首页 > 分享 > 香蕉，不仅可以吃，还能发论文！

香蕉，不仅可以吃，还能发论文！

花匠小妙招
2025-01-04 03:39

香蕉皮制成的可生物降解包装膜！可应对塑料垃圾危机！

塑料由于其强度、柔性和可承载性，是目前被广泛使用的包装材料。石油基塑料是最常见的塑料类型，由于其不可生物降解性，塑料包装和塑料袋需要长达20年的时间才能分解。由于很少有塑料被回收，大多数塑料最终被填埋或丢弃在自然环境中，造成严重的环境问题，并威胁着人类健康。因此，需要开发可持续和可生物降解的替代品，以应对持续的塑料垃圾危机。

香蕉是世界上最受欢迎和消费最广泛的水果之一，同时也是世界上种植量第四大的作物，仅次于水稻、小麦和玉米。香蕉在被广泛种植的同时，也产生了大量的副产品。在世界各地，香蕉种植园每2.5英亩会产生约220吨香蕉皮。香蕉皮主要由木质纤维素组成，其具有坚固的结构、生物相容性、生物降解性、低密度和无毒性，因此成为了制造可生物降解薄膜的一种可行选择。

在此背景下，南达科塔州州立大学Mominul Hoque和Srinivas Janaswamy将香蕉皮中的木质纤维素纤维通过碱处理和漂白处理进行提取，溶解在ZnCl2溶液中，并通过Ca2+离子进行交联，制备薄膜。实验结果表明，增加Ca2+离子浓度能显著提高薄膜的抗拉强度（最高可达31.3MPa），但会降低水分含量、透明度、吸湿性、水溶性、水蒸气渗透性和伸长率。薄膜的降解周期为15.26–20.72天，在21%的土壤湿度下，薄膜在30天内的生物降解率超过90%。该香蕉皮纤维可以帮助设计和开发可生物降解的薄膜，并提供一种可持续的解决方案来抑制不可生物降解塑料的有害影响。该工作以题为“Biodegradable packaging films from banana peel fiber”的论文发表在最新一期《Sustainable Chemistry and Pharmacy》(中科院2区，IF：6.0)上。

香蕉皮纤维薄膜的制备

香蕉皮纤维膜的制备工艺流程如图1所示。作者首先将香蕉皮浸入焦亚硫酸钾溶液中24小时以防止氧化。随后，将其进行干燥、研磨、筛分，得到香蕉皮麸皮。接着，作者通过碱处理和漂白处理脱除木质素并分解木质素中的酚类化合物。通过干燥和研磨获得香蕉皮纤维膜（Banana Peel Fiber，BPF）细粉末，并将BPF溶解在ZnCl2溶液中。当Zn2+离子与O3H基团结合时，纤维素链的固有O3H···O5氢键被削弱。此时，水分子可以穿透纤维素网络并将其溶解。随后，加入CaCl2溶液以交联溶解的BPF残基，形成薄膜。

图1. 香蕉皮纤维薄膜制备和表征的工艺流程图

Ca2+离子浓度对香蕉皮纤维膜光学、降解、密封、力学性能的影响

薄膜的水含量会影响纤维素膜的力学、密封和光学性能，这取决于基体中水分子的相互作用和分布。香蕉皮纤维与Ca2+的交联会影响水分子在薄膜基体中的分布，因此会对薄膜性能具有决定性的影响。实验结果表明，薄膜的含水量随着CaCl2浓度的增加而降低（图2a）。这表明，向膜基体中添加CaCl2会降低膜的保水能力，这可能是由于Ca2+离子与香蕉皮纤维的羟基相互作用，导致可以与水分子结合的亲水位点变少。

消费者通常更喜欢透明的包装来判断食物的新鲜度。香蕉皮纤维膜的透明度为32-45%，优于LDPE膜的15%-20%和PP膜的38%，表明其适合应用于包装。在纤维素膜中观察到的纳米纤维的形成可能是这种高透明度的原因。CaCl2浓度的增加会导致膜的透明度逐渐下降（图2b）。这是因为Ca2+对透明度的影响与香蕉皮纤维链之间的强交联有关，更紧凑的结构减少了可透射的光量。薄膜变得更坚固的同时，透明度有所降低。

