許文婷，楊曉光，王瑞琴，甘積倫，黃清松，陸登俊,2*

(1.廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004；2.廣西蔗糖產業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004)

一種新型蔗渣高值化產業(yè)鏈的構建

許文婷1，楊曉光1，王瑞琴1，甘積倫1，黃清松1，陸登俊1,2*

(1.廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004；2.廣西蔗糖產業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004)

隨著甘蔗制糖產業(yè)的發(fā)展，蔗渣的高值化利用也逐漸得到了廣泛關注。在保護環(huán)境的同時獲取更高的利潤是目前高值化產業(yè)鏈生產的熱點。文章主要對現(xiàn)有的蔗渣高值化生產方式進行綜述，介紹蔗渣的基本性質、高值化生產技術，闡述高值化產業(yè)鏈的生產現(xiàn)狀和未來的發(fā)展前景，以期能夠對蔗渣的綜合利用起到一定的指導作用。

甘蔗渣；高值化；現(xiàn)狀；產業(yè)鏈

我國是第四大甘蔗種植國，第二大食糖消費國、2015～2016年榨季產糖量超過1200萬噸，按照每生產1噸糖就產生2噸甘蔗渣計算，則每年約有2000萬噸的蔗渣生成[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國制糖企業(yè)每年約剩余 600～650萬噸甘蔗渣未能得到合理利用[2]。

甘蔗渣是豐富的可再生木質纖維素生物質，為了將甘蔗渣的使用價值進一步提高，人們運用先進的科學技術和成熟的理論改進生產工藝，成功研發(fā)了許多高值化利用方式，旨在使甘蔗渣等可再生農用廢渣資源更好地被利用進而減少浪費。這些高值化方式為蔗渣的充分利用開辟了新的天地，一定程度上使蔗渣利用率高于傳統(tǒng)加工生產方法，但仍存在許多不足。此類高值化生產利用方法多為單一獨立的應用，產業(yè)鏈短，沒有形成工業(yè)化產業(yè)生產鏈，因此本文將在現(xiàn)有技術的基礎上構建蔗渣高值化利用的產業(yè)鏈，以獲得更高的利潤。

1 蔗渣基本性質

甘蔗渣組成成分以纖維素、半纖維素、木質素為主，對濕蔗渣和干蔗渣進行近似分析，得到成分比重，結果分別見表1和表2。

表1 濕蔗渣成分(以百分比計)[3]

表2 干蔗渣成分(以百分比計)

蔗渣纖維素是由許多葡萄糖以β-1,4苷鍵縮合而成的高分子化合物，分子間彼此以氫鍵相連，是具有不同形態(tài)的固體纖維狀物質，其中大部分是結晶結構，在一定程度上溶脹和結晶，易于水解[4，5]。蔗渣半纖維素是由多種糖基(戊糖基、己糖基)和糖醛酸基組成，通常是無定形聚合物，常作為促使纖維素和木質素相結合的分子粘合劑。木質素具有特定的網(wǎng)絡結構，可包圍加固纖維素與半纖維素，起到骨架支撐的作用。

由表1和表2可知，蔗渣成分與木質材料相差不多，可作為替代部分木材制漿造紙和生產復合材料的原料。同時甘蔗渣具有多孔、疏松、比容小、吸附力強、不溶于水和有機溶劑、在酸性條件下水解、成分具有相對穩(wěn)定、性質均一等特點，可滿足產業(yè)化生產所需的原料集中性、連續(xù)性和均一性要求，具備高值化生產的條件，具有工業(yè)鏈生產的可行性。

2 高值化應用現(xiàn)狀

現(xiàn)有的甘蔗渣高值化利用主要體現(xiàn)在三大方面：一、提取糖及糖醇類，其中低聚木糖的提取最為突出；二、利用蔗渣纖維改性生產新材料，主要可分為吸附材料和復合材料兩大類，突出材料有活性炭顆粒、金屬吸附劑、復合纖維等；三、作為生產培育基料，用于培養(yǎng)各種菌類，其中國內涉及到的菌類包括杏鮑菇、草菇等。

