非热等离子体辅助酶解技术调控细菌纳米纤维素结构的创新研究及其可持续应用

为解决传统纤维素纳米结构制备方法的环境污染和效率低下问题，研究人员采用非热等离子体(NTP)辅助酶解技术对细菌纤维素(BC)进行结构改性，通过优化水解条件(50 U/g BC，20 g/L)获得高回收率(78%)的均质纳米纤维素(BNC3)。该研究通过AFM/cryo-TEM证实了纤维解聚效应，XRD显示结晶度降低与熔融温度下降相关，为绿色制备高性能纤维素纳米复合材料提供了新策略。

　　

随着环保材料需求激增，细菌纤维素(BC)因其高纯度、优异力学性能和生物相容性成为植物纤维素的理想替代品。然而传统酸解法存在强腐蚀性、低产率等问题，而单纯酶解技术又面临反应速率慢、产物不均一等挑战。如何通过绿色方法精准调控BC纳米结构，成为生物材料领域亟待突破的瓶颈。

雅典农业大学食品科学与人类营养系的研究团队创新性地将非热等离子体(NTP)技术与酶解工艺耦合，在《Biomacromolecules》发表的研究中系统探索了BC结构改性策略。通过比较三种处理方式——常规酶解(BNC1)、等离子体活化水(PAW)辅助酶解(BNC2)和等离子体预处理后酶解(BNC3)，发现NTP产生的活性氧氮物种(RONS)能有效削弱纤维素氢键网络，使BNC3产率显著提升至78%，同时保持纤维的纳米级结构完整性。

研究采用等离子体气泡反应器生成DBD放电，结合原子力显微镜(AFM)和冷冻透射电镜(cryo-TEM)表征纤维形貌，X射线衍射(XRD)分析结晶度变化，差示扫描量热法(DSC)检测热力学性能。关键发现包括：

酶活与底物浓度对BC水解的影响

优化条件(50 U/g, 20 g/L)下BNC1产率达51.2%，纤维直径降至7.4±1.8 nm。高浓度(30 g/L)会导致酶分布不均，形成未水解大片段。

不同NTP策略的水解特性

PAW主要起pH调节作用(pH 1.9→5.0)，而直接等离子体预处理(BC-PT)使纤维宽度从17.7 nm降至10.3 nm，自由基攻击β-1,4-糖苷键促进后续酶解。

AFM与cryo-TEM结构解析

BNC3形成长径比>80的扭曲纳米纤维(0.74±0.17 μm×7.4±2.0 nm)，等离子体与酶协同作用使原纤维解离更彻底。

结晶度与热稳定性变化

XRD显示BNC3结晶度指数(CrI)从76%降至65%，DSC检测到熔融温度(T_m)从117.5°C骤降至68°C，证实有序结构破坏增强了材料可加工性。

该研究开创性地证明等离子体-酶协同策略可精准调控纤维素纳米结构：短寿命自由基(·OH/O^2-)破坏结晶区，长寿命物种(NO₃^-/H₂O₂)维持反应环境稳定。相比传统方法，该技术避免强酸使用，产物均一性显著提升，为生物医用材料、食品包装等领域提供了可规模化应用的绿色制备方案。特别是BNC3展现的高比表面积和可控结晶度，为设计兼具力学强度与降解性能的智能复合材料开辟了新途径。