CN106819662A - 利用昆虫多级联合高效转化农作物秸秆生产昆虫蛋白和油脂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开利用昆虫多级联合高效转化农作物秸秆生产昆虫蛋白和油脂的方法。该方法由黄粉虫转化系统和武汉亮斑扁角水虻转化系统组成。在两个转化系统过程中可以得到昆虫生物质，从昆虫生物质中提取得到昆虫油脂，可以用来生产生物柴油，得到的虫体蛋白可以用作蛋白饲料添加剂。既解决了农作物废弃秸秆对环境的污染问题、满足畜牧和水产业对饲料蛋白的迫切需求，又能保障食品安全，减轻对化石能源的依赖，变废为宝获得可观的经济效益。它有效地避过了传统的物理化学等预处理过程，绝对地环境友好，节约成本，高附加值，利用天然的昆虫生物降解系统相结合实现其高效利用，直接从秸秆生物质到达生物能源，同时生产出动物饲料蛋白原料。

Description

利用昆虫多级联合高效转化农作物秸秆生产昆虫蛋白和油脂 的方法
技术领域
本发明属于生物科技领域，具体涉及利用昆虫多级联合高效转化农作物秸秆生产昆虫蛋白和油脂的方法。
背景技术
中国作为一个农业大国，有着悠久的农作物的耕种历史。据统计，2011年中国作物秸秆总产量已经接近7亿吨，其中玉米秸秆就有2.2亿吨，约占世界作物秸秆总产量的20％-30％。但是大多数的作物秸秆都被就地焚烧或者直接还田，没有得到充分的利用，不仅污染了环境，还造成了大量木质纤维素资源的浪费。如果能够正确的利用这个废弃的资源，不仅能够减少环境污染，带来可观的经济效益，还能很大程度上缓解因可再生能源短缺所引起的能源危机。近年来随着社会经济的快速发展，人类对能源消费的需求也迅猛增加。根据美国能源信息署预测，2020年全球能源需求量将达到128.89亿吨油当量，2025年将达到136.50亿吨油当量，年均增长率为1.2％。很显然，单纯的靠有限的常规能源来获得经济的高速增长不是长久之计，在这种情况下，发展以生物乙醇、生物柴油等为代表的新兴环保的生物能源就成为一个必然选择。
武汉亮斑水虻是一种新兴的资源昆虫，幼虫富含蛋白质、脂肪等，可以作为许多动物(鸡、鱼、宠物)的日常饲料，具有食性广泛、吸收转化效率高、生物量大、容易管理、饲养成本低等特点，其预蛹可用作饲料添加剂，蛹壳含有丰富的几丁质，目前已被资源化利用于有机废弃物(畜禽粪便、餐厨废弃物等)转化方面。而利用水虻对有机废弃物贪婪的消费特性，很多人尝试用这种昆虫来生产生物柴油，试图缓解日趋紧张的能源消费。经武汉亮斑水虻和功能微生物处理之后的有机废弃物残渣还可作为生物有机肥料。但水虻对木质纤维素类例如秸秆的利用能力却十分有限，一直未实现高效直接的高效转化利用。而另一种昆虫黄粉虫学名：Tenebrio molitor，俗称面包虫，是一种大型的仓储害虫，同时也是一种资源性昆虫。黄粉虫幼虫的蛋白含量达到了53.06％，油脂含量为35.89％，蛹的蛋白质含量更是高达60.18％，并含有多种糖类、维生素、矿物质，被称为“动物营养宝库”。近些年黄粉虫因其丰富的蛋白质和油脂含量广泛受到科研工作者的关注，有研究表明黄粉虫在处理转化废弃果蔬、餐厨剩余物、作物废弃物等方面有很大的发展潜力，并且探究了利用黄粉虫幼虫部分替代肉鸡喂养过程中饲料使用的可行性，利用转化有机废弃物积累的黄粉虫油脂生产生物柴油的潜能等，也有研究人员利用微生物发酵等方式预处理秸秆类物质，进而用作黄粉虫饲料组分，但前期却没有对黄粉虫直接利用秸秆积累生物质的尝试或评价。
