基于构建集约环保型社会的天然植物化工的研究进展

宋 航，姚 舜，李新莹，杨莹莹，贾春梅

（四川大学制药与生物工程系，四川 成都 610065）

特约评述

基于构建集约环保型社会的天然植物化工的研究进展

宋 航，姚 舜，李新莹，杨莹莹，贾春梅

（四川大学制药与生物工程系，四川 成都 610065）

综述了目前天然植物化工主要领域的国内外产业规模、产品开发方向、市场现状与技术水平；总结归纳了本领域存在的主要问题并有针对性地重点介绍了与天然植物资源综合利用、循环使用、高效/绿色/低碳开发模式直接相关的若干新思路、新工艺与关键技术；同时结合作者所在课题组在以上领域近年来的一系列研究进展与主要成果，对于几种存在较为广泛的天然植物资源提出了多种开发方案并进行了技术与经济等多方面的比较，最终提出了相关的思考与见解。结合国家制定的工业发展战略与目标，对于天然植物化工发展方向和策略进行了分析和展望。

天然植物化工；集约环保；综合利用

Abstract：This article first presents the domestic and international industry scale，direction of product exploitation，current situation and technology in the area of natural plant product industry. Then the article sums up the main problems of the field and puts forward some strategies to resolve these problems，such as comprehensive and recyclable utilization of natural plant resource，adoption of efficient/green/low carbon mode strategy，and so on. Furthermore，some thoughts about building intensive and environmentally friendly approach to the development of natural plant industry based on the achievements of our group are presented. Finally，the article also covers the development and prospect of natural plant chemical industry according to national policy.

Key words：natural plant chemical industry；intensive and environmentally friendly approach；comprehensive utilization

20世纪中叶，科学与技术在全球范围内进入了一个飞速发展的时期。与此同时，越来越引起人类担忧的是全球资源的掠夺性开发和伴随工业化发展而产生的大量“三废”排放，这些对人类的生存环境造成了严重的破坏。由于环境的污染和生态平衡的失调，对生命和健康造成了极大的威胁，人们越来越清楚地认识到保护环境的重要性。2008年由第十一届全国人大常委会第四次会议审议通过并于2009年1月1日起正式实施了《中华人民共和国循环经济促进法》。该法案的颁布实施，对贯彻落实科学发展观，提高资源利用效率，保护生态环境，推动经济发展方式根本性转变，加快建设资源节约型和环境友好型社会，具有重要的意义。利用化学原理从源头上消除环境污染，研发绿色化工技术以及对可再生资源进行系统、全面的开发利用势在必行。

绿色化工主要包括可生物降解材料和可再生资源的利用，其最大特点在于它是在始端就采用实现污染预防的科学手段，因而过程和终端均为零排放和零污染。可再生资源主要是植物/农作物基（或者统称生物基）资源，即农作物、林产品、食品、饲料、纤维加工副产物。它们可以通过一年生的作物和树种，多年生植物和短期轮作树种等在较短时间内再生。植物/农作物基可再生资源当前所用的大部分为碳水化合物、木质素和植物油，或植物的新陈代谢产物，因此可再生资源也是可生物降解材料的最佳材料。

本文作者首先以天然药物、香料、色素、油料、纤维素资源为例，分别从国内外产业规模、产品开发方向、市场现状与技术水平等方面对这些领域的研究现状进行了概述，同时总结归纳了本领域存在的主要问题并有针对性地重点介绍了与天然植物资源综合利用、循环使用、高效/绿色/低碳开发模式直接相关的若干新思路、新工艺与关键技术。同时结合作者在以上领域近年来的一系列研究进展与主要成果，对于几种存在较为广泛的天然植物资源提出了多种开发方案并进行了技术与经济等多方面的比较，提出了相关的思考与见解。结合国家制定的工业发展战略与目标，对于天然植物化工发展方向和策略进行了分析和展望。

1 天然植物化工研究现状

1.1 天然药用成分

近年来，由于抗菌素及合成药物有较大的副作用，从天然植物中发现新药有重大突破，国外出现了日益重视药用植物的趋向，掀起了研究药用植物的高潮。我国是世界上植物资源最丰富的国家之一，约有万余种高等植物，仅次于巴西和哥伦比亚，其中己发现药用植物有11146种[1]。2003年中国共向欧盟出口了价值2410万欧元的植物原料，在发展中国家中位列第一。2005年，我国全年出口值达1.38亿美元，同比增长 55.2%，占提取物出口总值的47.0l%，德国、法国、意大利、西班牙仍然是我国植物提取物在欧盟市场的主要的出口国[2]。从天然药物开发和应用的技术水平分析，有下面几种情况：①原料药材，这在我国的市场上占了很大比例，亦即传统意义上的中药；②制剂或提取物，通过一些简单的加工制成，中成药大多来源于此；③纯天然有效化学成分，美国的 FDA即如此要求，但近年来也逐渐放松管制。目前我国的相关产业正由出口低附加值的药材和提取物向高附加值和高科技含量的产品转型。

