摘  要：劍麻加工副產(chǎn)物是指壓榨劍麻葉片獲取纖維過程中的麻渣、麻水等非目標產(chǎn)物。因其含有豐富的果膠、皂素、葉肉組織、纖維素、木質(zhì)素等生物源物質(zhì)，而具有較高的利用價值。文章針對劍麻加工副產(chǎn)物的綜合利用研究進行綜述，分析劍麻加工副產(chǎn)物綜合利用的研究進展和技術(shù)水平，并針對劍麻加工副產(chǎn)物的研究和應(yīng)用提出問題和建議,旨為劍麻加工副產(chǎn)物的研究和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：劍麻；副產(chǎn)物；綜合利用；研究進展

 

劍麻纖維因具有堅韌耐磨、質(zhì)地剛?cè)帷⒏挥袕椥?、耐腐蝕、防靜電等特性被廣泛應(yīng)用于重工業(yè)、輕工業(yè)、國防、民生等重要領(lǐng)域，在我國被列為重要的戰(zhàn)略性物資^[1-3]。當前，劍麻纖維的獲取主要來源于劍麻葉片加工，葉片加工過程中除產(chǎn)出占劍麻葉片 3%～5%^[4-5]的纖維外，還會產(chǎn)生大量含有豐富果膠、皂素、纖維素、木質(zhì)素等生物質(zhì)^[6-9]的副產(chǎn)物，如麻水、麻渣。因其生物質(zhì)含量豐富，劍麻麻水、麻渣未經(jīng)處理直接排入環(huán)境會產(chǎn)生較大的負面影響^[10]，進而制約劍麻加工的工業(yè)產(chǎn)出，影響產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。劍麻加工副產(chǎn)物麻渣、麻水中的生物源物質(zhì)綜合利用可降低劍麻加工產(chǎn)業(yè)對環(huán)境造成的負面影響^[11-12]，促進有機物的高值化利用，解決當前制約劍麻加工的主要瓶頸，進一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出結(jié)構(gòu)，促進劍麻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展，對劍麻產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展具有重要意義。

 

1 劍麻加工副產(chǎn)物綜合利用研究

當前劍麻葉片加工中產(chǎn)生的一些非目標產(chǎn)出物主要有劍麻麻水、劍麻麻渣、劍麻短亂纖維，針對不同產(chǎn)物的資源化利用方法差異較大。

1.1 劍麻麻水資源化利用

劍麻麻水是劍麻纖維加工過程中對劍麻葉片進行壓榨、沖洗、清潔所產(chǎn)生的混合液體，其含有的果膠、皂素等生物源有機物經(jīng)過發(fā)酵會散發(fā)出極其刺鼻的惡臭味。目前，麻水的綜合利用途徑主要有厭氧發(fā)酵生產(chǎn)生物源沼氣、提取劍麻皂素用于制藥工業(yè)和針對性處理后用于作物灌溉。

1.1.1 麻水生產(chǎn)沼氣   

20 世紀 80 年代賀鷹摶等^[13-14]探索劍麻麻水發(fā)酵沼氣已產(chǎn)出可滿足使用要求的沼氣。Muthangya 等^[15-16]研究表明，適當?shù)陌l(fā)酵前處理、基料粒徑（<2 mm)及載體對以劍麻麻水作為發(fā)酵基底的厭氧消化生產(chǎn)沼氣具有促進作用，可有效提高劍麻加工副產(chǎn)物的發(fā)酵表現(xiàn)。2008 年，我國提供技術(shù)支撐援助坦桑尼亞 Tanga 市建成了年產(chǎn)沼氣 50 萬 m3、年發(fā)電約 75 萬 kWh劍麻廢水沼氣發(fā)電工程，有力促進了劍麻麻水的循環(huán)利用^[17-18]，表明麻水發(fā)酵生產(chǎn)沼氣已達到應(yīng)用水準。近年來，陳濤等^[19-20]利用發(fā)酵微生物菌和甲烷微生物菌混合菌劑開展劍麻麻水除臭發(fā)酵取得了明顯進展。