目前，虽然关于昆虫转化有机废弃物来生产生物能源，减少对化石能源依赖的研究很多，但是作为世界上最丰富的生物质资源之一的农作物秸秆却没有很好的利用办法，一些物理化学的处理方法不仅严重污染环境，还因为处理不完全而造成资源浪费。更没有关于利用多种昆虫联合转化作物秸秆的报道。
本发明提出了一种利用多种昆虫梯级联合转化秸秆类木质纤维素资源物质的技术，获得了较好的木质纤维素降解利用效率。该技术首先利用黄粉虫幼虫在没有任何辅助情况下初步降解玉米秸秆，过程中得到富含高蛋白和脂肪的黄粉虫幼虫虫体，再用第一步产生的剩余秸秆和黄粉虫虫粪混合物来喂养水虻进行第二步的降解，从而进一步利用玉米秸秆中的营养物质，过程中得到富含蛋白和脂肪的水虻幼虫虫体。跟现行常规思路最大不同之处在于它有效地避过了物理化学等预处理过程，绝对地环境友好，利用天然的昆虫生物降解系统实现其高效利用，直接从秸秆生物质到达蛋白资源和生物能源。
发明内容
本发明为了解决农作物秸秆的资源化问题，变废为宝，生产高附加值产品及形成循环经济的目的，提供利用昆虫多级联合高效转化农作物秸秆生产昆虫蛋白和油脂的方法，该方法可以生产得到昆虫蛋白饲料以及提取昆虫油脂生产生物柴油。
本发明通过以下技术方案实现：
利用昆虫多级联合高效转化农作物秸秆生产昆虫蛋白和油脂的方法，包括下述步骤：
1).玉米秸秆在50-60℃的恒温电烤箱中干燥5-6天；
2).玉米秸秆粉碎过10-40目分离筛，玉米秸秆粉末在50-60℃的恒温电烤箱中干燥保存。
3).取200g的干燥玉米秸秆粉末加入1500-2000头52日龄黄粉虫幼虫，进行初级转化。
4).保持培养室内温度为25-30℃之间，相对湿度60％-75％。
5).每2天加一次新鲜胡萝卜片，每次添加量为10-15g。
6).整个转化周期需要63天，转化结束前的3-4天停止向脸盆中添加新鲜胡萝卜切片。
7).分别收集黄粉虫幼虫虫体和降解残渣，所述的降解残渣含剩余秸秆和黄粉虫虫粪，用于水虻二次降解；
8).将收集得到黄粉虫幼虫灭活粉碎后做进一步用途。
具体的，是将收集得到黄粉虫幼虫在90-110℃的烘箱中灭活5-10min，然后在50-60℃下干燥2-3天，再将干燥幼虫用粉碎机粉碎至粉末状，将其装入过滤袋中，浸没在200-300ml石油醚中2-3天，在室温下浸提两次，将得到的浸出液合并。最终用旋转蒸发仪将浸出液中的石油醚组分挥发去除，获得黄粉虫油脂；进而通过酸催化酯化与碱催化酯交换相结合的两步法来生产生物柴油，酯化条件：催化剂浓度(1％-2％H2SO4,w/w)、70-75℃、醇油比6-8:1、反应时间1-1.5h。将酯化后得到的混合液转到分液漏斗中静置分层分离，然后将含有粗油脂和生物柴油组分的上层液体进一步转移到新的反应器中进行碱催化的酯交换反应，反应条件：催化剂浓度(0.8％-1％NaOH，w/w)、55-60℃、醇油比5-6:1、反应时间30-50min。在经过分液漏斗分离过后，将生物柴油层组分在70-80℃下蒸馏去除残留的甲醇成分；最后用90℃蒸馏水多次洗涤去除杂质，分液漏斗分层，使得生物柴油最终澄清，转移并加入过量无水硫酸钠脱水，即得黄粉虫生物柴油。提油后的剩余虫体干物质烘干后可用作精蛋白饲料。
