響應(yīng)面優(yōu)化黑水虻幼蟲粗油脂提取工藝

劉復(fù)榮，何敬愉，羅濤，蒙海林，吳偉浩，崔金明*

1.廣州中國科學(xué)院先進技術(shù)研究所（廣州 511458）；2.深圳市騰浪再生資源發(fā)展有限公司（深圳 518054）

黑水虻（Hermetia illucens Larva）是一種雙翅目水虻科昆蟲。原分布地在美洲，目前在熱帶、亞熱帶與溫帶地區(qū)都有廣泛分布，在我國主要分布在南方地區(qū)[1]。黑水虻是一種腐食性昆蟲，其幼蟲食物來源范圍廣大，如畜禽糞便、餐廚垃圾、食品工業(yè)產(chǎn)生的廢棄物[2-3]，不僅可有效防止家蠅的繁殖，且對人類健康和環(huán)境無害。根據(jù)此特征，以黑水虻為主要功能要素的生態(tài)處理系統(tǒng)逐漸構(gòu)建起來，能夠安全、高效地將危害人類生存環(huán)境的廢棄物轉(zhuǎn)化為可利用的資源，如蛋白、碳水化合物和油脂[4-7]。因此它是物質(zhì)資源循環(huán)利用的促進者，在自然界食物鏈中扮演著重要角色[8-9]。

目前對黑水虻的培育條件優(yōu)化的研究較多，以期對種蟲的優(yōu)良繁育[10]。另外，黑水虻在畜禽類養(yǎng)殖、餐廚垃圾和糞便處理、作為飼料添加劑等方面的應(yīng)用等也是當(dāng)下的研究熱點[11-12]。在產(chǎn)品開發(fā)上，主要以蛋白質(zhì)、氨基酸類和碳水化合物類為主[4-5]。據(jù)報道，黑水虻幼蟲粗蛋白和粗油脂含量分別達35.53%和28.89%以上[13-16]，且富含多種氨基酸[17]，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α１M管人們認(rèn)為其油脂有作為生物燃料、日化行業(yè)用原料的潛在可能性，但其油脂相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)卻相對缺乏。為了充分、合理開發(fā)黑水虻資源，研究針對餐廚喂食的黑水虻粗油脂的提取工藝進行優(yōu)化，以提高油脂提取效率，為黑水虻油脂的資源化利用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑

黑水虻幼蟲，由深圳市騰浪再生資源發(fā)展有限公司提供；石油醚（分析純，60～90 ℃，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；正己烷（色譜純，上海阿拉丁公司）；超純水（電阻率≥18 MΩ·cm，Milli-Q，美國Millipore公司）；無水硫酸鈉（分析純，廣州化學(xué)試劑廠）。

1.1.2 儀器與設(shè)備

益多FSJ-600萬能粉碎機（歐凱萊芙寶業(yè)公司）；HWS-26恒溫水浴鍋（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；萊伯泰科（LABTECH）EV331型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（廣州無線電集團有限公司）；TE212-L精密電子天平（海精天電子儀器有限公司）；氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（7890A/5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀，美國Agilent公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 黑水虻幼蟲預(yù)處理和粗油脂的提取

黑水虻幼蟲用清水洗凈，置于烘箱中60 ℃干燥至恒質(zhì)量后進行粉碎，幼蟲粉末過40目篩；取5.0 g蟲粉于索氏提取器中，加入石油醚（沸程60～90 ℃）進行提取；提取液在40 ℃下負(fù)壓揮干石油醚，得到粗油脂。精確稱量粗油脂質(zhì)量，計算提取率（Y）。

式中：m1為粗油脂質(zhì)量，g；m0為黑水虻幼蟲粉末的總質(zhì)量，g。

1.2.2 索氏提取粗油脂的工藝單因素試驗

以石油醚作為提取溶劑，采用索氏提取法提取黑水虻幼蟲中粗油脂，分別考察提取溫度、提取時間及液料比對粗油脂提取率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝

根據(jù)單因素試驗測定的水平范圍，采用Box-Behnken的中心組合試驗設(shè)計原理，設(shè)計三因素三水平的響應(yīng)試驗。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Design Expert 8.0.6軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗考察結(jié)果

2.1.1 提取溫度的影響

在提取時間為8 h、料液比為1∶24 g/mL條件下，考察不同提取溫度對粗油脂提取率的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖可知，提取溫度于65～85 ℃，粗油脂的提取率隨溫度升高先上升后趨于穩(wěn)定；在75～85 ℃之間，粗油脂提取率達27.50%～27.94%。可能原因是在保持提取時間和料液比不變的條件下，隨著溫度升高，油脂分子擴散至溶劑中的速度加快，相應(yīng)地，粗油脂提取率會隨之升高；而當(dāng)溫度升至75 ℃及以上時，擴散至溶劑中的油脂增量不大，因而提取率基本不變。

