基于木塑產品開發的中藥固體廢棄物資源化利用研究△

嚴輝，張森，陳佩東，郭盛，江曙，郝國強，段金廒*

(1.南京中醫藥大學 江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心/國家中醫藥管理局中藥資源循環利用重點研究室/國家中藥材產業技術體系鹽城綜合試驗站，江蘇 南京 210023；2.江蘇華天天旺木塑科技有限公司，江蘇 南京 211804)

·專題·

基于木塑產品開發的中藥固體廢棄物資源化利用研究△

嚴輝1，張森1，陳佩東1，郭盛1，江曙1，郝國強2，段金廒1*

(1.南京中醫藥大學 江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心/國家中醫藥管理局中藥資源循環利用重點研究室/國家中藥材產業技術體系鹽城綜合試驗站，江蘇 南京 210023；2.江蘇華天天旺木塑科技有限公司，江蘇 南京 211804)

本研究根據中藥材固體廢棄物產生的理化特點，提出將中藥固體廢棄物開發成木塑產品的研究思路。從中藥廢棄物物質多樣的角度展望了其在抑菌性木塑產品研發方面的應用前景，并以黃蜀葵廢棄物為例，探討了中藥固體廢棄物作為木塑原料應用的策略，從而為進一步拓寬中藥材固體廢棄物的綜合利用提供有效的參考依據。

中藥固體廢棄物；木塑復合材料；抑菌成分；資源化利用

據統計，我國每年中藥材生產及深加工過程中產生的非藥用部位及藥渣等固體廢棄物生物量達數千萬噸[1]。由于中藥固體廢棄物來源多樣、性質各異，目前最主要用途集中在生產有機肥料、菌物基質，或者作為生物質燃料。此外，多數固體廢棄物作為垃圾填埋或焚燒，除占用大量土地資源外，處置過程中還會對大氣及地下水源造成一定程度的污染[2]。因此，如何有效利用、減少對環境的污染成為迫在眉睫且急需解決的關鍵問題。

木塑復合材料(wood-plastic composite，WPC)是利用各種廢棄的植物纖維與回收再生塑料通過復合、共混、改性工藝技術而制造的一種新興的環境友好復合材料[3]。其既具有木質纖維材料的高強度和高彈性，又具有塑料的高韌性和耐疲勞等優點[4]，更具有綠色環保、可循環利用的優勢。WPC生產過程中不使用含有甲醛、苯等有害物質的膠水作為黏合劑；同時，還可像廢鋼的回收冶煉一樣重復使用，符合國家建設綠色節能型經濟和可循環經濟的基本要求，具有較好的市場應用前景[5]。

中藥固體廢棄物一般具有和傳統木塑原料(如楊木等)類似的植物纖維，只要經過干燥、粉碎等簡單工藝，多數都可作為優良而低價的木塑產品原料，具有廣闊的市場應用潛力和前景。因木塑產品常應用于室外，長期存在于潮濕環境，容易被細菌、霉菌及木腐真菌侵染。而中藥固體廢棄物成分復雜多樣，其中部分品種尚富含天然抑菌物質，因此，從中藥廢棄物中開發木塑產品，尤其是具有防霉抑菌等功能的木塑產品，對循環利用巨量的中藥固體廢棄物、保護環境具有重要的社會意義和經濟價值。本文對以中藥固體廢棄物為原料開發木塑產品的策略進行探討，以期為進一步拓寬中藥固體廢棄物的資源化利用提供支撐。

1 木塑復合材料的性質特征及其工藝概況

1.1 木塑簡介及其性質特征

木塑復合材料目前主要是采用木材加工剩余物、森林撫育剩余物、廢舊木材、農作物秸稈等木質纖維材料和廢舊熱塑性塑料為主要原料，通過擠出、壓制等成型方式形成的復合材料。目前WPC被廣泛用于建筑領域的門窗、頂板、模板、地板、屋面板、隔板等[6]。

我國對木塑材料的研究自20世紀80年代開始，雖起步較晚，但發展較快，現已成為木塑產品的第一生產大國。近年來，有學者嘗試將蘆葦等材料應用作為木塑原料，以擴大其應用范圍[7]。從國內木塑行業發展趨勢來看，木塑復合材料未來的發展方向是實現原料多樣化、設備工藝專業化、產品高檔化，選擇量大、廉價、功能性原料，將是提升木塑產品競爭力的有效途徑[8]。

