Trong những năm qua, ấu trùng ruồi lính đen (BSFL) và các sản phẩm chế biến từ chúng đã chứng kiến sự tăng trưởng đáng kể trên thị trường.
Sự tăng trưởng này đặc biệt quan trọng trong ngành thức ăn chăn nuôi, nơi bột ấu trùng Ruồi lính đen (BSFL) đang trở thành một nguồn protein thay thế chủ chốt, cung cấp giá trị dinh dưỡng và những lợi ích chức năng bổ sung. Các sản phẩm chế biến từ BSFL, như sản phẩm của Entobel, tuân thủ các Mục tiêu Phát triển Bền vững (SDGs), cung cấp một lựa chọn thân thiện với môi trường bằng cách nâng cao giá trị phụ phẩm từ ngành công nghiệp thực phẩm và giúp giảm lượng khí thải carbon của ngành thức ăn chăn nuôi.
Bột BSFL của Entobel nổi bật với hàm lượng protein cao – trung bình 55% protein thô – và cấu trúc amino acid cân bằng tốt, bao gồm Methionine (2,11%), Cystine (1,36%), Proline (5,87%) và Tyrosine (6,68%). Những amino acid này không chỉ hỗ trợ chức năng miễn dịch mà còn hoạt động như những chất dẫn dụ tự nhiên đối với động vật. Bên cạnh hàm lượng protein, bột BSFL còn chứa các peptide kháng vi khuẩn (AMPs), đã thu hút sự quan tâm từ cả ngành nghiên cứu và công nghiệp thức ăn chăn nuôi nhờ khả năng tiềm năng của chúng trong việc cải thiện sức khỏe động vật. Do đó, các đổi mới trong tương lai của protein từ BSFL sẽ giải quyết các vấn đề môi trường và thúc đẩy các phương pháp bền vững hơn trong ngành thức ăn chăn nuôi.
Peptides kháng khuẩn (AMPs) là các peptide nhỏ chứa khoảng 10–100 amino acid, được biết đến với khả năng tác động phổ rộng chống lại vi khuẩn, nấm, virus và ký sinh trùng.
Peptides kháng khuẩn (AMPs) là các peptide nhỏ chứa khoảng 10–100 amino acid, được biết đến với khả năng tác động phổ rộng chống lại vi khuẩn, nấm, virus và ký sinh trùng.
Nghiên cứu gần đây đã xác định các họ peptide kháng vi khuẩn (AMPs) quan trọng trong hệ gen của Ruồi lính đen (BSF). Jian Peng et al (2023) phát hiện 33 gen cecropin, trong khi Vogel Heiko et al (2018) báo cáo có 26 gen mã hóa cho các AMPs defensin và 6 gen mã hóa cho attacin(1),(2). Các họ AMPs này đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phòng thủ miễn dịch của ruồi và có tiềm năng lớn trong ứng dụng kháng vi khuẩn.
Họ cecropin trong ấu trùng ruồi lính đen bao gồm bốn loại peptide, mỗi loại chứa khoảng 69 amino acid và có khối lượng phân tử khoảng 7 kDa. Cecropin đặc biệt hiệu quả đối với nhiều loại vi khuẩn, bao gồm cả các loài Gram âm như Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa và Vibrio parahaemolyticus, cũng như các vi khuẩn Gram dương như Bacillus subtilis(2). Bên cạnh đó, họ defensin bao gồm sáu peptide trưởng thành, mỗi peptide có khối lượng phân tử khoảng 4 kDa. Các defensin này có tác dụng mạnh đối với E. coli, Staphylococcus aureus và các loài Salmonella, như được ghi nhận bởi Jingjing Zhang et al (2021)(3).
Các tác dụng kháng vi khuẩn của AMPs hoạt động thông qua nhiều cơ chế khác nhau, trong đó cơ chế được nghiên cứu kỹ nhất là sự phá vỡ màng tế bào.
