烟草秸秆的综合利用与展望

吴福芳，沈晓宝，谭兰兰，徐华杰，胡小娟，戴 亚，盛良全*

(1.阜阳师范学院 化学与材料工程学院，安徽 阜阳 236041；2.卷烟减害降焦四川省重点实验室，四川 成都 610066)

烟草秸秆的综合利用与展望

吴福芳1，沈晓宝1，谭兰兰2，徐华杰1，胡小娟1，戴 亚2，盛良全1*

(1.阜阳师范学院 化学与材料工程学院，安徽 阜阳 236041；2.卷烟减害降焦四川省重点实验室，四川 成都 610066)

我国是烟草生产大国，烟草秸秆资源丰富，种类多，但利用率低。对烟草秸秆，目前主要采用的是焚烧和丢弃。烟草秸秆的资源化利用一方面可以减少环境污染，加强可再生资源的利用，另一方面促进烟草业的可持续性发展。所以开发和利用烟草秸秆是一个重大的研究课题，其关键是开发新技术。本文着重从国内外烟草秸秆的综合利用现状进行阐述，在归纳与总结基础上提出烟草秸秆综合利用的新途径。

烟草秸秆；综合利用；资源化

我国是烟草生产大国，每年的烟草生产量约为全球的42%。在国内的经济系统中，烟草所产生的财税值在全国的经济总价值中占有重要的分量。烟草秸秆是烟草生产中最大的副产品，年产量约为450万吨，在以往的处理方法中大部分采取丢弃和直接燃烧，既不经济也造成了不同程度的环境污染。烟草秸秆中有机物含量约为90%-95%，矿物质氮、磷、钾、含量约为5%-10%同时还有一些微量元素，与其它农作物秸秆相比具有其独特的优势。同时烟草秸秆又含有大量的木质素，纤维素和尼古丁，普通的菌株难以分解，不能就地还田，因此近些年来，烟草秸秆的综合利用不仅具有很好的发展前景同时也伴随着巨大的困难与挑战，也是农业可持续发展的一项重要任务。在此将国内外烟草秸秆的再利用技术进行总结、归纳、分析，以便于烟草秸秆回收利用及实现新的技术创新。

1 烟草秸秆制备堆肥还田技术

烟草秸秆作为一种特殊的经济作物的副产物，既不适于作饲料，也不能直接还田[1]，因此发展研制烟草秸秆生物有机肥的肥料生产工艺是多年来研究的方向及目标。生物腐熟还田是国内外秸秆还田的一项新的研究成果，具有周期短，无环境污染及利用率高等特点，广泛的用于各种农作物秸秆的腐化。同时，烟草秸秆中含有较高含量的烟碱，经过腐化后形成的有机肥具有独特的抗病和生化作用，也能减少土壤氮的流失。

2 烟草秸秆的能源化技术

由于煤、石油、天然气等能源的不可再生，生物质能源是继这些能源的最大的一个能源，目前生物质能源主要采取直接燃烧、气、液、固化及热解等方法。烟茎同烟根可以采取比较简单的方法，干燥、粉碎、和挤压后就可以燃烧[10]，其燃料性能、燃烧时间都比较好。而生物质气化技术是秸秆作为能源化的另一种使用方法。主要是利用秸秆原料保持在氧气不充分的条件下燃烧，控制原料的加热条件，使大分子的有机化合物裂解，变成小分子量的一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体的原理，是一种热化学转换技术[11]。

图1 利用烟草秸秆制备生物有机肥工艺

图2 秸秆气质化机理

杜传印[12]、飞鸿[13]与郭仕平[14]等都对烟草秸秆气化来替代煤炭烘烤烟叶进行了研究。此方法一方面节约了煤炭资源，另一方面也提高了烘烤烟叶的品质。与此同时朱文魁[15]等发展了一种将烟草秸秆废弃物与煤共转化催化气化的方法，此方法是首先利用固相生物焦将烟草秸秆中富含的钾元素集中，然后与煤进行湿法混合，从而提高了催化效率。而烟草秸秆煤的利用也得以发展[16]，采用秸秆煤代替传统煤炭，采用密集烤房烤制的方式进行烤烟。张开华等[17]通过热重，质谱研究了烟秆的掺烧特性，在烟秆添加量为0%-20%时能达到最好的效果。

