竹资源化综合利用进展研究
2023-07-06程琳黄大勇陈仕昌戴俊黄开勇李立杰
程琳 黄大勇 陈仕昌 戴俊 黄开勇 李立杰
摘要 竹作为优质的工业原料，具有很高的经济、生态、文化、医药价值，研究竹资源的综合利用具有重要的现实意义。本文围绕竹的资源分布、生物学特性和生态学特性、解剖特性和物理力学特性、营养成分和生物活性成分及综合加工利用方面综述了竹资源化利用现状，针对竹综合利用发展中存在的问题提出了相应的对策建议，以期为竹产业高质、高效和可持续发展提供思路和参考。
关键词 竹子；生态特性；营养成分；生物活性成分；综合利用；多用途
中图分类号 S795 文献标识码 A
文章编号 1007-7731（2023）07-0094-07
Research on the Progress of Comprehensive Utilization of Bamboo Resources
CHENG Lin HUANG Dayong CHEN Shichang DAI Jun HUANG Kaiyong LI Lijie*
（Forestry Research Institute of Guangxi Zhuang Autonomous Region， Nanning Guangxi 530002）
Abstract As a high-quality industrial raw material， bamboo has high economic， ecological， cultural and medical value. It is of great practical significance to study the comprehensive utilization of bamboo resources. This paper focused on the resource distribution， biological characteristics， ecological characteristics， anatomical characteristics， physical and mechanical properties， nutritional components and bioactive components， comprehensive processing and utilization of bamboo. At the same time， the problems and suggestions in the development of bamboo comprehensive utilization were put forward to provide theoretical guidance for the high quality， high efficiency and sustainable industrial development of bamboo.
Keywords bamboo; ecological character; nutritional ingredient; bioactive components; comprehensive utilization; multiuse
竹是禾本科（Poaceae）竹亚科（Bambusoideae）植物的统称。竹生长迅速、材质优良，竹笋味美，竹型优美，广泛应用于建筑、食品、造纸、医疗保健、园林、工艺等领域[1]。根据第九次全国森林资源调查，我国竹类植物面积超640 万hm2，占全国森林面积的2.94%，被称为“竹子王国”[2]。竹笋生产和加工利用发展迅速，深受人们喜爱[3]。我国竹面积接近世界竹面积的1/4[4]，种类和产量均在世界首位，且竹加工产业发展迅猛，带动了世界竹产业的发展。
