食用昆虫幼虫作为壳聚糖可持续来源：物种与干燥方式对功能及结构特性的影响

本研究针对海洋甲壳类来源壳聚糖的生产局限性，探索了三种食用昆虫幼虫（黄粉虫、独角仙、白星花金龟）经热风干燥与冷冻干燥后提取壳聚糖的可行性。通过系统比较其理化特性、结构特征及功能活性，发现昆虫种类和干燥方式显著影响壳聚糖的得率、脱乙酰度、分子量及抗氧化性能，其中独角仙来源的壳聚糖展现出最优抗氧化活性，而黄粉虫来源的壳聚糖与商业虾源壳聚糖性质最为接近。该研究为开发可持续的新型壳聚糖来源提供了重要理论依据和实践指导。

　　

随着全球对可持续生物材料需求的日益增长，壳聚糖作为一种具有生物相容性、抗菌性和可降解性的天然生物聚合物，在食品、医药、环保等领域的应用备受关注。然而，目前壳聚糖主要来源于海洋甲壳类动物加工副产物，其生产受季节性、地域性及原料供应不稳定等因素限制，且提取过程存在环境污染风险。此外，甲壳类壳聚糖的提取工艺可能导致聚合物链降解，影响其功能性能。因此，开发新型、可持续的壳聚糖替代来源成为当前研究的热点。

食用昆虫因其高蛋白、低环境足迹的特点，被联合国粮农组织推荐为未来食品的重要资源。昆虫外骨骼富含几丁质（chitin），是壳聚糖的天然前体物质。然而，不同昆虫种类及预处理方式对壳聚糖的提取效率、结构特性和功能活性的影响尚不明确。为此，韩国食品研究所的研究团队以三种常见食用昆虫幼虫——黄粉虫（Tenebrio molitor, TM）、独角仙（Allomyrina dichotoma, AD）和白星花金龟（Protaetia brevitarsis, PB）为研究对象，系统比较了热风干燥与冷冻干燥预处理后提取的壳聚糖在理化性质、结构特征及功能活性方面的差异，并与商业虾源壳聚糖进行对比。该研究发表于《Food Chemistry: X》，为昆虫源壳聚糖的开发与应用提供了科学依据。

研究团队采用了多种技术方法对壳聚糖样品进行系统表征。首先通过化学法提取壳聚糖，包括脱脂、脱矿质、脱蛋白、脱色和脱乙酰等步骤；随后利用粘度法测定分子量（M_v），电位滴定法测定脱乙酰度（DD），X射线衍射（XRD）分析结晶性，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征化学结构，热重分析（TGA）评估热稳定性，流变学测试考察粘弹性，扫描电镜（FE-SEM）观察表面形态，并通过DPPH和ABTS自由基清除实验评价抗氧化活性。所有实验均设三次重复，数据经统计学分析。

3.1. 得率

昆虫种类和干燥方式显著影响壳聚糖得率。独角仙（AD）的得率最高（热风干燥7.59%，冷冻干燥5.72%），而黄粉虫（TM）的得率最低（约2.2%），这与其较高的脂质含量有关。冷冻干燥普遍提高了PB和AD的得率，但对TM影响不显著。

3.2. 溶解度

TM源壳聚糖的溶解度最高（94.05–94.12%），与虾源壳聚糖（94.45%）相当，而PB源壳聚糖的溶解度最低（52.06–76.06%）。冷冻干燥显著提高了PB的溶解度，这可能与其表面形态更粗糙、更易溶剂渗透有关。

3.3. 持水性和持油性

TM源壳聚糖表现出最高的持水性（WBC, 842.71–1088.54%）和持油性（FBC, 725.23–833.66%），且冷冻干燥样品均高于热风干燥样品。这归因于冷冻干燥形成的多孔结构增强了亲水性和结合能力。

3.4. 水分和灰分含量

冷冻干燥样品的含水量较高（1.27–1.61%），与其多孔结构的高复水率一致。灰分含量均低于1%（除FD_AD为1.17%），表明样品纯度较高。

3.5. 分子量（M_v）

虾源壳聚糖的分子量最高（1663.7 kDa），昆虫源壳聚糖的分子量较低（7.874–232.74 kDa）。冷冻干燥提高了PB的分子量，可能因避免了热降解。

3.6. 脱乙酰度（DD）

TM源壳聚糖的DD最高（85.11–89.12%），而HD_PB的DD最低（43.14%）。冷冻干燥显著提高了PB的DD，表明干燥方式影响脱乙酰反应效率。

3.7. XRD分析

所有样品均显示出壳聚糖特征结晶峰，结晶指数（CrI）在16.39–39.09%之间。TM源壳聚糖因DD高而结晶度较低，有利于吸附应用。

3.8. FT-IR光谱

光谱显示所有样品具有典型的壳聚糖特征吸收峰，如酰胺I带（1636–1654 cm^?1）和糖苷键振动（894–1160 cm^?1），证实成功提取壳聚糖。

3.9. 热重分析

热降解分为两个阶段：水分蒸发（25–125°C）和主链分解（至600°C）。PB和AD源壳聚糖的热稳定性较高，DTG峰值温度达342°C，与其分子量和结晶度有关。

3.10. 流变学性质

虾源壳聚糖呈现剪切稀化和凝胶行为，而昆虫源壳聚糖粘度较低且呈牛顿流体特性。流变性质与分子量正相关，TM源壳聚糖的粘弹性最接近虾源样品。

3.11. 扫描电镜

表面形态因物种和干燥方式而异：冷冻干燥样品表面更粗糙、多裂纹，热风干燥样品则更致密。这影响了溶解性和结合性能。

3.12. 抗氧化活性

AD源壳聚糖的抗氧化活性最强（DPPH清除率42.69%，ABTS清除率78.54%），且热风干燥样品优于冷冻干燥。低分子量壳聚糖表现出更高的自由基清除能力。

3.13. 性质相关性分析

多元分析显示，虾源和TM源壳聚糖在DD、M_v和粘度上正相关，而AD和PB源壳聚糖与抗氧化活性和热稳定性正相关。干燥方式对PB和AD影响显著，而对TM影响较小。

该研究通过系统比较三种食用昆虫幼虫源壳聚糖的理化与功能特性，证实昆虫种类和干燥预处理是影响壳聚糖品质的关键因素。独角仙（AD）源壳聚糖具有优异的抗氧化活性，适用于健康产品开发；黄粉虫（TM）源壳聚糖的性质与商业虾源壳聚糖最为接近，易于现有产业转化；而白星花金龟（PB）源壳聚糖则需优化提取工艺以提高溶解度。冷冻干燥普遍改善了持水性、持油性和溶解度，但热风干燥在抗氧化活性方面表现更佳，表明不同应用需选择适配的预处理方式。

研究意义在于拓宽了壳聚糖的可持续来源，减少了对海洋资源的依赖，为昆虫高值化利用提供了新途径。未来工作需优化提取工艺以降低成本，并深入探索昆虫源壳聚糖在食品包装、医药载体等领域的应用潜力。该研究不仅推动了绿色生物材料的发展，也为循环生物经济策略提供了有力支持。