挖掘桦树皮的价值：利用白桦醇作为可持续添加剂提升纤维素材料的性能

《ACS Sustainable Resource Management》：Unlocking the Value of Birch Bark: Betulin as a Sustainable Additive for Advancing Cellulosic Material Performance

天然药物成分Betulin提取自桦树皮副产物，具有防水、抗菌特性，可有效提升纤维素基材料性能，符合循环经济与生物降解要求。

　　

摘要

本文探讨了从桦树皮中提取的天然药用五环三萜类化合物——白桦脂（betulin）作为可持续添加剂，用于提升纤维素制品性能的潜力。

迈向全面资源管理

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随着世界向循环经济和可持续材料管理转型，像纤维素这样的可再生资源正逐渐成为化石基材料的替代品。(1?3)然而，基于纤维素的产品的性能限制常常需要添加功能性添加剂，而这些添加剂大多仍来自不可再生资源，并且具有毒性和危害性。(4,5)这种依赖性阻碍了这些产品的整体可持续性。因此，迫切需要开发出天然、可生物降解且有效的添加剂，以在不损害环境兼容性的前提下提升材料性能。

白桦脂主要存在于桦树（属名Betula）的外皮中，是其主要的天然来源，也是可持续应用的理想候选物质。(6,7)它还存在于桦树液中，以及在少量存在于其他植物中，如榛树皮、金盏花和某些蓟类植物中。作为林业的副产品，白桦脂目前被大量浪费，通常在木材加工过程中被丢弃。其独特的化学结构赋予了它疏水性和抗菌活性等特性，使其特别适合用于纤维素体系。(8?10)本文研究了白桦脂作为可持续多功能添加剂，用于提升纤维素基材料性能的潜力。

图1

图1. 示意图展示了从桦树到桦树皮的提取过程，以及白桦脂如何与纤维素材料结合以提升其性能。

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白桦脂：未被充分开发的林业副产品

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桦树皮常被视为低价值废物或被焚烧作为燃料，但实际上它含有高达30%干重的白桦脂。(6,7b)白桦脂具有多种重要特性，如生物活性（抗癌、抗菌、抗病毒、降血脂）、(7a,8,11?16)疏水性(8?10,17?20)，并且能发生有趣的形态变化。(9,21?23)利用这种林业副产品符合可持续资源管理的原则，包括生物质梯级利用和自然资源的循环利用。(24,25)通过采用绿色方法（如超临界CO₂、乙醇基溶剂）从桦树皮中提取白桦脂，可以生产高价值产品的同时减少工业废弃物。(24)这种方法符合旨在最大化森林生物质价值的生物经济战略。重要的是，提取白桦脂不会与食品生产竞争，也不需要专门的土地资源，进一步增强了其可持续性。

可持续提升纤维素制品性能

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基于纤维素的材料（如纸张、模塑纤维和非织造布）通常面临湿度敏感、微生物降解和屏障性能不足的问题。白桦脂的天然特性可以解决这些问题：

• 疏水性：白桦脂的亲脂性使其成为出色的防潮屏障。作为表面处理或涂层使用时，它可以减少水分吸收并提高尺寸稳定性。

• 抗菌性能：白桦脂对多种微生物具有生物活性，适用于卫生包装、个人护理产品和食品接触应用。

• 屏障增强：含白桦脂的涂层可提高对水蒸气、油脂和其他环境压力的抵抗力，从而增强纤维素包装的耐用性。

这些优点在寻求用可再生材料替代塑料的领域尤为重要，使白桦脂成为可持续包装和产品开发中的关键工具。最近的研究发现，当白桦脂与热压工艺结合使用时，可以显著提高纤维素材料的湿强度。(26)在该过程中，水悬浮液中的白桦脂胶体颗粒从棱柱形晶体转变为正交晶须，随后与纤维素纤维交织在一起。

循环设计与产品寿命终结时的影响

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在可持续材料管理中，添加剂在产品寿命终结时的行为是一个关键考虑因素。白桦脂作为一种天然分子，不会影响纤维素的堆肥性或生物降解性。(27)作为天然五环三萜类化合物，白桦脂在土壤或含有微生物活性的堆肥系统中可生物降解。其降解过程主要通过微生物酶氧化作用进行，起始点为C-3位的羟基和异丙烯侧链。这一过程会产生中间产物，最终生成白桦酸、白桦醇酸，以及更小的烷基酸。这与许多合成添加剂不同，后者可能会复杂化回收过程或导致微塑料污染。在堆肥环境中，白桦脂可与纤维素共同降解，实现真正的循环设计。

工业应用途径

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目前，白桦脂在工业上主要以其结晶形式或富含白桦脂的桦树皮提取物形式使用，主要用于制药和化妆品领域。从加工角度来看，白桦脂适用于多种应用方法，包括溶剂基涂层、蜡乳液和直接混入纸浆浆料中。其多功能性使其可以在产品制造的多个阶段加入，无论是造纸、纤维成型还是薄膜涂层。然而，标准化提取技术、确保纯度以及优化工业用途配方仍面临挑战。提取白桦脂的主要成本因素是乙醇的回收，因为乙醇是主要溶剂。这连同提取过程的总体效率，显著影响了大规模生产的经济可行性。(27)不过，随着对绿色化学和低影响加工方法的关注增加，白桦脂的规模化应用前景广阔。最近，利用胶体白桦脂颗粒在水基系统中改性纤维素的方法为绿色工业应用打开了新途径。(26)另一种方法是采用无溶剂有机催化方法改性纤维素，(28,29)其中白桦脂被用作改性剂。(8)

挑战与研究机会

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尽管白桦脂具有潜力，但仍需进一步研究以下几个领域：

生命周期评估（LCA）：需要全面的环境评估来量化使用白桦脂与合成添加剂的真正效益。

提取效率：

研究低能耗、高产量的提取方法可以提高白桦脂的经济可行性。

监管批准：

特别是对于食品包装或个人护理产品，可能需要进行安全性和毒理学研究。

材料协同效应：

将白桦脂与其他生物衍生材料（如壳聚糖、木质素）结合，可以创造出多功能、高性能的复合材料。

迈向资源高效的创新

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白桦脂展示了如何利用被忽视的天然化合物解决现代可持续性挑战。将其整合到纤维素产品中不仅提升了性能，还体现了资源效率、减少浪费和循环利用的原则。随着行业寻求不牺牲功能的更环保替代品，白桦脂成为连接森林资源利用与下一代材料设计的桥梁。推动其发展和应用，将显著促进自然资源及其衍生材料的可持续管理。本文旨在促进围绕白桦脂创新的跨学科合作，并鼓励进一步探索其在可持续资源管理中的作用。