全竹化學(xué)利用的思考

湯 鋒

(國(guó)際竹藤中心 北京 100102)

中國(guó)是竹資源大國(guó)，竹子種類約占全球總量的50%，面積約占20%。近年來(lái)，中國(guó)竹產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，2018年產(chǎn)值已達(dá)2 456億元[1]。但是，產(chǎn)業(yè)發(fā)展不均衡，過(guò)于偏重材料利用，導(dǎo)致行業(yè)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)、企業(yè)利潤(rùn)率劇降等問(wèn)題的凸顯。因此，如何順應(yīng)我國(guó)制造業(yè)總體發(fā)展趨勢(shì)和要求，創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，引導(dǎo)竹產(chǎn)業(yè)由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)竹產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，成為業(yè)界亟待解決的問(wèn)題。

竹資源化學(xué)利用是指通過(guò)化學(xué)加工的方法，利用竹子纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和內(nèi)含物，生產(chǎn)各種產(chǎn)品[2]。目前，竹資源化學(xué)利用總體規(guī)模小，主要以竹材加工剩余物、廢棄物為原料，完整的產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成。隨著生態(tài)文明建設(shè)的大力推進(jìn)和天然林保護(hù)工程的深入實(shí)施，竹資源化學(xué)利用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。本文在簡(jiǎn)述竹資源化學(xué)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從全產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的角度，提出全竹化學(xué)利用的概念和模式，以供業(yè)界同行探討。

1 竹資源化學(xué)利用現(xiàn)狀

1.1 竹炭和竹醋

竹炭是一種以竹材為原料，經(jīng)高溫?zé)o氧干餾制成的炭材料。竹炭質(zhì)地堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)疏松多孔，具有很強(qiáng)的吸附能力。根據(jù)原料和形狀的不同，竹炭可分為筒炭、片炭、顆粒炭和粉末炭等。除用于燒烤、火鍋等燃料外，竹炭還具有凈化空氣、消除異味、吸濕防霉、抑菌驅(qū)蟲等作用，在化工、冶金、農(nóng)業(yè)、水質(zhì)和空氣凈化、食品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。燒制溫度是影響竹炭應(yīng)用領(lǐng)域的重要因素，作為燃料，炭化溫度一般在400～500 ℃即可；用于吸附等用途，則需要更高的炭化溫度。基于降低原材料成本的考慮，目前竹炭主要以竹材加工剩余物為原料燒制，較少以竹竿直接燒制。

竹醋是燒制竹炭得到的一種液體副產(chǎn)物，有獨(dú)特的煙熏氣味，其化學(xué)組成非常復(fù)雜，主要成分是水、有機(jī)酸、酚類、酮類和醇類等物質(zhì)。關(guān)于竹醋的用途，目前理論研究和小規(guī)模實(shí)驗(yàn)的報(bào)道較多，主要包括農(nóng)藥增效劑、土壤改良劑、液體肥料、飼料添加劑以及日化用品等領(lǐng)域，但實(shí)際進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的較少。由于沒(méi)有大規(guī)模的應(yīng)用途徑，目前企業(yè)收集竹醋較少，通常經(jīng)二次燃燒后直接排放。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)竹炭產(chǎn)量約為25.52萬(wàn)t，較2017年增長(zhǎng)5.67%；產(chǎn)值約為8.84億元，較2017年增長(zhǎng)5.87%。通常生產(chǎn)1 t竹炭，會(huì)產(chǎn)生0.8～1.0 t的竹醋，據(jù)此推算，若全部收集，竹醋的產(chǎn)量約為20萬(wàn)～25萬(wàn)t。

1.2 竹葉提取物

竹葉在中國(guó)具有悠久的藥用和食用歷史?！侗静菥V目》記載：苦竹葉具有明目、利九竅、治不睡、止消渴、解酒毒等作用?！吨袊?guó)中藥資源志要》收錄的藥用竹種有10屬31種。隨著對(duì)竹葉化學(xué)成分、生物活性及生理功能的深入研究，竹葉提取物的開(kāi)發(fā)、利用逐漸興起。2011年竹葉抗氧化物被列入《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)(GB 2760—2011)》中，可在油脂、肉制品、火腿等食品生產(chǎn)中使用；2014年以毛環(huán)竹(Phyllostachysmeyeri)竹葉為原料的竹葉黃酮，被批準(zhǔn)為新食品原料[3-4]。

