基于木塑产品开发的中药固体废弃物资源化利用研究△

严辉，张森，陈佩东，郭盛，江曙，郝国强，段金廒*

(1.南京中医药大学 江苏省中药资源产业化过程协同创新中心/国家中医药管理局中药资源循环利用重点研究室/国家中药材产业技术体系盐城综合试验站，江苏 南京 210023；2.江苏华天天旺木塑科技有限公司，江苏 南京 211804)

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基于木塑产品开发的中药固体废弃物资源化利用研究△

严辉1，张森1，陈佩东1，郭盛1，江曙1，郝国强2，段金廒1*

(1.南京中医药大学 江苏省中药资源产业化过程协同创新中心/国家中医药管理局中药资源循环利用重点研究室/国家中药材产业技术体系盐城综合试验站，江苏 南京 210023；2.江苏华天天旺木塑科技有限公司，江苏 南京 211804)

本研究根据中药材固体废弃物产生的理化特点，提出将中药固体废弃物开发成木塑产品的研究思路。从中药废弃物物质多样的角度展望了其在抑菌性木塑产品研发方面的应用前景，并以黄蜀葵废弃物为例，探讨了中药固体废弃物作为木塑原料应用的策略，从而为进一步拓宽中药材固体废弃物的综合利用提供有效的参考依据。

中药固体废弃物；木塑复合材料；抑菌成分；资源化利用

据统计，我国每年中药材生产及深加工过程中产生的非药用部位及药渣等固体废弃物生物量达数千万吨[1]。由于中药固体废弃物来源多样、性质各异，目前最主要用途集中在生产有机肥料、菌物基质，或者作为生物质燃料。此外，多数固体废弃物作为垃圾填埋或焚烧，除占用大量土地资源外，处置过程中还会对大气及地下水源造成一定程度的污染[2]。因此，如何有效利用、减少对环境的污染成为迫在眉睫且急需解决的关键问题。

木塑复合材料(wood-plastic composite，WPC)是利用各种废弃的植物纤维与回收再生塑料通过复合、共混、改性工艺技术而制造的一种新兴的环境友好复合材料[3]。其既具有木质纤维材料的高强度和高弹性，又具有塑料的高韧性和耐疲劳等优点[4]，更具有绿色环保、可循环利用的优势。WPC生产过程中不使用含有甲醛、苯等有害物质的胶水作为黏合剂；同时，还可像废钢的回收冶炼一样重复使用，符合国家建设绿色节能型经济和可循环经济的基本要求，具有较好的市场应用前景[5]。

中药固体废弃物一般具有和传统木塑原料(如杨木等)类似的植物纤维，只要经过干燥、粉碎等简单工艺，多数都可作为优良而低价的木塑产品原料，具有广阔的市场应用潜力和前景。因木塑产品常应用于室外，长期存在于潮湿环境，容易被细菌、霉菌及木腐真菌侵染。而中药固体废弃物成分复杂多样，其中部分品种尚富含天然抑菌物质，因此，从中药废弃物中开发木塑产品，尤其是具有防霉抑菌等功能的木塑产品，对循环利用巨量的中药固体废弃物、保护环境具有重要的社会意义和经济价值。本文对以中药固体废弃物为原料开发木塑产品的策略进行探讨，以期为进一步拓宽中药固体废弃物的资源化利用提供支撑。

1 木塑复合材料的性质特征及其工艺概况

1.1 木塑简介及其性质特征

木塑复合材料目前主要是采用木材加工剩余物、森林抚育剩余物、废旧木材、农作物秸秆等木质纤维材料和废旧热塑性塑料为主要原料，通过挤出、压制等成型方式形成的复合材料。目前WPC被广泛用于建筑领域的门窗、顶板、模板、地板、屋面板、隔板等[6]。

我国对木塑材料的研究自20世纪80年代开始，虽起步较晚，但发展较快，现已成为木塑产品的第一生产大国。近年来，有学者尝试将芦苇等材料应用作为木塑原料，以扩大其应用范围[7]。从国内木塑行业发展趋势来看，木塑复合材料未来的发展方向是实现原料多样化、设备工艺专业化、产品高档化，选择量大、廉价、功能性原料，将是提升木塑产品竞争力的有效途径[8]。

1.2 木塑生产工艺简介

木塑复合材料的挤出工艺有模压成型工艺、注射成型工艺和挤出成型工艺这3种制备工艺[9]。

模压成型工艺：热压成型是塑料加工业中简单、普遍之加工方法，主要是利用加热加工模具后，注入试料，以压力将模型固定于加热板，控制试料之熔融温度及时间，以达融化后硬化、冷却，再予以取出模型成品即可。

