在太空人类居住环境饲养蝇蛆作为人类和动物的食物源

发明所属的技术领域：

在人类长期太空生活中一种宇航食品的生产方法。特别是实现在封闭环境 中由全部废料高效转化为食品的有效方法。

背景技术：

人类太空旅行至今仍局限在近地轨道，而食品的供应均全部来自地球。然 而今后人类将要越飞越远。要去较远的星球(例如数年以上)或去其他星球移 民，对宇航员和星球移民的食品供应是个大问题。即使目前美国计划中的火星 旅行，也需3年时间，由地球上发射运输的成本已达每公斤21800美元，这已 昂贵得难以承受。

由于这类食品供应的巨大体积重量和昂贵的成本，对远距离太空旅行，从 地球供应已变成不可能。所以以美国为首的国家，正在研究开发一个自循环供 给食品、水、空气的闭环回路的生命保障系统(简称闭环生保系统)，即利用飞 船或星球移民生活环境中，人类和植物产生的废料经处理后能重新循环利用， 再产生的食品、空气、水可维持人类和植物长期生活所用，不必再靠地球供给。

美国航空航天局(NASA)开发的在空间种植作物系统，如小麦，大豆，土 豆，它能在光照下，生产供食用的淀粉、植物蛋白、维生素等，而且它可吸收 CO2释放氧气，能循环利用废水和部份人体排泄物。但它的营养成份不完全，且 生长空间大，周期长，效率低。废物只能小部份循环利用。NASA化费1.5亿美 元所兴建在美国亚利桑那州沙漠中的所谓人造小地球“生物圈二号”，主要是种 植作物的密封系统，有八名科学家在其中自给自足生活了一年多，最后因圈内 环境恶劣，无法再维持生活，只能走出生物圈，而宣告该计划失败。它暴露了 光靠作物种植系统来提供宇航食品，是不能满足NASA所提出的先进闭环生保 系统的条件。目前，水和空气的再循环较易解决，最难的是食品的再循环，其 中最棘手的是人类粪便的再利用。美国NASA，有关大学和其他研究机构，研 究了从人的粪便中回收有用物质的技术，然而至今仍无人知道，怎样才能直接 将人体废物转化成不大可口但有营养的食物。目前所研究的闭环生保系统，宇 航员的食物还是着眼于靠人类在飞船中种植的粮食中取得。人体粪便主要只用 作植物的肥料和燃烧后产生CO2供植物呼吸用。至今NASA所追求的闭环生保 系统还远未实现。

实际上，人体的营养摄取率是不高的，许多营养将从人的大小便中排出。 宇航员在太空微重力环境中，会导致身体严重的营养不良，丢失大量钙等人体 必需的物质，它们主要从大小便中排出，其中的机理至今还不明。可以肯定， 在宇宙空间，人体的大小便是宝贵的营养源，它不能被视作废料，它的营养成 份应该用有效的方法回收变成食品再回馈给人体。以达到NASA先进生保系统 的要求。

本发明的内容：

本发明旨在提供一种新的方法，使人类在太空利用自身(宇航员或星球移 民)和动物的粪便，及太空作物和动物的不可食用部份(麦麸、豆渣、作物茎 叶和食用动物的内脏、骨骼、皮毛等)混合作饲料来饲养蝇蛆，蝇蛆能高效地 实现变粪便和上述废料为高蛋白营养物质，再以蝇蛆作食物源，供人类直接食 用；或再作动物的饲料，饲养禽类，水生动物，二栖动物和牲畜，以这些动物 及其蛋类在空间供人类食用。用此方法，再结合目前美国NASA已成功开发的 作物种植系统，就可较完善地实现NASA提出的太空闭环生保系统。

具体实施方法：

蝇蛆是苍蝇的幼虫。地球上苍蝇的种类很多。基本上苍蝇都有嗜粪和化粪 为高蛋白营养物质的特点。本发明中以家蝇为例，是因为它有极强的生命力， 很短的生长周期。在高密度状态下，易于饲养。它生长快，高产出。无毒性， 不易得病，操作及设备简易。饲养蝇蛆已是成熟的技术，蝇蛆喜食粪便，特别 对人粪更喜欢。蝇蛆自孵化后经4天饲养，即可增加体重约300倍，这是目前 世界上经粪便转化为食用蛋白，最高效的途径之一。世界上许多国家以饲养蝇 蛆的方式来处理动物的粪便，长成的蝇蛆或蝇蛹，再作高蛋白饲料来喂养家禽、 家畜、鸟类和水生动物，均取得了高效高产的效果。养蛆后的残渣无菌无臭， 可作高级肥料。这样不但节约了饲料，而且高效处理了污染环境的动物粪便， 达到变废为宝的目的。

