文 | 學術頭條，作者 | 朱哼哼，編輯 | 王哈哈
受中式飲食的影響，一直以來，中國就是全球水果蔬菜産量和消費量最大國家，人均果蔬消費量位居世界第一。例如，早在 2001 年，中國人均每日果蔬消耗量就高達 1027 克，占每日總食物消耗比例 55%。
近年來，我國整體飲食結構并沒有太大變化，果蔬依舊是日常食物消耗占比最多的種類。然而，随着這些年社會經濟的發展和生活水準的提高，人們對水果的新鮮程度要求也越來越高。尤其是網購和外賣業務的普及，許多水果蔬菜為了保鮮都被包上了一層一層的薄膜，或使用塑膠盒封裝。
這些措施雖然保證了水果蔬菜的新鮮，但同時也産生了大量的塑膠垃圾以及微塑膠，不僅污染環境，也不利于我們的身體健康。
近日，為了減少塑膠污染，來自瑞士聯邦材料科學與技術實驗室的 Gustav Nystr m 教授與 Tanja Zimmermann 教授合作，帶領研究團隊利用胡蘿蔔渣以及蔬菜渣成功生産出了經濟實惠的原纖化纖維素納米纖維，并将其制備成了一種特殊的噴霧。在實驗中，研究人員證明，這種噴霧可以在果蔬表面形成保護性纖維塗層，并将香蕉的保存期限延長了 7 天。
對此，Gustav Nystr m 教授表示，“這種生物保護塗層是由天然果蔬殘渣中的纖維素轉化而來，對人體完全無害，且非常容易清洗。是以，它可以幫助人們延長水果蔬菜的保存期限減少食物的浪費。不過我們的最大的目标還是希望它能夠取代塑膠包裝，減少環境污染。”
該研究以“Sustainable Cellulose Nanofiber Films from Carrot Pomace as Sprayable Coatings for Food Packaging Applications”為題，發表在最新一期的 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 雜志上。
地球最豐富的生物聚合物—纖維素
100 多年前，被尊稱為“塑膠之父” 的 Leo Baekeland 發明了塑膠。這個一度被稱為 20 世紀最偉大發明的材料，曾給人類帶來了極大的便利。
但 100 年後，人們卻蓦然發現，這種堅固耐用的材料需要數百年才能降解，嚴重污染了地球環境，但人類卻再也離不開這種材料了。
早在 2010 年，全球每年生産的塑膠就高達 2.7 億噸。而到了 2019 年，全球每年生産的塑膠已經達到了 4 億噸。預計到 2030 年，全球塑膠生産量将達 7 億噸。同時，目前全球塑膠回收使用率不足 10%，這意味着，超過 90% 的塑膠會被遺棄。
近年來，随着環境保護意識的提升，人們一直緻力于尋找一種高性能的可再生材料來替代塑膠，以邁向可持續發展的未來。作為地球上最豐富的可再生生物聚合物，纖維素是一種很有希望的候選者。
可以說，纖維素是地球上最豐富的生物聚合物，廣泛存在于樹木，農作物以及其他生物物質中。作為一中可再生材料，纖維不僅分布廣泛可持續使用，其獨特的多元結構以及多種功能十分契合人類的生産需求。
尤其是将纖維素進行分解後生成的原纖化纖維素，其尺寸可變可控，尤其是延伸至納米級後，在機械、光學、熱和流體學上都具有非常優秀的功能特性。例如，在機械性能上，纖維素的理論模量約為 100-200 Gpa，拉伸強度約為 4.9-7.5 GPa，比大多數金屬、合金、聚合物以及陶瓷都要高。
是以，從産品包裝、紡織及可再生消費品領域，越來越多的企業開始嘗試生物塑膠以及可持續材料。不同于傳統塑膠，原纖化纖維素制備而成的生物塑膠可以輕松被土壤中的細菌和真菌降解。而其出色的機械強度、高耐熱性和耐化學腐蝕性也表明其的确具有取代傳統塑膠的潛力。
不過，原纖化纖維素雖然具有良好的功能性，優異的生物可降解性，但是其生産成本較高，且可能對環境并不友好。這也導緻了近來年雖然人們對可降解材料的呼聲很高，但是實際應用依舊有限。
一種更經濟實惠的選擇
目前，全球領先的原纖化纖維素納米纖維生産商普遍采用木漿作為原料，因為木頭廣泛存在，品質控制相對容易。
然而，在 Gustav Nystr m 教授看來，用木漿生産原纖化纖維素納米纖維并不明智。首先，木頭在人類生活中的用途非常廣泛，重複制備對環境并不友好；其次，木材價格昂貴，成本較高；最後，木頭中的木質素含量較高，木質纖維結合緊密，分離提取困難。
是以，長期以來，Gustav Nystr m 教授一直試圖尋找新的原材料來生産原纖化纖維素納米纖維。由于農業産物及食品廢棄物中的木質纖維素結合緊密度非常低，木質素含量也非常低，用于生産原纖化纖維素納米纖維成本也更低，是一種非常有潛力的原材料。
其中，胡蘿蔔更是一種簡單易得的産物。據統計資料顯示，2019 年，全球共生産了 4500 萬噸胡蘿蔔，其中大部分胡蘿蔔被用于榨汁，而榨汁剩下的胡蘿蔔渣中含有 80% 的纖維素。
（來源：ACS Sustainable Chemistry & Engineering）
此前，已有初步研究表明，利用胡蘿蔔渣制造原纖化纖維素納米纖維是可行的。同時，胡蘿蔔渣來源的原纖化纖維素納米纖維與木頭來源的原纖化纖維素納米纖維品質沒有差别。更重要地是，利用胡蘿蔔渣制備原纖化纖維素納米纖維所需的能量遠低于利用木頭制備。
不過，胡蘿蔔渣在存儲過程中容易變質，是以原材料的品質控制難以保證。為此，Gustav Nystr m 教授分别從新鮮的胡蘿蔔渣以及放置 3 周的胡蘿蔔渣中分離出了原纖化纖維素納米纖維，并将其制備成懸浮液用于食品包裝和保鮮。
結果發現，用胡蘿蔔渣制備原纖化纖維素納米纖維時，無論胡蘿蔔渣是否新鮮，均不會影響原纖化纖維素納米纖維的性能。具體來說，研究人員發現，這兩種原材料制備的原纖化纖維素納米纖維懸浮液，均具備良好的保鮮能力，可以将香蕉的保存期限延長 7 天。
圖 | 香蕉的保存期限對比（來源：Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology）
此外，Gustav Nystr m 教授還發現，在利用胡蘿蔔渣制備原纖化纖維素納米纖維時，使用漂白預處理可以成功去除胡蘿蔔渣中的額木質素和其他殘留物，顯著降低纖維化所需的能量，且不會影響原纖化纖維素納米纖維的品質。
據悉，目前 Gustav Nystr m 教授開發的原纖化纖維素納米纖維技術正在和零售業巨頭 Lidl Switzerland 以及另一家水果蔬菜供應商合作，測試并改進這種全新的原纖化纖維素納米纖維保鮮塗層。
參考資料：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.1c06345
https://phys.org/news/2022-01-ecological-coating-bananas.html