摘要
为充分利用黑水虻油脂资源，以及优化微波-超声波协同萃取提取黑水虻幼虫油脂工艺，采用单因素试验研究萃取溶剂、萃取时间、超声波功率、固液比对黑水虻油脂得率的影响。分别以油脂得率与能量转化率为指标，采用正交试验优化微波-超声波协同溶剂提取黑水虻幼虫油脂的工艺条件。结果显示：微波-超声波提取黑水虻油脂的理想溶剂为石油醚， 微波功率为100 W、温度为40 ℃、超声功率为100 W、萃取时间为10 min；通过正交优化试验获得最佳组合工艺为提取时间25 min，固液比（g/mL）1∶25，超声功率150 W，此时油脂得率为41.43%，能量转化率为56.79%。在试验因素范围内不同工艺参数对油脂的热稳定性和官能团组成未产生明显影响；水虻幼虫油脂中脂肪酸主要是亚油酸（19.03%）、油酸（16.66%）、月桂酸（14.92%）和棕榈酸（11.9%）。
关键词
随着畜禽养殖的发展和碳中和目标实现的需要，畜禽粪便高效、低碳转化及增值化利用备受人们关注。黑水虻（Hermetia illucens L.）又称亮斑扁角水虻，属于双翅目，水虻科，其幼虫粗脂肪可以达到31%~35%，粗蛋白高达42%~44
目前昆虫油脂提取方法主要有物理压榨法和溶剂萃取法
为了充分地利用黑水虻油脂资源，本研究以黑水虻幼虫为原料，在确定合适萃取剂的基础上，研究微波-超声波协同萃取工艺参数对提取率及产物特性的影响，旨在为进一步开发利用黑水虻幼虫油脂资源提供参考。
黑水虻幼虫：市售（山东亿虫黑水虻养殖中心，中国山东），经除杂、干燥、粉碎后制成粒径0.355~0.420 mm原料粉末，备用。试验所用的黑水虻幼虫原料的基本组成成分含量为：粗蛋白43.12%，粗脂肪42.13%，灰分9.15%，水分4.60%。
萃取剂：石油醚（60~90 ℃）、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、正己烷，试剂均购自国药集团化学试剂有限公司，分析纯。
按照试验要求称量黑水虻幼虫粉末以及量取相应的萃取剂置于150 mL专用萃取釜中，并充分混合，将萃取釜置于萃取仪中，安装好冷凝回流装置，分别设置相应参数进行微波-超声波协同处理。萃取结束后于旋转蒸发器中真空抽滤，将抽滤后的产物放在恒温鼓风干燥箱105 ℃干燥30 min以上，待产物质量恒定后对固相产物和油相产物称质量。每组试验重复3次，取平均值。
本研究在前期进行了预试验，通过预试验发现在该设备参数条件下，超声功率、提取时间和物料与溶剂比对萃取效果影响较大，而在仪器设备可控范围内微波功率与反应温度对萃取效果没有显著的影响。因此，本研究首先对有机溶剂进行筛选，采用单因素试验，研究超声功率、提取时间、料液比（原料质量与溶剂容积比）3个因素对萃取效果的影响。3因素的试验水平为：提取时间为5、15、25、35、45 min；超声功率为0、50、100、150、200 W；料液比（g/mL） 1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25，微波功率和萃取温度分别为100 W和40 ℃。然后在单因素试验基础上开展正交试验，依据L9（
1）油脂得率和能量转化率。油脂高位热值和原料高位热值均采用ZDHW-5000微机全自动弹量热仪（中国鹤壁）进行测定。
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2）原料基本组成成分分析。 黑水虻幼虫的粗脂肪按国标GB 5009.6—2016中索式提取法进行；粗蛋白质测试通过国标GB 5009.5—2016中凯氏定氮法进行分析（分析仪器：KDN-102C凯氏定氮仪，中国上海）；原料含水率通过食品行业标准国标GB 5009.236—2016中电热干燥箱法进行分析（分析仪器：DHC-92485-III电热恒温鼓风干燥箱，中国上海）。
3）脂质酯交换及GC-MS测定。首先进行甲酯化处理，取样品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，充分振荡，然后放入70 ℃水浴10 min，继续加入10 mL饱和食盐水，充分振荡，静置分层，去上层后经0.22 μm微孔滤膜过滤，使用安捷伦气相色谱-质谱检测器和毛细管色谱柱（色谱柱为HP-5MS（30.0 m×250 μm，0.25 μm）；色谱柱起始温度45 ℃，以5 ℃/min的速度升至290 ℃保持5 min；气化室温度250 ℃；传输线温度300 ℃；载气He；载气流量1.0 mL/min；分流比50∶1；进样量为1 μL。质谱条件：EI 源；电子能量70 eV；离子源温度230 ℃；四极杆150 ℃；扫描模式为Scan；扫描质量范围为35~500 u。
4）傅里叶变换红外光谱仪（FITR）检测。生物油官能团采用Nicolet iS50（美国，赛默飞）傅里叶官变换红外光谱仪进行测定，光谱范围4 000~400 c
