一种新型蔗渣高值化产业链的构建

许文婷，杨晓光，王瑞琴，甘积伦，黄清松，陆登俊,2*

(1.广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004；2.广西蔗糖产业协同创新中心，南宁 530004)

一种新型蔗渣高值化产业链的构建

许文婷1，杨晓光1，王瑞琴1，甘积伦1，黄清松1，陆登俊1,2*

(1.广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004；2.广西蔗糖产业协同创新中心，南宁 530004)

随着甘蔗制糖产业的发展，蔗渣的高值化利用也逐渐得到了广泛关注。在保护环境的同时获取更高的利润是目前高值化产业链生产的热点。文章主要对现有的蔗渣高值化生产方式进行综述，介绍蔗渣的基本性质、高值化生产技术，阐述高值化产业链的生产现状和未来的发展前景，以期能够对蔗渣的综合利用起到一定的指导作用。

甘蔗渣；高值化；现状；产业链

我国是第四大甘蔗种植国，第二大食糖消费国、2015～2016年榨季产糖量超过1200万吨，按照每生产1吨糖就产生2吨甘蔗渣计算，则每年约有2000万吨的蔗渣生成[1]。据统计，我国制糖企业每年约剩余 600～650万吨甘蔗渣未能得到合理利用[2]。

甘蔗渣是丰富的可再生木质纤维素生物质，为了将甘蔗渣的使用价值进一步提高，人们运用先进的科学技术和成熟的理论改进生产工艺，成功研发了许多高值化利用方式，旨在使甘蔗渣等可再生农用废渣资源更好地被利用进而减少浪费。这些高值化方式为蔗渣的充分利用开辟了新的天地，一定程度上使蔗渣利用率高于传统加工生产方法，但仍存在许多不足。此类高值化生产利用方法多为单一独立的应用，产业链短，没有形成工业化产业生产链，因此本文将在现有技术的基础上构建蔗渣高值化利用的产业链，以获得更高的利润。

1 蔗渣基本性质

甘蔗渣组成成分以纤维素、半纤维素、木质素为主，对湿蔗渣和干蔗渣进行近似分析，得到成分比重，结果分别见表1和表2。

表1 湿蔗渣成分(以百分比计)[3]

表2 干蔗渣成分(以百分比计)

蔗渣纤维素是由许多葡萄糖以β-1,4苷键缩合而成的高分子化合物，分子间彼此以氢键相连，是具有不同形态的固体纤维状物质，其中大部分是结晶结构，在一定程度上溶胀和结晶，易于水解[4，5]。蔗渣半纤维素是由多种糖基(戊糖基、己糖基)和糖醛酸基组成，通常是无定形聚合物，常作为促使纤维素和木质素相结合的分子粘合剂。木质素具有特定的网络结构，可包围加固纤维素与半纤维素，起到骨架支撑的作用。

由表1和表2可知，蔗渣成分与木质材料相差不多，可作为替代部分木材制浆造纸和生产复合材料的原料。同时甘蔗渣具有多孔、疏松、比容小、吸附力强、不溶于水和有机溶剂、在酸性条件下水解、成分具有相对稳定、性质均一等特点，可满足产业化生产所需的原料集中性、连续性和均一性要求，具备高值化生产的条件，具有工业链生产的可行性。

2 高值化应用现状

现有的甘蔗渣高值化利用主要体现在三大方面：一、提取糖及糖醇类，其中低聚木糖的提取最为突出；二、利用蔗渣纤维改性生产新材料，主要可分为吸附材料和复合材料两大类，突出材料有活性炭颗粒、金属吸附剂、复合纤维等；三、作为生产培育基料，用于培养各种菌类，其中国内涉及到的菌类包括杏鲍菇、草菇等。

