我國煙稈資源分布與利用途徑

付晨青，仝銀杏，王風(fēng)芹，任天寶，宋安東*

我國煙稈資源分布與利用途徑

付晨青1，仝銀杏1，王風(fēng)芹1，任天寶2，宋安東1*

（1. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)微生物酶工程重點(diǎn)實驗室，河南 鄭州 450002；2. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002）

我國是世界范圍內(nèi)的煙草生產(chǎn)大國。煙稈作為主要的煙草廢棄物資源豐富，是潛在的具有開發(fā)應(yīng)用價值的農(nóng)業(yè)資源廢料。文章論述了我國煙稈資源的分布以及煙稈的基本組成成分，結(jié)合國內(nèi)外研究資料概述了廢棄煙稈在提取重要化合物、制備生物質(zhì)類燃料、生產(chǎn)有機(jī)肥料、制備活性炭、制造纖維板等方面的應(yīng)用。探討了對煙稈的資源化利用所存在的問題和挑戰(zhàn)，并對其未來的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

煙草；廢棄煙稈；資源化利用

煙草是我國最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，我國煙草的種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，煙草種植及其產(chǎn)品加工在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用[1]。目前由于煙草的種植管理技術(shù)以及生產(chǎn)經(jīng)營方式仍然較為粗放，導(dǎo)致每年在完成采摘和收購煙葉的任務(wù)后，大量的煙稈或被丟棄于田間或被曬干焚燒。煙草廢棄物未得到有效的處理和利用，不僅造成煙草秸稈資源的浪費(fèi)，而且對我國的生態(tài)環(huán)境也造成了嚴(yán)重影響[2]。因此，廢棄煙稈的資源化利用成為迫切需要開展研究的課題之一，關(guān)系到我國煙草農(nóng)業(yè)和卷煙工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有顯著的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益[3]。本文綜述了我國煙稈資源的分布特點(diǎn)、基本組成、綜合利用研究現(xiàn)狀以及成果，對其資源化利用途徑進(jìn)行了分析和探討，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望，期望為煙草廢棄物的資源化利用提供理論依據(jù)和方法借鑒。

1 我國煙草資源分布概況

我國煙草資源分布廣泛，河南、山東、云南、甘肅、貴州、湖南六省是我國重要的烤煙產(chǎn)地。作為煙草生產(chǎn)大國，我國每年煙草種植面積達(dá)1 500萬畝，生產(chǎn)煙葉450～500萬噸[4]。其中云南、貴州、河南和湖南省的種植面積最大、產(chǎn)量最高，這四省的煙草種植面積和總產(chǎn)量在2002年均占到了全國的60%左右。這四省中河南省是我國最大的烤煙產(chǎn)區(qū)，主要分布在許昌、南陽、周口和駐馬店等地[5]。我國烤煙生產(chǎn)區(qū)域隨著歷史的發(fā)展而有所變遷，山東、河南、安徽是種植烤煙最早的三大煙區(qū)；隨后在抗日戰(zhàn)爭時期原有的烤煙區(qū)淪陷，云南、貴州和四川開始進(jìn)行試種，煙葉品質(zhì)得到明顯提升并且完成了烤煙品種的更新?lián)Q代，逐漸發(fā)展成為西南煙區(qū)；近年來國家對煙草生產(chǎn)布局進(jìn)行調(diào)整，逐步向生態(tài)條件較適于優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)、市場銷路佳的南方煙區(qū)轉(zhuǎn)移，實施“北煙南移”戰(zhàn)略，逐漸形成了烤煙產(chǎn)區(qū)南移的趨勢[6-7]。

