煙草廢棄物在吸附劑及高價(jià)值提取物應(yīng)用領(lǐng)域的研究進(jìn)展

摘 要：煙草是我國(guó)廣泛種植的經(jīng)濟(jì)作物，具有特殊的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在煙草采收和卷煙生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量不能用于卷煙工業(yè)的廢棄物。目前，煙草廢棄物的資源化利用方式有：提取生物活性化合物，制作肥料、燃料、電容器、生物炭和催化劑等。研究綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外煙草廢棄物在生物炭吸附劑及高價(jià)值提取物2個(gè)方面的利用情況。煙草廢棄物中含有豐富的木質(zhì)纖維素和官能團(tuán)，可將其制備成生物炭用來(lái)吸附土壤或水體中的污染物。此外，煙草廢棄物中提取的生物堿、茄尼醇、酚類化合物、碳水化合物、甾醇類等成分，可廣泛應(yīng)用于預(yù)防和治療各類疾病，也可用于食品工業(yè)、農(nóng)藥等領(lǐng)域。提取煙草廢棄物中高價(jià)值的生物活性化合物，對(duì)實(shí)現(xiàn)煙草廢棄物資源化利用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：煙草廢棄物；生物炭；煙草提取物

中圖分類號(hào)：S572 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2024）14-134-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.14.030

0 引言

我國(guó)是世界上最大的煙草生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煙葉的產(chǎn)量與銷量位居世界首位，煙草產(chǎn)量約占全球煙草產(chǎn)量的30%［1-2］。近年來(lái)，我國(guó)煙草種植面積有所下降，從原來(lái)的160萬(wàn)hm2降至101.3萬(wàn)hm2；每年煙葉的產(chǎn)量達(dá)220萬(wàn)t，產(chǎn)生的煙梗廢棄物達(dá)120萬(wàn)t，煙草行業(yè)是我國(guó)極其重要的經(jīng)濟(jì)來(lái)源之一［3］。然而，在煙草生產(chǎn)和加工過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量煙莖、煙梗和劣質(zhì)煙葉等廢棄物［4］。這些廢棄物堆放在田間、燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣都會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的危害［5］。因此，研究煙草廢棄物的資源化利用具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外煙草廢棄物的資源化方式有：作為有機(jī)堆肥、殺蟲劑、紙、建筑和纖維素的原料，提取生物活性化合物用于醫(yī)療和保健領(lǐng)域，制成燃料（生物油、沼氣和柴油）、電容器、生物炭和催化劑等。其中，煙草廢棄物的利用方式以提取生物活性化合物和作為生物炭制備原料最為廣泛。一方面，煙草廢棄物中含有豐富的木質(zhì)纖維素和官能團(tuán)，用其制備的生物炭具有優(yōu)異的吸附能力，因此有大量研究者將其作為吸附劑用于去除水中或土壤中的污染物［6-7］。另一方面，提取煙草廢棄物中高價(jià)值的生物活性化合物，有助于煙草廢棄物的無(wú)害化處理，其提取物也可廣泛應(yīng)用于抗菌、預(yù)防和治療疾病等。筆者從以2個(gè)方面來(lái)綜述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外煙草廢棄物資源化利用的研究進(jìn)展。

