中藥固體廢棄物的木質(zhì)纖維素組分測(cè)定及分類指導(dǎo)原則建立

李元章,熊 號(hào),徐婷婷,劉慶瑩,胡雨涵,姚晗聰,李 妍,武紅麗,曹 飛,韋 萍

(南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院,江蘇 南京 211800)

中藥(traditional Chinese medicine,TCM)是中華文化的重要組成部分,在國(guó)內(nèi)外備受歡迎。中藥產(chǎn)品主要包括中成藥、中藥保健品、中藥飲片、中藥提取物及中藥化妝品等,其貿(mào)易額逐年增加,僅2021年上半年,中藥產(chǎn)品貿(mào)易額就達(dá)35.6億美元[1]。然而,中藥在產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)的同時(shí),也給生態(tài)系統(tǒng)和可持續(xù)發(fā)展帶來重大問題,主要體現(xiàn)在中藥廢棄物方面[2]。中藥固廢(traditional Chinese medicine residues,TCMRs)是在中藥材的加工、中成藥生產(chǎn)、中藥活性藥物成分提取、含有中草藥的輕化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)以及中醫(yī)醫(yī)院、藥店和家庭的中藥煎煮過程中未被利用的部分,其主要包括植物根莖葉、動(dòng)物殘?bào)w及礦物藥等混合物。相比于醫(yī)藥和家庭小范圍產(chǎn)生的中藥固廢,中藥制劑生產(chǎn)帶來的中藥固廢量最大,約占中藥固廢總量的70%[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年產(chǎn)生非藥用部位及中藥加工下腳料中藥固廢逾億噸,藥材深加工固體廢棄物及副產(chǎn)物5 500余萬t[5-8]。

這些中藥固廢除含有蛋白質(zhì)、核酸等有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物、微量元素和未被完全提取的有效藥用成分外,還存在大量的纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素等生物質(zhì)[9-11]。目前,對(duì)中藥固廢的處理包括填埋、堆肥、制備發(fā)酵基質(zhì)、焚燒等方式,但這些處理往往比較粗放、易造成二次污染和生物質(zhì)資源浪費(fèi)[12-15]。

部分學(xué)者對(duì)中藥固廢的木質(zhì)纖維素組分進(jìn)行了測(cè)定。Yu等[16]發(fā)現(xiàn),中藥固廢中的碳水化合物含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))較高(30%～50%),視中藥種類及提取過程而定;王婷等[17]利用堿處理甘草渣后發(fā)現(xiàn),甘草渣中纖維素的含量為23.67%～32.13%。陶小芳等[18]采用高效液相色譜法測(cè)定發(fā)現(xiàn),五味子藥渣粗纖維含量為43.8%。黃英等[19]利用酶降解法處理黃芪藥渣后發(fā)現(xiàn),黃芪藥渣的主要成分纖維素和半纖維素占藥渣總質(zhì)量的42.74%。Nguyen等[20-21]采用酸解法處理姜黃和龍眼固廢后發(fā)現(xiàn),姜黃固廢中含有30.1%淀粉,而龍眼固廢的碳水化合物中含50%的淀粉。黎智華等[22]采用酸解法處理參茸大補(bǔ)膏、阿歸養(yǎng)血顆粒及芪參顆粒藥渣后發(fā)現(xiàn)中性洗滌纖維含量分別為52.3%、47.8%及54.6%,而杜仲、絞股藍(lán)及婦科千金藥渣粗纖維含量分別為34.6%、38.4%及44.9%。孟梅娟等[23]研究發(fā)現(xiàn),蒲地藍(lán)藥渣中性洗滌纖維含量為50.6%,藿香正氣液殘?jiān)泻?3.93%的粗纖維[24]。王春梅等[25]發(fā)現(xiàn),葛根顆粒、桂枝茯苓膠囊、黃芪、天麻及丹皮中粗淀粉含量分別為20.8%、14.7%、12.1%、58.9%及31.1%。張文廣等[26]發(fā)現(xiàn),大黃非藥用部位葉片及葉柄粗纖維含量分別為15.6%和10.8%。但這些研究往往比較分散,所涉及的中藥固廢種類也較少,測(cè)定的數(shù)據(jù)之間也存在一定差異,對(duì)中藥生產(chǎn)企業(yè)的廢棄物排放和處理并不具有指導(dǎo)意義。

