中藥藥渣發(fā)酵研究

李詩卉，劉月新*，吳 萍，梁詩瑤，顏冬蘭，黃 勝

(1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)，湖南長沙 410208；2.九芝堂股份有限公司，湖南長沙 410008)

中藥產(chǎn)業(yè)是我國的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一，在生產(chǎn)中藥產(chǎn)品與中藥材加工炮制的過程中，產(chǎn)生了大量藥渣。藥渣多為濕物料，易腐壞發(fā)臭，隨著中醫(yī)藥行業(yè)發(fā)展，藥渣廢棄物也隨之增多。現(xiàn)處理藥渣多為填埋、焚燒等，這些方法費用昂貴，對周邊空氣、水質(zhì)、土壤等環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染[1]。中藥企業(yè)在進(jìn)行中藥產(chǎn)品生產(chǎn)時，往往只能提取部分有效成分，造成了嚴(yán)重的資源浪費。因此中藥廢渣的再利用日益受到重視，不僅能減輕環(huán)境污染、節(jié)約資源能源，還能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

中藥發(fā)酵是中藥炮制的重要組成部分，在中國已有四千年歷史[3]。傳統(tǒng)的中藥發(fā)酵是利用環(huán)境中自然菌進(jìn)行發(fā)酵，這種發(fā)酵技術(shù)難以控制菌種的種類與數(shù)量，質(zhì)量難以保證?，F(xiàn)代中藥發(fā)酵實現(xiàn)了菌種的掌控，發(fā)酵技術(shù)更加成熟[4]。在中藥發(fā)酵的基礎(chǔ)上，藥渣發(fā)酵的研究也日益發(fā)展，在種植業(yè)和有效成分提取等方面取得了顯著的成果[5]。

1 處理方法

藥渣的利用轉(zhuǎn)化主要有化學(xué)轉(zhuǎn)化、物理轉(zhuǎn)化和生物轉(zhuǎn)化[6]。其發(fā)酵是微生物及其產(chǎn)生的酶使藥渣固態(tài)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為腐植質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化過程[7]。發(fā)酵轉(zhuǎn)化可降低藥渣的纖維素、木質(zhì)素等含量，提高蛋白質(zhì)含量。根據(jù)物理性質(zhì)不同，發(fā)酵轉(zhuǎn)化可分為液態(tài)發(fā)酵與固態(tài)發(fā)酵[8]。固態(tài)發(fā)酵是近年來生產(chǎn)生物燃料等高附加值工業(yè)產(chǎn)品中最環(huán)保廉價的發(fā)酵方法[9]。

化學(xué)轉(zhuǎn)化分為熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化和富集技術(shù)等。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化可使藥渣轉(zhuǎn)化為生物油、甲烷等燃料，熱能、電力等生物質(zhì)能源[10]?；瘜W(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化有化學(xué)催化轉(zhuǎn)化技術(shù)、酸堿預(yù)水解化學(xué)轉(zhuǎn)化等技術(shù)，其中酸堿預(yù)水解化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于造紙與制備乙醇。富集技術(shù)則是通過分離集成實現(xiàn)藥渣的回收利用。物理轉(zhuǎn)化技術(shù)主要有材料化技術(shù)與固體燃料化技術(shù)，主要用于生產(chǎn)固體燃料與化工產(chǎn)品。

2 發(fā)酵藥渣的綜合應(yīng)用

藥渣發(fā)酵主要分為生物轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化和物理轉(zhuǎn)化。其中生物轉(zhuǎn)化可應(yīng)用于制作飼料、肥料、栽培基質(zhì)、食用菌培養(yǎng)、改良土壤和處理廢水等；化學(xué)轉(zhuǎn)化可應(yīng)用于提取有效成分、制備甲醇、造紙和制備能源等。

