麻竹的加工利用研究进展

程 琳,李立杰,黄开勇,蓝 肖,戴 俊,黄大勇

(广西壮族自治区林业科学研究院,广西南宁 530002)

麻竹(DendrocalamuslatiflorusMunro)是禾本科(Poaceae)牡竹属(Dendrocalamus)的合轴型丛生竹,具有生长快速、材质优良,竹笋肥嫩、味美,竹型优美等特点,在建筑、食品、造纸、园林、医疗保健、工艺等领域应用广泛[1-2]。根据第九次全国森林资源调查得出,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”[3-4]。我国竹面积接近世界竹面积的1/4[5],种类和产量均在世界首位,且竹材加工产业发展迅猛,带动了世界竹产业的发展。

20世纪80年代开始,我国竹产业发展迅速,形成了由竹子栽培、产业开发、商贸交易为主体的新型体系,是林业发展四大朝阳产业之一,被赋予厚望[6]。21世纪以来,我国竹产业得到了快速发展,竹产业也面临着新的挑战和机会。而麻竹作为我国南方重要的笋材两用的树种,竹浆性能优于阔叶树种,竹笋产量远高于毛竹,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。目前我国竹资源利用率普遍不足55%[7],因此,加快对麻竹加工利用的全面探索,能够促进我国麻竹产业化、工业化发展,进而丰富和美化人们的生活。

1 麻竹的自然分布和生物学特性

1.1 麻竹的自然分布国外麻竹主要分布在越南、缅甸等国家,国内麻竹主要分布范围为浙江、福建、广西、广东、贵州、台湾、云南、四川和海南等省(区)[8-9]。麻竹多分布于横断山脉南侧,喜温暖湿润气候,国内水平分布在25 °N以南,垂直天然分布区海拔50～1 000 m,一般分布在600 m以下;年均气温16～26 ℃,极端高温和低温分别是30和-3 ℃,年降雨量高于1 300 mm[10]。

1.2 麻竹的生物学特性麻竹,株高和胸径分别为20 m和15 cm,节间长度为45 cm,幼秆被白粉、无毛,主枝明显;箨鞘厚革质,箨耳长5 mm,叶片宽厚。花枝大型,无叶或上方具叶,小穗卵形,长1.2 cm;成熟时呈红紫色或暗紫色,着6～8朵小花,花药黄绿色[11]。麻竹具有开花周期长,经常零星开花的特性,结果率不高[12-13];麻竹种子不易获取,主要通过无性繁殖进行栽培,繁殖再生能力强[14]。麻竹花粉活力低且储藏难度大,不利于植物的离体培养[15]。钟远标等[16]通过花粉试验得出,麻竹花粉萌发率高于50%,柱头可授性可维持5 d,麻竹结实率与花粉活力、柱头可授性的相关性有待于进一步研究和探讨。

2 竹材的加工利用

麻竹是优良的速生树种,竹材加工产值高、见效快,且应用广泛,目前世界各产竹大国对竹材利用十分看重。我国对竹材加工的重视程度日益增加,市场对竹材的需求量也日渐增多,相关加工企业的数量也不断上升。

2.1 造纸我国是全球造纸业生产和进口大国,2016—2021年木浆产量均超过7 000万t/a,进口木浆量1 000万t/a[17]。我国每年收集6 000万t干竹材用于生产纸浆[18]。我国竹子造纸的历史始于1 700多年前的东晋,20世纪40年代开始生产机制竹浆纸,麻竹材纤维素含量高于毛竹,生物量是毛竹的7～10倍[19],麻竹的竹浆性能优于阔叶树种和禾本科草本植物[20]。李权等[21]研究得出,2年生麻竹竹壁纤维长度大小依次为中层>外层>内层,竹壁纤维长宽比大小分别是内层>中层>外层;麻竹纤维属于长纤维,宜于造纸,应多加开发利用,提高市场竞争力。实际生产中,麻竹纤维很少用于造纸,因为麻竹纤维相比于硬头黄、慈竹、梁山慈竹、孝顺竹等竹种稍差一些,增加了企业用麻竹造纸的生产成本。未来,可通过遗传改良选育出纤维造纸优良的麻竹竹种,为我国造纸产业提供优良原材料。

