CN110183510B - 天然低共熔溶剂一步分离昆虫蛋白质、油脂和甲壳素的方法及其应用 - Google Patents

天然低共熔溶剂一步分离昆虫蛋白质、油脂和甲壳素的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于农产品加工利用领域，公开了一种天然低共熔溶剂一步法分离昆虫蛋白质、油脂和甲壳素的方法及其应用。该方法以昆虫粉为原料，将昆虫粉加入至天然低共熔溶剂中，加热反应至昆虫粉组织结构充分解离，离心收集上层油脂组分，下层部分经过滤、洗涤、收集甲壳素，溶剂部分冷处理，沉淀昆虫蛋白，回收溶剂，最后干燥得到昆虫甲壳素初提物和蛋白质。本发明以天然低共熔溶剂作为多功能介质，一步法可实现对昆虫蛋白、油脂和甲壳素的分离，可提高昆虫资源的附加值。本发明完全可替代传统多步分离工艺，工艺过程简单，条件温和，产物易于分离，溶剂可回收利用，降低成本和能耗，工艺具有更好的经济性和环保性，为昆中资源的深度利用提供可行性。

Description

天然低共熔溶剂一步分离昆虫蛋白质、油脂和甲壳素的方法 及其应用
技术领域
本发明属于农产品加工利用领域，特别涉及一种天然低共熔溶剂一步法分离昆虫蛋白质、油脂和甲壳素的方法及其应用。
背景技术
昆虫，作为自然界中最大的动物群体，是人类可开发利用的可再生资源。昆虫一般含有优质的蛋白质、油脂以及生物活性物质，为其深度开发利用提供了丰富的物质基础。
蚕蛹、花粉虫、黑水虻和蝇蛆是目前大规模人工可饲养代表性昆虫，将其作为配合饲料原料直接用生产养殖中，但由于油脂氧化酸败，影响饲料品质，使用不当造成损失。有研究表明，对昆虫主要成分进行分离处理，是一种提高其附加值的有效方式，通常先脱脂处理，然后醇沉淀提取蛋白，最后酸碱处理制备甲壳素，上述的过程复杂，且使用了大量的有机溶剂和强酸强碱等化学物质，难以满足当前可持性发展。近年来技术方面有一定改进，试图利用酶法、微生物发酵法等解决昆虫资源综合利用的途径，由于成本高、效率低，无法实现对昆虫主要组分的同步分离，大多数仅在实验室规模，无法扩大工业化生产。如CN201710042841本发明公开了一种饲料用昆虫蛋白粉生产工艺，在鲜虫粉内加入抗坏血酸和胰蛋白酶后，配制鲜虫粉液，调节鲜虫粉液的pH至7.5～8.5，并在35～40℃水浴条件下避光水解8～10h，得到酶解液，最后喷雾干燥。采用酶法脱蛋白，虽然污染小、条件温和，但酶解脱蛋白酶解效率低，需多次酶解，往往还需要其他辅助手段协同脱蛋白，反而增加了提取步骤和提取成本。再如CN200910069014.8公开了一种全过程微生物提取甲壳素的方法，将虾、蟹壳进行固体发酵，控制发酵参数(菌粉5％～30％，温度40℃～70℃、pH5～8.5、通气量0.5～1.6L/min)，发酵过程中需要通入热风并伴随有废气产生，需后续处理方可排放，因此增加的生产程序而加大成本。
植物细胞代谢的小分子产物比如胆碱类、多元醇类、氨基酸和糖类等，在常温下呈固态的单组分小分子物质按一定摩尔比例混合后，可显著降低其熔点形成液体状的混合物，并将此类混合物命名为天然低共熔溶剂。其组分均为植物源性，为其安全性提供了有效保障。天然低共熔溶剂合成操作简单，价格低廉，具有可生物降解性、无毒性、环境友好、难挥发性和不易燃等特点。同时，天然低共熔溶剂又称之为“可设计溶剂”，其特有物理化学性质为同步分离昆虫蛋白、油脂和甲壳素提供优势条件，且天然低共熔溶剂可一步实现对昆虫甲壳素脱蛋白、脱矿物质和脱油脂的多重作用。将天然低共熔溶剂用于分离昆虫组分既具备提取溶剂功能又可作为反应助剂，为昆虫资源的加工利用提供新策略。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种天然低共熔溶剂一步法分离昆虫蛋白质、油脂和甲壳素的方法；该方法工艺简单、成本低廉且安全、绿色环保。
