基于响应面法的虾壳废弃物高压辅助脱乙酰工艺多目标优化及其高性能壳聚糖制备研究

本研究针对壳聚糖生产过程中脱乙酰度(DD)与产率难以兼顾的难题，采用高压辅助结合响应面法(RSM)优化虾壳废弃物转化工艺。通过Box-Behnken设计系统调控NaOH浓度、温度等参数，在45分钟内获得DD 83.3%、产率85%的高结晶度壳聚糖(79.9% CrI)，其机械强度(48.7 MPa)和抗菌活性显著优于商业样品，为生物医学和食品包装领域提供了高效可持续的制备方案。

　　

在生物材料领域，壳聚糖因其独特的生物相容性和抗菌特性备受关注，但其工业化生产长期面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境——传统工艺要实现高脱乙酰度(DD>90%)往往需要长达24小时的强碱处理，导致聚合物链断裂、产率骤降至50%以下。这种效率瓶颈严重制约了壳聚糖在伤口敷料、药物载体等高端领域的应用。更棘手的是，现有研究多聚焦单一指标优化，鲜有能平衡DD、产率与能耗的系统性解决方案。

针对这一挑战，来自印度尼西亚东爪哇省玛琅市当地机构的研究团队在《Results in Engineering》发表创新成果。他们巧妙利用高压灭菌器创造高温高压环境，将反应时间压缩至45分钟，同时引入响应面法(RSM)进行多目标优化，最终获得性能超越商业产品的壳聚糖。这项研究不仅解决了产率与质量不可兼得的行业痛点，更开创了虾壳废弃物高值化利用的新范式。

研究采用Box-Behnken实验设计，通过FTIR光谱和酸碱滴定测定DD，XRD分析结晶结构，TGA评估热稳定性，并结合拉伸测试和抑菌圈实验全面表征材料性能。关键创新在于将高压灭菌器(15 psi)与四因素三水平RSM相结合，首次系统量化了NaOH浓度(20-80%)、温度(75-125°C)、时间(15-45分钟)和固液比(5:1-20:1)的交互效应。

【优化结果】
通过27组实验构建的二次多项式模型显示：80% NaOH与91.2°C的组合使DD提升83.3%，而20:1的固液比保障了85%的高产率。与传统方法相比，高压辅助使反应速率提升6倍，且避免了两步法造成的分子量损失。

【材料表征】
XRD显示优化样品结晶度达79.9%，较商业产品(75.9%)更高；FTIR证实其O-H键红移至3278 cm^-1，揭示更强的氢键网络。这种有序结构赋予材料48.7 MPa的拉伸强度，比对照品高10%，同时热分解温度提升4.1°C。

【功能验证】
抗菌实验显示，优化样品对金黄色葡萄球菌(S. aureus)和大肠杆菌(E. coli)的抑菌圈分别达8.82±0.54 mm和10.21±0.36 mm，较商业样品提高18%和17%。SEM观察到其表面结构更致密，印证了结晶度与功能性的正相关性。

这项研究的意义在于三方面突破：工艺上首次实现高压辅助单步法制备高性能壳聚糖，时间能耗降低80%；理论上阐明温度与碱浓度的协同效应，为分子设计提供新思路；应用上产出兼具高DD、高产率和增强功能的材料，满足医疗器械等场景的严苛要求。研究者特别指出，该方法可直接对接现有虾类加工产业链，每吨废弃物可多创收约300美元，兼具经济与环保价值。未来通过耦合酶处理或深共熔溶剂(DES)，有望进一步降低NaOH用量，推动绿色制造升级。