1.2 木塑生產工藝簡介

木塑復合材料的擠出工藝有模壓成型工藝、注射成型工藝和擠出成型工藝這3種制備工藝[9]。

模壓成型工藝：熱壓成型是塑料加工業中簡單、普遍之加工方法，主要是利用加熱加工模具后，注入試料，以壓力將模型固定于加熱板，控制試料之熔融溫度及時間，以達融化后硬化、冷卻，再予以取出模型成品即可。

注射成型工藝：將固態的塑膠按照一定的熔點融化，通過注射機器的壓力，用一定的速度注入模具內，模具通過水道冷卻將塑膠固化而得到與設計模腔一樣的產品。

優化擠出工藝：目前在國內應用最為廣泛。本課題組前期研究就是基于擠出成型工藝進行樣品制備，使原料受熱塑化，邊被螺桿向前推送，連續通過機頭而制成各種截面制品或半制品的一種加工方法。并向其中添加潤滑劑和抗氧化劑，添加的潤滑劑有內潤滑劑(EBS)和外潤滑劑(硬脂酸)，內潤滑劑的作用是使植物纖維與塑料的摩擦速度和物料與機器的摩擦速度相等；否則會導致產品撕裂，因為速度不一致會導致不同密度的物體分布不均勻。

2 中藥固體廢棄物類型特點及其制備木塑材料的適宜性分析

中藥固體廢棄物是指在中藥材及中藥飲片生產過程、中藥提取物制備過程或中藥配方顆粒生產過程，以及以消耗中藥及天然藥用生物資源為特征的資源性產品制造過程中產生的未被開發利用的中藥資源生物體廢棄組織器官、未被利用的可利用物質以及中藥廢渣等[2]。不同來源固體廢棄物其性質、特點、產生時間、生物量等各不相同[10-12]，其適宜于制備木塑材料的理化特性差異較大。

2.1 藥材田間管理過程中產生的中藥固體廢棄物

藥用植物在田間管理中存在大量未被有效利用的組織器官。如：柑橘屬(CitrusL.)多種藥用植物在生長過程中會產生大量的落花、落果等；忍冬屬(LoniceraL.)植物、五味子屬(SchisandraMichx.)植物，連翹Forsythiasuspensa(Thunb.)Vahl等藤本或木本藥用植物規范化栽培生產過程中需在冬春兩季采取疏枝、打頂等管理措施產生大量的廢棄枝條等。其中，多年生木本類藥材修剪下的廢棄部位纖維素、木質素含量較高，且其容重可達0.55～0.9 g·cm-3，如忍冬莖為0.67 g·cm-3，較適宜作為木塑原料。見表1。

2.2 藥材采收過程中產生的固體廢棄物

采收過程中產生的固體廢棄物是指在采收藥材過程中廢棄的傳統“非藥用部位”。例如：菊ChrysanthemummorifoliumRamat.在采摘花蕾或開放的頭狀花序時其株高可達60～100 cm左右，廢棄的植株生物產量約是花序產量的5～6倍。這其中因連作障礙而不能連作的花類藥材如菊花、黃蜀葵花，每年其根、莖等廢棄生物量較大。前期檢測結果顯示，多數草本類藥材廢棄部位的容重在0.3～0.7 g·cm-3，如菊莖稈為0.59 g·cm-3，丹參莖為0.57 g·cm-3，決明莖稈為0.42 g·cm-3。因此，該類材料在制備木塑原料時尚需采用改性的方法使其容重接近于PE粒子，以保證產品質量。見表2。

2.3 藥材產地加工及飲片生產過程中產生的固體廢棄物

藥材產地加工及飲片生產過程中產生大量的廢棄物，主要是凈制過程中產生的根頭、尾梢、栓皮、果核等“下腳料”及破碎組織、碎屑粉渣等廢棄物，這其中尤以樹皮類藥材剩余的木質部、種子類藥材的皮殼等較適宜作為木塑原料應用。見表3。

