王國(guó)卿，張?chǎng)?，朱俊宇，袁巧?/p>

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070

隨著畜禽養(yǎng)殖的發(fā)展和碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的需要，畜禽糞便高效、低碳轉(zhuǎn)化及增值化利用備受人們關(guān)注。黑水虻（Hermetia illucensL.）又稱亮斑扁角水虻，屬于雙翅目，水虻科，其幼蟲粗脂肪可以達(dá)到31%～35%，粗蛋白高達(dá)42%～44%[1]，并且氨基酸含量比較豐富，油脂中不飽和脂肪酸所占比重較大，因此具有非常實(shí)用的資源價(jià)值。黑水虻轉(zhuǎn)化畜禽糞便，既可實(shí)現(xiàn)畜禽糞便無(wú)害化處理，其產(chǎn)物黑水虻幼蟲或預(yù)蛹還是優(yōu)質(zhì)的動(dòng)物蛋白和脂肪資源[2]，蟲沙也是優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥[3]，可見(jiàn)黑水虻轉(zhuǎn)化畜禽糞便有助于低碳畜牧業(yè)的實(shí)現(xiàn)。目前黑水虻幼蟲多作為蛋白飼料進(jìn)行利用，但由于高脂肪含量，使其耐貯性差[4]，如果采用有效的方法將其脂肪提取轉(zhuǎn)化成生物柴油等化工用品，實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)物的分級(jí)利用，則更有利于其資源利用的高效化和增值化。

目前昆蟲油脂提取方法主要有物理壓榨法和溶劑萃取法等[5]，物理壓榨法綠色且操作簡(jiǎn)單，但提取時(shí)間長(zhǎng)、效率低、耗能高[6]。有機(jī)溶劑萃取法具有條件溫和、對(duì)有效成分有良好的選擇性等優(yōu)點(diǎn)[7]，但存在有機(jī)溶劑消耗量大、提取周期較長(zhǎng)、提取效率較低的問(wèn)題[8-9]。近年來(lái)，微波-超聲波協(xié)同萃取技術(shù)得到了快速發(fā)展，該技術(shù)利用了微波的穿透效應(yīng)和超聲波的空化效應(yīng)，提高了提取效率。郭玲玲等[10]采用微波-超聲波協(xié)同方式提取了紫蘇葉中揮發(fā)性精油，紫蘇精油提取率可達(dá)到2.34%。蔣新龍等[11]研究超聲波-微波協(xié)同提取棠梨籽油，最佳油脂提取率為34.78%。曹小燕等[12]利用超聲波-微波協(xié)同技術(shù)提取陽(yáng)荷中的多糖，結(jié)果表明微波超聲波協(xié)同萃取技術(shù)能夠很好地提高陽(yáng)荷中的多糖提取率。

為了充分地利用黑水虻油脂資源，本研究以黑水虻幼蟲為原料，在確定合適萃取劑的基礎(chǔ)上，研究微波-超聲波協(xié)同萃取工藝參數(shù)對(duì)提取率及產(chǎn)物特性的影響，旨在為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用黑水虻幼蟲油脂資源提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料與試劑

黑水虻幼蟲：市售（山東億蟲黑水虻養(yǎng)殖中心，中國(guó)山東），經(jīng)除雜、干燥、粉碎后制成粒徑0.355～0.420 mm原料粉末，備用。試驗(yàn)所用的黑水虻幼蟲原料的基本組成成分含量為：粗蛋白43.12%，粗脂肪42.13%，灰分9.15%，水分4.60%。

萃取劑：石油醚（60～90℃）、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、正己烷，試劑均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為微波超聲波組合萃取儀（BILONCW-1000，中國(guó)上海），該萃取儀最大微波輸出功率為1 000 W，最大超聲波輸出功率為1 000 W。

1.3 試驗(yàn)方法

按照試驗(yàn)要求稱量黑水虻幼蟲粉末以及量取相應(yīng)的萃取劑置于150 mL專用萃取釜中，并充分混合，將萃取釜置于萃取儀中，安裝好冷凝回流裝置，分別設(shè)置相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行微波-超聲波協(xié)同處理。萃取結(jié)束后于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中真空抽濾，將抽濾后的產(chǎn)物放在恒溫鼓風(fēng)干燥箱105℃干燥30 min以上，待產(chǎn)物質(zhì)量恒定后對(duì)固相產(chǎn)物和油相產(chǎn)物稱質(zhì)量。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

