**可持续蛋白质提取用于食品应用：基于质子型离子液体与天然低共熔溶剂从黑水虻（*Hermetia illucens*）幼虫中提取蛋白质**

《Sustainable Food Technology》：Sustainable protein extraction from black soldier fly (Hermetia illucens) larvae using protic ionic liquids and natural deep eutectic solvents for food applicationsOpen Access

　　

研究人员利用质子型离子液体和天然低共熔溶剂从黑水虻（*Hermetia illucens*）幼虫中提取蛋白质，并对其理化性质及潜在食品应用进行了评估，同时与常规碱处理法所得蛋白质进行了比较。研究结果显示，可回收且环境友好的质子型离子液体1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯乙酸盐（[DBNH][OAc]）是黑水虻幼虫蛋白质的优良溶剂，其蛋白质提取率更高，且所得蛋白质含量与碱法相当。此外，利用该溶剂提取的蛋白质浓缩物具有较高的持水性和持油性，这对于食品产品的开发至关重要。该研究契合联合国可持续发展目标2（零饥饿）和目标12（负责任消费和生产），为日益增长的人口提供了更绿色的食品生产方式。

**论文解读：基于绿色离子溶剂的黑水虻幼虫蛋白可持续提取及其食品应用潜力**

**一、研究背景与问题提出**

当前全球正面临人口增长与高品质食物需求上升所引发的食品危机。蛋白质作为人体组织生长、维护与修复的必需营养素，其充足供给至关重要。按推荐膳食供给量（RDA），成年人每日每公斤体重需摄入约0.8克蛋白质，而65岁以上老年人则需增至1.0至1.2克。尽管动物蛋白所含人体必需氨基酸优于植物蛋白，但全球人口增长及畜牧生产（牛、禽）的碳足迹迫使人类寻求更可持续的蛋白质来源。黑水虻（BSF）因其能将餐厨垃圾、畜禽粪便等有机废弃物高效转化为富含蛋白质的昆虫生物质，而被视为可持续未来的重要生物资源。相较于传统畜牧系统，BSF幼虫具有更高的饲料转化效率（约2公斤饲料可转化为1公斤生物量，而肉牛饲料转化比约为8:1），且生命周期消耗水资源和土地更少，温室气体排放更低。然而，无论是作为人类食品还是动物饲料，昆虫的直接消费尚未在全球范围内被广泛接受。人类消费者因新食物恐惧症、厌恶感及文化不适宜性等因素，对直接食用昆虫存在抵触；但已有研究表明，消费者更倾向于接受不明显含有昆虫成分的昆虫基食品。在动物饲料应用方面，BSF幼虫粉虽被视为替代鱼粉的潜在原料，但其在日粮中的添加常导致鱼类生长性能下降，研究推测这与其所含的几丁质有关。鉴于纯几丁质本身即为高价值产品，相较于将食用昆虫直接作为营养素来源，将昆虫中的生物聚合物（即蛋白质和几丁质）进行分离更为可取。分离出的蛋白质可作为更易被人类接受的食品成分和更有益的饲料原料。目前，从BSF幼虫中提取蛋白质的常规方法为湿法分馏，即碱提取结合等电点/酸沉淀。该方法操作简单、成本低，但需要确定目标蛋白的等电点（pI），且提取剂不可回收，会产生大量化学废物。因此，开发可持续的新型蛋白质提取方法成为当前研究的热点。

**二、研究目标、技术方法与主要结论**

本研究旨在探索使用绿色离子溶剂——质子型离子液体（PILs）和天然低共熔溶剂（NADESs）——替代传统碱法从BSF幼虫中提取蛋白质，并系统评估所提取蛋白质的理化性质与食品应用潜力。研究使用的样本为购自香港New Age Biotechnology公司的冷冻干燥麦麸饲喂黑水虻幼虫。研究首先对幼虫粉进行脱脂预处理，随后分别采用常规碱法（0.25 M NaOH，不同温度）和多种绿色溶剂（质子型离子液体[DBNH][OAc]以及三种氯化胆碱基低共熔溶剂：DES1[氯化胆碱:甘油=1:2]、DES2[氯化胆碱:乙酸=1:2]、DES3[氯化胆碱:草酸=1:2]）在不同温度下进行蛋白质提取，并对溶剂的可回收性进行了考察。研究人员利用凯氏定氮法测定粗蛋白含量，通过高效液相色谱（HPLC）分析氨基酸组成，使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征蛋白质结构，并评估了蛋白质浓缩物的持水性（WBC）、持油性（OBC）、溶解度、起泡性及乳化性等功能性质。此外，研究还对蛋白质提取后残渣进行酸处理脱矿质以提取几丁质，并利用FTIR、固态¹³C核磁共振（NMR）及热重分析（TGA）对其进行了表征。研究得出以下主要结论：质子型离子液体[DBNH][OAc]是提取BSF幼虫蛋白质的高效溶剂，在80°C下蛋白质提取率高达约44.8%，远高于碱法最高约22.6%的提取率，且所得蛋白质含量（56.1%）与碱法（57.4%）相当；该溶剂可回收使用且纯度保持90%以上。最重要的是，[DBNH][OAc]提取的蛋白质浓缩物表现出最高的持水性和持油性（分别为2.30 g/g和3.69 g/g），这对食品质构至关重要。此项研究证明了绿色离子溶剂尤其是[DBNH][OAc]作为可持续蛋白质提取方法的可行性，为利用昆虫蛋白开发新型食品配料及实现昆虫基循环经济提供了重要的技术支撑。

