牛粪纤维素转化为生物可降解包装膜：可持续材料创新与塑料污染治理新策略

本研究针对塑料污染日益严重的环境问题，创新性地利用牛粪中提取的纤维素开发可生物降解包装膜。通过碱性处理和漂白提取纤维素，采用ZnCl2溶解和Ca2+交联技术，成功制备出透明度达45.4-56.9% mm-1、拉伸强度2.22-4.20 MPa的柔性薄膜。该薄膜在土壤中21天可完全降解，为畜牧废弃物资源化利用和塑料替代提供了可持续解决方案。

　　

塑料以其耐用性和多功能性成为现代生活中不可或缺的材料，但有限的回收性导致了严重的环境问题，尤其是微塑料和纳米塑料的积累。这些微小颗粒从珠穆朗玛峰顶峰到马里亚纳海沟深处，从北极到南极无处不在，甚至在海洋和陆地动物（包括斑海豹、鱼类、海龟和鸟类）的消化系统以及人类胎盘、肺部、大脑和精液中被频繁检测到，引发了人们对慢性代谢失衡、内分泌紊乱以及神经和生殖问题的严重担忧。面对传统塑料造成的广泛且持续污染，开发可持续的替代品如可生物降解包装材料变得尤为迫切。

在此背景下，农业和工业副产物成为有前景的资源来源。然而，全球对生物资源日益增长的需求强调了对未被充分利用的生物废物流进行增值的必要性。本研究探索将牛粪——一种丰富但未充分利用的纤维素残留源——作为生产可生物降解薄膜的原料。牛粪作为牲畜废弃物，常规处理方式如填埋和露天堆放会释放甲烷和氨，造成环境污染并威胁人畜健康，因此可持续的粪便管理策略正在被积极寻求。

研究人员从牛粪中提取纤维素残留物（CDC），通过顺序碱处理和漂白处理，溶解于68% ZnCl₂中形成水凝胶，用Ca²⁺离子（200、300和400 mM CaCl₂）交联并用10%甘油塑化，最终通过手工浇铸到玻璃板上制成柔性薄膜。这些薄膜半透明，透明度值45.4±0.3–56.9±0.2% mm^?1，拉伸强度2.22±0.87–4.20±0.57 MPa，断裂伸长率9.7±0.4–11.0±0.1%，水蒸气渗透性0.99±0.20–1.51±0.02×10^?10 g m^?1 s^?1 Pa^?1，并在24%土壤湿度下21天内完全生物降解。

该研究成功建立了一条将牲畜废物转化为功能性生物包装的可扩展路径，提供了减轻塑料积累同时增值未充分利用生物质流的可持续策略。研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》上，为可持续材料创新、促进资源节约和效率以及开发塑料替代品和可生物降解包装薄膜做出了贡献。

研究采用的关键技术方法包括：从烘干牛粪中通过碱处理和漂白提取纤维素；使用ZnCl₂溶液溶解纤维素形成水凝胶；通过CaCl₂进行离子交联和甘油塑化；采用手工浇铸成膜技术；利用紫外-可见分光光度计、质构分析仪和FTIR光谱仪进行薄膜光学、机械和光谱特性表征；通过土壤埋藏实验评估生物降解性。样本来源于南达科他州立大学Cow-Calf教育与研究设施提供的荷斯坦奶牛新鲜粪便。

3.1. 光谱特性

FTIR光谱显示薄膜中存在纤维素、木聚糖和甘露聚糖组份。897 cm^?1处的波段表明纤维素的β-糖苷键连接，1024和1202 cm^?1处的峰归因于C-O拉伸，1271和1555 cm^?1分别对应CH₂变形和C-O-H弯曲。1047 cm^?1波段在薄膜中消失，表明形成了O3H?Zn相互作用，削弱了纤维素、甘露聚糖和木聚糖的分子内O3H?O5氢键，增强了纤维素残留物的溶解度。Ca²⁺离子的添加通过羟基、Zn²⁺离子和水分子的协同相互作用诱导了Zn-纤维素残留物的交联，更高Ca²⁺浓度下峰强度的增加表明薄膜中Ca-Zn-纤维素链相互作用更强。

