麻竹的加工利用研究進展

程 琳,李立杰,黃開勇,藍 肖,戴 俊,黃大勇

(廣西壯族自治區林業科學研究院,廣西南寧 530002)

麻竹(DendrocalamuslatiflorusMunro)是禾本科(Poaceae)牡竹屬(Dendrocalamus)的合軸型叢生竹,具有生長快速、材質優良,竹筍肥嫩、味美,竹型優美等特點,在建筑、食品、造紙、園林、醫療保健、工藝等領域應用廣泛[1-2]。根據第九次全國森林資源調查得出,我國竹類植物面積超640萬hm2,占全國森林面積的2.94%,被稱為“竹子王國”[3-4]。我國竹面積接近世界竹面積的1/4[5],種類和產量均在世界首位,且竹材加工產業發展迅猛,帶動了世界竹產業的發展。

20世紀80年代開始,我國竹產業發展迅速,形成了由竹子栽培、產業開發、商貿交易為主體的新型體系,是林業發展四大朝陽產業之一,被賦予厚望[6]。21世紀以來,我國竹產業得到了快速發展,竹產業也面臨著新的挑戰和機會。而麻竹作為我國南方重要的筍材兩用的樹種,竹漿性能優于闊葉樹種,竹筍產量遠高于毛竹,其經濟價值和作用越來越被人們看好,在我國林業發展中占有重要地位。目前我國竹資源利用率普遍不足55%[7],因此,加快對麻竹加工利用的全面探索,能夠促進我國麻竹產業化、工業化發展,進而豐富和美化人們的生活。

1 麻竹的自然分布和生物學特性

1.1 麻竹的自然分布國外麻竹主要分布在越南、緬甸等國家,國內麻竹主要分布范圍為浙江、福建、廣西、廣東、貴州、臺灣、云南、四川和海南等省(區)[8-9]。麻竹多分布于橫斷山脈南側,喜溫暖濕潤氣候,國內水平分布在25 °N以南,垂直天然分布區海拔50～1 000 m,一般分布在600 m以下;年均氣溫16～26 ℃,極端高溫和低溫分別是30和-3 ℃,年降雨量高于1 300 mm[10]。

1.2 麻竹的生物學特性麻竹,株高和胸徑分別為20 m和15 cm,節間長度為45 cm,幼稈被白粉、無毛,主枝明顯;籜鞘厚革質,籜耳長5 mm,葉片寬厚。花枝大型,無葉或上方具葉,小穗卵形,長1.2 cm;成熟時呈紅紫色或暗紫色,著6～8朵小花,花藥黃綠色[11]。麻竹具有開花周期長,經常零星開花的特性,結果率不高[12-13];麻竹種子不易獲取,主要通過無性繁殖進行栽培,繁殖再生能力強[14]。麻竹花粉活力低且儲藏難度大,不利于植物的離體培養[15]。鐘遠標等[16]通過花粉試驗得出,麻竹花粉萌發率高于50%,柱頭可授性可維持5 d,麻竹結實率與花粉活力、柱頭可授性的相關性有待于進一步研究和探討。

2 竹材的加工利用

麻竹是優良的速生樹種,竹材加工產值高、見效快,且應用廣泛,目前世界各產竹大國對竹材利用十分看重。我國對竹材加工的重視程度日益增加,市場對竹材的需求量也日漸增多,相關加工企業的數量也不斷上升。

2.1 造紙我國是全球造紙業生產和進口大國,2016—2021年木漿產量均超過7 000萬t/a,進口木漿量1 000萬t/a[17]。我國每年收集6 000萬t干竹材用于生產紙漿[18]。我國竹子造紙的歷史始于1 700多年前的東晉,20世紀40年代開始生產機制竹漿紙,麻竹材纖維素含量高于毛竹,生物量是毛竹的7～10倍[19],麻竹的竹漿性能優于闊葉樹種和禾本科草本植物[20]。李權等[21]研究得出,2年生麻竹竹壁纖維長度大小依次為中層>外層>內層,竹壁纖維長寬比大小分別是內層>中層>外層;麻竹纖維屬于長纖維,宜于造紙,應多加開發利用,提高市場競爭力。實際生產中,麻竹纖維很少用于造紙,因為麻竹纖維相比于硬頭黃、慈竹、梁山慈竹、孝順竹等竹種稍差一些,增加了企業用麻竹造紙的生產成本。未來,可通過遺傳改良選育出纖維造紙優良的麻竹竹種,為我國造紙產業提供優良原材料。

