农业工业副产物对黄粉虫生物质的影响及其超临界CO2中试规模分馏研究

《Molecules》：Influence of Agro-Industrial By-Products on Tenebrio molitor Biomass and Its Bench-Scale Fractionation by Supercritical CO2

　　

将可持续昆虫养殖与绿色下游加工技术相结合，对于发展循环生物精炼至关重要。本研究考察了以含有农业工业副产物的饲料饲养的黄粉虫（Tenebrio molitor）幼虫所获生物质，经中试规模超临界CO2（SC-CO2）萃取的分馏效果。幼虫分别以啤酒糟（BSG）、可可豆壳（CBS）和香蕉皮（BP）为饲料成分进行饲养。初步工艺筛选确定40 °C和200 bar为最适萃取条件，可在温和操作条件下实现高效分馏。脂质萃取率取决于虫粉的初始组成，范围为BSG来源生物质的6.47 ± 0.26%至CBS来源生物质的23.02 ± 1.52%。SC-CO2萃取同时可制备蛋白富集虫粉，蛋白含量最高提升至69.4 ± 0.7%，蛋白富集幅度为14.9%至33.4%。回收油脂具有优良的脂肪酸谱，不饱和脂肪酸占比超过72%，以油酸和亚油酸为主。研究结果表明，不同饲养条件下获得的昆虫生物质组成差异，会在相同萃取条件下所得馏分的产率和特性中得到体现。将饲养底物选择与SC-CO2萃取相结合，是利用农业工业副产物生产高价值蛋白富集虫粉和油脂的有效策略，有助于推动可持续昆虫生物精炼的发展。

一、研究背景与问题提出

全球人口持续增长、优质蛋白需求不断上升、自然资源日益枯竭以及传统畜牧业的环境负担，共同推动了可持续食品生产体系的转型需求。预计到2050年，全球食品产量需大幅提升，同时须降低温室气体排放、减少土地占用和淡水资源消耗。在此背景下，基于可再生生物资源和农业工业侧流增值的循环生物经济战略，成为协调食品生产与环境可持续性的重要路径。

可食用昆虫因其营养组成优良、饲料转化效率高、生命周期短且环境影响小，被视为最具前景的替代蛋白来源之一。其中，黄粉虫（Tenebrio molitor）因营养特性良好且已获欧盟新型食品授权，受到学术界和产业界的广泛关注。黄粉虫幼虫富含蛋白质和脂质，脂肪酸组成以不饱和脂肪酸为主，特别是油酸和亚油酸。已有研究表明，饲料组成可显著影响黄粉虫的生长性能和营养品质，这为通过底物选择调控昆虫生物质特性提供了可能。

利用农业工业副产物饲养黄粉虫已成为昆虫生物技术领域的研究热点。啤酒糟、可可豆壳、香蕉皮等木质纤维素残渣和食品加工副产物，均可作为替代饲料底物，在降低生产成本的同时实现废弃物资源化。然而，现有研究大多将昆虫饲养与下游萃取作为独立阶段分别优化，饲料驱动的生物质组成差异对后续超临界CO₂（SC-CO₂）分馏性能的影响尚未得到充分探索。

传统脂质萃取依赖正己烷等有机溶剂，存在溶剂残留、环境污染和可持续性等问题。超临界CO₂萃取作为一种绿色萃取技术，具有无毒、不可燃、廉价、可回收且易从产物中去除等优点，可在温和温度下运行，减少热降解，同时获得无溶剂、高选择性和高质量的萃取物。但该技术也存在高压设备需求、CO₂压缩能耗以及极性化合物萃取效率较低等局限。

基于上述背景，本研究旨在将上游饲养底物选择与下游SC-CO₂分馏进行实验整合。研究人员以三种农业工业副产物（啤酒糟、可可豆壳、香蕉皮）饲养黄粉虫幼虫，获得化学组成显著不同的生物质。经初步条件筛选后，在相同萃取条件下对不同饲料来源的虫粉进行分馏，从而独立评估生物质组成对萃取性能的影响。

二、研究内容与主要结论

研究结果表明，不同饲养底物产生的虫粉营养组成差异显著。啤酒糟来源虫粉蛋白含量最高（60.4%干物质）、脂质含量最低（12.6%干物质）；可可豆壳来源虫粉蛋白含量最低（43.4%干物质）、脂质含量最高（29.3%干物质）；香蕉皮来源虫粉居中，蛋白含量为50.9%、脂质含量为24.8%（干物质）。

