王嵐，王寧，李坦，陳洪章

中國科學院過程工程研究所 生物質(zhì)煉制工程北京市重點實驗室，北京 100190

原料煉制

鹽膚木生物質(zhì)煉制工程

王嵐，王寧，李坦，陳洪章

中國科學院過程工程研究所 生物質(zhì)煉制工程北京市重點實驗室，北京 100190

鹽膚木為我國鄉(xiāng)土植物，分布范圍廣，資源量豐富。鹽膚木果實含有油脂，但含油量低，因此鹽膚木是一種非典型油料植物，不能單獨作為油料植物進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。作者根據(jù)多年對鹽膚木果實和枝椏梢頭物料特性的研究，提出了以蒸汽爆破為核心技術(shù)的鹽膚木生物質(zhì)煉制新模式，提取的鹽膚木果油申請了國家衛(wèi)生部新資源食品并獲得了新資源食品許可批文。以鹽膚木資源為原材料，以蒸汽爆破技術(shù)為依托，集成不同組分分離技術(shù)，各組分分別進行功能轉(zhuǎn)化，形成了鹽膚木果油、生物柴油、蛋白飼料、黃酮、本色面巾紙、酚醛樹脂、生物質(zhì)成型燃料、沼氣八大產(chǎn)品的鹽膚木生物質(zhì)煉制技術(shù)體系和生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈集成，為自然界中非單一經(jīng)濟型野生植物資源的開發(fā)提供了新的模式。

鹽膚木，蒸汽爆破，生物質(zhì)煉制

自然界植物種類繁多，功能多樣，可用于食品、醫(yī)藥、能源、建筑、材料、化工等領(lǐng)域，為人類的生存和發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。然而被人類開發(fā)利用的卻很少，主要是一些單一功能性植物，如糧食作物、油料植物、糖類作物、藥用植物、纖維類植物、特殊功能植物 (如漆樹、橡膠樹等) 等。實際上，很多植物資源具有多種功能，如藥食兼用植物，然而功能特性往往并不突出，造成這類植物資源很難被產(chǎn)業(yè)化開發(fā)利用。在自然界中，這樣的“非典型經(jīng)濟作物”種類繁多，資源豐富，蘊藏著極大的應用潛能，如能科學開發(fā)、合理利用，則會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，尤其有利于一些偏遠貧困地區(qū)難以依靠種植傳統(tǒng)經(jīng)濟作物過活的農(nóng)民，可以依靠當?shù)氐牡乩砬闆r合理開發(fā)野生植物資源，擺脫貧困，增產(chǎn)增收。

我國林業(yè)生物質(zhì)資源豐富，林業(yè)經(jīng)濟種類多，除擁有大量開發(fā)利用的能源樹種和經(jīng)濟樹種，還存在種類繁多但尚未充分利用的能源林以及大量林業(yè)生產(chǎn)剩余物。木本油料植物是林業(yè)經(jīng)濟的重要組成部分。我國已查明的油料植物中，種子含油量40%以上的植物有150多種，能夠規(guī)?；嘤膯坦嗄緲浞N有30多種，如油棕、無患子、小桐子等[1]。但自然界的大部分野生種子植物，含油量都低于上述典型油料植物，這類植物種類多、數(shù)量大，為非典型油料植物，鹽膚木是其中的代表之一。鹽膚木通常生長在非農(nóng)業(yè)區(qū)，因其不與糧爭地，故具有很高的商業(yè)開發(fā)價值。

鹽膚木葉片上形成的五倍子是醫(yī)藥、冶金、石油、鞣革、食品、染料等工業(yè)的重要原料，一直以來，五倍子是鹽膚木資源開發(fā)利用的主要創(chuàng)收點，因此，目前人們對鹽膚木的研究主要在于如何改進其栽培技術(shù)，提高五倍子的產(chǎn)量[2]。除此之外國內(nèi)有關(guān)鹽膚木的研究報道還主要集中在對鹽膚木生物學特性、五倍子培育、野生林的改造、種子育苗、栽培以及病蟲害防治等方面的研究，開發(fā)利用方面的報道較少，僅有將其根、莖、葉、花、果用作傳統(tǒng)中醫(yī)的臨床用藥；或?qū)⑵渥鳛橐吧秤檬卟恕暳霞熬G肥。

由于鹽膚木為非典型油料植物，各功能特性均不突出，因此目前尚未形成規(guī)模化、規(guī)范化、集約化的專用經(jīng)濟林基地。本文根據(jù)作者多年對鹽膚木果實和枝椏梢頭物料特性的研究，提出了以蒸汽爆破為核心技術(shù)的鹽膚木生物質(zhì)煉制新模式，為自然界中非單一經(jīng)濟型野生植物資源的開發(fā)提供了新的模式。

