可降解地膜研究進(jìn)展及菠蘿葉渣在可降解纖維地膜利用中的展望

明向蘭

(嶺南師范學(xué)院 廣東湛江524048)

中國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，一直以來(lái)農(nóng)產(chǎn)品種植 及加工在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中都處于重要地位。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展以及人民生活水平的日益提升，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)量、加工量和需求量都在穩(wěn)步增加，同時(shí)也出現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物資源合理化利用方面的問題。一方面，農(nóng)產(chǎn)品因季節(jié)性和地域性等自然條件的局限，導(dǎo)致中國(guó)的農(nóng)產(chǎn)品在深加工、保鮮、物流等方面的技術(shù)不夠成熟；另一方面，農(nóng)產(chǎn)品加工增值比重低、利潤(rùn)少，故而導(dǎo)致越來(lái)越多的農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物以及廢棄物迅速增加。目前最為常見的農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物以及廢棄物主要包括：（1）在糧食加工中產(chǎn)生的秸稈、稻殼、米糠、玉米芯、麥麩等；（2）在油料加工中產(chǎn)生的菜籽餅粕、皮殼、油腳等；（3）在果蔬汁加工中產(chǎn)生的果皮殘?jiān)?、籽、殼等；?）在肉類加工中產(chǎn)生的動(dòng)物內(nèi)臟、皮毛、骨頭等。

雖然中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品資源豐富，但目前對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物以及廢棄物的綜合利用率卻很低，只占40%左右，而發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品的綜合利用率高達(dá)90%。不僅如此，目前的綜合利用還存在著深加工程度不足、科技含量相對(duì)低下等情況，嚴(yán)重缺乏高純度、功能性以及專一型的高附加值產(chǎn)品。鑒于綜合利用率低下，中國(guó)果蔬采后損失率達(dá)40%，相比而言發(fā)達(dá)國(guó)家果蔬采后損失率僅占5%，如香蕉皮渣、菠蘿皮渣大部分被隨意丟棄，僅有少部分用于飼料加工［1-2］。農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物以及廢棄物中富含蛋白質(zhì)、糖類、脂肪、纖維素、礦物質(zhì)、黃酮、多酚等多種生物活性成分，具有很高的營(yíng)養(yǎng)以及經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。因此，開發(fā)高效、高值化的農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物以及廢棄物綜合利用技術(shù)迫在眉睫，這對(duì)增加農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)以及資源利用等方面都具有重要意義。

為解決原材料相對(duì)短缺、制造成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重和以滿足市場(chǎng)需求為目的，越來(lái)越多的學(xué)者致力于地球上可再生、可降解資源的研究開發(fā)。因此，按照取之自然、造福人類、回歸自然的原則，從高效、優(yōu)質(zhì)和可持續(xù)發(fā)展的視角出發(fā)，充分利用可再生資源，以農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物以及廢棄物為原料制造植物纖維地膜可以實(shí)現(xiàn)其高值無(wú)害化利用，是一種理想的可再生資源循環(huán)利用方式，是建立資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)型社會(huì)的大勢(shì)所趨。本研究展望了菠蘿葉渣在可完全生物降解型纖維基地膜中的利用現(xiàn)狀，并提出了一些初步的設(shè)想。

1 可降解地膜研究現(xiàn)狀

研究具有良好的生物降解性的環(huán)保型地膜是解決“白色污染”、維系農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。目前，可降解地膜主要包括光降解塑料地膜、生物降解地膜、光-生物雙降解地膜、液體可降解地膜以及植物纖維地膜等幾類［3-5］，其中，植物纖維地膜其因環(huán)保性及可再生性，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染，被認(rèn)為是有真正意義的可降解地膜。

