煙草廢棄物高值化利用及與合成生物學(xué)融合的現(xiàn)狀與前景

關(guān)鍵詞：煙梗；廢棄煙葉；合成生物學(xué)；可持續(xù)發(fā)展；生物煉制

我國(guó)是世界上最大的煙草種植國(guó)和消費(fèi)國(guó)，據(jù)2023年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)顯示[1]，2022年我國(guó)煙草種植面積為1.044×106hm2，煙葉年產(chǎn)量2.188×106t。在煙草農(nóng)業(yè)及卷煙工業(yè)生產(chǎn)階段會(huì)產(chǎn)生大量煙草廢棄物，如煙草秸稈（以下簡(jiǎn)稱“煙稈”）、煙梗、殘次煙葉等。有關(guān)煙草廢棄物的資源化回收利用及一體化綠色處理，被視為重要的綠色可持續(xù)發(fā)展及資源節(jié)約手段[2]。煙草廢棄物中含有大量木質(zhì)素、綜纖維素（纖維素和半纖維素的總稱）、蛋白質(zhì)、淀粉，以及豐富的香味物質(zhì)和生物活性物質(zhì)如生物堿、黃酮、倍半萜烯、二萜烯醇、蔗糖酯等。目前，基于煙草廢棄物高值化利用的研究主要聚焦于3個(gè)方面（圖1）：（1）基于煙草綜纖維素組分的應(yīng)用；（2）煙草原料中活性成分的提取及轉(zhuǎn)化應(yīng)用；（3）煙草木質(zhì)素制備小分子化合物及功能材料。

近年來，合成生物學(xué)快速發(fā)展，已從分子層面逐漸走向細(xì)胞層面[7]，通過設(shè)計(jì)合成基因原件、構(gòu)建代謝途徑、改造微生物底盤等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)底物向生物基化學(xué)品、能源、醫(yī)藥產(chǎn)品開發(fā)中的高效、高產(chǎn)、高值轉(zhuǎn)化。因而無論是作為生物質(zhì)原料精煉回收利用，還是作為醫(yī)藥化工領(lǐng)域重要小分子化合物的底物來源，合成生物學(xué)策略對(duì)于煙草廢棄物高值化開發(fā)利用均展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

本文重點(diǎn)綜述了煙梗、煙稈和廢棄煙葉的高值化研究現(xiàn)狀，結(jié)合合成生物學(xué)在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，展望其對(duì)于煙草廢棄物高值化利用的應(yīng)用前景，以促進(jìn)煙草廢棄物在農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和煙草行業(yè)等領(lǐng)域的高值化利用。

1煙草秸稈及煙梗的高值化應(yīng)用與研究

煙梗和煙稈在煙草廢棄物中占比較高，主要成分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。在煙草的不同部位中（表1），煙稈的木質(zhì)素、綜纖維素成分占比最高，煙梗其次，煙葉最低；與同為禾本科植物的玉米秸稈比較，煙稈的木質(zhì)素、纖維素各組分含量與之較為接近。早期為提升煙梗和煙稈的附加值，通常將煙稈制作成有機(jī)肥料[8]、活性炭[9]或煙草薄片，隨著技術(shù)的發(fā)展，煙梗和煙稈逐漸應(yīng)用于生物燃料或高性能材料的開發(fā)，進(jìn)一步拓寬了其高值化利用的途徑。

1.1生物乙醇精煉

生物質(zhì)精煉制備生物乙醇是農(nóng)林資源再利用的重要方式之一，木質(zhì)纖維素中的碳水化合物組分通過預(yù)處理、酶解、發(fā)酵、分離純化等步驟得到生物乙醇，能在一定程度上緩解能源緊張的問題。在以木質(zhì)纖維為原料的生物乙醇精煉過程中，碳水化合物與木質(zhì)素之間的化學(xué)鍵、纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的非生產(chǎn)性吸附作用[15]等都制約了生物乙醇精煉的效率，而發(fā)酵前預(yù)處理可以有效解決上述問題。

