《Polymers》：Bioactive Chitosan Films from Shrimp and Crab Shells: Physicochemical and Functional Properties Associated with Biological Source and Processing History
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壳聚糖膜是食品相关应用中颇具前景的材料，但其性能取决于聚合物的特性。本研究比较了化学–微生物法提取的虾源壳聚糖（CM-Shr）和蟹源壳聚糖（CM-Crb）、化学法提取的蟹源壳聚糖（Ch-Crb）以及高分子量（Ref-H）和低分子量（Ref-L）参
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壳聚糖膜是食品相关应用中颇具前景的材料，但其性能取决于聚合物的特性。本研究比较了化学–微生物法提取的虾源壳聚糖（CM-Shr）和蟹源壳聚糖（CM-Crb）、化学法提取的蟹源壳聚糖（Ch-Crb）以及高分子量（Ref-H）和低分子量（Ref-L）参比壳聚糖所制备的膜。膜采用1.5%（w/v）壳聚糖溶于1%（v/v）乙酸、并以甘油（相对于干壳聚糖质量的30%，w/w）作为增塑剂制备。研究人员对壳聚糖进行了脱乙酰度（DDA）、分子量（MW）、水分、灰分、总氮含量及衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）表征；对膜则评估了热性能、形态、水合行为、力学性能、光学性能及抗菌性能。ATR-FTIR结果表明，各壳聚糖在氨基、残余N-乙酰基及氢键环境方面存在差异。在15 min时，CM-Crb和Ch-Crb的表观吸水率（分别为34.5 ± 1.2%和32.6 ± 0.7%）低于Ref-H（51.8 ± 1.9%）。在1.5%（w/v）浓度下，超出6 mm膜片直径的抗菌抑制区未出现；而在成膜液中壳聚糖浓度为3.0–4.5%（w/v）时，抗菌抑制区主要见于CM-Crb和Ch-Crb。CM-Crb表现出52.1 ± 4.3 MPa的拉伸强度（TS）、最高的断裂伸长率（EAB，3.7 ± 0.3%）以及在340 nm处35%的紫外线（UV）阻隔率。膜的性能与起始壳聚糖的理化特征及加工历史相关联。
论文解读
一、研究背景与研究意义
石油基塑料包装对环境造成的日益加剧的影响，推动了人们对来源于可再生资源的可生物降解聚合物的关注。壳聚糖（chitosan）是由甲壳素（chitin）部分脱乙酰化得到的氨基多糖，因其可生物降解性、成膜能力及抗菌性能而备受关注。甲壳素存在于甲壳类动物外壳、昆虫外骨骼和真菌细胞壁中，从食品加工残渣中回收甲壳素，为将未充分利用的生物质转化为高分子材料提供了途径。
2022年全球水产养殖甲壳类动物产量达到1280万吨，产生了大量的壳和头胸甲残渣。这些材料含有甲壳素以及蛋白质、矿物质、色素等成分，因此是甲壳素和壳聚糖回收的重要原料来源。
目前壳聚糖的提取技术中，常规化学提取法通常涉及酸法脱矿、碱法脱蛋白和脱乙酰化，因其效率高、加工时间相对较短而被广泛采用。然而，剧烈的酸性和碱性条件可能导致聚合物链降解、降低分子量，同时阻碍蛋白质和矿物质组分的回收利用，并产生化学负荷废水。相比之下，基于微生物发酵和/或酶处理的生物提取法被探索作为特定加工阶段（尤其是脱蛋白）的替代方案，有潜力降低这些阶段化学处理的强度。然而，在保留常规碱性脱乙酰化的混合方法中，这种潜在降低是部分的，且较长的加工时间和过程控制要求仍是重要限制。
尽管不同生物来源和提取工艺的壳聚糖膜已被广泛研究，但不同研究之间难以直接比较，因为研究在生物来源、提取条件、分子特性、增塑剂含量、膜厚度和干燥条件等方面存在差异。因此，膜性能的差异难以归因于单一材料特性。虽然分子量和脱乙酰度对壳聚糖性能的影响已有研究，但在标准化配方条件下，不同生物来源和提取方法的壳聚糖的理化特征与其膜性能之间的关系仍需进一步研究。