1.1.2 麻水提取劍麻皂素

劍麻皂素是合成動物甾體類激素的重要原料，具有抗炎、止血、鎮(zhèn)痛等作用^[21]。我國自 20 世紀 70 年代初開始了劍麻皂素的分離鑒定和提取^[22-24]，至 1979 年成功利用劍麻皂素合成蛋白同化激素^[25]，此后利用劍麻皂素合成氫化可的松、倍他米松、地塞米松、哌庫溴銨、雄甾烯酮等重要的醫(yī)療和化工用品^[12]，于 1992 年建立劍麻麻水中劍麻皂素的提取工藝^[26]，探索出利用 ZG-21 菌株進行生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)劍麻皂苷元的清潔生產(chǎn)工藝^[27]，目前劍麻皂素提取和利用已經(jīng)較為成熟，與皂素提取相關(guān)的設(shè)備、技術(shù)、工藝、方法形成了較為全面的技術(shù)方案^[28-30]。

1.1.3 麻水回田灌溉

廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所針對劍麻麻水的回田再利用建立了年處理麻水 2 萬噸的核心示范區(qū)，對處理的麻水利用管道輸送進行滴灌還田，取得了較好的示范效果(廣西熱作所承擔的廣西重點研發(fā)計劃項目“劍麻麻渣麻水資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”通過現(xiàn)場查定 http://www.gxrzs.com/article/1630052178.html)，顯示劍麻麻水回田具備一定的應(yīng)用價值。

劍麻麻水的資源化利用在沼氣生產(chǎn)構(gòu)架^[15-18]、劍麻皂素提取^[28-30]方面取得了較好成效，在麻水回田灌溉方面開展了試驗探索，篩選出了麻水發(fā)酵的特定菌株菌種^[19]，在麻水利用方面集成了較為成熟的技術(shù)。綜合而言，對劍麻麻水資源化利用的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為完備，基本達到了劍麻麻水的資源再利用，但技術(shù)在市場的大規(guī)模應(yīng)用與生產(chǎn)基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)相關(guān)政策息息相關(guān)，麻水的資源化無害利用仍無法完全實現(xiàn)。

1.2 劍麻麻渣利用方法

劍麻麻渣中主要有劍麻葉表組織、葉肉組織、果膠、不溶性膳食纖維等生物源材料^[31-34]，針對其中豐富的有機物，目前劍麻麻渣的無害化利用方式有微生物發(fā)酵堆肥、膳食纖維研究、制備葉綠素銅鈉和提取劍麻果膠。

1.2.1 劍麻麻渣堆肥

麻渣還田可有效改良土壤肥力^[35]，但直接還田極易傳播劍麻病蟲害，影響劍麻植株的健康生長。覃旭等^[36]利用商品化的腐熟劑篩選出了最佳的劍麻麻渣腐熟劑和腐熟時間（21d）；譚施北等研究指出，低水平石灰與微生物菌劑混合進行堆肥具有最佳的腐熟效果^[37]。目前，利用劍麻麻渣腐熟的有機肥栽培蘑菇嘗試較多[38-42]，含劍麻渣 42%、棉籽殼 32%為主料的配方用于栽培夏秀玲食用菌，投入產(chǎn)出比可達 1.00∶5.05[38]，劍麻麻渣種植平菇的轉(zhuǎn)化率可達到 79.9%^[42]，顯示出劍麻麻渣用于作物栽培的堆肥原料具有較好前景。

