叶元土

苏州大学

教授

导读：黑水虻是目前最具研究前景的资源昆虫，其幼虫以动物粪便、腐烂的水果和蔬菜为食，其繁殖速度快、抗逆性强。黑水虻作为饲料优质蛋白质和油脂原料为其养殖产业发展提供了市场基础。因此，利用黑水虻幼虫无害化处理禽畜粪便和餐厨垃圾具有极大的社会效益和经济效益。本期我们特邀苏州大学叶元土教授以“以餐厨固形物为原料的黑水虻养殖产业发展的制约因素和关键技术分析”为题，重点介绍了黑水虻养殖产业发展的资源基础、产业发展的政策分析以及规模化养殖的核心技术问题，为黑水虻养殖行业的健康发展提供了实际应用参考。全文已在《饲料工业》2023年第14期刊出。

我国进行规模化养殖的黑水虻为亮斑扁角水虻（Hermetia illucens L., black soldier fly），是一种双翅目（Diptera）、水虻科（Stratiomyidae）、扁角水虻属（Hermatia）昆虫[1]。在黑水虻养殖及黑水虻在饲料中应用等方面有较多的研究，也积累了较多的研究基础和文献资料。然而，仔细审视黑水虻养殖产业链系统化、产品形态、产业发展方向和关键核心技术等方面的认知依然模糊，更需要系列政策的支撑和核心技术的突破。文章基于以“餐厨固形物（catering solids）”为培养基质，养殖黑水虻及黑水虻加工产品作为饲料原料的视角，对黑水虻规模化养殖的产业链、相关政策和核心技术进行分析。

餐厨剩余物（catering and kitchen waste）包括了餐饮如酒店、餐饮店、大型食堂等的餐厨剩余物（餐厨垃圾），也包括了居家的厨余剩余物（厨余垃圾）。由餐饮剩余物所得固形物称之为餐厨固形物，而由厨余剩余物所得固形物称之为厨余固形物。餐厨固形物含有的肉类、油脂等较多，对养殖黑水虻而言营养价值较高，养殖所得黑水虻虫体的粗蛋白、油脂含量也较高；而厨余固形物中蔬菜、果皮等较多，对养殖黑水虻而言营养价值较低，所得黑水虻虫体的粗蛋白、油脂相对较低。餐厨剩余物经过压榨后的固形物就是黑水虻规模化养殖的培养基质，文章称之为“餐厨固形物（catering solids）”。

支撑黑水虻养殖产业发展的资源基础

人工养殖的黑水虻从零星的、分散的养殖为什么可以形成一个规模化养殖、且具有重大发展前景的产业？我们认为有以下几个方面成就了黑水虻养殖产业化发展的基础。

1.1 作为昆虫蛋白质和昆虫油脂的新原料是黑水虻养殖产业发展的市场基础

以干物质计算，14日龄的黑水虻虫体蛋白质含量38%~50%、脂肪含量28%~38%（培养基质不同，黑水虻虫体蛋白质和油脂含量差异很大），“蛋白质+油脂”含量超过70%。如果作为动物养殖的饲料原料，则具有非常大的新饲料原料资源优势，成为重要的蛋白质原料和油脂原料。作为全球饲料产销量第一的中国饲料工业总量已经超过3亿吨，其中，动物蛋白质和油脂原料供给不足也是制约我国饲料工业发展的重要因素。如果设想，经过几年的快速发展，鲜活黑水虻年产量达到千万吨规模的话，那么，鲜活黑水虻及其加工产品的市场出路在哪里？

