蒸汽爆破茄科植物研究进展

桂超左雯陈玉保宋晨浩刘泽

(1.云南师范大学能源与环境科学学院，云南 昆明 650500；2.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650231)

1 蒸汽爆破技术处理茄科植物

我国作为烟草生产大国，茄科植物废弃物是烟叶的一部分，每年有大量的茄科植物废弃物产生，约占烟叶质量的25%。烟草加工过程中会产生大量的副产物，如烟叶碎片、烟杆、茄科植物等，这些副产物不能有效利用，则造成资源的浪费和严重的环境污染。梗丝具有较好的燃烧性和填充性，在降本降耗、改善卷烟质量、降低焦油、减少危害等方面具有十分重要的作用，同时有利于拓宽原料使用范围。茄科植物中纤维素、半纤维素、木质素、果胶等细胞壁物质含量较高，而总糖含量较低。在热解时产生较多的低级醛类，在燃吸过程中产生木质气、刺激性等不良吸味引起呛咳，不仅影响卷烟内在品质和风味，更导致茄科植物在卷烟行业中利用率较低，因此，如何减轻茄科植物的木质气、刺激性等不良吸味，改良茄科植物的吸食品质，提高茄科植物的综合利用率，是烟草行业需要突破的重要难题。

目茄科植物制丝技术的工艺生产相对成熟，可降低烟支耗丝量，但处理后茄科植物丝的添加量要少，因为添加比例的增加，影响卷烟的香气质、杂气、余味等，进而影响卷烟的感官品质。蒸汽爆破技术最早于1928年由美国学者W H Mason发明，蒸汽爆破技术是利用木质纤维素生物质中最广泛使用的，结合了物理、化学方式的预处理方法[1]。蒸汽爆破可以有效处理木质纤维素，同时对环境几乎不造成污染，弥补化学试剂的不足，是一种非常有潜力的预处理方法。本文对蒸汽爆破技术的原理、优缺点等在茄科植物的应用进行了概况，并对茄科植物的研究与应用前景作出思考，期望蒸汽爆破技术在提高和改良应用于烟草生产加工中有一定参考。

2 蒸汽爆破技术的原理及参数

2.1 蒸汽爆破技术原理

蒸汽爆破技术首先将处理好的原料放置在蒸汽爆破仪器的物料容器中，将高温高压的蒸汽通入反应器内，蒸汽渗透到生物质原料内部，在高温高压的环境中物料发生化学变化，在物料内部空隙中充满水蒸气，使物料内部的黏度和组织强度下降，在维持一定时间的压力后，实现蒸汽爆破过程的弹射式蒸汽爆破，使得物料内部细胞体积增大而细胞壁有破裂等结构改变，从而使物料纤维、木质素等组织分离和结构改变，产生小分子物质的物理和化学共同作用的过程[2，3]。

2.2 蒸汽爆破参数分析

根据Ovverend等描述的修正方程计算了蒸汽爆炸的严重程度，量化计算对应试验水平的压力润梗加工强度，即“爆破强度因子”。

logRo=log{t×exp[(T-100)/14.75]}

式中，Ro为预处理的爆破强度因子；t为反应时间，min；T为反应温度，℃；Ro通常表示为一个对数函数。

在爆破阶段能量转换过程，以时间为度量的爆破功称为有效爆破功。

EPD=(ΔHs+ΔHl+ΔHm)/(t×V)

式中，T为爆破时间；ΔH为爆破前后介质焓差。

影响蒸汽爆破的作用效果因素主要有爆破时间、爆破压力、爆破原料自身因素等。压力过低过高和时间过长过短都影响蒸汽爆破的效果，同时需要考虑物料的含水率、表面积大小，进去的气体流失越少有助于爆破，所以影响因素都需要控制在一定范围内。

2.3 蒸汽爆破技术的优缺点

蒸汽爆破是利用高温高压蒸汽弹射式爆破对生物质进行前处理的技术，优点是热能转化为机械能做功，使物料组织结构发生变化，同时可以产生小分子物质，更加有利于目标产物的产生和提取。而且对环境污染小，利用的是水蒸气，来源广泛且价格低廉，也避免了化学方法处理所产生的化学污染，使实验更安全、更高效和更清洁。缺点是虽然产生小分子物质有利于目标产物的提取，但爆破过程复杂，使目标产物降解或者产生不利的副产物。