竹子作为重要的用材和笋用的树种，其经济价值和作用越来越被人们看好，在我国林业发展中占有重要地位。当前我國竹资源利用率不超过55%[5]，因此，加快对竹资源和加工利用的全方位研究，能够促进我国竹产业化、工业化和可持续发展。
1 资源分布
竹子是单子叶植物，全球竹类植物有1 300余种，多分布于热带、亚热带区域。我国地域广阔，竹资源丰富，全国竹类植物有500余种，竹类植物约占全球25%，居世界首位[6-7]。我国竹资源有4个分布带：黄河与长江一带散生竹分布区、华南一带丛生竹分布区，长江与南岭一带混合竹分布区、西南一带高山竹分布区。广西作为竹子的主要分布区，丛生竹和散生竹资源均丰富。桂南、桂东南地区以丛生竹为主，分散生长于村屯周边、河流两岸，呈带状分布；桂北、桂西北地区以散生竹为主，毛竹是种植面积最大的经济竹，通常呈大面积片状种植；此外，广西还有特殊的喀斯特地貌，生长有吊丝竹、花吊丝竹等许多较耐干旱的竹子。
2 生物学和生态学特征
2.1 生物学特征
年龄是影响竹子开花的主要原因，不同竹种开花周期有差异。人工竹林和丛生竹一般是零星竹秆开花，其他竹丛正常生长，竹林生态系统正常维持。竹子种子不易获取，通过一次或多次无性繁殖获得的植株，均与最初的母竹处于相同的生长周期。所以，采用无性繁殖的方法无法杜绝竹子开花，需要采用有性繁殖，即实生苗育苗栽培。成片开花通常存在于天然竹林，开花后不再长出新笋，整片竹林和根系全部枯死，后期竹林恢复可采取天然更新或人工更新的方式。竹林较针叶林具有每年择伐、持续利用的优势，经济价值高。
2.2 生态学特征
竹类植物地上部分枝叶繁茂，地下部分根系发达，具有很高的生态价值，在涵养水源、保持水土、净化空气、吸碳储碳、改善生产生活和环境方面具有举足轻重的作用。丛生竹和散生竹兼具经济价值和生态功能，具有很强的抗分解能力，增加了生态系统中的碳储量。应雨骐等[8]对我国竹林、针叶林和阔叶林进行了测算，结果表明，毛竹、马尾松和杉木每年可固定CO2分别为1.9万t、1.3 t、0.6万t。洪有为[9]研究发现，吊丝单竹的抗风能力强于绿竹和麻竹，为沿海防护林建设提供了科学依据。麻竹根系非常发达，造林2～4年后可达到郁闭成林，水土保持效果显著。毛竹和雷竹80%的根系分布于0～40 cm土层[10]，为山地山体滑坡提供了生物治理的可能，也为山林涵养水源提供了科学支持。竹林分质量显著提升后，可构建健康、稳定、优质、高效的竹林生态系统，碳汇能力和应对气候变化能力得到有效增强，可为实现“碳达峰”和“碳中和”目标贡献林业力量。
3 竹材解剖、物理和力学特性
3.1 解剖特性
竹纤维品质优于阔叶树种和其他禾本科草本植物纤维[11]，是造纸的优良材料。竹材解剖特性是确定竹材造纸性能的主要指标之一，苏文会等[12]通过竹材材性对比研究，发现越南巨竹纤维特性优良，是制作高品质纸张的优良材料。徐有明等[13]对10种引种竹种进行了解剖特性和基本密度的综合评价，发现慈竹纤维形态最佳，可作为适合湖北推广的优良造纸竹种。林金国等[14]研究了麻竹纤维形态的变异规律，发现竹秆纵向部位、林龄、竹秆径向部位对麻竹纤维形态影响显著，立地指数和造林方式影响不显著，为竹林栽培和造纸产业提供了理论依据。
3.2 物理特性
