子計畫六：農業新穎材料在農產品保鮮開發、應用與機理
主持人：林耀東
團隊成員：謝慶昌、翁誌煌(義守)、李元堯(中正)
一、子計畫推動重點、成果與特色亮點
1.1 農業廢棄鳳梨葉改質吸附材料之材料特性
本研究成功合成廢棄鳳梨葉改質吸附材料 (pineapple leaf biochar, PLB)，並進行材料特性分析，如Table 1所示，PLB產率約為27%，材料粒徑及比表面積分別為1.62 ± 0.17 µm及7.30 ± 0.25 m2 g-1，其孔隙體積為0.0106 cm3 g-1、孔隙大小為30.15 nm，而表面電位為負電位。PLB吸附材料之掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscope, SEM) 影像亦可確認PLB之孔洞結構 (Fig. 1)。
Table 1. PLB材料特性分析
Figure 1. PLB之SEM影像
1.2 農業廢棄鳳梨葉改質吸附材料之吸附動力研究
1.2.1 反應溫度效應
1.2.1 反應溫度效應
本研究探討PLB之吸附動力研究之溫度效應，測試反應溫度介於15-50℃，結果指出PLB吸附效能將會隨溫度增加而提升，因高溫導致吸附粒子邊界層之擴散效能增加。本研究使用阿瑞尼斯方程式 (Arrhenius equation) 計算PLB之吸附活化能 (Ea)，Fig. 2結果顯示PLB吸附鎳 (Ni(II))、鋅 (Zn(II)) 及銅 (Cu(II)) 之Ea值分別為17.88、11.85及32.34 kJ mol-1。低Ea值表示金屬離子吸附反應之能量障壁較低且可發生在溫度相對較低的環境，因此PLB之低Ea值也指出這裡的金屬吸附類型屬物理吸附。
Figure 2. PLB吸附(a) Ni(II)、(b) Zn(II) 及Cu(II) 之阿瑞尼斯曲線圖，及其活化能 (Ea)。
1.2.2 離子強度效應
除環境溫度，反應溶液之離子強度亦為重要試驗參數之一。本試驗中以銅 (Cu(II)) 為試驗標的，反應溶液則以不同濃度過氯酸鈉 (NaClO4) 為溶劑做為不同離子強度之溶液。離子強度為影響水合粒子之電雙層構造的主要因子，如Fig. 3所示，qm及k2值隨離子強度增加而減少，意指在高離子強度條件下，溶液中的Na離子與金屬離子皆競爭PLB表面活性位置。
Figure 3. PLB對於銅離子吸附作用之離子強度效應。
1.3 農業廢棄鳳梨葉改質吸附材料再生效能試驗 (regeneration test)
再生試驗為評估PLB在實場應用重複使用效能的重要指標，本試驗採用酸洗法 (acid washing) 及增壓法 (pressure cooker) 進行評估，根據Fig. 4數據指出，增壓法對於PLB吸附Ni(II)的去除率可提升至94%，酸洗法則是67%；對於Zn(II) 增壓法去除約94%，酸洗法為71%；對於Cu(II) 的去除，增壓法可達96%，而酸洗法僅達72%。
Figure 4. PLB對於Ni(II)、Zn(II) 及Cu(II) 之再生效能試驗
本研究更進一步對於PLB高再生效能機理進行探討，推測其再生效能與其孔隙結構相關，Fig. 5指出再生處理後之PLB材料的孔洞大小增加，進而增加材料之比表面積，如Ni(II)、Zn(II) 及Cu(II) 經增壓法去除金屬離子後，其比表面積分別從2.46、1.46及3.38 m2 g-1提升至4.95、2.99及5.58 m2 g-1。由此可知增壓法可恢復PLB之表面官能基並重新活化表面活性位置，也同時顯現PLB於實場應用重複使用之潛力。
Figure 5. PLB材料在再生試驗前後之孔隙大小比較
2. 農業廢棄物再生高值化材料之多功能性可分解塑膠地膜特性分析
