廢棄煙葉的綜合利用

勾華+劉建程

摘要：綜述了廢棄煙葉的綜合利用情況。論述了煙葉中重要化合物（包括茄尼醇、煙堿、草酸、蛋白質(zhì)、煙酸、酰胺等物質(zhì)）的提取與利用；概述了廢棄煙葉在活性炭的制備、燃料乙醇的發(fā)酵、有機(jī)肥的制取、糙皮側(cè)耳的栽培、煙草薄片的生產(chǎn)等方面的利用；對(duì)廢棄煙葉的綜合利用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：廢棄煙葉；利用；煙堿；煙葉蛋白；煙酸

中圖分類號(hào)：X712文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-1302（2014）02-220-03

收稿日期：2013-07-02

基金項(xiàng)目：貴州省遵義市科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（編號(hào)：遵市科合社字[2008]18號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介：勾華（1962—），女，貴州遵義人，教授，主要從事電化學(xué)研究。E-mail：zygouhua515@163.com。在我國農(nóng)產(chǎn)品收入之中，煙草次于稻、麥、棉、大豆、玉米，居第6位[1]。煙草是煙農(nóng)脫貧致富的經(jīng)濟(jì)作物，在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有重要作用。我國的煙草種植面積和產(chǎn)量均在世界前列，但由于受種植管理技術(shù)和加工技術(shù)的限制，在栽培、運(yùn)輸及制作卷煙過程中約25%的煙葉、下腳料不被充分利用而遭廢棄[2]。將這些廢棄煙葉焚燒或是隨意丟棄，不僅浪費(fèi)，而且污染環(huán)境。經(jīng)研究，煙葉中已經(jīng)鑒定出300多種化合物，其中茄尼醇、煙堿、煙草蛋白等重要化合物在化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等方面有著廣泛應(yīng)用[3]。如果可以將這些化合物提取并將其開發(fā)利用，使廢棄煙葉變?yōu)槿藗兯璧脑?，如利用其富含的各種有機(jī)化合物來制取有機(jī)肥代替合成化肥，則不但可以減少環(huán)境污染，還符合綠色發(fā)展的要求。本研究從廢棄煙葉中重要化合物（茄尼醇、煙堿）的提取及以廢棄煙葉為原料制取活性炭、發(fā)酵燃料乙醇、制取有機(jī)肥等2個(gè)方面，對(duì)廢棄煙葉的綜合利用進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述。

1煙葉中重要化合物的提取

1.1茄尼醇的提取和利用

茄尼醇是煙葉的重要組成成分之一，其含量在煙葉干重的0.5%～1%之間[4]，分子式為C45H74O，分子量631.079，熔點(diǎn)31～32 ℃，沸點(diǎn)52.6 ℃。純凈的茄尼醇通常是白色蠟狀固體，有時(shí)略帶黃色，在水中溶解度極小，而易溶于有機(jī)溶劑，如丙酮、乙醚等。茄尼醇含有醇羥基和多個(gè)非共軛雙鍵，能發(fā)生加成、還原、氧化等反應(yīng)[5]，是合成新型藥物的重要原料之一，具有較強(qiáng)的生物活性和抗菌消炎能力，可用于合成治療心血管疾病的藥物輔酶Q10和維生素K2側(cè)鏈，還是合成抗癌增效劑SDB和抗?jié)兊戎匾滦退幬锏闹虚g體[6]。輔酶Q10是參與人體內(nèi)代謝的重要活性物質(zhì)之一，有順反2種異構(gòu)體，只有全反式輔酶Q10對(duì)人體才有作用。以茄尼醇作為主要原料合成輔酶Q10，不但操作方便、條件溫和，而且最終產(chǎn)物均為反式輔酶Q10[7]。

以煙葉為原料提取茄尼醇的方法比較多，通常茄尼醇的提取工藝為原料粉碎、浸取，以正己烷作為抽提溶劑，加熱攪拌，然后抽提數(shù)次，過濾后即可得茄尼醇粗產(chǎn)品。粗品的提取方法有間歇萃取法、連續(xù)萃取法和超臨界萃取法[8]、噴淋萃取法等。間歇萃取法由于操作麻煩、勞動(dòng)強(qiáng)度比較大、成本高等因素而被淘汰不再使用。連續(xù)萃取法工藝采用逆流萃取方式，具有溶劑用量少、提取率高、自動(dòng)化程度強(qiáng)、需要的勞動(dòng)強(qiáng)度低和技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)。超臨界萃取法效果好，但設(shè)備和操作費(fèi)用過高[9]。噴淋萃取法通過多次噴淋萃取可使萃取率達(dá)90%以上，但具有溶劑用量較大等缺點(diǎn)[3]。為了解決溶劑用量過大等問題，貴州師范大學(xué)的鄧奎玲教授等提出了如下的三級(jí)浸提法工藝[5]：

