《Journal of Stored Products Research》：Sustainable extraction of chitosan from Tenebrio molitor by dual-frequency ultrasound-enzymatic method: process optimization and preservation of germ-retained rice
编辑推荐：
Kexin Yi|Li Yang|Yunlong Wu|Yige Gao|Simon McKirdy|Yujie Lu江苏科技大学生物技术学院，镇江，212100，中国摘要作为代表性的可食用昆虫，Tenebrio molitor富含几丁质，使其成为生产壳聚糖的重要天然资源。本研究
Kexin Yi|Li Yang|Yunlong Wu|Yige Gao|Simon McKirdy|Yujie Lu
江苏科技大学生物技术学院，镇江，212100，中国
摘要
作为代表性的可食用昆虫，Tenebrio molitor富含几丁质，使其成为生产壳聚糖的重要天然资源。本研究建立了一种双频超声波辅助的酶法，用于从T. molitor中绿色高效地提取壳聚糖，并评估了其功能特性及其在保持胚芽的大米上的保鲜效果。优化条件包括：双频超声波（20 kHz + 28 kHz，120 W）、脱蛋白（12%酶，2小时，55°C，固液比1:15）、脱矿（15%柠檬酸，1小时，45°C，1:10）和脱乙酰化（35% NaOH，7小时，90°C，1:20）。在这些条件下，壳聚糖的产率为63.15%，脱乙酰化程度为94.46%，溶解度为97.24%，分子量为1.12 × 104 kDa。与酶法相比，双频超声波辅助方法使产率提高了14.18%，脱乙酰化程度提高了18.00%，溶解度提高了6.4%，分子量降低了1.568 × 105 kDa，同时显著增强了抗氧化和抗菌活性。提取的壳聚糖通过抑制脂质降解（降低脂肪酶和脂氧合酶活性、脂肪酸值和丙二醛含量）、减缓淀粉老化（保持α-/β-淀粉酶活性）以及保持蛋白质含量，使保持胚芽的大米的保质期延长了7天以上。研究表明，双频超声波辅助的酶法是一种高效且环保的壳聚糖提取方法，而T. molitor壳聚糖是一种有前景的食品防腐剂。
引言
全球人口的持续增长和消费模式的变化推动了可持续功能性生物聚合物需求的增加。几丁质是地球上第二丰富的天然多糖，主要来源于甲壳类动物和昆虫（Kou et al., 2022）。其脱乙酰化产物壳聚糖具有优异的生物相容性、生物降解性、成膜性、抗菌性和抗氧化性（Kozma et al., 2022）。因此，它在食品工业、生物医学、化妆品和水处理等多个领域具有广泛的应用前景。壳聚糖的质量高度依赖于原材料特性和提取参数（Aoun et al., 2026）。
目前，壳聚糖的工业生产主要依赖于虾和蟹等甲壳类动物的外壳。然而，这一来源受到地理和季节性的限制（Islam et al., 2022）。此外，这些来源中的几丁质与碳酸钙紧密结合，需要在传统提取过程中使用高浓度的强酸和强碱（Mohan et al., 2022），这导致能耗高、环境污染严重，并可能降解壳聚糖分子链，从而影响最终产品的质量和生物活性。昆虫作为自然界中的生物群体，具有物种多样性、数量庞大和可再生性。昆虫的外壁富含几丁质，提取过程所需的酸和碱较少，生产成本较低，使昆虫成为一种有前景的壳聚糖新来源（Pellis et al., 2022）。在这方面，昆虫资源作为新型原材料受到了广泛关注。其中，Tenebrio molitor是一种经历四个生命阶段（卵、幼虫、蛹和成虫）的全变态昆虫，是一种代表性的可食用昆虫（Tao et al., 2025）。它不仅富含高质量的蛋白质和脂质，其外骨骼中也含有大量的几丁质（Kotsou et al., 2023），使其成为重要的壳聚糖替代来源。研究表明，从T. molitor、虾壳和蟹壳中提取的壳聚糖的溶解度分别为97.4%、70%和60%；分子量分别为39.75 kDa、162 kDa和213 kDa；脱乙酰化程度分别为85.9%、78%和70%（Luo et al., 2019）。与甲壳类动物来源的壳聚糖相比，T. molitor壳聚糖具有更好的物理化学性质。此外，T. molitor的较低矿化程度（Azzi et al., 2024）为开发更温和、更环保的提取工艺提供了潜在优势。传统的壳聚糖提取通常包括三个核心步骤：脱蛋白、脱矿和脱乙酰化（Kadak et al., 2023）。这些步骤严重依赖于高浓度的化学试剂，引发了环境问题，与全球倡导的绿色化学和可持续发展原则相悖。