不同生物质废弃物纳米纤维素的高附加值产品制备

环境科学与生态技术5（2021）100077审查不同生物质废弃物中纳米纤维素的制备及其在高附加值产品于素杰a，孙建中a，**，石亦飞a，王倩倩a，吴健a，刘军a，b，*a江苏大学环境与安全工程学院生物燃料研究所，江苏省镇江市学府路301号，邮编：212013b齐鲁工业大学（山东省科学院）制浆造纸科学技术教育部重点实验室&我的天啊N F O文章历史记录：接收日期：2020年10月17日接收日期：2020年2020年12月21日接受保留字：生物质废弃物纳米纤维素生物医学应用环境功能材料A B S T R A C T生物质废物来源广泛，如森林、农业、藻类废物以及其他相关工业副产品。它是一种重要的替代能源，也是许多领域应用的各种生物产品的独特来源。 在过去的二十年里，如何再利用、回收和最好地回收各种生物质废物以获得高附加值的生物产品受到了极大的关注，不仅来自各个学术界，也来自许多民用和医疗行业。综述了纳米纤维素生物材料的最新研究进展，重点介绍了从生物质废弃物中制备纳米纤维素的各种方法和策略，以及纳米纤维素在生物医学等新领域的应用前景。©2020作者（S）。由爱思唯尔公司出版代表中国环境科学学会这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍生物质通常是指来自植物，动物和微生物的各种生物体[1]。换句话说，生物质可以指能够参与碳循环和再生的所有非化石有机物质此外，生物质废物也可以在使用已经被人类抛弃或放弃的生物质的过程中产生，其中生物质废物主要作为其他活动的副产品产生（例如，刨花和作物残渣）。生物质废物的来源包括（图。 1），但不限于，农业，林业，以及从各种工业废物和城市生物固体中产生的可生物降解部分[2]。与对不可再生能源的耗尽和全球温度上升的新兴关注一致，生物质废物作为地球上大量的可再生能源，无疑在过去十年中作为替代能源受到了极大的关注[3e7]。然而，目前大多数生物质废物的利用，经过回收或再利用*通讯作者。江苏大学环境与安全工程学院生物燃料研究所，江苏省镇江市学府路301号，邮编：212013**通讯作者。电子邮件地址：jzsun1002@ujs.edu.cn（J.Sun），Junliu115142@hotmail.com（J.Liu）.加工，主要限于一些低附加值的产品。例如，甘蔗渣，一种常见的农业残留物，通常用于制糖工业通过直接燃烧产生蒸汽和电力[8]。此外，在大多数发展中国家，通过直接燃烧木材或农业残余物来进行家庭烹饪或取暖是废弃生物质回收的一种常见回收应用。虽然这些应用可以利用一部分生物质废物进行回收，但其利用价值通常被认为很低，并且在许多情况下，在回收处理过程中还可能对我们的环境产生二次污染（例如，生物质燃烧产生的空气污染[9]。作为世界可再生能源的主要贡献者（ 2018 年约占总能源的50%），生物质是一种多功能的能源生产材料[10]。它可以储存并转化为几乎任何其他形式的能量，也可以用作生物材料[11]。因此，如何有效、可持续地利用生物质废弃物已成为一个重要而热门的研究课题。各种不同的生物质已被用作生物柴油和生物乙醇生产的原料[12]。Pileidis等人直接从木质纤维素中提取乙酰丙酸，可用作生物燃料添加剂和石油衍生物的替代品[13]。通过开发这些高附加值的产品，不仅可以减少不可再生能源的损失，保护环境，而且可以促进一个地区的经济发展https://doi.org/10.1016/j.ese.2020.1000772666-4984/©2020作者。由Elsevier B.V.代表中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院出版。这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表环境科学与生态技术期刊主页：www.journals.elsevier.com/environmental-science-and-www.example.comS. Yu，J. Sun，Y. Shi等人环境科学与生态技术5（2021）1000772缩写列表BCBNCBNCCCNFCPFCNCs细菌纤维素细菌纳米纤维素生物纳米复合材料椰壳纳米纤维素纤维漂浮纤维素纳米晶CNFs/NFCs纤维素纳米纤维CNWs纳米纤维素晶须ECM细胞外基质MFC微纤化纤维素NCCs纳米晶体纤维素PEDOT聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）PSS聚（4-苯乙烯磺酸盐）PVA聚乙烯醇TEMPO 2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基在那里产生生物质。