苎麻骨植物纤维可降解餐具的降解性能研究

作者简介：商红萍（1989—），女，山东德州人，硕士，讲师。研究方向：食品生物技术。

摘 要：本研究重点关注了苎麻骨植物纤维餐具的降解性能，运用活性污泥法进行了深入分析。通过与聚丙烯、滤纸、纸浆模塑餐具和塑料淀粉餐具进行比较，揭示了苎麻骨植物纤维餐具的降解模式。结果表明，在28 d的降解期内，滤纸餐具的降解速度最快，其次是纸浆模型餐具，然后是苎麻骨植物纤维餐具，聚丙烯餐具与塑料淀粉餐具降解速度最慢。其中，苎麻骨植物纤维餐具生物降解率可达到60.59%；同时，减小餐具粒径、提高活性污泥和降解物的比值，可加快苎麻骨植物纤维餐具降解；当实验条件不变时，植物纤维含量较高的样本在实验初期表现出较慢的生物降解速度，而在实验后期，其生物降解速率明显加快。

关键词：苎麻骨植物纤维可降解餐具；降解性能；活性污泥法

Research on the Degradation Performance of Ramie Bone Plant Fiber Degradable Tableware

SHANG Hongping

（Dezhou Vocational and Technical College， Dezhou 253034， China）

Abstract： This study focuses on the degradation performance of ramie bone fiber tableware and conducts in-depth analysis using the activated sludge method. By comparing it with other materials of tableware such as polypropylene， filter paper， pulp molded tableware， and plastic starch tableware， the degradation mode of ramie bone fiber tableware was revealed. The research results show that： during the degradation period of 28 days， the degradation rate of filter paper tableware was the fastest， followed by pulp model tableware， and then ramie bone fiber tableware， while polypropylene tableware and plastic starch tableware have the slowest degradation rate. Among them， the biodegradation rate of ramie bone fiber tableware can reach 60.59%; increasing the surface area of degradation products and increasing the ratio of activated sludge to degradation products can accelerate the degradation of ramie bone fiber tableware; when the experimental conditions unchanged， the samples with higher plant fiber content showed slower biodegradation rate at the initial stage of the experiment， and the biodegradation rate increased rapidly at the later stage of the experiment.

Keywords： ramie bone plant fiber biodegradable tableware; degradation performance; activated sludge process

常见的一次性餐具通常由传统的有机塑料材料制成，主要成分为氢氟碳化合物[1]。但此类餐具降解速度缓慢，容易造成长期环境污染，且焚烧可能释放有害物质（如二噁英、一氧化碳等），对空气质量和人类健康造成负面影响。同时此类餐具在生产过程中会消耗大量的资源并排放温室气体，加剧环境污染问题。而苎麻作为一种多年生植物，其纤维具备强度高、耐腐蚀、易生物降解等特性，是制作可降解餐具的理想材料。本研究采用活性污泥法，有效模拟自然环境中的降解过程，分析苎麻骨植物纤维餐具的降解性能，以期减少塑料餐具带来的“白色污染”、提高苎麻的应用价值。

1 材料与方法

1.1 实验时间及地点

本次实验时间为2023年5月1日至2023年

5月29日。實验地点为某大学印染清洁生产教育工程部研究中心。该研究中心配备了现代化的实验室设施和先进的科研仪器，可满足活性污泥法实验对于环境控制和精确测量的高标准需求[2]。实验环境保持在恒温恒湿的条件下，以确保实验结果的准确性和可重复性。

1.2 材料及仪器设备

1.2.1 实验材料

CaCl2（分析纯），常州双益环保科技有限公司；MgSO4（分析纯），上海麦克林生化科技有限公司；FeCl3（分析纯），北京化工大学化学试剂公司；NH4Cl（分析纯），天津市福晨化工有限公司；KH2PO4（分析纯），天津市福晨化工有限公司；NaH2PO4（分析纯），武汉兴奥化工科技有限公司；K2HPO4（分析纯），杭州博施科技有限公司；Na2HPO4（分析纯），广州市昊华化学试剂有限公司；活性污泥（200 g），南京森泽环保科技有限公司；苎麻骨（80～100目），浙江省苎麻产业发展集团；玉米（80～100目），河北瑞丰种业股份有限公司；氨基树脂（胶粘剂），50 kg（餐具级别），山东齐鲁化学工业集团有限公司；植物油（可食性），山东鲁花集团有限公司。

1.2.2 仪器设备

MCO-170AIC微生物培养箱，Panasonic（松下电器产业株式会社）；Respirometer生物分解率测定仪，Sapromat（德国Vogelbusch公司）；AL204电子天平，Mettler Toledo（美国梅特勒-托利多公司）；SevenExcellence pH计，Mettler Toledo（美国梅特勒-托利多公司）；Testo 175温湿度记录仪，Testo SE & Co.KGaA（德国泰斯托公司）；Axio Scope.A1显微镜（德国蔡司公司）；Avanti J-26S高速离心机，Beckman Coulter（美国贝克曼库尔特公司）。