1.2.2 劍麻麻渣膳食纖維

胡蝶^[43]利用酸處理法完成了劍麻麻渣中的可溶性纖維和不可溶性纖維的分離，并針對性測定提取物的理化活性，建立了劍麻渣全利用的連續(xù)工藝，確定了可溶性膳食纖維得率為9.8%、不可溶性膳食纖維得率為 58.9%的最適提取條件（料液比為 1:20、pH 為 1.5，溫度為100 ℃，時間為 90 min），并對分離出來的成分進行了活性評價，明確了膳食纖維的主要成分，為劍麻加工副產(chǎn)物的利用提供了新的途經(jīng)，但與劍麻的膳食纖維利用研究相關(guān)成果較為少見，顯示該利用途徑暫未受到重視。

1.2.3 劍麻麻渣制備葉綠素銅鈉

葉綠素銅鈉作為一種無毒的天然食用色素在食品加工中大量使用。韓耀玲^[12]2004 年首次完成了劍麻麻渣制備葉綠素銅鈉的研究，并明確指出其急性毒素較低；林翠梧等^[44]建立了麻渣的葉綠素銅鈉制備方法。自此之后，2018 年又有利用劍麻麻膏進行葉綠素銅鈉制備的研究，制備獲得了具有較高穩(wěn)定性的葉綠素銅鈉^[45]，但未見相關(guān)的實踐應(yīng)用。

1.2.4 劍麻麻渣提取果膠

1958年Aspinall等確定了劍麻果膠的存在^[46]，2004 年韓耀玲^[12]利用酸解和鹽析完成了對劍麻麻渣中果膠成分的抽提工作，獲得了符合國家標準的低酯果膠。此后，研究人員利用卡唑比色法^[47]、紅外光譜法^[48]等方法對劍麻果膠的鑒定分析不斷進行，為篩選最佳的提取緩沖液和沉淀方法持續(xù)優(yōu)化劍麻麻渣果膠的提取工藝^[49]。2013年，Santos等^[50]利用水萃取的方法建立了最高達19.2%得率的劍麻麻渣果膠提取方法；2014年，Maran等^[51]利用超聲波技術(shù)輔助抽提劍麻麻渣果膠，果膠得率提升到 29.32%；YANG 等^[52]利用酶和超聲聯(lián)合處理進一步將果膠得率提升到 31.1%。目前，劍麻麻渣提取純化技術(shù)體系已建立了涵蓋果膠制備、果膠提取、高效分離、產(chǎn)品開發(fā)等多維度的專利技術(shù)^[53-56]。

通過肥料化利用實現(xiàn)劍麻麻渣資源化利用已較為成熟^[36-38]，劍麻麻渣堆肥已經(jīng)具備了整套處理工藝，但實際生產(chǎn)中將未堆肥麻渣直接還田十分常見，造成后茬劍麻病蟲害流行嚴重的情況屢見不鮮^[43]；劍麻麻渣制備膳食纖維、提取果膠、制備葉綠素銅鈉等技術(shù)現(xiàn)還處于開發(fā)階段，且膳食纖維、葉綠素銅鈉制備技術(shù)研究現(xiàn)已基本停滯，市場化應(yīng)用有待推進。

1.3 短纖維、亂纖維的利用開發(fā)

劍麻加工過程中產(chǎn)生的短纖維和亂纖維經(jīng)濟價值低于優(yōu)質(zhì)的劍麻纖維，無法滿足劍麻鋼絲繩芯、工業(yè)纜繩等高要求的應(yīng)用需求，但仍具有較高的經(jīng)濟價值。短亂纖維的資源化利用，主要可以在水泥中作為應(yīng)力增強材料和高端紙張的紙漿原料。

1.3.1 短亂纖維在水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用

通過摻加纖維改善水泥基復(fù)合材料的脆性^[57-58]，在高速路面、橋梁公路、隧道、碼頭、國防工程、水利工程、工業(yè)建筑及建筑墻面等場景中多有應(yīng)用。研究^[59-61]表明，摻入長度 10～40 mm 的劍麻纖維可增強材料的抗彎強度、提升抗?jié)B防裂和防凍性能，浸漬防護處理工藝可有效提升混凝土中劍麻纖維的耐久性^[62]，不同使用場景的劍麻纖維水泥基材料中纖維應(yīng)用長度、纖維直徑、單位添加量等參數(shù)已有探索^[63-65]。目前，劍麻纖維增強復(fù)合材料已經(jīng)建立較為完善的技術(shù)方法^[66-68]，劍麻短亂纖維符合復(fù)合材料添加的材料需求，可作為資源再利用的解決方案。

