受生物启发的根状珍珠层协同作用，实现了低成本、高强度的大豆蛋白木质粘合剂

《Industrial Crops and Products》：Bioinspired root-nacre synergy enables low-cost high-strength soy protein wood adhesives

植物蛋白生物仿生粘合剂通过引入苜蓿草 meal 纤维和高岭土无机层状结构，在保持优异湿剪切强度（1.23MPa）的同时显著降低成本（$349.9/吨，较商业产品降21.4%），并提升抗霉性能。

　　植物蛋白胶黏剂因其可持续性和无甲醛特性，正逐渐成为传统合成胶黏剂的可行替代品。然而，其高昂的生产成本和有限的市场竞争力仍然是大规模应用的主要障碍。本研究受到植物根系固定土壤结构以及珍珠层“砖-砂浆”结构的启发，开发了一种低成本、高性能且环保的胶黏剂，该胶黏剂由大豆饼（SM）、紫花苜蓿饼（MSM）和高岭土组成。紫花苜蓿饼中的纤维成分模拟了植物根系在土壤中的固定功能，而高岭土则有助于形成类似珍珠层的有机-无机杂化结构，协同增强胶黏剂的韧性与内聚力。经过优化后的胶黏剂PS-M20-K20在生产成本仅为每吨349.9美元的情况下，实现了1.23 MPa的湿剪切强度，相较于商用大豆蛋白胶黏剂，其粘结强度提高了23%，成本降低了21.4%。值得注意的是，PS-M20-K20的成本略低于E0级尿素-甲醛树脂与面粉混合物（361.7美元/吨），而其粘结强度则高出53.75%。本研究成功展示了通过仿生设计开发低成本、高性能和环保型植物蛋白胶黏剂的可行性，为木材工业中大规模应用植物蛋白胶黏剂铺平了道路。

### 1. 引言

合成胶黏剂，特别是甲醛基树脂，由于其成本低廉和优异的粘结性能，在木材工业中占据主导地位（Yan et al., 2025; Zhou et al., 2023）。然而，这些胶黏剂持续释放甲醛，对环境和人体健康构成潜在威胁，推动了对可持续替代品的需求（Grossi et al., 2025; Westerman et al., 2023）。近年来，各种基于生物资源的胶黏剂被广泛研究，包括大豆蛋白（Liu et al., 2022）、淀粉（Xu et al., 2024）、多糖（Zhang et al., 2020b）和木质素（Huo et al., 2025）衍生的胶黏剂。其中，大豆蛋白胶黏剂因其丰富的原料来源和高反应性而受到特别关注（Wang et al., 2021; Zhang et al., 2024）。为了提升其耐水性、抗霉性、涂覆性能、预压缩性能和整体功能，研究者们开发了多种策略，如蛋白质分子设计（Huang et al., 2024; Zheng et al., 2024）、化学交联（Chen et al., 2024c）、合成树脂改性（Kan et al., 2022）以及仿生结构构建（Shao et al., 2025; Wang et al., 2024）。这些方法已取得显著成果，部分改性大豆蛋白胶黏剂已被应用于工业。然而，尽管其潜力巨大，但由于原材料成本高，尤其是大豆饼，以及复杂的改性过程，这些胶黏剂在市场竞争力和大规模应用方面仍存在局限。因此，寻找能够部分或完全替代大豆饼的低成本原材料，是提高其经济性并推动广泛应用的关键研究方向。

