具備優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度且不釋放微塑料

●創(chuàng)新點(diǎn)

隨著塑料工業(yè)的不斷發(fā)展，塑料制品給人們的生活帶來了極大的便利，但同時(shí)也造成了嚴(yán)重的塑料污染。全球每年大約生產(chǎn)3億噸塑料，其中大部分都是一次性產(chǎn)品。塑料吸管作為一種被大量使用的塑料產(chǎn)品，雖然使用時(shí)間只有幾分鐘，但要完全降解需要數(shù)百年的時(shí)間。廢棄的塑料吸管對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響，甚至阻礙了動植物的生長。最近的研究還發(fā)現(xiàn)，塑料制品在使用過程中會不斷地釋放微塑料，后者可直接或間接被人們攝入，對人類健康造成了潛在的威脅。目前，塑料吸管的替代品主要包括生物可降解的聚合物吸管（如聚乳酸吸管）和天然的植物基吸管（如紙吸管）等。但是，聚乳酸吸管原料昂貴且耐熱性較差，不適合在60℃以上的溫度下使用。紙吸管等植物基吸管雖然是塑料吸管最常用的替代品，但其力學(xué)性能較差，在液體使用環(huán)境中容易變軟、坍塌。此外，紙吸管還需要在表面涂覆黏合劑和疏水涂層以彌補(bǔ)其較差的防水能力，這無疑又增加了成本。因此，迫切需要開發(fā)一種健康的、在溶液中性質(zhì)穩(wěn)定的、具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐熱性的一次性吸管。纖維素是一種由葡萄糖基重復(fù)單元形成的天然多糖。除植物外，細(xì)菌也能產(chǎn)生纖維素，稱為細(xì)菌纖維素。與植物中的纖維素相比，細(xì)菌纖維素具有更高的結(jié)晶度和獨(dú)特的超精細(xì)納米網(wǎng)絡(luò)，賦予自身超強(qiáng)的力學(xué)性能。最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)利用細(xì)菌纖維素作為原料，通過生物合成法制備出一款力學(xué)性能優(yōu)異、耐熱、不釋放微塑料并且可食用的吸管。

●方法和結(jié)果

研究人員以純天然可食用材料細(xì)菌纖維素（木葡糖酸醋桿菌合成的纖維素）和海藻酸鹽（海藻酸鈉）為基礎(chǔ)，通過生物合成和表面改性等方法制備得到了一種可食用的、超強(qiáng)的、無微塑料釋放的吸管。為了提高細(xì)菌纖維素在濕態(tài)環(huán)境下的強(qiáng)度，研究人員在細(xì)菌纖維素表面修飾了一層海藻酸鈉，后者進(jìn)一步滲透到細(xì)菌纖維素的三維納米網(wǎng)絡(luò)孔隙中，并與海藻酸鈉分子間形成大量氫鍵，因此，在無膠水等黏合劑的情況下就能形成牢固連接。研究人員通過進(jìn)一步卷曲就能得到吸管形狀，再將吸管浸入乳酸鈣溶液中，吸管中的海藻酸鈉和細(xì)菌纖維素可以通過鈣離子進(jìn)行交聯(lián)，進(jìn)一步提升自身的力學(xué)性能。研究表明，細(xì)菌纖維素的三維納米網(wǎng)絡(luò)及其與海藻酸鈉的強(qiáng)大相互作用賦予了吸管超高的強(qiáng)度、模量和韌性，細(xì)菌纖維素/海藻酸鈉膜的抗張強(qiáng)度是紙張的10多倍，韌性是紙張的14倍多，抗壓強(qiáng)度、模量和彎曲強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的紙吸管，綜合性能也優(yōu)于市面上的同類產(chǎn)品，能夠滿足實(shí)際使用需求。此外，細(xì)菌纖維素三維網(wǎng)絡(luò)具備攜帶色素和氣味分子的能力，可以通過裝載可食用的提取物來調(diào)節(jié)吸管的顏色和味道，使其更有可能受到消費(fèi)者的青睞。在工業(yè)生產(chǎn)方面，生物合成的原料與現(xiàn)有的吸管制備方法相結(jié)合，有利于未來實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、低成本生產(chǎn)。

應(yīng)用前景

細(xì)菌纖維素基吸管的可食性、低成本以及無微塑料釋放的特性使其具有成為一種新型健康吸管的巨大潛力。同時(shí)，通過在細(xì)菌纖維素的三維網(wǎng)絡(luò)中加載食用色素或提取物，可以將多種顏色和口味融入該吸管中，提供更好的飲用體驗(yàn)，滿足人們對食品安全、公共衛(wèi)生和可持續(xù)發(fā)展日益增長的期望，具有良好的商業(yè)前景。

Source: YANG H B, LIU Z X, YIN C H, et al. Edible,ultrastrong, and microplasticfree bacterial cellulose-based straws by biosynthesis [J].Advanced Functional Materials,2021, 2111713.