香蕉纤维研究现状及展望

姜文琦， 刘 杰

香蕉纤维研究现状及展望

姜文琦， 刘 杰*

（齐齐哈尔大学 轻工与纺织学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

从香蕉纤维的结构、成分及性能的角度，对比总结香蕉纤维不光有高于麻类纤维的断裂强度、细度和吸湿放湿性，还具有棉纤维及蛋白质纤维的一些特性；综述了国内外香蕉纤维的研究现状和纤维在纺织及其他领域的应用，重点介绍香蕉纤维在脱胶如化学法、生物酶法、微生物法及联合脱胶等方法，分析各方法的作用机理及优缺点；为促进香蕉纤维的可持续开发和发展提供一定参考。

香蕉纤维；结构；性能；研究进展；脱胶

随着生活质量的提高，传统的纤维织物已经没有办法满足人们的日常生活，人们希望对服装的质地、款式、色彩等能够拥有更多选择。石油和化学工业的发展，使得化学助剂、化学染料和各种化纤产品也开始广泛应用于纺织工业中。但化学纺织品对人体健康的影响、纺织品工业化生产对环境的危害和不可再生能源的短缺情况日益严重，大力发展可再生、环保型纤维已提上日程。我国香蕉资源丰富，近年来年产量都保持在1 000万吨以上，为香蕉纤维的生产供给大量资源，香蕉纤维的开发不光可实现废弃资源的利用，有效解决香蕉茎杆大量废弃的问题，丰富了新型环保类纤维种类，实现资源的合理利用。通过研究将香蕉纤维应用到更多领域，使其商业价值多元化发展。

在此之前，香蕉纤维相关综述极少，仅有一篇以总结香蕉纤维国内外研究进展为主要侧重点的文章。本文则从香蕉纤维的结构与性能着手，重点介绍香蕉纤维的化学法、生物法及联合法等脱胶方法，并对各方法的作用机理及优缺点进行了分析总结。

1 香蕉纤维的结构及性能

1.1 香蕉纤维的结构

香蕉纤维分为香蕉叶纤维和香蕉茎纤维。与叶纤维相比，茎纤维长度长、强伸性能好[1]、纤维较易制取、纤维素含量较多，因此研究对象通常选用香蕉茎纤维。

香蕉纤维横截面呈腰圆形、有中腔，部分扁平形状的纤维有孔洞和裂纹；纵向外观横节有平缓凸起，形态平直，存在裂纹[2]。香蕉纤维的纵横向形态与苎麻纤维、棉纤维相似，因此香蕉纤维兼具麻类纤维和棉纤维的织物性能[3]。香蕉纤维取向度和结晶度比麻纤维低、大分子排列整齐度不如麻类纤维，具有比黄麻亚麻的吸湿放湿性、上染性好，双折射率低的特性[4]。

1.2 物理性能

生产地区和制取部位的不同，香蕉纤维性能也有所不同。香蕉纤维的物理性能好于蛋白质纤维，和棉、麻类纤维类似；单纤维的直径、工艺纤维长度大于亚麻和黄麻纤维，断裂强度和细度也都远大于黄麻和亚麻，断裂伸长率与黄麻亚麻相似[5]，湿强度高于干强度[6]。

1.3 香蕉纤维的化学组成成分

刘晓梅[7]通过实验对香蕉纤维进行化学组成成分定量分析，确定了香蕉纤维中各个组分及含量。香蕉纤维具体成分及含量如表1所示。

表1 香蕉纤维化学成分及含量（%）[7]

1.4 化学性能

香蕉纤维作为天然纤维素纤维，除上述主要化学成分，纤维中还含有少量蛋白质，因此香蕉纤维还具有蛋白质纤维所具有的一些化学性质[8]：例如用热浓硝酸处理纤维会变黄；纤维耐盐酸和稀硝酸、不耐硫酸和醋酸，在较高浓度的热硫酸中溶解，抗酸性优于棉但不如羊毛；香蕉纤维加热后断裂，耐还原剂、不耐氧化剂[9]；耐稀碱、不耐强碱，抗碱性优于羊毛但不如棉[10]。