目前，竹葉提取物產(chǎn)業(yè)規(guī)模還相對(duì)較小，主要用于飲料等食品生產(chǎn)中，產(chǎn)品接受度基本局限于竹產(chǎn)區(qū)，但開(kāi)發(fā)潛力很大。

1.3 竹汁飲料

李時(shí)珍在《本草綱目》中記載，“《金門記》云：‘五月五日午時(shí)有雨，急伐竹竿，中必有神水，瀝取為藥’；其味甘，寒，無(wú)毒；主治心腹積聚及蟲病，和獺肝為丸服。又飲之，消熱化痰，定驚安神?！?。按現(xiàn)代科學(xué)觀點(diǎn)，竹竿中所謂的“神水”，其實(shí)是竹子的傷流液。研究表明，在竹傷流液中含有豐富的礦質(zhì)元素、微量元素、多種維生素、多糖及氨基酸等。竹汁飲料即是以活竹中采集的傷流液為主要原料，配以竹葉提取物加工成的無(wú)酒精飲料。

目前，在廣西、浙江、云南等地，均有竹汁飲料生產(chǎn)企業(yè)，但多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品仍局限于產(chǎn)地附近或省內(nèi)銷售，市場(chǎng)尚待拓展；企業(yè)規(guī)模較小，年銷售額通常在千萬(wàn)元水平，個(gè)別企業(yè)達(dá)到億元。

1.4 竹筒酒/鮮竹酒

竹筒酒/鮮竹酒是一種中國(guó)少數(shù)民族的傳統(tǒng)含酒精飲料，文獻(xiàn)記載已有1 800余年的飲用歷史[5]。它是將基酒(白酒)通過(guò)微孔技術(shù)，注入竹腔中，封閉陳釀一段時(shí)間后得到的一種烈酒。成酒色如琥珀，入口綿甜，竹香濃郁，自然清純。檢測(cè)表明，竹筒酒中含有多種礦質(zhì)元素和黃酮、活性多糖等天然產(chǎn)物。

目前竹筒酒市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)數(shù)億元，但品牌較多，魚龍混雜，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。

1.5 竹茹與竹瀝

竹茹是一種傳統(tǒng)中藥，《中華人民共和國(guó)藥典》(2015年版)記載，“竹茹是禾本科植物青稈竹BambusatuldoidesMunro、大頭典竹Sinocalamusbeecheyanus(Munro)McClure var.pubescensP.F.Li 或淡竹Phyllostachysnigra(Lodd.)Munro var.henonis(Mitf.)Stapf ex Rendle莖稈的干燥中間層。全年均可采制，取新鮮莖，除去外皮，將稍帶綠色的中間層刮成絲條，或削成薄片，捆扎成束，陰干。前者稱‘散竹茹’，后者稱‘齊竹茹’”。“小兒清肺化痰口服液”“小兒止嗽糖漿”“清喉利咽顆?！薄跋钔琛钡染兄袢鉡6]。

竹瀝也是一種傳統(tǒng)中藥，一般為淡竹等的莖稈經(jīng)火烤后所流出的汁液，富含氨基酸、有機(jī)酸和礦質(zhì)元素等，具有清肺降火、鎮(zhèn)咳、祛痰、利竅等多種功效。最早采用竹瀝治療痰熱咳嗽、中風(fēng)痰盛、破傷風(fēng)等疾病的記載出自《本草經(jīng)集注》?！妒朝煴静荨贰睹t(yī)別錄》和《本草綱目》等典籍均有記載?！侗静菅芰x》稱竹瀝為“痰家之圣劑也”，具有鎮(zhèn)咳、祛痰、治消渴和利竅等功效。《丹溪心法》記載：“痰在腹間，使人癲狂，或健忘或風(fēng)痰，皆用竹瀝，亦能養(yǎng)血”?！吨腥A人民共和國(guó)藥典》(2015年版)仍收錄有“竹瀝達(dá)痰丸”“復(fù)方鮮竹瀝液”“袪痰靈口服液”等數(shù)種含有鮮竹瀝的中藥制劑[6]。

