东华大学张耀鹏、姚响团队《Polymer》：
用茭白废叶制备溶解浆及抗氧化Lyocell纤维
摘要
随着环保意识的提升和森林资源的日益紧张，开发非木材来源的溶解浆成为纺织材料领域的研究热点。近日，东华大学先进纤维材料全国重点实验室张耀鹏研究员、姚响副研究员团队提出了一种从农业废弃物——茭白叶（Zizania latifolia leaves, ZLs）中高效制备溶解级纸浆，并进一步纺制Lyocell纤维的新策略。该研究不仅实现了农业副产物的高值化利用，还保留了天然抗氧化活性，为功能性再生纤维素纤维的开发提供了全新思路。
相关研究成果以题为“Cellulose pulps and antioxidant lyocell fibers from harvesting residual leaves of Zizania latifolia”发表于Polymer。论文第一作者为东华大学博士生李浩，共同通讯作者为张耀鹏和姚响，合作单位为上海即索实业有限公司。
摘要图
研究内容简介
茭白是我国长江中下游地区广泛种植的水生经济作物，其嫩茎为常见蔬菜，但占植株生物量大部分的叶片和叶鞘通常被直接丢弃。据统计，我国茭白种植面积约6万公顷，每年产生的废弃叶片超过500万吨。传统处理方式如堆肥或饲料化存在霉变、虫害等问题，难以实现资源的高效利用。茭白叶富含纤维素，同时含有黄酮（芦丁、槲皮素、山奈酚等）和多酚（没食子酸、咖啡酸等）等天然活性物质，具有抗氧化功能。若能将其转化为溶解浆，并进一步制备Lyocell纤维，不仅可缓解木材资源短缺的压力，还能从废弃物中获取高附加值的抗氧化成分，提高利用率。
图1从茭白叶制备溶解浆及Lyocell纤维的流程示意图
研究发现，茭白叶中纤维素含量为25.8%，木质素含量仅13.2%，且富含黄酮、多酚等天然抗氧化成分。基于此，团队设计了一条包括预处理、碱煮、除灰、温和漂白的工艺路线（图1）。首先，将茭白叶粉碎后在常温乙醇中浸泡16小时，提取天然色素和抗氧化活性物质；随后在7 wt% NaOH、165℃条件下碱煮60分钟，有效脱除半纤维素和木质素；接着采用螯合清洗剂（含EDTA、六偏磷酸钠和硫酸）进行三次除灰处理；最后根据是否预处理及漂白强度，获得三种不同特性的溶解浆，分别命名为ZLP389、ZLP542和ZLP583。
其中，ZLP542在预处理阶段提取出天然色素及抗氧化活性物质，后续仅需温和漂白即可获得亮度达78.0%、α-纤维素含量94.2%、铁离子含量低于10 ppm的高品质溶解浆，各项指标均符合Lyocell纺丝要求。本研究还测定了预处理得到的茭白叶提取物的DPPH自由基清除率，发现40 ppm的茭白叶提取物相当于32.67 ppm芦丁的抗氧化活性（图S3），每公斤干叶可提取约7.39 g天然活性物质。这为茭白叶的高值化利用开辟了新的途径。
图2三种溶解浆的微观形貌及其在NMMO溶剂中的溶解行为
图2 a-d为三种茭白叶及商业木浆的SEM照片。所有茭白叶的纤维均比商业木浆（CWP）更细，CWP表面粗糙度更高。溶解实验（图4 e-h）在偏光显微镜热台（95℃, 87% NMMO）中进行。结果显示：ZLP389因聚合度最低，约2分钟即完全溶解（图4 e）；ZLP542与CWP溶解速率相当，均在3~4分钟内完全溶解（图4 f, h）；而ZLP583由于聚合度较高且未经漂白，纤维素分子间氢键作用强，溶解缓慢，7分钟后仍未完全溶解（图4 g），这将不利于后续连续纺丝。
四种浆粕分别被配制成10 wt%浓度纺丝液，在90℃下进行稳态剪切流变测试（图5a）。结果显示，零剪切粘度随浆粕DP升高而增加（ZLP389 < ZLP542 < ZLP583 < CWP）。所有纺丝液均表现出典型的剪切变稀行为——随着剪切速率增大，表观粘度显著下降，这有利于纺丝液在喷丝孔中的挤出和纤维成形。并且，采用干喷湿纺工艺（图5b）成功将四种纺丝液制备得到Lyocell纤维。
纤维的线密度和力学性能测试结果汇总于图5 g-i。ZLP542纤维的平均断裂强度为4.04 cN/dtex，非常接近CWP的4.10 cN/dtex；ZLP389为3.63 cN/dtex；而ZLP583仅3.04 cN/dtex，显著偏低。这主要是由于ZLP583溶解不完全，纺丝过程中存在结构缺陷，导致纤维拉伸不均匀。ZLP542为7.25%，略低于CWP的8.14%，但差异无统计学显著性（p>0.05）。总体而言，ZLP542在保持较高DP和纯度的同时，实现了与商业木浆相当的纺丝性能和纤维力学性能。
图5 ZLPs基于Lyocell法制备的纤维性能。
（a）纺丝液的稳态流变特性；（b）纤维的制备过程；由（c）ZLP389、（d）ZLP542、（e）ZLP583和（f）CWP制成的纤维SEM图像;（g-i）上述纤维的机械性能。
“Δ”：p > 0.05，无显著差异;“∗”：p < 0.05，显著差异;“∗∗”：p < 0.001，极显著差异。
未经漂白的ZLP583纤维保留了部分天然活性成分，其自由基清除率达到29.94%，显著高于商业木浆纤维（22.74%），显示出良好的抗氧化功能，适用于功能性面膜等高端应用场景。
该研究不仅为茭白叶的高值化利用提供了可行路径，也为其他农作物残留物的资源化转化提供了新思路。未来，团队将进一步探索更温和的绿色溶剂体系，以提升纤维的抗氧化性能与综合力学性能。
论文共同作者为东华大学硕士生王凯航、李向华、顾心晨、钱佳垚、张慧慧副研究员、杨革生副研究员、上海即索实业有限公司王辉忠、朱军。
资助信息：
本研究得到了上海市领军人才计划、中央高校基础科研基金、上海即索实业有限公司等支持。
原文链接：
Hao Li , Kaihang Wang, Xianghua Li, Xinchen Gu, Jiayao Qian, Huihui Zhang, Gesheng Yang, Huizhong Wang, Jun Zhu, Xiang Yao*, Yaopeng Zhang*, Cellulose pulps and antioxidant lyocell fibers from harvesting residual leaves of Zizania latifolia. Polymer, 2026,355,130008.
https://doi.org/10.1016/j.polymer.2026.130008
