西瓜藤蔓材料化利用研究進(jìn)展

楚簫　黎豪　梁少華　宋慧娟　孫小武　蔡雁平

摘? ? 要： 西瓜是一種生活中常見的、營養(yǎng)豐富的園藝作物，廣泛種植于世界各地。西瓜藤蔓是西瓜生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，其生物質(zhì)含量高，具有豐富的粗纖維、蛋白質(zhì)、維生素C等營養(yǎng)成分以及多糖、有機(jī)酸、皂苷、黃酮類、生物堿和甾體等較復(fù)雜的化學(xué)成分。目前，國內(nèi)外對(duì)西瓜藤蔓資源的利用率低，技術(shù)不成熟，加工處理的方式較少，大量的西瓜藤蔓被廢棄，不但污染環(huán)境，而且浪費(fèi)資源。主要論述了西瓜藤蔓的成分及利用價(jià)值、西瓜藤蔓的利用方式以及對(duì)如何有效解決和綜合利用西瓜藤蔓作出展望。其中，重點(diǎn)介紹了西瓜藤蔓在還田生產(chǎn)、飼料加工、新型復(fù)合材料以及能源化利用等4種常見的利用方式，旨在為西瓜藤蔓資源化利用提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 西瓜; 藤蔓; 資源; 綜合利用

Abstract： Watermelon is a common， nutritious horticultural crop that is widely grown all over the world. As a by-product of the watermelon production， watermelon vines has high biomass content， rich in crude fiber， protein， vitamin C and other nutrients， as well as complex chemical components such as polysaccharides， organic acids， saponins， flavonoids， alkaloids and steroids. At present， the utilization rate of watermelon cirrus resources is low at home and abroad， the technology is immature， and the processing and treatment methods are less. A large number of watermelon vines are discarded， which not only pollutes the environment， but also wastes resources. This paper mainly discusses the composition and utilization value of watermelon vines， the utilization of watermelon vines and the prospect of how to effectively solve and comprehensively utilize watermelon vines. Among them， the four common utilization methods of watermelon vines in returning production， feed processing， new composite materials and energy utilization are introduced， aiming at providing reference for the utilization of watermelon vines.

Key words： Watermelon; Vines; Resource; Comprehensive utilization

西瓜（Citrullus lanatus）是葫蘆科西瓜屬一年生藤本植物，廣泛種植于亞洲、美洲、非洲和歐洲等地，尤以亞洲種植面積最廣。因?yàn)槲鞴瞎庵泻胸S富的維生素、番茄紅素和碳水化合物，瓜皮中富含果膠、蛋白質(zhì)等可藥用的成分，是與人類健康息息相關(guān)的重要作物[1]。據(jù)世界糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，大約有120個(gè)國家種植西瓜，產(chǎn)量主要集中在中國、伊朗、土耳其、巴西等國[2]。2016年，中國西瓜甜瓜栽培面積均居世界第1位，其中西瓜栽培面積達(dá)到189萬hm2，占世界西瓜總栽培面積的38.3%[3]。

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和不可再生資源的枯竭，國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)業(yè)廢棄物研究的重點(diǎn)在于農(nóng)業(yè)廢棄物的加工利用，減少不可再生資源的使用和增強(qiáng)環(huán)境污染危害性的意識(shí)[4-7]。在用天然纖維代替合成纖維的研究中，研究對(duì)象主要是麻類、竹類、秸稈和藤蔓草本植物。而西瓜栽培過程中產(chǎn)生的大量藤蔓也可成為加工對(duì)象。近30年來，西瓜生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展，在栽培過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢棄的藤蔓。因而，如何有效處理利用西瓜藤蔓成為一個(gè)有待商榷的研究方向。因此，筆者論述了國內(nèi)外西瓜藤蔓在飼料、藥用、復(fù)合材料等領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展。