纤维素是生物质废弃物的主要成分，以高附加值的方式有效利用这一成分可能为生物质废弃物利用的光明前景打开新的窗口。纳米纤维素是指一维尺寸在纳米范围内的纤维素材料，其主要来源包括植物、动物和细菌。越来越多的注意力已经转移到从不同的生物质来源中提取纳米纤维素，以应用于各种领域（图1）。 3）。纳米纤维素主要包括3个亚类：（1）纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystals，CNCs），又称纳米纤维素（nanocrystalline cellulose，NCC）、纳米纤维素（nanocrystalline cellulose，NCW）、纳米纤维素晶须（nanocrystalline cellulose whiskers，CNW）、棒状纤维素纳米晶体，主要通过木质纤维素原料酸水解除去无定形纤维素，留下棒状纤维素纳米晶体而制备。(2)纤维素纳米纤维（CNF/NFC），其他名称如微纤化纤维素（MFC）、纳米原纤维和微原纤维，其通过机械加工（或与化学或酶预处理组合）制备用于纤维素纤维的去纤化。(3)细菌纤维素（BC），也被定义为细菌纳米纤维素（BNC），Fig. 1. 生物质废弃物的各种来源，经参考文献许可改编。[14e19]。微生物纤维素，生物纤维素，其主要由醋藓科的几个物种合成[20]。作为一种丰富的生物基材料，纳米纤维素可以使用不同的方法从各种植物生物质、细菌、藻类以及一些海洋无脊椎动物（被囊动物）制备[21]。纳米纤维素具有纤维素的固有化学结构，具有丰富的羟基和一定量的醛基和羧基用于进一步功能化。由于材料的纳米结构，纳米纤维素显示出显著的高比表面积、活性官能化基团、机械强度和结晶度，这在不同领域提供了广泛的应用[22e 25]。根据Research Insights 2020年发布的《全球纳米纤维素纤维市场报告》，预计到2025年全球纳米纤维素市场价值将高达27.12亿美元，预测2018年至2025年预测期内的年增长率为18.80% [ 26 ]。然而，为了实现基于纳米纤维素的材料的这种重要性和经济增长，挑战在于生产（例如，技术发展，环境问题），市场营销（例如，公众接受度、标记穿透、成本控制），以及安全问题（例如，在食品和生物医学应用中）仍然需要解决[27]。目前，只有少数公司成功地将纳米纤维素及其高附加值产品商业化。瑞典公司CELLINK生命科学已经成功地将纳米纤维素与海藻酸盐混合，以9毫升251.20美元的价格配制了一系列生物打印生物墨水，与原始木质纤维素材料相比，这显示出显着更高的附加值。 2）的情况。同样，由芬兰芬欧汇川集团推出的GrowInk®和GrowDex®主要由纳米纤维素组成，也显示出很高的附加值。例如，10 mL GrowInk®和GrowDex®的销售价格分别为V450.0和V290.0（图2）。目前，商业上使用的大多数纳米纤维素是从高质量纤维材料如木浆、溶解纸浆和棉花中预分离的。然而，越来越多的报告和努力已经证实，使用生物质废物作为原料来制备适合于商业目的的纳米纤维素也是可行的。这些发现为高附加值产品的生物质废物利用铺平了新的未来。目前，各种类型的生物质废弃物已被用于制备肥料、装饰品和水产养殖饲料。总体而言，这些产品的市场竞争力不强。显然，市场的目标并没有准确地确定各种生物质废物的产品潜力这种趋势主要是因为它仍处于低附加值产品开发阶段。在许多情况下，生物质废物的不适当处理也可能导致潜在的二次污染问题。然而，作为高附加值产品的代表，纳米纤维素以其独特的和具有竞争力的性质展示了其有前途的功能，展示了广泛的潜在应用领域，如复合材料，精细化学品和生物医学领域。预计目前的市场可能会要求从生物质中开发出各种合适的材料，而高质量的生物医学材料预计远远不能满足当前的标准。这进一步支持了从各种生物质废物中开发高附加值产品的需求通常，纳米纤维素的制备方法可分为四类：物理方法、化学方法、生物方法和组合方法。然而，由于原料来源的差异，相同的制备方法也可能产生具有不同结构和化学性质的纳米纤维素。