انجمن علوم و صنایع چوب و کاغذ ایران مجله صنایع چوب و کاغذ ایران 2008-9066 16 3 2025 12 21 Production of Cellulose and Nanocellulose from Macroalgae as Novel Green Sustainable Bioresources تولید سلولز و نانوسلولز از ماکروجلبک‌ها به‌عنوان منابع زیستی نوین سبز پایدار 381 397 732909 10.22034/ijwp.2025.2064178.1713 FA محمد هادی آریائی منفرد عضو هیات علمی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ 0000-0002-7936-9059 فاطمه اسدی ، گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران سحاب حجازی گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران. 0000-0003-1986-1794 احمد رضا سرائیان گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران. Journal Article 2025 06 25 Problem definition and objectives: Growing global environmental awareness has significantly boosted the demand for biodegradable and eco-friendly biopolymers. While terrestrial biopolymer sources can lead to overexploitation of land and water resources and potential food displacement, marine macroalgae emerge as highly promising sustainable alternatives. These organisms are independent of terrestrial ecosystems and can contribute effectively to reducing oceanic plastic pollution. This research focuses on investigating the potential of macroalgae for cellulose and nanocellulose (NCs) production, exploring extraction methodologies, and evaluating the unique applications of these materials. Methodology: The extraction and purification of cellulose and NCs from macroalgae leverage structural similarities between algal and plant cellulose, relying on integrated chemical and mechanical approaches, often complemented by green chemistry and biological methods. Processes typically commence with alkaline pretreatment (e.g., sodium hydroxide, NaOH) to remove hemicelluloses, waxes, and lipids, thereby purifying cellulose fibers. Subsequently, the cellulosic pulp undergoes bleaching with agents like hydrogen peroxide (H2O2) or sodium chlorite (NaClO2), with H2O2 being preferred due to its environmental compatibility. For nanofibrillation, energy-intensive mechanical methods such as super-disk milling, homogenization, or microfluidization are employed to produce cellulose nanofibrils (CNF). In contrast, controlled acid hydrolysis using strong acids (e.g., hydrochloric acid, HCl, or sulfuric acid, H2SO4) is utilized for synthesizing cellulose nanocrystals (CNC). Furthermore, biological methods, including enzymatic hydrolysis with Cellulase enzymes (produced by microorganisms), offer a sustainable and less energy-intensive alternative, leading to reduced chemical solvent consumption and enhanced NC yield. Results: Extensive research on cellulose and NCs extraction from various macroalgal species (brown, green, and red) has yielded promising outcomes. The outstanding properties of algal NCs, including high mechanical strength, large specific surface area, and excellent biocompatibility, render them highly valuable materials with broad applications. Studies indicate that extracted NCs, such as those from Chara corallina, possess a highly ordered crystalline structure (with a crystallinity index up to 85.64%) and a rod-like nanomorphology coupled with a significant specific surface area (e.g., 823.5 m$^2$/g), substantially enhancing their application potential. In packaging and bioplastics, algal NCs have