烟草废次物综合利用研究进展

2012-02-16徐永建谭海风

陕西科技大学学报 2012年5期

徐永建，赵睿，谭海风

(1.陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安 710021; 2.湖南中烟工业公司，湖南长沙 410007)

0 引言

我国烟草的种植面积和产量均居世界首位，常年烟叶种植1 500万亩，生产烟叶175万吨.2011年烟草行业共实现工商税利7 529.56亿元，同比增长22.5%.上缴国家财政6 001.18亿元，同比增长22.8%.烟草种植与产品加工在国民经济发展中发挥着重要的作用.

烟草原叶须经采收、烘烤、晾制、加工成型等工艺方可用于卷烟制造，烟茎、烟梗、烟末等烟草废次物即在此加工过程中产生，如图1所示.

图1 产生烟草废次物的简易流程图

烟草废次物是指烟草原叶在采收以及烟草制品加工过程中产生的，未能用于制烟的烟草组成部分(制烟包括用下脚料制造膨胀烟丝或烟草薄片等)，包括烟茎(又称烟杆,烟秆)、烟梗 (即为烟叶的叶柄)、无法进行卷烟加工的低等级或者等外级烟叶、烟草植株的上部烟叶、烟花、烟种、叶脉、腋芽卷烟企业积存的烟末、烟根、根出条.各组成部分化学组成随烟草种类不同有很大变动.

表1 部分烟草废次物的化学组分[1]

作为烟草生产大国，我国每年有数十万吨烟草废次物被弃置，不但污染环境，还是对资源的极大浪费.烟梗目前的主要利用形式是提取木质素、果胶、烟碱、茄呢醇、制烟草薄片等.废次烟草的主要利用形式是(1)烟草废次物中有效物质的提取，如烟草废次物中提取烟碱、茄尼醇、果胶、烟草蛋白等；(2)制烟草薄片纸、烟梗切丝等卷烟功能材料，同时烟茎也是造纤维板，纸制品的较好原料；(3)通过生物处理等方式获得产品[2-6].

1 对于烟草废次物有效成分提取

1.1 烟草废次物提取烟碱

烟碱(又叫尼古丁nicotine)，主要存在于废次烟叶和烟梗中，其化学名称为S-3-(1-甲基-2-吡咯烷基)吡啶，分子式为C10H11N，烟碱是一种中枢神经兴奋剂，吸食后使人产生生理和心理上的依赖性，是让人成瘾的物质.此外烟碱能广泛应用于精细化工、制药、有机合成、国防工业和农业等领域.含量为40%的硫酸烟碱可用于配制专门用于粮食、油料、蔬菜、水果等食用农作物的无残留、无公害高效杀虫剂及生物农药[7].

从废次烟草中提取烟碱的方法有多种如[8,9],(1)水蒸汽蒸馏法是最常采用的形式，但该方法生产能耗高，收率低，浓度低；(2)离子交换法，离子交换法提取烟碱具有生产周期短、能耗低的优点，但是离子交换所用树脂的预处理、再生较麻烦，目前尚处于实验室小试研究阶段；(3)超临界溶剂萃取法，该方法是目前提取天然烟碱最有前景的方法之一.它是基于一种溶剂对固体和液体的萃取能力和选择性在超临界状态下较之在常温和常压下可获得极大提高萃取的新方法.

王星敏[10]等采用复合萃取剂，利用碱化双相法提取废次烟草中天然活性成分烟碱.结果表明：选择复合萃取剂氯仿-正己烷，浸提液pH值为11，萃取相比为2∶6，浸提3.5 h，萃取10 min，反萃剂H2SO4量为20 mL(V硫酸∶V复合萃取剂=4∶6)，烟碱提取率为90.2%.郑奎玲等[11]采取了连续萃取法使烟碱的纯度达到99%，同时得到了甲苯烟碱，有机酸烟碱盐，复配了高效、低毒、低残留的无公害农药，该农药利用10%的烟碱乳油对蚜虫触杀，处理48 h，1 000倍液处理的校正死亡率达93.22%.同时王星敏[12]等采用酶促反应利用微生物发酵，微波协助方式处理废次烟叶提取烟碱.实验结果表明：选用白腐真菌和管囊酵母(1∶1)在微波协助处理下，接种量40%，pH=6，30℃发酵48 h，得到烟草中烟碱溶出浓度为3.291 g/L.

