综述：大麻纤维的绿色脱胶：评估用于可持续工业应用的深共晶溶剂——综述

《International Journal of Biological Macromolecules》：Green degumming of hemp fibers: Evaluating deep eutectic solvents for sustainable industrial applications: A review

大麻纤维脱胶技术综述：传统化学方法存在环境污染和高能耗问题，生物法受限于处理时间长。深熔盐溶剂（DES）通过氢键作用选择性溶解木质素、半纤维素等杂质，在温和条件下实现90%以上纤维素保留率，且溶剂可回收。研究重点在于优化DES配比（如胆碱-脲体系）与工艺参数，平衡脱胶效率与纤维强度，同时解决规模化应用中的成本与标准化难题。

　　

Md Nuramurtada Rafi|Yanfen Zhou|Md Moinul Hossain Patowary|Sai Wang|Zhichao He|Mingyan Wang|Zhiqing Jiang|Hongliang Ding|Liang Jiang|Shaojuan Chen

青岛大学纺织与服装学院，中国青岛，266071

摘要

大麻是一种韧皮纤维作物，以其环保特性和优于棉等天然纤维的机械性能而闻名。它已成为这些高资源消耗纤维的重要替代品。尽管原始大麻纤维具有许多优点，但为了在工业应用中有效利用，需要对其进行脱胶处理以去除木质素、半纤维素和果胶。化学脱胶方法会引发环境问题，消耗大量能源，并降低纤维质量；而生物脱胶方法虽然更环保，但处理时间较长。深共晶溶剂（DESs）是一种由氢键供体（HBDs）和氢键受体（HBAs）组成的绿色溶剂，近年来作为环保选项受到关注。DESs具有可调节的性能，可生物降解，并且能够在不损害纤维素的情况下溶解非纤维素成分。本文批判性地评估了DESs介导的大麻脱胶机制和效果，并将其与传统方法进行了比较。氯化胆碱-尿素DESs系统的进步表明，在适中温度下可实现超过90%的纤维素保留率和几乎完全的木质素去除率。此外，混合方法可将处理时间缩短50%。值得注意的是，大麻的木质素含量高于苎麻，因此需要半脱胶以保持纤维完整性。DESs的可扩展性、可回收性和耐久性凸显了其在纺织、复合材料和汽车行业中的潜力。本文通过整合DESs配方和工艺优化的最新进展，为从实验室规模创新向工业应用转型提供了路线图。同时，也指出了成本效益和标准协议方面的不足。

引言

几个世纪以来，大麻（Cannabis sativa）因其环境效益和优异的材料性能而被广泛种植[1]，[2]。大麻的种植所需水量显著较少，且无需使用农药，使其成为棉花等传统作物的可持续替代品[3]，[4]。其高产量（单位面积产出的纤维量是棉的250倍）进一步凸显了其在满足全球可持续天然纤维需求方面的潜力[5]。大麻纤维具有出色的抗拉强度、高吸湿性、抗菌性能和抗紫外线能力，因此在纺织、复合材料和汽车制造等多个行业中备受青睐[6]，[7]，[8]。然而，原始大麻纤维中存在木质素、半纤维素、果胶等非纤维素物质，因此需要高效的脱胶过程将其转化为适合工业应用的高质量技术纤维。因此，有效去除这些非纤维素成分对于最大化大麻纤维的利用至关重要[9]，[10]。

传统的大麻脱胶方法大致可分为化学方法和物理方法，每种方法都有其优势和局限性[11]。化学脱胶主要使用碱性和酸性处理，在纺织行业中应用最为广泛，因为它能有效提取高质量的大麻纤维以及其他天然纤维（如丝绸和韧皮纤维）[12]，[13]，[14]，[15]。然而，化学脱胶可能导致部分纤维素降解，产生大量碱性或酸性废水，并且能耗较高，引发环境和可持续性问题[16]，[17]。物理方法（包括水浸、蒸汽爆炸和机械处理）通常作为辅助技术使用以提高脱胶效率，但单独使用时效果有限[18]，[19]。相比之下，生物脱胶依靠微生物或特定酶的作用，在温和条件下进行，对非纤维素成分具有高选择性，通常能改善纤维质量并减少纤维素损伤。然而，其工业应用受到较长处理时间、对操作条件的敏感性以及酶生产和过程控制成本的限制[20]。鉴于这些挑战，迫切需要探索环保、经济高效且高效的脱胶方法。其中，深共晶溶剂（DESs）作为一种处理木质纤维素材料的绿色选项受到了关注。DESs是由氢键供体（HBDs）和氢键受体（HBAs）混合而成的溶剂，其性质不同于单一组分[21]，[22]。DESs可生物降解、毒性较低且可回收，是纤维脱胶的理想选择。研究表明，它们能够选择性地溶解木质素而不损害纤维素[23]。例如，Lin等人使用氯化胆碱和尿素组成的DESs系统在170°C下对苎麻纤维进行脱胶，实现了超过90%的纤维素保留率，纤维性能适合纺纱[24]。这些发现凸显了DESs作为传统脱胶方法可持续替代品的潜力。然而，由于大麻的木质素含量高于苎麻，其脱胶过程具有独特挑战[25]。苎麻脱胶旨在完全去除非纤维素成分，而大麻则需要保留一定量的胶质以保持纤维完整性用于技术应用。基于DESs的脱胶过程的可扩展性、溶剂回收率和能源需求以及长期可持续性仍需进一步评估，同时也要与现有的生物和混合脱胶方法进行比较。