竹材强度高、韧性强、硬度大，是建筑、家具、办公、运输用品的重要制造材料。物理特性是评价竹材质量的重要指标。王健等[15]通过研究不同林龄麻竹物理特性发现，1.5 a麻竹的抗压强度高于0.5 a麻竹，0.5 a麻竹的顺纹抗剪强度高于1.5 a麻竹。林金国等[16]对方竹基本密度和干缩性的研究表明，方竹基本密度稳定林龄为3～4 a，最适采伐林龄为3 a。王喆等[17]研究发现，毛竹基本密度在不同林龄间差异显著，其中竹青在竹内的径向变异高于竹黄和竹肉。王裕霞等[18]研究了广东不同地点麻竹的基本密度变异规律，通过对比发现新兴麻竹和英德麻竹是优良的制备重组竹材的原材料。
3.3 力学特性
力学特性是竹产品加工的重要评定指标之一，可确定竹材的利用范围。徐振国等[19]研究了广西融水县毛竹力学特性的变异性，发现毛竹力学特性随着林龄的增加而增强，6 a是毛竹择伐的最佳林龄，竹材强度大、弹性佳，是竹产品加工的优良原料。林金国等[20]通过对不同林龄、立地指数、竹秆不同部位麻竹竹材密度和力学特性的研究表明，竹秆部位对麻竹密度和力学特性的影响最大，立地指数对顺纹抗剪强度无显著影响；上部竹材密度和力学特性优于中部和下部，麻竹作为用材树种适宜砍伐林龄为4 a左右。尤龙杰等[21]建立了拟合方程，可通过麻竹气干密度准确预测力学特性和燃烧性能，为木材品质评价和加工提供了科学依据。刘志坤等[22]的研究表明，竹材经过弯曲胶合处理，可丰富竹板材的花色种类。江泽慧等[23]通过复合、重组技术将竹材运用于房屋建筑中。
4 营养成分和生物活性成分
4.1 营养成分
竹笋富含18种氨基酸、矿质元素、碳水化合物等[24]，具有健胃、降血压等功效[25]。笋壳内富含膳食纤维，占比为55%～80%，明显高于小麦麸、花生壳等常见膳食纤维原料[26]。张佳佳等[27]对2种竹笋的蛋白质、脂肪、糖分等营养成分的测定和分析表明，毛竹笋的营养成分明显高于雷竹笋，雷竹笋的口感优于毛竹春笋和冬笋。于增金等[28]以林地、农业用地、河岸冲击地麻竹笋为研究对象，探讨了竹笋的表型性质和营养成分，得出农业用地竹笋重量、长度、蛋白质、氨基酸等指标高于其他2个地类，产出的竹笋具有可食率高、笋体大、营养成分高的特点。李冬林等[29]的研究表明，不同采收期竹笋蛋白质、还原糖、脂肪、氨基酸等养分含量有差异，为竹笋采摘和林地管理提供了指导。
4.2 生物活性成分
竹笋富含多酚、黄酮和植物甾醇等生物活性成分，在保健食品领域极具开发潜力。酸笋富含酪氨酸，发酵过程中酪氨酸经降解形成对甲酚，对甲酚是酸笋刺激性气味的主要挥发性物质[30]。竹笋甾醇降血脂、抗炎能力强，医药价值高，深化对竹笋甾醇的开发利用，可为企业在保健和医疗领域提供科学依据。任春春等[31]对不同产区方竹笋多酚、黄酮、植物甾醇等功能成分进行了分析和综合评价，筛选出3个的笋质优良品种Q1、Q6和Q3。景文祥等[32]研究了多种鲜笋中单宁、三萜类等营养成分，发现不同竹笋含量差别很大，麻竹笋和绵竹笋醇类物质含量高于鸡爪笋。竹叶内富含多糖、黄酮、矿质元素、挥发油等活性成分；竹叶中多糖具有抗癌、平衡机体免疫力等功效，黄酮具有防止心脑血管疾病等功效[33-34]。竹叶叶片具有很强的抗菌效果，从竹叶中获取的天然防腐剂广受人们的喜爱。
5 综合利用
5.1 竹材加工业中的应用
竹材人造板相关研究始于20世纪70年代。竹材人造板具有耐磨性强、材质紧密、抗压性强、抗弯性好、板材结构一致度高等特点，是建筑、家具、办公、运输用品的重要制造材料，在我国发展潜力大[35-37]。作为加工基材，竹材的硬度高于木材。竹材的硬度受竹子种类、林龄和生长环境等的影响[38]。竹材水煮4 h后，相对湿度高于50%，可降低竹材吸湿性，有效改善尺寸稳定性[39]。区别于传统常压高温热处理，采用饱和蒸汽热处理的竹材重组材具有表面无缝、无鼓泡、无裂纹等优点，并且兼具节约成本、节能环保的特点，被广泛应用于建筑建材领域[40]。
