生物質(zhì)香蕉秸稈應(yīng)用于包裝材料開(kāi)發(fā)的潛力探究

裴培 李佳新 鄧曉玉 羅思樂(lè) 劉露露 向青 王欣瑤

摘要：目的—針對(duì)我國(guó)華南地區(qū)大量產(chǎn)生且亟待利用的香蕉秸稈進(jìn)行包裝材料開(kāi)發(fā)的潛力探究，為這一材料的合理化利用和生態(tài)型包裝材料的開(kāi)發(fā)提供參考。方法—采用機(jī)械盤(pán)磨法處理香蕉秸稈，運(yùn)用NREL方法測(cè)定其纖維的組成成分，和將其纖維性能與已有的生物質(zhì)材料進(jìn)行比較，分析其應(yīng)用于包裝材料開(kāi)發(fā)的潛力。結(jié)果—運(yùn)用NREL方法測(cè)定可知，香蕉秸稈纖維素、半纖維素、酸可溶性木質(zhì)素和酸不溶性木質(zhì)素的含量分別為35.0%、16.5%、2.2%、17.1%，其纖維素含量相對(duì)較高，因而具備開(kāi)展研究和應(yīng)用的潛力。經(jīng)盤(pán)磨處理和篩分后可得香蕉秸稈纖維和薄壁細(xì)胞，二者得率分別為49.87%和43.13%。結(jié)論—香蕉秸稈具備制造合格的漿板產(chǎn)品的潛力，具有成為綠色材料的潛力。

關(guān)鍵詞：香蕉秸稈；生態(tài)型包裝材料；開(kāi)發(fā)潛力

中圖分類(lèi)號(hào)：TB48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1400 （2021） 12-0021-06

基金項(xiàng)目：湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019JJ50678）；湖南省社會(huì)科學(xué)成果評(píng)審委員會(huì)項(xiàng)目（XSP20YBC411）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201901137029）

Research on the Potential of Banana Straw Biomass on The Development of Packaging Materials

PEI Pei， LI Jia-xin， DENG Xiao-yu， LUO Si-le， LIU Lu-lu， XIANG Qing， WANG Xin-yao（Changsha Normal University， Changsha 410000， China）

Abstract： Objective-The aim of this paper was to study the development potential on the use of packaging materials for banana straw which needed to be used urgently in South China. As well as provide reference for the rational use of banana straw on the development of ecological packaging materials. MethodsMechanical plate grinding was used for the treatment of banana straw. The composition of the banana straw fibers were determined by NREL method. The fiber properties for banana straw were compared with other biomass materials to analyze its potential for the development of packaging materials. ResultsAccording to the results of NREL method， the contents of cellulose， hemicellulose， acid soluble lignin and acid insoluble lignin for banana straw were 35%， 16.5%， 2.2% and 17.1%， respectively. The cellulose content was relatively high which was potential for further research. Banana straw fiber and parenchyma cells were separated after mechanical plate grinding. The yields for fiber and parenchyma cells were 49.87% and 43.13%， respectively. Conclusion-Banana straw have the potential to produce qualified pulp products. Banana straw could be considered as a potential environmental friendly material.

Key words： banana straw； ecological packaging materials； development potential

在經(jīng)濟(jì)全球化加速、物流業(yè)迅速發(fā)展和包裝材料大量消耗的背景下，起到保護(hù)產(chǎn)品、方便流通作用的包裝材料在商品流通過(guò)程中正面臨著一場(chǎng)深刻革命。我國(guó)紙質(zhì)包裝材料消耗量大，紙漿和造紙工業(yè)高度依賴于木質(zhì)原料，而國(guó)內(nèi)木材資源短缺。我國(guó)每年從國(guó)外大量進(jìn)口造紙?jiān)现械哪緷{和廢紙，行業(yè)對(duì)外依存度高達(dá)44%[1]。在國(guó)家“天?！惫こ虒?shí)施以后，我國(guó)天然林開(kāi)始全面禁伐。此外，紙質(zhì)包裝材料在生產(chǎn)和使用過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物給環(huán)境帶來(lái)了極大危害。因此，開(kāi)發(fā)具備節(jié)約能源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、可回收利用等特性的生態(tài)型包裝材料，具有重要且緊迫的現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)，越來(lái)越多研究者開(kāi)始關(guān)注綠色包裝這一領(lǐng)域[2]。

