我国烟秆资源分布与利用途径

付晨青，仝银杏，王风芹，任天宝，宋安东*

我国烟秆资源分布与利用途径

付晨青1，仝银杏1，王风芹1，任天宝2，宋安东1*

（1. 河南农业大学生命科学学院 农业部农业微生物酶工程重点实验室，河南 郑州 450002；2. 河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002）

我国是世界范围内的烟草生产大国。烟秆作为主要的烟草废弃物资源丰富，是潜在的具有开发应用价值的农业资源废料。文章论述了我国烟秆资源的分布以及烟秆的基本组成成分，结合国内外研究资料概述了废弃烟秆在提取重要化合物、制备生物质类燃料、生产有机肥料、制备活性炭、制造纤维板等方面的应用。探讨了对烟秆的资源化利用所存在的问题和挑战，并对其未来的发展前景进行了展望。

烟草；废弃烟秆；资源化利用

烟草是我国最重要的经济作物之一，我国烟草的种植面积和产量均居世界首位，烟草种植及其产品加工在国民经济发展中发挥着十分重要的作用[1]。目前由于烟草的种植管理技术以及生产经营方式仍然较为粗放，导致每年在完成采摘和收购烟叶的任务后，大量的烟秆或被丢弃于田间或被晒干焚烧。烟草废弃物未得到有效的处理和利用，不仅造成烟草秸秆资源的浪费，而且对我国的生态环境也造成了严重影响[2]。因此，废弃烟秆的资源化利用成为迫切需要开展研究的课题之一，关系到我国烟草农业和卷烟工业的可持续发展，具有显著的社会、经济和生态效益[3]。本文综述了我国烟秆资源的分布特点、基本组成、综合利用研究现状以及成果，对其资源化利用途径进行了分析和探讨，并对其发展前景进行了展望，期望为烟草废弃物的资源化利用提供理论依据和方法借鉴。

1 我国烟草资源分布概况

我国烟草资源分布广泛，河南、山东、云南、甘肃、贵州、湖南六省是我国重要的烤烟产地。作为烟草生产大国，我国每年烟草种植面积达1 500万亩，生产烟叶450～500万吨[4]。其中云南、贵州、河南和湖南省的种植面积最大、产量最高，这四省的烟草种植面积和总产量在2002年均占到了全国的60%左右。这四省中河南省是我国最大的烤烟产区，主要分布在许昌、南阳、周口和驻马店等地[5]。我国烤烟生产区域随着历史的发展而有所变迁，山东、河南、安徽是种植烤烟最早的三大烟区；随后在抗日战争时期原有的烤烟区沦陷，云南、贵州和四川开始进行试种，烟叶品质得到明显提升并且完成了烤烟品种的更新换代，逐渐发展成为西南烟区；近年来国家对烟草生产布局进行调整，逐步向生态条件较适于优质烤烟生产、市场销路佳的南方烟区转移，实施“北烟南移”战略，逐渐形成了烤烟产区南移的趋势[6-7]。

近几年我国烤烟产区布局和产量基本稳定，达到了稳定生产阶段。目前根据区域化布局以及生态适宜性，将我国烟草种植区共划分为五大烟区，即西南烟草种植区、东南烟草种植区、长江中上游烟草种植区、黄淮烟草种植区和北方烟草种植区。但由于我国幅员辽阔，各烟区的气候和土壤条件存在差异，造成烟叶品质有所不同，形成了地域特色鲜明的烟区。西南烟区种植面积达到了60万hm2，总产量约120万吨，接近全国烟草种植面积和产量的60%，该区烤烟烟叶品质优良、特色鲜明，已发展成为我国最大的烟叶产区。其中云南的曲靖、玉溪、大理，贵州遵义，四川凉山等均是优质烤烟产地。由于有些烟区具有烟草生长的独特自然环境条件，比如适合白肋烟的长江中上游烟区和适合香料烟的北方烟区，在试种成功后并进行扩大生产，建立了规模化的生产基地，已分别成为白肋烟和香料烟的主产区[7]。

据已有资料统计，每公顷烟草收获后能产生烟秆2 250～3 000 kg，总计我国每年有烟秆216万吨[8]。过去烟秆大多直接经过粉碎被挤压成棒状燃料使用，虽然能基本达到等量燃煤的水平，但是却对大气环境造成了严重的污染，因此如何合理化利用烟秆是亟待解决的一个难题[1]。