1 鹽膚木資源介紹

1.1 鹽膚木資源

鹽膚木 (Rhus chinensis Mill) 又稱鹽膚子、五倍子樹，為漆樹科鹽膚木屬落葉小喬木，高2–10 m。鹽膚木為中國本土植物，俗稱中國漆樹[3]。鹽膚木根系發(fā)達，耐干旱瘠薄，適生范圍廣，生長勢旺，固碳能力強，生態(tài)效益顯著。全國除內(nèi)蒙古、青海、新疆和東北北部外，均有分布。垂直分布在海撥2 700 m以下的荒山野地、丘陵山坡以及溪澗深谷兩旁等地[4]。同時，鹽膚木林生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高，10 000 m2鹽膚木人工種植基地每年可生產(chǎn)鹽膚木果實4.5 t，鹽膚木撫育剩余物15 t。

鹽膚木作為木本油料植物，是我國能夠規(guī)?；嘤?0多種喬灌木樹種之一，同時也是我國提倡可以作為能源林基地建設的油料能源樹種[1]。

1.2 鹽膚木開發(fā)利用現(xiàn)狀

鹽膚木對土壤適應性強，在酸性、中性、石灰性及瘠薄干燥的沙礫地上都能生長，生長快、耐干旱瘠薄、根孽力強，是重要的造林及園林綠化樹種，可用于鹽堿地造林綠化，也可開發(fā)為裸露坡面生態(tài)修復的鄉(xiāng)土護坡植物[5-7]。

鹽膚木是中國傳統(tǒng)藥用植物[8-9]，其根、莖、葉、果實及五倍子均可入藥，民間用于治療感冒、發(fā)燒、瘧疾等[3,10-12]。寄生在鹽膚木上的五倍子主要成分為五倍子單寧[13]，具有斂肺、降火、澀腸、止血等作用[4]。鹽膚木除具有藥用價值外，還具有經(jīng)濟價值，五倍子作為重要的工業(yè)原料，廣泛應用于醫(yī)藥、化工、印染、冶金等行業(yè)，國內(nèi)外市場需求量巨大。

2 鹽膚木生物質(zhì)煉制工程關(guān)鍵問題

表1 鹽膚木果實的主要化學成分 (%)Table 1 Main chemical constituents of sumac fruit (%)

2.1 鹽膚木果實

鹽膚木果實為核果，近扁圓形，直徑3–4 mm，果實千粒重12 g左右，外包果皮，內(nèi)含種子1枚。外果皮和中果皮合為果肉，薄而軟，易剝落；內(nèi)果皮高度木質(zhì)化成為果核，堅韌致密，果肉、內(nèi)果皮和種子三者所占果實的重量百分比和化學成分差異顯著 (表1)。

鹽膚木果實含油量為15%–30%，其全成分分析如表2所示，鹽膚木果油主要含有棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、油酸和亞麻酸5種脂肪酸類型，不飽和脂肪酸含量超過85%以上。其中亞油酸含量較高，高達69%，亞油酸是公認的能夠促進人體健康的有益脂肪酸。因此鹽膚木果油是一種優(yōu)質(zhì)的食用油，對于現(xiàn)在越來越崇尚健康生活的人們來講，鹽膚木果油可以作為一種新的理想的食用油。鹽膚木果油是從鹽膚木果實中分離的油脂產(chǎn)品，是一種新的、野生的、優(yōu)質(zhì)的食用油脂資源，經(jīng)衛(wèi)生部主持的新資源食品認證，鹽膚木果油經(jīng)毒理學、衛(wèi)生學、急性毒性試驗、三項遺傳性試驗等安全性檢驗全部符合食用油標準。目前鹽膚木果油已獲得了衛(wèi)生部的新資源食品許可批文 (批號：衛(wèi)食新準字 [2012] 第0016號)。

鹽膚木種子的蛋白質(zhì)含量較高，為29.11%。此外，鹽膚木果實富含天然活性物質(zhì)——黃酮類化合物 (槲皮素-3-O-鼠李糖苷，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示)，每100 g鹽膚木果實含有黃酮1.85 g左右，它具有非常廣泛的生理和藥理活性，目前在食品、保健、醫(yī)療、化妝品等領(lǐng)域用途廣泛。

表2 鹽膚木果油全成分分析表Table 2 Sumac fruit oil ingredients analysis

圖1 槲皮苷 (槲皮素-3-O-鼠李糖苷) 的分子結(jié)構(gòu)圖[14]Fig. 1 Molecular structure of quercitrin (Quercetin-3-rhamnosid)[14].