2.1 低聚糖或糖醇类的提取

由蔗渣成分的分析可知，蔗渣内含20%左右的半纤维素，是制备低聚木糖的优质原料，成本估计表明运营成本约为每1 kg木糖0.12～0.15美元。木聚糖分解的反应是将木聚糖简单系列水解成木糖，随后进行木糖分解[6]。木糖在纯化和氢化之后可用于生产木糖醇[7]，或进一步加工生产低聚木糖，为得到高纯度产品还可增加分离纯化和脱色工艺。类似方案对蔗渣中半纤维素水解，还可以生产糠醛、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖以及糖醛酸等非糖类有机物。

韦杰等[8]根据BOX实验设计原理，运用无氯酸钠法预处理蔗渣，使用NaOH抽提，运用单因素分析法综合分析抽提温度、抽提时间、固液比、NaOH浓度各单因素对提取率的影响，并通过响应面分析法对工艺进行优化，通过优化实验确定最佳提取工艺条件。李娜等[9]采用DNS法测定还原糖含量，以温度、料液比、保温时间为条件，设计正交实验，确定低聚木糖提取的最佳工艺。陆登俊等[10]以低聚木糖得率为评价指标，研究蔗渣木聚糖制备低聚木糖的最优复合酶降解工艺[11,12]。丁胜华[13]在2010年采用酶法水解制备低聚木糖，在较温和的条件下，采用碱提法并结合超滤和酶法制备低聚木糖，确定最佳工艺条件，该技术的应用优势在于碱液可以回收再利用，并可分离碱解液中的阿魏酸和香豆酸。除此之外，蔗渣也可采用纤维分解酶等酶技术和生物技术生产木糖醇，提取完木糖醇后的纤维素和木质素还可以用来造纸的纸浆。

2.2 生产复合材料

2.2.1 活性炭颗粒

活性炭颗粒的制备主要是利用原料中富含的碳源。由蔗渣成分分析可知，蔗渣可以代替木材和煤炭用于活性炭颗粒的生产。一方面可以降低生产成本，另一方面又可以实现工厂废弃物二次利用，减少对木材和煤炭的浪费。甘蔗渣活性炭的生产工艺和其他木质活性炭制备工艺相差不多，一般可表述为：甘蔗渣预处理→炭化→活化→漂洗→烘干→粉碎，主要步骤为炭化和活化。粉碎的蔗渣结合黏合剂，加压成块状、丸状或片状等形态[14]，高温下通过蒸汽或二氧化碳使之分解活化就可以制备出蔗渣颗粒活性炭。蔗渣活性炭颗粒可直接用于蔗糖精制过程的脱色工艺，在充分利用资源的同时还可以提高精炼糖的质量，减少生产成本。

2.2.2 吸附剂

蔗渣直接作为吸附剂吸附效果较弱，工业生产中常对蔗渣进行化学改性生成纤维素酯类、纤维素醚类及改性纤维素的接枝共聚3类物质，进而应用于甘蔗汁脱色、工业废水处理和染料吸附等环保、化工领域。周锡文等[15]研究：孙萧对蔗渣改性后得到对蔗汁脱色效果良好的改性脱色剂，崔志敏对甘蔗纤维改性后得到对酸性黄染料阳离子和翠兰染料吸附能力高的两性纤维。王瑀等[16]则应用接枝共聚方法通过活化处理和接枝反应，将蔗渣原料与丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(MAETAC)3种聚合单体共聚，制备出一种蔗渣基重金属离子吸附剂。该吸附剂含有阴、阳离子和对金属离子有络合作用的非离子型酰胺基团。同时蔗渣吸附剂还可用于吸附水中的Hg2+，Cd2+，Pb2+，Cr3+，Ni2+和石油烃等[17-21]，苏江滨等[22]提到姜玉使用三氯氧磷改性甘蔗渣，制备出含有磷酸基团的离子吸附剂，用于除去废水中的Pb2+，Cu2+，Cr3+等重金属离子。

2.2.3 其他方面

蔗渣可作为原料制备复合高吸水树脂如：蔗渣纤维/丙烯酸/高岭土复合高吸水树脂[23]、蔗渣/羟丙基淀粉/丙烯酸复合高吸水树脂等[24]；蔗渣还可通过化学反应制备羟甲基纤维素，具有较好的经济、社会和环境效益，化学反应主要过程为[25]：

