时间：2023-10-07 13:17:27
关键词：纤维素原料；纤维素酶；预处理；水解；发酵；生物能源乙醇；精馏和脱水；产业化
长期以来我国能源生产以煤炭、石油、天然气等化石能源为主，不仅消耗了大量的自然资源，而且对环境造成了严重污染。根据国家统计局的中国统计年鉴的数据显示，2003年能源生产总量为1．7亿t标准煤，2012年为3．3亿t标准煤，增幅达93％，我国迫切需要一种可再生能源来代替化石能源。在美国、巴西及欧洲已形成新的可再生能源－燃料乙醇产业。随着粮食价格的不断上涨，土地资源日益紧张，以粮食为原料的生物液体燃料技术发展前景并不乐观。而木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，发展纤维素生物乙醇成为我国和其他能源发达国家的必然选择。木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，以其作为原料生产生物乙醇是最具发展前景的生产路线，利用现代化生物技术手段开发以纤维素为原料的生物能源，已成为当今世界发达国家能源战略的重要内容。
1纤维素乙醇主要技术
路线纤维素乙醇的工艺技术路线主要包括预处理、水解、发酵、蒸馏脱水等几大环节。其中关键步骤是酶水解，该过程具有反应条件温和、过程可操纵性、对环境友好等优点。
1．1纤维素原料的预处理方法
目前，纤维素原料的预处理方法可分为物理法、化学法、物理化学相结合法以及生物法等。
1．1．1物理法
常见的物理法预处理技术包括机械粉碎法、高温热水处理法、微波辐射、射线处理等等，该类处理方法操作简单，无环境污染，但需要较高的动力，其耗能约占糖化总过程耗能的60％以上。机械粉碎法：用振动磨等物理外力将纤维素原料进行粉碎处理，可以破坏木质素和半纤维素与纤维素之间的结合层，但是木质素仍然会被保留，其结果降低三者的聚合度，改变纤维素的结晶构造。该处理方法可提高反应性能和提高糖化率，保证酶解过程中纤维素酶或木质素酶发挥作用。高温热水处理法：即酸催化的自水解反应，原理就是在高温（200℃以上）且压力高于同温度下饱和蒸汽压时，使用高温液态水去除部分木质素及全部半纤维素，但高温作用会使产物有所损失，并产生一些有机酸等次级代谢产物抑制酶解与发酵过程。按照水与底物的进料顺序不同，可分为以下3种，即流动水注入、水与物料相对进料及两者平行进料，这3种方式都是利用沸水的高介电常数去溶解所有的半纤维素和1／3～2／3的木质素，但反应需要的pH值要求较高，一般控制在4～7之间，来减少副作用。
1．1．2化学法
稀酸预处理和浓酸预处理：浓酸具有腐蚀性，生产过后需要回收，因此大大增加了成本，所以稀酸水解应用的范围广，稀酸水解一般是在高温高压下进行，稀酸能够断裂纤维素内部的氢键，使得纤维素易水解且提高木聚糖到木糖的转化率，虽然该方法较其他方法比较而言有很高的转化率，但是据Selig等研究表示，在高温条件下（如140℃处理时），在纤维素表面可能会形成一些木质素与碳水化合物复合物形成的球状液滴。碱预处理技术：该方法原理是破坏木质素和碳水化合物之间的连接，破坏生物质的结晶区，使木质素溶于碱液从而促进水解的进行。常用的碱包括Ca（OH）2和氨水等。Chen等采用价格便宜的Ca（OH）2处理TK－9芒草秸秆半纤维素，其水解率大于59．8％，木质素的去除率为40．1％。Kim等发现利用NH4OH、在60℃条件下、采用1∶7的料液比处理废弃秸秆9h可以去除70％～80％的木质素，若酶用量充足，可以将所有的纤维素水解掉。
1．1．3物理化学方法
氨冷冻爆破法：类似于蒸汽爆破法，其区别之处在于氨处理对设备的要求和所需的能耗降低，在蒸煮的过程中加入氨，同时还要注意氨的有效回收，其原理是液氨在50～80℃、1．5MPa条件下，采用物理方法，将压力骤降，使液氨蒸发，使木质素晶体爆裂，破坏木质素与糖类的连接，脱去部分木质素，使得木质素的结构得以破坏，增加纤维素表面积和酶解的可及度。随后向系统加入固液混合物，经过蒸发的氨通过压缩可以得到有效回收。Alizadeh等采用柳枝为原料，将葡聚糖的转化率从20％提高到90％，木质纤维素原料的酶解速率得到较大提高，另外该方法避免了酶的降解，无干扰抑制物的产生，因此处理过后无需处理。
1．1．4生物方法
自然界中有多种能够分解木质素的微生物，其中分解能力最强的是木腐菌，包括3种：百腐菌、软腐菌、褐腐菌。百腐菌能分泌胞外氧化酶包括漆酶、过氧化酶、锰过氧化酶等，因此百腐菌是自然界最主要的木质素降解菌，这些木质素降解酶能有效、彻底地将木质素降解成为水和二氧化碳。
1．2发酵酶解
发酵酶解技术是木质素生产纤维素乙醇技术的关键，国内研究人员经过多年的探索，取得了较好的进展，如生产成本下降，生产工艺流程简化。酶解发酵主要将五碳糖或六碳糖经过微生物发酵同时转化为乙醇。利用木质纤维素原料生物转化乙醇主要有4种途径：分步水解和发酵（SHF）、同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）和直接微生物转化（DMC）。
1．2．1分步水解和发酵（SHF）
分步水解和发酵的原理是，2个过程独立进行，其优点就是各步能在各自适宜的温度下（50～55℃酶解，35～340℃发酵）进行，有利于反应完全，纤维素酶首先将纤维素原料水解，再将得到的C5或C6分别发酵生产乙醇，也可共发酵产乙醇，该途径最大的缺点就是酶解过程中的水解产物积累会抑制酶的活性，导致水解不彻底。世界上第一座纤维素乙醇示范装置是加拿大Iogen公司于2004年在渥太华建立的，该公司以纤维素为原料利用SHF工艺，固液分离水解糖，利用工程菌生产乙醇，产能1800t／年。瑞典的O－Vik公司以木屑为原料采用SHF工艺建立的乙醇厂，成本只有0．46欧元。美国的Verenium则以甘蔗渣为原料，采用稀酸水解，采用基因工程大肠杆菌发酵生产乙醇，1t干生物质年产100加仑乙醇。
1．2．2同步糖化发酵（SSF）
同步糖化和发酵，即在同一个反应容器里，纤维素酶解与葡萄糖的乙醇发酵同时进行，微生物能直接利用酶解产生的糖，这样避免了对纤维素酶的反馈抑制作用，SSF是目前生产乙醇最主要的方式，国内外的中试装置上基本都采用此方法，主要代表就是瑞典Lund大学，采用木屑为原料，利用工程酵母发酵，其原料转化率可达90％，提高乙醇产量。在生产过程中，原料在经过预处理之后，加入纤维素酶和酵母共发酵，不能被酶解的木质素则被分离出来，通过再利用提供能量，通过乙醇蒸馏工艺进行回收。
1．2．3同步糖化共发酵（SSCF）
SSCF法是SSF法的改进，最主要的优势在于对戊糖的利用。半纤维素中含有丰富的戊糖，如木聚糖、阿拉伯聚糖，在SSF法中大量戊糖并未能转化成乙醇；如果在发酵过程中接种能够将戊糖转化为乙醇的微生物，将大大提高发酵液中最终乙醇含量。Su等研究发现，利用重组的Zymomonasmobilis发酵玉米秸秆，在SSCF法中，当葡萄糖存在时，缩短了木糖的发酵时间；但葡萄糖与木糖会竞争相同的膜转运蛋白，而且蛋白优先转运葡萄糖，在培养基中葡萄糖含量降低到一定程度后，菌种才开始利用木糖进行发酵。现阶段SSCF法采用混合菌种发酵居多，在下一步研究过程中，应开发能够同时利用戊糖和己糖发酵产乙醇的新菌种。
1．2．4直接微生物转化（DMC）
直接微生物转化又称为统合生物工艺，即原料中木质纤维素成分通过某些能够产生纤维素酶的微生物群生产乙醇的工艺，同时该微生物还能利用发酵糖生产乙醇，这就要求该种微生物同时具有以下3个步骤：产纤维素酶、酶解纤维素、发酵产乙醇。目前，研究最多的就是粗糙脉孢菌和尖镰孢菌这2种真菌，该菌有独立的纤维素酶生产，在有氧和半通氧2种状态下，分别产水解后的底物和发酵糖为乙醇，方法简便，和普遍使用的SSF相比，无需额外酶的加入，能够同时利用五碳糖或六碳糖，具有很广的应用前景。Mascoma公司利用酵母和细菌共同完成产生纤维素酶和发酵产乙醇的工艺步骤，酶生产单元大大减少，在中试装置上使用该技术，降低了成本，减少了费用。
1．3精馏和脱水技术
精馏和脱水技术主要是提纯产物乙醇，其工艺类似于淀粉燃料乙醇的生产过程。精馏和脱水技术可以借鉴淀粉质原料燃料乙醇生产工艺中已经发展成熟的工业化技术，木质纤维素类原料发酵液中乙醇浓度比较低，一般情况下均在5％以下，致使精馏操作能耗高。有研究者建议，在木质纤维素水解液乙醇发酵工艺中耦合渗透蒸发技术来提高进入精馏系统发酵液中乙醇浓度，但是渗透蒸发系统本身的动力消耗也比较大，而且渗透蒸发所用的透醇膜容易被菌体污染的问题也很突出。
2纤维素乙醇发展展望
2．1纤维素乙醇产业化发展的局限
目前，木质纤维素类生物质制备生物乙醇因其在生产、能耗和政策支持3个方面存在问题，不能实现大范围的工业化生产。生产技术方面存在工艺流程和预处理技术2个方面的限制，能源利用率存在成本和产出之比高低问题，以及存在政府是否颁布相应的支持条例的问题。首先，从原料上来看，木质纤维素由于自身坚固的细胞壁结构和难以水解的结晶纤维素，使得生产燃料乙醇需要较高的成本费用，其次，从生产工艺流程来看，制备燃料乙醇要经过预处理、酶解、发酵等过程，在预处理过程中，不同的处理方法针对不同的原料有不同的处理效果，虽然对燃料乙醇提供了有力的支持，但是也存在不同程度的局限之处。在水解和发酵方面，一般采用的技术工艺是分步水解和发酵（SHF）、同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）和直接微生物转化（DMC）。分步水解和发酵的反应特点是纤维素水解和水解液发酵可以在不同的反应容器中进行，所以两者可以选择适宜条件。其缺点在于，水解产物糖对纤维素酶有反馈抑制作用，使水解不完全，同时在转移产物过程中，由于在不同容器中进行，易造成微生物污染。而SSF则与此相反，在酶水解糖化纤维素的同时加入能产生乙醇的纤维素发酵菌，使两者在同一装置中连续进行，工艺大大简化，又能消除底物葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用。但是也存在局限因素，如木糖的抑制作用、酶解温度和发酵温度不一致等。研究最多的假丝酵母菌、管囊酵母菌能够将木糖转化为乙醇，解决此难题。同步糖化共发酵（SSCF）是由该方法衍生出的新工艺，同样具有广阔应用前景。中国科学院生化工程国家重点实验室陈洪章等在了解了SSF法之后，提出秸秆分层多级转化液体燃料的新构想，在秸秆不经过添加化学药品的低压爆理之后，采用发酵－分离乙醇耦合系统，多级转化燃料乙醇和生物油，降低成本费用和酶的用量，简化生产工艺，提高酶解效率。
