残余可可荚壳（Theobroma cacao L.）与木薯淀粉（Manihot esculenta）制备塑料聚合物的生物降解性评价：秘鲁利马

《Advances in Materials Science and Engineering》：Evaluation of the Biodegradability of Plastic Polymers Made From Residual Cocoa Husk (Theobroma cacao L.) and Cassava Starch (Manihot esculenta), Lima, Peru

　　

本研究评估了以木薯淀粉（Manihot esculenta）为基体、以可可荚壳（Theobroma cacao L.）木质纤维素颗粒为增强相制备的生物聚合物的生物降解性。研究人员采用热压成型（thermocompression）工艺制备生物聚合物，并分别掺入0%、5%、10%和15%的可可荚壳成分。机械性能通过拉伸试验（ASTM D-638）测定，生物降解性则在受控堆肥条件下依据ASTM D5338-15标准，利用呼吸测定系统（respirometric system）通过定量CO₂释放量进行评估。结果表明，加入可可颗粒可显著改善材料的机械性能，其中10%含量配方（T2）达到最佳值，拉伸强度为1.95?MPa，弹性模量为51.88?MPa。在生物降解方面，T2在42?d后达到18.43%的生物降解率。比较性文献分析进一步证实，与土壤掩埋相比，堆肥处理可加速降解过程，且材料组成会影响该过程的动力学特征。

该文发表于《Advances in Materials Science and Engineering》，围绕农业残余物资源化与可降解材料开发展开研究。研究背景在于，传统石油基塑料年产量巨大且自然降解速率极低，导致其在陆地与水生生态系统中长期累积，形成突出的环境污染问题。为缓解塑料废弃物带来的生态压力，兼具使用性能与环境可持续性的可生物降解材料成为材料科学与环境工程领域的重要研究方向。生物塑料因可在微生物作用下降解为天然物质，被认为是替代传统塑料的重要路径之一。淀粉因来源广、成本低、可生物降解且具备热塑性加工潜力，被广泛视为极具前景的生物塑料基体；但纯淀粉材料通常存在脆性大、强度低等不足，限制了其实际应用。因此，利用天然纤维或木质纤维素残余物对淀粉基材料进行增强改性，成为提升其综合性能的关键策略。

在这一背景下，残余可可荚壳因富含纤维素、半纤维素和木质素而具有应用价值，这些成分有助于提高聚合物的刚性、热稳定性和结构性能。对于秘鲁而言，可可产业规模较大，副产物产量可观，因此将可可荚壳用于制备可降解生物聚合物，不仅具有材料学意义，也具有农业废弃物高值化利用和循环经济推进的现实意义。研究人员据此构建了以木薯淀粉为主基体、可可荚壳颗粒为增强填料的生物聚合物体系，并结合标准化呼吸测定方法，在受控堆肥条件下验证其降解潜力，从而为秘鲁农工残余物的资源化利用提供实验依据。

研究人员采用的主要技术方法包括：以木薯淀粉、甘油和乙酸构建热塑性淀粉（TPS，thermoplastic starch）基体，加入粒径为300–600?μm的可可荚壳颗粒，通过热压成型制备含0%、5%、10%和15%颗粒的不同配方；依据ASTM D-638开展拉伸强度和弹性模量测试，并采用方差分析（ANOVA）和Tukey检验进行统计学比较；在受控堆肥体系中，依据ASTM D5338-15建立实验室尺度呼吸测定系统，以成熟堆肥为接种体系，利用NaOH吸收与酸碱滴定定量CO₂释放，评价样品的好氧生物降解行为。样品堆肥接种物来源于Lurin District的成熟堆肥。

在“3.1. Preparation of Biopolymers”部分，研究人员首先完成了不同配方生物聚合物的制备，并对其外观进行了描述。结果显示，未添加可可颗粒的基体呈半透明白色，而加入可可颗粒后材料呈棕色，且随着颗粒含量增加，颜色逐渐加深。这一现象与可可木质纤维素颗粒本身的天然棕色属性一致，说明增强相已成功引入材料体系。