鹽膚木果實富含油脂、粗蛋白以及黃酮類化合物，可以對鹽膚木果實進行開發(fā)，提取其中的油脂、蛋白質(zhì)和黃酮類化合物等，因此鹽膚木果實具有巨大的開發(fā)價值。

2.2 鹽膚木撫育剩余物

鹽膚木在種植過程中為了控制鹽膚木株型，需要對鹽膚木進行修剪；同時，鹽膚木分蘗能力強，每年會產(chǎn)生大量的鹽膚木修剪枝條和根系萌發(fā)莖，鹽膚木撫育剩余物即鹽膚木枝椏梢頭和根系萌發(fā)莖，為木質(zhì)纖維素資源。

2.3 鹽膚木資源綜合利用

2.3.1 鹽膚木果實綜合利用

鹽膚木每年產(chǎn)生大量果實，其中蘊含豐富的油脂和天然活性物質(zhì)，與單一型經(jīng)濟作物如油料植物、糖類植物、藥用植物、茶林等相比，鹽膚木同自然界中大部分植物一樣，并沒有一個非常突出的開發(fā)價值：其果實含油量相比其他油料作物為低，雖含有具藥用價值的黃酮類卻也不足以單獨用于黃酮提取。鹽膚木果實出油率在20%左右，尚有70%的剩余物，作為餅粕利用似乎是森林資源的一種浪費。因此，僅提取某一種成分不但會造成資源浪費也不能獲得較好的經(jīng)濟效益，這也是鹽膚木這么多年來一直自生自滅，未能得到開發(fā)利用的主要原因。因此，以鹽膚木果實為原料，采取分級分層利用，建立生態(tài)產(chǎn)業(yè)開發(fā)模式，是提高鹽膚木果實的綜合利用價值的有效途徑。

2.3.2 鹽膚木撫育剩余物綜合利用

鹽膚木根系萌發(fā)性特別強，人工栽培控制株型的修剪和根系萌發(fā)莖，一年可得到1 t左右的撫育剩余物 (枝丫和根發(fā)株)。林業(yè)廢棄資源是生物質(zhì)資源的重要部分，林業(yè)廢棄資源如得不到合理的利用，廢棄在林地中自然分解，在能源形勢已經(jīng)很嚴峻的今天，是一種巨大的浪費。目前對林業(yè)廢棄物的開發(fā)利用有限，具有很大的開發(fā)利用空間。因此有必要對這些生物質(zhì)資源進行科學利用，提高林地生產(chǎn)力。

3 鹽膚木資源煉制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鹽膚木果實汽爆處理提取油脂

對鹽膚木果實來說，油脂和黃酮等被包圍在微小的果實細胞里，而細胞又深深地包圍在纖維結(jié)構(gòu)中，不易提取出來。同時，富含油脂的種子外面包裹著堅韌厚實的果核 (內(nèi)果皮木質(zhì)化而成)，因此，在提取油脂和黃酮之前必須將果實破碎以破壞細胞，釋放出油脂和黃酮。傳統(tǒng)方法一般采用機械粉碎對物料進行破碎處理，但由于鹽膚木果核韌性較強，對于外力的作用有很大的抵抗力，因此機械處理對果實細胞的破壞程度有限。而且，機械粉碎程度較大時，果實物料容易粘連成團成塊，反而不利于溶劑浸入，影響提取效果，此外也會增加設備磨損折舊。

蒸汽爆破技術(shù)近年來廣泛應用于木質(zhì)纖維素原料處理領(lǐng)域，在物料的粉碎破壁預處理方面效果顯著[15]。物料在汽爆罐內(nèi)與飽和水蒸汽混合并維持短時間的高溫高壓，然后突然減壓釋放，產(chǎn)生的破壞力能夠達到良好的粉碎效果[16]。

圖2 機械粉碎和汽爆 (1.5 MPa/5 min) 鹽膚木果實的對比照片[16]Fig. 2 Pictures of sumac fruits treated by milling and steam explosion (1.5 MPa/5 min)[16].

針對鹽膚木果實籽粒小且含有堅硬果核的特點，采用汽爆這種能有效破壞植物細胞壁結(jié)構(gòu)的技術(shù)對原料進行處理，建立鹽膚木汽爆處理提取油脂技術(shù)。利用蒸汽爆破對鹽膚木果實進行預處理，物料在汽爆罐內(nèi)和飽和水蒸汽混合并維持短時間的高溫高壓，然后突然減壓釋放，產(chǎn)生的破壞力能夠達到良好的粉碎破壁效果，而且同時實現(xiàn)粉碎和濕熱處理，簡化了工藝。經(jīng)過蒸汽爆破預處理的鹽膚木種子細胞破壞徹底，料坯呈薄片狀，多孔性增加 (圖2)。對蒸汽爆破的料坯進行溶劑浸提制油，溶劑的滲透作用得以加速進行，萃取效率提高，浸出時間縮短，粕中殘油降低。通過條件優(yōu)化，當汽爆預處理條件為1.5 MPa/5 min時油脂提取率最高，在100 min時提取率達到92%，比未處理原料和粉碎料分別高443%和21%。