2．2纤维素乙醇产业化发展的趋势目前，国外纤维素乙醇产业化研究正进入一个关键时期，中国在这方面也有很好的基础，为了更快地实现产业化，应当吸取国外石油化工的实践经验，坚持生物精炼和乙醇联产的创新模式，促使纤维素乙醇实现产业化。该模式即实现原料的充分利用和产品价值最大化，就是所谓的“吃干榨净”，具体含义指利用玉米生产燃料乙醇，还能生产相关产品，如玉米油、高果糖浆、蛋白粉、蛋白饲料和其他系列产品，这样既提升了纤维素乙醇经济附加值，又能取得良好的经济和社会效益，一举两得。燃料乙醇将很快进入全球的成品油市场，在替代汽油供应方面发挥不可替代的作用。
在未来几年，随着中国对石油进口依赖度加深，扩大国内燃料乙醇产能已经成为必需。但是由于粮食生产乙醇的工艺不适合我国采用，因此，纤维素乙醇研究已经成为目前研究工作的重点。纤维素乙醇研究工作涉及物理、生物工程、化学等多个领域，为了早日实现纤维素乙醇产业化，应当提出相应的发展战略，首先，应该制定生物质能源产业的国家和地方的发展战略，政府应采取鼓励政策继续加大科研资金投入；其次，利用己糖发酵菌种的构建及木质纤维原料生物量全利用等方面来提升纤维素乙醇的经济效益：最后，要建立工业示范装置，为纤维素乙醇产业发展提供实践经验。纤维素乙醇作为主要的生物能源，应加快以纤维素乙醇为核心的综合技术的开发，整合多方力量，实现优势互补，使其在我国能源结构转变中发挥重要的作用。
参考文献：
［1］阮文彬，丁长河，张玲．纤维素乙醇生产工艺研究进展［J］．粮食与油脂，2015，28（11）：20－24．
［2］闫莉，吕惠生，张敏华．纤维素乙醇生产技术及产业化进展［J］．酿酒科技，2013（10）：80－84，89．
［3］刘娜，石淑兰．木质纤维素转化为燃料乙醇的研究进展［J］．现代化工，2005，25（3）：19－22，24．
1.“狼烟”的危害。①造成环境污染，危害人体健康。夏收、秋收时节，田间“狼烟四起”，城郊烟雾弥漫，对人类的呼吸道及心血管都会造成很大损害。②降低空气的能见度，影响交通安全。秸秆燃烧起来会生成大量的白色固体烟雾，由于固体极小，所以呈粉末状飘散，极大地降低了高速公路、机场等地方的能见度，影响交通安全。③引起火灾。农田秸秆焚烧时一旦出现大火，火势将很难控制，极容易造成巨大的经济损失。④导致耕地生产力下降。焚烧农田秸秆会使土壤中的微生物死亡，有机质变少、板结，给农业的可持续性发展造成巨大的障碍。
2.“狼烟”屡禁不止的原因。我国《大气污染防治法》早已禁止露天焚烧秸秆，但部分地区人们违法焚烧秸秆的情况仍然屡禁不止，我们通过在苏北的农村调研得知，人们之所以违法焚烧秸秆主要有以下几个原因：①随着农村机械化程度的提高，牲畜的需要量大大减少，秸秆饲料的需求也大幅降低。②近年来农村生活水平有所提高，许多农民采用液化气和电等清洁的生活能源，导致农作物秸秆成为“彻底的废弃物”。③秸秆分布零散、体积蓬松，收集运输成本高，产业化程度不高。④秸秆蜡质层较厚，“秸秆还田”后若没有降雨，入土后无法及时腐烂分解，给后续农作物管理造成障碍。
3.废变宝把醇产。以禁为主的措施不能从根本上解决“狼烟”问题，“狼烟”既是环境污染问题，也是资源浪费的问题。秸秆禁烧工作应当由“以禁为主”转变为“疏禁结合”，为秸秆谋出路才是解决问题的根本办法。
秸秆的主要成分为难以降解的纤维素、半纤维素和木质素。纤维素中的六碳糖和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样，可以用传统的酵母发酵成乙醇。而半纤维素中含有的糖主要为五碳糖，传统的酵母无法经济地将其转化为乙醇。纤维素乙醇技术正是利用纤维素质生物原料（如秸秆）生产乙醇燃料，这种燃料可以直接替代汽油等化石燃料，还能避免粮食作物生产的大量损耗，所以说，随着化石资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广这种可再生能源技术已经成为许多国家发展战略的重要组成部分。
目前限制纤维素质生物原料生产纤维素乙醇的主要障碍是纤维素酶发酵活力较低、成本较高。纤维素酶是一类能够将纤维素降解为葡萄糖的多组分酶的总称，可催化秸秆发酵产生纤维素乙醇。为了降低酶的生产成本，美国能源局2002年为诺维信和杰能科提供资金，开发新型纤维素酶。2012年作为全球生物燃料生产用酶的最大供应商丹麦诺维信推出最新酶制剂产品Cellic CTec3（纤维素酶），最大限度地提高了纤维素酶的发酵活力，降低了成本，确保工厂以最低的总成本生产纤维素乙醇。
作为新型清洁燃料，纤维素乙醇由于能替代传统的以粮食作物为原料的生物乙醇技术，缓解能源危机、保护环境而已得到世界各国政府、企业及研究机构的关注。自上世纪80年代中期，加拿大就开始资助纤维素乙醇研究和开发，logen公司利用麦秆、玉米秆生产纤维素乙醇。美国对纤维素乙醇项目给予政策及资金上的支持，2007年立法指令“要求到2022年每年必须提供160亿加仑（美制加仑：1加仑=3.785 412 L；英制加仑：1加仑=4.546 092 L）的纤维素乙醇”，2008年“农场法案”更是为纤维单质生物燃料的发展提供了强有力的支持。意大利的M&G集团开发的一体化纤维素乙醇生产技术，在欧洲已建成年产4万吨的纤维素乙醇的工业化示范装置。
我国在“863计划”中将纤维素乙醇列为研究课题。中粮集团生化能源（肇东）公司，系统地研究了玉米秸秆为原料的纤维素乙醇生产工艺，并在2006年4月在黑龙江建成了一套年产500 t的纤维素乙醇试验装置。该试验装置以玉米秸秆为原料，采用丹麦诺维信公司的纤维素酶制剂，成功地生产出纤维素乙醇。山东泽生生物科技有限公司与中国科学院过程工程研究所建立了年产3 000 t的纤维素乙醇示范工程。河南天冠燃料乙醇有限公司以玉米秸秆为原料，生产纤维素乙醇，年产量已达30万吨。
我们相信：在不久的将来，纤维素酶的研究将会取得更大突破，随着纤维素乙醇的大规模、高效率的生产和市场经济的调节，农作物秸秆将成为宝贵的资源，“狼烟”将彻底地一去不复返。
①填充剂/稀释剂：
淀粉：常用玉米淀粉，性质稳定，价格便宜，吸湿性小，外观色泽好，
可压性较差，常与可压性较好的糖粉、糊精混合使用
可压性淀粉：亦称预胶化淀粉，多功能辅料。具有良好的流动性、可压性，自身润滑性和干粘合性，并有较好的崩解作用。用于粉末直接压片时，硬脂酸镁的用量不可超过0.5%,以免产生软化现象
糖粉：结晶性蔗糖经低温干燥、粉碎而成的白色粉末。优点是粘合力强，可增加片剂的硬度和表面光滑度；缺点是吸湿性较强，长期贮存，片剂硬度过大，崩解溶出困难。除口含片或可溶性片剂，一般不单独使用，常与糊精、淀粉配合使用。
糊精：有较强的粘结性，使用不当会使片面出现麻点、水印或造成片剂崩解或溶出迟缓。常与糖粉、淀粉配合使用
乳糖：CRH高，吸水性弱，压缩成型性好，所压制的片剂外观美、溶出度好，既适用于湿法压片，也适用于干法粉末直接压片；价格昂贵，外国常用。
微晶纤维素
MCC：纤维素部分水解而制得的聚合度较小的结晶性粉末，良好的可压性和较强的结合力，压成的片剂有较大的硬度。可为粉末直接压片的“干粘合剂”使用。片剂中含20%MC时崩解较好。国外产品
压缩成形性好，兼有粘合、润滑和崩解作用；干粘合剂；对药品有较大的容纳量；适用于粉末直接压片。
无机盐类：主要是无机钙盐，如硫酸钙（片剂辅料中常用二水硫酸钙）。性质稳定，制成的片剂外观光洁，硬度、崩解均好。对药物无吸附作用。应注意硫酸钙对某些主药（四环素类）的吸收有干扰。碳酸钙、
磷酸钙
吸收剂：
硫酸钙、磷酸氢钙、轻质氧化镁、碳酸钙、淀粉、干燥氢氧化铝
糖醇类：
甘露醇、山梨醇呈颗粒或粉末状，具有一定的甜味，在口中溶解时吸热，有凉爽感。因此较适用于咀嚼片，但价格稍贵，常与蔗糖配合使用。
②湿润剂和粘合剂
蒸馏水：湿润剂。物料对水吸收较快，易发生湿润不均匀现象，最好采用低浓度的淀粉浆或乙醇代替
乙醇：用于遇水易分解和遇水黏性太大的药物。一般为30%～70%。中药浸膏片常用乙醇作湿润剂。
淀粉浆：常用8%～15%的浓度。并以10%最为常用。制法分煮浆法和冲浆法。在满足制粒和压片（对湿热稳定）要求时，多被选用。
糊精：干燥粘合剂；亦可配制成糊精浆做粘合剂使用。
糖粉与糖浆：糖粉为干燥粘合剂。
胶浆：10%-20%明胶溶液或10%-25%阿拉伯胶溶液。黏性强，所制成的片剂硬度大。
聚乙二醇4000：新型粘合剂，常用浓度为10%-50%，还有润滑作用。
纤维素衍生物：MC、HPC、HPMC、CMC-Na
甲基纤维素MC：纤维素的甲基醚化物，有良好的水溶性，可形成黏稠的胶体溶液。
羟丙基纤维素HPC：纤维素的羟丙基醚化物，易溶于冷水，加热至50℃发生胶化或溶胀现象。可溶甲醇、乙醇、异丙醇、丙二醇。①做湿法制粒的粘合剂②粉末直接压片的粘合剂
羟丙基甲基纤维素HPMC：纤维素的羟丙甲基醚化物，是一种最为常用的薄膜衣材料。溶于冷水成为黏性溶液。用2%～5%的溶液。
分散剂、增稠剂、薄膜包衣材料、粘合剂。
羧甲基纤维素钠CMC-Na：用作粘合剂的浓度一般为1%～2%。其粘性较强。常用于可压性较差的药物。应注意造成片剂硬度过大和崩解超限。
乙基纤维素EC：纤维素的乙基醚化物，不溶于水，在乙醇等有机溶媒中溶解度较大。本品粘性较强且在胃肠液中不溶解，会对片剂的崩解及药物的释放产生阻滞作用。有其这一特性，将其用于缓、控释制剂中。
其它：5%1%～20%的明胶溶液；50%～70%的蔗糖溶液；3%～5%的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的水或醇溶液。
③崩解剂：干淀粉
含水量在8%以下，吸水性强且有一定的膨胀性，较适用于水不溶性或微溶性药物的片剂，而对易溶性的崩解作用较差。①外加法②内加法③内外加法。崩解剂总量一般为片重的5%～20%；崩解率186%
羧甲基淀粉钠
：CMS-Na，吸水膨胀作用非常显著，可至原来的300倍。常用量一般为1%～6%
低取代基羟丙基纤维素L-HPC：具有很大的表面积和孔隙度，所以有很好的吸水速度和吸水量。吸水膨胀率为500%—700%，用量一般为2%～5%
交联聚乙烯吡咯烷酮（交联PVP）：
在水中迅速溶胀并且不会出现高黏度的凝胶层，因而崩解性能十分优越。
交联羧甲基纤维素钠CCNa：由于交联键的存在，不溶于水，但能吸收数倍于本身重量的水而膨胀。作用比CMS-Na更强，与CMS-Na合用时，崩解效果更好。与干淀粉合用作用降低。
