徐永建， 趙 睿， 譚海風(fēng)

(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院， 陜西 西安 710021; 2.湖南中煙工業(yè)公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

我國煙草的種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，常年煙葉種植1 500萬畝，生產(chǎn)煙葉175萬噸.2011年煙草行業(yè)共實(shí)現(xiàn)工商稅利7 529.56億元，同比增長22.5%.上繳國家財(cái)政6 001.18億元，同比增長22.8%.煙草種植與產(chǎn)品加工在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用.

煙草原葉須經(jīng)采收、烘烤、晾制、加工成型等工藝方可用于卷煙制造，煙莖、煙梗、煙末等煙草廢次物即在此加工過程中產(chǎn)生，如圖1所示.

圖1 產(chǎn)生煙草廢次物的簡易流程圖

煙草廢次物是指煙草原葉在采收以及煙草制品加工過程中產(chǎn)生的，未能用于制煙的煙草組成部分(制煙包括用下腳料制造膨脹煙絲或煙草薄片等)，包括煙莖(又稱煙桿,煙稈)、煙梗 (即為煙葉的葉柄)、無法進(jìn)行卷煙加工的低等級或者等外級煙葉、煙草植株的上部煙葉、煙花、煙種、葉脈、腋芽卷煙企業(yè)積存的煙末、煙根、根出條.各組成部分化學(xué)組成隨煙草種類不同有很大變動(dòng).

表1 部分煙草廢次物的化學(xué)組分[1]

作為煙草生產(chǎn)大國，我國每年有數(shù)十萬噸煙草廢次物被棄置，不但污染環(huán)境，還是對資源的極大浪費(fèi).煙梗目前的主要利用形式是提取木質(zhì)素、果膠、煙堿、茄呢醇、制煙草薄片等.廢次煙草的主要利用形式是(1)煙草廢次物中有效物質(zhì)的提取，如煙草廢次物中提取煙堿、茄尼醇、果膠、煙草蛋白等；(2)制煙草薄片紙、煙梗切絲等卷煙功能材料，同時(shí)煙莖也是造纖維板，紙制品的較好原料；(3)通過生物處理等方式獲得產(chǎn)品[2-6].

1 對于煙草廢次物有效成分提取

1.1 煙草廢次物提取煙堿

煙堿(又叫尼古丁nicotine)，主要存在于廢次煙葉和煙梗中，其化學(xué)名稱為S-3-(1-甲基-2-吡咯烷基)吡啶，分子式為C10H11N，煙堿是一種中樞神經(jīng)興奮劑，吸食后使人產(chǎn)生生理和心理上的依賴性，是讓人成癮的物質(zhì).此外煙堿能廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、制藥、有機(jī)合成、國防工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域.含量為40%的硫酸煙堿可用于配制專門用于糧食、油料、蔬菜、水果等食用農(nóng)作物的無殘留、無公害高效殺蟲劑及生物農(nóng)藥[7].

從廢次煙草中提取煙堿的方法有多種如[8,9],(1)水蒸汽蒸餾法是最常采用的形式，但該方法生產(chǎn)能耗高，收率低，濃度低；(2)離子交換法，離子交換法提取煙堿具有生產(chǎn)周期短、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，但是離子交換所用樹脂的預(yù)處理、再生較麻煩，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室小試研究階段；(3)超臨界溶劑萃取法，該方法是目前提取天然煙堿最有前景的方法之一.它是基于一種溶劑對固體和液體的萃取能力和選擇性在超臨界狀態(tài)下較之在常溫和常壓下可獲得極大提高萃取的新方法.

