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西瓜藤蔓材料化利用研究进展

作者:未知

  摘    要: 西瓜是一种生活中常见的、营养丰富的园艺作物,广泛种植于世界各地。西瓜藤蔓是西瓜生产中的副产品,其生物质含量高,具有丰富的粗纤维、蛋白质、维生素C等营养成分以及多糖、有机酸、皂苷、黄酮类、生物碱和甾体等较复杂的化学成分。目前,国内外对西瓜藤蔓资源的利用率低,技术不成熟,加工处理的方式较少,大量的西瓜藤蔓被废弃,不但污染环境,而且浪费资源。主要论述了西瓜藤蔓的成分及利用价值、西瓜藤蔓的利用方式以及对如何有效解決和综合利用西瓜藤蔓作出展望。其中,重点介绍了西瓜藤蔓在还田生产、饲料加工、新型复合材料以及能源化利用等4种常见的利用方式,旨在为西瓜藤蔓资源化利用提供借鉴。
  关键词: 西瓜; 藤蔓; 资源; 综合利用
  Abstract: Watermelon is a common, nutritious horticultural crop that is widely grown all over the world. As a by-product of the watermelon production, watermelon vines has high biomass content, rich in crude fiber, protein, vitamin C and other nutrients, as well as complex chemical components such as polysaccharides, organic acids, saponins, flavonoids, alkaloids and steroids. At present, the utilization rate of watermelon cirrus resources is low at home and abroad, the technology is immature, and the processing and treatment methods are less. A large number of watermelon vines are discarded, which not only pollutes the environment, but also wastes resources. This paper mainly discusses the composition and utilization value of watermelon vines, the utilization of watermelon vines and the prospect of how to effectively solve and comprehensively utilize watermelon vines. Among them, the four common utilization methods of watermelon vines in returning production, feed processing, new composite materials and energy utilization are introduced, aiming at providing reference for the utilization of watermelon vines.
  Key words: Watermelon; Vines; Resource; Comprehensive utilization
