可降解地膜研究進展及菠蘿葉渣在可降解纖維地膜利用中的展望

明向蘭

(嶺南師范學院 廣東湛江524048)

中國是農業生產大國，一直以來農產品種植 及加工在國民經濟中都處于重要地位。近年來，隨著農業生產技術的快速發展以及人民生活水平的日益提升，農產品生產量、加工量和需求量都在穩步增加，同時也出現了農產品加工廢棄物資源合理化利用方面的問題。一方面，農產品因季節性和地域性等自然條件的局限，導致中國的農產品在深加工、保鮮、物流等方面的技術不夠成熟；另一方面，農產品加工增值比重低、利潤少，故而導致越來越多的農產品加工副產物以及廢棄物迅速增加。目前最為常見的農產品加工副產物以及廢棄物主要包括：（1）在糧食加工中產生的秸稈、稻殼、米糠、玉米芯、麥麩等；（2）在油料加工中產生的菜籽餅粕、皮殼、油腳等；（3）在果蔬汁加工中產生的果皮殘渣、籽、殼等；（4）在肉類加工中產生的動物內臟、皮毛、骨頭等。

雖然中國農產品資源豐富，但目前對于農產品加工副產物以及廢棄物的綜合利用率卻很低，只占40%左右，而發達國家對于農產品的綜合利用率高達90%。不僅如此，目前的綜合利用還存在著深加工程度不足、科技含量相對低下等情況，嚴重缺乏高純度、功能性以及專一型的高附加值產品。鑒于綜合利用率低下，中國果蔬采后損失率達40%，相比而言發達國家果蔬采后損失率僅占5%，如香蕉皮渣、菠蘿皮渣大部分被隨意丟棄，僅有少部分用于飼料加工［1-2］。農產品加工副產物以及廢棄物中富含蛋白質、糖類、脂肪、纖維素、礦物質、黃酮、多酚等多種生物活性成分，具有很高的營養以及經濟利用價值。因此，開發高效、高值化的農產品加工副產物以及廢棄物綜合利用技術迫在眉睫，這對增加農業經濟效益、環境保護以及資源利用等方面都具有重要意義。

為解決原材料相對短缺、制造成本高、環境污染嚴重和以滿足市場需求為目的，越來越多的學者致力于地球上可再生、可降解資源的研究開發。因此，按照取之自然、造福人類、回歸自然的原則，從高效、優質和可持續發展的視角出發，充分利用可再生資源，以農產品加工副產物以及廢棄物為原料制造植物纖維地膜可以實現其高值無害化利用，是一種理想的可再生資源循環利用方式，是建立資源環境協調發展、循環經濟型社會的大勢所趨。本研究展望了菠蘿葉渣在可完全生物降解型纖維基地膜中的利用現狀，并提出了一些初步的設想。

1 可降解地膜研究現狀

研究具有良好的生物降解性的環保型地膜是解決“白色污染”、維系農業可持續發展的有效途徑。目前，可降解地膜主要包括光降解塑料地膜、生物降解地膜、光-生物雙降解地膜、液體可降解地膜以及植物纖維地膜等幾類［3-5］，其中，植物纖維地膜其因環保性及可再生性，對環境不產生污染，被認為是有真正意義的可降解地膜。

1.1 光降解塑料地膜

光降解塑料地膜，指的是吸收太陽紫外線輻射后發生光化學反應，破壞了高分子聚合物的完整性，使其鍵能以及結合強度減弱，高分子長鏈逐漸斷裂成為較低分子量的碎片，碎片在自然環境條件下發生自由基斷裂反應，降解為低分子化合物，最終形成二氧化碳和水，整個降解過程是由光降解和自由基斷鏈氧化反應形成的雙重作用的Norrish反應［6］。按照光降解聚合物分子的設計原理及制造方法，光降解塑料地膜主要有合成型光降解塑料地膜和添加型光降解塑料地膜兩種［7］。自20 世紀80 年代初期，中國才開始對光降解塑料地膜進行研制，主要是借鑒國外相對成熟的技術手段，目前已達到了生產規模化與產業化的程度，研究開發的降解塑料品種包括光降解、光-生物降解、光-碳酸鈣降解、光-氧-生物降解、完全生物降解、崩壞性生物降解等塑料以及高填充碳酸鈣環境友好材料等幾類［8］。通過不同的大田試驗可以觀測到，殘留的光降解塑料地膜可以降低水系統、土壤、環境的污染，對土壤理化性質沒有影響，并且還可以達到保墑保溫的目的，使農作物產量得到增加、生產效益得到擴大［9］。但是，光降解塑料地膜也存在著一些缺陷，如不可控的降解速率，降解條件苛刻，必須在有光的條件下才能夠實現降解，埋藏于地下的部分不能實現降解，地膜對土地的污染破壞依舊存在；同時，生產光降解塑料地膜的成本較高，導致售價較高［10］。因此，在農業生產中，光降解地膜難以大面積、大范圍的推廣應用。