我國(guó)屬于農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量大而利用率較低，目前大部分農(nóng)作物秸稈材料均未找到良好的處理方式。傳統(tǒng)的處理方式如田間堆積、就地填埋和田間焚燒等，很容易造成空氣、土壤和水體環(huán)境的污染[3]。近年來(lái)，農(nóng)作物秸稈的綜合利用逐漸受到國(guó)家和各行各業(yè)的重視[4，5]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)小麥秸稈、玉米秸稈、水稻秸稈等農(nóng)作物秸稈的研究較多[6-8]，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始試圖開(kāi)發(fā)秸稈的清潔制紙漿技術(shù)，結(jié)合秸稈與淀粉、秸稈與廢舊瓦楞紙板，利用粘合劑[2，9-11]，采用機(jī)械發(fā)泡法、化學(xué)發(fā)泡法等制備可循環(huán)、可降解且環(huán)保性好的生物質(zhì)包裝材料，對(duì)秸稈進(jìn)行包裝材料開(kāi)發(fā)利用。

香蕉秸稈廢棄是我國(guó)秸稈廢棄中的一大重點(diǎn)問(wèn)題。我國(guó)的香蕉年產(chǎn)量達(dá)500-600萬(wàn)t，從丟棄的香蕉廢棄物中可提取約200萬(wàn)t纖維。香蕉秸稈材料富含氮、磷、鉀、鎂、鈣等元素，其粗纖維含量高，具備產(chǎn)量大、利用率低、潛力巨大等特點(diǎn)[3，12]。目前，已出現(xiàn)少量以香蕉纖維為原料制備服裝、布袋、毛巾、紙張等的研究[3]。研究發(fā)現(xiàn)，香蕉皮中的纖維粗硬，可以用于制備食品包裝袋。馬來(lái)西亞的Baharin[13]等人，采用香蕉秸稈和香蕉葉為原料生產(chǎn)制造天然纖維板。Bruno等人稱[14]，香蕉秸稈可以用作復(fù)合材料中的增強(qiáng)劑，可從這些“廢棄物”中獲得纖維素材料和更多有價(jià)值的產(chǎn)品。而對(duì)于農(nóng)作物秸稈回收利用技術(shù)的研究，主要集中在設(shè)備制造、性質(zhì)探究和復(fù)合材料、發(fā)泡緩沖材料開(kāi)發(fā)方面。

本文試圖以香蕉秸稈天然高分子材料作為原料，從實(shí)驗(yàn)室層面測(cè)試其纖維盤(pán)磨制漿性能，并將其與已有的玉米秸稈、小麥秸稈、甘蔗渣等農(nóng)作物廢棄物的纖維性能進(jìn)行比較，分析其應(yīng)用于生態(tài)型包裝材料開(kāi)發(fā)的潛力，試圖為木質(zhì)材料短缺的地區(qū)開(kāi)發(fā)新的生態(tài)型包裝材料和為香蕉秸稈的資源化利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

材料為香蕉秸稈（采集自海南），香蕉秸稈經(jīng)初步切斷處理后，采用盤(pán)磨機(jī)（BR30-300CB KRK， Kogyo）粗磨獲得香蕉秸稈渣樣品。篩分香蕉秸稈渣，而且對(duì)篩分后的組分進(jìn)行分析。樣品制備流程見(jiàn)圖1，樣品于4℃條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 設(shè)備與儀器

BR30-300CB KRK Kogyo盤(pán)磨機(jī)、WINPARK XMTD-2M水浴鍋、SP-6890型氣象色譜儀、SHIMADZU島津GC-14C氣相色譜、SHIMADZU島津LCMS-2010EV液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用、KQ-500DE數(shù)控超聲波清洗器、肖伯爾打漿度測(cè)定儀、METTLEK TOLEDO PB303-N電子天平、SARTORIUS BS224S電子天平、Ultrospec 5300 pro紫外分光光度計(jì)、METTLEK TOLEDO pH值測(cè)定儀等。