2 烟秆主要组成成分

烟草为茄科烟草属一年生植物，具有圆柱形直立的茎秆，一般高80～150 cm，直径约3.0～5.0 cm。目前烟草体内己经检测出的化学物超过1 000多种，主要包括各种烃、醛、醌、酯、生物碱、色素、类异戊二烯衍生物、氨基酸和蛋白类等十几大类物质[9]。烟秆化学成分与木材基本类似，但由于各种成分含量的差异和一些特异性组分，造成了在利用途径上的差异。烟秆中纤维素含量大致为38.0%～45.0%[10]，与木材相比含量较低，但与玉米秸秆、稻草秸秆和高粱秆等禾本科植物非常接近；烟秆中的半纤维素含量高于木材，与上述三种农作物秸秆相比处于较低水平；木素和抽提物含量也很接近农作物秸秆。另外，有研究表明葡萄糖和木糖是烟秆中含量最丰富的单糖，分别占到了74.33%和10.45%，此外，烟秆中还可以检测到甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等小分子多糖[11]。

由此表明，烟秆可以作为较好的木质纤维素原料，同时由于其木质化程度较高，在很多方面的性能要优于农作物秸秆。另外，烟秆中的很多物质都是利用价值极高的化合物，如果能够将这些化合物提取分离，将会大大提高烟秆资源的利用率和经济价值。

表1 烟秆与其他几种农作物秸秆基本组分的对比

3 烟秆资源化利用途径

目前，废弃烟秆的资源化利用已引起了国内外研究者的广泛关注，使得其利用途径越来越完善，应用范围越来越广泛。主要集中于以下三个方面。

3.1 提取重要化合物

烟秆中含有烟碱、茄尼醇、果胶、蛋白质、氨基酸、有机酸和糖类等重要化合物，其中烟碱、茄尼醇等物质是烟秆所特有的组分并且含量很高。所以国内外的一些研究机构和公司都致力于这些物质的提取再利用的研究，在提取纯化工艺和设备方面取得了很大的进展，展示出了良好的应用前景。结果如表2所示。

表2 烟秆中重要化合物的含量及利用途径

3.2 制取高附加值产品

3.2.1 制取有机肥料

有研究表明[1]烟秆中含N 2.5%～3.0%、P2O50.5%～0.8%、K2O 3.0%～5.5%、MgO 0.12%，还存在硼、铜、铁、锰、锌等微量元素。另外，烟秆中含量较高的纤维素和木质素，可以作为土壤腐殖质的重要来源。因此可作为制取有机肥料的原材料，充分利用废弃烟秆中所含的营养元素，解决烟株残体利用的难题。有研究发现烟秆中C/N较高[35-36]，且含有的烟碱、茄尼醇等油溶性成分具有毒性，不宜单独进行堆肥，但是将鸡粪或猪粪与烟秆进行混合堆肥处理，不仅原料特性互补，消减有毒成分含量，缩短堆肥腐熟化进程，而且会延长高温分解持续的时间，可更有效杀灭堆料中所含的致病微生物。由此说明，利用烟秆与畜禽粪便制作混合堆肥是进行无害化处理更有效的一种方式。陈飞等[37]以新鲜鸡粪和小麦秸秆为主要原料，采用条垛式静态好氧堆肥工艺，在堆肥发酵周期中添加1.5%（干重质量比）的烟草废弃物，其研究结果发现烟草废弃物的最佳添加时期为一次发酵完成时，此时既可以避免烟草废弃物对堆肥腐熟进程和植物生长的不利影响，又对根结线虫有明显的抑杀作用。通过前人的研究发现，利用微生物将废弃烟秆降解转化为腐殖质，然后通过适当的处理降解烟秆废弃物的毒素含量，可制成良好的有机肥料。因此，在烟草生产区将烟秆用于制作有机肥料是可行的。