been successfully incorporated into nanocomposite films (e.g., from Laminaria japonica and Sargassum natans), demonstrating improved physical and mechanical properties, including enhanced water and oxygen barrier resistance. Additionally, cellulose extracted from Cladophora sp. has served as a primary component in high-performance bioplastics, exhibiting a tensile strength of 9.33 MPa and biodegradability exceeding 40% in 5 days. For water treatment, nanocellulose membranes derived from the freshwater macroalga Chara corallina have demonstrated high efficiency in removing heavy metal ions (e.g., cadmium, nickel, and lead) from contaminated water, with efficiencies of 98.20%, 95.15%, and 93.80%, respectively. This presents a sustainable remediation strategy. Moreover, in biomedical applications, NCs extracted from Ulva lactuca have exhibited significant antibacterial properties against both Gram-positive and Gram-negative bacteria. Furthermore, NCs derived from brown algae (Laminaria digitata and Saccharina latissima) show remarkable potential for developing advanced medical dressings and hydrogels, owing to their long-term stability in gel solutions and excellent biocompatibility. Conclusion: Marine macroalgae represent an abundant, renewable, and sustainable source for high-quality cellulose and NCs production. These biomaterials, with their remarkable physicochemical and mechanical properties, pave the way for diverse applications across various industries. The development of green and cost-effective extraction methods, such as enzymatic hydrolysis and optimized chemical processes, is crucial for the commercialization and improved efficiency of these processes. Given current environmental challenges, utilizing algae-derived NCs not only provides a sustainable pathway for novel material production but also significantly contributes to algal waste management and carbon footprint reduction. This research underscores the vital role of macroalgae in the future of sustainable biopolymers and their innovative applications, thereby paving the way for further research and development in this field. بیان مساله و اهداف: افزایش آگاهیهای جهانی نسبت به مسائل زیست‌محیطی، تقاضا برای بیوپلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر را بهطور چشمگیری افزایش داده است. در حالیکه منابع بیوپلیمری زمینی، منجر به بهره‌برداری بی‌رویه از زمین و منابع آبی می‌شوند، ماکروجلبک‌های دریایی بهعنوان منابعی پایدار و مستقل از اکوسیستم‌های خشکی، پتانسیل بالایی برای تولید پلی‌ساکاریدهای زیست فعال نظیر سلولز و کاهش آلودگی‌های پلاستیکی اقیانوسی از خود نشان میدهند. این تحقیق بر بررسی پتانسیل ماکروجلبک‌ها در تولید سلولز و نانوسلولز (NCs)، روش‌های استخراج و کاربردهای منحصربه‌فرد این مواد تمرکز دارد. مواد و روشها: استخراج و خالص‌سازی سلولز و نانوسلولز (NCs) از ماکروجلبک‌ها، با بهره‌گیری از شباهت‌های ساختاری سلولز جلبکی به سلولز گیاهی، متکی بر رویکردهای ترکیبی شیمیایی و مکانیکی است که اغلب با روش‌های شیمی سبز و بیولوژیکی تکمیل می‌شوند. فرآیندها معمولاً با پیش تیمار قلیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH)، جهت حذف همی سلولزها، موم‌ها و لیپیدها و خالص‌سازی فیبرهای سلولزی آغاز می‌شود. در ادامه، خمیر سلولزی با عوامل سفیدکننده نظیر پراکسید هیدروژن (H2O2)، کلریت سدیم (NaClO2) رنگ‌بری می‌شود که در این میان، استفاده از (H2O2) به دلیل سازگاری زیست‌محیطی ارجحیت بیشتری دارد. در مرحلهی نهایی، جهت