研究人员开发出一种新型生物材料，可用于替代食品和其他物品包装中的塑料涂层，从而减少其使用和生产所造成的污染。
这种材料可完全堆肥——它是一种多糖聚电解质复合物，由经过处理的木材或棉花纤维素浆和壳聚糖组成，两者所占比例几乎相等。壳聚糖源自几丁质，而几丁质是节肢动物和甲壳类动物外骨骼的主要成分。
几丁质的主要来源，是人们食用龙虾、螃蟹和虾后留下的大量甲壳。
首席研究员、宾夕法尼亚州立大学农业与生物工程教授杰弗里·卡奇马克表示，这些环保阻隔涂层用途广泛，可用于制造防水纸、天花板砖和墙板涂层，以及锁住水分、保持新鲜的食品涂层。
他说：“这种材料具有出乎意料的强力、不溶性黏合特性，可用于包装及其他用途，例如用于建筑甚至地板的木纤维复合材料，性能更佳且完全由天然材料制成。该技术还有望融入食品，在油炸时减少吸油量并保持酥脆口感。由于这种涂层本质上以纤维为基础，因此也能为膳食补充纤维。”
他解释说，羧甲基纤维素与壳聚糖之间异常牢固、持久的结合是关键。这两种价格极低的多糖已用于食品工业和其他工业领域，分子电荷不同，能够紧密结合形成复合物，为不透性薄膜、涂层、黏合剂等提供基础。
卡奇马克指出，如果这些阻隔涂层能够替代美国每年用于食品包装的数百万吨石油基塑料（全球用量则要大得多），就有望大幅减少污染。
他指出，全球塑料产量正接近每年3亿吨。最近某一年，美国有超过2900万吨塑料成为城市固体废弃物，其中近一半是塑料包装。据预计，全球生产的塑料中有10%最终会成为海洋垃圾，对生态环境和人类健康构成重大威胁。
研究显示，这种多糖聚电解质复合物涂层表现良好，研究结果近期发表于《绿色化学》。经这种生物材料涂覆的纸板由羧甲基纤维素和壳聚糖纳米结构纤维颗粒构成，表现出良好的阻油和防水性能。该涂层还耐受甲苯、庚烷和盐溶液，并改善了湿态和干态机械性能以及水蒸气阻隔性能。
卡奇马克说：“这些结果表明，基于多糖聚电解质复合物的材料，可能成为多种商业用途的合成聚合物竞争性阻隔替代品。”他与宾夕法尼亚州立大学合作，已为这些涂层申请专利。
“此外，这项工作表明，参与静电复合的多糖系统会产生新的、意想不到的特性，从而实现新的高性能应用。”
出于对可持续性的关注，卡奇马克大约十年前开始试验可能替代塑料的生物材料。他对纤维素产生兴趣，因为纤维素是木材的主要成分，也是地球上产量最大的可持续可再生材料。卡奇马克研究了它的纳米结构，也就是它如何在纳米尺度上组装。
他认为自己能够开发出更坚固、性能更好的天然材料，使其能够与不可持续且会造成污染的合成材料竞争，例如涂覆在纸板上的低密度聚乙烯薄膜、泡沫塑料，以及用于杯子和瓶子的硬质塑料。
卡奇马克解释说：“挑战在于，必须以可制造的方式实现这一点，而且成本要低于塑料。因为改用更环保或更可持续的材料，确实需要为转换付出代价。因此，成本必须更低，公司才能从中获益。这给可持续材料带来了难题——必须通过降低成本来克服采用惯性。”
卡奇马克目前正致力于在不同产业领域为各类产品寻找商业化合作伙伴。
他说：“我们现在正努力迈出最后一步，真正影响世界，让业内人士停止使用塑料，转而使用这些天然材料。这样消费者就有了选择：生物材料使用后可以回收、埋入土中或堆肥，最终会分解；他们也可以继续使用塑料，而这些塑料最终会流入海洋，并在那里留存数千年。”
美国农业部为这项工作提供了支持。位于田纳西州查塔努加的Southern Champion Tray公司为实验提供了纸板及其生产相关信息。
