中药资源循环利用模式构建及产业化示范
2019-08-12 10:55:19 浏览：20204 来源：
中药资源是国家战略资源,是集生态资源､医疗资源､经济资源､科技资源以及文化资源为一体的特殊资源,是中医药事业发展和保障人民健康的重要物质基础｡因此,保护好和利用好中药资源已列入我国“中医药发展‘十三五’规划”｡近年来,随着社会需求的日益增长和科技进步的强劲驱动,以消耗中药及天然药物资源为特征的大健康产业得到快速发展,为我国乃至世界人民的人口健康和社会进步做出了重要贡献｡然而,分析当前中药资源产业发展模式和生产方式,大多仍属于大量生产､大量消耗和大量废弃的传统生产方式,资源利用效率和产业经济效益均较低下,产业化过程中产生的巨量副产物及下脚料被作为废物排放或简单转化为低附加值产品,资源价值未得到有效释放｡据初步统计,目前我国依靠人工生产供给的中药材种植面积达6000余万亩,每年产生非药用部位及加工下脚料总量逾亿吨;深加工产业化过程每年产生以药渣为代表的固体废弃物及副产物高达5500余万吨,液态废弃物达数亿吨｡
本团队针对制约我国中药资源产业健康发展的资源利用效率低下､资源浪费严重､生态环境压力不断加剧等重大经济､社会和生态问题,围绕中药资源全产业链各环节产生的不同类型废弃物及副产物开展循环利用研究与转化应用,创新性地提出并构建了中药资源循环利用理论基础,系统创建了五类中药资源循环利用模式,并在中药农业､中药工业领域得到推广应用,为中药产业的提质增效和绿色发展提供了重要途径｡
1 中药资源循环利用理论基础的构建
资源是人类社会发展的基础,资源粗放型使用导致了当今人类社会不得不面临“资源匮乏”“环境恶化”的问题｡这些问题已经成为严重影响人类生活､生存条件和人类社会可持续发展的主要因素｡为此,合理利用资源,减少资源利用过程中的环境污染已成为各国政府部门和各阶层人士的共识｡循环经济起源于工业经济,其核心是工业物质的循环｡循环经济是对物质闭环流动型经济的简称,本质上是一种生态经济,充分提高资源的利用效率｡
本团队在中药资源化学与循环经济理论指引下,基于资源多宜性基本原理,循环经济减量化(Reduce)､再利用(Reuse)､资源化(Recycle)的核心原则,在国内外率先提出中药资源循环利用的本质是生态经济,动力是效益最大化,目的是实现中药资源物质循环,其经济学实质是不同主体在市场上寻求最大经济效益,并按照自然生态系统的模式,改变“资源—产品—污染排放”的直线､单向流动的传统经济模式,使整个中药资源产业化过程不产生或尽可能少产生废弃物,从而在经济产业化过程中实现资源的综合利用和废弃物资源化｡同时,中药资源循环利用的产业化实施也不是一蹴而就的,而是在主､客观条件的共同约束下的渐进实践过程｡具体表现为:中药资源循环利用产业化过程受其资源化程度､资源化潜力､资源生物量等主观条件的约束,同时与当前资源化技术的成熟度､法律法规的许可度､实施各方利益获得的满意度密切相关｡因此,中药资源循环利用的产业化过程具有渐进性,具体表现为从部分品种､部分生产环节或部分企业的循环利用产业化,逐渐转化为整个产业的资源循环利用与绿色发展,从而平衡生态环境与发展经济之间的矛盾,把经济､环境､社会三者的发展有机结合起来,最终实现资源节约型和环境友好型的循环经济发展目标｡
资源的多宜性和多用性基本原理决定了中药资源产业化过程副产物及废弃物资源化模式的多元性和利用途径的多样化｡本团队基于中药资源全产业链各环节产生的废弃物及副产物的形成背景､利用现状､生态压力诸因素,结合社会需求､行业及区域经济发展水平及相关适宜技术的成熟度,通过长期探索实践,形成了转化增效､精细高值化､粗放低值化的多层级利用策略,集成创新了化学转化､生物转化､物理转化三套关键技术体系｡基于不同类型废弃物的理化性质､资源化潜力等特点,创建了五类中药资源循环利用模式:基于药材生产过程传统非药用部位的新资源药材､医药产品开发模式;基于中药固废物及副产物的生物酶､低聚糖､生物醇等系列产品开发模式;基于中药固废物的炭-液-气联产产品开发模式;基于药材生产过程传统非药用部位的功能食品开发模式;基于中药固废物的功能材料制备及产品开发模式｡
2 中药资源循环利用模式构建与产业化实践