3.2.2 制取活性炭

活性炭作为一种优质的吸附剂，被广泛应用于城市污水、饮用水、工业废水的处理，能有效吸附水中的游离氯、酚、硫和其它有机污染物，还可用于空气净化、食品保鲜、防毒面具等方面。目前我国活性炭生产的原料主要是植物原料，其中绝大部分是木质原料[38]。叶协锋等[39]在分析不同类型烟草秸秆的化学组分时，发现烤烟、白肋烟、晒烟、香料烟、马里兰烟秸秆的有机碳含量均在45%以上，具备用来制备活性炭的原料条件。卢春兰等[40]采用先水蒸气活化再用稀盐酸脱灰处理的工艺，在活化温度750～800℃、水炭质量比1.5～2.0∶1.0的条件下，成功制出了碘吸附值840～912 mg/g、比表面积为522～590 m2/g的烟秆活性炭。此研究利用烟秆灰分的催化作用提高了活性炭的吸附性能。对于烟秆制取的活性炭，有关学者对其实用性也进行了研究。高建培等[41]采用微波加热氯化锌活化法对烟秆进行处理制取了比表面积为1 214 m2/g，碘吸附值为1 059.32 mg/g的活性炭。用此活性炭对含铜废水进行处理，结果发现对水中Cu2+的最高去除率达91.64%，具备实用价值。利用废弃烟秆作为原料制备活性炭，原料成本低廉，产品纯度高，比表面积大，吸附性能好，具有广泛的应用前景。

3.2.3 制取纤维板

烟秆的木质化纤维扁而宽，与其他非木材植物纤维相比，柔韧性更好，是制造高密度纤维板的理想原料[8]。早在1988年，中国林科院木材工业研究所进行了烟秆湿法硬质纤维板生产的研究，达到了预定的产品质量要求，并论证了投入生产的可行性，为我国纤维板生产增加了新的原料来源[42]。进入21世纪，我国纤维板业迅猛发展，已在家具、建材、装饰装修和包装等多个行业都有应用。李晓薇等[8]探索了利用烟秆制造无胶纤维板的工艺，采用半干法（即先将原料分介成纤维机械挤干后，铺成半干状板坯，经热压后制成纤维板的方法），研制出了不但可以作为烟草加工环节所需的烟夹板，还可作为室内环保装饰材料的无异味高密度纤维板。由于烟秆中存在木素和果胶，在高温高压作用下可以将纤维粘结起来，实现无胶制板。因此，采用烟秆制取纤维板具有独特的优势。

3.3 制备生物质类燃料

生物质能是一种洁净新能源，是人类最主要的可再生能源之一。生物质能是指直接或间接的来源于绿色植物的光合作用，以生物质作为载体，可转化为固态、液态和气态燃料的新型能源。它主要通过绿色植物的光合作用将生物质转化为固态、液态和气态燃料。它不仅具有原料多样性、资源可循环性的特点，而且还具有对环境无害、经济可行、利国利农的发展优势。谢兆钟等[43]采用萃取法先将烟草废弃物中抑制酒精发酵的油溶性成分（茄尼醇和烟草净油）和水溶性成分（果胶和单宁）去除后，进行发酵蒸馏，制备出96%的乙醇。谢丽萍等[44]对烟草下脚料酸解法发酵制取乙醇进行了研究，最优条件为：硫酸浓度为50%（w/w），固液比为10%（w/V），时间为100 min；采用稀释5倍过滤液和未过滤液接种酿酒酵母进行发酵，乙醇的产量分别为1.09 g/L和1.23 g/L。

虽然利用烟秆制备生物燃料已有文献报道，但是由于烟秆中存在烟碱等抑菌成分，所以产量远低于玉米秸秆、高粱秆、稻草秆等农作物秸秆。因此，如何去除烟秆中抑制微生物发酵的成分成为关键性环节，一旦能解决这一难题，将对利用烟秆制备生物质类燃料起到巨大的推动作用。这个问题值得进行更为深入的研究。

4 展望

烟秆作为烟草的重要组成部分，化合物含量丰富，与木材、农作物秸秆相比较具有其独特性，在化合物的提取，有机肥料、活性炭、纤维板和生物质燃料的制备上已经有所应用。随着科技的发展，烟秆其它潜在的利用价值将会被进一步挖掘。目前烟秆资源化利用的研究虽然取得了一定的成果，但在实际应用阶段仍存在一定问题。比如由于烟草生产经营方式分散，种植规模小，生产基础设施薄弱导致每年都有大量的烟秆被直接丢弃；烟碱、茄尼醇、果胶、低聚木糖等重要化合物提取的纯度相对较低，制备生物质燃料的研究还没有引起足够的重视。

虽然烟秆的资源化利用在今后的研究和应用中存在着诸多的问题和挑战，但是随着我国现代烟草农业的发展和对生态环境的重视，废弃烟秆资源化利用研究的不断深入，烟秆资源的价值在未来必定会得到充分的利用。

[1] 刘超, 翟欣, 许自成, 等. 关于烟秆资源化利用的研究进展[J]. 江西农业学报, 2013, 25(12): 116-119.

