可持续地利用Durangensis龙舌兰叶提取微晶纤维素，用于增强海藻酸钠薄膜的性能：从循环生物经济的角度看梅斯卡尔酒产业

《International Journal of Biological Macromolecules》：Sustainable valorization of Agave durangensis leaves into microcrystalline cellulose for reinforcing sodium alginate films: A circular bioeconomy perspective for the mezcal industry

龙舌兰叶废弃物经碱性过氧化氢处理提取微结晶纤维素（MCC），可有效增强海藻酸钠（SA）基薄膜的机械性能和阻湿性，1% MCC负载时薄膜拉伸强度提升13.3%，同时降低水蒸气渗透率9.8%。该研究为mezcal工业副产物高值化利用提供了新方案，符合循环经济理念。

　　

奥兰多·A·曼萨纳雷斯-梅萨（Orlando A. Manzanares-Meza）|安娜·M·阿维拉-加尔万（Ana M. Avila-Galván）|赫克托·A·鲁伊斯（Héctor A. Ruiz）|布兰卡·伊丽莎白·莫拉莱斯-康特雷拉斯（Blanca Elizabeth Morales-Contreras）|玛丽亚·伊内斯·格拉-罗萨斯（María Inés Guerra-Rosas）|沃尔弗雷德·罗萨斯-弗洛雷斯（Walfred Rosas-Flores）|塞尔吉奥·A·加林多-罗德里格斯（Sergio A. Galindo-Rodríguez）|弗兰克·E·梅伦德斯·安苏雷斯（Frank E. Meléndez Anzures）|恩里克·M·洛佩兹-奎利亚尔（Enrique M. López-Cuellar）|胡利安娜·莫拉莱斯-卡斯特罗（Juliana Morales-Castro）

墨西哥国立技术大学，杜兰戈技术学院，化学与生物技术工程系，Felipe Pescador 1803号，新维斯卡亚州，34080，杜兰戈，杜兰戈，墨西哥

摘要

龙舌兰酒行业在生产过程中会产生大量的木质纤维素（LC）废弃物，尽管这些废弃物含有宝贵的纤维素、半纤维素和木质素，但仍未得到充分利用。纤维素是地球上最丰富的多糖，具有巨大的可持续材料开发潜力。在食品包装领域，基于生物聚合物的薄膜虽然可生物降解，但其性能往往低于合成聚合物。通过添加微晶纤维素（MCC）等增强剂可以克服这一局限性。本研究证明，Agave durangensis叶片是MCC的宝贵来源，可用于增强海藻酸钠（SA）薄膜的性能，从而在循环经济框架内实现龙舌兰酒废弃物的价值转化。实验评估了将1%、5%和10%的MCC（从废弃的Agave durangensis叶片中提取）加入甘油增塑的SA薄膜中的效果。MCC是通过碱性过氧化物法制浆工艺获得的，无需酸水解，所得纤维富含纤维素，具有典型的FTIR特征，结晶度指数（CrI）为76.6±0.9%，最大降解温度（Tmax）为334.9℃。对照组薄膜表面光滑无裂纹，其拉伸强度（TS）、杨氏模量（YM）、断裂伸长率（EAB）和水蒸气透过率（WVP）分别为30.26±1.28 MPa、1575.43±122.59 MPa、2.45±0.32%和60.6±1.5 g mm/m2·day·kPa。MCC的添加改变了薄膜的物理化学性质：较高浓度时表面变得粗糙，出现裂纹且纤维聚集。1% MCC添加时TS提高了13.3%，但更高浓度则降低了TS、YM和EAB。含有5%和10% MCC的薄膜WVP显著增加，而1% MCC添加则降低了这一性能。

引言

如今，由于现代社会对食品包装的广泛需求，食品工业是全球合成聚合物的主要消费领域。合成聚合物因其优异的性能和在各种环境中的耐用性成为制造食品包装的首选材料；然而，由于降解速度极慢，它们也成为主要的环境污染物[1]。因此，全球环境意识的提高为天然聚合物提供了机会，使其成为生产先进可降解食品包装材料的潜在替代品[2]。

