综述：关于甲虫昆虫产生的几丁质和壳聚糖的深入研究：提取化学方法、结构特征及其多功能应用

《Carbohydrate Polymers》：Critical insights into coleopteran insect side-streams derived chitin and chitosan: extraction chemistry, structural features and multifunctional applications

可持续蛋白与甲壳素资源：甲虫副产物中甲壳素/壳聚糖提取、结构表征及工业应用潜力

　　

迪维亚·卡尔蒂克·拉詹（Divya Karthick Rajan）|杜拉伊拉杰·卡尔蒂克·拉詹（Durairaj Karthick Rajan）|贾亚库马尔·拉贾拉杰斯瓦兰（Jayakumar Rajarajeswaran）|纳加拉詹·雷瓦蒂（Nagarajan Revathi）|舒宾·张（Shubing Zhang）|卡南·莫汉（Kannan Mohan）|阿比拉米·拉穆·加内桑（Abirami Ramu Ganesan）

中国湖南省长沙市中南大学生命科学学院细胞生物学系，邮编410013

摘要

可食用甲虫逐渐成为可持续蛋白质的重要来源，同时其产生的几丁质（包括蜕皮、表皮残余物和粪便）也是一种有价值的废弃物，可以转化为高附加值的生物聚合物。由于几丁质和壳聚糖具有良好的生物相容性和生物降解性，在生物材料应用中具有广泛前景，因此这些副产品可以被用于生产几丁质和壳聚糖。本文评估了适用于工业应用的多种几丁质和壳聚糖提取方法及其结构特性。文章还讨论了从甲虫副产品中提取的几丁质的营养价值和生物活性，并分析了甲虫中存在的α-、β-和γ-几丁质多态形式，同时指出了当前研究中的空白之处。目前尚无文献综述专门描述甲虫副产品中提取的几丁质和壳聚糖的作用。因此，本文不仅强调了从甲虫副产品中生产几丁质的潜力，还指出了生物聚合物化学领域需要进一步研究的瓶颈问题，并提出了促进几丁质和壳聚糖规模化生产的综合建议。

引言

几丁质（C₈H₁₃O₅N）_n是仅次于纤维素的第二大功能性生物聚合物。几丁质是一种含氮的线性生物聚合物，溶解度较低。几丁质和壳聚糖可以从多种来源提取，包括真菌（Abdel-Gawad等人，2017年）、甲壳类动物的外骨骼（Mohan等人，2021年）以及软体动物的壳（Karthick Rajan等人，2024年；Mohan等人，2019年；Srinivasan等人，2025年）。此外，昆虫的外骨骼中含有大量的几丁质和壳聚糖（Machado等人，2024年；Mohan等人，2020年）。几丁质对保护昆虫外骨骼的强度和机械性能起着重要作用（Izadi等人，2025年）。这些生物聚合物在农业（Mohan, Kandasamy等人，2024年；Shahrajabian等人，2021年）、水产养殖（Mohan, Rajan, Ganesan等人，2023年）、环境（Hirano，2020年；Mohan, Rajan, Rajarajeswaran等人，2023年）和生物医学领域（Islam等人，2017年；Sathya等人，2024年）中发挥着重要作用。例如，Benhabiles等人（2012年）的研究表明，虾壳提取的几丁质和壳聚糖对多种病原体具有杀菌作用。通常，几丁质和壳聚糖被用作生物刺激剂，以促进植物生长并提高产量（Kumar等人，2018年；Li等人，2020年）。化学改性的几丁质和壳聚糖也被用于去除水环境中的有害污染物（Wang & Zhuang，2017年）。

由于营养价值高且对环境的负面影响小，可食用昆虫被视为食品和饲料生产领域中可持续的蛋白质来源（Siddiqui等人，2024年）。从昆虫中提取蛋白质后，剩余的蜕皮、表皮残余物和粪便中含有大量的几丁质（Brigode等人，2020年；Ma等人，2022年）。通过脱乙酰化处理，几丁质可以转化为壳聚糖。已有研究利用不同目昆虫（如鞘翅目（Luo等人，2019年）、双翅目（Song等人，2013年）、鳞翅目（Mehranian等人，2017年）、直翅目（Kabalak等人，2020年）和半翅目（Mol等人，2018年）提取几丁质和壳聚糖）。最近，Tao等人（2025年）还展示了利用昆虫粪便提取几丁质的可能性。

总体而言，鞘翅目昆虫因其蛋白质含量而被饲养和食用（Adámková等人，2016年），这些昆虫通常利用各种有机废弃物进行饲养（Gourgouta等人，2022年；Van Peer等人，2021年）。尽管鞘翅目包含约25,000种已描述的物种（Rees，2018年），但这些昆虫在商业规模上的生物聚合物提取方面尚未得到充分探索。通过优化的提取和纯化技术，可以将它们转化为高质量的几丁质和壳聚糖。这种资源化不仅有助于实现循环经济目标，还为生物医学、环境、农业和食品领域开辟了多种应用途径。

利用文献计量学方法对鞘翅目来源的几丁质和壳聚糖进行了评估，过去二十年间相关出版物数量稳步增长，反映了实验室层面对该可持续生物聚合物的日益关注。2000年至2015年间，研究活动相对较少，但引用次数显著（例如2000年为362次，2012年为455次），表明近年来该领域受到了更多关注（图1）。2018年后，相关出版物数量急剧增加（2024年和2025年各达到10篇），显示出研究人员对寻找几丁质/壳聚糖替代来源的兴趣。尽管实验室研究有所增加，但在商业生产方面的进展仍然有限。总体而言，现有55项研究工作进一步推动了这一领域的发展。目前尚无关于鞘翅目副产品中提取的几丁质和壳聚糖的详细综述。因此，本文介绍了用于鉴定几丁质和壳聚质结构和纯度的各种物理化学方法，并首次探讨了其在生物医学、食品等领域的应用。

