蒸汽爆破茄科植物研究進(jìn)展

桂超左雯陳玉保宋晨浩劉澤

(1.云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南 昆明 650231)

1 蒸汽爆破技術(shù)處理茄科植物

我國作為煙草生產(chǎn)大國，茄科植物廢棄物是煙葉的一部分，每年有大量的茄科植物廢棄物產(chǎn)生，約占煙葉質(zhì)量的25%。煙草加工過程中會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，如煙葉碎片、煙桿、茄科植物等，這些副產(chǎn)物不能有效利用，則造成資源的浪費和嚴(yán)重的環(huán)境污染。梗絲具有較好的燃燒性和填充性，在降本降耗、改善卷煙質(zhì)量、降低焦油、減少危害等方面具有十分重要的作用，同時有利于拓寬原料使用范圍。茄科植物中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠等細(xì)胞壁物質(zhì)含量較高，而總糖含量較低。在熱解時產(chǎn)生較多的低級醛類，在燃吸過程中產(chǎn)生木質(zhì)氣、刺激性等不良吸味引起嗆咳，不僅影響卷煙內(nèi)在品質(zhì)和風(fēng)味，更導(dǎo)致茄科植物在卷煙行業(yè)中利用率較低，因此，如何減輕茄科植物的木質(zhì)氣、刺激性等不良吸味，改良茄科植物的吸食品質(zhì)，提高茄科植物的綜合利用率，是煙草行業(yè)需要突破的重要難題。

目茄科植物制絲技術(shù)的工藝生產(chǎn)相對成熟，可降低煙支耗絲量，但處理后茄科植物絲的添加量要少，因為添加比例的增加，影響卷煙的香氣質(zhì)、雜氣、余味等，進(jìn)而影響卷煙的感官品質(zhì)。蒸汽爆破技術(shù)最早于1928年由美國學(xué)者W H Mason發(fā)明，蒸汽爆破技術(shù)是利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中最廣泛使用的，結(jié)合了物理、化學(xué)方式的預(yù)處理方法[1]。蒸汽爆破可以有效處理木質(zhì)纖維素，同時對環(huán)境幾乎不造成污染，彌補化學(xué)試劑的不足，是一種非常有潛力的預(yù)處理方法。本文對蒸汽爆破技術(shù)的原理、優(yōu)缺點等在茄科植物的應(yīng)用進(jìn)行了概況，并對茄科植物的研究與應(yīng)用前景作出思考，期望蒸汽爆破技術(shù)在提高和改良應(yīng)用于煙草生產(chǎn)加工中有一定參考。

2 蒸汽爆破技術(shù)的原理及參數(shù)

2.1 蒸汽爆破技術(shù)原理

蒸汽爆破技術(shù)首先將處理好的原料放置在蒸汽爆破儀器的物料容器中，將高溫高壓的蒸汽通入反應(yīng)器內(nèi)，蒸汽滲透到生物質(zhì)原料內(nèi)部，在高溫高壓的環(huán)境中物料發(fā)生化學(xué)變化，在物料內(nèi)部空隙中充滿水蒸氣，使物料內(nèi)部的黏度和組織強度下降，在維持一定時間的壓力后，實現(xiàn)蒸汽爆破過程的彈射式蒸汽爆破，使得物料內(nèi)部細(xì)胞體積增大而細(xì)胞壁有破裂等結(jié)構(gòu)改變，從而使物料纖維、木質(zhì)素等組織分離和結(jié)構(gòu)改變，產(chǎn)生小分子物質(zhì)的物理和化學(xué)共同作用的過程[2，3]。

2.2 蒸汽爆破參數(shù)分析

根據(jù)Ovverend等描述的修正方程計算了蒸汽爆炸的嚴(yán)重程度，量化計算對應(yīng)試驗水平的壓力潤梗加工強度，即“爆破強度因子”。

logRo=log{t×exp[(T-100)/14.75]}

式中，Ro為預(yù)處理的爆破強度因子；t為反應(yīng)時間，min；T為反應(yīng)溫度，℃；Ro通常表示為一個對數(shù)函數(shù)。

在爆破階段能量轉(zhuǎn)換過程，以時間為度量的爆破功稱為有效爆破功。

EPD=(ΔHs+ΔHl+ΔHm)/(t×V)

式中，T為爆破時間；ΔH為爆破前后介質(zhì)焓差。

影響蒸汽爆破的作用效果因素主要有爆破時間、爆破壓力、爆破原料自身因素等。壓力過低過高和時間過長過短都影響蒸汽爆破的效果，同時需要考慮物料的含水率、表面積大小，進(jìn)去的氣體流失越少有助于爆破，所以影響因素都需要控制在一定范圍內(nèi)。

