中药渣降解特性及养分资源循环利用研究

陈琳霞，沈纪晨，周乐玲，开国银，睢 宁

(浙江中医药大学，浙江 杭州 310053)

在我国医药健康事业全面发展的今天，中医药文化的传承与创新创造了无数令人瞩目的成果，在此背景下，中医药产业链不断壮大，市场对中药的需求量日益增加，然而各个领域对中药并不能达到完全利用的程度，从而导致了动植物残体、炮制废弃品等中药废弃物的产生，药渣年排放量高达7000万吨，中药药渣的富集与处理成为中药事业发展所面临的新问题。

目前，中药药渣二次开发和综合利用的研究已涉及各个领域。利用药渣中残留的养分，经处理应用于有机堆肥、开发非药用部位的经济价值等思路均取得一定的研究成果。本文在此研究基础上，总结区分了不同药渣的种类，并从药渣分解机制和养分释放规律入手，分析不同种类药渣再利用的可行性，旨在为中药废弃物的处理提供思路，进而为中药工业的转型升级和中药资源的循环利用提供参考。

1 药渣种类

1.1 中药渣资源分类

中药资源根据自然属性可分为植物药、动物药、矿物药三大类。据全国中药资源普查统计，药用植物种类最多，约占全部种数的87%，药用动物占12%，药用矿物则不足1%[1]，因此，从药材来源上看，植物药残渣为药渣的主要来源。研究表明，中药在经过不同的加工炮炙工艺后，毒性会大大降低，而经提取加工后，药渣中仍含有大量有效成分[2—5]，说明以药渣为来源提取有效成分是可行的。

植物类药渣的主要成分为纤维素、半纤维素与木质素[6]，可广泛应用于饲料行业和能源产业[7]；其次，植物药渣中还含有大量多糖、微量元素等可利用成分[8]，可作为生物有机肥用于种植业[9]；此外，因受提取工艺限制，药渣中残留的有效成分仍能发挥其原有的药效，可经提取重新运用于医疗行业[10]。

动物类药渣多为动物残体，其主要成分为蛋白质、脂肪等。内脏及肌肉组织经微生物分解转化后形成的腐殖质可作为土壤团粒结构良好的胶结剂；节肢动物的外骨骼多为含氮化合物，可被提取利用于其他工业用途；软体动物如四角蛤蜊在壳肉分离的过程中产生的废弃软体、外壳等物质含有大量的蛋白质和碳酸钙[11]；采用一定的工艺方法，牦牛骨可制备成彩色照片明胶[12]；蚌泪、蚌粉等均可用于医药产品、饲料添加剂等[13]。

矿物类药渣与其原成分几乎不存在差异，绝大多数为固态无机物，化学性质较为稳定。张志杰等[14]研究发现，常规的炮制加工及制剂生产不会造成雄黄晶体结构的改变，因而药渣中残留的雄黄经加工后仍可在其他工业用途中使用。但由于部分矿物药的临床有效剂量和中毒剂量比较接近，安全范围小，导致用药时剂量小，残留成分少。

1.2 中药渣的产生途径

中药饮片通过不同的提取和分离技术获得有效成分，再经不同的制备工艺制成中成药运用于临床，在此过程中剩余的原材料和加工废弃物均有较高的回收价值和较大的应用前景。

1.2.1 水提法产生的药渣

水提法是临床应用上最为传统的提取方法，也是中药制剂生产首选的提取方法，因此水提法产生的药渣是我国药渣排放的主要来源。虽然水的溶解范围较大，但受料液比、温度的影响，药材的有效成分难以被完全提取出来，同时大量脂溶性成分因难溶于水而残留在药渣中。五味子经水提醇沉法产生的药渣富含木脂素、糖类等物质，可进一步用于肝炎等疾病或开发为天然抗氧化剂等[15]；水提丹参的药渣仍残留大量丹参酮类、纤维素类等成分，可进一步开发饲料添加剂或用于丝状真菌培养等[16]；甘草经水提后的废渣含有甘草酸、黄酮类等生理活性成分[17]，黄酮类成分表现出的抗氧化性仍具有一定的医疗价值和经济价值[18—20]；此外，水提法的药渣中仍残留大量有机质和氮、磷、钾养分，作为有机堆肥有较大的应用价值[20]。

1.2.2 醇提法产生的药渣

醇提法是医疗及工业上另一重要提取方法，应用范围广泛，每年经醇提产生的药渣在总药渣量中占有重要比重。虽然不同浓度乙醇对大部分化学成分具有溶解性，但部分多糖、蛋白质等成分难以被提取。醇提地黄的药渣水提物与地黄醇提物同样具有抗抑郁作用[21]；人参醇提药渣中残留的人参酸性多糖经分离纯化后能进一步用于医疗[22—23]；红景天、黄芪醇提药渣仍残留大量多糖类成分，可与黄精、枸杞子共同水提达到“群药共煎”的目的[23]。