2.2 人造板竹材人造板具有韌性好、硬度高的優勢,是優良的工程機構材料,相關研究始于20世紀70年代,在我國發展潛力大[22-23]。竹材人造板具有耐磨性強、材質緊密、抗壓性強、抗彎性好,板材結構一致度高等特點,是建筑、家具、辦公、運輸用品的重要制造材料[24]。王健等[25]研究發現,不同方位麻竹的物理和力學特性并無顯著差異,1.5林齡麻竹的密度及抗壓強度高于0.5林齡,但順紋抗剪強度低于0.5林齡。尤龍杰等[26]對不同林齡麻竹材的物理性質、力學特性及燃燒性能進行了相關性分析,研究得知,林齡顯著影響了麻竹的氣干密度和抗彎強度,可通過麻竹氣干密度準確預測相關力學特性和燃燒性能。麻竹是制作竹纖維板的適宜竹種,竹材產量高于毛竹,為人造板產業提供寶貴的生產資源。

2.3 工藝品麻竹的用途很廣泛,除了工業等領域,還可制成工藝品、日用品、家具等。竹子經過鋸割、拋光、刨削、砂磨、雕刻、編制等程序可加工成多種生活用竹制品和藝術品,竹藝品一般帶有宣揚回歸自然、熱愛自然的構想[27-29]。藝術品包括樂器、竹編工藝品、竹雕刻、竹家具等[30]。傳統少數民族的竹樂器也是具有地方特色和竹精神文明的集合,常見的有竹笛、蘆笙、葫蘆絲等,葫蘆絲是云南有名的民族樂器,蘆笙歷史悠久,多見于云南、重慶、湖南、四川、廣西等省(區)[31-32]。竹編工藝品和竹制家具做工精良,增加了竹子的附加值。

3 竹筍的加工利用

麻竹筍具有味道清甜、產量高的特點,富含18種氨基酸、礦質元素、碳水化合物等營養成分[33],有減肥、健胃、降血壓的功能[34],是綠色保健佳品,被譽為“素食第一品”。我國竹筍年均需求量200萬t左右,市場需求很大[35]。充足的光照、水分和溫度,是保障竹筍質量的重要因子[36]。產筍時間為每年5—11月,鮮筍供應時間長,竹筍采摘時間宜為生長期(5—7月上旬)和快速生長期(7—9月中旬)[37],該時期竹筍的口感最佳,可保障竹筍的口感和質量。麻竹筍是我國筍產量最高的竹品種之一,體長和直徑分別是80 cm和20 cm,營養價值高,是健康綠色食品[38]。竹筍可加工成鮮筍、酸筍、筍干等食品[39],發展前景廣闊。新鮮竹筍經過發酵后可形成酸筍,酸筍清脆爽口,富含有機酸、蛋白質和膳食纖維,具有促進腸胃健康、解暑消熱等功效。酸筍具有濃郁的地方特色,桂味酸筍源于廣西柳州且歷史悠久,是制作特色食品螺螄粉、桂林米粉、老友粉的重要原料之一。麻竹制成的酸筍是“三個百億”大產業——柳州螺螄粉產業的重要原材料之一,為促進產業全球化、規模化提供了優良原材料。

4 林副產品的加工利用

我國全面建設資源節約型、環境友好型社會,因此,為盡力達到資源零剩余,深化、優化竹資源多元化利用迫在眉睫,也是未來產業發展的熱點和研究方向。

4.1 竹材廢屑和邊角料的利用竹產品加工會產生很多加工剩余物,對居民生活和生態環境造成了不良影響。在竹材膠合板加工中,竹材利用率低于40%[40];竹筍的利用率也未超過30%,原竹利用率低于12%[41],我國從20世紀80年代起就開始了加工廢棄物利用的研究,現已取得一定成效。

4.1.1復合材料。竹塑復合材料(BPC)是一種以竹為主要原料開發的新型材料,可應用于工業、工程等各方面。郭紅軍[42]將竹材廢木屑和聚乙烯按一定比例混合,加入表面活性劑后,經過高溫和預處理加工制成了多種新型復合材料;薛一帆等[43]以竹粉和聚乳酸為原料,制成竹塑復合材料;趙瑨云等[44]采用竹纖維和聚丙烯為原料,添入助劑后通過壓出造粒加工制成竹粉/聚丙烯阻燃復合材料,為防火生產生活提供安全保障。麻竹在復合材料的研究還有待于進一步深入和拓展。

4.1.2生物質燃料。生物質燃料CO2排放量接近零,是一種環保的清潔能源,也是全球唯一可再生有機碳源,國家能源局在“十三五”階段提出,國內生物質燃料發展計劃從800萬t(2015年)增加至3 000萬t(2020年)[45]。相較于煤炭等常規燃料,生物質燃料具有污染小、成本低等優點,保障國家能源安全,應用于發電、供熱等領域。木質素纖維素是全球生物質能源原料研究的主要方向[46]。

