玉米芯冻融纤维素水凝胶的制备与表征：理化性能、抗菌活性及生物相容性研究

本研究针对农业废弃物玉米芯的高值化利用问题，通过优化冻融法（freeze-thaw）制备纯天然纤维素水凝胶，避免合成聚合物和化学交联剂的使用。结果表明，3% NaOH制备的水凝胶（CN-3%）具有最佳溶胀率（swelling ratio）、压缩强度和抗菌活性（对Staphylococcus aureus 和Pseudomonas aeruginosa ），且细胞毒性IC50 900 μg/mL，为绿色生物医学材料开发提供新思路。

　　

每年全球产生数百万吨玉米芯废弃物，焚烧处理导致严重环境问题。印度尼西亚作为农业大国，2021年玉米产量达2300万吨，其中玉米芯占废弃物总量的18%，但现有利用方式（如动物饲料）未能充分发挥其价值。玉米芯富含纤维素（40.95%）、木质素（42.59%）和半纤维素（27.75%），其中纤维素因其生物相容性、可降解性和亲水性成为理想的水凝胶基质。然而，现有水凝胶制备多依赖合成聚合物（如PVA）或毒性交联剂（如环氧氯丙烷ECH），且采用高成本的γ辐射或复杂化学交联工艺，制约其大规模应用。

针对上述问题，印度尼西亚某研究团队在《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》发表研究，提出一种经济环保的解决方案：通过三步提取法（脱木质素、漂白、酸水解）将玉米芯纤维素纯度提升至61.80%，并采用物理冻融法（无需化学交联剂）制备水凝胶。通过调控NaOH浓度（2%-7%），系统评估水凝胶的结构与功能特性，发现3% NaOH处理的CN-3%样品综合性能最优。

关键技术方法
研究采用三步法提取玉米芯纤维素（印尼当地市场采购原料），通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和差示扫描量热法（DSC）表征材料特性。水凝胶通过冻融循环（-20°C/25°C）成型，测试溶胀度、压缩强度及抗菌活性（针对S. aureus
和P. aeruginosa
），并通过细胞毒性实验（IC₅₀
）评估生物相容性。

研究结果

1. 玉米芯纤维素提取与水凝胶制备
原始玉米芯粉末经处理后颜色逐渐变白（图1a），纤维素含量显著提高。酸水解后纤维素的结晶度指数（CrI）为61.48%，呈现半结晶结构，而冻融法制备的水凝胶转为无定形，证实物理交联成功破坏晶体结构。

2. 水凝胶理化特性
CN-3%水凝胶具有均匀互通的多孔结构（SEM证实），溶胀率最高（归因于最佳孔隙分布），压缩强度提升（冻融循环促进分子链缠结）。DSC显示其熔融热显著降低，与XRD的无定形特征一致。

3. 功能性能
CN-3%对S. aureus
和P. aeruginosa
表现出抗菌活性，可能源于NaOH处理的表面改性。细胞毒性实验显示IC₅₀

900 μg/mL，远高于生物材料安全阈值（通常<100 μg/mL），证实其优异生物相容性。

结论与意义
该研究首次实现纯玉米芯纤维素冻融水凝胶的绿色制备，突破传统方法对合成聚合物/交联剂的依赖。CN-3%的优异性能（溶胀率、机械强度、抗菌性和安全性）使其在伤口敷料、药物载体等生物医学领域具应用潜力。方法学上，优化的冻融工艺（周期/温度控制）为大规模生产提供可能，而农业废弃物的高值化利用契合可持续发展目标。研究获日本大阪燃气国际文化交流基金会（OGFICE）资助，第一作者Marathur Rodhiyah受印尼教育基金（LPDP）支持，体现国际合作对绿色技术开发的推动作用。