一種新型蔗渣高值化產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建

許文婷，楊曉光，王瑞琴，甘積倫，黃清松，陸登俊,2*

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

一種新型蔗渣高值化產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)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(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004)

隨著甘蔗制糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，蔗渣的高值化利用也逐漸得到了廣泛關(guān)注。在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)獲取更高的利潤是目前高值化產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)的熱點(diǎn)。文章主要對現(xiàn)有的蔗渣高值化生產(chǎn)方式進(jìn)行綜述，介紹蔗渣的基本性質(zhì)、高值化生產(chǎn)技術(shù)，闡述高值化產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)現(xiàn)狀和未來的發(fā)展前景，以期能夠?qū)φ嵩木C合利用起到一定的指導(dǎo)作用。

甘蔗渣；高值化；現(xiàn)狀；產(chǎn)業(yè)鏈

我國是第四大甘蔗種植國，第二大食糖消費(fèi)國、2015～2016年榨季產(chǎn)糖量超過1200萬噸，按照每生產(chǎn)1噸糖就產(chǎn)生2噸甘蔗渣計(jì)算，則每年約有2000萬噸的蔗渣生成[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(zhì)纖維素生物質(zhì)，為了將甘蔗渣的使用價(jià)值進(jìn)一步提高，人們運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和成熟的理論改進(jìn)生產(chǎn)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(nóng)用廢渣資源更好地被利用進(jìn)而減少浪費(fèi)。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(chǎn)方法，但仍存在許多不足。此類高值化生產(chǎn)利用方法多為單一獨(dú)立的應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈短，沒有形成工業(yè)化產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)鏈，因此本文將在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建蔗渣高值化利用的產(chǎn)業(yè)鏈，以獲得更高的利潤。

1 蔗渣基本性質(zhì)

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

表1 濕蔗渣成分(以百分比計(jì))[3]

表2 干蔗渣成分(以百分比計(jì))

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(zhì)，其中大部分是結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在一定程度上溶脹和結(jié)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(zhì)素相結(jié)合的分子粘合劑。木質(zhì)素具有特定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(zhì)材料相差不多，可作為替代部分木材制漿造紙和生產(chǎn)復(fù)合材料的原料。同時(shí)甘蔗渣具有多孔、疏松、比容小、吸附力強(qiáng)、不溶于水和有機(jī)溶劑、在酸性條件下水解、成分具有相對穩(wěn)定、性質(zhì)均一等特點(diǎn)，可滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)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(chǎn)的條件，具有工業(yè)鏈生產(chǎn)的可行性。

2 高值化應(yīng)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(chǎn)新材料，主要可分為吸附材料和復(fù)合材料兩大類，突出材料有活性炭顆粒、金屬吸附劑、復(fù)合纖維等；三、作為生產(chǎn)培育基料，用于培養(yǎng)各種菌類，其中國內(nèi)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(nèi)含20%左右的半纖維素，是制備低聚木糖的優(yōu)質(zhì)原料，成本估計(jì)表明運(yùn)營成本約為每1 kg木糖0.12～0.15美元。木聚糖分解的反應(yīng)是將木聚糖簡單系列水解成木糖，隨后進(jìn)行木糖分解[6]。木糖在純化和氫化之后可用于生產(chǎn)木糖醇[7]，或進(jìn)一步加工生產(chǎn)低聚木糖，為得到高純度產(chǎn)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(chǎn)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(jī)物。

韋杰等[8]根據(jù)BOX實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用無氯酸鈉法預(yù)處理蔗渣，使用NaOH抽提，運(yùn)用單因素分析法綜合分析抽提溫度、抽提時(shí)間、固液比、NaOH濃度各單因素對提取率的影響，并通過響應(yīng)面分析法對工藝進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)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(shí)間為條件，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，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(jià)指標(biāo)，研究蔗渣木聚糖制備低聚木糖的最優(yōu)復(fù)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(jié)合超濾和酶法制備低聚木糖，確定最佳工藝條件，該技術(shù)的應(yīng)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(shù)和生物技術(shù)生產(chǎn)木糖醇，提取完木糖醇后的纖維素和木質(zhì)素還可以用來造紙的紙漿。

2.2 生產(chǎn)復(fù)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(chǎn)。一方面可以降低生產(chǎn)成本，另一方面又可以實(shí)現(xiàn)工廠廢棄物二次利用，減少對木材和煤炭的浪費(fèi)。甘蔗渣活性炭的生產(chǎn)工藝和其他木質(zhì)活性炭制備工藝相差不多，一般可表述為：甘蔗渣預(yù)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(jié)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(shí)還可以提高精煉糖的質(zhì)量，減少生產(chǎn)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(chǎn)中常對蔗渣進(jìn)行化學(xué)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(zhì)，進(jìn)而應(yīng)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(lǐng)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(yīng)用接枝共聚方法通過活化處理和接枝反應(yīng)，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(luò)合作用的非離子型酰胺基團(tuán)。同時(shí)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(tuán)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(fù)合高吸水樹脂如：蔗渣纖維/丙烯酸/高嶺土復(fù)合高吸水樹脂[23]、蔗渣/羥丙基淀粉/丙烯酸復(fù)合高吸水樹脂等[24]；蔗渣還可通過化學(xué)反應(yīng)制備羥甲基纖維素，具有較好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益，化學(xué)反應(yīng)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(chǎn)D-木糖、L-阿拉伯糖和糠醛產(chǎn)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(fù)合材料，這些復(fù)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(jīng)石灰和NaOH處理后應(yīng)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(hù)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(jìn)行草菇的培育，綜合分析菌絲生產(chǎn)速度、經(jīng)濟(jì)學(xué)性狀、生物學(xué)轉(zhuǎn)化率及投入產(chǎn)出比等多方面因素，確定最佳配方，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jīng)濟(jì)學(xué)性狀、生物學(xué)轉(zhuǎn)化率及投入產(chǎn)出比都比全稻草配方強(qiáng)。

