作为橡胶消费大国,我国天然橡胶资源贫乏,对外依存度80%以上,为改善这一紧张局面,开发杜仲胶作为第二橡胶资源已迫在眉睫。然而,目前工业化生产杜仲胶的成本昂贵,原料利用率低。针对此现状,本研究采用连续多步提取技术对杜仲叶进行提取分离,在制备杜仲胶的同时获取高附加值活性成分,以期提高产品总产值从而降低提胶成本。结合杜仲叶全组分分离工艺的基础,模块化设计杜仲精粉、多糖、杜仲胶的联合提取工艺路线,采用动态评估方法及生命周期评价对该工艺进行了技术经济分析,评估其经济可行性以及环境影响程度。这对于杜仲全组分利用和杜仲胶产业化具有重要意义。本文主要研究内容与结论如下: (1)对叶林杜仲叶进行基于生物质精炼的提取分离,探究不同工艺条件下对浸膏、多糖和杜仲胶得率和结构性能的影响。在40~80℃下热水提取浸膏、水提多糖;水提残渣中加入0.1~2.0 M氢氧化钠溶液预处理,提取碱提多糖;碱提残渣经纤维素酶水解、石油醚提取分离,制备杜仲胶。确定了最佳热水提取温度为60℃,最佳碱提浓度为1.0M。在此条件下,浸膏得率为18.91%,生物活性物质总量为11.81±0.50 mg/g,水提多糖得率为7.40%;碱提多糖得率为34.73%;酶解72 h葡萄糖总量为55.13±2.12 mg/g(是未经碱处理的3.5倍),杜仲胶得率为2.68%。生物活性成分的主要组成为绿原酸,水提多糖的为葡萄糖,碱提多糖为半乳糖。浸膏、多糖均具有优异的抗氧化能力,DPPH清除率高于80%。碱处理可有效破坏细胞壁结构,去除角质层、木质素等杂质,从而提高酶解效率,使纤维素糖化,暴露出杜仲胶,有利于其提取分离。此外,碱处理对杜仲胶的晶体结构造成了一定的破坏。最后,基于研究结果对该提取工艺进行质量平衡分析,为标准化生产加工提供数据参考。 (2)对杜仲精粉、多糖、杜仲胶的联合提取工艺进行经济效益评价。以每天900kg杜仲叶的设施模拟,估计联合提取工艺的总资本投资和总产品成本分别为1900万元和5128万元。利用喷雾干燥和热泵蒸馏技术替代联合提取工艺中的冷冻干燥步骤和蒸馏步骤,可显著降低提取分离过程的总投资和总产品成本。内部设施收益率(IRR)为30.0%,基于该生物炼制技术评估,该工艺可盈利。敏感性分析表明,杜仲叶处理能力和碱提多糖价格对内部设施收益率的影响最为显著。适度增加杜仲叶处理能力可显著提高内部设施收益率。不确定性分析表明,内部设施收益率在20%~40%之间的可能性将达到75%。总之,该工艺具有良好的经济可行性。 (3)对联合提取工艺进行生命周期评价。以全球变暖潜势(GWP 100a)、累积能源需求(CED)、生态指标(EI 99)为评价指标,生命周期评价结果表明,每批产品中子工艺4(杜仲精粉的最终提取)、子工艺2(杜仲精粉和水提多糖的分离)和子工艺6(碱提多糖的最终提取)占据了较大的环境负荷份额。此外,该工艺具有能源密集型特点,所消耗的蒸汽和电力对环境造成较大负担。当以杜仲精粉为主要产品时,采用质量分配方法,每公斤杜仲精粉GWP 100a排放量为111 kg CO₂eq,CED为2200 MJ,EI 99为9.15点;采用经济价值分配方法的生命周期评价结果大约是基于质量分配的4倍。不确定性分析表明,生命周期评价结果不存在明显的随机不确定性,是比较可信的。敏感性分析表明,蒸汽和乙醇消耗量的减少或产品得率的增加都将降低该联合提取工艺过程的环境负担。总之,该联合工艺的环境友好性较差,需大幅度降低蒸汽消耗和提高碱提多糖等产品得率。