煙草木質素研究進展

陳善義 孔蒙蒙 詹仁鋒 陳千思 葉潤 方璟

摘要 木質素是植物細胞壁的重要組成部分，在煙草生長過程中木質素對增強其抗病和抗倒伏能力發揮重要作用。本文對煙草木質素的結構和組成、含量測定、煙草木質素含量的影響因素、木質素含量對煙葉及煙草薄片質量的影響以及煙草木質素的降解方法進行概述，對煙草中木質素脫除或降解研究作了展望。

關鍵詞 煙葉；煙草薄片；木質素；品質；降解

中圖分類號 Q943.2? ?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）03-0144-04

木質素是3種羥基肉桂醇（對香豆醇、針葉醇和硫萘基醇）自由基偶聯脫氫形成的存在于植物支持組織中的有機聚合物，對植物細胞壁的形成至關重要，是地球上僅次于纖維素的第二大可再生碳源[1]。木質素是可再生芳香族化合物的獨特非石油資源，具有羥基、甲氧基、羧基等多種活性官能團，被認為是可替代石油基聚合物生產商業產品的優良原料，常被用于分散劑、生物燃料、膠粘劑、絮凝劑、酚醛樹脂、復合膜材料、碳纖維、聚氨酯泡沫、水凝膠等領域[2]。

在煙草生長過程中，木質素對增強煙株抗倒伏能力及抵御病原微生物入侵發揮重要作用。煙草中的木質素對于卷煙吸食品質有2個方面的影響：一方面，在煙葉烘烤、倉儲醇化過程中，木質素降解產生的苯甲醛、苯乙醛等小分子致香物質可以改善煙葉品質；另一方面，在卷煙燃燒過程中，木質素通過熱解產生酚類[3]、醛類、稠環芳烴等有害物質，影響卷煙吸食的安全性。為進一步了解煙草木質素，本文對煙草木質素的結構和組成、含量測定、木質素含量的影響因素、木質素對煙葉及煙草薄片質量的影響、煙草木質素的降解途徑等方面進行綜述，并對未來的相關研究作了展望。

1 煙草木質素的組成和結構

木質素在煙葉中的含量為2%～4%，在煙梗中的含量則更高，為4%～6%[4]。閆克玉等[5]研究發現我國福建、貴州、云南、四川、山東、河南6省煙區的研煙葉木質素的含量為3.5%～7.5%。木質素由對羥基苯基（H）、愈創木基（G）以及紫丁香基（S）3種基本單元組成。二維核磁共振波譜分析表明，愈創木基是煙草木質素最主要的基本單元，其相對含量為50.72%～73.50%，紫丁香基相對含量為15.62%～26.51%，而對羥基苯基的相對含量則為5.66%～28.90%[6]。不同煙葉部位，其3種基本單元的相對含量不同。自上部到下部，紫丁香基單元的相對含量逐漸減少，愈創木基和對羥基苯基單元的相對含量逐漸增加[6]。

2 煙草木質素含量的測定方法

2.1 化學法

煙草木質素含量化學法測定是將蛋白質、淀粉、纖維素、半纖維素以及脂類等用有機溶劑和酸或堿溶解，對剩余固體進行干燥、灰化，此方法是依照現行的YC/T 347—2010行業標準[7]，即用72%濃硫酸溶液去除脫脂后試驗樣品的可溶性物質，經干燥、灰化、重量法得到酸洗木質素的含量。但該方法存在忽略酸溶木質素含量測定的缺陷[8]，造成測得的木質素含量比實際結果偏小。為此，紀楷濱[9]、孔浩輝等[10]利用半纖維素和纖維素在低溫下能夠溶解在氫氧化鈉-尿素溶液中、而木質素微溶的原理，用氫氧化鈉-尿素測定法對酸溶木質素含量進行測定，該方法的實現過程大致如下：用氫氧化鈉-尿素溶液預處理研磨后的樣品，將水溶性糖類等雜質去除，離心后所得下層固體加入17.5%濃硫酸，以此斷開纖維素與木質素之間的連接鍵，并去除部分半纖維素，離心稀釋上清液，于325 nm處測定吸光值；同時，離心后所得下層固體用氫氧化鈉-尿素溶液低溫下再次處理，以溶解樣品中的纖維素和半纖維素，經過濾、水洗后濾渣干燥至恒重，稱量并計算得到酸不溶木質素含量，而煙草木質素總含量即為酸溶和酸不溶木質素含量總和。但是，長鏈脂肪酸酯類物質在氫氧化鈉-尿素中溶解性較差[11]，因而對于該類物質的抗干擾能力不強，對此，臧福坤等[8]為進一步消除干擾物（水溶性較差的脂質）對木質素測定的影響，優化處理溶劑的選用，發現采用中性洗滌劑對煙梗、煙片、煙末的干擾物去除率較氫氧化鈉-尿素溶液提高13%～16%，測定結果相對標準偏差僅為2.03%。

