一种从 Loligo plei 鱿鱼骨（Squid Pens）生产医用级壳聚糖（Medical-Grade Chitosan）的新型绿色方法

《Journal of Applied Polymer Science》：A Novel Green Method for Producing Medical-Grade Chitosan From Loligo plei Squid Pens

　　

本研究提出了一种在更温和、更具可持续性的加工条件下，从 Loligo plei 鱿鱼骨（Squid Pens）高效、可规模化生产医用级壳聚糖（Medical-Grade Chitosan）的方法。通过使用温和的酸进行脱矿化（Demineralization）、中等浓度的碱以及比常规脱乙酰化（Deacetylation）方案更少的加工步骤，在保持聚合物链完整性的同时实现了高产率。所得壳聚糖符合严格的药典标准，内毒素水平低于0.25 EU/mg，残留灰分含量低于1%，且重金属含量未检出。值得注意的是，CHDM45样品表现出高脱乙酰度（>85%）和高粘度（≥220 mPa·s），使其适用于包括药物递送系统、皮肤伤口敷料和骨工程支架在内的先进生物医学应用。此外，利用 L. plei 鱿鱼骨固有的低矿物含量和纯度，在不进行脱矿化的情况下也获得了高质量的壳聚糖。结构、热学和元素分析证实了该温和工艺在维持理想材料性能方面的有效性。该方法在最小化环境影响的同时最大化了未充分利用的渔业副产品的价值，符合可持续资源利用和循环生物经济的原则。因此， L. plei 成为一种有前景的、可持续的 biomedical-grade 壳聚糖来源，支持基于生物聚合物的材料创新和负责任的废物高值化。

论文解读：从 Loligo plei 鱿鱼骨可持续生产医用级壳聚糖的新方法

研究背景与意义

壳聚糖（Chitosan）作为一种线性共聚物，因其固有的生物相容性、生物可降解性、止血活性和抗菌特性，被认为是生物医学应用中最重要的天然聚合物之一，广泛应用于药物递送系统、伤口敷料和骨组织工程支架等领域。目前，商用级壳聚糖多提取自甲壳类动物外壳（如虾、蟹壳），面临诸多挑战，包括潜在过敏性、因过度捕捞甲壳类动物带来的环境问题以及批次间的显著变异性。此外，传统的壳聚糖提取方法通常使用强酸（如盐酸 HCl）进行脱矿化（Demineralization）和强碱（如氢氧化钠 NaOH）进行脱蛋白（Deproteinization）与脱乙酰化（Deacetylation），这些条件可能导致聚合物链不受控的降解、残留杂质及显著的环境危害。相比之下，海洋副产品如 Loligo plei 鱿鱼骨（Squid Pens，或称羽状壳 Gladii）是一种相对未被充分开发且可持续的 β-甲壳素（β-Chitin）来源。β-甲壳素具有更开放的聚合物链排列，化学活性更高，且鱿鱼骨天然具有低矿物含量。然而，目前仍缺乏通用的医用级壳聚糖（Medical-Grade Chitosan）定义标准，其必须满足严格的纯度标准，包括特定的脱乙酰度（Degree of Deacetylation, DD）、灰分和内毒素水平等。因此，研究人员开展了此项研究，旨在探索一种优化的、可持续且简便的方法，利用 Loligo plei 鱿鱼骨在更温和的加工条件下生产符合药典标准的高纯度医用级壳聚糖，以解决传统方法的环境问题和原料限制，并实现渔业废弃物的高值化利用，符合联合国可持续发展目标（SDGs）。该论文发表在《Journal of Applied Polymer Science》。

主要关键技术方法

研究人员以巴西圣卡塔琳娜州 Natubrás Pescados 提供的 Loligo plei 鱿鱼骨为原料。关键实验设计包括：使用2% (w/v) 己二酸（Adipic Acid, AAD，一种较温和的有机酸）进行脱矿化，使用0.9 M 氢氧化钾（KOH）溶液进行脱蛋白，以及使用30%至50%浓度的 KOH 溶液进行脱乙酰化。研究人员设置了对比实验，即一组样品进行脱矿化和脱蛋白（CHIDMP），另一组仅进行脱蛋白（CHIDP），以评估脱矿化步骤的必要性。提取的 β-甲壳素（β-Chitin）和壳聚糖经过洗涤、干燥后，使用钴-60（⁶⁰Co）伽马辐照（5 kGy）灭菌。随后，研究人员采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）、灰分测定、电位滴定（PT）、X射线荧光（XRF）、动态粘度测定以及鲎试剂（LAL）内毒素检测等多种技术手段对产物的化学组成、脱乙酰度、分子量（通过粘度间接估算）、结晶度、热性质、残留矿物、粘度和内毒素水平进行了全面表征。

