苧麻骨植物纖維可降解餐具的降解性能研究

作者簡介：商紅萍（1989—），女，山東德州人，碩士，講師。研究方向：食品生物技術。

摘 要：本研究重點關注了苧麻骨植物纖維餐具的降解性能，運用活性污泥法進行了深入分析。通過與聚丙烯、濾紙、紙漿模塑餐具和塑料淀粉餐具進行比較，揭示了苧麻骨植物纖維餐具的降解模式。結果表明，在28 d的降解期內(nèi)，濾紙餐具的降解速度最快，其次是紙漿模型餐具，然后是苧麻骨植物纖維餐具，聚丙烯餐具與塑料淀粉餐具降解速度最慢。其中，苧麻骨植物纖維餐具生物降解率可達到60.59%；同時，減小餐具粒徑、提高活性污泥和降解物的比值，可加快苧麻骨植物纖維餐具降解；當實驗條件不變時，植物纖維含量較高的樣本在實驗初期表現(xiàn)出較慢的生物降解速度，而在實驗后期，其生物降解速率明顯加快。

關鍵詞：苧麻骨植物纖維可降解餐具；降解性能；活性污泥法

Research on the Degradation Performance of Ramie Bone Plant Fiber Degradable Tableware

SHANG Hongping

（Dezhou Vocational and Technical College， Dezhou 253034， China）

Abstract： This study focuses on the degradation performance of ramie bone fiber tableware and conducts in-depth analysis using the activated sludge method. By comparing it with other materials of tableware such as polypropylene， filter paper， pulp molded tableware， and plastic starch tableware， the degradation mode of ramie bone fiber tableware was revealed. The research results show that： during the degradation period of 28 days， the degradation rate of filter paper tableware was the fastest， followed by pulp model tableware， and then ramie bone fiber tableware， while polypropylene tableware and plastic starch tableware have the slowest degradation rate. Among them， the biodegradation rate of ramie bone fiber tableware can reach 60.59%; increasing the surface area of degradation products and increasing the ratio of activated sludge to degradation products can accelerate the degradation of ramie bone fiber tableware; when the experimental conditions unchanged， the samples with higher plant fiber content showed slower biodegradation rate at the initial stage of the experiment， and the biodegradation rate increased rapidly at the later stage of the experiment.

Keywords： ramie bone plant fiber biodegradable tableware; degradation performance; activated sludge process

常見的一次性餐具通常由傳統(tǒng)的有機塑料材料制成，主要成分為氫氟碳化合物[1]。但此類餐具降解速度緩慢，容易造成長期環(huán)境污染，且焚燒可能釋放有害物質(zhì)（如二噁英、一氧化碳等），對空氣質(zhì)量和人類健康造成負面影響。同時此類餐具在生產(chǎn)過程中會消耗大量的資源并排放溫室氣體，加劇環(huán)境污染問題。而苧麻作為一種多年生植物，其纖維具備強度高、耐腐蝕、易生物降解等特性，是制作可降解餐具的理想材料。本研究采用活性污泥法，有效模擬自然環(huán)境中的降解過程，分析苧麻骨植物纖維餐具的降解性能，以期減少塑料餐具帶來的“白色污染”、提高苧麻的應用價值。

1 材料與方法

1.1 實驗時間及地點

本次實驗時間為2023年5月1日至2023年

5月29日。實驗地點為某大學印染清潔生產(chǎn)教育工程部研究中心。該研究中心配備了現(xiàn)代化的實驗室設施和先進的科研儀器，可滿足活性污泥法實驗對于環(huán)境控制和精確測量的高標準需求[2]。實驗環(huán)境保持在恒溫恒濕的條件下，以確保實驗結果的準確性和可重復性。

1.2 材料及儀器設備

1.2.1 實驗材料

CaCl2（分析純），常州雙益環(huán)?？萍加邢薰?；MgSO4（分析純），上海麥克林生化科技有限公司；FeCl3（分析純），北京化工大學化學試劑公司；NH4Cl（分析純），天津市福晨化工有限公司；KH2PO4（分析純），天津市福晨化工有限公司；NaH2PO4（分析純），武漢興奧化工科技有限公司；K2HPO4（分析純），杭州博施科技有限公司；Na2HPO4（分析純），廣州市昊華化學試劑有限公司；活性污泥（200 g），南京森澤環(huán)?？萍加邢薰?；苧麻骨（80～100目），浙江省苧麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展集團；玉米（80～100目），河北瑞豐種業(yè)股份有限公司；氨基樹脂（膠粘劑），50 kg（餐具級別），山東齊魯化學工業(yè)集團有限公司；植物油（可食性），山東魯花集團有限公司。