1.3.2 纖維造紙

20 世紀 50 年代，研究人員利用劍麻纖維制備紙漿的探索已經(jīng)開始，后來根據(jù)劍麻纖維特性，劍麻纖維特種造紙的應(yīng)用逐步開拓，劍麻紙漿所具備的市場潛力逐漸被認可^[69-70]。我國最早于 1991 年嘗試性利用劍麻纖維造紙^[71]，逐步優(yōu)化制備出具有強度高、耐折、透氣等性能的紙張^[72-74]，該類紙張可用于包裝紙、鈔票紙、證券紙、新聞紙等高端用途^[75-76]。已有研究^[77-78]利用劍麻纖維作為原材料成功制備無紡布，進一步拓寬了劍麻纖維造紙的應(yīng)用場景。

造紙工藝中紙漿原料中劍麻纖維的長度多為 1～2 mm^[74,77-79]，并不需要優(yōu)質(zhì)的長纖維，劍麻的短纖維、亂纖維經(jīng)過處理便是極佳的紙漿原材料。

綜合研究和應(yīng)用情況，劍麻纖維加強水泥基材料性能已應(yīng)用普遍且優(yōu)勢明顯，利用劍麻纖維提升混凝土材料性能方面，在技術(shù)研究和生產(chǎn)應(yīng)用中已經(jīng)十分成熟^[63-68]，但尚無利用劍麻短亂纖維在水泥基材料性能優(yōu)化方面的綜合利用；利用劍麻纖維制備劍麻無紡布和特種紙張的技術(shù)已經(jīng)成熟^[76-79]，已有劍麻纖維制備紙張投入應(yīng)用。

 

2 我國劍麻加工副產(chǎn)物資源再利用制約因素

2020―2024 年，筆者依托中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會“劍麻產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展路線圖研究”項目對我國廣西、廣東劍麻主產(chǎn)區(qū)和初加工工廠進行實地調(diào)研，結(jié)合從業(yè)人員座談和技術(shù)研究資料查閱分析，在劍麻的綜合無害化資源利用方面，麻水、麻渣和短亂纖維資源化利用方法受到的制約因素的重點不同。

2.1 麻水資源化利用制約因素

目前，麻水資源利用的制約因素主要有四個方面：一是劍麻麻水產(chǎn)區(qū)分散，制約麻水的集中處理；二是劍麻麻水沼氣產(chǎn)出量有待提升，現(xiàn)階段沼氣處理、皂素提取的投入產(chǎn)出盈利極為困難；三是劍麻麻水的回田灌溉受到麻水營養(yǎng)成分不足、麻水酸值過高等問題制約；四是劍麻麻膏的處理措施和提取工藝分離導(dǎo)致了產(chǎn)業(yè)上下游利益分配不均。

2.2 麻渣資源化利用制約因素

目前，麻渣資源利用的制約因素主要有五個方面：一是劍麻麻渣區(qū)域產(chǎn)出量大、局域產(chǎn)出量小，難以形成規(guī)模優(yōu)勢從而降低生產(chǎn)成本；二是劍麻麻渣制取的有機肥附加值與其他生物源肥料相比優(yōu)勢不明顯；三是劍麻麻渣制取有機肥的規(guī)范標準和監(jiān)管機制不夠成熟；四是劍麻麻渣提取果膠優(yōu)勢不突出，提取過程中的有機溶劑可能造成新的污染；五是葉綠素銅鈉、膳食纖維提取技術(shù)實用性探索不足。