1.2煙堿的提取與利用

煙葉中煙堿的含量約占其生物堿的95%，占煙草干重的0.5%～6%[4]。煙堿俗稱尼古丁，分子式為C10H14N2，分子量為162.23，沸點(diǎn)247 ℃，20 ℃時(shí)密度為1.007 1。高純度煙堿在常溫下為無色或淡黃色液體，容易潮解，易溶于有機(jī)溶劑如醇、氯仿、石油醚等[6]，具有左旋光性[10]，屬于二元有機(jī)弱堿。煙葉中煙堿通常以煙堿鹽的形式存在，易于分離和提取[11]。煙堿是制作綠色農(nóng)藥的重要原料，可用于制取高效綠色殺蟲劑，具有低毒高效、殘效期長、對(duì)作物安全、無藥害、殺蟲譜廣、內(nèi)吸和滲透較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[12]。高純度煙堿在化工和醫(yī)藥方面也有重要用途，用作卷煙工業(yè)中的一種添加劑，可以去除卷煙雜氣而增加吸勁，還可用于纖維素的合成及戒煙膏的制備；在醫(yī)藥上可用來配制醫(yī)用香精，同時(shí)其合成的一系列藥物對(duì)治療心臟病、蛇咬傷、皮膚病等療效良好。因此煙堿有較高的開發(fā)利用價(jià)值。

煙堿的提取方法較多，各有其工藝特點(diǎn)及使用范圍，如萃取分離蒸餾法提取天然煙堿工藝流程為[2]原料→稀酸浸提→堿中和→水蒸氣蒸餾→草酸處理→堿化→成品煙堿，該方法耗能較高、收率低、產(chǎn)品濃度低。文獻(xiàn)[4]中介紹的水浸有機(jī)溶劑萃取法的工藝是將已經(jīng)粉碎的煙葉用水浸取，再將浸取液用石灰水調(diào)pH值至9.5左右，然后再用碳酸鈉除鈣澄清，將澄清液用三氯乙烯、二氯丙烯、煤油等有機(jī)溶劑萃取，最后用硫酸液反萃取，由水相即可得到硫酸煙堿鹽。但是煙葉中含有較多易溶于水的生物堿，不利于煙堿的分離，阻礙了該工藝的發(fā)展。連續(xù)萃取法工藝如下[5]：原料粉碎浸提浸液萃取反萃取煙堿煙渣皂化水相萃取分離提純煙堿

該工藝成本低、效率高、操作簡(jiǎn)單方便，提取所得的煙堿純度可達(dá)99%，但產(chǎn)生的廢水不便于處理。其他方法如離子交換萃取法，雖然周期短，但產(chǎn)品污染嚴(yán)重且樹脂也容易被污染；超臨界萃取法萃取率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、能量耗損低、勞動(dòng)力強(qiáng)度小、溶劑用量少，但設(shè)備的投資及維修費(fèi)比較昂貴，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

1.3草酸的提取

草酸即乙二酸，常以鈣鹽和鉀鹽的形式存在于多種植物細(xì)胞中，是一種重要的化工原料，在藥物生產(chǎn)、稀土元素提取、皮革鞣制、高分子合成工業(yè)等方面應(yīng)用廣泛。李鳳芹等經(jīng)過研究得出從廢棄煙葉提取草酸的一種方法，即將提取煙堿后所剩的煙葉渣經(jīng)過一定的處理后，在物料 ∶硝酸（65%） ∶硫酸（98%）=1 ∶（7.5～7.7） ∶（3.0～3.5）（該配比為重量配比）、溫度700 ℃條件下反應(yīng)時(shí)間7 h，提取草酸的收率可達(dá)40%以上[13]。該工藝條件溫和易于控制，基本上無工業(yè)三廢，適用于草酸小規(guī)模生產(chǎn)。

