基于構建集約環保型社會的天然植物化工的研究進展

宋 航，姚 舜，李新瑩，楊瑩瑩，賈春梅

（四川大學制藥與生物工程系，四川 成都 610065）

特約評述

基于構建集約環保型社會的天然植物化工的研究進展

宋 航，姚 舜，李新瑩，楊瑩瑩，賈春梅

（四川大學制藥與生物工程系，四川 成都 610065）

綜述了目前天然植物化工主要領域的國內外產業規模、產品開發方向、市場現狀與技術水平；總結歸納了本領域存在的主要問題并有針對性地重點介紹了與天然植物資源綜合利用、循環使用、高效/綠色/低碳開發模式直接相關的若干新思路、新工藝與關鍵技術；同時結合作者所在課題組在以上領域近年來的一系列研究進展與主要成果，對于幾種存在較為廣泛的天然植物資源提出了多種開發方案并進行了技術與經濟等多方面的比較，最終提出了相關的思考與見解。結合國家制定的工業發展戰略與目標，對于天然植物化工發展方向和策略進行了分析和展望。

天然植物化工；集約環保；綜合利用

Abstract：This article first presents the domestic and international industry scale，direction of product exploitation，current situation and technology in the area of natural plant product industry. Then the article sums up the main problems of the field and puts forward some strategies to resolve these problems，such as comprehensive and recyclable utilization of natural plant resource，adoption of efficient/green/low carbon mode strategy，and so on. Furthermore，some thoughts about building intensive and environmentally friendly approach to the development of natural plant industry based on the achievements of our group are presented. Finally，the article also covers the development and prospect of natural plant chemical industry according to national policy.

Key words：natural plant chemical industry；intensive and environmentally friendly approach；comprehensive utilization

20世紀中葉，科學與技術在全球范圍內進入了一個飛速發展的時期。與此同時，越來越引起人類擔憂的是全球資源的掠奪性開發和伴隨工業化發展而產生的大量“三廢”排放，這些對人類的生存環境造成了嚴重的破壞。由于環境的污染和生態平衡的失調，對生命和健康造成了極大的威脅，人們越來越清楚地認識到保護環境的重要性。2008年由第十一屆全國人大常委會第四次會議審議通過并于2009年1月1日起正式實施了《中華人民共和國循環經濟促進法》。該法案的頒布實施，對貫徹落實科學發展觀，提高資源利用效率，保護生態環境，推動經濟發展方式根本性轉變，加快建設資源節約型和環境友好型社會，具有重要的意義。利用化學原理從源頭上消除環境污染，研發綠色化工技術以及對可再生資源進行系統、全面的開發利用勢在必行。

綠色化工主要包括可生物降解材料和可再生資源的利用，其最大特點在于它是在始端就采用實現污染預防的科學手段，因而過程和終端均為零排放和零污染。可再生資源主要是植物/農作物基（或者統稱生物基）資源，即農作物、林產品、食品、飼料、纖維加工副產物。它們可以通過一年生的作物和樹種，多年生植物和短期輪作樹種等在較短時間內再生。植物/農作物基可再生資源當前所用的大部分為碳水化合物、木質素和植物油，或植物的新陳代謝產物，因此可再生資源也是可生物降解材料的最佳材料。

本文作者首先以天然藥物、香料、色素、油料、纖維素資源為例，分別從國內外產業規模、產品開發方向、市場現狀與技術水平等方面對這些領域的研究現狀進行了概述，同時總結歸納了本領域存在的主要問題并有針對性地重點介紹了與天然植物資源綜合利用、循環使用、高效/綠色/低碳開發模式直接相關的若干新思路、新工藝與關鍵技術。同時結合作者在以上領域近年來的一系列研究進展與主要成果，對于幾種存在較為廣泛的天然植物資源提出了多種開發方案并進行了技術與經濟等多方面的比較，提出了相關的思考與見解。結合國家制定的工業發展戰略與目標，對于天然植物化工發展方向和策略進行了分析和展望。

1 天然植物化工研究現狀

1.1 天然藥用成分

近年來，由于抗菌素及合成藥物有較大的副作用，從天然植物中發現新藥有重大突破，國外出現了日益重視藥用植物的趨向，掀起了研究藥用植物的高潮。我國是世界上植物資源最豐富的國家之一，約有萬余種高等植物，僅次于巴西和哥倫比亞，其中己發現藥用植物有11146種[1]。2003年中國共向歐盟出口了價值2410萬歐元的植物原料，在發展中國家中位列第一。2005年，我國全年出口值達1.38億美元，同比增長 55.2%，占提取物出口總值的47.0l%，德國、法國、意大利、西班牙仍然是我國植物提取物在歐盟市場的主要的出口國[2]。從天然藥物開發和應用的技術水平分析，有下面幾種情況：①原料藥材，這在我國的市場上占了很大比例，亦即傳統意義上的中藥；②制劑或提取物，通過一些簡單的加工制成，中成藥大多來源于此；③純天然有效化學成分，美國的 FDA即如此要求，但近年來也逐漸放松管制。目前我國的相關產業正由出口低附加值的藥材和提取物向高附加值和高科技含量的產品轉型。