近幾年我國烤煙產(chǎn)區(qū)布局和產(chǎn)量基本穩(wěn)定，達(dá)到了穩(wěn)定生產(chǎn)階段。目前根據(jù)區(qū)域化布局以及生態(tài)適宜性，將我國煙草種植區(qū)共劃分為五大煙區(qū)，即西南煙草種植區(qū)、東南煙草種植區(qū)、長江中上游煙草種植區(qū)、黃淮煙草種植區(qū)和北方煙草種植區(qū)。但由于我國幅員遼闊，各煙區(qū)的氣候和土壤條件存在差異，造成煙葉品質(zhì)有所不同，形成了地域特色鮮明的煙區(qū)。西南煙區(qū)種植面積達(dá)到了60萬hm2，總產(chǎn)量約120萬噸，接近全國煙草種植面積和產(chǎn)量的60%，該區(qū)烤煙煙葉品質(zhì)優(yōu)良、特色鮮明，已發(fā)展成為我國最大的煙葉產(chǎn)區(qū)。其中云南的曲靖、玉溪、大理，貴州遵義，四川涼山等均是優(yōu)質(zhì)烤煙產(chǎn)地。由于有些煙區(qū)具有煙草生長的獨(dú)特自然環(huán)境條件，比如適合白肋煙的長江中上游煙區(qū)和適合香料煙的北方煙區(qū)，在試種成功后并進(jìn)行擴(kuò)大生產(chǎn)，建立了規(guī)?；纳a(chǎn)基地，已分別成為白肋煙和香料煙的主產(chǎn)區(qū)[7]。

據(jù)已有資料統(tǒng)計，每公頃煙草收獲后能產(chǎn)生煙稈2 250～3 000 kg，總計我國每年有煙稈216萬噸[8]。過去煙稈大多直接經(jīng)過粉碎被擠壓成棒狀燃料使用，雖然能基本達(dá)到等量燃煤的水平，但是卻對大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，因此如何合理化利用煙稈是亟待解決的一個難題[1]。

2 煙稈主要組成成分

煙草為茄科煙草屬一年生植物，具有圓柱形直立的莖稈，一般高80～150 cm，直徑約3.0～5.0 cm。目前煙草體內(nèi)己經(jīng)檢測出的化學(xué)物超過1 000多種，主要包括各種烴、醛、醌、酯、生物堿、色素、類異戊二烯衍生物、氨基酸和蛋白類等十幾大類物質(zhì)[9]。煙稈化學(xué)成分與木材基本類似，但由于各種成分含量的差異和一些特異性組分，造成了在利用途徑上的差異。煙稈中纖維素含量大致為38.0%～45.0%[10]，與木材相比含量較低，但與玉米秸稈、稻草秸稈和高粱稈等禾本科植物非常接近；煙稈中的半纖維素含量高于木材，與上述三種農(nóng)作物秸稈相比處于較低水平；木素和抽提物含量也很接近農(nóng)作物秸稈。另外，有研究表明葡萄糖和木糖是煙稈中含量最豐富的單糖，分別占到了74.33%和10.45%，此外，煙稈中還可以檢測到甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等小分子多糖[11]。

由此表明，煙稈可以作為較好的木質(zhì)纖維素原料，同時由于其木質(zhì)化程度較高，在很多方面的性能要優(yōu)于農(nóng)作物秸稈。另外，煙稈中的很多物質(zhì)都是利用價值極高的化合物，如果能夠?qū)⑦@些化合物提取分離，將會大大提高煙稈資源的利用率和經(jīng)濟(jì)價值。

表1 煙稈與其他幾種農(nóng)作物秸稈基本組分的對比

3 煙稈資源化利用途徑

目前，廢棄煙稈的資源化利用已引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，使得其利用途徑越來越完善，應(yīng)用范圍越來越廣泛。主要集中于以下三個方面。

3.1 提取重要化合物

煙稈中含有煙堿、茄尼醇、果膠、蛋白質(zhì)、氨基酸、有機(jī)酸和糖類等重要化合物，其中煙堿、茄尼醇等物質(zhì)是煙稈所特有的組分并且含量很高。所以國內(nèi)外的一些研究機(jī)構(gòu)和公司都致力于這些物質(zhì)的提取再利用的研究，在提取純化工藝和設(shè)備方面取得了很大的進(jìn)展，展示出了良好的應(yīng)用前景。結(jié)果如表2所示。

