近日，江蘇大學(xué)研究人員在國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》（中科院一區(qū)，影響因子IF=7.7）發(fā)表了題為"Lignin-based cryogels for advancing sustainable crop production via enhanced nutrient accessibility and growth efficiency"的研究性論文。在該論文中，研究人員利用上海騰拔Universal TA質(zhì)構(gòu)儀用于測定冷凍凝膠的力學(xué)性能和剛度。

可持續(xù)的木質(zhì)素基材料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域正變得越來越有價(jià)值，因?yàn)闅夂蜃兓宛B(yǎng)分缺乏威脅著農(nóng)作物的生產(chǎn)力。我們利用廢棄生物質(zhì)開發(fā)了木質(zhì)素衍生的冷凍凝膠，以改善土壤養(yǎng)分、種子萌發(fā)、保水能力和光合色素水平。這些冷凍凝膠是通過在?20°C 下低溫聚合制備而成，使用了阿拉伯樹膠（GA）、角蛋白（K）和 N - 乙烯基吡咯烷酮，木質(zhì)素濃度分別為 0.02 wt%（LbC1）和 0.1 wt%（LbC2），同時(shí)設(shè)置了對照組（NLC）。由于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些冷凍凝膠表現(xiàn)出高熱穩(wěn)定性和超過 170% 的保水能力。羧基和羥基等官能團(tuán)增強(qiáng)了養(yǎng)分吸收，加速了種子萌發(fā)和植物生長，角蛋白通過微生物降解提供了生物可利用的氨基酸。5 天后，冷凍凝膠處理顯著提高了早期發(fā)芽率（小麥、玉米和油菜籽分別為 100%、100% 和 99%），同時(shí)提高了葉綠素（a、b 和總量）、糖分和可溶性蛋白水平。處理后的植株葉片數(shù)量、株高和根長增加，與對照組相比，水分吸收提高了 98.4%，減輕了土壤鹽分的影響。與 NLC 相比，LbC1 和 LbC2 還顯著提高了所有作物的葉綠素色素、可溶性糖和總蛋白含量。此外，冷凍凝膠在土壤中 130 天后的生物降解率達(dá)到 33%，證實(shí)了其環(huán)境相容性。總之，所開發(fā)的木質(zhì)素基冷凍凝膠是一種可持續(xù)、有效的解決方案，可提高農(nóng)業(yè)中的養(yǎng)分有效性和抗逆性，將工業(yè)木質(zhì)素廢料重新利用，以應(yīng)對氣候驅(qū)動(dòng)的作物生產(chǎn)挑戰(zhàn)。

該研究探究了力學(xué)性能的增強(qiáng)對木質(zhì)素基冷凍凝膠用于促進(jìn)植物生長的顯著影響。通過改變木質(zhì)素含量，對冷凍凝膠的機(jī)械壓縮特性進(jìn)行了優(yōu)化。在飽和吸水條件下，對冷凍凝膠在 80% 的壓縮應(yīng)變下進(jìn)行應(yīng)力 - 應(yīng)變性能測試（下圖）。結(jié)果表明，應(yīng)力強(qiáng)度隨著木質(zhì)素濃度的提高和施加壓力的增大而增加。具體而言，在 80% 的壓縮應(yīng)變下，LbC2 所承受的壓力達(dá)到 50 MPa，而對照組（NLC）僅為 20 MPa。這意味著其強(qiáng)度相較于由細(xì)菌纖維素和明膠制成的冷凍凝膠提高了四倍。這些研究結(jié)果進(jìn)一步證明較高的木質(zhì)素濃度能顯著改善材料的力學(xué)性能和剛度。

參考文獻(xiàn)：

Keyu Ma et al. Lignin-based cryogels for advancing sustainable crop production via enhanced nutrient accessibility and growth efficiency. International Journal of Biological Macromolecules. Doi: 10.1016/j.ijbiomac.2024.138613