甘蔗渣的材料化研究进展

崔丽虹+魏晓奕+常刚+李积华

摘 要 甘蔗渣是世界上产量最大的农业废弃物之一，它的合理开发利用对保护环境和促进农业可持续发展具有重要意义。制备环境友好型材料是甘蔗渣高值化利用的重要途径之一。本文简要综述了近年来甘蔗渣在材料化方面的研究进展，在此基础上展望甘蔗渣高值化综合利用的发展方向。

关键词 甘蔗渣 ；材料化 ；环境友好型材料 ；研究进展

中图分类号 TS249.2 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.09.016

Research Progress on Materialization of Sugarcane Bagasse

CUI Lihong WEI Xiaoyi CHANG Gang LI Jihua

（Agriculture Products Processing Research Institute， CATAS， Zhanjiang， Guangdong 524001 ）

Abstract Sugarcane bagasse is one of the largest agriculture residues in the world， and its reuse was important for protecting environment and promoting sustainable agricultural development. It is an important way to utilize sugarcane bagasse in a value-added way through preparing environmentally friendly material. The research progresses in preparing materials with sugarcane bagasse were briefly reviewed， based on which a prospect of the development trend of utilization of sugarcane bagasse was made.

Keywords sugarcane bagasse ； materialization ； environmentally friendly material ； research progress

随着现代农业的发展，由农业废弃物大量积累导致的环境污染和资源浪费日益凸显，大力发展农业废弃物的综合利用对于保护生态环境和促进农业可持续发展具有重要意义。甘蔗渣是甘蔗经过破碎和压榨提取甘蔗汁后残留的甘蔗茎纤维残渣，其含量占甘蔗的24%～27%，是世界上产量最大的农业废弃物之一。我国作为全世界第三大甘蔗种植国家，甘蔗渣的年产量达2 000多万t[1]。与其它农业废弃物相比，甘蔗渣还具有来源集中、收集简单、运输半径小、成分相对稳定、性质均一等特点。因此，甘蔗渣资源的开发利用受到国内外研究者的广泛关注。

由于甘蔗渣的木质化程度较高，以及传统的转化利用手段缺乏，使其传统利用方式仅限于作为锅炉燃料燃烧发电等粗放低效利用，且利用率极低，绝大部分甘蔗渣被直接丢弃或填埋处理[2]。近年来，随着现代生物质转化利用技术的不断发展，对甘蔗渣的利用方式日趋多样，当前国内外研究主要集中在能源化、饲料化、基质化和材料化等几个方面。其中，材料化是甘蔗渣高值化利用的重要途径之一，发展前景广阔。本文简要综述了近年来甘蔗渣的材料化研究进展，并在此基础上展望了甘蔗渣高值化综合利用的发展方向。

1 甘蔗渣的材料化研究进展

甘蔗渣的化学成分以木质纤维素为主，在干物质中纤维素占32%～48%、半纤维素占19%～24%、木质素占23%～32%、灰分约4%[3]。甘蔗渣的化学组成使它成为开发环境友好型材料的理想原料。

1.1 制浆造纸与生产绿色环保餐具

甘蔗渣可用于生产生活用纸和新闻纸等，如卫生纸、餐巾纸、包装纸、瓦楞纸、铜板纸、复印纸和双胶纸。早在1926年，美国露易斯安娜州已开始用甘蔗渣生产纸浆制造纸板。除美国外，目前利用甘蔗渣制浆造纸的国家还有阿根廷、哥伦比亚、墨西哥、印度、澳大利亚和中国等。在我国，制浆造纸是除作为燃料之外甘蔗渣最主要的利用途径，但受地域和原料限制，主要集中在广西、云南等制糖企业集中的地区。据报道，广西的甘蔗渣浆和甘蔗渣纤维纸的生产能力已分别达70万和50万t/a [4]。工业生产中甘蔗渣制浆以碱法为主，但对环境污染严重。因此，Heiningen等[5]提出了与生物炼制相结合的甘蔗渣制浆造纸思路，即既得到纸浆，又得到高附加值的化学品，如乙醇法制浆，醋酸法制浆，高沸醇法制浆等等，具有溶剂可回收的优点，且能够同时分离获得半纤维素、纤维素以及高反应活性的木质素。