自然为设计高效、经济的材料提供了丰富的灵感（Liu et al., 2023）。例如，植物根系在土壤中交错延伸，作为自然加固结构，稳定土壤并增强其凝聚力。在外部力作用下，根系能够将剪切力转化为拉伸力，从而提高土壤的抗拉和抗剪性能。受此启发，Xu et al. (2025) 通过将多孔硅藻土作为土壤模拟物，蛋白质链作为人工根系，构建了根系仿生结构，开发出具有优异韧性和耐水性的生物胶黏剂。同样，贝壳的珍珠层由层状“砖-砂浆”结构组成，由方解石片层和有机基质构成，展现出卓越的强度和韧性（Hofman et al., 2018; Xie et al., 2019），使其能够抵御恶劣的海洋环境（Gao et al., 2020）。受此启发，Guo et al. (2016) 利用蒙脱土（MMT）和羟乙基纤维素开发了人工珍珠层，实现了优异的机械性能。虽然MMT被广泛认为是“砖”结构的潜在材料（Gao et al., 2025; Sun et al., 2021），但其高成本限制了商业化进程。这两种仿生策略都能增强胶黏剂的韧性，从而显著提升其粘结性能并降低所需蛋白质含量，为降低胶黏剂成本提供了新的途径，关键在于找到一种低成本的解决方案。

紫花苜蓿饼（MSM）是中国最早种植、分布最广且经济价值最高的豆科牧草之一。其富含RuBisCO球蛋白和纤维成分（Guo et al., 2023; Laudadio et al., 2014）。这些丰富的纤维成分有潜力作为蛋白质基胶黏剂中的天然填料，模拟根系结构以增强粘结性能。高岭土是一种典型的1:1层状铝硅酸盐矿物，其天然丰富性和低成本使其在胶黏剂中具有显著的经济优势。此外，高岭土能够与大豆蛋白形成有机-无机杂化结构，从而降低胶黏剂成本并提升其性能。这两种方法都提供了低成本的解决方案，并为大豆蛋白胶黏剂的经济性改性提供了创新策略。

受植物根系固定土壤功能和珍珠层“砖-砂浆”结构的启发，本研究探索了使用富含纤维的紫花苜蓿饼和无机高岭土开发低成本、高性能且环保的大豆蛋白基胶黏剂。在MSM中，其丰富的纤维成分可以模拟植物根系嵌入蛋白基质，起到物理锚定作用，提高粘结性能并抑制裂纹扩展。同时，高岭土具有形成有机-无机杂化结构的潜力，能够进一步增强胶黏剂的性能。此外，蛋白质与PAE（聚氨酯-环氧氯丙烷）之间的交联网络能够进一步加固根系结构和有机-无机杂化体系，形成一种坚固、耐水且成本低廉的胶黏剂。本研究探讨了MSM和高岭土替代比例对成本、粘度、涂覆性能、韧性、残留率和粘结性能的影响。通过揭示MSM纤维和高岭土协同作用的成本降低和性能提升机制，本研究为木材工业中环保型植物蛋白胶黏剂的大规模工业应用奠定了基础。

### 2. 实验部分

#### 2.1 实验材料

大豆饼来源于山东宇王食品有限公司，1.5毫米厚的杨木单板来自本地木板厂。紫花苜蓿草（已进行180–200℃干燥处理）和高岭土（购自上海贝摩工业有限公司）被用作原料。聚氨酯-环氧氯丙烷（PAE）则由本实验室自行合成。

#### 2.2 紫花苜蓿饼的处理与成分分析

紫花苜蓿草（在采购前已进行180–200℃干燥处理）在50℃下干燥至恒重后，经100目筛筛分得到粉末。由于高温干燥，紫花苜蓿饼中的蛋白质发生变性，其天然球状结构被破坏，变性蛋白质呈现出无序状态。粗蛋白、纤维、灰分和脂肪含量按照GB5009.5–2016、GB/T5515–2008、GB/T5509.4–2016和GB5009.6–2016标准测定。氨基酸组成则按照GB/T 18246–2019标准进行分析。

#### 2.3 交联剂PAE的制备

将29.7克二乙烯三胺与1%的H?SO?混合，置于三颈烧瓶中，在持续搅拌下加热至130℃。随后，加入40克己二酸，将温度升至160℃，进行脱水缩聚反应，持续3小时。所得预聚物（PPC）用蒸馏水调整至50%的固含量。接着，将25克PPC溶液与18克环氧氯丙烷在60℃下混合1小时，用H?SO?将pH值调整至6±0.1，并用蒸馏水维持12.5%的固含量。pH值使用校准后的数字pH计和玻璃复合电极测量。最终得到的PAE分子量为3882，如图2所示（Cui et al., 2023）。

