نشریه جنگل و فرآورده های چوب

نشریه جنگل و فرآورده های چوب

استخراج سلولز با خلوص بالا از پسماند ساقة موز و تحلیل جامع ساختار بلوری و رفتار حرارتی آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران.
10.22059/jfwp.2026.411910.1392
چکیده
مقدمه: افزایش تولید موز در مناطق گرمسیری و نیمه‌گرمسیری، حجم قابل‌توجهی از پسماندهای لیگنوسلولزی از جمله ساقة کاذب موز را به‌همراه دارد. این پسماندها اغلب بدون استفادة مؤثر رها یا سوزانده می‌شوند، در حالی‌که به‌دلیل دارا بودن سلولز، همی‌سلولزها، لیگنین و ترکیبات فیبری، می‌توانند به‌عنوان منبعی تجدیدپذیر برای تولید مواد زیست‌پایه مورد استفاده قرار گیرند. هدف از این پژوهش، استخراج سلولز با خلوص بالا از پسماند ساقة موز و ارزیابی همزمان ویژگی‌های شیمیایی، ساختاری، بلوری، حرارتی و درجة پلیمریزاسیون آن بود.
روش پژوهش: الیاف ساقة موز پس از جمع‌آوری، شست‌وشو، خشک‌سازی و خردایش، تحت تیمار قلیایی ملایم با محلول 4 درصد هیدروکسید سدیم در دمای 75 تا 80 درجة سانتی‌گراد قرار گرفتند. سپس برای حذف بیشتر همی‌سلولزها، لیگنین و ترکیبات استخراجی، از توالی رنگبری اکسایشی سه‌مرحله‌ای استفاده شد. ترکیبات شیمیایی اولیه، میزان خاکستر، ساختار شیمیایی با طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه، ساختار بلوری با پراش پرتو ایکس، رفتار حرارتی با آنالیز توزین حرارتی و درجة پلیمریزاسیون به روش ویسکوزیمتری در حلال کوپرآمونیم بررسی شد.
یافته‌ها: نتایج ترکیبات شیمیایی نشان داد که الیاف ساقة موز حاوی 35/5درصد سلولز، 28/9درصد همی‌سلولزها، 16 درصد لیگنین و 19/6درصد مواد استخراجی بود. میزان خاکستر از 14/94درصد در نمونة خام به 8/75 درصد پس از پخت و 3/70 درصد پس از رنگبری کاهش یافت که نشان‌دهندة حذف مؤثر ترکیبات معدنی و ناخالصی‌های غیرآلی بود. آنالیز FTIR حذف باندهای شاخص همی‌سلولزها و لیگنین را تأیید کرد، در حالی‌که باندهای مربوط به ساختار β-1,4-گلوکانی سلولز حفظ شد و نشان داد که اسکلت اصلی سلولزی طی فرآیند، پایدار مانده است. نتایج XRD بیانگر افزایش سهم نسبی فاز بلوری در نمونة تیمارشده بود؛ به‌گونه‌ای که شاخص بلورینگی از 57/87درصد در الیاف خام به 86/4درصد در الیاف رنگبری‌شده افزایش یافت که به حذف بخشی از مناطق آمورف طی پخت و رنگبری نسبت داده می‌شود. همچنین درجة پلیمریزاسیون از 395 در الیاف خام به 1100 در محصول سلولزی افزایش یافت. آزمون TGA نیز افزایش پایداری حرارتی نمونه‌های تیمارشده را نشان داد؛ به‌طوری که در منحنیDTG، پیک تجزیة همی‌سلولزها در بازة حدود 220 تا 320 درجة سانتی‌گراد به‌طور چشمگیر کاهش یافته و تقریباً حذف شد و در نتیجه غلبة فاز سلولزی در ساختار نهایی تأیید شد.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که ترکیب تیمار قلیایی ملایم و رنگبری اکسایشی، روشی مؤثر برای حذف اجزای غیرسلولزی ساقة موز و تولید سلولز با خلوص، بلورینگی، پایداری حرارتی و درجة پلیمریزاسیون بالا است. بنابراین، پسماند ساقة موز می‌تواند به‌عنوان منبعی ارزان، تجدیدپذیر و ارزشمند برای تولید الیاف سلولزی و مواد زیست‌پایه در چارچوب اقتصاد زیستی چرخشی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Extraction of high-purity cellulose from banana stem waste and comprehensive analysis of its crystalline structure and thermal behavior

نویسندگان English

Ali Shayesteh
Mehdi Jonoobi
Peyman Ahmadi
Amin Kalantari
Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
چکیده English

