生物質香蕉秸稈應用于包裝材料開發的潛力探究

裴培 李佳新 鄧曉玉 羅思樂 劉露露 向青 王欣瑤

摘要：目的—針對我國華南地區大量產生且亟待利用的香蕉秸稈進行包裝材料開發的潛力探究，為這一材料的合理化利用和生態型包裝材料的開發提供參考。方法—采用機械盤磨法處理香蕉秸稈，運用NREL方法測定其纖維的組成成分，和將其纖維性能與已有的生物質材料進行比較，分析其應用于包裝材料開發的潛力。結果—運用NREL方法測定可知，香蕉秸稈纖維素、半纖維素、酸可溶性木質素和酸不溶性木質素的含量分別為35.0%、16.5%、2.2%、17.1%，其纖維素含量相對較高，因而具備開展研究和應用的潛力。經盤磨處理和篩分后可得香蕉秸稈纖維和薄壁細胞，二者得率分別為49.87%和43.13%。結論—香蕉秸稈具備制造合格的漿板產品的潛力，具有成為綠色材料的潛力。

關鍵詞：香蕉秸稈；生態型包裝材料；開發潛力

中圖分類號：TB48 文獻標識碼：A 文章編號：1400 （2021） 12-0021-06

基金項目：湖南省自然科學基金項目（2019JJ50678）；湖南省社會科學成果評審委員會項目（XSP20YBC411）；教育部產學合作協同育人項目（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

在經濟全球化加速、物流業迅速發展和包裝材料大量消耗的背景下，起到保護產品、方便流通作用的包裝材料在商品流通過程中正面臨著一場深刻革命。我國紙質包裝材料消耗量大，紙漿和造紙工業高度依賴于木質原料，而國內木材資源短缺。我國每年從國外大量進口造紙原料中的木漿和廢紙，行業對外依存度高達44%[1]。在國家“天保”工程實施以后，我國天然林開始全面禁伐。此外，紙質包裝材料在生產和使用過程中產生的廢棄物給環境帶來了極大危害。因此，開發具備節約能源、保護生態環境、可回收利用等特性的生態型包裝材料，具有重要且緊迫的現實意義。近年來，越來越多研究者開始關注綠色包裝這一領域[2]。

我國屬于農業大國，農作物秸稈的產量大而利用率較低，目前大部分農作物秸稈材料均未找到良好的處理方式。傳統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、土壤和水體環境的污染[3]。近年來，農作物秸稈的綜合利用逐漸受到國家和各行各業的重視[4，5]。目前，國內外對小麥秸稈、玉米秸稈、水稻秸稈等農作物秸稈的研究較多[6-8]，越來越多的研究者開始試圖開發秸稈的清潔制紙漿技術，結合秸稈與淀粉、秸稈與廢舊瓦楞紙板，利用粘合劑[2，9-11]，采用機械發泡法、化學發泡法等制備可循環、可降解且環保性好的生物質包裝材料，對秸稈進行包裝材料開發利用。

香蕉秸稈廢棄是我國秸稈廢棄中的一大重點問題。我國的香蕉年產量達500-600萬t，從丟棄的香蕉廢棄物中可提取約200萬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，具備產量大、利用率低、潛力巨大等特點[3，12]。目前，已出現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]。研究發現，香蕉皮中的纖維粗硬，可以用于制備食品包裝袋。馬來西亞的Baharin[13]等人，采用香蕉秸稈和香蕉葉為原料生產制造天然纖維板。Bruno等人稱[14]，香蕉秸稈可以用作復合材料中的增強劑，可從這些“廢棄物”中獲得纖維素材料和更多有價值的產品。而對于農作物秸稈回收利用技術的研究，主要集中在設備制造、性質探究和復合材料、發泡緩沖材料開發方面。

本文試圖以香蕉秸稈天然高分子材料作為原料，從實驗室層面測試其纖維盤磨制漿性能，并將其與已有的玉米秸稈、小麥秸稈、甘蔗渣等農作物廢棄物的纖維性能進行比較，分析其應用于生態型包裝材料開發的潛力，試圖為木質材料短缺的地區開發新的生態型包裝材料和為香蕉秸稈的資源化利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

材料為香蕉秸稈（采集自海南），香蕉秸稈經初步切斷處理后，采用盤磨機（BR30-300CB KRK， Kogyo）粗磨獲得香蕉秸稈渣樣品。篩分香蕉秸稈渣，而且對篩分后的組分進行分析。樣品制備流程見圖1，樣品于4℃條件下保存備用。