2.2 人造板竹材人造板具有韧性好、硬度高的优势,是优良的工程机构材料,相关研究始于20世纪70年代,在我国发展潜力大[22-23]。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[24]。王健等[25]研究发现,不同方位麻竹的物理和力学特性并无显著差异,1.5林龄麻竹的密度及抗压强度高于0.5林龄,但顺纹抗剪强度低于0.5林龄。尤龙杰等[26]对不同林龄麻竹材的物理性质、力学特性及燃烧性能进行了相关性分析,研究得知,林龄显著影响了麻竹的气干密度和抗弯强度,可通过麻竹气干密度准确预测相关力学特性和燃烧性能。麻竹是制作竹纤维板的适宜竹种,竹材产量高于毛竹,为人造板产业提供宝贵的生产资源。

2.3 工艺品麻竹的用途很广泛,除了工业等领域,还可制成工艺品、日用品、家具等。竹子经过锯割、抛光、刨削、砂磨、雕刻、编制等程序可加工成多种生活用竹制品和艺术品,竹艺品一般带有宣扬回归自然、热爱自然的构想[27-29]。艺术品包括乐器、竹编工艺品、竹雕刻、竹家具等[30]。传统少数民族的竹乐器也是具有地方特色和竹精神文明的集合,常见的有竹笛、芦笙、葫芦丝等,葫芦丝是云南有名的民族乐器,芦笙历史悠久,多见于云南、重庆、湖南、四川、广西等省(区)[31-32]。竹编工艺品和竹制家具做工精良,增加了竹子的附加值。

3 竹笋的加工利用

麻竹笋具有味道清甜、产量高的特点,富含18种氨基酸、矿质元素、碳水化合物等营养成分[33],有减肥、健胃、降血压的功能[34],是绿色保健佳品,被誉为“素食第一品”。我国竹笋年均需求量200万t左右,市场需求很大[35]。充足的光照、水分和温度,是保障竹笋质量的重要因子[36]。产笋时间为每年5—11月,鲜笋供应时间长,竹笋采摘时间宜为生长期(5—7月上旬)和快速生长期(7—9月中旬)[37],该时期竹笋的口感最佳,可保障竹笋的口感和质量。麻竹笋是我国笋产量最高的竹品种之一,体长和直径分别是80 cm和20 cm,营养价值高,是健康绿色食品[38]。竹笋可加工成鲜笋、酸笋、笋干等食品[39],发展前景广阔。新鲜竹笋经过发酵后可形成酸笋,酸笋清脆爽口,富含有机酸、蛋白质和膳食纤维,具有促进肠胃健康、解暑消热等功效。酸笋具有浓郁的地方特色,桂味酸笋源于广西柳州且历史悠久,是制作特色食品螺蛳粉、桂林米粉、老友粉的重要原料之一。麻竹制成的酸笋是“三个百亿”大产业——柳州螺蛳粉产业的重要原材料之一,为促进产业全球化、规模化提供了优良原材料。

4 林副产品的加工利用

我国全面建设资源节约型、环境友好型社会,因此,为尽力达到资源零剩余,深化、优化竹资源多元化利用迫在眉睫,也是未来产业发展的热点和研究方向。

4.1 竹材废屑和边角料的利用竹产品加工会产生很多加工剩余物,对居民生活和生态环境造成了不良影响。在竹材胶合板加工中,竹材利用率低于40%[40];竹笋的利用率也未超过30%,原竹利用率低于12%[41],我国从20世纪80年代起就开始了加工废弃物利用的研究,现已取得一定成效。

4.1.1复合材料。竹塑复合材料(BPC)是一种以竹为主要原料开发的新型材料,可应用于工业、工程等各方面。郭红军[42]将竹材废木屑和聚乙烯按一定比例混合,加入表面活性剂后,经过高温和预处理加工制成了多种新型复合材料;薛一帆等[43]以竹粉和聚乳酸为原料,制成竹塑复合材料;赵瑨云等[44]采用竹纤维和聚丙烯为原料,添入助剂后通过压出造粒加工制成竹粉/聚丙烯阻燃复合材料,为防火生产生活提供安全保障。麻竹在复合材料的研究还有待于进一步深入和拓展。

4.1.2生物质燃料。生物质燃料CO2排放量接近零,是一种环保的清洁能源,也是全球唯一可再生有机碳源,国家能源局在“十三五”阶段提出,国内生物质燃料发展计划从800万t(2015年)增加至3 000万t(2020年)[45]。相较于煤炭等常规燃料,生物质燃料具有污染小、成本低等优点,保障国家能源安全,应用于发电、供热等领域。木质素纤维素是全球生物质能源原料研究的主要方向[46]。