麻竹廢棄物含有大量木質纖維素及蛋白質、糖類、脂質、氨基酸、礦物質等營養成分,是生產生物質燃料的優質原料,有很高的開發價值[47]。麻竹廢棄物經過熱解可獲得竹炭或氣體、液體燃料,麻竹燃燒過程中灰塵排放量很低,原料價格約是燃油的20%[48],既可用作農業燃料,又可用于工業制造,是一種綠色清潔燃料,為生物質燃料發展提供大量的可利用資源。竹廢棄物通過3種方式生成生物質燃料:一是固態燃料,二是裂解生物油,三是熱解燃氣,固態燃料的原料以農林廢棄物為主。竹廢棄物生成生物質燃料工藝得到了進一步完善和提升,部分產業已實現規模化。麻竹廢棄物在PEG400和乙烯催化、硫酸液化下生成以多元醇為主的液化產物[49]。近年,我國竹廢棄物加工成生物質燃料的研究有了長足進步,未來,生物質燃料也會大范圍出現在各個領域中。

4.1.3竹醋液、竹炭、竹纖維。竹醋液是竹材碳化產生的煙霧經冷凝等過程獲得的淡黃色液體產物,含200多種有機成分,有抑菌、抗氧化、延緩衰老、促進植物生長的作用,可生產抗菌生物板、消毒劑、保鮮劑、除菌劑、除臭劑、植物生根劑等產品[50]。竹炭具有很好的吸附、抗菌功能,可用于服飾、紡織及化妝品行業[51-52]。劉文芳等[53]研究發現,竹炭紅外吸收峰波長就落在對人體非常有益的遠紅外波長范圍內,說明竹炭對人體健康有益。竹材剩余物裂解后可得到竹醋液和竹炭,獲得率分別是30%和20%[54]。利用麻竹材剩余物和邊角料來提取木醋液,不僅可以降低生產成本,而且可以防止污染,具有很高的生態價值和經濟開發潛力。

4.1.4醫藥品。氨基酸、抗真菌蛋白、可溶性硅、綠色防腐劑等化合物可從竹廢棄物中提取而來,廣泛應用于醫療、保健等領域。竹廢棄物內含大量聚戊糖,較難提取,隨著加工工藝的不斷改進和提升,如今可以通過堿性過氧化氫機械處理-破碎-水解-蒸煮硫酸法[55]除去90%以上的木質素,分解出77%木聚糖[56]。目前,針對麻竹醫藥價值的研究還不夠深入,有待于進一步的發掘和開發。

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],受到市場和人們的廣泛喜愛。竹剩余物內含豐富蛋白質、淀粉、礦質元素等養分,是非常好的栽培食用菌的原料,目前培育技術完善,生產出香菇、金針菇、靈芝、竹蓀、木耳等食用菌。利用竹剩余物栽培食用菌,不僅降低生產成本,還可緩解培育原料緊缺的情況。呂玉奎等[58]采用麻竹葉、枝條等竹廢棄物培養竹蓀,年均產值達750 kg/hm2。麻竹廢棄物在林下經自然發酵可生成優良有機肥,栽培食用菌的廢料晾干粉碎后也可作為家禽和草木的飼料和廢料,可實現循環利用。

4.2 葉的利用麻竹葉片具有很高的藥用和食用價值,還可用于斗笠、蓑衣、粽子外衣等的制作,在醫療、護膚品、保健品等方面也有很大的市場潛力。目前麻竹葉片開發利用程度還不是很充分。丟棄、燃燒是較為常見的葉片處理方式,浪費資源的同時,也污染了環境。因此,深化竹葉研究,開拓竹葉利用渠道對竹產業發展極具經濟和生態意義。

竹葉內富含多糖、黃酮、礦質元素、揮發油等活性成分;竹葉中多糖具有抗癌、平衡機體免疫力等功效,黃酮具有防止心腦血管疾病等功效,目前應用很少,是因為葉片分離技術還有待于進一步深化[59-60]。潘文慧等[61]采用DEAE-52纖維素柱和SephadexG-200凝膠柱等方法對麻竹葉多糖進行了分離純化。唐浩國等[62]從麻竹葉片中分離出了4種黃酮化合物。麻竹葉片提取物可作為較好的植物型緩蝕劑,對金屬保存具有重要現實意義。付惠等[63]對麻竹葉在鹽酸、硫酸、磷酸等酸性介質中緩蝕作用進行探討,發現對冷軋鋼的緩蝕作用效果好,緩蝕率均超過75%;其中,在鹽酸中緩蝕效果最好,達到92%。劉建祥等[64]研究了麻竹葉提取物在不同鹽酸濃度、緩蝕劑濃度、反應時間和反應溫度復合作用下對鋁制品的緩蝕作用,效果良好,采用最佳組合緩蝕率可達到64%,拓寬了麻竹葉片的利用領域。

