《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》：Honeybee (
Apis mellifera) as a Source of Chitosan to Enhance Mechanical Properties of Moulded Pulp Egg Boxes
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本研究针对模塑纸浆包装机械性能不足和传统合成添加剂不可持续的问题，创新性地利用冬季蜂群损失产生的蜜蜂尸体作为壳聚糖来源，开发出性能优异的纸浆增强添加剂。研究结果表明，蜜蜂源壳聚糖(BC)能显著提升蛋盒的干态拉伸指数(27.92±1.37 N·m·g-1)和湿态断裂伸长率(2.98±0.21%)，其防水性能(接触角110°维持10分钟)优于甲壳类源壳聚糖，为可持续包装材料开发提供了新思路。
随着全球对塑料污染问题的日益关注，食品包装行业正积极寻求可持续的纸基替代方案。模塑纸浆作为一种可生物降解的环保材料，在蛋类、水果等农产品包装中展现出巨大应用潜力。然而，其广泛推广面临一个关键瓶颈：纤维素材料固有的亲水性导致防潮性能较差，在潮湿环境中容易软化变形，影响对内容物的保护效果。目前工业界主要依赖合成聚合物添加剂来改善这一缺陷，包括作为湿强剂的聚酰胺表氯醇(PAE)、絮凝剂的阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)以及疏水剂的烷基烯酮二聚体(AKD)等。这些石油基化学品虽然有效，但违背了可持续发展的初衷，且可能对食品接触安全构成潜在风险。
在此背景下，天然高分子材料壳聚糖(chitosan)因其生物可降解性、无毒性和抗菌性等优势，成为极具潜力的绿色替代品。传统壳聚糖主要从虾蟹等甲壳类动物副产品中提取，而近年来昆虫来源的壳聚糖因其生命周期短、分布广泛等特点受到关注。特别是蜜蜂(Apis mellifera)作为重要的传粉昆虫，其冬季蜂群死亡会产生大量尸体废弃物。拉脱维亚每年约有14.3%的蜂群冬季死亡率，产生约28吨死蜂；整个欧洲地区这一数字更是高达8,636吨。这些蜂尸含有30-50%的几丁质(chitin)，是制备壳聚糖的理想原料，真正实现了"副产物的副产物"的循环利用理念。
发表于《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》的这项研究，首次系统探讨了蜜蜂源壳聚糖作为纸浆添加剂对模塑蛋盒机械性能的增强效果。研究人员通过化学提取法从蜂尸中获得脱乙酰度87.77%、分子量22.70 kDa的壳聚糖，将其按2.5%的比例添加到废纸浆中，利用自主搭建的模塑成型设备制备蛋盒原型。通过与甲壳类壳聚糖(CC)、厂家提供(M)和市售(C)蛋盒的对比，全面评估了其力学性能和防水特性。
研究采用了壳聚糖提取与表征、工艺模拟、蛋盒制备与性能测试等关键技术方法。具体包括通过脱脂、脱矿、脱蛋白和脱乙酰四步法从蜜蜂尸体中提取壳聚糖，利用元素分析、FTIR光谱、粘度测定等手段对其理化性质进行系统表征；采用Aspen Plus软件对工业化生产流程进行模拟评估；通过自主搭建的模塑成型设备制备蛋盒样品，并利用扫描电镜(SEM)、拉伸测试、接触角测量等技术对其微观结构和宏观性能进行综合分析。
3.1. 壳聚糖表征
研究人员成功从蜂尸中提取出纯度较高的壳聚糖，得率为4.6%。元素分析显示氮含量为5.47%，灰分含量1.37%，表明样品中含有少量无机杂质。FTIR光谱显示特征峰与甲壳类壳聚糖高度一致，证实了其化学结构的相似性。脱乙酰度(DDA)达到87.77±3.25%，分子量为22.70 kDa，属于低分子量壳聚糖(LMW)，这种特性有利于其渗透纤维素纤维网络。
3.2. 工艺模拟评估
通过Aspen Plus模拟发现，现行实验室工艺每生产1kg壳聚糖需消耗10,729kg去离子水，产生11,049kg废水，能耗达7.57 MWh/年。这种高资源消耗模式使得在拉脱维亚建立专用生物精炼厂在经济上不可行。模拟结果指出，必须通过工艺优化，如采用温和有机酸替代盐酸、实施水循环利用等策略，才能提高整体可行性。
3.3. 蛋盒机械性能评价
微观结构分析显示，蜜蜂源壳聚糖在纸浆纤维间形成薄膜状结构和直丝状连接，有效增强了纤维间结合力。力学测试结果表明，添加蜜蜂源壳聚糖的蛋盒干态拉伸指数达27.92±1.37 N·m·g-1，与废纸浆对照组相当但显著优于厂家样品；湿态断裂伸长率为2.98±0.21%，比对照组提高473.1%，表现最佳。接触角测试显示，蜜蜂源壳聚糖蛋盒能维持110°的接触角达10分钟之久，防水性能显著优于甲壳类源壳聚糖样品。
研究表明，蜜蜂源壳聚糖的低分子量特性使其更易渗透纤维素纤维束，与游离羟基形成更多氢键，从而有效减少水分接触面积，提高防水性。这种基于天然废弃物的增强策略，不仅解决了模塑纸浆包装的机械性能瓶颈，还为农业废弃物的高值化利用开辟了新途径。
尽管当前提取工艺在工业化放大方面仍面临挑战，但这项研究证实了蜜蜂源壳聚糖在可持续包装领域的应用潜力。未来通过优化提取工艺、整合现有生物精炼设施、建立区域收集网络等策略，有望实现这一技术的商业化应用。这项工作为循环经济背景下新型生物基材料的开发提供了重要参考，展示了将农业废弃物转化为高价值功能材料的创新思路。