甘蔗渣制浆后经模压可制成一次性绿色环保餐具，这种餐具有足够的强度，并且耐油、耐热水、无毒、无味、无污染、可生物降解，能完全替代塑料餐具减轻“白色污染”。利用甘蔗渣生产绿色环保餐具的研究始于上世纪90年代，邱仁辉等[6]研制了甘蔗渣化学浆模塑餐具的全自动生产线，并优选出适合于该生产线的成型工艺参数。据报道，目前广西利用甘蔗渣生产绿色环保餐具的企业已近20 家，产品除供应国内市场外，还远销日本、韩国、美国和西班牙等国家[7]。

1.2 生产人造板材

由于甘蔗渣的比重小、纤维质量好，制得的人造板材具有优异性能，如重量轻、强度高、不易受生物侵害，此外其吸水率低、防火性能好，有良好机械加工性能和装饰性能等，适用于家具、建筑、车厢、船舶、音箱、包装箱等制作行业。在20世纪60年代，国外已建立了甘蔗渣人造板材工厂[8]。国内研究者于1982年开发了热压技术制造甘蔗渣碎粒板的生产线，目前甘蔗渣人造板生产主要在广西、广东等甘蔗糖厂比较集中、交通便利的地区[2]。随着人们环保意识的逐渐增强，无胶人造板因整个加工过程中不使用任何胶粘剂且无游离甲醛的释放，成为目前国内外学者的研究热点。甘蔗渣中半纤维素的含量较高，在热压过程中易发生降解生成类似胶黏剂的物质，此外甘蔗渣中还含有少量糖分，能促进无胶胶合作用，因而甘蔗渣是生产无胶板材的理想原料。Widyorini等[9]采用喷蒸热压法将甘蔗渣制造成了无胶板材，具有优良的机械性能。Nonaka等[10]在200～280℃高温下制造的甘蔗渣無胶颗粒板，尺寸稳定性和防水性良好，化学分析表明，甘蔗渣中的糖分提高了人造板的性能。最近，国内中南林业科技大学的研究者开发了甘蔗渣轻质无胶板和阻燃无胶高密度板等[11-12]。endprint

1.3 制备活性炭

活性炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的环境友好型吸附材料，广泛应用于食品、医药、化工等领域。由于甘蔗渣碳素含量高，是产业化制备活性炭的优质原料[13]。 活化是甘蔗渣活性炭制备的关键步骤。以ZnCl2[14]、强酸[15]等为活化剂，将甘蔗渣在600～700℃温度下炭化，可制得性能较好的活性炭，用于脱除城市垃圾渗滤液中腐殖酸[16]，吸附废水中的重金属[17]、硝酸盐[18]和磷[19]，以及脱除蛋白质中的黑色素[20]。

1.4 制备微晶纤维素

微晶纤维素（Microcrystalline cellulose， MCC）是天然纤维素经过部分降解和纯化而制得[21]，可作为药物粘合剂、食品稳定剂以及化妆品的增稠剂等，在医药、食品和化妆品等工业领域用途广泛。甘蔗渣制备微晶纤维素的传统方法是利用大量无机酸（盐酸，硫酸）处理，但使用强酸作为催化剂，对设备腐蚀严重，且含酸废液的排放对周围环境造成污染。Gurgel等[22]采用超低酸水解处理甘蔗渣纤维素，获得了颗粒大小、结晶指数和晶体尺寸都与Avicel PH-101相似的产品。李克贤[23]以近临界水为反应媒介制备了甘蔗渣微晶纤维素，整个工艺过程清洁无污染。

1.5 开发木质素基酚醛树脂胶黏剂

酚醛树脂（PF）胶黏剂是制造室外用人造板的主要胶黏剂，但在其使用过程中会释放甲醛，危害人类健康。木质素的分子结构中具有羟基和醛基，在合成酚醛树脂的反应中可部分替代苯酚和甲醛，降低有害物质的使用量从而提高产品安全性。甘蔗渣中木质素含量较高，采用溶剂法提取甘蔗渣木质素的苯丙烷结构上带有更多的羟甲基，可制备高强度的木质素基酚醛树脂（LPF）胶黏剂[24]。最近有研究报道采用浓度为95%的乙酸提取甘蔗渣木质素，获得的木质素结构比硫酸盐木质素更适于合成酚醛树脂[25]。

