蚕沙的多元化利用研究进展

时间：2024-05-24

蒋勇兵黄仁志蒋诗梦秦志雄李章宝

(湖南省蚕桑科学研究所，湖南长沙 410127)

我国的蚕桑生产因劳动强度大、科技含量和劳动效率相对较低、基础条件较为薄弱、技术装备不先进、蚕桑专业人才稀少等特点，在科技不断发展的今天受到较大冲击。实现蚕桑产业可持续、创新发展的重要有效途径之一即开展蚕桑资源综合利用，走蚕桑产业多元化发展道路[1]。作为丝绸的发源地和主产国，我国每年养蚕约1 500万张蚕种，蚕沙产量约为450万t，产量巨大[2]。目前对蚕沙资源利用最多的是作为农家肥，少量蚕沙作为原材料被高效利用，如提取叶绿素、作为药材等。多数蚕区的蚕沙没有被充分高效利用，许多农村地区的蚕沙被随意丢弃。为充分利用蚕沙资源，减少因随意丢弃蚕沙对环境的污染，增加蚕农收入，本文对蚕沙资源的利用现状作一总结，以期为蚕沙的多元化利用提供一些参考。

1 蚕沙资源

蚕沙，又名原蚕沙、原蚕屎、晚蚕沙、马鸣肝、晚蚕矢，是养蚕过程中由蚕的幼虫所排泄的固体粪便、食剩的残桑、蚕体消毒剂以及蚕座中垫料的统称[3-6]。蚕沙呈短圆柱形，长2～5 mm，直径1.5～3 mm，表面灰黑色，粗糙，有6条明显的纵棱及3～4 条横向的浅纹。两端略平坦，呈六棱形，质坚而脆，受潮后易散碎发霉，微有青草气味[3]。

蚕沙是一种富含粗蛋白和碳水化合物的多组分物质。干蚕沙中含粗蛋白15.4 % , 粗脂肪3.88 % , 无氮浸出物36.2 % , 粗纤维19 .6% , 钙0 .58% , 磷0.82 %, 还含铜、铁、锌等微量元素, 并含少量生物碱, 类肾上腺皮质激素，维生素A (VA)，维生素B(VB)，维生素C(VC)，维生素D(VD)、维生素E(VE)和烟酸等，还含有一种未知促生长因子[7,8]。不同龄期蚕的蚕沙组分稍有差别，如蚕沙中有机物和氮素含量幼蚕多于壮蚕, 而灰分和碳素含量幼蚕少于壮蚕[9,10]。

蚕沙主要被用于堆肥回田，也可经过筛、烘干后作为搭配畜禽精料饲喂肉兔、育肥猪、黑山羊和鹅等，可降低养殖成本和改善畜禽肉品质，还也可经发酵(添加发酵剂) 或烘干成颗粒后替代肉牛精饲料[11]。蚕沙传统上只用作普通肥料和饲料，产生的经济效益较低[10]。随着社会的发展、科技的进步，加上蚕沙本身结构和含有的丰富营养物质和药用成分，蚕沙多元化利用前景广阔。

2 蚕沙多元化利用

2.1 作栽培材料用

蚕沙含有丰富的营养成分，可作为食用菌、花卉植物及园艺植物的栽培材料。对于养蚕业发达地区，蚕沙产量相对较高，且蚕沙本身的成分与麦麸等食用菌栽培辅料相类似，因此为蚕沙制作食用菌辅料提供了很大发展利用空间[12]。张剑飞等[14]利用桑枝和蚕沙分别作为主、辅料，对大球盖菇成功地进行了室外栽培。同样地，白兴荣等[15]和卓金亮等[16]以蚕沙为原料分别在杏鲍菇、金针菇栽培上取得了较好的效果。陈秀月等[9]用以蚕沙、泥炭、煤渣、过磷酸钙和硫磺粉为原料配制的基质栽培植物，发现观叶植物生长性能好于对照组(常用盆栽基质)，叶色浓绿，株型健壮而挺拔；观果植物的长势也优于对照，株高、冠幅、分枝数、叶量等均比对照组高出0.5～1.5倍；观花植物的营养生长量也高于对照组，且花量高出对照组1～2倍。同时也可以将蚕沙发酵后用于食用菌的培养，既降低了食用菌生产成本，又实现了资源的良性循环[13]。

