利用家禽废弃物开发角蛋白-纳米碳酸钙生物复合地膜替代石油基覆盖膜的可行性研究

《Resources, Conservation and Recycling》：Viability of Keratin-nano-calcium carbonate bio-composite films from poultry waste to substitute petro-based agricultural mulches

本文创新性地提出通过原位生成CaCO3纳米颗粒增强羽毛角蛋白膜的方法，成功解决了蛋白基材料机械性能差、湿稳定性低的核心难题。该技术无需增塑剂或偶联剂，使材料拉伸强度、断裂伸长率和模量均优于商用聚乳酸（PLA）和聚羟基丁酸酯（PHB）薄膜，为农业可降解地膜提供了低成本、可持续的替代方案。

　　

章节亮点

材料

本研究使用来自Eastern Bioplastic公司的鸡毛羽轴提取角蛋白。采用Chem-Impex Int'l Inc提供的L-半胱氨酸（纯度99.5%）作为还原剂，用于断裂角蛋白中的胱氨酸键以实现水相提取，并保护提取角蛋白的胱氨酸交联重组以促进成膜再溶解。另从同一公司采购亚硫酸钠作为角蛋白再溶解过程中的还原剂，用于去除成膜时角蛋白所需的半胱氨酸。

纳米碳酸钙颗粒

图2展示了CaCO₃纳米颗粒的粒径分布、形貌及验证结果。如图2a-2d所示，pH=9条件下原位生成的CaCO₃纳米颗粒尺寸小于预成型颗粒，其数量平均直径为59纳米，而预成型颗粒为84纳米。对于原位生成颗粒，pH=9时所得颗粒尺寸小于更高pH条件；当pH升至10和11时，颗粒直径依次增大至89纳米和127纳米。这是因为较低pH条件下...

结论

本研究报道了一种绿色经济的新型增强策略，通过原位生成CaCO₃纳米颗粒作为角蛋白膜的增强材料，无需偶联剂即可显著提升材料性能，表现优于文献报道的大多数方法。与预成型CaCO₃/角蛋白纳米复合材料相比，原位生成技术使复合材料在拉伸强度、杨氏模量、韧性及湿稳定性等方面获得更大提升。

作者贡献声明

于安熠：原始撰文、方法论构建、实验探究、形式化分析、数据整理与概念化。

牟兵男：方法论支持、数据校验与概念化。

杨亦奇：原始撰文、结果验证、项目监督、资源协调、资金获取、方法论指导与概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的已知经济或人际利益冲突。

致谢

本研究受美国农业部国家食品与农业研究所（项目编号2019-67021-29940）、内布拉斯加环境信托基金（NET Grant 18-116）及内布拉斯加大学林肯分校农业研究部资助。实验部分依托美国国家科学基金会资助的材料与纳米科学中心（ Award ECCS: 2025298）及内布拉斯加研究计划完成。