摘要：随着近年来政策的推动和医药产业的迅速发展, 中药越来越多地被开发和利用;与此同时, 中药渣的排放量也日益增大。传统的中药渣处理方法多采取堆积、焚烧以及掩埋的方式, 不仅影响生态环境, 而且造成中药渣资源的极大浪费。近年来, 中药渣的资源化利用引起了广泛的关注。本文中, 笔者综述近3年来中药渣在农业种植、畜牧业养殖和环境修复等多方面的应用, 并对中药渣的几种主要资源化利用方式进行了总结, 最后对中药渣的进一步利用进行了展望。
关键词：中药渣; 资源化利用; 深加工; 生物农业; 畜牧业;
Valorization of Chinese medicine residue- a review
YUAN Qi LI Weidong ZHENG Yanping JIN Junjie LI Shuang
College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering, Nanjing Tech University Jiangsu Haisheng Pharmaceutical Company
Abstract：With the rapid development of traditional Chinese medicine, the discharge of Chinese medicine residue is increasing in the meantime and causes a potential environment problem.At present, the treatment on Chinese medicine residue is still stacking, incineration, and landfill, to form pollutions to the environment.Here, we review the application of Chinese medicine residue in agriculture, animal husbandry and industry, to briefly elucidate the valorization potential of Chinese medicine residue.
中药渣是中药提取活性成分后的残留物, 随着近几年国内外中药产业的飞速发展, 中药渣的排放量也日益上升, 据统计, 中药渣的年排放量可达3 000万t[1]。中药渣经一次提取后, 其活性成分约剩余30%残留在药渣中[2]。中药渣含有丰富的木质素、纤维素、半纤维素以及大量的多糖、蛋白质和氨基酸等生物活性物质, 同时, 药渣中有多种微量元素, 包括氮、磷、镁、铁和锌等[3]。一般处理中药渣的方式包括堆积、焚烧和掩埋等, 这不仅会导致环境污染, 也会造成中药渣资源的极大浪费。所以, 对中药渣进行深加工和资源化利用尤为重要。目前, 对中药渣的资源化利用主要体现在农业种植利用 (包括食用菌种植和堆肥) 、养殖业饲料利用 (作为饲料添加剂或发酵产蛋白饲料) 以及工业利用 (包括造纸、土壤修复、废水处理、热解气化、产沼气以及酶解获得可发酵糖等) 。本文中, 笔者重点综述近3年来的中药渣资源化利用的相关工作, 对资源化利用方式进行分类阐述, 并对中药渣的深加工开发方向进行展望。
1 中药渣的主要成分及其利用现状
1.1 中药渣的主要成分
通常, 植物药为中药的主要成分。黎智华等[4]对市场中6种常见的药渣进行分析, 结果见表1。由表1可见, 中药渣中营养物质丰富, 为进一步加工和利用奠定了基础。
表1 中药渣的主要残留成分 导出到EXCEL
