老麦克唐纳农场里的新动物——昆虫

Chris Palmer

doi:10.1016/j.eng.2024.09.007

工程（英文） ›› 2024, Vol. 42 ›› Issue (11) : 7 -10. DOI: 10.1016/j.eng.2024.09.007

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老麦克唐纳农场里的新动物——昆虫

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Old MacDonald Has a New Animal on the Farm—Insects

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Chris Palmer. 老麦克唐纳农场里的新动物——昆虫[J]. 工程（英文）, 2024, 42(11): 7-10 DOI:10.1016/j.eng.2024.09.007

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据一家市场分析公司估计，到2027年，昆虫产业的市场规模将达到33亿美元[1]。为此，法国正在进行一场“军备竞赛”，旨在打造全球最大昆虫养殖场。目前全球最大的昆虫养殖场位于亚眠郊外，占地45 000 m²，每年生产超过10万吨黄粉虫（Tenebrio molitor）幼虫，由总部位于法国巴黎的Ÿnsect公司于2023年12月建成[2]。该养殖场取代了位于法国内勒、由Ÿnsect公司的竞争对手巴黎生物技术公司InnovaFeed建造的一家昆虫养殖场；后者于2023年4月建成，占地35 000 m²，每年能从黑水虻（Hermetia illucens）幼虫中生产15 000 t蛋白质（图1）[3]。不过，内勒养殖场计划于2024年年底扩建至55 000 m²，年产量增至75 000 t，从而重回榜首[3]。InnovaFeed公司还计划于2026年在美国伊利诺伊州迪凯特新建一个占地100 000 m²的养殖场[4]。

尽管人类食用昆虫的历史已长达数千年，且至今仍有数十亿人食用昆虫，但日益发展的昆虫养殖业在很大程度上并非为人类消费而服务。相反，无论是初创公司还是大型农业综合企业，都期望进军宠物、水产养殖和牲畜饲料市场，并承诺建立全天候运行的自动化工厂，生产大量的昆虫蛋白——主要来自黄粉虫幼虫、黑水虻幼虫（图2）和蟋蟀（全球最大蟋蟀养殖场位于加拿大安大略省伦敦市，占地14 000 m²，年产蟋蟀12 000 t [5]）。这些特定的昆虫具有较高的饲料转化率，且与传统牲畜蛋白的生产相比，其生产所需的水和土地更少，温室气体排放量也更低。

蛋白质在可食用昆虫中所占的比例高达60% [6]，这一比例高于大多数植物蛋白来源，包括谷物、大豆和扁豆[7]。以获取相同数量的蛋白质为例，蟋蟀养殖所需的饲料量约为牛的六分之一、羊的四分之一、猪和鸡的二分之一[8]。据估计，与肉类产业相比，养殖昆虫以生产等量的蛋白质可减少72%~95%的温室气体排放[9]。

昆虫养殖不仅仅能提供一种更可持续的高品质蛋白质来源。昆虫饲料中不含常见于畜禽饲料的激素，还可能含有有益于动物健康的分子（如抗菌肽）。这些有益分子是由很多昆虫通过食用腐烂有机物而自然产生的[10]。此外，昆虫蛋白所含的油脂被认为有益于宠物的皮毛和皮肤健康[11]，并有助于预防或减轻狗的认知衰退[12]。昆虫外壳中的几丁质是一种不可消化的多糖，也为昆虫源饲料增添了益生元纤维的有益特性[13]。养虫户还可以收集几丁质和昆虫粪便用作肥料[14]，而一些研究人员正在探索昆虫源几丁质在化妆品中的潜在应用[15]。

美国得克萨斯农工大学学院站分校昆虫学教授Jeﬀrey Tomberlin表示，这些额外的特性有助于促进昆虫源产品市场的发展。Tomberlin还领导着美国国家科学基金会通过昆虫养殖实现环境可持续性中心（National Science Foundation Center for Environmental Sustainability Through Insect Farming）。该中心将行业合作伙伴与大学联系起来，共同研究提高昆虫养殖效率的方法。“我们需要继续推动市场多元化。”Tomberlin说，“多元化为我们创造了机会去发现那些价格可能更高、能够为市场提供内部补贴的昆虫成分。我们今天认为的主要产品——蛋白质——未来可能会成为次要产品。如果发生这种情况，昆虫蛋白的价格就会下降。”昆虫蛋白近期的价格估计为3800~6000美元·t^-1。相比之下，鱼粉的价格为1400~1800美元·t^-1，大豆的价格约为500美元·t^-1 [16]。

