煙草廢棄物高值化利用及與合成生物學融合的現狀與前景

關鍵詞：煙梗；廢棄煙葉；合成生物學；可持續發展；生物煉制

我國是世界上最大的煙草種植國和消費國，據2023年中國統計年鑒的數據顯示[1]，2022年我國煙草種植面積為1.044×106hm2，煙葉年產量2.188×106t。在煙草農業及卷煙工業生產階段會產生大量煙草廢棄物，如煙草秸稈（以下簡稱“煙稈”）、煙梗、殘次煙葉等。有關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發展及資源節約手段[2]。煙草廢棄物中含有大量木質素、綜纖維素（纖維素和半纖維素的總稱）、蛋白質、淀粉，以及豐富的香味物質和生物活性物質如生物堿、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個方面（圖1）：（1）基于煙草綜纖維素組分的應用；（2）煙草原料中活性成分的提取及轉化應用；（3）煙草木質素制備小分子化合物及功能材料。

近年來，合成生物學快速發展，已從分子層面逐漸走向細胞層面[7]，通過設計合成基因原件、構建代謝途徑、改造微生物底盤等方式，實現對底物向生物基化學品、能源、醫藥產品開發中的高效、高產、高值轉化。因而無論是作為生物質原料精煉回收利用，還是作為醫藥化工領域重要小分子化合物的底物來源，合成生物學策略對于煙草廢棄物高值化開發利用均展現出巨大的應用前景。

本文重點綜述了煙梗、煙稈和廢棄煙葉的高值化研究現狀，結合合成生物學在相關領域的發展趨勢，展望其對于煙草廢棄物高值化利用的應用前景，以促進煙草廢棄物在農業、生物醫學和煙草行業等領域的高值化利用。

1煙草秸稈及煙梗的高值化應用與研究

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、半纖維素和木質素。在煙草的不同部位中（表1），煙稈的木質素、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肥料[8]、活性炭[9]或煙草薄片，隨著技術的發展，煙梗和煙稈逐漸應用于生物燃料或高性能材料的開發，進一步拓寬了其高值化利用的途徑。

1.1生物乙醇精煉

生物質精煉制備生物乙醇是農林資源再利用的重要方式之一，木質纖維素中的碳水化合物組分通過預處理、酶解、發酵、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。在以木質纖維為原料的生物乙醇精煉過程中，碳水化合物與木質素之間的化學鍵、纖維素的結晶結構、木質素對纖維素酶的非生產性吸附作用[15]等都制約了生物乙醇精煉的效率，而發酵前預處理可以有效解決上述問題。

目前，煙梗及煙稈預處理研究主要聚焦于化學法、物理化學法、生物法。Yuan等[16]探究了酸堿溶劑蒸汽預處理對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到70%以上，證實煙稈作為生物乙醇精煉原料的廣闊應用前景。Gong等[17]在溫和條件下（低于100℃）對煙梗依次進行稀酸和稀堿預處理，結果表明在發酵固液比為30%條件下，每千克預處理后的煙梗原料可發酵得到0.15kg生物乙醇。考慮到煙堿對于微生物生物活性的影響，Su等[18]開發了一種白腐真菌與多毛菌協同解毒發酵的新途徑，將煙稈中煙堿含量降至安全濃度，減少煙堿對微生物的抑制作用，極大提升了煙稈酶解發酵的效率。

盡管研究領域嘗試了大量的物理、化學預處理技術用于提升煙稈生物乙醇精煉的效率，但遠沒有達到工業生產的條件。目前煙稈生物乙醇精煉的工業化落實仍然面臨諸多困難，如運行成本高昂、碳水化合物組分損失大、抑制劑對生物降解過程的負面影響等，如何得到高比例碳水化合物的煙稈產物及提升生物發酵效率將是煙稈及煙梗生物質預處理技術的重中之重。

1.2木質素解離

木質素是木質纖維素的重要組成部分，其含量約占生物圈有機碳的30%。木質素由苯丙烷結構單元通過醚鍵和碳-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、煙梗預處理水解液中的木質素經過進一步處理，可用于抗菌劑、抗氧化劑、紫外防護劑等功能材料及化學品的開發。Wang等[21]對比不同體系低共熔溶劑（DES）處理煙稈解離木質素，結果表明，在氯化膽堿-乳酸和氯化膽堿-甘油體系下，木質素發生碎片化反應，得到分子量小且具有縮合結構的解離木質素；而氯化膽堿-單乙醇胺體系得到的解離木質素中富含β-O-4鍵以及少量的氫鍵，該研究指出經不同體系DES處理后的解離木質素具有優異的熱穩定性、紫外吸收性和抗氧化活性。Liu等[22]采用水熱-稀堿聯合預處理煙稈，通過加水、降低水解液pH從預處理水解液中得到煙草堿木質素，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素，進一步對不同分子量木質素進行研究，結果表明正丁醇和乙醇提取的木質素分子量低，富含酚羥基，因而具有良好的化學反應活性和抗氧化能力，有望在醫藥、化工等領域發揮作用；相比之下，二氧六環提取的木質素分子量大，反應活性低，殘碳率高，更適用于制備碳材料。

