《New Biotechnology》：Sustainable synthesis of chitosan-grafted microcrystalline cellulose derived from jute and shrimp shells via polycondensation reaction
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本研究针对微晶纤维素(MCC)在聚合物基质中易团聚、界面相容性差的问题，通过缩聚反应将壳聚糖(CS)接枝到黄麻/虾壳衍生的MCC表面。结果表明CS-g-MCC形成共价键连接，热稳定性提升15-20%，结晶度降低且表面形貌粗糙化，为生物可降解复合材料在包装、生物医学等领域的应用提供新策略。
随着塑料污染问题日益严重，开发可生物降解的高性能生物复合材料成为研究热点。微晶纤维素(MCC)作为天然可再生增强剂，因其高结晶度、机械强度和生物相容性受到广泛关注。然而，MCC分子链上大量羟基形成的强氢键网络，容易导致纤维间发生凝胶状聚集，这不仅影响其在聚合物基质中的均匀分散，还会削弱复合材料的界面粘结力。此外，MCC本身缺乏抗菌性能，在有机溶剂中溶解度低，且热分解温度较低（约200°C以上），这些局限性限制了其在高端领域的应用。
与此同时，从虾蟹等甲壳类动物外壳中提取的壳聚糖(CS)是一种阳离子多糖，具有优异的抗菌、抗氧化和重金属吸附性能。但CS的机械强度较差（拉伸强度约40-60 MPa），且在pH值高于6.5时溶解性显著下降。如何将MCC和CS的优势相结合，制备出性能互补的新型生物材料，成为研究人员面临的重要挑战。
在这项发表于《New Biotechnology》的研究中，来自伊斯兰大学的研究团队开发了一种可持续的合成方法，通过缩聚反应将CS接枝到黄麻纤维衍生的MCC上。该研究利用农业废弃物（黄麻）和水产加工副产品（虾壳）作为原料，符合循环经济原则，为高附加值生物材料的开发提供了新思路。
研究人员采用了几项关键技术方法：从黄麻纤维中提取α-纤维素并通过酸水解制备MCC；从虾壳中通过脱矿质、脱蛋白和脱乙酰化等步骤提取CS；在甲苯溶剂中通过缩聚反应进行接枝改性，使用对甲苯磺酸(p-TSA)作催化剂、过硫酸钾(KPS)作引发剂；通过FTIR、WXRD、SEM、TGA和EDX等技术对产物进行系统表征。
FTIR光谱分析证实成功接枝
通过比较α-纤维素、MCC、CS和CS-g-MCC的红外光谱，研究人员发现了确凿的接枝证据。在CS-g-MCC谱图中，3446 cm-1处的O-H伸缩振动峰明显变宽，2898 cm-1处的C-H伸缩振动峰以及1643 cm-1处的N-H弯曲振动和C=O伸缩振动峰都发生了显著变化。这些变化表明MCC的羟基与CS的氨基/羟基之间形成了氢键相互作用，证实了CS成功接枝到MCC表面。
结晶结构变化揭示接枝机制
X射线衍射分析显示，接枝反应显著改变了材料的结晶结构。原始的MCC在2θ=22°处显示出强烈的结晶衍射峰，而CS在2θ=10°和20°处有特征衍射峰。然而，CS-g-MCC的衍射图谱中这些特征峰消失，取而代之的是15-25°范围内的宽化衍射峰，表明接枝过程中CS和MCC的结晶有序结构都被破坏，形成了更为无定形的复合材料。
热稳定性显著提升
热重分析结果表明，CS接枝显著提高了MCC的热稳定性。CS-g-MCC的起始分解温度比纯MCC提高了15-20%，在260-360°C和370-600°C两个温度区间表现出不同的分解行为，分别对应纤维素链和接枝的CS链的降解。通过Kissinger-Akahira-Sunose方法计算的活化能显示，CS-g-MCC的热活化能(34.25 kJ·mol--1)高于MCC(32.65 kJ·mol-1)和CS(32.82 kJ·mol-1)，表明接枝后材料需要更高的能量才能开始热分解，热稳定性明显增强。
表面形貌和元素组成变化
扫描电镜观察发现，接枝后MCC的表面形貌从光滑变为粗糙不均匀，呈现出明显的异质结构。EDX元素分析进一步证实了接枝的成功进行——纯MCC仅含碳(48.64%)和氧(51.36%)，而CS-g-MCC中出现了5.22%的氮元素，这是CS的特征元素。碳含量略微下降至45.94%，氧含量降至48.84%，这种元素组成变化表明CS通过共价键合方式接枝到了MCC骨架上。
这项研究成功开发了一种绿色高效的接枝改性方法，解决了MCC在聚合物复合材料中分散性和界面相容性差的关键问题。CS-g-MCC结合了MCC的增强性能和CS的功能特性，在保持生物可降解性的同时，提高了热稳定性和界面结合能力。该材料在环保包装、生物医学支架、吸附剂等领域具有广阔应用前景，为农业和水产加工废弃物的高值化利用提供了技术支撑，符合可持续发展理念。未来研究可进一步探索CS-g-MCC在不同聚合物基质中的复合性能及其在实际应用中的表现。
