中药渣堆肥化过程中皂苷变化及腐熟度研究

闫美超，孙 宇，闫非凡，于海茹，崔宗均，李佳佳，赵洪颜*

(1.延边大学农学院，吉林 延吉 133002；2.中国农业大学农学院/生物质工程中心，北京 100193；3.延边州农业农村局，吉林 延吉 133002；4.农业农村部环境保护科研监测所，天津300001 )

近年来，随着国家对中医药行业的支持，中药行业得到了发展，但在中药行业不断发展的同时，也产生大量中药残渣，已成为制药公司面临的严重问题[1]。据报道，中药渣的年产量约为3 000万t[2]，而目前中药渣通常采用较为传统的方式进行处理，例如焚化、深坑填埋或是在固定区域堆放，造成严重的环境污染，因此，迫切地需要将中药渣作为潜在的资源进行研究利用[3]。

堆肥技术作为一种用于有机固体废物资源利用的新技术，在国内外得到广泛应用。堆肥的处理能力大，无害化程度高，运行成本低，而且符合经济与环境可持续发展的理念，非常适合用于对中药渣的处理[4]。中药渣中主要含有大量的生物质，如纤维素、半纤维素、木质素、生物碱和其他生物活性物质，腐熟的中药渣堆肥可以用作土壤改良剂或有机肥料[5]。目前，评价堆肥是否腐熟的指标有很多，其中，堆肥的温度、pH值、发芽指数(GI)等指标都可用来判定堆肥的腐熟程度[6]。国内外对中药渣堆肥化进行了大量研究，更多针对白芷、桃仁、黄芪、女贞子等多种类型及不同部位的中药渣，堆肥化过程差异较大[7]。但是对人参药渣的研究较少，尤其是对中药渣堆肥化过程中皂苷含量的变化研究尚未见到报道。

因此，该研究以人参和葛根混合中药渣进行堆肥化处理，通过堆肥化过程中温度、木质纤维素含量、C/N、发芽指数、理化性状、皂苷含量等指标，评价堆肥化进程中皂苷含量的变化及腐熟程度，为将来中药渣高值化利用及功能性农产品的开发提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 堆制材料及堆制方法

试验地点为延边大学实践教学基地，试验材料葛根和人参残渣由基地提供。堆体长10 m，宽1.8 m，高1.2 m。将中药渣与猪粪混匀并调整碳氮比为25∶1，调节水分含量为60%左右。堆体温度上升到50 ℃开始翻堆，每隔1 d翻堆1次，温度下降到35 ℃以后每5 d翻堆1次。试验堆制30 d，将堆制的当天作为第0天，从堆肥开始，每3 d取1次样，取样分别在距堆体顶部30、80和100 cm深处，各层采用对角线5点取样法取样后混合均匀，测定样品中木质素、纤维素、半纤维素、总皂苷含量，其余样品风干磨碎过70目筛，作为待测样品测定理化指标。

表1 堆肥原料的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of raw material

1.2 发酵参数的测定

1.2.1 温度

将温度计插入到堆体内部，测定堆体前、中、后3个点的温度，取平均值并记录。

1.2.2 总皂苷含量的测定

总皂苷的测定采用焦晓林[8]土壤中人参皂苷提取与含量测定方法。中药渣样品用粉碎机粉碎后过50目筛，精确称量20 g，加入300 mL 80%甲醇水溶液，175 r/min摇床震荡24 h后抽滤，将滤液在40 ℃蒸发皿中挥干甲醇。剩余的液体依次用氯仿、水饱和正丁醇分别萃取3次，收集正丁醇层浓缩至干，剩余残渣用80%甲醇定容至5 mL，用滤膜过滤得到提取液。以人参皂苷Re作为标准品配置标准曲线，用分光光度计测量总皂苷的含量。

1.2.3 pH值及电导率测定

pH值使用SX-620 pH计进行测定读取数值，电导率使用DDSJ-308A电导率仪进行测定读取数值。

1.2.4 中药渣理化指标的测定

中药渣理化指标全氮、铵态氮、硝态氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、有机质采用鲍士旦的测定方法，参见参考文献[9]。