2.1 基于药材生产过程传统非药用部位的新资源药材､医药产品开发模式 中药材采收加工过程中产生的非药用部位大多含有与其药用部位相似的化学组成,部分非药用部位在民间尚有药用记载｡本团队针对部分具有潜在药用价值的非药用部位,探索形成“基于药材生产过程传统非药用部位的新资源药材､医药产品开发模式”,并推广应用于丹参茎叶､苦参种子等10余种大宗药材非药用部位的资源价值发现与资源化利用｡
丹参为常用活血化瘀药物,我国每年丹参药材种植过程产生20余万吨茎叶因缺乏有效利用途径而废弃｡本团队研究发现,丹参茎叶中富含以丹酚酸､迷迭香酸为代表的酚酸类组分,并具有显著的活血化瘀功效,据此研究制定了丹参茎叶药材质量标准,作为新资源药材已收录于《陕西省药材标准》｡建立以丹参茎叶替代丹参药材作为丹酚酸医药/化工原料的高值化利用的制备工艺,实现了丹参药材生产过程废弃物及副产物的循环利用,提升了丹参药材的生产效益和效率｡
以苦参素为代表的苦参碱类生物碱是目前用于医药临床､畜禽用药､生物农药的重要资源性化学成分｡该类成分传统主要以荒漠植物苦豆子为原料进行提取制备,随着其需求量逐年增加,造成苦豆子资源的逐年减少,严重威胁荒漠地区的自然生态｡本团队研究发现,苦参药材种植过程中产生的废弃苦参种子与苦豆子生物碱类成分组成及含量高度相似,据此采用现代分离纯化技术创建形成以苦参种子资源为原料制备苦参素类生物碱成分的规模化生产工艺｡这一苦参素原料新资源的发现与有效利用,不仅增加了苦参药材种植的综合效益,实现了废弃资源的循环利用,同时也减少了苦豆子资源消耗,间接保护了我国近万公顷沙生荒漠区域的脆弱生态｡
2.2 基于中药固废物及副产物的生物酶､低聚糖､生物醇等系列产品开发模式 中药资源产业化过程中产生的非药用部位及药渣中除含有次生代谢小分子产物外,尚含有大量的纤维素､木质素等大分子类资源性物质｡开展富含纤维素类物质的中药废弃物再生利用,不仅可有效消耗中药制药过程中产生的大量非药用部位及药渣废弃物,降低环境承载压力,同时也可实现资源循环利用,实现中药工业的可持续发展｡研究显示,富含纤维素类物质的生物质经微生物转化可用于制备纤维素酶､生物乙醇等资源性产品｡在其生物转化过程中获得高效的功能菌种是其转化利用的源头和核心技术｡与传统转化底物比较,多数中药废弃物及副产物含有抑菌物质,部分资源尚残留有机溶剂,市场缺少有效转化菌种｡因此,构建具有高抗逆性,能够将中药废弃物及副产物中的资源性物质进行有效转化,尤其是将纤维素､木质素类成分进行有效转化的微生物菌种资源库尤为重要｡
本团队针对不同品种及来源的中药废弃物及副产物独特的理化特性及其潜在资源化价值,采用现代高通量筛选技术,成功筛选并驯化得到适宜于产纤维素酶发酵的草酸青霉菌株､扩展青霉菌株,适宜于制备植物多糖的中间苍白杆菌株,具有耐醇/酯等有机溶剂的高抗逆性解淀粉芽孢杆菌株､地衣芽孢杆菌等｡在此基础上,经基因工程菌构建形成系列高产菌株,推广应用于甘草药渣､丹参药渣､黄芪药渣等十余种中药废弃物及副产物的转化利用,形成生物酶､低聚糖､生物醇等系列产品开发模式｡如以甘草､丹参等富含纤维素类物质的中药药渣为原料,采用高压热解法使中药药渣中的半纤维素类物质降解为木糖液,经固液分离､脱色纯化等工艺制取木糖;固形物采用经多次诱变的高产纤维素酶菌株发酵､固液分离分别得纤维素酶液和发酵菌渣;发酵菌渣进一步与富含纤维素类物质的中药药渣混合发酵后,加入产乙醇酵母用于发酵提取工业乙醇,发酵后剩余的渣料用于制备生物肥料｡该技术体系通过连续成套工艺实现了以富含纤维类物质的中药废弃物及副产物联产低聚木糖､纤维素酶､工业乙醇､生物有机肥等资源性产品,降低了生产成本,实现了资源高效利用｡
2.3 基于中药固废物的炭-液-气联产产品开发模式 以农林废弃物为代表的生物质在缺氧条件下经高温热解形成生物碳､木醋液､可燃气是目前用于生物质处理和转化利用的有效方式｡中药资源产业化过程产生的固体废弃物及副产物在一定程度上与农林废弃物具有较高的相似性,但也存在物料来源多样､理化性质差异较大等特性,导致传统热解工艺及装备较难适应中药废弃物的炭化处理｡为此,本课题组在革新炭化工艺的基础上,创制形成动态传热提效的中药固废物新型干馏炭化设备,研制形成适宜于高含水难处理中药固废物的热循环预处理-炭化/气化一体化技术体系及装备,为中药固废物联产制备生物炭､木醋液､可燃气等资源性产品提供了转化增效途径｡