王星敏[10]等采用復(fù)合萃取劑，利用堿化雙相法提取廢次煙草中天然活性成分煙堿.結(jié)果表明：選擇復(fù)合萃取劑氯仿-正己烷，浸提液pH值為11，萃取相比為2∶6，浸提3.5 h，萃取10 min，反萃劑H2SO4量為20 mL(V硫酸∶V復(fù)合萃取劑=4∶6)，煙堿提取率為90.2%.鄭奎玲等[11]采取了連續(xù)萃取法使煙堿的純度達(dá)到99%，同時(shí)得到了甲苯煙堿，有機(jī)酸煙堿鹽，復(fù)配了高效、低毒、低殘留的無公害農(nóng)藥，該農(nóng)藥利用10%的煙堿乳油對蚜蟲觸殺，處理48 h，1 000倍液處理的校正死亡率達(dá)93.22%.同時(shí)王星敏[12]等采用酶促反應(yīng)利用微生物發(fā)酵，微波協(xié)助方式處理廢次煙葉提取煙堿.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：選用白腐真菌和管囊酵母(1∶1)在微波協(xié)助處理下，接種量40%，pH=6，30℃發(fā)酵48 h，得到煙草中煙堿溶出濃度為3.291 g/L.

1.2 煙草廢次物提取茄尼醇

茄尼醇是一種不飽和的聚異戊二烯醇，屬四倍半萜醇，分子式為C45H74O，分子量630，為蠟狀白色固體，熔點(diǎn)42 ℃，易溶于有機(jī)溶劑，不溶于水，無旋光活性.茄尼醇具有抗菌、消炎和止血作用，是藥物合成重要的醫(yī)藥中間體，常用于合成抗心血管疾病、抗癌、抗?jié)兊人幬?，同時(shí)也是合成輔酶Q10和維生素K2的主要原料[13].隨著市場對輔酶Q10的需求量不斷增大[14]，從廢次煙草中提取茄尼醇，不僅能獲得一種重要的醫(yī)藥原料，而且可以提高煙草工業(yè)附加值.廢次煙草經(jīng)粉碎用丙酮浸泡過濾，蒸去溶劑即可得到廢次煙草的茄尼醇浸膏.煙草中總茄尼醇含量約為3%，以游離態(tài)和結(jié)合態(tài)兩種形式存在，其中68%以酯的形式存在[15].煙草中的茄尼醇主要集中在煙葉中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.45%，其次為煙梗，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.037%，而煙根和煙莖中茄尼醇的量很低[16].

煙草廢次提取茄尼醇的方法很多，國外早期的生產(chǎn)方法是以黃種煙葉為原料，用正己烷或甲醇作抽提劑，加熱攪拌抽提2～3次，過濾，濾液濃縮制得茄尼醇粗品，再經(jīng)皂化、離心、萃取及高效液相色譜精制，最終得到高純度的產(chǎn)品.但以煙葉為原料制備茄尼醇資金投入大、高純度己烷溶劑成本高、甲醇毒性較大、工藝操作繁瑣費(fèi)時(shí).

針對上述缺點(diǎn)，岑波[17]等人找到一種廉價(jià)易得的PE溶劑，無論是茄尼醇的提取率還是溶劑的回收率方面均優(yōu)于正己烷.此外，有學(xué)者通過薄層色譜法從廢煙葉中提取茄尼醇，并以庫侖滴定法測定茄尼醇含量，該方法操作簡便，對茄尼醇的提取也是一種有益的探索.周新光[18]從廢棄煙草中提取得到茄尼醇浸膏和煙堿提取液，茄尼醇浸膏皂化后用柱色譜方法，可得純度95.7%的茄尼醇，收率 80%.夏敏[19]以無水乙醇為提取溶劑，分別用超聲法和微波法對廢次煙草進(jìn)行提取，研究微波功率、固液比和煙末粒度3因素對微波提取的影響.結(jié)果表明，用無水乙醇作溶劑，微波提取茄尼醇的提取效果明顯優(yōu)于超聲提取，且縮短了提取時(shí)間.張海波等[20]研究了以乙醇為萃取劑，從廢次煙梗中提取茄尼醇的最佳工藝條件：提取劑為95%的乙醇，料液比1∶10，在70 ℃提取9 h，達(dá)到最大提取率79.6%. 孫心齊[21]通過比較HZ-802、HZ-803、HZ-803A、HZ-841四種非極性大孔吸附樹脂對茄尼醇的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)吸附及解吸性能，研究了其相應(yīng)的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)過程和茄尼醇溶液的濃度對吸附性能的影響，考察了用大孔吸附樹脂純化茄尼醇的方法.

