烟梗废弃物的综合利用现状

姚浩东，冯书强，郭金梁，阚相成，张春朝，刘欢*

1.山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂（青岛 266101）；2.南昌大学食品科学与资源挖掘全国重点实验室（南昌 330047）

我国是烟草生产大国和消费大国，我国的烟草种植面积、烟草产量及销售量均居世界首位。2015年我国烟叶种植面积约160万 hm2，生产烟叶220万余 t，伴随产生烟梗120万 t[1]。烟梗含有丰富的孔隙结构、导管结构和纤维气室，是制备多孔材料的理想材料。烟梗还含有大量高附加值的天然植物素，在医药、食品、化工等领域都发挥举足轻重的作用。同时，烟梗多集中于烟叶复烤厂，来源丰富、成本低、集中且方便购置。但烟梗作为烟草制品生产过程中的副产品，只有少量会被用于卷烟的生产，大部分被直接填埋或集中焚烧，而填埋会占用大量土地，易污染土壤和地下水，集中焚烧会产生大量焦油、一氧化碳等污染空气环境[2-3]。因此，烟梗废弃物合理的处理方法和对烟梗废弃物的开发是重要和不可或缺的。

综述烟梗在各领域中的应用，旨在为烟草行业科研人员对烟梗的综合利用研发提供参考，拓展烟梗综合利用的渠道，能够有效地进行综合利用烟梗，既能有效处理废物保护生态环境，又能增加农民收入，提升经济效益，实现助力农业发展。

1 烟梗在卷烟工业中的应用

烟梗是烟叶的粗硬叶脉部分，约占烟叶总质量的25%。烟梗组成的化学成分种类与烟叶相似且烟梗具有更高的填充性，在卷烟的减害降焦、降本减耗方面发挥重要作用[4]。由于烟梗的物理性质和化学成分含量与烟叶差别较大，因此必须对烟梗进行一定处理，改善烟梗的理化性质，使烟梗制品与烟丝有好的配伍性，更好满足卷烟生产的工艺需求。

1.1 膨胀梗丝

膨胀梗丝一般是烟梗经过浸梗、润梗、贮梗、蒸梗、压梗、切梗、加料、膨胀、加香等工艺制备而成，其膨胀工艺采用的技术通常有气流膨胀、微波膨胀、真空膨胀等[5]。膨胀梗丝的填充值较高、可燃性好、焦油量低，被广泛应用于各大卷烟厂的卷烟产品中[6]。早期膨胀梗丝的制备主要是采用高温高湿气流膨胀技术，该技术的工艺流程较复杂、膨胀率不高。而微波穿透能力强，加热烟梗快且均匀，能使梗丝迅速膨胀[7]，同时微波能够有效撕裂梗及制品的细胞壁，使烟梗的物理性质发生较大改变，从而使梗丝的填充能力、吸湿能力、形态发生较大改善[8]。孔臻等[9]研究发现微波膨胀梗丝的平均填充值为6.06 cm3/g，比传统梗丝的填充值高19.3%，其保湿能力也优于传统梗丝，因此微波膨胀梗丝可存储于较低湿度的环境中，有利于节约能源。廖晓祥等[10]研究发现微波膨胀梗丝的掺配均匀度为97.67%，高于传统气流膨胀梗丝的94.85%。赵云川等[11]研究发现与气流烘丝相比，微波膨胀梗丝的致香物质含量更高，感官质量和综合品质更优。此外，微波膨胀技术能避免高温高湿而造成的环境污染和能耗，现已逐渐成为应用广泛的梗丝膨胀技术。