天然藥物中含有大量的黃酮、多糖、酚酸、皂苷、萜類、揮發油、生物堿等具有藥用價值的有效成分，也是人們用藥的主要攝入內容物，研究表明它們多具有抗氧化、抑菌、降低血糖、血脂和膽固醇含量、提高免疫機能、抗癌抗腫瘤等多種生物活性。除上述主要有效成分之外，尤其是在相關產業生產過程中產生的大量廢棄物，如葉、根、莖、梢、表皮、核、渣等，往往還可以用現代化技術手段進行再利用，極具使用價值和開發意義。世界發達國家依托科技和經濟優勢，把原料的綜合利用放在相關產業的首要位置。初步估算，有效利用目前國內相關產業的廢棄物進行二次開發和利用，每年可以帶來近千億元的效益，其體現出的經濟效益和社會意義不容忽視。如聶斌英[3]的研究表明，沙棘葉中含黃酮類化合物最多，如槲皮素、異鼠李素、山柰酚、兒茶素等，對人體的心腦血管系統、免疫系統、消化系統、及新陳代謝均有十分重要作用。黃鎖義等[4]建立并優化了超聲提取龍眼殼黃酮類成分的方法，并對其中的黃酮運用光色譜技術進行了鑒別，這些研究為其邁向工業化道路奠定了基礎。Wang等[5]從滇藏蕁麻根部乙醇提取物中分離得到新木脂素，以及豆甾-4-烯-3-酮、4-羥基反式桂皮酸、4-羥基苯甲醛、4-甲氧基苯甲酸、4-羥基苯甲酸、己二酸、二十四烷酸甲酯、2-羥基二十四烷酸甲酯等化合物。彭少偉等[6]研究了用酸性醇回流法提取紅海欖葉中總生物堿的工藝條件。諸如此類的天然產物非常用部位的有效資源正得到逐步重視和開發利用。

目前關于天然藥物有效成分的提取分離主要停留在單一類別成分的開發，而對于植物中多種共存有效成分綜合提取分離的研究還相當少。如此利用天然藥用植物，導致了部分寶貴藥物資源的浪費，甚至影響生態環境，因此需要采用先進開發研究理念以及良好的技術提高資源利用率，使現代天然藥物研究與開發更符合綠色環保的要求。

1.2 天然色素

天然食用色素主要是從植物、動物和微生物中提取的。天然食用色素具有安全可靠、無毒副作用、色調自然、接近天然物質的顏色，有些天然食用色素還具有營養功效，如國外把胡蘿卜素類列為營養添加劑，美國已把β-胡蘿卜素應用到嬰幼兒食品中[7]。有些對人體的某些疾病具有預防、治療等藥理作用和保健功能。如花色苷具有消炎、抗腫瘤、清除氧自由基、抑制脂蛋白氧化和血小板聚集的功能[8]。

我國的天然食用色素研究起步較晚，目前尚處于天然食用色素與合成食用色素并存的狀況。2005年我國天然色素的產量達10680 t，焦糖255000 t，占總食用色素的80%以上，比2004年增長29.6%，總產量將近30萬噸，這表明了我國的天然食用色素的產量正在逐年上升[9]。2007年我國國民經濟繼續高速發展，增速達 11.4%。食品工業和餐飲業以每年超過 20%的速度增長，2007年食品工業總產值31912億元，比2006年增長30.07%，實現利潤2166億元增長40%。作為食品工業和餐飲業的重要組成的食品添加劑，無疑也獲得可快速的增長。其中，僅食用色素就達32.46萬噸，同比增長1.4%[10]。近年來，天然食用色素在國際市場上銷售額的年增長率一直保持在10%以上，西方的一些發達國家在食品中使用天然色素的比例已達85%，并有完全取代合成色素的趨勢[11]。上海愛普食品工業有限公司生產的天然焦糖色素在國內處于領先地位，品種繁多，約有160種焦糖色素產品，可滿足客戶的潛在需求。2003～2009年工業色素海外需求情況如表1所示。

根據色素的原料、用途及劑型不同，其制備方法可分為壓榨法、粉碎法、溶劑萃取法、組織培養法、酶反應法、微生物發酵法、人工合成天然色素法、超臨界萃取法等。壓榨法和粉碎法工藝簡單，但產品質量較差，一般很少用；溶劑萃取法是目前天然食用色素生產的主要方法。在天然食用色素提取中的應用研究報道較多，如用極性極小的有機溶劑從胡蘿卜和西瓜中提取類胡蘿卜素色素[12]，該法的優點是投資少，設備簡單，但存在能耗大等缺點。酶反應法是利用酶的催化專一性來生產天然色素的方法，該法的研究較活躍，已用于辣椒紅、酒糟紅的生產。趙功玲等[13]研究了外加果膠酶及纖維素酶提取番茄中番茄紅素的工藝。舒國偉等[14]研究了半纖維素酶及纖維素酶的復合酶對提取黃姜色素的影響，并與其它工藝進行比較，為黃姜色素的開發提供試驗基礎。又如組織培養法是利用組織細胞培養來生產天然色素的方法，該法的優點是產量高，不受自然氣候的限制。目前該法應用較成功的例子是甜菜紅與紫草色素的生產。用微生物發酵法來生產天然色素的方法歷史悠久，我國人民很早就掌握了用發酵法來生產紅曲，用發酵法來生產β-胡蘿卜素也已成功。喬明武等[15]已成功研制出以麥麩為基質來發酵培養紅曲并產生次級代謝產物紅曲色素。人工合成法是用化學方法合成與天然色素結構一致的物質,如用該法來生產β-胡蘿卜素、核黃素等。該法的缺點是產品中可能含有合成中殘留的各種有害物質，故部分國家并不把此法生產的產品列入天然色素范疇。

表1 2003～2009年工業色素海外需求量及增長率比較

目前，世界上批準使用的天然食用色素品種有60余種，而我國只有40余種，且主要集中在辣椒紅、焦糖色、越橘紅、玉米黃、蘿卜紅等幾個品種上。高新技術應用較少，設備落后，提取效率較低，產品純度低，生產成本高。另外，天然色素穩定性差、著色力差、對pH值敏感，價格又比合成色素高 6～8倍，導致其應用范圍變窄。吳永蘭[16]研究表明甜椒紅色素在日光照射下顏色越來越淺。黑莓紅色素對酸堿極為敏感，在pH值4.0以下呈鮮艷的紅色，而隨著pH值的增加，顏色逐漸褪去[17]。此外，目前較多色素為人工合成，安全性問題有待提高。合成色素主要成分是偶氮化合物，如莧菜紅、胭脂紅、日落黃、新紅、檸檬黃等，系萘胺、硝酸、磺基、萘、萘酚、對氨基苯磺酸等化合而成。在體內經代謝生成 β-萘酚、α-氨基-1-萘酚等具有強烈致癌性的物質，對健康影響極大[18]。