本研究旨在阐明大麻纤维的结构和组成，概述传统和创新的脱胶方法，讨论DESs在大麻脱胶中的应用，包括其配方、作用机制及其效果影响因素。此外，还探讨了DESs的回收和再利用方法，这对于开发环保工艺至关重要。通过整合绿色溶剂设计、纤维化学和可持续加工方面的知识，本研究为推动环保韧皮纤维提取技术的发展做出了贡献。

大麻纤维的结构和组成

成熟大麻植物的茎由多层结构组成（见图1(a)）。外层表皮通过防止水分流失、调节温度波动和提供机械支撑来保护内部组织[26]。表皮之下是含有叶绿素的皮层，紧邻韧皮部，韧皮部中包含韧皮纤维束[27]

大麻脱胶过程

大麻脱胶是从原始大麻纤维中去除木质素、半纤维素、果胶和蜡等非纤维素成分的过程，以便将纤维素用于工业用途[38]。由于大麻的木质素含量较高且纤维基质复杂，脱胶过程比其他韧皮纤维更具挑战性，需要在去除效率和纤维完整性之间取得平衡。

化学脱胶因其高效性而仍是应用最广泛的方法

深共晶溶剂

深共晶溶剂（DESs）是一类离子液体类似物，作为传统有机溶剂和传统离子液体的经济高效且更环保的替代品而受到越来越多的关注。这一概念由Abbott及其团队在2001年提出，当时他们研究了金属氯化物和季铵盐合金，发现强烈的氢键相互作用和电荷离域导致熔点显著降低

DESs的制备

在过去二十年里，研究人员采用了多种合成方法来制备用于处理木质纤维素生物质的DESs。选择哪种方法取决于HBA和HBD系统的结构特性、操作要求以及所需的功能。每种制备方法在能耗、化学稳定性、工艺可扩展性和经济可行性方面各有优缺点

使用DESs进行大麻脱胶

由于低挥发性、可调的物理化学性质、可生物降解性和较低的毒性，DESs在木质纤维素生物质处理中引起了广泛关注。通过合理选择DES成分，可以有选择性地溶解纤维素、半纤维素、木质素和果胶，从而实现高效的纤维分离，适用于生物精炼（见表4）。在分子层面，基于DESs的脱胶

DESs的回收

高效回收和再利用DESs对于实现环保和经济的木质纤维素生物质处理至关重要，尤其是在大规模生物精炼应用中[156]。溶剂回收显著影响工艺成本、废物产生和基于DESs的生物质分离系统的整体生命周期性能[157]。表5中提出了几种回收策略，包括溶剂萃取、反溶剂沉淀等

结论与未来展望

大麻纤维脱胶是决定纤维质量、加工性能和纺织及复合材料应用最终效果的关键步骤。大麻的层次结构中，纤维素与半纤维素、木质素和果胶紧密结合，使得选择性脱胶变得具有挑战性。传统化学处理方法能有效去除胶质物质，但常常会损害纤维完整性并产生环境负担较大的废水。生物和酶促脱胶

作者贡献声明

Md Nuramurtada Rafi：撰写——初稿，研究工作。Yanfen Zhou：撰写——初稿，方法学设计。Md Moinul Hossain Patowary：撰写——审稿与编辑，资源获取与资金申请。Sai Wang：软件开发，研究工作。Zhichao He：撰写——审稿与编辑，资源管理。Mingyan Wang：撰写——审稿与编辑，资源管理。Zhiqing Jiang：撰写——审稿与编辑，资源管理。Hongliang Ding：撰写——审稿与编辑，资源管理。Liang Jiang：撰写——审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（资助编号：52003130）、山东省自然科学基金（资助编号：ZR2023ME091和ZR2020KE017以及山东“泰山青年学者计划（资助编号：tsqn201909100）的财政支持。