综述：农业废弃物源纤维素气凝胶的绿色制备及在食品包装中的功能化应用进展

本综述系统阐述了从农业废弃物中绿色制备纤维素气凝胶（CA）的技术路线及其在食品包装、保鲜与智能监测中的多功能应用，重点分析了通过合成策略优化和功能修饰（如增强机械性能、疏水性）实现材料高性能化的路径，为开发石油基材料的可持续替代品提供了重要参考。

　　

引言

气凝胶作为一种具有超高比表面积、纳米多孔结构、极低密度和超低导热性的先进材料，在多个科学和工程领域展现出巨大的应用潜力。然而，传统的有机气凝胶前体大多来源于石油基原料，存在毒性和生物降解性差等环境问题。因此，以丰富且环境友好的生物质为原料制备的气凝胶已成为当代材料科学的研究热点。

纤维素是自然界中最丰富的可再生资源之一，具有生物可降解性、低毒性和广泛可用性等突出优点。纤维素气凝胶不仅保留了纤维素固有的环保特性，还赋予了材料轻质、高比表面积和极低导热率等优异性能。农业废弃物因其不可持续的处置方式而成为关键的环境问题，将其转化为纤维素气凝胶，既能降低生产成本，又能实现废弃生物质的高值化利用，符合循环经济原则。

当前食品工业面临保鲜效率低、包装污染和能耗高等挑战，迫切需要开发多功能且环保的先进材料。尽管纤维素气凝胶存在机械性能差和耐水性不佳等固有缺陷，但通过化学和物理改性可以改善其性能，并利用其优异的负载能力，赋予其抗菌保鲜、可持续包装和智能监测等功能，为食品工业的绿色智能化转型提供了创新路径。

纤维素衍生自农业废弃物用于气凝胶

农业废弃物是纤维素的重要且可持续的来源，具有巨大的生物精炼应用潜力。全球每年产生数百万吨农业残留物，但由于加工基础设施不足和经济限制，其利用率仍然有限。从这些农业废弃物中提取纤维素具有显著的经济和环境效益，包括减少废物、提高资源效率以及促进“从自然中来，回到自然中去”的可持续模式。

纤维素气凝胶结构形成技术

纤维素气凝胶可以通过多种结构形成技术制备，主要包括冷冻干燥和超临界干燥等干燥技术，以及湿法纺丝、模板法和3D打印等结构控制方法。这些加工方法能够精确控制气凝胶的孔结构、体积密度和机械特性，从而可以根据特定的应用需求进行定制。

功能修饰策略

源自农业废弃物的纤维素气凝胶作为一种高度多孔且轻质的材料，由于其天然可再生性和良好的生物相容性等特点，在食品工业中具有重要的应用前景。然而，未改性的纤维素气凝胶存在水溶性过高和机械强度不足等固有缺点，这严重限制了其在食品工业中的应用。因此，为了实现纤维素气凝胶在食品包装、保鲜和智能监测等领域的功能化应用，必须对其进行适当的改性。常见的改性策略包括化学交联、表面疏水化处理以及与纳米材料（如纳米银、二氧化钛）复合等，以增强其机械强度、耐水性和特定功能（如抗菌、抗氧化、pH响应）。

绿色包装

纤维素气凝胶来源于包括农业废弃物在内的可再生资源，这与已知造成严重环境污染的传统塑料包装材料形成鲜明对比。作为一种生物相容性和可生物降解的材料，纤维素气凝胶代表了一种环境可持续的包装替代品。此外，纤维素气凝胶可以被设计成具有优异的屏障性能，有效抑制食品氧化和变质，从而延长食品货架期。

挑战与局限性

纤维素气凝胶作为一种有前景的生物质衍生材料，近年来在食品工业中的潜在应用引起了广泛的研究兴趣。然而，该系统的实际应用持续面临重大挑战和限制，主要体现在以下几个方面：

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  机械性能：纤维素气凝胶具有高孔隙率和高比表面积的特性，这通常导致其机械强度较差，在包装运输过程中易发生结构坍塌。
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  耐水性：纤维素本身的亲水性使得气凝胶在潮湿环境中容易吸湿，导致结构破坏和功能丧失。
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  规模化生产：目前大多数制备工艺（如超临界干燥）成本高昂且效率较低，难以实现大规模工业化生产。
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  安全性与法规：用于改性的化学试剂以及功能添加剂（如纳米颗粒）可能存在迁移风险，需要确保其符合食品接触材料的安全法规。

结论

利用农业废弃物中的纤维素制备气凝胶用于食品保鲜包装，为农业废弃物的增值和生态包装材料的开发提供了一条可持续的途径。通过物理、化学或生物处理方法可以有效地从农业废弃物中分离纤维素。然而，优化这些提取技术以实现高产量和环境可持续性仍然是一个关键挑战。通过冷冻干燥、超临界干燥以及3D打印等结构形成技术可以构建气凝胶的三维网络。通过表面修饰、复合和交联等策略可以改善其性能并赋予其抗菌、抗氧化和智能响应等特殊功能。尽管在机械性能、疏水性和大规模生产方面存在挑战，但纤维素气凝胶在食品可持续包装领域显示出巨大的潜力。未来的研究应侧重于开发低成本、高效的绿色制备工艺，提高材料的机械强度和稳定性，并深入评估其作为食品包装材料的安全性和长期耐久性。