从莲子荚中可持续地提取纤维素：整合工艺优化与环境初步经济分析

《Bioresource Technology》：Sustainable recovery of cellulose from lotus seedpods: Integrating process optimization and environmental-preliminary economic analysis

本研究首次将响应面法、生命周期评估和初步经济分析结合，优化莲藕种荚纤维素提取工艺，确定最佳条件为4.30% NaOH、79.99℃、75.75分钟，溶剂比1:10，加0.2% NaClO漂白，提取效率达44.17%，显著降低碳排放和人体毒性，成本从18.7美元降至0.23美元/功能单位。摘要验证了环保经济型提取方法在可降解材料领域的应用潜力。

　　这项研究首次将响应面法（RSM）、生命周期评估（LCA）和初步经济分析（PEA）相结合，以优化从莲蓬中提取纤维素的过程。莲蓬作为一种常见的农业废弃物，在越南等地区被大量产生，但其纤维素提取技术尚未得到充分开发。传统的纤维素提取方法通常依赖高浓度化学品和大量能源，这不仅增加了生产成本，还对环境造成了较大的负担。因此，本研究旨在探索一种更加环保和经济的提取方式，同时保持纤维素的高质量特性。

纤维素是自然界中最丰富的生物聚合物之一，广泛存在于植物细胞壁中，对维持植物结构起着关键作用。其稳定的分子结构来源于通过β(1→4)糖苷键连接的β-D-葡萄糖单元，赋予了纤维素优异的机械强度、可降解性、可再生性和生物相容性。这些特性使其成为多种工业领域的重要材料，包括造纸、制药、食品加工和生物医学工程。随着全球对可持续材料的需求不断增长，纤维素的提取技术正受到越来越多的关注。

然而，目前纤维素的提取仍面临诸多挑战。一方面，农业废弃物的处理问题日益突出，其快速增长给环境带来了巨大压力。另一方面，传统提取方法不仅效率低下，还伴随着高能耗和高污染。例如，许多研究聚焦于通过调整化学试剂浓度、溶剂比例、温度和时间等参数来提高纤维素的提取率，但往往忽略了这些方法对环境和人类健康的潜在影响。因此，迫切需要一种综合考虑经济性和环境影响的优化方法。

本研究选择莲蓬作为纤维素提取的原料，是因为它在亚洲广泛种植，且其废弃物具有较高的纤维素含量。莲蓬含有约32–65%的纤维素，而其纤维含量更是高达60–70%。此外，莲蓬还具有独特的三维多孔结构，含有蜂窝状的空气腔，这不仅增加了其比表面积，还提高了吸附能力。这些特性使得莲蓬成为一种极具潜力的生物资源，尤其适合用于可降解材料和环保产业。

为了实现高效、环保的纤维素提取，本研究采用响应面法进行工艺优化。响应面法是一种统计学方法，通过实验设计和数据分析来建立输入变量与输出响应之间的关系模型。该方法能够有效识别影响纤维素提取的关键因素，并在最小实验次数的前提下实现最优参数组合。在此基础上，结合生命周期评估和初步经济分析，可以全面评估提取过程的环境影响和经济可行性。

在本研究中，采用的实验设计是基于中心组合设计（CCD）的响应面模型。通过调整化学试剂浓度、温度、时间、原料与溶剂的比例以及漂白剂的使用，研究人员确定了最优的提取条件。这些条件包括：4.30%的氢氧化钠（NaOH）溶液、79.99°C的温度、75.75分钟的提取时间、1:10的原料与溶剂比例，以及0.2%的次氯酸钠（NaClO）用于漂白。在这些条件下，纤维素的提取效率达到了44.17%，并且提取过程的环境影响显著降低。

从环境角度来看，生命周期评估（LCA）是一种评估产品从原材料获取到最终处置整个生命周期中环境影响的工具。LCA遵循ISO 14040/14044标准，能够系统地分析生产过程中的资源消耗和污染物排放。本研究通过LCA评估了优化后的纤维素提取过程，发现其在气候变暖、人类毒性、淡水生态毒性、酸化和水资源消耗等方面都优于传统方法。具体而言，气候变暖影响降低了约70%，人类毒性影响减少了约80%，淡水生态毒性也显著下降。这些结果表明，优化后的提取方法在环境保护方面具有明显优势。

在经济层面，初步经济分析（PEA）用于评估提取过程的成本效益。传统方法的纤维素提取成本较高，通常在每单位产品18.7美元左右。而本研究通过优化工艺，将提取成本大幅降低至每单位产品0.23美元，这不仅提高了经济可行性，还为大规模应用提供了可能。此外，较低的生产成本意味着更多的资源可以用于其他环节，如产品开发和市场推广，从而推动可持续发展。