泡腾崩解剂：
碳酸氢纳与枸橼酸组成的混合物。遇水时，两种物质连续不断产生二氧化碳气体。
④润滑剂：助流剂、抗粘剂、润滑剂
硬脂酸镁：水性润滑剂。用量过大，造成片剂的崩解或溶出迟缓。不宜用于乙酰水杨酸、某些抗生素药物及多数有机碱盐类药物片剂
微粉硅胶：可用作粉末直接压片的助流剂。
滑石粉：助流剂
氢化植物油：润滑剂。
聚乙二醇与月桂醇硫酸镁：水溶性润滑剂的典型代表。前者主要使用易溶于水的聚乙二醇4000和6000，制得的片剂崩解溶出不受影响且得到澄明的溶液。后者为正在开发的新型水溶性润滑剂。
⑤薄膜衣常用材料：胃溶型
①
纤维素：
羟丙基甲基纤维素（HPMC）：最为常用。（还可作片剂湿润剂和粘合剂）。
羟丙基纤维素（HPC）（作片剂湿润剂和粘合剂）：HPMC、HPC、CMC-Na；特别是低粘度的HPMC，既有HPMC，也有将HPMC与色素、遮光剂TiO2及增塑剂等制成复合包衣材料，用前加溶剂溶解（混悬）后包衣。
②丙烯酸树脂Ⅵ号（国产）：与EudragitE性状相当（进口）。
③聚乙烯吡咯烷酮（PVP）（作片剂湿润剂和粘合剂）
④PEG：4000~6000；常与CAP等合用。
⑤AEA：聚乙烯缩乙醛二乙胺醋酸酯
肠溶型
①邻苯二甲酸醋酸纤维素（CAP）：国际上应用较广泛的肠溶衣材料。
②邻苯二甲酸羟丙基甲基纤维素（HPMCP）
③邻苯二甲酸聚乙烯醇酯（PVAP）
④苯乙烯马来酸共聚（StyMA）
⑤丙烯酸树脂（甲基丙烯酸与甲基丙烯酸甲酯的共聚物EudragitL）：肠溶型Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ
⑥醋酸羟丙基甲基纤维素琥珀酸酯HPMCAS：优良的肠溶成膜材料，稳定性较CAP及HPMCP好。
水不溶型
①乙基纤维素（EC）（作片剂湿润剂和粘合剂）
②醋酸纤维素：是渗透泵工控释制剂最常用的包衣材料。
辅助性物料
①增塑剂
丙二醇、聚乙二醇、甘油、
蓖麻油、硅油、邻苯二甲酸二乙酯或二丁酯
②遮光剂：二氧化肽
③色素：苋菜红、胭脂红、柠檬黄及靛蓝
⑥滴丸基质及冷凝液
水溶性基质：PEG类（作片剂水溶性润滑剂、薄膜衣增塑剂）、（PEG4000、PEG6000、PEG9300）及肥皂类如硬脂酸钠和甘油明胶。聚氧乙烯单硬脂酸酯、尿素、泊洛沙姆
脂溶性基质：
硬脂酸、单硬脂酸甘油酯、氢化植物油（片剂中润滑剂）、虫蜡、十八醇（硬脂醇）、十六醇（鲸蜡醇）
水性冷凝液：
水、不同浓度的乙醇等
油性冷凝液：
液体石蜡、二甲基硅油、植物油、汽油或他们的混合物
软胶囊囊壳：
明胶：增塑剂：水=1：（0.4-0.6）：1
⑦微丸
增塑剂：
柠檬酸三乙酯、甘油三醋酸酯、苯二甲酸二乙酯、蓖麻油、油酸
致孔剂：
甘油、乙二醇、PEG、十二烷基硫酸钠、微晶纤维素、糖类、羧甲基纤维素、碳酸盐、羧甲基纤维素、碳酸盐、碳酸氢盐及氯化钠等
2．半固体制剂
栓剂基质
：
油脂性基质
可可豆脂：
含10%羊毛脂时其可塑性增加。但有些药物如挥发油、樟脑、薄荷油、酚以及水合氯醛等可使可可豆脂熔点显著降低甚至液化，可加入3%～6%的蜂蜡或20%鲸蜡以提高熔点。
半合成脂肪酸甘油酯：
这类基质有适宜的熔点，不易酸败，为目前取代天然油脂较理想的栓剂基质。有：椰油酯、山苍子油酯、棕榈酸酯。
合成脂肪酸酯：
硬脂酸丙二醇酯。
水溶性基质
甘油明胶：
多用作阴道栓剂基质。在局部起作用。其优点是有弹性、不易折断，且在体温下不熔化。通常以：水：明胶：甘油=10：20：70为宜
聚乙二醇类
无生理作用，遇体温不熔化但缓缓溶于体液中，能释放水溶性和脂溶性药物。对直肠黏膜有刺激作用，可加入20%的水避免。不能与银盐、鞣酸、氨替比林、奎宁、水杨酸（使PEG软化）、乙酰水杨酸（能与PEG形成复合物）、苯佐卡因、氯碘喹啉、磺胺类配伍。巴比妥钠等许多药物可从PEG中析出结晶。
非离子型表面活性剂
吐温-61系聚氧乙烯脱水山梨醇单硬脂酸酯，无毒性、无刺激、不易变质。可单独或与其它混合使用
聚氧乙烯单硬脂酸酯类：“S-40”。可与PEG混合使用，制得性质稳定、崩解释放均较好的栓剂。
泊洛沙姆
：
系聚氧乙烯、聚氧丙烯的聚合物。商品名普朗尼克。
眼膏基质：
黄凡士林、液状石蜡和羊毛脂的混合物，用量比：8：1：1。根据气温适当增减液状石蜡用量。
凝胶剂基质
卡波姆：①规格(按粘度分)934、940、941②水中只溶胀不溶解，当用碱中和中时，随大分子的不断溶解，黏度逐渐上升，在低浓度时形成澄明溶液，在浓度较大时形成半透明凝胶。③
pH敏感型水凝胶：pH3.11低粘、pH6～11有最大粘度与稠度④电解质可使其粘度下降。
纤维素衍生物：
常用的MC
、
CMC-Na?不宜加金属盐防腐剂如硝酸汞不宜与阳离型药物配伍
膜剂成膜材料
聚乙烯醇：（PVA)醇解度为88时水溶性最好。
乙烯-醋酸乙烯共聚物：（EVA)在相对分子量相同条件下，醋酸乙烯的比例越大，材料的溶解性成膜性透明性越好。
软膏剂基质
油脂性
烃类：凡士林（适用于遇水不稳定的药物。）、固体石蜡（调节软膏稠度）、液状石蜡（调节软膏稠度）。
油脂类（易氧化酸败，可加入抗氧剂和防腐剂）：氢化植物油
类脂类：羊毛脂（W/O）、蜂蜡与鲸蜡（弱W/O型乳化剂）：在O/W型乳化剂中起增加稳定性与调节稠度。
硅酮（又称硅油或二甲硅油）：疏水性强。对皮肤无毒无刺激。不宜做眼膏基质
乳剂型
：
乳剂型基质分W/O和O/W型两类。由水相、油相、乳化剂三部分组成。
常用油相：硬脂酸、蜂蜡、石蜡、高级脂肪醇（如十八醇）。为调节稠度加液状石蜡、凡士林、植物油等。
乳剂型基质常用的乳化剂和稳定剂：
1．
高分子化合物O/W
阿拉伯胶、西黄芪胶、明胶、磷脂、杏树胶、胆固醇
2.
表面活性剂
阴离子型：O/W型
硬脂酸钠、硬脂酸钾、油酸钠、油酸钾、十二烷基硫酸钠等。W/O型
硬脂酸钙
非离子型：司盘、吐温、卖泽、苄泽、泊洛沙姆
3．
固体粉末类
①肥皂类：一价皂如三乙醇胺皂为O/W型乳化剂；多价皂如硬脂酸钙、镁、铝为W/O型乳化剂
②高级脂肪醇：十六醇、十八醇（硬脂醇）为弱W/O型乳化剂。用于O/W型基质的油相中也可增加乳剂的稳定性和稠度。
脂肪醇硫酸酯类：常用十二醇硫酸酯钠（月桂醇硫酸钠），为优良的O/W型乳化剂。与阳离子表面活性剂及阳离子药物如盐酸苯海拉明、普鲁卡因等配伍，基质即被破坏。常用的辅助乳化剂有十六醇和十八醇
③多元醇酯类：脂肪酸山梨坦（司盘）为W/O型乳化剂；聚山梨酯（吐温）为O/W型乳化剂。二者均可单独使用制成乳剂型基质。也可按不同比例混合作用，调节成适宜的HLB值，增加乳剂基质的稳定性。硬脂酸甘油酯，乳化能力较弱W/O型乳化剂
水溶性
甘油明胶：（栓剂、滴丸基质，所用比例不同）甘油（10%-30%）、明胶（1%-3%）加水至100%，加热制成
纤维素衍生物：MC、CMC-Na（片剂中用作湿润剂和粘合剂）
PEG类：（作片剂水溶性润滑剂、薄膜衣增塑剂）PEG400与4000混合物
3．液体制剂
溶剂：
极性
水：
蒸馏水或精制水、
甘油：多外用，30%以上有抑菌作用，保湿滋润延长局部药效
二甲基亚砜：
溶解范围广，有刺激性
半极性：乙醇、95%乙醇（溶解能力强，有生理活性，易挥发燃烧）
聚乙二醇：与水不同比例为良好溶剂，外用保湿
丙二醇：内服或注射液 促经皮与粘膜吸收
非极性
脂肪油：植物油，制备洗剂、搽剂、滴鼻剂
石蜡：加油性抗氧剂，润肠通便，口服和洗剂
乙酸乙酯
搽剂
附加剂、
增溶剂、表面活性剂+药物胶团、
助溶剂：
在药物溶解(配制)时，加入第二种物质,使其形成络合物复盐以增加其在溶媒中的溶解度的过程①络合，
②复盐(分子复合物)，
③分子缔合物
潜溶剂：
在混合溶剂中，各溶剂在某一比例时，药物的溶解度比在各单纯溶剂中溶解度出现最大值
防腐剂：
①苯甲酸与苯甲酸钠
②羟苯烷基酯类(parabens,尼泊金类)
③山梨酸(sorbic
acid)
④苯扎溴铵(benzalkonium
bromid,新洁尔灭)
⑤醋酸氯己定(chlorhexide
acetate)
又称醋酸洗必泰(hibitane)
⑥邻苯基苯酚(o-phenylphenol)
⑦桉叶油(eucalyptus
oil)
⑧桂皮油
⑨薄荷油
矫味剂、甜味剂
天然甜味剂：蔗糖、单糖浆、矫味糖浆、甜菊苷
合成甜味剂：糖精钠、阿斯帕坦
芳香剂：
天然香料：薄荷水、桂皮油
人造香料：苹果香料、香蕉香蕉
胶浆剂
：
天然：阿拉伯胶、琼胶、明胶
半合成：羧甲基纤维素钠、甲基纤维素
泡腾剂：
枸橼酸、酒石酸、
碳酸氢钠、碳酸钠
湿润剂
、
乳化剂、
缓冲剂：
调节pH使溶剂稳定
助悬剂
：
增加物理稳定性
螯合剂
：
增加化学稳定性
抗氧剂：
增加化学稳定性
着色剂：
天然、合成
4．注射剂的溶剂及附加剂
注射用水
注射用油：
植物油：麻油，油酸乙酯，苯甲酸苄酯
其它：
乙醇（
缓冲剂：
醋酸、醋酸钠；枸橼酸、枸橼酸钠；乳酸；酒石酸、酒石酸钠。调PH，满足某些药物溶解度要求
等渗调节剂：
氯化钠（0.5-0.9%），葡萄糖（4-5%），甘油（2.25%）
抗氧剂：
亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠、硫代硫酸钠、硫脲
抑菌剂：
只在必要时加入。采用低温灭菌、滤过除菌或无菌操作法制备的注射液，多剂量装注射液，应加入适宜的抑菌剂。剂量超过5ml时要慎重选用。供静脉或椎管用注射液，一般均不得加入抑菌剂。有一氯叔丁醇、苯甲醇、羟苯丁酯、羟苯丙酯、酚。
螯合剂：EDTA-2Na
稳定剂：
肌酐、甘氨酸、烟酰胺、辛酸钠
保护剂：
乳糖、蔗糖、麦芽糖、人血白蛋白
填充剂：
乳糖、甘氨酸、甘露醇
增溶剂、润湿剂
或乳化剂：
用的较多的是聚山梨酯80（吐温80）。但用于静脉注射的只有卵磷酯、普郎尼克F68。卵磷酯作为乳化剂用于静脉注射用脂肪乳剂中。
助悬剂：
在混悬型注射液中是不可缺少的，常用0.5%羧甲基纤维素钠。还有：甲基纤维素、明胶。
一般混悬剂
助悬剂：甘油、糖浆；树胶类、纤维素类
润湿剂：吐温类、聚氧乙烯蓖麻油、泊洛沙姆等
絮凝剂与反絮凝剂：电解质
局麻剂：
利多卡因，普鲁卡因，苯甲醇，三氯叔丁醇
5．经皮给药系统高分子材料
膜聚合物与骨架聚合物
1、乙烯－醋酸乙烯共聚物(ethylene
vilnylacetate
copolymer，EVA)
：可用于热熔法或溶剂法制备膜材。无毒、柔性好、有良好的相容性，性质稳定，但耐油性差。
2、聚氯乙烯(polyvinyl
