迈向第二个黄金时代：再生淀粉气凝胶的创新可持续生产

本研究针对生物气凝胶大规模生产中的废弃物处理难题，首次系统探索了淀粉气凝胶的再生策略。研究人员提出了三种绿色再加工方法，成功将不合格气凝胶和干凝胶转化为高性能再生淀粉气凝胶(RSA)。结果表明RSA在理化性质上与原始气凝胶高度相似，孔隙率>86%，比表面积>225 m2·g?1，为循环经济背景下生物材料可持续发展提供了创新方案。

　　

在全球致力于减少温室气体排放、应对资源短缺和重新思考废弃物管理策略的背景下，可持续实践受到学术界、企业和政府的广泛关注。气凝胶作为现存最轻的材料，具有高比表面积和相互连接的介孔结构，在生物医学、制药、环境和食品等领域展现出巨大应用潜力。特别是生物气凝胶（Bioaerogels），由天然聚合物（如多糖和蛋白质）制成，具备生物降解性、生物相容性和丰富的官能团等吸引人的特性。然而，生物气凝胶仍处于发展的初期阶段，大多停留在实验室或早期工业试验规模，关于其可持续性、生命周期评估（LCA）和生命周期思考（LCT）的信息十分匮乏。

淀粉作为一种天然来源的多糖，因其可再生、高生物利用度、低成本、无毒、可生物降解和生物相容性而成为制造高附加值生物气凝胶的理想前体。然而，从大规模生产的角度来看，由于各种原因（如不合格批次、储存过程中质构特性下降、批次剩余等），会产生大量的淀粉气凝胶废弃物。这些不合格的气凝胶缺乏所需的质量或性能，或者不再适用于预期应用，其处理成为亟待解决的问题。

为了解决这一问题，并遵循生命周期思考（LCT）范式，研究人员假设不合格的气凝胶可以作为新的气凝胶生产的淀粉来源，而不会对新材料产生负面影响。在这项发表于《Carbohydrate Polymers》的研究中，研究团队首次探索了将天然玉米淀粉气凝胶（NSA）和干凝胶（Xerogels）转化为新型再生淀粉气凝胶（RSA）的可能性，旨在升级循环这些残留物。

为了验证这一设想，研究人员设计了三种不同的再生策略。策略一专注于“从气凝胶到气凝胶”的转化，直接利用原始的天然淀粉气凝胶（NSA）作为原料，通过不同的预处理方式（如直接乙醇浸泡、水浸泡后乙醇交换、研磨或冷冻后研磨）来制备新的RSA。策略二则着眼于“从干凝胶到气凝胶”的升级，将通过各种温和干燥方法（室温或55°C烘箱干燥）从水凝胶或醇凝胶获得的干凝胶，经过研磨后，重新进入标准的凝胶制备流程。策略三探索了“气凝胶与商业淀粉粉混合”的路径，将研磨后的NSA与原始商业淀粉粉末（SP）以不同的重量比例（25:75, 50:50, 75:25）混合，然后制备成新的RSA。所有最终的气凝胶产品均通过超临界CO₂干燥（scCO₂）获得，以确保其多孔结构。

研究过程中，团队运用了多种关键技术方法来全面表征和比较原始气凝胶与再生气凝胶的性能。这些方法包括：利用氮气吸附-脱附分析测定比表面积、孔体积和孔径分布；通过扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌；采用X射线衍射（XRD）分析结晶结构和结晶度指数；使用热重分析（TGA-DTG）评估热稳定性；通过动态力学分析（DMA）测量储能模量（E'）、损耗模量（E''）和阻尼因子（tan δ）等力学性能；并利用酶法测试试剂盒精确量化了淀粉样品中的直链淀粉含量。此外，还通过氦气比重计测定了骨架密度和孔隙率，并进行了相应的统计分析以确认结果的显著性。

3.1. 淀粉气凝胶的定义、再生策略和定性初步结果

研究人员成功实施了三种再生策略。肉眼观察显示，除了Water-EtOH-Aero样品表面较粗糙且体积收缩明显（57.26%）外，大多数再生淀粉气凝胶（RSA）与原始天然淀粉气凝胶（NSA）的外观几乎相同，其他RSA样品几乎没有收缩。

