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为解决热带水果废弃物利用问题，研究人员开展从菠萝冠和芒果籽外皮制备羧甲基全纤维素（CMHC）的研究。通过优化工艺，得到高取代度和高产率的 CMHC。该研究为生物资源利用提供新途径，助力可持续发展。
在当今追求可持续发展的时代，生物资源的高效利用成为科研领域的热门话题。热带水果产业在蓬勃发展的同时，也产生了大量的废弃物，如菠萝冠和芒果籽外皮。这些废弃物大多被直接丢弃或简单处理，不仅造成资源浪费，还引发了一系列环境问题。传统的生物质处理方式，要么将其填埋，占用大量土地资源并可能污染土壤和水源；要么进行焚烧，释放大量温室气体。与此同时，全球对羧甲基纤维素（CMC）等生物聚合物的需求却在不断增长，市场前景广阔。在此背景下，如何将这些废弃的生物质转化为有价值的生物聚合物，成为科研人员亟待解决的问题。
来自国外的研究人员开展了一项极具创新性的研究，旨在开发一种快速且可持续的一锅法工艺，从菠萝冠（PACel）和芒果籽外皮（MACel）中合成羧甲基全纤维素（CMHC），从而实现生物资源的高值化利用。该研究成果发表在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》上，为生物资源的开发利用开辟了新的道路。
研究人员在该研究中用到了多种关键技术方法。首先，采用酸 / 过氧化物 - 碱（APA）处理从生物质中提取全纤维素，这一过程通过控制各处理步骤的时间和条件，实现高效提取。其次，运用 D - 最优实验设计（D - Optimal design of experiments）筛选羧甲基化条件，并借助响应面法（RSM）进行工艺优化。此外，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TG）、扫描电子显微镜（SEM）、核磁共振（NMR）和 X 射线衍射（XRD）等多种表征技术，对生物质原料、提取的全纤维素及合成的 CMHC 进行全面分析。
1. 全纤维素提取工艺优化
研究人员通过考察酸 / 过氧化物 - 碱处理各步骤的时间对质量产率和漂白效果的影响，确定了适合两种生物质的处理条件。对于芒果籽外皮，30 分钟的稀酸处理结合 1 小时的过氧化物 - 碱处理，能提取出明亮的全纤维素，产率达 54%（w/w）；菠萝冠对酸处理敏感，仅通过 45 分钟的碱性氧化步骤就能有效脱木质素，产率为 38%（w/w）。这种 APA 联合处理在温和温度条件下，1.5 小时内即可制备出高质量的全纤维素产品，与传统方法相比，更具优势。
2. 原料及产物的特性表征
通过 FTIR 光谱分析发现，原料生物质具有典型的木质纤维素特征，全纤维素提取后，相关基团的吸收峰强度发生变化，表明非纤维素成分减少，脱木质素效果显著。TG/DTG 分析显示，原料生物质有四个分解阶段，提取的全纤维素主要由半纤维素和纤维素组成，大部分木质素已被去除。SEM 图像表明，处理后的全纤维素纤维结构变得松散，孔隙增多，有利于后续反应。XRD 分析则揭示了全纤维素中不同晶型纤维素的比例，其中无定形和 II 型纤维素占比较高，反应活性较强。
3. 实验设计与优化
利用 D - 最优模型进行 28 组实验，对 CMHC 合成条件进行优化。方差分析（ANOVA）结果表明，模型具有较高的准确性和显著性，确定了影响质量产率和水溶性的关键因素及相互作用。响应面法分析发现，菠萝冠和芒果籽外皮的 CMHC 合成对反应条件的响应不同。菠萝冠在较低的一氯乙酸（HAcCl）浓度（1g）下产率较高，而芒果籽外皮则需要较高的 HAcCl 浓度（2.5g）。综合考虑，较短的活化时间（15 分钟）和反应时间（2 小时）有助于提高产率，同时减少多糖降解。通过可取性函数分析，确定了最优反应条件，在此条件下，菠萝冠和芒果籽外皮制备的 CMHC 产率分别可达 246.9% 和 241%（w/w）。
4. 羧甲基全纤维素的特性分析
FTIR 光谱显示，羧甲基化样品出现了羧甲基的特征吸收峰，证实了羧甲基化反应的发生。13C NMR 分析进一步确认了 CMHC 的结构，计算得到的取代度（DS）范围为 0.82 - 1.63，其中 CMHC20 样品的 DS 最高，表明其亲水性更强。与其他研究相比，该研究制备的 CMHC 在产率和取代度上表现更优，且反应条件更温和，试剂消耗更少。
研究结论表明，温和的 APA 处理能有效提取反应性全纤维素，适用于一锅法羧甲基化反应。通过一锅法合成结合 D - 最优设计优化，在温和条件下，2.25 小时内即可制备出高水溶性、高产率的 CMHC。结构分析和取代度测定证实了功能化的成功。该研究为将未充分利用的芒果和菠萝废弃物转化为高价值的多糖衍生物提供了可持续的方法，推动了生物炼制概念的发展，支持了循环生物经济解决方案。CMHC 有望成为传统 CMC 的可行替代品，在食品、化妆品、制药和石油钻井液等行业具有广阔的应用前景。