1.4蛋白質(zhì)、煙酸及酰胺等物質(zhì)的提取

在2 000多種植物蛋白含量的研究中，煙草的蛋白質(zhì)含量高達(dá)10.68%，與玉米、甘蔗等農(nóng)作物相近。有研究發(fā)現(xiàn)，用廢棄煙葉提取茄尼醇和煙堿后，加酸或酸化后的下層凝沉淀部分可用于提取植物蛋白[2]。煙草植物蛋白營養(yǎng)價(jià)值較高，不僅可用于蛋白食品的生產(chǎn)，還可以用于生產(chǎn)功能性食品、香精香料、醫(yī)學(xué)輔助材料等，可作為天然營養(yǎng)食品添加劑和飼料添加劑[9]。

煙酸和煙酸胺是重要的醫(yī)藥中間體及電鍍光亮添加劑，同時(shí)煙酸也可用于日用化工等方面，如可以合成新型染發(fā)劑。一些國外科學(xué)家用煙草生物堿氧化來制取煙酸，氧化率可達(dá)到95%以上[2]。用廢棄煙葉制取煙酸具有成本低的優(yōu)勢(shì)，是煙草化學(xué)研究的熱點(diǎn)。

煙葉中還含有氨基酸、有機(jī)酸和糖類等重要成分，經(jīng)提取蛋白后的煙葉酸沉液濃縮后調(diào)整pH值，然后加適量的糖，經(jīng)過Mailard反應(yīng)生產(chǎn)香精香料，可使煙葉中的氨基酸得到合理利用。而煙葉中的糖也可以做Mailard反應(yīng)的原料生產(chǎn)香精香料[5]；有機(jī)酸則可以通過各種化學(xué)方法和物理方法提取分離出來，用于生產(chǎn)實(shí)踐。

2廢棄煙葉的其他利用

2.1活性炭的制備

活性炭的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的吸附性，是一種良好的吸附劑，還可用作催化劑或催化劑載體，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度及耐酸、耐熱、耐堿性能[7]，在化學(xué)和醫(yī)學(xué)工業(yè)等方面用途十分廣泛，在除臭、去色及污水處理等方面作用明顯。

利用廢次煙葉制備活性炭的主要工藝[14]：把廢次煙葉渣烘干、粉碎、過40目篩，用4倍于原料重量、濃度為15%的ZnCl2溶液浸泡活化，通入氮?dú)膺B續(xù)炭化4.5 h，再加入鹽酸煮沸，最后漂洗至中性，在105～110 ℃干燥2 h。該工藝操作簡(jiǎn)單，原料易得，且節(jié)約成本，所制取的活性炭具有良好的吸附性能，可作為商業(yè)活性炭使用。

2.2燃料乙醇的發(fā)酵

燃料乙醇是一種新型綠色能源，既是優(yōu)良燃料又是優(yōu)良的燃油品改善劑，這種新能源已經(jīng)受到國內(nèi)外的重視。煙葉中含有較豐富的糖類，而糖類可經(jīng)過一定的生物化學(xué)方法轉(zhuǎn)化為乙醇，根據(jù)這一原理，高榮天教授等研究了廢棄煙葉制取燃料乙醇的發(fā)酵工藝[15]，其主要工藝流程為：

廢棄煙葉清理粉碎去除煙堿處理煙堿半固態(tài)發(fā)酵蒸餾燃料乙醇

半固態(tài)發(fā)酵操作步驟簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本相對(duì)低，乙醇產(chǎn)率高，過程節(jié)約時(shí)間，還可以提取煙堿；該工藝用石油醚做浸提劑，不僅煙堿提取率高，而且對(duì)原料污染較低，將煙堿分離更有利于乙醇產(chǎn)率的提高。