本文中,筆者根據(jù)藥房處方量大、價(jià)格相對(duì)便宜及種類分配均衡的原則,從常用200種中藥中選擇了40種典型中藥。采用統(tǒng)一方法對(duì)中藥原料以及煎煮后中藥固廢的木質(zhì)纖維素組分進(jìn)行測(cè)定,并且以木質(zhì)纖維素總量和有效糖與木質(zhì)素的比值為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),對(duì)中藥固廢進(jìn)行分類,以期為中藥生產(chǎn)企業(yè)的廢棄物排放提供相應(yīng)的指導(dǎo)原則。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

40種中藥包括:白芍(Radixpaeoniae,RP)、白術(shù)(Rhizomaatractylodis,RA)、白芷(Angelicadahurica,AD)、板藍(lán)根(Isatistinctoria,IT)、川芎(Ligusticumsinense,LS)、大黃(Rheumofficinale,RO)、丹參(Salviamiltiorrhiza,SM)、當(dāng)歸(Angelicasinensis,AS)、黨參(Codonopsispilosula,CP)、獨(dú)活(Heracleumhemsleyanum,HH)、甘草(Glycyrrhizauralensis,GU)、干姜(Zingiberofficinale,ZO)、懷牛膝(Achyranthisbidentatae,AB)、黃芪(Astragalusmembranaceus,AM)、姜黃(Curcumaelongae,CL)、桔梗(Platycodongrandiflorus,PG)、人參須(Ginsengleptoradix,GL)、山藥(Dioscoreaerhizoma,DR)、熟地黃(Rehmanniaglutinosa,RG)、水半夏(Pinelliaternata,PT)、延胡索(Corydalisrepens,CR)、浙貝母(Fritillariathunbergii,FT)、決明子(Cassiatora,CT)、麥冬(Ophiopogonjaponicus,OJ)、山楂片(Crataeguspinnatifida,CP2)、五味子(Schisandrachinensis,SC)、枳殼 (Aurantiifructus,AF)、紅花 (Carthamiflos,CF)、金銀花(Loniceraejaponicae,LJ)、連翹(Forsythiasuspensa,FS)、杜仲(Eucommiaulmoides,EU)、牡丹皮(Paeoniasuffruticosa,PS)、穿心蓮(Andrographissinensis,AS)、蒲公英(Taraxacummongolicum,TM)、益母草(Herbaleonuri,HL)、魚腥草(Houttuyniacordata,HC)、大青葉(Isatisindigotica,II)、枇杷葉(Eriobotryajaponica,EJ)、桂枝(Cinnamomumcassia,CC)以及木通(Akebiaquinata,AQ),安徽省亳州市安博藥業(yè)有限公司;3種未知混合中藥固廢,江蘇省中醫(yī)院。這些中藥在分析前均在105 ℃烘干48 h至絕干。

葡萄糖(Glu)、木糖(Xyl)、阿拉伯糖(Ara)、NaOH、乙醇以及H2SO4(分析純),上海阿拉丁試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

752型紫外分光光度計(jì),上海美析儀器有限公司;SQP型電子分析天平,德國(guó)賽多利斯集團(tuán);LC-20AD型高效液相色譜儀(HPLC),日本島津公司;恒溫加熱磁力攪拌器,鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;GWS-LQ-75G型高壓滅菌鍋,博訊醫(yī)療生物股份有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 中藥固廢的制備

由于中藥生產(chǎn)企業(yè)的固廢往往是混合排放,實(shí)驗(yàn)室難以獲得單一品種的中藥固廢。因此,本研究模擬中藥生產(chǎn)企業(yè)的煎煮方式,稱取定量絕干中藥,按固液比1∶10加入實(shí)驗(yàn)用水,煎煮3次,每次1 h,煎煮后自然風(fēng)干,再烘至絕干質(zhì)量,獲得實(shí)驗(yàn)用中藥固廢。

