基于真菌几丁质和微纳米纤丝化纤维素的柠檬皮全价转化制备纺织材料研究

《Scientific Reports》：Holistic valorisation of lemon peel into textile materials via fungal chitosan and micro-nano fibrillated cellulose

本研究针对食品废弃物资源化利用和可持续纺织材料短缺的挑战，开发了一种柠檬皮全价转化新策略。研究人员通过真菌培养从柠檬皮营养液中获得富含壳聚糖的根霉细胞壁，同时从固体残渣中纯化纤维素，采用干法凝胶纺丝技术成功制备出拉伸强度分别达85 MPa和298 MPa的真菌和纤维素单丝，为生物基纺织品提供了环保替代方案。

　　

在全球时尚产业对可持续原材料需求激增的背景下，每年超过1000万吨的柠檬加工废弃物成为亟待解决的环境问题。这些富含纤维素和营养物质的柠檬皮若处理不当，不仅会造成资源浪费，还可能成为温室气体和霉菌毒素的污染源。尽管已有研究探索柠檬皮在食品添加剂、药品和包装等领域的应用，但如何实现其全组分高值化利用仍面临挑战。近期发表于《Scientific Reports》的一项研究开创性地提出了一种协同生物加工策略，将柠檬皮废弃物转化为具有纺织应用潜力的生物基单丝纤维。

研究团队采用双路径整合方法，通过热水预处理将柠檬皮分离为营养液和固体残渣。营养液用于培养根霉（Rhizopus delemar）获得真菌生物质，固体残渣则通过碱处理和漂白纯化纤维素。关键技术包括：使用26升气泡柱生物反应器进行真菌培养；通过碱性热处理提取真菌细胞壁材料；采用超细研磨机进行机械原纤化制备微纳米纤维素；利用干法凝胶纺丝技术（使用0.8毫米针头的注射泵）同时加工真菌细胞壁水凝胶和纤维素悬浮液制备单丝。

研究结果与讨论：

柠檬皮预处理与真菌培养

热水预处理（45°C，2小时）实现了47%的营养物质提取率。在生物反应器培养过程中，葡萄糖在24小时内被完全消耗，而甘油和乙醇的产生反映了真菌的代谢活性。最终获得0.14克生物质/克底物的产量，为后续材料制备奠定了基础。

真菌细胞壁材料表征

碱性处理后获得的细胞壁材料得率为0.28克/克生物质，其中壳聚糖含量达35%。通过乳酸质子化处理形成的pH敏感性水凝胶，展现了真菌壳聚糖在酸性条件下的独特凝胶特性，为纺丝加工提供了理想原料。

纤维素组分分析

从固体残渣中提取的纤维素得率为19.5%，显著高于文献报道值。通过热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等多维度表征证实：纤维素纯度显著提升（氮含量从1.5%降至0.06%），结晶度指数（CI）达62%-67%，且残留的木质素和半纤维素特征峰基本消失。

微纳米纤维素制备

机械原纤化过程中悬浮液粘度从64 mPa·s增至1145 mPa·s的平台期，结合扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）成像，证实成功获得了高度为2-7纳米的微纳米纤丝结构，为高强度纤维制造奠定了基础。

单丝性能评估

纤维素单丝展现出298.3 MPa的优异拉伸强度，优于多数文献报道的纳米纤维素干法纺丝纤维。真菌单丝85 MPa的强度虽较低，但已超过传统湿法纺丝制品。Ashby图分析表明，这两种材料分别与甘蔗纤维、聚乳酸（PLA）和羊毛等商业纤维性能相当。

该研究首次实现了柠檬皮废弃物向纺织材料的全组分转化，创建了资源效率达12%的循环利用模式。通过免溶剂、免凝固剂的干法凝胶纺丝工艺，成功将低值废弃物转化为高值纺织材料，为食品加工副产物资源化提供了创新范式。虽然存在原料成分波动、缺乏中试验证等局限，但这项研究为开发可持续纺织品奠定了关键技术基础，有望在医疗纺织品、防护服装等领域实现应用突破。