注射成型工艺：将固态的塑胶按照一定的熔点融化，通过注射机器的压力，用一定的速度注入模具内，模具通过水道冷却将塑胶固化而得到与设计模腔一样的产品。

优化挤出工艺：目前在国内应用最为广泛。本课题组前期研究就是基于挤出成型工艺进行样品制备，使原料受热塑化，边被螺杆向前推送，连续通过机头而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法。并向其中添加润滑剂和抗氧化剂，添加的润滑剂有内润滑剂(EBS)和外润滑剂(硬脂酸)，内润滑剂的作用是使植物纤维与塑料的摩擦速度和物料与机器的摩擦速度相等；否则会导致产品撕裂，因为速度不一致会导致不同密度的物体分布不均匀。

2 中药固体废弃物类型特点及其制备木塑材料的适宜性分析

中药固体废弃物是指在中药材及中药饮片生产过程、中药提取物制备过程或中药配方颗粒生产过程，以及以消耗中药及天然药用生物资源为特征的资源性产品制造过程中产生的未被开发利用的中药资源生物体废弃组织器官、未被利用的可利用物质以及中药废渣等[2]。不同来源固体废弃物其性质、特点、产生时间、生物量等各不相同[10-12]，其适宜于制备木塑材料的理化特性差异较大。

2.1 药材田间管理过程中产生的中药固体废弃物

药用植物在田间管理中存在大量未被有效利用的组织器官。如：柑橘属(CitrusL.)多种药用植物在生长过程中会产生大量的落花、落果等；忍冬属(LoniceraL.)植物、五味子属(SchisandraMichx.)植物，连翘Forsythiasuspensa(Thunb.)Vahl等藤本或木本药用植物规范化栽培生产过程中需在冬春两季采取疏枝、打顶等管理措施产生大量的废弃枝条等。其中，多年生木本类药材修剪下的废弃部位纤维素、木质素含量较高，且其容重可达0.55～0.9 g·cm-3，如忍冬茎为0.67 g·cm-3，较适宜作为木塑原料。见表1。

2.2 药材采收过程中产生的固体废弃物

采收过程中产生的固体废弃物是指在采收药材过程中废弃的传统“非药用部位”。例如：菊ChrysanthemummorifoliumRamat.在采摘花蕾或开放的头状花序时其株高可达60～100 cm左右，废弃的植株生物产量约是花序产量的5～6倍。这其中因连作障碍而不能连作的花类药材如菊花、黄蜀葵花，每年其根、茎等废弃生物量较大。前期检测结果显示，多数草本类药材废弃部位的容重在0.3～0.7 g·cm-3，如菊茎秆为0.59 g·cm-3，丹参茎为0.57 g·cm-3，决明茎秆为0.42 g·cm-3。因此，该类材料在制备木塑原料时尚需采用改性的方法使其容重接近于PE粒子，以保证产品质量。见表2。

2.3 药材产地加工及饮片生产过程中产生的固体废弃物

药材产地加工及饮片生产过程中产生大量的废弃物，主要是净制过程中产生的根头、尾梢、栓皮、果核等“下脚料”及破碎组织、碎屑粉渣等废弃物，这其中尤以树皮类药材剩余的木质部、种子类药材的皮壳等较适宜作为木塑原料应用。见表3。

2.4 中药制药过程中产生的固体废弃物

中成药制药、中药配方颗粒提取等中药制药过程中经提取后剩余大量的固体废弃物，这其中中成药提取往往采用多味中药投料进行提取，其来源更为复杂，性质差异大；中药配方颗粒提取一般单味药投料，来源单一，性质稳定，更适宜进行开发。中药制药过程中产生的固体废弃物在产生时间上主要由生产计划决定，不受生长季节限制，其废弃资源量更为稳定、可控。此外，部分中药提取后形成的药渣，由于受高温蒸煮导致物理结构改变，其容重增加，如丹参配方颗粒药渣容重为0.75 g·cm-3，为较适宜的木塑原料。

表1 田间管理过程中产生的中药固体废弃物

表2 采收过程中产生的中药固体废弃物

表3 产地加工及饮片生产过程中产生的中药固体废弃物

3 天然植物资源抑菌功能及其制备木塑材料的适宜性分析

当前市场上木塑产品多添加银离子制剂作为防腐剂，生产成本较高。天然抑菌物质普遍存在于植物中，随着研究不断深入,越来越多抗菌、抑菌活性成分被发现。目前已报道具有抑菌活性的天然植物约5000余种[13]。大量文献报道，中药除了具有抗病原微生物的作用，对其他类型的微生物也有抑制作用。如果利用中药废弃物能有效抑菌的性能,将其应用于木塑产品,作为木塑的原料,既可减少木材的砍伐，解决中药废弃物的利用与处置问题,还能减少化学防腐剂的应用,降低成本，这对实现中药固体废弃物的资源化利用具有十分重要的意义。

