将柑橘皮废弃物可持续地转化为具有优异机械性能和紫外线阻隔效果的多功能纤维素/果胶/PVA薄膜

《RSC Sustainability》：Sustainable valorization of mandarin peel waste into multifunctional cellulose/pectin/PVA films with superior mechanical and UV-blocking performance

可降解塑料薄膜通过柑橘皮废料与聚乙烯醇的协同制备及优化，采用碳酸钠温和预处理实现部分木质纤维素水解与PVA溶解同步进行，结合超声处理和洗涤步骤提升薄膜的机械强度（约60 MPa）、紫外线屏蔽率（近100%）和抗氧化活性（54%），同时具有优异的阻氧和阻湿性能，并在模拟环境和土壤中验证了良好的生物降解性和低生态毒性，为可持续包装材料提供新策略。

　　本研究聚焦于如何利用柑橘类果皮这一常见农业废弃物，通过一种简单且环保的方法将其转化为具有多功能特性的可降解塑料薄膜。这一方法不仅解决了传统塑料污染的问题，还实现了对农业废弃物的高效再利用，为可持续材料开发提供了新的思路。

传统塑料，如聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）和聚乳酸（PLA），虽然在环保方面有所改进，但它们的生产仍依赖于石油资源或成本高昂的微生物发酵过程，这在一定程度上限制了其大规模应用。相比之下，木质纤维素生物质如柑橘果皮具有天然可再生的特性，且其主要成分如果胶、纤维素和木质素赋予其独特的功能，例如紫外线吸收和抗氧化性能。然而，目前这类材料的利用率仍然较低，且在实际应用中常面临机械性能不足、降解不完全等挑战。

为了克服这些限制，本研究提出了一种全新的策略：通过碳酸钠（Na?CO?）作为温和的碱性预处理剂，在单一步骤中实现柑橘果皮的结构部分水解，同时将果皮与聚乙烯醇（PVA）混合。这种方法避免了传统制备过程中使用有毒化学品或高能耗步骤，符合绿色化学的基本原则，如废弃物预防、使用更安全的溶剂以及提高能源效率。此外，研究还引入了超声波处理和洗涤等后处理步骤，进一步优化了薄膜的性能，包括机械强度、光学性能和水阻性能。

实验结果表明，经过优化处理的柑橘果皮/PVA（M/P）薄膜表现出优异的机械性能，其拉伸强度达到了约60 MPa，接近许多传统塑料的水平。同时，薄膜具备接近100%的紫外线阻隔能力，以及显著的抗氧化活性，约54%的自由基清除能力。在气体阻隔性能方面，M/P薄膜表现出良好的氧气阻隔能力，而水蒸气阻隔性能也有所提升。这些性能使得该材料在包装和农业地膜等应用中具有广阔前景。

在环境适应性方面，研究通过模拟河流水和土壤环境对薄膜进行了降解测试，并评估了其生态毒性。结果表明，该材料在多种降解条件下均表现出良好的可降解性，且对植物无显著毒性，符合联合国可持续发展目标（SDGs）中的SDG 12（负责任的消费和生产）、SDG 14（水下生命）和SDG 15（陆地生命）。这表明该材料不仅能够有效减少塑料废弃物的产生，还能在自然环境中安全分解，对生态系统的影响极小。

然而，尽管该方法在多个方面表现出色，仍存在一些需要进一步优化的局限性。例如，当前薄膜的水阻性能仍不理想，需进一步提升其耐水性。研究建议可以通过引入疏水性天然油脂或采用可持续的交联策略来改善这一问题，同时不影响其可降解性。此外，材料的经济可行性也需要进一步评估，包括原料选择的优化和整个工艺流程的成本分析。

本研究的成果不仅为解决全球塑料污染问题提供了新的思路，也为农业废弃物的高值化利用开辟了新的方向。通过合理调整原料比例和工艺参数，可以进一步提升薄膜的综合性能，从而拓展其在包装、农业和环保领域的应用范围。未来的研究可以进一步探索其他富含果胶的农业废弃物，如甜菜渣和苹果渣，以验证该方法的通用性和可扩展性。

总之，本研究提出了一种基于柑橘果皮的可降解塑料薄膜制备方法，该方法不仅降低了生产成本，还减少了对环境的影响。通过合理的预处理和后处理，实现了材料性能的全面提升，为可持续材料开发提供了重要的理论支持和实践指导。这一成果有望推动循环经济的发展，为解决全球塑料污染问题提供切实可行的解决方案。