宠物饲料只是昆虫养殖的开端。2022年，欧盟开始允许农民用昆虫喂养猪和家禽，这一举措扭转了于20世纪90年代中期“疯牛病”暴发后颁布的“加工动物蛋白和昆虫”禁令[17]。尽管大多数西方文化对食用昆虫仍持强烈抵触态度，但当人们通过动物产品间接食用昆虫时，“恶心因子”会降低。2019年发表的研究表明，全球约有73%的人愿意食用以含有昆虫蛋白的饲料喂养的鱼、鸡或猪的肉[18]。

家禽和猪饲料市场规模巨大。仅欧盟每年就消耗1.46亿头猪和72亿只鸡[19‒20]。目前，饲养这些动物所用的饲料大多来自大豆，而大豆种植是全球森林砍伐的主要原因，尤其是在巴西和亚马孙雨林地区[17]。仔猪还会食用鱼粉，这又与过度捕捞问题相关。若要用昆虫蛋白替代哪怕一小部分家畜饲料市场，都需要大幅提高昆虫产量，因此，人们越来越有兴趣建造更多、更大的昆虫养殖场。

昆虫养殖具有经济意义的一个方面是，可以利用农业产业原本需要花钱处理的副产品和其他废弃物来饲养昆虫。“全球浪费的食物数量之大令人难以想象。”位于澳大利亚维多利亚州德里穆特（Derrimut）的昆虫蛋白生产商Viridian Renewable Technology的首席执行官Martin Pike说，“将其重新利用的机会是巨大的。”

由于昆虫以消费前的食物垃圾（即“任何未被叉子碰过的食物”，Tomberlin说）为食并在农场或食品加工厂附近养殖，因此相比于标准的大豆或鱼粉，购买昆虫作为饲料或原料能够为这些农场或加工厂提供更可持续的饲料蛋白来源。但如果使用原本可以直接用于牲畜饲养的加工饲料来养殖昆虫，那么昆虫养殖的成本可能会更高，对环境的影响也会更糟[21]。

“我们绝不会用昆虫养殖场来取代玉米地。”美国印第安纳大学（美国印第安纳州印第安纳波利斯）从事昆虫蛋白质养殖的遗传学研究的生物学教授Christine Picard说道，“但我们确实需要更多的蛋白质，希望这种方法能在不破坏更多地球资源的情况下，以更可持续的方式生产蛋白质。”

自2020年以来，承诺以可持续方式生产蛋白质的昆虫养殖初创公司已吸引了超过10亿美元的风险投资[22]。事实上，昆虫养殖在可持续性方面具有巨大潜力，甚至正被研究作为一种为长期太空飞行的宇航员提供食物的手段[23]。大型农业综合企业也已开始涉足昆虫养殖领域。例如，全球第二大鸡肉、牛肉和猪肉生产商——美国阿肯色州斯普林代尔的Tyson Foods公司[24]——最近投资了荷兰栋恩的初创公司Protix。与InnovaFeed一样，Protix公司养殖黑水虻幼虫，这种幼虫因能消化几乎任何食物且生长迅速而受到青睐。该合作计划包括在2025年年底前在美国（具体地点尚未公布）建造一个占地45 000 m²的养殖场，将Tyson 公司的食品加工副产品升级为昆虫蛋白和脂类[25]。同样，食品加工巨头ADM公司（Archer Daniels Midland，位于美国伊利诺伊州芝加哥）[26]于2020年与InnovaFeed公司签署了合作协议。这家法国公司率先推出了世界上首批商业销售的昆虫饲料鳟鱼[27]和鸡肉[28]，并于2024年4月在美国伊利诺伊州迪凯特开设了一个占地10 000 m²的研究创新中心[4]。到2026年，该中心将扩建成为占地100 000 m²的大型生产设施，届时每年将生产多达60 000 t动物饲料蛋白、20 000 t家禽和猪饲料用油以及400 000 t土壤改良剂。该设施与ADM公司的玉米加工厂之间通过一条管道相连；通过将加工厂的副产品用于喂养昆虫幼虫，该设施将避免每年多达27万吨的副产品浪费[4]。“我们将会看到更多这样的大型基地——昆虫产业确实存在规模经济。”Tomberlin说道，“这些巨型工厂是全能的。它们既是废弃物接收站，又是培育基地，还是收获中心和加工中心。它们无所不能。”