3 烟梗预处理方式

3.1 物理方法处理烟梗技术

彭金辉等[4]发明涉及一种物理法处理烟杆废弃物制造活性炭的方法，将原料烟杆废弃物破碎后，入微波辐射装置中加热处理，控制辐射功率为2～60kW，进料速度为2～200kg·h-1，加热时间为2～15min，加热到720～730℃时通入水蒸气进行活化，水蒸气流量为50～600mL·min-1，活化2～5min，得到活性炭块，活性炭块冷却后经粉碎至粒度200目，得到活性炭产品。该发明省去了酸洗和水洗2个工艺过程，微波辐射装置可连续进出料，进料速度可调节，辐射功率可调节，仅用4～20min即可完成加热和活化过程，缩短了反应时间，可获得高质量的活性炭产品。

王鹏飞等[5]研究蒸汽微波协同膨胀、膨胀烟梗回潮、烟梗复切、气流干燥等关键工序中工艺参数对梗丝加工质量的影响，得到优选的工艺参数，烟梗复切工序中采用前高后低的组合方式，梗丝气流干燥工序中物料流量150kg·h-1，工艺气体流量6500m3·h-1，温度196℃。在该制丝工艺条件下加工的梗丝宽度与叶丝更接近，梗丝结构更加均匀，梗丝综合质量较好。

3.2 化学方法处理烟梗技术

孔浩辉等[6]发明提供的一种降低烟梗中木质素含量的处理方法为氧碱蒸煮，氧碱蒸煮的方法：烟梗与水、碱和碳酸镁混合后，通入氧气，高温高压反应，过滤收集不溶物，将不溶物水洗至中性，风干后即得产品。通过本发明提供的技术方案制得的产品，可以有效降低烟梗中木质素含量。同时，具有成本低廉、处理工艺简单以及适合大规模化生产的优点。而且进一步地，通过降低烟梗中木质素含量，减少了木质素燃烧产生的芳香胺类、稠环芳香类和酚类物质，减少了促癌活性物质的排放。

范运涛等[7]采用脲碱法在贮藏过程中对烟梗进行处理，烟梗经处理后制备得到再造烟叶的总糖、果胶、还原糖、酸、木质素等含量均降低，降幅均大于5%，透气度增幅达28%，造纸法有效提升处理后造纸法再造烟叶感官品质。

3.3 生物方法处理烟梗技术

赵梦醒等[8]以PFI磨为打浆设备，优化烟梗酶促打浆酶预处理条件，分析酶处理对浆料不同筛分纤维特征的影响。结果表明，酶用量0.5%、pH7、50℃处理4h对打浆最有利。相同打浆度，酶处理组磨浆能耗降低了37.21%。酶处理后浆料纤维主要分布在R30～R100内，其中R50、R100、R200纤维平均长度较对照分别增加了14.06%、15.69%和4.42%，纤维宽度也有所增加。酶处理组R50组分含量不变，但R100和R200组分减少了46.15%和18.24%，R350组分有所增加，经酶处理的R50纤维扭结指数减小，R100、R200、R350纤维扭结指数增加，生物酶处理烟梗可以改善烟梗浆性能。

李力群等[9]发明提供了一种生物酶处理烟梗的方法、及制得的梗丝和卷烟，具体方法：将烟梗预处理、压梗、切梗后，得到梗丝；向梗丝喷洒复合酶液；梗丝在发酵装置中铺料后发酵，发酵装置内分布多层托料板，控制梗丝在每层托料板上的铺料厚度为30～600mm；梗丝膨胀、干燥后，得到成品梗丝。通过调控梗丝的铺料厚度，将铺料厚度提高以使得单位重量的梗丝处于较低氧环境下，梗丝内部韧性相关的酶钝化，在梗丝感官质量保持稳定的基础上，明显减少了梗丝造碎率；制备得到的梗丝碎丝率较低，梗丝的木质气、刺激性、燃烧灼热感显著降低，香气成分显著增加；将该梗丝应用到卷烟中，提高了卷烟的加工质量和感官质量。

4 蒸汽爆破技术在茄科植物中的应用

4.1 蒸汽爆破对结构的影响

宋光富等[10]采用蒸汽爆破技术对烟梗进行处理，分析了在不同压力条件下，蒸汽爆破对烟梗常规化学成分含量、香味成分含量以及显微结构的影响。结果表明，蒸汽爆破处理使烟梗中的还原糖和总糖含量降低，最大降幅分别为21.63%和23.46%；蒸汽爆破促使烟梗中苯乙醛、糠醇、5-甲基糠醛、2-乙酰基呋喃和糠醛等香味成分含量增加，增幅分别为34.25%、102.97%、380.49%、76.24%和139.39%。