因此，开发环保、高效和节能的新型提取技术已成为研究重点。作为一种绿色生物催化技术，生物酶法因其温和的反应条件、高特异性和环保性而受到广泛关注（Sharma et al., 2019）。使用碱性蛋白酶降解蛋白质可以避免强碱对几丁质分子骨架的破坏（Zhang et al., 2021）。然而，单独使用酶处理往往反应速率慢、处理时间长，且酶成本高，限制了其工业应用。为克服这一瓶颈，引入了超声波技术来辅助提取过程。近年来，超声波辅助提取作为一种新兴的非热技术受到了广泛关注（Xu et al., 2025）。超声波在液体介质中产生的空化效应可以有效破坏细胞壁和生物分子结构，从而显著提高提取率和产量（Ye et al., 2025）。超声波辅助提取具有提取时间短、能耗低、目标产物纯度高等优点，并能保留热敏感的生物活性成分（Khalid et al., 2025）。先前的研究已成功利用超声波辅助技术提高了Spirulina platensis和橙皮的提取率（Chaudhary et al., 2025），提高了Bombay locusts的蛋白质产量并改善了其功能和抗氧化性能（Kingwascharapong, 2021），以及提高了Lupinus angustifolius L.蛋白质的溶解度并减小了颗粒大小（Tang et al., 2025）。双频超声波技术能够产生更均匀和强烈的空化场，从而提高提取效率和能源利用率（Liu et al., 2025b）。然而，双频超声波也有一定的局限性：当超声波功率超过某个阈值时，可能会形成密集的空化气泡，降低超声波在溶液中的传播（Liao et al., 2022）。尽管T. molitor资源丰富，超声波技术在提取其他生物聚合物方面显示出潜力，但关于双频超声波辅助酶法提取高质量T. molitor壳聚糖的研究仍不足。双频超声波条件与酶参数之间的相互作用对壳聚糖产量和质量的影响研究较少。
为了提高T. molitor的资源利用率并满足可持续提取方法的需求，本研究引入了一种双频超声波辅助的酶法。该方法结合了酶的特异性和双频超声波的高效空化效应，旨在在温和条件下从T. molitor中高效提取壳聚糖。将通过单因素和正交实验设计对关键参数进行系统优化。提取的壳聚糖将对其物理化学性质、结构特征、抗氧化性和抗菌活性进行全面评估。其实际应用将通过保持胚芽的大米保鲜测试来展示。研究结果将为T. molitor壳聚糖的绿色提取及其在食品保鲜中的应用提供理论基础和技术支持。
章节片段
材料
T. molitor幼虫来自中国连云港。碱性蛋白酶（最佳温度：55°C，最佳pH值：9）购自上海迪博生物技术有限公司（中国）。柠檬酸（分析级）购自Sangon Biotech有限公司（中国）。其他所有分析级化学品均来自上海Macklin生化技术有限公司（中国）。Staphylococcus aureus和Escherichia coli菌株购自中国通用
不同超声波模式对酶促水解效率的影响
双频超声波处理对样品氮含量有显著影响，频率和功率都有最佳范围。如图1A所示，对照组氮含量最高（17.5%）。在单频处理中，40 kHz的处理效果最好（13.5%）。双频组合表现出协同效应；20 kHz + 28 kHz的组合将氮含量显著降低到4.3%，远优于所有单频处理。
讨论
本研究系统证明了双频超声波辅助的酶法是一种有效且相对环保的壳聚糖提取方法，显著提高了T. molitor壳聚糖的产量和质量。对脱蛋白、脱矿和脱乙酰化关键参数的优化表明，超声波条件、试剂浓度和处理时间是影响最终产品的关键因素
结论
本研究成功建立了一种双频超声波辅助的酶法，用于从T. molitor中提取高质量壳聚糖。该方法在温和条件下显著提高了壳聚糖的产量和质量，产物的脱乙酰化程度高、溶解度好、灰分和水分含量低，并增强了抗氧化和抗菌活性。此外，在保持胚芽的大米中，T. molitor壳聚糖同时抑制了脂质氧化和淀粉
CRediT作者贡献声明
Kexin Yi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件应用，数据管理，概念构思。Li Yang：方法学。Yunlong Wu：方法学。Yige Gao：方法学。Simon McKirdy：撰写 – 审稿与编辑。Yujie Lu：撰写 – 审稿与编辑，可视化，监督，资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2023YFC2604903）和国家外国专家项目（H20240219）的支持。
