近日，由武漢輕工大學食品學院丁貝貝博士與湖北大學尤俊副教授、張群朝教授合作以“Pseudosolvent Intercalator of Chitin: Self-Exfoliating into Sub-1 nm Thick Nanofibrils for Multifunctional Chitinous Materials”為題，在材料領(lǐng)域頂級期刊AdvancedMaterials（Adv. Mater.2021, 2007596，IF2020=27.398）上發(fā)表最新研究成果，報道了一種高效、低能耗、表面性質(zhì)可調(diào)控的甲殼素納米纖維自剝離技術(shù)，有望推動食品廢棄資源蝦/蟹殼的產(chǎn)業(yè)化應用和湖北水產(chǎn)業(yè)食品產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新發(fā)展。該項研究工作得到了農(nóng)產(chǎn)品加工與轉(zhuǎn)化湖北省重點實驗室開放課題資助。
“準溶劑”介導甲殼素納米纖維的自剝離
據(jù)了解，我國每年食用后廢棄的蟹、蝦殼約有數(shù)十萬噸，這不僅是資源的嚴重浪費，也造成了生活環(huán)境的沉重負擔。蝦蟹殼中甲殼素含量高達40%，甲殼素納米纖維是從甲殼素中提取的一維納米材料，具有生物相容、高結(jié)晶度（70~85%）、耐溶劑（溶度參數(shù)高達41 （J/cm3）0.5）、低熱膨脹系數(shù)（10 ppm/K）、可生物降解以及高比表面積等諸多優(yōu)異性質(zhì)，在食品醫(yī)藥、柔性顯示以及儲能等前沿領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。然而，高度有序的多層次結(jié)構(gòu)以及強內(nèi)聚力（氫鍵、范德華力）使緊密堆積的甲殼素納米纖維難以被剝離。迄今，液相提取甲殼素納米纖維的方法均需要高能耗的強機械后處理（如高壓均質(zhì)、球磨、細胞破碎等），才能實現(xiàn)納米纖維的液相剝離，成本仍然較高，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求。
為了攻克高能耗技術(shù)瓶頸，本文作者首先設(shè)計并定義了甲殼素的“準溶劑”（DMSO/KOH）。“準溶劑”可選擇性破壞甲殼素納米纖維間的強相互作用，削弱內(nèi)聚力，在避免分子級溶解的前提下促使緊密堆積的納米纖維部分預解離，從而實現(xiàn)甲殼素納米纖維的液相自剝離。該方法無需使用任何強機械處理設(shè)備，不僅可從蝦蟹殼中提取長度可調(diào)、產(chǎn)率接近100%的超細納米纖維，魷魚骨和筆管同樣適用。與其他方法相比，本報道技術(shù)在產(chǎn)率、長徑比、能耗、產(chǎn)能以及結(jié)構(gòu)調(diào)控等方面皆具有顯著優(yōu)勢，這些納米纖維可進一步組裝成具有優(yōu)異力學性能的納米紙、水凝膠以及氣凝膠等材料，在食品包裝、電子以及能源等領(lǐng)域具有廣泛的潛在應用。
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