1.2 烟草废次物提取茄尼醇

茄尼醇是一种不饱和的聚异戊二烯醇，属四倍半萜醇，分子式为C45H74O，分子量630，为蜡状白色固体，熔点42 ℃，易溶于有机溶剂，不溶于水，无旋光活性.茄尼醇具有抗菌、消炎和止血作用，是药物合成重要的医药中间体，常用于合成抗心血管疾病、抗癌、抗溃疡等药物，同时也是合成辅酶Q10和维生素K2的主要原料[13].随着市场对辅酶Q10的需求量不断增大[14]，从废次烟草中提取茄尼醇，不仅能获得一种重要的医药原料，而且可以提高烟草工业附加值.废次烟草经粉碎用丙酮浸泡过滤，蒸去溶剂即可得到废次烟草的茄尼醇浸膏.烟草中总茄尼醇含量约为3%，以游离态和结合态两种形式存在，其中68%以酯的形式存在[15].烟草中的茄尼醇主要集中在烟叶中，质量分数约为0.45%，其次为烟梗，质量分数约为0.037%，而烟根和烟茎中茄尼醇的量很低[16].

烟草废次提取茄尼醇的方法很多，国外早期的生产方法是以黄种烟叶为原料，用正己烷或甲醇作抽提剂，加热搅拌抽提2～3次，过滤，滤液浓缩制得茄尼醇粗品，再经皂化、离心、萃取及高效液相色谱精制，最终得到高纯度的产品.但以烟叶为原料制备茄尼醇资金投入大、高纯度己烷溶剂成本高、甲醇毒性较大、工艺操作繁琐费时.

针对上述缺点，岑波[17]等人找到一种廉价易得的PE溶剂，无论是茄尼醇的提取率还是溶剂的回收率方面均优于正己烷.此外，有学者通过薄层色谱法从废烟叶中提取茄尼醇，并以库仑滴定法测定茄尼醇含量，该方法操作简便，对茄尼醇的提取也是一种有益的探索.周新光[18]从废弃烟草中提取得到茄尼醇浸膏和烟碱提取液，茄尼醇浸膏皂化后用柱色谱方法，可得纯度95.7%的茄尼醇，收率 80%.夏敏[19]以无水乙醇为提取溶剂，分别用超声法和微波法对废次烟草进行提取，研究微波功率、固液比和烟末粒度3因素对微波提取的影响.结果表明，用无水乙醇作溶剂，微波提取茄尼醇的提取效果明显优于超声提取，且缩短了提取时间.张海波等[20]研究了以乙醇为萃取剂，从废次烟梗中提取茄尼醇的最佳工艺条件：提取剂为95%的乙醇，料液比1∶10，在70 ℃提取9 h，达到最大提取率79.6%. 孙心齐[21]通过比较HZ-802、HZ-803、HZ-803A、HZ-841四种非极性大孔吸附树脂对茄尼醇的静态、动态吸附及解吸性能，研究了其相应的静态吸附动力学过程和茄尼醇溶液的浓度对吸附性能的影响，考察了用大孔吸附树脂纯化茄尼醇的方法.

1.3 烟草废次物提取果胶

果胶是一种水溶性植物胶，属天然高分子化合物，广泛存在于多种植物的细胞组织中.果胶最重要的特性就是胶凝作用，在食品、轻工、医药等行业广泛用作乳化剂、胶凝剂和增稠剂.研究表明，烟梗中的果胶含量较高，极具提取价值.

鲁蕾[22]采用“酸液浸提一铁盐沉析”的工艺制备烟梗果胶.浸提pH控制在1.3～1.6，浴比1∶24～1∶30，温度70 ℃，时间80 min，结果显示，所得烟梗果胶的主要质量指标符合GBn246-85的相关规定，样品中的果胶质含量为90.9%，甲氧基含量为11.9%.赵世民[23]将脱色后的烟梗在酸性条件下加热，以浸出其中的果胶，然后用乙醇溶液将浸出液中的果胶沉淀析出.试验结果表明，果胶的最佳提取条件为：液固比等于 14/1(mL/g)，提取温度为 80 ℃，提取时间为2 h，提取液的 pH 值为1.0，沉淀析出果胶时，提取液中乙醇的浓度为50%，果胶的最大收率可以达到 9.4%左右.

