生物质香蕉秸秆应用于包装材料开发的潜力探究

裴培 李佳新 邓晓玉 罗思乐 刘露露 向青 王欣瑶

摘要：目的—针对我国华南地区大量产生且亟待利用的香蕉秸秆进行包装材料开发的潜力探究，为这一材料的合理化利用和生态型包装材料的开发提供参考。方法—采用机械盘磨法处理香蕉秸秆，运用NREL方法测定其纤维的组成成分，和将其纤维性能与已有的生物质材料进行比较，分析其应用于包装材料开发的潜力。结果—运用NREL方法测定可知，香蕉秸秆纤维素、半纤维素、酸可溶性木质素和酸不溶性木质素的含量分别为35.0%、16.5%、2.2%、17.1%，其纤维素含量相对较高，因而具备开展研究和应用的潜力。经盘磨处理和筛分后可得香蕉秸秆纤维和薄壁细胞，二者得率分别为49.87%和43.13%。结论—香蕉秸秆具备制造合格的浆板产品的潜力，具有成为绿色材料的潜力。

关键词：香蕉秸秆；生态型包装材料；开发潜力

中图分类号：TB48 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 12-0021-06

基金项目：湖南省自然科学基金项目（2019JJ50678）；湖南省社会科学成果评审委员会项目（XSP20YBC411）；教育部产学合作协同育人项目（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

在經济全球化加速、物流业迅速发展和包装材料大量消耗的背景下，起到保护产品、方便流通作用的包装材料在商品流通过程中正面临着一场深刻革命。我国纸质包装材料消耗量大，纸浆和造纸工业高度依赖于木质原料，而国内木材资源短缺。我国每年从国外大量进口造纸原料中的木浆和废纸，行业对外依存度高达44%[1]。在国家“天保”工程实施以后，我国天然林开始全面禁伐。此外，纸质包装材料在生产和使用过程中产生的废弃物给环境带来了极大危害。因此，开发具备节约能源、保护生态环境、可回收利用等特性的生态型包装材料，具有重要且紧迫的现实意义。近年来，越来越多研究者开始关注绿色包装这一领域[2]。

我国属于农业大国，农作物秸秆的产量大而利用率较低，目前大部分农作物秸秆材料均未找到良好的处理方式。传统的处理方式如田间堆积、就地填埋和田间焚烧等，很容易造成空气、土壤和水体环境的污染[3]。近年来，农作物秸秆的综合利用逐渐受到国家和各行各业的重视[4，5]。目前，国内外对小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆等农作物秸秆的研究较多[6-8]，越来越多的研究者开始试图开发秸秆的清洁制纸浆技术，结合秸秆与淀粉、秸秆与废旧瓦楞纸板，利用粘合剂[2，9-11]，采用机械发泡法、化学发泡法等制备可循环、可降解且环保性好的生物质包装材料，对秸秆进行包装材料开发利用。

香蕉秸秆废弃是我国秸秆废弃中的一大重点问题。我国的香蕉年产量达500-600万t，从丢弃的香蕉废弃物中可提取约200万t纤维。香蕉秸秆材料富含氮、磷、钾、镁、钙等元素，其粗纤维含量高，具备产量大、利用率低、潜力巨大等特点[3，12]。目前，已出现少量以香蕉纤维为原料制备服装、布袋、毛巾、纸张等的研究[3]。研究发现，香蕉皮中的纤维粗硬，可以用于制备食品包装袋。马来西亚的Baharin[13]等人，采用香蕉秸秆和香蕉叶为原料生产制造天然纤维板。Bruno等人称[14]，香蕉秸秆可以用作复合材料中的增强剂，可从这些“废弃物”中获得纤维素材料和更多有价值的产品。而对于农作物秸秆回收利用技术的研究，主要集中在设备制造、性质探究和复合材料、发泡缓冲材料开发方面。

本文试图以香蕉秸秆天然高分子材料作为原料，从实验室层面测试其纤维盘磨制浆性能，并将其与已有的玉米秸秆、小麦秸秆、甘蔗渣等农作物废弃物的纤维性能进行比较，分析其应用于生态型包装材料开发的潜力，试图为木质材料短缺的地区开发新的生态型包装材料和为香蕉秸秆的资源化利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

材料为香蕉秸秆（采集自海南），香蕉秸秆经初步切断处理后，采用盘磨机（BR30-300CB KRK， Kogyo）粗磨获得香蕉秸秆渣样品。筛分香蕉秸秆渣，而且对筛分后的组分进行分析。样品制备流程见图1，样品于4℃条件下保存备用。

1.2 设备与仪器

BR30-300CB KRK Kogyo盘磨机、WINPARK XMTD-2M水浴锅、SP-6890型气象色谱仪、SHIMADZU岛津GC-14C气相色谱、SHIMADZU岛津LCMS-2010EV液相色谱—质谱联用、KQ-500DE数控超声波清洗器、肖伯尔打浆度测定仪、METTLEK TOLEDO PB303-N电子天平、SARTORIUS BS224S电子天平、Ultrospec 5300 pro紫外分光光度计、METTLEK TOLEDO pH值测定仪等。

1.3 分析方法

NREL实验室中发布的成分测定方法可用于本研究中的纤维组分测定[15，16]；体系中的样品采用重量法来测定其含有的挥发性物质（VS， Volatile solid）和总干重质量（TS， Total Solid）[17]；香蕉秸秆表面形态采用显微镜镜检。