4.3 筍殼的利用膳食纖維常被稱為“第七營養素”,具有很好的調節血糖、減肥瘦身、降低血壓等醫療功能。筍殼內富含總膳食纖維,占比為55%～80%,明顯高于小麥麩、花生殼等常見膳食纖維原料[65];麻竹筍殼占筍質量的50%以上,是竹副產品加工產業重要的原料之一。麻竹筍殼被打碎后在林下自然發酵,或加入微生物發酵菌劑后堆放發酵,可獲得筍殼有機或有機無機混合肥,施用效果好。同時,麻竹筍殼還可作為食用菌的培養基原料,培養結束后菌棒也可為竹子栽培提供養分,產筍量提高30%以上[66]。筍殼加工前應將剝落的筍殼曬至足干,貯放在通風干燥處,麻竹筍殼青貯過程中加入0.5%尿素,可有效延長筍殼發酵后的貯藏時間,改善飼料的適口性[67]。福建、浙江等地也以筍殼為原料制成膳食纖維,用于工業和食品加工。

5 問題與對策

麻竹加工產業發展勢頭迅猛,創造了很好的經濟和生態效益,也存在一些問題,歸納為3個方面。

5.1 竹原材料儲存和利用率我國現在是原料進口大國,資源緊缺情況還會持續很長一段時間,加之我國2017年實行停止天然林商業采伐,竹資源供需矛盾日益增加,提高竹材利用率變得十分迫切。麻竹主要以天然林或人工林分布,天然林的經濟價值始于加工廠房、設備投資等生產成本,人工林的利用價值來源于種植和產品加工生產成本,投入產出比和安全性是企業必然認真考慮的現實問題;麻竹竹青(外層)含豐富硅質,竹黃(內層)有保護性纖維,是建筑、家具、紙漿、雕刻的重要原料,但其防腐、防蟲、防霉性不高,導致竹材及加工物品難以長期保存,是急需解決的技術難題[68]。原竹利用率不高也是限制竹材加工產業精深發展的重要因素,未來應不斷強化麻竹的良種選育與推廣示范,提升竹資源培育及竹加工利用率,為竹產業升級提供種質和科學保障。

5.2 竹資源工業化設備及渠道從工業利用的規模化和產業化來看,目前我國木材加工資源利用和回收渠道不夠多元化,特別是加工剩余物回收利用體系還不夠完善,缺少成熟的產業理論依據和經營管理制度;未來要加強有關部門對產業的集約化規范,以緩解回收規模小、產業組織率不高的緊張局面[69]。同時加強專業機械設備功能和效能的研發,特別是對減少機器運行耗能、延長使用時間及豐富產品種類等方面做進一步研究,從而降低工業生產成本,提高市場競爭力。

5.3 竹加工技術和扶持政策專業的技術和人才團隊一直是企業不斷發展壯大的原動力,麻竹剩余物回收利用缺乏相關動力,而且部分企業對利用技術并未完全掌握,一些產業也缺少科學的執行標準和嚴格的監督措施。麻竹紙漿和人造板加工并未完全擁有專業科學的理論、實踐指導,經營管理方面也存在粗放實施的問題,導致原材料利用率低及產業化程度不高的現象。對生物質燃料成型過程中分子間結合機理進行研究,發現原料木質素介于臨界值以下時,固體顆粒間作用力隨木質素含量升高而變強,顆粒物理性能越好[70],也是我國麻竹可以深入研究的方向。麻竹人造板甲醛含量始終是市場關注的焦點,竹醋液及竹炭在生產過程中也會產生二氧化硫等有害氣體,一方面要不斷優化零污染的制造工藝,另一方面也要多研究天然綠色膠黏劑和有害氣體再利用技術[71]。界面相容性是目前竹塑復合材料急需解決的技術問題[72],應進一步開展相關研究進行難題攻關,以促進注塑復合產業深化發展。未來可對加工企業進行適當的減免政策或政府補貼,協助建立科學的利用體系,增強麻竹良種的推廣和示范,在獲得經濟利益的同時,兼顧生態效益,謀求企業科學化、多元化、生態化、高效化的可持續健康發展。

6 小結

麻竹通身是寶,具有很高的經濟、生態、園林和醫藥價值。21世紀以來,隨著我國經濟進入新常態高速發展,市場對竹材和竹筍的需求量持續走高,也帶動相關產業進一步發展。同時,麻竹具有很好的園林綠化效果,四季常青,可栽于街道兩旁、住宅庭院。在一些旅游地區,可進行合理的修剪,給人以美的視覺享受,使人的生理和心理得到充分放松[73-74]。目前,國內在麻竹種質收集、保存及利用方面形成了較為完善的產業鏈;未來,麻竹加工利用應針對市場進行多元化升級,力求融合更多領域;并促進麻竹加工產業的進一步優化升級,提升產品核心競爭力和品牌影響力,這對加速竹產業和林業發展具有重要的現實意義。