目前，煙梗及煙稈預(yù)處理研究主要聚焦于化學(xué)法、物理化學(xué)法、生物法。Yuan等[16]探究了酸堿溶劑蒸汽預(yù)處理對(duì)煙稈基乙醇得率的影響，該研究指出的兩種方法乙醇收率均達(dá)到70%以上，證實(shí)煙稈作為生物乙醇精煉原料的廣闊應(yīng)用前景。Gong等[17]在溫和條件下（低于100℃）對(duì)煙梗依次進(jìn)行稀酸和稀堿預(yù)處理，結(jié)果表明在發(fā)酵固液比為30%條件下，每千克預(yù)處理后的煙梗原料可發(fā)酵得到0.15kg生物乙醇?？紤]到煙堿對(duì)于微生物生物活性的影響，Su等[18]開發(fā)了一種白腐真菌與多毛菌協(xié)同解毒發(fā)酵的新途徑，將煙稈中煙堿含量降至安全濃度，減少煙堿對(duì)微生物的抑制作用，極大提升了煙稈酶解發(fā)酵的效率。

盡管研究領(lǐng)域嘗試了大量的物理、化學(xué)預(yù)處理技術(shù)用于提升煙稈生物乙醇精煉的效率，但遠(yuǎn)沒有達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的條件。目前煙稈生物乙醇精煉的工業(yè)化落實(shí)仍然面臨諸多困難，如運(yùn)行成本高昂、碳水化合物組分損失大、抑制劑對(duì)生物降解過程的負(fù)面影響等，如何得到高比例碳水化合物的煙稈產(chǎn)物及提升生物發(fā)酵效率將是煙稈及煙梗生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)的重中之重。

1.2木質(zhì)素解離

木質(zhì)素是木質(zhì)纖維素的重要組成部分，其含量約占生物圈有機(jī)碳的30%。木質(zhì)素由苯丙烷結(jié)構(gòu)單元通過醚鍵和碳-碳鍵連接而成，具有天然的生物活性、親疏水性[19]和生物相容性[20]，煙稈、煙梗預(yù)處理水解液中的木質(zhì)素經(jīng)過進(jìn)一步處理，可用于抗菌劑、抗氧化劑、紫外防護(hù)劑等功能材料及化學(xué)品的開發(fā)。Wang等[21]對(duì)比不同體系低共熔溶劑（DES）處理煙稈解離木質(zhì)素，結(jié)果表明，在氯化膽堿-乳酸和氯化膽堿-甘油體系下，木質(zhì)素發(fā)生碎片化反應(yīng)，得到分子量小且具有縮合結(jié)構(gòu)的解離木質(zhì)素；而氯化膽堿-單乙醇胺體系得到的解離木質(zhì)素中富含β-O-4鍵以及少量的氫鍵，該研究指出經(jīng)不同體系DES處理后的解離木質(zhì)素具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、紫外吸收性和抗氧化活性。Liu等[22]采用水熱-稀堿聯(lián)合預(yù)處理煙稈，通過加水、降低水解液pH從預(yù)處理水解液中得到煙草堿木質(zhì)素，通過順序溶劑分餾法（正丁醇、乙醇、甲醇、二惡烷）獲取不同分子量的煙草堿木質(zhì)素，進(jìn)一步對(duì)不同分子量木質(zhì)素進(jìn)行研究，結(jié)果表明正丁醇和乙醇提取的木質(zhì)素分子量低，富含酚羥基，因而具有良好的化學(xué)反應(yīng)活性和抗氧化能力，有望在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域發(fā)揮作用；相比之下，二氧六環(huán)提取的木質(zhì)素分子量大，反應(yīng)活性低，殘?zhí)悸矢?，更適用于制備碳材料。

1.3納米纖維材料開發(fā)

納米纖維素材料因具備高比表面積、高強(qiáng)度等優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)，在生物基綠色材料的開發(fā)方面具有巨大潛力。Wang[4]等以煙稈為原料，經(jīng)亞硫酸銨蒸煮和甲酸水解處理，制備含有一定比例木質(zhì)素的煙稈基納米纖維素，并用其進(jìn)一步制備柔韌且防水的纖維素納米紙，該材料被證實(shí)具有較高的拉伸強(qiáng)度（255Mpa）和良好的水穩(wěn)定性（濕強(qiáng)度83Mpa），同時(shí)還兼具優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及紫外屏蔽性能。Zhang等[23]將紫外輻射后的煙稈與丙烯酸/丙烯酸鉀聚合，制備具有高吸附性能的多孔煙稈基聚丙烯水凝膠，這種水凝膠對(duì)于Pb2+、Cd2+和Hg2+等重金屬離子具有較好的吸附性能，為重金屬的污染處理提供了新的解決方案。由此可見，煙草來源的納米纖維素材料在特種紙制備、重金屬吸附等領(lǐng)域具有一定影響。

