大麻秆废弃物资源化制备纤维素纳米晶：一种可持续的大麻废弃物管理策略

《Industrial Crops and Products》：Valorization of cannabis stalks into cellulose nanocrystals: A sustainable solution for cannabis waste management

本研究针对大麻产业中秆类废弃物因四氢大麻酚（THC）残留和微生物污染导致的处置难题，开发了通过碱处理-漂白-金属盐氧化联用技术从大麻秆中提取纤维素纳米晶（CNCs）的绿色工艺。研究证实该工艺可有效降低THC含量（混合生物质中从6.016%降至0.384%），所得CNCs具有高结晶度（72%）、纺锤形貌（长280±109 nm，宽8.75±4.22 nm）及良好热稳定性，为大麻废弃物高值化利用和循环经济发展提供了创新解决方案。

　　

随着全球大麻产业的快速发展，大麻花序作为主要产品被广泛用于医药、食品和化妆品领域，但占植株生物量近一半的秆、根等副产物却因四氢大麻酚（THC）残留风险及微生物污染问题，常被焚烧、填埋或堆肥处理。这些传统处置方式不仅成本高昂，还可能因THC渗滤对水体和生态系统造成潜在威胁。如何实现大麻废弃物的安全化、资源化利用，成为产业可持续发展的关键瓶颈。

在此背景下，加拿大萨斯喀彻温大学的研究团队在《Industrial Crops and Products》上发表论文，首次系统探索了将大麻秆转化为纤维素纳米晶（CNCs）的可行性。研究通过阶梯式化学处理——包括温和碱处理（1–3% NaOH）以降低THC、强碱处理（10% NaOH）分解木质纤维素结构、漂白（钠氯酸盐）去除木质素，以及铬盐（Cr³⁺）催化氧化法提取CNCs，成功将废弃大麻秆转化为高附加值纳米材料。该工艺不仅显著降低了THC含量（秆中从0.078%降至0.036%），而且避免了传统强酸水解法的环境污染问题，为大麻废弃物管理提供了绿色新路径。

研究团队采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及透射电子显微镜（TEM）等多维度表征技术，系统分析了大麻秆在加工过程中的化学结构、热稳定性、结晶度及形貌演变。关键实验步骤包括：通过甲醇提取和高效液相色谱（HPLC）量化THC含量；利用铬盐（Cr(NO₃)₃）在碱性条件下催化氧化纤维素 pulp，并通过氧化还原电位（ORP）监控反应终点；采用ImageJ软件统计CNCs的尺寸分布。

3.1. 大麻秆的化学特性

原始大麻秆的木质纤维素分析显示，其纤维素含量高达57.55%，半纤维素和木质素分别为17.79%和14.07%，THC残留量仅为0.078%，低于0.3%的法规限值。较高的纤维素含量和较低的THC水平表明大麻秆是制备CNCs的理想原料。

3.2. 温和碱处理对四氢大麻酚含量的影响

经1–3% NaOH处理（90°C, 1 h）后，大麻秆的总THC从0.078%降至0.036%。在混合大麻生物质（花序、叶和秆）中，THC更是从6.016%大幅降至0.384%，证明温和碱处理可经济高效地生产符合法规的低THC生物质，为后续加工扫清障碍。

3.3. 大麻秆纤维与纳米纤维素的特征

3.3.1. 傅里叶变换红外光谱分析

FTIR谱图显示，经强碱和漂白处理后，代表木质素芳香环的C=C振动峰（1500 cm^?1）显著减弱，表明木质素被有效去除；CNCs样品中羟基（OH）和糖苷键（C-O-C）特征峰增强，证实纤维素结构被成功保留并纯化。

3.3.2. 热稳定性

TGA曲线表明，化学处理显著提升了材料的热稳定性：原始大麻秆的降解起始温度为295°C，而强碱处理后升至350°C以上。CNCs虽因纳米尺寸效应在263°C和350°C出现双峰降解，但其残炭率（32%）高于纤维素 pulp（10%），归因于残留无机盐的稳定作用。

3.3.3. 结晶度

XRD分析显示，CNCs的结晶度指数（CI）从原始秆的50.02%提升至72.08%，归因于非晶组分（半纤维素、木质素）的去除。Scherrer方程计算表明，CNCs的（200）晶面尺寸为2.08 nm，较原始纤维（3.45 nm）明显减小，反映了纳米晶体的形成。

3.3.4. 微观结构与元素组成

SEM图像清晰展示了从致密原始纤维到多孔纤维素 pulp 的形态演变。EDS元素分析发现，CNCs中含有少量钠（10.8%）、氯（9.5%）等残留盐类，但铬元素未检出，证实Cr³⁺在反应中仅作为催化剂而未残留。

3.3.5. 纤维素纳米晶的形貌与粒径

TEM图像显示CNCs呈典型纺锤形，平均长度和宽度分别为280 nm和8.75 nm， aspect ratio（长径比）达33.74，高于小麦秆（11.4）和燕麦壳（14.3）等来源的CNCs，预示其在复合材料增强领域具有优势。

该研究通过绿色工艺成功将大麻秆转化为高结晶度、高热稳定性的CNCs，不仅解决了THC残留的合规性问题，还将废弃物转化为高值纳米材料（产率27%）。所获CNCs在生物复合材料、吸附剂、包装材料等领域展现应用潜力。研究首次证实金属盐催化氧化法适用于大麻秆纳米纤维素提取，为产业废弃物资源化提供了技术范本。未来需优化纯化工艺以降低盐残留，并深入探索CNCs在生物医学、能源材料等领域的应用性能。