Introduction: The increasing production of bananas in tropical and subtropical regions generates substantial amounts of lignocellulosic residues, particularly banana pseudostems. These residues are often discarded or burned without effective utilization, despite containing significant amounts of cellulose, hemicelluloses, lignin, and fibrous constituents that can serve as renewable resources for the production of bio-based materials. Therefore, the objective of this study was to extract high-purity cellulose from banana pseudostem waste and to comprehensively evaluate its chemical composition, structural characteristics, crystallinity, thermal behavior, and degree of polymerization.
Method: Banana pseudostem fibers were collected, washed, dried, and mechanically processed prior to treatment. The fibers were subjected to a mild alkaline treatment using a 4 wt. % sodium hydroxide solution at 75-80°C. Subsequently, a three-stage oxidative bleaching sequence was applied to further remove hemicelluloses, lignin, and extractive substances. Chemical composition and ash content were determined using standard analytical methods. Structural changes were investigated by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), crystallinity was evaluated using X-ray diffraction (XRD), thermal stability was assessed through thermogravimetric analysis (TGA), and the degree of polymerization was determined by viscometric measurements in cuprammonium hydroxide solution.
Results: Chemical composition analysis revealed that the raw banana pseudostem fibers contained 35.5% cellulose, 28.9% hemicelluloses, 16.0% lignin, and 19.6% extractives. Ash content decreased from 14.94% in the raw fibers to 8.75% after alkaline pulping and further to 3.70% after bleaching, indicating the effective removal of mineral constituents and inorganic impurities. FTIR analysis confirmed the elimination of characteristic hemicellulose- and lignin-related absorption bands, while the bands associated with the β-(1→4)-glucan backbone of cellulose remained intact, demonstrating the preservation of the fundamental cellulose structure throughout the treatment process. XRD results showed a substantial increase in the relative crystalline fraction, with the crystallinity index rising from 57.87% in the raw fibers to 86.4% in the bleached fibers, which was attributed to the removal of amorphous components during pulping and bleaching. Furthermore, the degree of polymerization increased from 395 in the raw fibers to 1100 in the purified cellulose product. TGA analysis revealed enhanced thermal stability in the treated samples. In the DTG curves, the degradation peak associated with hemicelluloses within the temperature range of approximately 220–320 °C was markedly reduced and nearly eliminated, confirming the predominance of the cellulose phase in the final material.
Conclusion: The findings demonstrated that the combination of mild alkaline treatment and oxidative bleaching is an effective approach for removing non-cellulosic constituents from banana pseudostem fibers and producing cellulose with high purity, crystallinity, thermal stability, and degree of polymerization. Accordingly, banana pseudostem waste can be considered a low-cost, renewable, and valuable feedstock for the production of cellulose fibers and bio-based materials within the framework of a circular bioeconomy.