1.4 烟草废次物提取蛋白质

植物蛋白是蛋白质的一种，是从植物中直接提取出来的蛋白质制品，营养与动物蛋白相仿，但是更易于消化.烟草可以提供大量与高质量的植物蛋白.烟草的植物蛋白含量为10. 68%，与玉米，甘蔗相当，且营养价值高于酪蛋白和鸡蛋[6].在美国种植条件下，从每亩烟草中可获200 kg以上烟叶总蛋白和40 kgF-1-p蛋白，相当于每亩大豆提供蛋白的5倍[1]，其价值可达6 000美元/英亩，远超传统用途的2 500美元/英亩.还可以在8月烟叶收割完毕后继续栽培烟株获取新叶，从新叶中获取植物蛋白.

化学家W ildman认为，烟草蛋白在绿色植物蛋白质中占有极其重要的地位，因为从烟草中可获取纯的晶态的Fraction-1-protein(F-1-p-a与其同质物占烟草植株可溶蛋白的一半)，更为重要的是，烟草F-1-p可能是营养与功能最丰富的食用蛋白.

2 烟草废次物制功能性材料

2.1 烟草废次物制烟草薄片

烟草薄片是烟草废次物利用的重要途径.烟草薄片又称再造烟叶或匀质烟叶，它是烟草工农业生产中的综合利用产物.该技术是将整个卷烟生产过程中废弃的烟梗、烟末以及部分低档次烟叶采用不同加工方法处理，制备成性状接近或优于天然烟叶的产品，再应用于卷烟生产.它不仅能使烟叶原料最大限度地得到应用，有效降低卷烟的生产成本，而且可以在一定程度上使卷烟物理性能和化学成分按人们的意愿和要求得到调整和改善，从而有助于卷烟内在品质的提高，有利于卷烟的降焦减害.

李晓等[24]对造纸法再造烟叶中添加木浆纤维的使用量进行研究.结果表明，在实验室条件下，随着木浆纤维加入量的增加，再造烟叶的抗张强度、填充值和耐水性随之增大，但厚度和定量基本无变化.ThomasAlbertPerfetti等[25]报道了一种外加添加剂的造纸法再造烟叶，通过加入维生素C来改变烟草薄片的燃烧性质和抽吸品质，该添加剂可在制浆过程中以水溶液或者干粉的形式加入，或者在再造烟叶形成以后以水剂的形式喷洒加入.孙霞[26]等考察了造纸法烟草薄片制造工艺中表面活性剂聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯添加量、萃取温度、料液比和萃取时间等对萃取率的影响.结果表明，优化后的烟梗萃取工艺条件为：表面活性剂聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯添加量0.1%、萃取温度60 ℃、萃取时间70 min、料液比为1∶5，烟梗的萃取率为49.67%.孙德平等[27]考察了磨浆浓度、添加不同助留助滤剂对烟草基片松厚度、干湿抗张强度以及配抄浆料留着和滤水性的影响.结果表明：采用低浓(4%)磨浆、添加适量(0.6%左右)的壳聚糖抄造，所得烟草基片的综合质量较好，配抄浆料的留着和滤水性能好.同时胡安全等[28]指出目前造纸法薄片在组织结构方面与烟叶存在较大差异，在卷烟生产过程中会造成含水率不一致、切丝宽度不均匀、卷烟成品混配均匀性较差等一系列问题.

2.2 烟草废次物制纸或纤维板

早在八十年代末，我国云南、山东等地已经用烟梗生产纸浆.二十世纪初，菲律宾致力于烟梗生产的原纸浆产品来生产纸板，取得一定进展.