1 煙草廢棄物制備生物炭用于吸附水中重金屬

1.1 煙草廢棄物生物炭的制備及改性

1.1.1 煙草廢棄物生物炭的制備

煙草廢棄物（煙莖、煙梗、劣質(zhì)煙葉等）中富含氮、碳、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，以及纖維素和木質(zhì)素，纖維素和木質(zhì)素是較好的生物炭制備原料。但在不同的制備工藝（如熱解溫度、熱解時(shí)間、氣氛和升溫速率不同）下，生物炭的比表面積、孔隙大小和官能團(tuán)不同。生物炭制備的常用方法有熱解、烘焙炭化、快速炭化和水熱炭化等［8］。利用煙草廢棄物制備生物炭一般使用熱解法，將煙草廢棄物放入反應(yīng)爐內(nèi)，在氮?dú)饣蛳扪鯒l件下，加熱0.5～1.0 h，加熱溫度通常在300～800 ℃，一般不超過(guò)1 000 ℃。有研究者在氮?dú)鈿夥铡?00 ℃ 熱解2 h、升溫速率5 ℃/min條件下，使用煙草秸稈制備了平均孔寬度2.12 nm、總孔體積0.35 cm3/g和比表面積667.59 m2/g的生物炭，并在1 000 ℃下熱處理5 h；相較于活化前，活化后的生物炭具有更發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)，孔寬度、總孔體積和比表面積進(jìn)一步提高，對(duì)磺胺二甲嘧啶的吸附能力提高了4.3倍［9］。在生物炭制備過(guò)程中，水和揮發(fā)性物質(zhì)得以去除，生物炭中的氧、氫和氮的含量低于煙梗和煙葉，而碳的含量顯著升高［10］。

1.1.2 煙草廢棄物生物炭的改性

生物炭改性方法包括化學(xué)改性和物理改性?；瘜W(xué)改性主要包括氧化改性、酸堿改性、負(fù)載金屬改性及有機(jī)改性等，而物理改性主要包括紫外改性、蒸汽改性、離子體改性及氣體吹掃改性等［8］。常見(jiàn)的化學(xué)活化劑有KOH、NaOH和ZnCl2等。KOH會(huì)對(duì)生物炭產(chǎn)生蝕刻作用，使其形成更多的孔隙［11］。ZnCl2可有效將煙草殘?jiān)D(zhuǎn)化為活性炭，并提供與重金屬的新結(jié)合位點(diǎn)［12］。有研究者使用K2C3O4·H2O和CaCO3活化煙莖生物炭，使其表面積、孔體積及孔徑大幅提升［13］。

1.2 煙草廢棄物生物炭吸附不同重金屬

煙草廢棄物生物炭被廣泛用于吸附鉛、鎘、鉻、銅等多種金屬離子，吸附性能較好。目前，更多學(xué)者研究的是單一的重金屬吸附，對(duì)多金屬?gòu)?fù)合吸附的研究較少。AHMED等［14］使用煙梗生物炭對(duì)鉻進(jìn)行吸附，在一定條件下，吸附量達(dá)到最佳（103.63 mg/g）；其去除機(jī)理為鉻與生物炭上的—COOH、—OH、—NH2發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，與Si—O—Si發(fā)生還原反應(yīng)，或是通過(guò)靜電作用（即煙梗生物炭表面帶正電荷從而產(chǎn)生靜電排斥）［15］，導(dǎo)致對(duì)鎘的吸附受限于酸性條件；煙梗生物炭對(duì)鎘的吸附主要依賴煙梗生物炭上的—COOH、—OH和C=O等官能團(tuán)與鎘的相互作用。CUI等［16］使用磁性FeCl3對(duì)煙梗生物炭進(jìn)行活化，改性后生物炭吸附性能提升14倍，生物炭上的—OH與鉻進(jìn)行交換、還原，使得鉻被吸附于其上。有研究者發(fā)現(xiàn)，煙莖生物炭通過(guò)沉淀作用、陽(yáng)離子相互作用和表面絡(luò)合作用對(duì)鉛、鎘、銅3種重金屬進(jìn)行吸附去除，相較于鉛、鎘，銅的吸附平衡時(shí)間更長(zhǎng)［17］。

2 煙草廢棄物中高價(jià)值提取物的類型與應(yīng)用

煙草廢棄物中的生物活性化合物即煙草的次生代謝產(chǎn)物。目前，煙草中已有超2 000種代謝物被查明其化學(xué)結(jié)構(gòu)［18］。按不同組分劃分，提取物包括生物堿、茄尼醇、酚類化合物、碳水化合物、甾醇類等。這些提取物可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、食品、農(nóng)藥、飼料等領(lǐng)域，其潛在效益已引起科學(xué)家和社會(huì)的關(guān)注。