本发明在太空人类居住环境中养殖蝇蛆，将人(宇航员及太空居民)的粪 便和其他所有生物废料直接高效转化为人类需要的高蛋白及其他营养物质，再 用蝇蛆作主要饲料，喂养其他动物，以此作为太空中人类的食物。结合NASA 已开发成功的太空作物种植系统，可以达到NASA所要求的闭环生保系统对食 品的要求。

§1蝇蛆的营养成份

蝇蛆粉是新鲜蝇蛆经干燥处理后磨研成粉的，加工后的重量是新鲜蛆重量 的1/3～1/4。蝇蛆蛋白粉是蝇蛆粉经酸沉淀而提纯的。

由表1可见，蝇蛆粉粗蛋白含量为54～63％，脂肪为11-17％，均比鱼粉为高。 由表2看，蝇蛆粉中不饱和脂肪酸占68.2％，必需脂肪酸占36％，主要为亚油酸。 一般植物油中含有较多亚油酸和亚麻酸，其营养值比动物油脂高。蛆粉虽为动 物类，但其所含的必需脂肪酸均比花生油和菜籽油高。其饱和脂肪酸与不饱和 脂肪酸的比值为40％，这一点，远比牛、羊、猪和鸡肉为优。蝇蛆粉中维生素A、 D和B族含量特别丰富，特别是B1、B12分别是牛奶的15倍和1800倍。它们在 作物中特别缺少。

蝇蛆体内除富含电解质元素钾，钠，钙，锰外，还含有大量人体必需的微量 元素，如锌，铁，锰，铜，硼，磷等。

由表3看出，蝇蛆粉的氨基酸含量丰富且搭配合理，它的每一种氨基酸含量都 高于鱼粉，其必须氨基酸总量是鱼粉的2.3倍，其中蛋氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸 的含量约是鱼粉的3倍左右。其必需氨基酸总量E％均超过联合国粮农组织/世 界卫生组织(FAO/WHO)提出的参考值40％，其E/N也远超过FAO/WHO提出 的参考值0.60。它们也远高于鱼粉的值。

附图说明：

在太空人类居住环境中利用废料再生食品的闭环系统原理图。

(表1)蝇蛆粉，蝇蛆蛋白粉，蝇蛹粉和鱼粉的营养成份组成(％)

  成份   蝇蛆粉   蝇蛆蛋白粉   蝇蛹粉   鱼粉   蛋白质   54.47～62.70   73.03   63.1   38.6～61.6   碳水化合物   12.04   0   2.8   脂肪   11.20～17.1   23.10   15.5   1.2   粗纤维   5.7   0   12.2   19.41   灰份   9.2～11.43   1.83   5.3   2   水份   5.1～5.8   3.04   3.9   11.4-13.5   几丁质   3.97

(表2)蝇蛆粉的脂肪酸、维生素及微量元素的含量

(表3)蝇蛆干粉、蝇蛆蛋白粉、蝇蛹粉和鱼粉的氨基酸成份比较(％)

(*为人类必需氨基酸)