本文从生物质废弃物的来源出发，综述了纳米纤维素的提取方法、性质及其各自的应用S. Yu，J. Sun，Y. Shi等人环境科学与生态技术5（2021）1000773因此，本概述将主要集中讨论生物质废料的来源、从这些废料中提取纳米纤维素的方法和策略，以及其在开发用于不同领域的纳米纤维素高附加值产品2. 生物质废弃物的来源及其纳米纤维素的制备2.1. 森林残留物众所周知，人类在使用木材的过程中会产生大量的残留物，如伐木残留物、锯屑、胶合板废料和刨花（图1）。①的人。2018年，全球产生的森林残留物约为11.977伐木残余物和锯屑废料的回收率取决于木材的类型及其来源。在人口稠密的地区，森林砍伐率可达66%，其中34%是包括树枝和树叶的残留物在人口稀少的地方，伐木残余物很可能被遗弃并在森林中腐烂[28]。木屑、胶合板废料和刨花都是木材加工在原木加工过程中，由于技术和树种的差异，以及刨削和改性，原木的损失可能占加工木材总量的20%至66%左右[28]。此外，树木本身在生长过程中由于落叶、修剪或重新种植而产生一定量的废物树枝、树叶和灌木）。以杉木林为例，修枝补种每年产生的废弃物量约为 15.1 t/hm2 [29]。简单地燃烧这部分废物仅提供V9.53/hm2的经济效益。上述例子表明，森林残留物是生物质废物的重要来源。一般而言，木材残渣通常用于生产低附加值产品，如颗粒和团聚物（生物能源）、木柴、木炭（吸附剂）、填料和木板（家具和建筑材料）[30]。但目前，中国政府关于生物质再利用的政策不断加强，高附加值产品，这不可避免地成为学术界和相关行业的重要研究领域。由于纳米纤维素具有独特的生物相容性和力学性能，作为开发高附加值产品的有希望的候选者，引起了全世界的广泛关注图二、从 生 物 质废 物 的 产 品的市场价值，改编自CELLINK ®和芬欧汇川®.世界一般来说，从废弃木材中提取纳米纤维素的方法可以分为四种不同的类别（图3）：物理，化学，生物和两种方法中任何一种的组合方法，以实现互补优势，其中由于处理中的经济或效率问题，很少有人努力采用生物方法从森林废物中提取纳米纤维素。化学方法是从森林残留物中获得纳米纤维素的最广泛使用的提取方法（图1）。 3）。Moriana等人通过碱处理从采伐剩余物中获得了CNCs(4.5wt% NaOH，80 ℃ 2h），漂白处理，酸水解(65重量%硫酸，45℃ 40 min）。以高纵横比（>10）和结晶度存在的CNC在复合材料的增强中具有最大的应用潜力[31]。但该方法存在反应时间长、产率低、能耗高、化学品腐蚀性大等缺点。物理方法也常用于从森林残留物中获得纳米纤维素，其纳米纤维素的产量显著更高（图1）。 3）。Alberthong等人使用行星式球磨机以93.1%的产率获得纳米纤维素。所获得的纳米纤维素具有10至25nm的直径和较高的热稳定性[32]。Veigel等人将山毛榉废料制浆，然后将纸浆纤维化。最后，通过高压均质器处理获得纳米纤维素。所得纳米纤维素呈现出高产率，其可潜在地用作刨花板和定向刨花板的粘合剂[33]。然而，这些物理方法通常会在处理过程中消耗更多的能量。作为一种新的策略，提出了处理上述每种方法的优点或缺点，已经提出了物理和化学方法的组合，目前，它已成为实验室中最广泛使用的策略，用于从森林残留物制备纳米纤维素。在最近的文献中报道的最有前途的方向之一是预处理木材残余物，首先去除木质素和半纤维素，然后分离出纤维素组分，该组分将在碱性条件下被TEMPO介导的氧化系统氧化在下一步中，设计了温和的均质化过程作为获得纳米纤维素的物理处理。Vallejos等人通过这种方法成功地从桉树木屑CNFs的比表面积和平均直径分别为60m2g-1和41.0 nm。（表1）[30]。 卡瓦略等人也用桦树和云杉木屑制备CNF（表1）[34]。首先使用氢氧化钠去除木质素，然后进行索氏提取、乙酸、乙酸钠和碳酸钠处理。所得纤维素悬浮液通过微量离心器以五部分顺序进行澄清。在这项研究中，从云杉样品中获得的CNF显示出相对于桦木样品更高的热稳定性。所得纳米纸还具有更好的拉伸强度（80e200 MPa）和杨氏模量（4.8 e 8.5 GPa）[ 8 ]。化学和物理方法之间的这种组合策略不仅可用于生产纤维素颗粒，还可用于制备用于各种目的的纳米纤维素膜。Bufalino等人发现，来自亚马逊森林木材废料的纳米纤维素薄膜具有竞争性的结构和热性能。纳米纤维素膜可以通过漂白的化学改性，然后通过铸造方法制造。经碱处理及漂白处理后，纳米纤维素薄膜的结晶指数将增加，并具有较佳的热稳定性[35]。