山楂为药食两用资源,在其饮片及特色食品加工过程中产生大量的废弃种子资源｡本团队采用热解炭化技术,以废弃山楂种子资源为原料通过工艺革新实现炭-液-气联产,开发出天然高效安全的妇科抗菌洗液新药,同时联产热解气和生物炭,热解气燃烧产热不仅实现了企业能源自给,且延伸产生系列生物炭产品,有效提升了资源利用效率和效益,为山楂主产区果农增收和地方经济发展做出了重要贡献｡
针对中药制药等深加工过程高含水中药复方药渣排放等环境难题,本团队通过集成多级脱水､余热回用等技术创新热解气化工艺,并创制适宜技术装备,转化应用于中药复方药渣的资源化利用与有效处置,转化形成清洁燃气､生物炭等资源性产品｡所产生的清洁燃气可作为清洁能源,热解气化/碳化后的草木灰/生物炭用于复合有机肥料生产,实现中药渣无害处理与伴生能源收集/转化利用的集成创新,产生显著的经济､社会和生态效益｡
2.4 基于药材生产过程传统非药用部位的功能食品开发模式 部分药食两用中药资源,其生产过程中产生的非药用部位含有丰富的营养物质,以其为主要原料经现代工艺可制作具有一定保健功能及食疗作用的功能食品｡本团队以酸枣､大枣､芡､瓜蒌等10余种药食两用资源非药用部位为示范,构建形成基于药材生产过程传统非药用部位的功能食品开发模式,为药食两用中药资源的循环利用与产业提质增效提供了支撑｡
酸枣仁为中医临床常用养心安神中药｡产地调研表明,每30kg酸枣鲜果仅能产出1kg酸枣仁,在酸枣仁生产加工过程中产生巨量果肉及果壳废弃物,其随意排放已造成严重生态环境污染｡基于以上产业现状,本团队以酸枣果肉副产物为原料采用益生菌发酵创制形成酸枣功能醋､酒､膏等系列功能性食品群;经提取制备多糖并络合铁离子形成酸枣果肉多糖铁;以提取酸枣多糖后剩余的酸枣果皮资源制备形成酸枣食用红色素;创建了从酸枣果肉提取残渣中同时制备可溶性与不溶性膳食纤维的制备工艺｡此外,以大枣干燥加工过程中产生的残次枣为原料形成具有大枣特有风味的功能性果葡糖浆,以瓜蒌加工过程产生的废弃果瓤为原料形成瓜蒌果葡糖浆和瓜蒌黄色素｡相关技术成果的推广带动了产区农户的脱贫致富与增产增收｡
2.5 基于中药固废物及副产物的功能材料制备及产品开发模式 针对质地坚实､纤维性强､具有材料化性能的部分非药用部位及提取药渣,引入压缩技术､固化成型技术,创建形成基于中药固废物的功能材料制备及产品开发模式｡
木塑复合材料是利用农林废弃植物纤维与回收再生塑料复合制备形成的一种新兴环境友好复合材料,兼具高强度､高弹性､高韧性和耐疲劳等优点｡多数纤维性强的中药固体废弃物含有和传统木塑原料(如杨木等)类似的植物纤维和相似的理化特性,为潜在优良低价的木塑产品原料,且部分品种尚富含天然抑菌物质,因此,从中药废弃物中开发具有天然防霉抑菌功能的木塑产品,对循环利用巨量中药固体废弃物､保护环境具有重要的社会意义和经济价值｡为此,本团队选取黄蜀葵花采收后残余的根及茎杆废弃物,构建了基于中药废弃物及副产物制备木塑板材技术体系,形成多类型功能性木塑产品｡此外,本课题组还尝试建立通过蒸爆解纤自胶结形成纤维板材的中药废弃物纤维板材制备技术,为以中药废弃物为原料制备功能板材产品实现中药固体废弃物资源化利用提供了技术支撑及产业化示范｡
3 总结与展望
本团队针对中药材生产与深加工产业化过程产生的废弃物及副产物,通过构建中药资源循环利用理论基础,创建资源化模式及适宜技术体系,并实现转化应用,初步形成了综合效益显著增加､资源浪费与环境压力显著减少的“一增一减”绿色发展样板,为推动我国中药产业提质增效､可持续发展,促进生产方式与发展模式的转变探索出了一条可复制､易推广的有效途径｡但同时应注意到,限于中药资源行业领域的复杂性及现有政策法规的约束性,项目研究成果仍存在一定的局限性｡具体表现为:一方面,中药资源产业涉及中药农业､中药工业两大产业链条,所产生的废弃物及副产物来源复杂,组成多样,理化特性差异较大,资源化程度不一,因此开展中药资源产业化过程废弃物及副产物的循环利用与产业化开发具有复杂性和连续性｡另一方面,中药资源循环经济体系的构建不仅取决于科学技术的发展程度,同时与配套政策法规的建设密切相关,现有政策法规在一定程度上制约了中药废弃物及副产物多元化利用研究成果的有效转化｡因此,实现中药资源产业循环经济模式的构建亟待政府､社会和企业共同倡导,在充分论证的前提下,基于循环经济发展理念,从政策保障层面拓宽中药废弃物及副产物的资源化利用途径,以全面推动中药资源产业绿色､高质量发展｡