另外，通過油脂理化性質(zhì)分析以及化學組成分析，與未處理的鹽膚木果油相比，蒸汽爆破處理降低了鹽膚木果油的酸值，提高了鹽膚果油的碘值。同時，油脂中的中性油含量和不飽和脂肪酸含量也得到了提高。因此，蒸汽爆破處理，有利于提高油脂的品質(zhì)[17]。

引入汽爆技術(shù)于油脂加工，整合了油脂制取工業(yè)中油籽粉碎與濕熱處理2個過程，克服了傳統(tǒng)油料預處理中粉碎軋坯、濕熱蒸炒等復雜繁瑣、耗能耗時的弊端，建立新型、高效、清潔的油料處理技術(shù)工藝。

3.2 汽爆鹽膚木果實油脂加工剩余物的綜合利用

3.2.1 汽爆鹽膚木果實油粕制備蛋白飼料

如表1所示，鹽膚木種子的蛋白質(zhì)含量較高，為29.11%，提取油脂后種子粕的蛋白質(zhì)含量高達38.27%，可用于生產(chǎn)高蛋白飼料。但果核高度木質(zhì)化，堅硬致密，蛋白質(zhì)含量低，僅為4.21%，嚴重影響了鹽膚木種子油粕的飼用價值。由于果核與種子的機械力學性能不同，因此汽爆對果核與種子的破碎效果具有顯著差異，果核破裂，粒徑大；種子破碎，粒徑小。因此可以根據(jù)爆破后的物料顆粒大小經(jīng)振動篩篩分，實現(xiàn)果核與種子的分離，汽爆提油后的鹽膚木種子作為蛋白飼料。由于汽爆集粉碎、膨化、軟化為一體，所以經(jīng)過了前面的汽爆工序，蛋白質(zhì)的粒徑中90%已經(jīng)降低至1 mm以下，對于傳統(tǒng)的飼料加工行業(yè)，本工藝省去了粉碎步驟，降低了能耗。

3.2.2 汽爆鹽膚木果實油粕提取黃酮類化合物

鹽膚木果核黃酮含量高，汽爆后的鹽膚木果核可用來提取黃酮。傳統(tǒng)的黃酮提取工藝采取溶劑提取，通常需要2–3 h或更長的時間，而長時間高溫提取過程容易造成黃酮降解[18]，因此，有必要提高黃酮提取效率，縮短提取時間，以減少提取過程中的黃酮損失。經(jīng)過蒸汽爆破預處理的鹽膚木種子細胞破壞徹底，料坯呈薄片狀，多孔性增加，相比粉碎提油粕來說，從汽爆提油粕中提取黃酮更容易，提取效率高，時間短。通過單因素實驗優(yōu)化了汽爆鹽膚木果實黃酮提取條件，最佳條件為：以液固比20的70%乙醇，在80 ℃提取2次，每次20 min，在此條件下總黃酮提取率達到95%。該工藝方法相比傳統(tǒng)方法縮短了提取時間，有利于減少溶劑用量，降低能耗，提高生產(chǎn)效率[14]。

鹽膚木果實中的黃酮以槲皮苷的形式存在。蒸汽爆破具有脫糖苷作用，通過蒸汽爆破處理，可以在3–5 min內(nèi)將槲皮苷轉(zhuǎn)化為槲皮素，1.5 MPa處理5 min轉(zhuǎn)化率為84.51%，且無需添加任何酸堿化學品或酶類，而傳統(tǒng)槲皮素生產(chǎn)方式仍以槲皮苷的酸水解為主，整個水解過程需要0.5–2.0 h。因此蒸汽爆破技術(shù)對脫糖苷過程簡單而高效，實現(xiàn)了鹽膚木果實制備槲皮素的清潔生產(chǎn)[14]。

3.2.3 汽爆鹽膚木果實油粕制備生物質(zhì)成型燃料

能源問題關(guān)乎國家的發(fā)展命脈，生物質(zhì)能源為我國戰(zhàn)略性新興能源產(chǎn)業(yè)。汽爆鹽膚木果實油粕經(jīng)篩分處理得到的富含果核部分進行壓縮處理制備生物質(zhì)成型燃料，符合我國對生物質(zhì)能源的戰(zhàn)略要求。

剩余物經(jīng)實驗分析，粒徑主要分布在0.25–0.8 mm之間，基于這種原料的特性，在壓縮過程中不需要進行粉碎處理。采用非預熱熱壓成型工藝，該工藝的特點是，只在原料成型的部位加熱，原料進入壓縮結(jié)構(gòu)前不進行加熱。具體工藝流程為：1) 風干處理：保持含水量在40%以下；2) 加壓成型：將原料置于壓縮機中，控制轉(zhuǎn)速在90–160 r/min；3) 成型后的顆粒狀物進行冷卻包裝。

