刘复荣，何敬愉，罗涛，蒙海林，吴伟浩，崔金明*

1.广州中国科学院先进技术研究所（广州 511458）；2.深圳市腾浪再生资源发展有限公司（深圳 518054）

黑水虻（Hermetia illucens Larva）是一种双翅目水虻科昆虫。原分布地在美洲，目前在热带、亚热带与温带地区都有广泛分布，在我国主要分布在南方地区[1]。黑水虻是一种腐食性昆虫，其幼虫食物来源范围广大，如畜禽粪便、餐厨垃圾、食品工业产生的废弃物[2-3]，不仅可有效防止家蝇的繁殖，且对人类健康和环境无害。根据此特征，以黑水虻为主要功能要素的生态处理系统逐渐构建起来，能够安全、高效地将危害人类生存环境的废弃物转化为可利用的资源，如蛋白、碳水化合物和油脂[4-7]。因此它是物质资源循环利用的促进者，在自然界食物链中扮演着重要角色[8-9]。

目前对黑水虻的培育条件优化的研究较多，以期对种虫的优良繁育[10]。另外，黑水虻在畜禽类养殖、餐厨垃圾和粪便处理、作为饲料添加剂等方面的应用等也是当下的研究热点[11-12]。在产品开发上，主要以蛋白质、氨基酸类和碳水化合物类为主[4-5]。据报道，黑水虻幼虫粗蛋白和粗油脂含量分别达35.53%和28.89%以上[13-16]，且富含多种氨基酸[17]，具有巨大的发展潜力。尽管人们认为其油脂有作为生物燃料、日化行业用原料的潜在可能性，但其油脂相关产品的开发却相对缺乏。为了充分、合理开发黑水虻资源，研究针对餐厨喂食的黑水虻粗油脂的提取工艺进行优化，以提高油脂提取效率，为黑水虻油脂的资源化利用提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原料与试剂

黑水虻幼虫，由深圳市腾浪再生资源发展有限公司提供；石油醚（分析纯，60～90 ℃，天津市大茂化学试剂厂）；正己烷（色谱纯，上海阿拉丁公司）；超纯水（电阻率≥18 MΩ·cm，Milli-Q，美国Millipore公司）；无水硫酸钠（分析纯，广州化学试剂厂）。

1.1.2 仪器与设备

益多FSJ-600万能粉碎机（欧凯莱芙宝业公司）；HWS-26恒温水浴锅（上海一恒科学仪器有限公司）；莱伯泰科（LABTECH）EV331型旋转蒸发器（广州无线电集团有限公司）；TE212-L精密电子天平（海精天电子仪器有限公司）；气相色谱质谱联用仪（7890A/5975C气质联用仪，美国Agilent公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 黑水虻幼虫预处理和粗油脂的提取

黑水虻幼虫用清水洗净，置于烘箱中60 ℃干燥至恒质量后进行粉碎，幼虫粉末过40目筛；取5.0 g虫粉于索氏提取器中，加入石油醚（沸程60～90 ℃）进行提取；提取液在40 ℃下负压挥干石油醚，得到粗油脂。精确称量粗油脂质量，计算提取率（Y）。

式中：m1为粗油脂质量，g；m0为黑水虻幼虫粉末的总质量，g。

1.2.2 索氏提取粗油脂的工艺单因素试验

以石油醚作为提取溶剂，采用索氏提取法提取黑水虻幼虫中粗油脂，分别考察提取温度、提取时间及液料比对粗油脂提取率的影响。

1.2.3 响应面优化提取工艺

根据单因素试验测定的水平范围，采用Box-Behnken的中心组合试验设计原理，设计三因素三水平的响应试验。

1.2.4 数据处理

采用Design Expert 8.0.6软件进行数据统计分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验考察结果

2.1.1 提取温度的影响

在提取时间为8 h、料液比为1∶24 g/mL条件下，考察不同提取温度对粗油脂提取率的影响，结果如图1所示。由图可知，提取温度于65～85 ℃，粗油脂的提取率随温度升高先上升后趋于稳定；在75～85 ℃之间，粗油脂提取率达27.50%～27.94%。可能原因是在保持提取时间和料液比不变的条件下，随着温度升高，油脂分子扩散至溶剂中的速度加快，相应地，粗油脂提取率会随之升高；而当温度升至75 ℃及以上时，扩散至溶剂中的油脂增量不大，因而提取率基本不变。