1.3 天然香料

新中國成立后，我國天然香料資源的開發利用得到了迅速的發展，我國香料植物約有400種，占世界香料植物總數的1/9以上，是世界最大的天然香料生產國。20世紀末，全國天然香料植物種植基地就已發展到 45.67萬公頃，天然香料產品達 240多種，年創匯額達6億美元以上[19]；2006年全國生產香精香料產品的銷售收入達到了 225億元[20]；2007年全國生產香精香料產品的銷售額約為153.8億元；2008年全國香精香料產品總產量約27萬噸，產品的銷售總額約為150億元[21]。據不完全統計，中國可生產各類香料約700種，其中天然香料140余種（包括精油、浸膏、凈油和油樹脂等），不少產品在國際上享有盛名[22]。所產香料香精用于國內加香產品產值約達 1萬億元（其中為食品配套約達7000億元，日用化工、煙草、醫藥等產品約 1000億元）。其中己開發的主要大宗天然香料產品生產能力情況如表2所示。

表2 我國主要大宗天然香料產品及生產能力[23]

近 20年來，國外香料工業發展迅速，世界上香料工業位列前面的國家主要有美國、英國、瑞士、荷蘭、法國、日本。國際香料香精貿易銷售情況呈不斷增長的趨勢，全球銷售額年平均增長率達到4%～8%。到2007年，全球排名10強的香料香精公司，銷售額約 137億美元，占全球全行業銷售額的70%[24]。美國香料香精公司有120多家，最大的公司是國際香料香精公司，2010年銷售額為18.4億美元；瑞士奇華頓公司（Civaudan）名列世界第二，2010年銷售額為14.2億美元。法國是天然香料生產最發達的國家，該地區有20多家天然香料企業，著名的有P. Robertet公司、V. Mahe Fils公司、LautievFils 公司和Charabot 公司。日本最大的香精香料企業是Takasage公司，2010年銷售額為8.2億美元。全球這幾大公司2010年的銷售額約占總銷售額的50%。由于目前市場對天然香料的需求持續增長，因此天然香料產業良好前景會一直保持下去[25]。

目前，天然香料的制備方法主要有物理制備法、熱反應制備法、生物技術制備法和應用產品調配及生產等。其中，物理制備法主要用于香辛料的制備，具體是將芳香植物的葉、花、根、籽、皮等通過壓榨、蒸餾、萃取、濃縮、層析等物理方法得到精油、萃取物、油樹脂、浸膏等一系列天然香精香料。熱反應制備法的基本類型是氨基酸與還原糖的加熱反應。生物技術制備法包括酶工程制備法、微生物工程制備法、細胞工程制備法、基因工程制備法等。應用產品的調配及生產是指通過物理方法（如超臨界萃取）所得的精油樹脂，因為其純度高，在實際生產中的添加量太少而不方便使用，于是按比例添加乙醇、植物油等進行稀釋，調配成一種新的適合生產的產品。

我國擁有豐富的植物性天然香料資源，有 500余種芳香植物廣泛分布于20個省（市，區），但其提取加工工藝落后。如在提取天然香料方面，國外一般用冷榨法和超臨界CO2萃取等方法，而國內主要還是水蒸氣蒸餾。水蒸氣蒸餾具有蒸餾時間長、得率低等缺點，難以創造高技術含量、高附加值的適應市場需求的新產品[26]。甚至還有一些天然原料被銷往國外進行深加工[27]，不僅導致我國市場植物性天然香料緊缺，而且嚴重浪費了寶貴資源。另外，現今生產的香精香料產品中約85%的產品是通過化學合成方法得到的，大量的化學合成物質濫用給人們的健康帶來危害。隨著生活水平的提高，人們對香精香料趨向于天然、健康、安全、營養和多功能性等方面的需求，因此迫切需要盡快建立集約環保型的天然香精香料工業。

1.4 天然油料

根據國家糧食局和中國糧食行業協會提供的統計數據及有關資料，2002年，全國擁有一定規模的食用植物油加工企業5169個。2005年，全國入統食用植物油加工企業1043個[28]。2008年全國入統油脂加工企業為1222個，年處理油料能力7865.7萬噸，油脂精煉能力2728.6萬噸。食用植物油總產量1927.8萬噸。據國家海關總署統計，2009年我國進口大豆4255萬噸，較2008年的3744萬噸，增加了511萬噸，增幅為13.65%。據國家糧油信息中心統計，2009年我國大豆產量為1500萬噸，花生產量為1470.8萬噸，油菜籽1365.7萬噸，棉籽1147.9萬噸，加上芝麻、胡麻籽和葵花籽等其它油料，總產量接近6000萬噸。這充分說明我國植物油料的品種及產量在世界植物油料生產大國中有著舉足輕重的地位[29]。

1998～2007年，中國油脂生產總體上較為穩定，使用國產油料加工的植物油產量維持在900萬噸左右。其中大豆油、菜籽油、花生油3種植物油的產量在700萬噸左右（見圖1）。由圖1可以看出，3種植物油的增長變動并不相同。1998～2007年，大豆油產量從127萬噸增長到160萬噸的高點后，逐年下降到72萬噸；菜籽油產量從272萬噸增長到446萬噸的高點后，逐年下降到344萬噸；花生油產量從195萬噸增長到221萬噸的高點后，在200萬噸附近徘徊。近年來，伴隨著城鄉居民生活水平的改善和市場的放開，中國油脂需求也進入快速增長時期，從1998年的1104萬噸增加到2007年的2416萬噸，年均增長9%。目前國內油脂產需缺口超過了1600萬噸[30]。