为了验证优化后的提取方法的性能，研究人员对提取得到的纤维素进行了多种表征分析。其中包括热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）以及横向顺序指数（A1422/A896）、总结晶指数（A1370/A2920）和氢键指数（A3332/A1320）等参数的测定。这些分析结果表明，优化后的纤维素在物理和化学特性上与市售纤维素相当，具备良好的应用前景。

此外，本研究还对现有文献中的相关研究进行了系统回顾，发现大多数研究主要关注纤维素提取效率的提升，而较少涉及环境影响和经济成本的综合评估。特别是，没有研究将生命周期评估纳入响应面法的框架中，以实现更全面的工艺优化。因此，本研究的创新之处在于首次将RSM、LCA和PEA结合，形成了一种多维度的优化策略，为未来纤维素提取技术的发展提供了新的思路。

在植物采集和预处理阶段，研究人员在2024年4月14日于越南 C?n Th? 大学校园内收集了莲蓬样本。这些莲蓬在莲花盛开约20至25天后成熟，呈现出从深绿色到棕色的色泽变化。植物样本由越南 C?n Th? 大学生物教育系的副教授 Dr. Dang Minh Quan 识别并存储于生物化学实验室。预处理步骤包括清洗、干燥和粉碎，以确保原料的均匀性和提取效率。

在单因素对纤维素提取率的影响分析中，研究人员探讨了温度、化学试剂浓度、时间、原料与溶剂比例和漂白剂使用等因素对提取效果的影响。温度对纤维素提取具有重要影响，它能够促进植物细胞壁中木质素和半纤维素的分解，从而提高纤维素的溶解效率。然而，温度过高可能导致纤维素的降解，降低其提取率。因此，需要在适当的温度范围内进行提取，以平衡溶解效率和纤维素保留率。

化学试剂的浓度同样对纤维素提取效率起着关键作用。过高的浓度可能腐蚀设备，增加成本，而过低的浓度则可能导致提取效果不佳。通过调整NaOH的浓度，研究人员发现4.30%的NaOH溶液能够有效去除木质素和半纤维素，同时保持纤维素的完整性。此外，漂白剂的使用对于去除残留的木质素和半纤维素至关重要，但过量使用可能增加对环境的影响。因此，研究中采用了0.2%的NaClO进行漂白，以达到最佳的纤维素纯度和质量。

时间因素也是影响纤维素提取效率的重要参数。过短的提取时间可能导致提取不充分，而过长的时间则可能引起纤维素的过度降解。通过实验发现，75.75分钟的提取时间能够有效提高纤维素的提取率，同时避免过度降解。此外，原料与溶剂的比例直接影响提取效率和成本。1:10的比例能够在保证提取效果的前提下，降低溶剂的使用量，从而减少成本和环境影响。

本研究的结论表明，通过整合响应面法、生命周期评估和初步经济分析，可以实现莲蓬纤维素提取过程的优化，同时兼顾环境和经济因素。优化后的工艺不仅提高了纤维素的提取效率，还显著降低了生产过程中的环境影响和经济成本。这一成果为农业废弃物的高值化利用提供了新的可能性，同时也为开发环保型可降解材料奠定了基础。

此外，本研究的发现具有重要的现实意义。莲蓬作为一种常见的农业废弃物，其处理问题在许多地区尤为突出。传统的处理方式如露天焚烧不仅会造成空气污染，还可能引发火灾等安全隐患。而通过优化提取工艺，可以将莲蓬转化为有价值的纤维素资源，从而实现资源的循环利用和环境的可持续发展。这一方法不仅适用于莲蓬，还可以推广到其他富含纤维素的农业废弃物，如稻壳、麦秆、竹子等，为解决全球农业废弃物处理难题提供新的解决方案。

在伦理方面，本研究未涉及任何动物或人类实验，因此无需伦理审批。在作者贡献方面，所有作者均参与了研究的不同阶段，包括实验设计、数据收集、分析和论文撰写。其中，Chong Kim Thien Duc 负责论文的撰写、审阅和编辑，以及实验设计、数据分析和概念形成。Nguyen Trong Tuan、Tran Chi Linh、Huynh Vu Thanh Luong 和 Duy Toan Pham 则参与了实验的实施和数据管理。此外，Duy Toan Pham 还负责研究资源的协调和项目管理。

在资金支持方面，本研究未获得外部资助，所有实验和分析均基于研究团队的内部资源。在利益冲突声明中，作者明确表示，他们没有已知的财务或个人关系可能影响本研究的客观性。最后，在致谢部分，研究团队表示对所有支持者和合作者的感谢，但未提及具体的资助机构或个人。

综上所述，本研究通过创新性的方法，成功实现了莲蓬纤维素提取的优化，为农业废弃物的资源化利用和可持续发展提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索莲蓬纤维素在不同领域的应用，如生物降解材料、环保包装、医疗材料等。同时，还可以考虑与其他植物废弃物结合，开发更加多元化的纤维素提取工艺，以提高资源利用效率和环境友好性。