1 西瓜藤蔓成分及利用價(jià)值

西瓜藤蔓體積大、數(shù)量多，且水分含量較高。因此既不適合就地焚燒處理也不適于長途運(yùn)輸加工。西瓜成熟后瓜藤內(nèi)纖維素含量較高且含糖量較低[8]。由于西瓜藤蔓與其他農(nóng)作物秸稈成分類似[9]，生物質(zhì)含量高，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，化學(xué)成分較復(fù)雜，所以擁有巨大的開發(fā)潛力。

孫偉康等[10]采用范式（VanSoest）法測得西瓜藤蔓成分分別為：纖維素含量為50%～60%;半纖維素含量為7%～10%;木質(zhì)素含量為20%～25%;果膠含量為5%～10%;脂蠟質(zhì)含量為1.5%～2%。

目前對(duì)于西瓜藤蔓處理加工的研究較少，主要是個(gè)別地區(qū)作為青貯飼料來解決本地飼料缺少問題以及醫(yī)學(xué)研究中對(duì)其不同部位提取物藥用價(jià)值的研究[11-14]。近幾年，西瓜藤蔓中的纖維還用于制備復(fù)合材料[10，15]。同時(shí)西瓜藤蔓鮮莖中水分含量較高，但內(nèi)能量值高，并含有大量粗纖維、蛋白質(zhì)，還富含維生素C等營養(yǎng)成分?；瘜W(xué)組分主要有多糖、有機(jī)酸、皂苷、黃酮類、生物堿和甾體等[16-18]。

西瓜藤蔓青貯處理后粗纖維水解為低糖，營養(yǎng)成分損失少，可作為飼料使用。宋曙輝等[19]發(fā)現(xiàn)西瓜藤醇提取物對(duì)金黃色葡萄球菌的活性具有較強(qiáng)的抑制作用;趙春燕等[20]利用超聲波輔助法提取西瓜藤中的葫蘆素B，其具有消炎、止痛、護(hù)肝、抗腫瘤等功效。王碩[17]研究發(fā)現(xiàn)，西瓜藤石油醚提取物和乙酸乙酯提取物，均具有抑菌、抗炎的作用;特有的腦苷V具有一定的抗腫瘤作用。西瓜果皮中還含有大量多糖，是一種難得的抗氧化劑，對(duì)于自由基清除有較好的效果[21]。由此可知，西瓜藤蔓具有較高的加工價(jià)值。若根據(jù)西瓜藤蔓的成分特征并參考其他作物秸稈加工利用的方式對(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用，則可在增加經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約。

2 西瓜藤蔓的利用方式

2.1 西瓜藤蔓在還田生產(chǎn)中的利用

收獲農(nóng)作物主產(chǎn)品后遺留的莖稈、葉片、殼、芯等副產(chǎn)品都屬于農(nóng)作物秸稈[22]。秸稈還田作為秸稈利用最為傳統(tǒng)的方式，分為直接還田利用和間接還田利用[23]。直接還田利用是秸稈最直接省事的一種利用加工方法，僅通過土壤中本身的微生物將秸稈中的營養(yǎng)物質(zhì)分解并釋放出礦物質(zhì)養(yǎng)分，無需對(duì)秸稈進(jìn)行加工處理[24]。間接還田利用主要包括堆腐還田和過腹還田，堆腐還田是指農(nóng)作物秸稈通過堆肥漚熟、混料發(fā)酵等加工為有機(jī)肥后再還田[25]，并可以避免土壤板結(jié)及病害傳播;過腹還田是讓牲畜食用消化排出后，以糞便的形式還田[26]。

