中藥資源產業化過程循環利用適宜技術體系創建及其推廣應用△

段金廒，唐志書，吳啟南，宿樹蘭，郭盛，嚴輝，錢大瑋

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/中藥資源產業化與方劑創新藥物國家地方聯合工程研究中心，江蘇 南京 210023； 2.陜西中醫藥大學 陜西省中藥資源產業化協同創新中心，陜西 咸陽 712046

中藥資源是國家戰略資源，是中醫藥事業發展和保障人民健康的重要物質基礎。近些年來，隨著社會需求的日益增長和科技進步驅動，以消耗中藥及天然藥物資源為特征的資源經濟產業得到快速發展，社會貢獻率強勁增長，為我國和世界人民的人口健康和社會進步做出了不可估量的重要貢獻。然而，分析其經濟發展模式和生產方式，大多企業的生產仍屬于大量生產、大量消耗和大量廢棄的傳統生產方式；表現為依賴于自然生態提供的寶貴天然藥物資源或是通過占有大量的生產力要素生產的藥材，其資源利用效率和產業經濟效益均較低下，巨量的副產物及下腳料被作為廢物排放或簡單轉化為低附加值產品。

據初步統計，目前我國300余種常用中藥材依靠人工生產供給，種植面積達400余萬公頃，藥材生產過程每年直接產生非藥用部位約7500萬噸，加之藥材及中藥飲片加工下腳料，總量逾億噸。以消耗中藥和天然藥物資源性原料進行中藥制藥、多類型健康產品、配方顆粒、標準提取物等深加工產業化過程每年消耗藥材約8500萬噸，深加工產業年產生固體廢棄物及副產物高達5500余萬噸，液態廢棄物達數億噸。由此造成中藥資源的嚴重浪費，并對生態環境帶來巨大壓力。

本團隊針對我國中藥資源產業領域存在的藥材生產與深加工產業化過程資源利用效率低下、資源浪費嚴重、生態環境壓力不斷加劇等重大經濟、社會和生態問題，圍繞中藥資源全產業鏈各環節產生的不同類型廢棄物及副產物開展循環利用研究與轉化應用。創新性地提出并構建了中藥資源循環利用理論基礎和技術體系，并在中藥農業、中藥工業領域得到推廣應用，有力推動了中藥產業的提質增效和綠色發展，促進了中藥資源產業化過程由傳統的線性發展模式與生產方式向循環經濟生態發展方式轉變[1-4]。

1 創新性地提出并構建了中藥資源循環利用理論體系

1.1 中藥資源循環利用創新理論

資源循環利用(resources circulating utilization)的概念起源于20世紀60年代，漸至20世紀90年代隨著依賴于自然資源的重要工業資源危機和相伴而來的生態環境破壞等社會經濟問題不斷加劇，如何減少資源消費、提高資源利用效率、減少排放以保護人們賴以生存的生態環境等社會、經濟、科學問題，已無法回避地擺在了世界各國政府、學者及產業界面前。資源循環利用的理念及其新型的社會經濟發展模式和生產方式逐漸被認同并推行。發達國家更是率先將循環利用的策略和經濟變革方式有效應用于實踐，一大批遵循循環利用方式的工業園區、產業集群、示范企業在政府及優惠政策的引導下迅速崛起，循環利用再生產業得到了社會的尊重和認可，循環經濟效益帶來了企業新的經濟增長空間和發展前景。

在中藥資源產業化過程中，通過現代提取分離、精制純化等工業技術集成和材料科學的有效運用，通過深加工過程的工程技術革新與工藝條件優化，通過生物活性系統評價，發現藥用生物資源的多宜性價值和新用途，實現綜合利用，減少資源投入和消耗，降低生產成本，提升資源利用效率，節約生產力成本。通過適宜技術集成和工藝條件優化，促進藥材中資源性化學物質的有效轉移和得率提高，減少資源投入；通過對藥用生物資源各類資源性化學物質利用價值不斷研究發現，以逐步實現有限資源的多元化、精細化利用，已成為減少資源消耗、推進低碳經濟發展的推廣模式；通過降低原料成本以提升產品競爭力，實現資源節約型和環境友好型的循環經濟發展目標[5]。

