截至2019年，全球塑料产量达到3.68亿吨，其中一次性使用的塑料制品占40%。这些塑料制品，尤其是一次性杯子、塑料袋和餐具，面临着回收地点分散、浪费严重等问题。同时，80%以上的一次性塑料垃圾被掩埋或直接排放到自然环境中，但塑料很难自然降解（需要几百年）。并且在降解过程和日常使用过程中都会释放出微塑料。这将进一步对人类健康构成严重威胁。因此，如何建造同时具有良好的机械性能、高热稳定性和生物降解性的材料仍然是一个巨大的挑战。

    基于以上挑战，中国科学技术大学俞书宏院士团队报告了一种由食品级安全的马尾藻纤维素纳米纤维（SCNF）制成的具有优良的机械和热性能的一次性可生物降解餐具。首先，作者开发了一种基于马尾藻工业废弃物的SCNF的有效提取方法，并获得了一种可食用的SCNF。随后，通过自下而上的逐层水凝胶方法制备了马尾藻纤维素纳米纤维结构材料（SCNSM）。这种基于马尾藻纤维素的食品安全结构材料表现出优异的机械和热性能。此外，这种基于SCNSM的餐具还可以通过聚乳酸（PLA）和姜黄素进行改性，以获得更好的防水性和抗菌性。相关成果以“Edible, Ultra-strong, and Thermal-stable Seaweed-based Structural Material for Tableware”为题发表在Advanced Materials上。通讯作者为俞书宏院士和管庆方副教授，第一作者为李德涵、韩子盟和何谦。

    本工作中使用的海藻原料是马尾藻。图1说明了从马尾藻中提取SCNF和基于SCNF制备SCNSM的过程。使用常规的碱溶液处理可以在不损害纤维素的前提下来提取马尾藻中的琼脂和海藻酸（图1d-f）。进一步纯化过程中去除杂质以从残留物中提取SCNF。并且利用H2O2与醋酸酐预混合溶液对马尾藻纤维素的脱色。脱色后的马尾藻纤维素用高压均质机进行处理，得到绿色可食用的SCNF（图1g）。接着将获得的SCNF制备成水凝胶：将一定浓度的钙离子（Ca2+）水溶液加入到SCNF悬浮液中（图1h）。通过SCNF之间形成的配位键和丰富的氢键将悬浮液转化为水凝胶。水凝胶制备完成后，将其逐层堆叠并热压，以去除其中的大部分自由水（图1i）。这样就得到了一种具有许多相互交织的CNF的致密而坚固的结构材料（图1j）。

    SCNF和每个提取过程的产品都有系统的表征。首先，扫描电子显微镜（SEM）图像显示了马尾藻纤维素在提取过程中的形态和结构变化（图2a-d）。经过一系列的处理，包括脱胶和漂白，马尾藻的细胞壁被转化为松散的纳米纤维网络。然后通过进一步的机械处理，可以得到形态均匀、结晶度高（92%）（图2i）的SCNF (图2e-g）。得到的SCNF悬浮液通过动态光散射（DLS）进行分析，SCNF的直径从20nm到40nm不等（图2h）。通过傅立叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）光谱来证明显示海藻酸钠和SCNF之间的氢键被削弱（图2j）。为了进一步分析多糖在不同阶段的分子结构并确定羧基的来源，采用离子色谱法对单糖进行分析。结果表明，SCNF含有一定量的含羧基的尿酸（UA），它们为SCNF表面提供了-COOH（图2m,n）。

图2剥离SCNF过程的微观表征

SCNSM的机械性能和热稳定性

    作者通过涂覆疏水性聚乳酸（PLA）来改善SCNSM餐具的疏水性能。如图4a所示，SCNSM表面和PLA处理的SCNSM表面的水接触角（WCA）分别为21°±0.7°和107°±0.6°，表明SCNSM的疏水性得到明显改善。傅立叶变换红外光谱分析进一步表明聚乳酸被成功地涂覆在SCNSM餐具上（图4b），这有效地改善了其长期使用的疏水性能。最后，针对实际使用情况，进行了一系列的溶胀实验，测试其在生活中常见液体中的稳定性。如图4c所示，PLA处理的SCNSM的溶胀性大大降低，表明用PLA对SCMSM进行疏水改性是改善SCNSM耐水性的一个简单而有效的策略（图4d）。此外，PLA涂层改性的SCNSM也可以减少样品在油和乙醇中的溶胀（图4e）。

    由于餐具在很多潮湿的环境中长期使用，为了保证食品安全，必须考虑到真菌和细菌的繁殖。为了避免这些问题，有必要对SCNSM餐具进行抗菌处理。为了在SCNSM上加载抗菌剂，首先将其在水中溶胀，以便在其表面暴露出微孔和纳米孔。(图5a-c)。在用去离子水处理SCNSM餐具1分钟、5分钟、10分钟。30分钟和60分钟后，SCNSM餐具表面的纳米纤维网络显示出不同程度的溶胀（图5d-h）。通过掠入射小角散射（GISAXS）表明表面的无序程度增加，形成了纳米孔（图5i-l）。由于SCNF的高氢键密度，这些孔为姜黄素等抗菌剂提供了更有利的装载位置。通过将SCNSM样品浸入姜黄素的溶液中，姜黄素可以很好地装载在SCNSM的表面上（图5m，n）。很明显，抗菌处理后的餐具上的菌落数比没有抗菌处理的餐具上的菌落数小得多（图5o），显示了姜黄素处理的SCNSM餐具（SCNSM-Cur）的抗菌效果。

    小结：综上所述，基于丰富的海藻工业废弃物中的纤维素，作者开发了一种策略来制备食品安全的CNF，并加上构建了一种基于海藻的可生物降解餐具，这些餐具具有优良的机械性能、热性能和耐水/油性。马尾藻中的CNF之间的强氢键相互作用导致了基于马尾藻的餐具的高强度、高模量、高硬度和良好的热稳定性，这为不可降解的塑料餐具提供了一个潜在替代物。这种由马尾藻纤维素结构材料制成的餐具在经过疏水和抗菌处理后也可以作为长效餐具使用。

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