2.1 生物轉(zhuǎn)化

2.1.1 作為飼料 藥渣在固體發(fā)酵后可作為發(fā)酵飼料替代普通飼料。藥渣制作的飼料跟普通飼料相比，可提高動物的育肥效果、飼料利用率，降低藥物殘留、毒副作用。藥渣中殘留的活性成分還能起到防病治病，提高免疫力的效果[11]。研究表明，使用藥渣作為飼料，能顯著增加羔羊的體重[12]，使豬肉更加軟嫩有嚼勁[13]。

2.1.2 作為肥料 藥渣含大量植物生長所需營養(yǎng)成分，是良好的肥料原料。藥渣堆肥是指微生物定向?qū)⑤d體中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。藥渣有機(jī)肥不僅能改善土壤理化性質(zhì)還有促進(jìn)種子發(fā)芽、幼苗發(fā)根等作用[14]，如將藥渣與食物廢棄物共同堆肥開發(fā)出高價值的抗病原堆肥[15]。此技術(shù)還可應(yīng)用于其他廢棄物發(fā)酵、動物糞便堆肥[16-17]。

2.1.3 用于栽培基質(zhì)生產(chǎn) 藥渣的多級發(fā)酵降解是指在發(fā)酵前激活菌種，再將菌種與藥渣混合發(fā)酵，經(jīng)基質(zhì)多級降解反應(yīng)得到藥渣基質(zhì)[7]。藥渣基質(zhì)成分穩(wěn)定、性能可靠且無毒無害，在生物降解過程中能生成腐殖質(zhì)并釋放CO2，為植物提供良好的生長環(huán)境，是理想的育苗基質(zhì)[18]。有研究表明，利用藥渣做基質(zhì)育苗，增強(qiáng)了植株的抗病災(zāi)能力[19]；將藥渣與動物糞便等廢棄物混合發(fā)酵，比單用藥渣效果更好[20]。

2.1.4 用于食用菌培養(yǎng) 食用菌是我國常用的藥補(bǔ)食品，含人體所需多種氨基酸[21]。藥渣中含大量食用菌生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，具殺蟲殺菌的作用。藥渣栽培菌種后剩下的殘渣，可被食用菌分解轉(zhuǎn)化為肥料，在含藥用成分環(huán)境下培養(yǎng)出來的食用菌也具藥用效果[22]，長期食用可降低人體血膽固醇和血糖、增強(qiáng)人體免疫力[23]。有研究表明，利用藥渣栽培草菇，可提高草菇的產(chǎn)量[24]，用藥渣栽培糙皮側(cè)耳，獲得了較好的碳氮比[25]。

2.1.5 改良土壤 藥渣是重要的有機(jī)廢棄物，有效利用可改善環(huán)境。藥渣通過加熱后通入水蒸氣活化等反應(yīng)可制備生物炭[26]。生物炭是一種優(yōu)良的重金屬吸附劑，表面積大且具多孔結(jié)構(gòu)[27]，可有效吸附土壤重金屬離子[28]。藥渣還含豐富的有機(jī)質(zhì)以及礦物質(zhì)，使用后具有改善土壤理化性質(zhì)等作用[29]。

2.1.6 廢水處理 重金屬經(jīng)過工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入水源，通過吸入、攝取等方式進(jìn)入人體，具有很大的危害[30]。工業(yè)廢水中重金屬的處理有萃取、化學(xué)沉淀法等方式[31]，傳統(tǒng)的處理技術(shù)不僅費用高還會產(chǎn)生大量有毒化學(xué)污泥[32]。藥渣制成的生物質(zhì)活性炭與重金屬離子結(jié)合的官能團(tuán)，可作為天然的絮凝劑處理廢水[33]。將藥渣與麥麩的吸附能力進(jìn)行比較，表明藥渣吸附能力更強(qiáng)[34]，利用藥渣對廢水進(jìn)行處理，吸附率非常高[35]。

2.2 化學(xué)轉(zhuǎn)化

2.2.1 富集技術(shù)提取有效成分 藥渣含豐富的活性成分，具有營養(yǎng)藥用價值，提取藥渣中的剩余成分可提高藥材的利用價值[36]。使用脫脂、脫蛋白等方法用大蠊藥渣制備殼聚糖[37]；利用醇沉、酶解等方法從人參藥渣中分離人參酸性多糖[38]。