1.4生物聚合物

生物基聚合物具有綠色、易降解、生物相容性等特點(diǎn)，是一類有望替代石油基聚合物的新型綠色材料。煙稈煙梗富含木質(zhì)素、纖維素，可作為原料用于生物基聚合物材料的生產(chǎn)。例如，聚羥基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）作為一類結(jié)構(gòu)多樣化、生物可降解的高分子聚酯材料，在工業(yè)發(fā)酵、生物塑料、醫(yī)療材料等方面展現(xiàn)出巨大的發(fā)展前景。已有文獻(xiàn)報(bào)道利用工程菌株處理木質(zhì)素纖維素發(fā)酵制備生物基聚合物。例如，Jin等[24]通過篩選啟動(dòng)子，控制不同來源xylAB基因在菌株C.glutamicumS9114中表達(dá)，抑制木糖分解過程中副產(chǎn)物（乳酸、醋酸）產(chǎn)生，高效構(gòu)建麥秸稈水解液的木糖高效利用途徑，使得谷氨酸產(chǎn)量提高了40%，并成功將合成3-羥基丁酸酯（Poly3-hydroxybutyrate，PHB）所需的關(guān)鍵基因整合至該重組菌株的基因組中，獲得較為穩(wěn)定的PHB生物合成能力[25]。

除上述應(yīng)用外，煙稈還可用于制備超級(jí)電容器、生物炭、人造板材等高附加值材料（見表2）。綜上，關(guān)于煙梗及煙稈的研究主要聚焦于生物或化學(xué)方法處理并得到目標(biāo)化學(xué)品或材料，雖對(duì)未來煙草廢棄物高值化利用有一定的理論指導(dǎo)意義，但仍存在環(huán)境不友好、生產(chǎn)效率低、制備成本高等缺點(diǎn)[26]。

2廢棄煙葉高值化應(yīng)用與研究

在煙草行業(yè)中，廢棄煙葉主要來自于田間生產(chǎn)的不適用煙葉和工業(yè)加工時(shí)產(chǎn)生的碎片、碎末，占據(jù)煙葉總產(chǎn)量的20%～25%[31]。煙葉作為一類特殊的生物質(zhì)資源，蘊(yùn)含極為豐富的化學(xué)成分，迄今已確定的化學(xué)物質(zhì)超過2500種[32]。煙葉中富含生物堿、黃酮類、萜烯類等成分，具有極高的應(yīng)用價(jià)值，因而全面發(fā)掘煙葉中的生物活性成分，有助于提升廢棄煙葉的附加值。

2.1致香成分提取及應(yīng)用

煙葉中含有較為豐富的致香成分，主要包括西柏烷、美拉德反應(yīng)產(chǎn)物、多酚等。從煙葉中提取致香成分并加入卷煙可掩蓋刺激性氣味，顯著改善卷煙產(chǎn)品的香氣質(zhì)量。目前煙草致香成分提取方法包括溶劑萃取法、超臨界提取法和分子蒸餾法等。陳偉華等[33]以廢棄煙末為原料，探究超臨界CO2的萃取條件對(duì)煙草香味物質(zhì)性質(zhì)的影響，指出酸類、醛酮類、雜環(huán)類化合物等香味物質(zhì)在1h內(nèi)的萃取效率可達(dá)95%，其他各類香味物質(zhì)在3h內(nèi)萃取得率可達(dá)90%，證明超臨界CO2萃取對(duì)于煙草香味物質(zhì)具有較強(qiáng)提取能力。段昊沅等[34]采用過熱水蒸氣蒸餾-干餾集成技術(shù)制備煙草香料，過熱水蒸氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w使煙草原料受熱均勻，致香成分釋放完全，既可提取煙草中的芳香物質(zhì)，又能在較高溫度下產(chǎn)生更多的致香成分，得到烤香、焦甜香更為濃郁的煙草香料。