chloride，PVC)
：热塑性塑料，在一般有机溶剂中不溶，化学性质稳定，机械性能强。
用于制取薄膜的聚氯乙烯常加入30~70%的增塑剂，称为软聚氯乙烯。
3、聚丙烯(polypropylene，PP)
PP：薄膜具有优良的透明性、强度和耐热性，吸水性很低，可耐受100℃以上煮沸灭菌。
4、聚乙烯(polyethylene，PE)
：具有优良的耐低温性能和耐化学腐蚀性能，安全无毒，有很好的防水性但气密性较差，较厚的薄膜可耐受90℃以下热水。
5、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene
terephthalate，PET)：具有优良的机械性能，耐酸碱和多种有机溶剂，吸水性低，具有较高的熔点和玻璃化温度，化学性能稳定。
压敏胶(pressure
sensitive
adhesive，PSA)是指在轻微的压力下即可实现粘贴同时又容易剥离的一类胶粘材料。
药用TDDS压敏胶应对皮肤无刺激、不致敏、与药物相容和具有防水性能等要求。
1、聚异丁烯(PIB)类压敏胶：系无定型线性聚合物，能在烃类溶剂中溶解，可用作溶剂型压敏胶，有很好的耐候性、耐臭氧性、耐化学药品性及耐水性，外观色浅透明。
2、乳剂型：系各种丙烯酸酯单体以水为分散介质进行乳液聚合后加入增稠剂和中和剂等得到的产品，无有机溶剂污染，对极性高能表面基材亲和性好，但耐水耐湿性差。
3、硅橡胶压敏胶：玻璃化温度低，具有良好的柔性、透气性和透湿性，耐水、耐高温和低温，化学稳定，一般使用其烯类溶液。
具有优良的机械性能，耐酸碱和多种有机溶剂，吸水性低，具有较高的熔点和，化学性能稳定。
背衬材料：常用多层复合铝箔，即由铝箔、聚乙烯或聚丙烯等膜材复合而成的双层或三层复合膜。还有PET、高密度PE、聚苯乙烯等。
防粘材料
常用聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯等高分子膜材。
药库材料
药库材料很多，较常用的有卡波沫、HPMC、PVA等。
6．气雾剂：
抛射剂与附加剂：氢氯烷烃
又称氟里昂。沸点低，性质稳定，毒性小。能产生儿茶酚胺样作用；能破坏大气臭氧层。
碳氢化合物：优点同上，但易燃易爆，不宜单独使用。常用：丙烷、正丁烷、异丁烷。
压缩气体：常用二氧化碳、氮气。
潜溶剂：乙醇、丙二醇、聚乙二醇。
润滑剂：固体药物常需微粉化，润滑剂使药物分散混悬与抛射剂中。常用：滑石粉、胶体二氧化硅。
稳定剂：油酸、月桂醇
7．新剂型
微囊常用囊材
天然高分子材料：
明胶、阿拉伯胶、海藻酸盐、
壳聚糖、蛋白类
半合成高分子囊材：CMC-Na、CAP（醋酸纤维素酞酸酯）、EC、MC、HPMC
合成高分子囊材：
非生物降解囊材：聚酰胺，硅橡胶等。可生物降解囊材：聚碳酯、聚氨基酸、PLA
包合材料：环糊精（CD），β-CD分子的空穴与一般药物分子大小相匹配
环糊精衍生物
水溶性：HP-β-CD
溶解度增大，可注射用；疏水性：乙基化β-CD衍生物可制缓释制剂。
固体分散物载体材料
水溶性载体：
高分子聚合物：PEG4000～6000?PVP；表面活性剂：泊洛沙姆；有机酸类：枸橼酸；糖（醇）类：右旋糖酐、半乳糖和蔗糖等
难溶性载载体：
纤维素类：EC、含有季铵基的聚丙烯酸树脂（E、RL、S等）
肠溶性载体：纤维素类：CAP、HPMCP等、聚丙烯酸树脂（S、L型）
缓（控）释制剂的辅料
定速型
1．骨架型阻滞材料
①溶蚀性骨架材料，常用的有动物脂肪、蜂蜡、巴西棕榈蜡、氢化植物油、硬脂醇、单硬脂酸甘油等，可延滞水溶性药物的溶解、释放过程。
②亲水性凝胶骨架材料，有甲基纤维素(MC)、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、羟丙甲基纤维素(HPMC)、聚维酮(PVP)、卡波普(carbopol)、海藻酸盐、脱乙酰壳多糖(壳聚糖，chitosan)等。
③不溶性骨架材料，有乙基纤维素(EC)、聚甲基丙烯酸酯(Eu
RS，Eu
RL)、无毒聚氯乙烯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、硅橡胶等。
2．包衣膜阻滞材料
①不溶性高分子材料，如EC等。
3．微孔膜包衣片
通常用胃肠道中不溶解的聚合物，如醋酸纤维素、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯酸树脂等作为包衣材料，包衣液中加入少量水溶性物质，如PEG类、PVP、PVA、十二烷基硫酸钠、糖和盐作致孔剂，也可加入不溶性粉末，如
滑石粉、二氧化硅等。
增稠剂是一类水溶性高分子材料，根据药物被动扩散吸收规律，增加粘度可以减慢扩散速度，延缓其吸收，主要用于液体药剂。
常用的有明胶、PVP、CMC、PVA、右旋糖酐等。
4．渗透泵片：药物、半透膜材料、渗透压活性物质和推动剂
半透膜材料：醋酸纤维素(CA)、EC等。
渗透压活性物质
：乳糖、果糖、葡萄糖、甘露醇的不同混合物。
推动剂：聚羟甲基丙烯酸烷基酯(分子量3万~500万)
、PVP
(分子量1万~36万)、PEO（聚氧化乙烯）
5．
生物粘附片
生物粘附高分子聚合物：卡波普(carbopol)、羟丙基纤维素(HPC)、CMC-Na等。
胃内滞留片，又称胃漂浮片，实际是一种不崩解的亲水性凝胶骨架片，一般在胃内滞留达5-6h。
可采用的亲水凝胶骨架成分主要包括：甲基纤维素（MC）、羟丙甲基纤维素（HPMC）、羟丙基纤维素（HPC）、羟乙基纤维素（HEC）、羧甲基纤维素（CMC）、羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、聚维酮（PVP）、聚乙烯醇（PVA）。
可采用的助漂成分主要包括单硬脂酸甘油酯、十六醇、十八醇、
蜂蜡、硬脂酸等。
可采用的产气成分主要包括MgCO3，NaHCO3等。
可采用的膨胀成分主要包括交联PVP、交联CMC、羧甲基淀粉钠等。
可采用的增粘成分则一般使用卡波普、海藻酸盐及黄原胶等。
6．膜控释小片：将药物与辅料按常规方法制粒，压成小片(minitablet)，其直径约
2~3mm，用缓释膜包衣后装入硬胶囊使用。
7．肠溶膜控释片
膜材料：羟丙基纤维素酞酸酯(HPMCP)、EC等。
结肠定位：α-淀粉、果胶酸钙
8．膜控释小丸
化石燃料储备的枯竭、全球气候变暖、人口的持续增长、高成本的废物回收及存在的其他问题，都促使了可再生能源或消费品的出现。作为石油能源的替代品，生物质的生产也将会得到发展。这就提供了一个生物炼制的概念，即剩余生物质中的成分可以提取出来并利用它们的功能来生产非食品和食品物质、工农业生产中间体和合成的中间体。其涉及到3个重要的工业领域：分子领域、材料领域、能源领域。以生物残渣为原料不仅能合理利用资源，而且可以减少对环境的危害。基于工厂化生产的生物炼制，可以发展的更普遍。废料和副产品的减少不仅与工厂化生产有关，而且还和属于不同公司的工厂、不同生产过程之间的互补有关。初级产生的废料和副产品，可以作为二级生产的原料或是三级生产的能量来源。原材料、副产品流动的最佳化与不同生产之间能源的最佳化联合在一起，使通过工业代谢实现的生物炼制更普遍化[1]。生物产物对石油产品的取代将会发展成新的生物经济，也会产生新的可持续发展生物工业化过程。工业化的生物炼制，将和基于12个绿色化学产生的新过程有关（如清洁过程、原子经济、可再生原料等）。生物技术，尤其是白色生物技术将会在生物转化（酶和微生物）与发酵工程中占有很大比例。世界上每年都会产出大量的木质纤维素废料，包括农业残渣、食品农业废弃物、绿色食品废弃物、修剪树木残留物、城市有机和造纸部分的剩余固体废料。目前，常用的处置方法对环境和经济不利，包括填埋、焚化，甚至饲养动物。作为替代方案，应开发使废物增值的高附加值产品，也就是废物升级，这具有很大的经济效益和生态优势[2]。可通过升级固体废物来制得范围广泛的高附加值产品，如酶、生物燃料、有机酸、生物聚合物、生物电、食品和药物等。
1废物中的生物燃料
1.1生物乙醇
世界上乙醇生产量较大的国家是美国、巴西和中国。2009年，美国用玉米生产了39.5×109L乙醇，作为第二大乙醇生产国的巴西用甘蔗生产了30×109L乙醇[3]。2015年，生物乙醇市场达到100×109L。事实上，美国能源部已经设定了一个到2030年年产2.7×109L可再生燃料的目标，而欧盟也制定了一个强制性的目标，到2020年，可再生燃料的比例占到10%。然而，利用食物生产乙醇会造成食品供应的竞争，所以唯一可持续化的方法就是利用木质纤维素的剩余物来生产乙醇。其优势在于地球上含量丰富、分布广泛，而且不和食品供应竞争。木质纤维素转换成乙醇主要涉及：①对木质素的预处理和使细胞壁多糖显露出来；②利用酶分解纤维素酶的混合物；③用乙醇工业酵母发酵糖。现在已经有很多预处理方法得到了发展，如物理处理、化学处理（碱性或酸性）、生物处理和物理化学处理。其中，物理化学处理包括蒸汽爆炸、氨纤维膨胀、超临界流体处理和热化学处理[4]。预处理后，用酸或酶使纤维素和半纤维素水解成单糖（己糖和戊糖）。相比较而言，通过纤维素酶水解纤维素是一个首选的方法，因为它与酸水解比较，具有产量高、低腐蚀性、毒性小的优点[5]。然而，对于提高纤维素水解成乙醇的这一过程仍然面临很大的挑战，尤其是酶成本投入仍然是这一技术的关键，降低酶成本的努力还在进行中，这包括通过提高酶的专一性来提高酶的活性，或通过直接进化或定向位点诱变来使酶的剂量最小化，或者通过提高发酵过程中纤维素浓度，使用便宜的取代物生产酶来降低酶生产的成本等。酶水解可能分步发生，这叫做分步水解发酵（SHF），或是己糖的糖化和发酵同时发生（SSF），或是己糖和戊糖的糖化与共发酵同时发生（SSCF）。它们最终的目标是一步到位地将木质纤维素加工成生物乙醇[6]，所有步骤都发生在一个单一的反应器里，在这个反应器中微生物可将预处理的生物量转化为乙醇。考虑到当地的气候条件，必须执行严格的木质纤维素废弃物鉴定要求，要考虑到可行性的处理方法。例如，在法国、意大利、西班牙、土耳其和埃及等国，粮食作物、橄榄树、西红柿和葡萄加工的剩余物提供了丰富的木质纤维素来源，在这些国家，他们可以用这些来源作为生产乙醇的原料，这就使他们拥有了生产1.3×108t油当量的乙醇潜力。由于在其他的地中海国家缺少足够的农作物剩余物供应，所以他们正打算用城市固态废弃物作原料生产乙醇。