  西瓜(Citrullus lanatus)是葫芦科西瓜属一年生藤本植物,广泛种植于亚洲、美洲、非洲和欧洲等地,尤以亚洲种植面积最广。因为西瓜果肉中含有丰富的维生素、番茄红素和碳水化合物,瓜皮中富含果胶、蛋白质等可药用的成分,是与人类健康息息相关的重要作物[1]。据世界粮农组织统计,大约有120个国家种植西瓜,产量主要集中在中国、伊朗、土耳其、巴西等国[2]。2016年,中国西瓜甜瓜栽培面积均居世界第1位,其中西瓜栽培面积达到189万hm2,占世界西瓜总栽培面积的38.3%[3]。
  随着人们环保意识的增强和不可再生资源的枯竭,国内外关于农业废弃物研究的重点在于农业废弃物的加工利用,减少不可再生资源的使用和增强环境污染危害性的意识[4-7]。在用天然纤维代替合成纤维的研究中,研究对象主要是麻类、竹类、秸秆和藤蔓草本植物。而西瓜栽培过程中产生的大量藤蔓也可成为加工对象。近30年来,西瓜生产持续发展,在栽培过程中会产生大量废弃的藤蔓。因而,如何有效处理利用西瓜藤蔓成为一个有待商榷的研究方向。因此,笔者论述了国内外西瓜藤蔓在饲料、药用、复合材料等领域的研究现状及进展。
  1 西瓜藤蔓成分及利用价值
  西瓜藤蔓体积大、数量多,且水分含量较高。因此既不适合就地焚烧处理也不适于长途运输加工。西瓜成熟后瓜藤内纤维素含量较高且含糖量较低[8]。由于西瓜藤蔓与其他农作物秸秆成分类似[9],生物质含量高,营养物质丰富,化学成分较复杂,所以拥有巨大的开发潜力。
  孙伟康等[10]采用范式(VanSoest)法测得西瓜藤蔓成分分别为:纤维素含量为50%~60%;半纤维素含量为7%~10%;木质素含量为20%~25%;果胶含量为5%~10%;脂蜡质含量为1.5%~2%。
  目前对于西瓜藤蔓处理加工的研究较少,主要是个别地区作为青贮饲料来解决本地饲料缺少问题以及医学研究中对其不同部位提取物药用价值的研究[11-14]。近几年,西瓜藤蔓中的纤维还用于制备复合材料[10,15]。同时西瓜藤蔓鲜茎中水分含量较高,但内能量值高,并含有大量粗纤维、蛋白质,还富含维生素C等营养成分。化学组分主要有多糖、有机酸、皂苷、黄酮类、生物碱和甾体等[16-18]。   西瓜藤蔓青贮处理后粗纤维水解为低糖,营养成分损失少,可作为饲料使用。宋曙辉等[19]发现西瓜藤醇提取物对金黄色葡萄球菌的活性具有较强的抑制作用;赵春燕等[20]利用超声波辅助法提取西瓜藤中的葫芦素B,其具有消炎、止痛、护肝、抗肿瘤等功效。王硕[17]研究发现,西瓜藤石油醚提取物和乙酸乙酯提取物,均具有抑菌、抗炎的作用;特有的脑苷V具有一定的抗肿瘤作用。西瓜果皮中还含有大量多糖,是一种难得的抗氧化剂,对于自由基清除有较好的效果[21]。由此可知,西瓜藤蔓具有较高的加工价值。若根据西瓜藤蔓的成分特征并参考其他作物秸秆加工利用的方式对其进行开发利用,则可在增加经济效益的同时实现环境保护和资源节约。
  2 西瓜藤蔓的利用方式
  2.1 西瓜藤蔓在还田生产中的利用
  收获农作物主产品后遗留的茎秆、叶片、壳、芯等副产品都属于农作物秸秆[22]。秸秆还田作为秸秆利用最为传统的方式,分为直接还田利用和间接还田利用[23]。直接还田利用是秸秆最直接省事的一种利用加工方法,仅通过土壤中本身的微生物将秸秆中的营养物质分解并释放出矿物质养分,无需对秸秆进行加工处理[24]。间接还田利用主要包括堆腐还田和过腹还田,堆腐还田是指农作物秸秆通过堆肥沤熟、混料发酵等加工为有机肥后再还田[25],并可以避免土壤板结及病害传播;过腹还田是让牲畜食用消化排出后,以粪便的形式还田[26]。