1.1 光降解塑料地膜

光降解塑料地膜，指的是吸收太陽(yáng)紫外線輻射后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，破壞了高分子聚合物的完整性，使其鍵能以及結(jié)合強(qiáng)度減弱，高分子長(zhǎng)鏈逐漸斷裂成為較低分子量的碎片，碎片在自然環(huán)境條件下發(fā)生自由基斷裂反應(yīng)，降解為低分子化合物，最終形成二氧化碳和水，整個(gè)降解過程是由光降解和自由基斷鏈氧化反應(yīng)形成的雙重作用的Norrish反應(yīng)［6］。按照光降解聚合物分子的設(shè)計(jì)原理及制造方法，光降解塑料地膜主要有合成型光降解塑料地膜和添加型光降解塑料地膜兩種［7］。自20 世紀(jì)80 年代初期，中國(guó)才開始對(duì)光降解塑料地膜進(jìn)行研制，主要是借鑒國(guó)外相對(duì)成熟的技術(shù)手段，目前已達(dá)到了生產(chǎn)規(guī)?；c產(chǎn)業(yè)化的程度，研究開發(fā)的降解塑料品種包括光降解、光-生物降解、光-碳酸鈣降解、光-氧-生物降解、完全生物降解、崩壞性生物降解等塑料以及高填充碳酸鈣環(huán)境友好材料等幾類［8］。通過不同的大田試驗(yàn)可以觀測(cè)到，殘留的光降解塑料地膜可以降低水系統(tǒng)、土壤、環(huán)境的污染，對(duì)土壤理化性質(zhì)沒有影響，并且還可以達(dá)到保墑保溫的目的，使農(nóng)作物產(chǎn)量得到增加、生產(chǎn)效益得到擴(kuò)大［9］。但是，光降解塑料地膜也存在著一些缺陷，如不可控的降解速率，降解條件苛刻，必須在有光的條件下才能夠?qū)崿F(xiàn)降解，埋藏于地下的部分不能實(shí)現(xiàn)降解，地膜對(duì)土地的污染破壞依舊存在；同時(shí)，生產(chǎn)光降解塑料地膜的成本較高，導(dǎo)致售價(jià)較高［10］。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，光降解地膜難以大面積、大范圍的推廣應(yīng)用。

1.2 生物降解地膜

生物降解地膜可在土壤微生物作用下發(fā)生降解，實(shí)質(zhì)上是利用細(xì)菌、病毒、真菌等生物群體的生命活動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)土壤無(wú)污染［11］。根據(jù)降解原理以及破損方式，生物降解地膜主要包括兩類（完全生物降解地膜、添加型可生物降解地膜）［12］。

1.2.1 完全生物降解地膜

完全生物降解地膜主要包括合成型生物降解地膜和天然高分子共混型生物降解地膜［13］。合成型生物降解地膜需要投入較高的生產(chǎn)成本，故不能大面積推廣普及。在天然高分子共混型生物降解地膜中研究最多的天然高分子材料主要有4 種，分別為淀粉、纖維素、木質(zhì)素、甲殼素［14-15］。天然高分子材料因?yàn)樽陨硇阅艿挠绊?，不易熔融加工，需要與其他熱塑性生物降解塑料共混，而且淀粉含量的增加也會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能的下降，降解性能受環(huán)境影響較大，加大了降解地膜的降解可控難度，限制了其大面積推廣。

1.2.2 添加型可生物降解地膜

添加型可生物降解地膜，采用共混或接枝的方式，由無(wú)法生物降解的普通聚乙烯塑料和可以生物降解的純天然/人工合成物/生物降解催化劑、功能型助劑等混制而成［16］。迄今為止，添加型可生物降解地膜的成分包括普通聚乙烯塑料、淀粉、互溶劑、自氧化反應(yīng)劑、功能型助劑，其中最具代表性的產(chǎn)品就是PE-淀粉可生物降解型地膜。添加型可生物降解地膜中可降解的主要是淀粉，聚乙烯塑料很難降解，無(wú)法保證其完全可生物降解，如長(zhǎng)時(shí)間施用，對(duì)土壤所造成的危害依舊很大，并且加工困難，造價(jià)過高，所生產(chǎn)的地膜強(qiáng)度、韌性等性能較弱，不適宜在農(nóng)田中應(yīng)用。