圖1 3種油料加工的油脂產量比較圖

國際天然油脂工業方面，2000～2002年世界植物油料生產豆油2420萬噸，棕櫚油2100萬噸，菜籽/卡諾納油1380萬噸，其它2740萬噸，總計8640萬噸。幾種油脂按產量所占百分數：大豆油，28%；棕櫚油，25%；菜籽/卡諾納油，16%；向日葵油，11%。2004/2005年世界植物油料產量38050萬噸，其中大豆為22300萬噸，美國油料產量為7720萬噸。2003/2004美國出口大豆2449萬噸，巴西2300萬噸，阿根廷975萬噸。2004/2005年全球植物油產量約10590萬噸，美國產量約920萬噸。豆油是最主要的植物油脂，2003/2004年產量達到3210萬噸，占9種主要植物油脂總產量的31.8%。棕櫚油產量僅次于豆油，達到2810萬噸，占9種主要植物油脂總產量的27.9%，其中馬來西亞產量達1370萬噸，馬來西亞和印度尼西亞的棕櫚油占世界產量的75%。2000～2002年世界植物油料生產狀況如圖2所示。據預測，到2020年因油棕種植在南美、非洲和東南亞的擴展，棕櫚油將成為世界上最主要的植物油脂之一[31]。

圖2 2000～2002年世界植物油料生產狀況分布圖

在輕化工領域，油脂是生產脂肪化學品包括肥皂、金屬皂、脂肪酸、脂肪酸酯、脂肪醇、脂肪胺、脂肪酰胺及甘油等產品的主要原料[32]。目前，馬來西亞共有14個油脂化工企業，生產脂肪酸、精餾脂肪酸、脂肪醇、甲酯和甘油，其中有些企業還生產衍生物、PVC的穩定劑等[33]。此外，植物在工業上可利用的領域還有：膠合板黏結劑、木質生物復合材料、生物柴油、可生物降解的塑料制品、聚氨酯泡沫塑料、固體潤滑脂、液壓油、干性油、油漆涂料、印刷油墨、作物保護劑、聚合乳化劑、生物基化學溶劑、離子交換樹脂、食用膜、鋼材及鋼管防腐劑、降解橡膠、化妝品以及肥料等[9]。

但是，中國在油料油脂行業已投入了大量的資源，在現實狀況下得不到高效利用，造成較大的浪費。比如我國年產大豆約1500萬噸，其中大部分大豆用于油脂行業的加工，目前僅黑龍江省油脂加工企業就有148家，但由于油脂廠規模小、生產技術落后等方面的原因，大多處于虧損和停業狀態[34]。另外一方面，油脂生產過程對產品的安全性問題也值得重視。1990年荷蘭RonaldMensink等報道攝取反式脂肪酸的膳食會提升人體血清中LDL膽固醇的含量，而降低血清HDL膽固醇，致使人體健康受到威脅。美國食品藥物管理局（FDA）要求從2006年1月1日起食品廠商在其食品包裝上必須標識反式脂肪酸含量[35]。因此，集約環保型的油脂生產技術將成為油脂工業的一個發展方向，使油脂行業的加工范圍更加廣闊，并在促進人類保健方面、解決人類能源問題中將起著越來越重要的作用。

1.5 天然植物纖維

就植物生物質的結構來看，其實主要由纖維素、半纖維素和木質素為主的植物纖維組成。全球可再生、可循環、可降解、對環境友好的生物質資源中，木本和草本植物占有最大比例。除淀粉外，纖維素利用已有悠久的歷史，除了在造紙、紡織、建筑等領域廣泛應用之外，曾經在燃料方面長期大量使用。到2010年，我國秸稈的總產量達到7.26億噸，而秸稈資源的利用率僅為33%。日本社會每年纖維的總消費量約為 228.7萬噸，總排除量約為 171.2萬噸，總回收量約為18.4萬噸，其中再利用和循環利用的纖維約為16.2萬噸[36]。

從 20世紀中葉至今，不僅經濟發達國家，而且經濟欠發達國家的部分地區，也開始廣泛使用煤、石油、天然氣等為燃料，相當部分秸稈當做廢物燃燒，造成環境污染。包括我國東部地區，因麥草廢棄物堵塞河道、燃燒煙氣影響機場航班停飛等事例，不勝枚舉。從目前情況看來，化工、食品、制藥工業中由生物發酵工藝（如醬油）產生的廢渣，由化學溶劑提取工藝（如中藥）產生的廢渣和直接物理壓榨工藝（如油料、甘蔗）產生的廢渣是3種極具代表性的主要廢渣來源，而這3種廢渣都來源于富含纖維素、半纖維素、木質素的天然生物質原料，這些原料在上述產業中被利用的是少量成分（中藥提取物含量一般不超過原料干重的30%，甘蔗汁和植物油含量一般不超過50%），被當做廢渣處理（丟棄、供熱、做低級飼料）的是大量成分，即便是直接利用纖維素的造紙工業，其中大量的半纖維素和木質素也被當做雜質除去，一方面造成了資源浪費，另一方面造成排放的黑液黏度大而難以處理。木質素全球年產量約1500億噸，我國造紙工業每年排放木質素就有約1000萬噸。因此從資源充分開發和綜合利用的角度而言以上產業大多是原料利用率極低的粗放型產業，和目前國家所提倡的建立集約環保型社會的方針背道而馳。在植物產品中，圍繞工業廢棄部位、邊角余料以及殘渣中以纖維素、木質素、半纖維素為主，植物油、果膠、鞣質等共存成分的全面利用正在開展。以植物纖維為例，木材、竹材作為建筑、家具、支撐材料等之外，枝條、皮片、節杈等提取纖維素等的利用已經展開。王霞等[37]采用微波輔助堿提取的方式，確定了纖維素的最佳提取條件。Christine等[38]對禾本科鐮刀木聚糖酶水解半纖維素的效果進行了研究，主要目的就是尋找高效的水解酶，提高半纖維素的轉化率，降低生物轉化的成本。

此外，許多麻類纖維植物，包括韌皮纖維類的苧麻、亞麻、黃麻、槿麻等和葉纖維類的蕉麻、劍麻、漢麻（低毒或無毒大麻）、羅布麻正在發展，其韌皮纖維脫膠、梳理后用于紡織生產，稈芯用于造紙和生產黏膠纖維，籽用于提取油脂和蛋白質，花和葉用于提取藥用活性成分等。例如，德國IVW研究所以大麻、洋麻為原料，采用針刺工藝將天然纖維制得纖維氈片，同時利用BASF公司提供的水溶性丙烯酸系樹脂對氈片進行預浸處理，干燥使產品含濕率在 15%左右后再成型。成型后的產品具有優良的機械性能，完全可以滿足汽車內飾部件的要求，主要應用于門板、坐椅背板等中；奧地利Kompetenzzentrum公司同樣以麻為原料，但在制備針刺非織造氈時，將纖度偏低的亞麻和較粗的洋麻以1∶1的配比混合，明顯改進了產品的穩定性[39]。

