1. 引言
剑麻(Agave sisalana Perr.)，属于龙舌兰科龙舌兰属，是一种极具热带特色的多年生单子叶纤维作物。剑麻叶片纤维主要存在于植物的叶脉细胞壁，木质化程度较高，质地坚硬，是一种优质硬质叶纤维 [1]。由于具有耐磨、耐腐蚀、强度高等特点，剑麻纤维作为重要的工业原料在国防、航海、运输等领域发挥着不可替代的作用 [2] [3]。我国利用剑麻加工制品有50年的历史，传统的剑麻加工最多关注的是长纤维的提取，但是剑麻抽取纤维后所产生的副产物中含有大量可作为坐垫、汽车轮胎、床垫及其它纤维填充材料和其他复合材料的短纤维 [4]；可用于合成甾体类药物的“医药黄金”和“激素之母”剑麻皂素 [5] [6]；可用于生产有机肥的麻渣 [7] [8]。因此，如何提升剑麻加工质量、实现副产物高附加值资源化利用成为剑麻产业发展的新课题。我国在剑麻加工方面研究起步较晚，加工设备经历了手工捶打、手拉式刮麻机 [9]、半自动刮麻机和自动排麻刮麻机等4个发展阶段 [10]。根据剑麻叶片纤维的生长分布规律，纤维是从叶片基部辐射到稍部，但现有的剑麻加工设备都是采用先刮剑麻叶片基部(约45~50 cm，剑麻叶片长度的1/3)，之后再刮剑麻叶片的稍部(剑麻叶片的2/3)的方法，使得剑麻基部约45~50 cm的纤维在加工过程中由于握持问题而被刮掉，进而影响了长纤维抽出率，造成浪费。此外，利用传统工艺制作麻膏和皂素需先对麻渣进行压水，后将汁水放入池中进行发酵，待发酵沉淀进行晾晒，获得的麻膏沉淀物送到皂素厂制成皂素，整个过程耗时约30天，每吨鲜麻片的制膏率仅有0.5%，此工艺生产皂素费时耗力产出低 [11]。
剑麻是经济价值较高的一种热带作物，除加工获得长纤维外，其加工副产物也具有极高的综合利用价值，因此积极研发新工艺及配套设备以期提高长纤维抽出率和副产物综合利用率，提升剑麻产品利润是产业发展的趋势。本研究在传统加工产业数据的基础上，综合分析“先压后刮”式新型加工工艺和设备在剑麻纤维加工及副产物利用高值化利用优势，为进一步推广“先压后刮”式新工艺及设备提供数据支撑，提高剑麻纤维及其副产物利用效率，减少环境污染，促进产业健康发展。
2. 新型加工工艺劳动力和环境效益
2016年，广西西部麻业的钟秋汉先生发明了具有自主知识产权的“先压后刮”式自动刮麻机 [11]。“先压后刮”式自动刮麻机免去了单独抛光和麻渣压水的步骤，可对剑麻叶片进行刮麻抛光一体化操作。将新型“先压后刮”式自动刮麻工艺和传统“先刮后压”式刮麻工艺在加工剑麻叶片时不同岗位所需工人数进行比较分析(表1)。传统“先刮后压”式刮麻工艺的劳动力使用参照农业行业标准NY/T 2648~2014《剑麻纤维加工技术规程》(以下简称行标)。其中行标在叶片输送工序上需工人总数为6人，而新型刮麻机仅需要3个工人可胜任叶片的输送(表1)。在叶片输送、操控台、刮麻机、压水、收湿纤维、抖松纤维等工序中，新型刮麻机总用工人数为9人。整条新工艺生产线需29个工人，每个工作日8小时加工叶片130吨，人均加工效率为0.56 t/人·h。
Table 1. The number of labor for different processing methods
表1. 不同加工方式用工人数配置
以加工1吨优质长纤维(含杂在2%以下，含水在13%以下)计算，为冲洗纤维德国格鲁勃公司研发的CORONA型刮麻机加工需损耗20吨水，国内先刮后压式刮麻机需损耗12吨水，而“先压后刮”式刮麻机仅需损耗8吨水。“先压后刮”式刮麻机比先刮后压式刮麻机节约33.3%用水量，更重要的是减少了未处理麻水排放对环境造成的污染。“先压后刮”式工艺可有效将长纤维含杂率从传统工艺的2.0%降低至0.3%，含杂率下降85%。
3. 剑麻高值化加工效益分析
传统劳动密集型剑麻加工产业面临转型升级，剑麻加工副产物(麻渣、麻水)的高值化利用效率有待提高。以优质纤维4.6%的出纤率计算，就生产纤维主产品及其副产物高值化利用进行效益评估(见表2)。
Table 2. Benefit analysis of sisal processing products
表2. 剑麻叶片加工产品效益分析
3.1. 长纤维
钟秋汉根据剑麻叶片加工的实际需要，对旧加工方法进行了创新，其包括如下步骤：即排麻上料–压麻–压水–刮麻抛光–干燥–出料，其中压麻、压水和刮麻抛光为最重要步骤。该“先压后刮”式加工方法与现有“先刮后压”式工艺比较，工序更少，更合理，经济价值更高。针对上述加工方法，配套提供了一种剑麻叶片加工设备 [12]。