2.3 蒸汽爆破技術(shù)的優(yōu)缺點

蒸汽爆破是利用高溫高壓蒸汽彈射式爆破對生物質(zhì)進(jìn)行前處理的技術(shù)，優(yōu)點是熱能轉(zhuǎn)化為機械能做功，使物料組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時可以產(chǎn)生小分子物質(zhì)，更加有利于目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)生和提取。而且對環(huán)境污染小，利用的是水蒸氣，來源廣泛且價格低廉，也避免了化學(xué)方法處理所產(chǎn)生的化學(xué)污染，使實驗更安全、更高效和更清潔。缺點是雖然產(chǎn)生小分子物質(zhì)有利于目標(biāo)產(chǎn)物的提取，但爆破過程復(fù)雜，使目標(biāo)產(chǎn)物降解或者產(chǎn)生不利的副產(chǎn)物。

3 煙梗預(yù)處理方式

3.1 物理方法處理煙梗技術(shù)

彭金輝等[4]發(fā)明涉及一種物理法處理煙桿廢棄物制造活性炭的方法，將原料煙桿廢棄物破碎后，入微波輻射裝置中加熱處理，控制輻射功率為2～60kW，進(jìn)料速度為2～200kg·h-1，加熱時間為2～15min，加熱到720～730℃時通入水蒸氣進(jìn)行活化，水蒸氣流量為50～600mL·min-1，活化2～5min，得到活性炭塊，活性炭塊冷卻后經(jīng)粉碎至粒度200目，得到活性炭產(chǎn)品。該發(fā)明省去了酸洗和水洗2個工藝過程，微波輻射裝置可連續(xù)進(jìn)出料，進(jìn)料速度可調(diào)節(jié)，輻射功率可調(diào)節(jié)，僅用4～20min即可完成加熱和活化過程，縮短了反應(yīng)時間，可獲得高質(zhì)量的活性炭產(chǎn)品。

王鵬飛等[5]研究蒸汽微波協(xié)同膨脹、膨脹煙梗回潮、煙梗復(fù)切、氣流干燥等關(guān)鍵工序中工藝參數(shù)對梗絲加工質(zhì)量的影響，得到優(yōu)選的工藝參數(shù)，煙梗復(fù)切工序中采用前高后低的組合方式，梗絲氣流干燥工序中物料流量150kg·h-1，工藝氣體流量6500m3·h-1，溫度196℃。在該制絲工藝條件下加工的梗絲寬度與葉絲更接近，梗絲結(jié)構(gòu)更加均勻，梗絲綜合質(zhì)量較好。

3.2 化學(xué)方法處理煙梗技術(shù)

孔浩輝等[6]發(fā)明提供的一種降低煙梗中木質(zhì)素含量的處理方法為氧堿蒸煮，氧堿蒸煮的方法：煙梗與水、堿和碳酸鎂混合后，通入氧氣，高溫高壓反應(yīng)，過濾收集不溶物，將不溶物水洗至中性，風(fēng)干后即得產(chǎn)品。通過本發(fā)明提供的技術(shù)方案制得的產(chǎn)品，可以有效降低煙梗中木質(zhì)素含量。同時，具有成本低廉、處理工藝簡單以及適合大規(guī)模化生產(chǎn)的優(yōu)點。而且進(jìn)一步地，通過降低煙梗中木質(zhì)素含量，減少了木質(zhì)素燃燒產(chǎn)生的芳香胺類、稠環(huán)芳香類和酚類物質(zhì)，減少了促癌活性物質(zhì)的排放。

范運濤等[7]采用脲堿法在貯藏過程中對煙梗進(jìn)行處理，煙梗經(jīng)處理后制備得到再造煙葉的總糖、果膠、還原糖、酸、木質(zhì)素等含量均降低，降幅均大于5%，透氣度增幅達(dá)28%，造紙法有效提升處理后造紙法再造煙葉感官品質(zhì)。

3.3 生物方法處理煙梗技術(shù)