1.2 設備與儀器

BR30-300CB KRK Kogyo盤磨機、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—質譜聯用、KQ-500DE數控超聲波清洗器、肖伯爾打漿度測定儀、METTLEK TOLEDO PB303-N電子天平、SARTORIUS BS224S電子天平、Ultrospec 5300 pro紫外分光光度計、METTLEK TOLEDO pH值測定儀等。

1.3 分析方法

NREL實驗室中發布的成分測定方法可用于本研究中的纖維組分測定[15，16]；體系中的樣品采用重量法來測定其含有的揮發性物質（VS， Volatile solid）和總干重質量（TS， Total Solid）[17]；香蕉秸稈表面形態采用顯微鏡鏡檢。

2 結果與討論

2.1 香蕉秸稈成分含量檢測結果比較

采用NREL法測試香蕉秸稈渣的成分含量結果如表1所示。

將香蕉秸稈渣的纖維組分含量與其他農作物秸稈比較如表2所示。

分析表2可知，幾種常見農業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秸稈。有研究稱，纖維素含量高的農業廢棄物中的生物纖維，機械性能較好，更適宜于紡織、造紙和加工其他纖維產品[13]。香蕉秸稈的纖維素含量高，與已開展廣泛研究的玉米秸稈纖維素含量相當，因而具備開展研究和應用的潛力。

2.2 香蕉秸稈主要組成成分檢測結果

將香蕉秸稈渣進行篩分后，可發現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胞，其外觀形態和纖維成分均有一定差異。兩種組成的成分測定性質如表3所示。

從纖維組分測定結果可知，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，而薄壁細胞的總可溶性物質較高。采用100倍顯微鏡對以上兩種主要的組分進行鏡檢，可得到結果如圖2所示。觀察其物形態差異可知，香蕉秸纖維與薄壁細胞在外觀形態上差異較大。香蕉秸稈纖維呈現細長纖維狀，而香蕉秸稈薄壁細胞則為綠色粘稠膠狀物。

經篩分步驟獲得的香蕉秸稈薄壁細胞得率為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胞，其呈現出纖維的一般特性。香蕉秸稈薄壁細胞則呈粘稠膠狀。

有研究稱[18]，農作物秸稈中的薄壁細胞比纖維細胞粗且短，缺乏交織力，對紙張強度和抄造時的濾水性十分不利，因而不是造紙需要的成分，需在制紙漿時盡可能除去，以提高紙品質量。一般木材纖維原料薄壁細胞含量很少，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]。相對而言，香蕉秸稈薄壁細胞含量低于水稻秸稈和竹子，稍高于小麥秸稈，在實際制造紙漿時應當去除。

2.3 香蕉秸稈纖維性能分析和比較

對香蕉秸稈纖維性能數據進行比較和分析，如表4所示。

不同農業廢棄物中纖維細胞的化學組成和內部結構不同，因而其長度、寬度、結晶度等物理性能表現出了一定差異。由表4可知，香蕉秸稈纖維細胞長度長，長寬比高。有研究稱，纖維細胞長度和寬度之比較高者，其強度較高。香蕉秸稈纖維屬于韌皮纖維，其纖維長寬比大，具備較好的機械性能，其擁有與麻纖維類似的性質，即纖維粗硬、伸長小、回潮率大、光澤度好等特點，且具有很高的抗張強度，不易腐爛，其與已發現的天然纖維，如黃麻、竹子、棕櫚、苧麻等機械強度接近[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]，其纖維的結晶類型屬于典型的纖維素晶型。另外，相對于高粱秸稈而言，香蕉秸稈外表皮具備一定的強度，表面不會出現大量細碎的塊狀物，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。如果將香蕉秸稈進行良好的開發和利用，可為包裝行業提供一種數量較大、天然且具有環保特性的纖維材料[22-24]。然而目前以香蕉秸稈為材料，大規模生產紡織產品的例子還很少，其制作紡織品大部分仍停留在人工剝離的手工制作階段。今后可嘗試對香蕉秸稈纖維處理機械進行開發，提升其工業化生產潛力。

3 結論

利用NREL方法、纖維性能比對等方法對香蕉秸稈基本性質進行分析，可以得出以下結論。

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

2）香蕉秸稈具備獨特的形態學特征。其主要由兩種形態和組成均存在差異的組分構成，纖維和薄壁細胞的表面形態差異較大，二者得率分別為49.87%和43.13%。

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

香蕉秸稈作為一種大量產生的生物質材料，具備作為新的造紙原料，運用于生態型包裝材料的開發潛力。在今后的研究中可嘗試將高密度復合材料技術運用于香蕉秸稈的材料開發方面，這一利用途徑能為環保型新包裝材料的開發提供參考，具備廣闊的研究和應用前景。

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