本研究在前期進(jìn)行了預(yù)試驗(yàn)，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在該設(shè)備參數(shù)條件下，超聲功率、提取時(shí)間和物料與溶劑比對(duì)萃取效果影響較大，而在儀器設(shè)備可控范圍內(nèi)微波功率與反應(yīng)溫度對(duì)萃取效果沒(méi)有顯著的影響。因此，本研究首先對(duì)有機(jī)溶劑進(jìn)行篩選，采用單因素試驗(yàn)，研究超聲功率、提取時(shí)間、料液比（原料質(zhì)量與溶劑容積比）3個(gè)因素對(duì)萃取效果的影響。3因素的試驗(yàn)水平為：提取時(shí)間為5、15、25、35、45 min；超聲功率為0、50、100、150、200 W；料液比（g/mL）1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25，微波功率和萃取溫度分別為100 W和40℃。然后在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)展正交試驗(yàn)，依據(jù)L9（34）試驗(yàn)表進(jìn)行，對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化（表1）。

表1 正交檢驗(yàn)因子水平編碼表Table 1 Orthogonal test factor level coding table

1.4 分析方法

1）油脂得率和能量轉(zhuǎn)化率。油脂高位熱值和原料高位熱值均采用ZDHW-5000微機(jī)全自動(dòng)彈量熱儀（中國(guó)鶴壁）進(jìn)行測(cè)定。

2）原料基本組成成分分析。黑水虻幼蟲的粗脂肪按國(guó)標(biāo)GB 5009.6—2016中索式提取法進(jìn)行；粗蛋白質(zhì)測(cè)試通過(guò)國(guó)標(biāo)GB 5009.5—2016中凱氏定氮法進(jìn)行分析（分析儀器：KDN-102C凱氏定氮儀，中國(guó)上海）；原料含水率通過(guò)食品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)標(biāo)GB 5009.236—2016中電熱干燥箱法進(jìn)行分析（分析儀器：DHC-92485-III電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，中國(guó)上海）。

3）脂質(zhì)酯交換及GC-MS測(cè)定。首先進(jìn)行甲酯化處理，取樣品50 mg，加入2 mL正己烷充分溶解，再加入0.4 mol/L NaOH甲醇溶液2 mL，充分振蕩，然后放入70℃水浴10 min，繼續(xù)加入10 mL飽和食鹽水，充分振蕩，靜置分層，去上層后經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾，使用安捷倫氣相色譜-質(zhì)譜檢測(cè)器和毛細(xì)管色譜柱（色譜柱為HP-5MS（30.0 m×250 μm，0.25 μm）；色譜柱起始溫度45℃，以5℃/min的速度升至290℃保持5 min；氣化室溫度250℃；傳輸線溫度300 ℃；載氣He；載氣流量1.0 mL/min；分流比50∶1；進(jìn)樣量為1 μL。質(zhì)譜條件：EI源；電子能量70 eV；離子源溫度230℃；四極桿150℃；掃描模式為Scan；掃描質(zhì)量范圍為35～500 u。

4）傅里葉變換紅外光譜儀（FITR）檢測(cè)。生物油官能團(tuán)采用Nicolet iS50（美國(guó)，賽默飛）傅里葉官變換紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定，光譜范圍4 000～400 cm-1，分辨率 4 cm-1。

5）熱重分析儀（TGA）檢測(cè)。本研究采用TGA儀器分析提取的粗油脂的熱穩(wěn)定性。稱?。?±0.3）mg生物油樣品置于特定坩堝中，采用美國(guó)TA公司SDTQ600型同步熱分析儀進(jìn)行樣品熱穩(wěn)定性測(cè)定。樣品在30 mL/min的氮?dú)夥諊聦⒋钟椭瑥氖覝丶訜岬?00℃然后降溫，加熱速率為10℃/min。

6）電鏡檢測(cè)。利用噴金機(jī)將金靶粉末涂抹在萃取油脂后的固體產(chǎn)物中，然后利用掃描電鏡觀察黑水虻固體粉末表面形態(tài)變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳萃取溶劑選擇

在微波功率為100 W、溫度為40℃、超聲功率為100 W、萃取時(shí)間為10 min、料液比為1∶15條件下，采用不同溶劑萃取黑水虻油脂的得率結(jié)果顯示，石油醚提取率最高（39.2%），其次為乙醇（38.4%）、正己烷（37.6%）、乙酸乙酯（36.5%），最低為甲醇溶劑（12.3%）。乙醇、甲醇等溶劑有很強(qiáng)的極性，介電常數(shù)比較大，對(duì)于微波能量的吸收能力比較強(qiáng)，在一定程度上可加快萃取效率。從本試驗(yàn)可看出，非極性溶劑石油醚處理組提取率最高，正己烷也是非極性溶劑，其產(chǎn)率盡管略低于乙醇，但仍遠(yuǎn)高于甲醇。石油醚相對(duì)來(lái)說(shuō)成本較低、毒性較小。因此，本研究采用石油醚作為后續(xù)試驗(yàn)提取溶劑。