Table 1 Main components of Chinese medicine residue
%
1.2 中药渣的利用现状
中药渣的主要来源是一些中药制剂公司以及医院煎药房等。据统计, 在各类中药生产过程中, 药渣的年排放量达到3 000万t, 其中, 中成药药渣占总药渣的比例高达70%[1]。人们也认识到中药渣的堆积问题日益严重, 虽然有一些企业尝试将中药渣进行加工再利用, 但是更多的企业仍然选择直接排放废弃药渣, 如果用简单的堆积或焚烧来处理中药渣, 不仅是对中药渣资源的浪费, 还严重污染了环境。随着国家对环境监管力度的日益加大, 中药渣的排放必须得到有效的治理[2]。
2 中药渣的资源化利用方式
2.1 农业种植利用
2.1.1 生物有机肥
中药渣既含有大量微量元素、蛋白质和纤维素, 又具有通气性好且质轻的特点, 因此可用来改善土壤的通透性, 是一种优质的轻基质原料和有机肥;与工业化肥相比, 用它作为肥料不会产生土壤板结和土质退化等问题, 同时它还具有节水增肥的特点, 更不需要进行原料粉碎, 操作简便的同时可降低生产成本[1]。我国是农业大国, 每年有大量的秸秆产生, 利用中药渣和秸秆共同发酵, 待其腐烂分解后, 用作生物肥料, 可以增强土壤肥力。夏文静等[5]以中药渣、玉米秸秆、麸皮和水按不同比例, 用平菇来发酵生产有机肥, 发酵结束后基质中氮磷钾的总含量为5.51%, 有机质含量是49.66%, 此结果证明:用平菇对中药渣进行发酵, 可以生产有机肥, 实现中药渣的无害化处理。万燕等[6]利用妇科千金片生产过程中产生的药渣发酵制备有机肥, 该有机肥能有效促进半夏出芽, 显著增半夏质量。陈美兰等[7]采用盆栽的方法研究了丹参、麦芽、 连翘、白术、丹皮及苦参等药渣发酵后的有机肥对紫苏生长及有效成分的影响, 结果表明:不同种类的中药渣均能促进紫苏生长, 且均能改善根系结构, 增加叶片面积, 提高紫苏酚类物质的积累量。周林山等[8]以甘蓝型油菜为供试品种, 研究黄芪药渣生物有机肥对油菜的影响, 结果表明:黄芪药渣生物有机肥在油菜种植中肥效达到了无机肥或市售生物有机肥的水平, 同时有利于提高油菜籽品质, 由此可见, 黄芪药渣生物有机肥具有实际应用价值。
2.1.2 食用菌栽培基质
传统的食用菌栽培基质主要以棉籽壳、麸皮和玉米芯等为原料, 而中药渣中富含纤维素以及粗蛋白等组分, 可提供微生物生长利用的碳源、氮源、生长因子以及无机盐等营养物质, 可用于栽培食用菌[2]。刘国宇等[9]研究了白芍、柴胡、甘草、香附、延胡索和枳壳等混合药渣为培养基质对平菇菌丝培养期和出菇期的影响, 结果表明:药渣基质栽培平菇, 菌丝长势良好, 均能正常出菇, 无病变无畸形, 生物学效率高, 为中药渣生产平菇提供了依据。刘正鲁[10]以汉方浸膏4 号药渣为原料栽培榆黄菇, 结果发现:药渣原料栽培榆黄菇的菌丝生长速度、长势以及鲜菇产量均高于纯棉籽壳料, 生物转化效率达106.7%。
2.2 养殖业饲料添加剂
2.2.1 直接作为饲料添加剂
中药渣含有丰富的纤维素和蛋白质, 可以直接磨碎用于养殖业。中药渣混合饲料在畜禽养殖及水产养殖中均有成功案例, 添加中药渣可有效提高畜禽免疫力, 改善肉质, 提高鱼苗存活率等, 相关研究实例总结于表2。
表2 中药渣直接作为饲料添加剂实例 导出到EXCEL
2.2.2 双向发酵后成为功能性饲料添加剂