1.2 中藥資源循環利用5種模式

依據社會需求、行業及區域經濟發展水平，基于中藥資源全產業鏈各環節產生的廢棄物及副產物形成背景、利用現狀、生態壓力諸因素，通過長期探索實踐和理論創新，形成了轉化增效、精細高值化、粗放低值化的多層級利用策略；基于不同類型廢棄物的理化性質、資源化潛力等特點，創建了5種中藥資源循環利用模式：針對具有潛在藥用價值的非藥用部位，創建“基于藥材生產過程傳統非藥用部位的新資源藥材、醫藥產品開發模式”；針對具有生物轉化潛質的中藥廢棄物，創建“基于中藥固廢物及副產物的生物酶、低聚糖、生物醇等系列產品開發模式”；針對具有熱解炭化價值的中藥廢棄物，創建“基于中藥固廢物的炭-液-氣聯產產品開發模式”；針對藥食兩用資源特點的非藥用部位，創建“基于藥材生產過程傳統非藥用部位的功能食品開發模式”；針對具有材料化性能的中藥廢棄物，創建“基于中藥固廢物的功能材料制備及產品開發模式”。

在長期探索和大量實踐的基礎上，將中藥資源化學理論與循環經濟學理論融會貫通，創建形成一套較為系統的中藥資源循環利用與產業綠色發展的理論體系，編撰出版了我國第一部中藥資源循環利用學術專著，為我國中藥及天然藥物資源全產業鏈的提質增效和綠色發展提供了理論依據。通過推廣應用，形成了綜合效益顯著增加、資源浪費與環境壓力顯著減少的“一增一減”綠色發展樣板；為推動我國中藥產業提質增效、可持續發展，促進生產方式與發展模式的轉變探索出了一條可復制、易推廣的有效途徑(見圖1)[5]。

圖1 中藥資源循環利用模式與途徑

2 系統構建適宜于中藥廢棄物及副產物的化學轉化、生物轉化和物理轉化循環利用技術體系

2.1 中藥廢棄物及副產物中資源性化學物質的綠色化學分離技術

2.1.1 資源性化學物質富集制備的酶解釋放-膜/色譜分離工程耦合技術 膜分離技術是以先進的分離材料為載體，利用經特殊制造的具有選擇透過性的薄膜，在外力(如膜兩側的壓力差、濃度差、電位差等)推動下對資源性物質進行分離、分級、提純、濃縮而獲得目標產物的過程，是一種新型綠色分離技術。膜分離技術具有節約、清潔、安全等優勢，符合循環經濟的發展思路。而膜分離過程與其他分離方法的耦合，如膜分離與大孔吸附樹脂技術的集成、膜分離與萃取技術的集成、膜分離與酶解技術的集成等，均能提高資源性化學物質的分離效率和產物品質。因此，膜分離集成技術可成為中藥資源循環利用過程精制資源性物質的重要方法技術[6-7]。

2.1.1.1 膜分離與酶解技術、超濾技術的集成 依據中藥廢棄物中資源性化學物質的組成特點，膜分離單元操作過程的篩分效應和擴散效應均需在中藥多元成分的溶液狀態下進行，即利用待分離混合物各組成成分在質量、體積大小和幾何形態的差異，或者待分離混合物各組分對膜親和性的差異，借助壓力梯度場等外力作用實現，此分離過程選擇性較低。酶解釋放技術是利用酶的催化作用將自身物質分解，從而有利于植(動)物細胞中次生代謝產物的溶出或轉化為更有利于充分利用的代謝產物。超濾技術是納米級薄膜分離技術，它以壓力差為0.1～0.5 MPa的推動力，利用多孔膜的攔截能力，以物理截留方式，將溶液中不同大小的物質顆粒分開，從而達到純化和濃縮的目的。該集成技術成功應用于脈絡寧注射液生產過程中產生的乙醇沉淀副產物[8-9]及丹紅注射液生產過程中產生的丹參藥渣[10-12]資源化利用過程，顯著提升了資源利用效率。

2.1.1.2 膜分離與離子交換色譜分離集成 離子交換色譜是以離子交換劑為基本載體的一類分離技術。離子交換劑主要有無機離子交換劑，如沸石、活性炭等；合成有機離子交換樹脂，如陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂和兩性離子交換樹脂等。離子交換的過程即是溶液中的可交換離子與交換劑上的抗衡離子發生交換的過程，該過程遵循“平衡、速度差與反應”分離原理。例如，針對制備苦參素等標準提取物過程產生的廢棄物及副產物，采用陽離子交換樹脂富集生物堿，在水溶液條件下獲得苦參堿類成分，通過資源價值發現創新開發以槐定堿、槐果堿等生物堿類成分為主要組成的總生物堿醫藥中間體和植物源生物農藥原料[13]；利用制備甘草酸醫藥原料過程產生的副產物，創制形成非糖甜味劑等資源性產品并實現產業化[14-15]。實現了中藥標準提取物及醫藥原料生產過程資源性物質的分層次精細高值化循環利用。