2.1 低聚糖或糖醇類的提取

由蔗渣成分的分析可知，蔗渣內含20%左右的半纖維素，是制備低聚木糖的優(yōu)質原料，成本估計表明運營成本約為每1 kg木糖0.12～0.15美元。木聚糖分解的反應是將木聚糖簡單系列水解成木糖，隨后進行木糖分解[6]。木糖在純化和氫化之后可用于生產木糖醇[7]，或進一步加工生產低聚木糖，為得到高純度產品還可增加分離純化和脫色工藝。類似方案對蔗渣中半纖維素水解，還可以生產糠醛、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖以及糖醛酸等非糖類有機物。

韋杰等[8]根據(jù)BOX實驗設計原理，運用無氯酸鈉法預處理蔗渣，使用NaOH抽提，運用單因素分析法綜合分析抽提溫度、抽提時間、固液比、NaOH濃度各單因素對提取率的影響，并通過響應面分析法對工藝進行優(yōu)化，通過優(yōu)化實驗確定最佳提取工藝條件。李娜等[9]采用DNS法測定還原糖含量，以溫度、料液比、保溫時間為條件，設計正交實驗，確定低聚木糖提取的最佳工藝。陸登俊等[10]以低聚木糖得率為評價指標，研究蔗渣木聚糖制備低聚木糖的最優(yōu)復合酶降解工藝[11,12]。丁勝華[13]在2010年采用酶法水解制備低聚木糖，在較溫和的條件下，采用堿提法并結合超濾和酶法制備低聚木糖，確定最佳工藝條件，該技術的應用優(yōu)勢在于堿液可以回收再利用，并可分離堿解液中的阿魏酸和香豆酸。除此之外，蔗渣也可采用纖維分解酶等酶技術和生物技術生產木糖醇，提取完木糖醇后的纖維素和木質素還可以用來造紙的紙漿。

2.2 生產復合材料

2.2.1 活性炭顆粒

活性炭顆粒的制備主要是利用原料中富含的碳源。由蔗渣成分分析可知，蔗渣可以代替木材和煤炭用于活性炭顆粒的生產。一方面可以降低生產成本，另一方面又可以實現(xiàn)工廠廢棄物二次利用，減少對木材和煤炭的浪費。甘蔗渣活性炭的生產工藝和其他木質活性炭制備工藝相差不多，一般可表述為：甘蔗渣預處理→炭化→活化→漂洗→烘干→粉碎，主要步驟為炭化和活化。粉碎的蔗渣結合黏合劑，加壓成塊狀、丸狀或片狀等形態(tài)[14]，高溫下通過蒸汽或二氧化碳使之分解活化就可以制備出蔗渣顆?；钚蕴俊Ｕ嵩钚蕴款w?？芍苯佑糜谡崽蔷七^程的脫色工藝，在充分利用資源的同時還可以提高精煉糖的質量，減少生產成本。

2.2.2 吸附劑

蔗渣直接作為吸附劑吸附效果較弱，工業(yè)生產中常對蔗渣進行化學改性生成纖維素酯類、纖維素醚類及改性纖維素的接枝共聚3類物質，進而應用于甘蔗汁脫色、工業(yè)廢水處理和染料吸附等環(huán)保、化工領域。周錫文等[15]研究：孫蕭對蔗渣改性后得到對蔗汁脫色效果良好的改性脫色劑，崔志敏對甘蔗纖維改性后得到對酸性黃染料陽離子和翠蘭染料吸附能力高的兩性纖維。王瑀等[16]則應用接枝共聚方法通過活化處理和接枝反應，將蔗渣原料與丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(MAETAC)3種聚合單體共聚，制備出一種蔗渣基重金屬離子吸附劑。該吸附劑含有陰、陽離子和對金屬離子有絡合作用的非離子型酰胺基團。同時蔗渣吸附劑還可用于吸附水中的Hg2+，Cd2+，Pb2+，Cr3+，Ni2+和石油烴等[17-21]，蘇江濱等[22]提到姜玉使用三氯氧磷改性甘蔗渣，制備出含有磷酸基團的離子吸附劑，用于除去廢水中的Pb2+，Cu2+，Cr3+等重金屬離子。

2.2.3 其他方面

蔗渣可作為原料制備復合高吸水樹脂如：蔗渣纖維/丙烯酸/高嶺土復合高吸水樹脂[23]、蔗渣/羥丙基淀粉/丙烯酸復合高吸水樹脂等[24]；蔗渣還可通過化學反應制備羥甲基纖維素，具有較好的經濟、社會和環(huán)境效益，化學反應主要過程為[25]：