在这方面，已有许多生物聚合物被研究作为成膜剂，如酪蛋白、面筋、玉米蛋白、大豆蛋白、乳清蛋白、壳聚糖、果胶和海藻酸盐等，这些物质可用于减轻塑料污染[1][2]。海藻酸盐是一种天然存在的多糖，主要存在于棕色海洋藻类中，通常用氢氧化钠（NaOH）从多种棕色海藻中提取，包括Macrocystis pyrifera、Ascophyllum nodosum和不同种类的Laminaria。这种结构多糖是一种无分支的嵌段共聚物，由古洛糖酸（G）和甘露糖酸（M）单元组成，不同来源的分子比例各异[3][4]。

除了丰富的资源、生物相容性和无毒特性外，海藻酸盐出色的成膜能力及其薄膜的透明性使其在生物技术和食品工业中具有很高的价值[5]。然而，由于其天然来源，海藻酸盐基薄膜容易受到环境条件的影响，导致物理性能较弱[5][6]，通常缺乏所需的机械性能[7]。通过在薄膜配方中添加MCC可以克服这些限制，因为MCC的结晶度和耐热性提高，从而提升薄膜的机械性能和耐用性[8]。

龙舌兰酒和龙舌兰烈酒在墨西哥具有深远的文化和经济意义，如今因其迷人的感官特性和品质而享誉国际。2023年，龙舌兰酒产量达到1200万升[9]，而龙舌兰酒的产量达到了惊人的5.99亿升[10]，使用了260万吨Agave原料[11]。这些数字显示，从2020年到2023年，龙舌兰酒和龙舌兰烈酒的产量分别增长了80.5%和56%。值得注意的是，Agave durangensis是仅次于Agave angustifolia的第二大龙舌兰酒生产品种[9]。然而，Agave加工量的增加也带来了废物的增加。这些酒类的生产主要依赖于茎部，因为茎部含有可发酵的糖分。在收割过程中，Agave叶片会被去除，仅保留茎部用于发酵和蒸馏[12]。

值得注意的是，成熟期的Agave叶片可占植物总重量的50%[13]。尽管这些叶片富含有价值的化合物且具有经济潜力，但它们大多未被充分利用，通常被视为废弃物[14]。实际上，Agave叶片是开发可持续产品和促进龙舌兰酒、龙舌兰烈酒产业经济增长的宝贵资源。此外，全球其他地区种植的Agave也有广泛的潜在应用价值，可对现代社会产生积极影响。可持续管理这些植物的叶片有助于减少环境影响，并通过循环经济原则实现农业废弃物的再利用[15]。基于Agave生物质的创新产品可以减少现代社会对化石资源的依赖，有助于减少碳排放，同时提供支持可持续经济增长的替代方案[16]。

Agave植物的纤维具有高刚性、硬度和延展性等优良特性，可作为复合材料的增强成分[17]。这些纤维属于木质纤维素废弃物，因为其成分包括木质素、半纤维素和纤维素等生物化合物[18]。其中，纤维素是最有价值的成分，因为它是地球上最丰富的多糖。纤维素是一种均聚物，在植物细胞壁中起支撑和弹性作用。其结构由通过β-(1–4)糖苷键连接的d-葡萄糖分子组成，形成数千个葡萄糖单元的长链。在生物合成过程中，这些分子通过氢键和范德华力与邻近分子相互作用，导致纤维素链的堆积，进而形成纤维素微纤维[19]。

纤维素微纤维有两种常见的结构区域：无定形区和结晶区。当这些相互作用高度有序时，会形成密集的结晶三维结构；而无序的堆积则形成无定形区[20]。这些有机纤维具有生物降解性和可再生性，且在物理和化学改性方面具有巨大潜力，推动了相关研究和开发工作[19]。MCC是一种纯化的纤维素形式，具有更高的结晶度和更好的热稳定性，可用于多种工业应用，如粘合剂、吸附剂、稳定剂、乳化剂和生物聚合物薄膜增强剂[8][21][22]。