本发明的另一目的在于提供一种上述方法在昆虫资源深加工利用领域中的应用，对提高生产效率和维持可持续性发展等具有积极作用
本发明的目的通过下述技术方案实现：
天然低共熔溶剂一步分离昆虫蛋白、油脂和甲壳素的方法，包括以下操作步骤：以粉碎的昆虫粉为原料，将昆虫粉加入至天然低共熔溶剂中，加热反应至昆虫粉组织结构充分解离，离心收集上层油脂组分，下层部分经过滤、溶剂洗涤，收集截留物甲壳素和混合溶剂；混合溶剂经冷处理，离心、沉淀昆虫蛋白，回收溶剂；将收集的甲壳素和昆虫蛋白干燥处理；
所述天然低共熔溶剂是将氢键供体化合物和氢键受体化合物按摩尔比1:2～2.5:1混合后，在水浴中加热直至形成透明液体状溶剂；
所述氢键供体化合物为苹果酸、柠檬酸、草酸、正丁酸或丙二酸；
所述氢键受体化合物为氯化胆碱或甜菜碱。
所述粉碎的昆虫粉是按照以下方法制备：将昆虫干燥至质量含水量低于5％，然后粉碎，收集40目以下昆虫粉末。
所述昆虫粉为蚕蛹、花粉虫、黑水虻和蝇蛆中的一种以上的昆虫粉。
所述昆虫粉在反应体系中的质量含量为5％～25％。
所述加热反应的温度为50～140℃，反应的时间为1～3h。
所述过滤是采用100～300目的过滤筛。
所述溶剂洗涤采用的溶剂为去离子水、乙醇或甲醇。
所述冷处理的温度为-20～4℃，时间为1～6h。
所述回收溶剂是将混合溶剂经旋转蒸发回收洗涤用溶剂和天然低共熔溶剂。
上述的方法在昆虫资源深加工利用领域中的应用。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明设计酸性的天然低共熔溶剂，酸性溶剂既可以破坏昆虫组织结构，溶解出蛋白质，与极性相反的油脂成分分离，同步实现对昆虫甲壳素脱蛋白、脱乙酰化和脱矿物质，一步分离和制备昆虫蛋白质、油脂和甲壳素。
(2)本发明设计的天然低共熔溶剂制备简单，具有无毒性、溶解性广、生物可降解性等性质，极具实际应用前景。
(3)本发明提供的工艺过程简单，条件温和，产物易于分离，溶剂可回收利用，降低成本和能耗，工艺具有更好的经济性和环保性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
以下实施例中使用的昆虫粉是按照以下方法制备：将昆虫干燥至质量含水量低于5％，然后粉碎，收集40目以下昆虫粉末。所述昆虫为蚕蛹、花粉虫、黑水虻和蝇蛆中的一种以上。
实施例1
称取氯化胆碱和柠檬酸，按照摩尔比例1:1混合，总质量为500g，依次加入至圆底烧瓶内，置于80℃并不断搅拌水浴0.5h后形成透明液体，即为天然低共熔溶剂。称取昆虫粉100g加入至上述制备的天然低共熔溶剂中，在100℃水浴反应2h，离心收集上层油脂，计重，下层部分用纱布过滤反应物，截留物甲壳素经乙醇洗涤，收集混合溶剂置于4℃处理2h，10000rpm离心5min，收集沉淀蛋白，混合溶剂经旋转蒸发分离乙醇和天然低共熔溶剂，回收再利用。最后将收集的甲壳素和蛋白质干燥处理，昆虫蛋白质、油脂和甲壳素得率分别是90.2％、95.5％和92.4％，甲壳素中灰分为1.2％，氮含量为4.4％，达到工业级甲壳素要求。
实施例2