[C6H9O4(OH)]n+nNaOH→[C6H9O4(ONa)]n+nH2O；

[C6H9O4ONa]n+nClCH2COONa→[C6H9O4OCH2COONa]n+nNaCl。

蔗渣制漿造紙或生產D-木糖、L-阿拉伯糖和糠醛產生的廢液，可用臨界水或磷酸法制成微晶纖維素和半纖維素可食膜材料以及其他復合材料，這些復合材料已被廣泛用在食品、制藥、化妝品等工業(yè)中[26]，主要工藝過程見圖1。

圖1 制備微晶纖維素工藝流程

2.3 用作培養(yǎng)基料

蔗渣作為培養(yǎng)基料主要是指經石灰和NaOH處理后應用于食用菌類的培育[27]，可取代木材原料培養(yǎng)食用菌，減少對森林植被的破壞，保護自然環(huán)境?，F(xiàn)階段對于不同菌種的研究如下：

馬海霞等[28]使用6種不同栽培料配方與全稻草配方對比進行草菇的培育，綜合分析菌絲生產速度、經濟學性狀、生物學轉化率及投入產出比等多方面因素，確定最佳配方，并通過實驗結果表明甘蔗渣∶稻草∶麩皮為2∶7∶1是理想的草菇熟料栽培配方，該配方下菇體的經濟學性狀、生物學轉化率及投入產出比都比全稻草配方強。

蔡愛群等[29]以桑木屑、甘蔗渣為主料制定配方栽培杏鮑菇獲得較高的實體產量和生物學效率，且菌絲形態(tài)良好。張慶等[30]利用甘蔗渣、玉米與木屑進行優(yōu)化組合代替?zhèn)鹘y(tǒng)基料，運用12個配方進行杏鮑菇栽培試驗，得出最佳培育配方，可將生物學轉化率提高至85.7%，比傳統(tǒng)基料培育提高15%，大大提高了經濟效益。

劉敏等[31]以菌絲長速和生物轉化率為主要指標，以蔗渣為原料將3種茶樹菇菌株進行了品種比較試驗，篩選出適合甘蔗渣栽培的茶樹菇優(yōu)良菌株，為甘蔗渣的高效循環(huán)利用提供了依據(jù)。

周文等[32]利用正交試驗設計篩選出多個因素的最佳組合，考察不同類型氮源(硝酸銨、硫酸銨、氨基酸)對平菇菌絲生長、產量及生物轉化率的影響。綜合考慮正交試驗結果與經濟效益得出最佳培養(yǎng)比，結果表明使用甘蔗渣作為主料栽培平菇是完全可行的。Grodzínskaya[33]，Membrillo[34]也通過試驗證明蔗渣作為基料適合于平菇的生長。

3 蔗渣高值化產業(yè)鏈生產模型

我國蔗渣高值化生產利用方式較多，但在新形勢的國外市場沖擊下，我國仍存在產業(yè)結構單一、產業(yè)鏈短、綜合利用水平低等問題，產業(yè)鏈的延伸較少或產業(yè)鏈多為傳統(tǒng)利用方法的結合現(xiàn)象較為普遍，典型傳統(tǒng)產業(yè)鏈模型見圖2。我國糖業(yè)面臨巨大的挑戰(zhàn)，要想占據(jù)有利地位，應加速延伸產業(yè)鏈，全面推廣產業(yè)轉型升級，生產更多具有更高附加值的產品。

圖2 傳統(tǒng)產業(yè)鏈模型[35]

參考保國裕等[36]的高值化生產模型(見圖3)，采用離子液體處理與堿提取結合分離纖維素、半纖維素和木質素的技術[37]，結合Baudel H M等[38]的環(huán)境友好生產想法構建新型高值化產業(yè)鏈(見圖4)。該產業(yè)鏈可產生多種高值化產品，實現(xiàn)蔗渣的循環(huán)利用，且該生產鏈中無有毒有害廢液產生，是一種環(huán)境友好型的高值化生產鏈。