2.1.2 中藥廢棄物及副產物的炭-液-氣聯產技術 以農林廢棄物為代表的生物質在缺氧條件下經高溫裂解形成生物碳、木醋液、可燃氣，是目前用于生物質處理和轉化利用的有效方式。中藥固體廢棄物在一定程度上與農林廢棄物具有較高的相似性，但也有其物料來源多樣、理化性質差異較大等特性，傳統熱解工藝及裝備較難適應中藥廢棄物的炭化處理[16]。為此，本課題組在革新炭化工藝的基礎上，研制形成直燃下吸式固定床熱解炭化、直燃式流化床熱解炭化以及干餾法等適宜于中藥廢棄物及副產物熱解炭化技術及裝備，并進行了聯產生物質炭、木醋液、可燃氣等系列產品的產業化開發[17-18]。引入熱裂解技術，形成分離工程-熱裂解耦合技術體系，并自主研制適宜于高含水難處理中藥固廢物的熱循環預處理-炭化/氣化一體化裝備，創制形成動態傳熱提效的中藥固廢物新型干餾炭化設備(見圖2、3)。該技術體系的創建與應用為中藥固廢物聯產制備醫藥/化工產品及其生物炭、木醋液、可燃氣等資源性產品提供了轉化增效途徑。

圖2 直燃下吸式連續熱解炭化機組示意圖

圖3 連續式無氧熱解炭化機組示意圖

2.2 適宜于中藥廢棄物及副產物資源化利用的生物轉化技術

2.2.1 適宜于中藥廢棄物及副產物生物轉化的微生物菌種篩選及菌庫構建 微生物轉化是利用微生物代謝過程中產生的酶使底物進行有機反應，故又稱微生物酶法轉化。通常可進行生物轉化的微生物主要有曲霉屬、根霉屬、毛霉屬、紅曲霉菌屬等菌株。在生物轉化過程中獲得高效的功能菌種是其發酵技術的源頭和核心技術，而菌種發酵水平也是企業產品市場競爭力的體現，因此功能菌種的篩選成為生物轉化的關鍵技術之一。與傳統轉化底物比較，多數中藥廢棄物及副產物含有抑菌物質，殘留有機溶劑，市場缺少有效轉化菌種。因此，構建具有高抗逆性、能夠將中藥廢棄物及副產物中的資源性物質進行有效轉化、尤其是將纖維素及木質素類成分進行有效轉化的微生物菌種資源庫尤為重要[19]。

本團隊針對不同品種中藥廢棄物及副產物獨特的理化特性及其潛在資源化價值取向，采用現代高通量篩選技術，成功篩選并馴化得到適宜于產纖維素酶發酵的草酸青霉菌株、擴展青霉菌株[20-21]、適宜于制備植物多糖的中間蒼白桿菌株[22-23]、適于中藥油脂類廢棄物轉化的黏質沙雷氏菌株、具有耐醇/酯等有機溶劑的高抗逆性解淀粉芽孢桿菌株[24-26]、地衣芽孢桿菌等[27-29]。在此基礎上，經基因工程菌構建形成系列高產菌株(見圖4)，推廣應用于甘草藥渣、丹參藥渣、黃芪藥渣等十余種中藥廢棄物及副產物的轉化利用。

圖4 中藥廢棄物及副產物適宜生物轉化方法技術示意圖

2.2.2 適宜于富含纖維素類大分子物質的中藥廢棄物及副產物的產酶發酵-酶解糖化技術體系構建 中藥資源產業化過程中產生的非藥用部位及藥渣中除含有次生代謝小分子產物外，尚含有大量的纖維素、木質素等大分子類資源性物質。開展富含纖維素類物質的中藥廢棄物再生利用，不僅可有效消耗中藥制藥過程中產生的大量非藥用部位及藥渣廢棄物，降低環境承載壓力，同時也可實現資源循環利用，實現中藥工業的可持續發展。本團隊集成目前用于纖維素類物質生物轉化多項目技術，以甘草、丹參等富含纖維素類物質的中藥藥渣為原料，采用高壓熱解法使中藥藥渣中的半纖維素類物質降解為木糖液，經固液分離、脫色純化等工藝制取木糖；固形物采用經多次誘變的高產纖維素酶菌株發酵、固液分離分別獲得纖維素酶液和發酵菌渣；發酵菌渣進一步與富含纖維素類物質的中藥藥渣混合發酵后，加入產乙醇酵母用于發酵提取工業乙醇，發酵后剩余的渣料用于制備生物肥料。該技術體系通過連續成套工藝，實現了以富含纖維類物質的中藥廢棄物及副產物聯產低聚木糖、纖維素酶、工業乙醇、生物有機肥等資源性產品，降低了生產成本，實現了資源高效利用[30]。