1.6 竹漿造紙

竹材的化學(xué)組成和木材基本相同，主要有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等。竹子是優(yōu)質(zhì)的造紙纖維原料，竹纖維的柔韌品質(zhì)和我國(guó)悠久的竹文化相得益彰。我國(guó)古代就有用嫩竹土法制竹漿、造竹紙的傳統(tǒng)。隨著造紙技術(shù)的發(fā)展，解決了竹材有機(jī)硅含量高等技術(shù)難題，促進(jìn)了其在生活用紙工業(yè)的應(yīng)用。目前，我國(guó)竹漿生產(chǎn)能力達(dá)到200萬(wàn)t/年，約占紙漿總量的2%左右；年生產(chǎn)竹漿生活用紙約80萬(wàn)t，占生活用紙總量的10%左右[7-8]。

2 全竹化學(xué)利用

全竹化學(xué)利用是指創(chuàng)新集成竹子現(xiàn)有化學(xué)利用單項(xiàng)技術(shù)，以竹竿、竹葉等竹子地上部分為主要原料，通過(guò)化學(xué)加工的方法，生產(chǎn)各種產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)資源的高效、高附加值和清潔利用。

2.1 全竹化學(xué)利用模式

2.1.1 竹酒瀝炭醋聯(lián)產(chǎn)模式

該模式可用于毛竹等大徑級(jí)竹種，在生長(zhǎng)過(guò)程中，選擇合適年齡的竹子，注入基酒，生長(zhǎng)、陳釀一段時(shí)間后，收取鮮竹酒。采伐的竹竿，用于制取竹瀝；剩余的固形物，再高溫干餾，制備竹炭，同時(shí)收集竹醋；利用炭化產(chǎn)生的可燃?xì)夂陀酂?，?duì)竹醋進(jìn)行純化，獲得精制竹醋；利用精制竹醋，制備竹醋粉。采伐的竹葉、細(xì)枝，可用于提取竹葉黃酮、多糖等產(chǎn)品。該模式集成了鮮竹酒、竹瀝和竹炭生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)竹瀝與竹炭聯(lián)產(chǎn)，并通過(guò)竹醋粉這一產(chǎn)品形式，實(shí)現(xiàn)竹醋的高附加值利用，最終實(shí)現(xiàn)全竹利用。竹醋粉可作為飼料添加劑使用，替代獸用抗生素，具有優(yōu)良的效果，市場(chǎng)潛力巨大[9]。

2.1.2 竹汁瀝炭醋聯(lián)產(chǎn)模式

該模式可用于各種大徑級(jí)竹種，在生長(zhǎng)過(guò)程中，選擇合適年齡的竹子，于合適的生長(zhǎng)期，采集竹子傷流液，獲得竹汁；以竹汁、竹提取物為原料，生產(chǎn)竹汁飲料。采伐的竹竿，用于竹瀝、竹炭、竹醋以及竹醋粉的生產(chǎn)。該模式集成了竹汁、竹葉提取物、竹瀝和竹炭生產(chǎn)技術(shù)，獲得的終產(chǎn)品包括竹汁飲料、竹提取物、竹瀝、竹炭和竹醋粉等。

2.1.3 竹茹瀝炭醋聯(lián)產(chǎn)模式

該模式可用于青稈竹、大頭典竹和淡竹等竹種，也可與竹編產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)。具體是將刮取竹茹后的竹材，用于竹瀝、竹炭、竹醋以及竹醋粉的生產(chǎn)。對(duì)于淡竹等可用于編織的竹種，亦可將刮下的外皮部分，用于制備竹茹提取物。

以上3種全竹化學(xué)利用模式的核心均為竹瀝、竹炭的聯(lián)產(chǎn)，增值利用主體為竹瀝和竹醋粉產(chǎn)品。按照目前市場(chǎng)情況和各種產(chǎn)品的得率，以竹酒瀝炭醋聯(lián)產(chǎn)模式為例，經(jīng)初步測(cè)算，全竹化學(xué)利用的產(chǎn)值可達(dá)7 800～11 000元/t鮮竹(表1)。