1.2.2 儀器設備

MCO-170AIC微生物培養(yǎng)箱，Panasonic（松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社）；Respirometer生物分解率測定儀，Sapromat（德國Vogelbusch公司）；AL204電子天平，Mettler Toledo（美國梅特勒-托利多公司）；SevenExcellence pH計，Mettler Toledo（美國梅特勒-托利多公司）；Testo 175溫濕度記錄儀，Testo SE & Co.KGaA（德國泰斯托公司）；Axio Scope.A1顯微鏡（德國蔡司公司）；Avanti J-26S高速離心機，Beckman Coulter（美國貝克曼庫爾特公司）。

1.3 基礎培養(yǎng)液制備

（1）緩沖液制備。稱取K2HPO4 21.75 g、KH2PO4 8.509 g、Na2HPO4 33.40 g、NH4Cl 0.50 g，用蒸餾水溶解并稀釋至1 L，同時調(diào)節(jié)緩沖液的pH值至7.4，確保培養(yǎng)液環(huán)境穩(wěn)定，適宜微生物生長。

（2）氯化鈣溶液制備。稱取CaCl2 27.50 g、CaCl2·2H2O 36.40 g，用蒸餾水溶解并稀釋至1 L。此溶液為微生物生長提供必要的鈣離子。

（3）硫酸鎂溶液制備。稱取MgSO4·7H2O 22.50 g，用蒸餾水溶解并稀釋至1 L。硫酸鎂為微生物提供鎂元素，有助于維持酶的活性和穩(wěn)定性。

（4）氯化鐵溶液制備。稱取FeCl3·6H2O 0.25 g，用蒸餾水溶解并稀釋至1 L。鐵為許多微生物代謝過程中必需的微量元素[3-4]。

（5）基礎培養(yǎng)液配制。①量取制備好的緩沖液10 mL加入800 mL蒸餾水中混合均勻。②向上述混合液中分別加入氯化鈣溶液、硫酸鎂溶液、氯化鐵溶液各1 mL，然后用蒸餾水稀釋至1 L。③使用

1 mol·mL-1 HCl和1 mol·mL-1 NaOH調(diào)節(jié)最終培養(yǎng)液的pH值至7.4，以滿足實驗中微生物的生長需求。

1.4 試樣準備

（1）原材料配比與制備。將苧麻骨與玉米淀粉按照不同比例混合，并與膠粘劑及水充分結合，制備出1號餐具、2號餐具、3號餐具3種苧麻骨植物纖維餐具。相關原材料配比詳見表1。

（2）材料的處理與準備。①將紙漿模塑餐具、塑料淀粉餐具、聚丙烯餐具、濾紙以及1號苧麻骨植物纖維餐具粉碎成統(tǒng)一尺寸的粉末，并進行滅菌處理。②使用多種規(guī)格的篩網(wǎng)，將2號苧麻骨植物纖維餐具分成不同的粒徑范圍（74～125 μm、125～

250 μm、250～420 μm和420～540 μm），特別選取125～250 μm粒徑的2號餐具，按5 g、10 g、

15 g的不同重量進行分割，隨后對以上樣本進行統(tǒng)一的滅菌處理。

1.5 活性污泥實驗過程

1.5.1 實驗步驟

在微生物的作用下，植物纖維餐具會經(jīng)歷一個漸進的生物降解過程，餐具的機械強度會逐漸降低，其完整性也會逐步受到損害，直至被分解成小碎片或徹底分解。本實驗將餐具樣本與活性污泥混合后，在（25±1）℃、容量為500～600 mL的密封培養(yǎng)瓶中共同培養(yǎng)，通過測量餐具樣本的殘留量來評估其生物降解性能[5]。

實驗分評估樣本的生物降解能力、檢測活性污泥的分解效率、進行空白對照實驗和非生物培養(yǎng)實驗4個階段。在本次實驗中，苯胺被用作評估活性污泥分解活性的標準物質(zhì)。通常情況下，苯胺在活性污泥中7 d內(nèi)的降解率超過40%，14 d內(nèi)超過65%，若相應時間內(nèi)苯胺降解率未達到該水平，則意味使用的活性污泥的降解活性不足，降解能力稍弱[6]。

1.5.2 降解率測試

生物降解率計算公式[7]為

（1）

式中：D為28 d的生物降解率，%；Wi為初始樣品質(zhì)量，g；Wr為28 d后殘留樣品質(zhì)量，g。

1.6 統(tǒng)計分析

利用Excel軟件進行原始數(shù)據(jù)的處理與分析。

2 結果與分析

2.1 材料對餐具生物降解率的影響分析

不同材料制成的餐具生物降解率對比見圖1。在培養(yǎng)14 d后，苯胺的生物降解率超過60%，證明了活性污泥在生物降解過程中的高效能力。在培養(yǎng)0～14 d時，苧麻骨植物纖維餐具、紙漿模塑餐具、濾紙的降解速率相對較快；在培養(yǎng)7 d時，3種材料的降解速率分別達到了21.33%、28.25%、21.54%；在培養(yǎng)14～28 d時，3種材料的降解速率逐漸變慢；在培養(yǎng)28 d時，3種材料的生物降解率分別達到了60.59%、76.73%、90.34%。在本次實驗過程中，觀察到塑料淀粉餐具和聚丙烯餐具幾乎沒有發(fā)生生物降解，這些餐具的質(zhì)量損失率基本保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯變化。

