受树叶启发，科学家研发新型生物塑料

长期以来，石油衍生塑料的污染问题，特别是微塑料对食物和水源的有害影响，一直困扰着人类。为此，研究人员一直在开发传统塑料的可生物降解版本，也就是“生物塑料”。

塑料包装在生活中随处可见，图片来源：Shutterstock

当前，生物塑料面临着一些挑战。一方面，现有生物塑料的强度不如石化塑料；另一方面，它们只能通过高温堆肥系统降解。现在，美国圣路易斯华盛顿大学的研究人员从树叶中汲取灵感，解决了这两个问题。相关论文近日发表于《自然-通讯》。

在塑料未出现的很久以前，人们就用树叶包裹食物。树叶具有富含纤维素的细胞壁底层结构，易于生物降解。因此，研究人员决定将纤维素纳米纤维引入生物塑料的设计中。

“我们创建了纤维素在中间、生物塑料在两侧的多层结构。”论文通讯作者、圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的Joshua Yuan说，“利用这种方式，我们研发出一种强度很高的多功能材料。”

该技术源于对当今两种产量最高的生物塑料的研究。今年早些时候，Yuan和同事使用一种受树叶启发的纤维素纳米纤维结构的变体，改善了淀粉衍生塑料聚羟基丁酸酯（PHB）的强度和生物降解力。在这项研究中，他们进一步优化了该技术在聚乳酸（PLA）中的应用。

经研究人员优化的生物塑料名为LEAFF，意为分层（Layered）、生态（Ecological）、先进（Advanced）的多功能薄膜（multi-Functional Film）。它将PLA转变为一种能够在室温下生物降解的包装材料。此外，该结构还具有其他关键特性，例如低透气性、低透水性，有助于保持食品稳定，并可在表面进行印刷。这提高了生物塑料的经济性，为制造商节省了单独印刷包装标签的成本。

“最重要的是，LEAFF底层的纤维素结构使它比聚乙烯和聚丙烯等石化塑料具有更高的拉伸强度。”论文第一作者、Yuan实验室的博士生Puneet Dhatt解释说。

LEAFF的创新之处在于加入了研究人员复制的这种纤维素结构，即嵌入生物塑料内的纤维素纤丝。“这种独特的仿生设计使我们突破了生物塑料的使用局限，从而克服技术障碍，并促进生物塑料的更广泛应用。”Yuan表示。

Yuan希望这项技术能尽快实现产业化，因此正寻求商业及慈善领域合作伙伴的帮助。亚洲与欧洲研究机构的“竞争对手”也在努力开发类似的技术，不过美国具有优势。

Yuan表示，“与世界其他地区相比，我们能以更低的价格提供用于生产生物塑料的原料。”他所说的“原料”是指乳酸、醋酸、脂肪酸等化学品，它们是微生物为生物塑料工厂发酵玉米或淀粉的产物。

研究人员设计了利用恶臭假单胞菌等菌株，将二氧化碳、木质素和食物垃圾等废物转化为生物塑料的方法。通过改进的生物塑料设计，他们进一步填补了这个循环中的空缺，创造出一种生产更高效并能在环境中安全降解的PHB和PLA版本。

“美国存在废物问题，而循环再利用可以在很大程度上将它们转化为有用的材料。”Yuan表示，“如果我们能够扩大生物塑料供应链，它还将创造就业机会和新的市场。”