称取甜菜碱和正丁酸一定质量，按照摩尔比例1:2混合，总质量为500g，依次加入至圆底烧瓶内，置于90℃并不断搅拌水浴0.5h后形成透明液体，即为天然低共熔溶剂。称取昆虫粉50g加入至上述制备的天然低共熔溶剂中，在120℃水浴反应1h，5000rpm离心12min，收集上层油脂，计重，下层部分用纱布过滤反应物，截留物甲壳素经去离子水洗涤，收集混合溶剂置于-20℃处理1h，离心，收集沉淀蛋白，混合溶剂经旋转蒸发去除水分，回收再利用集天然低共熔溶剂。最后将收集的甲壳素和蛋白质干燥处理，昆虫蛋白质、油脂和甲壳素得率分别是93.2％、90.5％和90.4％。甲壳素中灰分为0.9％，氮含量为5.6％，达到工业级甲壳素要求。
实施例3
称取氯化胆碱和草酸一定质量，按照摩尔比例1:1混合，总质量为500g，依次加入至圆底烧瓶内，置于80℃并不断搅拌水浴0.5h后形成透明液体，即为天然低共熔溶剂。称取昆虫粉125g加入至上述制备的天然低共熔溶剂中，在140℃水浴反应2h，离心收集上层油脂，计重，下层部分用纱布过滤反应物，截留物甲壳素经甲醇洗涤，收集混合溶剂置于-10℃处理4h，12000rpm离心5min收集沉淀蛋白，混合溶剂经旋转蒸发分离甲醇和天然低共熔溶剂，回收再利用。最后将收集的甲壳素和蛋白质干燥处理，昆虫蛋白质、油脂和甲壳素得率分别是85.92％、87.6％和95.2％。甲壳素中灰分为0.2％，氮含量为3.9％，达到工业级甲壳素要求。
实施例4
称取氯化胆碱和丙二酸一定质量，按照摩尔比例2:1混合，总质量为500g，依次加入至圆底烧瓶内，置于80℃并不断搅拌水浴0.5h后形成透明液体，即为天然低共熔溶剂。称取昆虫粉100g加入至上述制备的天然低共熔溶剂中，在80℃水浴反应2h，离心收集上层油脂，计重，下层部分用纱布过滤反应物，截留物甲壳素经去离子水洗涤，收集混合溶剂置于4℃处理2小时，10000rpm离心8min收集沉淀蛋白，混合溶剂经旋转蒸发去除水分，回收再利用集天然低共熔溶剂。最后将收集的甲壳素和蛋白质干燥处理，昆虫蛋白质、油脂和甲壳素得率分别是89.6％、93.8％和94.5％。甲壳素中灰分为0.5％，氮含量为2.9％，达到工业级甲壳素要求。
实施例5
称取氯化胆碱和乳酸一定质量，按照摩尔比例1:2.5混合，总质量为500g，依次加入至圆底烧瓶内，置于60℃并不断搅拌水浴0.5h后形成透明液体，即为天然低共熔溶剂。称取昆虫粉50g加入至上述制备的天然低共熔溶剂中，在100℃水浴反应2h，6000rpm离心10min收集上层油脂，计重，下层部分用纱布过滤反应物，截留物甲壳素经甲醇洗涤，收集混合溶剂置于0℃处理6h，离心，收集沉淀蛋白，混合溶剂经旋转蒸发分离甲醇和天然低共熔溶剂，回收再利用。最后将收集的甲壳素和蛋白质干燥处理，昆虫蛋白质、油脂和甲壳素得率分别是87.65、93.5％和95.4％。甲壳素中灰分为0.8％，氮含量为5.8％，达到工业级甲壳素要求。
实施例6
称取氯化胆碱和苹果酸一定质量，按照摩尔比例1:1混合，总质量为500g，依次加入至圆底烧瓶内，置于80℃并不断搅拌水浴0.5h后形成透明液体，即为天然低共熔溶剂。称取昆虫粉100g加入至上述制备的天然低共熔溶剂中，在50℃水浴反应2h，离心收集上层油脂，计重，下层部分用纱布过滤反应物，截留物甲壳素经乙醇洗涤，收集混合溶剂置于4℃处理4小时，10000rpm离心5min，收集沉淀蛋白，混合溶剂经旋转蒸发分离乙醇和天然低共熔溶剂，回收再利用。最后将收集的甲壳素和蛋白质干燥处理，昆虫蛋白质、油脂和甲壳素得率分别是88.6％、89.6％和96.4％。甲壳素中灰分为0.7％，氮含量为5.3％，达到工业级甲壳素要求。
对比实施例1
称取昆虫粉100g加入至500g水溶剂中，在100℃水浴反应2h，离心收集上层油脂，计重，下层部分用纱布过滤反应物，截留物甲壳素经乙醇洗涤，收集溶剂置于4℃处理4小时，10000rpm离心5min，收集沉淀蛋白，混合溶剂经旋转蒸发回收乙醇。最后将收集的甲壳素和蛋白质干燥处理，昆虫蛋白质、油脂和甲壳素得率分别是10.3％、15.2％和96.4％，甲壳素中灰分为20.1％，氮含量为58.3％，未达到工业级甲壳素要求。
