中药固体废弃物的木质纤维素组分测定及分类指导原则建立

2023-12-11李元章徐婷婷刘庆莹胡雨涵姚晗聪武红丽

生物加工过程 2023年6期

李元章,熊号,徐婷婷,刘庆莹,胡雨涵,姚晗聪,李妍,武红丽,曹飞,韦萍

(南京工业大学生物与制药工程学院,江苏南京 211800)

中药(traditional Chinese medicine,TCM)是中华文化的重要组成部分,在国内外备受欢迎。中药产品主要包括中成药、中药保健品、中药饮片、中药提取物及中药化妆品等,其贸易额逐年增加,仅2021年上半年,中药产品贸易额就达35.6亿美元[1]。然而,中药在产生巨大经济的同时,也给生态系统和可持续发展带来重大问题,主要体现在中药废弃物方面[2]。中药固废(traditional Chinese medicine residues,TCMRs)是在中药材的加工、中成药生产、中药活性药物成分提取、含有中草药的轻化学产品的生产以及中医医院、药店和家庭的中药煎煮过程中未被利用的部分,其主要包括植物根茎叶、动物残体及矿物药等混合物。相比于医药和家庭小范围产生的中药固废,中药制剂生产带来的中药固废量最大,约占中药固废总量的70%[3-4]。据统计,我国每年产生非药用部位及中药加工下脚料中药固废逾亿吨,药材深加工固体废弃物及副产物5 500余万t[5-8]。

这些中药固废除含有蛋白质、核酸等有机营养物、微量元素和未被完全提取的有效药用成分外,还存在大量的纤维素、半纤维素以及木质素等生物质[9-11]。目前,对中药固废的处理包括填埋、堆肥、制备发酵基质、焚烧等方式,但这些处理往往比较粗放、易造成二次污染和生物质资源浪费[12-15]。

部分学者对中药固废的木质纤维素组分进行了测定。Yu等[16]发现,中药固废中的碳水化合物含量(质量分数)较高(30%～50%),视中药种类及提取过程而定;王婷等[17]利用碱处理甘草渣后发现,甘草渣中纤维素的含量为23.67%～32.13%。陶小芳等[18]采用高效液相色谱法测定发现,五味子药渣粗纤维含量为43.8%。黄英等[19]利用酶降解法处理黄芪药渣后发现,黄芪药渣的主要成分纤维素和半纤维素占药渣总质量的42.74%。Nguyen等[20-21]采用酸解法处理姜黄和龙眼固废后发现,姜黄固废中含有30.1%淀粉,而龙眼固废的碳水化合物中含50%的淀粉。黎智华等[22]采用酸解法处理参茸大补膏、阿归养血颗粒及芪参颗粒药渣后发现中性洗涤纤维含量分别为52.3%、47.8%及54.6%,而杜仲、绞股蓝及妇科千金药渣粗纤维含量分别为34.6%、38.4%及44.9%。孟梅娟等[23]研究发现,蒲地蓝药渣中性洗涤纤维含量为50.6%,藿香正气液残渣中含有23.93%的粗纤维[24]。王春梅等[25]发现,葛根颗粒、桂枝茯苓胶囊、黄芪、天麻及丹皮中粗淀粉含量分别为20.8%、14.7%、12.1%、58.9%及31.1%。张文广等[26]发现,大黄非药用部位叶片及叶柄粗纤维含量分别为15.6%和10.8%。但这些研究往往比较分散,所涉及的中药固废种类也较少,测定的数据之间也存在一定差异,对中药生产企业的废弃物排放和处理并不具有指导意义。

本文中,笔者根据药房处方量大、价格相对便宜及种类分配均衡的原则,从常用200种中药中选择了40种典型中药。采用统一方法对中药原料以及煎煮后中药固废的木质纤维素组分进行测定,并且以木质纤维素总量和有效糖与木质素的比值为评判标准,对中药固废进行分类,以期为中药生产企业的废弃物排放提供相应的指导原则。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