1.3.2 中藥以及中藥固廢的木質(zhì)纖維素組分測(cè)定方法

通用的測(cè)定木質(zhì)纖維素含量的方法是美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)公布的方法[27],以此來測(cè)定秸稈生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量。但此方法有一個(gè)缺陷,即對(duì)于含有淀粉的生物質(zhì),無法判斷降解的葡萄糖是來源于淀粉還是纖維素。由于中藥固廢或多或少含有淀粉,這部分淀粉降解產(chǎn)生的葡萄糖在后續(xù)計(jì)算過程中被視為纖維素組分,造成中藥原料或中藥固廢中纖維素含量過高,最終影響了中藥固廢纖維素含量測(cè)定的準(zhǔn)確性。本研究將中藥原料或中藥固廢中的纖維素與淀粉組分統(tǒng)稱為葡聚糖。因此,本研究用NREL方法測(cè)定的是葡聚糖、半纖維素及木質(zhì)素等生物質(zhì)組分的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

1) 標(biāo)準(zhǔn)糖的損失率。準(zhǔn)確稱取葡萄糖、木糖及阿拉伯糖各100 mg,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4% H2SO4定容至100 mL,在121 ℃下處理45 min后測(cè)定平均回收率,用于折算單糖在稀酸及高溫水解過程中的損失率,具體計(jì)算見式(1)。

(1)

2) 木質(zhì)纖維素組分的測(cè)定。取定量絕干樣品,質(zhì)量為m0,經(jīng)索氏提取且烘干后置于10 mL耐壓管中,加3.00 mL 72%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H2SO4,30 ℃下反應(yīng)1 h,反應(yīng)后將酸解液轉(zhuǎn)移至100 mL的錐形瓶中,加入84.00 mL蒸餾水(包含洗滌水),稀釋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)至4%。在121 ℃下于高壓滅菌鍋中保溫45 min。酸解后用G3砂芯漏斗抽濾,取濾液5 mL,用6%的NaOH調(diào)節(jié)pH至3并定容至10 mL,用HPLC對(duì)其進(jìn)行分析,根據(jù)測(cè)定的單糖濃度及回收率計(jì)算單糖含量,進(jìn)一步換算半纖維素和葡聚糖的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),具體計(jì)算見式(2)～(4)。

單糖質(zhì)量濃度ρ=ρHPLC×稀釋倍數(shù)/Rave sugar

(2)

w(葡聚糖)=ρGluV×0.90/m0×100%

(3)

w(半纖維素)=(ρXyl+ρAra)V×0.88/m0×100%

(4)

式中:ρ為反應(yīng)物質(zhì)量濃度,g/L;Rave suga為標(biāo)準(zhǔn)單糖平均回收率,V為酸解液體積,取0.087 L;0.90為葡萄糖含量所對(duì)應(yīng)的系數(shù);0.88為木糖和阿拉伯糖所對(duì)應(yīng)的系數(shù)。

將濾渣用熱的蒸餾水洗滌至中性后,置于干燥坩堝中,于105 ℃烘干,烘至恒質(zhì)量后記總質(zhì)量為m1。將烘干的濾渣和坩堝置于馬弗爐中在550 ℃下灼燒3 h,冷卻后稱質(zhì)量,記總質(zhì)量為m2,具體計(jì)算見式(5)。

w(酸不溶性木質(zhì)素)=(m1-m2)/m0×100%

(5)

參照NREL的方法,取抽濾液定容,記定容后體積為V(mL),取適量定容后的濾液稀釋,記稀釋倍數(shù)為n。用紫外分光光度計(jì)在205 nm下測(cè)定稀釋液的紫外吸收(A205)和紫外吸收系數(shù)(K),中藥質(zhì)量m0,具體計(jì)算見式(6)～(7)。

w(酸溶性木質(zhì)素)=nVA205/Km0×100%

(6)

w(木質(zhì)素總量)=w(酸溶木質(zhì)素)+w(酸不溶木質(zhì)素)

(7)

1.3.3 中藥固廢中淀粉組分測(cè)定

參照工業(yè)淀粉糖化過程,利用高溫α-淀粉酶及糖化酶降解中藥固廢中的淀粉組分。

稱取一定質(zhì)量105 ℃下烘干的中藥固廢,記為m前(m前為固廢樣品質(zhì)量),加入75 mL水(固液比1∶15),H2SO4調(diào)節(jié)pH 至6.0。在110 ℃下糊化30 min,降溫到65 ℃后按照每克固廢添加40 U的配比加入耐高溫α-淀粉酶,在65 ℃水浴中酶解8 h。液化過程中取樣,采用碘色反應(yīng)檢測(cè)液化液中淀粉是否降解完全,當(dāng)藍(lán)色消失且加入無水乙醇后沒有白色渾濁產(chǎn)生表明淀粉已完全液化。