[C6H9O4(OH)]n+nNaOH→[C6H9O4(ONa)]n+nH2O；

[C6H9O4ONa]n+nClCH2COONa→[C6H9O4OCH2COONa]n+nNaCl。

蔗渣制浆造纸或生产D-木糖、L-阿拉伯糖和糠醛产生的废液，可用临界水或磷酸法制成微晶纤维素和半纤维素可食膜材料以及其他复合材料，这些复合材料已被广泛用在食品、制药、化妆品等工业中[26]，主要工艺过程见图1。

图1 制备微晶纤维素工艺流程

2.3 用作培养基料

蔗渣作为培养基料主要是指经石灰和NaOH处理后应用于食用菌类的培育[27]，可取代木材原料培养食用菌，减少对森林植被的破坏，保护自然环境。现阶段对于不同菌种的研究如下：

马海霞等[28]使用6种不同栽培料配方与全稻草配方对比进行草菇的培育，综合分析菌丝生产速度、经济学性状、生物学转化率及投入产出比等多方面因素，确定最佳配方，并通过实验结果表明甘蔗渣∶稻草∶麸皮为2∶7∶1是理想的草菇熟料栽培配方，该配方下菇体的经济学性状、生物学转化率及投入产出比都比全稻草配方强。

蔡爱群等[29]以桑木屑、甘蔗渣为主料制定配方栽培杏鲍菇获得较高的实体产量和生物学效率，且菌丝形态良好。张庆等[30]利用甘蔗渣、玉米与木屑进行优化组合代替传统基料，运用12个配方进行杏鲍菇栽培试验，得出最佳培育配方，可将生物学转化率提高至85.7%，比传统基料培育提高15%，大大提高了经济效益。

刘敏等[31]以菌丝长速和生物转化率为主要指标，以蔗渣为原料将3种茶树菇菌株进行了品种比较试验，筛选出适合甘蔗渣栽培的茶树菇优良菌株，为甘蔗渣的高效循环利用提供了依据。

周文等[32]利用正交试验设计筛选出多个因素的最佳组合，考察不同类型氮源(硝酸铵、硫酸铵、氨基酸)对平菇菌丝生长、产量及生物转化率的影响。综合考虑正交试验结果与经济效益得出最佳培养比，结果表明使用甘蔗渣作为主料栽培平菇是完全可行的。Grodzínskaya[33]，Membrillo[34]也通过试验证明蔗渣作为基料适合于平菇的生长。

3 蔗渣高值化产业链生产模型

我国蔗渣高值化生产利用方式较多，但在新形势的国外市场冲击下，我国仍存在产业结构单一、产业链短、综合利用水平低等问题，产业链的延伸较少或产业链多为传统利用方法的结合现象较为普遍，典型传统产业链模型见图2。我国糖业面临巨大的挑战，要想占据有利地位，应加速延伸产业链，全面推广产业转型升级，生产更多具有更高附加值的产品。

图2 传统产业链模型[35]

参考保国裕等[36]的高值化生产模型(见图3)，采用离子液体处理与碱提取结合分离纤维素、半纤维素和木质素的技术[37]，结合Baudel H M等[38]的环境友好生产想法构建新型高值化产业链(见图4)。该产业链可产生多种高值化产品，实现蔗渣的循环利用，且该生产链中无有毒有害废液产生，是一种环境友好型的高值化生产链。