2.3有機(jī)肥的制取

大量化肥的使用使環(huán)境遭到嚴(yán)重的破壞，水體污染加劇。人工合成的無機(jī)化肥雖然具有高養(yǎng)分、高肥效等優(yōu)點(diǎn)，但肥效持續(xù)時(shí)間短，對(duì)土壤有副作用，并會(huì)使水質(zhì)變壞。有機(jī)肥養(yǎng)分齊全，肥效持久，可以改良土壤性質(zhì)，肥效雖慢，但無毒素和重金屬殘留，適用于農(nóng)作物生長。部分國家已經(jīng)停止使用無機(jī)化肥，有機(jī)肥將逐步代替化肥，因此有機(jī)肥的開發(fā)和使用已經(jīng)成為各國的熱點(diǎn)。煙葉中富含氮、鉀元素，而湖泊中的藍(lán)藻富含磷元素，二者混合制作有機(jī)肥可以起到互補(bǔ)作用，同時(shí)加入廢棄煙葉可增加藍(lán)澡泥的疏松度，改善通氣，有利于堆腐發(fā)酵，還可降低藍(lán)藻泥的毒素?，F(xiàn)有報(bào)道的制取工藝為[16]先將藍(lán)藻泥脫水處理至含水量90%，然后與經(jīng)粉碎后粒度小于 2 mm 的廢棄煙葉?；旌希瑱C(jī)械攪拌后再與自配菌劑充分混合均勻，在室溫下發(fā)酵10～20 d，再干燥使水分小于20%即可成品。這樣制備的有機(jī)肥各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)藍(lán)藻泥的充分利用也可凈化湖泊。

2.4栽培糙皮側(cè)耳

糙皮側(cè)耳別稱平菇，是一種常見的食用菌，具有較高營養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值。具有追分散寒、疏經(jīng)活絡(luò)、補(bǔ)腎壯陽的功效[17]。

通常糙皮側(cè)耳以棉籽殼為栽培主料，但由于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，棉籽殼供不應(yīng)求。研究發(fā)現(xiàn)，廢棄煙葉中富含氮、磷、鉀等糙皮側(cè)耳生長所必需的營養(yǎng)成分，可代替棉籽殼栽培糙皮側(cè)耳。李殿殿等以79%煙葉渣、10%麩皮、10%谷殼為培養(yǎng)料，再加入1%輔料（石膏 ∶碳酸鈣 ∶過磷酸鈣=2 ∶2 ∶1），研究了以廢棄煙葉培養(yǎng)糙皮側(cè)耳的方法，結(jié)果表明該方法既可以縮短平菇的出菇時(shí)間，培育過程操作方便、易于管理，又對(duì)環(huán)境無污染，降低了生產(chǎn)成本，產(chǎn)品營養(yǎng)價(jià)值高、無毒性，符合國家食用標(biāo)準(zhǔn)，為平菇的培育提供了一條新的可行途徑[18]。

2.5生產(chǎn)煙草薄片

煙草薄片是利用卷煙生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的煙末、煙梗、碎煙葉片等煙草廢棄物為原料制成絲狀或片狀的煙葉再生產(chǎn)品[19]，用作卷煙填充料，不但可以改變香煙的物理性能，去除CO、尼古丁、焦油等一些對(duì)人體有害的物質(zhì)，增強(qiáng)香煙的吸勁，還可以提升部分煙葉的質(zhì)量和檔次。煙草薄片的應(yīng)用不僅可以提高煙葉的利用率，還可以降低卷煙生產(chǎn)的成本。目前煙草薄片的制造方法主要有輥壓法、稠漿法和造紙法3種[20]。其中造紙法由于具有較好的填充性能及密度小、強(qiáng)度高、低焦油量等優(yōu)點(diǎn)而優(yōu)于前2種方法，其生產(chǎn)工藝如下：原料浸提固態(tài)分離液體液處理濃縮加香加料固體制漿抄造涂布烘干再造煙葉基片浸涂液

3前景展望

綜上所述，廢棄煙葉具有極其廣泛的用途，在此基礎(chǔ)上，本研究擬出了廢棄煙葉的綜合利用方案（圖1）。

煙葉中含有很多有利用價(jià)值的物質(zhì)，而廢棄煙葉的綜合利用常常被人們所忽視，近些年來，國內(nèi)外研究者一直致力廢棄煙葉的開發(fā)利用研究，其潛在的有用物質(zhì)將會(huì)進(jìn)一步被開發(fā)，并應(yīng)用于人們的生活及生產(chǎn)。廢棄煙葉的開發(fā)利用符合我國可持續(xù)發(fā)展要求；擴(kuò)大廢棄煙葉的利用范圍，充分利用廢棄煙葉的有效成分為化學(xué)化工、醫(yī)藥工業(yè)、食品等方面提供原料，使其綜合利用程度增加，不但可以減少對(duì)環(huán)境的污染，也可以幫助煙農(nóng)增加經(jīng)濟(jì)收益，因此在這一領(lǐng)域還有很多工作要做。

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