传统的MCC制备工艺包括对木质纤维素纤维进行预处理（脱木质素/碱性水解和漂白），随后使用矿物酸进行酸水解[21]。虽然这些方法能获得高结晶度和热稳定性的MCC[22]，但强矿物酸的使用会带来环境问题，如腐蚀性和危险废物产生[23]。相比之下，低环境影响的碱性过氧化物处理方法无需酸水解即可获得具有相似性能的MCC[22][24]。最近的研究利用多种化学方法从不同农业废弃物中制备了不同结晶度的MCC，并证明了MCC对生物聚合物薄膜物理性能的增强效果[25]。

尽管科学界不断努力，Agave durangensis叶片作为MCC原料仍未得到充分研究，尽管其资源丰富且在龙舌兰酒行业中利用率低。以往将MCC加入SA薄膜的研究主要关注其他木质纤维素原料，如落叶[28]、桑树[5]和桦木浆[35]。据我们所知，尚无研究系统评估过A. durangensis叶片提取的MCC对SA薄膜性能的影响。因此，本研究通过两项关键贡献填补了这一空白：（i）采用温和低影响的碱性过氧化物处理方法从A. durangensis叶片中提取并表征MCC，有效去除非纤维素成分；（ii）系统评估MCC对SA薄膜物理、化学、结构和水蒸气阻隔性能的影响。这些成果将本研究置于循环经济框架内，展示了龙舌兰酒产业废弃物在开发可持续材料方面的应用潜力。

原材料

Agave durangensis叶片由墨西哥杜兰戈省Nombre de Dios地区的当地龙舌兰酒厂提供。化学试剂从商业供应商处购买：NaOH（95% w%）、H₂O₂（35% w/v）、H₂SO₄（95% w/v）、乙醇（96% w/v）和甘油（99.5% w%），海藻酸钠则从Sigma Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）购买。实验过程如下：

纤维的产率和化学组成

本研究获得的MCC产率为33.03±1.46%，通过顺序脱木质素和漂白步骤实现。这些处理显著提高了提取物、木质素和半纤维素的溶解度，导致质量大幅减少。与其他类似碱性过氧化物处理方法（未经最终酸水解）相比，本研究的产率处于较低范围（25.6–54.5%）[26]。

结论

本研究从Agave durangensis叶片中提取了MCC，并成功将其加入甘油增塑的SA薄膜中。在评估的配方中，1% MCC的添加效果最佳，显著提高了薄膜的紫外线阻隔性能和拉伸强度，同时降低了水蒸气透过率和水蒸气渗透率。然而，较高浓度的MCC会导致微观结构不连续性和颗粒聚集，从而影响机械性能

作者贡献声明

奥兰多·A·曼萨纳雷斯-梅萨（Orlando A. Manzanares-Meza）：撰写初稿、数据可视化、研究设计、概念构思。安娜·M·阿维拉-加尔万（Ana M. Avila-Galván）：撰写、审稿与编辑、数据管理。赫克托·A·鲁伊斯（Héctor A. Ruiz）：撰写、审稿与编辑、指导、概念构思。布兰卡·伊丽莎白·莫拉莱斯-康特雷拉斯（Blanca Elizabeth Morales-Contreras）：撰写、审稿与编辑、指导、方法设计。玛丽亚·伊内斯·格拉-罗萨斯（María Inés Guerra-Rosas）：撰写、审稿与编辑、指导。沃尔弗雷德·罗萨斯-弗洛雷斯（Walfred Rosas-Flores）：撰写、审稿与编辑、指导、研究、数据分析

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文时，主要作者使用了chatGPT/OpenAI工具来修正语法错误、减少文字量并管理参考文献列表。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者奥兰多·A·曼萨纳雷斯-梅萨（Orlando A. Manzanares-Meza）感谢科阿韦拉自治大学生物精炼小组的罗莎·M·罗德里格斯-哈索（Rosa M. Rodríguez-Jasso）博士在HPLC系统中的样品分析方面的持续支持和帮助。同时，第一作者还要感谢科阿韦拉自治大学的克劳迪娅·M·洛佩兹-巴迪略（Claudia M. López-Badillo）博士在XRD分析中的协助。此外，还特别感谢海蒂·安德烈亚·丰塞卡·弗洛里多（Heidi Andrea Fonseca Florido）博士的宝贵支持