2.2 粒徑對苧麻骨植物纖維餐具生物降解率的影響分析

由于餐具的生物降解通常先從餐具的表面開始，然后逐步擴展到內(nèi)部，所以餐具的粒徑大小直接影響其生物降解速率。由圖2可知，餐具的粒徑越大，其生物降解率越慢。因此可通過減小餐具粒徑，增加餐具與活性污泥培養(yǎng)液的接觸面積，提高苧麻骨植物纖維餐具的降解程度，加快餐具的整體降解速率。

2.3 質(zhì)量對苧麻骨植物纖維餐具生物降解率的影響分析

由圖3可知，將不同質(zhì)量（5 g、10 g、15 g）的苧麻骨植物纖維餐具與相同質(zhì)量的活性污泥培養(yǎng)液混合進行降解實驗，具有較高負荷的試樣（即質(zhì)量較大的試樣）的降解效果不如負荷較低的試樣。培養(yǎng)28 d后，3種試樣的生物降解率表現(xiàn)出明顯差異。5 g試樣的生物降解率達到72.53%；10 g試樣的生物降解率為65.01%；15 g試樣的生物降解率則為50.32%?？紤]到植物纖維餐具的降解過程主要受微生物活動的影響，因此提高活性污泥與降解物的比例有助于加速苧麻骨植物纖維餐具的分解過程。

2.4 植物纖維含量對苧麻骨植物纖維餐具生物降解率的影響

由圖4可知，培養(yǎng)28 d后，植物纖維含量不同的苧麻骨植物纖維餐具的生物降解率超過55%，表明試樣具有良好的生物降解性能。在培養(yǎng)時間為

7 d時，1號、2號、3號餐具的生物降解率均超過了15%。隨著實驗時間的延長，降解速率加快，這可能是因為實驗初期微生物難以穿透氨基樹脂層，進入試樣內(nèi)部，但隨著時間的推移，試樣表面逐漸變得凹凸不平，使微生物侵蝕變得更加容易。在培養(yǎng)14 d時，1號、2號、3號餐具的降解率為41%～48%。

實驗初期，淀粉相對于纖維素更容易被微生物分解，因此淀粉含量高的3號餐具降解進程較快。隨著實驗的進行，淀粉逐漸被分解，試樣表面逐漸出現(xiàn)孔洞，為微生物侵入試樣內(nèi)部提供了通道，使得微生物開始分解植物纖維成分。說明在玉米淀粉和苧麻骨植物纖維總量不變的情況下，含有更多植物纖維的樣本在實驗初期分解緩慢，但實驗后期分解速度明顯加快。因此，在生產(chǎn)餐具過程中，添加植物纖維不僅能增強餐具的物理特性，而且由于玉米淀粉的膠粘效果較好，減少了合成膠粘劑的使用，從而實現(xiàn)了環(huán)保和資源節(jié)約。綜合餐具的外觀和成本，確定玉米淀粉與苧麻骨最適宜配比應為30%∶30%。

3 結論與討論

本研究深入探討了苧麻骨植物纖維餐具的生物降解性能，對比分析了其與常見材質(zhì)餐具如聚丙烯餐具、濾紙、紙漿模塑餐具和塑料淀粉餐具的降解規(guī)律。結果表明，在28 d的降解周期中，苧麻骨植物纖維餐具的生物降解率較好，達到了60.59%，僅次于濾紙和紙漿模塑餐具。同時發(fā)現(xiàn)減小餐具粒徑、提高活性污泥與降解物的比例，可以有效地提高苧麻骨植物纖維餐具的降解速率。在相同實驗環(huán)境下，含有較高比例植物纖維的樣本在實驗初期的生物降解速率相對較慢，但在后期降解速率也明顯加快。本研究明確了苧麻骨植物纖維餐具在生物降解領域的潛力，為減少“白色污染”提供了可行的解決方案。綜上所述，苧麻骨植物纖維餐具作為一種環(huán)保餐具，不僅體現(xiàn)了苧麻資源的綜合利用價值，而且在緩解“白色污染”方面具有顯著的效果。本研究結果為苧麻骨植物纖維餐具的進一步研發(fā)和應用提供了重要的理論依據(jù)，應繼續(xù)探索和優(yōu)化苧麻骨植物纖維餐具的制造工藝，以提高其環(huán)保效益和市場競爭力。

參考文獻

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