1.2.5 半纤维素、纤维素、木质素成分测定

将风干的样品过1 mm的筛子，通过ANKOM200纤维素分析仪进行中和洗涤和酸洗，测量样品中半纤维素的含量，然后用72%浓硫酸洗涤，并在马弗炉中灰化，测定样品中的纤维素和木质素含量。

1.2.6 种子发芽指数(GI)的测定

称量10 g样品，加入50 mL蒸馏水，摇床震荡30 min，离心10 min获得清液。将滤纸放入无菌的9 cm培养皿中，20粒萝卜种子均匀地放入培养皿中加入5 mL提取液，以蒸馏水为对照，在25 ℃恒温培养室培养48 h，测定发芽率和根长，并计算发芽指数GI/%=处理平均发芽率×处理平均根长(对照平均发芽率×对照平均根长)×100。

2 结果与分析

2.1 堆肥化进程中温度的变化

堆肥产品是否可以达到无害化标准可以直接反映堆肥过程是否正常进行，堆肥过程中的温度变化是评价堆肥腐熟度的重要指标之一[10]。

由图1可知，堆肥过程中的堆体内部温度具体变化，温度变化可以清楚地分为3个时期：升温时期、高温时期和降温时期。堆制开始后，温度迅速上升，第3天即达到50 ℃以上，第6天达到最高值67 ℃，然后开始下降。但堆体内50 ℃以上的高温时间持续到堆肥的第15天。此后温度继续下降，并且在发酵结束时，温度为35 ℃，堆体温度趋于稳定。我国粪便无害化卫生标准要求，堆肥最高堆温达50～55 ℃以上持续5～7 d，或者在55 ℃以上维持3 d，堆肥可达到无害化[11]，可以初步确定该试验堆肥已经腐熟并且符合国家标准。

2.2 不同堆肥发酵阶段pH值和EC含量变化

微生物发酵是中药渣堆肥发酵过程的本质，中药渣堆肥发酵过程中有许多因素会影响微生物的繁殖和存活，pH值是重要因素之一[12]。研究发现，pH值呈弱碱性、弱酸性或中性最适合微生物的繁殖和生存。堆体的pH值变化见表2。堆肥的升温期pH值为5.62，高温期为6.11，降温期为5.83。随着发酵时间的增加，pH值先升高0.49再降低0.28，呈先升高后降低的趋势。这主要归因于堆肥中微生物的氨化，这些微生物使有机氮矿化并分解释放大量氨氮，从而导致pH值升高。随着堆肥技术的发展，堆肥材料中微生物的硝化作用逐渐占主导地位，这促进了氨氮向硝酸盐氮的连续转化，并使堆肥材料的pH值开始下降[13]，最终pH值变成弱酸性，表明堆肥已达到稳定和腐熟的水平。

EC值越低对植物产生的毒害越小，一般而言堆肥产品的EC应小于4 000 μs/cm，以便土地的安全应用[14]。表2中EC在堆肥的升温期为1 325 μs/cm，在高温期为1 200 μs/cm，在降温时期为1 050 μs/cm。EC值随着发酵的时间变化在减小，在发酵的高温期降低了125 μs/cm，在降温期减小275 μs/cm。该试验在堆肥的降温时期，EC值小于4 000 μs/cm，因此，对植物生长没有不利影响。

表2 不同堆肥发酵阶段堆体内pH值及EC的变化Table 2 Changes of pH and EC in the different fermentation phases

2.3 堆肥化过程中总皂苷含量的变化

由图2可知，在堆肥发酵的过程中总皂苷含量随着发酵天数的变化虽呈下降趋势，但在发酵结束时总皂苷仍有残留。在堆肥的升温时期总皂苷含量为0.59%，在堆肥的高温时期含量为0.42%，皂苷残留含量为29%。在堆肥的降温时期总皂苷含量为0.07%，残留12%。总皂苷虽被堆肥中的微生物分解但最后分解并不完全，堆肥发酵结束堆肥中总皂苷仍有剩余。