由于自然環(huán)境下的土壤性質(zhì)結(jié)構(gòu)差異較大，采用不同的還田方式會(huì)導(dǎo)致秸稈的降解程度產(chǎn)生差異[27]。若將秸稈加工后及時(shí)還田，就可以使秸稈吸收的營養(yǎng)物質(zhì)返還土壤，可有效維持土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)平衡、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤生物環(huán)境，實(shí)現(xiàn)保護(hù)性耕作、減少其他化學(xué)肥料的施用。由于秸稈本身存在的病菌及連作產(chǎn)生的毒害作用，實(shí)際生產(chǎn)上大多采用間接還田的方式處理農(nóng)作物廢棄秸稈。同時(shí)，秸稈堆肥還田作為數(shù)千年來農(nóng)民提高土壤肥力的主要方式可以在短時(shí)間內(nèi)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，且操作簡單。厲波[28]將油菜秸稈還田于茶樹園，研究結(jié)果表明茶葉產(chǎn)量有所提高。羅奇會(huì)[29]研究發(fā)現(xiàn)，施用廢棄煙葉有機(jī)肥對(duì)魔芋品質(zhì)產(chǎn)生積極影響。丁哲利等[30]研究發(fā)現(xiàn)，相比施用普通商品有機(jī)肥，施用香蕉莖稈有機(jī)肥后，大白菜生長勢更優(yōu)。胡曉婷等[31]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過堆肥處理的番茄秸稈施用于番茄可以有效改善番茄風(fēng)味。對(duì)農(nóng)作物秸稈進(jìn)行加工還可生產(chǎn)其他新型肥料。堆肥茶是一種國外普遍采用的液體肥料，是將堆漚腐熟后的有機(jī)物再加工發(fā)酵，與水混合后制作而成的[32]。張祥等[33]利用小麥秸稈堆肥茶對(duì)番茄和辣椒進(jìn)行灌根處理，對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，其可以促進(jìn)2種蔬菜的植株形成，增強(qiáng)植株葉片光合作用。李晨曄等[34]以大蒜和油菜秸稈混合做堆肥茶，發(fā)現(xiàn)葉面噴施后對(duì)黃瓜的果實(shí)品質(zhì)有促進(jìn)作用。

西瓜藤蔓碳氮比適宜，含有大量的有機(jī)質(zhì)和微量元素，不含難降解的有機(jī)成分，可以成為一種很好的好氧堆肥原料。若將西瓜藤蔓粉碎后與其他農(nóng)業(yè)畜牧廢棄物（如玉米秸稈、稻草秸稈、油菜秸稈等）采用混合堆肥處理的方式，將藤蔓中的N、P、K釋放出來重新還田利用，粗纖維與木質(zhì)素充分轉(zhuǎn)化，不僅可以解決西瓜藤蔓處理不易的問題，還可以有效提高土壤肥力，降低人工成本。

2.2 西瓜藤蔓在飼料加工中的利用

粗飼料是指飼料中干物質(zhì)的粗纖維含量在18%以上，主要包括牧草和各種秸稈等[35]。而西瓜藤蔓是一種有待開發(fā)的重要飼料資源，其含有較高的可溶性碳水化合物及多種維生素，而且藤蔓產(chǎn)出量可達(dá)作物產(chǎn)出量一半以上，但西瓜藤蔓鮮莖水分含量高，容易腐爛，不利于長期貯存，這是其作為畜牧飼料的一個(gè)重要限制因素;另外一個(gè)主要限制因素是藤蔓中含有大量影響適口性和消化率的抗?fàn)I養(yǎng)因子單寧。青貯可以使秸稈內(nèi)糖分轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸，適口性好，解決飼草資源不穩(wěn)定時(shí)畜牧的食物來源，所以青貯是提高瓜藤粗飼料利用價(jià)值的一種重要手段[36]。目前僅有楊恩裕等[11]將各種菌劑、糖蜜、米糠、乳酸菌及酸類等作為西瓜藤蔓青貯飼料添加劑，并考察添加劑對(duì)西瓜藤蔓青貯飼料品質(zhì)的影響。其研究表明，這些處理可不同程度改善西瓜藤蔓青貯飼料的適口性，顯著提高青貯飼料的消化利用率和營養(yǎng)價(jià)值，降低單寧含量，增加飼料有機(jī)酸，減少飼料霉變的發(fā)生。也有研究采用西瓜皮作為青貯原料添加甲酸來獲得品質(zhì)優(yōu)良的青貯飼料[37]。其他作物秸稈青貯加工也可以為西瓜藤青貯提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。魏晨等[38]通過青貯改善薰衣草秸稈的品質(zhì)后，提高了薰衣草秸稈飼料的利用價(jià)值。王志敬等[39]對(duì)鳳梨渣進(jìn)行不同發(fā)酵時(shí)間的青貯來提高飼喂價(jià)值。華金玲等[40]將花生秸稈與玉米青貯來研究粗飼料對(duì)瘤胃發(fā)酵的適宜性。何圣米等[41]將蘆筍秸稈開發(fā)成青貯飼料，同時(shí)解決廢棄蘆筍秸稈的污染問題。

