综述：柑橘废弃物作为可持续的纤维素来源：提取方法、质量特性及功能应用

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Citrus waste as a sustainable source of cellulose: Extraction methods, quality attributes, and functional applications

　　尼莎·苏拉克赫|斯瓦拉吉亚·拉克希米·纳亚克|莫妮卡·雷迪|穆苏米·萨巴特|纳文·乔斯|普拉莫德·谢拉克
ICAR——印度北方邦勒克瑙亚热带园艺中心，邮编226 002

**摘要**
全球柑橘加工业的快速发展产生了大量农业工业废弃物，若未能得到妥善利用，将给环境管理和资源利用带来挑战。与此同时，对可再生生物基材料的需求不断增加，促使人们寻求除木材之外的合适纤维素来源。在此背景下，由于含有较高比例的纤维素（不同成分、加工条件及纯化程度下，干柑橘废弃物中的纤维素含量通常在10%至50%之间），柑橘加工废弃物成为极具潜力的原料。本文探讨了柑橘副产品作为纤维素替代来源的可行性，重点分析了其结构特征、组成特点以及在可持续加工体系下的综合利用潜力。文中系统比较了传统与新兴的纤维素提取技术，重点评估了各技术的工艺效率、纯度、得率以及所得纤维素的物理化学性质。化学提取法虽能提高得率，但往往会导致聚合物结构受损且降低可持续性；而绿色提取方法则能在适度得率的前提下保留材料的结构与功能特性。通过优化工艺参数，可在得率与材料性能之间实现平衡。本文还根据已有研究数据，评估了纤维素在食品、制药、包装及能源领域的应用前景。通过整合加工策略、成分分析及应用视角，本文指出了柑橘废弃物衍生纤维素面临的诸如原料异质性、过度依赖化学处理以及绿色提取技术可扩展性有限等难题，同时也阐述了其潜在优势，为从柑橘加工废弃物中高效提取纤维素提供了理论依据。

**引言**
柑橘是全球种植、加工和消费最广泛的果树，因其适宜在南北半球的多种气候条件下生长而备受青睐[1]。其出色的感官品质，如风味、口感、香气以及丰富的次生代谢物，使得柑橘具有很高的营养价值[2,3]。正因如此，2021年柑橘成为全球产量最高的果树，总产量达1.618亿吨，种植面积达1020万公顷[4]。在各类柑橘中，橙子的产量最高，为7557万吨，占总量46.7%，其次是柑，产量为4195万吨，占25.9%[5]。柚子和葡萄柚的产量也相当可观，合计达956万吨，而其他一些柑橘品种，如香橼、佛手柑、梅叶橙和金桔，其总产量约为1390万吨[6]。这些柑橘品种各自具有独特的生化成分，可被用于多种工业领域。

柑橘加工业主要涉及果汁提取以及附加值产品的生产，如果酱、水果浓缩汁和糖渍果皮等[7,8]。此外，食品和化工行业还从柑橘中提取精油、风味物质、膳食纤维、果胶和生物燃料[9]。大规模的柑橘加工还会产生多种副产品，如果皮（约占50-55%）、种子（20-40%）、果渣、废水，有时还有残留的精油[2]。这些废弃物约占用于加工的柑橘总湿重的50-60%[10]，全球范围内每年产生的废弃物量接近1000万吨[2]，给环境保护和废物管理带来了巨大压力。其中大部分废弃物未经进一步处理或提取有价值的生化物质就被直接丢弃。尽管有一些废弃物可通过生物化学和物理化学方法转化为精油、果胶、膳食纤维和生物燃料等有用产品[11]，但如何有效利用柑橘废弃物依然是一个重要问题。由于柑橘加工废弃物含有约95%的有机物质、较高的水分含量，且pH值在3-4之间，因此不适合直接填埋。若将其堆放在垃圾填埋场、排放到水体中或露天焚烧，都会导致环境恶化、水体富营养化以及水中氧气含量下降[12]。因此，有效利用柑橘副产品不仅有助于环境保护，也是实现可持续废物管理和资源回收的关键策略。

近年来，人们致力于通过多种方法开发柑橘废弃物的利用价值。其中最为成熟的一种方法是从柑橘废弃物中提取果胶，利用其优异的亲水胶体特性作为增稠剂、凝胶剂和稳定剂[13,14]。除了果胶，柑橘废弃物还可用于提取多种高价值的生物活性化合物和功能性物质，如橙皮苷[15]、多酚类[16,17]、精油[18,19,20]、黄酮类和类胡萝卜素[21,22]以及膳食纤维[23]。柑橘废弃物还被用于合成低聚果胶，可作为食品补充剂中的益生元[24]，还可用于生产单细胞蛋白[25]。图1展示了柑橘废弃物中存在的一些主要植物化学物质和生物活性成分。除了食品领域，柑橘废弃物目前还被用于作为木质纤维素基质培养蘑菇[26]、生产生物燃料[27]、制造包装材料[28,29]以及用于护肤品制造[30,31]。最近的研究还发现，柑橘废弃物可作为生物吸附剂，用于去除受污染水源中的铜离子和砷等重金属[32]。