表2 煙稈中重要化合物的含量及利用途徑

3.2 制取高附加值產(chǎn)品

3.2.1 制取有機(jī)肥料

有研究表明[1]煙稈中含N 2.5%～3.0%、P2O50.5%～0.8%、K2O 3.0%～5.5%、MgO 0.12%，還存在硼、銅、鐵、錳、鋅等微量元素。另外，煙稈中含量較高的纖維素和木質(zhì)素，可以作為土壤腐殖質(zhì)的重要來源。因此可作為制取有機(jī)肥料的原材料，充分利用廢棄煙稈中所含的營養(yǎng)元素，解決煙株殘體利用的難題。有研究發(fā)現(xiàn)煙稈中C/N較高[35-36]，且含有的煙堿、茄尼醇等油溶性成分具有毒性，不宜單獨(dú)進(jìn)行堆肥，但是將雞糞或豬糞與煙稈進(jìn)行混合堆肥處理，不僅原料特性互補(bǔ)，消減有毒成分含量，縮短堆肥腐熟化進(jìn)程，而且會延長高溫分解持續(xù)的時間，可更有效殺滅堆料中所含的致病微生物。由此說明，利用煙稈與畜禽糞便制作混合堆肥是進(jìn)行無害化處理更有效的一種方式。陳飛等[37]以新鮮雞糞和小麥秸稈為主要原料，采用條垛式靜態(tài)好氧堆肥工藝，在堆肥發(fā)酵周期中添加1.5%（干重質(zhì)量比）的煙草廢棄物，其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)煙草廢棄物的最佳添加時期為一次發(fā)酵完成時，此時既可以避免煙草廢棄物對堆肥腐熟進(jìn)程和植物生長的不利影響，又對根結(jié)線蟲有明顯的抑殺作用。通過前人的研究發(fā)現(xiàn)，利用微生物將廢棄煙稈降解轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，然后通過適當(dāng)?shù)奶幚斫到鉄煻拸U棄物的毒素含量，可制成良好的有機(jī)肥料。因此，在煙草生產(chǎn)區(qū)將煙稈用于制作有機(jī)肥料是可行的。

3.2.2 制取活性炭

活性炭作為一種優(yōu)質(zhì)的吸附劑，被廣泛應(yīng)用于城市污水、飲用水、工業(yè)廢水的處理，能有效吸附水中的游離氯、酚、硫和其它有機(jī)污染物，還可用于空氣凈化、食品保鮮、防毒面具等方面。目前我國活性炭生產(chǎn)的原料主要是植物原料，其中絕大部分是木質(zhì)原料[38]。葉協(xié)鋒等[39]在分析不同類型煙草秸稈的化學(xué)組分時，發(fā)現(xiàn)烤煙、白肋煙、曬煙、香料煙、馬里蘭煙秸稈的有機(jī)碳含量均在45%以上，具備用來制備活性炭的原料條件。盧春蘭等[40]采用先水蒸氣活化再用稀鹽酸脫灰處理的工藝，在活化溫度750～800℃、水炭質(zhì)量比1.5～2.0∶1.0的條件下，成功制出了碘吸附值840～912 mg/g、比表面積為522～590 m2/g的煙稈活性炭。此研究利用煙稈灰分的催化作用提高了活性炭的吸附性能。對于煙稈制取的活性炭，有關(guān)學(xué)者對其實用性也進(jìn)行了研究。高建培等[41]采用微波加熱氯化鋅活化法對煙稈進(jìn)行處理制取了比表面積為1 214 m2/g，碘吸附值為1 059.32 mg/g的活性炭。用此活性炭對含銅廢水進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對水中Cu2+的最高去除率達(dá)91.64%，具備實用價值。利用廢棄煙稈作為原料制備活性炭，原料成本低廉，產(chǎn)品純度高，比表面積大，吸附性能好，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.2.3 制取纖維板

煙稈的木質(zhì)化纖維扁而寬，與其他非木材植物纖維相比，柔韌性更好，是制造高密度纖維板的理想原料[8]。早在1988年，中國林科院木材工業(yè)研究所進(jìn)行了煙稈濕法硬質(zhì)纖維板生產(chǎn)的研究，達(dá)到了預(yù)定的產(chǎn)品質(zhì)量要求，并論證了投入生產(chǎn)的可行性，為我國纖維板生產(chǎn)增加了新的原料來源[42]。進(jìn)入21世紀(jì)，我國纖維板業(yè)迅猛發(fā)展，已在家具、建材、裝飾裝修和包裝等多個行業(yè)都有應(yīng)用。李曉薇等[8]探索了利用煙稈制造無膠纖維板的工藝，采用半干法（即先將原料分介成纖維機(jī)械擠干后，鋪成半干狀板坯，經(jīng)熱壓后制成纖維板的方法），研制出了不但可以作為煙草加工環(huán)節(jié)所需的煙夾板，還可作為室內(nèi)環(huán)保裝飾材料的無異味高密度纖維板。由于煙稈中存在木素和果膠，在高溫高壓作用下可以將纖維粘結(jié)起來，實現(xiàn)無膠制板。因此，采用煙稈制取纖維板具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

