蠶沙的多元化利用研究進展

蔣勇兵 黃仁志 蔣詩夢 秦志雄 李章寶

(湖南省蠶?？茖W研究所，湖南長沙 410127)

我國的蠶桑生產(chǎn)因勞動強度大、科技含量和勞動效率相對較低、基礎條件較為薄弱、技術裝備不先進、蠶桑專業(yè)人才稀少等特點，在科技不斷發(fā)展的今天受到較大沖擊。實現(xiàn)蠶桑產(chǎn)業(yè)可持續(xù)、創(chuàng)新發(fā)展的重要有效途徑之一即開展蠶桑資源綜合利用，走蠶桑產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展道路[1]。作為絲綢的發(fā)源地和主產(chǎn)國，我國每年養(yǎng)蠶約1 500萬張蠶種，蠶沙產(chǎn)量約為450萬t，產(chǎn)量巨大[2]。目前對蠶沙資源利用最多的是作為農(nóng)家肥，少量蠶沙作為原材料被高效利用，如提取葉綠素、作為藥材等。多數(shù)蠶區(qū)的蠶沙沒有被充分高效利用，許多農(nóng)村地區(qū)的蠶沙被隨意丟棄。為充分利用蠶沙資源，減少因隨意丟棄蠶沙對環(huán)境的污染，增加蠶農(nóng)收入，本文對蠶沙資源的利用現(xiàn)狀作一總結，以期為蠶沙的多元化利用提供一些參考。

1 蠶沙資源

蠶沙，又名原蠶沙、原蠶屎、晚蠶沙、馬鳴肝、晚蠶矢，是養(yǎng)蠶過程中由蠶的幼蟲所排泄的固體糞便、食剩的殘桑、蠶體消毒劑以及蠶座中墊料的統(tǒng)稱[3-6]。蠶沙呈短圓柱形，長2～5 mm，直徑1.5～3 mm，表面灰黑色，粗糙，有6條明顯的縱棱及3～4 條橫向的淺紋。兩端略平坦，呈六棱形，質(zhì)堅而脆，受潮后易散碎發(fā)霉，微有青草氣味[3]。

蠶沙是一種富含粗蛋白和碳水化合物的多組分物質(zhì)。干蠶沙中含粗蛋白15.4 % , 粗脂肪3.88 % , 無氮浸出物36.2 % , 粗纖維19 .6% , 鈣0 .58% , 磷0.82 %, 還含銅、鐵、鋅等微量元素, 并含少量生物堿, 類腎上腺皮質(zhì)激素，維生素A (VA)，維生素B(VB)，維生素C(VC)，維生素D(VD)、維生素E(VE)和煙酸等，還含有一種未知促生長因子[7,8]。不同齡期蠶的蠶沙組分稍有差別，如蠶沙中有機物和氮素含量幼蠶多于壯蠶, 而灰分和碳素含量幼蠶少于壯蠶[9,10]。

蠶沙主要被用于堆肥回田，也可經(jīng)過篩、烘干后作為搭配畜禽精料飼喂肉兔、育肥豬、黑山羊和鵝等，可降低養(yǎng)殖成本和改善畜禽肉品質(zhì)，還也可經(jīng)發(fā)酵(添加發(fā)酵劑) 或烘干成顆粒后替代肉牛精飼料[11]。蠶沙傳統(tǒng)上只用作普通肥料和飼料，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益較低[10]。隨著社會的發(fā)展、科技的進步，加上蠶沙本身結構和含有的豐富營養(yǎng)物質(zhì)和藥用成分，蠶沙多元化利用前景廣闊。

2 蠶沙多元化利用

2.1 作栽培材料用

蠶沙含有豐富的營養(yǎng)成分，可作為食用菌、花卉植物及園藝植物的栽培材料。對于養(yǎng)蠶業(yè)發(fā)達地區(qū)，蠶沙產(chǎn)量相對較高，且蠶沙本身的成分與麥麩等食用菌栽培輔料相類似，因此為蠶沙制作食用菌輔料提供了很大發(fā)展利用空間[12]。張劍飛等[14]利用桑枝和蠶沙分別作為主、輔料，對大球蓋菇成功地進行了室外栽培。同樣地，白興榮等[15]和卓金亮等[16]以蠶沙為原料分別在杏鮑菇、金針菇栽培上取得了較好的效果。陳秀月等[9]用以蠶沙、泥炭、煤渣、過磷酸鈣和硫磺粉為原料配制的基質(zhì)栽培植物，發(fā)現(xiàn)觀葉植物生長性能好于對照組(常用盆栽基質(zhì))，葉色濃綠，株型健壯而挺拔；觀果植物的長勢也優(yōu)于對照，株高、冠幅、分枝數(shù)、葉量等均比對照組高出0.5～1.5倍；觀花植物的營養(yǎng)生長量也高于對照組，且花量高出對照組1～2倍。同時也可以將蠶沙發(fā)酵后用于食用菌的培養(yǎng)，既降低了食用菌生產(chǎn)成本，又實現(xiàn)了資源的良性循環(huán)[13]。