以水产配合饲料为例，中国的水产饲料产量已经超过2 200万吨/年。水产饲料中使用的鱼粉量较大，每年进口鱼粉约120~150万吨、国产鱼粉60~80万吨。鱼粉总量中超过75%、即超过150万吨的量用于水产饲料，而鱼粉资源量及其价格波动也是影响水产饲料产业发展的重要因素。此外，还有80~100万吨左右的鸡肉粉、猪肉骨粉、牛肉骨粉等动物性原料用于水产饲料，即中国水产饲料每年需要有250万吨左右的各类动物性蛋白质原料。如果以水产配合饲料外加油脂按照1%计算，2 200万吨/年水产饲料需要有22万吨/年的油脂（植物和动物油脂）。如果以1 000万吨鲜活黑水虻虫体、干物质含量以33%计算，有330万吨黑水虻干虫的数量，将为水产饲料提供足够的昆虫蛋白质和油脂原料，尤其是减少对进口鱼粉的依赖是非常重要的。

因此，黑水虻作为昆虫蛋白质和油脂的新原料为饲料工业的发展提供了重要选择，更是规模化养殖黑水虻及其加工产品的主要应用市场，解决了黑水虻养殖产业的产品出路问题。

1.2 黑水虻是优质的昆虫蛋白质、油脂原料和功能性饲料原料

黑水虻生命周期中有虫卵、幼虫、蛹和成虫四个虫态，从受精卵到成虫需要的30 d的时间。作为饲料原料的黑水虻为幼虫（13~14日龄幼虫）。受精卵孵化后大约需要13~14 d的养殖、经历5次蜕皮、6个龄期的幼虫阶段，之后进入预蛹和蛹期虫态。在一个生命周期中，不同时间虫体的营养成分差异较大，引用Liu等[2]不同发育阶段虫体蛋白质（CP）和脂肪（EE）含量见图1，第14日龄（第14 d）的黑水虻幼虫蛋白质39.2%、脂肪含量为28.4%，蛋白质+脂肪含量为67.6%。培养基质不同，其幼虫的蛋白质和脂肪含量有差异，依据我们用餐厨固形物为培养基质、第14日龄黑水虻幼虫的蛋白质含量为39.0%、脂肪含量为39.5%，蛋白质+脂肪含量为78.5%。

餐厨固形物养殖的黑水虻虫体蛋白质含量39%~45%、脂肪含量36%~38%，除了作为常规的昆虫蛋白质和昆虫油脂原料外，黑水虻虫体的物质组成中，一些特殊物质对养殖动物具有重要的生理和代谢功能性作用。黑水虻及其加工产品不仅仅是常规的蛋白质和油脂原料，更是一类具有特殊生理功能的功能性饲料原料，比较典型的生物活性物质包括：①鲜活的虫体中含有较高含量的抗菌活性物质和抗氧化物质。这方面的文献较多，如许彦腾[3]利用分离的黑水虻幼虫蛋白质进行体外试验结果显示，羟基自由基、DPPH及ABTs自由基清除活性、亚铁离子螯合能力、亚油酸体系中抑制过氧化能力的IC50值分别为2.577、3.965、0.228、0.876、5.050 mg/mL，表现出较高的体外抗氧化活性。②黑水虻虫体脂肪酸组成中，有超过1/3的脂肪酸为月桂酸（lauric acid），这是黑水虻脂肪酸组成的显著特点。而月桂酸是一类具有抗菌活性的功能性脂肪酸，并具有促进养殖动物生长速度的作用效果。如我们在斑点叉尾鮰饲料中添加1.5%的黑水虻油（虫体烘干后压榨得到的油脂）与等量的豆油比较，生长速度（SGR）较豆油组提高了9.8%。③黑水虻虫壳主要由几丁质组成（占虫体比例6%~8%），几丁质水解可以得到壳聚糖、壳寡糖等具有免疫增强作用的功能性物质。④黑水虻生命周期中需要变态发育（卵、幼虫、蛹和成虫4个虫态）和蜕皮生长，在幼虫阶段需要有5次蜕皮过程、6个龄期的生长。在虫体变态、蜕皮过程中需要有保幼激素和蜕皮激素的协同作用完成。因此，鲜活黑水虻及其加工产品中含有一定量的保幼激素和蜕皮激素，这也是养殖甲壳动物如虾、蟹生长和代谢所需要的功能性成分，并可对虾、蟹的生长速度和代谢产生良好的促进作用。⑤黑水虻在生长过程中，其虫体及其肠道微生物可以降解培养基中的一些抗生素，如刘存成[4]的研究表明，当黑水虻培养基质中土霉素初始浓度为100、1 000、2 000 mg/kg时，黑水虻幼虫降解土霉素的效率分别为82.7%、77.6%和69.3%，对培养基质的生态安全性具有重要作用。