图3 传统烟草秸秆制备活性炭

3 烟草秸秆制备活性炭与生物炭

烟草秸秆因含有大量的木质纤维与木材接近，利用烟草秸秆制备活性炭是一种既经济又环保的具有广阔前景的发展方向。目前为止国内已有多篇文章对此进行了报道[18-27]，一般采用传统的加热工艺和微波辐射工艺利用烟秆制备活性炭。传统加热工艺就是先将烟草秸秆浸泡然后逐步进行预热、干燥、炭化、活化(以CO2、H2O、ZnCl2、KOH等作为为活化剂)、去色、干燥、粉碎处理等过程。与传统的工艺相比较，微波辐射工艺效率较高，操作方便，主要是利用活性碳有效吸收微波能量使温度在数分钟内上升从而简化传统工艺中四个较为复杂的步骤，仅用微波辐射一步取代。两种工艺都能很好的达到国家标准级产品。虽然微波工艺目前处于实验室阶段，但具有操作简便、耗时少、污染小且得到的活性炭具有更好的比表面积等优点，因此微波工艺具的发展前景较大。

图4 微波法制备活性炭

生物炭是由生物质在缺氧或者无氧的条件下高温裂解而生成的物质，具有广泛的应用。可用于作为新的生物质能源，培养基，还原剂，环境改良剂等多项作用，最近中国农业科学院烟草研究所王树声小组[28]对烟草秸秆制备生物炭进行了报道，并利用此生物碳成功的培育了烟草基质。

4 烟草秸秆的工业应用

4.1 烟草秸秆用作建筑装饰材料

由于烟草秸秆的木质化程度比较高，不同于其他的农作物，其化学组成与木材比较接近，而其木质素和纤维素的含量又与阔叶材接近，因此烟草秸秆可用于制造人造板。目前烟草秸秆已较好的用于制造刨花板和纤维板，已可投入生产。早在1988年时洛阳，邵宇等[29]就已成功研制出了符合国家质量标准的烟草秸秆刨花板，但存在吸水厚度膨胀率高的问题。2009年寻觅等[30]等发展了将烟草秸秆与木材按一定的比例搭配生产刨花板则能较好的解决此问题。生产出的烟杆/木材刨花板与全木质的刨花板并无较大差异。2013年龚迎春等[31]对不同含水率及不同部位烟杆制成的刨花板的力学性能进行了研究。随着含水率的增加，所制成刨花板的内结合强度逐渐增加，弹性模量和静曲强度先增后减。蒋永涛[32]小组从各方面对烟秆和聚乙烯复合材料制备木塑复合材料板的条件进行了研究，并且得到较好的结果。另一方面无胶制版工艺是一种不使用合成树脂胶粘剂的制版工艺，它主要使木质材料在催化或者热压条件下胶合成板，目前正处于实验室阶段，但其具有无污染、成本低、生产工艺简单等优点，越来越受到人们的关注。郑霞等[33]研究了无胶烟秆刨花板喷蒸热压自胶合机理，烟草秸秆在喷蒸热压时会产生水热协同作用，一方面它会增加纤维素分子的活性羟基的数量，而活性羟基可以通过氢键的作用使烟草秸秆刨花间产生范德华力，另一方面烟草秸秆刨花中的一些半纤维素会因此而水解，水解所得的产物可以自身进行缩合反应，生成的缩聚呋喃树脂与胶黏剂相似，还可以与具有活性羟基结构的木素发生缩合反应，生成的缩聚物也类似于酚醛树脂胶黏剂。同时，烟草秸秆刨花中的木质素也因受到水热作用可以在烟草秸秆刨花中充分的流动和自由的分布，在一定程度上也提高了无胶烟草秸秆刨花板的物理力学性能。

Renaldoc等人[34]在烟草秸秆中添加胶合剂。李光沛等[35]以半干法利用烟秆废弃物搭配杨木等木材制备了无胶纤维板。他们的主要工艺参数是：原料含水率：20%-30%、纤维分离程度( 滤水秒)：13-15秒、热压温度：190-200 ℃、加压压力：最大5.5Mpa、热压时间：每毫米板厚2min。工艺如下：

图5 烟草秸秆无胶纤维板的制备

烟草秸秆制备的无胶纤维板主要用于烟草加工业和包装材料[36-37]，经过版面装饰之后也可以用作装饰材料。

4.2 烟草秸秆用作造纸

烟草秸秆的成分分析表明，其是很好的造纸原料，且我国的木材资源较缺乏。因此此项研究比较多，目前发展的比较成熟的方法有硫酸盐法、苏打法、蒸汽爆破法、碱性过氧化氢机械制浆法和有机溶剂制浆法等[38-41]。这几种方法都可以用于实际应用，由于蒸汽爆破法能够具有更好的纤维均重长度(0.93mm)，所以比苏打法和硫酸盐法具有更高的强度特性，在漂白方面，烟秆的蒸汽爆破浆要比苏打浆提高白度33.8%和15.4%。梁虎南等[42]以烟草秸秆为原料采用碱性过氧化氢机械制浆法可制备出合格的新闻纸。王凤兰等[43]将烟草秸秆先用仿生物酶体系进行处理，再利用化学机械法进行制浆，同时对所制的的烟秆浆进行了漂白和配抄工艺的研究。结果发现，双氧水的用量，处理时的温度与时间都能较大影响烟梗基片的白度性能与强度性能，当梗浆与外加纤维的比例为80∶20时，达到最佳比例。同时沈靖轩等[44]从浸泡时间、温度、用量三个方面研究了烟草秸秆的CMP浆的制浆工艺。有机溶剂制浆是一种将烟秆中的木素在超临界状态下溶于有机溶剂，与纤维分离然后制浆。由于有机溶剂溶剂制浆产生的黑液少，有机溶剂使用少且能回收利用，所以不仅降低了成本而且减少了对环境的污染。