2.4 中藥制藥過程中產生的固體廢棄物

中成藥制藥、中藥配方顆粒提取等中藥制藥過程中經提取后剩余大量的固體廢棄物，這其中中成藥提取往往采用多味中藥投料進行提取，其來源更為復雜，性質差異大；中藥配方顆粒提取一般單味藥投料，來源單一，性質穩定，更適宜進行開發。中藥制藥過程中產生的固體廢棄物在產生時間上主要由生產計劃決定，不受生長季節限制，其廢棄資源量更為穩定、可控。此外，部分中藥提取后形成的藥渣，由于受高溫蒸煮導致物理結構改變，其容重增加，如丹參配方顆粒藥渣容重為0.75 g·cm-3，為較適宜的木塑原料。

表1 田間管理過程中產生的中藥固體廢棄物

表2 采收過程中產生的中藥固體廢棄物

表3 產地加工及飲片生產過程中產生的中藥固體廢棄物

3 天然植物資源抑菌功能及其制備木塑材料的適宜性分析

當前市場上木塑產品多添加銀離子制劑作為防腐劑，生產成本較高。天然抑菌物質普遍存在于植物中，隨著研究不斷深入,越來越多抗菌、抑菌活性成分被發現。目前已報道具有抑菌活性的天然植物約5000余種[13]。大量文獻報道，中藥除了具有抗病原微生物的作用，對其他類型的微生物也有抑制作用。如果利用中藥廢棄物能有效抑菌的性能,將其應用于木塑產品,作為木塑的原料,既可減少木材的砍伐，解決中藥廢棄物的利用與處置問題,還能減少化學防腐劑的應用,降低成本，這對實現中藥固體廢棄物的資源化利用具有十分重要的意義。

目前，從有抑菌活性的植物中分離的抑菌物質主要有生物堿、有機酸、揮發油、多酚、皂苷、萜類、黃酮、多糖等[13]。受其原料(木粉、竹粉等)影響，木塑產品易受侵染的菌類主要有曲霉屬、腐霉屬、木霉屬、綠木霉屬等[14]。目前國內外從事天然植物資源抑菌研究的文獻多數集中在對細菌的抑菌能力研究，如王航等[15]研究表明苦參有效抑菌成分主要為生物堿、黃酮類物質和酚類物質。馮俊濤等[16]曾對苦豆子等西北地區的187種植物進行了殺菌活性初步篩選，結果表明苦豆子丙酮提取物對多種植物病原菌有較高的抑菌活性。有關銀杏活性成分的研究認為，銀杏外種皮中的銀杏酚酸類物質具有較好的抑菌活性，銀杏種仁中的銀杏蛋白、酚酸等具有抑菌活性[17-18]。對霉菌、真菌抑制作用考察的報道較少，因此在做抑菌性能考察時，應注意選擇相應的菌種進行微生物實驗[19]。

4 基于木塑產品研發的中藥固體廢棄物資源化實踐

本課題組前期選取了黃蜀葵Abelmoschusmanihot(L.)Medic.根莖廢棄物，采用擠出成型的方法進行了工藝研究，并對樣品的相關參數進行了檢測，為以木塑產品實現中藥固體廢棄物資源化利用提供依據[20]。

4.1 黃蜀葵根莖為原料的木塑地板生產實踐

將黃蜀葵莖桿加工成細度60～80目、水分含量5%的黃蜀葵莖桿粉末，然后按照黃蜀葵粉末添加適量馬來酸酐接枝，與廢舊塑料粒子以1∶1的比例進行混料，充分攪拌至均勻。攪拌過后，將按照不同比例的物料加入到單螺桿擠出機中，同時向其中加入潤滑劑(硬脂酸)，混料的溫度為150～160 ℃，再經過造粒、擠出、成型、砂光和壓花等步驟，制得木塑產品。

將制成的樣品，依據中華人民共和國木塑材料國家標準[21]進行性能檢測，結果見表4。

檢測結果顯示，由黃蜀葵莖桿粉末制得的木塑材料其外觀正常，無開裂、鼓泡、虧料痕跡、非工藝性凹凸不平、邊角缺損，握釘力符合國家標準要求，表明黃蜀葵莖桿可作為適宜的木塑原料。