2.2 不同因素對(duì)油脂得率及能量轉(zhuǎn)化率影響

在微波功率為100 W、溫度為40℃、超聲功率為100 W、萃取時(shí)間為10 min、料液比為1∶15萃取條件下，不同的料液比下黑水虻幼蟲粗油脂得率與能量轉(zhuǎn)化率變化情況見(jiàn)圖1A。由圖1A可知，油脂萃取率與能量轉(zhuǎn)化率隨溶劑添加量增加逐漸提高，料液比為1∶20（g/mL）時(shí)，黑水虻幼蟲油脂提取率和能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值，分別為42.18%和58.66%，隨后略有降低但總體趨向于平穩(wěn)。圖1B為黑水虻油脂的提取效率和能量轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化趨勢(shì)（萃取條件為：微波功率為100 W、溫度為40℃、超聲功率為100 W、料液比為1∶10）。由圖1B可知，在其他條件不變的情況下，隨著萃取時(shí)間的增加，油脂得率與能量轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)超聲波-微波處理15 min時(shí)，油脂萃取率達(dá)到最大值（36.74%）。而當(dāng)提取時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，油脂在微波輻射以及超聲波空化效應(yīng)下被分解，導(dǎo)致油脂得率下降。能量轉(zhuǎn)化效率則是在35 min時(shí)達(dá)到最大值（54.02%），但隨著萃取時(shí)間的增加生產(chǎn)成本也會(huì)逐漸增加。

圖1 不同試驗(yàn)條件下油脂得率和能量轉(zhuǎn)化率變化情況Fig.1 Changes of oil yield and energy conversion rate under different experimental conditions

圖1C為在不同的超聲波功率下黑水虻油脂的提取率和能量轉(zhuǎn)化率（萃取條件為：微波功率為100 W、溫度為40℃、萃取時(shí)間為10 min、料液比為 1∶10）。由圖1C可知，油脂得率與能量轉(zhuǎn)化率隨超聲波功率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)超聲功率達(dá)到100 W時(shí)達(dá)到最大值（分別為36.80%和49.42%），隨后逐漸降低。原因主要是超聲波輻射壓強(qiáng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化效應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)、擾動(dòng)效應(yīng)、乳化擴(kuò)散、破碎和攪拌等多級(jí)效應(yīng)，增大物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)的頻率和速度，增加了溶液的穿透力，加速油脂分子進(jìn)入溶劑，促進(jìn)提取的進(jìn)行從而使油脂得率升高。但隨著超聲波功率的持續(xù)增加，油脂的空化效應(yīng)會(huì)使油脂的大分子結(jié)構(gòu)分解，造成油脂的損失。

2.3 微波-超聲波協(xié)同提取油脂的工藝條件優(yōu)化

基于單因素試驗(yàn)，以油脂得率與能量轉(zhuǎn)化率為因變量，選擇提取時(shí)間（A）、超聲功率（B）和固液比（C）設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2和表3。由表2可知，試驗(yàn)因子對(duì)油脂得率的影響程度為RyA（提取時(shí)間）＞RyC（固液比）＞RyB（超聲功率），最佳組合工藝是A3C3B2，即提取時(shí)間25 min、固液比1∶25，超聲功率150 W，此時(shí)油脂得率為41.43%。由表3可知，試驗(yàn)因子對(duì)能量轉(zhuǎn)化率的影響程度為ReA（提取時(shí)間）＞ReC（固液比）＞ReB（超聲功率），最佳的組合工藝為A3C3B2，即提取時(shí)間25 min、固液比1∶25、超聲功率150 W，此時(shí)能量轉(zhuǎn)化率為56.79%，與油脂得率正交優(yōu)化結(jié)果相同，故優(yōu)化的提取條件合理可行。

表2 黑水虻油脂得率正交優(yōu)化試驗(yàn)Table 2 Results of orthogonal optimization test of oil yield of black soldier flies

表3 黑水虻能量轉(zhuǎn)化率正交優(yōu)化試驗(yàn)Table 3 The results of orthogonal optimization experiment of energy conversion rate of black soldier flies

