大规模取代塑料的希望:胡萝卜“摇身一变”,香蕉保质期延长7天

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· 1月14日

神秘的原纤化纤维素。

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大规模取代塑料的希望:胡萝卜“摇身一变”,香蕉保质期延长7天

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文 | 学术头条,作者 | 朱哼哼,编辑 | 王哈哈

受中式饮食的影响,一直以来,中国就是全球水果蔬菜产量和消费量最大国家,人均果蔬消费量位居世界第一。例如,早在 2001 年,中国人均每日果蔬消耗量就高达 1027 克,占每日总食物消耗比例 55%。

近年来,我国整体饮食结构并没有太大变化,果蔬依旧是日常食物消耗占比最多的种类。然而,随着这些年社会经济的发展和生活水平的提高,人们对水果的新鲜程度要求也越来越高。尤其是网购和外卖业务的普及,许多水果蔬菜为了保鲜都被包上了一层一层的薄膜,或使用塑料盒封装。

这些措施虽然保证了水果蔬菜的新鲜,但同时也产生了大量的塑料垃圾以及微塑料,不仅污染环境,也不利于我们的身体健康。

近日,为了减少塑料污染,来自瑞士联邦材料科学与技术实验室的 Gustav Nyström 教授与 Tanja Zimmermann 教授合作,带领研究团队利用胡萝卜渣以及蔬菜渣成功生产出了经济实惠的原纤化纤维素纳米纤维,并将其制备成了一种特殊的喷雾。在实验中,研究人员证实,这种喷雾可以在果蔬表面形成保护性纤维涂层,并将香蕉的保质期延长了 7 天。

对此,Gustav Nyström 教授表示,“这种生物保护涂层是由天然果蔬残渣中的纤维素转化而来,对人体完全无害,且非常容易清洗。因此,它可以帮助人们延长水果蔬菜的保质期减少食物的浪费。不过我们的最大的目标还是希望它能够取代塑料包装,减少环境污染。”

该研究以“Sustainable Cellulose Nanofiber Films from Carrot Pomace as Sprayable Coatings for Food Packaging Applications”为题,发表在最新一期的 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 杂志上。

地球最丰富的生物聚合物—纤维素

100 多年前,被尊称为“塑料之父” 的 Leo Baekeland 发明了塑料。这个一度被称为 20 世纪最伟大发明的材料,曾给人类带来了极大的便利。

但 100 年后,人们却蓦然发现,这种坚固耐用的材料需要数百年才能降解,严重污染了地球环境,但人类却再也离不开这种材料了。

早在 2010 年,全球每年生产的塑料就高达 2.7 亿吨。而到了 2019 年,全球每年生产的塑料已经达到了 4 亿吨。预计到 2030 年,全球塑料生产量将达 7 亿吨。同时,目前全球塑料回收利用率不足 10%这意味着,超过 90% 的塑料会被遗弃。

近年来,随着环境保护意识的提升,人们一直致力于寻找一种高性能的可再生材料来替代塑料,以迈向可持续发展的未来。作为地球上最丰富的可再生生物聚合物,纤维素是一种很有希望的候选者。

可以说,纤维素是地球上最丰富的生物聚合物,广泛存在于树木,农作物以及其他生物物质中。作为一中可再生材料,纤维不仅分布广泛可持续使用,其独特的多维结构以及多种功能十分契合人类的生产需求。

尤其是将纤维素进行分解后生成的原纤化纤维素,其尺寸可变可控,尤其是延伸至纳米级后,在机械、光学、热和流体学上都具有非常优秀的功能特性。例如,在机械性能上,纤维素的理论模量约为 100-200 Gpa,拉伸强度约为 4.9-7.5 GPa,比大多数金属、合金、聚合物以及陶瓷都要高。

因此,从产品包装、纺织及可再生消费品领域,越来越多的企业开始尝试生物塑料以及可持续材料。不同于传统塑料,原纤化纤维素制备而成的生物塑料可以轻松被土壤中的细菌和真菌降解。而其出色的机械强度、高耐热性和耐化学腐蚀性也表明其的确具有取代传统塑料的潜力。

不过,原纤化纤维素虽然具有良好的功能性,优异的生物可降解性,但是其生产成本较高,且可能对环境并不友好。这也导致了近来年虽然人们对可降解材料的呼声很高,但是实际应用依旧有限。

一种更经济实惠的选择

目前,全球领先的原纤化纤维素纳米纤维生产商普遍采用木浆作为原料,因为木头广泛存在,质量控制相对容易。

然而,在 Gustav Nyström 教授看来,用木浆生产原纤化纤维素纳米纤维并不明智。首先,木头在人类生活中的用途非常广泛,重复制备对环境并不友好;其次,木材价格昂贵,成本较高;最后,木头中的木质素含量较高,木质纤维结合紧密,分离提取困难。

因此,长期以来,Gustav Nyström 教授一直试图寻找新的原材料来生产原纤化纤维素纳米纤维。由于农业产物及食品废弃物中的木质纤维素结合紧密度非常低,木质素含量也非常低,用于生产原纤化纤维素纳米纤维成本也更低,是一种非常有潜力的原材料。

其中,胡萝卜更是一种简单易得的产物。据统计数据显示,2019 年,全球共生产了 4500 万吨胡萝卜,其中大部分胡萝卜被用于榨汁,而榨汁剩下的胡萝卜渣中含有 80% 的纤维素。

 

 

(来源:ACS Sustainable Chemistry & Engineering)

此前,已有初步研究表明,利用胡萝卜渣制造原纤化纤维素纳米纤维是可行的。同时,胡萝卜渣来源的原纤化纤维素纳米纤维与木头来源的原纤化纤维素纳米纤维品质没有差别。更重要地是,利用胡萝卜渣制备原纤化纤维素纳米纤维所需的能量远低于利用木头制备。

不过,胡萝卜渣在存储过程中容易变质,因此原材料的质量控制难以保证。为此,Gustav Nyström 教授分别从新鲜的胡萝卜渣以及放置 3 周的胡萝卜渣中分离出了原纤化纤维素纳米纤维,并将其制备成悬浮液用于食品包装和保鲜。

结果发现,用胡萝卜渣制备原纤化纤维素纳米纤维时,无论胡萝卜渣是否新鲜,均不会影响原纤化纤维素纳米纤维的性能。具体来说,研究人员发现,这两种原材料制备的原纤化纤维素纳米纤维悬浮液,均具备良好的保鲜能力,可以将香蕉的保质期延长 7 天。

图  | 香蕉的保质期对比(来源:Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology)

此外,Gustav Nyström 教授还发现,在利用胡萝卜渣制备原纤化纤维素纳米纤维时,使用漂白预处理可以成功去除胡萝卜渣中的额木质素和其他残留物,显著降低纤维化所需的能量,且不会影响原纤化纤维素纳米纤维的质量。

据悉,目前 Gustav Nyström 教授开发的原纤化纤维素纳米纤维技术正在和零售业巨头  Lidl Switzerland 以及另一家水果蔬菜供应商合作,测试并改进这种全新的原纤化纤维素纳米纤维保鲜涂层。

参考资料:

  • https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.1c06345
  • https://phys.org/news/2022-01-ecological-coating-bananas.html
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