基于美洲龙虾壳废料提取的粗壳聚糖与鱼明胶复合膜的可持续开发及其在食品包装中的应用

研究人员针对塑料包装污染和海洋废弃物处理难题，创新性地利用美洲龙虾（Homarus americanus）壳废料提取粗壳聚糖（LCh），与鱼皮明胶（Ge）和葵花籽油复合制备生物基薄膜。通过溶剂浇铸法在不同干燥温度（37/60/80 °C）下成膜，结合FT-IR、XRD、TGA等技术证实LCh与Ge的优异相容性。1:1复合膜较纯壳聚糖膜柔韧性提升100.4%，水蒸气渗透率（WVP）降至1.2 g·mm/kPa·h·m2，10%葵花籽油添加使接触角提升至75.9°，显著增强疏水性。该研究为海洋废弃物高值化利用和可降解食品包装开发提供了新策略。

　　

研究背景与意义
全球每年产生超过1亿吨塑料包装废弃物，其中食品包装占比高达40%。与此同时，水产加工业产生的甲壳类废弃物（占原料75%）多被填埋或丢弃，造成严重的环境负担。美洲龙虾（Homarus americanus）作为加拿大东部重要经济物种，其加工产生的壳废料富含甲壳素，但传统纯化壳聚糖（Chitosan）工艺复杂且成本高昂。如何将粗壳聚糖（LCh）直接应用于功能材料，成为解决双重环境问题的关键突破口。

研究机构与方法
加拿大研究团队通过酸-碱法从龙虾壳提取LCh（得率18%），与冷海水鱼皮明胶（Ge）和葵花籽油（10% w/w）复合，采用溶剂浇铸法在37/60/80 °C下干燥成膜。运用FT-IR分析分子相互作用，XRD测定结晶度（CrI），TGA评估热稳定性，并系统测试厚度、溶胀度（DS）、水蒸气渗透率（WVP）及机械性能（TS/EAB/EM）。

研究结果
3.1 粗壳聚糖特性
提取的LCh脱乙酰度（DD）达80.2%，分子量341 kDa，溶解度达97.3%。FT-IR显示其与商业壳聚糖（SCh）结构相似，但粘度更高（708.9 cP vs 401.7 cP），证实未纯化处理的可行性。

3.3 FT-IR光谱
LCh-Ge膜在1639 cm^-1处酰胺I带增强，1537 cm^-1处酰胺II带位移，表明通过-NH₃⁺/-COO^-形成聚电解质复合物（PEC）。油添加引入1741 cm^-1酯基特征峰，高温干燥导致Ge构象改变。

3.4 XRD与结晶度
37 °C干燥的LCh膜显示8.7°/18.8°特征结晶峰，CrI为25.8%。Ge添加使CrI降至18.4%，油复合进一步降至15.2%，表明分子间有序性降低。80 °C干燥使所有薄膜呈无定形结构。

3.5 热稳定性
LCh-Ge膜在286-294 °C出现主降解峰，较纯LCh膜（276-281 °C）更稳定，证实PEC增强热性能。油添加引入420-500 °C第四降解阶段，对应油脂分解。

3.6 水相关特性
LCh-Ge-O膜在80 °C干燥时溶胀度（DS）达75.1%，但水溶性（WS）仅28.9%，显示Ge与油的协同作用。高温干燥使LCh膜WVP从1.82降至1.5 g·mm/kPa·h·m²。

3.8 机械性能
LCh-Ge-O膜在80 °C干燥时断裂伸长率（EAB）达100.4%，弹性模量（EM）仅601 MPa，油分子润滑作用显著。纯LCh膜拉伸强度（TS）最高（62.1 MPa）。

3.9 阻隔性能
LCh-Ge-O膜WVP低至1.2 g·mm/kPa·h·m²，接触角（CA）达75.9°，葵花籽油形成连续疏水网络是主因。

结论与展望
该研究首次证实美洲龙虾壳粗壳聚糖可不经纯化直接用于复合膜制备，1:1 Ge混合与10%油添加使材料兼具柔韧性（EAB>100%）和阻湿性（WVP降低34%）。80 °C干燥工艺可缩短生产周期且提升性能，为规模化生产提供指导。未来需优化抗菌活性并评估实际食品包装场景适用性。成果发表于《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》，为海洋废弃物增值和塑料替代开辟了新路径。