近日，江蘇大學研究人員在國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》（中科院一區，影響因子IF=7.7）發表了題為"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質構儀用于測定冷凍凝膠的力學性能和剛度。

可持續的木質素基材料在農業領域正變得越來越有價值，因為氣候變化和養分缺乏威脅著農作物的生產力。我們利用廢棄生物質開發了木質素衍生的冷凍凝膠，以改善土壤養分、種子萌發、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，木質素濃度分別為 0.02 wt%（LbC1）和 0.1 wt%（LbC2），同時設置了對照組（NLC）。由于其網絡結構，這些冷凍凝膠表現出高熱穩定性和超過 170% 的保水能力。羧基和羥基等官能團增強了養分吸收，加速了種子萌發和植物生長，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芽率（小麥、玉米和油菜籽分別為 99%、99% 和 99%），同時提高了葉綠素（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到 33%，證實了其環境相容性。總之，所開發的木質素基冷凍凝膠是一種可持續、有效的解決方案，可提高農業中的養分有效性和抗逆性，將工業木質素廢料重新利用，以應對氣候驅動的作物生產挑戰。

該研究探究了力學性能的增強對木質素基冷凍凝膠用于促進植物生長的顯著影響。通過改變木質素含量，對冷凍凝膠的機械壓縮特性進行了優化。在飽和吸水條件下，對冷凍凝膠在 80% 的壓縮應變下進行應力 - 應變性能測試（下圖）。結果表明，應力強度隨著木質素濃度的提高和施加壓力的增大而增加。具體而言，在 80% 的壓縮應變下，LbC2 所承受的壓力達到 50 MPa，而對照組（NLC）僅為 20 MPa。這意味著其強度相較于由細菌纖維素和明膠制成的冷凍凝膠提高了四倍。這些研究結果進一步證明較高的木質素濃度能顯著改善材料的力學性能和剛度。

參考文獻：

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