趙夢醒等[8]以PFI磨為打漿設(shè)備，優(yōu)化煙梗酶促打漿酶預(yù)處理條件，分析酶處理對漿料不同篩分纖維特征的影響。結(jié)果表明，酶用量0.5%、pH7、50℃處理4h對打漿最有利。相同打漿度，酶處理組磨漿能耗降低了37.21%。酶處理后漿料纖維主要分布在R30～R100內(nèi)，其中R50、R100、R200纖維平均長度較對照分別增加了14.06%、15.69%和4.42%，纖維寬度也有所增加。酶處理組R50組分含量不變，但R100和R200組分減少了46.15%和18.24%，R350組分有所增加，經(jīng)酶處理的R50纖維扭結(jié)指數(shù)減小，R100、R200、R350纖維扭結(jié)指數(shù)增加，生物酶處理煙梗可以改善煙梗漿性能。

李力群等[9]發(fā)明提供了一種生物酶處理煙梗的方法、及制得的梗絲和卷煙，具體方法：將煙梗預(yù)處理、壓梗、切梗后，得到梗絲；向梗絲噴灑復(fù)合酶液；梗絲在發(fā)酵裝置中鋪料后發(fā)酵，發(fā)酵裝置內(nèi)分布多層托料板，控制梗絲在每層托料板上的鋪料厚度為30～600mm；梗絲膨脹、干燥后，得到成品梗絲。通過調(diào)控梗絲的鋪料厚度，將鋪料厚度提高以使得單位重量的梗絲處于較低氧環(huán)境下，梗絲內(nèi)部韌性相關(guān)的酶鈍化，在梗絲感官質(zhì)量保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，明顯減少了梗絲造碎率；制備得到的梗絲碎絲率較低，梗絲的木質(zhì)氣、刺激性、燃燒灼熱感顯著降低，香氣成分顯著增加；將該梗絲應(yīng)用到卷煙中，提高了卷煙的加工質(zhì)量和感官質(zhì)量。

4 蒸汽爆破技術(shù)在茄科植物中的應(yīng)用

4.1 蒸汽爆破對結(jié)構(gòu)的影響

宋光富等[10]采用蒸汽爆破技術(shù)對煙梗進(jìn)行處理，分析了在不同壓力條件下，蒸汽爆破對煙梗常規(guī)化學(xué)成分含量、香味成分含量以及顯微結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，蒸汽爆破處理使煙梗中的還原糖和總糖含量降低，最大降幅分別為21.63%和23.46%；蒸汽爆破促使煙梗中苯乙醛、糠醇、5-甲基糠醛、2-乙酰基呋喃和糠醛等香味成分含量增加，增幅分別為34.25%、102.97%、380.49%、76.24%和139.39%。

吳艷等[11]采用蒸汽爆破對煙梗進(jìn)行處理，研究了在0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa爆破壓力條件下，煙梗中木質(zhì)纖維素含量和微觀結(jié)構(gòu)變化特征。試驗結(jié)果表明，在以水蒸氣為介質(zhì)，爆破壓力為1.0MPa，保留時間20s的處理條件下，木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象，煙梗纖維素和半纖維素去除率分別達(dá)到16.86%和52.54%。說明蒸汽爆破可有效降解煙梗木質(zhì)纖維素含量，明顯提高煙梗品質(zhì)。

許永明等[12]探索蒸汽增壓回潮處理煙梗較優(yōu)的工藝條件，采用正交試驗方法，研究了蒸汽壓力、作用時間、物料含水率對煙梗內(nèi)在化學(xué)成分、外觀色澤以及梗絲感官質(zhì)量、填充性能和結(jié)構(gòu)的影響，并運用綜合平衡法確定了煙梗蒸汽增壓回潮的較優(yōu)工藝條件。

姚旭博等[13]探索蒸汽爆破條件對煙梗品質(zhì)的影響，以提高煙梗在卷煙生產(chǎn)中的可用性。以制絲線上膨脹前煙梗為研究對象，設(shè)定維壓壓力為0.8MPa、1.0MPa和1.2MPa，保持時間為30s、60s和90s，采用2因素3水平完全試驗設(shè)計進(jìn)行蒸汽爆破處理，測定蒸汽爆破處理(T1～T9)后煙梗的常規(guī)化學(xué)成分、總細(xì)胞壁物質(zhì)、致香物質(zhì)含量，檢測煙梗色度和膨脹度，分析不同汽爆條件對煙梗色度和內(nèi)在品質(zhì)的影響。試驗結(jié)果表明，蒸汽爆破維壓壓力為1.0MPa，維壓時間為60s時，煙梗膨脹度達(dá)到153.02%，汽爆后煙梗的色度和內(nèi)在品質(zhì)相對較好。