1.2 生物降解地膜

生物降解地膜可在土壤微生物作用下發生降解，實質上是利用細菌、病毒、真菌等生物群體的生命活動實現的，對土壤無污染［11］。根據降解原理以及破損方式，生物降解地膜主要包括兩類（完全生物降解地膜、添加型可生物降解地膜）［12］。

1.2.1 完全生物降解地膜

完全生物降解地膜主要包括合成型生物降解地膜和天然高分子共混型生物降解地膜［13］。合成型生物降解地膜需要投入較高的生產成本，故不能大面積推廣普及。在天然高分子共混型生物降解地膜中研究最多的天然高分子材料主要有4 種，分別為淀粉、纖維素、木質素、甲殼素［14-15］。天然高分子材料因為自身性能的影響，不易熔融加工，需要與其他熱塑性生物降解塑料共混，而且淀粉含量的增加也會導致其力學性能的下降，降解性能受環境影響較大，加大了降解地膜的降解可控難度，限制了其大面積推廣。

1.2.2 添加型可生物降解地膜

添加型可生物降解地膜，采用共混或接枝的方式，由無法生物降解的普通聚乙烯塑料和可以生物降解的純天然/人工合成物/生物降解催化劑、功能型助劑等混制而成［16］。迄今為止，添加型可生物降解地膜的成分包括普通聚乙烯塑料、淀粉、互溶劑、自氧化反應劑、功能型助劑，其中最具代表性的產品就是PE-淀粉可生物降解型地膜。添加型可生物降解地膜中可降解的主要是淀粉，聚乙烯塑料很難降解，無法保證其完全可生物降解，如長時間施用，對土壤所造成的危害依舊很大，并且加工困難，造價過高，所生產的地膜強度、韌性等性能較弱，不適宜在農田中應用。

1.3 光?生物雙降解地膜

光-生物雙降解地膜是指在光和生物雙重作用下可降解的一類地膜，主要由PE 等高分子材料作為母體，添加不同助劑（如自氧化反應劑、抗氧化劑、光敏助劑和可作微生物培養基質的促進生物降解助劑等）制成的［17］。光-生物雙降解地膜的降解機理為：合成樹脂與淀粉組成的共聚體可以在光和氧等環境的影響下誘導氧化劑和光敏劑等裂解為低分子物質；另外一些物質會因為微生物的作用而降低分子與分子間的結合強度，并且多數的微生物不斷衍生并聚集作用于小分子物質，使得大分子物質被土壤同化［18］。但是光-生物雙降解地膜中的塑料成分在不斷的田間施用過程中會逐漸累積增多，亦會造成土壤環境的污染以及破壞，而且光-生物雙降解地膜的地面部分需要引入光降解技術和生物降解技術，技術上存在一定的困難，致使制造光-生物降解地膜成本較高，產業化程度不夠，目前仍處于小規模試驗階段，因此，光-生物雙降解地膜的應用推廣受到了限制［19］。

1.4 液體可降解地膜

液體可降解地膜是將乳膠狀懸浮液體均勻地噴灑于土表所構成的一層膠狀薄膜，其能夠聯結土壤中細小粒子，從而構成一種較為特別的土壤-地膜的形式，抑制土壤表層的水分蒸發，增加土壤的儲水保墑性，耕作結束后經翻壓埋入土壤，還可改善土壤團粒結構及透氣性等［20-21］。但液體可降解地膜也存在一些問題［22］，如成本、售價較高，不易掌控降解周期，其強粘連性易導致噴頭堵塞，易受雨水沖刷破壞等，不適合噴灑應用于粘性土壤，仍需要進行更深層次的研究開發。

