烟草废弃物在吸附剂及高价值提取物应用领域的研究进展

摘 要：烟草是我国广泛种植的经济作物，具有特殊的经济价值。在烟草采收和卷烟生产过程中，会产生大量不能用于卷烟工业的废弃物。目前，烟草废弃物的资源化利用方式有：提取生物活性化合物，制作肥料、燃料、电容器、生物炭和催化剂等。研究综述了近年来国内外烟草废弃物在生物炭吸附剂及高价值提取物2个方面的利用情况。烟草废弃物中含有丰富的木质纤维素和官能团，可将其制备成生物炭用来吸附土壤或水体中的污染物。此外，烟草废弃物中提取的生物碱、茄尼醇、酚类化合物、碳水化合物、甾醇类等成分，可广泛应用于预防和治疗各类疾病，也可用于食品工业、农药等领域。提取烟草废弃物中高价值的生物活性化合物，对实现烟草废弃物资源化利用具有重要意义。

关键词：烟草废弃物；生物炭；烟草提取物

中图分类号：S572 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）14-134-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.14.030

0 引言

我国是世界上最大的烟草生产国和消费国，烟叶的产量与销量位居世界首位，烟草产量约占全球烟草产量的30%［1-2］。近年来，我国烟草种植面积有所下降，从原来的160万hm2降至101.3万hm2；每年烟叶的产量达220万t，产生的烟梗废弃物达120万t，烟草行业是我国极其重要的经济来源之一［3］。然而，在烟草生产和加工过程中，会产生大量烟茎、烟梗和劣质烟叶等废弃物［4］。这些废弃物堆放在田间、燃烧时产生的烟气都会对环境造成一定的危害［5］。因此，研究烟草废弃物的资源化利用具有十分重要的意义。

目前，国内外烟草废弃物的资源化方式有：作为有机堆肥、杀虫剂、纸、建筑和纤维素的原料，提取生物活性化合物用于医疗和保健领域，制成燃料（生物油、沼气和柴油）、电容器、生物炭和催化剂等。其中，烟草废弃物的利用方式以提取生物活性化合物和作为生物炭制备原料最为广泛。一方面，烟草废弃物中含有丰富的木质纤维素和官能团，用其制备的生物炭具有优异的吸附能力，因此有大量研究者将其作为吸附剂用于去除水中或土壤中的污染物［6-7］。另一方面，提取烟草废弃物中高价值的生物活性化合物，有助于烟草废弃物的无害化处理，其提取物也可广泛应用于抗菌、预防和治疗疾病等。笔者从以2个方面来综述近年来国内外烟草废弃物资源化利用的研究进展。

1 烟草废弃物制备生物炭用于吸附水中重金属

1.1 烟草废弃物生物炭的制备及改性

1.1.1 烟草废弃物生物炭的制备

烟草废弃物（烟茎、烟梗、劣质烟叶等）中富含氮、碳、磷等营养元素，以及纤维素和木质素，纤维素和木质素是较好的生物炭制备原料。但在不同的制备工艺（如热解温度、热解时间、气氛和升温速率不同）下，生物炭的比表面积、孔隙大小和官能团不同。生物炭制备的常用方法有热解、烘焙炭化、快速炭化和水热炭化等［8］。利用烟草废弃物制备生物炭一般使用热解法，将烟草废弃物放入反应炉内，在氮气或限氧条件下，加热0.5～1.0 h，加热温度通常在300～800 ℃，一般不超过1 000 ℃。有研究者在氮气气氛、700 ℃ 热解2 h、升温速率5 ℃/min条件下，使用烟草秸秆制备了平均孔宽度2.12 nm、总孔体积0.35 cm3/g和比表面积667.59 m2/g的生物炭，并在1 000 ℃下热处理5 h；相较于活化前，活化后的生物炭具有更发达的多孔结构和官能团，孔宽度、总孔体积和比表面积进一步提高，对磺胺二甲嘧啶的吸附能力提高了4.3倍［9］。在生物炭制备过程中，水和挥发性物质得以去除，生物炭中的氧、氢和氮的含量低于烟梗和烟叶，而碳的含量显著升高［10］。