王玉勤[29]公布了一种废弃烟梗、叶制浆造纸工艺：在废纸回收浆中较大比例的加入废弃烟梗、叶，仍能加工出合格的黄板纸，使造纸成本大幅降低，而且不存在排废污染环境的问题.刘维涓等[30]公布了一种利用废烟梗制造烟草栽培用纸的方法：将废烟梗送入萃取装置中进行萃取，然后固液分离和碎浆，加入重量百分数为10%～20%的长纤维木浆，再将混合浆料加水稀释后抄造成形并进行前干燥处理得到纸幅，将纸幅涂布后干燥处理，即获得烟草栽培用纸.制得的烟草栽培用纸不仅具有较好的保温、保湿、遮光、透气性，又能促进烟苗生长，且是绿色环保的可替代塑料薄膜的烟草栽培用纸.

同时烟杆木质化纤维扁而宽、易扭曲,是制造高密度纤维板的理想原料.且由于烟杆纤维中含有一定量的果胶和木素,这些物质在165～175 ℃下变粘,在高压作用下可将纤维彼此粘结起来,再加上在高压加热条件下，纤维表面的纤维分子之间的分子引力和氢键结合力的作用，可以实现无胶制板.使用烟杆制造纤维板即解决了废弃烟杆对环境的损害，又缓解了以木材为原料的工业对森林的砍伐.蔡静蕊[31]提出以烟杆为主，搭配杨木等无异味木材纤维原料，用半干法制造烟杆无胶高密度纤维板.这种无胶高密度纤维板无异味，可作为烟草加工行业所需的烟夹板，经板面装饰后可作为绿色装饰材料.菲律宾的Reynaldo C Castro等[32]于2000年研制出以烟杆为原料，酚醛树脂为粘结剂制造低中高密度纤维板的技术,其目的偏重于使这项技术商业化.需要注意的是烟杆中含有果胶，制成纤维板可能会招惹昆虫.洛阳等[33]以烟秆为主要原料，切段刨花干燥后配以11 %～13%的粘结剂，在140～180 ℃温度和14～18 kg/cm2压力作用下固化而成，粘结剂由低毒快速固化脲醛树脂胶、氯化铵、尿素构成.采用本发明制成的板材强度高、光洁度好，厚料易得，工艺简单，而且烟秆内含有烟碱，可防止虫蛀、是建筑、家俱业理想的木材代用品. 600 kg烟杆可生产1 m3刨花板，而普通刨花板是将木质碎料用合成树脂胶粘接而成的板材，在我国和世界各国都得到很大发展，这为提高木材利用率和保护森林资源起到十分重要的作用.

烟杆也可以作为造纸的原料，朱松坚[34]以废弃烟杆、梗、叶等为原料，通过烟草植物制备工段、烟纤物料与可溶性物质分离、化学微调和机械分丝改性等工艺制成合格浆板.张先进[35]等以烟杆为原料，采用一定比例的亚硫酸盐和氢氧化钠药液预浸，在一定工艺条件下蒸煮至原料软化，然后用机械的方法疏解和两次磨浆，然后上网抄造，得到烟杆纤维浆板.烟杆纤维浆板可为国内生产烟草薄片提供优质浆料，同时也为烟杆资源开辟了一个新的应用领域.

2.3 烟梗直接切丝工艺

烟叶中约含有 25%的烟梗，烟梗纤维素含量较高，经膨胀工艺生产的梗丝使用在卷烟产品上，不仅可降低原料消耗，而且能够降低卷烟焦油含量、平衡烟气、改善烟支燃烧性能[36].目前制梗丝工艺已相当成熟，使得烟梗的有效利用率和梗丝加工质量大幅度提高.

烟梗切丝工艺流程:

图2 烟梗制丝工艺简易流程图

ESS(Expanded Shredded Stem)ESS是一种新型的梗丝处理技术，由英国 DICKINSON-LEGG 公司研发的.ESS工艺是和传统的梗丝处理方法完全不同的处理工艺.经过 ESS设备处理后产品呈颗粒状，富有弹性，填充能力强，而且与传统的梗丝相比，ESS 梗丝的降焦效果更加显著.目前这种设备已被江苏中烟工业公司徐州卷烟厂国内第一家引进，生产的产品在卷烟配方中已经得到应用.笔者将造纸工业中的高得率制浆工艺设备应用到烟梗成丝工艺中，开发出一种高效、快速、高质量的烟梗成丝工艺.得到的梗丝经筛分和经膨化处理，添加到卷烟中.梗丝能有效降低烟草中的焦油、尼古丁、 CO等有害物质的含量，提高烟厂的经济效益.