天然药物中含有大量的黄酮、多糖、酚酸、皂苷、萜类、挥发油、生物碱等具有药用价值的有效成分，也是人们用药的主要摄入内容物，研究表明它们多具有抗氧化、抑菌、降低血糖、血脂和胆固醇含量、提高免疫机能、抗癌抗肿瘤等多种生物活性。除上述主要有效成分之外，尤其是在相关产业生产过程中产生的大量废弃物，如叶、根、茎、梢、表皮、核、渣等，往往还可以用现代化技术手段进行再利用，极具使用价值和开发意义。世界发达国家依托科技和经济优势，把原料的综合利用放在相关产业的首要位置。初步估算，有效利用目前国内相关产业的废弃物进行二次开发和利用，每年可以带来近千亿元的效益，其体现出的经济效益和社会意义不容忽视。如聂斌英[3]的研究表明，沙棘叶中含黄酮类化合物最多，如槲皮素、异鼠李素、山柰酚、儿茶素等，对人体的心脑血管系统、免疫系统、消化系统、及新陈代谢均有十分重要作用。黄锁义等[4]建立并优化了超声提取龙眼壳黄酮类成分的方法，并对其中的黄酮运用光色谱技术进行了鉴别，这些研究为其迈向工业化道路奠定了基础。Wang等[5]从滇藏荨麻根部乙醇提取物中分离得到新木脂素，以及豆甾-4-烯-3-酮、4-羟基反式桂皮酸、4-羟基苯甲醛、4-甲氧基苯甲酸、4-羟基苯甲酸、己二酸、二十四烷酸甲酯、2-羟基二十四烷酸甲酯等化合物。彭少伟等[6]研究了用酸性醇回流法提取红海榄叶中总生物碱的工艺条件。诸如此类的天然产物非常用部位的有效资源正得到逐步重视和开发利用。

目前关于天然药物有效成分的提取分离主要停留在单一类别成分的开发，而对于植物中多种共存有效成分综合提取分离的研究还相当少。如此利用天然药用植物，导致了部分宝贵药物资源的浪费，甚至影响生态环境，因此需要采用先进开发研究理念以及良好的技术提高资源利用率，使现代天然药物研究与开发更符合绿色环保的要求。

1.2 天然色素

天然食用色素主要是从植物、动物和微生物中提取的。天然食用色素具有安全可靠、无毒副作用、色调自然、接近天然物质的颜色，有些天然食用色素还具有营养功效，如国外把胡萝卜素类列为营养添加剂，美国已把β-胡萝卜素应用到婴幼儿食品中[7]。有些对人体的某些疾病具有预防、治疗等药理作用和保健功能。如花色苷具有消炎、抗肿瘤、清除氧自由基、抑制脂蛋白氧化和血小板聚集的功能[8]。

我国的天然食用色素研究起步较晚，目前尚处于天然食用色素与合成食用色素并存的状况。2005年我国天然色素的产量达10680 t，焦糖255000 t，占总食用色素的80%以上，比2004年增长29.6%，总产量将近30万吨，这表明了我国的天然食用色素的产量正在逐年上升[9]。2007年我国国民经济继续高速发展，增速达 11.4%。食品工业和餐饮业以每年超过 20%的速度增长，2007年食品工业总产值31912亿元，比2006年增长30.07%，实现利润2166亿元增长40%。作为食品工业和餐饮业的重要组成的食品添加剂，无疑也获得可快速的增长。其中，仅食用色素就达32.46万吨，同比增长1.4%[10]。近年来，天然食用色素在国际市场上销售额的年增长率一直保持在10%以上，西方的一些发达国家在食品中使用天然色素的比例已达85%，并有完全取代合成色素的趋势[11]。上海爱普食品工业有限公司生产的天然焦糖色素在国内处于领先地位，品种繁多，约有160种焦糖色素产品，可满足客户的潜在需求。2003～2009年工业色素海外需求情况如表1所示。