2.4 不同发酵阶段木质纤维素含量的变化

半纤维素是由不同糖组成的侧链较短的分支，主要由D-木糖、D-甘露糖、D-半乳糖、D-半乳糖醛酸和D-葡萄糖醛酸组成，通过β-1，4-糖苷键连接在一起[15]。堆肥的升温时期半纤维素的含量为6.42%，高温时期为3.01%，降温时期为1.86%。在堆肥过程中，半纤维素降解了4.56%，降解率为71.02%。由于半纤维素易水解，在升温时期微生物即可分泌一些酶将其降解，为微生物提供营养，所以在升温期的时候降解率高，而且整个堆肥化过程半纤维素的降解率最高(图3)。

纤维素的分解在一定程度上影响整个中药渣的堆肥过程[16]。在该试验中，堆肥发酵的升温时期纤维素含量为32.92%，高温时期为25.65%，降温时期为18.16%。纤维素含量在堆肥的升温和高温阶段降解迅速，而在堆肥的降温阶段则变得缓慢并且稳定，降解率为44.83%(图3)。

木质素是由苯丙烷前体合成的芳香族聚合物，由于其结构复杂、分子量大、不溶性使其难于生物降解[16]。在堆肥升温阶段，木质素的含量为43.70%，堆肥的高温阶段木质素为37.30%，降温阶段为31.96%。当堆肥腐熟完成时，木质素降解11.74%，降解率为26.86%(图3)。

2.5 不同发酵阶段理化指标的变化

不同发酵阶段堆肥理化指标含量的变化见表3。堆肥过程中全氮、铵态氮、硝态氮含量均为下降趋势，堆肥的过程中微生物通过代谢作用消耗堆肥中的氮素，氨气在此期间也会随之流失，导致全氮和铵态氮的含量下降。堆肥所产生的高温抑制了硝化细菌的生长，导致硝态氮含量下降。全钾含量随着堆肥的发酵含量降低，速效钾含量随着堆肥的发酵先下降并趋于稳定。随着堆肥的发酵全磷的含量增加，发酵降温时期全磷的含量增加0.35 g/kg，由于有机物的生物降解导致堆肥质量的损失，因此堆肥结束全磷的含量升高。速效磷含量在堆肥的高温时期、降温时期分别降低17和25 mg/kg。堆肥中有机质含量呈下降趋势，在堆肥高温时期与降温时期有机质含量下降22.33和41.53 g/kg。

表3 不同发酵阶段理化指标的变化Table 3 Changes of maturity index in different fermentation phases

2.6 堆肥化过程中C/N的变化

在堆肥发酵过程中消耗大量的C和N有机物才能被微生物分解。适当的碳氮比有利于堆肥材料的发酵，所以常常用C/N 来评估堆肥的腐熟程度。由图4可知，C/N 在发酵过程中呈下降趋势，C/N 从堆肥升温时期的25.26下降到降温时期的18.38，下降27.23%。研究表明，分解后的堆肥产品的C/N在15～20，可以认为堆肥达到腐熟状态且稳定化[17]，并且堆肥产品的C/N如果太高施用到土壤中后，容易使土壤氮素缺乏，从而影响农作物的生长发育。C/N太低不能满足作物生长所需的碳元素，从该试验的结果来看，堆肥处理30 d后，堆肥可以达到较高的腐熟程度。

2.7 堆肥提取液发芽指数的变化

发芽指数是通过堆肥是否抑制植物发芽来评估堆肥的无害性和稳定程度的指数。它不仅可以检测堆肥的植物毒性水平，而且堆肥对植物的毒性大小也可以用其判断。种子发芽和生长效果可以全面的用GI进行判断，GI被认为是堆肥发酵过程中可靠的评价指标[18]。当GI大于50%，认为堆肥产品对种子无毒，GI大于80%，可以认为完全无毒，堆肥达到腐熟状态[19]。由图5可知，升温时期萝卜的发芽指数较低，为43.32%，随着发酵天数的增加发芽指数逐渐升高，在堆肥的高温时期发芽指数为74.14%，在堆肥的降温时期发芽指数达到86.64%。因此，从结果来看在堆肥的降温时期达到腐熟状态[19]。

