香蕉皮废弃物中纳米纤维素的工艺优化、性能表征及技术经济分析（TEA）

时间：2026年1月30日

来源：Bioresource Technology Reports

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香蕉皮纳米纤维素（NC）提取工艺优化及经济性研究。采用响应面法-Box-Behnken设计优化酸浓度（20%）、水解时间（30min）、温度（50℃），实现NC产率达84.07±1.60%。FTIR和SEM证实非纤维素成分有效去除，纳米纤维素平均粒径36.5nm，zeta电位-77±23.4mV。热分析显示NC热稳定性较纯纤维素略低。 techno-economic分析表明工业化生产成本效益可行，每公斤NC售价需达$9.39。

马尔洪·C·阿尔瓦拉多（Marjun C. Alvarado）|克里斯蒂娜·康塞普西翁·D·伊格纳西奥（Ma. Cristine Concepcion D. Ignacio）|卡米尔·G·阿卡巴尔（Ma. Camille G. Acabal）|凯文·F·亚普滕科（Kevin F. Yaptenco）

菲律宾大学洛斯巴尼奥斯分校（University of the Philippines-Los Baños）工程与农业工业技术学院（College of Engineering and Agro-industrial Technology）农业食品与生物工艺工程系（Agricultural Food and Bioprocess Engineering Division），拉古纳省巴通马拉克校区（College Batong Malake），4031，菲律宾

摘要

纳米纤维素（NC）是一种可再生纳米材料，因其高强度、可生物降解性和在包装及生物复合材料中的广泛应用而受到重视。香蕉皮作为一种丰富的农业废弃物，为纳米纤维素的生产提供了可持续的原料。本研究通过基于Box–Behnken设计（BBD）的响应面方法（RSM）评估了酸浓度、水解时间和温度对纳米纤维素提取的影响，从而优化了提取工艺。最佳条件为酸浓度20%（体积比），水解时间30分钟，温度50°C，纯化后的纤维素干重基纳米纤维素产率为83.73%。实验验证结果显示产率为84.07%±1.60%，预测误差低至0.41%。方差分析（ANOVA）在95%的置信水平上确认了所有因素的统计显著性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，从香蕉皮粉末到纳米纤维素的过程中，纤维素相关峰逐渐增强（800–1800 cm⁻¹）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，水解后纤维表面更加光滑，说明非纤维素成分已被有效去除。所制备的纳米纤维素具有单峰粒径分布，平均直径为36.5±13.6纳米，并具有较高的胶体稳定性，ζ电位可达−77±23.4 mV。热重分析显示，纳米纤维素的热稳定性略低于纤维素（285.3°C vs 292°C），这可能是由于水解过程中引入了硫酸基团所致。技术经济分析估计，对于年产量为1000公斤的工厂，产品的最低售价为9.39美元/公斤，其中电力和设备成本是主要成本因素。总体而言，香蕉皮废弃物被证明是一种经济可行且具有巨大工业潜力的纳米纤维素来源。

引言

香蕉是全球消费最广泛的水果之一，以其营养价值和多功能性而闻名。作为一种主食和重要的农产品，香蕉在许多地区尤其是热带和亚热带地区大量生产。2021年全球香蕉产量约为1.25亿吨（MMT），自2010年以来呈现稳定增长趋势（Statista，2023a）。亚洲是最大的生产地区，产量约占6800万吨，其次是非洲（2300万吨）、南美洲（1900万吨）和中美洲（1000万吨）（Statista，2023b）。在菲律宾，当年的香蕉产量约为901万吨，略低于上一年的910万吨（Statista，2023c）。然而，预计未来几年香蕉市场将迎来显著增长，主要受消费者偏好和趋势变化推动。香蕉可以鲜食或加工成各种产品，包括薯片、干果、面包、冰淇淋、冰沙、面粉和功能性食品成分（Al-Dairi等人，2023）。在香蕉加工工业中，会产生大量副产品，如香蕉皮，香蕉皮通常占水果总重量的35–50%（Gomes等人，2020）。

目前处理香蕉皮废弃物的主要方法是填埋（Bishnoi等人，2023），即将其埋藏在指定区域。这种方法不仅增加了处理和处置的成本，还需要大量土地。此外，如果管理不当，填埋会导致各种环境和健康问题，如土壤污染和有害气体的释放（Leong和Chang，2022）。这种做法远非可持续，因为它加剧了土地资源的消耗，对有机废弃物的环境影响甚微（Alvarado，2023；Gamay等人，2024）。采用循环经济模式可以更可持续和创新地利用香蕉皮废弃物，将其从负担转化为宝贵资源。这包括通过多种技术重新利用香蕉皮，例如生产纤维素和纳米纤维素。这种循环方法不仅减少了香蕉皮废弃物的环境影响，还为可持续经济发展创造了机会。

