《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Cardoon Stalk Fibre as a Sustainable Lignocellulosic Resource: Assessment of Cytotoxicity and Fungal Colonisation
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商业加工的菜蓟茎纤维经物理化学表征，其木质纤维素组成与棉参照纤维明显不同，菜蓟纤维的真菌定植水平低于棉纤维（p < 0.0001），且在本研究测试条件下未表现出细胞毒性效应。
商业加工的菜蓟茎纤维经物理化学表征，其木质纤维素组成与棉参照纤维明显不同，菜蓟纤维的真菌定植水平低于棉纤维（p < 0.0001），且在本研究测试条件下未表现出细胞毒性效应。
**菜蓟茎纤维作为可持续木质纤维素资源：细胞毒性与真菌定植评估**
**1. 研究背景与目的**
纺织工业是全球资源消耗最大、环境影响最显著的行业之一，其纤维生产、染色及整理工序大量消耗水、能源与化学品，同时产生温室气体与固体废物。合成纤维依赖不可再生化石资源，而天然纤维如棉花则需巨额土地、灌溉及农用投入，尤其是棉花种植对水资源和气候条件高度敏感，并引发粮棉争地问题。在此背景下，循环经济与农林残余物高值化利用成为重要方向。木质纤维素纤维因可生物降解、低密度和可再生性而受到广泛关注，但其在纺织应用中的推广仍受制于纤维形态变异、化学成分波动、提取工艺差异以及木质素、半纤维素等非纤维素组分的存在。菜蓟（Cynara cardunculus L.）是一种起源于地中海地区的多年生作物，其花用于奶酪凝乳，种子用于榨油与生物能源，而茎秆作为农业残余物产量巨大，是一种尚未充分利用的潜在纤维原料。已有研究关注菜蓟生物质的化学组成与产率，但对于商业化加工菜蓟茎纤维的综合性物理化学和生物学特性表征仍十分有限。本研究旨在对商业供应的菜蓟茎纤维进行形态、化学、细胞毒性及真菌定植分析，评估其作为可持续木质纤维素材料的初步适用性，并填补相关研究空白。
**2. 材料与方法概要**
研究使用了由Tearfil – Indústria Têxtil S.A.（葡萄牙吉马良斯）供给的商业加工菜蓟茎纤维和棉纤维，菜蓟纤维产自葡萄牙维塞乌地区，棉纤维产自西班牙，均为预加工纺织原料，未作额外处理，仅进行灭菌。主要关键技术包括：依据ISO 10993-5和ISO 10993-12，采用MTT比色法评估L929小鼠成纤维细胞对纤维浸提液的细胞活性；依据ISO 13629-2:2014，以黑曲霉（Aspergillus niger MUM 9235）为模式菌株，进行孢子计数法抗真菌测试和2天、7天生物膜形成试验；采用SEM观察纤维表面形态及真菌附着，采用ATR-FTIR分析化学组成；并参照ASTM D3822和ISO 7211-5测定纤维长度、直径、线密度和拉伸强度。
**3. 研究结果**
**3.1 纤维细胞毒性评价**
根据MTT法检测结果，棉纤维和菜蓟纤维的浸提液均未使L929细胞活力显著下降，细胞活力均在ISO 10993-5规定的70%阈值以上，且细胞形态与阴性对照组相似，显示长梭形、贴壁生长；阳性对照组则出现细胞皱缩、脱落。由此表明，在测试条件下，两种纤维均无细胞毒性，初步支持菜蓟纤维在皮肤接触类纺织应用中的生物相容性潜力。
**3.2 纤维真菌载量评价**
通过ISO 13629-2方法，以黑曲霉孢子计数定量真菌生长，发现棉纤维上的真菌定植显著高于菜蓟纤维（p < 0.0001）。菜蓟纤维的抗真菌活性值为1.23，依据标准属于“轻微抑制”效应，表明其不具强抗真菌性，但能略微降低真菌增殖。进一步在2天和7天的生物膜试验中，棉纤维的孢子浓度始终略高于菜蓟纤维，虽然差异小于0.5 log??，但趋势一致。研究认为这种差异与菜蓟纤维中木质素、蜡质和酚类化合物等非纤维素成分有关，它们可能部分限制真菌附着和酶解接触。然而，两种纤维在7天后仍出现明显增殖，说明均支持真菌长期定植，纤维耐久性和生物降解行为需进一步考量。
