一种环保且高效的生物脱胶方法，用于丝胶纤维的制备，并实现脱胶废水的闭环回收

《Industrial Crops and Products》：An eco-friendly and efficient bio-degumming approach for sisial fibers preparation with closed-loop recycling of degumming wastewater

sisal纤维制备工艺中，生物增强法结合物理预处理显著提升纤维质量（纤维素含量84.01%，热稳定性增强）和环保性（COD降至718.83 mg/L），同时实现废水资源化利用（COD去除率近90%，生产酵母菌体8.6 g/L）

　　### 椰纤维脱胶工艺与废水处理的绿色技术探索

植物纤维作为天然可再生资源，因其优异的可用性、可降解性、轻质性和特定强度等特性，近年来受到广泛关注。在众多天然纤维中，剑麻纤维因其对酸、碱和腐蚀的耐受性，被广泛应用于聚合物复合材料领域。然而，剑麻纤维的制备过程中，脱胶环节至关重要，同时也带来了显著的环境挑战。脱胶是去除纤维表面和内部非纤维素成分（如果胶、半纤维素和木质素）的过程，以提高纤维的纯度和性能。然而，传统脱胶方法，尤其是化学脱胶，虽然在效率上具有优势，但其产生的脱胶废水通常具有较高的化学需氧量（COD），对环境造成负担。因此，开发一种高效且环保的脱胶技术，成为当前研究的重点。

本研究针对剑麻纤维脱胶工艺，探索了三种不同的脱胶方法：化学脱胶（C_RSF）、生物强化脱胶处理新鲜剑麻叶（B_FSL）以及生物强化脱胶处理剑麻纤维（B_RSF）。研究结果显示，B_RSF方法不仅实现了最高的胶质去除效率和纤维回收率，还赋予了制备的剑麻纤维更高的纤维素含量、结晶度、热稳定性和优异的物理与机械性能。值得注意的是，B_RSF方法在脱胶废水的COD浓度方面表现出卓越的环保性能，其废水中的COD浓度仅为718.83?mg/L，而C_RSF方法则导致COD高达6202.31?mg/L。此外，B_RSF方法产生的废水富含可利用的营养成分，如糖和氮，因此被重新利用作为Pichia pastoris Y05的发酵基质。该回收系统不仅获得了可观的微生物生物质，还实现了高达90%的COD去除效率。综上所述，本研究成功建立了一种绿色高效的生物脱胶方法，为剑麻纤维的制备提供了科学依据和应用前景。

### 脱胶工艺的重要性与挑战

脱胶是植物纤维制备过程中的关键步骤，其目的是去除纤维表面和内部的非纤维素成分，从而提高纤维的品质和性能。这些非纤维素成分如果胶、半纤维素和木质素，不仅影响纤维的加工性能，还可能降低其在最终产品中的应用价值。因此，脱胶过程对纤维的质量和后续加工至关重要。然而，传统的脱胶方法，如化学脱胶，虽然在效率上具有优势，但其产生的废水往往含有高浓度的化学物质，对环境造成较大压力。此外，化学脱胶过程通常需要高浓度的碱性物质和高温条件，这不仅增加了能耗，还可能对纤维结构造成损害，影响其机械性能和热稳定性。

相比之下，生物脱胶方法因其温和的反应条件和清洁的特性，被认为是更环保的替代方案。生物脱胶主要包括酶解脱胶和微生物脱胶两种方式。酶解脱胶虽然高效，但商业酶的成本较高且难以重复利用。而微生物脱胶则通过微生物合成和分泌脱胶酶，实现对非纤维素成分的分解，从而在成本和环保性上具有显著优势。然而，传统微生物脱胶方法（如水浸渍法）通常需要较长的处理时间，这限制了其在工业中的应用。因此，如何在保持脱胶效率的同时缩短处理时间，成为当前研究的一个重要方向。

### 剑麻纤维脱胶方法的比较与优化

为了更好地比较不同脱胶方法的效果，本研究对三种脱胶方法进行了系统分析：化学脱胶（C_RSF）、生物强化脱胶处理新鲜剑麻叶（B_FSL）以及生物强化脱胶处理剑麻纤维（B_RSF）。这些方法分别对应不同的脱胶对象和处理流程。研究发现，B_RSF方法在脱胶效率、纤维回收率和纤维品质方面均表现出显著优势。具体而言，B_RSF方法不仅实现了最高的胶质去除效率，还使纤维素含量达到84.01%，远高于其他两种方法。此外，B_RSF方法制备的剑麻纤维在结晶度和热稳定性方面也优于其他方法，表明其结构更加完整和稳定。

值得注意的是，B_RSF方法的脱胶时间仅为24小时，而B_FSL方法需要长达7天的时间。这种差异主要源于新鲜剑麻叶表面的蜡质层，这层结构对微生物的脱胶过程构成阻碍。因此，为了提高脱胶效率，本研究提出了一种结合物理预处理和生物脱胶的方法，即先通过物理手段去除剑麻叶表面的蜡质层，再利用混合菌株进行生物脱胶。这种方法显著缩短了脱胶时间，同时保持了较高的纤维品质。相比之下，化学脱胶虽然处理时间最短，仅需1.67小时，但其产生的废水具有极高的COD浓度，对环境造成较大负担。