#### 2.4 不同SM基胶黏剂的制备

（1）SM胶黏剂：将SM与水混合，并在25℃下搅拌10分钟。

（2）PS胶黏剂：将SM、PAE和水混合，并在25℃下搅拌10分钟。

（3）PSM胶黏剂：将SM、MSM、PAE和水混合，并在25℃下搅拌10分钟。

（4）PSMK胶黏剂：基于最优的PSM配方，部分SM和MSM混合物被高岭土取代。将SM、MSM、PAE和高岭土与水混合，并在25℃下搅拌10分钟。

如表1所示，不同胶黏剂的配方如下。各胶黏剂的pH值也列于表1中。

#### 2.5 胶合板制备与粘结强度测试

使用180克/平方米的胶黏剂用量制备三层胶合板样品。压制条件为120℃、6分钟和5MPa。压制后的胶合板样品（40厘米×40厘米）在室温下养护24小时后，切割成矩形试样（25毫米×100毫米）。干剪切强度（DSS）和湿剪切强度（WSS）测试按照GB/T17657–2013标准进行。在湿强度测试前，试样需在63±2℃水中浸泡3小时。DSS和WSS使用机械测试机（WDW-50D，济南科盛测试仪器设备有限公司）进行测量。

#### 2.6 剩余率测定

剩余率反映了胶黏剂的交联密度。将干燥后的胶黏剂样品通过100目筛筛分，记录粉末质量（m?）。将粉末包裹在定性滤纸中（质量m?），并用皮革带固定（质量m?）。包裹样品在60℃水中浸泡6小时直至质量稳定，记录总质量（m?）。每组样品进行三次测量，取平均值。剩余率计算公式为：剩余率（%）=（m? - m? - m?）/ m? × 100%。

#### 2.7 热重分析（TG）

将固化后的胶黏剂样品通过200目筛筛分，使用TG/DTA 8122装置（Rigaku，日本）在氮气气氛下分析其热重（TG）和导数热重（DTG）曲线，温度范围为2–600℃。

#### 2.8 傅里叶变换红外光谱（FTIR）

固化后的胶黏剂样品通过200目筛筛分后，使用Nicolet 6700光谱仪（Thermo Scientific，美国）在衰减全反射（ATR）模式下进行分析。红外光谱范围为500–4000 cm?1。

#### 2.9 X射线衍射（XRD）

使用Rigaku Miniflex 600衍射仪（日本）在25℃下测试PSMK胶黏剂的结晶特性，采用Cu Kα辐射。扫描参数为步长0.02°，扫描范围5–60°，电压40 kV，电流30 mA。

#### 2.10 扫描电子显微镜（SEM）

将胶黏剂样品完全固化后，在120℃下干燥至恒重，然后进行断裂处理以暴露其截面。样品经过金溅镀处理后，使用Hitachi S-3400N Ⅱ扫描电子显微镜（日本茨城县）进行观察。图像在适当放大倍数下进行分析。

#### 2.11 粘度测试

使用HAAKE粘度计在25℃下进行粘度测试，测试参数包括转子剪切速率0.1–60 s?1和增量速率10 s?1。取五次重复测试的平均值。

#### 2.12 涂覆性能测试

涂覆性能测试通过将胶黏剂沿木纹方向涂覆在单板上进行评估。记录涂覆均匀性、应用便捷性和涂覆辊上的残留胶黏剂。

#### 2.13 表面形貌分析

通过固化薄膜的表面形貌分析来评估胶黏剂的韧性。将胶黏剂样品手动涂覆在玻璃基板（2.5×5.5厘米）上，使用刮刀法施加1±0.1克胶黏剂，形成约300±50微米的湿膜厚度。涂覆后的薄膜以2厘米/秒的恒定速度展开，在120±2℃下干燥2小时，然后在干燥器中冷却0.5小时。随后，观察薄膜表面的裂纹和形貌变化。