用H2SO4調(diào)節(jié)液化液pH 至 5.0,以每克藥渣添加200 U的比例加入糖化酶,在60 ℃水浴中酶解20 h。糖化結(jié)束后,采用碘色反應(yīng)檢測(cè)糖化液中糊精是否降解完全,當(dāng)?shù)馍磻?yīng)液呈棕黃色,表明糖化反應(yīng)完全。

糖化液高溫煮沸滅酶活30 min,過濾,濾渣加入75 mL蒸餾水,高溫煮沸30 min,再過濾。濾渣105 ℃下烘干并進(jìn)行稱量,記為m后。

由中藥固廢酶解前后的質(zhì)量差來計(jì)算淀粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),見式(8)。

w(淀粉)=(m前-m后)/m前×100%

(8)

1.3.4 酶解后中藥固廢中木質(zhì)纖維素組分測(cè)定

酶解去除淀粉后,將中藥固廢烘至絕干質(zhì)量,進(jìn)一步測(cè)定其木質(zhì)纖維素組分,具體方法同1.3.2。

1.3.5 單糖的液相色譜分析

配制Glu、Xyl及Ara標(biāo)準(zhǔn)溶液:用分析天平準(zhǔn)確稱取標(biāo)準(zhǔn)品200 mg,5 mmol/L稀H2SO4流動(dòng)相溶解,用100 mL容量瓶定容后逐級(jí)稀釋,微孔濾膜過濾后用于高效液相色譜測(cè)定。

根據(jù)葡萄糖、木糖及阿拉伯糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線(g/L),得其線性回歸方程及相關(guān)系數(shù),結(jié)果如表1所示。

表1 回歸方程及相關(guān)系數(shù)

具體檢測(cè)條件:色譜柱為Bio-Rad Aminex HPX-87H(300 mm×7.8 mm),檢測(cè)器為示差折光檢測(cè)器和紫外檢測(cè)器,流動(dòng)相為5 mmol/L H2SO4水溶液,流速為0.6 mL/min,柱溫為35 ℃,檢測(cè)器溫度為35 ℃,進(jìn)樣量為10 μL。

2 結(jié)果與討論

本研究選取的40種植物中草藥,主要包括白芷、山藥、白芍、浙貝母、干姜、水半夏、姜黃、白術(shù)、丹參、大黃、延胡索、黨參及地黃共13種塊莖類中草藥,板藍(lán)根、人參須、懷牛膝、甘草、黃芪、川芎、獨(dú)活、當(dāng)歸及桔梗共9種根莖類中草藥,木通、桂枝這2種藤木類中草藥,大青葉及枇杷葉這2種葉類中草藥,牡丹皮、杜仲、連翹及枳殼共4種皮殼類中草藥,紅花、金銀花這2種花類中草藥,魚腥草、穿心蓮、益母草及蒲公英共4種全草類中草藥,決明子、山楂、五味子及麥冬共4種果實(shí)種子類中草藥。為了更方便區(qū)分,本研究將這40種中藥分成兩大類:塊莖和根莖類(簡(jiǎn)稱根莖類)及葉、花、草、皮、藤和果實(shí)類(簡(jiǎn)稱葉花草果類),其中根莖類選擇量相對(duì)較大,占55.0%,而葉花草果類占45.0%。

2.1 中藥原料木質(zhì)纖維素組分分析

中藥加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分下腳料——中藥固廢,測(cè)定中藥原料中木質(zhì)纖維素組分含量對(duì)于中藥下腳料的利用具有參考意義,而中藥下腳料與煎煮后中藥固廢都屬于中藥固廢,但煎煮后中藥固廢木質(zhì)纖維素組分會(huì)有所變化,為了對(duì)中藥固廢木質(zhì)纖維素含量有更清楚的認(rèn)識(shí),采用NREL法測(cè)定中藥原藥木質(zhì)纖維素組分含量,結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同種類中藥原料中的葡聚糖、半纖維素、木質(zhì)素和木質(zhì)纖維素總含量

由圖1可知:在篩選的40種中藥中,木質(zhì)纖維素平均含量為59.33%,超過70%的有12種;根莖類中藥木質(zhì)纖維素組分平均含量為59.78%,木質(zhì)纖維素含量超過70%的有6種;花葉草果類木質(zhì)纖維素組分平均含量為58.96%,含量超過70%的有6種。