  氨基酸   蝇蛆干粉   蝇蛆蛋白粉   蝇蛹粉   鱼粉   天门冬氨酸   5.4～6.18   7.60～9.58   5.38   2.85   苏氨酸*   2.03～2.39   3.17～4.59   2.23   1.15   丝氨酸   1.58～1.83   2.57～4.03   2.19   1.34   谷氨酸   8.2～8.91   10.67～15.06   6.59   5.34   甘氨酸   2.36～3.84   2.67～4.55   2.39   3.27   丙氨酸   2.49～3.64   3.21～6.1   2.49   2.28   胱氨酸*   0.31～0.67   0.5～1.17   0.46   0.23   缬氨酸*   2.76～3.23   3.71～5.05   2.54   1.58   蛋氨酸*   1.25～1.49   2.27～2.42   1.35   0.46   异亮氨酸*   2.34～3.10   3.98～4.21   1.84   1.09   亮氨酸*   3.57～4.05   5.68～6.92   3.3   2.07   酪氨酸   3.22～4.3   5.27～6.15   2.81   1.37   苯丙氨酸*   3.08～4.32   4.87～5.74   3.06   1.19   赖氨酸*   4.3～4.45   4.97～9.32   2.65   1.64   精氨酸   2.18～3.7   3.88～5.23   1.84   2.31   组氨酸   1.27～1.96   1.59～2.91   0.70   脯氨酸   2.19～4.16   2.34～4.08   2.79   色氨酸*   0.78   1.10   E   24.65～27.59   34.42～46.67   17.43   10.78   N   27.68～32.47   34.62～51.54   23.96   21.29   E+N   52.33～57.27   69.04～98.21   41.12   32.07   E％   43～47   48～49   42   34   E/N   0.76～0.89   0.9～0.99   0.74   0.50

(表3)N非必需氨基酸总量。E％必需氨基酸含氨基酸总量的百分比。E/N 为必需与非必需氨基酸之比值。

§2蝇卵作为食品源的长期储存

本发明提出以饲养蝇蛆来循环太空生活环境中的废料，富有营养的蝇蛆再 供人和动物食用。又提出由地球带蝇卵至太空，从而避免了繁复的养蝇工序。 即只养蛆不养蝇。这里贮藏食品，实际上是贮藏食品“源”——蝇卵。它的重 量仅是其产出的食品(蝇蛆)重量的1/300。所以在飞船飞离地球时，需携带的 蝇卵重量和体积都是很小的，经计算每个宇航员航行十年只需携带5公斤蝇卵 已足够他的食品源供应(如果按蝇卵的孵化率是100％计算)。

昆虫卵在超低温状态下长期保存的技术问题，在学术上已经解决。美国康 乃尔大学Lynch将果蝇卵置于液氮罐中超低温长期保存，复温后可达到75～90％ 蝇卵孵化率。作为长期宇宙飞行和生活，液氮罐中超低温长期保存蝇卵，是最 简便可行的无限期保存食品源的方法。

§3蝇蛆的饲养

1、蝇蛆饲料的配制(占饲料的重量百分比)

宇航员和太空居民的新鲜大小便占65～75％；(用蝇蛆喂养的)动物新鲜粪 便和动物身体的不可食用部分占5～10％；空间作物的不可食用部份(新鲜麦麸、 豆渣)占10～20％；空间作物茎叶占5-10％(茎叶需碎成2～5毫米长，直径1～2 毫米的杆状，以保持饲料内部的通气性)。

2、饲料的处理：

将上述饲料混合，饲料的湿度需保持在60～70％。

3、饲养容器的灭菌处理：

需用紫外线预作灭菌处理。

4、蝇卵的接种：

蝇卵是取自在液氮中超低温冷冻后经解冻的无菌蝇卵。并以每千克重饲料 接种1～1.5克重的蝇卵于上述饲料表面。

5、饲养的条件：

饲养箱需与外界隔离，以防臭气外溢。箱内温度需保持在22～32℃，空气湿 度为60～70％。空气成份与人类在太空生活环境相同。箱内需通风，风速为0.5-1.0 级，并保持黑暗。

6、饲养箱的结构及饲养过程：

饲养蝇蛆的容器，要比地球上的小得多，这是由于空间微重力环境下，必 须让蝇蛆与饲料密切接触，否则空隙大了，会使它们“飘”起来，蝇蛆会因此 吃不到饲料。饲养箱的尺度为40×40×10cm3。是由无毒塑料做成的密封箱， 每个箱四天一个周期的活蛆产量约为1千克重。接种蝇卵需3-4克重。每箱分成 三层，分别为6cm，2cm，1cm高。上层6cm厚为饲养层，放满饲料再种蝇卵。 中层2cm厚，仅放麦麸或豆渣。上层的蝇蛆经4天饲养接近成熟时，上层顶部 用光照，利用蝇蛆避光的特性，将它驱赶至中层。在中层停留3～4小时，仅吃 麦麸或豆渣，以排除蝇蛆体内的粪便。再以光照驱赶至下层，下层内放置湿木 屑或湿细沙，以盛成熟蝇蛆，并用筛选法分离出成熟蛆供饲养动物直接食用或 制成蝇蛆粉。蝇蛆被赶至下层后让它饥饿3～4小时，目的也是为了清除其肠道 中的粪便。三层之间的隔层，是用金属网隔开，其网眼大小正巧可让蝇蛆紧缩 身体挤过去，目的是清除其体表的粪便粘物。上层的饲料每12小时需翻动一次， 以防饲料发酵升温过高和缺氧，并且在第二，第三天视情况需添加新鲜饲料。

