减少、再利用、回收和重新利用：这些都是我们可以更可持续地生活的方式。然而，回收的一个棘手问题是，有时回收过程需要大量化学物质，回收世界上最丰富的材料之一——甲壳素就是这种情况。

康涅狄格大学农业、健康和自然资源学院的Yangchao Luo 和他的团队解决了这个问题，并找到了一种从海鲜废物中可持续回收甲壳素的方法。他们的研究结果发表在 《国际生物大分子杂志》上。

甲壳素是地球上第二丰富的生物聚合物，估计每年由真菌或昆虫和甲壳类动物产生 1000 亿吨，仅次于植物产生的纤维素。就像纯化形式的纤维素一样，甲壳素可用于多种用途，从食品包装和其他耐用且可堆肥的一次性材料到肥料和化妆品。

罗解释说，甲壳素是他和他的团队开始探索的一个新研究领域，此前一家公司寻求帮助，试图找到一种方法来处理他们产生的大量海鲜废物。该公司之所以找到罗，是因为他从事一种名为壳聚糖的甲壳素衍生物的研究，他们认为他也许可以借用他的专业知识。

“处理海鲜废物的典型做法是将其直接倒入垃圾填埋场，或返回海洋，或进行堆肥，”罗说。

这些处理方法的问题在于，材料中多余的营养物质会进入水道，这可能会导致富营养化的过程，藻类种群在过量的营养物质的作用下繁衍生息，同时消耗大量的可用氧气。这导致 海洋和水生生物无法生存的“死亡区” 。罗说，找到一种方法来帮助重塑这种废物流是一个有趣的挑战。

“这也让我感兴趣，因为它与我们学院的战略愿景非常吻合。我是确保充满活力和可持续的农业产业和食品供应委员会的联合主席 。我认为这是一个探讨可持续发展的好话题。”

罗教授任命了两名博士生。他的研究小组的学生开始解决这个问题，他们首先阅读了当前的甲壳素加工方法。他们很快学会了提取和加工几丁质废物的传统方法，使用大量的强酸和强碱，而该行业被认为是一个污染严重的行业，以至于在美国没有进行这种加工的设施。由于甲壳素是一种分子量非常高的多糖，传统的加工技术依靠腐蚀性化学品来分解它。此外，由于提取后需要稀释和中和溶剂，它的用水量也非常大。

他说，在罗的实验室中，他们通常使用食品中天然存在的化学物质来应对这些挑战。他们关注的是苹果中含有的苹果酸;乳酸，存在于发酵食品中;氯化胆碱，一种常用作食品添加剂的盐;和甘油，通常用作糖替代品。这些都是非常常见且用途广泛的化学品，在生理和生物学上也与环境相容，并且在选择时考虑了甲壳素的氢键。

“我们考虑了氢键。许多基本类型的生物质，包括甲壳素，不能溶解在水中，因为其分子结构中存在强氢键，因此它们不会与水发生反应，”罗说。“从化学角度来看，如果你想将某种东西溶解在水中或使其溶于水，它必须与水形成氢键。换句话说，如果这种化合物不能与水形成氢键，它就不能溶解，因此它们不会与水相互作用。”

罗解释说，甘油充当氢供体，氯化胆碱充当氢受体。当与任何一种酸(苹果酸或乳酸)配对时，这三种成分的组合形成一种粘稠溶液，称为三元低共熔溶剂 (TDES)。

“我们发现，这种 TDES 在破坏将生物质结构成分结合在一起的氢键方面特别有效，”罗说。“通过削弱这些键，TDES 有助于将甲壳素与蛋白质和碳酸钙等其他成分分离。TDES 的独特性质允许选择性提取几丁质，并且它可以设计用于主要溶解不需要的成分，例如蛋白质和矿物质，留下纯化形式的几丁质。这种选择性是由于 TDES 组分和生物质成分之间的特定相互作用。通过精确调整 TDES 中三种成分的比例，我们可以破坏生物质内的氢键相互作用。这种方法提供了一种处理甲壳类海鲜废物的创新方法。”

他说，与他们从科学供应公司购买的甲壳素相比，实验室纯化的产品几乎是相同的。此外，通过调整比例，他们可以控制甲壳素的加工程度，因此可以“微调”最终产品的分子量。

“使用大量酸和碱来加工和提取甲壳素的传统化学工艺通常会产生分子量较小的甲壳素，其应用可能有限，”罗说。“利用我们的温和苹果酸或乳酸，我们可以生产分子量可控的甲壳素。我们可以生产 300 至 100,000 千道尔顿的分子量，具体取决于我们未来的应用目的。这是该技术最新颖的方面之一。

“另一个新颖之处是我们现在正在研究一种超声波处理工艺，可以将其纳入提取过程中，将甲壳素转化为纳米甲壳素。这个过程将甲壳素纤维分解成纳米级。”

这种提取方法的另一个好处是，由于溶剂源自食品且性质温和，因此不需要用大量的水中和即可安全处置。在失去提取能力之前，它们可以重复使用至少三次，从而使该过程成本更低、更环保。

现在，罗的团队获得了康涅狄格大学技术商业化服务的临时专利 ，正在与一家农业公司合作，测试不同分子量的甲壳素和纳米甲壳素是否可以用于农作物生产。

“我们假设这种纳米甲壳素纤维将能够被植物吸收，以提高植物产量或在土壤中发挥生物刺激作用，或作为一种肥料，”罗说。

通过与创新与创业学助理教授 乔敏宇的 团队合作，两个团队正在将这种方法应用于包括海藻在内的其他材料，以提取和纯化藻酸盐。这种纯化的典型过程既漫长又复杂，但罗说，这个 TDES 系统将多天的萃取过程减少到大约几个小时的过程。通过清理和简化这些流程，罗对这个系统的未来寄予厚望，

“我们希望能够将这些垃圾变废为宝，或者至少变成增值产品。”