1.2.3 不同制备工艺产生的药渣

中药制剂的生产是中药临床运用的基础，不同制剂对提取、分离、纯化、加工的工艺要求不同，药渣中残留的有效成分也参差不齐。相较于传统口服汤剂，中药颗粒剂在临床应用中更为广泛，干法制粒即为一种常用的制粒工艺[24—25]，在此过程中产生大量中药浸膏药渣，添加适量的微量元素可大大提高厌氧发酵沼气的效率[26]；注射剂制剂经水提、精制等工艺后产生的药渣、沉淀物、过滤固形物中残留的多糖、纤维素等成分，可应用于制备家畜家禽的免疫调节剂、饲料添加剂等[27]；散剂的制备则要求将固体原料粉碎与过筛，而未过筛的部分粉末仍可发挥其原有的药效。

2 药渣分解

2.1 药渣的降解

中药渣经降解后形成一种稳定的腐殖质，可转化成土壤有机质和养分，改善土壤理化性质，增加土壤通透性，并对增强作物抗病性及抗逆性有促进作用，从而提高作物的产量与品质[28—29]。

2.1.1 药渣降解周期

中药渣大多数是植物的营养和生殖器官残骸，含有可用的有机质、糖类、粗蛋白质、氨基酸、生物碱、氮、磷、钾以及微量元素[30]。药渣施于农田后，经微生物生化腐解作用逐渐降解，在微生物和降解酶的作用下，不同物质的降解周期不同。植物类药渣在还田降解过程中，降解周期是最短的。总的来说，物质降解从易到难依次为单糖=淀粉=简单蛋白质<粗蛋白<半纤维素<纤维素<木质素。

中药渣中还包含牛黄、蟾酥等动物类药渣，主要是动物内脏、皮、骨等。动物类药渣也含有单糖、蛋白质等物质(蛋白质是动物药主要的有效物质[31])；此外，多数动物药渣还含有植物类药渣少有的脂肪物质，脂肪属于比较难降解的物质，降解周期处于纤维素和木质素之间；再者，不少皮、骨入药的动物药中还有碳酸钙等难以降解的无机物。因此动物类药渣的降解周期较植物类药渣更长。

药渣中还包括极少部分的矿物药。矿物药成分多数为无机化合物及其单质，如胆矾的主要成分是五水合硫酸铜，滑石主含水合硅酸镁，石膏的主要成分为含水硫酸钙[32]。因此，矿物药无法降解，需要通过人为化学处理溶解分解。

2.1.2 影响药渣降解率的因素

2.1.2.1 温度

在适宜的温度内，酶的活性和微生物活性随温度升高而增加。木质素降解率在35～45 ℃内随温度升高而增大，45 ℃之后与温度呈负相关[33]；脂肪降解速率在30～40 ℃内随着温度的升高而缓慢提高，并在40～50 ℃时与温度呈负相关[34]。因此，有机物的降解率可以通过控制温度得到提升。

2.1.2.2 水分

增加水分可提高木质素降解酶活性，有利于木质素分解[35]。包文庆等[36]研究认为，当固液比为1:5时，木质素降解率最高。因此，选择合适的固液比也可达到提升有机物降解的目的。

2.1.2.3 微生物

对不同影响因子的控制归根到底是改变微生物活性和酶活性，因此，微生物菌剂和降解菌剂的使用可以有效地提高药渣降解率。子囊菌门和担子菌门真菌在降解有机物方面起着重要作用，子囊菌门作用于降解前期，担子菌门真菌多用于难降解的纤维素与木质素等[37]。堆肥中加入链霉菌(木质素降解菌)，木质素降解酶活力增强，从而提高木质素降解率，同时也提高纤维素降解率，加快堆肥腐熟[38]；与链霉菌相似，加入枯草芽孢杆菌(纤维素降解菌)不仅能提高纤维素降解率，而且有效磷和有效钾的含量均有提高[39]。

2.2 药渣发酵

2.2.1 发酵技术

发酵技术是利用微生物对有机物不断进行降解和稳定。堆肥发酵是最为传统的肥料发酵方式，更是作物转化为有机肥的重要方法，有利于生态和农业发展。堆肥发酵是通过好氧菌进行的，且在高温下发酵为宜。研究表明，蔬菜废弃物堆肥发酵在60 ℃效果最好[40]。厌氧发酵技术多用于沼气和有机肥生产。厌氧发酵技术需要一定的微生物量以及合适的温度，研究发现，酵母在35 ℃条件下产量最高，而过量酵母的添加会使产量下降[41]。