Rambabu等人在80℃下用0.05 M HCl水解松果粉末2 h。然后在室温下用稀氢氧化铵溶液将pH调节至约9。一般-然后，对处理过的样品进行碱处理并搅拌S. Yu，J. Sun，Y. Shi等人环境科学与生态技术5（2021）1000774¼图三. 用于纳米纤维素制备的基于生物质废物的加工的示意图[52，53]。经早期报告许可，复制了用化学（a）、生物（b）、机械（c）和组合方法（d）提取的纳米纤维素的TEM图像[54e56]。过夜将预处理的纤维素纸浆连续地进行纤维去除和纳米纤维作为胶体的分离最后，通过机械研磨工艺获得纳米纤维素作为一种高附加值的新型材料，它可以潜在地用于制造不同行业的生物纳米复合材料[36]。除了物理均质和研磨方法与化学方法相结合外，还建议将超声肖等制备的松针纳米纤维经过酸化钠处理（75℃ 1h），然后碱处理（KOH），酸水解（HCl，80 ℃2h），最后结合超声处理（60 KHz，30 min）。所产生的纳米纤维呈现出30至70 nm的宽度，结晶度为66.19%，以及良好的热塑性特性，这无疑证明了在热塑性复合材料领域中的有前景的应用[37]。Couret等人通过索氏提取（甲苯：乙醇2：1混合物）、氢氧化钠处理和超声波处理从中密度纤维板中提取纤维素，用于制备CNC（表1）。所获得的CNC与从木材中获得的CNC具有一些相似的形态和物理性质，其中在所产生的CNC上评估的其长度、宽度和结晶度可以分别达到164.7 nm、6.7nm和71%[38]。Lu等人证明了从纤维素制备纳米纤维素的可能性。采用甘油预处理（120℃，2 h），以质量/液体比1：8的比例对竹片进行预处理，然后用酸（0.15%H2SO4，室温，5 min）进行螺杆挤出和机械精制，得到竹催化所得纳米纤维显示出20至80 nm的直径和几微米的长度，以及52.7%的结晶度[39]。通常，组合方法比纯化学或物理方法相对有效。但制备过程中通常使用酸或碱等化学试剂，容易产生废液。因此，有必要探索一种新的、更环保、更有效的从木材废弃物中制备纳米纤维素的方法。生物方法可能是有效的方法，但从森林残留物中提取纳米纤维素的报道很少，这表明需要将更多的努力转向改进我们现有的方法。2.2.农业残余物农业废弃物的化学成分主要由纤维素、木质素、半纤维素、果胶等微量化合物组成，与上述森林废弃物的成分非常相似，但由于生活环境、生长周期和特性的不同，它们可能会呈现出一些不同的物理和化学性质[40]。一般而言，农业残留物的纤维素含量略低于森林残留物，但其木质素成分明显高于大多数森林废弃物[41，42]。准确地说，农业纤维素残留物是指除收获的作物或水果之外的所有植物部分，如稻草、小麦秸秆、甘蔗渣、玉米秸秆、稻壳和玉米棒（图11）。 1）[43]。全世界每年产生约9.98亿吨各类农业残留物，包括但不限于主要农作物残留物，如稻/小麦秸秆、玉米秸秆，以及各种其他经济作物残留物[44]。目前，农业加工剩余废物的利用仍处于初级阶段，其主要特征是低附加值的利用，例如直接燃烧产生热量或电子产品，或用作农业中的肥料/堆肥转化。然而，从经济价值或环境效益的角度来看，这些利用尚未从物质转化的角度获得其真正的潜力或价值。事实上，木质纤维素农业残留物可用于产生不同类型的纳米纤维素（CNC，CNF），其可广泛应用于化妆品、制药、生物医学或许多其他行业领域的各种材料开发。显然，农业废物也可以被视为可持续和可再生纤维素的合适来源[2]。迄今为止，上述四种制备方法也可用于从农业废物中提取纳米纤维素（图1A）。 3）。纳米纤维素的第一种化学制备方法，纳米纤维素的制备具有许多加工步骤，但通常，所获得的纳米纤维素的性质呈现出优异的物理化学性能（图3）。Chen等人通过酸水解从豌豆壳纤维制备纳米晶须，其中其长度和直径分别测量为400-240nm和12-7 nm（表1）。作为S. Yu，J. Sun，Y. Shi等人环境科学与生态技术5（2021）1000775表1纳米纤维素的来源、提取方法、性质及应用来源提取方法属性应用参考森林残基桉树木屑TEMPO氧化比表面积：60m2 g-1，平均粒径：41.0 nm.造纸[30]桦树和氢氧化钠和索氏提取，然后抗拉强度：80e 200 MPa;造纸[8]云杉锯屑乙酸、乙酸钠和碳酸钠处理。杨氏中密度纤维板索氏提取、氢氧化钠和反复漂白。长度：164.7nm;宽度：6.7 nm;结晶度：71%。纳米复合材料或造纸[38个]山毛榉废纸浆原纤化直径：20至 65 nm。