图2. CaCl2浓度对香蕉皮纤维膜（a）含水量和（b）透明度的影响。

可生物降解膜的水溶性与其在暴露于水时的分解或崩解能力有关。因此，可生物降解膜的功能性和可持续性在很大程度上受其水溶性的影响，这使其成为包装应用的关键因素。BPF膜的水溶性随着CaCl2浓度的增加而显著降低（图3a）。香蕉皮纤维膜的水溶性降低可能是由于Ca2+离子和OH-基团之间的类似相互作用，限制了水分子的结合位点。

吸湿性对于预测其在储存过程中的稳定性至关重要。香蕉皮纤维膜的最大吸湿率在98%至156%之间，并随着CaCl2的增加而降低（图3b）。这很可能是由OH-基团和Ca2+离子的相互作用增强了膜的结构并降低了亲水性。另一方面，高浓度的CaCl2可能会填充膜基体中纤维链之间的自由空间，导致吸湿性降低。

图3. CaCl2对香蕉皮纤维膜（a）水溶性和（b）吸湿性的影响。

环境和产品之间的水分传递速率由包装材料的性质决定，会影响食品的稳定性。因此，决定包装是否适合特定产品的最关键因素之一是水蒸气渗透性（WVP）。根据溶液扩散机制理论，水在膜基体中的吸附和迁移率会影响WVP。对于香蕉皮纤维膜，CaCl2浓度的增加导致WVP的降低（图4a）。这一现象归因于交联过程中Ca2+与溶解的香蕉皮纤维链的相互作用，减少了膜中致密网络的自由体积。

生物降解性是指材料在同化到环境中的同时，通过微生物和自然过程分解为更简单的化合物的能力。实验结果表明，BPF膜在21±3%含水量的土壤中埋置30天后降解率在75.7%至92.4%之间。薄膜的降解周期为15.26至20.72天。（图4b）。

图4. CaCl2浓度对香蕉皮纤维膜（a）水蒸气渗透性和（b）生物降解性的影响。

薄膜在用作食品包装时保持其完整性的能力可以用拉伸强度和断裂伸长率进行评估。薄膜的拉伸强度反映了薄膜在断裂前所能承受的最大应力。香蕉皮纤维膜的拉伸强度随着CaCl2浓度的增加而显著增加（图5a），最高达到了31.30Mpa，远高于商业杂货袋膜的拉伸强度2.56MPa。如此高的拉伸强度可能是由于Ca2+离子与香蕉皮纤维链的羟基的相互作用。

与拉伸强度相反，伸长率随着CaCl2的增加而降低（图5b）。Ca2+离子与溶解的香蕉皮纤维链的强相互作用减少了膜中的自由体积，导致膜的结构变得紧凑，柔韧性变差。此外，膜的含水量降低也可能是伸长率降低的原因，因为聚合物膜基体中的水分起到增塑剂的作用。相比于商用聚乙烯的高伸长率（69.33%），香蕉皮纤维膜的伸长性不佳（4.85%-12.97%,），需要进一步的研究以提升其性能。

图5. CaCl2浓度对香蕉皮纤维膜（a）拉伸强度和（b）伸长率的影响。

小结

该工作开发了香蕉皮纤维（BPF）并将其应用于设计和开发可生物降解薄膜。该薄膜通过将BPF溶解在ZnCl2中，并用不同浓度的Ca2+离子交联，最终制备而成。表征结果表明， BPF膜可生物降解，透明，并且具有高拉伸强度。其生物降解能力与水溶性、吸湿性和水蒸气渗透性密切相关。随着交联Ca2+离子的增加，薄膜的水溶性、吸湿性、含水量和水蒸气渗透性降低，使其具有食品包装应用的潜力。

文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352554123004357

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！