總體看來，基于綜合開發利用思想下，目前植物生物質產業框架總結如圖3所示。

圖3 天然植物生物質產業框架圖

1.6 天然淀粉

淀粉是一種價格低廉、資源豐富、易于取得、應用廣泛可再生資源。天然淀粉是以內部有結晶結構的小顆粒狀態存在的，其分子結構有直鏈和支鏈兩種。對于不同的植物品種，其淀粉顆粒的形狀、大小以及直鏈淀粉與支鏈淀粉含量的比例都各不相同。天然淀粉因其結構和性能缺陷（如冷水不溶性，糊液在酸、熱、剪切作用下不穩定等）大大限制其工業應用。隨著科學的進步，人們運用物理、化學、酶等方法對天然淀粉進行處理，使其具有適合某種特殊用途性質，即成為變性淀粉。

變性淀粉是食品、紡織、造紙、塑料、醫藥等眾多現代工業的原輔料。目前世界上變性淀粉年產量近600萬噸，主要集中在歐美等西方發達國家，亞洲的日本、泰國和我國也是變性淀粉的主要生產國。我國變性淀粉年產量在不斷增加，20世紀 80年代中期，全國年產變性淀粉總量只在幾千噸，而2003年我國變性淀粉實際生產量在45萬噸左右，2004年全國變性淀粉產量已達到53萬噸。全國淀粉及淀粉制造行業工業總產值也從2003年的60萬元增加到2009年的2200萬元。

目前，關于天然淀粉的產品開發主要立足于淀粉基可降解塑料制品的生產[40]、以淀粉為原料利用生物技術開發新產品[41]、淀粉質體遺傳學[42]等幾方面的研究。但是關于淀粉制造行業中廢水的處理問題仍是該產品工業生產中存在的主要難點。

2 新技術、新工藝與新思路

目前，天然植物化工產品主要是采用傳統的壓榨、浸漬和半化學合成等方法制得，存在一定的局限性也不利于可持續發展的要求，因此發展新型環保的天然植物化工產品是當前以及未來的方向。近年來，生物工程技術、超臨界萃取技術、分子蒸餾技術、微波技術以及計算機技術等在天然植物化工中的應用越來越廣泛，這些新技術的應用，給傳統的天然植物化工注入了新的生機和活力。隨著氣相色譜（GC）、高效液相色譜（HPLC）、質譜（MS）、核磁共振譜（NMR）、紅外分光光度法（IR）和紫光分光光度法（UV）在有機分子結構分析中的廣泛應用，人們加快了對天然植物成分的研究進展，發現了一批很有價值的新型化合物。事實證明，新技術、新設備在天然植物化工中的應用必將對其發展帶來飛躍，加速天然植物化工行業的發展。

近年來，隨著環保意識的增強和綠色化學的興起，研究和開發綠色反應溶劑和環境友好催化劑引起了廣泛的關注，離子液體作為新型高效的綠色溶劑成為了當代化學的前沿和熱點[43]。離子液體是指完全由離子組成的在室溫或室溫附近溫度下呈液態的物質，它具有反應速率快、選擇性好、無揮發、三廢產生少、易于循環利用、密度大、表面張力高、易分相、便于產物分離等諸多方面的優點。Fort等[44]的研究結果顯示，使用離子液體能有效地分離植物纖維原料的不同組分，可以高收率的從植物纖維原料中提取植物纖維素。研究表明，用離子液體處理得到纖維素的產率要比用蒸汽蒸餾或化學方法處理得到的纖維素的產率高出很多。Liu等[45]用這種方法從松針中提取松針油，與傳統的提取方法相比其產率更高，而且提取物的成分也有所不同。另外值得引起關注的是離子液體的應用以及與現代綠色介質的結合，該體系是綠色化學領域的新方向。超臨界二氧化碳和離子液體這兩種綠色介質的結合為環境友好化學的研究提供了新選擇。二氧化碳和離子液體本身都具有各自的特殊性，且極性和揮發性相差很大，兩者的結合增加了一些新的性質。目前的研究結果已經顯示出該體系的突出優點，超臨界二氧化碳和離子液體的結合，充分發揮了兩者在溶解性和催化反應等方面的優點，尤其是兩者間不對稱的相溶性，使反應物系可以在相間實現所需的轉移，從而促進反應進行，減少了副反應，同時，一些貴重有機金屬催化劑僅溶于離子液體，而離子液體相幾乎不揮發，避免了流失和環境污染[46-47]。

目前關于天然植物的綜合開發利用研究已有一些報道，其中楊梅的研究較為全面。楊梅果肉和果汁中含有豐富的氨基酸、多酚、多糖以及礦質元素，目前除了將楊梅做成果脯、楊梅汁做成飲料外，還對其中具有藥用價值的黃酮和花青素等活性成分進行提取分離。這類物質都有著良好的抗氧化性能和清除自由基能力。從楊梅根皮中提取楊梅多酚，以楊梅多酚為主制成防溶靈膠囊，對治療陣發性睡眠性血紅蛋白尿（PNH）有較好效果，具有較好的防止溶血作用；楊梅樹皮中富含單寧，可治療心腹絞痛、食物中毒、皮膚濕疹、惡瘡疥癬、跌打腫痛、刀傷出血、燒傷、燙傷、骨折等；楊梅的核仁中含維生素 B17，這是一種抗癌物質；楊梅核還能夠用于制備性質優良的活性炭，不僅可作為活性炭工業生產的新原料，而且解決了楊梅加工廠處理固體廢棄物問題[48-49]。又如可將竹枝和竹葉當中富含的多糖和黃酮類物質提取分離出來，制成藥品和功能性食品；還可從竹葉中提取葉綠素和揮發油，竹葉揮發油是一種良好的天然香料；竹莖可榨取竹瀝，鮮竹瀝具有化痰止咳的功效，剩余的竹渣可用于造紙或制備竹纖維；竹筍可以制成各類食品；加工食品剩余的筍殼還可以用于提取色素、氨基酸以及做成飼料等[50-51]。