2.3 適宜于中藥廢棄物及副產物資源化利用的物理轉化技術

物理轉化技術主要指通過壓縮技術、固化成型技術將中藥廢棄地上莖葉稈、廢棄藥渣等轉化為固體化燃料、工業化材料等[31]。

2.3.1 適宜于中藥廢棄物及副產物制備生物質顆粒的固化成型技術 固化成型技術改變了傳統的生物質能轉化利用方式，將各類原料經粉碎、干燥、高壓成型等環節使原來分散的、沒有一定形狀的原料壓縮成具有一定幾何形狀、密度較大的成型燃料，是目前國內外利用生物質能比較普遍且效果顯著的技術之一，也為中藥資源生產加工過程產生的廢棄非藥用組織器官、地上莖葉稈以及深加工過程廢棄藥渣的資源化利用提供了一種簡單方便、成本較低、具有可操作性的資源化利用途徑。本團隊在現有技術的基礎上，以高含水藥渣為原料，通過擠壓脫水、復配生物質炭、木屑、擠壓固化成型等工藝，優化形成適宜于高含水中藥藥渣生物質顆粒的制備技術，可有效消耗中藥制藥過程中產生的大量藥渣廢棄物，一方面生產原料成本低廉、價格優勢明顯，另一方面可有效降低環境承載壓力[32]。

2.3.2 適宜于中藥廢棄物及副產物的功能板材制備技術 木塑復合材料(wood-plastic composite，WPC)是利用廢棄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環境友好復合材料，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，具有較好的市場應用前景。多數中藥固體廢棄物含有和傳統木塑原料(如楊木等)類似的植物纖維和相似的理化特性，為潛在優良低價的木塑產品原料，具有廣闊的市場應用潛力和前景。此外，因木塑產品常應用于室外，易受細菌、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[33]。

本團隊前期選取了黃蜀葵花采收后殘余的根及莖桿廢棄物，采用擠出成型的方法進行工藝研究，構建了基于中藥廢棄物及副產物制備木塑板材技術體系，具體為：將黃蜀葵莖桿加工成細度60～80目、含水分5%的黃蜀葵莖桿粉末，然后將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，充分攪拌至均勻后按照不同比例的物料經過造粒、擠出、成型、砂光和壓花等步驟制得多類型功能性木塑產品[34]。此外，本課題組還嘗試建立了通過蒸爆解纖自膠結形成纖維板材的中藥廢棄物纖維板材制備技術，為以中藥廢棄物為原料制備功能板材產品實現中藥固體廢棄物資源化利用提供了技術支撐[35]。

3 中藥廢棄物及副產物資源化利用研究實踐與推廣應用

3.1 創新20余種非藥用部位的資源價值，創制形成新醫藥及健康產品等資源性產品

中藥資源循環利用模式和適宜技術體系推廣應用于黃芩莖葉、丹參莖葉、菊莖葉、山楂種子等20余種非藥用部位資源化利用與開發，提升了資源利用效率和效益。

實例1：創建菊莖葉根“源于農田歸于農田”的循環利用模式。針對我國每年約2萬公頃菊花種植面積和摘花后4倍于花序生物量的莖葉資源未被利用而廢棄的重大社會問題，通過對其系統的資源化利用研究，在獲得菊莖葉精油、黃酮類、倍半萜類、多糖類物質用于制備空氣清新劑、化妝品、畜禽腸道微生態平衡調理劑等資源性產品的基礎上，其殘草經熱解炭化、產酶發酵復合生產纖維素酶和生物炭，形成含纖維素酶炭基復合肥產品，還田施用有效改善土壤物化特性和連作障礙[36-39]。

實例2：丹參帶花莖葉作為新資源藥材納入地方藥材標準。針對我國每年丹參藥材種植過程產生的20余萬噸莖葉開展系統的資源價值發現及產業化開發研究[40]，制定了丹參莖葉藥材質量標準，作為新資源藥材已收錄于《陜西省藥材標準》。發現丹參莖葉可替代丹參藥材作為丹酚酸醫藥/化工原料的高值化利用價值，并已建立丹酚酸原料制備工藝和小批量生產[41-43]。