### 纤维性能的评估与分析

为了全面评估不同脱胶方法对剑麻纤维性能的影响，本研究从多个角度对脱胶后的纤维进行了分析。首先，纤维的物理性能，如密度、线密度、断裂强度、断裂力、拉伸强度、弹性模量、杨氏模量和断裂伸长率，均得到了测量和比较。结果表明，B_RSF方法制备的剑麻纤维具有最低的密度（1.452?g/cm³）和最高的断裂力（9.81?N），同时其弹性模量（128 cN/dtex）和杨氏模量（18.5 GPa）也显著优于其他方法。这表明，B_RSF方法不仅提高了纤维的脱胶效率，还显著改善了其物理和机械性能，使其更适合应用于需要高强度和刚度的工业场景。

此外，纤维的化学成分分析也显示，B_RSF方法制备的纤维具有最高的纤维素含量，同时其木质素含量明显低于其他方法。这进一步证明了B_RSF方法在去除非纤维素成分方面的有效性。然而，值得注意的是，B_FSL方法虽然在脱胶过程中保留了较高的纤维素含量，但其脱胶时间过长，容易导致纤维结构受损，影响其整体性能。因此，结合物理预处理和生物脱胶的方法在提升纤维品质的同时，显著提高了脱胶效率，为工业化应用提供了可行的解决方案。

### 生物脱胶废水的资源化利用

除了对脱胶工艺本身的优化，本研究还关注了生物脱胶废水的资源化利用。通过实验发现，B_RSF方法产生的脱胶废水具有较高的可利用性，富含糖类和氮源，可以作为Pichia pastoris Y05的发酵基质。为了验证这一设想，本研究将脱胶废水作为发酵培养基，加入了不同浓度的葡萄糖（10、20和30?g/L），并观察了Pichia pastoris Y05的生长情况以及废水中的COD去除效率。结果显示，加入10?g/L葡萄糖的B_RSF废水能够使Pichia pastoris Y05的生物量达到8.60?g/L，同时COD去除效率高达89.14%。相比之下，B_FSL废水在加入10?g/L葡萄糖后，COD去除效率仅为71.36%。这表明，B_RSF废水在资源化利用方面具有更高的可行性。

此外，研究还发现，B_FSL废水的pH值和电导率显著高于B_RSF废水，这可能与其较高的营养成分含量有关。然而，这种高营养成分也意味着其具有更高的富营养化潜力，可能对水体生态造成影响。因此，将生物脱胶废水用于微生物发酵时，需要对C/N比例进行优化，以确保微生物能够高效利用废水中的营养成分。实验结果显示，补充适量的葡萄糖可以有效调整C/N比例，提高微生物的生长效率和COD去除能力。这种资源回收策略不仅有助于减少废水排放，还能实现废物的再利用，具有显著的环境和经济价值。

### 未来研究方向与应用前景

尽管本研究取得了一定的成果，但仍有一些问题值得进一步探讨。首先，当前的生物脱胶废水资源化利用仍依赖于实验室级别的营养补充，这在实际应用中可能面临成本较高的挑战。因此，未来的研究可以探索使用低成本的废弃物作为营养补充，以进一步降低生产成本并提高经济效益。其次，虽然本研究已经证明了生物脱胶废水的资源化潜力，但如何在发酵过程中提取高价值的化合物（如寡糖、酚酸等）仍需进一步研究。这些化合物在食品、医药和生物材料等领域具有广阔的应用前景，因此，通过色谱分析等手段识别和提取这些化合物，有助于提升整个脱胶-发酵系统的经济性和可持续性。

此外，研究还发现，B_RSF方法在脱胶过程中能够有效减少纤维损伤，同时保持较高的纤维素含量和结晶度，这为剑麻纤维在高性能材料中的应用提供了可能。然而，实际应用中还需要考虑大规模生产的可行性和成本效益。例如，如何优化微生物菌株的组合，以提高脱胶效率并降低处理成本，是未来研究的重要方向。同时，如何提高脱胶废水的再利用率，使其在发酵过程中达到更高的COD去除效率，也是值得深入探讨的问题。

综上所述，本研究通过结合物理预处理和生物脱胶技术，成功开发了一种高效且环保的剑麻纤维脱胶方法。该方法不仅显著提高了脱胶效率，还有效降低了脱胶废水的污染负荷，为剑麻纤维的绿色制备提供了科学依据。同时，通过将脱胶废水用于Pichia pastoris Y05的发酵，实现了废水的资源化利用，进一步提升了整个工艺的可持续性。未来的研究应进一步优化微生物菌株的组合和脱胶条件，探索低成本的废弃物利用方式，并推动该技术在工业生产中的广泛应用。