根据色素的原料、用途及剂型不同，其制备方法可分为压榨法、粉碎法、溶剂萃取法、组织培养法、酶反应法、微生物发酵法、人工合成天然色素法、超临界萃取法等。压榨法和粉碎法工艺简单，但产品质量较差，一般很少用；溶剂萃取法是目前天然食用色素生产的主要方法。在天然食用色素提取中的应用研究报道较多，如用极性极小的有机溶剂从胡萝卜和西瓜中提取类胡萝卜素色素[12]，该法的优点是投资少，设备简单，但存在能耗大等缺点。酶反应法是利用酶的催化专一性来生产天然色素的方法，该法的研究较活跃，已用于辣椒红、酒糟红的生产。赵功玲等[13]研究了外加果胶酶及纤维素酶提取番茄中番茄红素的工艺。舒国伟等[14]研究了半纤维素酶及纤维素酶的复合酶对提取黄姜色素的影响，并与其它工艺进行比较，为黄姜色素的开发提供试验基础。又如组织培养法是利用组织细胞培养来生产天然色素的方法，该法的优点是产量高，不受自然气候的限制。目前该法应用较成功的例子是甜菜红与紫草色素的生产。用微生物发酵法来生产天然色素的方法历史悠久，我国人民很早就掌握了用发酵法来生产红曲，用发酵法来生产β-胡萝卜素也已成功。乔明武等[15]已成功研制出以麦麸为基质来发酵培养红曲并产生次级代谢产物红曲色素。人工合成法是用化学方法合成与天然色素结构一致的物质,如用该法来生产β-胡萝卜素、核黄素等。该法的缺点是产品中可能含有合成中残留的各种有害物质，故部分国家并不把此法生产的产品列入天然色素范畴。

表1 2003～2009年工业色素海外需求量及增长率比较

目前，世界上批准使用的天然食用色素品种有60余种，而我国只有40余种，且主要集中在辣椒红、焦糖色、越橘红、玉米黄、萝卜红等几个品种上。高新技术应用较少，设备落后，提取效率较低，产品纯度低，生产成本高。另外，天然色素稳定性差、着色力差、对pH值敏感，价格又比合成色素高 6～8倍，导致其应用范围变窄。吴永兰[16]研究表明甜椒红色素在日光照射下颜色越来越浅。黑莓红色素对酸碱极为敏感，在pH值4.0以下呈鲜艳的红色，而随着pH值的增加，颜色逐渐褪去[17]。此外，目前较多色素为人工合成，安全性问题有待提高。合成色素主要成分是偶氮化合物，如苋菜红、胭脂红、日落黄、新红、柠檬黄等，系萘胺、硝酸、磺基、萘、萘酚、对氨基苯磺酸等化合而成。在体内经代谢生成 β-萘酚、α-氨基-1-萘酚等具有强烈致癌性的物质，对健康影响极大[18]。

1.3 天然香料

新中国成立后，我国天然香料资源的开发利用得到了迅速的发展，我国香料植物约有400种，占世界香料植物总数的1/9以上，是世界最大的天然香料生产国。20世纪末，全国天然香料植物种植基地就已发展到 45.67万公顷，天然香料产品达 240多种，年创汇额达6亿美元以上[19]；2006年全国生产香精香料产品的销售收入达到了 225亿元[20]；2007年全国生产香精香料产品的销售额约为153.8亿元；2008年全国香精香料产品总产量约27万吨，产品的销售总额约为150亿元[21]。据不完全统计，中国可生产各类香料约700种，其中天然香料140余种（包括精油、浸膏、净油和油树脂等），不少产品在国际上享有盛名[22]。所产香料香精用于国内加香产品产值约达 1万亿元（其中为食品配套约达7000亿元，日用化工、烟草、医药等产品约 1000亿元）。其中己开发的主要大宗天然香料产品生产能力情况如表2所示。

表2 我国主要大宗天然香料产品及生产能力[23]

近 20年来，国外香料工业发展迅速，世界上香料工业位列前面的国家主要有美国、英国、瑞士、荷兰、法国、日本。国际香料香精贸易销售情况呈不断增长的趋势，全球销售额年平均增长率达到4%～8%。到2007年，全球排名10强的香料香精公司，销售额约 137亿美元，占全球全行业销售额的70%[24]。美国香料香精公司有120多家，最大的公司是国际香料香精公司，2010年销售额为18.4亿美元；瑞士奇华顿公司（Civaudan）名列世界第二，2010年销售额为14.2亿美元。法国是天然香料生产最发达的国家，该地区有20多家天然香料企业，著名的有P. Robertet公司、V. Mahe Fils公司、LautievFils 公司和Charabot 公司。日本最大的香精香料企业是Takasage公司，2010年销售额为8.2亿美元。全球这几大公司2010年的销售额约占总销售额的50%。由于目前市场对天然香料的需求持续增长，因此天然香料产业良好前景会一直保持下去[25]。

目前，天然香料的制备方法主要有物理制备法、热反应制备法、生物技术制备法和应用产品调配及生产等。其中，物理制备法主要用于香辛料的制备，具体是将芳香植物的叶、花、根、籽、皮等通过压榨、蒸馏、萃取、浓缩、层析等物理方法得到精油、萃取物、油树脂、浸膏等一系列天然香精香料。热反应制备法的基本类型是氨基酸与还原糖的加热反应。生物技术制备法包括酶工程制备法、微生物工程制备法、细胞工程制备法、基因工程制备法等。应用产品的调配及生产是指通过物理方法（如超临界萃取）所得的精油树脂，因为其纯度高，在实际生产中的添加量太少而不方便使用，于是按比例添加乙醇、植物油等进行稀释，调配成一种新的适合生产的产品。