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(shí)體產(chǎn)量和生物學(xué)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(jìn)行優(yōu)化組合代替?zhèn)鹘y(tǒng)基料，運(yùn)用12個(gè)配方進(jìn)行杏鮑菇栽培試驗(yàn)，得出最佳培育配方，可將生物學(xué)轉(zhuǎn)化率提高至85.7%，比傳統(tǒng)基料培育提高15%，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。

劉敏等[31]以菌絲長速和生物轉(zhuǎn)化率為主要指標(biāo)，以蔗渣為原料將3種茶樹菇菌株進(jìn)行了品種比較試驗(yàn)，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(yàn)設(shè)計(jì)篩選出多個(gè)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(chǎn)量及生物轉(zhuǎn)化率的影響。綜合考慮正交試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)濟(jì)效益得出最佳培養(yǎng)比，結(jié)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(yàn)證明蔗渣作為基料適合于平菇的生長。

3 蔗渣高值化產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)模型

我國蔗渣高值化生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一、產(chǎn)業(yè)鏈短、綜合利用水平低等問題，產(chǎn)業(yè)鏈的延伸較少或產(chǎn)業(yè)鏈多為傳統(tǒng)利用方法的結(jié)合現(xiàn)象較為普遍，典型傳統(tǒng)產(chǎn)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(yīng)加速延伸產(chǎn)業(yè)鏈，全面推廣產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，生產(chǎn)更多具有更高附加值的產(chǎn)品。

圖2 傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈模型[35]

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

圖3 高值化生產(chǎn)模型

圖4 新型高值化產(chǎn)業(yè)鏈

蔗渣稀酸水解，利用蔗渣中半纖維素物質(zhì)生產(chǎn)木糖、糠醛或阿拉伯糖。蔗渣中半纖維素降解為五碳糖液，經(jīng)清凈、濃縮或結(jié)晶，可分別制得木糖及阿拉伯糖產(chǎn)品；對甘蔗渣為原料生產(chǎn)木糖的工藝進(jìn)行對比可知：化學(xué)工藝法酸水解甘蔗渣生產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)的比例，后續(xù)工藝處理復(fù)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(xué)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(chǎn)成本相對較高，加之甘蔗渣纖維組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，致密的結(jié)構(gòu)不容易透水，因而水解(酶解)速度慢、效果差。因此，生產(chǎn)建議使用汽爆預(yù)處理輔助生物酶法進(jìn)行水解，以達(dá)到更好的生產(chǎn)效果。

利用甘蔗渣生產(chǎn)木糖、阿拉伯糖和糠醛等產(chǎn)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)生廢液，達(dá)到清潔生產(chǎn)的要求。使用磷酸作酸催化劑時(shí)，控制水解條件使纖維素結(jié)晶度發(fā)生改變達(dá)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(chǎn)生廢液的基礎(chǔ)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)磷酸的資源化循環(huán)利用，生產(chǎn)中可根據(jù)實(shí)際需要選擇適合方式。

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

該高值化生產(chǎn)鏈的構(gòu)建可以將蔗渣綜合利用價(jià)值進(jìn)一步提高，但由于實(shí)際生產(chǎn)中存在技術(shù)不成熟或設(shè)備跟不上生產(chǎn)要求等問題，將會在一定程度上制約該產(chǎn)業(yè)鏈的完整性。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，可將更方便高效的提取分離技術(shù)應(yīng)用于本生產(chǎn)鏈，進(jìn)而提高蔗渣轉(zhuǎn)化效率，消除污染隱患，使產(chǎn)業(yè)鏈更加高效和完善。

4 展望

經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，為蔗糖產(chǎn)業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)，為此我國糖業(yè)應(yīng)在延伸產(chǎn)業(yè)鏈、加快技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)跨行合作、開發(fā)新產(chǎn)品等方面加大發(fā)展力度，并注重研發(fā)新技術(shù)分離生產(chǎn)纖維素、木質(zhì)素和半纖維素水解產(chǎn)物。在不同層面上構(gòu)建和實(shí)施生態(tài)鏈，實(shí)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(zhuǎn)變，創(chuàng)造蔗糖產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

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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(shè)項(xiàng)目——食品科學(xué)與工程(制糖工程)；廣西大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)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