  由于自然环境下的土壤性质结构差异较大,采用不同的还田方式会导致秸秆的降解程度产生差异[27]。若将秸秆加工后及时还田,就可以使秸秆吸收的营养物质返还土壤,可有效维持土壤养分动态平衡、增加土壤有机质含量、改善土壤生物环境,实现保护性耕作、减少其他化学肥料的施用。由于秸秆本身存在的病菌及連作产生的毒害作用,实际生产上大多采用间接还田的方式处理农作物废弃秸秆。同时,秸秆堆肥还田作为数千年来农民提高土壤肥力的主要方式可以在短时间内增加土壤有机质含量,且操作简单。厉波[28]将油菜秸秆还田于茶树园,研究结果表明茶叶产量有所提高。罗奇会[29]研究发现,施用废弃烟叶有机肥对魔芋品质产生积极影响。丁哲利等[30]研究发现,相比施用普通商品有机肥,施用香蕉茎秆有机肥后,大白菜生长势更优。胡晓婷等[31]研究发现,经过堆肥处理的番茄秸秆施用于番茄可以有效改善番茄风味。对农作物秸秆进行加工还可生产其他新型肥料。堆肥茶是一种国外普遍采用的液体肥料,是将堆沤腐熟后的有机物再加工发酵,与水混合后制作而成的[32]。张祥等[33]利用小麦秸秆堆肥茶对番茄和辣椒进行灌根处理,对比研究发现,其可以促进2种蔬菜的植株形成,增强植株叶片光合作用。李晨晔等[34]以大蒜和油菜秸秆混合做堆肥茶,发现叶面喷施后对黄瓜的果实品质有促进作用。
  西瓜藤蔓碳氮比适宜,含有大量的有机质和微量元素,不含难降解的有机成分,可以成为一种很好的好氧堆肥原料。若将西瓜藤蔓粉碎后与其他农业畜牧废弃物(如玉米秸秆、稻草秸秆、油菜秸秆等)采用混合堆肥处理的方式,将藤蔓中的N、P、K释放出来重新还田利用,粗纤维与木质素充分转化,不仅可以解决西瓜藤蔓处理不易的问题,还可以有效提高土壤肥力,降低人工成本。
  2.2 西瓜藤蔓在饲料加工中的利用
  粗饲料是指饲料中干物质的粗纤维含量在18%以上,主要包括牧草和各种秸秆等[35]。而西瓜藤蔓是一种有待开发的重要饲料资源,其含有较高的可溶性碳水化合物及多种维生素,而且藤蔓产出量可达作物产出量一半以上,但西瓜藤蔓鲜茎水分含量高,容易腐烂,不利于长期贮存,这是其作为畜牧饲料的一个重要限制因素;另外一个主要限制因素是藤蔓中含有大量影响适口性和消化率的抗营养因子单宁。青贮可以使秸秆内糖分转化为有机酸,适口性好,解决饲草资源不稳定时畜牧的食物来源,所以青贮是提高瓜藤粗饲料利用价值的一种重要手段[36]。目前仅有杨恩裕等[11]将各种菌剂、糖蜜、米糠、乳酸菌及酸类等作为西瓜藤蔓青贮饲料添加剂,并考察添加剂对西瓜藤蔓青贮饲料品质的影响。其研究表明,这些处理可不同程度改善西瓜藤蔓青贮饲料的适口性,显著提高青贮饲料的消化利用率和营养价值,降低单宁含量,增加饲料有机酸,减少饲料霉变的发生。也有研究采用西瓜皮作为青贮原料添加甲酸来获得品质优良的青贮饲料[37]。其他作物秸秆青贮加工也可以为西瓜藤青贮提供借鉴经验。魏晨等[38]通过青贮改善薰衣草秸秆的品质后,提高了薰衣草秸秆饲料的利用价值。王志敬等[39]对凤梨渣进行不同发酵时间的青贮来提高饲喂价值。华金玲等[40]将花生秸秆与玉米青贮来研究粗饲料对瘤胃发酵的适宜性。何圣米等[41]将芦笋秸秆开发成青贮饲料,同时解决废弃芦笋秸秆的污染问题。
  2.3 西瓜藤蔓在新型复合材料中的利用
  农作物秸秆中含有丰富的粗纤维,将秸秆内粗纤维提取加工后可以得到纤维素及其衍生物[42]。在工业中广泛利用这些农作物秸秆加工新型复合材料,主要秸秆衍生物有醋酸纤维素、羧甲基纤维素、微晶纤维素等。而秸秆中又有比棉麻类作物多的杂质,需在加工工艺中加入除杂工艺。秸秆纤维中含有较多果胶,脱胶方法主要有酸碱法、生物酶法、机械法、两种方法联合等[43]。王可等[44]利用甲苯/乙醇,采用稀盐酸处理加工桑树秸秆得到醋酸纤维素。李帅等[45]将玉米秸秆加工为微晶纤维素并运用于食用膜中。