平均值：35 nm粘合剂[33]山黄麻单板废料碱处理、漂白、均质、浇铸。 最大处理温度：300摄氏度。电子纸、有机电子器件和透明太阳能电池[35]第三十五届松果生物量酸化、碱处理、机械研磨。抗拉强度：273 MPa;弹性模量：17 GPa;结晶度：70%;直径：5 e20 nm。生物纳米复合材料[36]采伐剩余物碱处理、漂白处理和酸水解。高纵横比：>10;热稳定性好。增强剂[31]松针化学预处理后超声波处理窄直径：30至 70纳米;纤维素Ⅰ型结晶度66.19%;高弹性、超轻和良好的热性能。热塑性复合材料[37个]竹材木片使用0.15%硫酸（浓）进行甘油预处理、挤出处理和机械精制作为催化剂。直径：20至 80 nm;结晶度：52.7%。/[39]农业用原稻壳化学预处理，均质化和高-直径：6- 20 nm;绿色[第十五条]残基废甘蔗渣强度超声处理（500 W，40 min）。碱水解;漂白处理;酸水解和超声波处理。高长径比（177）;结晶度：65%;热稳定性好。纤维素II;直径：18.17- 32.84 nm;结晶度：93%。纳米复合材料，过滤介质，组织，工程。食品包装[77]玉米芯一步机械力化学酯化直径：1.5e2.8 nm;透明度：89%（550nm）;杨氏抗拉强度：110e125 MPa。电子和其他应用中的先进材料[49]黄麻干秆碱处理后蒸汽爆破;烧碱漂白和草酸处理后蒸汽爆破。平均粒径：50 nm;较高的结晶度;杨氏模量：138 GPa;良好的增强性能。增强剂[78]麦草漂白处理、压力筛、高压均质;良好的吸附能力纳米吸附剂[47]椰壳超声波辅助溶剂浸泡，碱处理，平均直径：PVA复合[五十一]漂白处理，温和的TEMPO介导的氧化（TEMPO/NaClO/NaClO2，pH 1/ 4. 8）5.6± 1.5nm;长度：150至 350纳米;良好的机械性能和热稳定性。强度增强剂红麻韧皮碱法制浆工艺;漂白工艺和机械直径：1.2e34 nm;加固[79个]纤维治疗结晶度：82.52%;产率：60.25%。材料柑桔渣漂白处理、酸水解和超声波辅助处理。结晶度较高;平均粒径：9.7nm。制造必需品工业[80个]枝皮碱处理、漂白处理、酸水解，粒径：25~ 30 nm;/[81]桑树超声波处理长度：400至 500 nm;结晶度：73.4%。豌豆壳酸水解长度：400-240 nm;直径：7e 12 nm;良好的紫外吸收，透明性、拉伸强度、断裂伸长率和耐水性。纳米复合材料[45]菠萝汽爆酸解法粒径：5e40 nm;聚合物加强[48个]叶纳米技术的大表面积和特定试剂特性。生苹果梗酸水解产率：5.2%;结晶度高，热稳定性好。/[46]藻类废弃物刚毛藻目酸水解宽度：20 - 30 nm;结晶度：100%;生物学领域[18，61]（接下页）S. Yu，J. Sun，Y. Shi等人环境科学与生态技术5（2021）1000776表1（续）来源提取方法性能应用参考高比表面积，流变性能红藻酸水解长度：432 nm;/[64个]良好的热降解性阻力工业海带酸水解产率：52.3%;/[60个]（海带晶型：纤维素I;japonica）结晶度：69.4%;废物形状：棒状;热稳定性差石莼甲醇脱色、漂白和酸水解。良好的吸收吸附剂[六十二]脱藻酸盐海带渣2wt%Na2CO3溶胀处理，2wt%NaOH提取剩余的海藻酸钠，超声粉碎，0.7重量%高展弦比：30E 70;结晶度：74.55%。/[第六十五章]NaClO2缓冲溶液漂白处理，脱木质化和硫酸水解。杨梅胞浆藻石花菜索氏预处理、3%NaOH处理、NaClO2漂白处理和酸水解。碱处理、漂白处理和酸水解。平均晶粒平均直径：重金属汞吸附剂纳米复合[第八十二章][八十三]优雅的21.8±11.1 nm;长度：547.3± 23.7 nm;良好的热稳定性。石花菜索氏提取、漂白处理、5%KOH溶液结晶度：69.8%;食品包装[八十四]倍半足的处理和酸水解。直径：6 e40 nm;行业长度：80e 450 nm;高纵横比：40。Chaetomorpha漂白处理、酸水解、超声波产率：34 ±0.9%;环境[63个]触角辅助治疗。结晶度：85.02%;友好型产品良好的热稳定性和抗拉强度工业甜柠檬Komagataeibacter europaeus SGP37静态孵育产率：27.0至 38 g/L。细菌[第七十四章]由─纸浆废弃间歇补料分批培养纳米纤维产品废纸NaOH/硫脲水溶液结晶度：48.85%;晶体管和[第七十一章]平均粒径：50 nm;电池良好的热稳定性。