截止到目前，農業大田生產實際中所使用的大部分可生物降解型地膜并不能完全生物降解，只有一部分可以被生物降解，無法做到零公害化，亦不能在根源處杜絕所產生的土壤及環境污染［23］。光-生物雙降解地膜和光降解地膜因外界環境因素無法完全降解，而生物降解地膜因自然條件和微生物的雙重影響可以發生降解，但其中的聚乙烯塑料是不能降解的，殘留在土壤中仍然污染環境。液體可降解地膜成本售價偏高，更適用于高附加值的經濟作物，不適合大范圍地推廣應用［24］。而以農業廢棄物為主要原料生產的新型可生物降解植物纖維地膜，因其良好的抑草、降解、保墑、保肥、調溫、防止水土流失、改善土壤生態環境和提高農產品品質等性能，具有巨大的應用前景與發展潛力，成為國際上研究的熱點和全降解地膜發展的方向。

1.5 植物纖維地膜

植物纖維地膜，按照制造工藝可以分為紙基地膜和非織造型地膜，采用植物纖維（如闊葉木、針葉木、麻、葦、秸稈等）為主要原材料再經過恰當的處理制成的地膜，原材料來源廣泛，具有良好的透氣性、干濕強度及良好的生物可降解性，對生態環境沒有污染，同時還能培肥土壤［25］。

日本早在1989 年就已經成功研制了農用紙地膜，科研工作者以脫乙酰基甲殼素和植物纖維等物質為原材料，研發出一種有益微生物生長繁衍的植物纖維地膜；1990 年將纖維素與殼聚糖混合發生酰胺反應，脫乙酰幾丁質涂布于針葉原紙上，制成透氣、透水、濕強高的可降解地膜；合田公一以苧麻纖維和玉米為原料制成可降解地膜［26］；武川真美以麻和紙漿為基料，加入香茅等植物精油，經過浸蠟加工制成麻地膜［27］。法國也通過覆蓋地膜（如黑色薄膜、無紡布、光降解型薄膜和生物降解型薄膜等）進行蔬菜和水果等高附加值的種植栽培。荷蘭研制了淀粉與大麻纖維混合的降解地膜。新西蘭Murray Cruick shank 公司開發了Eco-Cover 紙地膜。美國華盛頓州立大學Carol Miles 等及幾個大型研究機構用牛皮紙浸漬亞麻油或桐油等制成地膜［28］。意大利研制出了全淀粉型地膜材料。英國、新西蘭Massey 大學農業部利用回收的廢紙、二次纖維等制成了紙地膜［29］。

華南理工大學覃程榮所在課題組在甘蔗渣的基礎上添加一定量的棉柏漿渣制成粘膠或其與淀粉共混發生反應制成纖維素膜。李輝等［30］以針葉木纖維為原料，通過黏狀打漿和添加化學助劑，制備了一種環保型的低透氣高抗水地膜紙，并對地膜紙進行物理強度、透氣度和抗水性測試。天津輕工業學院在漂白硫酸鹽草漿中配加木漿及少量助劑制備農用紙膜［31］。周景輝等［32］采用硫酸鹽法制漿并結合蒸煮工藝，用紅麻全稈制成了具有生物可降解性的紙基環保型麻地膜。天津科技大學借鑒常規制漿造紙工藝成功研制了一類以植物纖維為主料的實驗室級別農用地膜。黃晨等采用棉、秸稈纖維、亞麻與絲纖維制造了可降解型非織造地膜［33］。李亞玲等［34］所在課題組借鑒常規制漿造紙工藝技術成功試制了紅色麻秸稈纖維基地膜。江南大學用廢棄的棉短絨成功研制出一類可生物降解型地膜［35］。中國農科院下屬的麻類研究所成功制造了不同類型的麻纖維基地膜［36］。黑龍江省造紙工業研究所利用廢舊紙張開發了水稻全植物地膜紙［37］。劉麗雪［38］利用沼渣纖維配以一定比例木材纖維制得可完全降解型沼渣纖維地膜。韓永俊等［39］借鑒常規造紙工藝制得大豆、水稻及玉米秸稈纖維基地膜。CHEN 等［40］針對水稻秸稈纖維基地膜塑性問題研制了增塑型水稻秸稈纖維基地膜。陳海濤等［41］研制了水稻秸稈纖維基綠色地膜。

