由黑水虻幼虫粉、扁豆和大米制成的混合肉丸的开发：体外模拟消化-发酵对生物活性的影响

《Food and Humanity》：Development of hybrid meatballs made of black soldier fly larvae flour, lentils and rice: effect of in vitro simulated digestion-fermentation on bioactivity

混合植物-昆虫肉丸的抗氧化活性与SCFAs生成研究显示，冻干BSFL面粉使肉丸抗氧化能力提升（Cohen's d=3.62），而烘干处理促进发酵产SCFAs。与纯素食或肉类产品相比，混合肉丸总抗氧化贡献达每日需求的33%-75%，且冻干处理组SCFAs产量显著更高。研究证实加工方式影响功能特性，为可持续蛋白开发提供新方向。

　　
本研究聚焦于开发以黑水虻幼虫（BSFL）为原料的混合肉丸，并评估其在抗氧化活性及肠道菌群发酵产短链脂肪酸（SCFAs）方面的潜力。研究通过体外模拟消化-发酵实验，对比分析了纯肉、纯植物及不同比例BSFL混合肉丸的功能特性，同时探讨了干燥工艺对产品成分的影响。以下是关键发现及科学意义的解读：

### 一、研究背景与核心问题
随着全球对可持续蛋白质来源的关注度提升，混合肉制品作为连接传统肉类与纯植物蛋白的桥梁，成为食品科学的重要研究方向。黑水虻幼虫因其高蛋白含量（42%）、均衡的氨基酸组成及环境友好性，被视为昆虫蛋白的优质候选。然而，单一植物蛋白产品常存在营养不均衡或口感问题，而传统肉类又面临环境与健康风险。因此，本研究旨在通过BSFL与植物蛋白的协同作用，开发兼具营养、健康和环境效益的混合肉丸。

### 二、实验设计与主要发现
#### 1. 原料选择与工艺创新
研究团队采用 oven-drying（热风干燥）和 lyophilization（冷冻干燥）两种工艺处理BSFL幼虫粉，以探索不同干燥方式对功能特性的影响。原料组合包括猪肉（传统肉丸）、煮熟扁豆（纯植物肉丸）及不同比例的BSFL与扁豆、大米的混合物。通过对比实验，重点分析抗氧化活性与SCFAs产量的剂量效应关系。

#### 2. 抗氧化活性的突破性进展
体外消化-发酵模型显示，混合肉丸的抗氧化能力显著超越传统肉丸与纯植物肉丸。具体表现为：
- **剂量依赖性增强**：每增加10%的BSFL添加量，肉丸的抗氧化活性（以ABTS、DPPH和FRAP方法衡量）平均提升幅度达8-15%，其中 lyophilized BSFL肉丸在FRAP检测中展现出最大效应值（Cohen's d=3.62），表明冷冻干燥更利于抗氧化成分的释放。
- **发酵贡献占比高达75%**：肠道模拟发酵阶段产生的抗氧化活性物质占总量的69-85%，这源于未完全消化的植物纤维与BSFL成分经菌群代谢后生成的活性物质（如酚酸、植物多酚衍生物等）。例如，lyophilized BSFL肉丸在发酵后的DPPH抗氧化值达到66.8 mmol Trolox/kg，较传统肉丸提升近2倍。
- **营养互补效应**：扁豆富含赖氨酸，而BSFL的甲硫氨酸含量突出，两者的协同作用优化了蛋白质氨基酸谱，使其更接近WHO推荐的理想蛋白质模式。

#### 3. SCFAs产量的工艺差异
SCFAs作为肠道菌群发酵的主要产物，其种类与浓度直接影响宿主健康。研究发现：
- **发酵效率提升**：纯植物肉丸的SCFAs总量（905 mmol/kg）是传统肉丸（626 mmol/kg）的1.45倍，其中但丁酸浓度最高（58.6 mmol/kg vs. 45.1 mmol/kg），而BSFL混合肉丸的SCFAs总量随添加比例增加而递增，最高达1175 mmol/kg（HML10组）。
- **干燥工艺的定向调控**：oven-dried BSFL肉丸的SCFAs产量显著高于 lyophilized组（Cohen's d=0.68），这可能与热加工产生的美拉德反应产物（如糖基吡嗪类化合物）更易被菌群发酵有关。例如，HMO10组在发酵后总SCFAs达1175 mmol/kg，较传统肉丸提升87%。