2.8 堆肥化过程总皂苷含量和发芽指数的相关性

由表4可知，堆肥的升温阶段(0～3 d)总皂苷含量和发芽指数呈负相关，总皂苷抑制堆肥发芽指数增长。堆肥的高温阶段(6～12 d)总皂苷含量和发芽指数开始呈正相关，总皂苷含量与发芽指数有相关性，总皂苷促进堆肥发芽指数增长。堆肥的降温阶段(15～18 d)总皂苷含量和发芽指数呈负相关，总皂苷抑制堆肥的发芽指数增长。堆肥第24天，总皂苷含量和发芽指数呈显著正相关，第24天堆肥的发芽指数趋于稳定，并接近85%。说明在堆肥的发酵过程中在第24天时，总皂苷促进堆肥腐熟进程、提高种子发芽指数的作用最大，效果最为显著，在中药渣堆肥工业化生产中推荐堆肥发酵到第24天进行生产。

表4 堆肥过程中总皂苷含量和发芽指数的相关性Table 4 Correlation between total saponin content and germination index during composting

3 讨论

中药渣堆肥的温度变化可以反映微生物的生长和繁殖情况，适当的温度可以有效促进微生物的快速生长和繁殖。堆肥的高温阶段为45～70 ℃，当堆体温度处于45～60 ℃时，适宜于堆肥发酵[20-21]。该试验堆肥高温期维持了12 d，说明堆肥达到腐熟状态，这与吕育财等[22]人的研究结果一致。GI值可说明中药渣堆肥作为植物基质的可行性，GI大于80%时，堆肥腐熟并且无毒，该试验在堆肥的降温时期发芽指数达到86.64%，可以说明堆肥在降温时期达到腐熟状态，与吴小琴等[23]人的研究结果一致。pH值在堆肥结束时为弱酸性，EC值稳定在1 050～1 350 μs/cm，pH值、EC值经过堆制后也达到了植物正常生长要求，因此，堆肥对植物生长没有不利影响。木质素、纤维素等是植物中重要的骨架成分，降解中药渣中的木质素，才能更高效的利用中药渣。在为期30 d的堆肥发酵结束后纤维素、半纤维素、木质素降解率分别为44.83%、71.02%和26.18%，基本趋于稳定，证明中药渣加工废弃物经过30 d堆肥化处理可达到腐熟状态。

前人做了很多中药渣加工废弃物的研究，但没有对人参残渣的堆肥化进行相关报道或系统性的研究。在该研究中除了中药渣堆肥的各个阶段指标可以确保堆肥过程的正常进行外，还研究了中药渣堆肥过程中总皂苷含量的变化。堆肥发酵的过程中总皂苷含量随着发酵天数的变化虽呈下降趋势，但总皂苷最后并未被完全分解，说明总皂苷在堆肥中仍有残留。总皂苷通过微生物代谢作用分解，皂苷自身发生转化，所以总皂苷含量降低。对于在中药渣堆肥过程中皂苷如何进行转化可以进行更深层次的研究。中药渣堆肥发酵结束后堆肥中仍然含有皂苷，将含有总皂苷的中药渣作为有机肥料施用于农田后会对作物的生长产生什么样的影响值得更深层次的研究，这样不仅可以废料资源化利用，还能达到减轻环境压力的目的。

4 结论

1) 人参和葛根中药渣作为堆肥化材料，30 d可以完全腐熟，其中，C/N为18.38，有机质含量为46.62 g/kg，发芽指数为86.64%。

2) 堆肥化处理中药渣可以有效降低纤维素、半纤维素、木质素含量，降解率分别为44.83%、71.02%和26.18%。

3) 腐熟的中药渣有机肥中含有皂苷，且残留率为12.2%。