圖3 高值化生產模型

圖4 新型高值化產業(yè)鏈

蔗渣稀酸水解，利用蔗渣中半纖維素物質生產木糖、糠醛或阿拉伯糖。蔗渣中半纖維素降解為五碳糖液，經清凈、濃縮或結晶，可分別制得木糖及阿拉伯糖產品；對甘蔗渣為原料生產木糖的工藝進行對比可知：化學工藝法酸水解甘蔗渣生產木糖，水解效果較好，可以得到較高的半纖維素水解率及較高的木糖收率，然而產過程中硫酸使用量大，硫酸在高溫下的水解作用和中和劑的添加上均增加了雜質的比例，后續(xù)工藝處理復雜，能耗高，酸堿廢水量大，環(huán)保壓力重。而生物酶法工藝酸堿用量較化學法可減少30%～50%，廢水排放較少，但對酶的要求高，且專一的半纖維素酶生產成本相對較高，加之甘蔗渣纖維組成結構較為復雜，致密的結構不容易透水，因而水解(酶解)速度慢、效果差。因此，生產建議使用汽爆預處理輔助生物酶法進行水解，以達到更好的生產效果。

利用甘蔗渣生產木糖、阿拉伯糖和糠醛等產品后所剩纖維渣來制備微晶纖維素。用堿處理除去纖維渣中木質素，以二氧化氯作為漂白劑使用臨界水或磷酸法制備微晶纖維素：木質素利用200～350 ℃近臨界水的自催化作用直接制備甘蔗渣微晶纖維素，不需要添加任何催化劑，工藝簡單且不產生廢液，達到清潔生產的要求。使用磷酸作酸催化劑時，控制水解條件使纖維素結晶度發(fā)生改變達到平衡聚合度，水解液中的磷酸根可繼續(xù)回收利用于制糖澄清工藝，該過程在不產生廢液的基礎上同時實現(xiàn)磷酸的資源化循環(huán)利用，生產中可根據(jù)實際需要選擇適合方式。

富含木質素的液體可通過濕式過氧化氫氧化酸轉化為乙酸，過渡金屬(鐵、銅和錳)在液體中被用作均質催化劑。濕式過氧化氫氧化酸是在催化濕式氧化的基礎上發(fā)展而來的，是用于高濃度廢水處理的一種深度化學氧化技術，濕式氧化法是處理有毒有機廢水的一種行之有效的方法，即在中等溫度下執(zhí)行，導致總酚消除而羧酸積累，生成乙酸。

該高值化生產鏈的構建可以將蔗渣綜合利用價值進一步提高，但由于實際生產中存在技術不成熟或設備跟不上生產要求等問題，將會在一定程度上制約該產業(yè)鏈的完整性。隨著生物技術的不斷發(fā)展，可將更方便高效的提取分離技術應用于本生產鏈，進而提高蔗渣轉化效率，消除污染隱患，使產業(yè)鏈更加高效和完善。

4 展望

經濟發(fā)展進入新常態(tài)，為蔗糖產業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)，為此我國糖業(yè)應在延伸產業(yè)鏈、加快技術創(chuàng)新與應用、實現(xiàn)跨行合作、開發(fā)新產品等方面加大發(fā)展力度，并注重研發(fā)新技術分離生產纖維素、木質素和半纖維素水解產物。在不同層面上構建和實施生態(tài)鏈，實現(xiàn)蔗糖工業(yè)資源利用最大化，使糖業(yè)由單一資源型向綜合效益型轉變，創(chuàng)造蔗糖產業(yè)新的經濟增長點。

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Construction of High-value Bagasse Industrial Chain

XU Wen-ting1, YANG Xiao-guang1, WANG Rui-qin1, GAN Ji-lun1,HUANG Qing-song1, LU Deng-jun1,2*

(1.Light Industry and Food Engineering College, Guangxi University, Nanning 530004,China;2.Guangxi Sugar Industry Collaborative Center, Nanning 530004,China)

With the development of sugarcane and sugar industry, the high-value bagasse has been widely concerned. To protect the environment and obtain higher profits at the same time are hot spots of current high-value industrial chain production. Mainly summarize the existing high-value production method, introduce the basic properties of bagasse, high-value production technology,expound the production status and future development prospects of high-value industrial chain, so as to provide a certain guide for the comprehensive utilization of bagasse.

bagasse；high value；present situation；industrial chain

2017-01-15 *通訊作者

廣西區(qū)特色本科專業(yè)建設項目——食品科學與工程(制糖工程)；廣西大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目

許文婷(1994-)，女，山東菏澤人，碩士，研究方向：糖料資源功能研究與綜合利用； 陸登俊(1978-)，女，壯族，廣西南寧人，副教授，博士，研究方向：糖料資源功能研究與綜合利用。

TS245.1

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.07.035

1000-9973(2017)07-0160-05