在“3.2. Tensile Strength and Modulus of Elasticity Testing”部分，研究人员通过拉伸试验比较了不同配方材料的力学性能。结果表明，基体、T1、T2和T3的拉伸强度分别为0.89?MPa、1.54?MPa、1.95?MPa和1.68?MPa；弹性模量分别为9.59?MPa、27.99?MPa、51.88?MPa和44.58?MPa。其中，T2即10%可可颗粒配方在两项指标上均表现最佳。统计学分析显示，所有加入可可颗粒的处理组与未增强基体之间存在显著差异。这说明可可荚壳木质纤维素颗粒能够有效增强淀粉基体中的应力传递，提高材料抗拉性能与刚性。但从结果趋势看，增强效果并非随颗粒含量无限上升，在15%掺量时性能较10%有所下降，表明该体系存在较优增强比例。论文在讨论中结合相关研究指出，淀粉基材料经木质纤维素增强后，力学性能改善具有普遍性，而本研究结果进一步证明，可可荚壳可作为有效增强填料用于此类生物聚合物。

在“3.3. Biodegradation”部分，研究人员重点评价了最优力学配方T2的降解行为，并设置纤维素为阳性对照、低密度聚乙烯（LDPE，low-density polyethylene）为阴性对照。结果显示，在42?d内，纤维素生物降解率为36.40%，T2生物聚合物为18.43%，LDPE仅为1.58%。该结果表明，T2在受控堆肥体系中具有明确的生物降解能力，降解速率显著高于传统合成塑料LDPE，但低于纤维素阳性对照。研究还以图示方式概括了含10%可可荚壳残余物的木薯淀粉基生物聚合物及其42?d达到18.43%降解率的表现。

随后，论文通过比较文献分析进一步讨论了该材料在不同环境条件下的降解表现。结果指出，在58°C、70%含水率的堆肥条件下，本研究生物塑料42?d的降解率为18.43%，高于采用相同方法评价的某些可堆肥塑料。文献中其他生物聚合物、淀粉基材料、聚羟基烷酸酯（PHA，polyhydroxyalkanoate）和聚乳酸（PLA，polylactic acid）在堆肥条件下通常具有更高降解率，但其测试周期与材料体系并不完全相同。相较之下，土壤或农田环境中的降解率普遍较低，说明堆肥体系中的较高温度、湿度和微生物活性更有利于材料分解。研究人员据此总结，生物塑料的降解动力学不仅受环境条件影响，还与材料内在组成密切相关；其中，材料的碳/氮（C/N）组成以及接种土壤或堆肥的性质，均可能导致不同研究之间降解表现出现明显差异。

论文讨论部分的核心在于，将本研究材料置于已有生物降解材料研究框架中进行定位。研究人员认为，受控堆肥条件可以显著提升生物聚合物的降解效率，而自然环境中的降解周期可能因土壤类型和生态系统理化条件不同而改变。尽管该材料在42?d内的降解率尚未达到某些高降解聚合物的水平，但其相对于LDPE已显示出更优的环境归趋。结合材料来源与制备路径，该体系体现出将木薯淀粉与可可荚壳这类农工残余物协同转化为功能性可降解材料的可行性。该研究的重要意义在于，一方面证明可可荚壳作为木质纤维素增强相能够改善淀粉基生物聚合物的力学性能；另一方面，通过标准化呼吸测定体系验证了其在堆肥环境中的降解潜力，为秘鲁农业副产物高值化利用、可降解塑料开发以及循环经济实践提供了实验支持。

研究结论部分可译述如下：研究人员采用热压成型技术制备了以木薯淀粉为基体、以可可荚壳颗粒为增强相的生物聚合物，包括0%可可颗粒的基体、含5%可可颗粒的T1、含10%可可颗粒的T2以及含15%可可颗粒的T3。结果确定，可可荚壳对应的木质纤维素纤维掺入能够改善生物聚合物的力学性能；随着颗粒加入，拉伸强度与弹性模量均得到提高，且所有含可可颗粒处理与基体相比均存在显著差异。拉伸强度范围为0.89–1.95?MPa，弹性模量范围为9.59–51.88?MPa，其中以10%可可含量的T2性能最佳。在呼吸测定系统中，T2生物聚合物在42?d内实现了18.43%的降解率。文献比较分析进一步表明，与土壤环境相比，堆肥可显著促进生物降解，而这一过程同时受环境条件及生物塑料材料本性的共同影响，因此有必要针对不同类型生物塑料开展专门的实验评估。