1.3 煙草廢次物提取果膠

果膠是一種水溶性植物膠，屬天然高分子化合物，廣泛存在于多種植物的細(xì)胞組織中.果膠最重要的特性就是膠凝作用，在食品、輕工、醫(yī)藥等行業(yè)廣泛用作乳化劑、膠凝劑和增稠劑.研究表明，煙梗中的果膠含量較高，極具提取價(jià)值.

魯蕾[22]采用“酸液浸提一鐵鹽沉析”的工藝制備煙梗果膠.浸提pH控制在1.3～1.6，浴比1∶24～1∶30，溫度70 ℃，時(shí)間80 min，結(jié)果顯示，所得煙梗果膠的主要質(zhì)量指標(biāo)符合GBn246-85的相關(guān)規(guī)定，樣品中的果膠質(zhì)含量為90.9%，甲氧基含量為11.9%.趙世民[23]將脫色后的煙梗在酸性條件下加熱，以浸出其中的果膠，然后用乙醇溶液將浸出液中的果膠沉淀析出.試驗(yàn)結(jié)果表明，果膠的最佳提取條件為：液固比等于 14/1(mL/g)，提取溫度為 80 ℃，提取時(shí)間為2 h，提取液的 pH 值為1.0，沉淀析出果膠時(shí)，提取液中乙醇的濃度為50%，果膠的最大收率可以達(dá)到 9.4%左右.

1.4 煙草廢次物提取蛋白質(zhì)

植物蛋白是蛋白質(zhì)的一種，是從植物中直接提取出來的蛋白質(zhì)制品，營養(yǎng)與動(dòng)物蛋白相仿，但是更易于消化.煙草可以提供大量與高質(zhì)量的植物蛋白.煙草的植物蛋白含量為10. 68%，與玉米，甘蔗相當(dāng)，且營養(yǎng)價(jià)值高于酪蛋白和雞蛋[6].在美國種植條件下，從每畝煙草中可獲200 kg以上煙葉總蛋白和40 kgF-1-p蛋白，相當(dāng)于每畝大豆提供蛋白的5倍[1]，其價(jià)值可達(dá)6 000美元/英畝，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)用途的2 500美元/英畝.還可以在8月煙葉收割完畢后繼續(xù)栽培煙株獲取新葉，從新葉中獲取植物蛋白.

化學(xué)家W ildman認(rèn)為，煙草蛋白在綠色植物蛋白質(zhì)中占有極其重要的地位，因?yàn)閺臒煵葜锌色@取純的晶態(tài)的Fraction-1-protein(F-1-p-a與其同質(zhì)物占煙草植株可溶蛋白的一半)，更為重要的是，煙草F-1-p可能是營養(yǎng)與功能最豐富的食用蛋白.

2 煙草廢次物制功能性材料

2.1 煙草廢次物制煙草薄片

煙草薄片是煙草廢次物利用的重要途徑.煙草薄片又稱再造煙葉或勻質(zhì)煙葉，它是煙草工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的綜合利用產(chǎn)物.該技術(shù)是將整個(gè)卷煙生產(chǎn)過程中廢棄的煙梗、煙末以及部分低檔次煙葉采用不同加工方法處理，制備成性狀接近或優(yōu)于天然煙葉的產(chǎn)品，再應(yīng)用于卷煙生產(chǎn).它不僅能使煙葉原料最大限度地得到應(yīng)用，有效降低卷煙的生產(chǎn)成本，而且可以在一定程度上使卷煙物理性能和化學(xué)成分按人們的意愿和要求得到調(diào)整和改善，從而有助于卷煙內(nèi)在品質(zhì)的提高，有利于卷煙的降焦減害.

