烟草木质素研究进展

陈善义 孔蒙蒙 詹仁锋 陈千思 叶润 方璟

摘要 木质素是植物细胞壁的重要组成部分，在烟草生长过程中木质素对增强其抗病和抗倒伏能力发挥重要作用。本文对烟草木质素的结构和组成、含量测定、烟草木质素含量的影响因素、木质素含量对烟叶及烟草薄片质量的影响以及烟草木质素的降解方法进行概述，对烟草中木质素脱除或降解研究作了展望。

關键词 烟叶；烟草薄片；木质素；品质；降解

中图分类号 Q943.2   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）03-0144-04

木质素是3种羟基肉桂醇（对香豆醇、针叶醇和硫萘基醇）自由基偶联脱氢形成的存在于植物支持组织中的有机聚合物，对植物细胞壁的形成至关重要，是地球上仅次于纤维素的第二大可再生碳源[1]。木质素是可再生芳香族化合物的独特非石油资源，具有羟基、甲氧基、羧基等多种活性官能团，被认为是可替代石油基聚合物生产商业产品的优良原料，常被用于分散剂、生物燃料、胶粘剂、絮凝剂、酚醛树脂、复合膜材料、碳纤维、聚氨酯泡沫、水凝胶等领域[2]。

在烟草生长过程中，木质素对增强烟株抗倒伏能力及抵御病原微生物入侵发挥重要作用。烟草中的木质素对于卷烟吸食品质有2个方面的影响：一方面，在烟叶烘烤、仓储醇化过程中，木质素降解产生的苯甲醛、苯乙醛等小分子致香物质可以改善烟叶品质；另一方面，在卷烟燃烧过程中，木质素通过热解产生酚类[3]、醛类、稠环芳烃等有害物质，影响卷烟吸食的安全性。为进一步了解烟草木质素，本文对烟草木质素的结构和组成、含量测定、木质素含量的影响因素、木质素对烟叶及烟草薄片质量的影响、烟草木质素的降解途径等方面进行综述，并对未来的相关研究作了展望。

1 烟草木质素的组成和结构

木质素在烟叶中的含量为2%～4%，在烟梗中的含量则更高，为4%～6%[4]。闫克玉等[5]研究发现我国福建、贵州、云南、四川、山东、河南6省烟区的研烟叶木质素的含量为3.5%～7.5%。木质素由对羟基苯基（H）、愈创木基（G）以及紫丁香基（S）3种基本单元组成。二维核磁共振波谱分析表明，愈创木基是烟草木质素最主要的基本单元，其相对含量为50.72%～73.50%，紫丁香基相对含量为15.62%～26.51%，而对羟基苯基的相对含量则为5.66%～28.90%[6]。不同烟叶部位，其3种基本单元的相对含量不同。自上部到下部，紫丁香基单元的相对含量逐渐减少，愈创木基和对羟基苯基单元的相对含量逐渐增加[6]。

2 烟草木质素含量的测定方法

2.1 化学法

烟草木质素含量化学法测定是将蛋白质、淀粉、纤维素、半纤维素以及脂类等用有机溶剂和酸或碱溶解，对剩余固体进行干燥、灰化，此方法是依照现行的YC/T 347—2010行业标准[7]，即用72%浓硫酸溶液去除脱脂后试验样品的可溶性物质，经干燥、灰化、重量法得到酸洗木质素的含量。但该方法存在忽略酸溶木质素含量测定的缺陷[8]，造成测得的木质素含量比实际结果偏小。为此，纪楷滨[9]、孔浩辉等[10]利用半纤维素和纤维素在低温下能够溶解在氢氧化钠-尿素溶液中、而木质素微溶的原理，用氢氧化钠-尿素测定法对酸溶木质素含量进行测定，该方法的实现过程大致如下：用氢氧化钠-尿素溶液预处理研磨后的样品，将水溶性糖类等杂质去除，离心后所得下层固体加入17.5%浓硫酸，以此断开纤维素与木质素之间的连接键，并去除部分半纤维素，离心稀释上清液，于325 nm处测定吸光值；同时，离心后所得下层固体用氢氧化钠-尿素溶液低温下再次处理，以溶解样品中的纤维素和半纤维素，经过滤、水洗后滤渣干燥至恒重，称量并计算得到酸不溶木质素含量，而烟草木质素总含量即为酸溶和酸不溶木质素含量总和。但是，长链脂肪酸酯类物质在氢氧化钠-尿素中溶解性较差[11]，因而对于该类物质的抗干扰能力不强，对此，臧福坤等[8]为进一步消除干扰物（水溶性较差的脂质）对木质素测定的影响，优化处理溶剂的选用，发现采用中性洗涤剂对烟梗、烟片、烟末的干扰物去除率较氢氧化钠-尿素溶液提高13%～16%，测定结果相对标准偏差仅为2.03%。