9).将步骤7)获得的降解残渣加水调节混合物物料含水率至70％-80％。
10).加入400-500头6日龄武汉亮斑扁角水虻幼虫，继续降解处理。
11).保持培养室内温度为25-30℃，相对湿度60％-75％。
12).喷水保持物料湿度在60％-70％。
13).当发现40％-50％的武汉亮斑扁角水虻幼虫出现预蛹时，即可结束转化，转化结束前的3-4天停止喷水。
14).分离并收集武汉亮斑扁角水虻幼虫虫体和剩余降解残渣。
15).将收集得到武汉亮斑扁角水虻幼虫灭活后粉碎，作进一步用途。
具体的，是将武汉亮斑扁角水虻幼虫在90-110℃的烘箱中灭活5-10min，然后在50-60℃下干燥2-3天，再将干燥幼虫用粉碎机粉碎至粉末状。武汉亮斑扁角水虻幼虫干粉进而用来提取水虻油脂进而生产生物柴油，具体方法同步骤8)，提油后的剩余固体烘干后可用作蛋白饲料。收集得到的剩余降解残渣经过一定处理后可生产有机肥。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明首次利用黄粉虫和亮斑扁角水虻联合转化对秸秆进行处理，利用天然的昆虫生物降解系统实现其高效利用，能够直接从秸秆生物质到达优质蛋白资源和生物能源。
2.本发明对物料要求较低，避开了木质纤维素类物质能源化过程中的酸、碱等传统的物理、化学预处理过程和酶水解过程，无二次污染，效率高，节省成本，绝对地环境友好。
3.200g粉碎的原始玉米秸秆经过1700头黄粉虫和400头武汉亮斑扁角水虻的梯级联合处理后，减少到了111.59g的剩余残渣，减少率达到了44.21％，同时产生了8.5g的昆虫生物质，系统总的生物质转化率达到了7.27％，从得到的昆虫生物质中提取了1.95g的昆虫油脂，生产得到了1.76g生物柴油。获得了虫体蛋白原料6.55g。
附图说明
图1为利用昆虫多级联合高效转化农作物秸秆生产昆虫蛋白和油脂的方法工艺流程图。
图2为利用昆虫多级联合高效转化农作物秸秆生产昆虫蛋白和油脂的方法获得的产品产量图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步解释本发明，以助于理解本发明的内容。本发明所述技术方案，如未特别说明，均为本领域的常规技术。
实施例1：
利用昆虫多级联合高效转化农作物秸秆生产昆虫蛋白和油脂的方法，包括下述步骤：
1.物料的预处理：
将玉米秸秆先进行初步破碎，然后将其放入60℃的恒温电烤箱中干燥6天，，再用粉碎机将烘干的玉米秸秆粉碎，直至秸秆粉末全部过20目分离筛，将分离得到的玉米秸秆粉末继续放在60℃的恒温电烤箱中干燥保存直至进行下步处理。
2.取200g干燥玉米秸秆粉末，放在事先准备好的干净的脸盆中，向其中加入1700头52日龄黄粉虫幼虫。黄粉虫生长过程中所需的水分通过向脸盆加入新鲜胡萝卜切片提供。胡萝卜的添加频率为每2天一次，每次添加量为13g，转化完毕前2天停止添加。保持培养室室内温度为25-30℃之间，相对湿度70％。
3.整个转化周期需要63天，转化结束后，将黄粉虫和降解残渣利用振动筛分离，分别收集黄粉虫幼虫虫体和剩余降解残渣。将收集得到黄粉虫幼虫在105℃的烘箱中灭活5min，然后在60℃下干燥2天。
4.黄粉虫幼虫粉碎后用来提取昆虫油脂进而生产生物柴油，提油后的剩余固体烘干后用作蛋白饲料。收集得到的降解残渣用作武汉亮斑扁角水虻转化原料，所述的降解残渣包含剩余秸秆和黄粉虫虫粪。