1.3 光?生物雙降解地膜

光-生物雙降解地膜是指在光和生物雙重作用下可降解的一類地膜，主要由PE 等高分子材料作為母體，添加不同助劑（如自氧化反應(yīng)劑、抗氧化劑、光敏助劑和可作微生物培養(yǎng)基質(zhì)的促進(jìn)生物降解助劑等）制成的［17］。光-生物雙降解地膜的降解機(jī)理為：合成樹脂與淀粉組成的共聚體可以在光和氧等環(huán)境的影響下誘導(dǎo)氧化劑和光敏劑等裂解為低分子物質(zhì)；另外一些物質(zhì)會(huì)因?yàn)槲⑸锏淖饔枚档头肿优c分子間的結(jié)合強(qiáng)度，并且多數(shù)的微生物不斷衍生并聚集作用于小分子物質(zhì)，使得大分子物質(zhì)被土壤同化［18］。但是光-生物雙降解地膜中的塑料成分在不斷的田間施用過程中會(huì)逐漸累積增多，亦會(huì)造成土壤環(huán)境的污染以及破壞，而且光-生物雙降解地膜的地面部分需要引入光降解技術(shù)和生物降解技術(shù)，技術(shù)上存在一定的困難，致使制造光-生物降解地膜成本較高，產(chǎn)業(yè)化程度不夠，目前仍處于小規(guī)模試驗(yàn)階段，因此，光-生物雙降解地膜的應(yīng)用推廣受到了限制［19］。

1.4 液體可降解地膜

液體可降解地膜是將乳膠狀懸浮液體均勻地噴灑于土表所構(gòu)成的一層膠狀薄膜，其能夠聯(lián)結(jié)土壤中細(xì)小粒子，從而構(gòu)成一種較為特別的土壤-地膜的形式，抑制土壤表層的水分蒸發(fā)，增加土壤的儲(chǔ)水保墑性，耕作結(jié)束后經(jīng)翻壓埋入土壤，還可改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及透氣性等［20-21］。但液體可降解地膜也存在一些問題［22］，如成本、售價(jià)較高，不易掌控降解周期，其強(qiáng)粘連性易導(dǎo)致噴頭堵塞，易受雨水沖刷破壞等，不適合噴灑應(yīng)用于粘性土壤，仍需要進(jìn)行更深層次的研究開發(fā)。

截止到目前，農(nóng)業(yè)大田生產(chǎn)實(shí)際中所使用的大部分可生物降解型地膜并不能完全生物降解，只有一部分可以被生物降解，無(wú)法做到零公害化，亦不能在根源處杜絕所產(chǎn)生的土壤及環(huán)境污染［23］。光-生物雙降解地膜和光降解地膜因外界環(huán)境因素?zé)o法完全降解，而生物降解地膜因自然條件和微生物的雙重影響可以發(fā)生降解，但其中的聚乙烯塑料是不能降解的，殘留在土壤中仍然污染環(huán)境。液體可降解地膜成本售價(jià)偏高，更適用于高附加值的經(jīng)濟(jì)作物，不適合大范圍地推廣應(yīng)用［24］。而以農(nóng)業(yè)廢棄物為主要原料生產(chǎn)的新型可生物降解植物纖維地膜，因其良好的抑草、降解、保墑、保肥、調(diào)溫、防止水土流失、改善土壤生態(tài)環(huán)境和提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等性能，具有巨大的應(yīng)用前景與發(fā)展?jié)摿Γ蔀閲?guó)際上研究的熱點(diǎn)和全降解地膜發(fā)展的方向。

1.5 植物纖維地膜

植物纖維地膜，按照制造工藝可以分為紙基地膜和非織造型地膜，采用植物纖維（如闊葉木、針葉木、麻、葦、秸稈等）為主要原材料再經(jīng)過恰當(dāng)?shù)奶幚碇瞥傻牡啬?，原材料?lái)源廣泛，具有良好的透氣性、干濕強(qiáng)度及良好的生物可降解性，對(duì)生態(tài)環(huán)境沒有污染，同時(shí)還能培肥土壤［25］。