2.2 作藥用

蠶沙，性溫，味甘、辛，歸肝、脾、胃經(jīng)，功能祛風除濕、和胃化濕。《名醫(yī)別錄》：“主腸鳴，熱中，消渴，風痹，癮疹?！薄侗静菥V目》：“治頭風、風赤眼，其功亦在去風收濕也”。蠶沙在我國是一種的傳統(tǒng)的抗風濕藥物[17]。在《本草求原》中有“原蠶沙，為風濕之專藥，凡風濕癱緩固宜，即血虛不能養(yǎng)經(jīng)絡者，亦宜加入滋補藥中”的記載[18]。黑大豆和蠶沙合用(一般用量黑大豆10～20 g，蠶沙20 g)能祛風解毒，行氣和血，利濕化濁，是治療慢性腎衰竭的常用藥對之一[18]。

蠶沙保健枕，是一種具有高附加值、高科技含量、高市場需求的“三高”產(chǎn)品。它不僅可以祛風化濕、降血壓等功能，還對因血熱引起的頭昏、頭痛以及腦血管疾病等都起到很好的輔助治療效果。蠶沙保健枕還可以預防和緩解風濕性關節(jié)炎和各種中風癥狀的發(fā)生，是一款延年益壽的良品[19]。有資料指出將蠶沙與多味中草藥(如牛角花、草決明、薄荷、五味子、丹參等)配合制作成的蠶沙藥枕，有明目、降壓、疏通經(jīng)絡之功效，對頭暈、失眠具有很好的治療效果[20]。

2.3 作化工原料用

葉綠素對人體無毒、無副作用，是食品工業(yè)上取代合成色素的重要綠色添加劑，不但能促進新陳代謝和血紅蛋白的合成，還具有護膚、潔齒、除臭和抑菌作用[13]。風干蠶沙中的葉綠素含量高達0.8%～1.0%，是提取葉綠素和制備葉綠素衍生物較為理想的原料[6,21]。但是提取后的葉綠素穩(wěn)定性降低，通常將其進一步制成相對穩(wěn)定的金屬鹽。目前蠶沙葉綠素產(chǎn)品主要有糊狀葉綠素、銅代葉綠素和葉綠素銅鈉鹽[6,13]。葉綠素銅鈉鹽具有色澤亮麗、性能穩(wěn)定、使用安全等特點，且具有一定的營養(yǎng)價值和保健功能，是一種比葉綠素更為理想的天然色素[22]。同時葉綠素銅鈉鹽具有治療慢性潰瘍、外科創(chuàng)傷、中耳炎、水田皮炎、脈管炎、肝炎、胃炎、白細胞減少等疾病的功效，是“肝寶”、“新血寶”、“胃甘綠”等藥物的主要成分。陳智毅等[23]以2 齡、3 齡幼蠶的蠶沙為主要原料制成的桑蠶蟲茶，經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)含有較高的1-脫氧野尻霉素(DNJ)，具有較顯著的降血糖作用。

蠶沙中一般含有10% ～ 15%的果膠，在干蠶沙中含量更高[6]。果膠具有抗菌、止血、降血脂、防便秘、促消化等藥理作用，可單獨或與其他藥物配合用于治療冠心病、動脈硬化、高血脂等一些疾病[6,13]。除此之外，以蠶沙為原料，可提取黃酮類化合物[6, 24, 25]、葉蛋白[6]、類胡蘿卜素[26,27]、葉酸[28]、DNJ[29]、1-三十三烷醇[30]、生物堿[31]和植物醇[32]。綜上所述，蠶沙是一種價廉物美，含有多種功能組分的資源。

