基于循环生物精炼的黑水虻蜕皮可持续生物加工：从甲壳素到结构明确的壳寡糖

《Bioresource Technology Reports》：Sustainable bioprocessing of Hermetia illucens exuviae into structurally defined chitooligosaccharides within a circular biorefinery framework

本刊推荐一项创新性研究：为解决传统甲壳素提取工艺高污染、高能耗问题，研究人员开发了一种基于天然低共熔溶剂(NADES)的闭环生物精炼策略，将黑水虻(Hermetia illucens)蜕皮转化为高纯度甲壳素和结构明确的壳寡糖(COS)。该工艺在温和条件下实现31.2%提取率和93.1%纯度，能耗仅0.50–0.65 kWh kg?1 chitin，溶剂回收率≥95%，温室气体排放降低80–90%，为昆虫生物质资源化提供了可持续解决方案。

　　

随着全球对可持续技术和循环生物资源战略的追求，寻找兼具生物可降解性和功能适应性的可再生聚合物成为研究热点。在天然多糖中，甲壳素(chitin)因其丰富性、生物相容性和结构修饰潜力而备受关注。然而，传统从甲壳类动物废弃物中提取甲壳素的方法存在明显局限：通常使用浓酸和浓碱去除无机物和蛋白质，这些化学方法不仅能耗高、产物纯度不一，还会产生需要后续处理的危险废水。此外，甲壳类来源的甲壳素供应链受季节性生产周期和地理邻近海产品行业的限制，给全球规模化带来挑战。

为克服这些限制，昆虫生物质成为一种可行的替代来源。特别是在受控环境中饲养的黑水虻(Hermetia illucens, BSF)，具有高生物质转化效率，并能产生有价值的副产品，包括含甲壳素的残留物——蜕皮(exuviae)。在变态过程中，黑水虻幼虫和蛹会蜕下外骨骼（蜕皮），这些材料通常被丢弃，尽管其富含结构完整的甲壳素。这种材料在工业化饲养条件下持续产生，且地理上独立于海洋加工基础设施，使其适合融入分布式生物精炼模型。昆虫来源的甲壳素据报道具有高结晶度、低矿物质含量以及对下游加工良好的可及性，这些特性使其适合转化为更高价值的衍生物，如壳聚糖(chitosan)和壳寡糖(chitooligosaccharides, COS)。壳寡糖因其结构依赖的生物活性（如抗菌、抗氧化、免疫调节和抗炎作用）而在生物医学、农业和营养保健品领域展现出应用前景。壳寡糖的功能性受聚合度(DP)、乙酰化度(DA)和分子量分布等参数调控，因此合成的精确性至关重要。传统的酸水解缺乏生产均一寡聚物的选择性，常导致产物异质性和安全问题。而使用底物特异性几丁质酶和壳聚糖酶的酶法转化，在温和条件下能更好地控制产物结构，支持绿色制造方法。但该路径的成功取决于底物的可及性和纯度，而这又受上游提取方法的影响。

在此背景下，新兴的溶剂系统，如天然低共熔溶剂(Natural Deep Eutectic Solvents, NADES)，为生物聚合物回收提供了有前景的替代方案。NADES由天然来源的成分（如胆碱盐、有机酸和多元醇）组成，具有高溶解能力、可忽略的挥发性和低毒性。其理化特性使其能够破坏刚性的氢键基质，促进同时脱矿质、脱蛋白和去除色素。当与微波辅助处理结合时，基于NADES的提取能够从黑水虻蜕皮中同时回收黑色素(eumelanin)和纯化甲壳素。所得甲壳素适于在温和水相条件下进行酶法脱乙酰和水解以生产壳寡糖。这种集成且环境友好的策略能够以最小的环境负担高效增值利用原始昆虫生物质，同时支持溶剂再利用和融入低废物工作流程。然而，将NADES应用于昆虫来源，特别是黑水虻蜕皮以提取甲壳素的研究尚不充分，且NADES提取的甲壳素与酶法脱乙酰和水解生产结构明确壳寡糖的兼容性尚未得到系统研究。解决这一局限性对于开发下一代生物基功能材料至关重要。