随着世界对环境保护的日益重视，开发高效、低成本、绿色的新型防腐防霉剂非常有必要。新型防腐剂主要分为植物源提取物防腐剂、硼盐复配防腐剂、壳聚糖复合防腐剂[41]。新型竹防霉剂主要分为植物提取物防霉剂、纳米金属防霉剂等[42-43]。目前，防腐防霉剂还存在影响木色、保持时间不久等亟须解决的问题[44]。深化对竹材防腐防霉的研究，能有效延长相关产品的使用年限，提升竹材加工工艺。
5.2 食品加工中的应用
5.2.1 竹笋。竹笋被誉为“森林蔬菜之王”，具有降压减脂、改善消化系统、预防癌症等优点，市场需求很大。我国竹资源丰富，可食用的竹笋有200余种，品质佳的竹笋有30余种[45]。笋用林一直以来都得到良好的发展，冬笋、夏笋、秋笋利用率高，种植面积日益增加，尤其在螺蛳粉产业的带动下，夏季竹笋价格翻了2倍，笋用林产值飚升。近年来仅柳州市的丛生笋用竹种植面积每年增加1 333.3 hm2。螺蛳粉帶有浓郁的地方特色，也被列入国务院第五批国家级非物质文化遗产代表性项目名录，具有很高的经济和文化价值。
竹笋可加工成鲜笋、酸笋、笋干等食品，形成了竹笋多元化利用。随着近年来螺蛳粉产业的崛起，作为主要原料之一的酸笋常处于供不应求的状态[46]。
5.2.2 竹醋液。竹醋液是竹材碳化产生的烟雾经冷凝等过程获得的淡黄色液体产物，含200多种有机成分，具有抑菌、抗氧化、延缓衰老、促进植物生长的作用，可生产抗菌生物板、消毒剂、保鲜剂、除菌剂、除臭剂、植物生根剂等产品[47]。利用竹材剩余物和边脚料来提取竹醋液，既可以降低生产成本，又可以防止环境污染，具有较高的生态和经济价值。
5.3 种养业中的应用
竹剩余物内富含蛋白质、淀粉、矿质元素等养分，是非常好的食用菌栽培基质原料，利用竹剩余物栽培食用菌，不仅降低生产成本，还可缓解食用菌培育原料紧缺的情况。目前，竹剩余物被应用于香菇、金针菇、灵芝、竹荪、木耳等食用菌的培育中。彭超等[48]采用竹屑栽培大球盖菇（Stropharia rugosoannulata）和棘托竹荪（Dictyophora echinovolvata），大球盖菇的整体营养高于棘托竹荪，均是高纤维、低脂肪、矿质元素丰富的食用菌。张泽平等[49]以竹屑为主要培育基质生产香菇，竹屑含量低于45%的菌棒可生产出更具营养价值和经济效益的香菇。竹废弃物自然发酵后可生产优质有机肥，培养食用菌的废弃物晾干粉碎后也可作为家畜的饲料，实现可持续加工利用。
5.4 医药、化妆品和健康领域中的应用
竹笋及其余料中富含氨基酸、抗真菌蛋白、可溶性硅等化合物，被广泛应用于医疗、保健等领域。竹笋含有丁香酸、原儿茶酸、对羟基苯甲酸等多种酚酸类物质[50]，可有效清除体内自由基，具有较强的抗氧化性。竹笋内黄酮类化合物和甾醇同样具有很强的抗氧化性和抗炎活性，相同浓度下，甾醇清除自由基的能力高于黄酮[51]。植物甾醇在医疗领域常被用作抗炎剂，竹叶和竹笋壳的黄酮类化合物功效相当[52]，具有很强的抗菌性。甾醇除了具有抗氧化能力，还具有降血脂功效，每天摄入不少于1 g植物甾醇可达到降血脂的效果[53]。竹纤维透气性和延展性优于其他纤维，是当前最具开发价值的环保面料。竹炭具有很好的吸附、抗菌功能，可用于纺织及化妆品行业。目前，针对竹类植物医药等领域的研究还不够深入，有待于进一步的探索和开发。
5.5 能源、材料及化工领域中的应用