地中海盆地每年生产18×108t废弃物的一半最大程度上可以生产3000×108t油当量的乙醇，而其中的管理将成为最关注的问题[7]。很多水果生产中的废弃物，像香蕉皮、芒果皮、菠萝皮已经成功地作为取代物生产乙醇。非洲广泛生产的木瓜废弃物也已经成为最常见的替代品用于酵母发酵生产乙醇[8]，而且通过黑曲霉和酿酒酵母同时糖化发酵24h后，能达到生产乙醇的最大产率5%。最近，葡萄废弃物也被酿酒酵母发酵成乙醇[9]。小麦秸秆、水稻秸秆、燕麦和大麦秸秆用于生产生物乙醇的事例也被大量报道，玉米秸秆和大豆剩余物也被用于发酵生产乙醇[10]。Mutreja等人[11]对8种不同木质纤维素废弃物的预处理进行了研究，并且在30℃下酸处理得到乙醇的最大产率为1.42g/L。Singh和Jain[12]报道了蔗糖作为替代物分批生产乙醇的事例。使用城市固体废弃物生产乙醇这一做法是一个较有前途的战略，可以满足世界能源的需求和减少温室气体排放。尤其是用可降解的城市固体垃圾对废物进行管理，减少二氧化碳排放量，对改善水的质量、增加土地利用率和生物多样性带来很多好处[13]。之前的一项研究表明，约52%的发酵用葡萄糖来源于可降解城市固体垃圾。最近，可降解废弃物，像厨房垃圾、花园垃圾和废纸都很适合于替代乙醇的生产，在优化条件下可产生约90%的葡萄糖。所以，可降解的城市固体废弃物作为生物乙醇生产的原料拥有很大的优点，既可以减少垃圾填埋与焚烧，还可以减少温室气体的排放。作为通过一步发酵直接得到乙醇的例子，利用梭状芽孢杆菌植物发酵柳枝得到乙醇已经成为现实。梭状芽胞杆菌被选来用于一步发酵，是因为可以在不同的底物上生长，而且产出的乙醇中有很少的醋酸盐副产物[14]。研究显示，固体发酵中，乙醇的最大体积分数在第12天测出来，醋酸盐和乙醇的体积分数在开始的前6d接近，从第6天到第14天乙醇体积分数显著增加并且超过了醋酸盐的最大体积分数。不同的是，在淹没状态下发酵，醋酸盐和乙醇的体积分数增加到第6天后就不再增加了。Kamei等人[15]报道了只用单一微生物而不用额外的化学物质或酶将木本植物发酵成乙醇的事例。他们利用白腐病真菌将好氧条件下的脱木质化和厌氧条件下的糖化发酵联合在一起，这种真菌能够在有氧固态发酵条件下选择性地降解木质素，从而直接从好氧培养液中生产乙醇。经过56d的有氧发酵后，40.7%的木质素和葡萄糖被降解，并且在有氧无额外添加纤维素的条件下，20d后会生成乙醇最大理论值43.9%。
1.2生物丁醇
丁醇是ABE（丙酮、丁醇、乙醇）发酵的一种产品[16]，它是一种非常好的化学原料（在塑料工业中）。更重要的是，相比乙醇而言，它是一种更好的燃料，它腐蚀性弱、吸湿性弱、污水溶解性好。由于蒸汽压低，因此蒸汽爆炸可能性小，同样的丁醇和乙醇，丁醇的能量比乙醇高30%，与目前未经改装的车使用的汽油相比，它拥有更大的混合比例[17]。丁醇可以通过一系列微生物发酵制得，其中最常用的是丙酮丁醇梭菌和拜式梭菌来进行发酵制得。
1.3生物氢
氢气正在变成良好的新型能源，因为它清洁、可循环，而且可以用于燃料电池来直接提供电能[18]。发酵得到的氢气来源于有机底物的发酵转化，而这是由不同细菌使用多元酶体系体现出来的，这个体系涉及到3个相似的无氧转化。暗发酵反应不需要光源，所以它可以24h持续发酵[18]。光发酵不同于暗发酵，因为它只在有光的条件下才反应，可以通过绿藻进行直接的光发酵或是蓝藻进行间接的光发酵得到。光发酵需要厌氧喜光细菌，而暗发酵需要厌氧发酵细菌。最近的研究工作中发现，光发酵细菌能利用几种不同的废弃物材料作为碳源来进行生产氢气产物的发酵。利用发酵技术将木质纤维素转化成氢气产物，包括纤维素水解和氢气产生两步，而这两步发生在一个反应器中，或者说是两步过程，纤维素水解是第1步，紧接着是无光条件下产生氢气，这是第2步。
1.4生物高聚物
潜在的可以生物降解的聚合物，尤其是可以从农业资源中得到的聚合物逐渐被认识到。可降解塑料从可再生资源中制得，它不仅可以降低石油消耗速率，还可以减少塑料垃圾的处理问题，因为它可以在土壤、堆肥甚至海洋环境中得到降解。这个所谓的农业聚合物，可以取代传统的塑料材料用于食品包装业。聚羟基丁酸酯和聚羟基脂肪酸酯是通过生物技术得到的主要可降解聚合物；聚乳酸也是一个可降解聚合物，它是由木质纤维素得到的乳酸单体聚合而成。
1.5生物电
在生物废弃物处理方面微生物燃料电池（MFCs）是一个新想法，通过微生物新陈代谢的途径将废弃物转变成生物电[19]。MFC（微生物燃料电池）是一种混合型的生物电化学装置，可直接通过微生物介导的生物电化学反应，用化学键的聚集实现能量转换，从得失电子的氧化还原反应中得到所需能量，用于同化作用，这个生物媒介在细菌的新陈代谢活动中得到发展[20]。微生物燃料电池有很多技术之外的优点。首先，可以直接并高效地将底物能量转化成电能，大约转化为氢能源的8倍[21]；其次，室温下就可以进行高效操作；第三，不需要气体处理，因为排出的气体中富含二氧化碳；第四，用气体提供阴极时不需要能量输入，因为这是被动充气，具体的转化效率和经济效益取决于废弃物材料的化学组成和特征。
1.6微生物固体发酵得到的附加值产品
固体发酵（SSF）在缺水或接近缺水的条件下实现，具有能源消耗低、定容生产能力大、附加值产品浓度高、废物产生少、异化作用抑制低等特点[22]。很多不同的废弃物都被报道，成功地作为固体发酵底物而得到了高经济价值的一系列产品。固体废料的简单预处理包括研磨和按不同粒径分类，这样就实现了材料同质化并且确保对下步反应有较小的影响，通过这些预处理就可以使细菌活下来。这种固体发酵方法在深层发酵工艺中引人注目。
2结论
像酶、生物燃料、有机酸、生物高聚物、生物电这样一系列的高附加值产品可以通过固体废弃物得到。本文报道了关于通过生物转化来降解废弃物生产可再生能源的例子，所采用的废弃物必须根据当地的条件来选择合适的原料，废弃物的多样性也使生物能源的开发、生产高附加值产品成为了可能。
乙醇是生物质液体能源物质的主要形式，也是化石燃料最可能的替代品。目前乙醇的工业制造已经十分成熟。例如以淀粉类和糖类作为发酵原材料，采用微生物法发酵生产乙醇是一项成熟的技术。另外，用木纤维素材料包括秸秆等农业废弃物，城市固体废弃物、办公废纸、杂草、锯末等以及市政废水中的固体部分等进行乙醇生产的研究也已经有很多相关的文献和材料。本文简单介绍了乙醇的发酵工艺，着重对于乙醇的纯化过程经行了化学工程分析。
1. 乙醇发酵工艺简介
发酵方式有直接发酵法、间接发酵法、混合菌种发酵、同步糖化发酵法（ssf法）、非等温同步糖化发酵法和固定化细胞发酵法（nssf法）。这里只介绍典型的ssf法和nssf法。
ssf法：当纤维素生物质作为原料的时候，纤维素酶对于纤维素生物质的水解被水解产物——葡萄糖和纤维二糖所抑制，从而发展了同步糖化发酵法。同步糖化发酵法是将酶水解和乙醇发酵结合起来，在同一发酵罐中进行，而且因发酵罐内的纤维素水解速度远低于葡萄糖消耗速度，从而使葡萄糖的浓度保持很低。乙醇对于纤维素酶的抑制作用不如纤维二糖和葡萄糖的抑制作用大，所以水解的同时将糖转化成乙醇会为动力学方面创造有利条件，并且会提高纤维素酶的效率。
nssf法：zhangwen wu 等于1998 年提出了利用非等温同步发酵法（nssf法）生产乙醇的工艺流程。这个工艺流程包含一个水解塔和一个发酵罐，不含酵母细胞的流体在两者之间循环。该设计使水解和发酵可在各自最佳的温度下进行，可消除水解产物对酶的抑制作用，但显然也增加了流程的复杂化。本文由收集整理
2. 乙醇纯化的化学工程分析
传统的从发酵液中分离乙醇-水混合液一般分两步：先用普通精馏方法得到质量分数为92.4%的乙醇，再用共沸精馏、萃取精馏、液液萃取、吸附或其它方法得到无水乙醇。但是，但由于溶液较高的蒸发热，精馏在操作过程中需要很高的能耗；并且随着原料中乙醇浓度的提高，精馏塔中回流比必须相应地提高，进一步提高了成本。
新型的乙醇纯化方法包括萃取法、超临界流体法和渗透蒸发膜分离法。萃取法使用多种溶剂从低含量乙醇的水溶液中萃取乙醇，但其所使用溶剂大多具有毒性容易造成环境污染。超临界二氧化碳和乙烷作溶剂分离乙醇-水溶液，由于乙醇在气相相对较低的溶解性，超临界流体法被认为是一种较好的方法。而naa-沸石膜蒸发分离乙醇-水，120 ℃下可生产530 l/h 浓度高于99.8%的乙醇。这部分的工艺几乎等同于化学工程的分离工艺技术，而这些化工分离工程技术趋于成熟，因而可完全加以应用。
采用吸附脱水分离乙醇-水共沸物也是研究热点，无机吸附剂如分子筛、氯化锂、硅胶已成功应用于发酵乙醇工业。然而对吸附床的流场特性及放大规律认识还不是很清楚，这方面仍需要进一步研究。生物吸附剂，如谷粒、淀粉和纤维素以其良好的吸附性能、高的乙醇收率，引起人们的关注。科学家研究了使用生物吸附剂进行乙醇脱水研究，结果表明淀粉和纤维素可选择性的吸附水蒸气，可得到高于质量分数为99.5%的乙醇。另外实验研究了使用玉米粉作为固定床吸附剂打破乙醇-水的共沸点，然后再经流化床重生。研究结果表明，影响吸附量的因素包括蒸汽流过固定床表面的速度、床层温度、玉米粉的粒径分布，玉米粉对水的吸附能力为0.14～0.025 g水/g吸附剂。
另一方面，传统的分离经历了几十年的研究和发展，技术上已经比较成熟，但并不意味着它们不再发展，无论在理论上、设备的结构和效率上，仍在不断有所创新，目前呈现出分离与反应过程耦（增加化学作用对分离过程的影响）、分离过程的集成以及多场耦合等趋势。一种新的乙醇除水技术路线，采用了反应+精馏同时进行的方式除去乙醇-水共沸物中的水。
3. 存在问题及相关措施
科学家在泡罩塔中研究了加入乙酸钾萃取精馏乙醇-水共沸物的过程，结果表明加入少量的乙酸钾即可消除共沸点。cacl2 的加盐萃取精馏过程与使用苯、戊烷、二乙酯的共沸精馏过程和使用乙二醇和汽油的萃取精馏过程，结果表明以cacl2为盐的加盐萃取精馏过程优于其它技术。从降低能耗角度而言，加盐萃取精馏更适用于从发酵液中制得无水乙醇；与只用乙二醇的萃取精馏相比，溶剂比减少了75%～80%，塔板数大幅度减少，能耗显著下降，然而加盐萃取精馏中盐的加入，不可避免导致对设备的腐蚀，盐有时会从溶剂中析出，使管道堵塞，这都是目前亟待解决的问题。