40种中药包括:白芍(Radixpaeoniae,RP)、白术(Rhizomaatractylodis,RA)、白芷(Angelicadahurica,AD)、板蓝根(Isatistinctoria,IT)、川芎(Ligusticumsinense,LS)、大黄(Rheumofficinale,RO)、丹参(Salviamiltiorrhiza,SM)、当归(Angelicasinensis,AS)、党参(Codonopsispilosula,CP)、独活(Heracleumhemsleyanum,HH)、甘草(Glycyrrhizauralensis,GU)、干姜(Zingiberofficinale,ZO)、怀牛膝(Achyranthisbidentatae,AB)、黄芪(Astragalusmembranaceus,AM)、姜黄(Curcumaelongae,CL)、桔梗(Platycodongrandiflorus,PG)、人参须(Ginsengleptoradix,GL)、山药(Dioscoreaerhizoma,DR)、熟地黄(Rehmanniaglutinosa,RG)、水半夏(Pinelliaternata,PT)、延胡索(Corydalisrepens,CR)、浙贝母(Fritillariathunbergii,FT)、决明子(Cassiatora,CT)、麦冬(Ophiopogonjaponicus,OJ)、山楂片(Crataeguspinnatifida,CP2)、五味子(Schisandrachinensis,SC)、枳壳 (Aurantiifructus,AF)、红花 (Carthamiflos,CF)、金银花(Loniceraejaponicae,LJ)、连翘(Forsythiasuspensa,FS)、杜仲(Eucommiaulmoides,EU)、牡丹皮(Paeoniasuffruticosa,PS)、穿心莲(Andrographissinensis,AS)、蒲公英(Taraxacummongolicum,TM)、益母草(Herbaleonuri,HL)、鱼腥草(Houttuyniacordata,HC)、大青叶(Isatisindigotica,II)、枇杷叶(Eriobotryajaponica,EJ)、桂枝(Cinnamomumcassia,CC)以及木通(Akebiaquinata,AQ),安徽省亳州市安博药业有限公司;3种未知混合中药固废,江苏省中医院。这些中药在分析前均在105 ℃烘干48 h至绝干。

葡萄糖(Glu)、木糖(Xyl)、阿拉伯糖(Ara)、NaOH、乙醇以及H2SO4(分析纯),上海阿拉丁试剂有限公司。

1.2 实验仪器

752型紫外分光光度计,上海美析仪器有限公司;SQP型电子分析天平,德国赛多利斯集团;LC-20AD型高效液相色谱仪(HPLC),日本岛津公司;恒温加热磁力搅拌器,巩义市予华仪器有限责任公司;GWS-LQ-75G型高压灭菌锅,博讯医疗生物股份有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 中药固废的制备

由于中药生产企业的固废往往是混合排放,实验室难以获得单一品种的中药固废。因此,本研究模拟中药生产企业的煎煮方式,称取定量绝干中药,按固液比1∶10加入实验用水,煎煮3次,每次1 h,煎煮后自然风干,再烘至绝干质量,获得实验用中药固废。

1.3.2 中药以及中药固废的木质纤维素组分测定方法

通用的测定木质纤维素含量的方法是美国可再生能源实验室(NREL)公布的方法[27],以此来测定秸秆生物质中的纤维素、半纤维素和木质素含量。但此方法有一个缺陷,即对于含有淀粉的生物质,无法判断降解的葡萄糖是来源于淀粉还是纤维素。由于中药固废或多或少含有淀粉,这部分淀粉降解产生的葡萄糖在后续计算过程中被视为纤维素组分,造成中药原料或中药固废中纤维素含量过高,最终影响了中药固废纤维素含量测定的准确性。本研究将中药原料或中药固废中的纤维素与淀粉组分统称为葡聚糖。因此,本研究用NREL方法测定的是葡聚糖、半纤维素及木质素等生物质组分的含量(质量分数)。

1) 标准糖的损失率。准确称取葡萄糖、木糖及阿拉伯糖各100 mg,用质量分数4% H2SO4定容至100 mL,在121 ℃下处理45 min后测定平均回收率,用于折算单糖在稀酸及高温水解过程中的损失率,具体计算见式(1)。