李曉等[24]對造紙法再造煙葉中添加木漿纖維的使用量進(jìn)行研究.結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室條件下，隨著木漿纖維加入量的增加，再造煙葉的抗張強(qiáng)度、填充值和耐水性隨之增大，但厚度和定量基本無變化.ThomasAlbertPerfetti等[25]報(bào)道了一種外加添加劑的造紙法再造煙葉，通過加入維生素C來改變煙草薄片的燃燒性質(zhì)和抽吸品質(zhì)，該添加劑可在制漿過程中以水溶液或者干粉的形式加入，或者在再造煙葉形成以后以水劑的形式噴灑加入.孫霞[26]等考察了造紙法煙草薄片制造工藝中表面活性劑聚氧乙烯山梨醇酐單油酸酯添加量、萃取溫度、料液比和萃取時(shí)間等對萃取率的影響.結(jié)果表明，優(yōu)化后的煙梗萃取工藝條件為：表面活性劑聚氧乙烯山梨醇酐單油酸酯添加量0.1%、萃取溫度60 ℃、萃取時(shí)間70 min、料液比為1∶5，煙梗的萃取率為49.67%.孫德平等[27]考察了磨漿濃度、添加不同助留助濾劑對煙草基片松厚度、干濕抗張強(qiáng)度以及配抄漿料留著和濾水性的影響.結(jié)果表明：采用低濃(4%)磨漿、添加適量(0.6%左右)的殼聚糖抄造，所得煙草基片的綜合質(zhì)量較好，配抄漿料的留著和濾水性能好.同時(shí)胡安全等[28]指出目前造紙法薄片在組織結(jié)構(gòu)方面與煙葉存在較大差異，在卷煙生產(chǎn)過程中會(huì)造成含水率不一致、切絲寬度不均勻、卷煙成品混配均勻性較差等一系列問題.

2.2 煙草廢次物制紙或纖維板

早在八十年代末，我國云南、山東等地已經(jīng)用煙梗生產(chǎn)紙漿.二十世紀(jì)初，菲律賓致力于煙梗生產(chǎn)的原紙漿產(chǎn)品來生產(chǎn)紙板，取得一定進(jìn)展.

王玉勤[29]公布了一種廢棄煙梗、葉制漿造紙工藝：在廢紙回收漿中較大比例的加入廢棄煙梗、葉，仍能加工出合格的黃板紙，使造紙成本大幅降低，而且不存在排廢污染環(huán)境的問題.劉維涓等[30]公布了一種利用廢煙梗制造煙草栽培用紙的方法：將廢煙梗送入萃取裝置中進(jìn)行萃取，然后固液分離和碎漿，加入重量百分?jǐn)?shù)為10%～20%的長纖維木漿，再將混合漿料加水稀釋后抄造成形并進(jìn)行前干燥處理得到紙幅，將紙幅涂布后干燥處理，即獲得煙草栽培用紙.制得的煙草栽培用紙不僅具有較好的保溫、保濕、遮光、透氣性，又能促進(jìn)煙苗生長，且是綠色環(huán)保的可替代塑料薄膜的煙草栽培用紙.