#### 2.14 抗霉测试

使用纯SM、PS、PS-M20和PS-M20-K20胶黏剂作为测试样品。将样品放置在相同尺寸的培养皿中，在35±2℃和100±2%相对湿度下培养10天，记录样品外观和霉菌生长情况。SM胶黏剂在仅2天后就出现鼓包现象，并检测到微生物活动产生的异味，这归因于其高淀粉和多糖含量，使其极易受霉菌影响。这种霉菌滋生显著降低了胶黏剂的耐久性和性能。随着PAE的加入，PS胶黏剂在4天后出现霉菌生长，反映出其阳离子基团的轻微抑制作用。PS-M20中含有MSM，其在4天后也出现轻微霉菌生长，表明MSM对抗霉性能贡献有限。相比之下，PS-M20-K20中加入高岭土后，在10天后未出现霉菌迹象，归因于其更密集的交联网络、降低的蛋白质可利用性以及无机填料的物理屏障效应。因此，高岭土的引入被证明是提高SM基胶黏剂抗霉性能的有效手段。为进一步满足工业需求，引入了商用杀菌剂BIT，使用SM、PS和PS-M20-K20胶黏剂作为模型。BIT的加入使所有三种胶黏剂保持稳定的抗霉性能，并在耐水性方面表现出良好的兼容性，其耐水性基本未受影响（图S12）。这些结果表明，BIT的引入能够显著增强胶黏剂的抗霉性能，而不会影响其耐水粘结性能。

#### 2.15 成本效益分析

目前工业化的大豆蛋白胶黏剂面临显著的成本劣势，其生产成本超过E0级尿素-甲醛树脂（UF）与面粉混合物的25%以上，限制了其市场竞争力。为解决这一问题，我们通过优化高岭土替代比例，在保持耐水粘结性能的前提下，开发了一种成本效益更高的大豆蛋白胶黏剂。在20%的高岭土替代率下，PS-M20-K20胶黏剂的生产成本为每吨349.9美元，比商用大豆蛋白胶黏剂降低了21.4%，与E0级UF树脂与面粉混合物相当。即使在更高比例的高岭土含量下（40%），胶黏剂的湿剪切强度仍达到0.89 MPa，超过II类胶合板的标准，且比E0级UF树脂与面粉混合物高出11.25%，同时成本降低了14.6%。这种双仿生设计不仅解决了生物基胶黏剂在成本与性能之间的权衡问题，还为木材工业中可持续材料的发展提供了可扩展的策略，优化了资源利用效率，并为甲醛基树脂提供了一种可行的替代方案。

#### 2.16 生命周期评估

为了评估和比较全生物基胶黏剂生产过程与其他胶黏剂生产方法的潜在环境影响，我们进行了生命周期评估（LCA）。添加了一个简化的从摇篮到坟墓的流程图作为定性补充（图6a），包括原材料、制造、应用和生命周期末端（填埋、焚烧、降解）。在本研究中，LCA采用了一个从摇篮到大门（原材料→PAE制备→胶黏剂制备）的系统边界，如图S13所示。所有三个阶段均从能源消耗和相关排放的角度进行评估。下游生命周期阶段，包括运输、产品使用和生命周期末端处理，被排除在评估范围之外，因为主要目标是比较不同制备过程的环境影响（Chen et al., 2024a）。本研究量化了以下胶黏剂的环境影响：酚醛树脂（PF）、尿素-甲醛树脂（UF）和PS-M20-K20胶黏剂。这些胶黏剂的总体LCA结果如图6b所示。在本分析中，胶黏剂质量被标准化为1千克，并假设低压AT电力生产作为能源来源。评估结果表明，本研究开发的PS-M20-K20胶黏剂的环境影响显著低于PF和UF（数据汇总在表S5中）。这一发现表明，PS-M20-K20胶黏剂不仅满足木材基板的性能要求，还显著降低了环境负担。因此，其采用能够有效促进木材基板产业的可持续发展和清洁生产。