کلیدواژه‌ها English

Cellulose
Banana pseudostem lignocellulosic waste
Crystallinity
Degree of polymerization
Thermal analysis.
[1]      FAO. (2023/2024). FAOSTAT – Production: Crops and livestock products (Database). Food and Agriculture Organization of the United Nations. https://www.fao.org/faostat
[2]      Alzate Acevedo, S., Díaz Carrillo, Á. J., Flórez-López, E. & Grande-Tovar, C.D. (2021). Recovery of banana waste-loss from production and processing: a contribution to a circular economy. Molecules, 26(17), 5282.
[3]      Azriena, H.A.A., Kaur, K., Ilyas, R.A., Kamaruddin, Z.H., Neenu, K.V., Dominic, C.M. & Mahardika, M. (2025). Recent developments in lignocellulosic banana (Musa spp.) fiber-based biocomposites and their potential industrial applications: A comprehensive review. International Journal of Biological Macromolecules, 147180.
[4]      Padam, B.S., Tin, H.S., Chye, F.Y. & Abdullah, M.I. (2014). Banana by-products: an under-utilized renewable food biomass with great potential. Journal of Food Science and Technology, 51(12), 3527-3545.
[5]      Ragauskas, A. J., Beckham, G.T., Biddy, M.J., Chandra, R., Chen, F., Davis, M.F. & Wyman, C.E. (2014). Lignin valorization: improving lignin processing in the biorefinery. Science, 344(6185), 1246843.
[6]      Rezaei, E., Moradpour, P., Zarea Hosseinabadi, H. & Ahmadi, P. (2025). Fabrication of Bio-Based Banana Fiber-Cement Composite and Evaluating its Technical Characteristics. Iranian Journal of Wood and Paper Industries16(3), 437-455. (In Persian)
[7]      Klemm, D., Heublein, B., Fink, H.P. & Bohn, A. (2005). Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material. Angewandte Chemie International Edition, 44(22), 3358-3393.
[8]      Marinho, E. (2025). Cellulose: A comprehensive review of its properties and applications. Sustainable Chemistry for the Environment, 100283.
[9]      Börjesson, M. & Westman, G. (2015). Crystalline nanocellulose—preparation, modification, and properties. Cellulose-fundamental aspects and current trends, 7.
[10]  Kontturi, E., Laaksonen, P., Linder, M.B., Nonappa, Gröschel, A.H., Rojas, O.J. & Ikkala, O. (2018). Advanced materials through assembly of nanocelluloses. Advanced Materials, 30(24), 1703779.
[11]  Chik, J. Y., Wan-Ibrahim, W. S. F. A., & Tamat, N. S. M. (2024). Extraction of cellulose from Corn Tassel using alkaline pretreatment and bleaching process. In BIO Web of Conferences (Vol. 131, p. 01004). EDP Sciences.
[12]  NYNNMII, Y. (2014). Extraction and characterization of cellulose from pandan leaves (Pandanusamaryllifolius Roxb.). Research Journal of Chemistry and Environment, 18.
[13]  Lyons, G. A., McRoberts, C., Sharma, H. S., McCormack, R., Carmichael, E., & McCall, R. D. (2013). Rapid analysis of purified cellulose extracted from perennial ryegrass (Lolium perenne) by instrumental analysis. Bioresource technology, 146, 184-191.
[14]  Moramarco, A., Ricca, E., Acciardo, E., Laurenti, E. & Bracco, P. (2025). Cellulose extraction from soybean hulls and hemp waste by alkaline and acidic treatments: An in-depth investigation on the effects of the chemical treatments on biomass. Polymers, 17(9), 1220.
[15]  Klemm, D., Kramer, F., Moritz, S., Lindström, T., Ankerfors, M., Gray, D. & Dorris, A. (2011). Nanocelluloses: a new family of nature-based materials. Angewandte Chemie International Edition, 50(24), 5438-5466.
[16]  Cordeiro, N., Belgacem, M.N., Torres, I.C. & Moura, J. C. V. P. (2004). Chemical composition and pulping of banana pseudo-stems. Industrial Crops and Products, 19(2), 147-154.
[17]  Badanayak, P., Jose, S. & Bose, G. (2023). Banana pseudostem fiber: A critical review on fiber extraction, characterization, and surface modification. Journal of Natural Fibers, 20(1), 2168821.
[18]  Van, N. T. T., Gaspillo, P.A., Thanh, H.G.T., Nhi, N.H.T., Long, H.N., Tri, N., & Ha, H. K. P. (2022). Cellulose from the banana stem: optimization of extraction by response surface methodology (RSM) and charaterization. Heliyon, 8(12).
[19]  Rowell, R. M. (2005). Handbook of wood chemistry and wood composites. CRC press.
[20]  French, A. D. & Santiago Cintrón, M. (2013). Cellulose polymorphy, crystallite size, and the Segal Crystallinity Index. Cellulose, 20(1), 583-588.
[21]  Ardila, A.A.N., Arriola-Villaseñor, E., González, E.E.V., Guerrero, H.E.G., Hernández-Maldonado, J.A., Gutiérrez-Pineda, E. & Villa, C. C. (2024). Enhanced cellulose extraction from banana pseudostem waste: a comparative analysis using chemical methods assisted by conventional and focused ultrasound. Polymers, 16(19), 2785.
[22]  Oh, S. Y., Yoo, D. I., Shin, Y. & Seo, G. (2005). FTIR analysis of cellulose treated with sodium hydroxide and carbon dioxide. Carbohydrate Research, 340(3), 417-428.
[23]  Pandey, K.K. (1999). A study of chemical structure of soft and hardwood and wood polymers by FTIR spectroscopy. Journal of Applied Polymer Science, 71(12), 1969-1975.
[24]  Yuanita, E., Pudjiastuti, W., & Chalid, M. (2020). The crystallinity of Arenga pinnata “Ijuk” fiber cellulose through KMnO4 addition on NaClO bleaching process. In Macromolecular Symposia 39(1), 2000007.
[25]  Sun, R.C., Tomkinson, J., Ma, P.L. & Liang, S.F. (2000). Comparative study of hemicelluloses from rice straw by alkali and hydrogen peroxide treatments. Carbohydrate Polymers, 42(2), 111-122.
[26]  Yang, H., Yan, R., Chen, H., Lee, D.H. & Zheng, C. (2007). Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis. Fuel, 86(12-13), 1781-1788.
[27]  Poletto, M., Zattera, A.J., Forte, M.M. & Santana, R.M. (2012). Thermal decomposition of wood: Influence of wood components and cellulose crystallite size. Bioresource Technology, 109, 148-153.
[28]  Brebu, M. & Vasile, C. (2010). Thermal degradation of lignin a review. Cellulose Chemistry & Technology, 44(9), 353.
[29]  Liu, Z., Fatehi, P., Sadeghi, S. & Ni, Y. (2011). Application of hemicelluloses precipitated via ethanol treatment of pre-hydrolysis liquor in high-yield pulp. Bioresource Technology, 102(20), 9613-9618.
[30]  Fengel, D. & Wegener, G. (Eds.). (2011). Wood: chemistry, ultrastructure, reactions. Walter de Gruyter.
[31]  Malešič, J., Kraševec, I. & Kralj Cigić, I. (2021). Determination of cellulose degree of polymerization in historical papers with high lignin content. Polymers, 13(12), 1990.
[32]  Fischer, K., & Schmidt, I. (2008, January). Hemicellulose in dissolving pulp and its behaviour during its processing to viscose. In Macromolecular symposia (262(1), 85-88). Weinheim: WILEYVCH Verlag.