2 香蕉纤维国内外研究进展

2.1 香蕉纤维国内研究进展

香蕉纤维最早是由工人手工剥取茎秆，协同简单机械设备多次刮取制得。但这种方法制得的纤维粗硬，手感极差，只能作为手工编织的室内装饰品使用。为研究出制取香蕉纤维的先进技术，我国研制出香蕉茎秆切割破片机和刮麻机。吴雄英等[11]通过实验总结了香蕉纤维的制取工艺，具体工艺流程为：先预酸处理再碱煮、焖煮、漂白，最后进行酸洗。这种方法不仅成本低，且该工艺纺出的纱线可达到14.6 tex～58.3 tex。东华大学等[12]完成的香蕉纤维精细化加工生产技术通过了专家鉴定，该项技术达到国际先进水平，现已用来生产各类精美服装。杨银英等[13]通过活性黄KE-3G对纯香蕉纤维针织物进行染色，此方法使纯香蕉纤维针织物的上染率、耐皂洗和耐摩擦牢度均有所提高，但强力有所下降。

莫羡忠等[14]通过实验将香蕉纤维与环氧树脂进行复合，使纤维具有阻燃性并成功申请专利。有效的解决了香蕉纤维与EP的相容性，使纤维具有良好的阻燃性、尺寸稳定性。庞锦英等[15]利用乙酰柠檬酸三丁酯和膨胀型阻燃剂香蕉纤维/PLA复合材料，发现添加偶联剂KH-550进行改性，使纤维力学性能、阻燃性能均得到改善。

2.2 香蕉纤维国外研究进展

2.2.1 复合材料

Dayadi等[16]开发山羊毛和香蕉纤维的聚合物基质复合材料。研究通过增加山羊毛和香蕉纤维的比例，使用不同的重量比制成的混合复合材料，使得山羊毛/香蕉纤维复合材料机械性能有所提升，与它们各自的组分复合材料相比显示出良好的强度重量比。这项研究主要应用于汽车、国防和航空航天领域。Srinivas[17]利用玻璃纤维和香蕉纤维开发复合材料单叶弹簧。实验以环氧树脂为基体，制造了六个复合材料层压板选择最佳堆叠顺序。试验表明，最佳组合是外层为三层玻璃纤维织物、中间为香蕉纤维织物的铺层顺序。与传统钢板弹簧相比，混合复合钢板弹簧能减少约60%的重量。

Karthick P等[18]探索纺织级玻璃纤维/羟基丁二酸处理的选择性香蕉纤维混杂复合材料的合成及其湿性能。生物树脂中的香蕉纤维和纺织级玻璃纤维经过选择性加工和特殊处理，在潮湿条件下仍保持良好的减震能力、弯曲性能、吸水性及复合强度，多用作美学装饰材料。

2.2.2 纺织染整加工

Sarala等[19]利用电子束加速器预辐照接枝技术，成功用三甲胺将经过预处理的香蕉纤维与甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）接枝在一起进行官能化。功能化纤维对水溶液中阴离子染料、酸性蓝和酸性红有吸附作用，能从水溶液中有效去除染料颗粒。改性后的香蕉纤维吸附能力明显提升[20]，在吸附材料领域可应用于吸附污水中的染料，提高香蕉纤维综合利用率。

印度的Chattopadhyay S N[21]采用棉纱作为经纱，黄麻/香蕉混纺纱作为纬纱，生产混纺织物。经过生物煮练和漂白后均有良好的白度，用生物漂白纤维生产的黄麻/香蕉混纺纱的力学性能优于传统工艺纤维，适用于各种家用纺织品。Motaleb等[22]通过湿法成网，用氢氧化钠处理香蕉纤维、用WR进行表面处理，开发出四种生态友好可生物降解、重量轻的环保型非织造材料。该非织造材料显示出优异的疏水性、足够的强度、对环境影响小，可用作工业上不可生物降解的一次性合成服装、复合材料和绝缘体的替代物。