利用物理或化學(xué)方法提取煙葉中的致香成分雖然拓寬了廢棄煙葉的利用途徑，但仍然存在操作難度大、精制程度低等問題，而生物發(fā)酵技術(shù)能夠更加高效、更為綠色地制備煙用香料。Zhao等[35]利用超聲酶解法提取廢棄煙葉中的香氣成分并用于制備煙草薄片的涂布液，相較于萃取法，超聲酶解法能夠?qū)熑~香氣成分的得率提高1.5倍。許春平等[36]以低次煙葉為原料，接種1%的產(chǎn)香酵母SP-3，在30℃、發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)7d的條件下，成功制備具有優(yōu)質(zhì)香味的煙草浸膏。Yao[37]等從雪茄煙葉中分離出一種產(chǎn)纖維素酶的菌株并加入雪茄煙葉中進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)，在接種濃度20%、溫度為37℃的條件下，可降解煙葉中31.7%的纖維素，煙葉中β-大馬士革酮、大芥子甲烯酮、法尼基丙酮和茄酮等香氣物質(zhì)提升近26.1%，為煙草生物產(chǎn)香提供了一種綠色且高效的方式。

2.2生物活性物質(zhì)

生物活性物質(zhì)指來自生物體內(nèi)對(duì)生命活動(dòng)具有影響的微量或少量物質(zhì)，在減少細(xì)胞氧化應(yīng)激、抑制腫瘤發(fā)展和抗炎癥等方面具有重要的正向作用，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、生命科學(xué)等領(lǐng)域。本節(jié)將簡(jiǎn)要概述近年來煙草中茄尼醇、煙草蛋白、生物堿3種生物活性物質(zhì)的提取方法，并展望合成生物學(xué)在煙草生物活性物質(zhì)開發(fā)研究中的應(yīng)用前景。

2.2.1茄尼醇 茄尼醇是一種重要的醫(yī)藥中間體，廣泛存在于煙草、桑樹等植物中，有消炎、抗菌、抗癌和抗?jié)兊裙π38]，可用于合成輔酶Q10、維生素K2等藥物。隨著市場(chǎng)對(duì)高純度、高品質(zhì)茄尼醇的需求程度越來越高，相關(guān)的分離純化研究越來越深入。孫銀合等[39]通過對(duì)煙草進(jìn)行氨浸預(yù)處理脫除部分木質(zhì)素，預(yù)處理后的煙草茄尼醇提取率從89.24%提高到104.63%。黃振瑞等[40]利用纖維素酶-半纖維素酶聯(lián)用法對(duì)煙葉進(jìn)行預(yù)處理，通過分解煙葉的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，促使組織內(nèi)物質(zhì)釋放并提升茄尼醇的提取效率，在最優(yōu)反應(yīng)條件下，總茄尼醇得率較于對(duì)照組提高158.78%。

2.2.2煙草蛋白 煙葉中的蛋白質(zhì)含量豐富（10%～20%），具有氨基酸含量高、可利用價(jià)值高等特點(diǎn)，經(jīng)加工后可用于飼料、醫(yī)藥、生物活性肽等多個(gè)領(lǐng)域[41]，因此近年來關(guān)于煙葉蛋白質(zhì)提純技術(shù)的研究較為深入，如萃取法[42]、膜分離法[43]等。Balasubramaniam等[44]設(shè)計(jì)了一種聚乙二醇和硫酸鈉水性兩相萃取工藝，實(shí)現(xiàn)了煙草蛋白質(zhì)的回收和部分蛋白純化。Shi等[45]采用中空纖維膜一體化工藝從廢棄煙葉中提取純化煙草蛋白，可使煙草蛋白質(zhì)去除率達(dá)到98.5%，同時(shí)蛋白質(zhì)得率為93.1%，被證明是一種極具前景的煙草蛋白提取技術(shù)。Fu等[46]建立了一種磷酸鹽緩沖系統(tǒng)用于煙葉蛋白質(zhì)提取，不僅實(shí)現(xiàn)了高比例煙草蛋白質(zhì)的獲?。ǖ寐?5.5%），還可去除煙草蛋白中的煙堿，這為無煙堿煙草蛋白提純提供新的思路。

2.2.3生物堿 煙草中的生物堿含量非常豐富，包括煙堿、新煙草堿、假木賊堿等。早期報(bào)道了多種從廢棄煙葉中回收生物堿的方法，處理后的煙葉毒性降低，可用于煙草薄片、肥料和紙漿等產(chǎn)品的開發(fā)，進(jìn)一步提高廢棄煙葉的附加值。Banozic等[47]利用微波輔助提取廢棄煙葉中的煙堿和酚類物質(zhì)，萃取物中煙堿含量高達(dá)5.4%。谷彥嶺等[48]借助溶劑浸取和蒸餾提純等技術(shù)手段，提取煙草廢棄物（廢棄煙葉、煙梗）中的煙堿，并采用回流浸提技術(shù)制備煙草浸膏，實(shí)現(xiàn)煙草廢棄物的高值化再利用。目前，煙草生物堿在農(nóng)業(yè)、煙草工業(yè)、醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，煙堿可作為常見的殺蟲劑用于農(nóng)作物病蟲害的防治[49-50]；煙草工業(yè)中，煙堿可作為涂布液添加劑涂布至煙草薄片，以提升薄片類煙草制品的抽吸勁頭[51]；在醫(yī)學(xué)方面已有研究證實(shí)，煙堿在治療認(rèn)知障礙、精神分裂癥、自閉癥等方面有一定的療效[52]。

