四川轻化工大学AFM：酒糟高值化利用新策略——农业废弃物“变身”多功能生物材料

摘要：随着全球石油资源日益枯竭以及石油基产品带来的环境问题日益突出，寻找来自可再生生物质的可持续替代材料已成为科研界与工业界的重要方向。农业废弃物作为一类尚未充分开发的生物质资源，包括作物残余、食品工业废料和畜禽养殖副产品等，其中酒糟（Distillers’ Spe

随着全球石油资源日益枯竭以及石油基产品带来的环境问题日益突出，寻找来自可再生生物质的可持续替代材料已成为科研界与工业界的重要方向。农业废弃物作为一类尚未充分开发的生物质资源，包括作物残余、食品工业废料和畜禽养殖副产品等，其中酒糟（Distillers’ Spent Grains, DG）作为传统发酵食品工业中产生的木质纤维素类副产物，由于其复杂的组成和高水分含量，传统处理方式如堆肥或低价值饲料利用存在效率低、环境污染大等问题，亟需开发高值化利用途径。

提出了一种通过选择性氧化将酒糟升级为全生物基多功能材料的高效方法。该研究利用高碘酸钠（NaIO₄）选择性氧化酒糟中的纤维素，原位生成醛基，再通过热压促使醛基与木质素发生类酚醛树脂交联反应，成功制备出具有优异机械性能、热稳定性、耐溶剂性和光热转换功能的块体材料。该材料还可作为无溶剂生物基木材粘合剂，表现出良好的粘结性能和环境适应性。该方法不仅提高了酒糟的资源化利用率，也为低成本、全生物质基功能材料的规模化生产提供了新路径。相关论文以“ Upgrading Agricultural Waste Into Bio-Based Multifunctional Materials via Selective Oxidation ”为题，发表在 Advanced Functional Materials 上。

示意图1.a) 通过选择性氧化将酒糟升级为全生物质衍生多功能材料的流程示意图； b) 酒糟基片材（ODGT）； c) 酒糟基产品； d) 用于木片粘结的酒糟基粘合剂。

研究人员首先对酒糟进行氧化处理，通过扫描电子显微镜（SEM）图像可见，氧化后的酒糟颗粒尺寸明显减小，结构更为疏松（图1a–d）。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）显示氧化后在1736 cm⁻¹和884 cm⁻¹处出现新的特征峰，分别对应醛基的C=O伸缩振动和半缩醛键振动（图1e,f）。X射线光电子能谱（XPS）进一步证实醛基含量随氧化时间增加而上升，最高可达3.90 mmol/g（图1h,i,k）。热压成型后，醛基参与交联反应，C=O峰强度明显降低，表明形成了稳定的共价网络结构（图1g,j）。

1.酒糟（DG）氧化前后的形貌和化学结构变化：a,b) 氧化前DG的SEM图像；c,d) 氧化后DG的SEM图像；e,f) 氧化前后DG的FT-IR光谱；g) 酒糟基片材（ODGT）的FT-IR光谱；h,i) DG和ODG的XPS光谱；j) ODGT的XPS光谱；k) 氧化和热压前后醛基含量（AC）的变化。

所制备的酒糟基片材（ODGT）表现出卓越的力学性能，最佳氧化时间（6小时）下其拉伸强度达20.55 MPa，杨氏模量为15.52 GPa，断裂伸长率为1.31%，韧性为0.14 MJ/m³（图2a）。过度氧化（10小时）虽进一步提高模量，但强度和韧性有所下降。该材料还具有高硬度（Shore D 89），媲美聚碳酸酯等工程塑料（图2b）。在溶剂浸泡实验中，ODGT在水中浸泡12小时后厚度膨胀率仅0.77%，吸水率为10.01%，且在多种有机溶剂中均保持形态稳定（图2c,f）。热重分析显示其热分解起始温度约200°C，最大降解温度在303–313°C之间，具有良好的热稳定性（图2d,e）。

图2.酒糟基片材（ODGT）的物理化学性能：a) ODGT的力学性能；b) ODGT的硬度；c) ODGT的厚度膨胀率（TS）和吸水率（WA）；d,e) 热重（TG）和微分热重（DTG）曲线；f) ODGT在水和有机溶剂中浸泡3天前后的照片。

由于保留了木质素的芳香结构，ODGT表现出优异的光热转换性能。在模拟太阳光照射下（100 mW/cm²），材料表面温度在70秒内升至58.7°C，光热转换效率达46.08%（图3a–e）。基于这一特性，团队构建了太阳能-热-电发电系统（TEG），在100 mW/cm²光照下可输出246.46 mV电压和30.42 mA电流，成功驱动计算器等小型电子设备（图3f–h）。

图3.ODGT的光热转换性能：a) 在100 mW/cm²人工太阳照射下ODGT的红外图像；b) 不同氧化时间制备的ODGT在100 mW/cm²下的最高温度；c,d) ODGT-2在不同光强下的温度变化；e) 在不同光强下ODGT的可逆温度变化；f–h) ODGT在太阳能-热-电发电机（TEG）中的应用。

研究还发现氧化酒糟（ODG）可作为高性能生物基木材粘合剂（ODG-Adh）。随着氧化时间延长，其粘结强度从2.09 MPa提升至2.28 MPa，粘结能达5.21 kJ/m²（图4a,b）。在最优涂布量下，粘结强度进一步提高至2.77 MPa（图4d）。该粘合剂表现出优异的耐溶剂性和耐久性，在水中浸泡12小时后仍保持1.34 MPa的粘结强度，远超国家标准对Ⅰ类胶合板的要求（图4e）。实际应用中，粘结的木样可承受60公斤成人重量（图4f）。其在多种溶剂（水、海水、THF、DCM、DMF、乙醇、油）中均能保持较高粘结性能保留率（84–100%），在63°C热水和沸水中也分别保持0.97 MPa和0.79 MPa的强度（图5a–e）。粘结机制主要包括ODG颗粒间的化学交联、醛基与木材表面木质素的缩合反应以及木质素的塑化填充作用（图5f）。

4.ODG基粘合剂（ODG-Adh）的应用：a) 搭接剪切试验示意图；b) 不同氧化时间ODG-Adh的粘结性能；c) ODG-Adh与已报道生物基粘合剂的对比；d) 不同ODG-Adh涂布量对粘结性能的影响；e) 不同时间水浸泡后粘结性能的变化；f) 使用ODG-Adh粘结的木材承载成人重量的照片。