Carbohydr. Polym. Tech. Appl. | 交联对纳米纤维素高吸水性生物降解性的影响

背景介绍

高吸水性聚合物(SAP) 因其可以吸收和保留广泛的液体在其结构内，是一种性能优异的材料，有望应用于各种先进的设备和材料中。然而，商业SAPs是石油化学的产物，其不可生物降解性和寿命结束后的处置方式是一个重大的环境问题。

基于此，澳大利亚生物资源加工研究所的Gil Garnier等人开发了TEMPO氧化纳米纤维素高吸水性材料，并在酶(纤维素酶)辅助条件下量化交联对土壤生物降解的影响。二氧化碳排放量显示，两种SAP的二氧化碳排放量相近。经过一定的时间间隔后，残留SAP在土壤中的水解表明，化学交联SAP的降解程度更高，可达56，而整齐的纳米纤维素SAP的降解程度最高为41%。而在不加酶的情况下，它们的降解率相近(~ 8-12%)，但远低于酶促条件下的降解率。这些结果表明，在适当的酶辅助条件下，整齐的和交联的纳米纤维素SAPs可以很容易快速地在家里或在菜园的堆肥中降解。

图文解读

Figure S1: Scanning electron microscopy (SEM) images of (a) neat SAP and (b) crosslinked SAP.

TEMPO氧化纤维素纤维产生长大于1μm、宽大于 5 nm的纳米纤维。经均质和冻干制备纳米纤维素SAP。通过FTIR对整齐和化学交联的纳米纤维素SAP进行表征，以确认交联形态。Fig.S1给出了整齐和交联样品的SEM图像。在酶(纤维素酶)辅助条件下，分析了纯交联纳米纤维素SAPs在土壤中的微生物活性和生物降解率。微生物活性以第1天至第6天的CO2体积变化来测定。第2、4、6天采用酸水解法测定生物降解率。用HMDA对规整交联氧化纳米纤维素SAP进行了FTIR光谱测定。

Fig. 1. FTIR spectra of nanocellulose (neat) and HMDA crosslinked nano-cellulose SAPs.

Fig.1所示。表明纯氧化纳米纤维素SAP由于COO⁻在1600 cm⁻¹处有一个峰值。化学交联的SAP在1560 cm⁻¹处具有预期的特征C = O拉伸，这是由于纳米纤维素SAP的COO^-基团和HMDA的NH₂基团之间形成酰胺键。这些结果表明，HMDA成功地交联了氧化纳米纤维素。

Fig. 2. Effect of enzyme concentration and crosslinking on microbial activity for neat and crosslinked nanocellulose SAP. HE indicates high enzyme concentration whereas LE refers to low enzyme concentration.

总的来说，在高酶浓度和低酶浓度下，纯交联纳米纤维素SAP生物降解CO₂累积排放量随时间和酶浓度的增加而增加(图2)。酶浓度的增加会增加累积的CO₂排放量，这表明当使用高浓度酶时，土壤微生物群落的响应更高。然而，这种相关性不是线性的。酶浓度加倍不会导致CO₂排放加倍，这意味着该参数存在停滞效应。对于交联和整齐的纳米纤维素SAPs，二氧化碳排放是相似的。整齐的纳米纤维素SAP的CO₂排放量略高，但误差条重叠，表明差异不显著。

Fig. 3. Effect of nanocellulose SAP solid concentration on microbial activity with high concentration of enzyme: (a) Neat nanocellulose and (b) crosslinked nanocellulose.

Fig.3显示了整齐交联SAP施用量对微生物活性的影响。结果在所有情况下都是相似的，这表明将纯交联纳米纤维素SAP的SAP负荷从0.25%增加到0.5%(相对于土壤的wt%)不会显著影响CO₂排放或微生物活性。综上所述，在微生物检测过程中，酶浓度对累积CO₂排放的影响大于交联和SAP负荷对累积CO₂排放的影响。

Fig. 4. Effect of enzyme concentration and crosslinking on the nanocellulose superabsorbent biodegradation in soil. The amount of superabsorbent which remained is reported: (a) low enzyme and (b) high enzyme. LE indicates low enzyme concentration whereas HE indicates high enzyme concentration. Initial sample (SAP) mass was 2.5 mg/g soil.

图4显示了酶浓度和交联对生物降解的影响;这是指在特定的时间间隔后，土壤中的SAP含量。降解率在6天内几乎保持不变。整齐的SAP在2天内降解率约为41%，低酶浓度交联的SAP降解率为56% 。

在不同的酶和固体浓度下，作者还研究了纯交联纳米纤维素SAPs在土壤中的酶降解。纳米纤维素SAP，无论是整齐的还是交联的，在酶的辅助条件下降解比没有酶的降解快四倍多。通过定期定量测定土壤中残留纤维素和微生物活性，评价交联对生物降解率的影响及其后果。化学交联纳米纤维素SAP不会降低其生物降解速率。事实上，与整齐的SAP相比，交联纳米纤维素SAP的生物降解率更高。固体浓度的影响显示对微生物活性没有影响，这表明使用更高的固体浓度进行降解的可能性。该分析证实了使用酶辅助家庭堆肥技术快速降解纤维素基SAP材料的潜力和可行性(2天内最多到60%)。

此研究表明，纳米纤维素SAP可作为商用、石化型SAP在婴儿纸尿裤中的适当替代品。纸尿裤的其他成分，如聚乳酸基片，都是可以生物降解的，并且已经被开发出来了。唯一有问题的部分是不可再生、不可生物降解的SAP。在此研究中，作者证明了可再生纳米纤维素SAP在酶的辅助条件下可以在2天内降解约40 - 60%。本研究不仅探索了纸尿裤简易堆肥的潜力，而且拓宽了纤维素SAP用于食品包装应用的机会。对于食品包装，已经有不同类型的纸制成的可持续包装，都可以生物降解。用纤维素SAP取代丙烯酸酯基的SAP使消费者能够在他们的花园使用环保的堆肥可降解吸收的包装。

总结与展望

本研究从SAP结构-酶可及性的角度，定量分析了纤维素酶对不同类型纳米纤维素SAP的影响。化学交联SAP可在2天内快速生物降解(56%)，方便了交联SAP的使用，不存在任何生物降解问题。这项研究表明，交联纳米纤维素SAP适用于家庭堆肥，并完全可能为可堆肥尿布、卫生产品和食品包装应用铺平道路，通过取代目前在这些产品中使用的不可生物降解的、合成的、丙烯酸酯为主的SAP。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carpta.2022.100199

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