Subashini[23]采用排气法对香蕉纤维用活性染料进行染色，经过反复试验研究，找到最佳工艺方法，染色后的纤维光泽感、显色度、耐洗牢度较棉纤维更佳。Vajpayee[24]通过DBD空气等离子体处理天然叶提取物涂层开发香蕉织物抗菌活性。实验将织物暴露于空气等离子体中处理，涂覆绿茶和罗勒叶提取物。经等离子体处理的织物具有更高浓度的极性基团,能够改善织物表面亲水性和功能性。通过琼脂平板法和改良的Hoenstein试验，定性和定量地分析了经处理的织物表面对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌细菌的抗菌活性。处理后的织物在循环洗涤四次后依旧具有抗菌性能，该方法处理的织物可应用于医疗和保健部门。

3 香蕉纤维的脱胶方法

香蕉茎粗纤维中的胶质大部分由非纤维素物质组成，胶质覆盖在纤维外表，使单纤维黏连呈片条状[25]。上述研究所用香蕉纤维或纺织用纤维，不能将粗纤维直接用于研究，为达到标准，必须对香蕉纤维的胶质进行去除，去除胶质的过程称为脱胶[26]。香蕉纤维表面胶质含量虽高，不利于后续加工，但要注意脱胶时不能脱胶完全，要保留少量胶质令单纤维之间连接，使得工艺纤维长度达到纺织加工标准[27]。

脱胶是香蕉纤维在加工过程必不可少的工序，脱胶的成功与否，会直接影响到香蕉纤维的分裂度、细度和强度等一系列指标[28]。

3.1 物理脱胶

3.1.1 蒸汽爆破技术脱胶

蒸汽爆破技术脱胶是将液相的水在高温高压的状态下转化为气相，与纤维相互作用迅速释放压力，使纤维中木质素和半纤维素水解、组分相互分离，直至脱胶完成。利用蒸汽爆破技术脱胶能促进纤维束解体分离，增加纤维热稳定性、结晶度及活性区域，提高香蕉纤维的可纺性能和染色性能。

殷祥刚[29]用蒸汽爆破技术对麻纤维进行脱胶，经过蒸汽爆破处理后纤维中纤维素含量增加、纤维上染速率提高显著、胶质减少。Sheng[30]通过实验对蒸汽爆破脱胶工艺参数进行优化，并对脱胶后的香蕉纤维性能和结构做出了表征。发现蒸汽爆破脱胶结合预碱浸泡和漂白处理：在室温下用氢氧化钠处理48 h，随后纤维在水分含量为10%及压力在1.75 MPa的条件下汽爆90 s，能够实现纤维中非纤维素成分的有效降解，胶质和木质素去除效果可达到最佳。

蒸汽爆破脱胶的优点是效率高、操作简单、对环境无污染、处理后纤维上染速率快；但经过冲击波和热压后，纤维聚合度和密度会下降[31]。

3.1.2 超声波技术脱胶

超声波技术脱胶是利用超声波“空化效应”的连续作用，使香蕉纤维表面的胶质层出现大量缝隙，通过超声波作用，使胶质进而形成胶质团，随后空化泡发生膨胀破裂，产生的拉伸力和压力击碎胶质团，变成极细的胶质小颗粒，超声波持续作用直至胶质小颗粒分解[32]。

