森林资源功能成分加工原理与技术

第1章 概论 森林资源是以林木资源为主，集林中和林下植物、野生动物、土壤微生物及其他自然环境因子等资源形成的一个森林有机体的统称。我国是一个原生林较少的国家，但又是世界上人工林面积*大的国家，储藏着丰富的森林生物资源，因此对森林资源进行开发利用是极其必要的。森林生物资源中的植物、动物、微生物在生理代谢过程中往往会产生大量的生物小分子物质，这些生物分子除被用于自身生长发育外，还能与自身或者其他生命体相互作用产生一类对人类健康具有生理促进作用的功能成分。而林木资源是生产这类功能成分的重要资源，例如，红豆杉中存在的紫杉醇对癌症具有很好的治疗作用，其他林木资源产生的功能成分，如生物碱类、黄酮类、萜类、木脂素类、糖类及挥发油类等物质也具有不同的生物活性，因而科研工作者可以利用这些森林资源功能成分开发新型药物、功能食品、食品添加剂和植物农药等产品，实现森林资源的高质化加工与利用。虽然森林资源中拥有种类繁多的天然分子，但其含量较少，体系复杂，因而提取分离十分困难。随着以森林资源功能成分为重要物质基础的高附加值林业产业的快速发展，森林资源功能成分的高质化加工与利用逐渐成为现代林业重点关注的技术问题。本书就森林资源中所存在的功能成分的加工原理及技术进行了详细介绍，希望可以为今后森林资源功能成分的开发利用提供参考。 1.1 森林资源功能成分及其相关术语 1.1.1 林下药材 林下药材是指与森林资源或林地空间相关的，具有特殊活性成分和医疗保健作用的药用植物，主要包括以下三种类型：非木质资源药用林(红豆杉、喜树、银杏、降香紫檀、杜仲等)，林下药用灌木(刺五加、金银花、萝芙木、木豆、五味子等)，林下药用草本(黄芪、人参、天麻、砂仁、三七、甘草等)。林下药材能够把中药材种植和林木资源培育有机结合起来，是林业发展和中药材生产相结合的产物，既可以大幅拓宽中药材产业发展空间，又可以有效巩固生态林业建设成果，是实现生态林业、民生林业和绿色中药材可持续发展的重要途径之一，是林下经济的一个重要组成部分。 林下药材的种植经营管理模式主要包括两种：林下药材与林木资源的混合经营管理模式；林下药材不同物种间的混种模式。林下药材与林木资源的混合经营管理模式，主要是利用生物间的共生关系，按照各自的不同生理特性，把两种或两种以上的药用植物种群合理地有机组合在一起，并使之产生*大的经济效益。关于林下药材不同物种间的混种模式，主要有喜阳的高层药用林与耐阴的低层药用灌木混种、深根性的药用林与浅根性的林下药材混种、多年生的药用林与短期生长的药用草本混种等多种模式，从而达到充分利用土地、光能、空气、水肥和热量等自然资源，获取较高生物产量和药材质量的目的。林下药材与林木培育相结合，可形成多种植物、多种层次、多种次序的立体混合经营管理模式，使能量物质转化率及生物产量均比单一纯林培育大幅度提高。 林下药材生长于林地自然环境中，与大田栽培中药材相比，林下药材活性成分含量高、品质佳，不与农作物种植争地，可增加植物多样性，蓄水保土，维护森林生态系统的稳定性，同时又可缩短林业经济周期、增加林业附加值、促进林业绿色可持续发展，对林业产业从单纯利用林木资源向综合利用林地资源的成功转型与升级具有重要意义。 林下药材是植物性农药、兽药、化妆品及保健产品的重要原料。近年来，随着中药材需求量的日益增加、林下药材人工种植技术的不断完善以及林下药材自身的质量优势，林下药材将成为我国林业产业的新经济增长点，其市场潜力巨大。 1.1.2 森林资源功能成分 森林资源功能成分是指来源于森林生物资源，对生物体具有一定的预防保健和治疗功能的一类化学组分或单体成分。森林资源功能成分结构复杂，种类繁多，是生物体防御外界影响和调节自身生命活动过程的次生代谢产物，可分为黄酮类、生物碱类、萜类、挥发油、醌类、内酯类、苷类等，具有活性好、毒性低的特点。 