乙醇纯化过程中，各种单元操作的模拟，其分离过程的耦合可以采用商品化的流程模拟软件（如aspen plus，pro ⅱ等）。然而这些商品化模拟软件在进行过程设计时，一般采用“二步法”。而采用该种方法设计操作困难，耗时耗力，各种单元操作方式通常依靠经验决定，不属于真正意义上的过程合成或集成。在乙醇的纯化中，工程模拟的重点在于根据指定条件对各种单元操作和分离流程耦合筛选。这就要涉及到人工智能方面的理论，无疑当采用专家系统后，计算机本身就是一个经验丰富的工程师，它能够根据人设定的要求（目标函数），自动选择合适的流程组合，而不在需要工程师去依靠经验来选择流程、确定工艺了。这方面的研究对于进一步优化乙醇分离无疑是十分有利的，具有重要意义。
4. 总结
他山之石难以模仿
巴西和美国是世界上最早发展燃料乙醇的国家。
1975年，巴西首次提出实施“汽油醇计划”，以甘蔗作原料生产乙醇，平均16吨甘蔗转换1吨燃料乙醇，生产成本约2200元/吨，折合当量汽油3600元/吨。1977年，以20%比例与汽油掺烧的乙醇汽油开始在圣保罗使用。1980年，巴西将乙醇汽油中的乙醇含量提高到22%，并在全国推广。目前，巴西全国年产甘蔗乙醇1000万吨，其中97%用作汽车燃料。巴西也成为世界上唯一不供应纯汽油的国家。
实施“汽油醇计划”给巴西带来了三大收益，即形成了独立的经济能源运行系统，刺激了农业、乙醇工业及相关行业发展，环境质量显著提高。
美国则用玉米来生产燃料乙醇。作为粮食大国的美国因其土地平整和大规模机械化生产，生产效率高，出现粮食过剩，出口粮食占全世界粮食出口总量的35%，玉米出口量则占到全世界玉米出口总量的60%。美国以玉米为原料大力发展燃料乙醇实际上一举多得：一是消耗多余的玉米；二是解决农业工人就业；三是获得乙醇酒精行业税收；四是替代石油，节约能源，减少环境污染。虽然美国政府用于燃料乙醇的年均补贴为44亿美元，收益却可以达到55亿美元。此外，世贸组织国家还曾指责美国用大量玉米转换乙醇，减少了粮食出口，从而抬高了国际市场粮价。据世界银行统计，近年来粮价升高65%的原因可归咎于盲目发展生物燃料。
相对于巴西和美国而言，我国既没有大量廉价的甘蔗，部分依靠进口的玉米更不能用来大力发展燃料乙醇，同时粮食安全问题越来越引人关注，因而在此情况下，目前我国的乙醇汽油处境相当尴尬。
燃料乙醇遭遇原料难题
“尽管我国燃料乙醇行业取得了长足进步，但和国外同行相比，我国的燃料乙醇还是个刚刚兴起的幼稚产业，在发展中面临相当多的问题。”醇醚燃料及醇醚清洁汽车专业委员会副秘书长万振涛这样认为。其中首先要解决的问题还是原料问题。
作为新兴能源之一的燃料乙醇是以玉米、小麦、薯类、甘蔗、甜菜等为原料，经发酵、蒸馏、脱水等工序制成的含量在99.5%（体积分数）以上的无水乙醇。而根据2004年的《车用乙醇汽油》国家标准（GB18351-2004），车用乙醇汽油是用90%（体积分数）的普通汽油与10%（体积分数）的燃料乙醇调和而成的一种新型车用燃料。
万振涛认为，最初我国以粮食为原料发展燃料乙醇是战术行为而非战略行为。
据介绍，2000年，我国连续5年粮食大丰收使得农民卖粮难的问题开始出现。当时，国家没有建立粮食轮换机制，库存压力极大，出现大量陈化粮，有些粮食甚至已积压7年，仅黑龙江一省的粮食管理费用就达几十个亿。2000年，国务院总理朱基做了7次关于发展燃料乙醇的批示。2001年，由国家发改委牵头赴巴西与美国考察，当年决定在吉林、黑龙江、安徽、河南等省建燃料乙醇试点企业，中国成为继巴西、美国之后的第三大燃料乙醇生产国。万振涛指出，这项措施起到了功利兼得的作用，不仅解决了陈化粮积压、卖粮难的问题，避免了大量浪费，还获得了新型清洁能源，一定程度上缓解了能源压力。
然而，近年来，随着粮食价格的上涨和粮食安全问题再次得到关注，燃料乙醇“与人争粮，与粮争地”的问题日渐突出。2006年12月，国家发改委下发了《关于加强生物燃料乙醇项目建设管理、促进产业健康发展的通知》和《关于暂停玉米加工项目的紧急通知》。2007年6月7日，国务院召开可再生能源会议，玉米变乙醇项目被正式叫停，今后只能“在不得占用耕地、不得消耗粮食，不得破坏生态环境”的原则下发展非粮燃料乙醇。
然而，非粮乙醇却并未在粮食供应乙醇受限后发展起来。受技术条件限制，目前我国的非粮乙醇技术中，主要以木薯乙醇为主。然而，今年以来，由于木薯原料供应不足，价格攀升过快，木薯乙醇相对于玉米乙醇而言失去成本优势。加之在整体通胀的大环境下，国家实施货币紧缩政策，今年不少木薯酒精企业资金周转困难，降负生产甚至停产现象频现，木薯酒精企业举步维艰。我国的木薯干供应主要靠从泰国、越南、印尼等地进口，其中80%以上来自泰国。近两年来，泰国政府不断加大出口木薯的政策控制，进口木薯价格一路上扬，目前价格约为每吨250美元，使生产企业无力承受。中泰国际贸易有限公司总经理认为，长期来看，受天气干旱等自然因素影响，木薯价格仍有上涨空间，并将推高酒精价格。
是否值得发展引争议
除了原料问题，燃料乙醇是否能够节约能源，发展这一产业在能源和环境方面的付出是否值得，也饱受专家争议。
从粮食到非粮，原料消耗越来越高。生产1吨燃料乙醇需要消耗3.3吨玉米、7吨的木薯、10吨红薯，如果以甜高粱杆作原料，则需消耗15吨。一个年产10万吨以上、以甜高粱为原料的燃料乙醇厂，收获季节就需要一条专门的公路用来运输。种植、浇灌、收割、运输等各种车械所耗掉的油、用掉的电，已经远远大于产出的新能源。
另外，从我国的能源结构看，我国煤炭消耗占70%，石油占18%，天然气占4%，水电、核电、风电合占8%。2010年，我国消耗成品油2亿吨，其中汽油6000万吨，约占1/3，也就是说汽油占我国能耗的6%左右。整体来看，乙醇汽油对于我国的总体碳减排起的作用有限。
发展非粮乙醇任重道远
在目前以玉米和木薯为原料生产燃料乙醇处境尴尬的情况下，纤维素等新的燃料乙醇生产路线的研发力度开始加大，非粮路线也是我国发展燃料乙醇的原则之一，然而，甘薯、甘蔗、甜高梁等非粮原料加工路线尚处于起步和探索阶段，生产成本高，工艺相对复杂，国内仅有几个试点示范工程，距产业化生产还存在技术和经济的双重障碍。
在非粮乙醇中，纤维素乙醇是最被业内看好的一种。纤维素广泛分布于农作物秸秆、皮壳中，来源广泛，价格低廉，我国具有生产纤维素乙醇的原料优势。
目前，国内不少科研院所都对该路线燃料乙醇展开了研究。清华大学开发了微生物菌群同步产纤维素酶水解纤维素、工程细菌共发酵戊糖与己糖生产纤维素乙醇技术，山东大学微生物技术国家重点实验室也开展了“纤维素原料转化乙醇关键技术”研究等。在工业化生产方面，我国不少以粮食作物为原料的乙醇企业纷纷启动纤维素制乙醇的示范项目。2006年，河南天冠集团3000吨/年纤维素乙醇项目启动，大约6吨秸秆生产1吨乙醇。安徽丰源集团也开展了600吨/年的纤维素制乙醇中试项目，提出了秸秆原料生产乙醇先分离后发酵的工艺路线，乙醇成本约为4300元/吨。另外，今年4月有媒体传出消息，丹麦诺维信公司与中粮、中石化已完成500吨/年纤维素乙醇中试，并已具备量产能力。据透露，该示范项目初期生产规模为1万吨/年，厂址可能选在我国玉米产区黑龙江肇东市。
钢厂尾气制乙醇则是另一个新兴的技术路线。今年3月，宝钢集团旗下的宝钢金属公司与新西兰朗泽技术公司举行“宝钢朗泽中科院尾气制乙醇示范工程”开工启动仪式，双方共同组建上海宝钢朗泽新能源有限公司，实施300吨/年乙醇示范工厂项目，示范项目预期六个月建成。如示范工厂项目成功，再适时启动10万吨/年的商业化乙醇工厂项目。该技术将钢厂排出的一氧化碳尾气收集后，通过生物技术转换成乙醇。根据测算，年产10万吨的商业化项目可以比粮食发酵制乙醇节省30%～40%的成本，并有利于钢厂的清洁生产。
“我国汽车燃料的需求在不断增长，内部可利用的石油资源却越来越少，单纯依赖国外进口，能源安全难以保证。我们用什么替代石油，保证可持续发展，这是能源界的重大课题。”万振涛说。而燃料乙醇正是优良的替代能源。尽管非粮乙醇的工艺和成本仍离商业化生产有一定距离，但必须尽快发展，才能解决燃料乙醇的原料问题，从而大范围推广燃料乙醇，解决近年来国内在燃料乙醇发展方面面临的窘境，推动国家新能源战略的有效实施，使国家能源安全与粮食安全得到有力保障。
关键词：静电纺丝；乙基纤维素；酮洛芬；纳米纤维膜；药物缓释
中图分类号：TS102.6；TQ340.64 文献标志码：A
Preparation of Ethyl Cellulose-based Drug-loaded Nanofibers Using Electrospinning
Abstract： The ethyl cellulose nanofibers loaded with ketoprofen were prepared by using the technology of electrospinning. Fouruer transformation infrared spectroscopy（FTIR）， scanning electron microscopy（SEM）and X-ray diffraction（XRD）were used for characterizing the ethyl cellulose nanofibers before and after being loaded with ketoprofen. The results of SEM indicated that the prepared nanofibers using hexafluoroisopropanol as solvent has smooth surface and uniform morphology. The diameters of the nanofibers are between 500～600 nm. The results of FTIR indicated that ketoprofen was successfully loaded on the nanofibers. X-ray diffraction showed that the ketoprofen in the nanofibers changed from crystalline structure to amorphous state. The research of drug releasing indicated that the releasing rate of ketoprofen reached 50% in about 7 days， and the nanofibers can be used as a model for sustained release of drug.