1.3 以餐厨固形物作为培养基是黑水虻养殖产业发展的物质基础

黑水虻养殖要达到千万吨规模则需要亿吨级别的培养基质（湿基）供给，而城市餐厨垃圾以及厨余垃圾等既为黑水虻养殖产业发展提供了培养基质来源，同时又解决了城市餐饮和厨余垃圾的处理难题。

在城市发展过程中，每天将产生规模巨大的餐饮垃圾和厨余垃圾。据统计，我国餐厨垃圾年产量约 1.2×109 t，且保持着快速增长的趋势[5]。在城市餐厨垃圾处理不同方案中，较为典型的一种方案是：餐厨垃圾经过高温蒸煮，压榨得到压榨液和压榨渣，压榨液再经过油水分离分别得到油脂和压榨水，油脂作生物柴油处理，压榨水作沼气发酵处理，而压榨渣（本文称为“餐厨固形物”）多数地区作为垃圾填埋、焚烧等无害化处理。在黑水虻产业发展模式中，餐厨固形物可作为黑水虻培养基质，经过规模化养殖、虫体分离，得到黑水虻鲜活虫体，再利用鲜活虫体烘干、粉碎得到黑水虻虫粉，或经过压榨油脂后得到黑水虻油脂和脱脂黑水虻虫粉，或以鲜活虫为原料磨浆后经过酶解得到黑水虻酶解虫浆等产品。尹靖凯等[6]报道，利用黑水虻处理餐厨剩余物，实现了74.0%的物质减量率和 33.9%的物质转化率。餐厨固形物的巨大存量为黑水虻养殖提供了非常重要的物质基础。

因此，“餐厨固形物-黑水虻规模化养殖-黑水虻产品饲料资源化”产业链显示出巨大的有机物循环利用的资源化效益，碳氮循环效益的生态效益，以及城市生活环境保护的社会效益，且这类效益将成为推动黑水虻产业发展的重要物质基础。

1.4 黑水虻是餐厨固形物生物转化的优选种类

养殖量较大的昆虫主要有黄粉虫、蝇蛆和黑水虻幼虫，在这3种昆虫中，黑水虻具有养殖的优势和作为饲料原料的优势。黄粉虫养殖的培养基质含水量为15%左右，而餐厨固形物的含水量为70%左右，不适宜直接作为黄粉虫的培养基质。蝇蛆、黑水虻养殖的培养基质含水量要求60%~70%，餐厨固形物的水分含量较为适宜。蝇蛆养殖期5~6 d，黑水虻幼虫养殖期6~7 d，差异不大；利用餐厨固形物规模化养殖蝇蛆活虫的产出率为16%左右，而黑水虻活虫的产出率为22%，黑水虻的产出率显著高于蝇蛆。蝇蛆干物质的蛋白质含量与黑水虻差异不大，但油脂含量低于黑水虻，如果以“蛋白质+油脂”合计则是黑水虻高于蝇蛆，且黑水虻脂肪酸组成中，具有较高含量的月桂酸成为功能性脂肪酸的优势。另一个重要的生态环境、人居环境问题，黑水虻就有更为明显的优势。黑水虻、蝇蛆同为腐食性昆虫，但黑水虻成虫一般不在人居环境中生存、产卵，而蝇蛆成虫（苍蝇）则常在人居环境中活动，影响到人居环境的观感。