2.3 短纖維、亂纖維資源化利用制約因素

目前，短纖維、亂纖維資源利用的制約因素主要有三個方面：一是劍麻短纖維、亂纖維的脫膠工藝處理流程不完備；二是加工企業(yè)對劍麻短纖維、亂纖維管理不規(guī)范，影響后續(xù)使用質(zhì)量；三是劍麻纖維專用紙張、無紡布的產(chǎn)出受市場規(guī)模限制。

 

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

劍麻加工副產(chǎn)物含有的劍麻皂素、纖維素以及沼氣發(fā)電等生物質(zhì)能源原料具有較好的再利用價值，通過技術(shù)研究實現(xiàn)劍麻加工副產(chǎn)物的資源化再應(yīng)用十分必要。本文針對劍麻加工副產(chǎn)物資源的綜合利用情況，梳理分析了劍麻麻水、麻渣和短亂纖維的資源化利用方法研究進展，其中麻水的沼氣發(fā)酵、皂素提取和麻渣的堆肥利用技術(shù)目前相對成熟，但進一步擴大應(yīng)用仍受市場投入產(chǎn)出效益制約；麻渣提取葉綠素銅鈉、膳食纖維和果膠以及短亂纖維再利用研究仍處于探索階段，近期研究表明，麻渣提取葉綠素銅鈉、膳食纖維等部分研究進展已經(jīng)停滯，其主要原因在于技術(shù)的實用性和前景不夠明確。結(jié)合劍麻加工副產(chǎn)物的產(chǎn)出和影響，劍麻加工副產(chǎn)物的利用研究首要應(yīng)該是劍麻麻水、麻渣的資源化綜合利用，通過麻水除臭發(fā)酵和麻渣堆肥利用等較為成熟的技術(shù)解決劍麻初加工產(chǎn)業(yè)面臨的環(huán)境污染和資源浪費；其次是對劍麻短亂纖維的有效再利用，加快推進熟化果膠提取、特種造紙等技術(shù)提升產(chǎn)業(yè)的附加值，為劍麻產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展提供支撐。

3.2 展望

劍麻加工副產(chǎn)物的研究和應(yīng)用現(xiàn)已積累了較好的技術(shù)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)態(tài)勢，沼氣發(fā)電、麻渣堆肥、皂素提取以及特種造紙等技術(shù)集成了成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，但總體而言，劍麻麻水、麻渣的綜合利用水平仍不高，綜合利用研究和應(yīng)用仍有待深化，基于此本文提出兩點建議：

一是強化技術(shù)研究開發(fā)，拓寬副產(chǎn)物應(yīng)用場景。目前，涉及皂素提取、果膠提取等相關(guān)過程會引入有機溶劑而導(dǎo)致新的污染，麻渣堆肥、膳食纖維生產(chǎn)、沼氣生產(chǎn)的總體生產(chǎn)架構(gòu)不夠完善，一定程度上限制了劍麻副產(chǎn)物的再次利用，進一步完善技術(shù)專項研究，細化具體參數(shù)，解決瓶頸問題，如探索劍麻麻渣提取物在多功能化妝品上的使用^[80-81]，拓寬劍麻加工副產(chǎn)物的應(yīng)用場景。

二是優(yōu)化產(chǎn)區(qū)產(chǎn)業(yè)布局，降低副產(chǎn)物處理成本。劍麻副產(chǎn)物主要產(chǎn)出于初加工過程，具有區(qū)域產(chǎn)量大、局域產(chǎn)量不足的特征，在劍麻產(chǎn)區(qū)內(nèi)一般分散于不同加工廠，通過合理規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局，實現(xiàn)區(qū)域集中的標準處理，進一步降低基礎(chǔ)生產(chǎn)成本，從而優(yōu)化劍麻副產(chǎn)物的投入產(chǎn)出，促進副產(chǎn)物的高值化利用。

 

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文章摘自：袁志能,趙雙雙,徐楊玉,等.劍麻加工副產(chǎn)物綜合利用研究進展[J/OL].中國麻業(yè)科學(xué),1-10[2024-12-10].