全球人口增长推动了对更健康饮食和富含蛋白质的食品（尤其是海产品）的需求增加。预计到2050年，中国、印度、尼日利亚、巴西和墨西哥等国家的这一需求将翻倍[1]。然而，野生捕捞量不足以满足不断增长的全球需求。水产养殖在缓解对野生渔业的压力方面发挥着关键作用，并日益被认为是21世纪全球食品营养和安全的重要贡献者。水产养殖提供了高质量蛋白质、必需营养素和健康脂肪的可持续可靠来源，有助于满足日益增长的海产品需求。联合国粮食及农业组织指出，2022年的总渔业产量超过1.85亿吨，其中捕捞产量为9100万吨，水产养殖产量为9400万吨，而人类消费量为1.57亿吨[2]。饲料配方是水产养殖中的一个关键挑战，因为它为鱼类的最佳生长提供必需营养素，同时支持其免疫系统并增强抗病能力。
黑水虻（Hermetia illucens，简称BSF）最近被引入作为水产饲料中的替代蛋白质来源，因为BSF幼虫富含蛋白质和脂肪。此外，BSF幼虫能够有效利用有机废弃物（尤其是食物废弃物和粪便），通过生长将其转化为有价值的动物脂肪和蛋白质，且在使用过程中不会传播寄生虫或疾病[3]。此外，BSF具有相对较短的生命周期和高繁殖率，适合大规模饲养[4]。然而，建立新的BSF饲养产业链会产生废弃物（例如蜕皮、蛹壳/茧和尸体），这些废弃物通常通过转化为肥料或土壤改良剂进行处理[5]。为应对这一挑战，昆虫生物精炼的概念受到了广泛关注，旨在以可持续和综合的方式利用昆虫及其废弃物生产多种高价值产品[6]。
几丁质是一种常见于昆虫外骨骼的多糖，具有多种独特性质，如无毒性和生物降解性，使其在制药、食品包装、化妆品和吸附等领域具有广泛应用价值[4]。此外，几丁质也存在于甲壳类动物、真菌和绿藻中[7]、[8]、[9]。壳聚糖是通过几丁质的脱乙酰化（DA）获得的，由于其胺基团而表现出弱碱性。脱质子化后，这些胺基团使壳聚糖转化为强亲核试剂。壳聚糖的酸解离常数为6.3，这显著影响了其性质，包括溶解度和抗菌效果。当壳聚糖溶解在溶剂中时，由于壳聚糖分子与溶剂之间的分子间氢键，其粘度会显著增加[10]。壳聚糖中的胺基团可以通过静电相互作用吸附阴离子染料，使其成为有效的染料去除剂。这些胺基团还充当出色的螯合配体，使壳聚糖能够与多种金属离子形成稳定的复合物。壳聚糖的独特性质，如反应性官能团、生物降解性和生物相容性，使其成为多功能材料，在废水处理、环境修复和各种行业的高级材料开发中具有广泛应用前景[11]。
传统上，化学处理方法用于几丁质的提取，因为它们简单且成本低廉[12]。几丁质可以通过使用稀酸（如盐酸、甲酸和醋酸）进行脱矿（DM），然后使用稀碱（如氢氧化钠、碳酸钠和氢氧化钾）进行脱蛋白（DP）[13]、[14]。壳聚糖通常是通过在浓碱溶液（40–70%）中对几丁质进行脱乙酰化（DA）获得的[16]。然而，传统的化学提取方法需要加热，而缓慢的热传递速率使得这一过程耗时且能耗较高[15]。因此，需要一种替代的加热方法来缩短整个提取过程的处理时间。
微波加热越来越被视为一种能够在几分钟内完成化学转化的替代加热方法，在化学提取或合成中显示出巨大潜力[7]、[17]。微波加热能够快速、定向且均匀地提取功能性成分或生物聚合物，相比传统加热方法具有多个优势。它能够根据材料的介电性质选择性地加热，从而提高提取效率并减少热敏化合物的降解。在整个体积内均匀且高效的加热可以缩短提取时间，从而显著节省时间。此外，微波辅助提取通常需要较少的溶剂，使过程更加环保和经济。因此，利用微波加热的独特性质，可以以更高的产量、更短的处理时间和更少的溶剂消耗量提取有价值的成分[18]、[19]。
尽管微波加热在几丁质提取方面具有巨大潜力，但仍存在一些知识空白。Mohammadi等人[20]和El Knidri等人[17]之前已经探索了使用微波加热从虾壳中提取几丁质的方法，他们报告称反应时间可缩短多达80%。此外，所得产品的化学组成与传统加热方法提取的产品相当。Macha?owski等人[21]也应用微波加热从Caribena versicolor蜘蛛蜕皮中回收几丁质或制备壳聚糖[21]。然而，据我们所知，尚未有研究探讨使用微波加热从BSF蛹壳中同时提取几丁质和制备壳聚糖。鉴于水产养殖业不断扩大产生的BSF废弃物越来越多，以及迫切需要开发高效的昆虫衍生几丁质和壳聚糖生产方法，这一点尤为重要。
本研究首次全面探讨了利用微波辅助方法从黑水虻蛹壳中提取几丁质和制备壳聚糖的方法，填补了昆虫生物精炼应用方面的知识空白，并为利用昆虫废弃物生产可持续生物聚合物提供了新的见解。本研究旨在：（1）开发并评估一种从BSF蛹壳中提取几丁质和制备壳聚糖的微波辅助方法；（2）比较微波加热与传统加热方法在提取效率、处理时间和能耗方面的差异；（3）评估从BSF蛹壳和虾壳中提取的产品的物理化学性质和化学组成；（4）评估BSF衍生的几丁质和壳聚糖作为甲壳类动物来源的可持续替代品的潜力。
假设微波提取和转化过程能够显著缩短反应时间，使其成为昆虫生物精炼的有效方法。这一假设表明，微波辐照的快速加热能力可以高效地从BSF蛹壳中提取几丁质并将其转化为壳聚糖，所得产品的物理化学特性与传统甲壳类动物来源的产品相当。在较短时间内实现类似产品质量的潜力为探索昆虫衍生的几丁质和壳聚糖作为环保、高效提取方法下的有价值生物聚合物提供了良好机会。将微波技术应用于BSF废弃物转化的新方法也为新兴的昆虫养殖产业开辟了新的可能性，并解决了高效废物管理的关键问题。