根莖類中藥葡聚糖平均含量為35.9%,其中白芍、板藍(lán)根等9種根莖類中藥葡聚糖含量超過50%,同類占比40.9%。山藥、白芍和板藍(lán)根等的葡聚糖含量較為突出,在70%以上,根類中藥甘草、黃芪及葡聚糖含量在45%以上。而葉花草果類中藥的葡聚糖平均含量為19.77%。

中藥原料中半纖維素平均含量為8.99%,其中根莖類半纖維素平均含量為7.36%,低于花葉草果類10.98%的半纖維素平均含量。決明子、枳殼、金銀花和連翹等10種中藥葡聚糖含量超過10%,同類占比55.6%。中藥中木質(zhì)素平均含量為21.70%,其中根莖類木質(zhì)素平均含量為15.70%,低于花葉草果類29.33%的木質(zhì)素平均含量。魚腥草、益母草及穿心蓮中木質(zhì)素含量在30%以上。

2.2 不同種類中藥固廢中木質(zhì)纖維素組分含量分析

利用NREL法測(cè)定煎煮后中藥固廢中木質(zhì)纖維素成分葡聚糖、半纖維素及木質(zhì)素具體含量,結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同種類中藥固廢葡聚糖、半纖維素、木質(zhì)素及木質(zhì)纖維素總含量

由圖2可知:在煎煮后的40種中藥中,木質(zhì)纖維素平均含量為68.37%,木質(zhì)纖維素組分平均含量提高了9.04%;根莖類中藥固廢木質(zhì)纖維素組分平均含量提升至68.82%,木質(zhì)纖維素含量超過70%的中藥固廢增加為10種;花葉草果類木質(zhì)纖維素組分平均值提升至67.54%,含量超過70%的增加為8種;煎煮后根莖類中藥固廢中葡聚糖平均含量提高為41.89%,但山藥煎煮后葡聚糖含量降低2.01%,主要原因是山藥中淀粉含量較高,部分淀粉溶于水,致使葡聚糖含量降低[28];根莖類中藥渣中半纖維素平均含量為18.24%,與根莖原藥半纖維素含量相比,提高了6.34%,主要是煎煮后中藥中的大多數(shù)水溶成分溶于水[29],從而提高了半纖維素占比;煎煮后木質(zhì)素平均含量為12.79%,與中藥原料相比,降低了8.90%。

葉花草果類中藥固廢中葡聚糖平均含量為32.52%,較中藥原料平均含量19.77%提高了64.49%;低于根莖類藥渣41.89%的葡聚糖平均含量;葉花草果類中藥渣中半纖維素平均含量為18.24%,高于根莖類藥渣中11.91%的半纖維素平均含量,與中藥原料中半纖維素相比,半纖維素平均含量提高5.67%;中藥固廢木質(zhì)素平均含量22.22%與原藥的21.70%相比,提高2.40%。

生物質(zhì)含量和有效糖與木質(zhì)素含量比值對(duì)燃料乙醇工藝設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性有重要影響[30],中藥固廢有望成為生物質(zhì)資源加以利用,其中生物質(zhì)含量高于50%且有效糖比高于4的中藥固廢適合于制糖及發(fā)酵。按類別分,根莖類固廢更適合發(fā)酵及制糖。如,楊家鵬等[31]發(fā)現(xiàn),花生殼生物質(zhì)含量為60.9%,可以借助微波輔助將其制備成生物炭。相比于花生殼,葉花草果類的中藥固廢可以用于制備炭材料。此外,中藥固廢中有機(jī)碳含量較高,可以用于堆肥研究[32]。

2.3 不同種類中藥固廢淀粉含量分析

中藥與秸稈、木材等生物質(zhì)有所不同,其根莖類、果實(shí)類均為能量?jī)?chǔ)存結(jié)構(gòu),含有大量淀粉。雖然在前面生物質(zhì)測(cè)定中也將其歸為纖維素,但是淀粉的利用與纖維素的利用是明顯不同的,因此有必要對(duì)葡聚糖中淀粉及纖維素含量進(jìn)行明確測(cè)定。