图1 不同提取温度对粗油脂提取率的影响

2.1.2 提取时间的影响

在提取温度为80 ℃、料液比为1∶24 g/mL条件下，考察不同的提取时间对粗油脂提取率的影响，结果如图2所示。由图可知，粗油脂的提取率随时间的延长呈现先升高后基本不变的趋势。其中，6和8 h的粗油脂提取率分别为28.18%和28.14%，表明粗油脂在6 h后基本被提取完全，提取率达到最大。可能原因是在保持提取温度和料液比不变的条件下，随着提取时间的延长，物料中油脂黏度降低，流动性明显增强，从而扩散至溶剂中油脂量急剧增多，且在6 h达到最大值，当提取时间超过6 h时，扩散出的油脂基本不变，因而提取率保持恒定。

图2 不同提取时间对粗油脂提取率的影响

2.1.3 料液比的影响

在提取时间为8 h、提取温度为80 ℃条件下，考察不同料液比对粗油脂提取率的影响，结果如图3所示。由图可知，料液比在1∶16～1∶28 g/mL时，粗油脂提取率呈先上升后缓慢下降的趋势，于1∶24 g/mL时达到最高，为28.25%。可能原因是料液比在1∶16～1∶24 g/mL时，溶剂量越多，物料内油脂与溶剂间的浓度差越大，越利于物料内油脂扩散至溶剂中，因而提取效率越高；而当料液比在1∶24～1∶28 g/mL时，随着溶剂体积增大，物料中扩散至溶剂的油脂量增多不明显，而由于溶剂体积较大，在挥去石油醚过程中，相对损失的油脂也增多，因而当料液比在1∶24～1∶28 g/mL时，粗油脂提取率有所降低。

图3 料液比对粗油脂提取率的影响

2.2 响应面优化提取工艺

根据单因素试验考察结果，确定响应面试验因素水平，如表1所示；响应面试验设计及结果如表2所示。

以表2中15组试验结果为基础，得到黑水虻粗油脂提取率（Y）与提取温度（A）、提取时间（B）及料液比（C）的拟合方程：Y=28.03+1.37A+0.29B-0.024C-0.12AB+0.27AC-0.075BC-1.15A2-0.19B2-0.32C2。对试验结果进行拟合，回归模型方差分析结果如表3所示。

由表3结果可知，模型的p=0.001 1，为极显著；失拟项的p=0.390 5＞0.05，说明无失拟因素；响应值的变化与提取时间（p＜0.05）及提取温度（p＜0.001）有显著的相关性。在一次项及二次项中有显著性，表明各试验因素对油脂得率的影响不是呈简单的线性关系；各个因子与响应值之间的线性关系良好（R2=0.979 2），说明所得方程对试验的拟合度好，能够准确地描述各因素与油脂得率之间的关系。根据F可知，影响粗油脂提取率的因素主次顺序依次为提取温度＞提取时间＞料液比。

根据该模型，可分析出最佳提取工艺条件：提取温度为80.82 ℃、提取时间为7.08 h、料液比为1∶20.57 g/mL。此时黑水虻粗油脂提取率可达到最大化，预测为28.50%。

表1 响应面试验因素水平

表2 响应面试验设计及结果

表3 回归模型方差分析

2.3 验证试验

根据分析的最佳工艺条件及实际试验条件，设定提取温度为80.8 ℃、提取时间为7.08 h、料液比为1∶20.57 g/mL进行验证试验，进行3次重复试验，结果如表4所示。

表4 验证试验结果

根据上述条件得到的平均提取率为28.43%，与预测的最高提取率（28.50%）高度吻合，说明此响应面优化分析的结果是合理可行的。

3 结论

采用索氏提取法提取黑水虻幼虫粗油脂，在单因素试验和响应面优化后能获得最佳提取工艺参数：提取温度为80.82 ℃、提取时间为7.08 h、料液比为1∶20.57 g/mL。在此条件下预测得率为28.50%。在此条件下实测值为28.43%±0.23%，表明响应面优化试验所得工艺条件有应用价值。

然而，考虑到提取时间和溶剂用量等提取成本及对环境影响的问题，当粗油脂提取率为28%或以上的提取工艺就认为达到要求。根据响应面拟合方程公式可得到提取时间短、溶剂用量少的一组参数：提取温度为83.31 ℃，提取时间为4.21 h，料液比为1∶20.06 g/mL，粗油脂提取率为28.05%。此组参数对以后的中试试验及工业生产应用有重要的参考意义。