利用干燥粉碎后的黄粉虫幼虫生产生物柴油的步骤包括：将干燥粉碎后的黄粉虫幼虫装入过滤袋中，浸没在200石油醚中2天，在室温(25℃)下浸提两次，将得到的浸出液合并。然后用旋转蒸发仪将浸出液中的石油醚组分挥发去除，获得黄粉虫油脂；进而通过酸催化酯化与碱催化酯交换相结合的两步法来生产生物柴油，整个反应在配备了100ml反应器、温度感应调节器、电磁搅拌器、回流冷凝管和取样口的系统中完成，酯化条件：催化剂浓度(2％H2SO4,w/w)、75℃、醇油比8:1、反应时间1h。将酯化后得到的混合液转到分液漏斗中静置分层分离，然后将含有粗油脂和生物柴油组分的上层液体进一步转移到新的反应器中进行碱催化的酯交换反应，反应条件：催化剂浓度(0.8％NaOH，w/w)、60℃、醇油比6:1、反应时间30min。在经过分液漏斗分离过后，将生物柴油层组分在70℃下蒸馏去除残留的甲醇成分；最后用90℃蒸馏水多次洗涤去除杂质，分液漏斗分层，使得生物柴油最终澄清，转移并加入过量无水硫酸钠脱水，即得黄粉虫生物柴油。提油后的剩余虫体干物质烘干后可用作精蛋白饲料，提油后的剩余虫体干物质烘干后的蛋白含量为69.2％。
5.取150g干燥的步骤4获得的降解残渣于干净的脸盆中，加水调节混合物物料含水率至75％，然后向脸盆中加入400头6日龄武汉亮斑扁角水虻幼虫，保持培养室内温度为25-30℃之间，相对湿度70％，对物料喷水保持湿度在70％。
6.整个转化周期为27天，即当发现50％的武汉亮斑扁角水虻幼虫出现预蛹时，即可结束转化。将武汉亮斑扁角水虻和降解残渣利用振动筛分离，分别收集武汉亮斑扁角水虻幼虫虫体和剩余降解残渣。将收集得到武汉亮斑扁角水虻幼虫在105℃的烘箱中灭活5min，然后在60℃下干燥2天。
7.武汉亮斑扁角水虻幼虫粉碎后用来提取昆虫油脂，进而生产生物柴油，提油后的剩余固体烘干后用作蛋白饲料。收集得到的剩余降解残渣(有机质含量为52.3％)经过一定处理后可用作生产有机肥。
利用干燥粉碎后的武汉亮斑扁角水虻幼虫生产生物柴油的步骤包括：将干燥粉碎后的武汉亮斑扁角水虻幼虫虫粉装入过滤袋中，浸没在300ml石油醚中3天，在室温(25℃)下浸提两次，将得到的浸出液合并，最终用旋转蒸发仪将浸出液中的石油醚组分挥发去除，获得水虻油脂。然后通过酸催化酯化与碱催化酯交换相结合的两步法来生产生物柴油，整个反应在配备了100ml反应器、温度感应调节器、电磁搅拌器、回流冷凝管和取样口的系统中完成，酯化条件：催化剂浓度(1.5％H2SO4,w/w)、75℃、醇油比7.5:1、反应时间1.5h。将酯化后得到的混合液转到分液漏斗中静置分层分离，然后将含有粗油脂和生物柴油组分的上层液体进一步转移到新的反应器中进行碱催化的酯交换反应，反应条件：催化剂浓度(1％NaOH，w/w)、60℃、醇油比6:1、反应时间1h。在经过分液漏斗分离过后，将生物柴油层组分在80℃下蒸馏去除残留的甲醇成分；最后用90℃蒸馏水多次洗涤去除杂质，分液漏斗分层，使得生物柴油最终澄清，转移并加入过量无水硫酸钠脱水，即得武汉亮斑扁角水虻生物柴油。提油后的剩余虫体干物质烘干后的蛋白含量为61.7％，可用作精蛋白饲料。
结果：
黄粉虫-水虻转化玉米秸秆过程中各阶段的转化率、降解率等如表1所示：
