1:9）。其次，研究采用了开放流动呼吸测量技术，构建了一个包含八个定制呼吸室的系统，能够对每个饲养室进行每小时一次的O2和CO2浓度连续监测，从而计算氧气消耗率（V?O2）、二氧化碳产生率（V?CO2）和呼吸交换比（RER, V?CO2/V?O2）。实验以周为单位重复进行，每种饲料处理设有七个生物学重复。幼虫来源于丹麦的一家商业BSFL工厂（Enorm Biofactory A/S）。此外，研究对幼虫生长（每日取样称重、计算特定生长率SGR）、存活率以及收获后的体成分（通过烘干法测干物质、石油醚洗涤法测粗脂肪、燃烧分析法测氮并换算为粗蛋白）进行了系统测量。数据分析采用线性混合效应模型，以评估饲料处理对各项指标的影响。
3.1. Effects of diet on growth and body composition of BSFL
（饲料对BSFL生长和体成分的影响）
研究结果显示，所有饲料支持下的幼虫存活率均很高（89%至97%），且无显著差异。然而，饲料显著影响了幼虫的最终生物量和体成分。在商业高蛋白REF饲料上生长的幼虫获得了最高的总生物量。具体生长速率（SGR）分析表明，生长高峰出现的时间因饲料而异。在体成分方面，饲料蛋白质含量越高，幼虫的粗蛋白含量也越高，而粗脂肪含量则越低。例如，在P:C比例最低（1:9）的高碳水饲料上，幼虫的粗脂肪含量达到了干物质的52.7%，而粗蛋白含量仅为19.8%；相反，在高蛋白饲料（P:C 1:3）上，幼虫的粗蛋白含量更高（32.5%），脂肪含量更低（27.5%）。这证实了饲料P:C比例是调控BSFL体成分（蛋白与脂肪比例）的关键杠杆。
3.2. Effects of diet on gas exchange and metabolism
（饲料对气体交换和代谢的影响）
气体交换的动力学变化揭示了饲料对幼虫代谢的深刻影响。总体上，V?O2和V?CO2在7天的饲养期内呈上升趋势，但不同饲料处理的代谢峰值出现时间和强度不同。高蛋白REF饲料的代谢高峰出现更早、更强，而低碳水饲料（P:C 1:9）的代谢上升则更缓慢、平缓。总计7天的总O2消耗量（VO2）在所有饲料处理间均存在显著差异，REF饲料最高，随着饲料蛋白质含量降低，VO2依次递减。一个特别有趣的发现是，所有饲料处理下计算得到的累计呼吸交换比（RER）均大于1，并且随着饲料中碳水化合物比例的增加，RER值显著升高（从REF组的1.13升至P:C 1:9组的1.49）。这种高RER值暗示了可能存在碳水化合物向脂肪转化（脂肪生成）的过程，因为该过程会额外产生CO2。
3.3. Respiratory variables as predictors of growth and body composition
（呼吸变量作为生长和体成分的预测指标）
本研究最核心的发现在于，气体交换参数与幼虫的生产性能指标之间存在强有力的统计相关性。首先，无论饲料如何，7天的总O2消耗量与最终的幼虫总干重呈现出极强的正线性相关（R2= 0.92）。这意味着，通过简单地监测饲养系统累计消耗的氧气量，就可以相当准确地预测最终收获的幼虫生物量。其次，研究人员分析了能量消耗与同化能量之间的关系。将O2消耗转换为能量支出，并将幼虫增加的脂肪和蛋白质质量转换为能量值后，他们发现，生长高脂肪幼虫（P:C 1:9饲料）所需的代谢能量，比生长高蛋白幼虫（P:C 1:3饲料）每单位同化能量要低约48%。这表明脂肪沉积在能量上比蛋白质合成更“经济”。然而，如果单独分析蛋白质同化的能量成本，趋势则相反：在高蛋白饲料上，每同化一千焦蛋白质所需的能量成本更低，说明在蛋白质充足时，蛋白质的沉积效率更高。最后，也是最具有应用潜力的发现是，累计RER值与幼虫的体成分密切相关。RER与幼虫粗脂肪含量呈正相关（R2 = 0.65），与粗蛋白含量呈负相关（R2= 0.64）。换言之，测量得到的RER值越高，预示着收获的幼虫脂肪含量越高、蛋白质含量越低。研究进一步通过计算扣除推测由脂肪生成产生的额外CO2后，得到了“校正RER”，其值（0.92-1.00）落在典型的碳水化合物氧化代谢范围内，这支持了高RER主要源于由碳水化合物驱动脂肪生成这一解释。
综上所述，这项研究系统地证实了利用气体交换测量作为非侵入性工具来监测和预测黑水虻幼虫生产性能的可行性。研究得出结论：首先，饲料的蛋白质-碳水化合物比例是决定BSFL生长速度、最终生物量以及体成分（蛋白质与脂肪比例）的关键因素。高蛋白饲料促进生长和蛋白质沉积，而高碳水饲料导致脂肪大量积累。其次，幼虫的总氧气消耗量（VO2）与最终生物量之间存在强相关性，使其成为预测产量的可靠指标。再者，呼吸交换比（RER）与幼虫的体成分密切相关，高RER值预示着更高的脂肪含量和更低的蛋白质含量，这主要归因于碳水化合物转化为脂肪过程中产生的额外CO2。最后，从能量效率角度看，积累脂肪比合成蛋白质所需的能量成本更低，这使得生产高脂肪幼虫在能量上更高效，但若目标产物是蛋白质，则需考虑蛋白质同化本身的能量成本优化。
这项研究的意义超出了基础生理学的范畴，为黑水虻的工业化养殖提供了重要的实践启示和技术路径。它表明，将呼吸测量技术（呼吸测定法）整合到大规模的BSFL生产系统中，可以实现对虫群生长动态、发育阶段（通过代谢峰值识别龄期间隔乃至预蛹期）、生物量累积以及最终营养品质的实时、在线监测。这种非侵入式的监控方法，能够帮助生产者在不干扰生产流程的情况下，及时调整饲料配方、优化收获时间，从而精准调控产品产出，满足不同下游应用（如高蛋白饲料或油脂提取）对原料成分的特定需求。通过将“呼吸信号”转化为“生产数据”，该研究为推动昆虫生物转化迈向更智能、更高效、更可控的精准生产管理迈出了关键一步。