除上述物質(zhì)之外，煙葉中還富含萜類、酚類等活性物質(zhì)（表3）。未來有望以廢棄煙葉作為生物質(zhì)原料，經(jīng)過預(yù)處理轉(zhuǎn)換后提取純化高附加值的活性物質(zhì)，進(jìn)一步拓展煙草在醫(yī)藥、香精香料等非傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)借助合成生物學(xué)、代謝組學(xué)等技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)揮廢棄煙葉的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)煙草廢棄物綠色可持續(xù)及高值化應(yīng)用協(xié)同發(fā)展[53]。

3煙花高值化應(yīng)用與研究

煙草打頂是煙草農(nóng)業(yè)種植過程中一項(xiàng)不可或缺的技術(shù)，通過摘除植株頂部的花序及頂芽的分生組織，可以調(diào)整煙株內(nèi)部的養(yǎng)分分配、消除煙草頂端優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而增加煙葉面積、提升煙葉產(chǎn)量[60]。目前生產(chǎn)中打頂后的煙花多被丟棄或掩埋。隨著卷煙工業(yè)對(duì)于綠色可持續(xù)發(fā)展要求的提高，對(duì)于廢棄煙花的利用已成為近期研究熱點(diǎn)。孫福山等[61]采用“鮮煙葉+鮮煙花蕾同烤”技術(shù)提升烤后煙葉的致香成分，即按常規(guī)裝煙時(shí)在葉尖下方掛裝煙花同烤（鮮煙葉與煙花質(zhì)量比為10∶1），結(jié)果表明，葉花同烤后的煙葉中芳樟醇、β-大馬酮、香葉基丙酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯、巨豆三烯酮類等致香物質(zhì)含量顯著提升，相較于常規(guī)烘烤煙葉，葉花同烤后煙葉的感官得分顯著提升，提高了烤后煙葉整體感官檔次。尚憲超等[62]采用深共熔溶劑法提取煙草花序中的西柏三烯二醇，通過對(duì)比23種深共熔溶劑體系的提取效果，確定以氯化膽堿/1，4-丁二醇為最優(yōu)深共熔溶劑體系，并進(jìn)一步指出，在最優(yōu)提取條件下煙草花蕾中的西柏三烯二醇提取率達(dá)到8.95mg/g，實(shí)現(xiàn)了煙花中西柏三烯二醇的高效率、低污染提取。孫振春等[63]以煙草花蕾為原料制備煙草花蕾酶解液，并以此為溶劑，在控溫真空條件下補(bǔ)充脯氨酸和葡萄糖促進(jìn)美拉德反應(yīng)中間體Amadori重排產(chǎn)物（ARP）的合成，研究表明，煙草花蕾酶解物作為反應(yīng)溶劑，在90℃、2500Pa條件下反應(yīng)120min獲得的ARP產(chǎn)率較水溶液反應(yīng)體系由39.91%提高至92.20%，實(shí)現(xiàn)了煙草花蕾脯氨酸-葡萄糖ARP的高效制備。

除上述應(yīng)用之外，行業(yè)內(nèi)對(duì)煙草花蕾精油和香膏提取技術(shù)的研究也較多。許春平等[64]利用CO2超臨界萃取法制備煙草花蕾揮發(fā)油，通過GC/MS分析不同添加比例的煙草花蕾揮發(fā)油對(duì)煙草薄片煙氣化學(xué)成分的影響；另外，許春平等[65]采用清除DPPH、OH自由基和等方式比較不同產(chǎn)地間煙草花蕾精油的抑菌和抗氧化能力并指出，煙草花蕾精油具有一定的抑菌和抗氧化能力，可用于天然抑菌劑和抗氧化劑的開發(fā)。