2.2 物理法

中紅外光譜分析法在有機高分子化合物結構鑒定和化學組成的分析中有廣泛應用，在煙草木質素含量測定中也有報道。吳舜等[12]使用中紅外光譜分析法對煙草木質素參比物進行分析后，確定在1 480～1 560 cm-1范圍內的吸收峰是煙草木質素化合物的特征吸收峰，并對其進行Savitsky-Golay法擬合分峰，將擬合峰面積與煙草木質素參比物用量進行線性回歸，其決定系數可達0.991 4，平均加標回收率為96.96%～106.01%，該方法大大縮短了測定時長。

3 煙草木質素含量的影響因素

煙葉的產地、部位、醇化時間、品質對木質素含量有重要影響。楚文娟等[13]系統地研究了2007—2014年河南煙區98個煙葉樣品木質素的含量，不同產地煙葉的木質素含量差異極其顯著，其排序為洛陽>許昌>南陽>三門峽>平頂山；煙葉自上部到下部的木質素總含量呈現遞增趨勢，其中酸溶木質素含量、總木質素含量在部位間的差異達到極顯著水平；隨著醇化時間的延長，煙葉總木質素含量呈緩慢增加趨勢，不同醇化時長的樣品酸不溶木質素含量差異顯著。品質因素方面，相同的煙葉部位，檸檬黃的煙葉木質素含量高于桔黃的煙葉；木質素含量隨煙葉厚度增加逐漸降低；煙葉油分由多到少，木質素的含量略呈升高之勢[5]。不同品種之間木質素含量差異不顯著[14]。

4 木質素對煙葉及煙草薄片質量的影響

劉曉冰等[14]通過對武陵山烤煙上部葉木質素含量與煙葉質量的相關性研究發現，木質素的含量與外觀質量的油分指標、感官質量的灰色指標呈顯著的負相關，與物理指標相關性較小。對煙草薄片而言，木質素的熱解過程中會產生酚類化合物，影響卷煙吸食的安全性。劉剛等[3]研究發現再造煙葉中苯酚釋放量隨著木質素含量的增加而升高，再造煙葉中添加木質素后，苯酚及酚類物質的含量在600 ℃下分別升高49.3%和39.8%，800 ℃下分別升高28.4%和65.1%。

5 煙草木質素的降解途徑

5.1 化學法

在熱的甘油中加入氫氧化鉀，可使溶液堿性更強，能脫除植物中的木質素，氫氧化鉀可以脫除植物中的木質素。余其昌等[15]考察了薄片生產過程中蒸煮溫度、氫氧化鉀用量、甘油和煙梗固液比以及蒸煮時間對預處理后煙梗木質素含量的影響，發現蒸煮溫度為200 ℃、氫氧化鉀用量45%、蒸煮固液比1∶11、蒸煮時間0.5 h時，相較于工業化水浸取工藝，木質素脫除率高達43%。采用此方法制得的薄片，感官評吸結果表明：相較于傳統的水浸泡法，木質氣息明顯降低、香氣品質改善。

乙酸是一種能有效溶解硬木和軟木中木質素的溶劑[16]。張素文[4]研究了乙酸法蒸煮煙梗脫除木質素的工藝，發現煙梗經盤磨后，在最佳蒸煮工藝條件（乙酸與煙梗液固比15 mL/g、乙酸體積分數70%、催化劑HCl用量1.5%、蒸煮時間2 h）下，漿得率為73.4%，相較于傳統的水浸提工藝，木質素脫除率可達29.2%。

近年來，對環境友好的綠色溶劑離子液體對木質素的去除作用也有研究。生物質大分子之間或分子內氫鍵可以被離子液體破壞，重新析出生物質大分子后，形成可重復利用回收的離子液體[17]。胡亞成[17]采用DMP離子液體作為溶劑，以微波輻射為加熱源，在料液比1∶15、溫度80 ℃下處理煙梗，木質素脫除率可達22.60%，且離子液體處理后煙梗基片的煙堿、焦油、CO等有害成分含量降低，感官質量綜合指標更優。

