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资环所农业废弃物资源化利用创新团队在可再生半纤维素基材料的增值应用方面取得进展

近日,资环所农业废弃物资源化利用创新团队联合福建农林大学生物质基功能材料研究中心团队在生物质高分子材料和工程技术学科领域内最具影响力和权威的期刊之一Carbohydrate Polymers(中科院一区,IF=11.20)在线发表了题为“Renewable hemicellulose-based materials for value-added applications”的综述论文。该论文首次对半纤维素基材料的结构、提取和表征技术、增值产品研发与应用等进行了全面梳理,为面向“双碳”目标的绿色农业投入品研发与推广提供理论支撑。


塑料污染问题是全球面临的巨大挑战。近年来,利用木质纤维素等创造生物相容性和环境友好型塑料替代品是国内外研发热点。农林生物质是自然界中木质纤维素的重要贮藏库,其中,半纤维素是生物质中最主要的成分之一,其全球年产量超过600亿吨。半纤维素作为一种可再生性多糖,目前已被用于各种新型环保材料的制造,包括0D纳米颗粒、1D纤维、2D薄膜和3D水凝胶等,这些是农业地膜等投入品、食品包装、生物修复应用、环境净化、3D打印、能源应用、生物传感器和其他塑料制品的重要新型绿色替代材料。

然而,农林生物质中半纤维素高效增值利用中面临半纤维素易降解成低聚糖而溶出被废弃、精细结构的有效表征和解析手段不足及研究碎片化严重等问题,难以系统为生物降解多功能材料低本高值化瓶颈技术攻关和绿色低碳产业发展提供指导。

基于此,本文对Scopus、Web of Science等数据库的200多篇文献报道进行梳理与分析,首次全面总结了半纤维素基材料的结构、提取技术和表征手段,以及半纤维素基增值产品研发的阶段性进展和标志性成果,提出半纤维素的提取、分馏及纯化工艺的成本效益低是制约其大规模利用的最大挑战,针对这些环节的技术革新是未来的攻关方向。在全球整体“限塑”政策向好的情况下,农作物秸秆等农业废弃资源中半纤维素的开发利用,对于保温保湿、抗紫外线老化、高阻隔性等多功能的生物质基可降解膜材料等农业绿色投入品创制,提供有价值的指导和有见地的信息。

图1 (A)通过密度泛函理论(DFT)计算优化双螺杆和三螺杆木聚糖的结构;(B)纤维素-木聚糖相互作用模型;(C)DFT能量最小化结构显示了木质素单元与三木聚糖、双木聚糖和纤维素之间可能的填料;(D)草、硬木和软木次生细胞壁三维层次结构

图2 本团队研发的秸秆纤维生物可降解地膜

本论文通讯作者分别为江苏省农科院资环所孙恩惠副研究员和福建农林大学材料工程学院帅李教授,靳红梅研究员、黄红英研究员、曲萍研究员等为论文共同完成人。该研究工作得到国家自然科学基金项目(52203110和42077100)、江苏省重点研发计划项目(BE2020335)和江苏省农业科技创新基金项目(CX(23)1034)等资助。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2024.122351