一种利用蒸汽爆炸和有机酸水解制备几丁质纳米晶体及纳米纤维的绿色化学方法

《International Journal of Biological Macromolecules》：A green chemistry route to chitin nanocrystals and nanofibers using steam explosion and organic acid hydrolysis

本研究采用蒸汽爆炸预处理结合柠檬酸水解，从虾壳废料高效制备壳聚糖纳米晶（25.1%）和纳米纤维（67.3%），实现环保、快速且稳定的表面羧化，促进循环经济。

　　

作者：Soibam Ngasotter、K.A. Martin Xavier、Layana Porayil、Amjad Khansaheb Balange、Binaya Bhusan Nayak、George Ninan 机构：ICAR-Central Institute of Fisheries Education，印度马哈拉施特拉邦孟买，邮编400061

摘要

本研究报道了一种绿色且可持续的方法，通过将蒸汽爆炸预处理与柠檬酸水解相结合，从虾壳壳质中制备壳质纳米晶体（ChNCs）和壳质纳米纤维（ChNFs）。选择柠檬酸作为强矿物酸的环保替代品，因为它对环境的影响较小，并且可以通过旋转蒸发实现回收和再利用，符合循环经济的原则。蒸汽爆炸处理持续30分钟，并重复进行1到5个周期，每个周期都包括快速的压力释放，以研究连续循环对纳米壳质产量和性能的影响。柠檬酸选择性地水解了壳质的无定形区域，经过5个循环后产生了25.1%的ChNCs。剩余部分经过25分钟的超声处理后得到了ChNFs，产率为67.3%。观察到一个反比关系：随着循环次数的增加，ChNC的产量增加（从18.5%增加到25.1%），而ChNF的产量则减少（从72.3%减少到67.3%）。从形态上看，ChNCs呈棒状，长度从第1周期的388.06纳米减少到第5周期的297.17纳米，宽度保持相似（25.55–30.89纳米）；而ChNFs形成了细小的网状结构，宽度从41.20纳米减少到35.07纳米；由于其微米级的长度，无法精确测量。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了羧基的酯化（1718 cm?1），表明羧基化成功，这赋予了负的ζ电位（?42.83至?58.00 mV）并增强了胶体稳定性。X射线衍射（XRD）显示结晶度指数提高，而热重分析（TGA）显示热稳定性相当或有所改善。这种方法提供了一种简便、可扩展且对环境友好的途径来生产功能性壳质纳米材料，支持废物的增值和循环生物经济的发展。