對制備的汽爆鹽膚木果實油粕成型燃料進行熱值分析，如表3所示。

與其他幾種生物質(zhì)秸稈的熱值分析進行比較發(fā)現(xiàn)，鹽膚木果油剩余物的灰分含量最低；鹽膚木果油剩余物的揮發(fā)分在幾種燃料中最高，固定碳含量最低；在低位熱值的比較中，鹽膚木果油剩余物達到了20.51 MJ/kg，在幾種燃料中最高。

將鹽膚木果實油脂提取剩余物(油粕)用于提取鹽膚木黃酮，制備蛋白飼料和生物質(zhì)成型燃料，實現(xiàn)鹽膚木果實的綜合利用和高值轉(zhuǎn)化[19]。

表3 汽爆鹽膚木提油剩余物與其他幾種生物質(zhì)秸稈燃燒熱值分析對比表Table 3 Steam exploded sumac oil extraction residue and several other straw biomass combustion heat value analysis

3.3 汽爆鹽膚木撫育剩余物的綜合利用

鹽膚木撫育剩余物為木質(zhì)纖維素原料，木質(zhì)纖維素在器官、組織水平組織結(jié)構(gòu)不均一，細胞及化學組成具有顯著差異，作為工業(yè)原料時往往僅利用其中某一組織、細胞或成分，從而造成了其他組織或成分的浪費。因此有必要開發(fā)清潔、高效的組分分離技術(shù)，實現(xiàn)不同組分的功能化轉(zhuǎn)化[20]。

3.3.1 汽爆鹽膚木撫育剩余物梳分分離

鹽膚木撫育林剩余物為一年生枝條，此時枝條處于快速生長期，因此韌皮部發(fā)達。韌皮部柔軟，木質(zhì)素含量低，纖維細胞細長，是制漿造紙的優(yōu)質(zhì)原料。木質(zhì)部較韌皮部堅硬，木質(zhì)素含量高，纖維細胞短小。由于韌皮部與木質(zhì)部的機械力學性能不同，汽爆后韌皮部與木質(zhì)部的破碎程度不同，形態(tài)差異顯著。韌皮部汽爆后呈纖維狀，而木質(zhì)部汽爆后呈碎片狀。根據(jù)韌皮部與木質(zhì)部汽爆后的形態(tài)差異，利用軸流式機械梳分技術(shù)可實現(xiàn)韌皮部與木質(zhì)部的分離[21]。

3.3.2 汽爆鹽膚木撫育剩余物韌皮部半纖維素的分離及沼氣發(fā)酵

半纖維素為無定形結(jié)構(gòu)、支鏈多、聚合度低，在預處理過程中很容易被降解[22]。汽爆氣相蒸煮過程中，半纖維素在自催化作用下大部分被降解為可溶性糖類，通過水洗，很容易將半纖維素分離出來。汽爆分離后的韌皮部經(jīng)過水洗分別得到含有半纖維素降解糖類的水洗液和纖維物料[23]。水洗液主要為可溶性糖類，可用于沼氣發(fā)酵。

3.3.3 汽爆鹽膚木撫育剩余物韌皮部制備紙漿和木質(zhì)素基酚醛樹脂膠粘劑

纖維物料為優(yōu)質(zhì)的纖維原料，用于制漿造紙。汽爆后的纖維物料，結(jié)構(gòu)疏松，有利于溶劑和藥品與原料的相互作用，對木質(zhì)素的提取和紙漿的漂白起到了促進作用[24]。韌皮部纖維細胞細長，是制漿造紙的優(yōu)質(zhì)原料，汽爆鹽膚木紙漿性能如表4所示。

木質(zhì)素是植物界中廣泛存在的芳香族化合物，含量僅次于纖維素，是一種富有工業(yè)價值的有機原料[25]，工業(yè)用木質(zhì)素主要來源于造紙廢液，然而超過95%的木質(zhì)素仍以造紙廢水的形式直接排入江河，或濃縮后燒掉，沒有得到高效利用，不僅浪費了資源，而且造成了土壤、水體等的嚴重污染。汽爆堿萃取得到的鹽膚木木質(zhì)素活性基團增加，分子量變小，可以替代苯酚制備酚醛樹脂膠黏劑[26]?；诖耍髡叱晒﹂_發(fā)了利用鹽膚木汽爆木質(zhì)素替代苯酚制備木質(zhì)素基酚醛樹脂膠粘劑，木質(zhì)素基酚醛樹脂膠粘劑技術(shù)指標如表5所示，游離苯酚和游離甲醛含量明顯低于國家標準，膠合強度明顯優(yōu)于國家標準。

3.3.4 汽爆鹽膚木撫育剩余物木質(zhì)部制備生物質(zhì)成型燃料

如表6所示，汽爆枝條木質(zhì)部與未經(jīng)汽爆鹽膚木枝條相比，灰分增加，揮發(fā)分減少，固定碳、高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量均呈現(xiàn)增加的趨勢，其中低位發(fā)熱量增加了近14%，全硫和氫的含量減少。