由表4可知，因素A（提取時(shí)間）、C（固液比）對(duì)油脂提取率的影響顯著，因素B（超聲功率）對(duì)油脂提取率的影響不顯著。

表4 油脂提取率正交試驗(yàn)方差分析Table 4 Analysis of variance in orthogonal test of oil extraction rate

由表5可知，因素A（提取時(shí)間）對(duì)油脂提取率的影響顯著，因素B（超聲功率）、C（固液比）對(duì)油脂提取率的影響不顯著。

表5 能量轉(zhuǎn)化率正交試驗(yàn)方差分析Table 5 Energy conversion rate orthogonal test analysis of variance

2.4 油脂熱穩(wěn)定性

各組單因素試驗(yàn)條件下制得的黑水虻油脂的TG和DTG熱重曲線如圖2所示。生物油在氮?dú)猸h(huán)境下的熱解過(guò)程可以分為3個(gè)階段[13]。第一階段由于細(xì)胞內(nèi)和外部輕質(zhì)組分脫失導(dǎo)致少量質(zhì)量下降[14]。第二階段為主要的脫揮發(fā)階段，這一階段主要由于相對(duì)分子質(zhì)量較大的烴分子被分解為相對(duì)分子質(zhì)量較小的碳?xì)浠衔?、CO、CO2[15]。第三階段為固體雜質(zhì)殘留物的分解[16]。由圖2可知，生物油在氮?dú)夥諊聼峤庵患性?00～500℃階段，最大失重率達(dá)98.65%，在450℃之后未見(jiàn)明顯失重，說(shuō)明失重已結(jié)束。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，本試驗(yàn)為幼蟲干粉的有機(jī)溶劑萃取得到的，生物油中基本不含水分，并且本試驗(yàn)得到的生物油的GC-MS結(jié)果顯示生物油組分以長(zhǎng)鏈脂肪酸為主，沸點(diǎn)較高，在熱解溫度250℃時(shí)也未見(jiàn)到明顯的失重。因此，第一階段沒(méi)有明顯變化，并且通過(guò)有機(jī)溶劑萃取的黑水虻油脂幾乎不含固體殘?jiān)?，因此，第三階段也未見(jiàn)明顯變化。由TGA曲線的導(dǎo)數(shù)（DTG）可知，提取油脂的最大失重速率發(fā)生在溫度為400℃左右，最后脂質(zhì)降解后沒(méi)有剩余質(zhì)量。比較圖2A、B、C可知，不同試驗(yàn)條件下制取的粗油脂的熱重曲線趨勢(shì)相同，且每個(gè)試驗(yàn)因素及水平之間沒(méi)有明顯規(guī)律，可以推斷出不同萃取時(shí)間、料液比以及超聲功率對(duì)于油脂的熱穩(wěn)定性沒(méi)有顯著影響。

圖2 不同試驗(yàn)條件下黑水虻油脂的TG-DTG曲線Fig.2 TG-DTG curves of oil of black soldier fly under different experimental conditions

2.5 油脂官能團(tuán)分析

由圖3可知，在2 850.09～2 921.11 cm-1的吸光度對(duì)應(yīng)于脂肪族的C-H拉伸振動(dòng)，可以推斷出其含有大量的脂肪族或者環(huán)烷集團(tuán)?？拷? 745.66 cm-1處的吸收峰表示酮或羧酸中C=O官能團(tuán)的拉伸振動(dòng)，這與脂類中含有較高的酮類是一致的。在1 745.66 cm-1吸收峰處發(fā)現(xiàn)了烯烴官能團(tuán)的振動(dòng)。在1 377.79～1 463.99 cm-1吸收峰表示了X-H鍵的振動(dòng)（X=C、N）。這些官能團(tuán)表明在黑水虻幼蟲油脂中存在甘油三酯[17]。在1 152.76 cm-1處的吸收峰證明芳香胺（C-N鍵的拉伸振動(dòng)）的存在。靠近1 100.09 cm-1處的吸收峰證明了脂類官能團(tuán)（C-O鍵拉伸振動(dòng)或者C-H鍵拉伸振動(dòng)）的存在。比較圖3A、B、C可以看出，隨著料液比、超聲功率以及提取時(shí)間的變化，黑水虻油脂的FTIR圖譜沒(méi)有發(fā)生顯著性變化，說(shuō)明提取時(shí)間、固液比與超聲功率變化對(duì)油脂的官能團(tuán)組成未造成明顯影響。

圖3 不同試驗(yàn)條件下黑水虻幼蟲油脂的FTIR圖譜Fig.3 FTIR spectra of oil from larvae of black soldier fly under different experimental conditions