2.2 作药用

蚕沙，性温，味甘、辛，归肝、脾、胃经，功能祛风除湿、和胃化湿。《名医别录》：“主肠鸣，热中，消渴，风痹，瘾疹。”《本草纲目》：“治头风、风赤眼，其功亦在去风收湿也”。蚕沙在我国是一种的传统的抗风湿药物[17]。在《本草求原》中有“原蚕沙，为风湿之专药，凡风湿瘫缓固宜，即血虚不能养经络者，亦宜加入滋补药中”的记载[18]。黑大豆和蚕沙合用(一般用量黑大豆10～20 g，蚕沙20 g)能祛风解毒，行气和血，利湿化浊，是治疗慢性肾衰竭的常用药对之一[18]。

蚕沙保健枕，是一种具有高附加值、高科技含量、高市场需求的“三高”产品。它不仅可以祛风化湿、降血压等功能，还对因血热引起的头昏、头痛以及脑血管疾病等都起到很好的辅助治疗效果。蚕沙保健枕还可以预防和缓解风湿性关节炎和各种中风症状的发生，是一款延年益寿的良品[19]。有资料指出将蚕沙与多味中草药(如牛角花、草决明、薄荷、五味子、丹参等)配合制作成的蚕沙药枕，有明目、降压、疏通经络之功效，对头晕、失眠具有很好的治疗效果[20]。

2.3 作化工原料用

叶绿素对人体无毒、无副作用，是食品工业上取代合成色素的重要绿色添加剂，不但能促进新陈代谢和血红蛋白的合成，还具有护肤、洁齿、除臭和抑菌作用[13]。风干蚕沙中的叶绿素含量高达0.8%～1.0%，是提取叶绿素和制备叶绿素衍生物较为理想的原料[6,21]。但是提取后的叶绿素稳定性降低，通常将其进一步制成相对稳定的金属盐。目前蚕沙叶绿素产品主要有糊状叶绿素、铜代叶绿素和叶绿素铜钠盐[6,13]。叶绿素铜钠盐具有色泽亮丽、性能稳定、使用安全等特点，且具有一定的营养价值和保健功能，是一种比叶绿素更为理想的天然色素[22]。同时叶绿素铜钠盐具有治疗慢性溃疡、外科创伤、中耳炎、水田皮炎、脉管炎、肝炎、胃炎、白细胞减少等疾病的功效，是“肝宝”、“新血宝”、“胃甘绿”等药物的主要成分。陈智毅等[23]以2 龄、3 龄幼蚕的蚕沙为主要原料制成的桑蚕虫茶，经测定发现含有较高的1-脱氧野尻霉素(DNJ)，具有较显著的降血糖作用。

蚕沙中一般含有10% ～ 15%的果胶，在干蚕沙中含量更高[6]。果胶具有抗菌、止血、降血脂、防便秘、促消化等药理作用，可单独或与其他药物配合用于治疗冠心病、动脉硬化、高血脂等一些疾病[6,13]。除此之外，以蚕沙为原料，可提取黄酮类化合物[6, 24, 25]、叶蛋白[6]、类胡萝卜素[26,27]、叶酸[28]、DNJ[29]、1-三十三烷醇[30]、生物碱[31]和植物醇[32]。综上所述，蚕沙是一种价廉物美，含有多种功能组分的资源。

2.4 作饲料用

蚕沙的营养价值比较丰富，有机质(OM)含量40%～45%，粗蛋白(CP)含量为10.65%～17.64%，粗脂肪(EE)含量为1.94%～5.24%，粗纤维(CF)含量为17.37%～18.34%，粗灰分为9.85%～9.95%[33]，还有Cu、Fe、Zn等微量元素，具有极高的饲料相对值(relative feed value)和粗饲料分级指数(grading index)，且营养价值高于常规饲料原料苜蓿(干粉)、米糠和麦麸[11,34]。且蚕沙中的活性物质含量相对较高，如黄酮类化合物、叶绿素、果胶，其质量分数分别为1.66%、0.8%、11%。这些活性物质对于动物的生长有着积极作用。例如蚕沙中包含的黄酮类化合物具有较强的抗氧化性、抗肿瘤功能，可以使动物在食用蚕沙后更加茁壮成长[35]。因此，将蚕沙用于替代畜禽精饲料可降低养殖成本，改善畜禽肉品质(表1)。