吴艳等[11]采用蒸汽爆破对烟梗进行处理，研究了在0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa爆破压力条件下，烟梗中木质纤维素含量和微观结构变化特征。试验结果表明，在以水蒸气为介质，爆破压力为1.0MPa，保留时间20s的处理条件下，木质纤维结构出现明显破坏现象，烟梗纤维素和半纤维素去除率分别达到16.86%和52.54%。说明蒸汽爆破可有效降解烟梗木质纤维素含量，明显提高烟梗品质。

许永明等[12]探索蒸汽增压回潮处理烟梗较优的工艺条件，采用正交试验方法，研究了蒸汽压力、作用时间、物料含水率对烟梗内在化学成分、外观色泽以及梗丝感官质量、填充性能和结构的影响，并运用综合平衡法确定了烟梗蒸汽增压回潮的较优工艺条件。

姚旭博等[13]探索蒸汽爆破条件对烟梗品质的影响，以提高烟梗在卷烟生产中的可用性。以制丝线上膨胀前烟梗为研究对象，设定维压压力为0.8MPa、1.0MPa和1.2MPa，保持时间为30s、60s和90s，采用2因素3水平完全试验设计进行蒸汽爆破处理，测定蒸汽爆破处理(T1～T9)后烟梗的常规化学成分、总细胞壁物质、致香物质含量，检测烟梗色度和膨胀度，分析不同汽爆条件对烟梗色度和内在品质的影响。试验结果表明，蒸汽爆破维压压力为1.0MPa，维压时间为60s时，烟梗膨胀度达到153.02%，汽爆后烟梗的色度和内在品质相对较好。

王许涛等[14]利用高温高压蒸汽对烟草生产的废弃物烟秆进行爆破处理，破坏其细胞壁结果，降解部分纤维物质，过程中会有部分香味物质析出，同时部分杂气释放，处理后烟秆丝变得更加蓬松、易燃、口感提升，可以作为烟丝添加入卷烟中。汽爆后的烟杆丝具有以下特点：蒸汽爆破可以改善烟秆的结构特点、填充值和吸燃特性；蒸汽爆破可以有效祛除烟秆杂气，烟杆丝内在质量有一定程度的改善。对比烟秆蒸汽爆破后的结构及其化学成分、感官质量等效果得到蒸汽爆破处理烟秆制取替代烟丝的最佳蒸汽爆破处理条件为压力2.0Mpa，保压时间30s。

4.2 蒸汽爆破降解细胞壁物质

Hongsen Zhang等[15]采用稀硫酸预浸和瞬时弹射蒸汽爆破预处理相结合提高烟秆中尼古丁去除率，烟梗稀硫酸预浸用于提高烟梗预处理瞬时弹射蒸汽爆破(ICSE)的性能。预浸有利于打破烟梗顽固结构，降低烟碱含量，解除对纤维素酶活性和微生物代谢的抑制，促进酶解和乙醇发酵性能。优化的0.8%硫酸(w/w)预浸集成ICSE预处理使烟杆中的尼古丁去除率达到85.54%；同时，预处理后烟梗酶解总糖浓度从33.40g·L-1提高到53.81g·L-1(干烟梗与水的比例为1∶8，w/w)，通过增加烟梗在酶解过程中的固含量(干烟梗与水的比例为1∶4，w/w)。这些结果达到了有效利用废弃烟梗的预期目的。

李力等[16]为了提高烟梗的利用率，在梗丝生产线的不同工序顺序取样进行蒸汽爆破试验，研究了爆破前后各工序梗丝中的木质素、纤维素含量变化及添加爆破梗丝对卷烟的感官品质影响。结果表明，原梗丝生产线对烟梗中的纤维素、半纤维素和木质素含量无显著影响，但蒸汽爆破后烟梗中的纤维素、半纤维素和木质素含量显著降低。半纤维素的含量降低最多，切梗后含量降低了49.5%。纤维素和木质素的含量变化没有半纤维素明显，但其最大降幅也分别达到了26.5%(润梗后)和26.0%(闪蒸后)。蒸汽爆破梗丝在卷烟中的添加量从5%增加到30%时，试验卷烟样品仍保持较好的感官品质。

刘鑫等[17]利用蒸汽爆破辅助烟梗提取物的制备方法，属于烟用香料的提取技术领域。制备步骤：干烟梗除尘；除尘后的烟梗在蒸汽压力为0.9～1.0MPa的条件下进行蒸汽爆破；蒸汽爆破后的烟梗用重量百分数为50%～55%的乙醇回流提取，得到为浓缩物；在所述浓缩物中加入其重量3.0～3.5倍量的95%乙醇，置于-10～5℃环境下自然沉降，过滤、减压浓缩，即得到本发明制备的烟梗提取物。采用本发明方法制备的烟梗提取物在细腻烟气、改善香气质、降低刺激等方面效果明显，在掩盖杂气方面稍有作用。