研究结果

1 加工策略、原料特性和产率（Processing Strategy, Raw Material Characteristics, and Yields）

研究人员采用了简单的异相脱乙酰化方法。结果表明，鱿鱼骨因其天然低矿物含量，有时可省略脱矿化步骤。省略脱矿化（CHIDP）的甲壳素提取率为43% ± 3%，而进行脱矿化（CHIDMP）的为33% ± 2%，表明省略该步骤有助于保持 β-甲壳素结构。壳聚糖合成产率受碱浓度影响显著，40% KOH 时产率最高（CH40: 26% ± 4%; CHDM40: 22% ± 3%），50% KOH 时产率下降（CH50: 20% ± 1%; CHDM50: 18% ± 5%）。视觉观察确认色素和杂质有效去除，无需额外脱色步骤。

2 化学成分、脱乙酰化行为和分子特性（Chemical Composition, Deacetylation Behavior, and Molecular Properties）

XRF 和灰分分析显示，所有壳聚糖样品的残留矿物水平均低于0.9%（脱矿化样品低于0.5%），钙、镁、磷和硫等元素在加工过程中被有效去除。脱乙酰度（DD）分析（PT 和 FTIR）表明，未进行脱矿化的样品（CHIDP系列）因残留矿物和蛋白质基质保护，在较高 KOH 浓度下 DD 逐渐增加且聚合物链完整性较好；而脱矿化样品（CHIDMP系列）因去除了保护屏障，在中浓度 KOH（40%-45%）下脱乙酰化效率更高，但在50% KOH 时因离子强度过高抑制 OH^?扩散，DD 未进一步显著增加。粘度测定显示，CH40（310 ± 2 mPa·s）和 CHDM50（315 ± 3 mPa·s）粘度最高，分别对应中低碱浓度无脱矿化以及高碱浓度有温和酸脱矿化处理，估计分子量（M_w）多为中分子量（MMW）。

3 结构、结晶和热表征（Structural, Crystalline, and Thermal Characterization）

FTIR 光谱证实了脱蛋白和脱乙酰化的成功，酰胺带的变化揭示了 β-甲壳素平行链构型的结晶重组。XRD 分析显示原始 β-甲壳素（CLPT）结晶度指数（CrI）高达79%，脱蛋白后有所降低（CHIDMP: 72%; CHIDP: 60%），脱乙酰化后结晶度进一步下降至约31%-40%，且存在脱乙酰度与结晶度反比的关系，但也受残留矿物影响。DSC 分析发现了脱水吸热转变（约103°C-117°C）和玻璃化转变（T_g）。壳聚糖的 T_g（52°C-57°C）高于甲壳素（23°C-32°C），归因于水合作用降低和胺介导的氢键网络增强。TGA 分析表明，尽管灰分低，但壳聚糖在惰性气氛下热解后残留炭渣约35%（高于甲壳素的20%），这归因于脱乙酰化引入的游离氨基（-NH₂）催化了分子内脱水、环化和芳构化。

4 内毒素含量及其生物医学相关性（Endotoxin Content and Biomedical Relevance）

所有壳聚糖样品的内毒素检测结果均低于检测限（<0.25 EU/mg），符合巴西药典及国际医用材料内毒素限值标准（如 ≤0.5 EU/mL），证实其在生物医学应用中的安全性。

讨论与结论总结

在讨论部分，研究人员强调了 L. plei 鱿鱼骨作为医用级壳聚糖来源的潜力，所提出的简化工艺减少了苛刻化学品的使用。通过温和的酸脱矿化、可控的碱脱乙酰化和更少的步骤，获得了具有高纯度、可调脱乙酰度、适当粘度和低残留矿物含量的壳聚糖，且符合药典标准。结构、热学和光谱分析证实，平衡脱乙酰化效率与结构完整性对于优化产率和性能至关重要。所有样品均未检出内毒素，强化了其适用性。

结论指出，该研究证明了一种在更温和、可持续的条件下，从 L. plei 鱿鱼骨生产医用级壳聚糖的有效方法，能保持聚合物链完整性并最大化产率。所得壳聚糖符合严格的药典要求（内毒素 <0.25 EU/mg，灰分 <1%，无重金属）。特别是 CHDM45 样品具有高空脱乙酰度（>85%）和高粘度（>220 mPa·s），适用于高级生物医学应用。重要的是，源自 CHIDP（仅脱蛋白）的壳聚糖也达到了医用级标准，证明了当使用 L. plei 为原料时，可省略脱矿化步骤，这反映了鱿鱼骨固有的高纯度和低矿化度以及 β-甲壳素基质在温和条件下的韧性。通过高值化利用未充分利用的渔业副产品，该方法为生产高质量医用级壳聚糖提供了高效、可扩展且具有成本效益的途径，同时最大限度地减少了环境影响，将 L. plei 鱿鱼骨定位为高性能 biomedical 壳聚糖的有前景的替代来源，推动了生物材料创新并促进了循环生物经济中的负责任资源利用。

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