我国拥有丰富的植物性天然香料资源，有 500余种芳香植物广泛分布于20个省（市，区），但其提取加工工艺落后。如在提取天然香料方面，国外一般用冷榨法和超临界CO2萃取等方法，而国内主要还是水蒸气蒸馏。水蒸气蒸馏具有蒸馏时间长、得率低等缺点，难以创造高技术含量、高附加值的适应市场需求的新产品[26]。甚至还有一些天然原料被销往国外进行深加工[27]，不仅导致我国市场植物性天然香料紧缺，而且严重浪费了宝贵资源。另外，现今生产的香精香料产品中约85%的产品是通过化学合成方法得到的，大量的化学合成物质滥用给人们的健康带来危害。随着生活水平的提高，人们对香精香料趋向于天然、健康、安全、营养和多功能性等方面的需求，因此迫切需要尽快建立集约环保型的天然香精香料工业。

1.4 天然油料

根据国家粮食局和中国粮食行业协会提供的统计数据及有关资料，2002年，全国拥有一定规模的食用植物油加工企业5169个。2005年，全国入统食用植物油加工企业1043个[28]。2008年全国入统油脂加工企业为1222个，年处理油料能力7865.7万吨，油脂精炼能力2728.6万吨。食用植物油总产量1927.8万吨。据国家海关总署统计，2009年我国进口大豆4255万吨，较2008年的3744万吨，增加了511万吨，增幅为13.65%。据国家粮油信息中心统计，2009年我国大豆产量为1500万吨，花生产量为1470.8万吨，油菜籽1365.7万吨，棉籽1147.9万吨，加上芝麻、胡麻籽和葵花籽等其它油料，总产量接近6000万吨。这充分说明我国植物油料的品种及产量在世界植物油料生产大国中有着举足轻重的地位[29]。

1998～2007年，中国油脂生产总体上较为稳定，使用国产油料加工的植物油产量维持在900万吨左右。其中大豆油、菜籽油、花生油3种植物油的产量在700万吨左右（见图1）。由图1可以看出，3种植物油的增长变动并不相同。1998～2007年，大豆油产量从127万吨增长到160万吨的高点后，逐年下降到72万吨；菜籽油产量从272万吨增长到446万吨的高点后，逐年下降到344万吨；花生油产量从195万吨增长到221万吨的高点后，在200万吨附近徘徊。近年来，伴随着城乡居民生活水平的改善和市场的放开，中国油脂需求也进入快速增长时期，从1998年的1104万吨增加到2007年的2416万吨，年均增长9%。目前国内油脂产需缺口超过了1600万吨[30]。

图1 3种油料加工的油脂产量比较图

国际天然油脂工业方面，2000～2002年世界植物油料生产豆油2420万吨，棕榈油2100万吨，菜籽/卡诺纳油1380万吨，其它2740万吨，总计8640万吨。几种油脂按产量所占百分数：大豆油，28%；棕榈油，25%；菜籽/卡诺纳油，16%；向日葵油，11%。2004/2005年世界植物油料产量38050万吨，其中大豆为22300万吨，美国油料产量为7720万吨。2003/2004美国出口大豆2449万吨，巴西2300万吨，阿根廷975万吨。2004/2005年全球植物油产量约10590万吨，美国产量约920万吨。豆油是最主要的植物油脂，2003/2004年产量达到3210万吨，占9种主要植物油脂总产量的31.8%。棕榈油产量仅次于豆油，达到2810万吨，占9种主要植物油脂总产量的27.9%，其中马来西亚产量达1370万吨，马来西亚和印度尼西亚的棕榈油占世界产量的75%。2000～2002年世界植物油料生产状况如图2所示。据预测，到2020年因油棕种植在南美、非洲和东南亚的扩展，棕榈油将成为世界上最主要的植物油脂之一[31]。

图2 2000～2002年世界植物油料生产状况分布图

在轻化工领域，油脂是生产脂肪化学品包括肥皂、金属皂、脂肪酸、脂肪酸酯、脂肪醇、脂肪胺、脂肪酰胺及甘油等产品的主要原料[32]。目前，马来西亚共有14个油脂化工企业，生产脂肪酸、精馏脂肪酸、脂肪醇、甲酯和甘油，其中有些企业还生产衍生物、PVC的稳定剂等[33]。此外，植物在工业上可利用的领域还有：胶合板黏结剂、木质生物复合材料、生物柴油、可生物降解的塑料制品、聚氨酯泡沫塑料、固体润滑脂、液压油、干性油、油漆涂料、印刷油墨、作物保护剂、聚合乳化剂、生物基化学溶剂、离子交换树脂、食用膜、钢材及钢管防腐剂、降解橡胶、化妆品以及肥料等[9]。

