作者:管庆方等 来源:《先进功能材料》 发布时间:2022/1/14 20:20:01
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细菌“助攻”,“可食用”吸管来了

 

吸管,是生活中常见且经常使用的物品。目前,市场上有塑料吸管、纸吸管和可降解聚乳酸吸管等。但塑料吸管可能需要几百年的时间才能实现完全降解,纸吸管在水中容易软化,聚乳酸吸管耐热性不够好。因此,开发出一种兼具优异的力学和耐热性能、不释放微塑料的新型可降解吸管,成为未来的发展趋势。

近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队特任副研究员管庆方等,通过生物合成细菌纤维素并与海藻提取物海藻酸钠复合的策略,研制出具有优异性能的“可食用”细菌纤维素基吸管,为生物质资源的有效利用提供了“新灵感”。相关论文发表于《先进功能材料》。

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细菌纤维素基吸管的制备以及综合性能展示。 中国科学技术大学供图

细菌纤维素变身“可食用”吸管

纤维素是生活中常见的一种天然多糖,是地球上最丰富的有机物。纤维素可以来源于植物,也能由细菌生产,即细菌纤维素。在食品行业中,细菌纤维素有一个大家更熟悉的名字——椰果。

“简单来说,细菌纤维素就是细菌‘吃了’葡萄糖后分泌出的一种物质。”管庆方透露,与植物来源的纤维素不同,细菌纤维素通过木醋杆菌合成,具有更高的纯度和超精细三维纳米纤维网络(不含木质素和半纤维素),显示出可食用、高强度和高含水量等特征。

“可食用”的吸管,是怎么制成的?“首先,将细菌纤维素压制成薄膜,在薄膜表面引入一层薄薄的海藻酸钠。作为一种可食用的天然多糖聚合物,海藻酸钠穿透孔隙进入薄膜的三维纳米纤维网络,形成大量的氢键,从而形成牢固的连接。”管庆方介绍,紧接着将涂有海藻酸钠的薄膜卷制成管,浸入乳酸钙溶液中交联。最后,经过洗涤和干燥,可食用和可生物降解的细菌纤维素基吸管就“诞生”了。

“但这种可食用性并不等同于美味。”团队成员杨怀斌笑言。从研发过程可以看出,细菌纤维素基吸管的所有成分均来自天然的可食用原料,并且加工过程不涉及有机溶剂的引入,是一种安全可食用的吸管。由于三维纳米纤维网络以及海藻酸钠在三维网络中的贯穿,让这种吸管的强度、模量和韧性是纸吸管的两倍以上。这就意味着,在同样的性能要求下,细菌纤维素基吸管可以做得比纸吸管更薄。

有趣的是,“可食用”吸管还可以“添加”不同颜色和味道。团队成员刘兆祥介绍,通过在细菌纤维素的三维纳米纤维网络中负载可食用色素或天然植物提取物,可以将各种颜色和口味融入吸管中,提供更好的使用体验。目前,这种“可食用”吸管已申请相关发明专利。

朝着更安全环保的方向迈进

绿色发展是高质量发展的必由之路。研发更多可持续绿色环保材料,助力低碳绿色发展,是俞书宏院士团队长期关注研究的课题之一。

如何获取安全环保高性能新材料?团队将目光投向自然界,从灌木、秸秆等天然植物中提取纳米纤维素,加工成其他材料,做出可降解的塑料替代品,这样原料成本更低,甚至可以变废为宝,一举两得。

“细菌纤维素基吸管是纳米纤维素研究的一个延伸和拓展。”管庆方说,这也体现了团队一直以来材料研究的思路和理念,一方面基于纳米纤维素本身的环保性,将其延展应用到与生活贴近的场景中,如包装材料、吸管;另一方面则是把纳米纤维素制成高端电子器件。

细菌纤维素基吸管的研发,并非一帆风顺。杨怀斌透露,从椰果压制成膜再成管,很多工艺制备问题需要不断解决,如将一个含水量90%的椰果压制成高性能薄膜,就是团队曾经面临的众多难题中的一个。基于前期积累的丰富经验,他们快速找到了相对“靠谱”的方法,然后经过上百次的调试,研发团队找到了相对稳定的参数,成功制成细菌纤维素基吸管。

这种新型吸管对于环境十分“友好”,不仅“可食用”,在环境中也能快速降解,不会对环境造成任何负面影响。实验表明,细菌纤维素基吸管埋入土壤15天后,就会破碎成大块,45天后变小,几乎消失;大约60天后,就能完全融入土壤中。

在成功研发“可食用”吸管的基础上,团队目前正在研发一次性刀叉等餐具。管庆方表示,他们未来还会有类似细菌纤维素基吸管的一系列研究,让与生活息息相关的材料朝着更环保安全的方向发展。

走进生活依然面临多重挑战

全球每年制造约3亿吨塑料产品,其中很大部分为一次性塑料制品。大量的研究表明,塑料制品在使用过程中会持续释放微塑料,威胁人类健康。2020年1月,国家发改委、生态环境部发布《关于进一步加强塑料污染治理的意见》,明确提出“到2020年底,全国范围餐饮行业禁止使用不可降解一次性塑料吸管”。“可食用”吸管的诞生,让人们对其产业化以及最终替代塑料吸管充满期待。

在业内,用微生物辅助合成“可食用”吸管尚属首次。业内人士认为,由于可借鉴模式的不多,这样一个全新的成果如果想要真正走进生活,依然面临多重挑战。比如,企业的“生产线”不同于实验室的“生产线”,仅就生产参数的调试就需要经历一个漫长的过程。团队成员透露,就吸管样品本身性能而言,也需要不断提升和优化。

高性能结构材料,高雾度柔性透明薄膜,新型仿生手术缝线……目前,俞书宏院士团队围绕细菌纤维素,已经在实验室里做出了诸多高性能的“神奇”样品。管庆方表示,细菌纤维素是一个应用前景广阔的材料,未来可以应用到很多领域,带来无限可能。(来源:中国科学报 桂运安 王敏)

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adfm.202111713

 
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