目前，从有抑菌活性的植物中分离的抑菌物质主要有生物碱、有机酸、挥发油、多酚、皂苷、萜类、黄酮、多糖等[13]。受其原料(木粉、竹粉等)影响，木塑产品易受侵染的菌类主要有曲霉属、腐霉属、木霉属、绿木霉属等[14]。目前国内外从事天然植物资源抑菌研究的文献多数集中在对细菌的抑菌能力研究，如王航等[15]研究表明苦参有效抑菌成分主要为生物碱、黄酮类物质和酚类物质。冯俊涛等[16]曾对苦豆子等西北地区的187种植物进行了杀菌活性初步筛选，结果表明苦豆子丙酮提取物对多种植物病原菌有较高的抑菌活性。有关银杏活性成分的研究认为，银杏外种皮中的银杏酚酸类物质具有较好的抑菌活性，银杏种仁中的银杏蛋白、酚酸等具有抑菌活性[17-18]。对霉菌、真菌抑制作用考察的报道较少，因此在做抑菌性能考察时，应注意选择相应的菌种进行微生物实验[19]。

4 基于木塑产品研发的中药固体废弃物资源化实践

本课题组前期选取了黄蜀葵Abelmoschusmanihot(L.)Medic.根茎废弃物，采用挤出成型的方法进行了工艺研究，并对样品的相关参数进行了检测，为以木塑产品实现中药固体废弃物资源化利用提供依据[20]。

4.1 黄蜀葵根茎为原料的木塑地板生产实践

将黄蜀葵茎杆加工成细度60～80目、水分含量5%的黄蜀葵茎杆粉末，然后按照黄蜀葵粉末添加适量马来酸酐接枝，与废旧塑料粒子以1∶1的比例进行混料，充分搅拌至均匀。搅拌过后，将按照不同比例的物料加入到单螺杆挤出机中，同时向其中加入润滑剂(硬脂酸)，混料的温度为150～160 ℃，再经过造粒、挤出、成型、砂光和压花等步骤，制得木塑产品。

将制成的样品，依据中华人民共和国木塑材料国家标准[21]进行性能检测，结果见表4。

检测结果显示，由黄蜀葵茎杆粉末制得的木塑材料其外观正常，无开裂、鼓泡、亏料痕迹、非工艺性凹凸不平、边角缺损，握钉力符合国家标准要求，表明黄蜀葵茎杆可作为适宜的木塑原料。

4.2 以中药废弃物为原料的木塑产品产业化开发思路

对中药固体废弃物的处置和利用，应充分考虑其来源广泛、性质多样、生物储量巨大的特点，以处置成本低廉、加工方法成熟、处置量大为考察重点。以制备木塑产品为抓手，借助其相对简单的处理和加工方法，可实现对中药固体废弃物的大量处置，尤其是利用其天然抑菌成分丰富多样的特点，未来可形成具有一定技术成果和成本优势的系列新型功能型木塑产品(见图1)。

表4 木塑样品检查项目(n=3)

图1 以中药固体废弃物为原料的木塑产品产业化策略

但由于中药固体废弃物的性质差异较大，如要扩大其应用，结合其实践需求，必须要在原料粉碎、改性、制粒等物理转化方面加大研究进度。主要包括：1)改变结构增加容重；2)增加原料在塑料中的相容性和分散性而获得适塑性；3)通过对性质各异的原料进行质量控制；4)适宜于中药固体废弃物物料特性的木塑材料生产设备改进。

5 结语

中药固体废弃物经物理转化生产木塑产品，对于减少农村农业废弃物面源污染、减轻制药企业废弃物排放处理压力、提高中药废弃物的资源化利用能力等方面均具有重要意义和广阔的发展前景。但中药固体废弃物的物理转化利用研究仍处于起步阶段，有关中药固体废弃物的物料特性相关基础数据库缺失，其物理转化规律尚缺乏系统研究，适宜于中药固体废弃物理化特性的物理转化工艺及现代化加工设备匮乏，作为其原料的不同类型中药固体废弃物在收储、加工、管理等方面的配套政策措施尚不完备。但是，伴随着国家关于固体废弃物处置标准的正式实施，尤其是新时期对环境保护问题的日益重视，在政府、社会、科研机构及中药产业界共同努力下，木塑产品开发将会为实现中药固体废弃物的资源化开辟一条有效的路径。

[1] 段金廒，宿树兰，郭盛，等.中药资源产业化过程废弃物的产生及其利用策略与资源化模式[J].中草药，2013，44(20)：2787-2797.

[2] 段金廒.中药废弃物的资源化利用[M].北京：化学工业出版社，2013.