(1)

2) 木质纤维素组分的测定。取定量绝干样品,质量为m0,经索氏提取且烘干后置于10 mL耐压管中,加3.00 mL 72%(质量分数)H2SO4,30 ℃下反应1 h,反应后将酸解液转移至100 mL的锥形瓶中,加入84.00 mL蒸馏水(包含洗涤水),稀释酸质量分数至4%。在121 ℃下于高压灭菌锅中保温45 min。酸解后用G3砂芯漏斗抽滤,取滤液5 mL,用6%的NaOH调节pH至3并定容至10 mL,用HPLC对其进行分析,根据测定的单糖浓度及回收率计算单糖含量,进一步换算半纤维素和葡聚糖的含量(质量分数),具体计算见式(2)～(4)。

单糖质量浓度ρ=ρHPLC×稀释倍数/Rave sugar

(2)

w(葡聚糖)=ρGluV×0.90/m0×100%

(3)

w(半纤维素)=(ρXyl+ρAra)V×0.88/m0×100%

(4)

式中:ρ为反应物质量浓度,g/L;Rave suga为标准单糖平均回收率,V为酸解液体积,取0.087 L;0.90为葡萄糖含量所对应的系数;0.88为木糖和阿拉伯糖所对应的系数。

将滤渣用热的蒸馏水洗涤至中性后,置于干燥坩埚中,于105 ℃烘干,烘至恒质量后记总质量为m1。将烘干的滤渣和坩埚置于马弗炉中在550 ℃下灼烧3 h,冷却后称质量,记总质量为m2,具体计算见式(5)。

w(酸不溶性木质素)=(m1-m2)/m0×100%

(5)

参照NREL的方法,取抽滤液定容,记定容后体积为V(mL),取适量定容后的滤液稀释,记稀释倍数为n。用紫外分光光度计在205 nm下测定稀释液的紫外吸收(A205)和紫外吸收系数(K),中药质量m0,具体计算见式(6)～(7)。

w(酸溶性木质素)=nVA205/Km0×100%

(6)

w(木质素总量)=w(酸溶木质素)+w(酸不溶木质素)

(7)

1.3.3 中药固废中淀粉组分测定

参照工业淀粉糖化过程,利用高温α-淀粉酶及糖化酶降解中药固废中的淀粉组分。

称取一定质量105 ℃下烘干的中药固废,记为m前(m前为固废样品质量),加入75 mL水(固液比1∶15),H2SO4调节pH 至6.0。在110 ℃下糊化30 min,降温到65 ℃后按照每克固废添加40 U的配比加入耐高温α-淀粉酶,在65 ℃水浴中酶解8 h。液化过程中取样,采用碘色反应检测液化液中淀粉是否降解完全,当蓝色消失且加入无水乙醇后没有白色浑浊产生表明淀粉已完全液化。

用H2SO4调节液化液pH 至 5.0,以每克药渣添加200 U的比例加入糖化酶,在60 ℃水浴中酶解20 h。糖化结束后,采用碘色反应检测糖化液中糊精是否降解完全,当碘色反应液呈棕黄色,表明糖化反应完全。

糖化液高温煮沸灭酶活30 min,过滤,滤渣加入75 mL蒸馏水,高温煮沸30 min,再过滤。滤渣105 ℃下烘干并进行称量,记为m后。

由中药固废酶解前后的质量差来计算淀粉含量(质量分数),见式(8)。

w(淀粉)=(m前-m后)/m前×100%

(8)

1.3.4 酶解后中药固废中木质纤维素组分测定

酶解去除淀粉后,将中药固废烘至绝干质量,进一步测定其木质纤维素组分,具体方法同1.3.2。

1.3.5 单糖的液相色谱分析

配制Glu、Xyl及Ara标准溶液:用分析天平准确称取标准品200 mg,5 mmol/L稀H2SO4流动相溶解,用100 mL容量瓶定容后逐级稀释,微孔滤膜过滤后用于高效液相色谱测定。