2.1 生物堿

煙草生物堿由約95%的煙堿和約5%的微量生物堿（去甲煙堿、新煙堿、假木賊堿、雪茄堿等）組成。其中，煙堿在煙草葉片中的含量為0.907%～4.610%［19］，其對(duì)煙草品質(zhì)具有顯著影響。適量的煙堿對(duì)腦炎后帕金森綜合征、阿爾茨海默病和tourette綜合征的治療具有一定的價(jià)值。除用于人體外，煙堿提取物還可作為殺蟲劑的原料，其原理是煙堿與神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿受體相互作用時(shí)，選定的離子通過(guò)細(xì)胞膜，阻礙中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正常傳導(dǎo)，從而麻痹或殺死害蟲。目前，我國(guó)煙堿的提取技術(shù)與國(guó)際相比還存在較大差距，這限制了煙堿在工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。因此，亟須提升煙堿的提取工藝水平。而一些新出現(xiàn)的萃取技術(shù)（如超臨界流體萃取法），可用于脫除煙堿和生產(chǎn)低煙堿煙草，具備在煙草產(chǎn)業(yè)內(nèi)推廣的價(jià)值。

2.2 茄尼醇

茄尼醇在煙葉中主要以游離態(tài)和結(jié)合態(tài)2種形式存在，結(jié)合態(tài)茄尼醇則與亞麻酸、肉豆蔻酸、亞油酸和油酸等天然植酸結(jié)合在一起。茄尼醇具有顯著的抗增殖活性、抗菌活性，可用于生產(chǎn)多類藥物和治療許多疾病，其可作為多環(huán)芳烴的前體用于輔酶Q10和維生素K2的化學(xué)合成。其中，輔酶Q10作為一種抗氧化劑，除作為食品添加劑外，具有抗炎、抗腫瘤、抗高血壓、治療心血管疾病等作用。而由茄尼醇合成的維生素K2可制作血液凝固劑和預(yù)防骨質(zhì)疏松；一些研究還發(fā)現(xiàn)K2可降低某些癌癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，其主要通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和細(xì)胞周期阻滯來(lái)抑制癌細(xì)胞［20］。茄尼醇還能顯著抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的活性［21］，可用于腸道調(diào)節(jié)劑的研發(fā)；也有報(bào)道稱其具有強(qiáng)心劑的功效，或可用于生產(chǎn)糖尿病患者的肝損傷保護(hù)劑。目前，茄尼醇的主要來(lái)源是煙草，可通過(guò)有機(jī)溶劑提取、微波/超聲波輔助提取和超臨界萃取等方式獲取。但目前獲取高純度茄尼醇提取物的方式成本較高，尚不能大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)，傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提取方式（熱回流法、浸提法等）則會(huì)導(dǎo)致提取物純度較低。因此，研發(fā)新的提取技術(shù)有助于更好地推動(dòng)煙草廢棄物無(wú)害化處理和茄尼醇的規(guī)?；瘧?yīng)用。

2.3 酚類化合物

酚類化合物是植物次生代謝產(chǎn)物，因其具有保護(hù)氧化性細(xì)胞的抗氧化能力而受到關(guān)注。煙草富含黃酮類化合物（如蘆?。┖途G原酸類成分［22］，是獲取酚類化合物的理想物質(zhì)。黃酮類化合物具有清除能力，在植物中起抗氧化作用，蘆丁是煙草中主要的黃酮類物質(zhì)［23］。煙草中提取的蘆丁、羥基肉桂酸和槲皮素等活性物質(zhì)可用于抗衰老劑的研發(fā)，這是因?yàn)槎喾踊衔锟蓽p少氧化應(yīng)激反應(yīng)對(duì)細(xì)胞組成（包括DNA和蛋白質(zhì)）造成的損傷，延緩細(xì)胞損耗過(guò)程［24］；也有觀點(diǎn)認(rèn)為多酚化合物通過(guò)改善細(xì)胞間的相互作用來(lái)延緩器官的衰老過(guò)程［25］。