1.3 分析方法

NREL實(shí)驗(yàn)室中發(fā)布的成分測(cè)定方法可用于本研究中的纖維組分測(cè)定[15，16]；體系中的樣品采用重量法來(lái)測(cè)定其含有的揮發(fā)性物質(zhì)（VS， Volatile solid）和總干重質(zhì)量（TS， Total Solid）[17]；香蕉秸稈表面形態(tài)采用顯微鏡鏡檢。

2 結(jié)果與討論

2.1 香蕉秸稈成分含量檢測(cè)結(jié)果比較

采用NREL法測(cè)試香蕉秸稈渣的成分含量結(jié)果如表1所示。

將香蕉秸稈渣的纖維組分含量與其他農(nóng)作物秸稈比較如表2所示。

分析表2可知，幾種常見(jiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物中纖維素的含量差別不大，均在30%-40%左右。香蕉秸稈纖維素含量高于高粱秸稈，與小麥秸稈、玉米秸稈纖維素含量接近。此外，香蕉秸稈半纖維素含量低于其他幾種常見(jiàn)秸稈。有研究稱，纖維素含量高的農(nóng)業(yè)廢棄物中的生物纖維，機(jī)械性能較好，更適宜于紡織、造紙和加工其他纖維產(chǎn)品[13]。香蕉秸稈的纖維素含量高，與已開(kāi)展廣泛研究的玉米秸稈纖維素含量相當(dāng)，因而具備開(kāi)展研究和應(yīng)用的潛力。

2.2 香蕉秸稈主要組成成分檢測(cè)結(jié)果

將香蕉秸稈渣進(jìn)行篩分后，可發(fā)現(xiàn)香蕉秸稈由兩種物理特性差異明顯的成分組成，包括香蕉秸稈纖維和薄壁細(xì)胞，其外觀形態(tài)和纖維成分均有一定差異。兩種組成的成分測(cè)定性質(zhì)如表3所示。

從纖維組分測(cè)定結(jié)果可知，從香蕉秸稈渣中分離得到的兩種主要組分在成分含量上具有一定差異。香蕉秸稈纖維的纖維素和半纖維素含量稍高，而薄壁細(xì)胞的總可溶性物質(zhì)較高。采用100倍顯微鏡對(duì)以上兩種主要的組分進(jìn)行鏡檢，可得到結(jié)果如圖2所示。觀察其物形態(tài)差異可知，香蕉秸纖維與薄壁細(xì)胞在外觀形態(tài)上差異較大。香蕉秸稈纖維呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)纖維狀，而香蕉秸稈薄壁細(xì)胞則為綠色粘稠膠狀物。

經(jīng)篩分步驟獲得的香蕉秸稈薄壁細(xì)胞得率為43.13%，香蕉秸稈纖維得率為49.87%。香蕉秸稈纖維主要為香蕉秸稈的厚壁細(xì)胞，其呈現(xiàn)出纖維的一般特性。香蕉秸稈薄壁細(xì)胞則呈粘稠膠狀。

有研究稱[18]，農(nóng)作物秸稈中的薄壁細(xì)胞比纖維細(xì)胞粗且短，缺乏交織力，對(duì)紙張強(qiáng)度和抄造時(shí)的濾水性十分不利，因而不是造紙需要的成分，需在制紙漿時(shí)盡可能除去，以提高紙品質(zhì)量。一般木材纖維原料薄壁細(xì)胞含量很少，如紅松含1.8%，落葉松含1.5%，非木材纖維原料薄壁細(xì)胞含量較多，如竹子含47.3%，水稻秸稈含54.0%，小麥秸稈含37.9%[18]。相對(duì)而言，香蕉秸稈薄壁細(xì)胞含量低于水稻秸稈和竹子，稍高于小麥秸稈，在實(shí)際制造紙漿時(shí)應(yīng)當(dāng)去除。

