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特约专稿 | 汤 锋:全竹化学利用的思考

来源: 发布时间:2020-01-09 14:12:39 点击数:

原创 成府路口男 世界竹藤通讯

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中国是竹资源大国,竹子种类约占全球总量的50%,面积约占20%。近年来,中国竹产业得到迅速发展,2018年产值已达2 456亿元。但是,产业发展不均衡,过于偏重材料利用,导致行业无序竞争、企业利润率剧降等问题的凸显。因此,如何顺应我国制造业总体发展趋势和要求,创新产业发展模式,引导竹产业由高速发展向高质量发展转变,实现竹产业的转型升级,成为业界亟待解决的问题。

竹资源化学利用是指通过化学加工的方法,利用竹子纤维素、半纤维素、木质素和内含物,生产各种产品。目前,竹资源化学利用总体规模小,主要以竹材加工剩余物、废弃物为原料,完整的产业链尚未形成。随着生态文明建设的大力推进和天然林保护工程的深入实施,竹资源化学利用和产业发展迎来新的发展机遇。本文在简述竹资源化学利用现状的基础上,从全产业链和产业升级的角度,提出全竹化学利用的概念和模式,以供业界同行探讨。

竹资源化学利用现状

1.1  竹炭和竹醋

竹炭是一种以竹材为原料,经高温无氧干馏制成的炭材料。竹炭质地坚硬,结构疏松多孔,具有很强的吸附能力。根据原料和形状的不同,竹炭可分为筒炭、片炭、颗粒炭和粉末炭等。除用于烧烤、火锅等燃料外,竹炭还具有净化空气、消除异味、吸湿防霉、抑菌驱虫等作用,在化工、冶金、农业、水质和空气净化、食品等领域广泛应用。烧制温度是影响竹炭应用领域的重要因素,作为燃料,炭化温度一般在400~500 ℃即可;用于吸附等用途,则需要更高的炭化温度。基于降低原材料成本的考虑,目前竹炭主要以竹材加工剩余物为原料烧制,较少以竹竿直接烧制。

竹醋是烧制竹炭得到的一种液体副产物,有独特的烟熏气味,其化学组成非常复杂,主要成分是水、有机酸、酚类、酮类和醇类等物质。关于竹醋的用途,目前理论研究和小规模实验的报道较多,主要包括农药增效剂、土壤改良剂、液体肥料、饲料添加剂以及日化用品等领域,但实际进入产业化应用的较少。由于没有大规模的应用途径,目前企业收集竹醋较少,通常经二次燃烧后直接排放。

据统计,2018年我国竹炭产量约为25.52t,较2017年增长5.67%;产值约为8.84亿元,较2017年增长5.87%。通常生产1 t竹炭,会产生0.8~1.0 t的竹醋,据此推算,若全部收集,竹醋的产量约为20~25t

1.2  竹叶提取物

竹叶在中国具有悠久的药用和食用历史。《本草纲目》记载:苦竹叶具有明目、利九窍、治不睡、止消渴、解酒毒等作用。《中国中药资源志要》收录的药用竹种有1031种。随着对竹叶化学成分、生物活性及生理功能的深入研究,竹叶提取物的开发、利用逐渐兴起。2011年竹叶抗氧化物被列入《食品添加剂使用标准(GB 2760—2011)》中,可在油脂、肉制品、火腿等食品生产中使用;2014年以毛环竹(Phyllostachysmeyeri)竹叶为原料的竹叶黄酮,被批准为新食品原料。

目前,竹叶提取物产业规模还相对较小,主要用于饮料等食品生产中,产品接受度基本局限于竹产区,但开发潜力很大。

1.3  竹汁饮料

李时珍在《本草纲目》中记载,《金门记》云:五月五日午时有雨,急伐竹竿,中必有神水,沥取为药;其味甘,寒,无毒;主治心腹积聚及虫病,和獭肝为丸服。又饮之,消热化痰,定惊安神。。按现代科学观点,竹竿中所谓的神水,其实是竹子的伤流液。研究表明,在竹伤流液中含有丰富的矿质元素、微量元素、多种维生素、多糖及氨基酸等。竹汁饮料即是以活竹中采集的伤流液为主要原料,配以竹叶提取物加工成的无酒精饮料。