目前我國耕作地面積達 748,613 公頃，長期休閒地亦有 50,999 公頃 (農委會, 2015)，若以添加 0.5% 生物炭 (土深30 公分) 計算，則每年每公頃土地約需 20 公噸生物炭，則前述 6 萬多公噸的生物炭可供 3,000 公頃農地使用，雖僅占 0.4% 耕作土地總量，但假設將乾料農業廢棄物全數作為生物炭利用，則可供 3 萬公頃土地利用，作物產量相當於 15 萬公頃的耕作土地，占我國耕作地面積的兩成。生物炭的利用不僅可提高物產量，亦可改善土壤性質，提升台灣糧食自給率。在農業應用領域上，添加生物炭的土壤，其pH值、陽離子交換能力 (cation exchange capacity, CEC)、保水能力 (water holding capacity, WHC) 等性質均有提升的現象。在與菌根共生環境中，也會使得養分對生物可利用性與菌根菌群棲化能力增加 (Johannes Lehmann, 2003)。另外，生物炭應用也改善水分及礦物質成份在作物生長時可利用性，在適當生物炭添加下，土壤中養份含量增加，作物有效吸收後使得產量提升 (Hidetoshi Asai, 2009)。而生物炭在裂解 (pyrolysis) 過程產生多孔性結構，使得內孔隙之表面積較其他材料大，因此具備良好的吸附效果，能夠吸附土壤中的有機污染物，並且減少作物對污染物的吸收 (Xiang-Yang Yu, 2009)。
Figure 6. 廢棄玉米葉、鳳梨葉、稻殼、稻稈及蔗渣高值化再利用生物炭材料。
本研究採用植物殘體、廢棄禽畜羽毛及漁業廢棄物等分別提供碳源、氮源、鈣源。上述碳源、氮源及鈣源除可增加地膜生物可降解速率外，亦可做為緩釋型肥料、改善土壤品質及增加土壤碳蓄存。本研究亦探討多功能加值型地膜殘體混入土壤後，多功能加值型地膜殘體與土壤性質交互作用如土壤構造 (soil structure)、濕度 (soil moisture)、酸鹼度 (pH)、營養元素變化及土壤重金屬吸附鍵結，及後續土壤營養元素傳輸至根圈機制影響和增進作物生長。(增加保水及溫度敘述)本研究已結合生物可降解材料以及廢棄玉米葉、鳳梨葉、稻殼、稻稈及蔗渣高值化再利用生物炭，初步成功合成多功能加值型地膜 (如Fig. 7所示)，其覆蓋於植體後可於兩個月後開始進行降解，埋入土壤中可作為植物所需之營養元素，大幅減少傳統塑膠地膜對環境的破壞與影響。此外，地膜有益於維持土壤溫度，根據研究結果顯示地膜覆蓋可維持土壤濕度以及土壤溫度 (如Fig. 8所示)，覆蓋環境友善多功能加值型地膜之土壤可長期維持土壤濕度，與控制組相較下提升高達125%之土壤濕度；黑色外觀之環境友善多功能加值型地膜可吸收大部分太陽能以維持土壤溫度，而土壤溫度則與農作物生長情形以及產量息息相關，初步結果指出，環境友善多功能加值型地膜與控制組相較下可提高土壤溫度攝氏約0.5至1度。地膜的使用可改變土壤微氣候條件，以減少水分蒸發並確保土壤水分維持，並增加生長季節雨水的滲透、充分利用有限的降雨量，減輕乾旱地區水資源短缺問題。本研究將農業廢棄物加值應用並做為天然植物營養元素添加劑，並添加製成環境友善多功能加值型地膜以提升土壤碳蓄存及土壤品質。
Figure 7. 環境友善多功能加值型地膜以及分解測試
Figure 8. 環境友善多功能加值型地膜之 (a) 土壤保濕及 (b) 土壤保溫初步結果。
2019年全球農用地膜使用量預計增加至740萬噸/年 (Halley et al., 2001; Khalil et al., 2018; Sintim & Flury, 2017; Zumstein et al., 2018)，惟隨農業地膜使用量增加，地膜對環境及土壤負面影響逐漸顯現 (Gu, Li, & Du, 2017; Qi et al., 2018; Touchaleaume et al., 2018)。目前處理方法可行性低或對環境不友善，實務上使用後之地膜會破碎殘留於土壤，導致土壤環境品質劣化及降低作物生產量 (Gao et al., 2019)，對於生物可降解之多功能加值型地膜相關材料需求遽增，因此多功能型環境友善地膜之開發，不僅可增加土壤有機質及植物生長必要元素外，亦可大幅減低土壤水分逸散及溫度調節，對於全球氣候變遷造成地表水日益缺乏之台灣，該研發成果實屬重要。
(一)人才培育面向
- 本計畫於110年共培育學生共14名，博士生6名 (曾O樺、嚴O婷、卡O莎、黃O明、盧O安、梅O)、碩士生3名 (簡O杰、吳O鈞、陳O辰)、大學部專題生及專研生共4名及延攬外籍博士後1名。團隊及學生獲獎無數，團隊榮獲2021國家新創精進獎續獎、黃明明博士生榮獲「2021年環境工程年會碩博生論文競賽」第三名、盧安安博士生榮獲「2021年環境工程年會碩博生論文競賽」第二名、陳映辰碩士生榮獲「2021年環境工程年會碩博生論文競賽」第一名、魏琪蓁榮獲「2021年環境工程年會大學(專)生專題論文競賽」特優論文獎。