Key words： electrospinning； ethyl cellulose； ketoprofen； nanofiber membrane； sustained release of drug
现阶段，静电纺丝技术已被广泛应用于纳米传感器、过滤材料、组织工程、药物缓释等领域。静电纺纳米纤维膜具有超高的比表面积，可促进细胞的粘附和物质的运输，而且可以模拟细胞外基质，利于细胞的生长。
乙基纤维素（EC）是一种不溶于水的纤维素衍生物，被广泛应用于药物制剂中的片剂粘合材料、薄膜包衣材料、骨架缓释片、缓释微丸及缓释微胶囊等中。乙基纤维素溶于无水乙醇等溶剂后有较大的粘度，在纺丝过程中性质稳定，成纤性能好，在伤口敷料和组织工程方面具有许多潜在应用。本试验中利用乙基纤维素的高可纺性制备纳米纤维膜，作为药物载体材料，达到药物缓释的效果。
酮洛芬（KET）是具有苯丙酸结构的非甾体类抗炎药物，在临床上广泛用于治疗各种类风湿关节炎、强直性脊柱炎、牙痛、术后疼痛等。但长期服用酮洛芬对肠胃刺激较大，会引起溃疡、出血等不良反应。因此，将其与静电纺丝法结合，利用纳米纤维膜的缓释，可减少药物毒副作用。
1 试验部分
1.1 试剂与仪器
1.1.1 试剂
乙基纤维素，阿拉丁试剂生产；酮洛芬（MW=254.29，98%），北京百灵威科技有限公司生产；六氟异丙醇（MW=168.04，99.5%），阿拉丁试剂生产；无水乙醇（MW=46.08，≥99.7%），江苏省常熟市杨园化工有限公司生产。试验中所用的水均为蒸馏水。
1.1.2 仪器
扫描电子显微镜（SEM）；紫外可见分光光度计（UV）；傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）；X射线衍射仪（XRD）；磁力搅拌器；真空干燥箱；气浴恒温振荡器；静电纺丝机。
1.2 静电纺丝液的制备
取 1 g 乙基纤维素加入 5 mL六氟异丙醇（或者无水乙醇）中，在室温条件下用磁力搅拌器搅拌48 h以上，配成质量分数为20%的均匀溶液。然后在上述纺丝液中加入质量分数10%（相对于乙基纤维素来说）的酮洛芬，再在室温条件下用磁力搅拌器搅拌48 h以上，制成含有酮洛芬药物的均匀纺丝液。
1.3 静电纺丝法制备乙基纤维素载药纤维
将上述纺丝液小心装入 5 mL的注射器中，注射针头连接高压发生器的正极，铝箔接收装置连接负极，用于接收静电纺纳米纤维膜。针头到铝箔接收屏之间的距离为 15 cm，溶液在喷丝口处的流速为 0.3 mL/h，所施加的电压为13 kV，室温下操作。在高压电场作用下，纺丝液喷射最终形成纤维沉积在接收屏上，形成纤维膜，纺丝时间大约为 8 h。将纤维膜置于真空干燥箱中干燥过夜，以除去残留的溶剂。
1.4 载药纳米纤维表征
取载药前后的纳米纤维膜至于扫描电镜下观察其形貌，同时利用傅里叶红外光谱仪和X射线衍射仪进行红外光谱测试和结晶度分析。
1.5 载药纤维体外释药研究
将 4 份重量均为100 mg的乙基纤维素纤维分别浸入20 mL的pH值为 7 的PBS缓冲液中，置于恒温摇床中，参数设置为：温度37 ℃，速度100次/min，每隔一定时间取出 1 mL释放介质，同时补入相同体积的PBS缓冲液，采用紫外可见分光光度计测定释放介质在254 nm下的吸光度，并且利用药物标准曲线计算药物累计释放量。
2 结果与讨论
2.1 纳米纤维膜的扫描电镜及直径分析
图 1 为使用不同溶剂的情况下纳米纤维膜的扫描电镜照片。从图 1 中可以看出，用无水乙醇做溶剂纺出的纳米纤维膜，纤维直径粗细不匀较大，并且偶尔有串珠和粘连现象；而用六氟异丙醇作为溶剂的静电纺纳米纤维膜的纤维粗细均匀，没有粘连现象，说明采用六氟异丙醇作为溶剂的乙基纤维素膜具有更好的可纺性。同时，对比载酮洛芬前后的纳米纤维膜的形态可以看出，载药之后的纳米纤维的形态较好，纤维直径相对较小，粘连较少，说明药物酮洛芬的加入可以改善乙基纤维素的可纺性。
图 2 用Image J统计了溶剂为六氟异丙醇的两种纳米纤维的直径分布情况。可以发现，乙基纤维素纳米纤维平均直径为549.15 nm，呈现正态分布，其中直径在500 ～ 600 nm区间的占比较大，标准差为76.11 nm；乙基纤维素/酮洛芬纳米纤维的平均直径为530.62 nm，呈现正态分布，其中直径在500 ～ 550 nm区间的占比较大，标准差为73.31 nm，这与乙基纤维素纳米纤维的平均直径相比大约减少了20 nm，与前面所做的扫描电镜分析结果一致。说明了酮洛芬已成功负载在乙基纤维素纳米纤维上且粗细较均匀。
2.2 纳米纤维膜的红外光谱分析
图 3 为乙基纤维素纳米膜、乙基纤维素/酮洛芬纳米纤维膜以及酮洛芬纳米纤维的FTIR图谱。3 474.19 cm-1处为乙基纤维素的羟基峰，1 107.44 cm-1处的峰是由乙基纤维素分子内醚键的伸缩振动产生的。在乙基纤维素纳米膜、乙基纤维素/酮洛芬纳米纤维膜的红外图谱中都可以看到这两个特征峰的存在。在酮洛芬的红外光谱图中，1 695.63cm-1和1 655.13 cm-1处为酮洛芬上的碳氧双键的伸缩振动峰，在乙基纤维素/酮洛芬纳米纤维膜上出现相同的特征峰，表明酮洛芬成功负载于乙基纤维素纳米纤维膜上。
2.3 XRD分析
测得的X-衍射图谱如图 4 所示，从图 4 可见乙基纤维素纤维在2θ为44.3°处有一个高的衍射峰，在15.9°处有一个较低的衍射峰，而酮洛芬在载入纳米纤维前，在2θ为15°、18.3°、22.8°等处均有衍射峰值，而在载入纳米膜之后特征峰消失，说明酮洛芬在纳米纤维中呈无定形状态。
2.4 体外药物缓释性能
图 5 为乙基纤维素/酮洛芬纳米纤维膜中酮洛芬药物的体外累积释放率曲线图。由图 5 可知，酮洛芬的释放速率相对较慢，总的药物释放量较小，7 天左右达到一个最大释放量，为50%左右。这是因为乙基纤维素是一种疏水材料，在缓冲液中的溶解度很小，所以负载在纳米纤维膜中的药物很难被快速释放出来，但这也正好达到了药物缓慢释放的效果，延长了用药时间。因此，本文所述的乙基纤维素纳米纤维膜可以用作缓慢释药的载体模型，用于不同疾病的治疗。
3 结论
本文以乙基纤维素为原料，酮洛芬为药物模型，利用静电纺丝计算制备了乙基纤维素/酮洛芬纳米纤维膜，利用SEM和FTIR验证了纳米纤维膜中药物酮洛芬的存在，说明乙基纤维素载药纤维制备成功。XRD表征了结晶度变化情况，同时，还对其药物体外缓释性能进行了考察。试验结果表明：采用静电纺丝制备的乙基纤维素/酮洛芬纳米纤维膜，表面光滑无粘连，直径在500 ～ 600 nm之间，药物在其中由结晶状态变成了无定形状态。释药研究结果表明在 7 天左右的释药率达到50%左右，可以用作药物缓释材料模型。
参考文献
[1] Yoon J， Y S Jung， J M Kim. A combinatorial approach for colorimetric differentiation of organic solvents based on conjugated polymer-embedded electrospun fibers[J]. Advanced Functional Materials， 2009， 19（2）：209-214.
[2] Gopal R， Kaur S， Ma Z ， et al. Electrospun nano fibrous filtration membrane[J]. Journal of Membrane Science， 2006 ， 281（1-2）：581-586.
[3] Fengxuan Han， Xiaoling Jia ， Dongdong Dai， et al. Performance of a multilayered small-diameter vascular scaffold dual-loaded with VEGF and PDGF [ J]. Biomaterials， 2013， 34 （13）；7302-7313.
[4] W Zhao， J Li，K Jin，et al. Fabrication of functional PLGAbased electrospun scaffolds and their applications in biomedical engineering[J]. Materials Science & Engineering C， 2015，59：1181-1194.
[5]Abidian M R， D H Kim， D C Martin. Conducting-polymer nanotubes for controlled drug release[J]. Advanced Materials， 2006， 18（4）： 405.
[6] J Zhao，S Liu，B Li，et al. Stable acid-responsive electrospunbiodegradable fibers as drug carriersand cell scaffolds[ J]. Macromolecular Bioscience， 2013， 13（7）：885-892.
[7] 巫寒冰，孙b，丁兆强，等. 新型PVA/PEI/MWCNTs纳米纤维制备及其释药研究[J]. 化工新型材料，2015，34（4）：115-121.
[8] Amara M，H Kerdjoudj. Modification of cation-exchange membrane properties by electro-adsorption of polyethyleneimine[J]. Desalination，2003，155（1）：79-87.
[9] Srinivas M，Medaiah S，Girish S，et al.The effect of Ketoprofen in chronic periodontitis： a clinical double-blind study[J].Journal of Indian Society of Periodontology，2011，15 （ 3 ）：255-259.
[10] Desai SN，Santhosh MCB.A randomized，double blind comparison of pethidine and Ketoprofen as adjuvants for lignocaine in intravenous regionalanaesthesia[J].Brazilian Journal of Anesthesiology： English Edition，2014，64 （ 4 ）：221-226.
[11] Gigante A，Tagarro I.Non-steroidal anti-inflammatory drugs and gastroprotection with proton pump inhibitors： a focus on ketoprofen/ omeprazole[J].Clinical Drug Investigation，2012，32 （ 4 ） ： 221-233.
【摘要】
目的优选黄芪总黄酮的提取工艺。方法用正交设计法探讨了影响纤维素酶法提取黄芪中总黄酮的主要因素，并确定了最佳提取工艺。结果纤维素酶法提取黄芪总黄酮的最佳工艺条件为:酶解时间为120 min，酶解温度为30℃，酶量为8 mg，pH值为4.5。结论此工艺简单可行，是一条提取黄芪总黄酮类物质的有效途径。
【关键词】 纤维素酶 黄芪 总黄酮 正交设计法
Abstract：ObjectiveTo opmtimize the extraction technics for total flavonoids from Astragalus. MethodsThe orthogonal design was conducted to investigate the main cellulose enzymatic extraction of total flavonoids from Astragalus and the best extraction technics was determined. ResultsThe optimum conditions cellulose enzymatic extraction of total flavonoids from Astragalus were as follows: enzymolysis time 120min， hydrolysis temperature 30 ℃， enzyme volume 8mg， PH value 4.5.ConclusionThis method is simple and feasible. It is an effective way for extraction of total flavonoids from Astragalis.
