近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊特任副研究員管慶方等，通過生物合成細菌纖維素并與海藻提取物海藻酸鈉復合的策略，研制出具有優異性能的“可食用”細菌纖維素基吸管，為生物質資源的有效利用提供了“新靈感”。相關論文發表于《先進功能材料》。
細菌纖維素基吸管的制備以及綜合性能展示。中國科學技術大學供圖
細菌纖維素變身“可食用”吸管
纖維素是生活中常見的一種天然多糖，是地球上最豐富的有機物。纖維素可以來源于植物，也能由細菌生產，即細菌纖維素。在食品行業中，細菌纖維素有一個大家更熟悉的名字——椰果。
“簡單來說，細菌纖維素就是細菌‘吃了’葡萄糖后分泌出的一種物質。”管慶方透露，與植物來源的纖維素不同，細菌纖維素通過木醋桿菌合成，具有更高的純度和超精細三維納米纖維網絡（不含木質素和半纖維素），顯示出可食用、高強度和高含水量等特征。
“可食用”的吸管，是怎么制成的？“首先，將細菌纖維素壓制成薄膜，在薄膜表面引入一層薄薄的海藻酸鈉。作為一種可食用的天然多糖聚合物，海藻酸鈉穿透孔隙進入薄膜的三維納米纖維網絡，形成大量的氫鍵，從而形成牢固的連接。”管慶方介紹，緊接著將涂有海藻酸鈉的薄膜卷制成管，浸入乳酸鈣溶液中交聯。最后,經過洗滌和干燥，可食用和可生物降解的細菌纖維素基吸管就“誕生”了。
“但這種可食用性并不等同于美味。”團隊成員楊懷斌笑言。從研發過程可以看出，細菌纖維素基吸管的所有成分均來自天然的可食用原料，并且加工過程不涉及有機溶劑的引入，是一種安全可食用的吸管。由于三維納米纖維網絡以及海藻酸鈉在三維網絡中的貫穿，讓這種吸管的強度、模量和韌性是紙吸管的兩倍以上。這就意味著，在同樣的性能要求下，細菌纖維素基吸管可以做得比紙吸管更薄。
有趣的是，“可食用”吸管還可以“添加”不同顏色和味道。團隊成員劉兆祥介紹，通過在細菌纖維素的三維納米纖維網絡中負載可食用色素或天然植物提取物，可以將各種顏色和口味融入吸管中，提供更好的使用體驗。目前，這種“可食用”吸管已申請相關發明ZL。
朝著更安全環保的方向邁進
綠色發展是高質量發展的必由之路。研發更多可持續綠色環保材料，助力低碳綠色發展，是俞書宏院士團隊長期關注研究的課題之一。
如何獲取安全環保高性能新材料？團隊將目光投向自然界，從灌木、秸稈等天然植物中提取納米纖維素，加工成其他材料，做出可降解的塑料替代品，這樣原料成本更低，甚至可以變廢為寶，一舉兩得。
“細菌纖維素基吸管是納米纖維素研究的一個延伸和拓展。”管慶方說，這也體現了團隊一直以來材料研究的思路和理念，一方面基于納米纖維素本身的環保性，將其延展應用到與生活貼近的場景中，如包裝材料、吸管；另一方面則是把納米纖維素制成高端電子器件。
細菌纖維素基吸管的研發，并非一帆風順。楊懷斌透露，從椰果壓制成膜再成管，很多工藝制備問題需要不斷解決，如將一個含水量90%的椰果壓制成高性能薄膜，就是團隊曾經面臨的眾多難題中的一個。基于前期積累的豐富經驗，他們快速找到了相對“靠譜”的方法，然后經過上百次的調試，研發團隊找到了相對穩定的參數，成功制成細菌纖維素基吸管。
這種新型吸管對于環境十分“友好”，不僅“可食用”，在環境中也能快速降解，不會對環境造成任何負面影響。實驗表明，細菌纖維素基吸管埋入土壤15天后，就會破碎成大塊，45天后變小，幾乎消失；大約60天后，就能完全融入土壤中。
在成功研發“可食用”吸管的基礎上，團隊目前正在研發一次性刀叉等餐具。管慶方表示，他們未來還會有類似細菌纖維素基吸管的一系列研究，讓與生活息息相關的材料朝著更環保安全的方向發展。
走進生活依然面臨多重挑戰
全球每年制造約3億噸塑料產品，其中很大部分為一次性塑料制品。大量的研究表明，塑料制品在使用過程中會持續釋放微塑料，威脅人類健康。2020年1月，國家發改委、生態環境部發布《關于進一步加強塑料污染治理的意見》，明確提出“到2020年底，全國范圍餐飲行業禁止使用不可降解一次性塑料吸管”。“可食用”吸管的誕生，讓人們對其產業化以及最終替代塑料吸管充滿期待。
在業內，用微生物輔助合成“可食用”吸管尚屬首次。業內人士認為，由于可借鑒模式的不多，這樣一個全新的成果如果想要真正走進生活，依然面臨多重挑戰。比如，企業的“生產線”不同于實驗室的“生產線”，僅就生產參數的調試就需要經歷一個漫長的過程。團隊成員透露，就吸管樣品本身性能而言，也需要不斷提升和優化。
高性能結構材料，高霧度柔性透明薄膜，新型仿生手術縫線……目前，俞書宏院士團隊圍繞細菌纖維素，已經在實驗室里做出了諸多高性能的“神奇”樣品。管慶方表示，細菌纖維素是一個應用前景廣闊的材料，未來可以應用到很多領域，帶來無限可能。
相關論文信息：