因此，在利用餐厨固形物作为培养基质，规模化养殖昆虫作为饲料资源方面，黑水虻具有较为明显的生态优势、生物转化优势和饲料产品价值的优势。

“餐厨固形物-黑水虻养殖-黑水虻产品

饲料”产业发展的政策分析

以餐厨固形物为培养基质的黑水虻产业化还存在明显的政策制约因素，主要表现在：①餐厨垃圾的处理工厂与黑水虻的养殖工厂是分离的。餐厨垃圾的收集、储运和处理享受了政府补贴，且不能跨区域转运。规模化养殖黑水虻需要有较大规模量的餐厨固形物，可能需要收集不同区域的餐厨垃圾处理工厂的餐厨固形物，这就涉及到餐厨固形物的跨区域转运问题。需要有相应政策性的支持，即餐厨垃圾收集、储运和处理加工可以不跨区域，但处理后的餐厨固形物应该允许跨区域转运，这需要有明确的政策支持。假如一个千万人口的大型城市有5个餐厨垃圾处理的行政区域，可能就有5个餐厨垃圾处理工厂，但可能只需要1个黑水虻养殖规模化工厂。黑水虻规模化养殖工厂的投资非常大，如果达不到一定的生产规模则投资压力、盈利压力更大，甚至达不到投资的盈亏平衡点。②规模化养殖工厂缺乏建厂所需的土地政策支持和政府资金扶持。黑水虻规模化养殖属于昆虫的规模化人工养殖项目，可以处理大量的餐厨固形物，而养殖工厂自身也有很大的环保压力，养殖工厂的选择不宜在城市区域，最好的选择是紧邻餐厨垃圾处理工厂，也便于餐厨固形物的转运。但是，餐厨垃圾处理工厂容易获得土地的政策性支持，而处理餐厨固形物的黑水虻规模化养殖工厂则没有获批土地的政策支持，更没有政策性的资金补贴。这些问题不是企业投资可以解决的问题，而是需要政府的政策调整和支持，这部分管理权限归口在环保、国土和财政部门。

黑水虻产品作为饲料原料也有政策性限制问题。黑水虻虫粉、脱脂黑水虻虫粉进入了“饲料原料目录”（9.2.7，黑水虻虫粉和9.2.8，脱脂黑水虻虫粉），且不属于“单一饲料原料”（意味着黑水虻养殖生产不需要办理生产许可证）。但是，黑水虻作为饲料原料的产品形态不限于虫粉或脱脂虫粉，还应该包括黑水虻鲜虫即冻虫（非活虫）、黑水虻酶解虫浆（膏）、黑水虻发酵虫浆、黑水虻油脂等产品，需要增补“饲料原料目录”中黑水虻饲料产品种类。同时，黑水虻养殖的残余培养基、虫粪，即虫砂，经过高温处理、或发酵处理后也可以作为饲料原料，也需要进入“饲料原料目录”。这部分的管理权限归口在农业农村部。欧盟已经批准黑水虻等昆虫作为动物饲料原料。

黑水虻养殖属于餐厨垃圾生物处理的循环利用产业、也属于碳氮循环产业，其产品作为饲料原料是否可以像鱼粉产品享受一定的免税政策支持？这也需要相应的政策扶持，其管理权限归口在国税部门。

黑水虻规模化养殖的核心技术问题

多大规模的黑水虻养殖较为适宜？以一个200万人口城市（或区域）为基数推算，200万人口的城市每天约有100 t餐厨垃圾计算，能够日处理100 t餐厨固形物的黑水虻养殖工厂可以作为一个规模化养殖工厂的基本规模，对于大中型城市则可以此规模的养殖工厂复制若干数量的同类工厂。