庄毅[15]提出了“药用真菌双向性发酵工程”用来开发中药渣, 并认为该方法是目前开发中药渣最有希望的途径。所谓“双向发酵”, 即以药用真菌为发酵菌种 (目前较常见的真菌菌株为灵芝) , 利用药材或药渣作为药性基质共同构成发酵组合[16], 其基本原理为利用微生物的生长代谢所产的酶来调节中药渣成分, 不仅可以降低中药渣直接利用带来的毒副作用, 还可以经过生长代谢获得新物质, 得到1+1>2的效果。在功能评价中发现, 双向发酵后的菌质, 其营养成分有显著提高, 作为饲料添加剂可以有效地提高动物免疫力和鱼苗存活率, 在减少甚至替代抗生素使用的情况下, 达到增产的效果, 将相关研究进行总结, 见表3。
表3 中药渣-药用真菌双向发酵实例
2.3 工业应用及环境保护
2.3.1 作为造纸原料
中药渣含有丰富的纤维素, 是造纸的理想原料。现阶段我国的主要造纸原料是木浆, 这为我国本来就匮乏的森林资源增加了沉重负担;如果将中药渣应用到造纸行业, 不仅可以缓解木浆造纸原料紧张的局势, 同时也将废弃药渣进行循环利用, 在经济和环境保护方面都有重大意义。目前, 以中药渣为原料造纸在日本已有成熟的产业链, 与木浆生产的纸张相比, 此类产品不仅在价格上便宜了10%, 而且纸张具有绝缘性和一定的抗菌效果[24]。
2.3.2 制作吸附材料修复土壤、处理废水
中药渣具有碳含量高的特点, 可以用来制作活性炭。葛晓利等[25] 以大黄药渣为原料, H3PO4为活化剂, 制备了超级活性炭, 结果表明:用60% H3PO4浸渍, 在400 ℃活化60 min生产的活性炭表面积达到2 413 m2/g, 相应的微孔和介孔体积分别为0.91 cm3/g和0.93 cm3/g, 吸附能力较强。于颖等[26]以香橼、桂枝和板蓝根3种中药渣为原料, Na2CO3为活化剂, 800 ℃下活化1.5 h, 制备了香橼活性炭、桂枝活性炭和板蓝根活性炭, 通过扫描电子显微镜 (SEM) 分析发现, 这3种活性炭活性炭表面存在大量的孔结构, 吸附能力较好。
中国的土壤污染问题日益严重, 现已成为社会关注的焦点。中药渣可通过高温裂解制备生物炭, 此类生物炭既可以有效修复土壤重金属污染问题, 同时又可改善土壤结构, 提高土壤肥力, 从而提高农作物产量[27]。吴春蕾[28]以普通耕作农田土壤为实验对象, 以花生壳和黄精药渣为原料, 按质量比1∶ 1混合制作生物炭, 结果发现:该生物炭可有效修复铅污染问题, 促进植物生长。
中药渣在废水处理方面也有极大的功效, 曹飞丽等[29]用白腐菌对华南农业大学校医院煎药房的中药渣进行改性, 结果发现:改性后的中药渣比表面积增大, 在最优条件下对废水中Cr (Ⅵ) 的吸附率达到了99.5%。白鹭等[30]以板蓝根药渣为原料进行改性, 结果发现:其对废水中Pb2+吸附能力极强, 是一种优良的生物吸附剂材料。
2.3.3 热解气化
热解气化是把生物能转化为电能、液体燃料或气体燃料等高品质能源的一种手段。中药渣用于热解气化的具体特点是清洁无害、资源循环等, 这为中药渣的再利用提供了一条新思路。范鹏飞等[31]以感冒清热颗粒中药渣为原料, 在双回路循环流化床中试设备中进行热解气化的工业放大实验, 结果表明:当原料含水量<9%、原料粒径<4 mm以及空气当量比为0.25～0.27时, 气化效率较高, 具有较好的气化特性。陈冠益等[32]以生产六味地黄丸过程中产生的中药渣为原料进行了水蒸气气化实验, 结果发现:该中药渣具备良好的水蒸气气化特性, 气化温度为 800 ℃, 气化过程通入的水蒸气与生物质的质量比 (S/B) 为1.0时, 气化效果最佳, 气化效率高达 72.91%。王雪[33]利用快速热解装置对宛西制药股份有限公司的中药渣进行热解炭化, 利用微型流化床反应器 (MFBRA) 考察药渣炭化产物的动力学以及灰熔融特性, 为中药渣两段气化装置的设计和运行提供基础实验数据。
2.3.4 厌氧发酵产沼气