### 3. 结果与讨论

#### 3.1 MSM的蛋白质和氨基酸组成分析

MSM和SM的成分分析如表2所示。与SM相比，MSM的蛋白质含量较低（17.5–20.6% vs. 54.0%），但粗纤维含量显著较高（23.1–28.0% vs. 3.0%），比SM高933%。尽管MSM的蛋白质含量较低，但其丰富的纤维成分可以在胶黏剂体系中起到物理增强作用，可能提高粘结性能。同时，氨基酸组成也可能影响胶黏剂性能。亲水性氨基酸含有如羧基和羟基等功能基团，有助于与交联剂相互作用。相比之下，疏水性氨基酸由于其非极性侧链，往往阻碍在水性体系中的均匀分散（Vnu?ec et al., 2017）。Zhang et al. (2020a) 发现，MSM蛋白中的亲水性氨基酸含量（51.32%）比大豆蛋白（64.47%）低20.39%，而疏水性氨基酸含量（48.68%）比大豆蛋白（35.53%）高37.01%。随后，我们对MSM进行了整体表征，以评估其性能。与大豆饼相比，MSM表现出更高的剩余率（图S1）和更低的表面接触角（图S2），这归因于其较高的纤维和不可溶成分含量，这些成分容易与水分子形成氢键。这些结果表明，尽管MSM蛋白质中的亲水性氨基酸含量略低，但整体亲水性更显著地受到纤维含量的影响。

#### 3.2 MSM添加对PSM胶黏剂的影响

为了研究MSM对大豆蛋白基胶黏剂的影响，将不同比例的MSM引入SM衍生的胶黏剂基质中，并对它们的性能进行了系统表征。如图3a所示，PS胶黏剂的表观粘度为56,600 mPa·s。在20%的MSM替代比例下，粘度显著增加至72,070 mPa·s。随着MSM替代比例的增加，粘度呈现逐渐上升的趋势。这一现象可能归因于系统中MSM比例的增加，从而提高了纤维含量。纤维的纠缠或聚集不仅限制了蛋白质分子链的柔韧性，还提供了丰富的氢键结合位点，从而增强氢键相互作用，显著增加体系的流变阻力。

粘度的变化也影响了涂覆性能，如图3b所示。虽然PS胶黏剂表现出良好的涂覆性能，但随着MSM替代比例的增加，胶黏剂颜色变深，胶线连续性降低，涂覆辊上的残留胶黏剂增加。这些变化是由于MSM在水中分散性较差，以及纤维含量的增加，导致流动性下降。然而，总体涂覆性能仍适用于工业应用。

使用PS胶黏剂制备的胶合板表现出0.87 MPa的湿剪切强度（图3c），这归因于PAE的氮杂环与大豆蛋白反应性基团之间的开环反应，形成稳定的交联网络，提高其耐水性（Zheng et al., 2019）。在20%的MSM替代比例下，PS-M20胶黏剂的湿剪切强度提升至1.1 MPa，提高了26.4%。这种增强可能源于MSM与SM蛋白的结构相似性，使其能够参与与PAE的交联反应（Xu et al., 2020）。此外，MSM的纤维结构模拟了植物根系的土壤固定功能，作为胶黏剂基质中的物理锚定和应力分布结构。纤维还能与蛋白质形成氢键，进一步增强粘结性能。然而，进一步提高MSM替代比例至40%（PS-M40）会导致湿剪切强度下降至0.81 MPa，这可能由于蛋白质含量不足，无法有效交联，以及纤维过多成为水渗透的通道。

剩余率反映了胶黏剂的交联密度，如图3d所示。PS胶黏剂的剩余率为70.5%，而PS-M20的剩余率提升至73.4%，表明其抗水解能力增强。这是由于SM、MSM和PAE之间形成的密集交联网络，以及纤维与蛋白质之间的氢键结合。然而，当MSM替代比例较高时，剩余率下降，这与湿剪切强度的降低一致。热重分析进一步支持了这些发现，PS-M20的分解温度向右移动，且残留质量为30%（图S3，表S1），表明其内部结构更加稳定和密集。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）对胶黏剂的结构进行了表征（图3e）。吸收峰在3272 cm?1（N-H和O-H伸缩振动）、2927 cm?1（-CH?伸缩振动）、1633 cm?1（酰胺I，C=O伸缩振动）、1537 cm?1（酰胺II，N-H弯曲振动）和1236 cm?1（酰胺III，C-H/N-H伸缩振动）确认了蛋白质结构的存在（Gu et al., 2020）。PSMK胶黏剂的谱图中，在1033–1066 cm?1范围内观察到更大的吸收峰面积，表明蛋白质、羧基和羟基与高岭土中的氧原子之间形成了新的氢键。这证实了蛋白质在高岭土层间的成功插入。