但是蚕沙中的果胶、亚硝酸盐会影响饲用的安全性。果胶进入动物胃、肠道内，能与水分子作用增加食糜黏度，产生抗营养作用，阻碍机体对营养物质的吸收[36]。赵凤至等[36]通过试验发现饲粮中的果胶对鹅的生长性能、体尺性状、屠宰性能等具有不良影响。因此在使用蚕沙作为动物饲料原料时应严格把控使用量。而亚硝酸盐为强氧化剂，进入动物体内后，可使血液中血红蛋白失去携氧能力，致使组织缺氧，可视粘膜及白色皮肤发绀，严重者发生死亡。陈乐乐等[34]通过收集4种常用养蚕模式产生的蚕沙，辅以玉米粉、麦麸、豆粕，用乳酸杆菌、酿酒酵母和枯草芽孢杆菌进行发酵，分析了发酵后蚕沙中亚硝酸盐含量的变化。结果表明，蚕沙经过发酵处理32～40 h后能有效降低蚕沙中的亚硝酸盐含量。

2.5 作肥料用

蚕沙干物质中的有机物质量分数为83%～90%，灰分10%～15%，含氮物质为2%～4%[37]，理论上计算，100 kg干蚕沙的肥效相当于14 kg硫酸铵、6 kg过磷酸钙、5 kg硫酸钾，是一种养分较为全面的有机肥料[8]。蚕沙是养蚕生产中的主要有机废弃物，同时也是家蚕病原物的主要载体之一。蚕沙的随意丢弃，不仅会造成环境污染，还会对当地的蚕桑生产造成严重威胁。堆肥处理是目前处理农业生产中固体有机废弃物的一种经济有效方法[38]。堆肥发酵所产生的高温可灭活蚕沙中的病原菌，且发酵腐熟后的蚕沙可成为优质的有机肥，长期施用能提高土壤肥力和改良土壤结构[39-40]。蚕沙发酵有机肥不仅可提高小白菜产量、营养养分、维生素含量，减少硝酸盐的积累量，提高土壤 pH 值，增加土壤速效养分和有机质含量，增强土壤酶活性[41]，还能有效提高杭白菊的存株率、增加了植株株高、分枝数和药材产量[42]，提高连作杭白菊的根际土壤细菌多样性水平，促进功能菌和有益菌的生长，改善微生态环境，从而达到了缓解连作障碍的目的[43]。

另外，增施蚕沙有机肥可明显促进大白菜的生长发育，增加产量，对软腐病有一定预防效果[52]。蚕沙发酵有机肥能有效提高烟草植株叶片的生物量，增加烟叶中N、P、K的吸收量(分别比对照组高出68.51%、59.15%和100.32%)，提高烟叶中水溶性总糖量30.17%[53]。

尽管蚕沙有机肥养分丰富，但肥效相对较低且释放较慢，推广应用有一定难度[54]。广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所已建立一套蚕沙无害化及肥料化处理的技术规程，并利用蚕沙开发出了纯有机肥、有机无机复混肥和微生物菌肥等产品，走在蚕沙肥料产业化的前端[2]。比如蚕沙有机无机复混肥——天蚕优地，该肥料利用蚕沙中的微生物多样性，以现代生物技术改良菌株、提高目标菌株的功效为目标，通过活化土壤N、P、K，以提高肥料利用率。唐茂荣等[54]分别施天蚕优地有机复混肥和普通桑树专用复混肥在桑树上进行应用试验，结果表明桑树施用天蚕优地后667 m2桑园年产叶量比普通桑树专用复混肥增产930.69 kg，增幅为33.2%，这对探索开展蚕沙多元化利用和对合理处理蚕沙、拓宽生物菌肥原料并进行资源化利用等具有重要意义。

2.6 作环保材料用

蚕沙是一种农业废弃有机物料，来源广泛、价格低廉，同时富含各类营养物质、微量元素以及少量生物碱等，既能够改善土壤酸度，提高土壤养分，改良土壤结构，还可以显著降低土壤中的有效态Cd、Pb 含量[55,56]。林李华等[57]通过试验发现在蚕沙土壤调理剂(蚕沙 50%、贝壳 40%、氧化镁 10%)的作用下，酸性土壤 pH上升了0.77，土壤有机质含量提高了6.94%，豆角产量增加了125.99%。而范稚莲等[58]通过大田实验，选用不同的土壤改良剂(煤灰、菌渣、蚕沙、煤灰和菌渣组合、煤灰和蚕沙组合)，分析其对玉米富集重金属的影响。结果表明在玉米苗期，蚕沙对地上部分富集重金属的抑制效果最佳，吸收As、Cd、Pb和Zn分别降低60.46%、68.87%、63.99%和19.51%。而在玉米成熟期，蚕沙对玉米根、茎富集重金属的效果最佳。