2.3 香蕉秸稈纖維性能分析和比較

對(duì)香蕉秸稈纖維性能數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，如表4所示。

不同農(nóng)業(yè)廢棄物中纖維細(xì)胞的化學(xué)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，因而其長(zhǎng)度、寬度、結(jié)晶度等物理性能表現(xiàn)出了一定差異。由表4可知，香蕉秸稈纖維細(xì)胞長(zhǎng)度長(zhǎng)，長(zhǎng)寬比高。有研究稱，纖維細(xì)胞長(zhǎng)度和寬度之比較高者，其強(qiáng)度較高。香蕉秸稈纖維屬于韌皮纖維，其纖維長(zhǎng)寬比大，具備較好的機(jī)械性能，其擁有與麻纖維類(lèi)似的性質(zhì)，即纖維粗硬、伸長(zhǎng)小、回潮率大、光澤度好等特點(diǎn)，且具有很高的抗張強(qiáng)度，不易腐爛，其與已發(fā)現(xiàn)的天然纖維，如黃麻、竹子、棕櫚、苧麻等機(jī)械強(qiáng)度接近[20，21]。大量研究表明[19-21]，這樣的特性可用于制造合格的漿板產(chǎn)品，因而使得香蕉秸稈具備了作為綠色材料的潛力。此外，有研究稱香蕉纖維的吸濕性良好[22]，其纖維的結(jié)晶類(lèi)型屬于典型的纖維素晶型。另外，相對(duì)于高粱秸稈而言，香蕉秸稈外表皮具備一定的強(qiáng)度，表面不會(huì)出現(xiàn)大量細(xì)碎的塊狀物，因而更適宜制作包裝材料。

香蕉秸稈屬于天然產(chǎn)品，因此能與棉花、菠蘿纖維、椰殼纖維等材料很好地兼容。如果將香蕉秸稈進(jìn)行良好的開(kāi)發(fā)和利用，可為包裝行業(yè)提供一種數(shù)量較大、天然且具有環(huán)保特性的纖維材料[22-24]。然而目前以香蕉秸稈為材料，大規(guī)模生產(chǎn)紡織產(chǎn)品的例子還很少，其制作紡織品大部分仍停留在人工剝離的手工制作階段。今后可嘗試對(duì)香蕉秸稈纖維處理機(jī)械進(jìn)行開(kāi)發(fā)，提升其工業(yè)化生產(chǎn)潛力。

3 結(jié)論

利用NREL方法、纖維性能比對(duì)等方法對(duì)香蕉秸稈基本性質(zhì)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論。

1）運(yùn)用NREL方法測(cè)定可知，香蕉秸稈纖維素、半纖維素、酸可溶性木質(zhì)素和酸不溶性木質(zhì)素的含量分別約為35.0%、16.5%、2.2%、17.1%。香蕉秸稈的纖維素含量高，木質(zhì)素含量較低，因而具備開(kāi)展研究和應(yīng)用的潛力。

2）香蕉秸稈具備獨(dú)特的形態(tài)學(xué)特征。其主要由兩種形態(tài)和組成均存在差異的組分構(gòu)成，纖維和薄壁細(xì)胞的表面形態(tài)差異較大，二者得率分別為49.87%和43.13%。

3）纖維性能比較數(shù)據(jù)表明，香蕉秸稈具備制造合格的漿板產(chǎn)品的潛力，具有作為綠色材料的潛力。

香蕉秸稈作為一種大量產(chǎn)生的生物質(zhì)材料，具備作為新的造紙?jiān)希\(yùn)用于生態(tài)型包裝材料的開(kāi)發(fā)潛力。在今后的研究中可嘗試將高密度復(fù)合材料技術(shù)運(yùn)用于香蕉秸稈的材料開(kāi)發(fā)方面，這一利用途徑能為環(huán)保型新包裝材料的開(kāi)發(fā)提供參考，具備廣闊的研究和應(yīng)用前景。

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