棉短绒酸水解长度：177 nm;亲水[第八十五章]废物宽度：12 nm;纳米复合结晶度：90.45%;高亲水性。丢弃乙醇提取、漂白、碱处理和酸处理长度：143 nm;生物医学[第七十五章]卷烟过滤器水解宽度：8 nm;复合材料结晶度：96.77%。啤酒工业酸水解和超声辅助技术。平均直径：73包装、涂料、[69]第六十九届残差e145 nm;药品，结晶度：79%~ 89%;化妆品和防御产率25.8%;良好的热稳定性。木薯皮碱处理后再漂白。产率17.8%;/[八十六]结晶度：51.2%;长度：100e 300 nm;宽度：3e8nm。纸浆和造纸过硫酸铵长度：150e 500 nm;抗菌剂，[第72话]米尔斯宽度：10至 20 nm。光催化的，纺织品鱼和水治疗木材汽爆酸解工艺直径：18.0至 40.5纳米。吸油[70个国家]家具工业废料（湿地松）油橄榄产业制浆、漂白和硫酸水解。自由膨胀多孔废水[七十三]固体废物治疗石灰渣高压灭菌，高剪切和高压直径：5e28 nm;包装膜[第七十六章]同质化结晶度：44e46%;高纵横比;良好的水资源。四棱纹碱净化、漂白处理和酸处理长度：258± 54 nm;生物纳米复合材料。[14个]Pak Food水解宽高比：>10。包装废物柑橘果肉酶水解结晶度：60%;/[八十七]流动资金（CPF）纯度：98%。S. Yu，J. Sun，Y. Shi等人环境科学与生态技术5（2021）1000777对于复合材料的新探索，来自豌豆壳纤维和豌豆淀粉的纳米晶须可以被结合到新型纳米复合材料中，该新型纳米复合材料将呈现一些独特或改进的性质，例如良好的紫外线吸收、增强的透明度、改进的拉伸强度和断裂伸长率以及良好的耐水性[45]。Albertong等人尝试首先通过特定的缓冲溶液（乙酸/碳酸钠/蒸馏水）从生苹果茎中去除木质素（表1）。然后通过碱处理将半纤维素定向去除以分离纤维素。最后，通过酸处理步骤以约5.2%的产率成功地提取了纳米纤维素，其中纳米纤维素的特征在于直径为10至20 nm，结晶度高，并且在高温应力下也表现出良好的热稳定性[46]。第二种途径是物理方法，通常其特征在于物理处理工具/设备，例如高压均质化、机械研磨和超声波处理（图13）。 3）。 Suop aja€rvietal. 使用漂白麦草浆作为通过高压均质化制备纳米原纤化纤维素凝胶的原料（表1）。以制备的纳米纤维状纤维素凝胶为原料，通过碘酸盐氧化和偏亚硫酸氢钠磺化反应合成了磺化纳米吸附剂。这种磺化的纳米吸附剂显示出对铅的竞争性吸附能力（pH 5时为1.2 mmol/g）[47]。Abraham等人从菠萝叶和黄麻纤维中提取纤维素，用于通过蒸汽爆破制备纳米纤维素（表1）。所获得的纳米纤维素具有5至 40 nm的直径和大的表面积，其可用作聚合物增强剂[48]。通常，物理方法的特征在于操作简单的处理，但需要特殊的工具/设备以在高能量输入下操作，其中转化的纳米纤维素的直径相对较宽。因此，通常使用或推荐物理工具与其他方法组合以提取高质量的纳米纤维素。第三种途径侧重于生物方法，作为通过微生物参与的纳米纤维素提取的生物处理选项，或作为纤维素底物上的催化剂的特定酶处理，例如细菌降解处理（醋杆菌，根瘤菌），或特定的纤维素分解酶分解（纤维素酶）（图3）[40]。对纤维素进行生物降解反应的优点是可以精确控制纳米纤维素的结构特征，容易获得稳定、高质量的纳米纤维素。这种方法的缺点是反应时间相对较长，成本高，产率低[41，42]。目前，由于其效率和成本限制，只有少数关于使用生物方法从农业残留物中提取纳米纤维素的为了提高从农业残留物生产纳米纤维素产品的转化效率及其质量，最近提出了一种组合途径，该途径可以将一种方法与另一种方法结合以实现互补优势（图3）。这种组合途径已成为最常推荐的制备方法之一。但它可能不可避免地导致更多的处理步骤。Kang等人已经成功地通过机械化学酯化从玉米芯纤维素中提取纳米纤维素，其中获得的纳米纤维素具有在1.5e 2.8 nm。由这种纳米纤维素产品制成的纳米纸具有更大的光学性质，在550 nm处的透明度高达89%，其中纳米纸的杨氏这些改进性能的纳米纸可以潜在地应用于增强其电子学和其他特殊参数的设计材料[49]。值得一提的是，Slavutsky等人通过将碱水解和漂白处理结合在一起，从甘蔗渣废物中获得纤维素纤维（CF）在这些步骤之后，然后可以通过结合酸水解和超声处理的连续两步处理方法获得CNC产物[50]。