  另外,由于西瓜藤蔓粗大、含水率高等问题,关于西瓜纤维中纤维素提取的研究进展极少。仅有刘大全等[8]选取我国资源丰富的瓜藤作为研究对象,系统地试验研究各种葫芦科瓜藤的组分含量,包括纤维素、木质素、半纤维素等,以及断面微观结构和力学拉伸性能等。通过机械提取发现,瓜藤纤维在做复合材料的增强体方面具有潜在优势,因为瓜藤中纤维素含量均超过50%,其中,丝瓜藤纤维素含量高达70%[8]。张西良等[46]以黄瓜藤蔓为研究对象,分析黄瓜藤蔓纤维的理化特性,结合复合材料力学进行分析,揭示了黄瓜秸秆显微结构和力学特性之间的内在联系,为开发和改进切割藤茎类的机械提供理论支持。王晶华[47]采用酸浸碱煮2次脱胶的方法得到瓜藤纤维,并利用扫描电镜观察得到原始瓜藤原与纤维的组成结构、横截面积等基本性质,同时对各类瓜藤的力学性能进行了详尽分析,为瓜藤纤维加工提供依据。   西瓜藤蔓纤维主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。作为瓜藤纤维中的重要组成部分,纤维素在瓜藤中含量均超过50%。通过SEM观察发现西瓜藤蔓纤维的横截面呈现不规则形状。其纤维结构与椰壳纤维结构类似,细胞壁较厚,内腔孔闭合,纤维细胞间结合力弱于纤丝间力;从与麻类和桑皮纤维相似的纵面结构可以看出纤维表面凹凸不平,无天然扭转,不同程度伴有孔洞和裂隙。由于瓜藤纤维素含量低于亚麻、黄麻等纤维作物,而半纤维素、木质素的含量则较高,因此,西瓜藤蔓纤维的拉伸性能、力学强度等均稍差于麻类和棉花等纤维作物。但是西瓜藤蔓纤维化学性质与传统纤维素纤维有许多相似处,具有抗氯仿、酸类、酮类和酚类等有机物的能力,而且耐酸性能优于棉纤维,但抗碱性能不如棉纤维。另外,廖徐霞[48]研究表明,西瓜藤蔓可以与聚丙烯复合成新材料,用于生产使用。孙伟康等[10]采用热压法制备了聚乳酸/西瓜藤纤维绿色复合材料。
  2.4 西瓜藤蔓的能源化利用
  农作物废弃物大都由植物光合作用直接或间接产生,相对于化石燃料,具有可再生、周期短、产量大、价格低的优点。目前对农业废弃物的能源化利用不仅有厌氧发酵及直燃热解两方面,还可以通过转化废弃物为生物柴油、沼气等可再生能源。张窦[49]将乙醇鈉预处理后的蔗渣用于发酵乳酸。纤维素乙醇是以农作物废弃物为原料进行生产的,而纤维素转化乙醇的关键步骤是预处理、酶解、发酵,预处理和酶解程度直接影响着纤维素的水解效率和纤维素制备乙醇的生产成本[23]。通过预处理如蒸汽爆破、酸碱处理、氨爆法等可除去木质素、溶解半纤维素和破坏纤维素的晶体结构,从而增大其可接触表面,加速纤维素发酵生产乙醇的速度[50]。白春艳等[51]将预处理后的高粱秆用于发酵酒精;李永恒等[52]以甘蔗渣为原料进行发酵制备纤维素乙醇;李婷婷等[53]研究发现,玉米秸秆发酵酒精后的残渣还可分级利用,长纤维用于造纸原料,短纤维用于饲料。相对来说,西瓜藤蔓的纤维素和半纤维素含量高于木质素,因此西瓜藤蔓具有进行生物质生产燃料乙醇的潜力[54]。若使用西瓜藤蔓作为原料生产燃料乙醇,不仅可以有效解决燃料乙醇的生产问题,而且能使西瓜藤蔓废弃物得到充分利用,促进农民增收,减少堆置秸秆带来的环境污染。
  3 展 望
  从世界整体范围来看,西瓜藤蔓的开发利用方面单一,生产水平落后,综合利用效率低,产业链不完整,还处于初级开发阶段。目前,国内外对西瓜藤蔓资源的利用只有极少的探索研究,而且各项技术都还不够成熟,距规模化、生产化、商业化规模应用还有很大的差距。国内西瓜藤蔓加工利用困难主要是西瓜藤蔓难以大规模收集、粉碎和贮运,缺乏相关配套设备;西瓜藤蔓药用价值仅处于研究阶段,未投入生产;作为新型材料加工缺乏研究课题。从目前来看,西瓜藤蔓的回收利用仅限于研究报道中,未投入社会生产。因此,应借鉴小麦、水稻、玉米等大宗作物和甘蔗皮、花生壳、香蕉茎秆、拉菲草等农业废弃物综合利用技术和方法,拓宽西瓜藤蔓综合利用途径,优化加工工艺,根据西瓜藤蔓特点改造配套设备,提高西瓜藤蔓综合利用效率,推动西瓜产业链发展。
  若可以增加科技投入与政策支持力度,加强对瓜藤肥料化、饲料化、纤维化、能源化加工技术的综合研究,建立一套完整的西瓜藤蔓废弃物收集、运输、储存和加工利用系统。则可以切实解决西瓜藤蔓综合利用过程中的实践问题、科学问题以及技术问题。
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