表4 鹽膚木紙漿性能分析Table 4 Performance analysis of steam exploded sumac pulp

表5 木質(zhì)素基酚醛樹脂膠粘劑 (木質(zhì)素基酚醛樹脂膠黏劑替代率30%)Table 5 Lignin-based phenolic resin adhesive (lignin-based phenolic resin adhesive replacement rate of 30%)

表6 鹽膚木枝條與汽爆枝條木質(zhì)部熱值分析比較表Table 6 Calorific value comparison of sumac branches xylem before and after steam explosion

4 鹽膚木資源汽爆煉制技術(shù)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)

根據(jù)鹽膚木果實和鹽膚木撫育剩余物的物料特征和功能特性，依托鹽膚木資源煉制關(guān)鍵技術(shù)的突破，提出了鹽膚木資源汽爆煉制技術(shù)產(chǎn)業(yè)化工藝路線，如圖3所示。鹽膚木資源汽爆煉制技術(shù)克服了鹽膚木資源利用的瓶頸，通過蒸汽爆破耦合分級分離技術(shù)，將鹽膚木資源拆分為不同的功能組分，并對各組分進行了最大功能化轉(zhuǎn)化，聯(lián)產(chǎn)食用鹽膚木果油、生物柴油、黃酮、本色面巾紙、木質(zhì)素基酚醛樹脂膠粘劑、蛋白飼料、生物質(zhì)成型燃料和沼氣8大產(chǎn)品，產(chǎn)品包含了食品、藥品、生物基能源與生物基材料，實現(xiàn)了鹽膚木果實及枝椏梢頭的綜合利用，為鹽膚木資源的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)提供了技術(shù)保障。

該工藝路線具有如下特點：

1) 蒸汽爆碎技術(shù)作為一種經(jīng)濟有效的預處理方法，廣泛用于多種原料，通過高溫蒸煮軟化物料，并瞬間減壓水蒸汽膨化做功，能有效破碎物料。鹽膚木油脂制取工業(yè)引入蒸汽爆破技術(shù)，整合了傳統(tǒng)工藝中的粉碎與濕熱處理過程，建立了新型高效的油料處理技術(shù)工藝。汽爆煉制的鹽膚木果油的各項指標完全符合國家食用油標準，并獲得了衛(wèi)生部的新資源食品許可批文 (批號：衛(wèi)食新準字 [2012] 第0016號)。

2) 蒸汽爆破煉制技術(shù)用于鹽膚木果實處理，不僅提高了油脂提取得率，還實現(xiàn)了果殼、果仁與活性成分的分層多級轉(zhuǎn)化綜合利用。

3) 蒸汽爆破技術(shù)耦合梳分分離技術(shù)，實現(xiàn)了鹽膚木撫育剩余物長短纖維的分離，有利于不同組織的最大功能化利用，避免了傳統(tǒng)整體利用方式造成的不同組織之間的相互影響，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

4) 傳統(tǒng)制漿黑液堿回收技術(shù)投資大，對黑液質(zhì)量要求高，木質(zhì)素得不到有效利用，木質(zhì)素制備酚醛樹脂膠粘劑技術(shù)，充分利用木質(zhì)素的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了木質(zhì)素的高值化利用。

5) 生產(chǎn)過程所需要的能源來自于自身產(chǎn)品中的沼氣和生物質(zhì)成型燃料 (發(fā)電或直接燃燒)，實現(xiàn)了能源自給并低碳環(huán)保。

圖3 鹽膚木資源汽爆煉制技術(shù)工藝流程圖Fig. 3 Sumac steam explosion refinery technology process flow diagram.

5 結(jié)論

鹽膚木作為一種鄉(xiāng)土的非典型油料植物，任何一種單一的開發(fā)模式都不能有效地利用鹽膚木資源。根據(jù)鹽膚木果實和鹽膚木撫育剩余物的物料特征和功能特性，以蒸汽爆破為核心技術(shù)，集成多種組分分離技術(shù)，成功構(gòu)建了鹽膚木果實及其撫育剩余物煉制技術(shù)體系，開發(fā)了鹽膚木資源汽爆煉制技術(shù)的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈新模式，實現(xiàn)了鹽膚木資源的綜合開發(fā)利用，同時也為自然界中大量的此類非單一經(jīng)濟型野生植物資源的開發(fā)提供了新的模式。

REFERENCES

[1] State Forestry Administration. Development plan the national forestry biomass energy (2011–2020). 2013 (in Chinese).國家林業(yè)局. 全國林業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展規(guī)劃(2011–2020年). 2013.