تولید نانوسلولز فیبریله (CNF)، روش‌های مکانیکی انرژی بر، مانند آسیاب سوپردیسکی، هموژنایزر یا میکرومایع‌ساز به کار گرفته می‌شوند، در حالیکه جهت سنتز نانوسلولز کریستالی (CNC)، هیدرولیز اسیدی کنترل شده با اسیدهای قوی نظیر هیدروکلریک اسید (HCl) یا سولفوریک اسید (H2SO4) انجام می‌پذیرد. همچنین، روش‌های بیولوژیکی از جمله هیدرولیز آنزیمی با استفاده از آنزیم‌های سلولاز (تولید شده توسط میکروارگانیسم‌ها) بهعنوان جایگزینی پایدار و کم انرژی تر، منجر به کاهش مصرف حلال‌های شیمیایی و بهبود بازده نانوسلولز خواهند شد. نتایج: تحقیقات گسترده بر روی استخراج سلولز و نانوسلولز (NCs) از گونه‌های مختلف ماکروجلبک‌ها (قهوه‌ای، سبز و قرمز) نتایج امیدوارکننده‌ای را به ارمغان آورده است. خواص برجسته نانوسلولز جلبکی، از جمله استحکام مکانیکی بالا، سطح ویژه وسیع و زیست سازگاری عالی، آن را به یک ماده‌ی بسیار ارزشمند با کاربردهای گسترده تبدیل کرده است. مطالعات نشان می‌دهند که نانو سلولزهای استخراج شده، به‌عنوان مثال از گونهی جلبکی (Chara corallina)، دارای ساختار کریستالی بسیار منظم (با شاخص کریستالیتی تا 64/85 درصد) و مورفولوژی نانو میله‌ای همراه با سطح ویژه قابل توجه (823/5 مترمربع بر گرم) هستند که پتانسیل کاربردی آن‌ها را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهند. در حوزه بسته‌بندی و بیوپلاستیک، نانوسلولز جلبکی در تولید فیلم‌های نانو کامپوزیت (مانند فیلم‌های حاصل از جلبک‌های قهوه‌ای، کامبو (Laminaria japonica) سارگاسوم (Sargassum natans) با خواص فیزیکی و مکانیکی بهبودیافته، از جمله افزایش مقاومت در برابر نفوذ آب و اکسیژن، به کار گرفته‌شده است. علاوه بر این، سلولز استخراج شده از جلبک سبز (Cladophora sp)، بهعنوان جزء اصلی در ساخت بیوپلاستیک‌های با عملکرد بالا، با استحکام کششی 33/9 مگاپاسکال و زیست‌تخریب‌پذیری بیش از 40 درصد در 5 روز، مورد استفاده قرار گرفته است. در زمینه تصفیه آب، غشاهای نانو سلولزی استخراج شده از ماکروجلبک آب شیرین (Chara corallina)، قابلیت بالایی در حذف یون‌های فلزات سنگین (نظیر کادمیوم، نیکل و سرب) با بازدهی به ترتیب 20/98 ، 15/95 و 80/93 درصد از آب‌های آلوده نشان داده‌اند که راهکاری پایدار برای این معضل زیست‌محیطی محسوب می‌شود. همچنین، در کاربردهای زیست‌پزشکی، نانوسلولز استخراج شده از جلبک سبز (Ulva lactuca)، خواص ضد باکتریایی قابل توجهی در برابر باکتری‌های گرم مثبت و گرم منفی از خود نشان داده است. علاوه بر این، نانو سلولزهای حاصل از دو گونه جلبک قهوهای، (Laminaria digitata) و (Saccharina latissima)، به دلیل پایداری طولانی مدت در محلول‌های ژل‌مانند و خواص زیست سازگاری، پتانسیل چشمگیری در توسعه باندپیچی‌های پزشکی پیشرفته و هیدروژل‌ها دارند. نتیجه گیری: ماکروجلبک‌های دریایی بهعنوان یک منبع فراوان، تجدیدپذیر و پایدار، پتانسیل بی‌نظیری برای تولید سلولز و نانوسلولز باکیفیت بالا دارند. این مواد زیستی با خواص فیزیکوشیمیایی و مکانیکی برجسته، از جمله استحکام بالا، سطح ویژه وسیع و زیست سازگاری، راه را برای کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف هموار می‌کنند. توسعه روش‌های استخراج سبز و مقرون‌به‌صرفه، مانند هیدرولیز آنزیمی و بهبود فرآیندهای شیمیایی، اهمیت بالایی در تجاری‌سازی و افزایش بهره‌وری این مواد دارد. با توجه به چالش‌های زیست‌محیطی فعلی، استفاده از نانو سلولزهای استخراج شده از جلبک‌ها، نه تنها راهکاری پایدار برای تولید مواد جدید فراهم می‌کند، بلکه به مدیریت پسماندهای جلبکی و کاهش ردپای کربن نیز کمک شایانی می‌نماید. این پژوهش بر نقش حیاتی ماکروجلبک‌ها در آینده بیوپلیمرهای پایدار و کاربردهای نوین آن‌ها تأکید می‌کند و مسیر را برای تحقیقات و توسعه بیشتر در این حوزه هموار می‌سازد.

https://www.ijwp.ir/article_732909_635b2f8c69a7a55927c585b49dd0145f.pdf