XRD分析（图4f）显示，PSMK胶黏剂在2θ=20.9°处具有特征衍射峰，对应于大豆蛋白的β折叠构型。MSM的引入显著降低了PSMK胶黏剂的结晶性峰值强度，这与Li et al. (2022) 和Zeng et al. (2022) 报告的蛋白质交联行为一致。简而言之，共价交联反应通过氢键抑制了蛋白质的β折叠构型形成（Jiang et al., 2024）。值得注意的是，PSMK胶黏剂中的两个高岭土特征峰显示出显著的左移，表明层间间距扩大，如布拉格定律所示。结晶性从PSM胶黏剂的24.7%降至PS-M20-K10的18.8%，反映了蛋白质插入高岭土层间导致的结构无序化，这种无序化破坏了蛋白质的聚集，同时增强了交联密度。这一趋势在PS-M20-K20中进一步延续，其结晶性降至10.6%，表明β折叠构型的坍塌和蛋白质的广泛插入。构型重组由以下三个因素共同驱动：（i）蛋白质与PAE之间的C-O/C-N共价键结合；（ii）蛋白质与高岭土之间的氢键结合；（iii）蛋白质与纤维之间的静电相互作用，这些因素共同促进了新的结晶相形成。然而，在更高的高岭土替代比例（30–40%）下，结晶性增加，这是由于过量高岭土未能充分整合，导致局部再结晶和分子链重新排列。

扫描电子显微镜（SEM）图像（图4g和图S9）揭示了胶黏剂样品的显著形态差异。在PS-M20-K20胶黏剂中，PS胶黏剂中的裂纹被细小的孔隙取代。MSM纤维被紧密嵌入胶黏剂基质中，没有可见的裂纹，而高岭土颗粒在基质中均匀分布。这些微观结构观察结果表明，高岭土、蛋白质和纤维的有效整合，有助于形成更密集和更连贯的结构，从而增强胶黏剂的整体完整性。然而，在更高的高岭土替代比例（30%和40%）下，局部细小孔隙和纤维拔出现象被观察到，这导致了胶黏剂基质连续性的破坏，阻碍了有效应力传递。此外，MSM纤维显示出分阶段断裂和拔出，而非清洁断裂，裂纹在纤维根部与胶黏剂基质之间形成。这些观察结果表明，胶黏剂未能完全包覆植物纤维，间接反映了其粘结性能的下降。这一下降归因于蛋白质含量不足，无法与PAE形成足够密集的交联网络。

### 3.3 高岭土添加对PSMK胶黏剂的影响

高岭土作为一种具有八面体结构和氢键层的层状硅酸盐矿物，表现出优异的物理和化学性能。其在胶黏剂中的引入不仅改善了流变性能和降低了生产成本，还促进了有机-无机杂化结构的形成，从而提升了粘结性能。鉴于PS-M20胶黏剂在PSM胶黏剂中表现出最高的湿剪切强度，我们将其选为进一步降低成本和提升性能的基础配方。受珍珠层“砖-砂浆”结构的启发，将高岭土引入PS-M20胶黏剂中，以实现这些目标。