根据葡萄糖、木糖及阿拉伯糖的标准曲线(g/L),得其线性回归方程及相关系数,结果如表1所示。

表1 回归方程及相关系数

具体检测条件:色谱柱为Bio-Rad Aminex HPX-87H(300 mm×7.8 mm),检测器为示差折光检测器和紫外检测器,流动相为5 mmol/L H2SO4水溶液,流速为0.6 mL/min,柱温为35 ℃,检测器温度为35 ℃,进样量为10 μL。

2 结果与讨论

本研究选取的40种植物中草药,主要包括白芷、山药、白芍、浙贝母、干姜、水半夏、姜黄、白术、丹参、大黄、延胡索、党参及地黄共13种块茎类中草药,板蓝根、人参须、怀牛膝、甘草、黄芪、川芎、独活、当归及桔梗共9种根茎类中草药,木通、桂枝这2种藤木类中草药,大青叶及枇杷叶这2种叶类中草药,牡丹皮、杜仲、连翘及枳壳共4种皮壳类中草药,红花、金银花这2种花类中草药,鱼腥草、穿心莲、益母草及蒲公英共4种全草类中草药,决明子、山楂、五味子及麦冬共4种果实种子类中草药。为了更方便区分,本研究将这40种中药分成两大类:块茎和根茎类(简称根茎类)及叶、花、草、皮、藤和果实类(简称叶花草果类),其中根茎类选择量相对较大,占55.0%,而叶花草果类占45.0%。

2.1 中药原料木质纤维素组分分析

中药加工时会产生部分下脚料——中药固废,测定中药原料中木质纤维素组分含量对于中药下脚料的利用具有参考意义,而中药下脚料与煎煮后中药固废都属于中药固废,但煎煮后中药固废木质纤维素组分会有所变化,为了对中药固废木质纤维素含量有更清楚的认识,采用NREL法测定中药原药木质纤维素组分含量,结果如图1所示。

图1 不同种类中药原料中的葡聚糖、半纤维素、木质素和木质纤维素总含量

由图1可知:在筛选的40种中药中,木质纤维素平均含量为59.33%,超过70%的有12种;根茎类中药木质纤维素组分平均含量为59.78%,木质纤维素含量超过70%的有6种;花叶草果类木质纤维素组分平均含量为58.96%,含量超过70%的有6种。

根茎类中药葡聚糖平均含量为35.9%,其中白芍、板蓝根等9种根茎类中药葡聚糖含量超过50%,同类占比40.9%。山药、白芍和板蓝根等的葡聚糖含量较为突出,在70%以上,根类中药甘草、黄芪及葡聚糖含量在45%以上。而叶花草果类中药的葡聚糖平均含量为19.77%。

中药原料中半纤维素平均含量为8.99%,其中根茎类半纤维素平均含量为7.36%,低于花叶草果类10.98%的半纤维素平均含量。决明子、枳壳、金银花和连翘等10种中药葡聚糖含量超过10%,同类占比55.6%。中药中木质素平均含量为21.70%,其中根茎类木质素平均含量为15.70%,低于花叶草果类29.33%的木质素平均含量。鱼腥草、益母草及穿心莲中木质素含量在30%以上。

2.2 不同种类中药固废中木质纤维素组分含量分析

利用NREL法测定煎煮后中药固废中木质纤维素成分葡聚糖、半纤维素及木质素具体含量,结果如图2所示。

图2 不同种类中药固废葡聚糖、半纤维素、木质素及木质纤维素总含量

由图2可知:在煎煮后的40种中药中,木质纤维素平均含量为68.37%,木质纤维素组分平均含量提高了9.04%;根茎类中药固废木质纤维素组分平均含量提升至68.82%,木质纤维素含量超过70%的中药固废增加为10种;花叶草果类木质纤维素组分平均值提升至67.54%,含量超过70%的增加为8种;煎煮后根茎类中药固废中葡聚糖平均含量提高为41.89%,但山药煎煮后葡聚糖含量降低2.01%,主要原因是山药中淀粉含量较高,部分淀粉溶于水,致使葡聚糖含量降低[28];根茎类中药渣中半纤维素平均含量为18.24%,与根茎原药半纤维素含量相比,提高了6.34%,主要是煎煮后中药中的大多数水溶成分溶于水[29],从而提高了半纤维素占比;煎煮后木质素平均含量为12.79%,与中药原料相比,降低了8.90%。