1.1.3 森林资源功能成分提取技术 森林资源功能成分的提取过程是通过物理、化学或生物等手段，利用适当的溶剂或方法将目标活性物从森林生物资源材料中完全提取出来的过程，并希望*大限度地提取出森林生物资源中的目标物质，避免有效成分的分解流失，且*低限度地浸出无效甚至有害的成分，以提高治疗效果，降低不良反应。 森林资源功能成分提取过程一般可分为浸润渗透、解吸溶解、扩散和溶剂置换三个阶段，目前常用的提取技术有经典的水蒸气蒸馏法、升华法及溶剂提取法等，近年相继出现超声波提取、微波提取、负压空化提取、超临界流体提取、半仿生提取、亚临界水提取、加速溶剂提取、酶解提取等新型提取技术，这些技术在目标成分的选择性、提取工作效率、工艺节能和环保等方面具有明显的优越性，应用前景广阔。 1.1.4 森林资源功能成分分离技术 森林资源功能成分分离过程是将提取物中所含的各种成分一一分开，并将得到的单体加以精制的过程。 森林资源材料所含成分种类繁多，体系复杂，既有有效成分，又有无效成分和有毒成分。森林资源功能成分生产加工过程中，一般从森林资源材料的前处理到提炼精制处理，之后经过高值化加工生产为高附加值林业产品。其中，提炼精制处理的本质是通过“分离”，从森林资源材料中去粗存精、去伪存真，从而获取功能成分的过程。高附加值林业产品生产的每一个阶段都包括一个或若干个混合物的分离操作，分离过程就是将某种混合物转变为组成互不相同的两种或几种产物的操作，其目的是*大限度地保留有效成分或有效部位，去除无效和有害的成分，即分离纯化的目的是得到“有效成分”，以达到为不同类别高附加值林业产品提供合格的原料和半成品的目的。森林资源功能成分分离是获得高含量化学组分和高纯度单体化合物的重要步骤，常用的纯化方法有分馏法、结晶法、色谱法、膜分离技术、分子印迹技术、毛细管电泳技术及各种联用技术，这种将森林资源功能成分分离后获得的以生物小分子或大分子为主体的活性成分，是以生物质为原料的林业生物产业的重要组成部分，是发展高附加值林业生物产品的重要物质基础之一。 森林资源功能成分已经被广泛应用于医药、食品添加剂、功能食品、日用化学品、植物农药和植物兽药等生产领域。随着我国以森林资源功能成分为重要物质基础的林业生物制剂产业的快速发展，森林资源功能成分的需求量与日俱增，明确森林资源功能成分和作用机制、建立森林资源功能成分的质量评价体系与标准以及研制高端制剂产品，是提升我国林源生物制品的质量及在国际市场上的竞争力的重要科学任务。因此，以森林资源功能成分为主体的林业生物产业发展亟须森林资源功能成分的产业化系列创新技术，以促进我国森林资源功能成分的快速发展。随着高附加值林业产业的蓬勃发展和绿色经济理念的深入人心，我国森林资源功能成分加工与利用将是一个方兴未艾的高科技产业。 1.2 森林资源功能成分的发展历史与战略 1.2.1 森林资源功能成分的发展历史 植物次生代谢产物种类繁多，根据结构可以大致分为: 糖和苷类、醌类、苯丙素类、黄酮类、多酚类、生物碱类、甾体、萜类和挥发油等。次生性代谢产物是植物对昆虫进行防御的一个主要手段。由于植物本身缺乏移动的能力，在进化的过程中不得不依赖次生性代谢产物来避免动物的侵害，此为这些有防御效应的物质*原始、*主要的生态功能[1]。植物次生代谢产物研究一直是高附加值林业产业的研究热点，它不仅是植物的保护屏障，而且对人类也具有相当大的应用价值，特别是在药用方面。植物成药的历史相当悠久，*初是以药酒、茶、膏状药、粉末等形式用药。直到19世纪，人们开始从植物中提取生物活性成分，如从鸦片中提取吗啡，首次开创了植物有效成分利用的先河。临床常用的可卡因、奎宁等都属于早期植物提取药。进入20世纪，天然药物化学迅速发展，尤其是运用色谱技术分离和纯化天然化合物，并进行结构鉴定和生物活性试验。此后，人们不断从植物中提取药物活性成分。随着药物研发技术的逐步标准化，植物药物活性成分也逐渐走向市场化，并在许多已知的重大疾病中发挥作用[2]。 