2.4 作飼料用

蠶沙的營養(yǎng)價值比較豐富，有機質(zhì)(OM)含量40%～45%，粗蛋白(CP)含量為10.65%～17.64%，粗脂肪(EE)含量為1.94%～5.24%，粗纖維(CF)含量為17.37%～18.34%，粗灰分為9.85%～9.95%[33]，還有Cu、Fe、Zn等微量元素，具有極高的飼料相對值(relative feed value)和粗飼料分級指數(shù)(grading index)，且營養(yǎng)價值高于常規(guī)飼料原料苜蓿(干粉)、米糠和麥麩[11,34]。且蠶沙中的活性物質(zhì)含量相對較高，如黃酮類化合物、葉綠素、果膠，其質(zhì)量分數(shù)分別為1.66%、0.8%、11%。這些活性物質(zhì)對于動物的生長有著積極作用。例如蠶沙中包含的黃酮類化合物具有較強的抗氧化性、抗腫瘤功能，可以使動物在食用蠶沙后更加茁壯成長[35]。因此，將蠶沙用于替代畜禽精飼料可降低養(yǎng)殖成本，改善畜禽肉品質(zhì)(表1)。

但是蠶沙中的果膠、亞硝酸鹽會影響飼用的安全性。果膠進入動物胃、腸道內(nèi)，能與水分子作用增加食糜黏度，產(chǎn)生抗營養(yǎng)作用，阻礙機體對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[36]。趙鳳至等[36]通過試驗發(fā)現(xiàn)飼糧中的果膠對鵝的生長性能、體尺性狀、屠宰性能等具有不良影響。因此在使用蠶沙作為動物飼料原料時應嚴格把控使用量。而亞硝酸鹽為強氧化劑，進入動物體內(nèi)后，可使血液中血紅蛋白失去攜氧能力，致使組織缺氧，可視粘膜及白色皮膚發(fā)紺，嚴重者發(fā)生死亡。陳樂樂等[34]通過收集4種常用養(yǎng)蠶模式產(chǎn)生的蠶沙，輔以玉米粉、麥麩、豆粕，用乳酸桿菌、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌進行發(fā)酵，分析了發(fā)酵后蠶沙中亞硝酸鹽含量的變化。結果表明，蠶沙經(jīng)過發(fā)酵處理32～40 h后能有效降低蠶沙中的亞硝酸鹽含量。

2.5 作肥料用

蠶沙干物質(zhì)中的有機物質(zhì)量分數(shù)為83%～90%，灰分10%～15%，含氮物質(zhì)為2%～4%[37]，理論上計算，100 kg干蠶沙的肥效相當于14 kg硫酸銨、6 kg過磷酸鈣、5 kg硫酸鉀，是一種養(yǎng)分較為全面的有機肥料[8]。蠶沙是養(yǎng)蠶生產(chǎn)中的主要有機廢棄物，同時也是家蠶病原物的主要載體之一。蠶沙的隨意丟棄，不僅會造成環(huán)境污染，還會對當?shù)氐男Q桑生產(chǎn)造成嚴重威脅。堆肥處理是目前處理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中固體有機廢棄物的一種經(jīng)濟有效方法[38]。堆肥發(fā)酵所產(chǎn)生的高溫可滅活蠶沙中的病原菌，且發(fā)酵腐熟后的蠶沙可成為優(yōu)質(zhì)的有機肥，長期施用能提高土壤肥力和改良土壤結構[39-40]。蠶沙發(fā)酵有機肥不僅可提高小白菜產(chǎn)量、營養(yǎng)養(yǎng)分、維生素含量，減少硝酸鹽的積累量，提高土壤 pH 值，增加土壤速效養(yǎng)分和有機質(zhì)含量，增強土壤酶活性[41]，還能有效提高杭白菊的存株率、增加了植株株高、分枝數(shù)和藥材產(chǎn)量[42]，提高連作杭白菊的根際土壤細菌多樣性水平，促進功能菌和有益菌的生長，改善微生態(tài)環(huán)境，從而達到了緩解連作障礙的目的[43]。

另外，增施蠶沙有機肥可明顯促進大白菜的生長發(fā)育，增加產(chǎn)量，對軟腐病有一定預防效果[52]。蠶沙發(fā)酵有機肥能有效提高煙草植株葉片的生物量，增加煙葉中N、P、K的吸收量(分別比對照組高出68.51%、59.15%和100.32%)，提高煙葉中水溶性總糖量30.17%[53]。