4.2 以中藥廢棄物為原料的木塑產品產業化開發思路

對中藥固體廢棄物的處置和利用，應充分考慮其來源廣泛、性質多樣、生物儲量巨大的特點，以處置成本低廉、加工方法成熟、處置量大為考察重點。以制備木塑產品為抓手，借助其相對簡單的處理和加工方法，可實現對中藥固體廢棄物的大量處置，尤其是利用其天然抑菌成分豐富多樣的特點，未來可形成具有一定技術成果和成本優勢的系列新型功能型木塑產品(見圖1)。

表4 木塑樣品檢查項目(n=3)

圖1 以中藥固體廢棄物為原料的木塑產品產業化策略

但由于中藥固體廢棄物的性質差異較大，如要擴大其應用，結合其實踐需求，必須要在原料粉碎、改性、制粒等物理轉化方面加大研究進度。主要包括：1)改變結構增加容重；2)增加原料在塑料中的相容性和分散性而獲得適塑性；3)通過對性質各異的原料進行質量控制；4)適宜于中藥固體廢棄物物料特性的木塑材料生產設備改進。

5 結語

中藥固體廢棄物經物理轉化生產木塑產品，對于減少農村農業廢棄物面源污染、減輕制藥企業廢棄物排放處理壓力、提高中藥廢棄物的資源化利用能力等方面均具有重要意義和廣闊的發展前景。但中藥固體廢棄物的物理轉化利用研究仍處于起步階段，有關中藥固體廢棄物的物料特性相關基礎數據庫缺失，其物理轉化規律尚缺乏系統研究，適宜于中藥固體廢棄物理化特性的物理轉化工藝及現代化加工設備匱乏，作為其原料的不同類型中藥固體廢棄物在收儲、加工、管理等方面的配套政策措施尚不完備。但是，伴隨著國家關于固體廢棄物處置標準的正式實施，尤其是新時期對環境保護問題的日益重視，在政府、社會、科研機構及中藥產業界共同努力下，木塑產品開發將會為實現中藥固體廢棄物的資源化開辟一條有效的路徑。

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ResearchonResourceUtilizationofChineseMedicinalMaterialsSolidWasteBasedonFunctionalWood-plasticProducts

YANHui1，ZHANGSen1，CHENPeidong1，GUOSheng1，JIANGShu1，HAOGuoqiang2，DUANJin’ao1*

(1.JiangsuCollaborativeInnovationCenterofChineseMedicinalResourcesIndustrialization，StateAdministrationofTraditionalChineseMedicineKeyLaboratoryofChineseMedicinalResourcesRecyclingUtilization，NationalandYanchengComprehensiveTestStationofChinaAgricultureResearchSystem，NanjingUniversityofChineseMedicine，Nanjing210023，China；2.JiangsuHuaTianTianWangWoodPlasticTechnologyCo.，Ltd.，Nanjing211804，China)

According to the physical and chemical characteristics of solid waste of Chinese herbal medicine，this paper puts forward the research idea of developing Chinese herbal solid waste into wood-plastic composite.From the point of view of the material diversity of traditional Chinese medicine，the prospect of its application in the research and development of antibacterial wood-plastic products is prospected，and taking waste ofAbelmoschusmanihotas an example，the application strategy of solid waste of traditional Chinese medicine as wood-plastic material is discussed，which provides an effective reference for further broadening the comprehensive utilization of the Solid Waste.

Solid waste of Chinese medicinal materials；wood-plastic composite；antimicrobial substance；resource utilization

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.12.004

江蘇高校中藥資源產業化過程協同創新中心建設專項(ZDXM-3-24)；公益性行業科研專項(201407002)；江蘇省高校中藥學優勢學科Ⅱ期建設項目(2014-ysxk)；現代農業產業技術體系建設專項(CARS-21)

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段金廒，教授，博士生導師，中國自然資源學會中藥及天然藥物資源研究專業委員會主任委員，中國中藥協會中藥資源循環利用專業委員會主任委員，研究方向：中藥資源化學與資源循環利用；Tel：(025)85811291，E-mail：dja@njucm.edu.cn

2017-12-10)