5.5.1 能源。相较于煤炭等常规燃料，生物质燃料是一种环保的清洁能源，可广泛应用于发电、供热等领域。竹废弃物生产生物质燃料工艺得到了进一步完善和提升，部分产业已实现规模化。麻竹废弃物经过切片—配比—干燥—粉碎—制粒—冷却—筛分—质检—包装等工艺压缩制成颗粒燃料[54]。竹经过热裂解生成生物油的获得率为36%[55]，竹废弃物通过微波液化后，可得到多元醇[56]。麻竹废弃物在PEG400和乙烯催化、硫酸液化下生成以多元醇为主的液化产物[57]。以麻竹为原料制成的固态燃料，燃烧性能均符合标准《民用/商用生物质颗粒燃料》（美国）和《木质颗粒燃料》（德国）规定燃烧值的最低要求[58]。未来，生物质燃料会大范围应用在各个领域，具有很高的生态价值和经济开发潜力。
5.5.2 复合材料。竹材因其特殊的梯度、中空结构成为阻尼效果优良的天然材料[59]，与其他材料复合可获得性能优且轻度低的绿色阻尼功能材料[60]，主要种类有竹木复合材料、竹质橡胶复合材料和竹塑复合材料。纤维素和半纤维素形成的无定形高聚物是阻尼的关键，竹黄部分的阻尼效果优于竹青，内侧特殊的中空结构可在增加阻力的同时减轻了材料重量；外侧的材料刚度高于内侧，又增加了材料的硬度和强度[61]。竹纤维和隔热颗粒形成的复合芯材稳定性和隔热性好，不仅降低了生产成本，延长了使用寿命，还提升了真空绝热板的制作工艺[62]。
5.5.3 化工应用。竹叶片提取物可作为较好的植物型缓蚀剂，对金属保存具有重要现实意义。麻竹竹叶提取物在NaOH溶液中可减缓金属锌的腐蚀进程，最大缓蚀率为90%[63]，是一种环境友好型缓蚀剂。付惠等[64]对麻竹叶在HCl、H2SO4、H3PO4等酸性介质中缓蚀作用进行探讨，发现麻竹叶对冷轧钢的缓蚀作用效果好，缓蚀率均超过75%；其中，在HCl溶液中缓蚀效果最好，达到92%。李楠等[65]发现麻竹竹叶提取物在不同浓度的HNO3溶液中可抑制铝的腐蚀程度，且缓蚀效果随HNO3浓度的增加而增大，对工业生产具有重要指导意义。刘建祥等[66]通过研究得出金竹竹叶提取物在1 mol/L HCl溶液中是混合抑制性缓蚀液，可缓解铝的腐蚀进程，缓蚀率可达77%，拓宽了竹叶片的利用领域。
6 问题及建议
竹产业发展势头迅猛，创造了很好的经济和生态效益，也存在一些问题，归纳为以下3个方面。
6.1 资源保存
我国竹资源供需矛盾日趋突出，保存优质种源、提高竹材利用率变得十分迫切。目前存在竹良种使用有限、管理水平参差不齐、竹林聚集面积不高等问题。未来应不断强化竹资源良种的收集、保存與利用推广，为竹产业高速可持续发展提供种质保障。
6.2 加工渠道
从产业化利用的角度来看，目前我国竹加工利用及剩余物再利用渠道不够多元，比如，在竹材中掺以20%～30%的加工废料如竹屑、竹枝等，通过间隙蒸煮方式生产化学竹浆；竹箨等也可制成箨浆做卷烟纸[67]，丰富利用方式和途径。未来应加强对管理制度的完善，不断完善加工利用体系。同时对加工设备进行升级改造，降低生产成本，寻求多行业融合协作方法，提高品牌影响力，提升国内国际竞争力。
6.3 加工技术
竹人造板还需进一步升级零污染制造工艺，强化无害胶黏剂开发及有害气体再利用技术。竹笋内富含膳食纤维，但目前鲜有关于竹笋不同部位膳食纤维的报道。膳食纤维可有效调节肠胃微生物环境，可作为改善肠胃特定微生物活性的外源物质，相关领域具有很广的研究空间。当前竹塑复合材料热门技术难题是界面相容性，下一步应强化研究的力度和深度，为促进竹塑复合产业高效发展提供科学依据。未来应建立完备的加工体系，竹加工利用应力求融合更多领域，着重发展竹林碳汇产业，从而促进竹加工产业的进一步优化升级。
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（责编：何 艳）