对新工艺刮麻机加工剑麻叶片纤维的经济效益进行估算。优质长纤维出纤率按4.6%计算，即加工1吨优质纤维需要剑麻叶片21.74吨，每吨剑麻叶片收购价按450元，等于每吨纤维料成本9,783元，加工费按2300元，成本合计12,083元，每吨优级长纤维售价按14,200元计算(非洲同等质量到岸价14,600元)。最终每吨纤维利润约为2117元，每吨叶片加工成长纤维的利润为97.38元。
3.2. 短纤维回收
在现有剑麻的纤维提取工艺中，将主要的长纤维提取后，仍然有部分数量可观的短纤维夹杂在麻渣中。这部分短纤维若不回收，会造成纤维资源的浪费。短纤维的传统回收方法是将麻渣压干，然后将短纤维分离出来。利用短纤维回收机对麻渣中的短纤进行回收，短纤维回收率按0.6%计算，21.74吨麻片可产优质短纤维(含杂在2%含水13%以下) 0.1304吨，乱纤售价按6000元/吨(烘干短纤维和抛光短纤维的平均价)计算，生产成本为1500元/吨，则利润为4500元/吨，21.74吨剑麻叶片可获得短纤维利润586.8元，每吨叶片的短纤维利润为27元。
3.3. 麻膏
传统从剑麻渣中提取皂素原料麻膏(干渣)的方法主要是先将麻渣压水，将压出的水放入池中沉淀发酵后，再将沉淀物放在晒场上自然晒干，晒干后打包送到皂素厂制成皂素。
新工艺主要步骤为，将麻渣堆放发酵5~10天左右，放入麻渣粉碎机使水从底部网孔流入到水池中，水池中的麻渣水抽到离心机中使渣和水分离，麻水沉淀15个小时左右，之后将沉淀物晒干至含水率18%以下。采用这种工艺，麻膏的提取率可以提升到了1%以上，含量达8%左右，麻膏的提取时间约为18天 [11]。相对于传统工艺，新工艺每吨鲜麻片的麻渣制成麻膏率增加1倍以上，按麻膏市场的价格，其利润显著增加，同时剑麻麻膏的提取时间缩短了10天左右，减少了提取时间，提升了效率，明显优于传统工艺。
利用新制麻膏提取工艺进行经济效益估算，21.74吨叶片可产麻膏0.1196吨，每吨麻膏售价13,500元，(含量按15%，含量每1%为900元计算)成本1500元，利润12,000元，该工艺可获得麻膏的利润1435.2元，每吨麻片的麻膏利润为66元。
剑麻皂素可制成甾体激素药，目前从剑麻渣中提取皂素的原料为麻膏。如果将0.1196吨麻膏直接生产成皂素，可产0.01739吨皂素，按每吨皂素利润10万元计算，所产皂素利润为1739元，平均每吨麻片的皂素利润为80元，经济效益随之增加。
3.4. 有机肥
近年来剑麻麻渣麻水的肥料化综合利用技术逐步成熟。每加工1吨成品长纤维可产优质固体肥5.5437吨，售价300元/吨，利润200元/吨，固体肥利润为1108.74元，平均每吨麻片的优质固体肥利润为51元；每加工1吨成品长纤维可产液体肥11.957吨，售价为60元/吨，利润40元/吨，液体肥利润为478.28元，平均每吨麻片的液态肥利润为22.00元。
综上所述，21.74吨剑麻叶片加工成1吨成品纤维，长纤维的利润仅为2117元，而短纤维、麻膏(不继续生产皂素)及有机肥的利润总计高达3609.02元。因此通过综合利用剑麻麻渣麻水，不仅提高了产业的经济效益，还有效解决了环境污染问题，经济社会效益显著。
4. 结论
当剑麻种植环境、栽培水平较为接近时，其加工经济效益的大小主要取决于刮麻工艺和副产物梯度化利用程度。出纤率是由加工工艺决定的，出纤率高，纤维含杂率低，纤维售价则越高。在剑麻加工中引入“先压后刮”工艺及配套设备以替代传统“先刮后压”加工方式，每加工1吨优质纤维比传统工艺节约冲洗用水4吨。在减少冲洗纤维用水量的前提下，可有效将长纤维含杂率从从2.0%降低至0.3%，提高了长纤维的质量，提升了市场竞争力。
每加工1吨成品长纤维，如不进行副产物高值化利用，利润仅为2117元，而其延伸的短纤维、麻膏(不生产皂素)及有机肥加工副产物的利润高达3609.02元，剑麻副产物的高值化利用利润比主产品(长纤维)利润高70%。剑麻麻渣麻水可用于回收短纤维、提取剑麻麻膏和皂素、制作有机肥，有效延伸产业链条，降低产业总体成本，经济、社会和生态效益明显。
基金项目
广西重点研发计划(桂科AB18221105，AB20297007)；财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系资助(CARS-16-S14)；广西农业科学院基本科研业务专项(桂农科2021YT153，2020YM57，2020YM136)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。