以下表格中，将黄粉虫的转化视为第一阶段，武汉亮斑扁角水虻的转化视为第二阶段。
表1各转化阶段中幼虫生物质变化、含水率和物质减少率
表2各阶段中提取昆虫油脂生产生物柴油的性能指标
表3各阶段中玉米秸秆中的脂肪、蛋白质、糖类等成分含量
表4各阶段中玉米秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素成分含量
本发明的实施案例所表述的，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.利用昆虫多级联合高效转化农作物秸秆生产昆虫蛋白和油脂的方法，包括下述步骤：
1）. 玉米秸秆在50-60℃的恒温电烤箱中干燥5-6天；
2）. 玉米秸秆粉碎过10-40目分离筛，玉米秸秆粉末在50-60℃的恒温电烤箱中干燥保存；
3）. 取200g的干燥玉米秸秆粉末加入1500-2000头52日龄黄粉虫幼虫，进行初级转化；
4）.保持培养室内温度为25-30°C之间，相对湿度60%-75%；
5）.每2天加一次新鲜胡萝卜片，每次添加量为10-15g；
6）.转化结束前的3-4天停止向脸盆中添加新鲜胡萝卜切片；
7）. 分别收集黄粉虫幼虫虫体和降解残渣，所述的降解残渣用于水虻二次降解；
8）. 将收集得到黄粉虫幼虫灭活粉碎后用于制备生物柴油；
9）. 将步骤7）获得的降解残渣加水调节混合物物料含水率至70%-80%；
10）. 加入400-500头6日龄武汉亮斑扁角水虻幼虫，继续降解处理；
11）. 保持培养室内温度为25-30°C，相对湿度60%-75%；
12）.喷水保持物料湿度在60%-70%；
13）.当发现40%-50%的武汉亮斑扁角水虻幼虫出现预蛹时，即可结束转化，转化结束前的3-4天停止喷水；
14）.分离并收集武汉亮斑扁角水虻幼虫虫体和剩余降解残渣；
15）. 将收集得到武汉亮斑扁角水虻幼虫灭活后粉碎用于制备生物柴油，制备方法与步骤8）相同。
2.根据权利要求1所述的方法，步骤8）具体是是将收集得到黄粉虫幼虫在90-110 ℃的烘箱中灭活5-10 min，然后在50-60℃下干燥2-3天，再将干燥幼虫用粉碎机粉碎至粉末状，将其装入过滤袋中，浸没在 200-300 ml 石油醚中2-3天，在室温下浸提两次，将得到的浸出液合并；最终用旋转蒸发仪将浸出液中的石油醚组分挥发去除，获得黄粉虫油脂；进而通过酸催化酯化与碱催化酯交换相结合的两步法来生产生物柴油，酯化条件：催化剂浓度为1%-2% H2SO4,w/w、70-75ºC、醇油比6-8: 1、反应时间1-1.5 h；将酯化后得到的混合液转到分液漏斗中静置分层分离，然后将含有粗油脂和生物柴油组分的上层液体进一步转移到新的反应器中进行碱催化的酯交换反应，反应条件：催化剂浓度为0.8%-1%NaOH，w/w、55-60ºC、醇油比5-6:1、反应时间30-50min；在经过分液漏斗分离过后，将生物柴油层组分在70-80ºC 下蒸馏去除残留的甲醇成分；最后用90 ºC蒸馏水多次洗涤去除杂质，分液漏斗分层，使得生物柴油最终澄清，转移并加入过量无水硫酸钠脱水，即得黄粉虫生物柴油;提油后的剩余虫体干物质烘干后用作精蛋白饲料。
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