对比实施例2
称取昆虫粉100g加入先用500mL 1M HCl中，在100℃水浴反应2h，离心收集上层油脂，计重，下层部分用纱布过滤反应物，截留物甲壳素经乙醇洗涤，收集溶剂置于4℃处理4小时，10000rpm离心5min，收集沉淀蛋白，经旋转蒸发分离回收乙醇。最后将收集的甲壳素和蛋白质干燥处理，昆虫蛋白质、油脂和甲壳素得率分别是20.5.6％、30.4.6％和96.4％，甲壳素中灰分为1.5％，氮含量为50.6％，未达到工业级甲壳素要求。
对比实施例3
称取昆虫粉100g加入先用500mL 1M NaOH中，在100℃水浴反应2h，离心收集上层油脂，计重，下层部分用纱布过滤反应物，截留物甲壳素经乙醇洗涤，收集溶剂置于4℃处理4小时，10000rpm离心5min，收集沉淀蛋白，经旋转蒸发分离回收乙醇。最后将收集的甲壳素和蛋白质干燥处理，昆虫蛋白质、油脂和甲壳素得率分别是30.56％、14.7％和90.5％，甲壳素中灰分为30.5％，氮含量为20.7％，未达到工业级甲壳素要求。
对比实施例4
称取昆虫粉100g加入先用500mL氯仿中，在100℃水浴反应2h，离心收集上层油脂，旋转蒸发回收氯仿，油脂部分计重，下层部分用纱布过滤反应物，截留物甲壳素经乙醇洗涤，收集溶剂置于4℃处理4小时，
10000rpm离心5min，收集沉淀蛋白，混合溶剂经旋转蒸发分离乙醇和天然低共熔溶剂，回收再利用。最后将收集的甲壳素和蛋白质干燥处理，昆虫蛋白质、油脂和甲壳素得率分别是12.3％、50.2％和87.9％。甲壳素中灰分为25.6％，氮含量为63.6％，达到工业级甲壳素要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.天然低共熔溶剂一步分离昆虫蛋白、油脂和甲壳素的方法，其特征在于包括以下操作步骤：以粉碎的昆虫粉为原料，将昆虫粉加入至天然低共熔溶剂中，加热反应至昆虫粉组织结构充分解离，离心收集上层油脂组分，下层部分经过滤、溶剂洗涤，收集截留物甲壳素和混合溶剂；混合溶剂经冷处理，离心、沉淀昆虫蛋白，回收溶剂；将收集的甲壳素和昆虫蛋白干燥处理；
所述天然低共熔溶剂是将氢键供体化合物和氢键受体化合物按摩尔比1:2～2.5:1混合后，在水浴中加热直至形成透明液体状溶剂；
所述氢键供体化合物为苹果酸、柠檬酸、草酸或丙二酸；
所述氢键受体化合物为氯化胆碱；
所述粉碎的昆虫粉是按照以下方法制备：将昆虫干燥至质量含水量低于5%，然后粉碎，收集40目以下昆虫粉末；
所述昆虫粉为蚕蛹、花粉虫、黑水虻和蝇蛆中的一种以上的昆虫粉；
所述昆虫粉在反应体系中的质量含量为5%～25%；
所述加热反应的温度为50～140℃，反应的时间为1～3h；
所述溶剂洗涤采用的溶剂为去离子水、乙醇或甲醇；
所述冷处理的温度为-20～4℃，时间为1～6h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述过滤是采用100～300目的过滤筛。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于： 所述回收溶剂是将混合溶剂经旋转蒸发回收洗涤用溶剂和天然低共熔溶剂。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法在昆虫资源深加工利用领域中的应用。
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