表1 饲料中添加蚕沙喂养畜禽的文献报道

生物炭作为一种新型环境功能材料，因其具有精致的微孔结构和巨大的比表面积等特殊的物理化学性质，在土壤改良与修复领域展现出良好的应用前景[59]。严静娜等[60]研究了不同热解温度蚕沙生物炭对土壤中Cd、Pb的钝化效果，结果显示：添加蚕沙生物质炭对重金属的钝化效果明显，显著降低了土壤中Cd、Pb的弱酸可提取态含量，提高了残渣态含量，不同热解条件蚕沙生物质炭钝化效果为700 ℃>500 ℃>300 ℃。而杨惟薇等[61]通过室内培养试验，以甘蔗叶、木薯秆、水稻秸秆和蚕沙为原料制成生物炭，研究其对潮土中Cd的钝化效果。结果表明，添加生物炭后，土壤pH值和阳离子交换容量(CEC)增加，弱酸可提取态和可还原态Cd含量显著降低，而可氧化态和残渣态Cd含量提高，钝化效果为蚕沙生物炭>水稻秸秆生物炭>木薯秆生物炭>甘蔗叶生物炭。同样，曹美珠等[62]在研究生物炭对土壤中阿特拉津淋溶与迁移的影响时，也发现施加蚕沙生物炭显著增加土壤CEC和有机碳的含量，明显抑制阿特拉津在土柱中的淋溶与迁移。另外蚕沙生物炭材料还对农药噻虫嗪具有缓控释作用，室温下该蚕沙生物炭对噻虫嗪的释放表现出长效释放效力。按照一般农作物的需药量，该生物炭只要按照 0.5 g/(d·m2)的投入量便能很好地对农作物进行长效的虫害防治(>40 d)[63]。Li et al[64]研究了蚕沙生物炭对双酚A的吸附效果。他们认为炭化过程中形成的无机矿物成分堵塞了生物炭的内部孔径，减少了吸附位的数量，而生物炭经酸洗后，可以增加生物炭对双酚A的吸附。

徐蒙蒙等[56]通过室内淹水土培试验，研究了蚕沙配施蚕沙炭、膨润土、腐殖质钾和泥炭对酸性水稻土中Cd和Pb的钝化效果，发现蚕沙复配材料均不同程度地提高了土壤pH和有机质含量，有效态Cd、Pb的含量随着淹水时间的延长，都有不同程度的降低。与对照相比，添加蚕沙和蚕沙炭、蚕沙和腐殖质钾、蚕沙和蚕沙炭和腐殖质钾、蚕沙和泥炭培养28 d后，土壤有效态Cd分别降低了16.07% 、15.51%、 11.08%、7.76%；有效态Pb则降低了32.54%、27.12%、37.72%、42.31%。其中蚕沙和蚕沙炭组合对Cd的钝化效果最好，蚕沙和泥炭组合对Pb的钝化效果最好。同样地，卢美献等[65]研究了蚕沙炭(BC)、硅酸钙(Si)、硫酸亚铁(Fe)及其组合对Cd、As复合污染土壤的修复效果，结果表明Fe、Fe+BC处理极显著降低了土壤有效态As含量，分别为48.06%和33.75%。Si、BC和Fe+BC显著降低了有效态Cd含量，分别为19.56%、14.29%和33.32%。

2.7 其它用途

蚕沙可以作为发酵沼气的原料。蚕沙不仅含有沼气发酵微生物生长所必需的蛋白质、纤维素、糖类等物质，还有大量可被产甲烷细菌直接利用的可溶性有机物[66]。据测算，将1 t的蚕沙和粪水堆沤15 d后再入沼气池，产气量可达到42 m3左右，可持续产气80 d[67]。但是由于蚕沙中含有大量抑菌成分，因此，未经过池外堆沤的蚕沙不能直接入池发酵，尤其是初次装料的新池[66]。最新研究表明[68]，蚕沙制成高比表面(2 258 m2/g)的碳纳米片后，可以提高材料表面湿润性和电导率，因此该碳纳米片可以作为超级电容器的高性能电极材料。家蚕通过喂食铜、银纳米材料后，可以明显提高蚕丝的热稳定性和力学性质[69]。但是家蚕喂食铜、银纳米材料后的蚕沙具有怎样的性质和具体用途，目前报道的文献很少，还需要科研工作者更多深入地研究。