麻竹废弃物含有大量木质纤维素及蛋白质、糖类、脂质、氨基酸、矿物质等营养成分,是生产生物质燃料的优质原料,有很高的开发价值[47]。麻竹废弃物经过热解可获得竹炭或气体、液体燃料,麻竹燃烧过程中灰尘排放量很低,原料价格约是燃油的20%[48],既可用作农业燃料,又可用于工业制造,是一种绿色清洁燃料,为生物质燃料发展提供大量的可利用资源。竹废弃物通过3种方式生成生物质燃料:一是固态燃料,二是裂解生物油,三是热解燃气,固态燃料的原料以农林废弃物为主。竹废弃物生成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[49]。近年,我国竹废弃物加工成生物质燃料的研究有了长足进步,未来,生物质燃料也会大范围出现在各个领域中。

4.1.3竹醋液、竹炭、竹纤维。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,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[50]。竹炭具有很好的吸附、抗菌功能,可用于服饰、纺织及化妆品行业[51-52]。刘文芳等[53]研究发现,竹炭红外吸收峰波长就落在对人体非常有益的远红外波长范围内,说明竹炭对人体健康有益。竹材剩余物裂解后可得到竹醋液和竹炭,获得率分别是30%和20%[54]。利用麻竹材剩余物和边角料来提取木醋液,不仅可以降低生产成本,而且可以防止污染,具有很高的生态价值和经济开发潜力。

4.1.4医药品。氨基酸、抗真菌蛋白、可溶性硅、绿色防腐剂等化合物可从竹废弃物中提取而来,广泛应用于医疗、保健等领域。竹废弃物内含大量聚戊糖,较难提取,随着加工工艺的不断改进和提升,如今可以通过碱性过氧化氢机械处理-破碎-水解-蒸煮硫酸法[55]除去90%以上的木质素,分解出77%木聚糖[56]。目前,针对麻竹医药价值的研究还不够深入,有待于进一步的发掘和开发。

4.1.5食用菌、肥料。食用菌具有抗癌、抗病毒、抗衰老的效用[57],受到市场和人们的广泛喜爱。竹剩余物内含丰富蛋白质、淀粉、矿质元素等养分,是非常好的栽培食用菌的原料,目前培育技术完善,生产出香菇、金针菇、灵芝、竹荪、木耳等食用菌。利用竹剩余物栽培食用菌,不仅降低生产成本,还可缓解培育原料紧缺的情况。吕玉奎等[58]采用麻竹叶、枝条等竹废弃物培养竹荪,年均产值达750 kg/hm2。麻竹废弃物在林下经自然发酵可生成优良有机肥,栽培食用菌的废料晾干粉碎后也可作为家禽和草木的饲料和废料,可实现循环利用。

4.2 叶的利用麻竹叶片具有很高的药用和食用价值,还可用于斗笠、蓑衣、粽子外衣等的制作,在医疗、护肤品、保健品等方面也有很大的市场潜力。目前麻竹叶片开发利用程度还不是很充分。丢弃、燃烧是较为常见的叶片处理方式,浪费资源的同时,也污染了环境。因此,深化竹叶研究,开拓竹叶利用渠道对竹产业发展极具经济和生态意义。

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,目前应用很少,是因为叶片分离技术还有待于进一步深化[59-60]。潘文慧等[61]采用DEAE-52纤维素柱和SephadexG-200凝胶柱等方法对麻竹叶多糖进行了分离纯化。唐浩国等[62]从麻竹叶片中分离出了4种黄酮化合物。麻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。付惠等[63]对麻竹叶在盐酸、硫酸、磷酸等酸性介质中缓蚀作用进行探讨,发现对冷轧钢的缓蚀作用效果好,缓蚀率均超过75%;其中,在盐酸中缓蚀效果最好,达到92%。刘建祥等[64]研究了麻竹叶提取物在不同盐酸浓度、缓蚀剂浓度、反应时间和反应温度复合作用下对铝制品的缓蚀作用,效果良好,采用最佳组合缓蚀率可达到64%,拓宽了麻竹叶片的利用领域。