二、研究内容与主要结论
本研究旨在标准化成膜框架内，比较生物来源、加工历史和分子特性不同的壳聚糖所制备膜的理化及功能特性。具体而言，研究人员将化学–微生物法提取的虾源和蟹源壳聚糖与化学法提取的蟹源壳聚糖及商业参比壳聚糖进行了比较，从表面形态、热行为、表观吸水率、力学性能、光学性能和抗菌活性等方面对所得膜进行了评估，以考察起始壳聚糖理化特征的差异如何与膜性能相关联。
研究结果表明，在标准化成膜条件下，生物来源、提取方式、脱乙酰度和分子量不同的壳聚糖产生了结构和功能特征各异的膜。CM-Crb和Ch-Crb虽然均来源于蟹且分子量相近（约100 kDa），但表现出不同的ATR-FTIR谱图特征和显著不同的断裂伸长率，支持了链长以外的分子特征对膜行为的贡献。抗菌抑制区主要见于蟹源CM-Crb和Ch-Crb膜，且随壳聚糖浓度增加而增强，而CM-Shr、Ref-H和Ref-L在测试条件下未检测到超出膜片直径的抑制区。CM-Crb兼具较高的拉伸强度（52.1 ± 4.3 MPa）和最高的断裂伸长率（3.7 ± 0.3%），并在340 nm处表现出最高的紫外线阻隔率（35%）。
该研究的重要意义在于：混合化学–微生物提取方法能够提供具有功能性力学和抗菌性能的成膜壳聚糖，支持其作为甲壳类残渣资源化利用的替代途径的潜力。研究结果强调了在设计生物活性膜时，需综合考虑起始壳聚糖的整体理化特征及配方条件。
三、主要关键技术方法
研究人员采用了以下关键技术方法开展研究：其一，采用混合化学–微生物提取法（hybrid chemical–microbiological extraction）和常规化学提取法（conventional chemical extraction）制备实验用壳聚糖，其中混合法以化学法脱矿、微生物法脱蛋白，随后经化学碱法脱乙酰化；其二，通过酸–碱滴定法测定脱乙酰度（DDA），采用乌氏黏度计稀溶液毛细管黏度法结合Mark–Houwink方程计算黏均分子量（MW）；其三，利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）表征壳聚糖的化学环境差异；其四，采用溶剂浇铸法（solvent-casting）制备壳聚糖膜；其五，运用热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）、磷酸盐缓冲液浸泡法、琼脂盘扩散法（agar disk-diffusion assay）、万能试验机和紫外–可见分光光度计分别评估膜的热稳定性、表面形态、表观吸水率、抗菌活性、力学性能和光学性能。实验用壳聚糖来源于虾（Litopenaeus vannamei）和蟹（Callinectes bellicosus）加工残渣，商业参比壳聚糖购自Sigma-Aldrich。
四、研究结果
4.1 起始壳聚糖的表征
实验制备的壳聚糖在脱乙酰度上存在差异，但分子量相对接近（约100–110 kDa），灰分含量均低于1%，总氮含量为6.5–6.9%（干基），水分含量为6.6–6.9%。ATR-FTIR分析表明，各壳聚糖在氨基、残余N-乙酰基及氢键环境方面存在差异，特别是在约1590–1550 cm?1和约1320 cm?1区域。CM-Crb和Ch-Crb虽然分子量相近且均来源于蟹，但谱图特征不同，表明相近的平均分子量并不一定意味着等效的分子相互作用或功能行为。
4.2 热重分析
TGA分析识别出四个主要热事件。第一热事件（78.2–86.4 °C）主要归因于水分蒸发，质量损失为8.5–10.7%；第二热事件（187.5–198.3 °C）被视为增塑壳聚糖基质内的中间热事件，质量损失为13.4–18.1%；主降解阶段发生在252.8–272.6 °C，质量损失为36.5–39.9%，其中Ref-H的降解温度最高（272.6 °C），其次为CM-Shr（264.1 °C）、CM-Crb（253.0 °C）和Ch-Crb（252.8 °C）；第四热事件与残余组分的氧化分解有关，CM-Crb表现出673.6 °C的降解温度。