3 生物技术在烟草废次物综合利用上的应用

除上述烟草废次物成分的提取外，生物技术的广泛应用，也为烟草废物的利用开辟了途径.

张怡[37]等用废次烟草替代固态发酵中的麸皮等有机载体以由于发酵苏云金杆菌.实验结果表明，所生产产品的生物杀虫效果明显，为烟草废料的循环利用开辟了新途径.李超[38]等以烟草废料烟梗为原料，采用正交组合设计方法，对苏云金杆菌的液态发酵培养基配方和发酵适宜条件进行摇瓶优化筛选.结果表明，烟梗液态发酵培养基的最佳组合为：烟梗液态基础培养基添加1.5%的蛋白胨，0.4%的酵母膏，0.5%的葡萄糖，0.1% 的磷酸二氢钠.发酵适宜条件为：接种量在1%，pH 7，温度 30 ℃，摇床转速180 r/min.高明等[39]采以烟梗为原料进行了高温好氧发酵制作有机肥的研究.结果表明，在不添加外源营养的情况下，烟梗原料可快速升温发酵，10 d左右温度达到最高值.添加发酵菌剂可加速烟梗有机肥的腐熟，堆体最高温度为67 ℃，高温(≥50 ℃)持续时间延长，有机肥发酵腐熟周期可缩短5 d.堆肥结束时含水40.28%， pH7.3，有机质65.05%，GI 86.67%，大于堆肥腐熟指标的临界点80.00%；肥料样品呈黑褐色，具有土腥味，无烟草气味；含有丰富营养元素，其中含量较高的是氮2.59% 、钾6.75% 、磷0.48% 和铁338.10 mg/kg等.

4 结束语

烟草废次物的综合利用，一直受到国内外研究者的重视，烟草的综合利用是烟草行业21世纪的重要研究方向，也是烟草农业与卷烟工业可持续发展的必然要求.目前，烟草废次多用于提取烟碱、茄尼醇等用作制药原料，以及生产烟草薄片和烟梗直接切丝.关于烟草废次的研究，建议重点考虑以下2方面：(1)烟草废次物中除含有烟碱、茄尼醇、果胶、蛋白质外，还含有氨基酸、有机酸类和糖等化学成分，烟草废次中有效成分的高效提取、多种物质的复合提取成为以后科研的方向.(2)辊压法薄片的成丝率低、大量添加卷烟后吃味差，且提高了产品的焦油含量；烟梗丝由于其香气和风格上的缺陷，也不宜大量添加.因此开发高品质的造纸法烟草薄片和梗丝的膨化、调香的配套工艺是产品研发的方向.合理开发、综合利用，使烟草废次物不仅作为卷烟工业原料，而且成为化工、食品以及医药的重要原料，烟草的生产将会产生更大的经济、社会、生态效益.

[1] 谢渝湘,刘强.烟碱预防帕金森氏综合症和老年痴呆症的分子机理[J].中国烟草学报, 2006, 12(4): 25-30.

[2] 朱荣誉,于学玲.烟草废弃物的综合利用[J].中国野生植物资源,2002,18(3):25-27.

[3] 张怡,靳清河.连续带渣浸提法提取天然烟碱[J].中国烟草科学,2000,21(4):31-34.

[4] 段文贵,陈小鹏.从烟草中提取茄尼醇的方法[J].林产化工通讯,2000,34(4):39-41.

[5] 剂晓庚.叶蛋白的资源、特征、加工和综合利用[J].林产化工通讯,1998,32(4):39-41.

[6] 赵瑾,王超杰.低次烟叶的综合开发与利用[J].烟草科技,1997,41(2):26-27.

[7] 彭靖里,马敏象.论烟草废弃物的综合利用技术及其发展前景[J].中国资源综合利用, 2001,20(8):18-20.

[8] 北京医学院.北京中医学院.中草药成分化学仁[M].北京:人民卫生出版社,1983.

[9] 王幼君,李淑芬.茄尼醇和尼古丁的提取与工艺研究[J].天津化工,2003,17(3):37-40.