但是，中国在油料油脂行业已投入了大量的资源，在现实状况下得不到高效利用，造成较大的浪费。比如我国年产大豆约1500万吨，其中大部分大豆用于油脂行业的加工，目前仅黑龙江省油脂加工企业就有148家，但由于油脂厂规模小、生产技术落后等方面的原因，大多处于亏损和停业状态[34]。另外一方面，油脂生产过程对产品的安全性问题也值得重视。1990年荷兰RonaldMensink等报道摄取反式脂肪酸的膳食会提升人体血清中LDL胆固醇的含量，而降低血清HDL胆固醇，致使人体健康受到威胁。美国食品药物管理局（FDA）要求从2006年1月1日起食品厂商在其食品包装上必须标识反式脂肪酸含量[35]。因此，集约环保型的油脂生产技术将成为油脂工业的一个发展方向，使油脂行业的加工范围更加广阔，并在促进人类保健方面、解决人类能源问题中将起着越来越重要的作用。

1.5 天然植物纤维

就植物生物质的结构来看，其实主要由纤维素、半纤维素和木质素为主的植物纤维组成。全球可再生、可循环、可降解、对环境友好的生物质资源中，木本和草本植物占有最大比例。除淀粉外，纤维素利用已有悠久的历史，除了在造纸、纺织、建筑等领域广泛应用之外，曾经在燃料方面长期大量使用。到2010年，我国秸秆的总产量达到7.26亿吨，而秸秆资源的利用率仅为33%。日本社会每年纤维的总消费量约为 228.7万吨，总排除量约为 171.2万吨，总回收量约为18.4万吨，其中再利用和循环利用的纤维约为16.2万吨[36]。

从 20世纪中叶至今，不仅经济发达国家，而且经济欠发达国家的部分地区，也开始广泛使用煤、石油、天然气等为燃料，相当部分秸秆当做废物燃烧，造成环境污染。包括我国东部地区，因麦草废弃物堵塞河道、燃烧烟气影响机场航班停飞等事例，不胜枚举。从目前情况看来，化工、食品、制药工业中由生物发酵工艺（如酱油）产生的废渣，由化学溶剂提取工艺（如中药）产生的废渣和直接物理压榨工艺（如油料、甘蔗）产生的废渣是3种极具代表性的主要废渣来源，而这3种废渣都来源于富含纤维素、半纤维素、木质素的天然生物质原料，这些原料在上述产业中被利用的是少量成分（中药提取物含量一般不超过原料干重的30%，甘蔗汁和植物油含量一般不超过50%），被当做废渣处理（丢弃、供热、做低级饲料）的是大量成分，即便是直接利用纤维素的造纸工业，其中大量的半纤维素和木质素也被当做杂质除去，一方面造成了资源浪费，另一方面造成排放的黑液黏度大而难以处理。木质素全球年产量约1500亿吨，我国造纸工业每年排放木质素就有约1000万吨。因此从资源充分开发和综合利用的角度而言以上产业大多是原料利用率极低的粗放型产业，和目前国家所提倡的建立集约环保型社会的方针背道而驰。在植物产品中，围绕工业废弃部位、边角余料以及残渣中以纤维素、木质素、半纤维素为主，植物油、果胶、鞣质等共存成分的全面利用正在开展。以植物纤维为例，木材、竹材作为建筑、家具、支撑材料等之外，枝条、皮片、节杈等提取纤维素等的利用已经展开。王霞等[37]采用微波辅助碱提取的方式，确定了纤维素的最佳提取条件。Christine等[38]对禾本科镰刀木聚糖酶水解半纤维素的效果进行了研究，主要目的就是寻找高效的水解酶，提高半纤维素的转化率，降低生物转化的成本。

此外，许多麻类纤维植物，包括韧皮纤维类的苎麻、亚麻、黄麻、槿麻等和叶纤维类的蕉麻、剑麻、汉麻（低毒或无毒大麻）、罗布麻正在发展，其韧皮纤维脱胶、梳理后用于纺织生产，秆芯用于造纸和生产黏胶纤维，籽用于提取油脂和蛋白质，花和叶用于提取药用活性成分等。例如，德国IVW研究所以大麻、洋麻为原料，采用针刺工艺将天然纤维制得纤维毡片，同时利用BASF公司提供的水溶性丙烯酸系树脂对毡片进行预浸处理，干燥使产品含湿率在 15%左右后再成型。成型后的产品具有优良的机械性能，完全可以满足汽车内饰部件的要求，主要应用于门板、坐椅背板等中；奥地利Kompetenzzentrum公司同样以麻为原料，但在制备针刺非织造毡时，将纤度偏低的亚麻和较粗的洋麻以1∶1的配比混合，明显改进了产品的稳定性[39]。