1.1.2 烟草废弃物生物炭的改性

生物炭改性方法包括化学改性和物理改性。化学改性主要包括氧化改性、酸碱改性、负载金属改性及有机改性等，而物理改性主要包括紫外改性、蒸汽改性、离子体改性及气体吹扫改性等［8］。常见的化学活化剂有KOH、NaOH和ZnCl2等。KOH会对生物炭产生蚀刻作用，使其形成更多的孔隙［11］。ZnCl2可有效将烟草残渣转化为活性炭，并提供与重金属的新结合位点［12］。有研究者使用K2C3O4·H2O和CaCO3活化烟茎生物炭，使其表面积、孔体积及孔径大幅提升［13］。

1.2 烟草废弃物生物炭吸附不同重金属

烟草废弃物生物炭被广泛用于吸附铅、镉、铬、铜等多种金属离子，吸附性能较好。目前，更多学者研究的是单一的重金属吸附，对多金属复合吸附的研究较少。AHMED等［14］使用烟梗生物炭对铬进行吸附，在一定条件下，吸附量达到最佳（103.63 mg/g）；其去除机理为铬与生物炭上的—COOH、—OH、—NH2发生络合反应，与Si—O—Si发生还原反应，或是通过静电作用（即烟梗生物炭表面带正电荷从而产生静电排斥）［15］，导致对镉的吸附受限于酸性条件；烟梗生物炭对镉的吸附主要依赖烟梗生物炭上的—COOH、—OH和C=O等官能团与镉的相互作用。CUI等［16］使用磁性FeCl3对烟梗生物炭进行活化，改性后生物炭吸附性能提升14倍，生物炭上的—OH与铬进行交换、还原，使得铬被吸附于其上。有研究者发现，烟茎生物炭通过沉淀作用、阳离子相互作用和表面络合作用对铅、镉、铜3种重金属进行吸附去除，相较于铅、镉，铜的吸附平衡时间更长［17］。

2 烟草废弃物中高价值提取物的类型与应用

烟草废弃物中的生物活性化合物即烟草的次生代谢产物。目前，烟草中已有超2 000种代谢物被查明其化学结构［18］。按不同组分划分，提取物包括生物碱、茄尼醇、酚类化合物、碳水化合物、甾醇类等。这些提取物可广泛应用于医疗、食品、农药、饲料等领域，其潜在效益已引起科学家和社会的关注。

2.1 生物碱

烟草生物碱由约95%的烟碱和约5%的微量生物碱（去甲烟碱、新烟碱、假木贼碱、雪茄碱等）组成。其中，烟碱在烟草叶片中的含量为0.907%～4.610%［19］，其对烟草品质具有显著影响。适量的烟碱对脑炎后帕金森综合征、阿尔茨海默病和tourette综合征的治疗具有一定的价值。除用于人体外，烟碱提取物还可作为杀虫剂的原料，其原理是烟碱与神经递质乙酰胆碱受体相互作用时，选定的离子通过细胞膜，阻碍中枢神经系统的正常传导，从而麻痹或杀死害虫。目前，我国烟碱的提取技术与国际相比还存在较大差距，这限制了烟碱在工业领域的大规模应用。因此，亟须提升烟碱的提取工艺水平。而一些新出现的萃取技术（如超临界流体萃取法），可用于脱除烟碱和生产低烟碱烟草，具备在烟草产业内推广的价值。

2.2 茄尼醇

茄尼醇在烟叶中主要以游离态和结合态2种形式存在，结合态茄尼醇则与亚麻酸、肉豆蔻酸、亚油酸和油酸等天然植酸结合在一起。茄尼醇具有显著的抗增殖活性、抗菌活性，可用于生产多类药物和治疗许多疾病，其可作为多环芳烃的前体用于辅酶Q10和维生素K2的化学合成。其中，辅酶Q10作为一种抗氧化剂，除作为食品添加剂外，具有抗炎、抗肿瘤、抗高血压、治疗心血管疾病等作用。而由茄尼醇合成的维生素K2可制作血液凝固剂和预防骨质疏松；一些研究还发现K2可降低某些癌症的发生风险，其主要通过诱导细胞凋亡和细胞周期阻滞来抑制癌细胞［20］。茄尼醇还能显著抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的活性［21］，可用于肠道调节剂的研发；也有报道称其具有强心剂的功效，或可用于生产糖尿病患者的肝损伤保护剂。目前，茄尼醇的主要来源是烟草，可通过有机溶剂提取、微波/超声波辅助提取和超临界萃取等方式获取。但目前获取高纯度茄尼醇提取物的方式成本较高，尚不能大规模应用于工业，传统的有机溶剂提取方式（热回流法、浸提法等）则会导致提取物纯度较低。因此，研发新的提取技术有助于更好地推动烟草废弃物无害化处理和茄尼醇的规模化应用。