图3 高值化生产模型

图4 新型高值化产业链

蔗渣稀酸水解，利用蔗渣中半纤维素物质生产木糖、糠醛或阿拉伯糖。蔗渣中半纤维素降解为五碳糖液，经清净、浓缩或结晶，可分别制得木糖及阿拉伯糖产品；对甘蔗渣为原料生产木糖的工艺进行对比可知：化学工艺法酸水解甘蔗渣生产木糖，水解效果较好，可以得到较高的半纤维素水解率及较高的木糖收率，然而产过程中硫酸使用量大，硫酸在高温下的水解作用和中和剂的添加上均增加了杂质的比例，后续工艺处理复杂，能耗高，酸碱废水量大，环保压力重。而生物酶法工艺酸碱用量较化学法可减少30%～50%，废水排放较少，但对酶的要求高，且专一的半纤维素酶生产成本相对较高，加之甘蔗渣纤维组成结构较为复杂，致密的结构不容易透水，因而水解(酶解)速度慢、效果差。因此，生产建议使用汽爆预处理辅助生物酶法进行水解，以达到更好的生产效果。

利用甘蔗渣生产木糖、阿拉伯糖和糠醛等产品后所剩纤维渣来制备微晶纤维素。用碱处理除去纤维渣中木质素，以二氧化氯作为漂白剂使用临界水或磷酸法制备微晶纤维素：木质素利用200～350 ℃近临界水的自催化作用直接制备甘蔗渣微晶纤维素，不需要添加任何催化剂，工艺简单且不产生废液，达到清洁生产的要求。使用磷酸作酸催化剂时，控制水解条件使纤维素结晶度发生改变达到平衡聚合度，水解液中的磷酸根可继续回收利用于制糖澄清工艺，该过程在不产生废液的基础上同时实现磷酸的资源化循环利用，生产中可根据实际需要选择适合方式。

富含木质素的液体可通过湿式过氧化氢氧化酸转化为乙酸，过渡金属(铁、铜和锰)在液体中被用作均质催化剂。湿式过氧化氢氧化酸是在催化湿式氧化的基础上发展而来的，是用于高浓度废水处理的一种深度化学氧化技术，湿式氧化法是处理有毒有机废水的一种行之有效的方法，即在中等温度下执行，导致总酚消除而羧酸积累，生成乙酸。

该高值化生产链的构建可以将蔗渣综合利用价值进一步提高，但由于实际生产中存在技术不成熟或设备跟不上生产要求等问题，将会在一定程度上制约该产业链的完整性。随着生物技术的不断发展，可将更方便高效的提取分离技术应用于本生产链，进而提高蔗渣转化效率，消除污染隐患，使产业链更加高效和完善。

4 展望

经济发展进入新常态，为蔗糖产业带来新的挑战，为此我国糖业应在延伸产业链、加快技术创新与应用、实现跨行合作、开发新产品等方面加大发展力度，并注重研发新技术分离生产纤维素、木质素和半纤维素水解产物。在不同层面上构建和实施生态链，实现蔗糖工业资源利用最大化，使糖业由单一资源型向综合效益型转变，创造蔗糖产业新的经济增长点。

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Construction of High-value Bagasse Industrial Chain

XU Wen-ting1, YANG Xiao-guang1, WANG Rui-qin1, GAN Ji-lun1,HUANG Qing-song1, LU Deng-jun1,2*

(1.Light Industry and Food Engineering College, Guangxi University, Nanning 530004,China;2.Guangxi Sugar Industry Collaborative Center, Nanning 530004,China)

With the development of sugarcane and sugar industry, the high-value bagasse has been widely concerned. To protect the environment and obtain higher profits at the same time are hot spots of current high-value industrial chain production. Mainly summarize the existing high-value production method, introduce the basic properties of bagasse, high-value production technology,expound the production status and future development prospects of high-value industrial chain, so as to provide a certain guide for the comprehensive utilization of bagasse.

bagasse；high value；present situation；industrial chain

2017-01-15 *通讯作者

广西区特色本科专业建设项目——食品科学与工程(制糖工程)；广西大学大学生创新创业训练计划项目

许文婷(1994-)，女，山东菏泽人，硕士，研究方向：糖料资源功能研究与综合利用； 陆登俊(1978-)，女，壮族，广西南宁人，副教授，博士，研究方向：糖料资源功能研究与综合利用。

TS245.1

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.07.035

1000-9973(2017)07-0160-05