王許濤等[14]利用高溫高壓蒸汽對煙草生產(chǎn)的廢棄物煙稈進(jìn)行爆破處理，破壞其細(xì)胞壁結(jié)果，降解部分纖維物質(zhì)，過程中會有部分香味物質(zhì)析出，同時部分雜氣釋放，處理后煙稈絲變得更加蓬松、易燃、口感提升，可以作為煙絲添加入卷煙中。汽爆后的煙桿絲具有以下特點：蒸汽爆破可以改善煙稈的結(jié)構(gòu)特點、填充值和吸燃特性；蒸汽爆破可以有效祛除煙稈雜氣，煙桿絲內(nèi)在質(zhì)量有一定程度的改善。對比煙稈蒸汽爆破后的結(jié)構(gòu)及其化學(xué)成分、感官質(zhì)量等效果得到蒸汽爆破處理煙稈制取替代煙絲的最佳蒸汽爆破處理條件為壓力2.0Mpa，保壓時間30s。

4.2 蒸汽爆破降解細(xì)胞壁物質(zhì)

Hongsen Zhang等[15]采用稀硫酸預(yù)浸和瞬時彈射蒸汽爆破預(yù)處理相結(jié)合提高煙稈中尼古丁去除率，煙梗稀硫酸預(yù)浸用于提高煙梗預(yù)處理瞬時彈射蒸汽爆破(ICSE)的性能。預(yù)浸有利于打破煙梗頑固結(jié)構(gòu)，降低煙堿含量，解除對纖維素酶活性和微生物代謝的抑制，促進(jìn)酶解和乙醇發(fā)酵性能。優(yōu)化的0.8%硫酸(w/w)預(yù)浸集成ICSE預(yù)處理使煙桿中的尼古丁去除率達(dá)到85.54%；同時，預(yù)處理后煙梗酶解總糖濃度從33.40g·L-1提高到53.81g·L-1(干煙梗與水的比例為1∶8，w/w)，通過增加煙梗在酶解過程中的固含量(干煙梗與水的比例為1∶4，w/w)。這些結(jié)果達(dá)到了有效利用廢棄煙梗的預(yù)期目的。

李力等[16]為了提高煙梗的利用率，在梗絲生產(chǎn)線的不同工序順序取樣進(jìn)行蒸汽爆破試驗，研究了爆破前后各工序梗絲中的木質(zhì)素、纖維素含量變化及添加爆破梗絲對卷煙的感官品質(zhì)影響。結(jié)果表明，原梗絲生產(chǎn)線對煙梗中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量無顯著影響，但蒸汽爆破后煙梗中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量顯著降低。半纖維素的含量降低最多，切梗后含量降低了49.5%。纖維素和木質(zhì)素的含量變化沒有半纖維素明顯，但其最大降幅也分別達(dá)到了26.5%(潤梗后)和26.0%(閃蒸后)。蒸汽爆破梗絲在卷煙中的添加量從5%增加到30%時，試驗卷煙樣品仍保持較好的感官品質(zhì)。

劉鑫等[17]利用蒸汽爆破輔助煙梗提取物的制備方法，屬于煙用香料的提取技術(shù)領(lǐng)域。制備步驟：干煙梗除塵；除塵后的煙梗在蒸汽壓力為0.9～1.0MPa的條件下進(jìn)行蒸汽爆破；蒸汽爆破后的煙梗用重量百分?jǐn)?shù)為50%～55%的乙醇回流提取，得到為濃縮物；在所述濃縮物中加入其重量3.0～3.5倍量的95%乙醇，置于-10～5℃環(huán)境下自然沉降，過濾、減壓濃縮，即得到本發(fā)明制備的煙梗提取物。采用本發(fā)明方法制備的煙梗提取物在細(xì)膩煙氣、改善香氣質(zhì)、降低刺激等方面效果明顯，在掩蓋雜氣方面稍有作用。

4.3 蒸汽爆破對香味物質(zhì)影響

施豐成等[18]為研究蒸汽爆破處理的煙梗梗絲對卷煙化學(xué)指標(biāo)、煙氣指標(biāo)及感官評吸質(zhì)量的影響，對6個梯度添加爆破梗絲的卷煙樣品進(jìn)行了對比試驗。結(jié)果表明，梗絲蒸汽爆破處理后，香氣量有所增加，木質(zhì)氣、刺激性和灼口程度有所降低；隨梗絲添加量的增加，卷煙的總糖、還原糖、果膠、總植物堿和蛋白質(zhì)的含量逐漸降低，纖維素、鉀和總有機酸的含量逐漸增大，卷煙主流煙氣的總粒相物、焦油量、煙氣煙堿量逐漸降低；爆破梗絲添加量小于20%時，不會對卷煙整體感官質(zhì)量造成明顯的不良影響。