[3] 王伟宏，李春桃，王清文.木塑复合材料产业化现状及制造关键技术[J].现代化工，2010，30(1)：6-10.

[4] 谭天伟，苏海佳，杨晶.生物基材料产业化进展[J].中国材料进展，2012，31(2)：1-6.

[5] 丁建生，杨英昌.国内外PVC塑木复合材料的趋势与前景[J].国外塑料，2012，30(10)：74-77.

[6] 沈凡成，贾润礼.木塑复合材料的研究进展与发展前景[J].塑料助剂，2010，79(1)：5-9.

[7] 韩士群，周庆，杨莹，等.芦苇木塑复合材料的工厂化生产方法：201510164466.X[P].2015-04-08.

[8] 李靖.我国木塑复合材料产品市场发展动向[J].中国人造板，2014(2)：1.

[9] 蔡红珍，彭思来，柏雪源，等.木塑复合材料的加工技术[J].山东理工大学学报(自然科学版)，2006，20(3)：103-106.

[10] 段金廒，宿树兰，吕洁丽，等.药材产地加工传统经验与现代科学认识[J].中国中药杂志，2009，34(24)：3151-3157.

[11] 秦明坚，郭玉海.中药材采收加工学[M].北京：中国林业出版社，2008：16-17.

[12] 孙超，武孔云，林昌虎，等.中药材栽培与加工技术[M].北京：科学出版社，2015：121-122.

[13] Wang H X，Ng T B.An antifungal peptide from baby lima bean[J].Appl MicrobiolBiotechnol，2006，73：576-581.

[14] 曹金珍.国外木材防腐技术和研究现状[J].林业科学，2006，42(7)：120-126.

[15] 王航，孟春，石贤爱，等.抗菌中草药的筛选及其有效成分的分离提取和初步鉴定[J].药物研究，2006，15(20)：15-16.

[16] 冯俊涛，祝木金，于平儒，等.西北地区植物源杀菌剂初步筛选[J].西北农林科技大学学报(自然科学版)，2002，30(6)：129-134.

[17] 倪学文，吴谋成.银杏外种皮中银杏酚酸的提取及应用研究[J].湖北中医学院学报，2001，3(4)：22-24.

[18] 吴海霞.银杏种仁抑菌蛋白及其抑菌机制研究[D].南京：南京林业大学，2014.

[19] 余旺旺.木塑复合材料耐腐性能研究[J].南京工业职业技术学院学报，2012，12(4)：22-24，31.

[20] 陈佩东，段金廒，严辉.一种用黄蜀葵秸秆制备塑木材料的方法：ZL 201310494845.6 [P].2016-01-13.

[21] 中华人民共和国林业局. GB/T 24137—2009木塑装饰板[S]. 北京:中国标准出版社,2009.

ResearchonResourceUtilizationofChineseMedicinalMaterialsSolidWasteBasedonFunctionalWood-plasticProducts

YANHui1，ZHANGSen1，CHENPeidong1，GUOSheng1，JIANGShu1，HAOGuoqiang2，DUANJin’ao1*

(1.JiangsuCollaborativeInnovationCenterofChineseMedicinalResourcesIndustrialization，StateAdministrationofTraditionalChineseMedicineKeyLaboratoryofChineseMedicinalResourcesRecyclingUtilization，NationalandYanchengComprehensiveTestStationofChinaAgricultureResearchSystem，NanjingUniversityofChineseMedicine，Nanjing210023，China；2.JiangsuHuaTianTianWangWoodPlasticTechnologyCo.，Ltd.，Nanjing211804，China)

According to the physical and chemical characteristics of solid waste of Chinese herbal medicine，this paper puts forward the research idea of developing Chinese herbal solid waste into wood-plastic composite.From the point of view of the material diversity of traditional Chinese medicine，the prospect of its application in the research and development of antibacterial wood-plastic products is prospected，and taking waste ofAbelmoschusmanihotas an example，the application strategy of solid waste of traditional Chinese medicine as wood-plastic material is discussed，which provides an effective reference for further broadening the comprehensive utilization of the Solid Waste.

Solid waste of Chinese medicinal materials；wood-plastic composite；antimicrobial substance；resource utilization

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.12.004

江苏高校中药资源产业化过程协同创新中心建设专项(ZDXM-3-24)；公益性行业科研专项(201407002)；江苏省高校中药学优势学科Ⅱ期建设项目(2014-ysxk)；现代农业产业技术体系建设专项(CARS-21)

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段金廒，教授，博士生导师，中国自然资源学会中药及天然药物资源研究专业委员会主任委员，中国中药协会中药资源循环利用专业委员会主任委员，研究方向：中药资源化学与资源循环利用；Tel：(025)85811291，E-mail：dja@njucm.edu.cn

2017-12-10)