煙草廢棄物中富含綠原酸，可替代杜仲和忍冬成為綠原酸的穩(wěn)定來(lái)源，煙草中綠原酸主要以新綠原酸、隱綠原酸等形式存在［26］。煙草的酚類提取物可用作鎮(zhèn)痛藥、消炎藥和抗風(fēng)濕藥［27］。此外，綠原酸也可用作食品添加劑、食品包裝材料、功能性食品材料，在化妝品行業(yè)可作為天然抗氧化劑，在農(nóng)藥行業(yè)可用于抵抗昆蟲、防止果蔬酶促褐變。也有研究利用煙草多酚化合物的益生元作用，研制適用于腸道系統(tǒng)的保健產(chǎn)品［28］。然而，目前業(yè)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)煙草廢棄物中酚類化合物統(tǒng)一的提取溶劑或方式，如蘆丁通常用高濃度乙醇溶液提取，而提取綠原酸則需要適當(dāng)降低乙醇濃度。超聲提取可以通過(guò)破壞植物體內(nèi)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)來(lái)獲取更高濃度的酚類化合物，并減少提取時(shí)間［29］。

2.4 碳水化合物

煙草廢棄物中的多糖以還原性多糖為主［30］，具有免疫調(diào)節(jié)、降血糖、降血脂、抗凝血、抗氧化和抗病毒等多種作用。XU等［31］首次發(fā)現(xiàn)煙草類多糖具有抗氧化活性，添加或保留多糖有助于緩解煙草提取物的氧化。煙草類多糖顯著影響腸道微生物群落［32］，進(jìn)而改變腸道系統(tǒng)健康狀況。此外，煙草類多糖還可用于抗腫瘤和抗炎癥藥品的研發(fā)。目前，煙草類多糖的提取主要通過(guò)冷凍干燥和超聲輔助提取，并取得了一定的成果［33-34］。面對(duì)煙草類多糖日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，在原料有限的條件下，我國(guó)需要改進(jìn)煙草類多糖的提取技術(shù)，以獲取更高的資源產(chǎn)出。

2.5 甾醇類

煙葉中主要的甾醇有膽固醇、菜油甾醇、豆甾醇和β-谷甾醇，甾醇類占煙葉干重的0.1%～0.3%。在煙草中，甾醇主要負(fù)責(zé)應(yīng)對(duì)生物和非生物脅迫［35-36］。煙草是少數(shù)能合成動(dòng)物類固醇激素的植物，如孕酮、睪酮和雌二醇等［37-38］。因此，研發(fā)煙草甾醇作為動(dòng)物源同類產(chǎn)品具有重要意義。目前，甾醇提取主要通過(guò)加速溶劑萃取法、超聲輔助萃取法和索氏提取法等。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，大規(guī)模處理煙草廢棄物已成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。一方面，煙草廢棄物可在不同工藝下制備成生物炭，其成品可廣泛應(yīng)用于重金屬吸附、土壤理化性質(zhì)改良，實(shí)現(xiàn)煙草廢棄物的無(wú)害化處理。另一方面，煙草廢棄物中存在的生物活性化合物經(jīng)過(guò)加工提取，可為人類、動(dòng)植物及環(huán)境提供潛在的健康收益，具備深度開(kāi)發(fā)價(jià)值。盡管煙草廢棄物具備廣闊的開(kāi)發(fā)前景，但目前對(duì)其的利用仍然有限。因此，探索更高效的煙草廢棄物資源化利用途徑，促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，是未來(lái)研究和發(fā)展的重點(diǎn)。

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（欄目編輯：董清芝）