总体看来，基于综合开发利用思想下，目前植物生物质产业框架总结如图3所示。

图3 天然植物生物质产业框架图

1.6 天然淀粉

淀粉是一种价格低廉、资源丰富、易于取得、应用广泛可再生资源。天然淀粉是以内部有结晶结构的小颗粒状态存在的，其分子结构有直链和支链两种。对于不同的植物品种，其淀粉颗粒的形状、大小以及直链淀粉与支链淀粉含量的比例都各不相同。天然淀粉因其结构和性能缺陷（如冷水不溶性，糊液在酸、热、剪切作用下不稳定等）大大限制其工业应用。随着科学的进步，人们运用物理、化学、酶等方法对天然淀粉进行处理，使其具有适合某种特殊用途性质，即成为变性淀粉。

变性淀粉是食品、纺织、造纸、塑料、医药等众多现代工业的原辅料。目前世界上变性淀粉年产量近600万吨，主要集中在欧美等西方发达国家，亚洲的日本、泰国和我国也是变性淀粉的主要生产国。我国变性淀粉年产量在不断增加，20世纪 80年代中期，全国年产变性淀粉总量只在几千吨，而2003年我国变性淀粉实际生产量在45万吨左右，2004年全国变性淀粉产量已达到53万吨。全国淀粉及淀粉制造行业工业总产值也从2003年的60万元增加到2009年的2200万元。

目前，关于天然淀粉的产品开发主要立足于淀粉基可降解塑料制品的生产[40]、以淀粉为原料利用生物技术开发新产品[41]、淀粉质体遗传学[42]等几方面的研究。但是关于淀粉制造行业中废水的处理问题仍是该产品工业生产中存在的主要难点。

2 新技术、新工艺与新思路

目前，天然植物化工产品主要是采用传统的压榨、浸渍和半化学合成等方法制得，存在一定的局限性也不利于可持续发展的要求，因此发展新型环保的天然植物化工产品是当前以及未来的方向。近年来，生物工程技术、超临界萃取技术、分子蒸馏技术、微波技术以及计算机技术等在天然植物化工中的应用越来越广泛，这些新技术的应用，给传统的天然植物化工注入了新的生机和活力。随着气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）、质谱（MS）、核磁共振谱（NMR）、红外分光光度法（IR）和紫光分光光度法（UV）在有机分子结构分析中的广泛应用，人们加快了对天然植物成分的研究进展，发现了一批很有价值的新型化合物。事实证明，新技术、新设备在天然植物化工中的应用必将对其发展带来飞跃，加速天然植物化工行业的发展。

近年来，随着环保意识的增强和绿色化学的兴起，研究和开发绿色反应溶剂和环境友好催化剂引起了广泛的关注，离子液体作为新型高效的绿色溶剂成为了当代化学的前沿和热点[43]。离子液体是指完全由离子组成的在室温或室温附近温度下呈液态的物质，它具有反应速率快、选择性好、无挥发、三废产生少、易于循环利用、密度大、表面张力高、易分相、便于产物分离等诸多方面的优点。Fort等[44]的研究结果显示，使用离子液体能有效地分离植物纤维原料的不同组分，可以高收率的从植物纤维原料中提取植物纤维素。研究表明，用离子液体处理得到纤维素的产率要比用蒸汽蒸馏或化学方法处理得到的纤维素的产率高出很多。Liu等[45]用这种方法从松针中提取松针油，与传统的提取方法相比其产率更高，而且提取物的成分也有所不同。另外值得引起关注的是离子液体的应用以及与现代绿色介质的结合，该体系是绿色化学领域的新方向。超临界二氧化碳和离子液体这两种绿色介质的结合为环境友好化学的研究提供了新选择。二氧化碳和离子液体本身都具有各自的特殊性，且极性和挥发性相差很大，两者的结合增加了一些新的性质。目前的研究结果已经显示出该体系的突出优点，超临界二氧化碳和离子液体的结合，充分发挥了两者在溶解性和催化反应等方面的优点，尤其是两者间不对称的相溶性，使反应物系可以在相间实现所需的转移，从而促进反应进行，减少了副反应，同时，一些贵重有机金属催化剂仅溶于离子液体，而离子液体相几乎不挥发，避免了流失和环境污染[46-47]。