尤其是来自橙子和柠檬的柑橘废弃物，含有较高的纤维素含量[12]。大多数纤维素生物聚合物存在于果皮的内层（白膜部分），并与果胶、半纤维素和木质素共存[34,35]。图2展示了柑橘废弃物中的一些主要成分。已有许多研究报道了从玉米秸秆、甘蔗渣和香蕉假茎等木质纤维素残渣中提取纤维素的方法及其特性。这些原料及其相应纤维素性质的对比信息见补充表S1。此外，根据现有文献，橙子果皮废弃物的基本组成信息见补充表S2。经过提取和改性后，纤维素及其衍生物因其可生物降解、可再生、储量丰富且物理化学性质可控，可应用于多种工业领域。除了在造纸工业中的传统用途外，基于纤维素的材料在医药领域也发挥着重要作用，可用于制作片剂粘合剂、药物递送系统的组成部分以及创面敷料[36]。它还被广泛用于化妆品、粘合剂、涂料、纺织品，以及生物塑料、生物燃料和可生物降解包装材料中[37,38]。在食品领域，纤维素被广泛用作乳化剂、稳定剂和增稠剂。此外，纤维素还可与其他生物聚合物结合，制成具有更高功能性和机械性能的复合材料[39]。纤维素的其他新兴应用还包括固态电解质、储能系统、超级电容器、柔性电子器件、刺激响应型水凝胶、3D打印和增材制造[40,41]。

通过优化提取方法，有效利用这些未被充分开发的生物质，不仅可以提高柑橘副产品的附加值，还有助于推动可持续且一体化的生物加工系统的发展。目前的许多研究往往较为零散，要么专注于提取技术，要么仅关注某些特定应用，未能明确加工条件、纤维素质量特性与最终产品功能之间的关系。阻碍柑橘衍生纤维素高效利用的主要问题包括原材料成分的差异性、缺乏标准化的提取和纯化流程、对结构-性质-功能关系的理解不足，以及关于工艺可扩展性和经济可行性的研究较少。要解决这些问题，需要采用系统化且综合性的方法，将提取技术与所需的材料功能和最终应用目标相结合。因此，本文重点强调了将柑橘加工废弃物作为可持续的高价值化合物来源的潜力，尤其关注了这种储量丰富却未被充分利用的多糖——纤维素。

**片段摘录**
**柑橘废弃物作为纤维素来源**
由于富含木质纤维素，柑橘加工废弃物是提取纤维素的优质原料。在各类柑橘残渣中，甘蔗渣和果皮含有丰富的碳水化合物，其纤维素含量因成熟度、柑橘品种及加工条件的不同而有所差异[12]。与其他传统的木质纤维素原料类似，柑橘废弃物也含有大量的纤维素和半纤维素，且木质素含量较低，这有利于纤维素的提取。

**从柑橘废弃物中分离和提取纤维素**
从柑橘废弃物中分离和提取纤维素的过程，包括果皮、果肉残渣以及柑橘果段膜（内果皮膜）的提取，首先需要进行机械预处理。这些预处理步骤能够增加材料的表面积，破坏复杂的结构，从而为后续的化学、酶法及绿色提取方法创造更有利的条件[45]。图S1展示了几种常见的纤维素提取方法。

**提取方法对纤维素质量特性的影响**
纤维素是一种结构独特的生物聚合物，由于其独特的分子结构及分子间相互作用，具有极高的稳定性。由于聚合物链之间存在大量的氢键，加之其半结晶结构，纤维素不溶于水。纤维素包含无定形区域和结晶区域，其中结晶区域赋予材料机械稳定性、抗拉强度以及抗水解能力，而无定形区域则更易于进行化学修饰。

**食品工业中的应用**
由于具有保水能力强、可生物降解以及与其他成分相容性好等优点，从柑橘废弃物中提取的纤维素在食品工业中被广泛使用[45,55,70,[86], [87], [88], [89]]。图7展示了从柑橘废弃物中提取的纤维素在食品工业中的多种应用。

**未来展望**
尽管柑橘加工废弃物具有作为可持续纤维素来源的巨大潜力，但在大规模应用之前，仍需解决诸多技术、科学和系统性问题。其中，标准化表征方法和报告框架尤为重要。目前，关于纯度、聚合度、结晶度以及纤维素得率等性质的测量和报告方式存在较大差异。

**结论**
本文揭示了柑橘废弃物作为一种极具潜力但尚未得到充分开发的原料，在可持续生产纤维素和纳米纤维素方面的应用价值。其良好的组成特性，如较低的木质素含量和较高的纤维素含量，为在循环生物经济体系中实现可再生材料供应和生物能源生产提供了可能。通过对现有文献的全面分析可以看出，柑橘残渣具备理想的组成条件，有助于实现纤维素的高效提取。

**作者贡献**
普拉莫德·谢拉克：概念设计、研究方法、数据可视化、软件应用、结果验证、初稿撰写及修订；尼莎·苏拉克赫、斯瓦拉吉亚·拉克希米·纳亚克、莫妮卡·雷迪、穆苏米·萨巴特、纳文·乔斯：研究方法设计、结果验证、初稿撰写及修订。

**资金声明**
作者衷心感谢印度农业研究委员会（ICAR）为本研究提供的财政支持。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突。