作者所在研究室在天然植物的綜合開發利用方面已進行了十余年的研究，并取得了良好成果。對于傳統茶多酚的提取工藝作了綜合利用優化研究，高效提取茶多酚的同時還能提取天然的茶色素、茶堿以及茶渣的合理利用，并成功開發優化的兒茶素制備的特有技術。對于我國特有的川芎藥材，針對其中分散于不同部位的若干成分（川芎嗪、阿魏酸和揮發油），研究了適宜的綜合提取工藝技術路線[52]，并對工藝過程的參數進行了優化，該工藝路線各有效成分均可達到較高純度，相關研究成果已獲國家發明專利（專利號ZL200810045194）。該工藝穩定性好，適合于工業化生產。另外以國內山區廣泛分布的生態/木本油料樹種毛葉山桐子為原料，通過化學改性的方法制備環境友好型生物潤滑油基礎油，解決了植物油作為潤滑油基礎油熱氧化穩定性和低溫流動性均較差等缺陷（專利申請號200810147611）。在對毛葉山桐子油的理化性質的全面研究基礎上，開發了毛葉山桐子油綜合利用的工藝路線；并通過傳統均相堿催化，來制備生物柴油綜合工藝，繼而開發出具有工業應用潛力的制備高純度亞油酸工藝及利用亞油酸轉化共軛亞油酸的技術（專利申請號201010209465X）。對于甘蔗制糖過程，作者開展了一系列的綜合利用研究。目前已初步開發出同時得到總黃酮和總花青素兩種有效成分的綜合提取分離方法[53]，也申報了國家發明專利（專利申請號200910058998X）。該方法成本低廉，不影響原有制糖工序，資源利用率高。

在天然植物原料收集、運輸過程中需要耗費越來越多的人力和運輸費用，但能夠提取利用的有效成分僅占很小部分，一般占植物提取原料的95%以上的大量的植物提取固體廢棄物卻未獲得合理利用。這些固體廢棄物的主要成分有半纖維素、纖維素和木質素。大多數經過提取處理后，半纖維素、纖維素和木質素的含量或純度往往很高，應該也能夠通過適宜的加工制得附加值更高的衍生化產物。作者課題組已開展了綜合利用該三類成分的綠色環保新技術研究，取得很有前景的結果。例如，利用離子液體將草類植物纖維造紙原料在制漿工序中的蒸煮環節之前進行預處理制取糠醛然后再進行造紙[54]。該項目提高了資源利用率，實現了原料成份的多用途開發，也減輕了制漿過程的處理難度，有利于降低成本和保護環境，并且不改變現有制漿工藝。這些開發實現了天然植物有效成分的綜合利用，不但可以提高資源利用率，還可能創造可觀的經濟效益。

此外，在天然香精香料方面，蘇林[55]發現了一種存在于植物內的一微生物群落，它是由真菌、細菌、原生動物等組成，在一定條件下形成一生態系統，這一系統在發酵反應器中能制備天然香精香料。夏湘等[56]對采用超臨界 CO2萃取技術提取雪峰蜜橘果皮精油進行了研究，采用GC-MS分析技術和相關的分析軟件，對雪峰蜜桔果皮精油揮發性組分進行分析鑒定。Sebastián等[57]以異戊醇為原料生物合成香蕉香精。有些地方將微膠囊化技術應用于香辛料當中[58]，具有廣闊的發展前景。在天然色素方面，鄭永麗[59]將大孔樹脂應用于葡萄籽原花色素的分離純化，在原花色素經浸提劑粗提的基礎上，采用大孔吸附樹脂進行分離富集研究。章建國等[60]以梔子黃提取后的廢液為原料，通過將β-葡萄糖苷酶發酵和酶促反應分開的兩步法制得梔子藍色素。以上研究均為天然植物化工邁向集約、低碳、環保的21世紀發展方向奠定了基礎。

總的說來，有待全面開發綜合利用的天然植物的基本情況如圖4所示。

圖4 天然植物綜合開發利用情況圖

3 發展策略與展望

（1）采取資源綜合利用策略，提高資源利用率，發展低碳環保工業

將有效成分利用后，仍會產生大量廢渣，一般采取的處理方式是將其倒掉、燒毀或發酵生產飼料，要么污染環境，要么轉化為廉價的產品，而且作為飼料使用其安全性很值得商榷。如果能采用現代科技手段，建立合理、高效、經濟的方法和工藝，將其開發成源自天然的藥品、保健品、藥用輔料或化妝品添加劑等具有更高附加值的產品，既解決了工業廢料處理的負擔，又促進了可再生資源的高效、循環利用，還可以帶動相關產業的發展，促進就業和改善、保障農民收入。如利用山楂核中的多種有效成分制成治療多種病癥的良藥，再將其中的精油制成香料或食品添加劑等，對提取后的山楂核渣可再進一步將其制成優質的活性炭，這樣不但可拓展其利用空間，還可生產高附加值的各種制品提高經濟效益。

（2）提高多用途經濟作物選育和種植技術研究

優質專用型品種是發展植物化工產業的基礎，因此，要針對不同需求，以市場為導向，開發相應的優質專用型作物品種，適宜生產保健食品的藥用品種，適宜食品加工的食用品種，適合用于生產淀粉、糖、酒精的工業原料型品種，適合簡單加工的水果型品種等。相比而言，具有多用途特點的作物品種，綜合利用空間大，對市場經濟的適應能力強，經濟效益高而穩定。此外，還應開展或加強不同品種的品質普查工作，充分發揮現有優質品種的作用。