[2] Chen CW, Zhang L, He XM, et al. Convention nutritional components analysis on fruits of Rhus chinensis Mill. Anim Husbandry Feed Sci, 2010, 31(4): 2–5 (in Chinese).陳存武, 張莉, 何曉梅, 等. 鹽膚木果實常規(guī)營養(yǎng)成分分析. 畜牧與飼料科學, 2010, 31(4): 2–5.

[3] Wang RR, Gu Q, Yang LM, et al. Research of anti-HIV-1 activities of compounds from the medicinal plant Rhus ch inensis. Proceedings of Chinese Medical Association to Fight AIDS Branch of the Sixth Annual Conference, 2008 (in Chinese).王睿睿, 顧瓊, 楊柳萌, 等. 藥用植物鹽膚木抗HIV-1 活性成分研究. 中華中醫(yī)藥學會防治艾滋病分會第六屆學術(shù)年會論文匯編, 2008.

[4] Shao XF, Zhang SY, Gao BW, et al. Sumac aphid efficient cultivation techniques. Hubei For Sci Technol, 2013, 42(4): 88–90 (in Chinese).邵賢甫, 張雙英, 高本旺, 等. 五倍子高效栽培技術(shù)——夏寄主建園技術(shù). 湖北林業(yè)科技, 2013, 42(4): 88–90.

[5] Zhang JF, Li JY, Xing SJ, et al. Experiment of seed germination under salinity stress. J North East For Univ, 2003, 31(3): 79–80 (in Chinese).張建鋒, 李吉躍, 邢尚軍, 等. 鹽分脅迫下鹽膚木種子發(fā)芽試驗. 東北林業(yè)大學學報, 2003, 31(3): 79–80.

[6] Wang Q, Song GL. Study on hardseed and Germinating Characteristic of Rhus chinensis Mill. Seed, 2008, 27(4): 59–61 (in Chinese).王瓊, 宋桂龍. 鹽膚木種子硬實與萌發(fā)特性研究.種子, 2008, 27(4): 59–61.

[7] Li QT, Yang FJ, Zhang B, et al. Biogeochemistry responses and spectral characteristics of Rhus chinensis Mill under heavy metal contamination stress. J Remote Sens, 2008, 12(2): 284–290.

[8] Gu Q, Wang RR, Zhang XM, et al. A new benzofuranone and anti-HIV constituents from the stems of Rhus chinensis. Planta Med, 2007, 73(3): 249–256.

[9] Wang RR, Gu Q, Wang YH, et al. Anti-HIV-1 activities of compounds isolated from the medicinal plant Rhus chinensis. J Ethnopharmacol, 2008, 117(2): 249–256.

[10] Ma TB, Liu SZ. Studies on the chemical constituents of Taishan Yanfumu (Rhus taishanensis). Chin Herbal Med, 1996, 27(8): 451–453 (in Chinese).馬天波, 劉思貞. 泰山鹽膚木化學成分的研究.中草藥, 1996, 27(8): 451–453.

[11] Shim YJ, Doo HK, Ahn SY, et al. Inhibitory effect of aqueous extract from the gall of Rhus chinensis on alpha-glucosidase activity and postprandial blood glucose. J Ethnopharmacol, 2003, 85(2): 283–287.

[12] Zhao J, Cui CB, Cai B, et al. Progress of national Rhus genus. Pharm J Chinese People's Liberation Army, 2006, 22(1): 48–51 (in Chinese).趙軍, 崔承彬, 蔡兵, 等. 國產(chǎn)鹽膚木屬植物的研究進展. 解放軍藥學學報, 2006, 22(1): 48–51.

[13] Ren Z, Zhu B, Wang D, et al. Comparative population structure of Chinese sumac aphid Schlechtendalia chinensis and its primary host-plant Rhus chinensis. Genetica, 2008, 132(1): 103–112.

[14] Chen GZ, Chen HZ. Extraction and deglycosylation of flavonoids from sumac fruits using steam explosion. Food Chem, 2011, 126(4): 1934–1938.

[15] Zhao JY, Chen HZ. Correlation of porous structure, mass transfer and enzymatic hydrolysis of steam exploded corn stover. Chem Eng Sci, 2013, 104(18): 1036–1044.

[16] Chen HZ, Li ZH. Studies on the steam explosion of wheat straw Ⅱ. Mechanisms of steam explosion of wheat straw. J Cell Sci Technol, 1999, 7(4): 14–22 (in Chinese).陳洪章, 李佐虎. 麥草蒸汽爆破處理的研究 Ⅱ.麥草蒸汽爆破處理作用機制分析. 纖維素科學與技術(shù), 1999, 7(4): 14–22.

[17] Chen GZ, Chen HZ. Enhancement of Oil Extraction from Sumac Fruit using Steam-Explosion Pretreatment. J Am Oil Chem Soc, 2011, 88(1): 151–156.