日本早在1989 年就已經(jīng)成功研制了農(nóng)用紙地膜，科研工作者以脫乙酰基甲殼素和植物纖維等物質(zhì)為原材料，研發(fā)出一種有益微生物生長(zhǎng)繁衍的植物纖維地膜；1990 年將纖維素與殼聚糖混合發(fā)生酰胺反應(yīng)，脫乙酰幾丁質(zhì)涂布于針葉原紙上，制成透氣、透水、濕強(qiáng)高的可降解地膜；合田公一以苧麻纖維和玉米為原料制成可降解地膜［26］；武川真美以麻和紙漿為基料，加入香茅等植物精油，經(jīng)過浸蠟加工制成麻地膜［27］。法國(guó)也通過覆蓋地膜（如黑色薄膜、無(wú)紡布、光降解型薄膜和生物降解型薄膜等）進(jìn)行蔬菜和水果等高附加值的種植栽培。荷蘭研制了淀粉與大麻纖維混合的降解地膜。新西蘭Murray Cruick shank 公司開發(fā)了Eco-Cover 紙地膜。美國(guó)華盛頓州立大學(xué)Carol Miles 等及幾個(gè)大型研究機(jī)構(gòu)用牛皮紙浸漬亞麻油或桐油等制成地膜［28］。意大利研制出了全淀粉型地膜材料。英國(guó)、新西蘭Massey 大學(xué)農(nóng)業(yè)部利用回收的廢紙、二次纖維等制成了紙地膜［29］。

華南理工大學(xué)覃程榮所在課題組在甘蔗渣的基礎(chǔ)上添加一定量的棉柏漿渣制成粘膠或其與淀粉共混發(fā)生反應(yīng)制成纖維素膜。李輝等［30］以針葉木纖維為原料，通過黏狀打漿和添加化學(xué)助劑，制備了一種環(huán)保型的低透氣高抗水地膜紙，并對(duì)地膜紙進(jìn)行物理強(qiáng)度、透氣度和抗水性測(cè)試。天津輕工業(yè)學(xué)院在漂白硫酸鹽草漿中配加木漿及少量助劑制備農(nóng)用紙膜［31］。周景輝等［32］采用硫酸鹽法制漿并結(jié)合蒸煮工藝，用紅麻全稈制成了具有生物可降解性的紙基環(huán)保型麻地膜。天津科技大學(xué)借鑒常規(guī)制漿造紙工藝成功研制了一類以植物纖維為主料的實(shí)驗(yàn)室級(jí)別農(nóng)用地膜。黃晨等采用棉、秸稈纖維、亞麻與絲纖維制造了可降解型非織造地膜［33］。李亞玲等［34］所在課題組借鑒常規(guī)制漿造紙工藝技術(shù)成功試制了紅色麻秸稈纖維基地膜。江南大學(xué)用廢棄的棉短絨成功研制出一類可生物降解型地膜［35］。中國(guó)農(nóng)科院下屬的麻類研究所成功制造了不同類型的麻纖維基地膜［36］。黑龍江省造紙工業(yè)研究所利用廢舊紙張開發(fā)了水稻全植物地膜紙［37］。劉麗雪［38］利用沼渣纖維配以一定比例木材纖維制得可完全降解型沼渣纖維地膜。韓永俊等［39］借鑒常規(guī)造紙工藝制得大豆、水稻及玉米秸稈纖維基地膜。CHEN 等［40］針對(duì)水稻秸稈纖維基地膜塑性問題研制了增塑型水稻秸稈纖維基地膜。陳海濤等［41］研制了水稻秸稈纖維基綠色地膜。

植物纖維材料是一種可再生資源，廣泛存在于自然界中。大力發(fā)展植物纖維地膜有助于建設(shè)良好的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。植物纖維地膜，不但可以削弱其對(duì)土壤及環(huán)境的污染，而且可以抑制雜草滋生、加快作物生育、增加作物產(chǎn)量、保持土壤墑情等，將植物纖維地膜代替塑料聚乙烯地膜應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的可行性［42-43］。