叶花草果类中药固废中葡聚糖平均含量为32.52%,较中药原料平均含量19.77%提高了64.49%;低于根茎类药渣41.89%的葡聚糖平均含量;叶花草果类中药渣中半纤维素平均含量为18.24%,高于根茎类药渣中11.91%的半纤维素平均含量,与中药原料中半纤维素相比,半纤维素平均含量提高5.67%;中药固废木质素平均含量22.22%与原药的21.70%相比,提高2.40%。

生物质含量和有效糖与木质素含量比值对燃料乙醇工艺设计和经济性有重要影响[30],中药固废有望成为生物质资源加以利用,其中生物质含量高于50%且有效糖比高于4的中药固废适合于制糖及发酵。按类别分,根茎类固废更适合发酵及制糖。如,杨家鹏等[31]发现,花生壳生物质含量为60.9%,可以借助微波辅助将其制备成生物炭。相比于花生壳,叶花草果类的中药固废可以用于制备炭材料。此外,中药固废中有机碳含量较高,可以用于堆肥研究[32]。

2.3 不同种类中药固废淀粉含量分析

中药与秸秆、木材等生物质有所不同,其根茎类、果实类均为能量储存结构,含有大量淀粉。虽然在前面生物质测定中也将其归为纤维素,但是淀粉的利用与纤维素的利用是明显不同的,因此有必要对葡聚糖中淀粉及纤维素含量进行明确测定。

为了不影响纤维素组分含量测定,本研究利用酶法降解,即用淀粉酶和糖化酶来降解中药固废中淀粉,通过前后质量差计算淀粉含量,结果如图3所示。由图3可知:根茎类中药中或多或少都存在淀粉,但不同种类差别较大,其中白芍、白芷、板蓝根、山药、水半夏、延胡索及浙贝母这7种根茎类淀粉含量超过40%,同类占比31.8%;板蓝根、白芷及山药中淀粉含量都在60%以上;大多数叶花草果类中药固废不含淀粉,但只有决明子、山楂、枳壳及牡丹皮等少数的淀粉含量超过10%,其中决明子的淀粉含量在40%以上,主要是以果实来储存能量。

图3 不同种类中药固废淀粉含量比较

2.4 根茎类中药固废酶解后木质纤维素组分含量分析

在中药固废酶解去除淀粉后,仍然采用NREL法对其纤维素、半纤维素及木质素含量测定进行分析,结果如图4所示。由图4可知:酶解后40种中药固废中木质纤维素含量超过70%的有15种,占比37.5%,其中根茎类中超过70%的有8种,同类占比36.4%,叶花果草类中超过70%的有7种,同类占比38.8%。根茎类中药固废酶解后木质纤维素平均含量为64.35%。根茎类酶解后的木质纤维素以纤维素及木质素为主,所占比为52.87%。对于淀粉含量较少的甘草、黄芪这类以根为主的中药固废来说,酶解后成分以纤维素为主。叶花草果类中药固废酶解后木质纤维素平均含量为61.22%,纤维素与木质素占比为51.32%。40种酶解后中药固废木质素平均含量(28.58%)与酶解前(22.22%)相比提高28.62%,酶解后白术、党参木质素含量均超过30%。