植物纖維材料是一種可再生資源，廣泛存在于自然界中。大力發展植物纖維地膜有助于建設良好的農田生態系統，促進農業的可持續發展。植物纖維地膜，不但可以削弱其對土壤及環境的污染，而且可以抑制雜草滋生、加快作物生育、增加作物產量、保持土壤墑情等，將植物纖維地膜代替塑料聚乙烯地膜應用于農業生產具有一定的可行性［42-43］。

2 菠蘿葉渣在可完全降解型纖維基地膜中的應用展望

菠蘿的種植主要分布在廣東湛江、海南瓊海、廣西南寧、福建漳浦、云南西雙版納以及紅河等地，其中種植面積較大的當屬廣東和海南兩個省份。近年來，隨著農業生產技術的快速發展、人民生活水平的日益提升、旅游產業的迅猛發展以及大眾對熱帶水果的喜愛，菠蘿種植業和加工業發展勢頭良好，菠蘿種植面積和產量也得到了很大的提升［44］，種植面積可達7萬hm2。

菠蘿外皮多為硬質果槽，果肉和刺根黏連，在鮮食或加工成各類成品或提取菠蘿蛋白酶后會產生約占菠蘿全果總重量50%的廢棄物，其中菠蘿皮渣約占全渣的30%～42%［45］。據研究報道，菠蘿皮渣主要由纖維素、半纖維素、木質素和膠質組成，其中纖維素含量約占菠蘿皮渣干重的20%～25%［46］，占比最大。菠蘿葉是菠蘿收獲后產生的農業廢棄物，全國年產高達1 000 萬t，從中可提取菠蘿葉纖維7.5 萬t，菠蘿葉纖維的化學組成與亞麻、黃麻相似，其纖維素含量達56.0%～68.5%。

近年來隨著菠蘿加工業的進步，所產生的葉渣廢棄物也在逐漸增加。因此充分高效地合理開發利用這些廢棄物，不但可以解決資源浪費問題，還可以有效地解決環境污染問題，從而提高植物資源的附加值和利用率，促進可持續發展。目前對菠蘿葉渣再利用的研究包括菠蘿蛋白酶的提取利用、生物活性物質提取、可再生能源生產及飼料生產等方面，對菠蘿葉渣在可完全生物降解型纖維基地膜中的應用研究仍較少。

地膜覆蓋技術對中國現代農業生產具有至關重要的作用，但地膜殘留造成的環境污染、土壤板結等問題不可忽視。因此開發可完全生物降解型植物纖維基地膜是解決上述問題的重要途徑，可完全生物降解型植物纖維基地膜的生產有著巨大的環境效益、社會效益以及經濟效益。

在重點開發研究可完全生物降解型植物纖維基地膜的背景之下，菠蘿葉渣資源的利用模式是否還有進一步開發探索的空間，使其潛在優勢得到充分發揮，從而更加適應社會經濟的發展，此問題值得探討。本研究結合當前可降解地膜的發展方向，歸納了菠蘿葉渣的利用新途徑。

以菠蘿葉渣為主要原料，借鑒制漿造紙工藝流程，制備可完全生物降解型植物纖維基地膜，可為實現菠蘿葉渣的合理利用、解決菠蘿葉渣制漿造膜存在主要問題以及實現菠蘿產業鏈“菠蘿－菠蘿加工成品－菠蘿葉渣－纖維基地膜”的進一步延伸提供參考。但該模式仍存在以下問題有待探討：（1）為滿足后續制漿造膜的要求，對菠蘿葉渣進行預處理的方法及工藝的選擇；（2）利用菠蘿葉渣生產的植物纖維地膜性能如何；（3）基于菠蘿葉渣的可完全生物降解型地膜的田間應用以及降解性能如何等。在現有的技術基礎上，應用菠蘿葉渣制備植物纖維基地膜模式的實現仍有相當長的一段路要走。