5.2 微生物降解法

木質纖維素生物質中碳水化合物聚合物的解聚受到木質素的阻礙，復雜的化學結構和連桿異質性難以被化學和生物降解。由于木質素過氧化物酶、錳過氧化物酶、漆酶和多功能過氧化物酶（VP）在腐爛的木材上可被分泌，白腐菌被認為是有效的木質素降解劑[18]。宋麗麗等[19]將經煙堿馴化后的白腐菌按6%接種量接種于煙梗上，在34 ℃下液體發酵24 h，發現煙梗中木質素含量降低了23.11%。Su等[20]發現在用黃孢原毛菌和雜色栓菌發酵10 d和多毛栓菌發酵15 d后，雜色栓菌、多毛栓菌和黃孢原毛菌發酵煙稈中木質素的降解率分別為37.70%、51.56%和53.75%。通過酶活性分析，黃孢原毛菌、長毛栓菌和雜色栓菌產生的主要木質素分解酶是木質素過氧化物酶（88.62 U/L）、錳過氧化物酶（100.95 U/L）和漆酶（745.65 U/L）。同時，黃孢原毛菌發酵過程中纖維素酶活性較高且穩定。此外，利用 GC-MS對金孢假單胞菌發酵煙草秸稈中的產物鑒定發現，除木質素和尼古丁降解過程中產生的化學物質外，還檢測到了一些小分子有價值的化學物質和脂肪酸。細菌對木質素的降解亦有報道，鄭艷紅等[21]在廢次煙葉提取液濃縮液中分離出可降解木質素的枯草芽孢桿菌菌株SM，并發現該菌株能部分降解Kraft木質素中高分子量成分，而對較低分子量的木質素片段則能降解成更小的化合物。然而，使用微生物直接作用于煙梗的處理方式，存在微生物污染的風險，在生產上難以推廣應用。

5.3 酶解法

自然界中存在錳過氧化物酶（MnP）、漆酶（Lac）以及木質素過氧化物酶（LiP）3種木質素降解酶。木質素過氧化物酶、錳過氧化物酶對木質素的降解過程都需要過氧化氫作為氧化劑，而漆酶對木質素的降解作用則需要分子氧參與[4]。木質素的降解酶主要來源于微生物發酵[22]。于少藤等[23]從煙葉表面分離出具有木質素過氧化物酶、錳過氧化物酶活性的假單胞菌yc10，在最優發酵條件（發酵時間36 h、pH7.0、發酵溫度37 ℃、接種量6%、裝液量80 mL、搖床轉速200 r/min）下，將粗酶液作用于煙葉，發現煙葉木質素降解率為7.31%～30.43%。此外，商品化酶的運用亦有報道。魏登輝[24]采用商品化的漆酶處理煙梗梗絲，在溫度45 ℃、漆酶用量20 U/g、漆酶溶液pH 6.0條件下處理3 h后，梗絲木質素降解了55.05%，感官評吸結果表明，漆酶處理后的梗絲香氣質、香氣量提高，雜氣、刺激性降低，余味改善。

5.4 仿酶降解法

木質素的生物分解代謝已在自然界廣泛存在了至少2億年，在溫和的條件下，可通過再生的酶催化實現木質素分解[24]。仿酶是將天然酶中起主導作用的降解因素（如活性中心結構）挑選出來，經人工設計合成出既比酶簡單、穩定又具有酶降解功能的分子或者非蛋白質分子的集合體，兼具有天然酶的催化和化學催化的優點[25]。而鐵系仿酶中Fe-羧酸復合物（Fe-CA）體系對植物木質素的降解具有較好作用[26]。魏登輝[24]在工藝優的基礎上采用羧酸和亞鐵離子進行Fe-CA仿酶的人工合成，并用所得仿酶處理煙梗梗絲，發現在處理溫度38 ℃、處理時間31 min、仿酶用量為2.6%時，梗絲木質素降解率可達53.03%，電鏡掃描發現，該仿酶處理后，梗絲表面更加整齊光滑，感官評吸結果顯示仿酶處理后煙梗絲的刺激性、雜氣降低，香氣量增多，香氣質變佳。

6 小結與展望

煙葉中的木質素一方面在烘烤和醇化過程中可轉化為苯甲醛等小分子物質，對于改善煙葉吸食品質有積極作用，但在另一方面，木質素熱解產生的酚類物質對煙草吸食安全性帶來不利影響。因此，有必要在充分認知煙草中木質素的結構和組成、木質素含量的測定、煙草中木質素含量的影響因素等基礎上，尋找脫除或降解煙草中木質素的有效途徑。從目前的研究進展來看，化學法對木質素的脫除較為有效，但處理過程需要用到強酸、強堿等物質，對人員有潛在的危險因素；離子液體處理法雖然對環境友好，但處理溫度較高，能耗較大；利用生物酶對煙草中的木質素進行降解，具有環境污染小、反應條件相對溫和的特點，但目前生物酶對煙草木質素的降解效率較低。因此，應繼續尋找和挖掘自然界中可高效產木質素降解酶的菌株，并通過基因工程、人工酶改造等手段創制催化效率更高的新品酶，為有效降低煙草中木質素含量、提高煙草吸食安全性提供更多、更優的解決方案。

7 參考文獻

[1] TAHIR I，RAPINAC J，ABUTUNIS A，et al.Investigating the effects of tobacco lignin on polypropylene[J]. Polymers，2022，14（4）：706-716.