Các peptide này tương tác với màng tế bào vi khuẩn, gây ra sự mất ổn định cấu trúc và tăng tính thấm, dẫn đến sự phân hủy và chết của tế bào. Bên cạnh đó, sự tương tác và liên kết với các mục tiêu nội bào cùng với việc điều hòa miễn dịch cũng được cho là cơ chế kháng khuẩn của AMPs. Nhờ vào tác dụng kháng khuẩn phổ rộng này, vi khuẩn rất khó phát triển sự kháng thuốc đối với AMPs, khác với kháng sinh truyền thống chỉ nhắm vào các quá trình vi khuẩn cụ thể.
AMPs mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng phản ứng nhanh chóng đối với vi khuẩn và rủi ro thấp trong việc gây ra sự kháng thuốc của vi khuẩn, vì vi khuẩn khó thay đổi màng tế bào để chống lại sự phá vỡ của AMPs. Hơn nữa, AMPs có bán đời ngắn, giúp giảm khả năng tồn tại lâu dài trong môi trường. Những đặc tính này khiến AMPs trở thành ứng viên tiềm năng trong việc sử dụng trong thức ăn chăn nuôi, hỗ trợ kiểm soát vi khuẩn gây bệnh, nâng cao sức khỏe động vật và cải thiện năng suất trong ngành chăn nuôi và thủy sản.
Với sứ mệnh phát triển các nguyên liệu chức năng từ côn trùng cho thức ăn chăn nuôi và sức khỏe động vật, Entobel đã bắt đầu một dự án nghiên cứu nội bộ để khảo sát các đặc tính của AMPs có trong các sản phẩm BSFL của mình.
Bằng cách khám phá các lựa chọn thay thế kháng sinh, Entobel thúc đẩy các phương pháp nuôi cá và tôm khỏe mạnh hơn. Một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng là đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của các chiết xuất từ ấu trùng Ruồi lính đen (BSFL) tươi đối với các bệnh nhiễm khuẩn trong nuôi trồng thủy sản, bao gồm Vibrio parahaemolyticus, tác nhân gây bệnh Viêm gan tụy cấp tính (AHPND) ở tôm, và Streptococcus agalactiae, tác nhân gây nhiễm trùng ở cá nước ngọt. Trong một nghiên cứu gần đây, Entobel đã thực hiện nghiên cứu sơ bộ để đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của toàn bộ ấu trùng Ruồi lính đen tươi được nuôi bằng chế độ ăn từ bã bia, không áp dụng thêm bất kỳ phương pháp xử lý nào. Các AMPs thô đã được chiết xuất, sau đó được tinh sạch và phân đoạn dựa trên khối lượng phân tử. Để xác nhận hoạt tính kháng khuẩn của mỗi phân đoạn, phương pháp Vùng Ức Chế Agar (Agar Inhibition Zone) đã được sử dụng. Thêm vào đó, kỹ thuật SDS-PAGE, một phương pháp phân tách protein dựa trên khối lượng phân tử, đã được sử dụng để xác định kích thước của các peptide trong từng phân đoạn.
Hai phân đoạn chính từ nghiên cứu đã cho kết quả hứa hẹn. Phân đoạn F3, chứa các peptide có kích thước từ 4 kDa đến 7 kDa, cho thấy hoạt tính kháng khuẩn đối với S. agalactiae, với vùng ức chế đạt 13,5 mm ở nồng độ 10,8 mg/mL. Trong khi đó, phân đoạn F4, chiếm tỷ lệ cao nhất trong chiết xuất thô và chứa các peptide nhỏ hơn 14 kDa, thể hiện hoạt tính kháng khuẩn đối với V. parahaemolyticus và S. agalactiae. Phân đoạn này tạo ra vùng ức chế có kích thước 10,3 mm ở nồng độ 21,5 mg/mL. (Hình 1 & 2).
Hình 2. (a) Sắc đồ của chiết xuất protein. (b) Khối lượng phân tử của F3 và F4 qua hình ảnh SDS-PAGE.