[10] 王星敏,张桂芝.碱化双相提制废次烟草中烟碱的资源化利用[J].西南大学学报, 2010, 32(7):124-127.

[11] 郑奎玲,余丹梅.废弃烟叶的综合利用现状[J].重庆大学学报,2004,27(3)：61-64.

[12] 王星敏,徐龙君.微生物酶促高效提制废次烟草中烟碱的研究[J].环境工程学报,2010,4(12)：2 876-2 878.

[13] WESTD D. Synthesis of coenzyme Ql0 ubiquinone[P].US：20040151711,2004-02-03.

[14] 王非,郑珩.高纯度茄尼醇的现状与市场前景[J].化工进展,2005,24(6):692.

[15] SEVERSON R F. Gas chromatographicmethod for the determination of free and total solanesol in tobacco[J]. Chromat, 1977,139(2): 269-282.

[16] 胡江涌,梁勇.烟草各部位中茄尼醇含量分布研究[J].分析试验室,2007,26(12):106-108.

[17] 岑波,段文贵.从废次烟草中提取茄尼醇的新工艺研究[J].广西大学学报,2002,27(3):240-241.

[18] 周新光,薛华欣.废弃烟草中茄尼醇和烟碱的提取[J].中国医药工业杂志,2006, 37(7):458-459.

[19] 夏敏.废次烟草中茄尼醇提取条件的研究[J].安徽农业科学,2008,36(35):15 287-15 288.

[20] 张海波,王洪新.废次烟叶中茄呢醇的提取及含量测定[J].河南工业大学学报, 2005,26(2):44-47.

[21] 孙心齐,王超杰.从废次烟叶中提取茄尼醇的研究[J].河南大学学报, 1995,25(2):37-39.

[22] 鲁蕾.烟梗果胶的制备及其性质的研究[D].成都:四川大学学位论文,2004.

[23] 赵世民,吕清霞.从烟梗中提取果胶的条件研究[J].现代农业科技,2010,39(1):337-338.

[24] 李晓,徐亮,张彩云,等.木浆纤维加入量与造纸法再造烟叶物理指标的关系研究[C].中国烟草学会工业委员会烟草工艺学术研讨会论文集, 2007.

[25] Thomas Albert Perfett,iDillard McGee JR, James Fitzgerald Best JR, eta.l Reconstituted tobaccos containing additivematerials[P].US:0034220A1,2007-02-15.

[26] 孙霞,苏文强.Tween-80在造纸法烟草薄片萃取工艺中的应用[J].造纸化学品,2010,22(6):25-29.

[27] 孙德平, 徐建峰.造纸法烟草薄片打浆工艺和助留助滤剂的研究[J].中华纸业, 2010,22(31):43-47.

[28] 胡安全,许衡.造纸法烟草薄片在卷烟应用中存在的问题研究[J].硅谷,2010,9(24):63-64 .

[29] 王玉勤.废弃烟梗、叶制浆造纸工艺[P].中国专利: CN1354302,2002-06-19.

[30] 刘维涓,周红光.利用废烟梗制造烟草栽培用纸的方法[P].中国专利: CN101871178A,2010-10-27.

[31] 蔡静蕊,李光沛,鹿振友.烟杆无胶纤维板的研制与应用前景[J].林产工业,2002,29(5): 16-18.

[32] Reynaldo C Castro,Shirley C Agrupis.利用烟杆制造纤维板的研究[J].烟草科技,2000, 23(7):15-16.

[33] 洛阳,包学耕.一种用烟秆制造板材的方法[P]. 中国专利: CN1032636,1989-05-03.

[34] 朱松坚.废弃烟杆、梗、叶制造多用途纸浆的方法[P]. 中国专利: CN1140215, 1997-01-15.

[35] 张先进,李国祥.亚硫酸盐烟杆半化学浆生产技术[P].中国专利: CN1062564, 1992-07-08.

[36] 李坚,吴敬华.碎烟梗筛分对卷烟梗丝加工质量的影响[J].广西轻工业，2009,26(2):46-47.

[37] 张怡,杨天雪.废次烟草作为载体在固态发酵体系中的综合利用[J].烟草科技,2000,44(7):5-7.