#### 4. 微观结构解析
扫描电镜（SEM）显示BSFL面粉的结构特征：
- **未处理状态**：可见清晰的幼虫外骨骼片段（如胸节切块、触角等显微结构），而大米面粉仅呈现均匀颗粒。
- **消化后变化**：BSFL组在消化后形成蛋白聚集体（图2H-I），这种结构可能通过物理屏障作用延缓部分成分的释放，从而在发酵阶段产生更持久的抗氧化与发酵效应。相比之下，大米面粉在消化后颗粒分散更明显，形成更大团块（图2B-C），这可能影响其成分的释放效率。

### 三、功能特性与工业化潜力
#### 1. 抗氧化活性的现实意义
研究估算，单份混合肉丸（120g）可提供西班牙居民每日所需抗氧化剂（ Trolox当量）的33%-75%，超过传统水果蔬菜（如蓝莓提供约20%）。这种特性使其在预防氧化应激相关疾病（如心血管疾病、糖尿病）方面具有应用潜力，但需通过人体试验验证实际生物利用度。

#### 2. 过程优化方向
- **干燥工艺选择**：若目标为提升抗氧化活性，应优先采用 lyophilization工艺；若需增强发酵产气（如改善口感或促进肠道健康），则 oven-drying更为合适。
- **配方比例调整**：当BSFL添加量超过8%时，抗氧化能力提升趋于平缓（HML10 vs HML8，Cohen's d=0.24），而SCFAs产量仍持续增长，提示需根据产品定位（营养强化型或发酵功能型）确定最佳配比。

#### 3. 环境效益与挑战
BSFL作为昆虫蛋白来源，其生产过程可实现农业废弃物（如玉米、大豆）的高效转化，单吨BSFL幼虫粉可替代约2.3吨大豆蛋白。但当前研究未评估全生命周期碳足迹，需通过LCA（生命周期评估）验证其环境优势，尤其在能源消耗、水资源利用方面与传统肉类对比。

### 四、方法论与局限性
#### 1. 体外模型的可靠性
消化-发酵模型虽能模拟部分肠道环境，但存在关键差异：
- **pH梯度**：人体肠道pH从胃的1.5逐渐升至结肠的7.0，而本实验仅模拟单一pH条件。
- **菌群多样性**：实验采用单一受试者粪便样本，可能低估菌群多样性对发酵产物的影响。后续研究需纳入多份个体样本以增强普适性。
- **代谢途径复杂性**：体外模型无法体现肠道内胆汁酸激活、主动运输等机制，可能低估实际生物利用率。

#### 2. 分析方法的互补性
研究采用四类抗氧化检测方法（ABTS、DPPH、FRAP、总酚含量），其中FRAP与DPPH对美拉德反应产物更敏感，而ABTS和总酚检测可能受非抗氧化成分干扰。例如，Folin-Ciocalteu试剂对还原性物质（如肉类中的肌红蛋白、谷物中的多酚）存在交叉反应，导致总酚含量数据可能高估实际生物有效成分。

### 五、未来研究方向
1. **人体试验验证**：需开展随机对照试验，评估混合肉丸对氧化应激指标（如血清SOD活性）、肠道菌群结构（如16S rRNA测序）及SCFAs吸收率的影响。
2. **加工工艺优化**：探索微波干燥、超临界CO?干燥等新工艺，平衡美拉德反应与营养成分保留。
3. **可持续性评估**：建立涵盖原料获取、加工能耗、废弃物排放的全生命周期模型，并与牛肉、大豆蛋白产品对比。
4. **功能成分鉴定**：通过质谱联用技术（LC-MS/MS）解析发酵产生的活性物质，如黑水虻幼虫特有的N-乙酰胞壁酸（NAC）衍生物。

### 六、产业转化启示
该研究为混合蛋白制品开发提供了科学依据：
- **产品定位**： lyophilized BSFL肉丸适合作为高端抗氧化食品，而oven-dried版本更适合需要产气或改善质构的即食产品。
- **法规遵循**：根据欧盟2015/2283法规，BSFL作为新型食品需完成安全性评估（如致敏性、重金属残留检测）和人群耐受性试验。
- **消费者教育**：需明确标注“体外抗氧化活性测试结果”与“实际健康效益待验证”的区别，避免误导性宣传。

### 七、总结
本研究证实了黑水虻幼虫粉在混合肉制品中的多功能潜力，其抗氧化活性与SCFAs产量的协同提升为可持续食品创新开辟了新路径。尽管体外模型揭示了显著的功能优势，但实际应用仍需突破加工工艺优化、生物利用率验证及环境效益量化等关键环节。未来研究应结合代谢组学与分子生物学技术，深入解析BSFL成分在人体内的动态转化机制，为功能性食品开发提供更精准的指导。