目前,在广西、浙江、云南等地,均有竹汁饮料生产企业,但多数企业的产品仍局限于产地附近或省内销售,市场尚待拓展;企业规模较小,年销售额通常在千万元水平,个别企业达到亿元。

1.4  竹筒酒/鲜竹酒

竹筒酒/鲜竹酒是一种中国少数民族的传统含酒精饮料,文献记载已有1 800余年的饮用历史。它是将基酒(白酒)通过微孔技术,注入竹腔中,封闭陈酿一段时间后得到的一种烈酒。成酒色如琥珀,入口绵甜,竹香浓郁,自然清纯。检测表明,竹筒酒中含有多种矿质元素和黄酮、活性多糖等天然产物。

目前竹筒酒市场规模已达数亿元,但品牌较多,鱼龙混杂,产品质量良莠不齐。

1.5  竹茹与竹沥

竹茹是一种传统中药,《中华人民共和国药典》(2015年版)记载,竹茹是禾本科植物青秆竹Bambusa tuldoides Munro、大头典竹Sinocalamusbeecheyanus (Munro) McClure var. pubescens P. F. Li 或淡竹Phyllostachys nigra (Lodd.) Munro var. henonis(Mitf.) Stapf ex Rendle茎秆的干燥中间层。全年均可采制,取新鲜茎,除去外皮,将稍带绿色的中间层刮成丝条,或削成薄片,捆扎成束,阴干。前者称散竹茹,后者称齐竹茹’”“小儿清肺化痰口服液”“小儿止嗽糖浆”“清喉利咽颗粒”“消痤丸”等均含有竹茹。

竹沥也是一种传统中药,一般为淡竹等的茎秆经火烤后所流出的汁液,富含氨基酸、有机酸和矿质元素等,具有清肺降火、镇咳、祛痰、利窍等多种功效。最早采用竹沥治疗痰热咳嗽、中风痰盛、破伤风等疾病的记载出自《本草经集注》。《食疗本草》《名医别录》和《本草纲目》等典籍均有记载。《本草衍义》称竹沥为痰家之圣剂也,具有镇咳、祛痰、治消渴和利窍等功效。《丹溪心法》记载:痰在腹间,使人癫狂,或健忘或风痰,皆用竹沥,亦能养血。《中华人民共和国药典》(2015年版)仍收录有“竹沥达痰丸”“复方鲜竹沥液”“袪痰灵口服液”等数种含有鲜竹沥的中药制剂。

1.6  竹浆造纸

竹材的化学组成和木材基本相同,主要有纤维素、半纤维素和木质素等。竹子是优质的造纸纤维原料,竹纤维的柔韧品质和我国悠久的竹文化相得益彰。我国古代就有用嫩竹土法制竹浆、造竹纸的传统。随着造纸技术的发展,解决了竹材有机硅含量高等技术难题,促进了其在生活用纸工业的应用。目前,我国竹浆生产能力达到200t/年,约占纸浆总量的2%左右;年生产竹浆生活用纸约80t,占生活用纸总量的10%左右。

全竹化学利用

全竹化学利用是指创新集成竹子现有化学利用单项技术,以竹竿、竹叶等竹子地上部分为主要原料,通过化学加工的方法,生产各种产品,实现资源的高效、高附加值和清洁利用。

2.1  全竹化学利用模式

2.1.1  竹酒沥炭醋联产模式

该模式可用于毛竹等大径级竹种,在生长过程中,选择合适年龄的竹子,注入基酒,生长、陈酿一段时间后,收取鲜竹酒。采伐的竹竿,用于制取竹沥;剩余的固形物,再高温干馏,制备竹炭,同时收集竹醋;利用炭化产生的可燃气和余热,对竹醋进行纯化,获得精制竹醋;利用精制竹醋,制备竹醋粉。采伐的竹叶、细枝,可用于提取竹叶黄酮、多糖等产品。该模式集成了鲜竹酒、竹沥和竹炭生产技术,实现竹沥与竹炭联产,并通过竹醋粉这一产品形式,实现竹醋的高附加值利用,最终实现全竹利用。竹醋粉可作为饲料添加剂使用,替代兽用抗生素,具有优良的效果,市场潜力巨大。