在箱内三层中放置通风管，风速保持在0.5～1.0级。整个饲养箱与箱外不通 气，以防臭气外溢，污染人类居住的环境。箱内通气管将臭气排至除臭液中过 滤掉。

蝇蛆饲养成熟后的饲料残渣，含有作物所需的丰富营养成分，它是无菌无 臭的，由于蝇蛆能分泌灭菌物质，所以它可作太空作物的高级肥料。

这样的循环饲养过程，可以实现废料的全部再生(零废料)。生产的蝇蛆可 以做到无致病菌。

§4在太空饲养种蝇——仅在危急情况下的备用技术

由于在太空饲养种蝇需要较大的饲养空间和额外的劳力设备。所以本发明 仅用超低温冷冻贮存蝇卵，也可满足食物源的需求。即在太空只养蛆不养蝇， 只有在蝇卵丧失的意外发生时，才需养蝇来繁殖蝇卵这一食物源。平时，蛆即 将成熟，即可直接供饲养动物作饲料，或立即加工成蛆粉。若不杀灭成熟蛆， 数小时内它即可成蛹。

1、蝇卵选择：

为了得到高质量的蝇卵，选择的蝇蛹要保证在每个体重为18毫克以上。蝇 卵最好取自第6～10天所产的卵。

2、饲养密度：

在大规模地面养殖场的苍蝇饲养密度为40000～60000只/m3。但在太空饲养 目的仅为产卵，故只需少量饲养，以收集蝇卵。成蝇饲养笼也是封闭式的，它 的四壁开孔通风，由无毒塑料制成。若用二只蝇笼，每只笼的空间为40×40× 40cm3，按每只成蝇活动空间为10cm3计，则可养6000对蝇，以每对蝇10天 产卵1000粒，每克蝇卵约为12000～14000粒，则10天可产卵400～500克，每 天40～50克卵，足可供5名宇航员每天生产食品所需的蝇卵量。

3、饲养的饲料：

产卵蝇的饲料比蝇蛆要求高，好在成蝇喜食蝇蛆糊(将活蝇蛆碾成糊状)， 而蝇蛆糊在太空正可自给自足。其配方是70％蝇蛆糊+30％麦麸或豆渣。

4、蝇蛆与蝇蛹的饲养方法：

蝇蛆饲养与前述的相同，当蝇蛆4天后成熟，让它在饲养箱下层的木屑中 化蛹，选体重大于18mg的蛹作种。让蛹在24～32℃，60～70％湿度下，通风风速 为0.5～1.0级，保持黑暗，蛹经过5～7天即羽化，成蝇羽化后3天可产卵，产卵 期为30天左右。一般在15天后即杀死成蝇，停止取卵。

5、成蝇的饲养方法：

成蝇饲养笼内温度为24～30℃，空气湿度为50～80％，笼内配有饲料盒，分 吸水海绵，涂饲料海绵和引诱产卵海绵(海绵吸附水和饲料，防止微重力环境 中，水和饲料飘游空中，以便于供成蝇进食。)。引诱产卵海绵块上同样涂饲料， 另加成蝇下腹部提取液或新鲜人粪，作为产卵引诱剂。引诱产卵海绵块在成蝇 羽化后三天即可置入，每隔12小时更换上述三种海绵一次，每天上下午可各收 集一次蝇卵。上述饲养笼在饲养前需用紫外线消毒灭菌。蝇蛹需用高锰酸钾溶 液消毒后再羽化。