因此，通过这种新的组合方法，由于其在结合中的强氢键，CNC呈现出与真正的合成聚合物基质相似的化学因此，CNCs材料可以潜在地用作增强添加剂以改善纳米复合材料，这将在食品包装领域显示最近成功设计了另一种组合方法，其中提出了温和的TEMPO介导的氧化处理与超声波处理的组合，以从废弃的椰子纤维中提取纳米纤维素产品[51]。椰壳纤维纳米纤维素（CCNF）的结晶度高达56.3%，纳米纤维的直径和长度分别在2- 10 nm和150 -350 nm范围内。CCNF/聚乙烯醇（PVA）复合材料具有较好的力学性能和热稳定性，在提高PVA薄膜强度方面具有很大的应用潜力。显然，从农业废弃物中提取纳米纤维素的组合方法确实更有效和更具竞争力，因为其转化效率、产品质量以及其对应用于不同领域的各种复合材料的相反性2.3.藻类废弃物藻类，包括多细胞大型藻类和单细胞微藻类，代表了另一组丰富的水生生物质，几个世纪以来一直被用作肥料，食物和饲料（图1）。①的人。然而，利用非食用藻类、外来入侵物种以及传统的藻类加工残渣等资源开发高附加值的产品越来越受到人们的关注由于全球暖化及水体富营养化的可能性，部分入侵藻类物种的爆发不仅会对景观造成重大负面影响，亦会对水生生态系统构成严重危害。以中国为例，2019年《中国海洋灾害公报》的报告显示，沿海地区藻类暴发面积高达数万平方公里，困扰沿海地区人民多年[57]。然而，在另一方面，藻类废弃物由于其丰富的蛋白质和多糖含量而实际上呈现为非常有价值的生物质或独特的生物资源目前，如何将这些藻类废弃物转化为高附加值的产品已成为学术界和工业界的热点之一。近年来，利用藻类或藻类废弃物作为原料提取纳米纤维素已成为开发高附加值产品的焦点。一些不可食用的绿藻物种或入侵的绿藻物种 （ 例 如 ， Cladophorales ， Ulva ， Chlorella ， Spirogyra 和Chaetomorph）引起藻类水华，已被鉴定为纳米纤维素制备的极好来源[58e60]。与从森林剩余物和农业废弃物中提取纳米纤维素的方法类似，藻类纳米纤维素制备主要采用化学方法和组合方法（物理、化学或生物方法之间的成对组合）。通常，由藻类制备的纳米纤维素采用酸水解法提取了刚毛藻目纳米纤维素，其宽度为20- 30 nm，纤维素结晶度高达100%，S. Yu，J. Sun，Y. Shi等人环境科学与生态技术5（2021）1000778比表面积（表1）[18，61]。通过甲醇脱色、漂白和酸水解提取石莼纳米纤维素晶体（表1）。所得到的具有高比表面积的纳米纤维素显示出对抗生素的高吸附能力，这可能在药物递送中具有应用[62]。类似地，Bhutiya等人通过漂白处理、酸水解和超声辅助处理从触角硬毛藻中提取纳米纤维素，产率为34%，纤维素结晶度为85%（表1）。与Cu2O结合后，所得复合材料显示出良好的热稳定性、拉伸强度和一定的抗菌能力，表明其在环境友好产品中具有巨大的应用潜力[63]。红 藻 和 褐 藻 废 物 或 残 余 物 ， 如 Gelidium elegans 、 Gelidiumsesquipedale、Laminaria japonica，也已用于通过酸水解方法制备纳米纤维素（表1）。然而，需要应用一系列预处理，例如索氏提取、碱处理和漂白处理来提取脂质、脂肪酸和多糖（例如，琼脂和藻酸盐）。从红藻Gelidium elegans中提取的直径为6e 40 nm，长度为80e 547 nm的纳米纤维素具有良好的热稳定性和高纵横比，显示出其在纳米复合材料领域的潜在应用价值（表1）[64]。然而，使用类似的提取方法从褐藻废物海带（Laminaria japonica）制备的纳米纤维素呈现出差的热稳定性和分散尺寸[60，65]。纳米纤维素中残留的藻酸盐可能是其原因。有趣的是，这种天然藻酸盐-纳米纤维素复合材料具有在CaCl2交联下形成胶囊的独特潜力，可能会发现其作为生物打印中的生物墨水的附加价值[66]。通常，由于不连贯的细胞结构和不存在木质素，从藻类残余物中提取纳米纤维素的方法相对于森林废物和农业残余物然而，藻类纳米纤维素通常具有较高的结晶度和比表面积，以及优异的流变和机械性能，这将赋予其更广泛的应用范围。2.4.工业副产品由食品加工、家具制造、制浆和造纸、印刷和包装产生的工业副产品或残余物，如甘蔗渣、甜石灰浆废料和回收纸，也被称为用于纳米纤维素提取的另一种重要的可回收生物质资源（图1B）。 3）。事实上，巴西仅食品加工业每年就产生超过1.42亿吨甘蔗渣，留下大量木质纤维素废物，可用于高附加值产品的潜在应用[67]。