将槟榔壳和水葫芦纤维制成可降解板材，用于可持续包装

《Sustainable Food Technology》：Valorization of areca nut husk and water hyacinth fibers into biodegradable plates for sustainable packaging

本研究利用槟榔果壳和水葫芦纤维素纤维开发可降解 plates，通过碱处理改善纤维性能，并采用 beeswax 涂层增强防水性。最佳配比为 50:50 的纤维混合物，制备的 plates 具有良好的机械强度（3.99 MPa）和低吸水性（481.33 g/m2）。涂层后 plates 的水吸收率降低至 57 g/m2，机械强度提升至 5.01 MPa。土壤降解测试显示 plates 6 周内降解 70-75%，验证了其环保可行性。研究为农业废弃物资源化及可持续包装提供创新方案。

　　该研究围绕利用椰子壳纤维和水葫芦纤维开发可降解餐盘展开，旨在提供一种环保的替代方案，以减少传统塑料餐盘对环境造成的负担。研究重点在于利用这些天然纤维材料，将它们转化为具有实用价值的可持续包装产品，同时应对农业废弃物和外来植物的处理难题。通过碱处理提高纤维的表面性能，并将这些处理后的纤维按不同比例混合，加入淀粉作为粘合剂，经过热膨胀工艺制作出可降解餐盘。研究还发现，蜂蜡涂层可以显著提升餐盘的防水性能和整体特性，使其更适合用于干燥或低湿度食品的包装。

椰子壳是一种在亚洲12个国家广泛种植的作物，每年产量约228万吨，种植面积超过131万公顷，支持着超过1000万农民的生计。椰子壳在加工过程中会产生大量废弃物，而水葫芦则是一种全球范围内的快速繁殖水生植物，具有极强的营养吸收能力和生长速度。水葫芦的过度生长不仅会破坏水生态系统，还会造成灌溉渠道堵塞、水质恶化等问题。因此，如何将这些废弃物转化为可降解材料成为研究的重点。

研究采用的工艺流程包括：首先将椰子壳和水葫芦的原始纤维分别用6%的氢氧化钠溶液进行碱处理，以去除纤维表面的非纤维素成分，如半纤维素、木质素和果胶，从而增强纤维的疏水性。处理后的纤维再与淀粉混合，并通过热膨胀工艺制成餐盘。为了提高餐盘的防水性能，还采用了蜂蜡作为涂层材料。蜂蜡具有天然来源、安全无毒以及在之前研究中已被证明具有良好的防水性能等优点，因此被选为最佳的涂层材料。

在测试中，不同比例的纤维混合方式对餐盘的物理和功能特性产生了显著影响。研究发现，当采用50%椰子壳纤维和50%水葫芦纤维的混合比例时，所制得的餐盘表现出最佳的性能，包括厚度为1.93 ± 0.06毫米，每平方米重量为1315.67 ± 20.55克，以及良好的拉伸强度。此外，蜂蜡涂层的引入不仅提高了餐盘的防水性能，还改善了其外观和使用体验，使其更适合用于食品包装或服务领域。

在物理性能方面，碱处理显著降低了两种纤维的含水率，同时提高了它们的密度和孔隙率。例如，椰子壳纤维的含水率从13.19%降至9.43%，密度从0.137克/立方厘米增加至0.828克/立方厘米。水葫芦纤维的含水率从14.76%降低至10.54%，密度从0.159克/立方厘米增加至0.413克/立方厘米。这些变化表明，碱处理能够有效去除纤维中的亲水性成分，从而改善其物理性能，提高其在复合材料中的应用潜力。

在功能特性方面，碱处理同样带来了显著的改善。水吸收指数从原始状态的8.59%降至6.69%，油吸收指数从6.25%降至3.24%。这说明处理后的纤维具有更好的防水和防油性能，能够减少与水分和油脂的接触，从而提升其在食品包装中的适用性。此外，水膨胀率和油膨胀率也有所下降，这表明纤维在处理后变得更加紧密，减少了与水和油的相互作用。

研究还对纤维进行了红外光谱分析和热分析，以进一步了解其化学结构和热性能的变化。红外光谱分析显示，处理后的纤维中某些特征峰的位置和强度发生了变化，这表明纤维的组成成分在碱处理过程中得到了调整。热分析则揭示了纤维在加热过程中的行为，表明碱处理能够提高纤维的热稳定性，减少其在高温下的降解速度。这些数据支持了碱处理对纤维性能的提升，为后续的餐盘制作提供了科学依据。

在制备餐盘的过程中，采用了特定的配方，包括马蹄淀粉作为粘合剂、瓜尔胶作为防止淀粉沉降的添加剂，以及甘油作为塑化剂，以增加餐盘的柔韧性。这些成分的组合能够确保餐盘的结构稳定性和机械性能。同时，为了提高餐盘的机械强度，还引入了蜂蜡涂层。实验结果表明，蜂蜡涂层能够显著改善餐盘的拉伸强度，使其更接近传统塑料材料的性能，同时保持其可降解特性。

在可降解性测试中，餐盘在土壤环境中经过6周后，其质量损失达到了70%-75%。这表明，尽管蜂蜡涂层提供了一定的保护作用，但餐盘仍能被自然分解，符合环保材料的要求。此外，测试还显示，非涂层的餐盘在土壤和沙子中均表现出更快的降解速度，说明涂层能够有效延缓降解过程。这些数据为餐盘在实际应用中的可降解性提供了支持，同时为其在食品包装领域的推广奠定了基础。

研究还对餐盘的外观进行了评估，通过色差分析和白度指数等指标来衡量其颜色变化。实验发现，随着水葫芦纤维含量的增加，餐盘的颜色变暗，而白度指数则相应降低。这表明，纤维的种类和比例对餐盘的颜色有重要影响，可能与纤维本身的颜色以及热处理过程中的化学反应有关。尽管颜色变化可能影响其美观性，但这些变化并不显著，且不影响其整体性能。

在研究过程中，还采用了统计分析方法，以确保数据的可靠性。通过单因素方差分析和邓肯多重比较测试，研究确认了不同配方之间在物理和功能特性上的显著差异。这些统计结果为选择最优配方提供了依据，同时揭示了不同纤维比例对餐盘性能的影响。

研究还探讨了这些材料在实际应用中的可行性。例如，使用椰子壳和水葫芦纤维制作的餐盘具有较低的含水率和较高的密度，能够有效减少运输和储存过程中的成本。此外，其良好的拉伸强度和防水性能使其能够满足食品包装的基本要求，同时减少对环境的污染。然而，研究也指出了一些潜在的问题，如蜂蜡涂层的成本较高，以及在多次加热循环中可能影响餐盘的结构稳定性。

总的来说，这项研究不仅为可持续包装提供了一种新的解决方案，还为农业废弃物和外来植物的利用提供了新的思路。通过将这些天然材料转化为可降解餐盘，既减少了环境污染，又实现了资源的循环利用。研究结果表明，这种新型餐盘在性能和环保性方面均具有显著优势，为未来相关领域的研究和应用提供了重要的参考。