直接利用Gracilaria sp.生产山梨醇增塑生物塑料薄膜

《Journal of Polymer Materials》：Direct Production of Sorbitol-Plasticized Bioplastic Film from Gracilaria sp.

本研究采用直接制备法，利用红海藻Gracilaria sp.及其不同浓度（0%-10%）山梨糖醇作为增塑剂，成功开发出可生物降解的薄膜材料。结果表明，5%-7%的山梨糖醇优化了薄膜的热稳定性和密封强度，同时10%浓度实现30天内完全降解，并提升光学性能。该法成本低且可扩展，适用于环保包装

　　在当前全球面临塑料污染问题的背景下，寻找可降解且环保的替代材料成为科学研究的重要方向。本文探讨了一种创新的生物塑料生产方法，利用红藻*Gracilaria* sp.作为原材料，通过直接加工技术而非传统的化学提取过程，生产出具有优良性能的生物塑料薄膜。该方法不仅降低了生产成本，还提高了材料的可降解性，为可持续包装材料的开发提供了新的思路。

### 1. 背景与研究意义

传统塑料制品因其持久性和不可降解性，已成为环境污染的主要来源之一。石油基塑料在使用过程中会释放有害物质，且在自然环境中难以分解，导致长期的生态破坏。因此，开发来源于可再生资源的生物塑料成为应对这一问题的有效策略。近年来，研究者们开始关注海洋生物资源，特别是大型藻类（macroalgae），因其丰富的多糖类物质，如琼脂和卡拉胶，被认为具有良好的生物降解性和物理性能。

*Gracilaria* sp.作为一种常见的红藻，富含多种多糖，且其生长周期短、产量高，是一种极具潜力的生物塑料原料。然而，传统的生物塑料生产通常需要先通过化学或酶解方法提取特定的多糖成分，这一过程不仅耗时耗力，而且增加了生产成本，限制了其大规模应用的可能性。为了解决这一问题，本文提出了一种直接利用未经过化学提取的*Gracilaria* sp.进行生物塑料薄膜制造的新方法。这种方法不仅简化了生产流程，还保持了原料的天然特性，为开发低成本、可大规模生产的生物塑料提供了新的途径。

### 2. 研究方法与材料准备

在本研究中，研究人员首先从印度尼西亚Karawang地区的海岸采集了*Gracilaria* sp.样本，并经过清洗、干燥和漂白处理，以去除杂质和残留有机物。随后，将处理后的藻类与去离子水混合，并通过高压蒸汽灭菌（autoclaving）处理，以促使细胞壁破裂，释放出可溶性多糖。接着，使用手动搅拌器将混合物均匀分散，并通过200目筛网过滤，去除不可溶的残留物。最后，将滤液与不同浓度的液态山梨醇（sorbitol）混合，进行加热和搅拌，确保山梨醇均匀分布于生物塑料体系中。处理后的混合物被倒入硅胶模具中，并在60°C下干燥12至14小时，最终得到生物塑料薄膜样品。

为了评估不同山梨醇浓度对生物塑料性能的影响，研究人员采用了多种分析技术，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、拉伸测试、撕裂强度测试、密封强度测试以及生物降解实验。这些测试方法能够全面地反映生物塑料的物理、化学和环境性能，为优化其配方提供科学依据。

### 3. 热分析与分子结构研究

热重分析（TGA）结果显示，不同浓度的山梨醇对生物塑料的热稳定性产生了显著影响。未添加山梨醇的样品（S0）在较低温度下就开始降解，表明其热稳定性相对较差。而随着山梨醇浓度的增加，尤其是5%至7%时，样品表现出更高的热稳定性，这可能是因为山梨醇在一定程度上增强了多糖分子之间的相互作用，提高了材料的耐热性。然而，当山梨醇浓度达到10%时，热稳定性有所下降，这可能与过量的山梨醇导致的分子结构破坏或相分离有关。

FTIR分析进一步揭示了山梨醇对生物塑料分子结构的影响。所有样品均显示出3200–3300 cm?1范围内的宽吸收带，这是由于多糖中的羟基（–OH）和山梨醇中的氢键作用所致。随着山梨醇浓度的增加，该吸收带的强度也随之增强，表明山梨醇与多糖之间存在更强的相互作用。此外，1650 cm?1附近的吸收峰与多糖中的羰基（C=O）有关，其强度在所有样品中保持稳定，说明山梨醇并未显著改变多糖的基本结构。而在1000–1020 cm?1区域，山梨醇的加入导致了更强的C–O和C–OH振动信号，这表明山梨醇的引入增强了分子间的相互作用，从而影响了生物塑料的物理性能。

### 4. 机械性能研究

机械性能是评估生物塑料应用潜力的重要指标之一。拉伸测试结果显示，山梨醇的加入显著改善了生物塑料的柔韧性和断裂伸长率，但同时降低了其拉伸强度和弹性模量。具体而言，未添加山梨醇的样品（S0）表现出最高的拉伸强度（31 MPa），而随着山梨醇浓度的增加，拉伸强度逐渐下降。这种趋势表明，山梨醇作为一种塑化剂，能够削弱多糖分子之间的氢键，从而降低材料的刚性，提高其延展性。