同時(shí)煙桿木質(zhì)化纖維扁而寬、易扭曲,是制造高密度纖維板的理想原料.且由于煙桿纖維中含有一定量的果膠和木素,這些物質(zhì)在165～175 ℃下變粘,在高壓作用下可將纖維彼此粘結(jié)起來,再加上在高壓加熱條件下，纖維表面的纖維分子之間的分子引力和氫鍵結(jié)合力的作用，可以實(shí)現(xiàn)無膠制板.使用煙桿制造纖維板即解決了廢棄煙桿對環(huán)境的損害，又緩解了以木材為原料的工業(yè)對森林的砍伐.蔡靜蕊[31]提出以煙桿為主，搭配楊木等無異味木材纖維原料，用半干法制造煙桿無膠高密度纖維板.這種無膠高密度纖維板無異味，可作為煙草加工行業(yè)所需的煙夾板，經(jīng)板面裝飾后可作為綠色裝飾材料.菲律賓的Reynaldo C Castro等[32]于2000年研制出以煙桿為原料，酚醛樹脂為粘結(jié)劑制造低中高密度纖維板的技術(shù),其目的偏重于使這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化.需要注意的是煙桿中含有果膠，制成纖維板可能會(huì)招惹昆蟲.洛陽等[33]以煙稈為主要原料，切段刨花干燥后配以11 %～13%的粘結(jié)劑，在140～180 ℃溫度和14～18 kg/cm2壓力作用下固化而成，粘結(jié)劑由低毒快速固化脲醛樹脂膠、氯化銨、尿素構(gòu)成.采用本發(fā)明制成的板材強(qiáng)度高、光潔度好，厚料易得，工藝簡單，而且煙稈內(nèi)含有煙堿，可防止蟲蛀、是建筑、家俱業(yè)理想的木材代用品. 600 kg煙桿可生產(chǎn)1 m3刨花板，而普通刨花板是將木質(zhì)碎料用合成樹脂膠粘接而成的板材，在我國和世界各國都得到很大發(fā)展，這為提高木材利用率和保護(hù)森林資源起到十分重要的作用.

煙桿也可以作為造紙的原料，朱松堅(jiān)[34]以廢棄煙桿、梗、葉等為原料，通過煙草植物制備工段、煙纖物料與可溶性物質(zhì)分離、化學(xué)微調(diào)和機(jī)械分絲改性等工藝制成合格漿板.張先進(jìn)[35]等以煙桿為原料，采用一定比例的亞硫酸鹽和氫氧化鈉藥液預(yù)浸，在一定工藝條件下蒸煮至原料軟化，然后用機(jī)械的方法疏解和兩次磨漿，然后上網(wǎng)抄造，得到煙桿纖維漿板.煙桿纖維漿板可為國內(nèi)生產(chǎn)煙草薄片提供優(yōu)質(zhì)漿料，同時(shí)也為煙桿資源開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域.

2.3 煙梗直接切絲工藝

煙葉中約含有 25%的煙梗，煙梗纖維素含量較高，經(jīng)膨脹工藝生產(chǎn)的梗絲使用在卷煙產(chǎn)品上，不僅可降低原料消耗，而且能夠降低卷煙焦油含量、平衡煙氣、改善煙支燃燒性能[36].目前制梗絲工藝已相當(dāng)成熟，使得煙梗的有效利用率和梗絲加工質(zhì)量大幅度提高.

煙梗切絲工藝流程:

圖2 煙梗制絲工藝簡易流程圖

ESS(Expanded Shredded Stem)ESS是一種新型的梗絲處理技術(shù)，由英國 DICKINSON-LEGG 公司研發(fā)的.ESS工藝是和傳統(tǒng)的梗絲處理方法完全不同的處理工藝.經(jīng)過 ESS設(shè)備處理后產(chǎn)品呈顆粒狀，富有彈性，填充能力強(qiáng)，而且與傳統(tǒng)的梗絲相比，ESS 梗絲的降焦效果更加顯著.目前這種設(shè)備已被江蘇中煙工業(yè)公司徐州卷煙廠國內(nèi)第一家引進(jìn)，生產(chǎn)的產(chǎn)品在卷煙配方中已經(jīng)得到應(yīng)用.筆者將造紙工業(yè)中的高得率制漿工藝設(shè)備應(yīng)用到煙梗成絲工藝中，開發(fā)出一種高效、快速、高質(zhì)量的煙梗成絲工藝.得到的梗絲經(jīng)篩分和經(jīng)膨化處理，添加到卷煙中.梗絲能有效降低煙草中的焦油、尼古丁、 CO等有害物質(zhì)的含量，提高煙廠的經(jīng)濟(jì)效益.