1.3 基础培养液制备

（1）缓冲液制备。称取K2HPO4 21.75 g、KH2PO4 8.509 g、Na2HPO4 33.40 g、NH4Cl 0.50 g，用蒸馏水溶解并稀释至1 L，同时调节缓冲液的pH值至7.4，确保培养液环境稳定，适宜微生物生长。

（2）氯化钙溶液制备。称取CaCl2 27.50 g、CaCl2·2H2O 36.40 g，用蒸馏水溶解并稀释至1 L。此溶液为微生物生长提供必要的钙离子。

（3）硫酸镁溶液制备。称取MgSO4·7H2O 22.50 g，用蒸馏水溶解并稀释至1 L。硫酸镁为微生物提供镁元素，有助于维持酶的活性和稳定性。

（4）氯化铁溶液制备。称取FeCl3·6H2O 0.25 g，用蒸馏水溶解并稀释至1 L。铁为许多微生物代谢过程中必需的微量元素[3-4]。

（5）基础培养液配制。①量取制备好的缓冲液10 mL加入800 mL蒸馏水中混合均匀。②向上述混合液中分别加入氯化钙溶液、硫酸镁溶液、氯化铁溶液各1 mL，然后用蒸馏水稀释至1 L。③使用

1 mol·mL-1 HCl和1 mol·mL-1 NaOH调节最终培养液的pH值至7.4，以满足实验中微生物的生长需求。

1.4 试样准备

（1）原材料配比与制备。将苎麻骨与玉米淀粉按照不同比例混合，并与胶粘剂及水充分结合，制备出1号餐具、2号餐具、3号餐具3种苎麻骨植物纤维餐具。相关原材料配比详见表1。

（2）材料的处理与准备。①将纸浆模塑餐具、塑料淀粉餐具、聚丙烯餐具、滤纸以及1号苎麻骨植物纤维餐具粉碎成统一尺寸的粉末，并进行灭菌处理。②使用多种规格的筛网，将2号苎麻骨植物纤维餐具分成不同的粒径范围（74～125 μm、125～

250 μm、250～420 μm和420～540 μm），特别选取125～250 μm粒径的2号餐具，按5 g、10 g、

15 g的不同重量进行分割，随后对以上样本进行统一的灭菌处理。

1.5 活性污泥实验过程

1.5.1 实验步骤

在微生物的作用下，植物纤维餐具会经历一个渐进的生物降解过程，餐具的机械强度会逐渐降低，其完整性也会逐步受到损害，直至被分解成小碎片或彻底分解。本实验将餐具样本与活性污泥混合后，在（25±1）℃、容量为500～600 mL的密封培养瓶中共同培养，通过测量餐具样本的残留量来评估其生物降解性能[5]。

实验分评估样本的生物降解能力、检测活性污泥的分解效率、进行空白对照实验和非生物培养实验4个阶段。在本次实验中，苯胺被用作评估活性污泥分解活性的标准物质。通常情况下，苯胺在活性污泥中7 d内的降解率超过40%，14 d内超过65%，若相应时间内苯胺降解率未达到该水平，则意味使用的活性污泥的降解活性不足，降解能力稍弱[6]。

1.5.2 降解率测试

生物降解率计算公式[7]为

（1）

式中：D为28 d的生物降解率，%；Wi為初始样品质量，g；Wr为28 d后残留样品质量，g。

1.6 统计分析

利用Excel软件进行原始数据的处理与分析。

2 结果与分析

2.1 材料对餐具生物降解率的影响分析

不同材料制成的餐具生物降解率对比见图1。在培养14 d后，苯胺的生物降解率超过60%，证明了活性污泥在生物降解过程中的高效能力。在培养0～14 d时，苎麻骨植物纤维餐具、纸浆模塑餐具、滤纸的降解速率相对较快；在培养7 d时，3种材料的降解速率分别达到了21.33%、28.25%、21.54%；在培养14～28 d时，3种材料的降解速率逐渐变慢；在培养28 d时，3种材料的生物降解率分别达到了60.59%、76.73%、90.34%。在本次实验过程中，观察到塑料淀粉餐具和聚丙烯餐具几乎没有发生生物降解，这些餐具的质量损失率基本保持稳定，没有发生明显变化。

2.2 粒径对苎麻骨植物纤维餐具生物降解率的影响分析

由于餐具的生物降解通常先从餐具的表面开始，然后逐步扩展到内部，所以餐具的粒径大小直接影响其生物降解速率。由图2可知，餐具的粒径越大，其生物降解率越慢。因此可通过减小餐具粒径，增加餐具与活性污泥培养液的接触面积，提高苎麻骨植物纤维餐具的降解程度，加快餐具的整体降解速率。