2 结果与讨论

2.1 香蕉秸秆成分含量检测结果比较

采用NREL法测试香蕉秸秆渣的成分含量结果如表1所示。

将香蕉秸秆渣的纤维组分含量与其他农作物秸秆比较如表2所示。

分析表2可知，幾种常见农业废弃物中纤维素的含量差别不大，均在30%-40%左右。香蕉秸秆纤维素含量高于高粱秸秆，与小麦秸秆、玉米秸秆纤维素含量接近。此外，香蕉秸秆半纤维素含量低于其他几种常见秸秆。有研究称，纤维素含量高的农业废弃物中的生物纤维，机械性能较好，更适宜于纺织、造纸和加工其他纤维产品[13]。香蕉秸秆的纤维素含量高，与已开展广泛研究的玉米秸秆纤维素含量相当，因而具备开展研究和应用的潜力。

2.2 香蕉秸秆主要组成成分检测结果

将香蕉秸秆渣进行筛分后，可发现香蕉秸秆由两种物理特性差异明显的成分组成，包括香蕉秸秆纤维和薄壁细胞，其外观形态和纤维成分均有一定差异。两种组成的成分测定性质如表3所示。

从纤维组分测定结果可知，从香蕉秸秆渣中分离得到的两种主要组分在成分含量上具有一定差异。香蕉秸秆纤维的纤维素和半纤维素含量稍高，而薄壁细胞的总可溶性物质较高。采用100倍显微镜对以上两种主要的组分进行镜检，可得到结果如图2所示。观察其物形态差异可知，香蕉秸纤维与薄壁细胞在外观形态上差异较大。香蕉秸秆纤维呈现细长纤维状，而香蕉秸秆薄壁细胞则为绿色粘稠胶状物。

经筛分步骤获得的香蕉秸秆薄壁细胞得率为43.13%，香蕉秸秆纤维得率为49.87%。香蕉秸秆纤维主要为香蕉秸秆的厚壁细胞，其呈现出纤维的一般特性。香蕉秸秆薄壁细胞则呈粘稠胶状。

有研究称[18]，农作物秸秆中的薄壁细胞比纤维细胞粗且短，缺乏交织力，对纸张强度和抄造时的滤水性十分不利，因而不是造纸需要的成分，需在制纸浆时尽可能除去，以提高纸品质量。一般木材纤维原料薄壁细胞含量很少，如红松含1.8%，落叶松含1.5%，非木材纤维原料薄壁细胞含量较多，如竹子含47.3%，水稻秸秆含54.0%，小麦秸秆含37.9%[18]。相对而言，香蕉秸秆薄壁细胞含量低于水稻秸秆和竹子，稍高于小麦秸秆，在实际制造纸浆时应当去除。

2.3 香蕉秸秆纤维性能分析和比较

对香蕉秸秆纤维性能数据进行比较和分析，如表4所示。

不同农业废弃物中纤维细胞的化学组成和内部结构不同，因而其长度、宽度、结晶度等物理性能表现出了一定差异。由表4可知，香蕉秸秆纤维细胞长度长，长宽比高。有研究称，纤维细胞长度和宽度之比较高者，其强度较高。香蕉秸秆纤维属于韧皮纤维，其纤维长宽比大，具备较好的机械性能，其拥有与麻纤维类似的性质，即纤维粗硬、伸长小、回潮率大、光泽度好等特点，且具有很高的抗张强度，不易腐烂，其与已发现的天然纤维，如黄麻、竹子、棕榈、苎麻等机械强度接近[20，21]。大量研究表明[19-21]，这样的特性可用于制造合格的浆板产品，因而使得香蕉秸秆具备了作为绿色材料的潜力。此外，有研究称香蕉纤维的吸湿性良好[22]，其纤维的结晶类型属于典型的纤维素晶型。另外，相对于高粱秸秆而言，香蕉秸秆外表皮具备一定的强度，表面不会出现大量细碎的块状物，因而更适宜制作包装材料。

香蕉秸秆属于天然产品，因此能与棉花、菠萝纤维、椰壳纤维等材料很好地兼容。如果将香蕉秸秆进行良好的开发和利用，可为包装行业提供一种数量较大、天然且具有环保特性的纤维材料[22-24]。然而目前以香蕉秸秆为材料，大规模生产纺织产品的例子还很少，其制作纺织品大部分仍停留在人工剥离的手工制作阶段。今后可尝试对香蕉秸秆纤维处理机械进行开发，提升其工业化生产潜力。

3 结论

利用NREL方法、纤维性能比对等方法对香蕉秸秆基本性质进行分析，可以得出以下结论。

1）运用NREL方法测定可知，香蕉秸秆纤维素、半纤维素、酸可溶性木质素和酸不溶性木质素的含量分别约为35.0%、16.5%、2.2%、17.1%。香蕉秸秆的纤维素含量高，木质素含量较低，因而具备开展研究和应用的潜力。

2）香蕉秸秆具备独特的形态学特征。其主要由两种形态和组成均存在差异的组分构成，纤维和薄壁细胞的表面形态差异较大，二者得率分别为49.87%和43.13%。

3）纤维性能比较数据表明，香蕉秸秆具备制造合格的浆板产品的潜力，具有作为绿色材料的潜力。

香蕉秸秆作为一种大量产生的生物质材料，具备作为新的造纸原料，运用于生态型包装材料的开发潜力。在今后的研究中可尝试将高密度复合材料技术运用于香蕉秸秆的材料开发方面，这一利用途径能为环保型新包装材料的开发提供参考，具备广阔的研究和应用前景。

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