冷等离子辅助加工：一种从蟹壳中制备高质量壳聚糖的可持续方法

《Carbohydrate Polymers》：Cold plasma-assisted processing: A sustainable route to high-quality chitosan from crab shells

通过大气压等离子体预处理提升蟹壳提取壳聚糖脱乙酰化效率及结构性能，等离子体选择性蚀刻无定形区域并削弱糖苷键，降低传质阻力，使脱乙酰化度达65-74%，结晶度提升至31.18%，热稳定性增强，抗菌抑菌圈扩大至14.16-14.57mm。等离子体预处理为绿色化学工艺提供新范式。

　　

蔡志成|卢建峰|李强|韩青丽|宋媛|林琳|王成辉|郑斌|毛向钊|薛长虎

中国科学技术大学食品与生物工程学院生物过程工程研究中心，合肥，中国

摘要

传统的壳聚糖生产过程包括壳聚糖的提取和脱乙酰化，这一过程依赖于强碱化学处理，这引发了安全和可持续性的担忧。本研究提出了一种常压等离子体预处理策略，以提高从蟹壳中提取的壳聚糖在碱性脱乙酰化过程中的脱乙酰化效率和结构质量。通过傅里叶变换红外光谱、质子核磁共振、X射线衍射、差示扫描量热法、热重分析、扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱和分子量分析等综合表征方法发现，等离子体能够选择性地蚀刻非晶区域并削弱糖苷键，从而提高脱乙酰化过程中的传质效率。在40–50%的NaOH条件下，经过等离子体处理的样品的脱乙酰化程度（PAW后处理：65–74%）明显高于传统化学方法（58–67%），同时结晶度也得到提高（最高达到31.18%），热稳定性也得到增强。这些分子和界面改性共同提升了壳聚糖的抗菌性能，其对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的抑制圈分别扩大到了14.57±0.45毫米和14.16±0.06毫米。总体而言，等离子体预处理是一种环境友好且对壳聚糖结构有益的处理方法。

引言

全球渔业加工每年产生数百万吨生物质废弃物，其中甲壳类动物的外骨骼占总量的30–70%。这些废弃物富含壳聚糖，它是仅次于纤维素的第二大天然多糖（Amiri等人，2022年）。然而，壳聚糖强烈的氢键网络和密集的超分子堆积导致其溶解性较差，反应位点的可及性有限，极大地限制了其高价值利用（Bai等人，2022年）。为了克服这些限制，工业上通常采用高温碱性脱乙酰化（例如NaOH）将壳聚糖转化为其水溶性衍生物——壳聚糖。这一过程在聚合物主链上引入了大量的自由氨基，使壳聚糖从中性多糖转变为唯一的天然阳离子多糖（在酸性介质中）。这种结构变化使得壳聚糖在稀酸中更易溶解，并赋予其广谱抗菌活性、优异的生物相容性和高的絮凝效率，从而支持其在药物递送、智能食品包装和环境修复等领域的广泛应用（Zhou等人，2025年）。

壳聚糖的功能性能很大程度上取决于其脱乙酰化程度（DD），这直接决定了聚合物链上自由氨基的密度。因此，DD调节了其电荷分布、分子构象、结晶度和分子间相互作用。随着DD的增加，质子化氨基（–NH??）的比例增加，从而提高了在酸性介质中的溶解度，并通过静电排斥作用削弱了链间的氢键网络（Kou等人，2022年）。例如，高DD的壳聚糖由于正电荷增强，与细菌膜中的负电荷成分具有更强的相互作用，导致膜电位破坏、结构损伤和有效的抗菌活性（Li等人，2016年）。同样，高DD壳聚糖丰富的氨基可以用作螯合重金属离子（如Cu2?、Pb2?和Cd2?）的位点，其质子化氨基还可以静电吸附阴离子污染物（如磷酸盐和硝酸盐）（Habiba等人，2017年；Su等人，2024年）。由于DD决定了氨基的丰度和化学状态，它成为控制壳聚糖功能特性的关键参数。精确控制其DD对于优化其性能至关重要。

