电子束辅助壳聚糖羧甲基化：结构调控、中性食品模型中的分散稳定性及体外抗氧化和抗菌活性

《Food Bioscience》：Electron Beam-Assisted Carboxymethylation of Chitosan: Structural Regulation, Dispersion Stability in Neutral Food Models, and In Vitro Antioxidant and Antibacterial Activities

　　

摘要

本研究探讨了电子束辐照（EBI）辅助羧甲基化作为一种调控天然壳聚糖（NCS）结构、分散行为和功能性能的策略。EBI主要诱导了明显的链长缩短和形态疏松化，而羧甲基化则引入了亲水的羧甲基基团并降低了结构有序性。与NCS相比，E₄₀CS-4CM的表观黏度平均分子量降低了92%以上，表明由黏度推导的表观流体动力链尺寸显著减小。改性样品表现出改善的pH依赖性水分散性，尤其在中性及碱性条件下。在中性食品相关模型体系中，E₄₀CS-4CM表现出最高的储存分散稳定性，在中性缓冲液中48小时的ΔA₆₀₀值为0.013，在WPI-NaCl蛋白质-盐体系中的值为0.026。E₈₀CS-4CM表现出最高的DPPH自由基清除活性（38.90%），而E₄₀CS-4CM对大肠杆菌产生了最大的抑菌圈（20.97 mm）。在液体培养基中，E₄₀CS-4CM对大肠杆菌也表现出最高的基于AUC的生长抑制（69.76%）。这些结果表明，EBI辅助羧甲基化可以调控壳聚糖的结构和中性pH条件下的分散行为，同时改善其体外功能响应。

引言

天然壳聚糖（NCS）是一种从壳聚糖脱乙酰化而来的天然多聚阳离子生物聚合物，因其优良的生物相容性、生物降解性和功能潜力，在生物医学、组织工程和食品科学领域受到了广泛关注（Wang等，2025）。然而，原始NCS的实际应用受到其在水和中性pH介质中溶解性差的严重限制（Amitaye等，2024）。这一限制主要与其稳定的分子间和分子内氢键网络以及较高的结晶度有关。此外，NCS的高分子量通常导致高溶液黏度和较差的可加工性，进一步限制了其在食品相关及其他材料体系中的应用。这一限制在中性食品基质中尤为相关，其中蛋白质和盐分可能通过弱相互作用和离子强度效应进一步影响多糖的分散。

羧甲基化是一种常用的化学改性策略，用于改善壳聚糖的水溶性和功能性质。通过在壳聚糖主链上引入亲水的羧甲基基团，可以获得具有两性特性的羧甲基壳聚糖（CMCS），其在中性及碱性条件下的溶解性得到改善（Li等，2025）。羧甲基化可能发生在壳聚糖主链上的氨基和羟基上，产生N-羧甲基、O-羧甲基或N,O-羧甲基壳聚糖。先前的研究表明，羧甲基基团的引入可以改善水溶性并影响壳聚糖衍生物的体外功能性质，包括抗氧化和抗菌活性（Zang等，2024）。因此，CMCS被认为是智能食品包装及相关应用的有前景材料（Cao & He，2025）。然而，NCS致密的结晶结构和强氢键相互作用可能限制反应物的扩散和取代反应，使羧甲基化过程中的结构调控更为复杂。

电子束辐照（EBI）已成为一种高效且相对环保的天然聚合物物理改性技术（Liang等，2024）。与传统的化学降解方法不同，EBI可通过高能电子诱导糖苷键断裂和自由基反应，从而降低聚合物分子量并改变结构有序性。先前的研究表明，EBI预处理可以调控基于多糖材料的链长、聚集状态和后续反应行为（Liu等，2025）。然而，EBI诱导的降解和羧甲基化作为单独的改性策略已被广泛研究。对于壳聚糖体系，尚不清楚EBI预处理如何影响分子降解、取代度、结构有序性、水分散行为以及在中性食品相关条件下的体外功能表现。

因此，本研究比较了NCS的EBI处理、羧甲基化和EBI辅助羧甲基化，以阐明这些途径如何调控壳聚糖的结构和功能性能。研究重点在于表观黏度平均分子量、取代度、结晶度、形态和pH依赖性水分散行为的变化。代表性样品进一步在中性缓冲液和WPI-NaCl蛋白质-盐模型体系中进行了测试，以评估食品相关条件下的储存分散稳定性。还分析了结构、分散行为、抗氧化能力和抗菌性能之间的关系。这些结果为EBI辅助羧甲基化壳聚糖的结构-分散-功能关系及其在中性食品相关体系中的潜在应用提供了见解。

部分摘要

材料

壳聚糖（CAS 9012-76-4，脱乙酰度70%，分子量1,000,000 Da，纯度99.9%）和氯乙酸购自麦克林试剂公司。乳清蛋白分离物（WPI；厂家指定蛋白含量，90%；产品编号S36148；CAS 84082-51-9）购自上海源叶生物科技有限公司（中国上海）。DPPH、乙酸、次磷酸钠、LB培养基及其他试剂购自上海阿拉丁试剂有限公司。金黄色葡萄球菌

取代度分析

取代度（DS）的定量分析（表1）表明，氯乙酸用量和EBI预处理均显著影响了羧甲基化的结果。在未辐照组中，DS值随氯乙酸用量的增加而显著升高，NCS-4CM达到最高值1.38。这一结果表明，较高的氯乙酸用量增加了醚化试剂的可用性，从而促进了

结论

本研究证明，EBI-羧甲基化顺序改性是调控壳聚糖结构、分散行为和功能性能的有效途径。EBI主要促进了表观链长缩短和形态疏松化，而羧甲基化引入了亲水的羧甲基基团并破坏了结构有序性。尽管EBI预处理并未增加取代度，但顺序改性样品显示出明显的

CRediT作者贡献声明

张莉：指导。李文浩：撰写——审阅与编辑，项目管理，概念化。胡亚云：资金获取。Temirlan Khamiddolov：验证，软件。罗海宇：调查研究。任祥瑞：撰写——原始稿件，方法论，形式化分析

未引用参考文献

Liu等，2025；Luo等，2024。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到陕西省重点研发计划（2025NC-YBXM-155）的经费支持。此外，作者感谢西北农林科技大学食品科学与工程学院仪器共享平台和生命科学研究核心服务平台在DSC（崔露）和SEM（黄科良）方面的协助。

任祥瑞|Temirlan Khamiddolov|罗海宇|胡亚云|张莉|李文浩