2.1.2  竹汁沥炭醋联产模式

该模式可用于各种大径级竹种,在生长过程中,选择合适年龄的竹子,于合适的生长期,采集竹子伤流液,获得竹汁;以竹汁、竹提取物为原料,生产竹汁饮料。采伐的竹竿,用于竹沥、竹炭、竹醋以及竹醋粉的生产。该模式集成了竹汁、竹叶提取物、竹沥和竹炭生产技术,获得的终产品包括竹汁饮料、竹提取物、竹沥、竹炭和竹醋粉等。

2.1.3  竹茹沥炭醋联产模式

该模式可用于青秆竹、大头典竹和淡竹等竹种,也可与竹编产业相结合,实现联产。具体是将刮取竹茹后的竹材,用于竹沥、竹炭、竹醋以及竹醋粉的生产。对于淡竹等可用于编织的竹种,亦可将刮下的外皮部分,用于制备竹茹提取物。

以上3种全竹化学利用模式的核心均为竹沥、竹炭的联产,增值利用主体为竹沥和竹醋粉产品。按照目前市场情况和各种产品的得率,以竹酒沥炭醋联产模式为例,经初步测算,全竹化学利用的产值可达7 800~11 000/t鲜竹(表1)。

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2.1.4  机械竹浆液综合利用模式

据《中国造纸工业可持续发展白皮书》报告,2017年全国纸及纸板消费量达10 879 t,约占全球的1/410年间产量年均增长4.43%,消费量年均增长4.05%2018年纸及纸板生产量为10 435t,较上年下降6.24%,消费量10 439t,下降4.20%,人均年消费量75 kg。竹浆纸产业近年得到迅速发展,充分利用了竹子生长快、成材周期短、再生能力强等优良生物学特性所赋予的优越性。但是,相对于木材等原料,竹材含有丰富的内含物,制浆过程产业的废液处理压力极大,同时也造成资源浪费。研究表明,机械竹浆液含有丰富的可溶性糖以及黄酮等活性成分,开发利用潜力极大。因此,该模式采用机械热磨技术,以生产中低档竹浆为目标,挖掘利用蒸煮浆液,生产液体肥料、生物农药等产品,实现竹浆清洁生产。

2.2  需解决的科学问题

以上提出了几种全竹化学利用模式,由于竹种众多,不同竹种的化学组成略有差异。因此,除了传统中药或药典记载的竹种外,不同竹种竹沥、竹茹的化学组成和功效差异、竹伤流液/竹汁化学组成与功效、机械热磨制浆液的化学组成与活性等问题尚需开展系统研究。

2.3  需解决的关键技术与装备

全竹化学利用模式虽以现有各单项技术集成为主,但从节约成本和联产的角度,竹沥、竹炭、竹醋联产技术与自动化设备,竹酒注入、采收技术与装备,竹伤流液/竹汁采收装备,功能性竹活性炭制备等关键技术或装备也需要解决,在此不再展开讨论。

3  结语

2017年全球木炭生产量为50 99.5t,木炭的市场需求持续增加,预计2024年销售额有望达到172亿美元。随着我国不断加大生态环境建设力度,大力实施天然林保护工程,禁止砍伐林木、限用天然林木炭、禁止出口木炭、严禁土窑烧炭,竹炭取代天然木炭获得了前所未有的发展机遇。

此外,以上提出的全竹化学利用模式的终端产品涉及保健食品、生物农药、生物饲料添加剂等产品。目前我国营养保健产业仍处于起步阶段,普及率不及10%,远远低于美国的70%;人均消费不足20美元,远低于美国的101美元。随着我国《健康中国2030”规划纲要》和健康中国战略的实施,健康产业迎来了前所未有的发展机遇,发展空间巨大。

竹产业发展面临严峻挑战,提高资源综合利用率,拓展资源利用途径,增强产业科技水平,提升产品附加值,是促进竹产业高效可持续发展的必然途径。挖掘竹资源化学利用潜力,集成现有化学利用技术,构建全竹化学利用新模式,实现竹子生长至采伐的全生育期化学利用,发展前景广阔。

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