§5蝇蛆粉的加工步骤

将饲养4天的蝇蛆经过以下步骤制成：

分离→清洗→滤干→研磨→离心处理→巴氏灭菌→均质处理→ 喷雾干燥(或冷冻干燥，或真空干燥)→收集干粉→包装→微波处理 蝇蛆粉可冷冻保存数年。

用此加工法制备的蝇蛆粉，其中大肠杆菌每100克中检出为阴性，致病菌 未检出。每克中细菌总数均低于全脂奶粉标准。说明它是卫生可食用的。制成 的蝇蛆粉外观为米黄色粉状，口味清淡平和，无异味。

§6动物试验——用蝇蛆作动物的饲料

由于蝇蛆体内包含丰富的蛋白质、脂肪酸、和其他各种动物需要的营养成 份，世界各国的饲养试验证明，将蝇蛆作动物饲料，去供养禽类、畜类和水生 动物，均达到了比常规饲料和用同等重量的鱼粉饲料明显高的成活率，生长率， 生蛋率和繁殖率。

§7用蝇蛆粉供人体食用的历史

蝇蛆供人类食用具有悠久的历史。食用蝇蛆无法推广的主要障碍，是人们认 为它“脏”的传统观念。中国在明、清两代即有蝇蛆食用的记载，著名的红楼 梦中就有“肉笋”的家宴。至今中国南方流行的名菜“肉芽炖蛋”，其中的肉笋、 肉芽均是蝇蛆。中国占代的八珍糕也是用蝇蛆粉加米粉制成的米糕，可治小儿 消化不良等。近年，社会上有将蝇蛆作饭店菜肴，制成调味品或蛋白营养粉供 人食用的报道。

§8用蝇蛆作为主饲料饲养动物供太空人类食用

饲养动物的理由：

蛆粉的均衡营养成份，无菌无毒性，门味平和，无特殊异味。仅从它的营 养价值和它的特殊保健功能看，用它结合太空作物(蛆粉和麦粉混合后烤制面 包和其他食品)，直接供太空人类食用，应该是十分理想的。然而事实上，人们 的文化观念和食品习惯，使人们很难接受以昆虫作食品，更不要说用自己的粪 便饲养蝇蛆作食品了。

所以本发明在完成关键的第一步，通过饲养蝇蛆，将人粪便和空间动植物 的废料高效地转换成高营养成份的蝇蛆后，第二步是以蝇蛆作动物饲料，饲养 的这些动物及动物所生的蛋作为太空人类的食品。在空间饲养的动物主要有禽 类，二栖类和水生动物类三种，以后还可养猪。这里选用蛋用鹌鹑，美国牛蛙和 罗非鱼为例。选择上述三种动物为太空饲养动物的理由是，因为它们具有如下 共同点：

1、饲料均可在太空自给自足。它们均喜食活蝇蛆作饲料，其他辅助饲料为麦麸、 豆渣等空间作物的不可食用部份。在这些动物的幼雏期，雏鹑、蝌蚪和幼鱼， 均可以蛆粉加麦麸、豆渣喂食，长大后可添加活蛆喂饲。

2、均经过了初步太空孵化和饲养试验，虽然这些太空试验目的仅是在微重力 环境下的生态试验，不是为了将它作食品生产。但它也证明了在太空中饲养它 们的可行性。

1999年2月俄罗斯和平号空间站内的宇航员曾将60个鹌鹑蛋孵出37只小 鹌鹑，即使在太空强辐射的恶劣环境中，也养活了十只。在美国STS-47航天飞 机上对南部非洲的青蛙进行胚胎学研究，这些青蛙在太空中产下的卵，均孵出 了小蝌蚪。对鱼和鱼卵也进行了同样成功的试验。饲养水生动物的另一个突出 优点是，它们原来在水中生活，早已适应了水中这一类似太空的无重力环境， 所以它们在太空中的生态，特别是进食和繁殖，丝毫不会受微重力环境影响的。 蝇蛆在水中可以存活和活动24小时以上，水生动物在水中特别喜欢食用活蝇蛆， 可以像在地球上一样方便地进食。

