Production of Cellulose From Different Species of Banana (Musa Paradisiaca) Mid Rib Waste: A Sustainable Raw Material for Industrial Applications

技术摘要：香蕉中肋废弃物中纤维素的生产

问题陈述
全球造纸和纸浆工业在历史上一直依赖木材纤维作为纤维素生产的主要原材料。这种依赖导致了森林砍伐以及纤维素成本的上升，同时用于工业过程的化石燃料燃烧加剧了温室气体排放。与此同时，农业残余物（特别是在尼日利亚等发展中国家）往往未得到充分利用，导致了环境和健康问题。虽然已有研究对香蕉假茎提取纤维素进行了调查，但在研究不同本地品种（Musa paradisiaca）的香蕉中肋废弃物作为可持续工业原料方面，仍存在特定的研究空白。

研究方法
本研究调查了尼日利亚常见的四种不同香蕉中肋废弃物品种：Ibo banana、Saro、Paranta 和 Ogede omini。研究遵循了结构化的实验方案：

• 样品制备： 将中肋从叶片中分离出来，并切割成直径为 0.05 m 的块状。
• 蒸煮过程： 采用了碱性亚硫酸盐化学蒸煮法。将样品（250 g）与由氢氧化钠 (NaOH) 和亚硫酸氢钠 (NaHSO3) 按 1:1 比例组成的白液混合物进行处理。反应在压力为 0.14–0.165 MPa 的高压灭菌釜中进行 90 分钟。
• 化学表征：
  • 提取物： 通过乙醇/丙酮混合物 (1:2) 进行索氏提取法测定。
  • 木质素： 使用 72% H2SO4 法进行定量，随后进行稀释和回流。
  • 全纤维素： 使用亚氯酸钠 (NaClO2) 和冰醋酸在水浴（70–80°C）中进行分离。
  • α-纤维素与半纤维素： 使用 17.5% NaOH 分离 α-纤维素；通过从全纤维素中减去 α-纤维素来计算半纤维素含量。
  • 溶解度测试： 分别针对 1% NaOH、冷水和热水进行测试。
• 形态学分析： 使用光学数字显微镜测量纤维尺寸（长度、直径、管胞宽度、细胞壁厚度）及衍生比率（Runkel 比、柔韧性比、细长比、刚度系数）。此外，通过扫描电子显微镜 (SEM) 对表面形貌进行了进一步分析。
• 化学鉴定： 使用傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 确认了提取的纤维素中的化学官能团。

关键结果
研究得出了关于纤维素提取效率和纤维物理性质的定量数据：

• 纤维素产量： 蒸煮过程导致的纤维素产量范围为 30.20% 至 40.10%。
  • M. paradisiaca (Paranta) 产生的产量最高，为 40.10%。
  • M. paradisiaca (Ogede omini) 和 M. paradisiaca (Ibo banana) 的产量分别约为 35.30% 和 35.25%。
  • M. paradisiaca (Saro) 产生的产量最低，为 30.20%。
• 全纤维素与 α-纤维素： 全纤维素含量范围为 71.01% 至 80.00%，其中 Paranta 的数值最高。α-纤维素含量在各物种中约为 30%，其中 Paranta、Ibo 和 Ogede omini 达到了约 30.00–30.01%。
• 纤维形态：
  • 纤维长度： 范围为 1.63 mm 至 2.86 mm。Paranta 具有最长的纤维（2.86 mm），显著高于 18 种尼日利亚木材物种典型的 1.05–1.36 mm 范围。
  • 纤维直径： 范围为 19.13 µm 至 21.51 µm，超过了 M. excelsa 木材观察到的 15.22 µm。
  • 管胞宽度： 范围为 10.05 µm 至 12.64 µm，优于 M. excelsa 记录的 8.89 µm 最小值。
  • 比率： Runkel 比、柔韧性比和细长比表明，这些纤维具有有利于高抗张强度和良好成纸性的性质。
• 光谱确认： FTIR 分析确认了特征纤维素官能团的存在，包括羟基 (3272.6 cm⁻¹)、甲氧基和羰基，验证了所提取材料的化学身份。
• SEM 分析： 微观图像显示了纤维素纤维合适的排列，证实了其用于工业用途的结构完整性。

意义与主张
作者声称，香蕉中肋废弃物是木材纤维素生产的一种可行、可持续且低成本的替代品。研究得出结论：

1. 工业可行性： 提取的纤维素的形态学特性（长纤维长度、适当的直径和良好的刚度系数）与木材纤维素相比具有竞争优势，使其适用于纸浆和造纸以及其他需要高抗张强度的工业应用。
2. 环境影响： 利用这些丰富的农业废弃物解决了尼日利亚生物质未被充分利用的问题，可能减少与废弃物处置相关的环境污染，同时减轻对森林资源的压力。
3. 经济潜力： 该过程提供了一条从目前被丢弃的废弃物中产生增值产品的途径，为生物经济提供了一种廉价的生物资源。

本文并未在测试的蒸煮过程和表征范围之外提出新的实验方法或未来应用，而是侧重于验证这些特定香蕉品种作为原材料的当前潜力。