3.3 制備生物質(zhì)類燃料

生物質(zhì)能是一種潔凈新能源，是人類最主要的可再生能源之一。生物質(zhì)能是指直接或間接的來源于綠色植物的光合作用，以生物質(zhì)作為載體，可轉(zhuǎn)化為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料的新型能源。它主要通過綠色植物的光合作用將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。它不僅具有原料多樣性、資源可循環(huán)性的特點(diǎn)，而且還具有對環(huán)境無害、經(jīng)濟(jì)可行、利國利農(nóng)的發(fā)展優(yōu)勢。謝兆鐘等[43]采用萃取法先將煙草廢棄物中抑制酒精發(fā)酵的油溶性成分（茄尼醇和煙草凈油）和水溶性成分（果膠和單寧）去除后，進(jìn)行發(fā)酵蒸餾，制備出96%的乙醇。謝麗萍等[44]對煙草下腳料酸解法發(fā)酵制取乙醇進(jìn)行了研究，最優(yōu)條件為：硫酸濃度為50%（w/w），固液比為10%（w/V），時間為100 min；采用稀釋5倍過濾液和未過濾液接種釀酒酵母進(jìn)行發(fā)酵，乙醇的產(chǎn)量分別為1.09 g/L和1.23 g/L。

雖然利用煙稈制備生物燃料已有文獻(xiàn)報道，但是由于煙稈中存在煙堿等抑菌成分，所以產(chǎn)量遠(yuǎn)低于玉米秸稈、高粱稈、稻草稈等農(nóng)作物秸稈。因此，如何去除煙稈中抑制微生物發(fā)酵的成分成為關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，一旦能解決這一難題，將對利用煙稈制備生物質(zhì)類燃料起到巨大的推動作用。這個問題值得進(jìn)行更為深入的研究。

4 展望

煙稈作為煙草的重要組成部分，化合物含量豐富，與木材、農(nóng)作物秸稈相比較具有其獨(dú)特性，在化合物的提取，有機(jī)肥料、活性炭、纖維板和生物質(zhì)燃料的制備上已經(jīng)有所應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，煙稈其它潛在的利用價值將會被進(jìn)一步挖掘。目前煙稈資源化利用的研究雖然取得了一定的成果，但在實際應(yīng)用階段仍存在一定問題。比如由于煙草生產(chǎn)經(jīng)營方式分散，種植規(guī)模小，生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱導(dǎo)致每年都有大量的煙稈被直接丟棄；煙堿、茄尼醇、果膠、低聚木糖等重要化合物提取的純度相對較低，制備生物質(zhì)燃料的研究還沒有引起足夠的重視。

雖然煙稈的資源化利用在今后的研究和應(yīng)用中存在著諸多的問題和挑戰(zhàn)，但是隨著我國現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的發(fā)展和對生態(tài)環(huán)境的重視，廢棄煙稈資源化利用研究的不斷深入，煙稈資源的價值在未來必定會得到充分的利用。

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Resources Distribution and the Utilization Way of Tobacco Stem in China

FU Chen-qing1, TONG Yin-xing1, WANG Feng-qin1, REN Tian-bao2, SONG An-dong1*
（1. Key Laboratory of Enzyme Engineering of Agricultural Microbiology, Ministry of Agriculture, College of Life Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China）

China had the highest tobacco production over the world. Tobacco stem was resourceful as the main waste, and had the value of development and application as the agricultural resources waste. The paper reviewed its distribution and basic components, summarized the application from the following aspects based on domestic and foreign research data: extraction of important compounds, manufacturing of fertilizer, preparation of biomass fuels, activated carbon and fibreboard. The existing problems and challenges in the process of comprehensive utilization were discussed, and the development in future was prospected in the paper.

tobacco; discarded tobacco stem; comprehensive utilization

X795

A

1004-8405(2015)02-0074-06

2015-04-07

“十二五”863計劃生物和醫(yī)藥技術(shù)領(lǐng)域國家科技計劃課題（子課題）（2012AA022301B）；河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊和創(chuàng)新人才支持計劃（15IRTSTHN014）。

付晨青（1990～），女，碩士研究生；研究方向：微生物能源工程。

* 通訊作者：宋安東，男，博士，教授；研究方向：微生物能源工程、發(fā)酵工程。Song1666@126.com