1.2 烟草薄片

烟草薄片能以卷烟生产过程中产生的残次烟梗、烟叶碎片、烟末等为原料，通过辊压法、稠浆法或造纸法制备的类似天然烟叶的薄片，对烟草原料有很高的利用率[12]。相较于辊压法和稠浆法，造纸法制备的烟草薄片可塑性强，透气性、燃烧性好，且生产时可人为地改变和调整生产配方，因此也成为现在薄片生产的主流技术[13]。造纸法制备烟草薄片一般需经过浸泡、打浆、调香、涂布、干燥、分切等工序，其制备的烟草薄片颜色和感官等性能与天然烟叶相似，切成丝可与烟丝掺配，这既能对烟梗、碎烟叶等进行综合利用，提升经济效益，又能有效地处理烟草废物，还可在一定程度上改善卷烟品质[14]。白晓莉等[15]研究发现随着薄片掺配比例的增加，主流烟气中苯酚含量明显降低；余其昌等[16]用氢氧化钠结合甘油处理烟梗后制得低木质素的烟草薄片，该薄片主流烟气的烟气品质有较大提升；王凤兰等[17]用铵碱法预处理烟梗后并制得烟草薄片，结果发现该薄片的物理性能和感官质量有明显改善。此外，烟草薄片在加热非燃烧性卷烟中得到普遍应用，进一步提升其在新型烟草制品中的应用潜能[18]。

1.3 膨胀梗粒

膨胀梗粒是先将废梗、短梗或梗签进行膨胀，再制成一定粒径的颗粒物。因为膨胀梗粒的制备过程不需要经过压梗，所以膨胀梗粒的填充值比膨胀梗丝更高，传统气流膨胀梗丝的填充值约5 cm3/g，微波膨胀梗丝的填充值为6.06 cm3/g，而膨胀梗粒的填充值为9.2 cm3/g[19-20]。根据烟梗的膨胀方式不同，可分为微波梗粒膨胀、间歇式蒸汽膨胀和连续式过热蒸汽膨胀3种方式[9]。蒋光伟[19]研究发现掺配膨胀梗粒的卷烟烟气中的焦油量和一氧化碳量均有明显降低，而烟气烟碱含量并未大幅降低，这既提高了卷烟的安全性，又保证了卷烟的满足感。尧珍玉等[21]将膨胀梗粒添加到卷烟滤嘴里，结果发现膨胀烟粒可降低卷烟焦油，且对烟气中的苯并芘有较强的吸附作用。膨胀梗粒较膨胀梗丝的成品率低，汽爆法制备膨胀梗粒的出品率仅60%，但膨胀梗粒对烟梗原料的要求低，可利用不能用于膨胀梗丝加工的短梗、梗签和废梗，从这个角度说，膨胀梗粒技术提高烟梗的利用率。膨胀梗粒还可用作烟草薄片的填料，能有效提高薄片厚松度；膨胀梗粒加到滤嘴中，能有效吸附烟气中的有害成分，提高卷烟的安全性，达到减害降焦的目的。

1.4 复切梗丝

传统梗丝的加工工艺流程一般为水洗梗、蒸梗、贮梗、压梗、切梗、加料、膨胀、烘梗丝、风选等，只经过一次切梗，最终得到的梗丝多为片状，与卷烟中叶丝的形状差异明显，两者配伍性不高，这也限制了梗丝在卷烟中的应用，一般卷烟中梗丝的添加量不超过10%[22]。为提高梗丝在卷烟烟丝中的掺配比例，要使梗丝的物理形状更接近叶丝，复切梗丝可以很好地满足需求。复切梗丝工艺不经过压梗工序，用切梗丝机切至指定的厚度，加料后用切叶丝机切至一定宽度，膨胀干燥得到复切梗丝。复切梗丝呈现丝状，能有效提高梗丝在卷烟中的分布均匀性和燃烧性能，降低卷烟烟气的焦油和一氧化碳含量，改善卷烟的感官品质。陈景云等[23]将复切梗丝添加到卷烟中，结果发现其分布均匀性最好、烟气焦油含量最低、烟支吸阻最小，很好地解决传统梗丝在烟支中的掺配均匀度和感官质量差的问题。周利军等[24]研究发现复切梗丝较传统梗丝有更高的填充值和抗破碎度，成丝效果明显。许衡等[25]将复切梗丝掺配到卷烟中，结果发现卷烟的质量和稳定性均有所提高，主流烟气品质有所改善。

2 烟梗中天然活性成分的应用

烟梗含有丰富的果胶、蛋白质、烟碱、茄尼醇、烟酸、烟草香精香料等高价值的天然活性成分，这些天然活性成分在生物、医药、食品、化工等领域都展现出巨大市场潜力，从废弃烟梗中提取出活性成分也是烟梗资源的循环利用重要措施。