綜上，有關(guān)煙花高值化應(yīng)用的研究主要聚焦于煙花精油或功能性成分提取技術(shù)的開發(fā)，未來在多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)下，煙花高值化利用不僅可為煙草行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供新的思路，也為香精香料、化妝品等行業(yè)帶來新的機(jī)遇。

4合成生物學(xué)與煙草廢棄物高值化產(chǎn)品的開發(fā)

目前煙草廢棄物高值化利用雖取得一定階段性成果，但仍受限于諸多因素影響，在資源轉(zhuǎn)化效率、產(chǎn)品附加值提升等方面存在可拓展空間。在此背景下，尋求更先進(jìn)、創(chuàng)新的技術(shù)手段迫在眉睫，而合成生物學(xué)作為極具突破性與前瞻性的新興學(xué)科，憑借其對(duì)生物系統(tǒng)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)及改造能力，為煙草廢棄物高值化利用帶來了全新契機(jī)。

合成生物學(xué)是對(duì)已有的生物系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，或是對(duì)新的生物體（酶、遺傳線路和細(xì)胞等）的設(shè)計(jì)與重構(gòu)[66]。合成生物學(xué)體系中，構(gòu)建生物系統(tǒng)通常采用工程學(xué)“自上而下”的方法，與基因工程、代謝工程、計(jì)算科學(xué)等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科相結(jié)合，旨在解決復(fù)雜的生物問題。相較于傳統(tǒng)的基因工程，合成生物學(xué)更強(qiáng)調(diào)生命物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)化，即利用基因測(cè)序技術(shù)明確生物合成途徑中的關(guān)鍵基因簇，通過DNA合成和組裝技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造和重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同種類物質(zhì)的生物合成與開發(fā)。以青蒿素的生物合成為例，青蒿素作為一種倍半萜內(nèi)酯物質(zhì)，先前多從黃花蒿中提取分離，或從黃花蒿中提取含量較高的青蒿酸，再經(jīng)化學(xué)半合成制得，因而受氣候及地域因素影響較大[67]。Keasling等[68]于2006年在釀酒酵母體系中過表達(dá)法尼基焦磷酸（FPP）合成通路的功能基因，高表達(dá)青蒿二烯合成酶（ADS）等相關(guān)基因，實(shí)現(xiàn)了青蒿素前體物質(zhì)青蒿酸的合成，所得到的青蒿酸濃度高達(dá)100mg/L。

隨著分子生物學(xué)和合成生物學(xué)的快速發(fā)展，通過模塊化表達(dá)異源基因、優(yōu)化代謝途徑等方式提升目標(biāo)產(chǎn)物得率，減少代謝中間產(chǎn)物的積累，為利用煙草廢棄物進(jìn)行生物質(zhì)精煉、煙堿降解以及生物產(chǎn)香等綠色創(chuàng)收途徑提供了新的契機(jī)。

4.1生物質(zhì)精煉技術(shù)

利用煙草木質(zhì)纖維素進(jìn)行生物質(zhì)精煉過程中，生物反應(yīng)效率受到諸多制約因素影響，如木質(zhì)纖維素天然的抗降解結(jié)構(gòu)[69]、木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的非生產(chǎn)性吸附[70]、處理體系對(duì)微生物活性的抑制作用[71]等?？衫煤铣缮飳W(xué)進(jìn)行下列調(diào)控：（1）提高微生物對(duì)抑制劑的抵抗能力。在酸性預(yù)處理體系下，部分單糖被催化轉(zhuǎn)換成糠醛、5-羥甲基糠醛等呋喃醛類物質(zhì)，對(duì)微生物生物活性產(chǎn)生抑制作用?？赏ㄟ^生物學(xué)手段過表達(dá)氧化還原酶基因片段，提升糠醛向呋喃甲酸的轉(zhuǎn)化速率，縮短其在細(xì)胞內(nèi)的停滯時(shí)間，減少糠醛類物質(zhì)對(duì)于生物發(fā)酵的抑制作用[72]。（2）加強(qiáng)微生物對(duì)于戊糖和己糖的協(xié)同發(fā)酵能力。由于生物反應(yīng)具有專一性，微生物在反應(yīng)過程中傾向于選擇利用葡萄糖，而對(duì)于木糖的選擇利用性較差，應(yīng)探究木糖異構(gòu)酶及木糖氧化還原酶過程中的關(guān)鍵變量并進(jìn)行生物學(xué)優(yōu)化。（3）構(gòu)建具備高酶活性的微生物群，賦予微生物對(duì)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的高效降解及利用能力，提高其轉(zhuǎn)換效率。通過一系列合理的途徑設(shè)計(jì)、基因和代謝工程改造及條件優(yōu)化等，煙草木質(zhì)纖維精煉技術(shù)勢(shì)必會(huì)取得突破。