缺点是太空中水源紧张。最近发现月球和火星上可能有大量冰冻水存在， 有朝一日被开发，则在这些星球上用蝇蛆大规模饲养水生动物会十分方便。

3、它们的卵(鹑蛋、蛙卵和鱼卵)均由地球上带来，在液氮的超低温状态下可 无限期地长期保存，并在复温后均可孵化出来。它们也可在太空环境中自己繁 殖产卵。

4、它们的体型小，生长发育快，经济成熟和性成熟早，产卵量高，适应性强， 耐高密度饲养，抗病力强，这些动物本身及其蛋类均是低脂肪低胆固醇的高蛋 白食物，口味好，容易消化。以鹌鹑为例，通常孵化后35～40天即产蛋，产蛋 率高达80％以上，鹑蛋与其体重比是鸡蛋的2.5～2.7倍。食量小，料蛋比为3∶1， 它喜食活蝇蛆，鹑粪是蝇蛆嗜食的饲料。

5、这些动物在地球上的饲养技术均是成熟的。

§9蝇蛆成份的其他特异功能：提高人体抗辐射和免疫能力

在太空中，由于缺少像地球大气层和地球磁场屏障的保护，各种宇宙射线 的强辐射对在太空中人体的伤害是明显的，例如宇航员的白细胞免疫细胞的减 少，它对人体的致癌因素和生育能力的伤害等。抵御宇宙辐射对人体的伤害是 NASA和世界各国的重要研究课题，至今尚无有效的方法。试验表明，食用蝇 蛆粉和蛆浆，能使动物和人类明显地提高抗辐射的能力及免疫功能。对放疗化 疗的病人可明显减缓白细胞和免疫细胞的降低，脱发现象也明显减少。至今对 蝇蛆体内造成此功能的有效成份尚不清楚。但它对太空中及地球上生活的人类 有着重要的临床意义。

由此，用蝇蛆可开发出一系列保健食品，做成蛆粉或口服液。食用的蛆粉 可以用常规饲料(用谷类豆类下脚或动物内脏，或用常规饲料配伍其他功能的 中草药材等有效成分饲养蝇蛆)，再制成蝇蛆粉或口服液，供人们作保健品服用， 用于提高人们抗放疗化疗能力，对工作上不可避免接触放射性和受放射污染地 区的人们均可使用它。也可将蝇蛆粉直接配伍其他功能的中草药材等有效成分， 加强其功能。此外，用蝇蛆饲养动物的产品，如其蛋类、肉类制成产品，亦有 同样的功能。

蛆粉的剂量，成人每天为每公斤体重0.3～1.0克纯蝇蛆粉。

§10优点

1、在太空饲养蝇蛆可循环利用在太空生活环境中人类和动物的粪便及太空作 物和动物的不可食用部份，将之高效转化为高营养的食物源，从而实现在太空 生活环境中闭环的生命保障系统(食品、空气和水的自循环)。

2、蝇蛆能提供均衡丰富的人体和饲养动物所需的营养，如丰富的蛋白质氨基酸、 脂肪酸、维生素、矿物质稀有元素及许多未知的营养保健成份。它与太空饲养 动物和种植作物一起，可以满足长期生活在太空环境中人类的食品营养需求。

3、蝇卵和其他饲养动物的卵能长期在液氮超低温状态下贮存，并可随时复温孵 化和成长，解决了食品源的长期贮存问题。

4、蝇蛆有极强的生命力，很短的生长周期和高速的生长及繁殖率。它能不分昼 夜和季节地连续高密度饲养，以实现在太空中高效廉价和自给自足的食物源生 产。

5、蝇蛆有天生的抗病能力，不易得病，饲养方便。饲养蝇蛆在体积很小的密封 无菌的饲养箱中进行，饲养过程不加任何化学物质，不会产生有害物质或污染 环境。蝇蛆粉的加工也是无菌和无化学物质，所以用它饲养动物再供人类食用， 或直接供人类食用，均是安全的。

6、饲养蝇蛆和用蝇蛆饲养动物，在地球上均是成熟的技术，在此基础上再转至 太空中饲养时，就可化费较少投资和时间。它们仅需简单的设备和操作技术， 食品的加工和贮藏也是简便和投资小的，因此它能使太空中食品的生产和供应 成本最小化。

7、食用蝇蛆成份能提高人体抗辐射和免疫功能，从而可以发展出一系列用蝇蛆 成份及用蝇蛆饲养的食用动物为基础的保健食品。