（3）加大科技投人，拓寬和深化天然植物化工產品研究與開發

在促進現有科技成果轉化的同時，要進一步加大科技投入與開發的力度，開展各種產品加工工藝研究。在注重傳統技術改良的同時，逐漸開發新用途，特別是開展藥用、保健作用及其新產品加工工藝的研究開發，生產高附加值的各種制品，提高經濟效益。例如，楊梅不易貯藏，極易變質，因此可以將楊梅開發成楊梅果脯、楊梅罐頭、固體飲料等多種產品。這些產品生產工藝簡單，成本較低，適合工業化生產，貨架期長，是適于各種人群的休閑食品。另一方面，可以加大科技投入，利用楊梅的營養價值以及具有良好的藥理作用，提取其中的多種生物活性成分，進行綜合開發利用，具有非常好的發展前景。

（4）提升天然植物化工的產業化水平

以海南的天然香料工業為例，海南出產天然香料，且品質優，與化學香料比，其風味更佳，也更安全。海南是我國香草蘭最為理想的種植地，香草蘭的果實香莢蘭豆能提取出國際上最昂貴的香料——天然香蘭素。浙江一家企業每年用化學原料合成香蘭素6000噸，出口到世界各地。而天然提取的香蘭素價格是合成香蘭素的幾十倍，與浙江相比，海南無疑錯失了這一巨大的商機。歸咎其原因主要是由于產業化水平較低，生產、研發、加工、銷售等經營模式較為落后。因此，建議政府首先要努力創造良好的投資環境，外引內聯吸引各方資金投入天然植物綜合利用產業的發展；其次引導消費，樹立相關加工制品的品牌優勢，抓住天然原料純天然、無污染的特點；打好綠色食品牌同時，搞好產品的包裝設計和企業的形象策劃，提升產品擋次，以品牌優勢促進產品銷售，促進綜合利用產業的可持續發展。

總之，要想最終成功構建集約環保型社會背景下的天然植物化工，形成成熟的運作思路、體系和模式，整體實現產業化規模，全面縮小和世界發達國家差距，還有相當長的路要走，這就需要在現階段由企業提供資金支持，科研機構積極參與，提升開發利用的科技水平，加上國家制定合理的政策和資助，培植國內市場，開拓國際貿易等諸多因素共同推動這一事業的前進。

[1] 張惠源，袁昌齊，孫傳奇，等. 我國的中藥資源種類[J]. 中國中藥雜志，1995，20（7）：387-390.

[2] 馬愛霞，朱婭莉，陳巧，等. 歐盟植物藥及中藥進口與我國出口現狀分析[J]. 中國天然藥物，2007，5（6）：470-474.

[3] 聶斌英. 沙棘油的綜合利用研究及發展前景[J]. 食品研究與開發，2008，29（5）：190-192.

[4] 黃鎖義，劉海花，黎海妮，等，超聲波提取龍眼殼總黃酮及鑒別[J]. 時珍國醫國藥，2007，18（2）：21.

[5] Wang W，Yan X G，Duan L X，et al. Two new secolignans from the roots of Urtica mairei Levl[J]. Chinese Chemical Letters，2008，19（10）：1212.

[6] 彭少偉，吳湛霞，范潤珍. 紅樹植物紅海欖葉中總生物堿提取工藝研究[J]. 廣州化工，2010，38（9）：76-77.

[7] 云智勉，杜友珍，佘瓊虹，等. 天然多功能食用色素的研究進展[J].廣東微量元素科學，2006，13（2）：12-16.

[8] Kong J M，Chia L S，Goh N K，et al. Analysis and biological activities of anthocyanins[J]. Phytochemistry，2003，64（5）：923-933.

[9] 李崇瑛，王安，楊濤，等. 食用天然色素的純化與研究進展[J]. 中國調味品，2007（9）：18-38.

[10] 尤新. 2007年食品添加劑發展回顧[J]. 食品工業科技，2008（3）：13-18.

[11] 歐陽杰，趙佳麗，陳旭華. 天然食用色素的穩定化技術研究進展[J].食品科技，2006（8）：182-184.

[12] 楊遠帆，倪輝，陳小花. 胡蘿卜中水溶性類胡蘿卜素提取條件的優化研究[J]. 食品工業科技，2006（2）：128-130.

[13] 趙功玲，婁天軍. 酶法提取番茄紅素的工藝研究[J]. 食品工業科技，2003（6）：60-61.

[14] 舒國偉，代春吉，李世玉，等. 復合酶法提取黃姜色素的研究[J]. 食品工業，2010（4）：43-45.

[15] 喬明武，田潔，王慧榮. 紅曲發酵麥麩提取紅曲色素的初步研究[J].農產品加工業，2008（6）：32-34.

[16] 吳永蘭. 甜椒紅色素的提取及性質的研究[J]. 精細化工中間體，2005，35（1）：62-65.

[17] 焦中高，劉杰超，王思新，等. 黑莓紅色素的提取及其穩定性的初步研究[J]. 食品科學，2006（3）：154-157.

[18] 盧雪華，成堅，白衛東. 我國食用色素工業的現狀及對策[J]. 中國調味品，2010，35（5）：35-39.

[19] 劉樹荃. 新世紀淺析中國香料工業過去現在與未來[J]. 國內外香料香精信息摘譯，2000，l，l-7.

[20] 李全宏，黃景榮，楮欣然. 香精香料工業現狀及發展趨勢[J]. 中國食品工業，2007（3）：12-13.

[21] 我國香精香料工業現狀[J]. 國內外香化信息，2010，（4）：4-5.

[22] 吳忠. 中國香精香料行業的現狀與預測[J]. 全國輕工信息周刊，2001，（3）：10-11.

[23] 中國香料工業科學研究所. 我國主要大宗天然香料產品及生產能力[R]. 2000年香精香料工業統計年報，2000.

[24] 2008全球香料香精公司排行榜（一）[J]. 國內外香化信息，2008（10）：20-21.

[25] 海南天然香料現狀[J]. 國內外香化信息，2010（7）：4.

[26] 蔡培鈿，白衛東，錢敏. 我國食用香精香料工業的發展現狀及對策[J]. 中國調味品，2010，35（2）：35-38.

