菠萝蜜果皮纳米纤维素水凝胶的绿色合成与性能表征：农业废弃物的高值化利用

本研究针对农业废弃物资源化利用和可持续纳米材料开发的需求，以菠萝蜜果皮为原料，通过超声辅助法（RSM优化）制备纳米纤维素（CNFs），结合聚乙烯醇（PVA）和生物基明胶交联，构建了具有优异机械性能（硬度/粘附性/内聚性）和稳定性（35℃两周）的自支撑水凝胶。该研究为食品/医药领域提供了新型生物相容性材料解决方案，同时实现了热带水果废弃物的增值转化。

　　

在追求可持续发展的时代背景下，如何处理每年数百万吨的热带水果加工废弃物成为棘手难题。菠萝蜜作为东南亚地区广泛种植的经济作物，其果皮约占果实总重的30%，目前多被填埋或焚烧，不仅造成资源浪费还加剧环境压力。与此同时，传统水凝胶材料在医药和食品领域面临机械强度不足、生物降解性差等瓶颈。纳米纤维素（Nanocellulose）因其独特的纳米级结构、可降解性和超高比表面积被视为"绿色材料之星"，但现有制备工艺多依赖木材或棉花，原料成本高且面临森林资源压力。

针对这一矛盾，来自印度的研究人员创新性地将目光投向菠萝蜜果皮这一区域性农业废弃物。通过响应面法（Response Surface Methodology）优化超声破碎工艺，成功从果皮纤维素中提取出纳米纤维素纤维（CNFs），并与聚乙烯醇（PVA）复合构建三维网络水凝胶。研究团队特别引入生物基明胶作为交联剂，通过冷冻-解冻循环法形成强氢键网络，使材料兼具15-40 cP的粘度和优异的纹理特性（硬度1423.38±391.44，R²=0.8574）。在35℃加速老化实验中，该水凝胶展现出长达两周的稳定性，为热带水果废弃物的高值化利用开辟了新路径。

关键技术方法包括：1）基于RSM的超声破碎工艺优化；2）冷冻-解冻法制备PVA/CNFs复合水凝胶；3）生物基明胶交联技术；4）质构分析（TPA）和流变学表征。原料采集自印度阿萨姆邦科克拉贾尔（26.4775° N, 90.3015° E）的标准化种植园。

【材料与方法】
研究采用印度本土种植的菠萝蜜果皮，通过碱处理和漂白获得纯纤维素。超声破碎参数经Box-Behnken设计优化，关键变量包括振幅（50-90%）、时间（10-30min）和固体负载量（2-6%）。

【统计分析与优化】
ANOVA显示模型显著性（p=0.0071），Z-average粒径与工艺参数呈二次相关（Adj R²=0.7555）。最优条件为：振幅70%、时间20min、固体含量4%，此时纳米纤维长径比达120-150nm/6-8nm。

【结论与创新性】
该研究首次实现菠萝蜜果皮向高性能水凝胶的转化，其凝胶强度（27.5% CV）和弹性模量显著优于传统琼脂基材料。作为完全生物基体系，材料在创面敷料和食品增稠剂领域具应用潜力。

【伦理与资助】
研究遵循印度国家ST学生高等教育奖学金计划（NFST）资助要求，所有植物原料获取符合《生物多样性法案》规定。

这项发表于《Food and Humanity》的工作，不仅证实了农业废弃物衍生纳米纤维素（Agro-waste NC）的商业化可行性，更建立了"水果废料-纳米材料-医用/食品级产品"的完整技术链条。特别是通过本土化原料解决方案，为发展中国家生物经济模式提供了可复制的技术范本。研究团队指出，下一步将探索该水凝胶在缓释给药系统（特别是利用其与姜黄素的相容性）和3D生物打印中的应用潜力。