依据目前较为先进的黑水虻养殖技术，以餐厨固形物为培养基，100 t餐厨固形物需要投放1.2×108只5~7日龄苗虫，黑水虻对餐厨固形物的转化率22%，能产出22 t鲜活黑水虻虫体（预蛹前期的虫体）。培养周期是从受精卵到7日龄苗虫，从7日龄苗虫到黑水虻预蛹（可以收获的虫体）7 d，共14日龄。以这个规模的黑水虻养殖为例，需要解决的核心技术包括：①黑水虻虫体产业链的匹配性，如每天处理100 t餐厨固形物就需要有1.2×108只苗虫，需要相应规模的黑水虻成虫（1只雌虫产卵量约900粒）、受精卵采集和孵化（孵化需要2~5 d）的苗虫养殖工厂，这需要一定场地的黑水虻成虫、苗虫培育工厂。②如何设计黑水虻（从苗虫到预蛹期）的养殖工艺流程及其配套设施至关重要，尤其是如何实现机械化、自动化、智能化工艺流程和控制设备是关键。③养殖工厂环境控制技术是最大的技术难题，该阶段养殖期约7 d，既要控制黑水虻生长环境的条件如温度（25 ℃）、湿度（相对湿度70%）、光照、换气等，又要控制好养殖车间和整个养殖工厂的气体、污水等的排放，要达到环保排放的要求，这成为规模化黑水虻养殖的核心技术，也是投资最大的部分。④黑水虻产品形式及其处理技术，每天22 t的黑水虻活虫如何处理是一个核心问题，活虫是不宜直接作为销售产品的，如果直接冷冻（冻虫）则需要相应的急冻和冷冻设施和仓库，如果作其他产品形式如干虫、酶解虫浆等也需要配套相应的设施和场地。

单一环节的技术处理相对容易，而要将若干环节链接起来形成连续的工艺流程，尤其是形成自动化、智能化的工艺流程或流水线则需要技术集成，这是一个重要的核心技术问题。

黑水虻饲料产品生产过程中抗氧化的技术问题

餐厨垃圾的出口之一是经过加工后作为黑水虻养殖的培养基质，而养殖的黑水虻出口主要是作为养殖动物的饲料，但黑水虻作为饲料原料的产品形态值得关注。黑水虻活虫不宜直接作为养殖动物的饲料，尤其是规模化养殖黑水虻数量大，更不适宜将活虫作为动物饲料销售、转运和饲喂养殖动物。因此，黑水虻饲料产品需要考虑其他产品形态。

以鲜活黑水虻虫体为原料的饲料产品形态主要有以下几种：①冻虫。鲜活黑水虻经过急冻后再冷藏、冷链运输，既可以在养殖现场使用，如饲料虾、蟹、蛙、中华鳖等，也可以作为饲料原料使用，产品基本保持了虫体形态，水分含量67%左右；②虫干或虫粉。鲜活虫体经过烘干后为虫干（水分含量小于10%），虫干经过粉碎得到黑水虻虫粉；③脱脂虫粉和油脂。以虫干为原料，经过压榨或溶剂提取油脂的虫体经过粉碎得到黑水虻脱脂虫粉，同时得到黑水虻油脂；④保鲜虫浆。以鲜活虫体经过磨浆、保鲜（防腐）得到保鲜虫浆（膏），水分含量基本为鲜活虫的含水量；⑤发酵虫浆，鲜活虫体磨浆后，加入适量糖蜜等碳源，加入微生物菌种（如枯草芽孢杆菌、乳酸菌等）经过发酵得到发酵黑水虻虫浆（膏），水分含量67%左右；⑥酶解虫浆。鲜活虫体磨浆后，在55 ℃条件下、加入外源性水解酶进行酶解、减压浓缩至水分含量50%左右得到黑水虻酶解虫浆，如果经过干燥得到酶解虫粉。上述产品主要为饲料企业提供饲料原料。除了脱脂虫粉提取油脂外，其他产品基本都保持了黑水虻虫体的油脂含量。

黑水虻活虫含有较多的抗氧化物质，也具有较高的抗氧化能力。而一旦死亡之后，虫体暴露在空气之中（温度、氧气）也容易氧化，感官可见的就是虫体变黑。如果黑水虻虫体的外壳破坏、虫体内容物更易被氧化，这主要是因为黑水虻虫体含有高含量的油脂。黑水虻油脂中包括蜡酯（脂肪酸与高级醇形成的酯）、磷脂和三酰甘油酯等类型，含有较高比例（超过40%）的油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸，暴露在空气中极易氧化酸败。油脂氧化酸败的产物如过氧化物、丙二醛等对动物是有毒性的。因此，没有氧化酸败的黑水虻活虫、鲜虫是一种优质的动物蛋白质和油脂原料、且是功能性的饲料原料，而氧化酸败后的黑水虻产品可能会对养殖动物产生毒副作用，就是一种不好，甚至是劣质的饲料原料。