王春等[33]通过试验，确定超声波技术脱胶最佳预处理条件，即在50℃条件下，功率为200 W时脱胶30 min，胶质去除率可多于36%。

超声波脱胶技术优点是脱胶耗时短、效果明显、胶质去除率高，但目前没有超声波脱胶对香蕉纤维产生影响的研究，应就此方法对香蕉纤维进行实验探讨。

3.2 化学脱胶

化学法脱胶是利用碱剂、氧化剂和无机酸等药剂对香蕉纤维中的纤维素和胶质不同作用，用碱煮方法在少损伤甚至是不损伤纤维情况下去除胶质[34]。在脱胶过程中主要利用较低浓度氢氧化钠溶液去除纤维中大部分胶质。经过碱煮练脱胶的纤维表面平滑、手感柔软、断裂强度降低、吸水性有一定的改善。添加助剂能够加强煮练效果，有助于加速纤维的脱胶。常用的助剂有Na5P3O10、Na2SO3、(NH2)2CO和Na2SiO3等。在化学脱胶过程中，香蕉纤维中多糖类、蜡质或蛋白质物质与碱剂反应，可使产生的杂质直接在水中溶解除去。通过碱煮，木质素上的酚羟基与NaOH发生反应，适量的Na2SO3可使木质素相对分子质量减小、溶解度变大、分解成可溶于碱的衍生物除去。香蕉纤维也因为在碱液中持续加热，使纤维发生溶胀、松软，纤维除胶率提高。

刘杰[35]进行多次优化碱煮工艺实验，发现在85℃下，用1.5 g/L碱剂、2.5 g/L的H2Na2O7P2、2.0 g/L的Na2SO3碱煮70 min时可达到最好脱胶效果，使纤维的白度、断裂强度和失重率达到可纺要求。盛占武等[36]在一煮工艺过程中经过实验利用方差分析确定出得到残胶率和残余木质素率最低的最佳配方为煮练150 min、NaOH 14 g/L、2.75%浓度的Na2SO3以及3%浓度的Na5P3O10；二煮碱煮时间120 min、NaOH 4 g/L以及H2O2浓度为8%时，化学脱胶效果最好。

化学脱胶法脱胶效率高、耗时短、操作简捷，适用于纺织用脱胶；但污染严重、成本高、脱胶后纤维性能差。

3.3 生物脱胶

3.3.1 微生物脱胶法

微生物脱胶法是微生物以胶质为营养的特点，将组成胶质的大分子分解为小分子。微生物从中获得营养物质和能量来满足自身所需生命活动进而完成脱胶[37]。

黄小龙等[38]通过透明圈法筛选到一株放线菌菌株，该菌株具有降解香蕉半纤维素能力，5天可除去38%的胶质。但温度、pH值、碳源及氮源的不同对微生物的生长有影响，培养基中营养物质的离子化程度、微生物对营养物质的吸收、最后导致菌分泌酶的活性都将受到影响[39]。

微生物脱胶能尽可能保留纤维原有的特性，可减少成本投入、减轻废水污染问题；但耗时长，且微生物生存所需条件较为严格，易受外界因素影响，不适用于工业化生产。

3.3.2 生物酶脱胶法

生物酶脱胶法是根据酶的专一、高效等特性来代替化学脱胶法。酶对温度和pH的特殊要求也可避免化学脱胶中的高温强碱煮练对纤维产生损伤。生物酶附着在纤维表面或初生胞壁中的缝隙中，通过缝隙渗透接触木质素、果胶和蜡质等杂质达到降解的目的。生物酶脱胶过程中常使用多种酶复合，利用人工培养的酶，将酶制成脱胶溶液用于脱胶，脱胶效果明显[40]。

Jacob[41]开发一种利用利迪链霉菌生产的多聚半乳糖醛酸酶经过6天可提取和脱胶香蕉纤维的新工艺。该方法脱胶较快，能够避免对环境的污染，可在较少的基础设施和空间内进行操作。Kohli等[42]将纯化的蜡状芽孢杆菌果胶裂解酶固定在海藻酸钙球中用于香蕉纤维脱胶，实验采用0.5 g粗制香蕉纤维与海藻酸钙固定化碱性果胶裂解酶（15微克酶/25毫克纤维）在40℃下孵育，处理后的粗纤维表面更光滑。被固定化的酶还易于从反应混合物中回收，能降低成本。该方法可应用于纤维、纺织和造纸工业中。