在相同萃取条件下，脂质萃取率随初始脂质含量变化，啤酒糟来源为6.47 ± 0.26%，可可豆壳来源为23.02 ± 1.52%，香蕉皮来源为19.43 ± 0.16%。脱脂后虫粉蛋白含量分别提升至69.4 ± 0.7%（啤酒糟）、57.9 ± 1.4%（可可豆壳）和63.2 ± 0.6%（香蕉皮），蛋白富集幅度为14.9%、33.4%和24.2%。所有萃取油脂的不饱和脂肪酸占比均超过72%，以油酸和亚油酸为主，其中可可豆壳来源油脂的油酸含量较高、亚油酸含量较低。

三、关键技术方法

研究人员在意大利ENEA Trisaia研究中心（Rotondella）的受控环境条件下（27 ± 1 °C，65 ± 5%相对湿度，持续黑暗）饲养黄粉虫幼虫，实验周期28天。采用中试规模超临界流体萃取系统（Spe-ed SFE-2，Applied Separations）进行萃取实验，萃取条件筛选通过组合两个压力水平（200和300 bar）与三个温度水平（40、50和60 °C）实现，萃取时间（95分钟）和CO₂流速（4 L min^?1）保持恒定。虫粉近似组成分析采用凯氏定氮法（蛋白）、加速溶剂萃取（脂质）、马弗炉灰化（灰分）和苯酚-硫酸比色法（总碳水化合物）测定。脂肪酸组成经甲酯化后采用气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）分析。

四、研究结果

2.1 中试规模超临界CO₂萃取工艺开发与操作条件选择

初步筛选实验以对照饲料来源虫粉为原料，考察六种操作条件对脂质萃取率的影响。结果显示，脂质萃取率在28.63 ± 3.49%至30.85 ± 6.34%（干基）范围内保持相对稳定，压力和温度对脂质回收无显著影响（p > 0.05）。所有脱脂虫粉的蛋白浓度介于66.6 ± 2.69%至68.7 ± 2.43%之间，蛋白富集幅度为40.2%至44.6%，残留脂质均低于检测限。基于温和操作条件即可实现高效分馏的考量，研究人员选择40 °C和200 bar作为后续实验条件。

2.2 不同饲养底物来源虫粉的应用

将选定条件应用于三种副产物来源虫粉后，脂质萃取率呈现显著差异（p < 0.05），与虫粉初始脂质含量趋势一致。蛋白富集幅度与初始脂质含量相关，可可豆壳来源虫粉因初始脂质含量最高而获得最大蛋白富集（33.4%）。研究证实，相同萃取条件可有效适用于不同饲养底物来源的虫粉，萃取性能主要由起始原料特性决定。

2.3 萃取油脂的脂肪酸组成

所有萃取油脂均以不饱和脂肪酸为主（>72%），单不饱和脂肪酸（MUFA）占比40.61%至48.08%，多不饱和脂肪酸（PUFA）占比24.44%至35.66%，饱和脂肪酸（SFA）占比23.73%至27.48%。油酸（C18:1 n-9）为最丰富的脂肪酸，其次为亚油酸（C18:2 n-6）和棕榈酸（C16:0）。啤酒糟和香蕉皮来源油脂的脂肪酸分布几乎一致，可可豆壳来源油脂的MUFA比例较高、PUFA比例较低。

五、讨论与结论

讨论部分指出，饲养底物引起的脂质含量差异会在SC-CO₂萃取率中得到体现，起始基质的组成是控制超临界萃取的重要因素。萃取油脂的脂肪酸谱在不同饲养底物下保持稳定，油酸和亚油酸的主导地位是黄粉虫脂质的固有特征，而非萃取技术的影响。温和萃取条件（40 °C、200 bar）在保证萃取效率的同时可降低能耗和压缩成本。研究强调，昆虫饲养与下游分馏应视为相互关联的整体工艺阶段，饲料配方不仅影响昆虫生长和营养品质，还可作为调控生物质特性以适配后续增值加工的技术手段。

结论部分指出，本研究证明农业工业副产物作为饲养底物可产生化学组成不同的黄粉虫生物质，这些差异在相同萃取条件下所得馏分的产率和特性中得到体现。脂质萃取率的差异与虫粉初始脂质含量密切相关，萃取过程同时制备了蛋白富集虫粉和富含不饱和脂肪酸的油脂。研究结果凸显了在应用标准化SC-CO₂分馏方案时考虑起始生物质组成的重要性。将饲料配方与绿色下游加工相结合，是黄粉虫生物质增值和循环昆虫生物精炼发展的有效途径。本研究的局限在于未评估蛋白富集虫粉的功能特性和回收油脂的氧化品质与稳定性，未来需结合受控饲料调控、详细萃取动力学和工艺评估开展进一步研究。