實例3：以山楂藥材加工下腳料種子為原料研發婦潔洗液新藥并聯產炭、液、氣。針對山楂藥材或果干、飲品加工過程產生的大量廢棄種子資源，通過資源價值發現創新開發出天然、高效、安全的婦科抗菌洗液新藥。在此基礎上，通過工藝革新實現炭-液-氣聯產，有效提升其產品品質，同時聯產熱解氣和生物炭。熱解氣燃燒產熱不僅實現了企業能源自給，且延伸產生系列生物炭產品，有效提升了資源利用效率和效益，為山楂主產區果農增收和地方經濟發展做出了重要貢獻[44-45]。

實例4：酸棗仁加工過程副產物循環利用，助力革命老區脫貧致富。針對酸棗仁藥材加工過程產生大量果肉、核殼、葉等資源化利用問題，構建形成了分層次利用各類資源性物質的開發利用策略，創制以酸棗果肉副產物為主要原料的酸棗果肉多糖鐵、棗皮色素等系列功能性產品；創建了從酸棗果肉提取殘渣中同時制備可溶性與不溶性膳食纖維的制備工藝；首次利用酸棗核殼制備木糖和糠醛，進一步制備微晶纖維素及高吸附性能活性炭，實現了資源循環利用及生產過程污染物零排放[46-50]。與此同時，相關技術成果推廣應用過程中促進了延安老區酸棗規范化種植基地的轉型升級，帶動農戶的脫貧致富與增產增收。

3.2 實現中藥材深加工產業化過程不同類型單味及復方制劑固廢物及副產物的轉化利用，創制形成新醫藥/化工原料、功能性酶等系列資源性產品

3.2.1 單味中藥提取及配方顆粒生產過程廢棄物及副產物的資源價值創新與產業化 針對丹參藥材提取精制過程產生的固廢物及副產物，采用酶解處理耦合膜分離技術創新性地從丹參提取藥渣中富集制備得到丹參酮醫藥/化工原料；利用色譜分離-超濾/納濾串聯技術從丹參提取物醇沉沉淀中分離制備出高品質水蘇糖醫藥原料；剩余殘渣經產酶發酵、酶解糖化，轉化形成纖維素酶、低聚糖、生物乙醇等資源性產品，延伸了資源產業鏈，實現了丹參藥材深加工過程的提質增效與綠色發展。

3.2.2 復方中藥制劑生產過程固廢物及副產物的資源價值創新與產業化 針對中藥制藥過程高含水中藥復合藥渣排放等環境難題，創新熱解炭化工藝，創制適宜技術裝備，轉化應用于以穩心顆粒為代表的復合藥渣資源化利用與有效處置，轉化形成清潔燃氣、生物炭等資源性產品，所產生的清潔燃氣/蒸氣為工業生產提供清潔能源，熱解碳化/氣化后的生物炭/草木灰作為復合有機肥料用于中藥材種植，實現中藥渣無害處理與伴生能源收集/轉化利用的集成創新、循環利用和處置過程的零排放，減少藥渣排放，節約藥渣清運和處理費用，產生顯著的經濟、社會和生態效益。

4 總結與展望

針對中藥材生產與深加工產業化過程產生的非藥用部位、固體廢棄物及副產物，創建了資源循環利用策略、模式及適宜技術體系，并實現轉化應用，取得了系列創新成果，但限于中藥資源行業領域的復雜性及現有政策法規的約束性，項目研究成果仍存在一定的局限性。中藥資源產業涉及藥材生產、藥材及飲片加工、中藥制藥等深加工過程，涵蓋中藥農業、中藥工業兩大產業鏈條，所產生的廢棄物及副產物來源復雜、組成多樣、理化特性差異較大，資源化程度不一。因此，開展中藥資源產業化過程廢棄物及副產物的循環利用與產業化開發具有復雜性和連續性。

中藥資源循環經濟體系的構建不僅取決于科學技術的發展程度，同時與配套政策法規的建設密切相關。資源的多宜性與多用性特點決定了中藥資源產業化過程廢棄物及副產物資源化利用途徑的多元性。但現有政策法規與資源循環經濟發展模式認識尚存在較大差距，尚未形成有效的激勵機制和導向政策，在一定程度上制約了中藥資源全產業鏈各環節產生的廢棄物和副產物的資源化利用、相關領域研究成果的有效轉化和產業鏈延伸動力的形成，亟待政府、社會和企業共同倡導，在充分論證的前提下，基于循環經濟發展理念，從政策保障層面拓寬中藥廢棄物及副產物的資源化利用途徑，以全面推動中藥資源產業循環利用及綠色發展方式的構建。