在这些植物次生代谢产物为人们所利用的过程中，来源于森林资源的次生代谢产物同样扮演着重要的角色。在我国诸多药典古籍中，关于林木植物入药均有记载，《本草纲目》中有专门的篇章介绍木部入药。例如，杜仲具有治疗腰膝酸痛、益精气、壮筋骨的功效；槐树嫩芽可以治疗邪气产生的绝伤及瘾症，槐花还可治吐血、鼻出血和血崩等疾病。在《神农本草经》一书中也有关于木本植物入药的记载，如“辛夷，味辛温。主五脏，身体寒风，头脑痛，面皯。久服，下气轻身，明目，增年耐老”，这说明辛夷(又名木兰)具有轻身明目的功效；此外，“女贞实，味苦平，主补中，安五藏，养精神，除百疾”，意为女贞果实能够改善脾胃虚弱的症状。以上的例子均表明木本植物作为药用植物为人们所用的历史由来已久。早在1960年，美国研究人员在太平洋红豆杉中首次发现紫杉醇这一化合物，随后进行了广泛的活性研究，结果表明，紫杉醇具有广谱抗肿瘤效果。紫杉醇能够“可逆性地”结合微管，诱导和促进微管蛋白的聚合、稳定微管、防止解聚，导致染色体错误分离并抑制细胞复制和移行，从而阻碍肿瘤细胞周期的运行[2]。现代研究表明，红豆杉茎皮中紫杉醇的含量*高，约为枝叶的8倍，目前主要用于提取紫杉醇[3]。红豆杉作为世界公认的稀有濒危植物，是尤为珍贵的药用植物资源。为了更好地保护红豆杉野生植物资源，在红豆杉资源的研究、开发方面，应该着重利用栽培资源来加强我国红豆杉野生资源的可持续利用。可作为药用木本植物进行抗癌药物提取的不仅有红豆杉，还有喜树和三尖杉属等植物树种[4]。 森林资源功能成分的价值不仅体现在药用方面，在其他生活领域也有诸多应用。例如，来自于马尾松茎干上的树脂，即松脂，在加工过后可制成松香。松香具有天然可再生、生物可降解等优良特性。其主要成分为具有三环二萜结构和两类活性基团(碳碳双键和羧基)的松香树脂酸，松香树脂酸主要包括枞酸、新枞酸、长叶枞酸和左旋海松酸等化合物，且在一定温度条件下(≥120℃)，除左旋海松酸以外的其他树脂酸均可以通过互变异构转化为左旋海松酸。松香本身具有防潮、绝缘、乳化、黏合、防腐等性能，早期直接应用于造纸、涂料、油墨等领域[5]。松香本身是一种天然的萜类化合物，可作为中药入药，具有祛风燥湿、排脓拔毒、生肌止痛、杀虫止痒等药效，其改性得到的产物具有良好的药理活性[6]。此外，松香可以作为黏合剂进行工业上的应用，还可作为纸张施胶剂应用于造纸行业，而且其可以增加涂料色泽用于涂装行业。 冷杉为松科冷杉属植物，是塔状高大挺直的常绿乔木。冷杉胶是由冷杉树分泌的树脂加工而成的，冷杉树脂由杉油(30%～35%)、冷树脂酸(30%～45%)、中性物(20%～28%)、氧化树脂酸(4%～10%)、少量果酸和单宁及微量脂肪酸所组成。在医药生产上，冷杉树脂是膏药的良好基质，还可以黏合药丸。冷杉胶是优良的光学玻璃胶合剂。尽管现代合成光学树胶的发展日新月异，但由于冷杉胶质量优越、资源较多，且生产成本低廉，目前仍然是光学用胶的一个重要来源。此外，冷杉树脂可用于绘画颜料的生产，将冷杉树脂、橡胶或其他树脂的混合物在真空中加热，然后加入植物油或矿物油，便是一种很好的瓶口密封剂。冷杉油可直接用作溶剂，也可用于油漆和纺织工业(制造媒染剂、染料及毛织物的洗涤去脂等)，还可用作除臭剂及印刷油墨、杀虫剂等的添加物[7]。 在林木植物资源利用中，还有一种重要的功能成分，即精油，如香樟精油。樟树是樟科樟属植物中经济价值较高的树种之一，主要分布于中国南方各省的亚热带地区。从樟树叶中提取的挥发性精油富含芳樟醇、1，8-桉叶油素、樟脑、异-橙花叔醇和龙脑等功能成分，且具有芳香、医疗和驱虫等作用，已成为医药卫生、化工、食品、香料的天然原料。此外，樟树叶为可再生资源，其应用前景广阔。根据樟树枝叶精油中所含主成分的不同，可将樟树分为脑樟(主要含有樟脑)、芳樟(芳樟醇)、油樟(桉油素)、异樟(异-橙花叔醇)和龙脑樟(右旋龙脑)等5