2.3 酚类化合物

酚类化合物是植物次生代谢产物，因其具有保护氧化性细胞的抗氧化能力而受到关注。烟草富含黄酮类化合物（如芦丁）和绿原酸类成分［22］，是获取酚类化合物的理想物质。黄酮类化合物具有清除能力，在植物中起抗氧化作用，芦丁是烟草中主要的黄酮类物质［23］。烟草中提取的芦丁、羟基肉桂酸和槲皮素等活性物质可用于抗衰老剂的研发，这是因为多酚化合物可减少氧化应激反应对细胞组成（包括DNA和蛋白质）造成的损伤，延缓细胞损耗过程［24］；也有观点认为多酚化合物通过改善细胞间的相互作用来延缓器官的衰老过程［25］。

烟草废弃物中富含绿原酸，可替代杜仲和忍冬成为绿原酸的稳定来源，烟草中绿原酸主要以新绿原酸、隐绿原酸等形式存在［26］。烟草的酚类提取物可用作镇痛药、消炎药和抗风湿药［27］。此外，绿原酸也可用作食品添加剂、食品包装材料、功能性食品材料，在化妆品行业可作为天然抗氧化剂，在农药行业可用于抵抗昆虫、防止果蔬酶促褐变。也有研究利用烟草多酚化合物的益生元作用，研制适用于肠道系统的保健产品［28］。然而，目前业内尚无针对烟草废弃物中酚类化合物统一的提取溶剂或方式，如芦丁通常用高浓度乙醇溶液提取，而提取绿原酸则需要适当降低乙醇浓度。超声提取可以通过破坏植物体内的细胞结构来获取更高浓度的酚类化合物，并减少提取时间［29］。

2.4 碳水化合物

烟草废弃物中的多糖以还原性多糖为主［30］，具有免疫调节、降血糖、降血脂、抗凝血、抗氧化和抗病毒等多种作用。XU等［31］首次发现烟草类多糖具有抗氧化活性，添加或保留多糖有助于缓解烟草提取物的氧化。烟草类多糖显著影响肠道微生物群落［32］，进而改变肠道系统健康状况。此外，烟草类多糖还可用于抗肿瘤和抗炎症药品的研发。目前，烟草类多糖的提取主要通过冷冻干燥和超声辅助提取，并取得了一定的成果［33-34］。面对烟草类多糖日益增长的市场需求，在原料有限的条件下，我国需要改进烟草类多糖的提取技术，以获取更高的资源产出。

2.5 甾醇类

烟叶中主要的甾醇有胆固醇、菜油甾醇、豆甾醇和β-谷甾醇，甾醇类占烟叶干重的0.1%～0.3%。在烟草中，甾醇主要负责应对生物和非生物胁迫［35-36］。烟草是少数能合成动物类固醇激素的植物，如孕酮、睾酮和雌二醇等［37-38］。因此，研发烟草甾醇作为动物源同类产品具有重要意义。目前，甾醇提取主要通过加速溶剂萃取法、超声辅助萃取法和索氏提取法等。

3 结论与展望

综上所述，大规模处理烟草废弃物已成为行业关注的热点。一方面，烟草废弃物可在不同工艺下制备成生物炭，其成品可广泛应用于重金属吸附、土壤理化性质改良，实现烟草废弃物的无害化处理。另一方面，烟草废弃物中存在的生物活性化合物经过加工提取，可为人类、动植物及环境提供潜在的健康收益，具备深度开发价值。尽管烟草废弃物具备广阔的开发前景，但目前对其的利用仍然有限。因此，探索更高效的烟草废弃物资源化利用途径，促进其产业化发展，是未来研究和发展的重点。

参考文献：

［1］WANG Z，ZHENG Q D，GARTNER C，et al.Comparison of tobacco use in a university town and a nearby urban area in China by intensive analysis of wastewater over one year period［J］.Water Research，2021，206：117733.

［2］LI F，WANG Y L，ZHANG J D，et al.Toxic metals in top selling cigarettes sold in China： pulmonary bioaccessibility using simulated lung fluids and fuzzy health risk assessment［J］. Journal of Cleaner Production，2020，275：124131.