利用过氧柠檬酸通过单步工艺从椰壳中分离纤维素

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利用过氧柠檬酸通过单步工艺从椰壳中分离纤维素

时间：2026年2月8日

来源：Journal of the Indian Chemical Society

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椰子壳纤维素通过水过氧-柠檬酸单步提取优化，20%浓度得率82.38%，XRD显示结晶指数45.79%，SEM证实高浓度致密化，热分析表明热稳定性提升，验证了环保高效提取方法。

Alyaa Farrah Dibha | Masruri Masruri | Anna Safitri | Firda Aulya Syamani

印度尼西亚东爪哇省玛琅市Veteran街65145号Brawijaya大学化学系

摘要

农业废弃物，特别是椰壳，是一种丰富但未得到充分利用的木质纤维素生物质来源，尤其是在热带地区。本研究介绍了一种新型的、一步法、无卤素的方法，利用过氧化氢柠檬酸（HPCA）从椰壳中分离纤维素，这种方法是一种可持续的替代传统苛刻化学工艺的方法。在不同浓度的HPCA（20%-100%）下分离出的纤维素进行了全面表征。结果表明，在20% HPCA浓度下获得了最高的纤维素产量（82.38%）。XRD分析显示，所得纤维素的结晶度为45.79%，晶粒大小为5.40纳米。FTIR分析证实所有浓度下的木质素和半纤维素均被有效去除，这从纤维素中未检测到C=C官能团可以得到证明。SEM图像显示，随着HPCA浓度的增加，纤维素从完整的纤维结构转变为更加均匀、致密且孔隙率较低的形态。对椰壳及其纤维素的热分析表明：椰壳在约90°C时开始失重，失重率分别为8.5%和7%；进一步分析显示椰壳和纤维素在200°C时开始降解，其中纤维素的降解温度高于椰壳（346°C）。DSC结果显示纤维素的吸热峰值为-59.72 J/g，证实了其天然纤维素的特性；DMA分析进一步确认了其粘弹性。本研究验证了HPCA方法在可持续纤维素分离中的有效性。此外，分离出的纤维素可用作生物复合材料的填充剂。

引言

农业废弃物是一种天然的生物质来源，可用于生产工业产品。农业废弃物包括未利用的植物成分，如茎、叶、壳、树皮和荚果，是全球范围内丰富、低成本且易于获取的木质纤维素生物质来源。全球每年产生数百万吨此类废弃物，为木质纤维素生物质提供了丰富的、低成本的资源。

印度尼西亚是全球最大的椰子生产国，年产量超过155亿个椰子，占全球总量的约28%。虽然这带来了巨大的农业生产价值，但也产生了大量废弃物：1880万吨椰壳和330万吨椰糠。遗憾的是，这些废弃物大多未被有效利用。椰壳富含多种有价值的成分，包括木质素（45.84%）、纤维素（43.44%）、水分（5.25%）和半纤维素（0.25%）。因此可以从椰壳中分离出纤维素，并因其生物相容性、可生物降解性和环保性等特性而广泛应用于工业、食品包装、医疗工具和设备材料等领域。

传统上，纤维素的分离过程涉及碱性反应和漂白步骤，通常使用高浓度碱液（如NaOH）去除木质素；同时使用次氯酸钠或氯酸钠等含氯化合物进行纤维素纯化。然而，漂白过程耗时较长且能耗较高。此外，碱性和漂白反应产生的气体和化学物质可能对环境造成负面影响。为此，本研究采用柠檬酸替代了传统方法。

柠檬酸是一种天然有机多羧酸，在食品、制药和化工行业中广泛应用。它还可以用于木质纤维素材料的水解，生成纳米级材料；同时能与过氧化氢和醋酸反应生成过酸化合物（如过氧化氢-醋酸HPAA），这类化合物具有强氧化性。

过氧化氢柠檬酸（HPCA）可通过过氧化氢与柠檬酸在酸性溶液中的反应制备。在该反应中，过氧化氢作为亲核试剂攻击羰基碳，生成过氧羧酸。HPCA能有效断裂木质素中的β-芳基醚键和碳水化合物中的糖苷键，使木质素氧化分解为水溶性小分子。除了HPCA方法外，还有过氧乙酸（HPAA）方法，也是一种用于从木质纤维素生物质中分离纤维素的氧化剂。HPCA和HPAA均为“绿色”方法，可一步完成纤维素分离。研究表明，HPCA在分离姜茎等材料时表现出良好效果；吴等人在不同温度条件下使用HPCA方法从苎麻茎中成功分离出纤维素，并发现纤维素结晶度随温度升高而提高。本研究通过不同浓度的柠檬酸探索了最有效的纤维素分离条件。

尽管传统上常用碱性方法和漂白法从椰壳中分离纤维素，但关于使用HPCA方法的研究较少。因此，本研究旨在通过改变柠檬酸浓度来实现一步法分离椰壳中的纤维素，该方法不含卤素化合物。分离出的纤维素将通过多种技术进行表征，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团和化合物结构、热解-气相色谱-质谱（Py-GC-MS）鉴定化合物、X射线衍射（XRD）分析结晶度、扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构，以及热分析（TGA、DSC、DMA）。

材料

实验所用椰壳来自印度尼西亚西爪哇省Sukabumi地区，经粉碎后通过80目筛网过滤，并在室温下储存备用。过氧化氢（50 wt%）、一水合柠檬酸和95-97 wt%硫酸购自Supelco公司，无需进一步纯化即可使用。

方法

a. 纤维素分离椰壳中纤维素的分离过程如图1所示。柠檬酸分别配制成20% w/v、40% w/v、60% w/v、80% w/v和100% w/v的浓度。

椰壳及分离出的固体残渣的化学组成与纤维素产量

椰壳主要由α-纤维素、木质素和全纤维素组成。全纤维素占生物量的65-85%，其中包含20-30%的半纤维素、30%的纤维素和5-30%的果胶。表2展示了椰壳的化学组成。分析结果显示，椰壳粉中的α-纤维素含量为36.93%，与以往研究中的结果（40.7%）相近。较高的α-纤维素含量有助于提高纤维素产量。

结论

本研究成功开发了一种一步法、无卤素的纤维素分离方法，使用过氧化氢柠檬酸（HPCA）从椰壳中分离纤维素，该方法比传统方法更环保。由于不使用卤素化合物，属于“绿色”工艺，且仅需一步即可完成纤维素分离。主要成果是获得了较高的纤维素产量。

作者贡献声明

Firda Aulya Syamani：撰写、审稿与编辑、数据验证、项目监督、资源管理、方法设计、实验设计、资金申请、数据整理、概念构思。 Anna Safitri：撰写、审稿与编辑、数据验证、项目监督、资源管理、方法设计、实验设计、数据整理、概念构思。 Masruri Masruri：撰写、审稿与编辑、数据验证、项目监督、资源管理、方法设计、实验设计、数据整理。