**3.3 纤维表征**
物理机械参数显示，菜蓟纤维平均长度19.64 cm，线密度52.19 tex，直径246.05 μm，远大于棉纤维（分别为2.65 cm、0.15 tex、16.1 μm），而拉伸强度（151.81 MPa）低于棉纤维（357.0 MPa）。菜蓟纤维表现出粗大、异质的形态，这与木质纤维素韧皮纤维（如大麻、亚麻、黄麻）的特征类似，但其直径和线密度偏高，拉伸强度偏低，反映出其较高的木质素含量及较低的精练程度。棉纤维则因高结晶度纤维素和低非纤维素含量而表现出更均匀和更高强度。
**3.3.1 扫描电子显微镜分析**
SEM图像显示，棉纤维具有典型的天然卷曲、扁平带状结构和表面扭转，而菜蓟纤维表面粗糙、不规则，沿长度方向可见明显纵向沟壑和附着残余物，这可能源于木质素、半纤维素、蜡质或提取残留。黑曲霉生物膜培养48小时后，SEM可见真菌孢子、菌丝在两种纤维表面附着并交织成三维网络，形成典型生物膜结构，但未观察到明显的表面降解或纤维断裂，表明早期定植以附着为主。
**3.3.2 傅里叶变换红外光谱分析**
FTIR光谱显示两种纤维均呈现纤维素特征吸收带：O-H伸缩振动（3330–3260 cm?1）、C-H伸缩振动（2900–2700 cm?1）及C-O-C多糖振动（约1000 cm?1）。菜蓟纤维额外出现约1730 cm?1的C=O酯羰基峰，归属于果胶或半纤维素，以及约1500 cm?1的芳香环振动峰和约900 cm?1的苯环峰，证实其含有木质素和半纤维素。经黑曲霉处理后，两种纤维在1650 cm?1和1540 cm?1附近出现酰胺相关吸收峰，指示真菌蛋白质或生物膜有机成分。棉纤维的纤维素相关峰强度下降较明显，而菜蓟纤维的木质素相关峰仍较显著，提示木质素可能部分保护纤维素免受酶解。
**4. 讨论与结论**
讨论部分指出，菜蓟纤维无细胞毒性且真菌定植略低于棉纤维，这可能与其含有木质素、蜡质和酚类化合物有关。然而其粗大的直径、高线密度和较低的拉伸强度使其暂时不适合替代棉纤维用于精细纺织产品，但可考虑与其他纤维混纺或用于技术纺织品。研究认为，菜蓟纤维作为农业残余物来源的木质纤维素原料，具有循环生物经济意义。在本研究条件下，菜蓟纤维较棉纤维表现出稍低的真菌敏感性，但两者均支持真菌生长；化学和形态分析证实了菜蓟纤维的木质纤维素本质，真菌暴露可引起可检测的化学变化，但未观察到严重降解。结论翻译如下：本研究对商业供应的菜蓟（Cynara cardunculus L.）茎纤维进行了初步物理化学与生物学表征，为该源自农业工业残余物的未充分开发木质纤维素材料提供了基线数据。形态和化学分析显示，菜蓟纤维与棉纤维在结构、组成、线密度和力学行为上存在显著差异，主要归因于菜蓟纤维中木质素及其他非纤维素成分的存在。生物学检测表明，菜蓟纤维在测试条件下未表现出细胞毒性，并在暴露于黑曲霉时表现出与棉纤维相当的真菌定植行为。FTIR分析提示真菌暴露引起了与木质纤维素降解相关的化学改变，SEM确认了真菌生物膜在表面定植。这些发现并不支持菜蓟纤维直接替代棉花，但表明其作为纤维混纺和技术纺织应用的补充生物基材料具有潜在价值，尽管在推广前需进一步加工优化。特别是，其粗大形态、纤维尺寸多变和较低拉伸性能可能限制其在精细纺织系统中直接使用。然而，本研究拓展了对商业加工菜蓟纤维性能的认识，支持在循环生物经济框架下更广泛利用农业残余物。未来研究应扩大样本量，开展纱线级测试、提取优化、纤维处理、可纺性、混纺性能、长期耐久性和生命周期影响评估，以更好地判断菜蓟纤维在工业应用中的可行性。
