近日，由武漢輕工大學(xué)食品學(xué)院丁貝貝博士與湖北大學(xué)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(jí)期刊AdvancedMaterials（Adv. Mater.2021, 2007596，IF2020=27.398）上發(fā)表最新研究成果，報(bào)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(dòng)食品廢棄資源蝦/蟹殼的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(xiàng)研究工作得到了農(nóng)產(chǎn)品加工與轉(zhuǎn)化湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助。
“準(zhǔn)溶劑”介導(dǎo)甲殼素納米纖維的自剝離
據(jù)了解，我國(guó)每年食用后廢棄的蟹、蝦殼約有數(shù)十萬(wàn)噸，這不僅是資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，也造成了生活環(huán)境的沉重負(fù)擔(dān)。蝦蟹殼中甲殼素含量高達(dá)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(dá)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(chǔ)能等前沿領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，高度有序的多層次結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)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(qiáng)機(jī)械后處理（如高壓均質(zhì)、球磨、細(xì)胞破碎等），才能實(shí)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(jì)并定義了甲殼素的“準(zhǔn)溶劑”（DMSO/KOH）。“準(zhǔn)溶劑”可選擇性破壞甲殼素納米纖維間的強(qiáng)相互作用，削弱內(nèi)聚力，在避免分子級(jí)溶解的前提下促使緊密堆積的納米纖維部分預(yù)解離，從而實(shí)現(xiàn)甲殼素納米纖維的液相自剝離。該方法無(wú)需使用任何強(qiáng)機(jī)械處理設(shè)備，不僅可從蝦蟹殼中提取長(zhǎng)度可調(diào)、產(chǎn)率接近100%的超細(xì)納米纖維，魷魚(yú)骨和筆管同樣適用。與其他方法相比，本報(bào)道技術(shù)在產(chǎn)率、長(zhǎng)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(shì)，這些納米纖維可進(jìn)一步組裝成具有優(yōu)異力學(xué)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(yīng)用。
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