从工业残渣中提取纳米纤维素的方法是可变的，并且由于原料的化学和结构组成的变化而高度依赖于残渣类型。甘蔗渣的特征在于木质纤维素含量高和结构松散，可以直接进行酸水解以提取纳米纤维素[68，69]。但是，在酸水解或其他化学提取过程之前，从橄榄工业固体废物或再生纸和包装废物中提取纳米纤维素的情况下，需要应用制浆和漂白的预处理（表1）。德奥利维拉等提出了从家具工业加工剩余物（湿地松废弃物）中提取纳米纤维素的将所得直径为18和40nm的纳米纤维素进行表面改性和冷冻干燥，以制备用于潜在吸油的疏水气凝胶 [70]。对于另一种类型的工业残留物，废纸被纯化并转化为球形纳米纤维素，结晶度指数为48.85%，平均尺寸为50 nm（表1）[71]。同样，Gibril等人在氧化条件下使用过硫酸铵将纸浆和造纸厂污泥中的纤维转化为宽度为10e 20 nm，长度为150 e 500 nm的CNC颗粒（表1）[72]。无机纳米颗粒（ZnO、Ag和HP）使用溶胶-凝胶工艺与预处理的CNC复合，用于造纸厂的抗菌和光催化应用，或作为纺织品整理和水处理的添加剂[72]。作为一种独特的方法，可以应用酶水解来帮助从呈现柔软和松散细胞结构的榨汁工业残留物（例如榨汁工业残留物（柑橘渣））中提取纳米纤维素[14，73]。除了从工业中提取纳米纤维素外，固体生物质残余物，使用营养丰富的工业处理水的细菌纳米纤维素培养是从低价值生物质生产纳米纤维素的另一种有前景的方法。Dubey等人在静态间歇补料分批培养下使用Komagataeibacter europaeus SGP 37将甜石灰浆废物转化为高质量的细菌纳米纤维素，提供了将废物转化为高附加值产品的新方法（表1）[74]。此外，来自其他行业和家庭的废物也是纳米纤维素提取的潜在来源。Ogundare等人通过乙醇提取、漂白、碱处理和酸水解从废弃的香烟过滤器中提取纳米纤维素晶体（表1）。提取的纳米纤维素晶体的平均长度、宽度和结晶度分别为143nm、8 nm和96.77%。高纯度的纳米纤维素可能在生物医学复合材料领域有一些潜在的应用[75]。Jongaroontaprangsee等人使用高压灭菌、高剪切和高压均质化从石灰渣中提取CNF所产生的CNF具有5e 28 nm的宽度和44e 46%的结晶度，其表现出优异的防水性，显示出在包装领域中的潜在应用（表1）[76]。3. 应用领域及其潜在价值由于各种独特的优点，如无毒，生物相容性，高吸水性和保水性，以及其优异的机械性能，纳米纤维素具有巨大的潜力，可广泛用于生物医学和制药，功能食品和饲料，化妆品，包装，电子和光电器件（图4）[37，88，89]。尤其是，从各种生物质废物中分离的纳米纤维素在更广泛的原材料来源中也显示出其成本效益因此，利用从生物质废弃物中提取的纳米纤维素开发高附加值产品，不仅促进经济发展，而且对环境保护也起着关键作用。在本节中，对纳米纤维素的讨论将集中在其在生物医学，制药以及各种复合材料的其他潜在应用中的潜在应用3.1. 生物医药由于固有的低细胞毒性、可调节的生物活性、有利的流变学性质以及与细胞外基质（ECM）的结构相似性，纳米纤维素可以为细胞提供理想的生活环境，从而促进细胞增殖和分化[90，91]。因此，它被广泛用于许多生物医学应用，如伤口愈合、药物输送、生物纳米复合材料（BNC）管和组织工程（包括绵羊半月板、血管移植物、皮肤、神经元、 骨、心 脏和肝 脏）（图 4ae e） [92 ，93] 。例 如，通 过使用TEMPO-2000打印机打印具有可调机械强度S. Yu，J. Sun，Y. Shi等人环境科学与生态技术5（2021）1000779含药氧化CNF用于成纤维细胞的3D细胞培养，用于潜在伤口愈合应用（图4d）[90]。将高度水合的纳米纤维素和藻酸盐组合以模拟用于人鼻软骨细胞存活和分化的天然ECM环境，显示出用于治疗患有获得性或先天性耳廓缺陷的患者的潜力[94]。据报道，基于纳米纤维素的颗粒、纳米纸和纳米泡沫具有独特的胶体性质、高比表面积、良好的流变性质、无毒性和纳米纤维素的生物降解性，并且可用作递送难溶性药物的通用赋形剂[95]。通过选择合适的纳米纤维素作为基质材料，可以实现特定部位的药物释放和延长的药物释放曲线，这表明定制药物开发和治疗的前景[96]。细菌纳米纤维素传统上被用作化妆品面膜和伤口敷料材料，这是由于其细而均匀的纤维，高纯度和结晶度，以及高保水性[97]。据报道，使用由Eschereduso mog