球磨辅助超声法从孜然壳中提取纳米纤维素的绿色工艺开发与表征研究

本研究针对农业废弃物资源化利用需求，开发了球磨(200 rpm)-超声(10 min)联用技术从孜然(Cuminum cyminum L.)壳中提取纳米纤维素(NC)。通过FTIR/XRD证实非纤维素组分高效去除，获得结晶度69.38%、粒径316.13±12.64 nm的NC材料，其热稳定性(降解起始275°C)和疏水性(接触角117.87°)显著，为生物复合材料开发提供新型绿色原料。

　　

随着全球对环保材料的迫切需求，农业废弃物转化高附加值产品成为研究热点。孜然作为伊朗主要经济作物，其加工产生的壳约占种子重量15-20%，富含纤维素却长期被废弃。传统纳米纤维素(NC)提取依赖强酸水解，存在环境污染和设备腐蚀问题。如何通过绿色工艺从这类低值农业副产物中获得高性能NC，成为亟待解决的课题。

伊朗的研究团队创新性地采用两步法处理孜然壳：先通过碱法脱木素(NaOH/H₂O₂)去除非纤维素组分，再结合球磨(200 rpm, 2 h)与短时超声(10 min)的机械协同作用制备NC。通过多尺度表征发现，该方法使纤维素含量从原料的32%提升至68%，结晶度达69.38%，且避开了传统酸法的高污染风险。

关键技术包括：1) 乙醇-硝酸法测定纤维素含量；2) FTIR和XRD分析化学结构与结晶性；3) FESEM/AFM观测纳米级形貌；4) DLS/zeta电位评估胶体稳定性；5) 接触角测试表面润湿性；6) TGA/DSC分析热行为。所有实验均采用三重复设计，数据经SPSS统计分析。

研究结果揭示：

1. 纤维素含量与结构特征
   化学组分分析显示处理使纤维素纯度倍增(32%→68%)。FTIR在1735 cm^-1(酯基)和1600-1635 cm^-1(芳环)特征峰消失，证实非纤维素组分有效去除。XRD显示22.6°尖锐衍射峰，计算得结晶度69.38%，优于菠萝叶(55-65%)等常见原料。

2. 形貌与物理性质
   FESEM显示粗糙纤维表面，AFM测得平均直径211.55±21.45 nm，存在因氢键导致的团聚现象。DLS检测水合粒径为316.13±12.64 nm，zeta电位-25.15 mV表明中等胶体稳定性。意外发现接触角达117.87°，呈现反常疏水性，可能源于机械处理诱导的表面拓扑变化。

3. 热稳定性表现
   TGA三阶段降解显示主失重区在275-365°C，DTG峰值330°C，Kissinger法计算活化能157.4 kJ/mol。DSC检测到57-110°C水分蒸发吸热峰，整体热稳定性满足聚合物加工需求(＜250°C)。

讨论指出，该方法相比酸水解减少90%化学用量，所得NC兼具高结晶度与热稳定性，特别适合作为聚乳酸(PLA)等生物基复合材料的增强相。疏水特性使其在防油包装领域独具优势，而69.38%的结晶度与3.76 nm晶粒尺寸则保障了力学性能。研究首次证实孜然壳作为NC原料的可行性，为伊朗每年5万吨 cumin husk 的增值利用开辟新途径。

局限性在于纳米纤维易团聚影响分散性，未来需通过羧基化或硅烷化改性提升与基体相容性。该成果发表于《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》，为农业废弃物高值化提供了兼具环境友好与工艺可行性的解决方案。