ASD LabSpec 4 地物光谱仪在昆虫蛋白研究方面的应用
预计到 2050 年，世界人口将超过 90 亿，如何应对不断增长的人口并以可持续的方式饲养动物仍然是全球面临的重大挑战之一。昆虫产品被认为是健康且可持续的食品和饲料成分，可以减轻农业系统的压力。与传统牲畜相比，昆虫的养殖相对具有成本效益和环保性，每公斤蛋白质所需的土地和饲料量更少，温室气体排放量也更低。
昆虫富含蛋白质、维生素B和E、矿物质元素、生物活性肽等具有潜在健康益处的成分，然而其营养成分因物种、生长条件、饲料摄入量和加工方法而异。尽管昆虫产品具有许多优势，但其价格和质量存在差异，掺假的风险增加。因此，开发快速且低成本的掺假评估方法对昆虫蛋白行业的认证至关重要。
本研究使用了三种昆虫：黑水虻幼虫 (BSFL，Hermetia illucens)（Viridian Renewable Technology，澳大利亚）、蟋蟀 (Acheta domesticus)（Hoppa Foods Pty Limited，泰国）和黄粉虫 (Tenebrio molitor)（Circle Harvest，澳大利亚）。昆虫样品均进行磨粉处理。
使用ASD LabSpec 4 地物光谱仪采集 NIR 光谱，波长范围350 nm-2500 nm，光谱分辨率为10 nm。测量的单个掺假昆虫粉的总重量为3克。为了消除昆虫蛋白粉中水分含量的影响，所有昆虫蛋白粉在混合前后均储存在湿度平衡的冰箱中 48 小时。粉末成对混合，比例不同：黑水虻幼虫和蟋蟀 (BSF/C)、黑水虻幼虫和黄粉虫 (BSF/M)、蟋蟀和黄粉虫 (C/M)。每对混合物的比例为：1:9 (10%)、2:8 (20%)、3:7 (30%)、4:6 (40%)、5:5 (50%)、6:4 (60%)、7:3 (70%)、8:2 (80%) 和 9:1 (90%)。按重量比称量昆虫粉，混合并储存在 120 mL 塑料容器中，用涡旋搅拌器混合三次，每次 3 分钟。
为了评估不同公司黑水虻幼虫蛋白粉质量的差异，按照上述混合策略制备了公司 A、B、C 的掺假黑水虻幼虫蛋白粉 (3 克)：A/B、A/C、B/C。比例为：1:9 (10%)、2:8 (20%)、3:7 (30%)、4:6 (40%) 和 5:5 (50%)，每个样品有 6 个重复，混合过程相同。
ASD LabSpec 4 地物光谱仪
图 1 显示了 BSFL（图 1A）、蟋蟀（图 1B）和黄粉虫（图 1C）掺假昆虫粉的原始 NIR 光谱。图 1D 显示了三种特定昆虫物种的光谱。本研究测量的总 NIR 吸收波长从 350 nm 延伸到 2500 nm。主要吸收波长范围为 800 nm 至 2400 nm，在 350 和 800 nm 区域之间，昆虫样本之间没有观察到差异。由于早期区域没有差异，我们使用 800 nm 至 2500 nm 的光谱范围来捕捉光谱区域中的显著差异。观察到的昆虫粉末之间的光谱差异可能源于蛋白质和脂肪含量的差异（表1）。就掺假百分比而言，这三种类型的掺假样品在光谱中都有明显的区别。在每种混合昆虫粉中，不同比例的掺假样品在光谱上具有相似的模式，但根据样品的掺假百分比观察到不同的吸收强度。因此，这些差异可能归因于昆虫含量的比例（就成分而言）（即蛋白质、脂肪和几丁质）及其来源。
图 1. 混合和纯昆虫蛋白粉的原始 NIR 光谱。(A) BSFL 蛋白与黄粉虫 (M) 蛋白粉混合。(B) BSFL 蛋白与蟋蟀混合 (C)。(C) 蟋蟀蛋白粉与黄粉虫混合。(D) 三种纯昆虫蛋白粉。绿色 - BSFL；黄色 - 蟋蟀；红色 - 黄粉虫。BSFC1 至 BSFC9 指 BSFL 与蟋蟀混合，蟋蟀粉含量为 10% 至 90%。BSFM1 至 BSFM9 指 BSFL 与黄粉虫混合，蟋蟀粉含量为 10% 至 90%。CM1 至 CM9 指蟋蟀与黄粉虫混合，蟋蟀粉含量为 10% 至 90%。
图 2. 混合昆虫粉的一阶导数 NIR 光谱。(A) BSFL 粉末与蟋蟀 (C) 混合。(B) BSFL 粉末与黄粉虫 (M) 粉末混合。(C) 蟋蟀粉与黄粉虫混合。(D) 三种纯昆虫蛋白粉。BSFC1 至 BSFC9 指 BSFL 与蟋蟀混合，蟋蟀粉含量为 10% 至 90%。BSFM1 至 BSFM9 指 BSFL 与黄粉虫混合，蟋蟀粉含量为 10% 至 90%。CM1 至 CM9 指蟋蟀与黄粉虫混合，蟋蟀粉含量为 10% 至 90%。
表 2. 昆虫粉末混合物的一阶导数光谱的主要吸光度波长数。BS-黑水虻；M-黄粉虫；C-蟋蟀。蓝色突出显示表示不同物种掺假之间的主要差异。
图 3. (A) 昆虫掺假昆虫蛋白混合物的主成分分析。昆虫粉混合物处理后的光谱数据的得分图显示了基于昆虫种类和掺假物百分比的聚类。(B) 掺假样品的 PCA 载荷图。BSF、C 和 M 分别代表 BSFL、蟋蟀和黄粉虫。BSFC1 至 BSFC9 指 BSFL 与蟋蟀混合，蟋蟀粉掺入率为 10% 至 90%。BSFM1 至 BSFM9 指 BSFL 与黄粉虫混合，黄粉虫粉掺入率为 10% 至 90%。CM1 至 CM9 指蟋蟀与黄粉虫混合，黄粉虫粉掺入率为 10% 至 90%。
这项研究通过区分各种昆虫物种的粉末并估计不同掺假程度的混合蛋白粉样品中的掺假百分比，证明了近红外光谱法在识别昆虫蛋白粉掺假方面的适用性。掺假预测的准确性因昆虫物种而异，预测的平均偏差约为 2%。结果表明，近红外光谱可以区分来自不同公司的同一物种的差异，显示出成分上的细微差异，这可能是由于生长环境、饲料、成熟度和/或加工造成的。NIR 可用于对含有昆虫蛋白的产品质量进行监控，确保物种鉴定和产品质量。