目前关于天然植物的综合开发利用研究已有一些报道，其中杨梅的研究较为全面。杨梅果肉和果汁中含有丰富的氨基酸、多酚、多糖以及矿质元素，目前除了将杨梅做成果脯、杨梅汁做成饮料外，还对其中具有药用价值的黄酮和花青素等活性成分进行提取分离。这类物质都有着良好的抗氧化性能和清除自由基能力。从杨梅根皮中提取杨梅多酚，以杨梅多酚为主制成防溶灵胶囊，对治疗阵发性睡眠性血红蛋白尿（PNH）有较好效果，具有较好的防止溶血作用；杨梅树皮中富含单宁，可治疗心腹绞痛、食物中毒、皮肤湿疹、恶疮疥癣、跌打肿痛、刀伤出血、烧伤、烫伤、骨折等；杨梅的核仁中含维生素 B17，这是一种抗癌物质；杨梅核还能够用于制备性质优良的活性炭，不仅可作为活性炭工业生产的新原料，而且解决了杨梅加工厂处理固体废弃物问题[48-49]。又如可将竹枝和竹叶当中富含的多糖和黄酮类物质提取分离出来，制成药品和功能性食品；还可从竹叶中提取叶绿素和挥发油，竹叶挥发油是一种良好的天然香料；竹茎可榨取竹沥，鲜竹沥具有化痰止咳的功效，剩余的竹渣可用于造纸或制备竹纤维；竹笋可以制成各类食品；加工食品剩余的笋壳还可以用于提取色素、氨基酸以及做成饲料等[50-51]。

作者所在研究室在天然植物的综合开发利用方面已进行了十余年的研究，并取得了良好成果。对于传统茶多酚的提取工艺作了综合利用优化研究，高效提取茶多酚的同时还能提取天然的茶色素、茶碱以及茶渣的合理利用，并成功开发优化的儿茶素制备的特有技术。对于我国特有的川芎药材，针对其中分散于不同部位的若干成分（川芎嗪、阿魏酸和挥发油），研究了适宜的综合提取工艺技术路线[52]，并对工艺过程的参数进行了优化，该工艺路线各有效成分均可达到较高纯度，相关研究成果已获国家发明专利（专利号ZL200810045194）。该工艺稳定性好，适合于工业化生产。另外以国内山区广泛分布的生态/木本油料树种毛叶山桐子为原料，通过化学改性的方法制备环境友好型生物润滑油基础油，解决了植物油作为润滑油基础油热氧化稳定性和低温流动性均较差等缺陷（专利申请号200810147611）。在对毛叶山桐子油的理化性质的全面研究基础上，开发了毛叶山桐子油综合利用的工艺路线；并通过传统均相碱催化，来制备生物柴油综合工艺，继而开发出具有工业应用潜力的制备高纯度亚油酸工艺及利用亚油酸转化共轭亚油酸的技术（专利申请号201010209465X）。对于甘蔗制糖过程，作者开展了一系列的综合利用研究。目前已初步开发出同时得到总黄酮和总花青素两种有效成分的综合提取分离方法[53]，也申报了国家发明专利（专利申请号200910058998X）。该方法成本低廉，不影响原有制糖工序，资源利用率高。

在天然植物原料收集、运输过程中需要耗费越来越多的人力和运输费用，但能够提取利用的有效成分仅占很小部分，一般占植物提取原料的95%以上的大量的植物提取固体废弃物却未获得合理利用。这些固体废弃物的主要成分有半纤维素、纤维素和木质素。大多数经过提取处理后，半纤维素、纤维素和木质素的含量或纯度往往很高，应该也能够通过适宜的加工制得附加值更高的衍生化产物。作者课题组已开展了综合利用该三类成分的绿色环保新技术研究，取得很有前景的结果。例如，利用离子液体将草类植物纤维造纸原料在制浆工序中的蒸煮环节之前进行预处理制取糠醛然后再进行造纸[54]。该项目提高了资源利用率，实现了原料成份的多用途开发，也减轻了制浆过程的处理难度，有利于降低成本和保护环境，并且不改变现有制浆工艺。这些开发实现了天然植物有效成分的综合利用，不但可以提高资源利用率，还可能创造可观的经济效益。

此外，在天然香精香料方面，苏林[55]发现了一种存在于植物内的一微生物群落，它是由真菌、细菌、原生动物等组成，在一定条件下形成一生态系统，这一系统在发酵反应器中能制备天然香精香料。夏湘等[56]对采用超临界 CO2萃取技术提取雪峰蜜橘果皮精油进行了研究，采用GC-MS分析技术和相关的分析软件，对雪峰蜜桔果皮精油挥发性组分进行分析鉴定。Sebastián等[57]以异戊醇为原料生物合成香蕉香精。有些地方将微胶囊化技术应用于香辛料当中[58]，具有广阔的发展前景。在天然色素方面，郑永丽[59]将大孔树脂应用于葡萄籽原花色素的分离纯化，在原花色素经浸提剂粗提的基础上，采用大孔吸附树脂进行分离富集研究。章建国等[60]以栀子黄提取后的废液为原料，通过将β-葡萄糖苷酶发酵和酶促反应分开的两步法制得栀子蓝色素。以上研究均为天然植物化工迈向集约、低碳、环保的21世纪发展方向奠定了基础。