盡管蠶沙有機肥養(yǎng)分豐富，但肥效相對較低且釋放較慢，推廣應用有一定難度[54]。廣東省農(nóng)業(yè)科學院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所已建立一套蠶沙無害化及肥料化處理的技術規(guī)程，并利用蠶沙開發(fā)出了純有機肥、有機無機復混肥和微生物菌肥等產(chǎn)品，走在蠶沙肥料產(chǎn)業(yè)化的前端[2]。比如蠶沙有機無機復混肥——天蠶優(yōu)地，該肥料利用蠶沙中的微生物多樣性，以現(xiàn)代生物技術改良菌株、提高目標菌株的功效為目標，通過活化土壤N、P、K，以提高肥料利用率。唐茂榮等[54]分別施天蠶優(yōu)地有機復混肥和普通桑樹專用復混肥在桑樹上進行應用試驗，結果表明桑樹施用天蠶優(yōu)地后667 m2桑園年產(chǎn)葉量比普通桑樹專用復混肥增產(chǎn)930.69 kg，增幅為33.2%，這對探索開展蠶沙多元化利用和對合理處理蠶沙、拓寬生物菌肥原料并進行資源化利用等具有重要意義。

2.6 作環(huán)保材料用

蠶沙是一種農(nóng)業(yè)廢棄有機物料，來源廣泛、價格低廉，同時富含各類營養(yǎng)物質(zhì)、微量元素以及少量生物堿等，既能夠改善土壤酸度，提高土壤養(yǎng)分，改良土壤結構，還可以顯著降低土壤中的有效態(tài)Cd、Pb 含量[55,56]。林李華等[57]通過試驗發(fā)現(xiàn)在蠶沙土壤調(diào)理劑(蠶沙 50%、貝殼 40%、氧化鎂 10%)的作用下，酸性土壤 pH上升了0.77，土壤有機質(zhì)含量提高了6.94%，豆角產(chǎn)量增加了125.99%。而范稚蓮等[58]通過大田實驗，選用不同的土壤改良劑(煤灰、菌渣、蠶沙、煤灰和菌渣組合、煤灰和蠶沙組合)，分析其對玉米富集重金屬的影響。結果表明在玉米苗期，蠶沙對地上部分富集重金屬的抑制效果最佳，吸收As、Cd、Pb和Zn分別降低60.46%、68.87%、63.99%和19.51%。而在玉米成熟期，蠶沙對玉米根、莖富集重金屬的效果最佳。

表1 飼料中添加蠶沙喂養(yǎng)畜禽的文獻報道

生物炭作為一種新型環(huán)境功能材料，因其具有精致的微孔結構和巨大的比表面積等特殊的物理化學性質(zhì)，在土壤改良與修復領域展現(xiàn)出良好的應用前景[59]。嚴靜娜等[60]研究了不同熱解溫度蠶沙生物炭對土壤中Cd、Pb的鈍化效果，結果顯示：添加蠶沙生物質(zhì)炭對重金屬的鈍化效果明顯，顯著降低了土壤中Cd、Pb的弱酸可提取態(tài)含量，提高了殘渣態(tài)含量，不同熱解條件蠶沙生物質(zhì)炭鈍化效果為700 ℃>500 ℃>300 ℃。而楊惟薇等[61]通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗，以甘蔗葉、木薯稈、水稻秸稈和蠶沙為原料制成生物炭，研究其對潮土中Cd的鈍化效果。結果表明，添加生物炭后，土壤pH值和陽離子交換容量(CEC)增加，弱酸可提取態(tài)和可還原態(tài)Cd含量顯著降低，而可氧化態(tài)和殘渣態(tài)Cd含量提高，鈍化效果為蠶沙生物炭>水稻秸稈生物炭>木薯稈生物炭>甘蔗葉生物炭。同樣，曹美珠等[62]在研究生物炭對土壤中阿特拉津淋溶與遷移的影響時，也發(fā)現(xiàn)施加蠶沙生物炭顯著增加土壤CEC和有機碳的含量，明顯抑制阿特拉津在土柱中的淋溶與遷移。另外蠶沙生物炭材料還對農(nóng)藥噻蟲嗪具有緩控釋作用，室溫下該蠶沙生物炭對噻蟲嗪的釋放表現(xiàn)出長效釋放效力。按照一般農(nóng)作物的需藥量，該生物炭只要按照 0.5 g/(d·m2)的投入量便能很好地對農(nóng)作物進行長效的蟲害防治(>40 d)[63]。Li et al[64]研究了蠶沙生物炭對雙酚A的吸附效果。他們認為炭化過程中形成的無機礦物成分堵塞了生物炭的內(nèi)部孔徑，減少了吸附位的數(shù)量，而生物炭經(jīng)酸洗后，可以增加生物炭對雙酚A的吸附。

