本研究的主要作者为Yang Wu、Hongkuo Si（共同第一作者）、Feiya Fu和Zongqian Wang（共同通讯作者）等，其所属机构包括浙江理工大学材料科学与工程学院和安徽工程大学纺织服装学院。该研究成果于2022年12月13日在Elsevier出版的《International Journal of Biological Macromolecules》期刊第226卷（2023年）上在线发表，页码为793至802。

本研究属于生物质高分子材料改性领域。纤维素（cellulose）作为地球上储量最丰富的可再生资源，其固有的难溶解、难熔融以及缺乏功能性的问题，严重制约了其高值化应用。传统的衍生化改性，如醚化或酯化，是克服这些缺点的关键。然而，利用具有良好水溶性和生物相容性的天然氨基酸进行纤维素衍生化时，常面临氨基酸自缩合、反应效率低、需使用有毒溶剂和催化剂、以及因氨基保护而导致的步骤繁琐耗时等挑战。因此，该研究的核心目标在于开发一种高效、可控且通用的新方法，通过将氨基酸分子引入纤维素骨架，以同步实现纤维素溶解性和抗菌活性的提升。

为实现上述目标，研究团队设计并实施了一套系统的实验流程。首先，在材料准备阶段，他们使用了粘均分子量为7.8×10⁴的纤维素浆粕作为基材，并创新性地选用氨基酸盐酸盐（[AA]Cl）作为衍生化试剂，具体为L-谷氨酸盐酸盐（[Glu]Cl）和L-半胱氨酸盐酸盐（[Cys]Cl）。核心的样品制备流程包括：第一步，将纤维素浆粕浸渍于不同浓度（0.1至0.7 mol/L）的[AA]Cl水溶液中，室温下处理30分钟，使[AA]Cl被有效吸收并均匀分布于纤维素中，随后挤出多余溶液并干燥，获得纤维素/[AA]Cl反应物。第二步，在无溶剂条件下，将上述反应物于常规烘箱中在130至170摄氏度下加热10至50分钟，进行固相热酯化反应。反应产物经水洗和干燥后，即得到最终的纤维素氨基酸酯（cellulose amino acid ester, CAE）样品，分别命名为GC（由[Glu]Cl改性）和CC（由[Cys]Cl改性）。在表征与分析阶段，团队采用了多种先进技术。为直观监控反应进程，他们利用在线热重-质谱联用技术（TG-MS）对比分析了纤维素与氨基酸及[AA]Cl混合物的气体逸出行为，这是验证[AA]Cl更高反应活性的关键。随后，他们通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和固态¹³C交叉极化/魔角旋转核磁共振（¹³C-CP/MAS NMR）来确证酯基键合的成功，并利用元素分析仪测定氮含量，结合公式计算出取代度（degree of substitution, DS）。此外，还使用了场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察纤维表面形貌变化，用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，并通过热重分析（TGA）评估热稳定性。最后，对溶解性和功能性进行了测试：将样品溶于7 wt% NaOH水溶液中经历冻融过程以评估其溶解性，并利用流变仪测试溶液的稳态和动态流变学特性；抗菌性能则基于改进的AATCC 100-1999标准，以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为模型微生物，通过菌落计数法计算抑菌率（bacteriostatic reduction rate, BR）。

研究结果系统地揭示了该酯化反应的科学规律。首先，通过TG-MS技术直观证实，在同等升温条件下，纤维素/[AA]Cl混合物因酯化脱水产生的水蒸气（质荷比m/z=18）信号峰强度和质量损失（10.78%）远高于纤维素/氨基酸混合物（2.26%），这为[AA]Cl能够显著促进酯化反应速率提供了直接证据。FTIR谱图显示，所有改性样品在约1735 cm⁻¹处均出现了归属于氨基酸酯中酯羰基（C=O）的特征伸缩振动峰，且该峰强度随[AA]Cl用量、反应时间和反应温度的升高而增强，表明这些参数与酯化程度正相关。同时，XRD图谱证实，[AA]Cl的酯化反应主要发生在纤维表面和无定形区，并未改变纤维素I型的晶体结构，结晶度指数（CI）因无定形区的部分移除而有所上升。固态¹³C-CP/MAS NMR谱图进一步确认了氨基酸分子成功接枝到纤维素骨架上，特别是C-6位羟基发生了部分取代。SEM图像直观展示了改性后纤维表面变得粗糙并出现裂纹，EDS能谱和元素分析结果与之吻合。在最优条件下，GC和CC样品的DS可达0.412至0.516。溶解性测试结果表明，GC样品可在7 wt% NaOH溶液中完全溶解，形成浓度高达7.5 wt%的深褐色纺丝液，而纯纤维素浆粕在相同条件下仅形成凝胶。流变学测试揭示了该溶液呈现典型的类牛顿流体的剪切变稀行为。动态温度扫描显示，7.5 wt%的GC溶液的凝胶点为41.7摄氏度，表明溶液具有较高的热稳定性。抗菌性能测试是另一大亮点：在接触1小时后，GC和CC合成产物对大肠杆菌的抑菌率分别高达99.5%和95.3%，对金黄色葡萄球菌的抑菌率也分别达到71.9%和88.6%。这种显著的抗菌活性归因于质子化氨基的正电荷与细菌细胞膜负电荷的相互作用，导致细胞膜破裂。

该研究成功开发了一种利用氨基酸盐酸盐一步法无溶剂热酯化高效制备纤维素氨基酸酯的新策略。该方法的科学价值在于，它利用氨基酸盐酸盐本身兼具的强氢键破坏能力、自催化Brønsted酸性和对氨基的原位保护三重功能，巧妙地解决了传统氨基酸酯化中反应活性低、步骤繁琐等核心难题，为纤维素的绿色、高效衍生化提供了新的理论依据和技术路径。在应用价值层面，通过该方法引入极少量的氨基酸分子即可赋予纤维素在稀碱溶液中的优良溶解性，使其具备湿法纺丝制备再生纤维材料的潜力；同时，产物对革兰氏阴性菌和阳性菌均展现出高效的抗菌活性，这有利于其在储存和终端产品（如抗菌纺织品、包装材料或医用敷料）中的高值化利用。

本研究的主要亮点如下：其一，方法学的创新，首次选用氨基酸盐酸盐作为单一反应物，在无外加溶剂和催化剂的条件下，通过简单的浸渍-加热工艺，在较短时间内（10-50分钟）实现了纤维素的高效酯化，极大简化了传统工艺。其二，机理研究的直观性，运用TG-MS联用技术，通过在线监测酯化副产物水的生成速率，从动力学层面直观且有力地证明了[AA]Cl相较于普通氨基酸的高反应活性。其三，结构与性能的统一，深入阐明了[AA]Cl在纤维素无定形区和表面进行非均相衍生化的机理，既保持了纤维素固有的晶体结构，又同步赋予了材料优异的溶解性和抗菌功能性，实现了纤维素同步溶解与功能化的目标，为生物质资源的高附加值利用提供了新见解。