2.3 西瓜藤蔓在新型復(fù)合材料中的利用

農(nóng)作物秸稈中含有豐富的粗纖維，將秸稈內(nèi)粗纖維提取加工后可以得到纖維素及其衍生物[42]。在工業(yè)中廣泛利用這些農(nóng)作物秸稈加工新型復(fù)合材料，主要秸稈衍生物有醋酸纖維素、羧甲基纖維素、微晶纖維素等。而秸稈中又有比棉麻類作物多的雜質(zhì)，需在加工工藝中加入除雜工藝。秸稈纖維中含有較多果膠，脫膠方法主要有酸堿法、生物酶法、機(jī)械法、兩種方法聯(lián)合等[43]。王可等[44]利用甲苯/乙醇，采用稀鹽酸處理加工桑樹秸稈得到醋酸纖維素。李帥等[45]將玉米秸稈加工為微晶纖維素并運(yùn)用于食用膜中。

另外，由于西瓜藤蔓粗大、含水率高等問題，關(guān)于西瓜纖維中纖維素提取的研究進(jìn)展極少。僅有劉大全等[8]選取我國資源豐富的瓜藤作為研究對(duì)象，系統(tǒng)地試驗(yàn)研究各種葫蘆科瓜藤的組分含量，包括纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等，以及斷面微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)拉伸性能等。通過機(jī)械提取發(fā)現(xiàn)，瓜藤纖維在做復(fù)合材料的增強(qiáng)體方面具有潛在優(yōu)勢，因?yàn)楣咸僦欣w維素含量均超過50%，其中，絲瓜藤纖維素含量高達(dá)70%[8]。張西良等[46]以黃瓜藤蔓為研究對(duì)象，分析黃瓜藤蔓纖維的理化特性，結(jié)合復(fù)合材料力學(xué)進(jìn)行分析，揭示了黃瓜秸稈顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為開發(fā)和改進(jìn)切割藤莖類的機(jī)械提供理論支持。王晶華[47]采用酸浸堿煮2次脫膠的方法得到瓜藤纖維，并利用掃描電鏡觀察得到原始瓜藤原與纖維的組成結(jié)構(gòu)、橫截面積等基本性質(zhì)，同時(shí)對(duì)各類瓜藤的力學(xué)性能進(jìn)行了詳盡分析，為瓜藤纖維加工提供依據(jù)。

西瓜藤蔓纖維主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。作為瓜藤纖維中的重要組成部分，纖維素在瓜藤中含量均超過50%。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)西瓜藤蔓纖維的橫截面呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。其纖維結(jié)構(gòu)與椰殼纖維結(jié)構(gòu)類似，細(xì)胞壁較厚，內(nèi)腔孔閉合，纖維細(xì)胞間結(jié)合力弱于纖絲間力;從與麻類和桑皮纖維相似的縱面結(jié)構(gòu)可以看出纖維表面凹凸不平，無天然扭轉(zhuǎn)，不同程度伴有孔洞和裂隙。由于瓜藤纖維素含量低于亞麻、黃麻等纖維作物，而半纖維素、木質(zhì)素的含量則較高，因此，西瓜藤蔓纖維的拉伸性能、力學(xué)強(qiáng)度等均稍差于麻類和棉花等纖維作物。但是西瓜藤蔓纖維化學(xué)性質(zhì)與傳統(tǒng)纖維素纖維有許多相似處，具有抗氯仿、酸類、酮類和酚類等有機(jī)物的能力，而且耐酸性能優(yōu)于棉纖維，但抗堿性能不如棉纖維。另外，廖徐霞[48]研究表明，西瓜藤蔓可以與聚丙烯復(fù)合成新材料，用于生產(chǎn)使用。孫偉康等[10]采用熱壓法制備了聚乳酸/西瓜藤纖維綠色復(fù)合材料。