发表于《Bioresource Technology Reports》的这项研究，旨在开发一种完全集成且可持续的生物工艺，从黑水虻蜕皮生产明确的壳寡糖。该研究结合了定制的NADES配方用于高效甲壳素提取，以及下游使用内部生产的贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)来源的几丁质脱乙酰酶和壳聚糖酶进行酶法修饰。该平台能够在温和水相条件下实现选择性转化，产生具有一致分子谱的壳寡糖。

研究人员为开展本研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，从本地养殖场获取黑水虻幼虫和蛹的蜕皮作为原料。核心提取工艺是使用由氯化胆碱和乳酸组成的天然低共熔溶剂(NADES)从蜕皮中提取甲壳素。对提取出的甲壳素进行了系统的结构表征，包括傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析官能团、X射线衍射(XRD)测定结晶度、热重分析(TGA)评估热稳定性，以及扫描电子显微镜(SEM)观察微观结构。随后，通过酶法对甲壳素进行脱乙酰化处理制备壳聚糖，并进一步通过酶法可控解聚生成壳寡糖。最终产物的分子量分布和结构通过基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)进行验证。此外，研究还进行了技术环境评估，以衡量该工艺的可持续性和 scalability（可扩展性）。

结构分析

通过FTIR、XRD和TGA对从黑水虻幼虫蜕皮(BSF-LS)和蛹蜕皮(BSF-PE)中提取的甲壳素进行结构分析。FTIR光谱显示提取的甲壳素具有高度乙酰化α-甲壳素的特征振动谱图，与商业甲壳素(CC)参考谱图高度一致。XRD分析表明BSF-LS和BSF-PE甲壳素的结晶度指数分别为70.3 ± 1.2%和73.8 ± 0.9%，表明其晶体结构完整。TGA显示其热稳定性与商业甲壳素相当，主要降解阶段在375–385 °C。SEM揭示了幼虫和蛹来源甲壳素在微观结构上的差异：BSF-LS呈现相对平滑的层状结构，而BSF-PE显示出更复杂、多孔的纤维网络。这些结果证实了NADES提取法能够获得高纯度、结构完整的α-甲壳素。

酶法转化与壳寡糖表征

提取的甲壳素经过酶法脱乙酰化，生产出脱乙酰度(DD)为87.3 ± 1.4%的壳聚糖。随后，通过控制酶法解聚，成功生成了聚合度(DP)为3至6的壳寡糖混合物。MALDI-TOF质谱分析确认了产物的分子量分布，检测到m/z 523.36 (DP3)、685.45 (DP4)、847.52 (DP5)和1007.43 (DP6)处的信号峰，对应于不同聚合度的乙酰化或部分脱乙酰化壳寡糖。这表明该酶法工艺能够选择性生产结构明确的低聚糖。

技术环境评估

对放大到1000 L反应器规模（处理能力1.5–1.8 吨/天）的工艺进行了技术环境评估。评估显示该工艺能耗低：甲壳素提取为0.50–0.65 kWh kg^?1，壳寡糖生产为0.30–0.45 kWh kg^?1。溶剂回收率高达≥95%，水回用率约65%。从大门到大门的温室气体(GHG)排放量为1.2–1.4 kg CO₂e kg^?1 甲壳素，比文献中报道的传统酸碱提取基准降低了约80–90%。此外，该工艺还产生了副产品：生物肥料和水溶性真黑素(eumelanin)（0.12–0.18 kg kg^?1 甲壳素），后者具有高价值应用潜力。

本研究成功展示了一种可扩展的循环生物工艺，通过结合NADES和酶法平台，将黑水虻蜕皮转化为高纯度甲壳素和结构明确的壳寡糖。该工艺整合了温和且节能的操作，实现了至少95%的溶剂回收、水循环和副产品增值。这些措施将二氧化碳当量排放显著降低至1.2–1.4 kg CO₂e kg^?1 甲壳素。技术环境评估证实了该工艺在低环境影响下的可扩展性。该研究为昆虫生物质，特别是通常被废弃的蜕皮，的价值化提供了一条创新途径。所生产的结构明确的壳寡糖由于其已知的生物活性，在医药、农业和营养领域具有广阔应用前景。更重要的是，整个工艺设计体现了循环生物经济的原则，通过资源高效利用和废物最小化，为可持续制造提供了切实可行的方案。这项工作不仅推进了昆虫衍生生物聚合物的加工技术，也为建立更绿色、更循环的工业生物技术流程提供了重要参考。