[2] 彭国勋, 李平, 吴锡刚, 等. 烟草废弃物资源化利用研究进展[J]. 安徽农业科学, 2013, 41(9): 4036-4038.

[3] 孙永明, 李国学, 张夫道, 等. 中国农业废弃物资源化现状与发展战略[J]. 农业工程学报, 2005, 21(8): 169-173.

[4] 徐永建, 赵睿, 谭海风. 烟草废次物综合利用研究进展[J]. 陕西科技大学学报/自然科学版, 2012, 30(5): 16-21.

[5] 饶国华, 赵谋明, 林伟锋, 等. 中国低次烟叶资源综合利用研究[J]. 资源科学, 2005, 27(5): 120-127.

[6] 朱尊权. 中国烟叶生产科研现状与展望[J]. 中国烟草学报, 2009, 14(6): 70-72.

[7] 刘国顺, 陈江华, 等. 中国烤烟灌溉学[M]. 北京: 科学出版社, 2012: 1-18.

[8] 李晓薇, 李光沛. 烟杆工业利用的新途径[J]. 农牧产品开发, 1999(4): 30-31.

[9] Liu W H, Yong G P, Fang L, et al. Free and conjugated phytosterols in cured tobacco leaves: Influence of genotype, growing region, and stalk position[J]. Journal of agricultural and food chemistry, 2007, 56(1): 185-189.

[10] 苏贤坤, 张晓海, 廖德智. 烟草综合利用现状及其前景[J]. 贵州农业科学, 2006, 34(5): 120-123.

[11] 金抒, 尚征贤. 烟草杆化学组成的研究[J]. 中国野生植物资源, 1997, 16(3): 17-19.

[12] 李军, 李吉昌, 吴晓华, 等. 烟草废弃物利用研究[J]. 云南化工, 2010, 37(2): 44-49.

[13] 李雁楠, 杨启银, 陈育如, 等. 烟草工业下脚料综合利用研究——抗虫成分的提取与抗虫效果测定[J]. 安徽农业科学, 2006, 34(2): 279-280.

[14] 谢渝湘, 刘强, 张杰, 等. 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.

[15] 张雪萍, 吕明明, 李霞, 等. 尼古丁对药物性胃溃疡影响的实验研究[J]. 食品与药品, 2011, 13(1): 30-32.

[16] Borovikova L V, Ivanova S, Zhang M, et al. Vagus nerve stimulation attenuates the systemic inflammatory response to endotoxin[J]. Nature, 2000, 405(6785): 458-462.

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

[18] 胡江涌, 梁勇, 谢亚, 等. 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.

[19] 陈爱国, 申国明, 梁晓芳, 等. 茄尼醇的研究进展与展望[J]. 中国烟草科学, 2008, 28(6): 44-48.

[20] Machado P A, Fu H, Kratochvil R J, et al. Recovery of solanesol from tobacco as a value-added byproduct for alternative applications[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(3): 1091-1096.

[21] Taylor M A, Fraser P D. Solanesol: added value from Solanaceous waste[J]. Phytochemistry, 2011, 72(11): 1323-1327.

[22] 朱松, 陈尚卫, 张海波, 等. 超临界流体技术在废次烟叶中提取纯化茄尼醇的应用[J]. 中国烟草学报, 2008, 14(5): 22-26. [23] 宋荣渊, 朱春燕. 烟草废弃物在畜牧业中的开发利用[J]. 上海畜牧兽医通讯, 2009 (004): 78-79.

[24] 鲁蕾, 付敏, 郭宝星. 烟梗成分提取及其应用研究[J]. 四川化工, 2004, 7(1): 9-12.

[25] Fu H, Machado P A, Hahm T S, et al. Recovery of nicotine-free proteins from tobacco leaves using phosphate buffer system under controlled conditions[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(6): 2034-2042.

[26] Franco C R, Chagas A P, Jorge R A. Ion-exchange equilibria with aluminum pectinates[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2002, 204(1): 183-192.

[27] Kume T, Nagasawa N, Yoshii F. Utilization of carbohydrates by radiation processing[J]. Radiation Physics and Chemistry, 2002, 63(3): 625-627.