2.1 烟碱

烟碱，又称尼古丁，是烟草中最重要的生物碱，约占烟草中生物碱总量的95%，在农业、化工和医药领域有重大的应用价值[26]。烟梗中的烟碱含量虽不如烟叶中丰富，但质量分数仍有2.7%～4.4%[27]，纯度较高的烟碱每吨能卖出近百万元，显然从烟梗废弃物中提取烟碱具有较高的经济效益。烟碱的提取方法主要有蒸汽蒸馏法、有机溶剂萃取法、离子交换树脂法、微波协助提取法和酸碱抽提法，多数方法对烟碱的提取率可超过90%[28]。在农业领域，烟碱类杀虫剂具有高效的杀虫活性，但对哺乳动物的毒性很低，具有环境友好性特点[29]。同时，烟碱类杀虫剂制作简便、安全无残留，使用范围涵盖果蔬、林业、畜牧业、景观、粮谷和宠物卫生等方面[29]。在化工领域，高纯度烟碱被作为卷烟的添加剂，能去除卷烟燃烧产生的异味气体，同时提高吸食感。在医药领域，烟碱可作为药物中间体，制造代谢类、神经类和心血管类药物，对阿尔兹海默症、帕金森综合症、抑郁症、精神分裂症和癫痫有一定缓解和治疗作用[30-31]，同时还是最成功的戒烟药的主要功能成分[32]。

2.2 茄尼醇

茄尼醇被发现较多地存在于桑叶、马铃薯叶和烟叶中，尤以烟叶中质量含量最高，为0.45%，烟梗中的茄尼醇含量较烟叶比较低，为0.037%[33-34]。从烟梗中提取茄尼醇的方法主要有超临界萃取法、室温浸提法、加热回流提取法和微波辅助提取法[35]。茄尼醇是烟草化学研究的热点之一，国内外的烟草茄尼醇产品均供不应求。茄尼醇产品的市场价格较高，较好品质的茄尼醇价格约为1 200元/kg，品质较差的也能卖出100元/kg的价格。茄尼醇之所以受到追捧，主要是因为其在多领域的出色表现。在医药行业，茄尼醇具有抗癌、抗菌、抗溃疡、抗氧化、清除自由基、治疗心血管疾病等功效，同时茄尼醇还是合成维生素K2、辅酶Q10、抗溃疡和抗癌增效剂SDB等的中间体[36-38]，另外，茄尼醇还可被用于治疗先天障碍贫血、老年痴呆症和抗艾滋病药物等。在化妆品行业，茄尼醇常被用于预防肌肤老化、除皱和去斑等化妆品，也是高档化妆品中含有的辅酶Q10的原材料，其受到诸多化妆品公司的青睐。

2.3 烟草蛋白

蛋白质作为烟梗的主要组成成分，与烟梗的品质密切相关，燃烧产生的气味直接影响卷烟的感官品质。烟梗中蛋白质提取的工艺流程简单，且提取的蛋白质纯度高，这为烟梗蛋白的工业化大规模提取提供了有利条件。从烟梗中提取烟草蛋白的方法主要有直接加热沉淀法、柱层析结晶法、双水相萃取法和直接稀释结晶法[39]。烟梗中蛋白质的含量丰富，质量分数在9%左右[40]，烟草蛋白由可溶性蛋白和不溶性蛋白组成，两者含量各占一半，其中可溶性蛋白质为质量分数50%的FⅠ蛋白和50%的FⅡ蛋白，FⅠ蛋白是唯一可以结晶化的植物源的核酮糖二磷酸缩化酶，在医药、食品、饲料等领域具有巨大潜力。在医药领域，FⅠ蛋白是维生素D的有用和有效载体，可以制备烟叶硒蛋白预防肝损伤，防止肝病转化为癌症。此外，肾功能不足的人及术后患者，都可以从营养完整均衡、易于消化和无异味的FⅠ蛋白中获益[41]；在食品领域，烟草蛋白可作为素食者或乳糖不耐症人群酪蛋白的替代品，还可以直接添加到肉制品、蛋制品和糖果等食品中；在饲料领域，FⅡ蛋白的氨基酸相对不是很均衡，但仍有较高的营养价值。FⅡ蛋白可作为优质的蛋白饲料或动物营养添加剂。