Key words：Cellulase; Astragalus; Total flavonoids; Orthogonal design
黄芪为豆科植物蒙古黄芪Astragalus Technology或膜夹黄芪Astragalus membranaceus的干燥根，具有补气固表、利尿托毒、排脓、敛疮生肌等功效。黄芪中的主要有效成分为多糖、皂苷和黄酮类化合物，其中黄酮类化合物主要包括毛蕊异黄酮(calycosin ) 及其糖苷芒柄花素 (formononetin)和芒柄花苷(ononion) 等［1］ 。研究证实黄芪中的黄酮类成分具有多种药理活性，具有清除氧自由基、抑制脂质过氧化、增强免疫力、抗病毒以及促进细胞增殖的作用［2～3］。
近年来，酶技术应用于中草药有效成分的分离提取取得了不少新的成果，尤其应用纤维素酶可破坏细胞壁的致密结构，加速药用有效成分的溶出，提高药用有效成分的提取率。酶解过程的实质是通过酶解反应促进传质过程。纤维素酶是一组能够降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称。纤维素是黄芪细胞壁的主要成分，亦是胞内黄酮等大分子溶出的主要屏障，利用纤维素酶水解细胞壁，利于胞内成分溶出［4～9］。但将纤维素酶应用于提取黄芪中总黄酮的研究鲜见报道。本实验将上海伯奥生物科技有限公司提供的绿色木酶（主要成分为纤维素酶，以下简称纤维素酶）用于黄芪总黄酮的提取，应用正交设计优化酶法提取黄芪总黄酮的工艺条件，探讨各因素对黄芪总黄酮提取率的影响，以期达到提高提取率、缩短提取时间、减少能耗和有效保存黄芪总黄酮的生物活性，并为植物酶技术在中药有效成分的提取方面的应用提供依据。
1 仪器与试剂
1.1 仪器
HH-6恒温水浴锅（江苏金坛市宏华仪器厂）；RE-52CS旋转蒸发器(巩义市英峪予华仪器厂)；予华牌循环水真空泵(河南省巩义市英峪予华仪器厂)；UV1101紫外/可见分光光度仪(上海天美科学仪器有限公司)；AY120电子分析天平（日本岛津公司）；KH-400KDB型高功率数控超声清洗器（昆山禾创超声仪器有限公司）；摇摆式高速中药粉碎机(大德中药机械有限公司)。
1.2 试剂
乙醇（无水乙醇）；5%亚硝酸钠；10%硝酸铝；4%氢氧化钠；乙酸（冰醋酸）；无水乙酸钠；芦丁对照品（中国药品生物制品检定所，批号:050923）， 黄芪购自广州致信中药饮片有限公司，纤维素酶 (活性单位≥15 U／mg)由上海伯奥生物科技有限公司提供。
2 方法与结果
2.1 黄芪总黄酮成分提取
称取纤维素酶8 mg，用pH=4.5的HAc-NaAc缓冲液10 ml混合后与1g黄芪粉末（过50目筛）混合均匀，在30℃ 下处理1 h后加95％ 的乙醇20 ml，在70℃ 下浸提1 h过滤，用20 ml体积分数85％ 的乙醇洗涤残渣过滤，合并滤液，回收乙醇，残渣溶于质量分数为85%的乙醇，定容至25 ml，精密吸取1 ml于25 ml的容量瓶中，30%乙醇定容，得供试品溶液。
2.2 黄芪总黄酮含量的测定
2.2.1 芦丁对照品溶液的制备
准确称取于芦丁对照品10 mg， 置于50 ml 容量瓶中， 加30%的乙醇30 ml， 超声使之溶解， 冷却至室温， 并稀释至刻度， 摇匀， 得浓度为200 μg/ml 的芦丁对照品溶液， 冷藏， 备用。
2.2.2 吸收波长的选择
对照品测定波长的确定：取对照品溶液1 ml，按标准曲线项下的方法进行，在400～700 nm波长范围内扫描，结果在500 nm波长处为最大吸收。样品测定波长的确定：取样品的乙醇提取液1 ml，按标准曲线项下的方法进行，在400～700 nm波长范围内扫描，结果在500 nm波长处有最大吸收。
2.2.3 标准曲线制备
精密称取芦丁对照品溶液0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 ml分别至25 ml容量瓶中，分别加入5%亚硝酸钠溶液0.3 ml，摇匀，放置6 min，加入10%硝酸铝溶液0.3 ml，放置6 min，加入1 mol氢氧化钠溶液4 ml，分别用30%的乙醇定容，放置15 min，置比色皿中，在500 nm波长处测定吸光度。以吸光度A为纵坐标，浓度C为横坐标，绘制标准曲线。经回归统计，得标准曲线方程：A=0.010 9C-0.001 3，r=0.999 8。浓度在0～400 μg/ml范围内与吸光值线性关系良好。
2.3 黄芪中总黄酮提取率的测定
取黄芪中总黄酮提取液用紫外分光光度计于500nm下测出吸光度A代入以下回归方程式及下列公式，计算出黄芪中总黄酮的提取率。 提取率（%）=（C×V×10-6）W，式中V为定容体积（ml），W为黄芪药粉质量（g），C为黄芪提取液浓度（μg/ml）。
2.4 单因素实验及正交实验酶法提取的整个工艺分为酶解和浸提两部分，准确称取黄芪1g，加入缓冲溶液和一定比例的酶，黄芪经酶解后在相同的条件下浸提，过滤，按标准曲线方法测定吸光度。
2.4.1 考察酶解温度对总黄酮提取率的影响
称取纤维素酶8 mg，用pH=4.5的HAc-NaAc缓冲液10 ml混合后与1 g黄芪粉末（过50目筛）混合均匀，分别在30，35，40，45，50，55℃ 下处理1 h后加95％ 的乙醇20 ml，在70℃ 下浸提1 h过滤，用20 ml体积分数85％ 的乙醇洗涤残渣过滤，合并滤液，回收乙醇，残渣溶于质量分数为85%的乙醇，定容至25 ml，精密吸取1 ml于25 ml的容量瓶中，30%乙醇定容，按标准曲线操作测定总黄酮含量。绘制单因素图见图1。由于一般纤维素酶的活性多在40～60℃较好，因此考察酶解温度为30，40，50，60，70℃对黄芪中总黄酮提取率的影响。由图1可知，在40℃以下总黄酮的提取率随温度的升高而增大，温度为40℃时，黄芪总黄酮提取率最大，随后温度进一步升高黄芪总黄酮收率逐渐减小，温度在60℃，70℃时提取率稳定，趋向一致。这是因为40℃时纤维素酶发挥最大活性，有利于黄酮类化合物的溶出，提高黄芪总黄酮提取率。而温度进一步提高，则不利于酶活力的发挥，温度过高会使酶蛋白变性失活，丧失催化能力，因而提取效果变差。
2.4.2 考察酶解时间对总黄酮提取率的影响
称取纤维素酶8 mg，用pH=4.5的HAc-NaAc缓冲液10 ml混合后与1 g黄芪粉末（过5目筛）混合均匀，在45 ℃下分别处理30，60，90，120，150 min后加95％ 的乙醇20 ml，在70℃下浸提1 h，过滤定容方法同上，单因素图见图2。从图2中可知，随着酶解时间的延长，总黄酮的提取率也随着提高，当酶解2 h即可达到最佳效果，在2 h之前，延长酶解时间可明显提高总黄酮提取率，但在2.5 h实验时的总黄酮的提取率仅比2 h略高，说明酶解已经基本完成，没有再增加酶解时间的必要。
2.4.3 考察酶用量对总黄酮提取率的影响
分别称取纤维素酶4，6，8，10，12 mg，用pH=4.5的HAc-NaAc缓冲液10 ml混合后与1g黄芪粉末（过5目筛）混合均匀，在45℃下处理1 h后加入95%的乙醇20 ml，在70℃ 下浸提1 h。过滤定容方法同上，其单因素图见图3。由图3可看出，在酶用量在8 mg之前，随着酶用量的增大，总黄酮的提取率逐步提高，酶用量到8 mg之后，总黄酮的提取率上升趋势不明显。纤维素酶用量对酶解用一定的影响，在一定的酶浓度范围内，随着酶量的增加，纤维素酶解率增大。由于一定量的纤维素在一定条件下，纤维素分子能和酶分子结合的结合点数有限当这些结合点全部被纤维素酶分子占据后，再增加纤维素酶用量，起不到酶解作用，而从经济角度考虑，酶用量也要尽可能的少。因此最佳的酶用量为8 mg。
2.4.4 正交实验上面讨论了各单因子的影响，但是在实际的操作中，各因素是相互交差影响的。因此，为全面考查影响因素，设计了4因素3水平正交实验，结果见表1～2。从表2的K值和极差R值可以看出，在4个影响总黄酮提取率的因素中，影响顺序为：酶解温度（B）＞酶量（C）＞酶解时间（A）。其中A3B1C3为最佳优化条件，即酶解时间为120 min，酶解温度为30℃，酶量为12 mg，pH值为4.5。经测定，在此最优工艺条件下，黄芪中总黄酮的提取率为0.402%。比较初步优化和正交优化的结果可以看出，两者的条件基本不同。原因可能在于4个主要因素相互影响，有相互作用。表1 正交实验的因素及水平，表2 酶法提取黄芪中总黄酮的正交实验结果（略）。
3 讨论
实验结果表明，酶解时间的延长、酶量的适当加大、适当的温度和pH值有利于提高黄芪有效成分提取率。各因素对总黄酮的提取率的影响大小次序先后为：酶解温度＞酶量＞酶解时间。各因素的优化工艺参数为：A3B1C3，即酶解时间为120 min，酶解温度为30℃，酶量为12 mg，pH值为4.5。在此最优工艺条件下，黄芪中总黄酮的提取率为0.402%。如“2.4.3”项结果，在本实验参数的基础上，为了获得较高的提取率、节省酶用量，酶用量取8 mg。此工艺简单可行，是一条提取黄芪总黄酮类物质的有效途径。
纤维素酶是一组能够降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称。黄芪细胞的细胞壁主要由纤维素构成，纤维素酶可以将其水解为葡萄糖，使其内容物更容易被提取出来。纤维素酶只是破坏黄芪细胞的细胞壁，其细胞内部物质并不含有纤维素类物质，因此纤维素酶对其内容物的成分没有任何影响。中草药种类繁多，有效成分结构复杂。为了提高中草药有效成分的提取率，可应用酶法提取中药有效成分。随着酶技术在中草药有效成分提取方面研究的不断深入，应用纤维素酶、果胶酶以及复合酶提高中草药药用有效成分的提取率，将成为充分利用中草药资源的有效途径，酶技术必将在中药现代化进程中发挥重要作用。
参考文献
［1］姚美村，齐莹，毕开顺，等.黄芪药效物质基础研究［J］.中国野生植物资源，2000，19(2): 361.
［2］汪德清，田亚平，宋淑珍，等.黄芪总黄酮抗突变作用实验研究［J］.中国中药杂志，2003， 28(12):1164.
［3］汪德清，田亚平， 宋淑珍，等.黄芪总黄酮生物学活性作用的化学成分基础研究［J］.军医进修学院学报，2006，1:13.
［4］余洪波，张晓昱.酶法在中药提取中的研究进展［J］.中成药，2005，27（5）：591.
［5］施英英，薛赔俭，夏黎明.酶法提取葛根渣中异黄酮的研究［J］.林产化学与工业，2006，26（1）：62.
［6］奚奇辉，李士敏.纤维素酶在竹叶总黄酮提取中的应用［J］.中草药，2004，35（2）：166.
［7］王敏，高锦明，王军，等.苦荞茎叶中总黄酮酶法提取工艺研究［J］.中草药，2006，37（11）：1645.
［8］姜彬慧，左小红，赵余庆，等.酶技术与中药现代化［J］.世界科学技术-中医药现代化，2004，6（2）：46.