2.2.2 化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化 制備乙醇：藥渣的發(fā)酵技術(shù)在乙醇生產(chǎn)工藝中具有廣闊的前景，其過程是利用酸遇水的方法解離藥渣中纖維素之間的連接鍵，將其水解為單糖后，將單糖發(fā)酵、蒸餾脫水制成乙醇[39]。有研究表明可用黃芪、木通藥渣來提取乙醇[40-41]。造紙：藥渣中含有豐富的纖維素、半纖維素，可作為造紙的原料，其原理是利用解離藥渣中纖維素間的連接鍵，生成造紙原料[42]。有文獻(xiàn)表明可將靈芝藥渣處理后磨漿制成藥渣漿料[43]，將靈芝藥渣粉末加葉漿處理制作成藥渣紙[44]。

2.2.3 熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制備能源 使用藥渣制能源既可解決能源短缺問題，還能減少環(huán)境污染，取得良好了的經(jīng)濟(jì)效益。將藥渣與其他材料混合燃燒可得生物質(zhì)炭，再通過排水集氣法、沼液堆漚法在無氧或少氧條件下降解可產(chǎn)生沼氣[45-46]。另外，熱解氣化是指生物質(zhì)通過熱化學(xué)反應(yīng)制備氣體燃料[47]。微波熱解是指生物質(zhì)在微波以及無氧或少氧的情況下熱降解，最終形成生物油、炭與可燃性氣體[48]。例如利用大蠊藥渣制取燃?xì)馀c生物柴油[49]。

2.3 藥用

藥渣外敷具有活血化瘀、收斂止痛等效果[50]。食用益生菌發(fā)酵的健胃消食片藥渣可治療腹瀉、脾虛[51-52]。

3 討論

我國中藥資源豐富，用途廣泛，在生產(chǎn)中藥產(chǎn)品與中藥材加工炮制時產(chǎn)生的藥渣大部分作為廢棄物處理。傳統(tǒng)的藥渣處理方式主要是堆放、焚燒等，這些處理方式對大氣、土地和水源造成了嚴(yán)重的污染，使藥渣成為中藥企業(yè)最重要的污染源之一。藥渣作為生物質(zhì)資源，含豐富的營養(yǎng)成分，是比較有價值的廢棄資源，因此藥渣的開發(fā)利用是極具前景的。發(fā)酵技術(shù)在我國歷史悠久，早在四千年前就開始將發(fā)酵應(yīng)用于中藥炮制，如神曲、半夏曲都是經(jīng)典的發(fā)酵中藥。藥渣經(jīng)過微生物的發(fā)酵不僅具提高藥效、產(chǎn)生新活性物質(zhì)等優(yōu)點，還能降低廢棄物的處理成本。藥渣通過不同發(fā)酵技術(shù)處理，可應(yīng)用于生產(chǎn)飼料、藥品、生物質(zhì)能源等方面，將廢棄藥渣變廢為寶，不僅促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，還具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

盡管藥渣在各行各業(yè)有所應(yīng)用，仍有很多不足。如藥渣來源途徑廣泛，使藥渣的處理工作復(fù)雜，在作為飼料、培養(yǎng)食用菌等方面，需要依據(jù)藥渣的具體化學(xué)成分、物理性質(zhì)甚至藥理作用才能進(jìn)行資源的合理化應(yīng)用，所以在深層次利用藥渣資源的進(jìn)程中，對藥渣發(fā)酵前后的化學(xué)成分及藥理作用進(jìn)行深入研究是極具前途的，可以有針對性地對藥渣中的化學(xué)成分進(jìn)行利用，拓寬藥渣的用途，從而拓寬中藥資源的開發(fā)與利用途徑，擴(kuò)大藥源和緩解市場供應(yīng)[53]，為藥渣的產(chǎn)業(yè)化提供更有力的幫助，使中藥行業(yè)走上綠色可持續(xù)的發(fā)展道路。