2.6 油脂的主要成分

采用GC-MS法測(cè)得的最佳工藝條件下得到黑水虻粗油脂的化學(xué)組成。黑水虻油脂的飽和脂肪酸總量占全部脂肪酸總量約為47.11%，以月桂酸C12：0（14.92%）含量最高，其次是棕櫚酸C16：0（11.9%）、肉豆蔻酸C14：0（3.63%）、硬脂酸C18：0（3.24%），葵酸C10：0（0.78%）含量最低。不飽和脂肪酸占總量的52.89%，其中主要以亞油酸（19.03%）和油酸（16.66%）為主，然后是棕櫚油酸C16：1n-7（3.01%）。黑水虻油脂中含有較高的月桂酸。

2.7 油脂提取后固體殘?jiān)螒B(tài)結(jié)構(gòu)的變化

圖4為黑水虻幼蟲粉末萃取前后電鏡掃描圖。從圖4A可知，萃取之前樣品粉末的外部結(jié)構(gòu)比較完整，保持了其原始的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。由圖4B可知，當(dāng)微波超聲波協(xié)同萃取后，大部分的細(xì)胞破裂，失去了原有的結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了不規(guī)則的孔隙和空、孔洞，這說(shuō)明微波超聲波處理顯著的影響了樣品的外部結(jié)構(gòu)，甚至是內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在微波和超聲波協(xié)同作用下，產(chǎn)生的熱量通過(guò)輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流傳遞，其產(chǎn)生的局部壓力和強(qiáng)烈的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)膨脹和細(xì)胞膜解體，從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)成分轉(zhuǎn)移到溶劑內(nèi)。因此，微波輔助技術(shù)與超聲波技術(shù)相結(jié)合，以加速將微波的輻射效應(yīng)與超聲波的空化效應(yīng)相結(jié)合，能夠達(dá)到更徹底的油脂萃取效果。

圖4 黑水虻幼蟲粉末的電鏡掃描照片F(xiàn)ig.4 SEM images of black soldier fly larva powder

3 討論

微波-超聲波協(xié)同萃取技術(shù)可有效地提取黑水虻幼蟲體內(nèi)油脂。本研究首先考察了不同萃取溶劑對(duì)油脂得率的影響，確定石油醚（60～90℃）為本試驗(yàn)的最佳萃取溶劑，然后通過(guò)正交優(yōu)化試驗(yàn)研究了料液比、萃取時(shí)間和超聲波功率這3個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)黑水虻幼蟲油脂得率、能量轉(zhuǎn)化率以及油脂相關(guān)理化特性的影響。結(jié)果顯示：微波-超聲波提取黑水虻油的理想溶劑為石油醚；最佳組合工藝為提取時(shí)間25 min，固液比1∶25 g/mL，超聲功率150 W，此時(shí)油脂得率為41.43%，能量轉(zhuǎn)化率為56.79%。微波-超聲波協(xié)同萃取的粗油脂成分組分復(fù)雜，主要由長(zhǎng)鏈的脂肪酸組成，含有甘油三酯官能團(tuán)，之前關(guān)于黑水虻幼蟲油脂官能團(tuán)的文獻(xiàn)也報(bào)道過(guò)類似的結(jié)果[18-19]。幼蟲油脂中脂肪酸主要是亞油（19.03%）、油酸（16.66%）、月桂酸（14.92%）和棕櫚酸（11.9%），月桂酸可以使蛋雞膽固醇含量升高，從而改善蛋雞膽固醇代謝情況[20]。同樣，膽固醇在魚類發(fā)育過(guò)程中也具有重要的生理功能，但是植物或種籽油中月桂酸含量很低，幾乎不含有飽和脂肪酸，因此，用植物油作為水產(chǎn)品油脂時(shí)，會(huì)使魚類出現(xiàn)膽固醇不足的現(xiàn)象，因此開(kāi)發(fā)黑水虻油脂資源在水產(chǎn)飼養(yǎng)應(yīng)用方面相較于植物油脂更有優(yōu)勢(shì)[21]。油脂在氮?dú)夥諊聼峤庵饕性谝粋€(gè)階段且油脂失重率較高，熱解產(chǎn)物中幾乎不含有固體殘留物。通過(guò)比較不同條件下TG-DTG和FTIR曲線可知，料液比、提取時(shí)間和超聲功率變化對(duì)油脂熱穩(wěn)定性和官能團(tuán)組成的影響不明顯。通過(guò)對(duì)反應(yīng)前后的原料進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察得知，微波-超聲波協(xié)同萃取油脂可以完全打破細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化萃取效果，是一種有效提取昆蟲體內(nèi)油脂的方法。