与几丁质产量相关的分类学和生命周期阶段

属于鞘翅目的昆虫（甲虫、象鼻虫和金龟子）是昆虫纲中最大的目。这些昆虫的特点是前翅（鞘翅）硬化且外骨骼富含几丁质。包括Tenebrionidae、Scarabaeidae、Carabidae和Curculionidae在内的科具有多样的分类特征，其中许多物种因其高度硬化的外骨骼而成为几丁质的丰富来源（Král & Batelka，2017年）。它们的完全变态生命周期包括卵、

常用的鞘翅目物种

多种鞘翅目昆虫，如T. molitor、Z. morio、A. diaperinus和Tribolium castaneum，被用于提取几丁质和壳聚糖（图2a）。例如，甲虫Akis granulifera、Z. morio和T. molitor的成虫曾被用于提取几丁质/壳聚糖（Ait Hamdan等人，2023年；Keerthika & Jayakumar，2024年；Mwita等人，2024年；Shin等人，2019年）。从鹿角甲虫Lucanus cervus和Polyphylla fullo中提取的几丁质也进行了比较

几丁质和壳聚糖的结构特征

从化学角度来看，几丁质是一种由β-(1→4)-连接的-乙酰-D-葡糖胺（GlcNAc）单元组成的线性聚合物，形成通过氢键稳定的结晶微纤维（图3）。通过不同程度的脱乙酰化处理，几丁质可转化为D-葡糖胺单元（Sajomsang & Gonil，2010年）。几丁质存在三种不同的异构形式：α-、β-和γ-几丁质（图3c所示）。鞘翅目来源的壳聚糖保留了类似的β-(1→4)-连接骨架

提取化学

提取过程通常包括一系列化学处理步骤（图4和表1），如脱矿、脱蛋白和脱色，最终获得纯化的几丁质（Ilijin等人，2024年；Milinkovi? Budin?i?等人，2025年；Song等人，2022年）。壳聚糖是通过脱乙酰化获得的，通常通过在高温下用浓碱处理几丁质来实现。尽管这种方法高效且被广泛采用，但仍存在一些瓶颈问题，如高化学成本等

产量

鞘翅目昆虫之所以受到重视，主要是因为其养殖系统的可扩展性以及农业副产品的利用。例如，T. molitor和Z. morio等昆虫已在工业规模上得到养殖，年产量可达10公吨（Mwita等人，2024年）。其中，废弃物（包括表皮、蛹和死亡昆虫）约占几丁质总量的25%–45%

傅里叶变换红外光谱（FT-IR）

利用FT-IR分析可以确定生物聚合物的化学结构和官能团（图5A）。FT-IR技术基于分子键的振动跃迁，在红外区域产生特定的吸收带，尤其是在4000至400 cm^?1范围内（Meky等人，2017年）。Zvezdova（2010）指出，几丁质和壳聚糖在FT-IR中显示出与(OH)羟基、(NH)氨基、(C=O)羰基、(CH?)亚甲基振动相关的特征吸收带

多功能的生物医学、食品、环境和农业应用

几丁质在生物医学、食品、环境和农业领域具有广泛的多功能性应用（图6）。这些特性突显了其作为昆虫加工废弃物可持续利用的巨大潜力

可持续性和可用性

昆虫在食物循环和生态系统中扮演着重要角色。它们被认为是农业、食品废物降解和能源生产的可持续来源。目前只有少数昆虫物种被用于人类消费。根据国际昆虫食品和饲料平台（IPIFF）的数据，预计到2030年可食用昆虫的产量将达到26万吨（Colamatteo等人，2025年）。许多可食用昆虫已被用于各种用途

结论与未来展望

昆虫是下一代可持续的食品、饲料和能源来源。鞘翅目昆虫是最有前景的昆虫群体之一，包含约25,000种已知物种，但只有少数几种被用于提取几丁质和壳聚糖。虽然几丁质和壳聚糖主要从甲壳类动物的壳中提取，寻找替代来源对于满足不断增长的供需需求至关重要。这一机制需要结合生命周期评估进行研究

关于手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

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CRediT作者贡献声明

迪维亚·卡尔蒂克·拉詹（Divya Karthick Rajan）：撰写初稿、监督。杜拉伊拉杰·卡尔蒂克·拉詹（Durairaj Karthick Rajan）：撰写与编辑、撰写初稿、监督、研究。贾亚库马尔·拉贾拉杰斯瓦兰（Jayakumar Rajarajeswaran）：撰写初稿。纳加拉詹·雷瓦蒂（Nagarajan Revathi）：撰写初稿。舒宾·张（Shubing Zhang）：撰写初稿。卡南·莫汉（Kannan Mohan）：撰写与编辑、撰写初稿、研究、数据管理、概念构建。阿比拉米·拉穆·加内桑（Abirami Ramu Ganesan）：撰写初稿、形式分析。

资金支持

本研究未获得任何公共、商业或非营利机构的资助。

未引用的参考文献

Sampath等人，2022年

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

卡南·莫汉博士衷心感谢印度泰米尔纳德邦埃罗德市Sri Vasavi学院的动物学系提供的支持和必要的研究设施。博士后研究员迪维亚·卡尔蒂克·拉詹博士和杜拉伊拉杰·卡尔蒂克·拉詹博士也感谢中国长沙市中南大学生命科学学院的细胞生物学系提供的帮助和支持。