為了不影響纖維素組分含量測(cè)定,本研究利用酶法降解,即用淀粉酶和糖化酶來降解中藥固廢中淀粉,通過前后質(zhì)量差計(jì)算淀粉含量,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:根莖類中藥中或多或少都存在淀粉,但不同種類差別較大,其中白芍、白芷、板藍(lán)根、山藥、水半夏、延胡索及浙貝母這7種根莖類淀粉含量超過40%,同類占比31.8%;板藍(lán)根、白芷及山藥中淀粉含量都在60%以上;大多數(shù)葉花草果類中藥固廢不含淀粉,但只有決明子、山楂、枳殼及牡丹皮等少數(shù)的淀粉含量超過10%,其中決明子的淀粉含量在40%以上,主要是以果實(shí)來儲(chǔ)存能量。

圖3 不同種類中藥固廢淀粉含量比較

2.4 根莖類中藥固廢酶解后木質(zhì)纖維素組分含量分析

在中藥固廢酶解去除淀粉后,仍然采用NREL法對(duì)其纖維素、半纖維素及木質(zhì)素含量測(cè)定進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:酶解后40種中藥固廢中木質(zhì)纖維素含量超過70%的有15種,占比37.5%,其中根莖類中超過70%的有8種,同類占比36.4%,葉花果草類中超過70%的有7種,同類占比38.8%。根莖類中藥固廢酶解后木質(zhì)纖維素平均含量為64.35%。根莖類酶解后的木質(zhì)纖維素以纖維素及木質(zhì)素為主,所占比為52.87%。對(duì)于淀粉含量較少的甘草、黃芪這類以根為主的中藥固廢來說,酶解后成分以纖維素為主。葉花草果類中藥固廢酶解后木質(zhì)纖維素平均含量為61.22%,纖維素與木質(zhì)素占比為51.32%。40種酶解后中藥固廢木質(zhì)素平均含量(28.58%)與酶解前(22.22%)相比提高28.62%,酶解后白術(shù)、黨參木質(zhì)素含量均超過30%。

圖4 酶解后中藥固廢中木質(zhì)纖維素組分

2.5 根莖類復(fù)方及草木類復(fù)方中藥固廢中木質(zhì)纖維素含量比較

自江蘇省中醫(yī)院的藥房和藥廠獲取了3種不同的混合中藥固廢,對(duì)其木質(zhì)纖維素組分進(jìn)行了分析,結(jié)果如表2所示。由表2可以看出:混合固廢二的葡聚糖含量較高,主要是因?yàn)槠浜休^多根莖,根莖類復(fù)方固廢含有較多淀粉;而且混合固廢二含有較高醇溶組分,主要是色素、樹脂類含量較高;在芍甘湯固廢中,主要以葡聚糖為主,而其淀粉含量也較高。

表2 復(fù)方中藥固廢木質(zhì)纖維素含量

2.6 中藥及中藥固廢聚類分析

生物質(zhì)組分含量直接影響中藥固廢的后處理及其利用,而其中含糖組分(葡聚糖+半纖維素)是生物質(zhì)利用的主要成分,葡聚糖、半纖維素以及木質(zhì)素3個(gè)組分的含量是評(píng)價(jià)中藥固廢預(yù)處理、酶解及發(fā)酵工藝條件的重要依據(jù),為今后中藥固廢等生物質(zhì)資源產(chǎn)業(yè)化處理的主要方向和經(jīng)濟(jì)效益分析提供參考依據(jù)。需要對(duì)中藥固廢組分含量進(jìn)行聚類分析,有利于后續(xù)分類排放處理,達(dá)到高值化利用的目的。因此,以中藥或中藥固廢生物質(zhì)含量為橫坐標(biāo),以有效糖比率((葡聚糖+半纖維素)/木質(zhì)素)為縱坐標(biāo),將中藥原料和中藥固廢進(jìn)行聚類分析,結(jié)果見圖5和6。本研究根據(jù)木質(zhì)纖維素含量是否大于50%、有效糖比率是否大于4將40種中藥分為4個(gè)區(qū)域。

圖5 中藥原料聚類分析

由圖5可知:區(qū)域①內(nèi)的木質(zhì)纖維素含量大于50%,有效糖比率大于4,在這個(gè)區(qū)域有白芍和白芷等8種中藥,總占比20.0%;區(qū)域②內(nèi)的木質(zhì)纖維素組分大于50%,但有效糖比率小于4,這部分主要包括白術(shù)和川芎等19種中藥,占比47.5%;區(qū)域③內(nèi)的木質(zhì)纖維素含量小于50%,有效糖比率大于4,這部分包括人參須及獨(dú)活2種中藥;區(qū)域④內(nèi)的木質(zhì)纖維素含量小于50%,有效糖比率小于4,這部分包括大黃和懷牛膝等11種中藥,占比27.5%。

