研究人员从海洋中提取生物聚合物，以替代合成塑料薄膜

北卡罗来纳州立大学的一项最新研究表明，从甲壳类动物和海藻中提取的具有增强结构的材料有可能替代石油基塑料薄膜。该研究发表于《细胞报告物理科学》。这些薄膜是由琼脂糖基质与壳聚糖的分层分支软枝状胶体增强而成，增强后的复合材料具有比未增强琼脂糖膜高4倍以上的韧性、可见光透过率高、还具有更好的水稳定性和显著的杀菌活性。

将壳聚糖(一种使蟹壳坚硬的生物聚合物)与琼脂糖(一种从海藻中提取的用于制造凝胶的生物聚合物)结合在一起，可以创造出具有强度更高的独特生物聚合物复合薄膜。这种薄膜可生物降解，具有抗菌性、拒水性和透明的特性。这一发现可能最终导致食品和消费品的可持续包装薄膜的改变。

“合成聚合物可以制作非常好的薄膜，但我们想用天然生物聚合物代替它们。问题是我们如何调整这些天然聚合物的连接结构，在我们的研究中是琼脂糖和壳聚糖。”研究人员说。

仅仅将壳聚糖和琼脂糖结合在一起可能还不够。研究人员表示，以前生产这种混合物的研究中曾报告过其性能的改善，但当干燥时，产生的砂砾膜就可能缺乏适当的强度。

此次的研究中，团队采用了不同的方法，用由壳聚糖制成的软树突状胶体来强化琼脂糖膜。高强度的壳聚糖微米级和纳米级原纤维是分层分支的，为其嵌入的琼脂糖膜提供强度和稳定性。

“对天然聚合物进行化学改性具有挑战性，但我们可以改变它们的形态并将其用作复合材料。”研究人员说。“我们使用壳聚糖树突状颗粒来增强琼脂糖基质，因为两种材料的相容性可导致良好的机械性能；壳聚糖颗粒也具有与琼脂糖相反的电荷。当混合时，这些电荷被中和，因此所得材料也变得更防水。”

研究表明，这种生物聚合物复合材料的强度比单独的琼脂糖膜强约四倍，而且还能抵抗大肠杆菌。研究还表明，由生物聚合物复合薄膜制成的薄片在地下一个月后会大大降解，而相比之下，普通的塑料三明治袋在地下同样时间后仍然完好无损。

“我们的复合材料最初具有很强的抗菌性，但因为它是由天然材料制成的，一段时间后细菌仍然会在其上定居，所以在地下一个月后，它们就会很容易被生物降解。”研究人员表示，实验室将继续致力于改进生物聚合物复合膜的结构，目标是最终达到合成聚合物的性能。

“如何以足够快的速度连续生产聚合物替代薄膜，以达到足够大的产量？”因此提高材料生产过程的可扩展性也是未来的目标之一。

文：Sara 审：Yanjun

参考资料：

Hierarchically reinforced biopolymer composite films as multifunctional plastics substitute - ScienceDirect

Yosra Kotb et al, Hierarchically reinforced biopolymer composite films as multifunctional plastics substitute,Cell Reports Physical Science (2023). DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101732