科学家们揭开了在室温下降解的生物塑料，并且性能优于石油塑料

塑料污染是一个日益严重的全球性问题，但圣路易斯华盛顿大学的科学家们迈出了大胆的一步，他们受树叶结构的启发，创造了一种新的生物塑料。他们的创新，LEAFF，通过利用纤维素纳米纤维提高强度，功能和可生物降解性，甚至优于传统塑料。它可以在室温下降解，可以印刷，并且可以抵抗空气和水，为可持续包装提供了一个改变游戏规则的解决方案。

　　

为应对这一挑战，研究人员一直在开发传统塑料的可生物降解版本，即“生物塑料”。然而，当前的生物塑料也面临诸多挑战：现有的生物塑料强度不如石油基塑料，并且只能通过高温堆肥系统进行降解。

华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员通过从普通的树叶中汲取灵感，解决了这两个问题。早在塑料出现之前，人类就用树叶包裹食物，而树叶由于其富含纤维素的细胞壁结构，能够轻松生物降解。华盛顿大学的化学工程师们决定将纤维素纳米纤维引入生物塑料的设计中。

“我们设计了一种多层结构，纤维素位于中间，生物塑料分布在两侧。”华盛顿大学麦凯尔维工程学院能源、环境与化学工程系主任、露西与斯坦利·洛帕塔教授约书亚·袁（Joshua Yuan）说。袁教授还担任美国国家科学基金会资助的“碳利用改造生物制造（CURB）工程研究中心”主任。他补充道：“通过这种方式，我们创造了一种非常坚固且具有多功能性的材料。”

该技术源于对目前产量最高的两种生物塑料的研究。今年早些时候发表在《绿色化学》杂志上的一项研究中，袁教授及其同事利用他们受树叶启发的纤维素纳米纤维结构，改进了聚羟基丁酸酯（PHB）的强度和生物降解性，这是一种淀粉衍生的塑料；他们进一步完善了用于聚乳酸（PLA）的技术，相关成果刚刚发表在《自然·通讯》杂志上。

塑料包装市场是一个价值235亿美元的行业，主要由聚乙烯和聚丙烯主导，这两种由石油制成的聚合物会分解成有害的微塑料。研究人员优化后的生物塑料，被称为分层、生态、先进且多功能薄膜（LEAFF），使PLA成为一种在室温下即可生物降解的包装材料。此外，该结构还具备其他关键特性，例如低空气或水渗透性，有助于保持食品稳定，以及可印刷的表面。这提高了生物塑料的经济性，因为它使制造商无需为包装单独打印标签。

“除此之外，LEAFF的纤维素底层结构使其抗拉强度甚至高于聚乙烯和聚丙烯等石油基塑料。”袁教授实验室的博士生、文章第一作者普尼特·达特（Puneet Dhatt）解释道。

创新之处在于添加了华盛顿大学工程师复制的纤维素结构，即嵌入生物塑料中的纤维素纤维。

“这种独特的仿生设计使我们能够解决生物塑料使用中的限制，克服这一技术障碍，从而实现更广泛的生物塑料应用。”袁教授说。

循环经济就绪

美国在生物塑料市场中占据独特优势，能够建立一种“循环经济”，即废弃物被重新利用，而不是被遗弃污染空气和水，或堆积在垃圾填埋场中。

袁教授希望这项技术能够尽快实现规模化，并寻求商业和慈善合作伙伴，帮助将这些改进的工艺引入工业。来自亚洲和欧洲的研究机构也在努力开发类似的技术。但由于美国庞大的农业体系，美国工业在这方面具有优势，而华盛顿大学位于美国农化产业的中心地带。

“美国在农业方面特别强大。”袁教授说，“与其他地区相比，我们能够以更低的价格提供生物塑料生产的原料。”

袁教授所说的“原料”是指乳酸、醋酸或油酸等脂肪酸，这些是玉米或淀粉发酵的产物，微生物将其作为生物塑料工厂。

例如，假单胞菌是一种广泛用于发酵工业的微生物菌株，包括用于生产各种聚羟基脂肪酸酯（PHA），包括PHB。

麦凯尔维工程学院的研究人员已经设计出利用假单胞菌等菌株，将各种废弃物，包括二氧化碳、木质素和食物残渣，转化为生物塑料的方法。随着生物塑料设计的改进，袁教授的研究进一步完善了这一循环，开发出一种可以更高效生产且能安全降解到环境中的PHB和PLA版本。

“美国存在垃圾问题，而循环再利用可以在将这些垃圾转化为有用材料方面发挥重要作用。”袁教授说，“如果我们能够扩大生物塑料供应链，将创造就业机会和新的市场。”