5）热重分析仪（TGA）检测。本研究采用TGA仪器分析提取的粗油脂的热稳定性。称取（6±0.3） mg生物油样品置于特定坩埚中，采用美国TA公司SDTQ600型同步热分析仪进行样品热稳定性测定。样品在30 mL/min的氮气氛围下将粗油脂从室温加热到700 ℃然后降温，加热速率为10 ℃/min。
6）电镜检测。利用喷金机将金靶粉末涂抹在萃取油脂后的固体产物中，然后利用扫描电镜观察黑水虻固体粉末表面形态变化。
在微波功率为100 W、温度为40 ℃、超声功率为100 W、萃取时间为10 min、料液比为1∶15条件下，采用不同溶剂萃取黑水虻油脂的得率结果显示，石油醚提取率最高（39.2%），其次为乙醇（38.4%）、正己烷（37.6%）、乙酸乙酯（36.5%），最低为甲醇溶剂（12.3%）。乙醇、甲醇等溶剂有很强的极性，介电常数比较大，对于微波能量的吸收能力比较强，在一定程度上可加快萃取效率。从本试验可看出，非极性溶剂石油醚处理组提取率最高，正己烷也是非极性溶剂，其产率尽管略低于乙醇，但仍远高于甲醇。石油醚相对来说成本较低、毒性较小。因此，本研究采用石油醚作为后续试验提取溶剂。
在微波功率为100 W、温度为40 ℃、超声功率为100 W、萃取时间为10 min、料液比为1∶15萃取条件下，不同的料液比下黑水虻幼虫粗油脂得率与能量转化率变化情况见
图1 不同试验条件下油脂得率和能量转化率变化情况
Fig.1 Changes of oil yield and energy conversion rate under different experimental conditions
基于单因素试验，以油脂得率与能量转化率为因变量，选择提取时间（A）、超声功率（B）和固液比（C）设计三因素三水平正交试验，结果见
由
注： P<0.01，影响极显著；0.01<P<0.05，影响显著；P>0.05，影响不显著。Note： P<0.01 means that the influence of the investigated factor is extremely significant.0.01<P<0.05 means that the influence of the investigated factor is significant. P>0.05 means that the influence of the investigated factor is not significant.下同The same as below.
由
各组单因素试验条件下制得的黑水虻油脂的TG和DTG热重曲线如
图2 不同试验条件下黑水虻油脂的TG-DTG曲线
Fig.2 TG-DTG curves of oil of black soldier fly under different experimental conditions
A：料液比 Different solid-liquid ratio；B：提取时间 Extraction time ；C：超声功率 Ultrasonic power.
由
图3 不同试验条件下黑水虻幼虫油脂的FTIR图谱
Fig.3 FTIR spectra of oil from larvae of black soldier fly under different experimental conditions
A：料液比 Different solid-liquid ratio； B：提取时间 Extraction time； C：超声功率 Ultrasonic power.
采用GC-MS法测得的最佳工艺条件下得到黑水虻粗油脂的化学组成。黑水虻油脂的饱和脂肪酸总量占全部脂肪酸总量约为47.11%，以月桂酸C12：0（14.92%）含量最高，其次是棕榈酸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。不饱和脂肪酸占总量的52.89%，其中主要以亚油酸（19.03%）和油酸（16.66%）为主，然后是棕榈油酸C16：1n-7（3.01%）。黑水虻油脂中含有较高的月桂酸。
图4 黑水虻幼虫粉末的电镜扫描照片
Fig.4 SEM images of black soldier fly larva powder
A：未经处理 Untreated； B：协同萃取后 After synergistic extraction.
微波-超声波协同萃取技术可有效地提取黑水虻幼虫体内油脂。本研究首先考察了不同萃取溶剂对油脂得率的影响，确定石油醚（60~90 ℃）为本试验的最佳萃取溶剂，然后通过正交优化试验研究了料液比、萃取时间和超声波功率这3个关键工艺参数对黑水虻幼虫油脂得率、能量转化率以及油脂相关理化特性的影响。结果显示：微波-超声波提取黑水虻油的理想溶剂为石油醚；最佳组合工艺为提取时间25 min，固液比1∶25 g/mL，超声功率150 W，此时油脂得率为41.43%，能量转化率为56.79%。微波-超声波协同萃取的粗油脂成分组分复杂，主要由长链的脂肪酸组成，含有甘油三酯官能团，之前关于黑水虻幼虫油脂官能团的文献也报道过类似的结
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