3.2. 光学特性

CDC薄膜的L值从200 mM时的83.67±0.53到400 mM时的85.02±0.19，表明随着氯化钙浓度的增加，亮度显著增加。a值从200 mM CaCl₂时的-0.90±0.87增加到400 mM时的0.40±0.60，反映了从绿色向红色的轻微转变。黄度指数（YI）、白度指数（WI）和总色差（TCD）分别为4.20±0.70至7.47±0.92、83.04±0.45至84.80±0.22和4.08±0.35至6.40±0.28。薄膜在190 nm处的透光率相对较高，为42.2±0.1–60.1±0.4%，在310 nm处UVB光被显著阻挡，透光率降低至22.8±0.8–40.4±1.0%，在可见光区域580 nm处透光率范围为39.0±1.4至50.4±0.3%，表明薄膜半透明。透光率随CaCl₂浓度增加而增加，相关系数为0.89。

3.3. 机械特性

CDC薄膜的拉伸强度（TS）随CaCl₂浓度增加而增加：200 mM时为2.22±0.87 MPa，300 mM时为3.88±0.40 MPa，400 mM时为4.20±0.57 MPa，相关系数为0.93。断裂伸长率（EB）范围从9.7±0.4%到11.0±0.1%，钙离子浓度与EB高度负相关（相关系数-0.99），表明纤维素链之间的交联增加减少了伸长。TS和EB呈现高度负相关-0.88。

3.4. 水合特性

CDC薄膜的含水量（MC）随钙浓度增加而降低，值为12.3±0.2%、10.26±0.17%和9.9±0.4%。水溶性（WS）为51.7±0.5–67.9±0.7%，随Ca²⁺离子浓度增加而降低（相关系数-0.99）。水蒸气渗透性（WVP）在0.99±0.20–1.51±0.02×10^?10 g m^?1 s^?1 Pa^?1范围内，随CaCl₂浓度增加而降低（相关系数-0.96）。120分钟时的吸水率（WA）范围从32.9±0.1到54.2±0.2%，较高的钙离子交联有助于更致密的薄膜网络（相关系数-1.00）。吸水动力学使用九种不同动力学模型进行分析，Peleg模型表现出最佳性能，R²值0.9888–0.9996，RMSE值0.0180–0.1204。

3.5. 土壤生物降解性

CDC薄膜在24%土壤含水量下通过土壤埋藏试验评估生物降解性。21天内薄膜重量减少超过80%，200 mM CaCl₂的薄膜表现出88.3%的重量减少。随着CaCl₂浓度增加，生物降解程度略微下降至300 mM时的85.5%和400 mM时的84.1%。生物降解行为采用一级和二级反应动力学研究，相应R²值分别为0.8495–0.8997和0.9999，RMSE为0.1852–0.2978和0.1226–0.2526。二级还原反应能更好解释生物降解趋势，半衰期确定为10.1–11.5天。

研究结论表明，将牛粪转化为可生物降解薄膜具有环境和经济双重效益。该方法不仅减少了塑料废物，还将丰富的生物废物转化为高价值产品，有助于降低对不可再生资源的依赖，增强生态韧性，并通过支持环境保护和公共健康助力可持续发展目标。尽管牛粪基薄膜的机械强度和阻隔性能仍有局限，但通过与其他生物聚合物、多糖、纳米颗粒和其他增强剂共混，未来工作将专注于提高薄膜性能。工艺优化、放大、技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）以及食品接触和商业应用的全面安全评估也将推进。总之，将牛粪转化为可生物降解薄膜的潜力巨大，在替代塑料的努力中提供了环境和经济益处。