**三、主要研究结果**

**BSF幼虫蛋白提取效率：** 研究人员对比了碱法、三种NADESs及[DBNH][OAc]在不同温度下的蛋白质提取率。结果显示，碱法提取率在60°C时最高（约22.6%），但100°C时显著下降至11.1%，显示出较窄的最佳温度范围，推测高温导致蛋白质部分水解。DES3（氯化胆碱:草酸）的提取率（约33%）显著高于DES2（氯化胆碱:乙酸）（约17%），表明氢键供体（HBD）的种类对提取效率有决定性影响。[DBNH][OAc]在所有测试温度下均表现出最高的提取率（60°C时40.4%，80°C时44.8%，100°C时38.6%），且对温度敏感性较低。此外，[DBNH][OAc]提取样品的粗蛋白含量（56.1%）与碱法（57.4%）相当，而DESs提取样品的粗蛋白含量较低（41.2%-46.8%）。溶剂回收实验表明，经三个循环使用后，[DBNH][OAc]的蛋白质提取率仅从38.6%微降至34.3%，且纯度保持在90%以上，证实了其可回收性和绿色属性。

**提取蛋白的表征：** FTIR分析显示，所有提取方法所得蛋白质在胺A带（约3278 cm^-1）、胺B带（约2921 cm^-1）、酰胺I带（约1636 cm^-1）和酰胺II带（约1538 cm^-1）具有相似的特征吸收峰，表明提取方法未改变蛋白质的二级结构。氨基酸组成分析显示，碱法和IL提取的蛋白质均富含组氨酸、异亮氨酸和亮氨酸等必需氨基酸，其中IL提取的蛋白质中苯丙氨酸（4.2%）和赖氨酸（6.0%）含量更高。溶解度实验表明，所有蛋白质样品的溶解度在pH 5时最低（等电点附近），并随pH升高或降低而增加。在碱性条件下（pH 11），碱法提取的蛋白质溶解度极高（91%），而IL和DES提取的蛋白质溶解度相近（约42-46%），显示出较低的pH敏感性，这可能与提取过程中蛋白质所带净电荷不同有关。在0.5 M NaCl溶液中，所有样品的溶解度均下降约10%，符合盐析效应。

**提取蛋白的功能性质：** 研究评估了蛋白质浓缩物的持水性（WBC）、持油性（OBC）、起泡性和乳化性。结果显示，[DBNH][OAc]在60°C下提取的蛋白质浓缩物具有最高的WBC（2.30 g/g）和OBC（3.69 g/g），显著高于碱法提取的样品。DESs提取的样品WBC和OBC值最低。研究人员认为，IL提取的蛋白质可能具有更大的总表面积，同时暴露了亲水性基团（支撑WBC）和疏水性基团（支撑OBC），从而提供了更多水油结合位点。在起泡性方面，碱法提取的蛋白质起泡能力（FC，74.0%）和起泡稳定性（FS，78.4%）最高，而[DBNH][OAc]和DESs提取的蛋白质起泡性能相当且略低于碱法。乳化性测试表明，尽管[DBNH][OAc]提取的蛋白质具有较高的WBC和OBC，但其乳化能力（EC）与DESs相近且低于碱法提取的蛋白质（73.3%），研究人员推测这与IL提取的蛋白质水溶性较低，限制其迁移至油水界面参与乳化有关。然而，IL和DESs提取的蛋白质的乳化稳定性（ES）与碱法相当。

**从蛋白质提取残渣中提取几丁质：** 研究人员将[DBNH][OAc]在60°C下提取蛋白质后的残渣仅通过酸处理脱矿质，成功获得了纯化的几丁质，得率为7.2%。FTIR和¹³C NMR分析未检测到残留蛋白质，且FTIR光谱与商品虾壳几丁质高度相似。该几丁质的N-乙酰化度（DA）为90.8%，与商品虾壳几丁质（94%）相当。热重分析（TGA）显示其最大热失重温度（DTG_max）为341.5°C，与虾壳几丁质（343.5°C）接近，表明其热稳定性与商品几丁质类似，即所得几丁质纯度和质量与虾壳来源的几丁质相当。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，蛋白质的溶解度对消化率至关重要，并最终决定人类和动物可吸收氨基酸的量。虽然碱法提取的蛋白质在碱性条件下溶解度更高，但IL或DES提取的蛋白质对pH的敏感性较低，这可能是因为它们的溶解过程不涉及电荷转移，导致净电荷较低。研究表明，通过选择不同的提取溶剂和方法，可以获得具有不同WBC和OBC的BSF幼虫蛋白提取物，以满足多样化的食品应用需求。

研究结论明确指出，质子型离子液体[DBNH][OAc]和NADESs均可高效地从BSF幼虫中提取蛋白质，其中[DBNH][OAc]表现最佳，其蛋白质浓缩物产率（最高约44.8%）显著高于常规碱法（最高约22.6%），且所得蛋白质含量与碱法相当。该IL提取的蛋白质具有最高的WBC和OBC，这些特性对食品质构至关重要。此外，绿色离子溶剂可回收利用，符合可持续发展原则。将[DBNH][OAc]提取蛋白质后的残渣进行简单的脱矿质处理，即可获得高纯度几丁质。总之，绿色离子溶剂尤其是质子型离子液体[DBNH][OAc]是传统碱法提取BSF幼虫蛋白的极具前景的可持续替代方案，所提取的蛋白质适用于多种食品相关应用，尤其是在BSF幼虫直接消费尚未普及的背景下，该技术为昆虫蛋白的高值化利用和循环经济模式提供了创新途径。