從類別角度分析,根莖類中藥中木質(zhì)纖維素含量超過50%的有15種,有效糖比率超過4的有10種,共17種中藥可用于制糖,同類占比77.27%。葉花草果類有效糖比率均低于4,總體適合固態(tài)發(fā)酵。

中藥煎煮后木質(zhì)纖維素組分及有效糖比率均有所提高,主要因?yàn)橹兴幩芙M分減少。

由圖6可知:區(qū)域①內(nèi)的中藥固廢種類增至11種,包括白芍、白芷、干姜、姜黃、山藥、板藍(lán)根、浙貝母、甘草、黃芪、延胡索及水半夏,總占比27.5%,這些中藥固廢的含糖組分高,無論是纖維素還是淀粉,均適合降解制糖,用于發(fā)酵形成高值化合物或制備高值化合物脫水糖;區(qū)域②內(nèi)的中藥由原來19種增至24種,占比60.0%,其增加部分主要來源于原料區(qū)域④內(nèi)的中藥,這是因?yàn)檫@些中藥的水溶成分較多,水煎煮后致使木質(zhì)纖維素組分相對(duì)提高,24種中藥固廢具體是白術(shù)、川芎、丹參、當(dāng)歸、黨參、麥冬、枳殼、金銀花、連翹、杜仲、牡丹皮、益母草、魚腥草、桂枝、木通、枇杷葉、大黃、懷牛膝、熟地黃、山楂、五味子、穿心蓮、蒲公英及大青葉,雖然這些中藥固廢含糖組分不夠,不適合制糖,但木質(zhì)纖維素組分含量高,更適合用于固態(tài)發(fā)酵制備飼料或肥料;區(qū)域③內(nèi)的中藥種類無明顯變化,只含人參須及獨(dú)活2種中藥固廢,雖然它們的木質(zhì)纖維素含量有所提高,但仍不適合制糖,可以用于制備生物炭;區(qū)域④內(nèi)的中藥由原來11種減少至3種,減少部分轉(zhuǎn)至區(qū)域②,3種中藥分別是桔梗、決明子及紅花,由于它們的木質(zhì)纖維素含量太低,不適合進(jìn)一步利用,建議焚燒處理。

從類別角度分析,根莖類中藥固廢中木質(zhì)纖維素含量超過50%的有19種,有效糖比率超過4的有13種,共21種中藥可用于制糖,同類占比95.45%。葉花草果類有效糖比率均低于4,總體適合固態(tài)發(fā)酵。

綜上可知,通過中藥固廢的聚類分析可以指導(dǎo)中藥企業(yè)根據(jù)相關(guān)原則進(jìn)行初步分類,便于后續(xù)生物質(zhì)的加工利用,能在一定程度上指導(dǎo)企業(yè)有序排放中藥固廢,以便高值化利用這些生物質(zhì)資源。

3 結(jié)論

中藥固廢是中國(guó)特有的固體廢棄物,對(duì)其綜合利用可減少環(huán)境污染。選取的40種植物類中藥煎煮前后固廢的木質(zhì)纖維素組分總量平均達(dá)到68.2%。與農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈、麥秸、甘蔗渣、稻草和柳枝稷相當(dāng),中藥固廢有望成為生物質(zhì)能源原料加以利用。

與秸稈類生物質(zhì)原料相比,中藥固廢中含有較多的淀粉(平均值為24.2%),淀粉含量超過40%的藥渣占篩選藥材的17.5%,部分中藥固廢如山藥、白芍及板藍(lán)根淀粉含量可以達(dá)到60%以上,這些中藥固廢是良好的制備發(fā)酵糖原料。

木質(zhì)纖維素含量和有效糖對(duì)燃料乙醇工藝設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性有重要影響。根據(jù)木質(zhì)纖維素含量是否大于50%,有效糖比率是否大于4,將中藥固廢分為4個(gè)區(qū)域,分別用于制糖(降解成糖、制備脫水糖)、固態(tài)發(fā)酵制備飼料或肥料、制炭及焚燒處理。分類后處置可提高中藥固廢利用率。