表1 竹酒瀝炭醋聯(lián)產(chǎn)模式產(chǎn)值估算

2.1.4 機(jī)械竹漿液綜合利用模式

據(jù)《中國(guó)造紙工業(yè)可持續(xù)發(fā)展白皮書》報(bào)告，2017年全國(guó)紙及紙板消費(fèi)量達(dá)10 879 萬(wàn)t，約占全球的1/4。10年間產(chǎn)量年均增長(zhǎng)4.43%，消費(fèi)量年均增長(zhǎng)4.05%。2018年紙及紙板生產(chǎn)量為10 435萬(wàn)t，較上年下降6.24%，消費(fèi)量10 439萬(wàn)t，下降4.20%，人均年消費(fèi)量75 kg[10]。竹漿紙產(chǎn)業(yè)近年得到迅速發(fā)展，充分利用了竹子生長(zhǎng)快、成材周期短、再生能力強(qiáng)等優(yōu)良生物學(xué)特性所賦予的優(yōu)越性。但是，相對(duì)于木材等原料，竹材含有豐富的內(nèi)含物，制漿過(guò)程產(chǎn)業(yè)的廢液處理壓力極大，同時(shí)也造成資源浪費(fèi)。研究表明，機(jī)械竹漿液含有豐富的可溶性糖以及黃酮等活性成分，開(kāi)發(fā)利用潛力極大。因此，該模式采用機(jī)械熱磨技術(shù)，以生產(chǎn)中低檔竹漿為目標(biāo)，挖掘利用蒸煮漿液，生產(chǎn)液體肥料、生物農(nóng)藥等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)竹漿清潔生產(chǎn)。

2.2 需解決的科學(xué)問(wèn)題

以上提出了幾種全竹化學(xué)利用模式，由于竹種眾多，不同竹種的化學(xué)組成略有差異。因此，除了傳統(tǒng)中藥或藥典記載的竹種外，不同竹種竹瀝、竹茹的化學(xué)組成和功效差異、竹傷流液/竹汁化學(xué)組成與功效、機(jī)械熱磨制漿液的化學(xué)組成與活性等問(wèn)題尚需開(kāi)展系統(tǒng)研究。

2.3 需解決的關(guān)鍵技術(shù)與裝備

全竹化學(xué)利用模式雖以現(xiàn)有各單項(xiàng)技術(shù)集成為主，但從節(jié)約成本和聯(lián)產(chǎn)的角度，竹瀝、竹炭、竹醋聯(lián)產(chǎn)技術(shù)與自動(dòng)化設(shè)備，竹酒注入、采收技術(shù)與裝備，竹傷流液/竹汁采收裝備，功能性竹活性炭制備等關(guān)鍵技術(shù)或裝備也需要解決，在此不再展開(kāi)討論。

3 結(jié)語(yǔ)

2017年全球木炭生產(chǎn)量為5 099.5萬(wàn)t，木炭的市場(chǎng)需求持續(xù)增加，預(yù)計(jì)2024年銷售額有望達(dá)到172億美元。隨著我國(guó)不斷加大生態(tài)環(huán)境建設(shè)力度，大力實(shí)施天然林保護(hù)工程，禁止砍伐林木、限用天然林木炭、禁止出口木炭、嚴(yán)禁土窯燒炭，竹炭取代天然木炭獲得了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

此外，以上提出的全竹化學(xué)利用模式的終端產(chǎn)品涉及保健食品、生物農(nóng)藥、生物飼料添加劑等產(chǎn)品。目前我國(guó)營(yíng)養(yǎng)保健產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，普及率不及10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)的70%；人均消費(fèi)不足20美元，遠(yuǎn)低于美國(guó)的101美元。隨著我國(guó)《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》和“健康中國(guó)戰(zhàn)略”的實(shí)施，健康產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，發(fā)展空間巨大。

竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，提高資源綜合利用率，拓展資源利用途徑，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)科技水平，提升產(chǎn)品附加值，是促進(jìn)竹產(chǎn)業(yè)高效可持續(xù)發(fā)展的必然途徑。挖掘竹資源化學(xué)利用潛力，集成現(xiàn)有化學(xué)利用技術(shù)，構(gòu)建全竹化學(xué)利用新模式，實(shí)現(xiàn)竹子生長(zhǎng)至采伐的全生育期化學(xué)利用，發(fā)展前景廣闊。