[27] 王花俊，張峻松，劉利鋒. 天然植物香料提取加工工藝研究進展[J].農產品加工，2008（3）：65-66.

[28] 王瑞元. 中國油脂工業的現狀與發展趨勢[J]. 糧油加工，2006（11）：11-15.

[29] 劉大川. 我國油脂工業發展現狀[J]. 農業機械，2010（8）：34-36.

[30] 王永剛. 中國油脂油料供求、貿易、政策的現狀與前景[J]. 中國油脂，2010，35（2）：1-5.

[31] 張根旺，汪學德. 國際油脂工業現狀與發展趨勢[J]. 糧油加工，2006（8）：8-14.

[32] Soon Ting-Kueh. Nonedible applications [J]. Inform.，2001，12（9）：938.

[33] 克里斯·哈底塞布羅托. 東南亞油脂化學工業現狀[J]. 日用化學品科學，2000，23（5）：29-31.

[34] 孫樹坤，富校軼，江連洲，等. 大豆油脂工業現狀及發展方向[J]. 中國農業科技導報，2001，3（4）：49-51

[35] Martin P，Pete Y. FDA requiremandatory labeling of transfat [J]. Inform.，2004，15（3）：184-185.

[36] 于永玲，呂麗華，趙玉萍，等. 日本纖維循環利用現狀及發展趨勢[J]. 紡織學報，2010，31（10）：151-154.

[37] 王霞，汪春. 稻草纖維素的提取及結構表征[J]. 黑龍江八一農墾大學學報，2010，22（1）：68-73.

[38] Carapito C. Efficient hydrolysis of hemicellulose by a Fusarium graminearum xylanase blend produced at high levels in Escherichia coli[J]. Bioresource Technology，2009，100：845-850.

[39] Christophe B. High performance natural fibers [J]. JEC Composites Magazine，2007，37（12）：34-36.

[40] 王寧，馬濤. 淀粉基可降解塑料的研究現狀與展望[J]. 農產品加工，2007，88（1）：43-45.

[41] 陳光，張真妮. 淀粉發酵生產微生物多糖的研究現狀[J]. 吉林農業大學學報，2001，23（1）：111-115.

[42] 楊海，孫德蘭，楊德奎. 淀粉質體DNA的研究現狀[J]. 山東科學，2008，21（1）：51-55.

[43] Earle M J，Seddon K R. Ionic liquids. Green solvents for the future[J]. Pure Appl. Chem.，2000，72（7）：1391-1398.

[44] Fort D A，Remsi N G R C S，Wat Loskir P，et al. Can ionic liquids dissolve wood? Processing and analysis of lignocellulosic materials with 1-n-butyl-3-methlimidazolium chloride [J]. Green Chem.，2007，9（1）：63-69.

[45] Liu Y，Chen H. Enzymatic hydrolysis of cellulose materials treated with ionic liquid BMI MCl[J]. Chin. Sci. Bull.，2006，51（20）：2432-2436.

[46] Costantini M，Toussaint V A，Shariati A，et al. High-pressure phase behavior of systems with ionic liquids: Part Ⅳ. Binary system carbon dioxide + 1-hexyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate[J]. J. Chem. Eng. Data，2005，50（1）：52- 55.

[47] Anthony J L，Anderson J L，Maginn E J，et al. Anion effects on gas solubility in ionic liquids[J]. J. Phys. Chem. B，2005，109（13）：6366-6374.

[48] 吳亞梅，陳健，李維鋒，等. 楊梅的綜合研究與利用[J]. 食品科技，2007，10：75-78.

[49] 成紀予，葉興乾. 水蒸氣活化法制備楊梅核活性炭[J]. 浙江林學院學報，2010，27（3）：470-473.

[50] 鄭瓊蘭，曾輝，輝朝茂. 竹子藥用價值概述[J]. 安徽農學通報，2009，15（8）：224-226.

[51] 黃筱雄，蔣元淡，肖毓敏. 竹子的綜合利用[J]. 林產化學與工業. 2003，23（4）：99-102.

[52] 李新瑩，蘭先秋，付超，等. 川芎中主要有效成分的綜合提取分離工藝研究[J]. 中成藥，2009，31（2）：218-220.

[53] 宋航，姚舜，李新瑩，等. 一種綜合提取純化甘蔗梢或渣中抗氧化活性成分的方法：中國，200910058998. X[P]. 2009.

[54] 宋航，姚舜，涂斌，等. 草類纖維造紙原料前處理制備糠醛及其相關綜合利用的方法：中國，200910216040.9[P]. 2009.

[55] 蘇林. 微生物生態學技術制備天然香精香料[J]. 中國食品添加劑，2009（6）：197-201.

[56] 夏湘，趙良忠，譚寶秀，等. 雪峰蜜桔果皮精油組分 CO2超臨界萃取工藝條件的相關性研究 [J]. 食品科學，2008，29（5）：222-225.

[57] Sebastián T，Mario D B，Swathy S L，et al . Enzymatic synthesis of banana flavour（isoamyl acetate）by Bacillus licheniformis S-86 esterase [J]. Food Research International，2009，42（4）：454-460.

[58] 汪媛，紀俊玲，張聰. 香料微膠囊清潔生產工藝研究[J]. 印染助劑，2008，25（6）：10-13.

[59] 鄭永麗. 大孔樹脂法分離原花色素的初步研究[J]. 天津化工，2010，24（1）：39-40.

[60] 章建國，余順火，李先祥，等. 兩步法生產梔子藍色素工藝條件的研究[J]. 食品科學，2008，29（11）：186-188.

Progress of the natural plant chemical industry in building intensive and environmental protection society

SONG Hang，YAO Shun，LI Xinying，YANG Yingying，JIA Chunmei
（Department of Pharmaceutical and Biological Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，Sichuan，China）

TQ 91

A

1000–6613（2011）04–0691–10

2010-11-12；修改稿日期：2010-12-05。

及聯系人：宋航（1957—），男，教授，博士生導師，主要從事制藥及生物工藝過程、精細化工、新型分離技術、手性物分析與制備技術等研究。E-mail hangsong@scu.edu.cn。