目前，工业壳聚糖生产主要依赖于在高温（>100°C）和高浓度碱性溶液（40–50% NaOH）下进行的化学脱乙酰化，这一过程常常会导致链断裂并降低结晶度（Lu等人，2022年）。虽然存在更环保的替代方法（如微生物发酵、酶催化和深共晶溶剂系统），但它们在效率或可扩展性方面面临挑战（Werner等人，2024年）。值得注意的是，冷等离子体技术在壳聚糖和壳聚糖处理中展现出了多种潜力。现有研究主要集中在使用介质阻挡放电或等离子体射流直接处理壳聚糖产品，以改善其表面亲水性、抗菌性能或制备复合薄膜（Afrose等人，2025年；Chen等人，2023年）。同时，作为新兴的液相处理介质，等离子体活化水已被证明能有效破坏壳聚糖的晶体结构并促进其酶促水解，这得益于其强大的氧化性能（Chen、Guo等人，2025年；He等人，2024年）。此外，多项研究表明，冷等离子体或等离子体-液体系统可以诱导壳聚糖和壳聚糖基质的控制氧化、分子量降低以及晶体区域的部分破坏，从而改变其物理化学和生物性质（Kamalov等人，2024年；Liu等人，2023年）。然而，尚未系统研究使用PAW作为预处理剂，通过其产生的活性物种选择性地修饰原始壳聚糖的体相结构，从而在较温和的碱性条件下强化后续的化学脱乙酰化反应并提高产品的整体性能。

基于以上考虑，我们提出以下假设：冷等离子体辅助的化学提取可以有效提高从蟹壳中提取的壳聚糖的脱乙酰化程度。为了验证这一假设，我们开发了一种绿色且实用的方法，将冷等离子体预处理与传统的碱性提取相结合，以在较温和的碱性环境中生产出与高浓度碱处理相当的纯度壳聚糖。所提出的策略利用了冷等离子体在超分子尺度上对蟹壳材料表面进行改性的能力，从而改变其物理化学结构。通过表面形态、结晶度、分子量和热稳定性的定量变化来评估这一机制的有效性。我们提出的方法有望克服传统化学处理的脱乙酰化限制，并为利用外部物理场定制壳聚糖的结构和性能开辟新的途径。

材料

中国绒螯蟹（Eriocheir sinensis）的壳由安徽富恩食品科技有限公司提供。蟹壳经过清洗和烘干后用于后续处理。盐酸（36–38%）购自中国医药集团试剂有限公司。氢氧化钠（≥96%）、过氧化氢溶液（6%）以及纯度为50%、70%、80%、90%和≥95%的商业壳聚糖标准品购自上海麦克林生化科技有限公司。

从蟹壳中提取的壳聚糖的物理化学性质

傅里叶变换红外光谱提供了关于蟹壳成分化学结构的重要信息（图S1）。在蟹壳粉末中，875 cm?1和1412 cm?1处的特征吸收峰分别对应于CO?2?的垂直弯曲振动和不对称伸缩振动，表明碳酸钙主要以方解石晶体的形式存在。1650 cm?1处的吸收带来自酰胺I振动（C-O伸缩）。

结论

本研究证实，冷等离子体预处理是一种有效的壳聚糖转化策略，同时有可能减少对环境的影响。等离子体产生的活性物种形成了蚀刻多孔的表面形态，并削弱了糖苷键，从而降低了传质阻力，提高了脱乙酰化程度、结晶度和热稳定性。表面分析显示，等离子体处理增加了氧化作用。

CRediT作者贡献声明

蔡志成：撰写——初稿，数据整理，概念构思。 卢建峰：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金筹集。 李强：实验研究，数据分析。 韩青丽：方法学研究，实验研究。 宋媛：方法学研究，数据分析。 林琳：验证，数据分析，概念构思。 王成辉：方法学研究，实验研究。 郑斌：项目管理，资金筹集。 毛向钊：验证，方法学研究。

未引用的参考文献

Saberi Riseh, Vatankhah, Hassanisaadi and Kennedy, 2023

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家关键研发计划（2023YFD2401500）的财政支持。此外，还得到了教育部生物过程工程研究中心、中央高校基本科研业务费（项目编号：PA2023GDGP0040、PA2024GDGP0037和PA2025GDGP0026）、中国农业研究系统（CARS-48）以及安徽省农业研究系统（AARS-08）的财政支持。