总的说来，有待全面开发综合利用的天然植物的基本情况如图4所示。

图4 天然植物综合开发利用情况图

3 发展策略与展望

（1）采取资源综合利用策略，提高资源利用率，发展低碳环保工业

将有效成分利用后，仍会产生大量废渣，一般采取的处理方式是将其倒掉、烧毁或发酵生产饲料，要么污染环境，要么转化为廉价的产品，而且作为饲料使用其安全性很值得商榷。如果能采用现代科技手段，建立合理、高效、经济的方法和工艺，将其开发成源自天然的药品、保健品、药用辅料或化妆品添加剂等具有更高附加值的产品，既解决了工业废料处理的负担，又促进了可再生资源的高效、循环利用，还可以带动相关产业的发展，促进就业和改善、保障农民收入。如利用山楂核中的多种有效成分制成治疗多种病症的良药，再将其中的精油制成香料或食品添加剂等，对提取后的山楂核渣可再进一步将其制成优质的活性炭，这样不但可拓展其利用空间，还可生产高附加值的各种制品提高经济效益。

（2）提高多用途经济作物选育和种植技术研究

优质专用型品种是发展植物化工产业的基础，因此，要针对不同需求，以市场为导向，开发相应的优质专用型作物品种，适宜生产保健食品的药用品种，适宜食品加工的食用品种，适合用于生产淀粉、糖、酒精的工业原料型品种，适合简单加工的水果型品种等。相比而言，具有多用途特点的作物品种，综合利用空间大，对市场经济的适应能力强，经济效益高而稳定。此外，还应开展或加强不同品种的品质普查工作，充分发挥现有优质品种的作用。

（3）加大科技投人，拓宽和深化天然植物化工产品研究与开发

在促进现有科技成果转化的同时，要进一步加大科技投入与开发的力度，开展各种产品加工工艺研究。在注重传统技术改良的同时，逐渐开发新用途，特别是开展药用、保健作用及其新产品加工工艺的研究开发，生产高附加值的各种制品，提高经济效益。例如，杨梅不易贮藏，极易变质，因此可以将杨梅开发成杨梅果脯、杨梅罐头、固体饮料等多种产品。这些产品生产工艺简单，成本较低，适合工业化生产，货架期长，是适于各种人群的休闲食品。另一方面，可以加大科技投入，利用杨梅的营养价值以及具有良好的药理作用，提取其中的多种生物活性成分，进行综合开发利用，具有非常好的发展前景。

（4）提升天然植物化工的产业化水平

以海南的天然香料工业为例，海南出产天然香料，且品质优，与化学香料比，其风味更佳，也更安全。海南是我国香草兰最为理想的种植地，香草兰的果实香荚兰豆能提取出国际上最昂贵的香料——天然香兰素。浙江一家企业每年用化学原料合成香兰素6000吨，出口到世界各地。而天然提取的香兰素价格是合成香兰素的几十倍，与浙江相比，海南无疑错失了这一巨大的商机。归咎其原因主要是由于产业化水平较低，生产、研发、加工、销售等经营模式较为落后。因此，建议政府首先要努力创造良好的投资环境，外引内联吸引各方资金投入天然植物综合利用产业的发展；其次引导消费，树立相关加工制品的品牌优势，抓住天然原料纯天然、无污染的特点；打好绿色食品牌同时，搞好产品的包装设计和企业的形象策划，提升产品挡次，以品牌优势促进产品销售，促进综合利用产业的可持续发展。

总之，要想最终成功构建集约环保型社会背景下的天然植物化工，形成成熟的运作思路、体系和模式，整体实现产业化规模，全面缩小和世界发达国家差距，还有相当长的路要走，这就需要在现阶段由企业提供资金支持，科研机构积极参与，提升开发利用的科技水平，加上国家制定合理的政策和资助，培植国内市场，开拓国际贸易等诸多因素共同推动这一事业的前进。

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Progress of the natural plant chemical industry in building intensive and environmental protection society

SONG Hang，YAO Shun，LI Xinying，YANG Yingying，JIA Chunmei
（Department of Pharmaceutical and Biological Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，Sichuan，China）

TQ 91

A

1000–6613（2011）04–0691–10

2010-11-12；修改稿日期：2010-12-05。

及联系人：宋航（1957—），男，教授，博士生导师，主要从事制药及生物工艺过程、精细化工、新型分离技术、手性物分析与制备技术等研究。E-mail hangsong@scu.edu.cn。