γ-辐照预处理虾壳废弃物联合植物乳杆菌发酵高效提取高纯度α-甲壳素及生物矿质回收研究

本研究针对传统甲壳素提取工艺污染大、效率低的问题，创新性采用γ-辐照预处理虾壳废弃物，结合植物乳杆菌（L. plantarum）发酵技术，成功实现高纯度α-甲壳素（0%残留物）的高效提取（68小时完成发酵），同步回收羟基磷灰石[Ca5(PO4)3OH]等生物矿质。通过XRD、FT-IR、SEM-EDS等多维表征证实，该方法较商业甲壳素纯度提升1.47%，为海洋废弃物的绿色高值化利用提供新范式。

　　

甲壳素作为自然界含量第二大的天然高分子，在医疗、环保等领域具有广阔应用前景。然而传统化学法提取存在强酸强碱污染、生物矿质浪费等问题，而常规生物发酵法则面临耗时长、纯度低的困境。墨西哥国立自治大学（Universidad Nacional Autónoma de México）晶体物理与天然材料实验室的研究团队在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》发表创新成果，通过γ-辐照预处理结合植物乳杆菌发酵，建立了虾壳废弃物资源化利用的新模式。

研究采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、扫描电镜-能谱联用（SEM-EDS）和热重-差示扫描量热（TG-DSC）等技术，系统比较了辐照与非辐照样品在发酵效率、产物纯度等方面的差异。实验选用500克虾头胸甲废弃物，设置7%植物乳杆菌接种量和10%蔗糖添加量，在30°C下进行发酵。

研究结果显示：γ-辐照组（10 kGy剂量）发酵时间缩短29%（68小时 vs 96小时），最终pH更低（4.26 vs 4.87），且可溶性蛋白含量降低20.08%。XRD精修证实辐照组α-甲壳素纯度达98.4 wt%，显著高于非辐照组的78.6 wt%。经0.4 M NaOH和0.6 M HCl纯化后，两组最终产物均实现100% α-甲壳素纯度，残留量为0%，优于商业甲壳素1.47%的杂质含量。TG-DSC显示辐照样品热稳定性略低，表明辐照可能引发分子链轻微损伤。

在生物矿质回收方面，发酵液热处理后主要获得羟基磷灰石（39.5 wt%）、氢氧化钙（34.8 wt%）和方解石（8.0 wt%）。SEM观察到典型的六方晶系羟基磷灰石棒状晶体，元素分布图显示钙、磷均匀分布。FT-IR检测到875 cm^-1处的碳酸根振动峰和605 cm^-1磷酸根特征峰，验证了生物矿质的成功回收。

该研究创新性地将食品辐照灭菌技术引入甲壳素生物提取领域，不仅缩短工艺周期，还实现了甲壳素与生物矿质的同步回收。相较于传统化学法，该方法避免使用高浓度试剂，减少废水排放；相比常规发酵法，处理效率提升显著。获得的羟基磷灰石可作为骨修复材料前体，而高纯度α-甲壳素在创面敷料、药物载体等方面具有应用潜力。这项研究为海洋生物废弃物的循环经济利用提供了技术支撑，符合可持续发展理念。