- 林耀東教授指導生物科技學士學位學程陳映辰同學，以「可見光應答幾丁聚醣摻氮二氧化鈦之抗菌效能及動力模擬」榮獲2021科技部大專生研究創作獎。
陳映辰同學榮獲2021科技部大專生研究創作獎
- 林耀東教授指導土環系碩士生涂凱芬，研究探討微奈米乳化液及漁業廢棄物高值化微奈米製劑，對防治胡瓜露菌病及白菜炭疽病的功效。該研發成果對農藥減量及永續環境有莫大助益。獲得正瀚生技創新獎之創意報告獎及獎金6萬。
(二)學術研究面向
- 本研究成功合成摻氮摻電氣石二氧化鈦 (T-N-TiO2) 奈米材料，T-N-TiO2可有效使金黃葡萄球菌 (S. aureus) 在可見光照射3小時即達2-log的菌數失活。為探討T-N-TiO2之抗菌機理，本研究採用穿透式電子顯微技術觀察細菌細胞膜之破壞，另外，本研究亦發現可見光強度效應及劑量效應為影響抗菌效率主要因子，而T-N-TiO2所產生之活性氧化物質 (reactive oxygen species, ROS) 主要為氫氧自由基 (•OH radical)，也是使細菌失活的主要機制。此文章刊登於2021年之國際頂尖期刊Separation and Purification Technology (Impact factor 7.312; Ranking: Engineering, Chemical 16/143)。
- 本研究開發農業廢棄物改質吸附材料，並評估量化其吸附效能，探討接觸時間、離子強度、pH值等關鍵參數對於吸附效能之影響，另外亦使用LMH model進行數據模擬，最後透過材料再生試驗結果顯示，農業廢棄物改質吸附材料具有優良重複使用潛力。此文章刊登於202年之國際頂尖期刊Bioresource Technology (Impact factor: 9.642; Ranking: Agricultural Engineering 1/14)。《論文連結》
圖 林耀東農業廢棄物改質吸附材料之研究
- 此外，本團隊亦榮獲2021國家新創精進獎。本團隊以創新農業廢棄資材微奈米循環高值化技術研製蔬果保鮮、植物保護製劑及環境友善抗菌製劑，盼同時解決臺灣農業三大棘手問題-農藥及化肥過量施用、農業廢棄物棄置及台灣農產品保鮮困境；本團隊鏈結學術界與企業合作，使技術得以實際推廣、應用，以循環經濟的理念，達到臺灣新農業永續發展並高值化的目標。以創新農業廢棄資材微奈米循環高值化技術開發農漁業廢棄物改質植物肥力佐劑系列 (BCR-101、201、301、401及501系列)、農漁業廢棄物高值化新穎抗菌砧板 (PCO-101、ECO-101、PTO-101、ETO-101系列)、農漁業廢棄物高值化新穎抗菌隨身噴劑 (LCO-101、LCT-101系列)、以及農漁業廢棄物再生荔枝保色防失水鍍成技術 (HCT-001系列)，以核心微奈米技術/材料，將礦物性/生物性有機資材(農業廢棄物) 經過微奈米創新技術改質後，導入農作栽培生產 (植物保健系列) 至儲運 (農產品保鮮) 及抗菌 (環境抗菌)，臺灣可獲得邊際利益於臺灣產業市場可創造達2,770億元，亞洲產業市場則為214兆元，全球農產業相關產業市場邊際利益則達433兆元。
(三)產學合作面向
本團隊與台灣塑膠工業股份有限公司 (台塑公司) 完成技術轉移，r技術內容為農漁業廢棄物改質抗菌材料實際運用生產抗菌劑母粒材料以及農業廢棄物高值化抗菌PE塑膠材料，技轉金額為90萬元。
(四)研究貢獻面向
林耀東教授新穎環境友善微奈米材料團隊，以「微奈米天然資材於農產品生產與保鮮之循環經濟應用」研究成果，經激烈評選，榮獲2021年國家新創獎學研新創獎殊榮。
二、未來展望
開發農業廢棄物高值化，建立合成農業廢棄物改質材料最佳化製程，評估其材料特性、結構及吸附性能。進一步結合生物可降解聚合物，開發多功能型環境友善地膜，除可替代傳統生物無法分解之塑膠地膜，亦可提供作物保濕保溫之功用，更可以做為植物營養元素緩釋之載體，提升作物營養利用效率。且廢棄物改質材料的再利用可解決目前日益嚴重之農漁業廢棄物衍生之環境衛生、空氣污染及減低溫室氣體排放等多重環境效益，幫助台灣農漁業廢棄物找到新出口。
照片圖說：碩士生涂凱芬榮獲正瀚生技創新獎之創意報告獎