烟草秸秆不仅其成分适用于造纸且烟秆无节，所制的的纸浆要优于大部分草类纤维，纸浆中没有杂色，浆质均匀，质量好，制造出的纸张能达到国家A级水准。

4.3 烟草秸秆用作培养基质

近些年来，烟草秸秆还被广泛的用于代替一些常用的食用菌类培养基质来栽培各种食用菌类物质[45-52]，不仅能减少环境污染，降低成本，增加了收益，且产出的食用菌质量好。虽然烟秆能促进菌丝的生长，缩短生产周期，但烟秆占培养基的最高比例为40%，因为其在促进菌丝生长的同时也增加了烟碱的含量。因此在烟秆作为培养基的发展空间比较大还需要更多的研究。

5 烟草秸秆提取天然产物

由于烟草秸秆中含有3.89%的果胶，及烟碱、烟酸和茄尼醇等有用的化学原料，所以可用于提取这些食用与药用价值很高的天然产物原料。

果胶是多糖碳氢化合物，无毒，广泛的用于食品加工，医药和纺织业中。用烟草秸秆提取果胶的主要工艺有酸提取法、离子交换剂法、微波法、盐提取法等[53-54]。肖厚荣等[55]将混酸萃取与乙醇沉淀相结合从烟草秸秆中提取果胶, 当混酸的pH值约为0.5时，在90 ℃下萃取1小时，果胶溶液与无水C2H5OH的体积比1∶1到2∶3时，果胶提取率能达到12.4%。与酸提取法相比，离子交换树脂法收率高，质量好，且交换树脂可再生利用。吴永娴[56]等用0.01*7阳离子交换树脂，水料比为30∶1时能以较高的收率提取果胶。但适用的pH范围较小。酶法又称微生物法，是利用烟草秸秆培养一种菌种，然后发酵，而在此过程中能够生成一种能分离果胶的酶，来进行果胶的提取分离。徐志强等[57]用酶解-流动法测定烟草中果胶的含量，但还没有应用于提取果胶。微波法提取果胶是一种新方法，刘燕等[58]发展了在微波条件下提取果胶的新工艺，其提取率能达到11.59%且反应时间较短。盐析法也是提取果胶的一种有效方法，早在1999年金蓓蕙等[59]就以盐析法提取烟叶和烟杆中果胶，主要的工艺流程是：

图6 盐析法提取果胶

烟碱是烟草中一种生物碱，烟酸是维生素B族中结构最简单的一种维生素，两者都能应用于化工、制药、有机合成、农药等方向，烟酸还可以用作饲料添加剂。

茄尼醇是一种不饱和的聚异戊二醇，具有抗菌、消炎和止血的功能，是重要的医药中间体，最重要的是经过修饰之后，可用于抗癌药物。重庆市彭水县苗族土家族自治县申渝化工公司经过浸泡和煎熬等物理过程能将烟草秸秆转换成膏状物，用于治疗心脏病等疾病。

6 综合分析及展望

目前，国内外对烟草秸秆的研究虽然比较多，但大多数都停留在实验室阶段。且与其他农作物秸秆相比较，烟草秸秆综合利用的技术相对较少，也相对滞后些，因此我们希望能以其他农作物秸秆的综合利用技术为引导，进一步拓展烟草秸秆综合利用的新技术，更好的回收利用烟草秸秆。

一、低聚木糖是近些年来新兴的一种功能性寡糖，可用于食品添加剂具有调节肠道微生态、降低血压、血糖、血脂和提高机体免疫力等功能，也能广泛的用于动物饲料中。低聚木糖主要是从木聚糖水解所获得，而农作物秸秆中的半纤维素又是提取木聚糖的很好的原料，另一方面又解决了农作物秸秆废弃的问题，因此激起了很多研究者的兴趣。目前低聚木糖主要是通过微波降解法[60]、酸[61-63]水解法、蒸煮法[64]、蒸汽爆破法降解原料制备[65-66]或先用理化方法进行预处理然后进行酶水解[67-70]这两种方法制得。