图4 酶解后中药固废中木质纤维素组分

2.5 根茎类复方及草木类复方中药固废中木质纤维素含量比较

自江苏省中医院的药房和药厂获取了3种不同的混合中药固废,对其木质纤维素组分进行了分析,结果如表2所示。由表2可以看出:混合固废二的葡聚糖含量较高,主要是因为其含有较多根茎,根茎类复方固废含有较多淀粉;而且混合固废二含有较高醇溶组分,主要是色素、树脂类含量较高;在芍甘汤固废中,主要以葡聚糖为主,而其淀粉含量也较高。

表2 复方中药固废木质纤维素含量

2.6 中药及中药固废聚类分析

生物质组分含量直接影响中药固废的后处理及其利用,而其中含糖组分(葡聚糖+半纤维素)是生物质利用的主要成分,葡聚糖、半纤维素以及木质素3个组分的含量是评价中药固废预处理、酶解及发酵工艺条件的重要依据,为今后中药固废等生物质资源产业化处理的主要方向和经济效益分析提供参考依据。需要对中药固废组分含量进行聚类分析,有利于后续分类排放处理,达到高值化利用的目的。因此,以中药或中药固废生物质含量为横坐标,以有效糖比率((葡聚糖+半纤维素)/木质素)为纵坐标,将中药原料和中药固废进行聚类分析,结果见图5和6。本研究根据木质纤维素含量是否大于50%、有效糖比率是否大于4将40种中药分为4个区域。

图5 中药原料聚类分析

由图5可知:区域①内的木质纤维素含量大于50%,有效糖比率大于4,在这个区域有白芍和白芷等8种中药,总占比20.0%;区域②内的木质纤维素组分大于50%,但有效糖比率小于4,这部分主要包括白术和川芎等19种中药,占比47.5%;区域③内的木质纤维素含量小于50%,有效糖比率大于4,这部分包括人参须及独活2种中药;区域④内的木质纤维素含量小于50%,有效糖比率小于4,这部分包括大黄和怀牛膝等11种中药,占比27.5%。

从类别角度分析,根茎类中药中木质纤维素含量超过50%的有15种,有效糖比率超过4的有10种,共17种中药可用于制糖,同类占比77.27%。叶花草果类有效糖比率均低于4,总体适合固态发酵。

中药煎煮后木质纤维素组分及有效糖比率均有所提高,主要因为中药水溶组分减少。

由图6可知:区域①内的中药固废种类增至11种,包括白芍、白芷、干姜、姜黄、山药、板蓝根、浙贝母、甘草、黄芪、延胡索及水半夏,总占比27.5%,这些中药固废的含糖组分高,无论是纤维素还是淀粉,均适合降解制糖,用于发酵形成高值化合物或制备高值化合物脱水糖;区域②内的中药由原来19种增至24种,占比60.0%,其增加部分主要来源于原料区域④内的中药,这是因为这些中药的水溶成分较多,水煎煮后致使木质纤维素组分相对提高,24种中药固废具体是白术、川芎、丹参、当归、党参、麦冬、枳壳、金银花、连翘、杜仲、牡丹皮、益母草、鱼腥草、桂枝、木通、枇杷叶、大黄、怀牛膝、熟地黄、山楂、五味子、穿心莲、蒲公英及大青叶,虽然这些中药固废含糖组分不够,不适合制糖,但木质纤维素组分含量高,更适合用于固态发酵制备饲料或肥料;区域③内的中药种类无明显变化,只含人参须及独活2种中药固废,虽然它们的木质纤维素含量有所提高,但仍不适合制糖,可以用于制备生物炭;区域④内的中药由原来11种减少至3种,减少部分转至区域②,3种中药分别是桔梗、决明子及红花,由于它们的木质纤维素含量太低,不适合进一步利用,建议焚烧处理。

从类别角度分析,根茎类中药固废中木质纤维素含量超过50%的有19种,有效糖比率超过4的有13种,共21种中药可用于制糖,同类占比95.45%。叶花草果类有效糖比率均低于4,总体适合固态发酵。

综上可知,通过中药固废的聚类分析可以指导中药企业根据相关原则进行初步分类,便于后续生物质的加工利用,能在一定程度上指导企业有序排放中药固废,以便高值化利用这些生物质资源。