2.4 烟酸

烟酸，又可称尼克酸，主要是由烟碱氧化生成，与氨反应能生成烟酰胺。烟酸是最稳定的B族维生素，可以参与机体的酸、糖、脂的氧化还原反应[42]。烟酸在医药行业、畜牧行业、食品行业和化工行业应用广泛。在医药行业，烟酸被广泛用于治疗中枢性呼吸衰竭及循环系统衰竭、动脉硬化、高血脂、冠心病、脑血栓、中风等症的治疗，烟酸及其衍生物还有控制神经兴奋性的功效并可作麻醉剂使用，此外烟酸制剂可用于各类皮炎和神经性障碍的治疗。在畜牧行业，烟酸可作为饲料的添加剂以提高畜禽的抗氧化、抗炎症能力，促进畜禽生长，改善肉品质，提高畜的泌乳性能，在动物饲料中添加烟酸还可以治疗动物乳腺炎、血脂异常等疾病，提高动物的抗病能力[43]。在食品行业，烟酸被广泛添加于乳制品、面食和米粉等，可预防人体缺乏烟酸导致的粗皮肤病等的发生[44]。在化工行业，烟酸被应用于电镀光亮添加剂、合成染发剂染发等[45]。近年来医药、畜牧、食品和化工等行业对烟酸及其制品的需求量剧增。与化学合成法制备烟酸相比，用烟梗废弃资源制取烟酸的生产成本大幅降低，已有研究者通过氧化烟草生物碱制备烟酸，氧化率达95%以上[46]。

2.5 果胶

果胶是烟叶和烟梗等烟草作物细胞壁的重要组成成分，在烟草及其制品中的含量为5%～13%，烟梗中果胶含量较高，为11%～12%[47]。果胶是一种亲水胶体，烟草中的果胶可以维持湿润和韧性，但过高含量的果胶可能会使烟草及其制品吸湿，导致霉变，且会使其燃烧不充分影响吸味品质。同时，果胶在烟草醇化时产生1.5%的乙酸，吸食时产生辛辣味，使人呛咳、灼烧喉咙，对吸食健康不利[48]。因此从烟草及其制品中提取果胶可以提升卷烟的品质，且提取出的果胶也具有不菲的商业价值[49]。提取果胶的方法主要有酸碱提取法、超声波提取、酶法提取和微波辅助提取[50]。果胶是一种无毒、可降解、具有良好的生物相容性等优点的天然多糖，被广泛用于食品行业和医药行业。在食品行业中，果胶是被联合国粮农组织和中国认证过的食品添加剂，可以作为凝胶剂、乳化剂和稳定剂[51]。在医药行业中，果胶是理想的药物靶向释放包衣材料，另外，富含鼠李半乳糖醛酸I型的果胶具有降血糖、抗癌、免疫调节和细胞迁移抑制等功效[52-53]。

2.6 烟草香料

作为卷烟生产过程中重要的添加剂，烟草香料可以赋予卷烟烟气特殊的烟气效果和感官品质。烟草香料根据来源不同可分为天然或合成烟草香料，天然烟草香料一般是从动植物或烟草材料中提取，合成香料一般是通过化学反应合成的。烟梗中含有散发烟草香味的天然烟草香料，将其提取出添加到膨胀梗丝、膨胀梗粒、烟草薄片中可以使烟气更加饱满、香气更加浓郁。提取烟草精油的方法主要是超临界萃取法、超声辅助溶剂法和水蒸气蒸馏法[54-56]，所得粗产品为烟草浸膏，经纯化后即可得到烟草精油。冀唯妮等[57]先采用萃取法制取烟梗浸膏，后采用分子蒸馏法分离提纯浸膏得到烟梗精油，在最佳工艺条件下精油得率为10.49%，精油中的香气成分均大幅提升，其中富集倍数最高达112倍，与浸膏相比，添加精油的再造烟叶产品的香气浓度增加，杂气降低。易聪华等[58]应用超临界CO2萃取法制取烟梗浸膏，在最佳工艺条件下浸膏的得率为1.70%，该浸膏含有多种烟草的关键致香物质。段焰青等[59]使用两种菌株发酵烟梗制备得到的烟梗浸膏，萃取浓缩后加入卷烟制品中能明显掩盖杂气和降低刺激性，同时增加了烟草本香，使烟气更加细腻、饱满。

