Cellulose Nanofibers as Functional Biomaterial from Pineapple Stubbles via TEMPO Oxidation and Mechanical Process

Abstract

Abstract. The pineapple fruit when harvested generates a large amount of residual biomass; this biomass can be used to generate value-added products such as cellulose nanofibers. This study was focused on the isolation of CNF from pineapple leaves after oxidation pretreatment with 2,2,6,6-tetramethylpireridine-1-oxyl, followed by mechanical deconstruction of the fibers via combination of grinding and microfluidization process. One and two microfluidization passes were applied to bleached and unbleached fibers, respectively. The implications of these findings are that during the production process it is possible to reduce the amount of chemicals needed for bleaching and the energy involved in the mechanical microfluidization process. Such process yielded corresponding fibril lengths and widths in the range of 481–746 nm and 16–48 nm. The respective electrostatic charges, as measured by zeta potentials, were −41 mV and −31 mV. As expected, the CNF crystallinity was higher than that of the starting material, especially for the cellulose. However, the thermal stability was reduced, showing two degradative processes due to the chemical modification of the fibers. The CNF produced from pineapple leaves has a potential to be used like biomaterial in diverse applications while representing a viable alternative to producers, which face serious environmental and health challenges given the large volume of biomass that is otherwise left in the fields as waste.

Resumen. El fruto de la piña al ser cosechado genera una gran cantidad de biomasa residual; esta biomasa se puede utilizar para generar productos de valor añadido como las nanofibras de celulosa. Este estudio se centró en el aislamiento de CNF de hojas de piña después del pretratamiento de oxidación con 2,2,6,6-tetrametilpireridina-1-oxilo, seguido de la deconstrucción mecánica de las fibras mediante una combinación de proceso de molienda y microfluidización. Se aplicaron uno y dos pases de microfluidización a fibras blanqueadas y sin blanquear, respectivamente. Las implicaciones de estos hallazgos son que durante el proceso de producción es posible reducir la cantidad de químicos necesarios para el blanqueo y la energía involucrada en el proceso mecánico de microfluidización. Tal proceso produjo longitudes y anchos de fibrillas correspondientes en el rango de 481 a 746 nm y 16 a 48 nm. Las respectivas cargas electrostáticas, medidas por potenciales zeta, fueron −41 mV y −31 mV. Como se esperaba, la cristalinidad de CNF fue mayor que la del material de partida, especialmente para la celulosa. Sin embargo, la estabilidad térmica se redujo, presentando dos procesos degradativos debido a la modificación química de las fibras. El CNF producido a partir de hojas de piña tiene potencial para ser utilizado como biomaterial en diversas aplicaciones y al mismo tiempo representa una alternativa viable para los productores, que enfrentan serios desafíos ambientales y de salud dado el gran volumen de biomasa que de otro modo queda en los campos como residuo.