利用玉米秸秆提取纤维素并乙酰化制备醋酸纤维素（CA）的可持续工艺研究及其在生物基材料中的应用

本研究针对农业废弃物玉米秸秆的资源化利用问题，通过酸/碱水解提取纤维素并进一步乙酰化制备醋酸纤维素（CA）。研究人员系统优化了水解试剂（CH3COOH/H2SO4/NaOH）、浓度（0.62%-2.5%）和反应时间（60-120min）等参数，最终采用2.5% NaOH在120min条件下获得最高纤维素提取率（65%），并通过FT-IR验证了CA的成功合成。该研究为农业废弃物的高值化利用和生物基材料开发提供了技术支撑，符合可持续发展和循环经济理念。

　　

随着全球玉米年产量超过12亿吨，其加工过程中产生的大量秸秆废弃物（仅20%为可食用部分）已成为严峻的环境挑战。这些废弃物通常被露天焚烧或丢弃，不仅造成资源浪费，还会释放温室气体，加剧土壤退化。与此同时，工业级纤维素主要来源于棉花和木材，过度采伐导致森林砍伐问题日益严重。寻找非木材来源的纤维素替代原料，特别是利用农业废弃物中的纤维素成分，已成为可持续材料领域的重要研究方向。

在这项发表于《Journal of Polymer Materials》的研究中，来自厄瓜多尔曼塔理工大学的Jhony César Mu?oz Zambrano、Douglas Alexander Bermúdez Parrales和María Antonieta Riera团队系统探索了从玉米秸秆中提取纤维素并转化为醋酸纤维素(Cellulose Acetate, CA)的可行性。CA作为纤维素家族的第一个有机酯，自1865年被发现以来，因其良好的成膜性、机械性能和生物相容性，被广泛应用于食品包装、纺织品和膜材料等领域。然而，传统CA生产严重依赖木材原料，开发基于农业废弃物的替代原料具有重要的环境和经济意义。

研究人员采用多技术手段开展本研究：首先对采集自厄瓜多尔Manabí省Bejuco地区的玉米秸秆进行理化性质表征，包括pH、水分、灰分、蛋白质、总碳水化合物、纤维素、半纤维素、木质素和总还原糖含量测定；随后通过实验设计优化酸/碱水解参数（试剂类型、浓度、时间）进行纤维素提取；利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对提取的纤维素和乙酰化产物进行结构表征；最后通过统计学分析（ANOVA）评估各因素对提取效率的显著性影响。

3.1. 废弃物的表征

研究人员首先对玉米秸秆进行了全面表征，发现其pH为7.38（接近中性），水分含量8.69%，蛋白质1.97%，灰分5.49%。关键的是，纤维素含量为13.38%，半纤维素高达78.92%，木质素为5.23%。这种高半纤维素、低木质素的特性使得玉米秸秆特别适合通过水解方法提取纤维素。与木材原料相比，玉米秸秆的纤维素含量虽然较低，但其丰富的半纤维素成分可通过适当处理转化为高附加值产品，符合生物精炼的整体理念。

3.2. 纤维素提取率

通过系统的实验设计，研究人员比较了三种水解试剂（CH₃COOH、H₂SO₄、NaOH）在不同浓度（0.62%、1.25%、2.5%）和反应时间（60、120min）下的纤维素提取效率。结果表明，碱性水解效果显著优于酸性水解，其中2.5% NaOH在120min条件下获得最高提取率（65%）。相比之下，H₂SO₄在最佳条件（2.5%，120min）下仅获得36.33%的提取率，而CH₃COOH的提取率最高仅为17.83%。统计学分析进一步证实，水解试剂类型、浓度、反应时间以及浓度-试剂的交互作用对提取率均有显著影响（p<0.001）。

3.3. CA的表征

通过红外光谱分析，研究人员成功验证了纤维素向CA的转化。原始纤维素在3400cm^-1处显示出明显的羟基特征峰，而在乙酰化后，该峰强度显著降低，同时在1700cm^-1处出现了强烈的羰基特征峰（对应醋酸基团），在1400和1050cm^-1处也出现了乙酰基的特征振动峰。这些光谱变化证实了羟基被乙酰基成功取代，形成了具有典型结构的CA材料。

研究结论表明，从玉米秸秆中提取纤维素并转化为CA在技术上是可行的，且碱性水解条件（2.5% NaOH，120min）可获得最佳效果。这一过程不仅为农业废弃物提供了高值化利用途径，也减少了对传统木材原料的依赖。讨论部分进一步指出，虽然玉米秸秆的初始纤维素含量低于木材，但其丰富的半纤维素成分可通过集成生物精炼策略进行协同开发，生产木糖醇、糠醛等高附加值产品。该研究为开发基于农业废弃物的可持续材料平台提供了重要技术支撑，符合联合国可持续发展目标（SDG）9（产业创新和基础设施）和12（负责任消费和生产）的要求，有望在循环经济框架下推动生物基产品的创新发展。