黑水虻饲料产品加工过程、加工产品均需要防止氧化酸败的技术处理。由此造成的技术难题包括：①干燥方式值得研究，黑水虻幼虫、预蛹含有65%~67%的水分，鲜活的黑水虻虫体如何烘干为干虫，并加工为虫粉，或提取油脂得到脱脂虫粉、黑水虻油脂？热风烘干导致油脂氧化酸败的概率和氧化程度很高，微波干燥的生产成本及其微波对脂肪酸的破坏也是难题；冷冻干燥是最为理想的干燥技术，但设备投入和运行成本、处理的黑水虻数量有限也是难题。②黑水虻液态饲料产品，如酶解黑水虻浆、发酵黑水虻浆（膏）等，可能成为主要饲料产品形态，也需要控制氧化的技术难题。

另一个值得重视的问题是，我们现有的黑水虻用于动物饲料中的养殖试验过程及其文献中，所使用的黑水虻原料包括鲜活虫、在实验室条件下得到的虫体或油脂等，这些原料中油脂氧化程度可能较低，因此得到的试验结果都是正向的结果，显示出黑水虻及其加工产品是一种优质的蛋白质原料和油脂原料，其研究报告中也没有对脂肪酸氧化程度、脂肪酸氧化产物进行检测和判定。几乎没有试验和文献报道氧化酸败的黑水虻及其加工的饲料产品对养殖动物生长、健康等的不良影响报道，而实际生产中这类情况可能会发生，既影响黑水虻饲料产品的应用，更可能导致养殖动物的损伤性危害，并引发养殖事故。因此，黑水虻规模化养殖及其饲料产品开发应用的时候，一定要重视这个问题，并针对性地研发相应的氧化控制技术和工艺流程。

急需制定黑水虻饲料产品质量标准

以餐厨固形物为原料的黑水虻规模化养殖是值得提倡和政府支持的生产方式，而以畜禽粪便、医药废渣等为原料的黑水虻养殖需要进行限制。黑水虻及其加工产品作为饲料原料有多个法规进行限制，如“饲料原料目录”“饲料添加剂目录”“单一饲料生产许可证”“饲料添加剂生产许可证”“饲料卫生标准”等。这些法规性的实施可以通过黑水虻饲料产品质量标准来统筹和实现。

不同的培养基对养殖所得黑水虻虫体的营养质量、卫生和安全质量有直接性的影响，如Barragan-Fonseca等[7]的研究结果见表1，以水果和蔬菜等为培养基所得黑水虻蛋白质含量为38.5%、油脂6.63%，以鱼为原料的黑水虻虫体蛋白质含量为57.9%、油脂含量为34.6%，两者的“蛋白质+油脂”含量相差2倍以上。

更为重要的是，目前是全国各地都有黑水虻养殖，除了养殖工艺等的差异外，重要的是所采用的培养基的安全性难以控制，可能会有使用一些有机固废如抗生素药渣，还有畜禽粪便等作为培养基质。因为黑水虻养殖可以不办理生产许可证，理论上人人都可以养殖、到处都可以养殖，导致黑水虻养殖业难以管控。可以通过黑水虻及其加工产品的饲料原料产品质量标准来排除一些有机危险废物、动物粪便等为原料所得的黑水虻饲料产品。实际生产中，有用畜禽粪便作为培养基的情况，导致黑水虻虫粉中铁、铜等含量超过“饲料卫生标准”和“中华人民共和国农业农村部公告第2625号饲料添加剂安全使用规范”，不能作为饲料原料；再就是禽类粪便中药物（如鸡的球虫药）残留超标的情况。因此，畜禽粪便培养的黑水虻产品不能作为饲料原料。