2.4 西瓜藤蔓的能源化利用

農(nóng)作物廢棄物大都由植物光合作用直接或間接產(chǎn)生，相對(duì)于化石燃料，具有可再生、周期短、產(chǎn)量大、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物的能源化利用不僅有厭氧發(fā)酵及直燃熱解兩方面，還可以通過轉(zhuǎn)化廢棄物為生物柴油、沼氣等可再生能源。張竇[49]將乙醇鈉預(yù)處理后的蔗渣用于發(fā)酵乳酸。纖維素乙醇是以農(nóng)作物廢棄物為原料進(jìn)行生產(chǎn)的，而纖維素轉(zhuǎn)化乙醇的關(guān)鍵步驟是預(yù)處理、酶解、發(fā)酵，預(yù)處理和酶解程度直接影響著纖維素的水解效率和纖維素制備乙醇的生產(chǎn)成本[23]。通過預(yù)處理如蒸汽爆破、酸堿處理、氨爆法等可除去木質(zhì)素、溶解半纖維素和破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，從而增大其可接觸表面，加速纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的速度[50]。白春艷等[51]將預(yù)處理后的高粱稈用于發(fā)酵酒精;李永恒等[52]以甘蔗渣為原料進(jìn)行發(fā)酵制備纖維素乙醇;李婷婷等[53]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈發(fā)酵酒精后的殘?jiān)€可分級(jí)利用，長纖維用于造紙?jiān)?，短纖維用于飼料。相對(duì)來說，西瓜藤蔓的纖維素和半纖維素含量高于木質(zhì)素，因此西瓜藤蔓具有進(jìn)行生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇的潛力[54]。若使用西瓜藤蔓作為原料生產(chǎn)燃料乙醇，不僅可以有效解決燃料乙醇的生產(chǎn)問題，而且能使西瓜藤蔓廢棄物得到充分利用，促進(jìn)農(nóng)民增收，減少堆置秸稈帶來的環(huán)境污染。

3 展 望

從世界整體范圍來看，西瓜藤蔓的開發(fā)利用方面單一，生產(chǎn)水平落后，綜合利用效率低，產(chǎn)業(yè)鏈不完整，還處于初級(jí)開發(fā)階段。目前，國內(nèi)外對(duì)西瓜藤蔓資源的利用只有極少的探索研究，而且各項(xiàng)技術(shù)都還不夠成熟，距規(guī)?；⑸a(chǎn)化、商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用還有很大的差距。國內(nèi)西瓜藤蔓加工利用困難主要是西瓜藤蔓難以大規(guī)模收集、粉碎和貯運(yùn)，缺乏相關(guān)配套設(shè)備;西瓜藤蔓藥用價(jià)值僅處于研究階段，未投入生產(chǎn);作為新型材料加工缺乏研究課題。從目前來看，西瓜藤蔓的回收利用僅限于研究報(bào)道中，未投入社會(huì)生產(chǎn)。因此，應(yīng)借鑒小麥、水稻、玉米等大宗作物和甘蔗皮、花生殼、香蕉莖稈、拉菲草等農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用技術(shù)和方法，拓寬西瓜藤蔓綜合利用途徑，優(yōu)化加工工藝，根據(jù)西瓜藤蔓特點(diǎn)改造配套設(shè)備，提高西瓜藤蔓綜合利用效率，推動(dòng)西瓜產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

若可以增加科技投入與政策支持力度，加強(qiáng)對(duì)瓜藤肥料化、飼料化、纖維化、能源化加工技術(shù)的綜合研究，建立一套完整的西瓜藤蔓廢棄物收集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和加工利用系統(tǒng)。則可以切實(shí)解決西瓜藤蔓綜合利用過程中的實(shí)踐問題、科學(xué)問題以及技術(shù)問題。

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