断裂伸长率则呈现出不同的变化趋势。在3%山梨醇浓度时，断裂伸长率达到峰值（57%），表明此时材料的柔韧性最佳。然而，随着山梨醇浓度的进一步增加，断裂伸长率有所下降，这可能是因为过量的山梨醇导致了材料的结构饱和或相分离。弹性模量的变化趋势与断裂伸长率相似，即在3%浓度时达到最低值，随后随着浓度的增加而逐渐上升，说明在低浓度时材料的柔韧性最高，而在高浓度时材料的刚性有所恢复。

撕裂强度的测试结果同样揭示了山梨醇浓度对生物塑料性能的影响。未添加山梨醇的样品（S0）表现出最低的撕裂强度（1.11 MPa），而随着山梨醇浓度的增加，撕裂强度呈现出先下降后上升的趋势。这一现象表明，山梨醇在低浓度时削弱了材料的内部结构，使其更容易被撕裂；而在较高浓度时，山梨醇可能通过增强分子间的相互作用，提高了材料的抗撕裂能力。特别值得注意的是，当山梨醇浓度达到10%时，撕裂强度显著上升（2.91 MPa），这可能是由于山梨醇的均匀分散增强了材料的整体结构稳定性。

密封强度的测试结果也表明，山梨醇的加入能够显著提高生物塑料薄膜的密封性能。在3%和5%浓度时，密封强度分别达到0.06 N/mm和0.07 N/mm，而在7%浓度时达到最高值（0.16 MPa）。这表明，山梨醇在一定浓度范围内能够促进薄膜层之间的紧密接触，从而增强密封效果。然而，当山梨醇浓度超过7%时，密封强度略有下降，这可能与过量山梨醇引起的结构变化有关，如相分离或分子间作用力的减弱。

### 5. 生物降解性分析

生物降解性是衡量生物塑料环境友好性的重要标准之一。在本研究中，通过埋藏实验对不同山梨醇浓度的生物塑料样品进行了生物降解测试。结果显示，随着山梨醇浓度的增加，样品的降解速率显著提高。在30天内，未添加山梨醇的样品（S0）仅表现出21.62%的重量损失，而当山梨醇浓度达到10%时，样品几乎完全降解（100%），表明山梨醇在一定程度上提高了生物塑料的降解速度。

这一现象可能与山梨醇的塑化作用有关。山梨醇能够降低生物塑料的结晶度和刚性，使其更容易被微生物分解。此外，山梨醇的加入可能增加了材料的孔隙率，为微生物的渗透和代谢活动提供了更多的空间。因此，山梨醇不仅改善了生物塑料的物理性能，还显著增强了其环境友好性，使其在使用后能够快速降解，减少对环境的长期影响。

### 6. 颜色分析与视觉性能评估

颜色是影响生物塑料市场接受度的重要因素之一。通过使用HunterLab ColorFlex分光光度计对样品进行了颜色测试，结果表明，随着山梨醇浓度的增加，生物塑料的亮度（L*值）显著提高，而黄色度（b*值）则有所下降。具体而言，S0样品的L*值为60.80 ± 1.25，而S10样品的L*值达到63.37 ± 0.31，表明其亮度明显增强。这一变化可能与山梨醇对多糖分子结构的影响有关，如改变了材料的透明度或光散射特性。

另一方面，b*值从S0的28.77 ± 1.03下降至S10的23.20 ± 0.35，说明样品的黄色度显著降低。这可能是由于山梨醇的加入改变了材料的组成，或者与藻类中的色素成分发生了相互作用，从而减少了黄色的呈现。此外，a*值（红绿轴）在不同浓度下变化较小，表明山梨醇对样品的红色成分影响有限。总体来看，山梨醇的加入不仅提高了生物塑料的亮度，还改善了其视觉外观，使其更接近传统塑料的特性，从而提升了其在包装等应用中的市场竞争力。

### 7. 研究结论与应用前景

本研究通过直接利用*Gracilaria* sp.生产生物塑料薄膜，避免了传统提取过程，为开发低成本、高效率的生物塑料提供了新的思路。实验结果表明，山梨醇的加入显著改善了生物塑料的柔韧性、断裂伸长率和密封性能，但同时也降低了其拉伸强度和热稳定性。因此，选择适当的山梨醇浓度对于平衡材料的机械性能和降解性至关重要。

在5%至7%的山梨醇浓度范围内，生物塑料表现出最佳的热稳定性和密封强度，而10%浓度则实现了完全的生物降解，说明该浓度在提升环境兼容性方面具有显著优势。此外，山梨醇的加入还提高了样品的亮度并减少了黄色度，使其在视觉上更具吸引力。这些结果表明，通过合理调控山梨醇的浓度，可以开发出兼具优良机械性能和环境友好性的生物塑料薄膜。

该研究为可持续包装材料的开发提供了重要的科学依据。通过直接利用未提取的*Gracilaria* sp.，不仅减少了生产过程中的能耗和污染，还提高了材料的可降解性，符合当前环保政策和市场需求。未来，这一技术有望在食品包装、农业覆盖膜、一次性用品等领域得到广泛应用，为减少塑料污染、推动绿色经济发展提供有力支持。