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小龙虾是我国水产行业重要的经济养殖品种,其加工或食用后产生的虾壳废弃物中含有大量甲壳素。甲壳素及其衍生物壳聚糖被广泛应用于食品、生物、材料等领域,从虾壳中分离提取甲壳素是对其进行开发利用的基础。微波凭借其高效、节能、环保等特点已被广泛应用于生物质的提取、纯化和解聚过程。本研究以相同升温速率下的水浴加热为对照,考察微波对提取小龙虾虾壳中的甲壳素,以及进一步制备壳聚糖的影响,挖掘微波引发上述反应差异的机制,并进一步研究微波协同氧化石墨烯(GO)催化解聚甲壳素和壳聚糖,为含氮生物质的解聚提供了一种绿色新途径。主要研究内容及结果如下:(1)微波对小龙虾虾壳提取甲壳素的影响机制通过考察提取甲壳素反应体系的介电特性,发现固液混合后反应体系呈现高介电响应,适宜采用微波加热。其中,脱钙和脱蛋白质反应体系在2450 MHz处的损耗角正切分别为4.06和3.90,均可有效吸收微波能并转化为热能。在相同的升温速率下,探究了不同时间内微波与传统水浴加热对提取甲壳素品质的影响。结果表明,微波辅助提取的甲壳素具有更高的脱钙率(88.85%)和脱蛋白率(82.96%)。扫描电子显微镜(SEM)结果发现,与水浴加热相比,微波辅助提取的甲壳素表面纤维结构更加细密,表明在相同的温度条件下,微波加热能够有效加快甲壳素提取过程的反应速率。(2)微波对甲壳素制备壳聚糖的影响机制使用微波提取的甲壳素进一步制备壳聚糖,探究在相同升温速率下传统水浴和微波加热对制备壳聚糖品质的影响。脱乙酰基反应进行至10 min时,微波辅助制备的壳聚糖(MCS)的脱乙酰度(DD)可达到59.34%,远高于水浴辅助制备壳聚糖(WCS)的DD(38.08%),对应的SEM图中也可观察到MCS比WCS呈现更多的孔隙和纤维断裂。反应60 min后,微波辅助的脱乙酰反应基本完成,相较于WCS,MCS始终具有更低的分子量和黏度。当反应时间为240 min时,MCS和WCS的DD接近,而X-射线衍射图谱的结果显示MCS的结晶度(28.74%)略高于WCS(27.45%),说明微波加热不仅可以加速脱乙酰基初期的反应速率,还能促进脱乙酰反应整体的均匀性和彻底性。(3)微波协同GO解聚甲壳素和壳聚糖的研究以微波辅助提取的甲壳素及制备的壳聚糖为研究对象,考察微波场下固体催化剂GO和石墨烯(GR)对这两种聚合物的解聚作用。实验结果表明,GO和GR不同程度地提高了反应体系介电特性,显著提高升温速率。壳聚糖解聚程度远高于甲壳素,其中GO催化甲壳素和壳聚糖解聚产物中总有机碳含量分别为77.55 mg/L和694.70 mg/L。无催化剂和以GR为催化剂的解聚产物中无还原糖,GO催化解聚壳聚糖的反应中总还原糖含量为37.22 mg/L,表明GO可以协同微波催化解聚壳聚糖生成单糖,根据GO和GR催化能力的差异,可以推断出含氧官能团对于糖链的断裂起关键作用。此外,甲壳素和壳聚糖解聚程度的差异,可归因于甲壳素分子内和分子间的氢键作用较壳聚糖更强,因此去结晶化以弱化氢键作用对于解聚反应的进行具有重要意义。