Những phát hiện ban đầu này cho thấy các AMPs từ ấu trùng ruồi lính đen có tiềm năng kháng khuẩn, đặc biệt là đối với một số vi khuẩn gây bệnh trong nuôi trồng thủy sản.
Mặc dù các nghiên cứu đang diễn ra về AMPs cho thấy những đặc tính kháng khuẩn đầy hứa hẹn trong môi trường ống nghiệm, nhưng ứng dụng của chúng trong ngành sản xuất và chế biến côn trùng cũng như áp dụng trong sản phẩm thương mại vẫn đối mặt với một số thách thức lớn. Trước tiên, sự hiểu biết về hệ thống miễn dịch của côn trùng và các cơ chế liên quan đến sản xuất AMPs, đặc biệt là ở Hermetia illucens, vẫn còn hạn chế. Việc thiếu hiểu biết này gây khó khăn cho các phương pháp điều trị nhằm tăng cường hiệu quả sản xuất AMPs trong giai đoạn ấu trùng của Ruồi lính đen, gây ra những thách thức cả trong quy mô thử nghiệm và sản xuất lớn.
Ngoài ra, AMPs có những đặc tính giống như protein, như tính nhạy cảm nhiệt, pH hoạt động và khả năng bị phân hủy bởi enzyme. Những đặc tính này đặt ra các yêu cầu đặc biệt đối với quy trình mở rộng và phương pháp lưu trữ, cần được tối ưu hóa cẩn thận để bảo vệ hoạt tính kháng khuẩn của các peptide này, vì quá trình chiết xuất và tinh chế không đúng cách có thể làm giảm hiệu quả của chúng. Một thách thức khác là đảm bảo sự ổn định của AMPs trong hệ tiêu hóa. Là protein, AMPs có thể bị phân hủy trong quá trình tiêu hóa, có thể mất đi hoạt tính sinh học trước khi có thể tác động chống lại các mầm bệnh, làm cho việc duy trì hiệu quả của chúng khi sử dụng làm phụ gia thức ăn trở nên khó khăn hơn.
Tiềm năng của bột BSFL, kết hợp với các đặc tính kháng khuẩn của các peptide trong đó, mang đến một giải pháp đầy hứa hẹn làm nguồn protein bền vững và quản lý bệnh tự nhiên trong chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên, cần có sự hiểu biết rõ ràng về việc làm tăng lượng AMPs, cải thiện hoạt tính sinh học của chúng và khắc phục các hạn chế trong quy trình chế biến và tiêu hóa. Để thúc đẩy phát triển bền vững, việc hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, ngành công nghiệp BSF và ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi là điều cần thiết. Thông qua sự hợp tác, chúng ta có thể khai thác tối đa tiềm năng của các sản phẩm BSFL, cải thiện hiệu quả và giải quyết nhu cầu ngày càng tăng về các phương án thay thế kháng sinh trong chăn nuôi động vật.
Được viết bởi Trần Thị Châu – Entobel R&D Product Development Team Leader
Đăng trên Feed & Additive Magazine Issue 4 October 2024
Tài liệu tham khảo
Tài liệu tham khảo
Reference:
- Jian Peng,Lu Li,Yan Wan,Yifan Yang,Xiaoqin An,Kexin Yuan,Zhilang Qiu,Yinhui Jiang,Guo Guo,Feng Shen,Guiyou Liang Molecular characterization and antimicrobial activity of cecropin family in Hermetia illucens, 2024.
DOI: 10.1016/j.dci.2023.105111
- Vogel H, Müller A, Heckel DG, Gutzeit H, Vilcinskas A, Diversification and diet-dependent expression of antimicrobial peptides in the black soldier fly Hermetia illucens, 2018.
DOI: 10.1016/j.dci.2017.09.008.
- Zhang J, Li J, Peng Y, Gao X, Song Q, Zhang H, Elhag O, Cai M, Zheng L, Yu Z, Zhang J. Structural and functional characterizations and heterogenous expression of the antimicrobial peptides, Hidefensins, from black soldier fly, Hermetia illucens, 2021.
DOI: 10.1016/j.pep.2021.106032
