ASD LabSpec 4 地物光譜儀在昆蟲蛋白研究方面的應用
預計到 2050 年，世界人口將超過 90 億，如何應對不斷增長的人口并以可持續的方式飼養動物仍然是全球面臨的重大挑戰之一。昆蟲產品被認為是健康且可持續的食品和飼料成分，可以減輕農業系統的壓力。與傳統牲畜相比，昆蟲的養殖相對具有成本效益和環保性，每公斤蛋白質所需的土地和飼料量更少，溫室氣體排放量也更低。
昆蟲富含蛋白質、維生素B和E、礦物質元素、生物活性肽等具有潛在健康益處的成分，然而其營養成分因物種、生長條件、飼料攝入量和加工方法而異。盡管昆蟲產品具有許多優勢，但其價格和質量存在差異，摻假的風險增加。因此，開發快速且低成本的摻假評估方法對昆蟲蛋白行業的認證至關重要。
本研究使用了三種昆蟲：黑水虻幼蟲 (BSFL，Hermetia illucens)（Viridian Renewable Technology，澳大利亞）、蟋蟀 (Acheta domesticus)（Hoppa Foods Pty Limited，泰國）和黃粉蟲 (Tenebrio molitor)（Circle Harvest，澳大利亞）。昆蟲樣品均進行磨粉處理。
使用ASD LabSpec 4 地物光譜儀采集 NIR 光譜，波長范圍350 nm-2500 nm，光譜分辨率為10 nm。測量的單個摻假昆蟲粉的總重量為3克。為了消除昆蟲蛋白粉中水分含量的影響，所有昆蟲蛋白粉在混合前后均儲存在濕度平衡的冰箱中 48 小時。粉末成對混合，比例不同：黑水虻幼蟲和蟋蟀 (BSF/C)、黑水虻幼蟲和黃粉蟲 (BSF/M)、蟋蟀和黃粉蟲 (C/M)。每對混合物的比例為：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%)。按重量比稱量昆蟲粉，混合并儲存在 120 mL 塑料容器中，用渦旋攪拌器混合三次，每次 3 分鐘。
為了評估不同公司黑水虻幼蟲蛋白粉質量的差異，按照上述混合策略制備了公司 A、B、C 的摻假黑水虻幼蟲蛋白粉 (3 克)：A/B、A/C、B/C。比例為：1:9 (10%)、2:8 (20%)、3:7 (30%)、4:6 (40%) 和 5:5 (50%)，每個樣品有 6 個重復，混合過程相同。
ASD LabSpec 4 地物光譜儀
圖 1 顯示了 BSFL（圖 1A）、蟋蟀（圖 1B）和黃粉蟲（圖 1C）摻假昆蟲粉的原始 NIR 光譜。圖 1D 顯示了三種特定昆蟲物種的光譜。本研究測量的總 NIR 吸收波長從 350 nm 延伸到 2500 nm。主要吸收波長范圍為 800 nm 至 2400 nm，在 350 和 800 nm 區域之間，昆蟲樣本之間沒有觀察到差異。由于早期區域沒有差異，我們使用 800 nm 至 2500 nm 的光譜范圍來捕捉光譜區域中的顯著差異。觀察到的昆蟲粉末之間的光譜差異可能源于蛋白質和脂肪含量的差異（表1）。就摻假百分比而言，這三種類型的摻假樣品在光譜中都有明顯的區別。在每種混合昆蟲粉中，不同比例的摻假樣品在光譜上具有相似的模式，但根據樣品的摻假百分比觀察到不同的吸收強度。因此，這些差異可能歸因于昆蟲含量的比例（就成分而言）（即蛋白質、脂肪和幾丁質）及其來源。
圖 1. 混合和純昆蟲蛋白粉的原始 NIR 光譜。(A) BSFL 蛋白與黃粉蟲 (M) 蛋白粉混合。(B) BSFL 蛋白與蟋蟀混合 (C)。(C) 蟋蟀蛋白粉與黃粉蟲混合。(D) 三種純昆蟲蛋白粉。綠色 - BSFL；黃色 - 蟋蟀；紅色 - 黃粉蟲。BSFC1 至 BSFC9 指 BSFL 與蟋蟀混合，蟋蟀粉含量為 10% 至 90%。BSFM1 至 BSFM9 指 BSFL 與黃粉蟲混合，蟋蟀粉含量為 10% 至 90%。CM1 至 CM9 指蟋蟀與黃粉蟲混合，蟋蟀粉含量為 10% 至 90%。
圖 2. 混合昆蟲粉的一階導數 NIR 光譜。(A) BSFL 粉末與蟋蟀 (C) 混合。(B) BSFL 粉末與黃粉蟲 (M) 粉末混合。(C) 蟋蟀粉與黃粉蟲混合。(D) 三種純昆蟲蛋白粉。BSFC1 至 BSFC9 指 BSFL 與蟋蟀混合，蟋蟀粉含量為 10% 至 90%。BSFM1 至 BSFM9 指 BSFL 與黃粉蟲混合，蟋蟀粉含量為 10% 至 90%。CM1 至 CM9 指蟋蟀與黃粉蟲混合，蟋蟀粉含量為 10% 至 90%。
表 2. 昆蟲粉末混合物的一階導數光譜的主要吸光度波長數。BS-黑水虻；M-黃粉蟲；C-蟋蟀。藍色突出顯示表示不同物種摻假之間的主要差異。
圖 3. (A) 昆蟲摻假昆蟲蛋白混合物的主成分分析。昆蟲粉混合物處理后的光譜數據的得分圖顯示了基于昆蟲種類和摻假物百分比的聚類。(B) 摻假樣品的 PCA 載荷圖。BSF、C 和 M 分別代表 BSFL、蟋蟀和黃粉蟲。BSFC1 至 BSFC9 指 BSFL 與蟋蟀混合，蟋蟀粉摻入率為 10% 至 90%。BSFM1 至 BSFM9 指 BSFL 與黃粉蟲混合，黃粉蟲粉摻入率為 10% 至 90%。CM1 至 CM9 指蟋蟀與黃粉蟲混合，黃粉蟲粉摻入率為 10% 至 90%。
這項研究通過區分各種昆蟲物種的粉末并估計不同摻假程度的混合蛋白粉樣品中的摻假百分比，證明了近紅外光譜法在識別昆蟲蛋白粉摻假方面的適用性。摻假預測的準確性因昆蟲物種而異，預測的平均偏差約為 2%。結果表明，近紅外光譜可以區分來自不同公司的同一物種的差異，顯示出成分上的細微差異，這可能是由于生長環境、飼料、成熟度和/或加工造成的。NIR 可用于對含有昆蟲蛋白的產品質量進行監控，確保物種鑒定和產品質量。