[28] 白聚川, 董占能, 张皓东. 烟草废弃物的综合利用[J]. 中国野生植物资源, 2008 2007, 26(5): 41-43.

[29] 彭靖里, 吴绍情. 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(8): 18-20.

[30] 郭培国, 李荣华, 陈建军. 烟叶中FI蛋白的简捷提取技术及其氨基酸成分分析[J]. 中国烟草学报, 2005, 6(2): 16-20.

[31] Akpinar O, Erdogan K, Bostanci S. Enzymatic production of xylooligosaccharide from selected agricultural wastes[J]. Food and Bioproducts Processing, 2009, 87(2): 145-151.

[32] Akpinar O, Erdogan K, Bostanci S. Production of xylooligosaccharides by controlled acid hydrolysis of lignocellulosic materials[J]. Carbohydrate Research, 2009, 344(5): 660-666.

[33] Swennen K, Courtin C M, Delcour J A. Non-digestible oligosaccharides with prebiotic properties[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2006, 46(6): 459-471.

[34] Ando H, Ohba H, Sakaki T, et al. Hot-compressed-water decomposed products from bamboo manifest a selective cytotoxicity against acute lymphoblastic leukemia cells[J]. Toxicology in Vitro, 2004, 18(6): 765-771.

[35] 李放, 唐莉娜, 蔡海洋, 等. 废弃烤烟茎秆与鸡粪堆肥化利用的研究[J]. 农业环境科学学报, 2009, 28(1): 194-198.

[36] 竹江良, 汤利, 刘晓琳, 等. 猪粪比例对烟草废弃物高温堆肥腐熟进程的影响[J]. 农业环境科学学报, 2010, 29(4): 779-784. [37] 陈飞, 杜龙龙, 常瑞雪, 等. 添加烟草废弃物对堆肥腐熟度及抑制线虫作用的影响[J]. 中国农业大学学报, 2014, 6: 015. [38] 张利波, 彭金辉, 张世敏, 等. 烟秆废料资源化处理制造活性炭[J]. 环境保护, 2003(6): 55-56.

[39] 叶协锋, 刘红恩, 孟琦, 等. 不同类型烟秸秆化学组分分析[J]. 烟草科技, 2013(10): 76-79.

[40] 卢春兰, 徐绍平, 刘淑琴, 等. 烟秆制活性炭的工艺研究[J]. 林产化学与工业, 2007, 27(4): 127-130.

[41] 高建培, 黄斌, 张利波. 微波加热烟杆制备活性炭处理含铜废水[J]. 工业加热, 2007, 36(3): 4-6.

[42] 王天佑, 李强. 烟秆湿法硬质纤维板生产试验[J]. 木材工业, 1990, 4(3): 10-13.

[43] 谢兆钟, 李汉民, 吴进德. 利用烟草废弃物生产酒精的方法. 中国: CN, 101250560A[P]. 2008-08-27.

[44] 谢丽萍, 赵晓祥, 杨虹蛟, 等. 烟草下脚料发酵制取乙醇[J]. 环境工程学报, 2010, 4(6): 1417-1420.

Resources Distribution and the Utilization Way of Tobacco Stem in China

FU Chen-qing1, TONG Yin-xing1, WANG Feng-qin1, REN Tian-bao2, SONG An-dong1*
（1. Key Laboratory of Enzyme Engineering of Agricultural Microbiology, Ministry of Agriculture, College of Life Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China）

China had the highest tobacco production over the world. Tobacco stem was resourceful as the main waste, and had the value of development and application as the agricultural resources waste. The paper reviewed its distribution and basic components, summarized the application from the following aspects based on domestic and foreign research data: extraction of important compounds, manufacturing of fertilizer, preparation of biomass fuels, activated carbon and fibreboard. The existing problems and challenges in the process of comprehensive utilization were discussed, and the development in future was prospected in the paper.

tobacco; discarded tobacco stem; comprehensive utilization

X795

A

1004-8405(2015)02-0074-06

2015-04-07

“十二五”863计划生物和医药技术领域国家科技计划课题（子课题）（2012AA022301B）；河南省高校科技创新团队和创新人才支持计划（15IRTSTHN014）。

付晨青（1990～），女，硕士研究生；研究方向：微生物能源工程。

* 通讯作者：宋安东，男，博士，教授；研究方向：微生物能源工程、发酵工程。Song1666@126.com