徐蒙蒙等[56]通過室內(nèi)淹水土培試驗，研究了蠶沙配施蠶沙炭、膨潤土、腐殖質(zhì)鉀和泥炭對酸性水稻土中Cd和Pb的鈍化效果，發(fā)現(xiàn)蠶沙復配材料均不同程度地提高了土壤pH和有機質(zhì)含量，有效態(tài)Cd、Pb的含量隨著淹水時間的延長，都有不同程度的降低。與對照相比，添加蠶沙和蠶沙炭、 蠶沙和腐殖質(zhì)鉀、蠶沙和蠶沙炭和腐殖質(zhì)鉀、蠶沙和泥炭培養(yǎng)28 d后，土壤有效態(tài)Cd分別降低了16.07% 、15.51%、 11.08%、7.76%；有效態(tài)Pb則降低了32.54%、27.12%、37.72%、42.31%。其中蠶沙和蠶沙炭組合對Cd的鈍化效果最好，蠶沙和泥炭組合對Pb的鈍化效果最好。同樣地，盧美獻等[65]研究了蠶沙炭(BC)、硅酸鈣(Si)、硫酸亞鐵(Fe)及其組合對Cd、As復合污染土壤的修復效果，結果表明Fe、Fe+BC處理極顯著降低了土壤有效態(tài)As含量，分別為48.06%和33.75%。Si、BC和Fe+BC顯著降低了有效態(tài)Cd含量，分別為19.56%、14.29%和33.32%。

2.7 其它用途

蠶沙可以作為發(fā)酵沼氣的原料。蠶沙不僅含有沼氣發(fā)酵微生物生長所必需的蛋白質(zhì)、纖維素、糖類等物質(zhì)，還有大量可被產(chǎn)甲烷細菌直接利用的可溶性有機物[66]。據(jù)測算，將1 t的蠶沙和糞水堆漚15 d后再入沼氣池，產(chǎn)氣量可達到42 m3左右，可持續(xù)產(chǎn)氣80 d[67]。但是由于蠶沙中含有大量抑菌成分，因此，未經(jīng)過池外堆漚的蠶沙不能直接入池發(fā)酵，尤其是初次裝料的新池[66]。最新研究表明[68]，蠶沙制成高比表面(2 258 m2/g)的碳納米片后，可以提高材料表面濕潤性和電導率，因此該碳納米片可以作為超級電容器的高性能電極材料。家蠶通過喂食銅、銀納米材料后，可以明顯提高蠶絲的熱穩(wěn)定性和力學性質(zhì)[69]。但是家蠶喂食銅、銀納米材料后的蠶沙具有怎樣的性質(zhì)和具體用途，目前報道的文獻很少，還需要科研工作者更多深入地研究。

3 展望

蠶沙資源豐富，利用形式多樣化，為最大限度地利用蠶沙資源，我們應采取以下策略：

一是高度重視蠶沙資源的處理及利用。政府及各相關部門要重視蠶沙隨意丟棄的危害性及認清蠶沙資源開發(fā)利用所帶來的經(jīng)濟社會環(huán)境效益。蠶沙無害化處理和綜合開發(fā)利用是蠶桑生產(chǎn)中急需解決的問題，應在資金、技術、政策等各方面給予支持。

二是加強蠶沙烘干及滅菌設備的研發(fā)。蠶沙有機質(zhì)多，病菌也多，易腐敗變質(zhì)，不易保存，因此要大力開發(fā)蠶沙快速烘干及滅菌的設備，便于蠶沙的前期處理與保存，為后期綜合利用提供保障。

三是加強蠶沙資源深加工技術研究。各蠶?？蒲性核跋嚓P機構、企業(yè)應加強技術合作，充分利用各自科研資源，優(yōu)勢互補。完善提取有效成分的工藝流程，優(yōu)化工藝參數(shù)，拓寬蠶業(yè)發(fā)展新領域，通過多方面、多層次開展蠶沙資源綜合利用，最大限度利用蠶沙資源(尤其在環(huán)保領域)。