[2] LIU Z C，WANG Z W，GAO S，et al. Isolation and fractionation of the tobacco stalk lignin for customized value-added utilization[J]. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology，2021，9：811287

[3] 劉剛，楊飛，杜云海，等.木質素對再造煙葉煙氣中苯酚的影響[J].光譜實驗室，2012，29（2）：1118?1122.

[4] 張素文.煙梗木質素降解工藝研究[D].廣州：華南理工大學，2016.

[5] 閆克玉，閆洪洋，李興波，等.烤煙煙葉細胞壁物質的對比分析[J].煙草科技，2005（10）：6?11.

[6] 高淼，蔡繼寶，徐振宇，等.煙草木質素結構的二維核磁共振波譜表征[J].中國煙草學報，2022，28（2）：1-13.

[7] YC/T 347—2010 煙草及煙草制品 中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、酸洗木質素的測定 洗滌劑法[S].

[8] 臧福坤，李新生，嚴新龍.氫氧化鈉—尿素法測定煙草木質素預處理方法的優化[J].安徽農業科學，2017，45（16）：91?93，96.

[9] 紀楷濱.煙梗木質素的含量測定方法研究及結構表征[D].廣州：華南理工大學，2013.

[10] 孔浩輝，李秀麗，黃翼飛，等. NaOH/尿素低溫溶解法測定煙梗木質素含量的研究[J].中國煙草學報，2014，20（3）：9?15.

[11] 孔浩輝，李秀麗，黃翼飛，等.氫氧化鈉/尿素法和硫酸法測定煙草木質素的對比分析[J].煙草科技，2015，48（1）：66?71.

[12] 吳舜，樓宏銘，莫賢科，等.中紅外光譜法測定煙草中的木質素[J].煙草科技，2014（10）：67?70.

[13] 楚文娟，王紅霞，李文偉，等.產地·等級·部位·醇化時間對煙葉木質素含量的影響[J].安徽農業科學，2017，45（15）：76?78.

[14] 劉曉冰，孟霖，梁盟，等.武陵山區烤煙上部葉片纖維素、木質素含量與質量指標間相關性研究[J].中國農學通報，2015，31（7）：235?240.

[15] 余其昌，黃菲，易聰華，等.甘油堿法脫除煙梗中的木質素[J].中國煙草學報，2018，24（4）：1?6.

[16] DAVIS J L，YOUNG R A，DEODHAR S S.Organic acid pulping of wood，3：Acetic acid pulping of spruce [J]. Journal of the Japan Wood Research Society （Japan），1986，32（11）：905?914.

[17] 胡亞成.木質素的去除對造紙法再造煙葉基片性能的影響[D].廣州：華南理工大學，2017.

[18] Hernández-Bueno NS，Suárez-Rodríguez R，Balcázar-López E，et al. A versatile peroxidase from the fungus Bjerkandera adusta confers abiotic stress tolerance in transgenic tobacco plants[J]. Plants，2021，10（5）：859.

[19] 朱麗麗，張永良，張志平，等. 白腐功液體發酵降解煙梗木質素的研究[J]. 輕工學報，2019，34（1）：36-42.

[20] SU Y L，XIAN H，SHI S J，et al.Biodegradation of lignin and nicotine with white rot fungi for the delignification and detoxification of tobacco stalk[J]. BMC Biotechnology，2016，16（1）：81.

[21] 鄭艷紅，戴蕓蕓，楊洋，等.廢次煙葉提取液源木質素降解菌Bacillus subtilis SM降解特性[J].微生物學通報，2017，44（7）：1525?1534.

[22] 蘇玉龍.高效降解煙稈菌株篩選及其特性研究[D].青島：中國農業科學院，2016.

[23] 于少藤，毛淑蕊，胡安妥，等.改善煙葉品質微生物的篩選及其作用效果研究[J].南京農業大學學報，2021，44（4）：766?777.

[24] 魏登輝.梗絲木質素降解及其在卷煙工業中的應用[D]. 鄭州：河南農業大學，2017.

[25] 孫德平，姚元軍，劉志昌，等. Fe-CA仿酶體系處理抄造煙草薄片的研究[J].中華紙業，2011，32（12）：46?50.

[26] 胡學建. 基于鐵基仿酶的本質纖維素處理體系的研究[D]. 鎮江：江蘇科技大學，2019.

（責編：張 蓓）

基金項目 中國煙草總公司重點研發項目（110202102017）；福建中煙工業有限責任公司科技項目（FJZYK JJH2020006）。

作者簡介 陳善義（1988—），男，碩士，農藝師。研究方向：煙草原料研究。

方璟*通信作者

收稿日期 2022-04-22