湖南省林业科学院：茶油加工副产物制备高值化学品和生物基材料的研究进展
成果简介
图1.油茶加工副产物制备化学品和功能材料
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利用可再生的生物质资源制备高附加值化学品和功能材料是生物质高值化利用的主要途径，具有潜在的应用前景。之前的研究报道主要利用传统的木质纤维生物质（包括桦木、秸秆、芒草等），而木本油料生物质通常被忽略，其不仅含有较高含量的木质素和半纤维素，也含有多酚、茶皂素等功能活性成分，具有比传统木质纤维生物质更加丰富多样的高附加值组分。油茶作为我国种植面积最广泛的木本油料树种，茶油加工过程会产生大量副产物，主要包括油茶果蒲和油茶残粕，通常被直接燃烧或丢弃，造成了环境污染和资源浪费。
基于此，湖南省林业科学院李昌珠研究员团队联合四川大学生物质与皮革工程系等团队，系统地分析了油茶果蒲和油茶残粕中功能活性成分（黄酮、单宁和茶皂素）的提取方法及其在抑菌、抗氧化、抗炎症和乳化等方面的广泛应用，重点介绍了油茶果蒲三素组分制备高附加值化学品的溶剂和催化剂体系，同时分析了油茶果蒲制备生物炭、刨花板和农业肥料的性能和优势，着重对比了油茶果蒲生物炭在吸附、储能、土壤修复和固体酸催化剂等方面的应用，
并对此进行展望。最后，提出油茶果蒲作为一种富含木质素和生物活性成分的木本油料加工副产物，其在高值化学品开发和功能材料制备研究方向仍值得广泛关注，以期为茶油加工副产物的资源化和能源化利用提供参考。
图2.本综述的研究内容框架图
图文导读
油茶果蒲中纤维三素组分含量约占80%，其中木质素含量最高，约为36wt%，相比于玉米秸秆、芒草、稻壳、桦木生物质中木质素含量为15-25%，油茶果蒲在木质素提取与开发相关高附加值产品方面更具优势。油茶果蒲木质素可通过溶剂热催化转化或光催化转化制备酚类化学品，从而替代传统的化石燃料衍生的芳香化学品。
油茶果蒲中半纤维素含量约为23-31 wt%，通常在酸性催化剂或水解酶作用下断裂糖苷键制备木寡糖，而木寡糖通过进一步解聚和脱水作用可制备平台化合物糠醛。油茶果蒲中纤维素含量较低，仅有13-20 wt%，纤维素通过水解和脱水、水合等作用可产生5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸和多元醇等高值化学品。本综述主要总结了溶剂和催化剂对纤维三素溶解和解聚的影响规律，重点对比了溶剂热转化、光催化转化和微波辅助转化的优劣。
图3.油茶果蒲组分转化制备高附加值化学品
相比于传统的木质纤维生物质，油茶果蒲除了具有三素组分外，还含有多种生物活性成分，包括单宁、黄酮和茶皂素等。通常采用醇类（甲醇、乙醇）或者醇-水混合溶剂提取生物活性成分，采用的温度（50-80 oC）通常比转化三素组分低（150-250 oC），提取的手段主要为索式提取、微波辅助提取、超声波辅助提取等。提取的单宁和黄酮通常具有抗氧化、抗炎症和抑菌等生物活性，而茶皂素是一种天然的表面活性剂，具有良好的发泡、乳化作用。本综述详细对比了各种提取方法对活性成分提取收率和纯度的影响规律，并详细论述了其在抗菌、抗氧化和表面活性剂等方面的广泛应用。
图4.油茶果蒲热解制备生物炭、生物气和生物油
热解时，油茶果蒲中各组分将经历不同的反应过程（包括脱羧、脱水和去甲基化等），以产生多元热解产物，如生物油、生物炭和合成气。生物质热解获得的生物油热值高，为15~46 MJ/kg，且富含各种类型有机物，包括醇、羧酸、醛和酮等。生物炭通常具有较高的比表面积和丰富的表面官能团，在吸附、储能等领域具有广泛应用。本综述主要总结了热解温度、投料速率、催化剂等对热解产物分布和生物炭表面性质的影响规律，重点分析了生物炭吸附性能、储存电容及土壤修复能力与比表面积、表面官能团分布等的相互关系。
最后，作者还提出了关于油茶果蒲利用研究的前瞻性展望。首先是发展相关提纯技术提高生物活性成分的选择性；其次是充分利用油茶果蒲富含木质素的特点，制备高品质生物燃油和功能化生物炭或纳米材料；第三是通过预处理等方式提高油茶果蒲刨花板的机械和力学性能等；最后通过技术经济分析和生命周期分析等新兴手段对各种提取技术和炼制策略进行综合性比较分析，筛选出更符合低碳经济的技术方法。
李昌珠，二级研究员、博士生导师。现任木本油料资源利用国家重点实验室主任，中国经济林协会木本油料分会主任，南方木本油料产业国家创新联盟理事长。荣获国务院政府特殊津贴、全国优秀科技工作者、湖南省人民政府科技战略咨询专家等多项荣誉称号，2019年当选为湖南省院士后备人才。长期从事木本油料资源利用研究工作，为我国南方木本油料资源利用创新团队负责人，在木本油料品质改良及加工、油脂基能源和材料产品开发、综合利用等方面取得了重大突破，先后获国家和省部级奖15项，其中获国家科技进步奖二等奖1项（排名第一），省一等奖4项（其中2项排名第一），授权专利16项，出版专著7部，发表论文 320篇，其中SCI/EI 60多篇。
肖志红，二级研究员、博士生导师，现任木本油料资源利用国家重点实验室专职副主任、油脂分子构效湖南省重点实验室主任、南方木本油料利用科学国家林业与草原局重点实验室常务副主任，囯务院政府特殊津贴专家、国家林业和草原科技创新领军人才，中国经济林协会木本油料分会秘书长，南方木本油料产业国家创新联盟秘书长，中国可再生能源学会生物质能专委会委员等。近年来，主持或参与国家自然科学基金、国家科技支撑计划、国家重点研发、国际合作、国家公益性行业专项、省重大专项等课题20多项。聚焦油茶、油桐、山苍子等特色木本油料资源高值化利用，参与鉴（认）定科技成果16项，制订标准5项，专利授权16项，发表论文200余篇，参编著作6部。先后获科技奖励10余项，其中国家奖1项。
蒋智成，四川大学轻工科学与工程学院副研究员、硕士生导师，四川大学“双百人才”计划入选者。2018年于四川大学化学学院取得博士学位，2016年至2017年在英国约克大学公派联合培养。主要从事溶剂热催化转化木质纤维素制备高附加值化学品和功能材料研究。主持了国家自然科学基金面上项目，国家重点研发计划专项子课题和四川省科技厅应用基础研究项目等。近年来，在Green Chem, ChemSusChem, J Hazard Mater, Appl Catal B, J Energy Chem等国际学术期刊上发表SCI论文40余篇。
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