胶黏剂的粘度随着高岭土含量的增加而显著降低，从PS-M20-K10的49,350 mPa·s急剧下降至PS-M20-K40的4,457 mPa·s（图4a）。这种显著的粘度降低可以归因于三个协同因素：（1）蛋白质链密度降低和分子间作用力减弱，这减少了大豆蛋白与PAE之间的交联密度，从而增强了大分子链的流动性；（2）植物纤维在胶黏剂基质中的含量减少，削弱了其与蛋白质链的增强相互作用；（3）蛋白质分子插入高岭土层间，而弱的蛋白质-高岭土界面结合（相较于蛋白质-蛋白质的内聚相互作用）无法有效限制蛋白质段的运动。此外，高岭土片层的固有润滑性也通过粒子滑动机制进一步降低了粘度。PS、PS-M20和PS-M20-K20胶黏剂的流变学分析表明，PS-M20-K20胶黏剂表现出显著增强的流动性，与其显著降低的粘度曲线一致（图S7）。

生物基胶黏剂的涂覆性能对于实现最大粘结强度至关重要（Huang et al., 2023），因此也进行了评估（图4b）。随着高岭土替代比例的增加，胶黏剂颜色变浅，胶线连续性提高，尤其是PS-M20-K20胶黏剂。胶黏剂的“鱼骨”网格状胶线和涂覆辊上的残留减少，表明涂覆性能的提升。这种改善归因于有机-无机杂化结构的形成，其中蛋白质链插入高岭土层间，削弱了分子间作用力，从而降低了粘度。然而，在更高的高岭土替代比例（30%和40%）下，涂覆性能下降。胶黏剂变得较薄，单板上的胶线聚集形成厚而不均匀的图案，且沟槽宽度增加。这一下降是由于蛋白质和纤维含量的减少，削弱了蛋白质链的纠缠和氢键结合，而高岭土的滑腻特性加剧了粘度和流动性的下降。尽管如此，总体涂覆性能仍适用于工业应用。

使用PS-M20-K10和PS-M20-K20胶黏剂制备的胶合板分别表现出1.17 MPa和1.23 MPa的湿剪切强度（图4c），比PS-M20胶黏剂分别提高了6.4%和11.8%。这种增强归因于蛋白质与高岭土之间的交联密度增加，形成了有机-无机杂化结构。蛋白质插入高岭土层间，通过与PAE氮杂环的结合，促进了交联反应。蛋白质与纤维和高岭土之间的丰富氢键进一步增强了胶黏剂的耐水能力（Chen et al., 2024a）。然而，当高岭土替代比例增加至40%（PS-M20-K40）时，湿剪切强度下降至0.89 MPa。这种下降是由于蛋白质含量不足，无法充分包覆MSM纤维和高岭土颗粒，导致交联不完全。结果，纤维暴露并高岭土片层聚集，形成孔隙，损害了耐水性。尽管如此，PS-M20-K40的湿剪切强度仍符合II类胶合板的标准，比E0级尿素-甲醛树脂高出11.25%，同时成本降低了14.6%。这种双仿生设计不仅解决了生物基胶黏剂在成本与性能之间的权衡问题，还为木材工业中可持续材料的发展提供了可扩展的策略，优化了资源利用效率，并为甲醛基树脂提供了一种可行的替代方案。

### 3.4 抗霉测试

为了评估生物基胶黏剂的抗霉性能，使用纯SM、PS、PS-M20和PS-M20-K20胶黏剂作为测试样品。将样品放置在相同尺寸的培养皿中，在35±2℃和100±2%相对湿度下培养10天，记录样品外观和霉菌生长情况。SM胶黏剂在仅2天后就出现鼓包现象，并检测到微生物活动产生的异味，这归因于其高淀粉和多糖含量，使其极易受霉菌影响。这种霉菌滋生显著降低了胶黏剂的耐久性和性能。随着PAE的加入，PS胶黏剂在4天后出现霉菌生长，反映出其阳离子基团的轻微抑制作用。PS-M20中含有MSM，其在4天后也出现轻微霉菌生长，表明MSM对抗霉性能贡献有限。相比之下，PS-M20-K20中加入高岭土后，在10天后未出现霉菌迹象，归因于其更密集的交联网络、降低的蛋白质可利用性以及无机填料的物理屏障效应。因此，高岭土的引入被证明是提高SM基胶黏剂抗霉性能的有效手段。为进一步满足工业需求，引入了商用杀菌剂BIT，使用SM、PS和PS-M20-K20胶黏剂作为模型。BIT的加入使所有三种胶黏剂保持稳定的抗霉性能，并在耐水性方面表现出良好的兼容性，其耐水性基本未受影响（图S12）。这些结果表明，BIT的引入能够显著增强胶黏剂的抗霉性能，而不会影响其耐水粘结性能。