2.2 物理法

中红外光谱分析法在有机高分子化合物结构鉴定和化学组成的分析中有广泛应用，在烟草木质素含量测定中也有报道。吴舜等[12]使用中红外光谱分析法对烟草木质素参比物进行分析后，确定在1 480～1 560 cm-1范围内的吸收峰是烟草木质素化合物的特征吸收峰，并对其进行Savitsky-Golay法拟合分峰，将拟合峰面积与烟草木质素参比物用量进行线性回归，其决定系数可达0.991 4，平均加标回收率为96.96%～106.01%，该方法大大缩短了测定时长。

3 烟草木质素含量的影响因素

烟叶的产地、部位、醇化时间、品质对木质素含量有重要影响。楚文娟等[13]系统地研究了2007—2014年河南烟区98个烟叶样品木质素的含量，不同产地烟叶的木质素含量差异极其显著，其排序为洛阳>许昌>南阳>三门峡>平顶山；烟叶自上部到下部的木质素总含量呈现递增趋势，其中酸溶木质素含量、总木质素含量在部位间的差异达到极显著水平；随着醇化时间的延长，烟叶总木质素含量呈缓慢增加趋势，不同醇化时长的样品酸不溶木质素含量差异显著。品质因素方面，相同的烟叶部位，柠檬黄的烟叶木质素含量高于桔黄的烟叶；木质素含量随烟叶厚度增加逐渐降低；烟叶油分由多到少，木质素的含量略呈升高之势[5]。不同品种之间木质素含量差异不显著[14]。

4 木质素对烟叶及烟草薄片质量的影响

刘晓冰等[14]通过对武陵山烤烟上部叶木质素含量与烟叶质量的相关性研究发现，木质素的含量与外观质量的油分指标、感官质量的灰色指标呈显著的负相关，与物理指标相关性较小。对烟草薄片而言，木质素的热解过程中会产生酚类化合物，影响卷烟吸食的安全性。刘刚等[3]研究发现再造烟叶中苯酚释放量随着木质素含量的增加而升高，再造烟叶中添加木质素后，苯酚及酚类物质的含量在600 ℃下分别升高49.3%和39.8%，800 ℃下分别升高28.4%和65.1%。

5 烟草木质素的降解途径

5.1 化学法

在热的甘油中加入氢氧化钾，可使溶液碱性更强，能脱除植物中的木质素，氢氧化钾可以脱除植物中的木质素。余其昌等[15]考察了薄片生产过程中蒸煮温度、氢氧化钾用量、甘油和烟梗固液比以及蒸煮时间对预处理后烟梗木质素含量的影响，发现蒸煮温度为200 ℃、氢氧化钾用量45%、蒸煮固液比1∶11、蒸煮时间0.5 h时，相较于工业化水浸取工艺，木质素脱除率高达43%。采用此方法制得的薄片，感官评吸结果表明：相较于传统的水浸泡法，木质气息明显降低、香气品质改善。

乙酸是一种能有效溶解硬木和软木中木质素的溶剂[16]。张素文[4]研究了乙酸法蒸煮烟梗脱除木质素的工艺，发现烟梗经盘磨后，在最佳蒸煮工艺条件（乙酸与烟梗液固比15 mL/g、乙酸体积分数70%、催化剂HCl用量1.5%、蒸煮时间2 h）下，浆得率为73.4%，相较于传统的水浸提工艺，木质素脱除率可达29.2%。

近年来，对环境友好的绿色溶剂离子液体对木质素的去除作用也有研究。生物质大分子之间或分子内氢键可以被离子液体破坏，重新析出生物质大分子后，形成可重复利用回收的离子液体[17]。胡亚成[17]采用DMP离子液体作为溶剂，以微波輻射为加热源，在料液比1∶15、温度80 ℃下处理烟梗，木质素脱除率可达22.60%，且离子液体处理后烟梗基片的烟碱、焦油、CO等有害成分含量降低，感官质量综合指标更优。