将有机废弃物进行厌氧发酵生产沼气是当前无害化和资源化的一种有效途径。习彦花等[34]以石家庄某中药企业产生的废弃药渣为原料进行厌氧消化, 结果发现, 2种不同成分中药渣总固体产气潜力分别为0.15 和0.23 L/g, CH4含量为58%～60%, 证明了中药药渣可以作为厌氧消化产沼气的优良原料。 习彦花等[35]以人参、赤芍和桂皮等混合中药渣为发酵原料进行厌氧发酵, 结果发现, 厌氧发酵该中药渣的沼气日产量可达8.38 L。姚利等[36]以鲁南厚普制药公司的混合药渣 (主要成分为山楂、槟榔、枳实、枇杷叶、黄芪、党参、麦冬和何首乌等) 为原料进行厌氧发酵, 结果发现:药渣产气量可达11 940 mL, 原料产气率为54.4 L/kg (以干药渣计) 。
2.3.5 酶解获得可发酵糖
中药渣富含植物纤维组分, 可以通过各种预处理手段获得可发酵糖, 进而用于发酵生产高附加值化学品或生物燃料。任海伟等[37]研究逍遥丸药渣的纤维素酶解优化工艺, 其最适参数:纤维素酶添加量6%、酶解时间5.6 h和料液比1∶ 12 (g/mL) , 在该条件下的酶解得率高达43.89%。苏新堯等[38]考察桑白皮药渣的酶解产糖能力, 结果发现:桑白皮药渣中纤维素含量达52.5%, 最优工艺下酶解后葡萄糖质量浓度可达38 g/L, 酶解率为36%。
2.4 活性成分再提取
由于现有提取技术的局限, 中药材经初次提取活性成分后, 至少还有30%的有效成分残留在药渣中。金茜等[39]测定不同药渣 (来自贵州省百花药业有限公司) 中微量元素的含量, 数据表明:多种药渣中的微量元素平均含量318.3 mg/kg, 其中, 锌和锰平均含量分别为34.31和39.13 mg/kg。多数药渣中含有较为丰富的铁、锌、铜和锰等元素, 具有再利用价值[3]。
提取废弃药渣中的活性物质是药渣再利用最直接的途径, 再次提取后的成分也具有等量的药用价值。石岭等[40]以丹参药渣为原料, 以乙醚为溶剂提取丹参酮, 再用硅胶柱层析法分离纯化丹参酮ⅡA, 结果发现:丹参酮复合物得率可达29.2%, 丹参酮复合物经硅胶柱层析法分离、浓缩、结晶后得到纯品丹参酮ⅡA, 纯度可为96%。王君明等[41]以地黄药渣为原料, 对其进行活性物质进提取, 通过实验比较药渣提取物与地黄醇提物的抗抑郁作用, 结果发现, 地黄药渣的提取物同样具有抗抑郁作用。
3 展望
中药渣资源丰富, 来源广泛, 对其再次加工后进行资源化利用, 实现中药渣变废为宝, 应用前景十分广阔, 在环境保护和经济效益上都有重要意义。从当前的社会热点来看, 将中药渣与药用真菌双向发酵后作为功能性饲料添加剂能高度契合热点需求, 是目前最有潜力的应用领域之一。
养殖业在我国发展迅速, 饲料以及养殖品种的同质化竞争激烈;同时, 养殖过程中非法使用或过量使用激素、抗生素等行为扰乱了市场, 打击了消费者信心。养殖业亟需绿色安全的饲料添加剂以及绿色环保的养殖模式为消费者提供安全可靠的高品质产品。与普通的养殖饲料相比, 药用真菌与中药渣进行双向发酵所产的功能性饲料添加剂不仅富含蛋白质、氨基酸及多糖等营养成分, 同时也具有双重药用疗效, 在养殖业增产、提高肉质、减少或取代抗生素使用等方面具有重要意义。但是, 作为饲料添加剂对中药渣的原料组分有较高的要求;因此, 该方法不能处理所有的药渣种类, 尤其对于那些具有毒性成分的药渣, 该方法存在一定局限性。而将中药渣进行热解气化或制备生物炭等模式, 可以大规模处理各种药渣, 包括有一定生物毒性的药渣。
此外, 中药渣所含成分复杂, 在对中药渣的合理应用方面, 不该局限于已有技术, 可以尝试将其运用到别的领域, 并对应用在该领域后的利弊关系做出明确的分析。
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