农业废弃物衍生的大麻秸秆/壳聚糖复合膜：用于提升肉类保鲜效果的绿色生物塑料

《Materials Today Chemistry》：Agricultural waste-derived hemp stalks/chitosan composite films: Green bioplastics for improved meat preservation

　　

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  利用深共熔溶剂和壳聚糖将大麻秸秆制成生物塑料薄膜。
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  薄膜表现出优异的阻水性和抗菌性能。
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  在肉类保鲜方面表现优于聚乙烯，可抑制99.9%的微生物生长。

引言

石油基塑料因成本低廉、加工便捷、性能优良且应用广泛，被大量用于包装、建筑、电子、农业和医疗等领域[[1], [2], [3]]。然而，其稳定的分子结构、高结晶度和强疏水性使其极难被生物降解，导致长期在环境中积累并产生大量微塑料，引发严重的生态问题[[4], [5], [6]]。此外，石油资源的枯竭进一步凸显了对可持续替代材料的迫切需求[7,8]。在此背景下，源自天然生物质的生物塑料因其可生物降解性、可再生性、来源广泛及经济潜力而备受关注[9,10]。随着全球对可持续包装需求的不断增长，生物塑料薄膜已成为重要的研究方向[[11], [12], [13], [14]]，纤维素[15]、木质素[16]、海藻酸钠[17]、壳聚糖[18]和淀粉[19]等多种生物质材料正被广泛研究，作为石油基包装薄膜的有前景的替代品，因为它们来源丰富、可生物降解、可再生且具有成膜能力[20,21]。

大麻具有生长周期短、需水需肥少的特点。其韧皮纤维具有优良的透湿性、抗菌活性和力学性能，使大麻成为纺织品应用中的宝贵原料[22,23]。然而，在纤维提取和纺织加工过程中，会产生大量残留的麻秆。与高价值的韧皮纤维不同，这些残留的麻秆部分通常被视为低价值的副产品或废弃物，利用不足[24,25]。从化学组成来看，麻秆富含纤维素、半纤维素和木质素。这些木质纤维素组分中丰富的羟基、醚键、酯键和芳香基团为溶剂辅助解构、木质素再分配、氢键作用和界面组装提供了反应位点，使麻秆成为化学工程化生物塑料薄膜的有前景的原料[26]。在近期研究中，秸秆等农业副产品已被考虑用于生产生物塑料。Bilo等人[27]使用Naviglio提取器对稻草进行处理，随后用三氟乙酸溶解，获得了具有形状记忆性能的可生物降解稻草基生物塑料。Xu等人[28]通过深共熔溶剂预处理和TEMPO氧化，再以三乙氧基（辛基）硅烷（C₁₄H₃₂O₃Si）进行疏水改性，开发了疏水性玉米秸秆生物塑料。Wu等人[29]通过引入马来酸酐接枝聚丁二酸丁二醇酯和氧化甘蔗渣，生产出了具有优异力学性能和可堆肥性的复合生物塑料。然而，这些策略仍面临一些固有缺陷，如对有毒试剂的依赖、复杂且能耗高的加工过程以及较高的生产成本。这些局限性损害了工艺可持续性，阻碍了生物塑料的工业化发展[30]。因此，开发简单、环保且可持续的制备方法是将生物质资源转化为生物塑料薄膜的关键。

为解决上述挑战，本研究开发了一种溶解-再生-重组策略，以制备源自大麻秸秆的生物塑料复合薄膜（图1）。首先，使用深共熔溶剂对大麻秸秆进行解构，以松解木质纤维素结构并部分溶解木质素。在诱导木质素经水再生后，再生木质素与纤维素微纤丝形成生物质基结构框架。引入壳聚糖以改善成膜能力和抗菌活性，使用甘油以增强柔韧性，并掺入纳米ZnO以进一步提高疏水性和抗菌性能。与涉及大量纯化、聚合或化学改性的传统生物质基生物塑料制备路线相比，该策略旨在简化加工过程并提高资源利用率。对所得薄膜的结构、形貌、耐水性、力学性能、热稳定性、抗菌活性及猪肉保鲜性能进行了系统评估。总体而言，该溶解-再生-重组策略为将农业废弃物转化为可持续和可再生生物塑料复合薄膜提供了一种绿色且简单的方法，为未来生物质包装材料的发展展现了广阔潜力。

各章节摘要

材料

采用来自中国湖南的大麻秸秆粉，经100目筛过筛后作为起始原料。草酸二水合物（H₂C₂O₄·2H₂O，>99%）和氯化胆碱（C₅H₁₄ClNO，>98%）购自上海麦克林生化科技有限公司。壳聚糖购自合肥百迈生物科技有限公司（平均分子量>2×10⁵，脱乙酰度>90%）。甘油（C₃H₈O₃，>99%）和冰醋酸（C₂H₄O₂，>98%）由天津康美化学试剂

生物塑料复合薄膜的结构表征

采用FTIR光谱阐明大麻秸秆在DES处理、木质素再生和壳聚糖引入过程中的化学演变。如图2(b)所示，3447 cm^?1处的典型纤维素峰归因于O–H伸缩振动；2910 cm^?1对应亚甲基的C–H伸缩振动；1615 cm^?1归因于吸附在纤维素上的水分子的H–O–H弯曲振动；1157 cm^?1与C–O–C伸缩振动相关；1058 cm^?1归因于

结论

本研究提出了一种简单、环保且可持续的农业废弃物高值化策略。通过将大麻秸秆废弃物经溶解-再生-重组过程转化为生物塑料复合薄膜。氯化胆碱/草酸DES实现了木质纤维素的解构、木质素的部分溶解、半纤维素的去除以及水诱导的木质素再生。再生木质素和纤维素微纤丝形成了生物质衍生框架，

CRediT作者贡献声明

Zheng Li：撰写–原始草稿，可视化，调查研究，形式分析，数据整理。Wei Chen：调查研究，数据整理。Qiang Yang：调查研究，数据整理。Jing Guo：撰写–审阅与编辑，方法论，资金获取，概念构思。Xin Zhang：监督，数据整理。Xinbin Ji：形式分析，数据整理。Fucheng Guan：撰写–审阅与编辑，监督，资金获取，概念构思。Jiahao He：调查研究，形式分析。Yi Xu：

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家纺织新材料重点实验室、武汉纺织大学，编号FZ2025024；国家重点研发计划，编号2023YFB3811904；纺织纤维与制品教育部重点实验室（武汉纺织大学）、教育部，编号Fzxw2023007；辽宁省教育厅，编号LJ212410152039；辽宁省科技联合计划，编号2024-BSLH-022；基础科学研究专项资金

Zheng Li|Wei Chen|Qiang Yang|Jing Guo|Xin Zhang|Xinbin Ji|Fucheng Guan|Jiahao He|Yi Xu