5.2 微生物降解法

木质纤维素生物质中碳水化合物聚合物的解聚受到木质素的阻碍，复杂的化学结构和连杆异质性难以被化学和生物降解。由于木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶和多功能过氧化物酶（VP）在腐烂的木材上可被分泌，白腐菌被认为是有效的木质素降解剂[18]。宋丽丽等[19]将经烟碱驯化后的白腐菌按6%接种量接种于烟梗上，在34 ℃下液体发酵24 h，发现烟梗中木质素含量降低了23.11%。Su等[20]发现在用黄孢原毛菌和杂色栓菌发酵10 d和多毛栓菌发酵15 d后，杂色栓菌、多毛栓菌和黄孢原毛菌发酵烟秆中木质素的降解率分别为37.70%、51.56%和53.75%。通过酶活性分析，黄孢原毛菌、长毛栓菌和杂色栓菌产生的主要木质素分解酶是木质素过氧化物酶（88.62 U/L）、锰过氧化物酶（100.95 U/L）和漆酶（745.65 U/L）。同时，黄孢原毛菌发酵过程中纤维素酶活性较高且稳定。此外，利用 GC-MS对金孢假单胞菌发酵烟草秸秆中的产物鉴定发现，除木质素和尼古丁降解过程中产生的化学物质外，还检测到了一些小分子有价值的化学物质和脂肪酸。细菌对木质素的降解亦有报道，郑艳红等[21]在废次烟叶提取液浓缩液中分离出可降解木质素的枯草芽孢杆菌菌株SM，并发现该菌株能部分降解Kraft木质素中高分子量成分，而对较低分子量的木质素片段则能降解成更小的化合物。然而，使用微生物直接作用于烟梗的处理方式，存在微生物污染的风险，在生产上难以推广应用。

5.3 酶解法

自然界中存在锰过氧化物酶（MnP）、漆酶（Lac）以及木质素过氧化物酶（LiP）3种木质素降解酶。木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶对木质素的降解过程都需要过氧化氢作为氧化剂，而漆酶对木质素的降解作用则需要分子氧参与[4]。木质素的降解酶主要来源于微生物发酵[22]。于少藤等[23]从烟叶表面分离出具有木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶活性的假单胞菌yc10，在最优发酵条件（发酵时间36 h、pH7.0、发酵温度37 ℃、接种量6%、装液量80 mL、摇床转速200 r/min）下，将粗酶液作用于烟叶，发现烟叶木质素降解率为7.31%～30.43%。此外，商品化酶的运用亦有报道。魏登辉[24]采用商品化的漆酶处理烟梗梗丝，在温度45 ℃、漆酶用量20 U/g、漆酶溶液pH 6.0条件下处理3 h后，梗丝木质素降解了55.05%，感官评吸结果表明，漆酶处理后的梗丝香气质、香气量提高，杂气、刺激性降低，余味改善。

5.4 仿酶降解法

木质素的生物分解代谢已在自然界广泛存在了至少2亿年，在温和的条件下，可通过再生的酶催化实现木质素分解[24]。仿酶是将天然酶中起主导作用的降解因素（如活性中心结构）挑选出来，经人工设计合成出既比酶简单、稳定又具有酶降解功能的分子或者非蛋白质分子的集合体，兼具有天然酶的催化和化学催化的优点[25]。而铁系仿酶中Fe-羧酸复合物（Fe-CA）体系对植物木质素的降解具有较好作用[26]。魏登辉[24]在工艺优的基础上采用羧酸和亚铁离子进行Fe-CA仿酶的人工合成，并用所得仿酶处理烟梗梗丝，发现在处理温度38 ℃、处理时间31 min、仿酶用量为2.6%时，梗丝木质素降解率可达53.03%，电镜扫描发现，该仿酶处理后，梗丝表面更加整齐光滑，感官评吸结果显示仿酶处理后烟梗丝的刺激性、杂气降低，香气量增多，香气质变佳。

6 小结与展望

烟叶中的木质素一方面在烘烤和醇化过程中可转化为苯甲醛等小分子物质，对于改善烟叶吸食品质有积极作用，但在另一方面，木质素热解产生的酚类物质对烟草吸食安全性带来不利影响。因此，有必要在充分认知烟草中木质素的结构和组成、木质素含量的测定、烟草中木质素含量的影响因素等基础上，寻找脱除或降解烟草中木质素的有效途径。从目前的研究进展来看，化学法对木质素的脱除较为有效，但处理过程需要用到强酸、强碱等物质，对人员有潜在的危险因素；离子液体处理法虽然对环境友好，但处理温度较高，能耗较大；利用生物酶对烟草中的木质素进行降解，具有环境污染小、反应条件相对温和的特点，但目前生物酶对烟草木质素的降解效率较低。因此，应继续寻找和挖掘自然界中可高效产木质素降解酶的菌株，并通过基因工程、人工酶改造等手段创制催化效率更高的新品酶，为有效降低烟草中木质素含量、提高烟草吸食安全性提供更多、更优的解决方案。

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（责编：张 蓓）

基金项目 中国烟草总公司重点研发项目（110202102017）；福建中烟工业有限责任公司科技项目（FJZYK JJH2020006）。

作者简介 陈善义（1988—），男，硕士，农艺师。研究方向：烟草原料研究。

方璟*通信作者

收稿日期 2022-04-22