[18] Zhang L, Shan Y, Tang K, et al. Ultrasound-assisted extraction flavonoids fromLotus (Nelumbo nuficera Gaertn) leaf and evaluation of its anti-fatigue activity. Int J Phys Sci, 2009, 4(8): 418–422.

[19] Chen HZ, Chen GZ, Zhang ZF. Sumac fruit steam explosion pretreatment and oil flavonoids utilization technology: China, 200710121223.3. 2007-08-31 (in Chinese).陳洪章, 陳國忠, 張作坊. 鹽膚木果實汽爆處理及其油脂黃酮等綜合利用的技術(shù): 中國, 200710121223.3. 2007-08-31.

[20] Chen HZ, Li ZH. Lignocellulose Fractionation. J Cell Sci Technol, 2003, 11(4): 31–40 (in Chinese).陳洪章, 李佐虎. 木質(zhì)纖維原料組分分離的研究.纖維素科學與技術(shù), 2003, 11(4): 31–40.

[21] Wang N, Chen HZ. Manufacture of dissolving pulps from cornstalk by novel method coupling steam explosion and mechanical carding fractionation. Bioresour Technol, 2013, 139: 59–65.

[22] Carvalheiro F, Duarte LC, Gírio FM. Hemicellulose biorefineries: a review on biomass pretreatments. J Sci Ind Res India, 2008, 67(11): 849–864.

[23] Chen HZ, Liu LY. Unpolluted fractionation of wheat straw by steam explosion and ethanol extraction. Bioresour Technol, 2007, 98(3): 666–676.

[24] Chen HZ, Zhang SJ, Chen GZ. Sumac branches clean pulping method and utilization: China, 201010565539.3. 2010-11-25 (in Chinese).陳洪章, 張思靜, 陳國忠. 鹽膚木枝椏清潔制漿及其綜合利用的方法.中國, 201010565539.3. 2010-11-25.

[25] Qiu WH, Chen HZ. Structure, function and higher value application of lignin. J Cell Sci Technol, 2006, 14(1): 52–59 (in Chinese).邱衛(wèi)華, 陳洪章. 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)、功能及高值化利用. 纖維素科學與技術(shù), 2006, 14(1): 52–59.

[26] Wang GH, Chen HZ. Carbohydrate elimination of alkaline-extracted lignin liquor by steam explosion and its methylolation for substitution of phenolic adhesive. Ind Crop Prod, 2014, 53: 93–101.

(本文責編 郝麗芳)

Sumac (Rhus chinensis Mill) biomass refinery engineering

Lan Wang, Ning Wang, Tan Li, and Hongzhang Chen
Beijing K ey Laboratory of Bi omass Refining Engineering, Institute of Process Engineering, Chine se Academy of S ciences, Beijing 100190, China

Sumac (Rhus chinensis Mill) is an abundant and widely distributed Chinese native plant. Sumac fruit contains low content of vegetable oil, as an atypical oil plants hardly being processed through traditional vegetable oil productiontechnologies. Based on our own studies on the characteristics of sumac fruit and branches, we established a novel model of sumac biomass refinery, and constructed the sumac biomass refinery technology system and eco-industrial chain integration . Steam explosion was the key technology, and several components fractionation technologies were integrated in the sumac biomass refinery system. The fractionated components were converted into different products depending on their functional features. Eight products including sumac fruit oil, biodiesel, protein feed, flavonoids, unbleached facial tissue, phenolic resin, biomass briquette and biogas were produced in the refinery. The extracted sumac fruit oil by steam explosion pretreatment was applied for the new food resource of Ministry of Health, and the permit was approved. This research provides a new model for the development of atypical wild plant resources.

Rhus chinensis Mill, steam explosion, biomass refinery

January 25, 2014; Accepted: April 22, 2014

Hongzhang Chen. Tel: +86-10-82544982; Fax: +86-10-82627071; E-mail: hzchen@home.ipe.ac.cn

王嵐, 王寧, 李坦, 等. 鹽膚木生物質(zhì)煉制工程. 生物工程學報, 2014, 30(5): 695?706.

Wang L, Wang N, Li T, et al. Sumac (Rhus ch inensis Mill) biomass refinery engineering. Chin J Biotech, 2014, 30(5): 695?706.

Supported by: Special Funds of the Science and Technology Innovation Base for Beijing Key Laboratory of Biomass Refining Engineering (No. Z13111000280000), National Natural Science Foundation of China (No. 21206176), National Basic Research and Development Program of China (973 Program) (No. 2011CB707401).

生物質(zhì)煉制工程北京市重點實驗室 2013 年度科技創(chuàng)新基地培育與發(fā)展工程專項項目 (No. Z13111000280000)，國家自然科學基金項目 (No. 21206176)，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃 (973計劃) (No. 2011CB707401) 資助。

時間：2014-04-28 網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13345/j.cjb.140058.html