2 菠蘿葉渣在可完全降解型纖維基地膜中的應(yīng)用展望

菠蘿的種植主要分布在廣東湛江、海南瓊海、廣西南寧、福建漳浦、云南西雙版納以及紅河等地，其中種植面積較大的當(dāng)屬?gòu)V東和海南兩個(gè)省份。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展、人民生活水平的日益提升、旅游產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展以及大眾對(duì)熱帶水果的喜愛，菠蘿種植業(yè)和加工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好，菠蘿種植面積和產(chǎn)量也得到了很大的提升［44］，種植面積可達(dá)7萬(wàn)hm2。

菠蘿外皮多為硬質(zhì)果槽，果肉和刺根黏連，在鮮食或加工成各類成品或提取菠蘿蛋白酶后會(huì)產(chǎn)生約占菠蘿全果總重量50%的廢棄物，其中菠蘿皮渣約占全渣的30%～42%［45］。據(jù)研究報(bào)道，菠蘿皮渣主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和膠質(zhì)組成，其中纖維素含量約占菠蘿皮渣干重的20%～25%［46］，占比最大。菠蘿葉是菠蘿收獲后產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物，全國(guó)年產(chǎn)高達(dá)1 000 萬(wàn)t，從中可提取菠蘿葉纖維7.5 萬(wàn)t，菠蘿葉纖維的化學(xué)組成與亞麻、黃麻相似，其纖維素含量達(dá)56.0%～68.5%。

近年來(lái)隨著菠蘿加工業(yè)的進(jìn)步，所產(chǎn)生的葉渣廢棄物也在逐漸增加。因此充分高效地合理開發(fā)利用這些廢棄物，不但可以解決資源浪費(fèi)問題，還可以有效地解決環(huán)境污染問題，從而提高植物資源的附加值和利用率，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。目前對(duì)菠蘿葉渣再利用的研究包括菠蘿蛋白酶的提取利用、生物活性物質(zhì)提取、可再生能源生產(chǎn)及飼料生產(chǎn)等方面，對(duì)菠蘿葉渣在可完全生物降解型纖維基地膜中的應(yīng)用研究仍較少。

地膜覆蓋技術(shù)對(duì)中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用，但地膜殘留造成的環(huán)境污染、土壤板結(jié)等問題不可忽視。因此開發(fā)可完全生物降解型植物纖維基地膜是解決上述問題的重要途徑，可完全生物降解型植物纖維基地膜的生產(chǎn)有著巨大的環(huán)境效益、社會(huì)效益以及經(jīng)濟(jì)效益。

在重點(diǎn)開發(fā)研究可完全生物降解型植物纖維基地膜的背景之下，菠蘿葉渣資源的利用模式是否還有進(jìn)一步開發(fā)探索的空間，使其潛在優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，從而更加適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，此問題值得探討。本研究結(jié)合當(dāng)前可降解地膜的發(fā)展方向，歸納了菠蘿葉渣的利用新途徑。

以菠蘿葉渣為主要原料，借鑒制漿造紙工藝流程，制備可完全生物降解型植物纖維基地膜，可為實(shí)現(xiàn)菠蘿葉渣的合理利用、解決菠蘿葉渣制漿造膜存在主要問題以及實(shí)現(xiàn)菠蘿產(chǎn)業(yè)鏈“菠蘿－菠蘿加工成品－菠蘿葉渣－纖維基地膜”的進(jìn)一步延伸提供參考。但該模式仍存在以下問題有待探討：（1）為滿足后續(xù)制漿造膜的要求，對(duì)菠蘿葉渣進(jìn)行預(yù)處理的方法及工藝的選擇；（2）利用菠蘿葉渣生產(chǎn)的植物纖維地膜性能如何；（3）基于菠蘿葉渣的可完全生物降解型地膜的田間應(yīng)用以及降解性能如何等。在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用菠蘿葉渣制備植物纖維基地膜模式的實(shí)現(xiàn)仍有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路要走。