4.3 笋壳的利用膳食纤维常被称为“第七营养素”,具有很好的调节血糖、减肥瘦身、降低血压等医疗功能。笋壳内富含总膳食纤维,占比为55%～80%,明显高于小麦麸、花生壳等常见膳食纤维原料[65];麻竹笋壳占笋质量的50%以上,是竹副产品加工产业重要的原料之一。麻竹笋壳被打碎后在林下自然发酵,或加入微生物发酵菌剂后堆放发酵,可获得笋壳有机或有机无机混合肥,施用效果好。同时,麻竹笋壳还可作为食用菌的培养基原料,培养结束后菌棒也可为竹子栽培提供养分,产笋量提高30%以上[66]。笋壳加工前应将剥落的笋壳晒至足干,贮放在通风干燥处,麻竹笋壳青贮过程中加入0.5%尿素,可有效延长笋壳发酵后的贮藏时间,改善饲料的适口性[67]。福建、浙江等地也以笋壳为原料制成膳食纤维,用于工业和食品加工。

5 问题与对策

麻竹加工产业发展势头迅猛,创造了很好的经济和生态效益,也存在一些问题,归纳为3个方面。

5.1 竹原材料储存和利用率我国现在是原料进口大国,资源紧缺情况还会持续很长一段时间,加之我国2017年实行停止天然林商业采伐,竹资源供需矛盾日益增加,提高竹材利用率变得十分迫切。麻竹主要以天然林或人工林分布,天然林的经济价值始于加工厂房、设备投资等生产成本,人工林的利用价值来源于种植和产品加工生产成本,投入产出比和安全性是企业必然认真考虑的现实问题;麻竹竹青(外层)含丰富硅质,竹黄(内层)有保护性纤维,是建筑、家具、纸浆、雕刻的重要原料,但其防腐、防虫、防霉性不高,导致竹材及加工物品难以长期保存,是急需解决的技术难题[68]。原竹利用率不高也是限制竹材加工产业精深发展的重要因素,未来应不断强化麻竹的良种选育与推广示范,提升竹资源培育及竹加工利用率,为竹产业升级提供种质和科学保障。

5.2 竹资源工业化设备及渠道从工业利用的规模化和产业化来看,目前我国木材加工资源利用和回收渠道不够多元化,特别是加工剩余物回收利用体系还不够完善,缺少成熟的产业理论依据和经营管理制度;未来要加强有关部门对产业的集约化规范,以缓解回收规模小、产业组织率不高的紧张局面[69]。同时加强专业机械设备功能和效能的研发,特别是对减少机器运行耗能、延长使用时间及丰富产品种类等方面做进一步研究,从而降低工业生产成本,提高市场竞争力。

5.3 竹加工技术和扶持政策专业的技术和人才团队一直是企业不断发展壮大的原动力,麻竹剩余物回收利用缺乏相关动力,而且部分企业对利用技术并未完全掌握,一些产业也缺少科学的执行标准和严格的监督措施。麻竹纸浆和人造板加工并未完全拥有专业科学的理论、实践指导,经营管理方面也存在粗放实施的问题,导致原材料利用率低及产业化程度不高的现象。对生物质燃料成型过程中分子间结合机理进行研究,发现原料木质素介于临界值以下时,固体颗粒间作用力随木质素含量升高而变强,颗粒物理性能越好[70],也是我国麻竹可以深入研究的方向。麻竹人造板甲醛含量始终是市场关注的焦点,竹醋液及竹炭在生产过程中也会产生二氧化硫等有害气体,一方面要不断优化零污染的制造工艺,另一方面也要多研究天然绿色胶黏剂和有害气体再利用技术[71]。界面相容性是目前竹塑复合材料急需解决的技术问题[72],应进一步开展相关研究进行难题攻关,以促进注塑复合产业深化发展。未来可对加工企业进行适当的减免政策或政府补贴,协助建立科学的利用体系,增强麻竹良种的推广和示范,在获得经济利益的同时,兼顾生态效益,谋求企业科学化、多元化、生态化、高效化的可持续健康发展。

6 小结

麻竹通身是宝,具有很高的经济、生态、园林和医药价值。21世纪以来,随着我国经济进入新常态高速发展,市场对竹材和竹笋的需求量持续走高,也带动相关产业进一步发展。同时,麻竹具有很好的园林绿化效果,四季常青,可栽于街道两旁、住宅庭院。在一些旅游地区,可进行合理的修剪,给人以美的视觉享受,使人的生理和心理得到充分放松[73-74]。目前,国内在麻竹种质收集、保存及利用方面形成了较为完善的产业链;未来,麻竹加工利用应针对市场进行多元化升级,力求融合更多领域;并促进麻竹加工产业的进一步优化升级,提升产品核心竞争力和品牌影响力,这对加速竹产业和林业发展具有重要的现实意义。