由于烟草秸秆中半纤维素的含量约为20%左右[71]，因此从烟草秸秆中提取低聚木糖具有一定的应用价值。目前国内还没有此方面的报道，国外OzlemA.等[72-74]对此进行了研究，但其效果有待于提高。他们的主要工艺是：

图7 低木聚糖提取工艺

在此工艺中酸解的速度比酶解快，但会产生糠醛和大量单糖，两种方法所得到的低木聚糖的产量约为13%-14%，有待于进一步提高，因此这是一个很好的烟草秸秆的研究方向。

二、农作物秸秆加工饲料转换技术已形成了较成熟的技术体系，主要的加工方法一般分为：物理处理、化学处理和生物处理三种。三种方法都有自己的优点和缺点，但都已在实践中得以应用而烟草秸秆基于其含有一定量的尼古丁，限制了其在动物饲料技术方面的应用。但我们知道一般只有当烟碱含量达到一定程度后会对动物造成毒性作用，在一定量范围内不造成影响。同时，烟碱可以通过化学氧化或生物氧化的方法转换成动物体内所必须的维生素之一烟酸。因此通过烟草秸秆制造动物饲料值得研究和利用，一种方法是我希望通过化学处理中的氧化处理进行转换，在此过程中把烟碱转化成烟酸，另一种方法是在生物处理的过程中筛选一种氧化酶能将烟碱转化成烟酸。

三、目前已有秸秆气化炉及相关装置在生物质气化时能同时制取可燃气体、生物质炭、醋液、焦油和热水等5种产品[75]。因此要实现真正的烟草秸秆高效、无污染的利用，需要进行此方向的探索。

总体而言，目前国内外对烟草秸秆的再利用研究主要在：生物有机肥，能源化，制备活性炭和生物碳，制版，造纸，制备培养基以及提取相关的天然产物这几个方面。但与国外相比，我国的烟草秸秆研究还不是很成熟，大部分的研究工作都处于实验室阶段，需要进一步的研究、中试及扩大。而国外的相关技术则比较成熟，可以规模化的应用废弃的农作物秸秆，包括烟草秸秆如制备生物有机肥及制板等。同时随着我国人口的增多，及资源的减少，环境污染的严重，回收利用烟草秸秆势在必行。(1)在技术方面进行提高，如从烟草秸秆中提取低聚木糖、果胶等，其纯度不高，若能解决纯度问题将带来巨大的收益。(2)我们需要进一步研究烟草秸秆的资源化利用技术，走出实验室，加强应用研究。(3)需要加强技术推广，若能将我国研究比较深入的利用烟草秸秆制备生物质有机肥技术推广到广大烟农进行实施，则可最快的实现烟草秸秆的资源化利用。另一方面，若能建立一条烟草秸秆资源最大化利用，同时不产生污染即零污染的最佳途径，将是烟草秸秆发展的重要方向。综合前人的技术，把各项研究联合使用：废弃的烟草秸秆首先低聚木糖、果胶、烟碱等物质，提取过后的残渣再用于造板、造纸、生物质有机肥等方向，而对于整体过程中的所产生的废渣，可用于制备沼气[28, 76-78]将能实现最佳途径。

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ProspectofcomprehensiveutilizationofTobaccostraw

WUFu-fang1，SHENXiao-bao1，TANLan-lan2，XUHua-jie1，HUXiao-juan1，DAIYa2，SHENGLiang-quan1*

(1.SchoolofChemistryandMaterialsEngineering,FuyangNormalUniversity,FuyangAnhui236041,China; 2.KeyLaboratoryforHarmfulComponentsandTarReductioninCigaretteofSichuanProvince,ChengduSichuan610066,China)

ThetobaccostalkisabundantinChina，however,thetraditionalburninganddiscardedresultlowutilizationrate.Thecomprehensiveutilizationoftobaccostalkcanprotectecologicalenvironmentandsavetherenewablerawmaterialresource,butalsocanpromotethesustainabledevelopmentoftobacco.Soitisanimportantresearchprojectthathowtodevelopandutilizetobaccostrawreasonably,andthekeyissueistodevelopnewtechnology.Thisarticleisaimedtointroducenewprospectsofcomprehensiveutilizationoftobaccostalk.

tobaccostraw;comprehensiveutilization;resources

2015-06-24

卷烟减害降焦四川省重点实验室开放课题(hx2015005)；安徽省省级学科建设重大项目(皖教秘科[2014]28号)资助。

吴福芳(1985-)，女，博士，讲师，研究方向：药物合成。

盛良全(1965-)，男，博士，教授，研究方向：生物化学。Email：shenglq@fync.edu.cn。

S572

A

1004-4329(2015)04-049-07

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329(2015)04-049-07