圖1 不同提取溫度對粗油脂提取率的影響

2.1.2 提取時間的影響

在提取溫度為80 ℃、料液比為1∶24 g/mL條件下，考察不同的提取時間對粗油脂提取率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，粗油脂的提取率隨時間的延長呈現(xiàn)先升高后基本不變的趨勢。其中，6和8 h的粗油脂提取率分別為28.18%和28.14%，表明粗油脂在6 h后基本被提取完全，提取率達到最大。可能原因是在保持提取溫度和料液比不變的條件下，隨著提取時間的延長，物料中油脂黏度降低，流動性明顯增強，從而擴散至溶劑中油脂量急劇增多，且在6 h達到最大值，當(dāng)提取時間超過6 h時，擴散出的油脂基本不變，因而提取率保持恒定。

圖2 不同提取時間對粗油脂提取率的影響

2.1.3 料液比的影響

在提取時間為8 h、提取溫度為80 ℃條件下，考察不同料液比對粗油脂提取率的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，料液比在1∶16～1∶28 g/mL時，粗油脂提取率呈先上升后緩慢下降的趨勢，于1∶24 g/mL時達到最高，為28.25%。可能原因是料液比在1∶16～1∶24 g/mL時，溶劑量越多，物料內(nèi)油脂與溶劑間的濃度差越大，越利于物料內(nèi)油脂擴散至溶劑中，因而提取效率越高；而當(dāng)料液比在1∶24～1∶28 g/mL時，隨著溶劑體積增大，物料中擴散至溶劑的油脂量增多不明顯，而由于溶劑體積較大，在揮去石油醚過程中，相對損失的油脂也增多，因而當(dāng)料液比在1∶24～1∶28 g/mL時，粗油脂提取率有所降低。

圖3 料液比對粗油脂提取率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝

根據(jù)單因素試驗考察結(jié)果，確定響應(yīng)面試驗因素水平，如表1所示；響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果如表2所示。

以表2中15組試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，得到黑水虻粗油脂提取率（Y）與提取溫度（A）、提取時間（B）及料液比（C）的擬合方程：Y=28.03+1.37A+0.29B-0.024C-0.12AB+0.27AC-0.075BC-1.15A2-0.19B2-0.32C2。對試驗結(jié)果進行擬合，回歸模型方差分析結(jié)果如表3所示。

由表3結(jié)果可知，模型的p=0.001 1，為極顯著；失擬項的p=0.390 5＞0.05，說明無失擬因素；響應(yīng)值的變化與提取時間（p＜0.05）及提取溫度（p＜0.001）有顯著的相關(guān)性。在一次項及二次項中有顯著性，表明各試驗因素對油脂得率的影響不是呈簡單的線性關(guān)系；各個因子與響應(yīng)值之間的線性關(guān)系良好（R2=0.979 2），說明所得方程對試驗的擬合度好，能夠準(zhǔn)確地描述各因素與油脂得率之間的關(guān)系。根據(jù)F可知，影響粗油脂提取率的因素主次順序依次為提取溫度＞提取時間＞料液比。

根據(jù)該模型，可分析出最佳提取工藝條件：提取溫度為80.82 ℃、提取時間為7.08 h、料液比為1∶20.57 g/mL。此時黑水虻粗油脂提取率可達到最大化，預(yù)測為28.50%。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

表3 回歸模型方差分析

2.3 驗證試驗

根據(jù)分析的最佳工藝條件及實際試驗條件，設(shè)定提取溫度為80.8 ℃、提取時間為7.08 h、料液比為1∶20.57 g/mL進行驗證試驗，進行3次重復(fù)試驗，結(jié)果如表4所示。

表4 驗證試驗結(jié)果

根據(jù)上述條件得到的平均提取率為28.43%，與預(yù)測的最高提取率（28.50%）高度吻合，說明此響應(yīng)面優(yōu)化分析的結(jié)果是合理可行的。

3 結(jié)論

采用索氏提取法提取黑水虻幼蟲粗油脂，在單因素試驗和響應(yīng)面優(yōu)化后能獲得最佳提取工藝參數(shù)：提取溫度為80.82 ℃、提取時間為7.08 h、料液比為1∶20.57 g/mL。在此條件下預(yù)測得率為28.50%。在此條件下實測值為28.43%±0.23%，表明響應(yīng)面優(yōu)化試驗所得工藝條件有應(yīng)用價值。

然而，考慮到提取時間和溶劑用量等提取成本及對環(huán)境影響的問題，當(dāng)粗油脂提取率為28%或以上的提取工藝就認(rèn)為達到要求。根據(jù)響應(yīng)面擬合方程公式可得到提取時間短、溶劑用量少的一組參數(shù)：提取溫度為83.31 ℃，提取時間為4.21 h，料液比為1∶20.06 g/mL，粗油脂提取率為28.05%。此組參數(shù)對以后的中試試驗及工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用有重要的參考意義。