劉福童等[19]研究了蒸汽爆破前后煙梗木質(zhì)纖維素和非揮發(fā)性酸成分含量的變化，探索廢棄煙梗的高效資源化利用途徑。試驗結(jié)果表明，隨著汽爆壓力和時間的增加，木質(zhì)纖維素相對總量逐步增加且具有顯著性，半纖維素和纖維素所占木質(zhì)纖維素總和的比值隨著蒸汽爆破時間和壓力的增加，其含量逐步減少且具有顯著性；木質(zhì)素所占木質(zhì)纖維素總和的比值隨著蒸汽爆破時間和壓力的增加，其含量逐步增加且具有顯著性。煙梗經(jīng)過汽爆處理后，其非揮發(fā)性有機酸、草酸、蘋果酸相對含量顯著性增加，在蒸汽壓力1.4MPa，保壓10min條件下，煙梗中非揮發(fā)性有機酸、草酸、蘋果酸含量達(dá)到最多。

李剛等[20]使用蒸汽爆破煙梗制備高品質(zhì)卷煙濾棒的工藝方法，篩選合格煙梗，進(jìn)行表面除塵、潤梗處理；根據(jù)生產(chǎn)需要，通過篩網(wǎng)篩選滿足條件的合格煙梗，再將合格煙梗在篩網(wǎng)上均勻攤開，利用空氣壓縮機高壓氣流對合格煙梗表面進(jìn)行吹掃，去除表面灰塵；之后，使用30～40℃溫水霎化噴淋煙梗表面，自然潤梗后停止噴淋，使煙梗水分保持在40%～50%；將潤濕變軟的煙相進(jìn)行蒸汽爆破處理；工作介質(zhì)采用飽和水蒸氣，爆破蒸汽壓力為0.8～10MPa維壓時間30s；煙梗蒸汽爆破后迅速進(jìn)行脫水干慢處理，脫水采用熱風(fēng)干燥，熱風(fēng)溫度控制在55～60℃，干燥后煙梗水分保持在10%～20%；將干燥后的蒸汽爆破煙梗進(jìn)行初級粉碎，并再次進(jìn)行潤濕、干燥處理。煙梗經(jīng)蒸汽爆破、超微粉碎、造粒、選粒后按一定比例添加于卷煙濾嘴中，可以提高對卷煙主流煙氣中有害物質(zhì)的截留能力，同時其自身釋放的香味物質(zhì)在減少煙氣刺激性的同時，也提高了口腔的舒適度，從而達(dá)到改善卷煙煙氣品質(zhì)的目的。

Fang Xue等[21]使用蒸汽爆破處理煙梗的技術(shù)，然后將煙梗按適當(dāng)比例添加到測試的煙草片中，觀察蒸汽爆破處理后的煙草莖對香煙煙霧中有害化學(xué)物質(zhì)的影響，如焦油、尼古丁、CO、苯酚和苯并芘的影響。結(jié)果表明，隨著煙草莖含量的增加，香煙主流煙中苯酚、苯并芘、焦油和尼古丁的含量均有所下降。與空白樣品相比，苯酚、苯并芘、焦油和尼古丁的最高下降量分別為36.50%、36.63%、28.99%和38.46%；在對卷煙燃燒無影響的情況下，經(jīng)蒸汽爆破處理的煙梗的添加量最多可增加到25%。

5 小結(jié)

蒸汽爆破技術(shù)由于對環(huán)境友好且能耗低的特點廣泛運用于生物質(zhì)領(lǐng)域中，在煙草領(lǐng)域的關(guān)注度也越來越高。在以前的蒸汽爆破技術(shù)運用中，需要維持壓力時間的較長，在這種高溫高壓的環(huán)境下生物質(zhì)容易發(fā)生美拉德反應(yīng)，如果處理不當(dāng)會有嚴(yán)重的焦味。同時大多數(shù)實驗研究都是對物料前處理的階段，對成分相互作用的效果與機理的研究還不夠深入，所以之前蒸汽爆破在煙草原料的加工運用較少。因此，需要探究蒸汽爆破對茄科植物的香味物質(zhì)含量影響、基本化學(xué)物質(zhì)的變化影響、不同成分相互作用機理和蒸汽爆破在茄科植物中的作用技術(shù)升級，多種手段聯(lián)合運用，努力實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化運用。