### 3.5 胶黏剂的成本效益分析

目前工业化的大豆蛋白胶黏剂面临显著的成本劣势，其生产成本超过E0级尿素-甲醛树脂（UF）与面粉混合物的25%以上，限制了其市场竞争力。为解决这一问题，我们通过优化高岭土替代比例，在保持耐水粘结性能的前提下，开发了一种成本效益更高的大豆蛋白胶黏剂。在20%的高岭土替代率下，PS-M20-K20胶黏剂的生产成本为每吨349.9美元，比商用大豆蛋白胶黏剂降低了21.4%，与E0级UF树脂与面粉混合物相当。即使在更高的高岭土含量下（40%），胶黏剂的湿剪切强度仍达到0.89 MPa，超过II类胶合板的标准，且比E0级UF树脂与面粉混合物高出11.25%，同时成本降低了14.6%。这种双仿生设计不仅解决了生物基胶黏剂在成本与性能之间的权衡问题，还为木材工业中可持续材料的发展提供了可扩展的策略，优化了资源利用效率，并为甲醛基树脂提供了一种可行的替代方案。

### 3.6 环境影响分析

为了评估和比较全生物基胶黏剂生产过程与其他胶黏剂生产方法的潜在环境影响，我们进行了生命周期评估（LCA）。添加了一个简化的从摇篮到坟墓的流程图作为定性补充（图6a），包括原材料、制造、应用和生命周期末端（填埋、焚烧、降解）。在本研究中，LCA采用了一个从摇篮到大门（原材料→PAE制备→胶黏剂制备）的系统边界，如图S13所示。所有三个阶段均从能源消耗和相关排放的角度进行评估。下游生命周期阶段，包括运输、产品使用和生命周期末端处理，被排除在评估范围之外，因为主要目标是比较不同制备过程的环境影响（Chen et al., 2024a）。本研究量化了以下胶黏剂的环境影响：酚醛树脂（PF）、尿素-甲醛树脂（UF）和PS-M20-K20胶黏剂。这些胶黏剂的总体LCA结果如图6b所示。在本分析中，胶黏剂质量被标准化为1千克，并假设低压AT电力生产作为能源来源。评估结果表明，本研究开发的PS-M20-K20胶黏剂的环境影响显著低于PF和UF（数据汇总在表S5中）。这一发现表明，PS-M20-K20胶黏剂不仅满足木材基板的性能要求，还显著降低了环境负担。因此，其采用能够有效促进木材基板产业的可持续发展和清洁生产。

### 4. 结论

受植物根系固定土壤功能和珍珠层“砖-砂浆”结构的启发，通过整合富含纤维的紫花苜蓿饼和无机高岭土，开发出了一种成本友好、高性能的大豆蛋白胶黏剂。MSM纤维和高岭土的协同作用使胶黏剂的湿剪切强度提高了41.4%，达到1.23 MPa，同时降低了粘度并提升了涂覆性能。通过部分替代昂贵的大豆饼，优化后的PS-M20-K20胶黏剂实现了每吨349.9美元的生产成本，比商用大豆蛋白胶黏剂降低了21.4%，与E0级尿素-甲醛树脂与面粉混合物相当。即使在更高的高岭土含量下（40%），胶黏剂的湿剪切强度仍达到0.89 MPa，超过II类胶合板的标准，且比E0级尿素-甲醛树脂与面粉混合物高出11.25%，同时成本降低了14.6%。这种双仿生设计不仅解决了生物基胶黏剂在成本与性能之间的权衡问题，还为木材工业中可持续材料的发展提供了可扩展的策略，优化了资源利用效率，并为甲醛基树脂提供了一种可行的替代方案。