根据Pike的说法，十年前，科技尚未取得重大进展，那时企业还不具备建造如此大规模工厂所需的知识。“当你首次在实验室规模上尝试时，你完全不知道在商业规模上会是什么样子。”他说，“将产量增加100倍、1000倍或10 000倍以达到商业规模是一个重大挑战。如果你只是打算将同样的东西复制粘贴一百次，那么你会错过许多效率提升的机会。”

提高效率的一个重要途径是热量管理。未成年的昆虫需要热量才能存活。例如，InnovaFeed公司利用其内勒工厂附近的生物质发电厂（一个通过燃烧有机物质发电的大型熔炉）的废热，将黑水虻幼虫的养殖环境维持在舒适的30 ℃ [29]。然而，养殖场中的成虫会持续产下黑水虻幼虫，该过程会产生热量，因此必须进行主动冷却以防止过热。但是，每天24小时运行空调机组可能会导致成本高昂。“在热量管理方面，你必须非常有创意，才能使这项工作具有商业可行性。”Pike说。例如，InnovaFeed公司的内勒工厂配备了10 000多个传感器，用于随时测量、控制及优化温度和湿度。该工厂还采用了流体动力学软件进行设计，以模拟整个建筑内的空气流动情况[30]。

在大型设施内部，另一个挑战是，在工厂内如何对处在不同生命阶段的昆虫进行运输。工程师们面临着一个难题：是使用传送带、自动化机器人，还是采用低技术解决方案（如工人用手推车推着昆虫四处移动）？因为并非每个流程都适合自动化。“一些公司正试图将每个流程都自动化，以最大限度地降低劳动力成本，但这些养殖场环境都很苛刻，机器容易磨损。”Pike说，“如果使用的机器人非常精密，那么一只虫子爬进去就可能让它失灵，所以必须克制住对每个步骤都过度设计的冲动。”

据Pike介绍，工厂经营者还可以将人工智能应用于昆虫蛋白生产的几乎每一个环节。在昆虫生命周期结束时，改变任何一个变量都可能对其健康状况产生重大影响。例如，将卵的储存温度改变一度，就会影响幼虫的产量、健康状况以及成虫的繁殖效率。“这需要考虑所有相关因素，这项工作需要处理的数据量实在太大，无法在人力范围内实现。”Pike说，“但使用复杂的算法可以就潜在影响给出有意义的结果。”

除了提高工厂效率外，研究人员还在研究如何调整昆虫的生物学特性以优化生产。“我在20世纪90年代就研究过黑水虻的群体管理方法，而这些方法至今也没有发生太大的变化。”Tomberlin说，“我们目前还远远没有充分发挥昆虫的全部潜力。”Tomberlin和Picard指出，基因改造有望进一步提高昆虫产量。但Picard表示，这种改造很可能是针对不直接参与蛋白质生产的基因。“有人会通过基因改造使昆虫产生更多的蛋白质吗？这不太可能，因为这是一个复杂且受到严格控制的系统。”

例如，基因改造或许可以有针对性地延长昆虫的取食期，这将使幼虫体型更大，蛋白质含量更高。另一种途径可能是通过改造某些基因来培育出具有特定营养成分的“定制型”昆虫，这些营养成分能够提高以这些昆虫为食的宠物、鱼类或家畜的健康效益。“你可以把这想象成将昆虫当作一个小型制药厂。”Picard说，“在技术和生物学领域存在诸多的工程开发机会。我们正处于这个行业可能呈指数级增长的最初阶段。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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