3 烟梗中生物质资源的应用

烟梗中含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素、果胶、蛋白质等有机成分和矿物元素，但我国对烟梗这种生物质能的利用比重很小。合理开发利用烟梗的生物质能可以缓解国内资源紧缺的窘境，还可以减小烟梗废弃物对生态的破坏。

3.1 微生物培养基

烟梗中含有大量碳水化合物和氮类化学物，可作为微生物培养基孵育微生物以利用微生物的发酵作用[60]。陈兴等[60]在30 ℃用微生物菌株制剂处理梗丝48 h后，梗丝的总糖、还原糖和香气物质有所上升，果胶和纤维素含量都显著降低，评吸品质明显上升。周元清等[61]研究表明采用木质素降解微生物对烟梗纤维素、木质素和总细胞壁物质均有显著降低作用，其中的木质素的降幅为64.7%～68.4%，烟梗填充值增加35.2%～42.8%，明显提升烟梗的使用价值。徐世涛等[62]在烟梗上接种微生物，在最佳工艺条件下，烟梗中的果胶、纤维素和木质素含量较未接种微生物的对照组分别下降8.77%，12.78%和33.55%，烟梗的抽吸品质有效提高。陈兴等[63]利用复合酶处理梗丝发现，处理后的梗丝含糖量上升、香气成分含量增加，有利于提升卷烟的感官质量。生物技术处理烟梗可有效降低烟梗中产生的杂气或有害物质的成本，改善烟气质量，并提高烟梗烟气的香气成分含量。此外，微生物技术除了可以改善烟梗及其制品的内在品质，还可通过微生物的发酵作用制取高附加值的生物质资源。尚兵等[64]在废弃烟梗上接种粘红酵母CA815，通过固态发酵后提取得到微生物油脂；朱大恒等[65]在废弃烟梗上接种干酪乳杆菌，发酵后提取得到L-乳酸；马海昌[66]在废弃烟梗上接种生香酵母，发酵后提取得到天然烟草香精；李殿殿等[67]以烟叶渣为主要培养基，加入1%辅料，结果发现该培养基可以加快平菇出菇，且对环境无污染，符合国家食用标准，为培育平菇探索出一条新途径。

3.2 制备活性炭

醋酸纤维自20世纪50年代开始就被用于滤嘴的制造，但当前仅用醋酸纤维制备的滤嘴已不能满足对减害降焦的诉求。在滤嘴中添加多孔材料来吸附主流烟气中的有害成分已成为减害降焦的研究热点，活性炭在降低烟气中有害成分有显著效果，是应用最广泛的一类吸附剂[68]。活性炭是一种比表面积大、孔隙结构多的吸附材料，其良好的理化、机械稳定性使其成为最成功的滤嘴添加剂之一。烟梗有大量纤维细胞与导管结构，同时还含有丰富的孔隙结构和纤维气室，且烟梗纤维中碳含量高，是制备活性炭的理想原料[69]。烟梗制备活性炭不仅能解决伴随卷烟生产产生的大量烟梗废弃物的问题，而且还避免焚烧废弃烟梗所造成的环境污染。活性炭的制备方法主要有物理活化法、化学活化法和物理化学法。刘恒等[70]以5种不同质量分数的氯化锌溶液活化烟梗，均制备出能很好吸附烟气中有害物质的活性炭，这些活性炭对烟气中NH3、B(a)P、NNK、HCN、CO、巴豆醛和苯酚最高降低率依次为47%，61%，55%，20%，37%，55%和69%。Guo等[71]将烟梗原料在500 ℃条件下进行预炭化，与氢氧化钾以1∶4质量比混合，并在700 ℃下处理2 h，所得活性炭的比表面积为1 416 m2/g，对阳离子染料龙胆紫的最大吸附量为926 mg/g。