引言

壳质是仅次于纤维素的第二大天然多糖，是一种可再生、可生物降解和生物相容的生物聚合物，主要存在于甲壳类动物、昆虫的外骨骼和真菌细胞壁中[1]。壳质由β-(1→4)-连接的N-乙酰-D-葡糖胺单元组成，具有较高的结晶度和广泛的分子内及分子间氢键，从而赋予其机械强度和化学抗性[1][2]。近年来，基于壳质的纳米材料，特别是壳质纳米晶体（ChNCs）和壳质纳米纤维（ChNFs），由于其独特的纳米尺度尺寸、高长径比、优异的机械性能和功能性表面化学性质而受到越来越多的关注[3][4]。这些纳米结构在生物医学工程、食品包装、水净化、化妆品以及生物复合材料中的增强剂方面具有潜在的应用[5][6][7]。 然而，壳质结晶结构的固有顽固性使其转化为纳米材料变得具有挑战性[8][9]。传统的壳质纳米材料制备方法，如（i）化学方法（强酸水解和氧化处理）和（ii）机械分解，存在多种局限性[10]。化学方法通常涉及苛刻的反应条件、有毒试剂、较长的处理时间以及较低的产量[11]，而机械方法则需要昂贵且能耗高的专用设备[5][10]。此外，这些方法可能导致部分解聚、过度表面氧化或较差的胶体稳定性，从而限制了最终纳米材料的性能并引发环境问题[4][5]。因此，开发一种简单、高效且对环境友好的方法来生产高质量的壳质纳米材料仍然是一个重要的研究重点。 近年来，人们探索了使用可回收溶剂（如深共晶溶剂[DES] [12][13][14]和有机酸，特别是马来酸[12][13][14]）来分离壳质纳米材料的方法。选择绿色溶剂通常基于高产品产量、可调表面化学性质、最小环境影响和试剂可回收性等标准[15]。尽管DES被广泛认为是用于生物质预处理的环保溶剂，但由于其多组分性质，回收较为困难[15]。因此，通常更倾向于使用单一化学系统来分离纳米壳质，因为它简化了水解后的处理过程，特别是溶剂和试剂的回收。 有机酸水解作为一种有前景的方法被用于纳米壳质的分离，因为与传统的矿物酸相比，它具有较低的腐蚀性、非毒性或较低的毒性以及易于回收[16][17][18]。因此，有机酸越来越多地被用作壳质水解的替代品。到目前为止，只有马来酸（一种固态二元羧酸）被用于制备壳质纳米材料[16][17]，包括我们自己使用马来酸结合微波辐照的研究[18]。然而，其他有机酸在壳质纳米材料生产方面的潜力尚未得到充分探索。 柠檬酸是一种天然存在的、无毒的、可生物降解的、价格低廉的弱三元羧酸（pKa ≈ 3.13），广泛应用于食品、制药和其他行业[19]。近年来，它越来越多地被用于制备羧基化纤维素纳米晶体和纳米纤维[20][21][22][23][24][25]。在柠檬酸水解过程中，同时发生两个反应：（i）无定形区域的水解和（ii）通过酯化在纤维素表面引入羧基[21][23]，这增强了亲水性、胶体稳定性和进一步的化学修饰潜力。鉴于纤维素和壳质之间的结构相似性，这种方法也被认为适用于壳质纳米材料的制备。然而，这种方法的主要限制是反应时间相对较长，通常长达6小时[21][23]。 蒸汽爆炸是一种新兴的绿色处理方法，它将生物质暴露在高压饱和蒸汽中，然后迅速减压[26][27]。这种处理破坏了密集的纤维结构，增加了表面积，并提高了后续化学或酶处理的效率[27]。我们的研究小组首次应用蒸汽爆炸预处理结合HCl从虾壳废料中制备ChNCs[28]。当应用于含壳质的生物质时，蒸汽爆炸可以部分破坏氢键并松动晶体堆积，从而提高酸的渗透性并缩短反应时间[28]。因此，将蒸汽爆炸与温和的酸水解结合使用，提供了一种协同且高效的策略来生产壳质纳米材料，同时最小化反应时间。 本研究报道了一种简便且环保的方法，通过将蒸汽爆炸预处理与柠檬酸水解相结合，制备出高产量和优异胶体稳定性的壳质纳米材料。该方法消除了对有害矿物酸的需求，降低了处理强度，并在一步中实现了有效的尺寸减小和表面功能化。该方法不仅可扩展且成本效益高，而且符合可持续处理原则，最小化了环境影响并促进了废物的增值。所得纳米材料在形态、尺寸、结晶度、羧基化程度、热稳定性和分散行为方面进行了表征，展示了其在生物基材料、纳米复合材料和功能性涂层等多种应用中的潜在适用性。 通过将绿色化学原理与高效的机械-化学协同作用相结合，这项工作有助于推进从可再生海洋生物质（虾壳废料）中可持续生产纳米材料的发展，支持向循环生物经济的转变。我们假设，将蒸汽爆炸预处理与柠檬酸水解相结合将通过提高酸的渗透性、减少反应时间和引入羧基功能团，从而协同增强壳质纳米晶体和纳米纤维的生产效率，通过环境可持续的过程获得稳定、高质量的纳米材料。

原材料和化学品

壳质片（超纯级）来自虾壳，平均分子量约为400,000 Da，由Loba Chemie（印度孟买）提供。这些壳质片在研究中无需额外纯化即可使用。无水柠檬酸（CAS: 77-92-9），纯度为99%，购自Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd.（印度马哈拉施特拉邦塔洛贾）。透析管（Dialysis Membrane - 135），分子量截留范围在12,000...

酸的回收

经过1、2、3、4和5个循环后，柠檬酸的回收率分别为92.87±0.46%、92.95±0.37%、91.09±0.75%、86.01±0.69%和86.05±0.61%（图1a）。这些发现表明，随着蒸汽爆炸处理次数的增加，柠檬酸的回收率显著下降（p<0.05）。Ji等人[21]在合成纤维素纳米晶体时观察到，随着水解时间的延长，柠檬酸的回收率降低...

所提出制备过程的优点和局限性

所提出的制备过程相比传统方法具有多个优势。使用温和、无毒且可回收的柠檬酸，消除了对有害矿物酸的需求，符合绿色化学原则。蒸汽爆炸提高了酸的渗透性和结构破坏，使得在相对较短的处理时间内实现有效的水解和表面羧基化，同时保持了壳质的结晶结构...

结论

本研究展示了一种绿色且高效的方法，通过将蒸汽爆炸预处理与柠檬酸水解相结合，随后进行超声处理，从虾壳废料中制备壳质纳米晶体和纳米纤维。该方法实现了有效的尺寸减小、表面羧基化以及电静力胶体稳定性的提高，同时消除了强矿物酸和苛刻的处理过程。连续的蒸汽爆炸循环提高了ChNC的产量和结晶度，而ChNFs...

作者贡献声明

Soibam Ngasotter：撰写——原始草稿、软件使用、方法论设计、实验研究。 K.A. Martin Xavier：撰写——审阅与编辑、监督、概念构思。 Layana Porayil：数据分析、数据管理。 Amjad Khansaheb Balange：数据分析、数据管理。 Binaya Bhusan Nayak：监督、数据分析。 George Ninan：监督、项目管理。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了ChatGPT 5.1来提高英语表达和可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。

资助

无。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢ICAR-CIFE（孟买）和ICAR-CIFT（科钦）的领导们为这项研究提供了必要的设施。同时，也感谢Cochin的Sophisticated Test and Instrumentation Centre (STIC)进行了仪器分析工作。