4.2木質(zhì)素解離

生物法解聚木質(zhì)素具備反應(yīng)條件溫和、專一性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，具有極佳的發(fā)展前景。生物法降解木質(zhì)素主要依賴自然界中的微生物和酶，這些酶通過與木質(zhì)素苯酚單元反應(yīng)或是破壞木質(zhì)素分子中β-O-4鍵，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素向小分子化合物的解聚，解聚后的木質(zhì)素成分復(fù)雜，通過生物漏斗將木質(zhì)素單體物質(zhì)向微生物的中心代謝途徑整合并加以利用（涉及O-脫甲基、羥基化、脫羧和雙加氧酶介導(dǎo)的開環(huán)等多種酶促反應(yīng)），最后再借助代謝工程改造實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素類芳香族化合物向高附加值化學(xué)品（香蘭素[73-74]、脂質(zhì)[75]、PHA[76]等）的轉(zhuǎn)化[77]。

4.3提高煙堿降解效率

煙堿，又名尼古丁，在廢棄煙草中占比約為1.8%（干質(zhì)量），超過歐盟“有毒危險(xiǎn)廢物”規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)約36倍[78]。廢棄煙葉中煙堿資源化回收對(duì)于降低煙草廢棄物中煙堿的含量、緩解煙堿對(duì)環(huán)境及人體健康的影響，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展及煙草資源創(chuàng)收意義重大。

早期為提升煙堿的附加值，多利用化學(xué)方法合成吡啶類化合物，重要的衍生物有煙酸、維生素B6、馬錢子堿等。煙堿吡啶環(huán)中的氮原子具有吸電子特性，在特定位置上易發(fā)生取代反應(yīng)，這些取代反應(yīng)在藥物合成中至關(guān)重要，在2，5位或2，3，5位取代的吡啶衍生物是多種商業(yè)化藥物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如吡格列酮（治療糖尿?。?、艾司唑侖（治療失眠）以及克里唑蒂尼（抗癌新藥）等?；瘜W(xué)方法雖然能夠較為容易地獲得吡啶2，4號(hào)位的取代產(chǎn)物，但得到2，5位取代產(chǎn)物卻對(duì)反應(yīng)底物和條件提出較高的要求，這通常需要在吡啶環(huán)上引入活化基團(tuán)，才能促使5號(hào)位發(fā)生鹵素取代反應(yīng)。與之相比，生物催化反應(yīng)具有較高的化學(xué)選擇性、立體選擇性和特異性，在合成2，5位取代的吡啶化合物方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，因而可實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的吡啶類中間產(chǎn)物的定向生產(chǎn)。

生物降解煙堿被公認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)且綠色的處理方式。目前發(fā)現(xiàn)降解煙堿的微生物大部分是細(xì)菌，還有部分真菌、放線菌等，其中代表性細(xì)菌是節(jié)稈菌（Arthrobacter）和假單胞菌（Pseudomonas）。通過分析煙堿微生物代謝的中間產(chǎn)物，已解析出煙堿的四種生物降解途徑：吡啶途徑、吡咯途徑、吡啶—吡咯混合途徑以及脫甲基途徑[73]（圖2），其中間代謝產(chǎn)物如3-琥珀酰-吡啶、2，5-二羥基吡啶等可作為工業(yè)合成的前體物質(zhì)。國(guó)內(nèi)外利用微生物降解煙堿合成中間產(chǎn)物具有較好的應(yīng)用前景，Wang等[79]開發(fā)了一種利用煙堿生物合成3-琥珀酰吡啶的方法，以廢棄煙葉為原料，將煙堿降解菌株假單胞菌S16中的SP羥化酶編碼基因spm突變失活，使煙堿代謝被阻斷在產(chǎn)物3-琥珀酰吡啶階段，并采用分批和補(bǔ)料發(fā)酵的方式制備3-琥珀酰吡啶，所得3-琥珀酰吡啶的產(chǎn)物濃度最高達(dá)到9.8g/L。Wei等[80]從假單胞菌ZZ-5中克隆并表達(dá)出一種新型的6-羥基-3-琥珀酰吡啶羥化酶，用于生產(chǎn)煙堿吡咯降解途徑的中間產(chǎn)物2，5-二羥基吡啶，在最佳條件下，該酶在40min內(nèi)的2，5-二羥基吡啶的轉(zhuǎn)化率為74.9%（w/w）。