4.3 蒸汽爆破对香味物质影响

施丰成等[18]为研究蒸汽爆破处理的烟梗梗丝对卷烟化学指标、烟气指标及感官评吸质量的影响，对6个梯度添加爆破梗丝的卷烟样品进行了对比试验。结果表明，梗丝蒸汽爆破处理后，香气量有所增加，木质气、刺激性和灼口程度有所降低；随梗丝添加量的增加，卷烟的总糖、还原糖、果胶、总植物碱和蛋白质的含量逐渐降低，纤维素、钾和总有机酸的含量逐渐增大，卷烟主流烟气的总粒相物、焦油量、烟气烟碱量逐渐降低；爆破梗丝添加量小于20%时，不会对卷烟整体感官质量造成明显的不良影响。

刘福童等[19]研究了蒸汽爆破前后烟梗木质纤维素和非挥发性酸成分含量的变化，探索废弃烟梗的高效资源化利用途径。试验结果表明，随着汽爆压力和时间的增加，木质纤维素相对总量逐步增加且具有显著性，半纤维素和纤维素所占木质纤维素总和的比值随着蒸汽爆破时间和压力的增加，其含量逐步减少且具有显著性；木质素所占木质纤维素总和的比值随着蒸汽爆破时间和压力的增加，其含量逐步增加且具有显著性。烟梗经过汽爆处理后，其非挥发性有机酸、草酸、苹果酸相对含量显著性增加，在蒸汽压力1.4MPa，保压10min条件下，烟梗中非挥发性有机酸、草酸、苹果酸含量达到最多。

李刚等[20]使用蒸汽爆破烟梗制备高品质卷烟滤棒的工艺方法，筛选合格烟梗，进行表面除尘、润梗处理；根据生产需要，通过筛网筛选满足条件的合格烟梗，再将合格烟梗在筛网上均匀摊开，利用空气压缩机高压气流对合格烟梗表面进行吹扫，去除表面灰尘；之后，使用30～40℃温水霎化喷淋烟梗表面，自然润梗后停止喷淋，使烟梗水分保持在40%～50%；将润湿变软的烟相进行蒸汽爆破处理；工作介质采用饱和水蒸气，爆破蒸汽压力为0.8～10MPa维压时间30s；烟梗蒸汽爆破后迅速进行脱水干慢处理，脱水采用热风干燥，热风温度控制在55～60℃，干燥后烟梗水分保持在10%～20%；将干燥后的蒸汽爆破烟梗进行初级粉碎，并再次进行润湿、干燥处理。烟梗经蒸汽爆破、超微粉碎、造粒、选粒后按一定比例添加于卷烟滤嘴中，可以提高对卷烟主流烟气中有害物质的截留能力，同时其自身释放的香味物质在减少烟气刺激性的同时，也提高了口腔的舒适度，从而达到改善卷烟烟气品质的目的。

Fang Xue等[21]使用蒸汽爆破处理烟梗的技术，然后将烟梗按适当比例添加到测试的烟草片中，观察蒸汽爆破处理后的烟草茎对香烟烟雾中有害化学物质的影响，如焦油、尼古丁、CO、苯酚和苯并芘的影响。结果表明，随着烟草茎含量的增加，香烟主流烟中苯酚、苯并芘、焦油和尼古丁的含量均有所下降。与空白样品相比，苯酚、苯并芘、焦油和尼古丁的最高下降量分别为36.50%、36.63%、28.99%和38.46%；在对卷烟燃烧无影响的情况下，经蒸汽爆破处理的烟梗的添加量最多可增加到25%。

5 小结

蒸汽爆破技术由于对环境友好且能耗低的特点广泛运用于生物质领域中，在烟草领域的关注度也越来越高。在以前的蒸汽爆破技术运用中，需要维持压力时间的较长，在这种高温高压的环境下生物质容易发生美拉德反应，如果处理不当会有严重的焦味。同时大多数实验研究都是对物料前处理的阶段，对成分相互作用的效果与机理的研究还不够深入，所以之前蒸汽爆破在烟草原料的加工运用较少。因此，需要探究蒸汽爆破对茄科植物的香味物质含量影响、基本化学物质的变化影响、不同成分相互作用机理和蒸汽爆破在茄科植物中的作用技术升级，多种手段联合运用，努力实现大规模工业化运用。