3.3 制备堆肥

烟梗中含有显著高于其他农作物秸秆的营养物质和矿物质，可以有效增加土壤的肥力，使农作物增产增收，是重要的有机肥源之一。与来源分散、难以收集的其他作物秸秆相比，烟梗多集中于复烤企业中，来源丰富、成本低、集中，是复烤企业地区有机肥的首选。然而，烟梗中含有的烟碱、尼古丁、茄尼醇等对农作物的生长有害，一般是通过微生物发酵，以达到降解烟梗所携带对农作物有害的物质。有学者探讨烟梗作为有机肥在农业上的应用潜力，并得出肯定结论。王亚麒[72]研究表明，化肥掺配烟梗有机肥比仅用化肥更能改良土壤养分状况、增强土壤酶活性、加速土壤生化反应速率和土壤的养分循环，提高花椰菜、辣椒、玉米与杨梅的产量品质。鲁贤等[73]研究发现施用烟梗有机肥的莴笋的产量分别较不施肥和施化肥高20.4%和18.2%，提高每亩莴笋的价值和效益，并大幅降低化肥用量。耿明明等[74]研究发现，烟梗有机肥可显著降低烟草花叶病、青枯病、黑胫病及赤星病的发病率及病情指数，且烟梗有机肥掺配化肥施肥的效果更优于单施烟梗有机肥。

3.4 利用生物质能

生物质可以捕捉和储存能量，是一种重要的可再生资源，具有碳中性、清洁、绿色可再生等优点，继煤炭、石油和天然气后成为第四大能源，也是化石能源的重要替代品。生物质能被推荐用作家庭燃沼气燃料，提供电网电力、热能和液体、气体生物燃料。烟梗也同样是生物质的一种，与需要消耗大量劳动力和成本来收集、运输的农业秸秆相比，烟梗多集中于复烤厂，收集简单成本低，是一种潜力巨大的生物质能原料。王晓剑等[75]研究发现烟梗与木屑复配压制的生物质燃料的发热量虽然较煤炭燃料低，但其他燃烧指标均达到烟叶烘烤的要求，可作为烟叶烘烤的替代能源。飞鸿等[76]对烟梗和烟杆进行控氧燃烧，可分解可燃气体用于烟叶烘烤。烟梗生物质能的应用技术主要有物理转换、生物化学转换和热化学转换[77]。物理转换技术是通过物理方法改变烟梗的物理状态，使其更好地释放储存的能量，但同时伴随着较多的焦油释放量；生物化学转换技术是通过微生物的生长繁殖，发酵烟梗制得甲烷、乙醇等可燃气体或液体；热化学转换技术通过热解将能低能量密度的生物质能转换为高能量密度的燃料，是实现能量转化的最有效方式[78]。

4 结语

作为烟草种植大国和生产大国，我国每年产生大量的废弃烟梗，除少量被制成薄片或膨胀制品掺配到卷烟中外，其余大部分烟梗均未被有效利用，造成资源的严重浪费和环境的破坏。汇总近十几年烟梗的研究，总结出烟梗的应用方向。一是继续深化烟梗在卷烟行业中减害降焦的作用，通过改善工艺条件获得高膨胀率、低危害且风味饱满的烟梗制品；二是从废弃烟梗中提取高纯度的高附加值天然活性成分，这既能减弱废弃烟梗不当处理对环境的危害，又能获得高附加值产品，还能在一定程度上缓解国内相关资源匮乏的困境；三是利用烟梗的高碳、多孔、多纤维的特性，将其制备成多孔材料，一方面可将其加到卷烟烟丝配方或滤嘴中来吸附烟气中的焦油等有害物质，另一方面也可运用于污水处理净化等领域；四是将烟梗废弃物用作微生物的培养基床，一方面可以培育微生物，另一方面可以利用微生物的发酵作用改善烟梗的感官质量，使其更好地满足卷烟生产需要；五是将烟梗的生物质能充分发挥，在烟梗燃烧热值不高的前提下，将其用在合适的场合，可以缓解国内化石能源短缺状况。合理开发、综合利用，不仅可以使烟草废次物作为卷烟工业原料，还可以作为化工、食品以及医药的重要原料。如此，烟草的生产将会产生更大的经济、社会、生态效益。