基于生物一锅法的香蕉微纤维片制备及其在水过滤膜应用中的可持续性研究

推荐：本研究针对传统纤维素片化学处理过程高污染、高能耗的问题，创新性地利用黑曲霉（Aspergillus niger）开展生物一锅法（one-pot）研究，通过绿色漂白和酸处理双工艺顺序处理香蕉微纤维片。结果显示，该方法可去除40-50%非晶成分（木质素、果胶等），使纤维素含量提升至66-77%，孔隙率达98%，水通量达460-1350 L/h m2 bar，湿/干拉伸强度分别提升95%/21%。该技术为可持续水过滤膜开发提供了新思路。

　　

在全球可持续发展需求日益迫切的背景下，传统纤维素材料加工面临两大痛点：化学密集型工艺产生的环境污染，以及多容器分步处理导致的资源浪费。以水过滤膜制造为例，常规的漂白（去除木质素等非晶成分）和酸处理（增强纤维结合）需分别使用强氧化剂（如氯化合物）和高浓度有机酸（如30-80%柠檬酸），不仅产生有毒废水，还需复杂后处理。更关键的是，这两个工艺通常在不同反应器中进行，显著增加设备与能耗成本。

针对这些问题，毛里求斯大学P.D. Emrith-Jankee团队在《Next Sustainability》发表创新研究，提出基于黑曲霉（Aspergillus niger）的生物一锅法（one-pot）系统。该真菌能同时产生活性酶（葡萄糖氧化酶，用于生成漂白剂H₂O₂）和有机酸（柠檬酸/草酸），在单容器内实现漂白与酸处理的顺序完成。研究通过废物利用（柠檬皮作底物）和生物催化，将环境友好性与资源效率提升至新高度。

关键技术方法包括：1）利用黑曲霉固态发酵同时生产葡萄糖氧化酶（检测活性110-137 UI）和有机酸；2）多pH条件（3-10）调控的双阶段处理；3）综合表征技术（SEM观察纤维形貌、FTIR分析化学组分、XRD测定结晶度）；4）膜性能测试（孔隙率测定、水通量实验、机械强度分析）。

研究结果揭示：

1. 1.

   FE-SEM结果：处理后的纤维表面出现酶沉积颗粒（直径7.5-18.2 μm），并伴随纤维溶胀现象，证实生物处理过程中amorphogenesis（非晶化作用）的发生。

2. 2.

   FTIR与组分分析：酸性漂白（pH 3-5）最有效，木质素去除率达55%，纤维素含量最高达77.2%（较未处理样品提升29%），且检测到纤维素I向II型的转化。

3. 3.

   孔隙特性：最优样品（MA2）平均孔径降至4.92 μm（降幅58%），但孔隙率保持98%高位，水通量达1350 L/m²h（2 bar压力下）。

4. 4.

   机械性能：8天酸处理使干拉伸强度提升21%至44.4 MPa，而酸性漂白使湿拉伸强度激增95%，归因于纤维素II型结构的形成和纤维间氢键增强。

讨论部分指出，该研究的突破性体现在三方面：首先，首次实现同一微生物（黑曲霉）顺序催化漂白与酸处理，工艺控制仅需调节pH；其次，废水BOD/COD比达0.8（属可生物降解范围），远优于传统化学法；最后，技术经济分析显示，该方法节省95%设备成本与100%加热能耗。

这项研究不仅为香蕉纤维的高值化利用开辟新途径，更开创了"零化学品添加"的纤维素膜制备范式。未来通过优化发酵周期与规模化验证，该技术有望在海水淡化、工业废水处理等领域实现商业化应用，推动循环经济发展。