2.3 质量对苎麻骨植物纤维餐具生物降解率的影响分析

由图3可知，将不同质量（5 g、10 g、15 g）的苎麻骨植物纤维餐具与相同质量的活性污泥培养液混合进行降解实验，具有较高负荷的试样（即质量较大的试样）的降解效果不如负荷较低的试样。培养28 d后，3种试样的生物降解率表现出明显差异。5 g试样的生物降解率达到72.53%；10 g试样的生物降解率为65.01%；15 g试样的生物降解率则为50.32%。考虑到植物纤维餐具的降解过程主要受微生物活动的影响，因此提高活性污泥与降解物的比例有助于加速苎麻骨植物纤维餐具的分解过程。

2.4 植物纤维含量对苎麻骨植物纤维餐具生物降解率的影响

由图4可知，培养28 d后，植物纤维含量不同的苎麻骨植物纤维餐具的生物降解率超过55%，表明试样具有良好的生物降解性能。在培养时间为

7 d时，1号、2号、3号餐具的生物降解率均超过了15%。随着实验时间的延长，降解速率加快，这可能是因为实验初期微生物难以穿透氨基树脂层，进入试样内部，但随着时间的推移，试样表面逐渐变得凹凸不平，使微生物侵蚀变得更加容易。在培养14 d时，1号、2号、3号餐具的降解率为41%～48%。

实验初期，淀粉相对于纤维素更容易被微生物分解，因此淀粉含量高的3号餐具降解进程较快。随着实验的进行，淀粉逐渐被分解，试样表面逐渐出现孔洞，为微生物侵入试样内部提供了通道，使得微生物开始分解植物纤维成分。说明在玉米淀粉和苎麻骨植物纤维总量不变的情况下，含有更多植物纤维的样本在实验初期分解缓慢，但实验后期分解速度明显加快。因此，在生产餐具过程中，添加植物纤维不仅能增强餐具的物理特性，而且由于玉米淀粉的胶粘效果较好，减少了合成胶粘剂的使用，从而实现了环保和资源节约。综合餐具的外观和成本，确定玉米淀粉与苎麻骨最适宜配比应为30%∶30%。

3 结论与讨论

本研究深入探讨了苎麻骨植物纤维餐具的生物降解性能，对比分析了其与常见材质餐具如聚丙烯餐具、滤纸、纸浆模塑餐具和塑料淀粉餐具的降解规律。结果表明，在28 d的降解周期中，苎麻骨植物纤维餐具的生物降解率较好，达到了60.59%，仅次于滤纸和纸浆模塑餐具。同时发现减小餐具粒径、提高活性污泥与降解物的比例，可以有效地提高苎麻骨植物纤维餐具的降解速率。在相同实验环境下，含有较高比例植物纤维的样本在实验初期的生物降解速率相对较慢，但在后期降解速率也明显加快。本研究明确了苎麻骨植物纤维餐具在生物降解领域的潜力，为减少“白色污染”提供了可行的解决方案。综上所述，苎麻骨植物纤维餐具作为一种环保餐具，不仅体现了苎麻资源的综合利用价值，而且在缓解“白色污染”方面具有显著的效果。本研究结果为苎麻骨植物纤维餐具的进一步研发和应用提供了重要的理论依据，应继续探索和优化苎麻骨植物纤维餐具的制造工艺，以提高其环保效益和市场竞争力。

参考文献

[1]林小鈺，冯磊，李延吉，等.LDPE/藻粉可降解塑料制备及其力学性能、生物降解性能分析[J].塑料科技，2023，51（8）：71-75.

[2]曾莉，林黛琴，聂绍丽，等.可降解食品接触材料及制品性能和风险分析[J].江西化工，2023，39（5）：1-6.

[3]付凯，高毓昆，陈思言，等.塑料制品可降解性能的检测与评估方法研究[J].中国科技期刊数据库 工业A，2023（10）：189-192.

[4]李寅，崔泽琴，郝晓虎，等.生物可降解Zn-Cu合金的组织及其性能研究[J].热加工工艺，2023，52（6）：25-29.

[5]孟恒立，胡云，姜水，等.生物基可降解餐具中15种芳香胺迁移研究[J].包装工程，2023，44（13）：166-174.

[6]杨哲，张婷，龚天成，等.有机肥基可降解膜成膜助剂的优选及膜性能研究[J].环境科学研究，2023，36（9）：1755-1764.

[7]吴学红，栾林林，陈亚南，等.可降解柔性相变薄膜的制备及其热性能[J].化工学报，2023，74（4）：

1818-1826.