4.3 扫描电子显微镜
SEM分析显示，CM-Shr表现出最均匀致密的表面，无明显裂纹，表观孔隙率较低；CM-Crb呈现更不均匀和多孔的表面，表观孔径约为0.5–2.5 μm；Ch-Crb表面存在约1–2 μm的颗粒或聚集体状结构；Ref-H则呈现约1–3 μm的较大表面特征以及约3.5 μm的孔隙。值得注意的是，CM-Crb表观孔隙率最明显，但其表观吸水率并未相应增高，表明水吸收并非仅由可见表面特征决定。
4.4 表观吸水行为
在15 min时，膜类型对表观吸水率有显著影响（F = 125.23，p < 0.001）。Tukey HSD检验将膜分为三组：Ref-H表观吸水率最高（51.8 ± 1.9%）；Ref-L（42.4 ± 1.5%）和CM-Shr（40.7 ± 1.0%）为第二组；CM-Crb（34.5 ± 1.2%）和Ch-Crb（32.6 ± 0.7%）最低。随浸泡时间延长，表观吸水率逐渐下降，可能与水合膜基质的变化及可溶性组分的潜在损失有关。
4.5 抗菌性能
琼脂盘扩散法测定结果显示，1.5%（w/v）浓度下所有膜均未产生超出6 mm膜片直径的抑制区。在3.0%（w/v）浓度下，CM-Crb对三种菌株均表现出抑制，Ch-Crb对鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌表现出抑制。在4.5%（w/v）浓度下，两种蟹源膜对全部三种菌株均表现出可检测的抑制。CM-Shr、Ref-H和Ref-L在所有浓度和菌株下均未检测到抑制。抗菌抑制区主要与蟹源壳聚糖相关，且随浓度增加而增强。
4.6 力学性能
拉伸强度在各配方间差异显著（p = 0.0198），范围从Ch-Crb的37.6 ± 6.6 MPa到Ref-H的56.4 ± 7.2 MPa，但Tukey HSD检验仅识别出Ref-H与Ch-Crb之间的显著差异。断裂伸长率差异显著（p = 0.0047），CM-Crb最高（3.7 ± 0.3%），显著高于CM-Shr（2.3 ± 0.4%）、Ch-Crb（2.5 ± 0.4%）和Ref-L（2.5 ± 0.2%）。杨氏模量总体效应显著（p = 0.0350），但未识别出显著的配对差异。
4.7 光学性能
总透光率范围为84.8–89.8%，CM-Shr最高（89.8%）。在340 nm处，CM-Crb表现出最高的紫外线阻隔率（35%），而CM-Shr和Ch-Crb为18%，Ref-H为17%。CM-Crb结合了88.4%的总透光率和最高的紫外线衰减能力，且呈现淡褐色调。
五、讨论与结论
讨论部分指出，本研究实验设计并非全因子设计，无法分离生物来源、提取方式、分子量和脱乙酰度的独立效应。尽管所有膜均在标准化条件下制备和评估，但这些特征在部分起始壳聚糖中同时变化。研究人员强调，观察到的膜性能差异应被解释为与所评估壳聚糖的整体理化特征相关，而非归因于任何单一材料因素。未来研究应通过系统控制且更全面表征的壳聚糖，来确定各因素对膜性能的独立贡献和可能的交互作用。
研究结论表明，在标准化成膜条件下，生物来源、提取方式、脱乙酰度和分子量不同的壳聚糖产生了结构和功能特征各异的膜。CM-Crb和Ch-Crb虽均来源于蟹且分子量相近，但ATR-FTIR谱图不同且断裂伸长率差异显著，支持链长以外的分子特征对膜行为的贡献。抗菌抑制主要见于蟹源CM-Crb和Ch-Crb膜，且随壳聚糖浓度增加而增强。CM-Crb兼具较高的拉伸强度（52.1 ± 4.3 MPa）、最高的断裂伸长率（3.7 ± 0.3%）和最高的340 nm紫外线阻隔率（35%）。混合化学–微生物提取方法提供了具有功能性力学和抗菌性能的成膜壳聚糖，支持其作为甲壳类残渣资源化利用替代途径的潜力，但其相对于常规化学提取的经济性和规模化优势仍有待评估。未来研究应补充活菌计数方法、评估水蒸气和氧气渗透性等关键阻隔性能，并结合迁移和安全性评估及实际食品体系中的性能评价，以明确这些膜在食品包装应用中的潜力。