通常，香蕉皮废弃物含有多种化学成分和木质纤维素成分，可用于多种用途。根据品种和提取方法的不同，香蕉皮的化学组成包括粗蛋白（5.5–7.87%）、脂质（2.24–11.6%）、灰分（9–11%）、碳水化合物（59.51–76.58%）和膳食纤维（47–53%）（Zaini等人，2023）。这些成分使香蕉皮成为有价值的营养素和生物活性化合物的来源。就木质纤维素成分而言，香蕉皮含有半纤维素（17–20%）、纤维素（18–59%）、果胶（10–20%）和木质素（18.4%）（Pereira等人，2021；Zaini等人，2023）。这些特性使香蕉皮成为多种生物技术应用的理想材料，如纤维素提取。纤维素是一种天然存在的生物材料，储量丰富、易于再生且可生物降解（Manoukian等人，2019）。基于纤维素的材料已被广泛应用于各种工程和跨学科领域（Jesionowski等人，2023），包括生物医学（Gopi等人，2019；Moniri等人，2017；Picheth等人，2017）、食品（Nath等人，2023）和包装行业（Han等人，2024）。纤维素还可以进一步加工成纳米纤维素，分为纤维素纳米晶体（CNC）、纤维素纳米纤维（CNF）和细菌纳米纤维素（BNC）。纳米纤维素因其优异的性能而受到广泛研究关注，例如高弹性模量（110–220 GPa）、拉伸强度（7.5–7.7 GPa）、可调的纵横比、大的比表面积、易于表面功能化、可调控的结晶度以及优异的化学稳定性（Khalid等人，2021）。

虽然纳米纤维素可以通过机械方法、酸水解和细菌生物合成提取，但由于其简单性和高效性，酸水解仍是提取纳米纤维素的最常用方法。许多研究已经证明了使用酸水解从香蕉皮中提取纳米纤维素的有效性（Harini等人，2018；Mishra等人，2023；Pelissari等人，2014；Putri等人，2023；Sharif Hossain等人，2016；Tibolla等人，2018）。尽管这种方法能有效且选择性地水解纤维素纤维中的无定形区域，但需注意，纳米纤维素的产率受三个关键因素显著影响：（1）酸浓度，（2）反应时间，（3）反应温度。尽管存在多种酸水解提取纳米纤维素的方法，但目前尚无针对香蕉皮的优化方案。

随着对可持续材料需求的增加，预计将有更多企业进入市场，现有公司也可能扩大其纳米纤维素产品的范围（Penloglou等人，2023）。de Assis等人（2017）强调了通过深入的技术经济分析了解纳米纤维素提取过程经济性的重要性，以实现商业化。技术经济分析（TEA）是确定特定产品最佳工艺路线和建立各种运营指标最低基准的宝贵工具。该过程用于进行工艺设计和模拟，结合实证数据计算商业规模生物精炼厂的资本成本、运营成本、物料平衡和能量平衡（Scown等人，2021）。这种方法使我们能够在工业规模实施纳米纤维素提取之前评估其投资回报潜力。

因此，本研究确定了从塔古姆农业开发公司（Tagum Agricultural Development Company, Inc.，TADECO）香蕉种植园获得的香蕉皮中分离纳米纤维素的最佳工艺条件。为了评估这些方法的经济可行性，本研究进一步探讨了该工艺在工业规模上的技术经济可行性。这项研究展示了从香蕉皮废弃物中生产经济可行且环保的纳米纤维素产品的最佳方法的经济效益，这是将纳米纤维素制造从研发阶段推向商业化的重要一步。

材料与方法

实验所用原材料（香蕉皮）由塔古姆农业开发公司（TADECO）提供。实验中使用的化学品包括纯度为98%的工业级氢氧化钠（NaOH）、纯度为100%的分析级冰醋酸（CH₃COOH）以及纯度为98%的硫酸（H₂SO₄）。

实验设计

采用响应面方法（RSM）研究了工艺变量（A：酸浓度，B：反应时间，C：反应温度）对水解过程的影响，以探讨纳米纤维素产量与这些变量之间的相关性。表3总结了RSM-BBD矩阵的完整实验设计以及实验和预测产量。实验编号2、13和1的纳米纤维素产量最高，分别为88.56±1.27%。

结论与未来工作

通过RSM-BBD优化得到的硫酸水解参数从香蕉皮废弃物中提取纳米纤维素的预测产率为83.72%，实验验证结果为84.07%±1.60%，最佳条件为酸浓度20%、反应时间30分钟、温度50°C。傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDX）分析证实非纤维素成分已被去除，生成的纳米纤维素主要由碳和氧组成，平均粒径为36.5纳米，稳定性良好（ζ电位：分散后为−51至−77 mV）。

CRediT作者贡献声明

马尔洪·C·阿尔瓦拉多（Marjun C. Alvarado）：撰写 – 审稿与编辑，撰写初稿，数据可视化，方法验证，调查，形式分析，数据管理，概念构建。 克里斯蒂娜·康塞普西翁·D·伊格纳西奥（Ma. Cristine Concepcion D. Ignacio）：验证，监督，方法指导。 卡米尔·G·阿卡巴尔（Ma. Camille G. Acabal）：验证，监督，方法指导。 凯文·F·亚普滕科（Kevin F. Yaptenco）：验证，监督，方法指导，概念构建。