3.2. NSA和RSA的物理化学表征

对RSA的理化性质进行了系统表征。文本ural性质方面，所有RSA的比表面积、孔体积、平均孔径、骨架密度和孔隙率均处于气凝胶的典型范围内。策略一中，未经凝胶化/回生处理的EtOH-Aero和Water-EtOH-Aero样品比表面积较低，孔隙率显著降低，尤其是Water-EtOH-Aero（71.2%），这归因于水吸收导致的孔结构坍塌。而经过再凝胶化和回生处理的Ground-Aero和Frozen-Ground-Aero样品，其文本ural性质与NSA非常相似。策略二中，由干凝胶制备的RSA也显示出与NSA相似的文本ural性质，比表面积均高于225 m²·g^-1，孔隙率在87.8–89.4%之间，无显著统计学差异。策略三中，NSA与SP混合制备的RSA具有更优化的质地，孔径更大，孔体积更高，孔隙率显著高于NSA（>90%）。SEM图像显示，除Water-EtOH-Aero外，所有气凝胶样品均呈现高度多孔的纤维状结构，具有开放且相互连通的孔洞。XRD分析表明，所有研究的淀粉气凝胶均呈现C型结晶度（A型和B型的混合物）。直链淀粉含量测定显示，所有样品（包括SP、NSA和RSA）的直链淀粉含量在42–48%范围内，无显著统计学差异，表明再生过程未显著改变淀粉的化学组成。TGA-DTG分析表明，所有RSA样品的热分解行为相似，主要在100-110°C失去水分，在340-360°C发生淀粉降解，表明其分子结构没有发生显著变化。

3.3. 通过动态力学分析评估淀粉气凝胶的机械性能

通过DMA评估了气凝胶的粘弹性质。原始NSA的储能模量（E'）最低（5.6 MPa），损耗因子（tan δ）最高（0.072）。大多数RSA表现出相对相似的E'（5.6-16.4 MPa）、E''（0.4-0.9 MPa）和tan δ（0.052-0.072 MPa）值，表明其机械性能与NSA具有可比性。例外的是策略一中的Water-EtOH-Aero，由于其孔隙率低、结构更致密，表现出显著更高的E'（44.7 MPa）和E''（2.9 MPa）。策略二和策略三的RSA粘弹性质较为均一，表明其机械结构的一致性。这些机械性能数据为RSA在食品包装（如托盘、盒子）和生物医学（需考虑与特定组织机械性能的匹配）等领域的潜在应用提供了依据。

研究最后通过雷达图比较了三种再生策略所得RSA的平均理化性能，表明所有策略都能产生与NSA性能相当的高性能气凝胶结构，并且机械行为有所增强。这三种策略可以集成到生产系统中，为不同的生产场景（如回收技术干燥失败的不合格气凝胶、长期储存后降级的材料、不同来源淀粉原料的互换使用）提供灵活的应急解决方案。

本研究首次证明了多糖气凝胶的循环再生可行性。通过三种绿色再生策略成功实现了淀粉气凝胶的封闭循环生产，再生气凝胶在文本ural、机械和化学性质上与原始气凝胶几乎可以互换。特别具有工业意义的是，首次实现了将淀粉干凝胶升级转化为高性能淀粉气凝胶，这为不合格生产批次废弃物的价值化提供了有效途径。同时，商业淀粉粉与淀粉气凝胶的混合使用也产生了高质量的再生材料，便于工程化整合生产过程中的淀粉残留物或废弃物。所有再生策略均未使用化学交联剂或任何超出常规淀粉气凝胶生产所需的外源性试剂，这有助于满足生物医学和食品领域的法规要求。总体而言，这项工作介绍了一种具有高经济节约潜力和低碳足迹的淀粉气凝胶可持续生产模式。未来，需要将所提出的再生策略扩展到其他来源（不同淀粉乃至其他多糖）的气凝胶废弃物，并开展生命周期评估（LCA），以全面评估所开发的再生气凝胶及其再生方法的环境绩效。这项研究为循环经济原则下生物基纳米结构材料的可持续制造开辟了新的道路，标志着向生物材料生产的“第二个黄金时代”迈出了重要一步。