2.2.2 发酵应用

中药发酵是中药炮制的一种，但是古代中国只能利用自然菌进行发酵，发酵效果难以控制。而在中药渣富集的现代，药渣的可控发酵在种植业、畜养殖业和生物能源方面有着广泛运用前景[42]。

表1 不同种类药渣的降解规律Table 1 Degradation law of different kinds of Chinese medicine residue

药渣质轻，通气性好，含有氮、磷、钾等养分及有机质，可为植物生长提供养分，经过好氧堆肥发酵可制成优质有机肥。在刘向东等[43]研究中，发酵后的中药渣可以作为新型基质用于花卉盆栽，促进盆栽植物生长；药渣所含多糖、苷类、生物碱、挥发油类等物质，可以增强动物机体免疫力[44]；乳酸菌发酵的中药饲料有益于雏鸡生长，降低其发病率[45]；另外，药渣经过沼液堆沤预处理后即可在较短的时间内高效发酵产沼气[46]。

3 药渣养分释放规律

3.1 氮元素释放

研究表明，氮肥的植物利用率仅约30%，其他部分会以不同形式流失，但当施氮量低时损失会降低[47]。李帅等[48]研究表明，氮素释放30 d，释放率超过50%；在释放110 d 时，释放率为73.61%～90.11%。随着时间延长，氮素的释放呈扩大趋势，但增长速率呈现先快后慢的趋势。

3.2 磷元素释放

磷元素能增强作物的抗寒抗旱能力并促进作物根系发达，使作物提早成熟，穗粒增多，籽粒饱满。磷素释放30 d，某两个地区释放率分别为48.88%和32.95%；释放110 d 时，某两个地区分别为85.82%和 80.71%。与氮素释放规律相似，磷素的释放也随时间的延长呈扩大趋势，但是增长速率先快后慢[48]。

3.3 钾元素释放

钾元素能促进作物生长健壮、茎秆粗硬，并增强作物对病虫害和倒伏的抵抗能力，促进糖分和淀粉的积累。与氮、磷的缓慢释放不同，钾以离子形态存在于溶液中，其释放较为迅速[49]。在玉米秸秆还田过程中，20 d 时钾素释放率已达84.41%，50 d时释放率为91.34%，在100 d 时释放率为95.29%[50]。钾素在释放前期极为迅速，在20 d 释放速率到达顶峰，之后降低并趋于平稳。

3.4 元素释放的影响因素

中药渣堆肥能提高土壤有机质与养分含量。研究表明，C/N 和碳源的有效性决定了微生物对堆肥氮的转化与土壤氮的固持[51—52]。C/N<20，堆肥氮转化，氮素释放；C/N>30，土壤氮固持增加，可利用氮减少。各元素的释放速率不同导致药渣堆肥腐解过程中不同养分的释放率各不相同，钾素高于磷素高于氮素，前后两者间相差约为7%[53—54]，这是因为钾元素易溶于水，氮磷元素多以有机态形式存在，相对于钾不易释放。覆土处理也更有利于腐解与养分的释放，且对钾素释放速率的提升最为明显[55]。同时，土壤磷元素易被吸附形成难溶性磷酸盐，施用有机肥能使土壤有机磷向无机磷转化[56]。因此，有机肥可以提高土壤磷肥利用率和土壤有效磷含量。有机物的钾存在于细胞液中，相比于钾肥不易淋洗损失。因此，药渣有机肥比传统钾肥效果更好。此外，氮磷钾的释放量在腐解过程中也不尽相同，这主要是由各元素在药渣中的积累量决定的。

4 展望

不同种类的药渣具有不同的利用途径，且因提取和加工工艺不同，药渣所含养分也不尽相同；药渣的高效分解需要合适的温度、水分条件，降解周期为矿物类药渣>动物类药渣>植物类药渣，在此过程中释放的养分可有效提高土壤肥力，同时，降解生成的有机物能在其他领域得到广泛应用。但由于药渣成分并不单一，甚至含有毒性成分，对于有效成分和有毒物质的分离还需进一步研究；此外，虽然可以采取一定手段加快药渣分解，但对于较难分解的动物类及矿物类药渣的研究较少。因此，可以在研究难降解药渣的有效成分分离的基础上，提高不同类药渣资源的重复利用率。通过中药渣的综合利用，能够缓解药渣处理不当造成的生态压力，提高中药资源的利用率，促进我国中药事业的可持续发展。