5總結(jié)與展望

煙稈和煙梗中富含豐富的碳水化合物和木質(zhì)素，可用于生物能源、功能材料、化學(xué)品等高附加值產(chǎn)品的開發(fā)；而廢棄煙葉中活性物質(zhì)成分較多，在醫(yī)藥、食品、香精香料等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。目前合成生物學(xué)的應(yīng)用已拓展到多個(gè)領(lǐng)域，但在煙草廢棄物高值化應(yīng)用方面仍處于起步階段，基于煙草廢棄物的利用現(xiàn)狀，其未來的利用可基于以下3種方式：

（1）煙草基聚合物的開發(fā)。以煙稈為原料，開發(fā)低成本、高性能的煙稈生物質(zhì)基功能塑料，從細(xì)胞整體代謝網(wǎng)絡(luò)著手，優(yōu)化微生物的代謝途徑，提高底物到產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。

（2）煙稈基化學(xué)品及材料高值化開發(fā)。將合成生物學(xué)、植物纖維化學(xué)與生物質(zhì)精煉技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)煙稈基化學(xué)品一體化生產(chǎn)體系，研究對(duì)比發(fā)酵及發(fā)酵產(chǎn)品分離純化工藝，開發(fā)抗抑制劑、抗煙堿的功能菌株，實(shí)現(xiàn)煙稈基纖維素、半纖維素、木質(zhì)素產(chǎn)物及衍生物的低成本、高得率開發(fā)。

（3）合成生物學(xué)在煙草工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用。生物產(chǎn)香、原料增香等生物技術(shù)的開發(fā)在豐富煙用香原料、提升原料適配性等方面意義重大，如何提升相關(guān)生物方法的產(chǎn)生效率、產(chǎn)出能力，都是未來合成生物學(xué)需要攻克的難題。

對(duì)于煙草木質(zhì)纖維基生物質(zhì)精煉的開發(fā)，更應(yīng)該格外關(guān)注生產(chǎn)成本對(duì)于得率的影響，只有當(dāng)生物質(zhì)精煉比原油開采更加低廉、附加值產(chǎn)品價(jià)值更高，未來才有更加廣闊的開發(fā)利用空間。當(dāng)前生物質(zhì)精煉及合成生物學(xué)研究進(jìn)展，可用煙草廢棄物全組分高值化利用流程圖（圖3）來表示，期望有助于推動(dòng)煙草行業(yè)與合成生物學(xué)等多學(xué)科交叉發(fā)展，共同促進(jìn)煙草廢棄物高值化利用發(fā)展。

盡管天然產(chǎn)物化學(xué)、生物煉制以及合成生物學(xué)的研究日趨成熟，通過不同的處理方式，可獲得具備不同性能的化學(xué)品或生物質(zhì)基功能材料，但基于煙草廢棄物原料的特殊性，還需在未來的研究過程中考慮以下兩個(gè)問題：

（1）生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)的生物質(zhì)精煉技術(shù)通常能耗較大，若能將合成生物學(xué)及代謝組學(xué)等方法與現(xiàn)有的煙草高值化方法交聯(lián)結(jié)合，可極大降低處理成本，同時(shí)避免生產(chǎn)過程中因燃料燃燒、化學(xué)品消耗產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。

（2）攻克高值化利用階段的限制因素，提升目標(biāo)產(chǎn)物得率。無論是利用煙稈制備生物燃料、化學(xué)品，或是從廢棄煙葉中提取高附加值活性物質(zhì)，均存在因原料特性或是反應(yīng)抑制因素導(dǎo)致的后續(xù)得率低下問題，這限制了煙草廢棄物高值化利用的產(chǎn)業(yè)化前景。因此，在保證產(chǎn)物質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)煙草廢棄物高值化利用的同時(shí)，提升相關(guān)目標(biāo)產(chǎn)物得率將是未來的研究重點(diǎn)。

總體而言，煙草廢棄物的高值化利用有著廣闊的應(yīng)用前景，依托合成生物學(xué)學(xué)科的發(fā)展，未來可以實(shí)現(xiàn)更加高效、環(huán)保、可持續(xù)的煙草廢棄資源利用，推動(dòng)煙草行業(yè)的綠色發(fā)展。