通过生物酶法脱胶纤维中木质素含量略高，适合做增强纤维强力的复合材料。生物酶法能保留纤维天然特性、对纤维损伤小、成本低，环境污染小，但耗时长、脱胶程度无法掌握。

3.4 联合脱胶

联合脱胶是将上述物理脱胶、生物脱胶和化学脱胶进行组合，进一步提高纤维脱胶能力及效率的方法。

3.4.1 超声―生物酶联合脱胶法

徐树英[43]通过研究超声―生物酶联合脱胶法，确定较佳的联合脱胶工艺：70℃下超声处理频率为40 kHz；生物酶脱胶工艺中半纤维素酶缓冲液在50℃下pH＝5.5、果胶酶缓冲液在55℃下pH＝6.0。但此方法处理的纤维会发生部分降解，超声―生物酶法比机械法制备的纤维拉伸强度下降74%。

3.4.2 机械―生物―化学脱胶法

胡佳丹[44]通过实验，在纤维经过机械预处理后，用接种量20%、培养液洛比1 kg原料/20 L，pH＝6、温度37℃下处理48 h对香蕉纤维进行脱胶；再进行化学后处理：在100℃下进行90 min的煮练后残余木质素9.36%。处理后纤维脱胶率上升，纤维素含量提高一倍。

3.4.3 生物酶―化学联合脱胶法

刘文娟[45]进行多次实验，得到生化法优化的最佳条件为：先在50℃、pH＝5条件下用果胶酶、木聚糖酶和纤维素酶三种酶复合脱胶3 h；再升温到90℃，用NaOH、H2O2、Na2SiO3、Na2CO3、尿素和渗透剂JFC脱胶135 min。通过实验对比生物酶―化学法和化学―生物酶法脱胶效果，刘文娟发现生物酶―化学法脱胶更能满足香蕉纤维用于纺织品的可纺性要求。

上述几种脱胶工艺获得香蕉纤维的方法均有优缺点，且研究进度较为缓慢。联合脱胶法的脱胶效率及效果虽高于单一脱胶方法，但实验方法较为复杂、工艺参数不好掌控、易受人为及环境等主客观因素影响，使得联合脱胶法仍停留于实验室阶段，想要实现工业化生产还需要进一步深入研究。

4 结束语

我国香蕉每年产量可观，但也使得大量香蕉茎秆无法处理。为了解决香蕉纤维的废弃情况，人们开始对香蕉纤维进行开发研究。如今的香蕉纤维可作为新型生态环保原料，在航空航天、纺织染整加工、医疗保健等领域有很大发展空间，成为许多不可再生资源的替代品。香蕉纤维的开发带来了一定的经济发展和社会效益, 能满足可持续发展战略的要求。但目前在纤维制取上仍存在一定的局限性，限制了香蕉纤维的发展。因此，香蕉纤维的发展需从纤维的提取、脱胶等方面着手，加大研究力度，为纤维的后续发展提供契机。

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Research Status and Prospect of Banana Fiber

JIANG Wen-qi, LIU Jie*

（College of Light Industry & Textile Engineering, Qiqihar University, Qiqihar 161006, China）

The development of banana fiber can realize the utilization of waste resources and enrich the types of fiber. From the perspective of the structure, composition and properties of banana fiber, the comparison and conclusion of banana fiber is not only higher than the breaking strength, fineness and moisture absorption of hemp fiber, but also has some characteristics of cotton fiber and protein fiber. The research status of banana fiber at home and abroad and the application of banana fiber in textile and other fields are introduced. The methods of banana fiber degumming, such as chemical method, enzymatic method, microorganism method and combined degumming method are introduced emphatically. The mechanism of action, advantages and disadvantages of each method are analyzed. It provides some reference for promoting sustainable exploitation and development of banana fiber.

banana fiber; structure; properties; research progress; degumming

TS192.5

A

1004-8405(2021)03-0070-07

10.16561/j.cnki.xws.2021.03.01

2021-01-31

姜文琦（1997～），女，硕士；研究方向：纺织化学与染整工程。1805715786@qq.com

通讯作者：刘杰（1968～），女，副教授，硕士生导师；研究方向：染整工艺及助剂的教学与研究。liujie0452@126.com