3 生物技術(shù)在煙草廢次物綜合利用上的應(yīng)用

除上述煙草廢次物成分的提取外，生物技術(shù)的廣泛應(yīng)用，也為煙草廢物的利用開辟了途徑.

張怡[37]等用廢次煙草替代固態(tài)發(fā)酵中的麩皮等有機(jī)載體以由于發(fā)酵蘇云金桿菌.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所生產(chǎn)產(chǎn)品的生物殺蟲效果明顯，為煙草廢料的循環(huán)利用開辟了新途徑.李超[38]等以煙草廢料煙梗為原料，采用正交組合設(shè)計(jì)方法，對蘇云金桿菌的液態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基配方和發(fā)酵適宜條件進(jìn)行搖瓶優(yōu)化篩選.結(jié)果表明，煙梗液態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基的最佳組合為：煙梗液態(tài)基礎(chǔ)培養(yǎng)基添加1.5%的蛋白胨，0.4%的酵母膏，0.5%的葡萄糖，0.1% 的磷酸二氫鈉.發(fā)酵適宜條件為：接種量在1%，pH 7，溫度 30 ℃，搖床轉(zhuǎn)速180 r/min.高明等[39]采以煙梗為原料進(jìn)行了高溫好氧發(fā)酵制作有機(jī)肥的研究.結(jié)果表明，在不添加外源營養(yǎng)的情況下，煙梗原料可快速升溫發(fā)酵，10 d左右溫度達(dá)到最高值.添加發(fā)酵菌劑可加速煙梗有機(jī)肥的腐熟，堆體最高溫度為67 ℃，高溫(≥50 ℃)持續(xù)時(shí)間延長，有機(jī)肥發(fā)酵腐熟周期可縮短5 d.堆肥結(jié)束時(shí)含水40.28%， pH7.3，有機(jī)質(zhì)65.05%，GI 86.67%，大于堆肥腐熟指標(biāo)的臨界點(diǎn)80.00%；肥料樣品呈黑褐色，具有土腥味，無煙草氣味；含有豐富營養(yǎng)元素，其中含量較高的是氮2.59% 、鉀6.75% 、磷0.48% 和鐵338.10 mg/kg等.

4 結(jié)束語

煙草廢次物的綜合利用，一直受到國內(nèi)外研究者的重視，煙草的綜合利用是煙草行業(yè)21世紀(jì)的重要研究方向，也是煙草農(nóng)業(yè)與卷煙工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求.目前，煙草廢次多用于提取煙堿、茄尼醇等用作制藥原料，以及生產(chǎn)煙草薄片和煙梗直接切絲.關(guān)于煙草廢次的研究，建議重點(diǎn)考慮以下2方面：(1)煙草廢次物中除含有煙堿、茄尼醇、果膠、蛋白質(zhì)外，還含有氨基酸、有機(jī)酸類和糖等化學(xué)成分，煙草廢次中有效成分的高效提取、多種物質(zhì)的復(fù)合提取成為以后科研的方向.(2)輥壓法薄片的成絲率低、大量添加卷煙后吃味差，且提高了產(chǎn)品的焦油含量；煙梗絲由于其香氣和風(fēng)格上的缺陷，也不宜大量添加.因此開發(fā)高品質(zhì)的造紙法煙草薄片和梗絲的膨化、調(diào)香的配套工藝是產(chǎn)品研發(fā)的方向.合理開發(fā)、綜合利用，使煙草廢次物不僅作為卷煙工業(yè)原料，而且成為化工、食品以及醫(yī)藥的重要原料，煙草的生產(chǎn)將會(huì)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益.

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