1.6 制备再生纤维素膜

再生纤维素膜是一种用途广泛的高分子膜材料，可作为血液透析膜、肠衣、食品保鲜膜等。国外研究者以甘蔗渣纤维素为原料，采用铜氨法制备血液透析膜，通过改变纤维素溶剂和延长纤维素纯化时间等手段可有效降低血液透析膜的Cu2+离子含量[26-27]。Phinichka等[28]采用蒸汽爆破和碱法处理甘蔗渣制备了α-纤维素和再生纤维素膜。王犇等[29]用离子液体[Amim]Cl溶解甘蔗渣纤维素，加水再生后制备了结晶结构为纤维素Ⅱ的再生纤维素膜，其热力学稳定性达到292℃，拉伸强度高达144 MPa。

1.7 制备聚氨酯材料

甘蔗渣含有大量的木质素、纤维素等多羟基成分，在聚醚多元醇和环碳酸乙烯酯等供氢溶剂和无机强酸的催化作用下，可以被液化成具有高反应活性、分子量分布适中的生物多元醇（biopolyol）。甘蔗渣生物多元醇可以替代部分的石化基聚醚多元醇或者直接用于聚氨酯类高分子材料的合成[30]。张强[31]利用杂多酸将甘蔗渣液化后通过磷化改性合成了生物质基多元醇膦酸酯，可制备具有良好阻燃性的聚氨酯泡沫材料。

1.8 作为复合材料增强剂

甘蔗渣可作为聚合物的增强纤维，用于开发可降解的生物基复合材料。但由于甘蔗渣中含有多羟基成分，与非极性高分子基体的界面黏合性较差，因而须对甘蔗渣进行预处理以提高其界面相容性。Bras等[32]用酸水解甘蔗渣浆分离出纤维素晶须，并制备了甘蔗渣/天然橡胶复合膜，甘蔗渣晶须使复合材料的杨氏模量和拉伸强度显著提高，同时也提高了复合材料的生物可降解性。冯彦洪等人将蒸汽爆破处理的甘蔗渣分别与聚丁二酸丁二醇酯（PBS）[33]和聚乳酸（PLA）[34]復合，改善了复合材料的力学性能。

1.9 制备纳米纤维素

纳米纤维素通常是指具有一维纳米尺寸的纤维素材料[35]，在电子、化工、航空、医药和食品等众多领域具有广阔的应用前景。甘蔗渣中纤维素的含量较高，因而是一种理想的纳米纤维素原料。酸水解法是目前制备甘蔗渣纳米纤维素的常用方法。Mandal等[36]采用酸水解法制备了粒径为70～90 nm的甘蔗渣纳米纤维素。但该方法由于使用60%高浓度强酸，因而对反应设备要求高，副反应多且难控制，易造成环境污染问题。近来研究者采用酸水解结合机械法[37]或酸水解结合生物酶法[38]制备甘蔗渣纳米纤维素取得了理想的结果。中国热带农业科学院农产品加工研究所的李积华等[39]采用离子液体溶解甘蔗渣使其转化为均相状态，再在均相介质中通过高压均质或动态高压微射流[40]制备了粒径为5～20 nm的甘蔗渣纳米纤维素，该方法具有绿色高效的特点，应用前景广阔。

2 总结与展望

综上，甘蔗渣作为一种良好的绿色可再生高分子材料日益受到人们的重视，其综合利用方式日趋多样。然而，目前仅有制浆造纸、生产绿色环保餐具和人造板等少数几种粗放型利用方式实现了规模化生产，甘蔗渣的高值化利用技术及绿色生产工艺还有待开发。纳米纤维素是木质纤维高值化应用的重要方向之一，与其他纳米材料相比，纳米纤维素除具有高纯度、高纵横比、高杨氏模量、高结晶度、高强度和较低的热膨胀系数等优越性能外，同时具有材质轻、可降解、可再生、生物相容等优点。因此，纳米纤维素的制备、结构、性能与应用是当前纤维素化学研究的重点和热点。以甘蔗渣生产纳米纤维素及相关功能材料，在航空航天、军工、超精密仪器、生物医学材料等领域应用前景广阔，有利于促进甘蔗渣高值化利用，延长蔗糖产业链，促进产业健康可持续发展。此外，离子液体作为一种新型的木质纤维素绿色溶剂，为甘蔗渣的高值化利用提供了新的契机，但目前相关研究还仅停留在实验室阶段，距离实现工业化生产仍存在很多问题亟待解决，例如，离子液体的低成本合成与高效回收，纤维素在离子液体中的降解调控，以及如何在离子液体溶剂体系中对甘蔗渣进行全组分分离等。

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