1.3納米纖維材料開發

納米纖維素材料因具備高比表面積、高強度等優質特點，在生物基綠色材料的開發方面具有巨大潛力。Wang[4]等以煙稈為原料，經亞硫酸銨蒸煮和甲酸水解處理，制備含有一定比例木質素的煙稈基納米纖維素，并用其進一步制備柔韌且防水的纖維素納米紙，該材料被證實具有較高的拉伸強度（255Mpa）和良好的水穩定性（濕強度83Mpa），同時還兼具優異的熱穩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，是一類有望替代石油基聚合物的新型綠色材料。煙稈煙梗富含木質素、纖維素，可作為原料用于生物基聚合物材料的生產。例如，聚羥基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）作為一類結構多樣化、生物可降解的高分子聚酯材料，在工業發酵、生物塑料、醫療材料等方面展現出巨大的發展前景。已有文獻報道利用工程菌株處理木質素纖維素發酵制備生物基聚合物。例如，Jin等[24]通過篩選啟動子，控制不同來源xylAB基因在菌株C.glutamicumS9114中表達，抑制木糖分解過程中副產物（乳酸、醋酸）產生，高效構建麥秸稈水解液的木糖高效利用途徑，使得谷氨酸產量提高了40%，并成功將合成3-羥基丁酸酯（Poly3-hydroxybutyrate，PHB）所需的關鍵基因整合至該重組菌株的基因組中，獲得較為穩定的PHB生物合成能力[25]。

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

2廢棄煙葉高值化應用與研究

在煙草行業中，廢棄煙葉主要來自于田間生產的不適用煙葉和工業加工時產生的碎片、碎末，占據煙葉總產量的20%～25%[31]。煙葉作為一類特殊的生物質資源，蘊含極為豐富的化學成分，迄今已確定的化學物質超過2500種[32]。煙葉中富含生物堿、黃酮類、萜烯類等成分，具有極高的應用價值，因而全面發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、美拉德反應產物、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，顯著改善卷煙產品的香氣質量。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的萃取條件對煙草香味物質性質的影響，指出酸類、醛酮類、雜環類化合物等香味物質在1h內的萃取效率可達95%，其他各類香味物質在3h內萃取得率可達90%，證明超臨界CO2萃取對于煙草香味物質具有較強提取能力。段昊沅等[34]采用過熱水蒸氣蒸餾-干餾集成技術制備煙草香料，過熱水蒸氣與氮氣的混合氣體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，又能在較高溫度下產生更多的致香成分，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，而生物發酵技術能夠更加高效、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，超聲酶解法能夠將煙葉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%的產香酵母SP-3，在30℃、發酵時長7d的條件下，成功制備具有優質香味的煙草浸膏。Yao[37]等從雪茄煙葉中分離出一種產纖維素酶的菌株并加入雪茄煙葉中進行發酵試驗，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提升近26.1%，為煙草生物產香提供了一種綠色且高效的方式。

2.2生物活性物質

生物活性物質指來自生物體內對生命活動具有影響的微量或少量物質，在減少細胞氧化應激、抑制腫瘤發展和抗炎癥等方面具有重要的正向作用，廣泛應用于醫藥、生命科學等領域。本節將簡要概述近年來煙草中茄尼醇、煙草蛋白、生物堿3種生物活性物質的提取方法，并展望合成生物學在煙草生物活性物質開發研究中的應用前景。

2.2.1茄尼醇 茄尼醇是一種重要的醫藥中間體，廣泛存在于煙草、桑樹等植物中，有消炎、抗菌、抗癌和抗潰瘍等功效[38]，可用于合成輔酶Q10、維生素K2等藥物。隨著市場對高純度、高品質茄尼醇的需求程度越來越高，相關的分離純化研究越來越深入。孫銀合等[39]通過對煙草進行氨浸預處理脫除部分木質素，預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-半纖維素酶聯用法對煙葉進行預處理，通過分解煙葉的細胞壁結構，促使組織內物質釋放并提升茄尼醇的提取效率，在最優反應條件下，總茄尼醇得率較于對照組提高158.78%。

2.2.2煙草蛋白 煙葉中的蛋白質含量豐富（10%～20%），具有氨基酸含量高、可利用價值高等特點，經加工后可用于飼料、醫藥、生物活性肽等多個領域[41]，因此近年來關于煙葉蛋白質提純技術的研究較為深入，如萃取法[42]、膜分離法[43]等。Balasubramaniam等[44]設計了一種聚乙二醇和硫酸鈉水性兩相萃取工藝，實現了煙草蛋白質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，可使煙草蛋白質去除率達到98.5%，同時蛋白質得率為93.1%，被證明是一種極具前景的煙草蛋白提取技術。Fu等[46]建立了一種磷酸鹽緩沖系統用于煙葉蛋白質提取，不僅實現了高比例煙草蛋白質的獲取（得率95.5%），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、肥料和紙漿等產品的開發，進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，萃取物中煙堿含量高達5.4%。谷彥嶺等[48]借助溶劑浸取和蒸餾提純等技術手段，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制備煙草浸膏，實現煙草廢棄物的高值化再利用。目前，煙草生物堿在農業、煙草工業、醫藥和化工等領域均有廣泛應用。在農業領域，煙堿可作為常見的殺蟲劑用于農作物病蟲害的防治[49-50]；煙草工業中，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]；在醫學方面已有研究證實，煙堿在治療認知障礙、精神分裂癥、自閉癥等方面有一定的療效[52]。

除上述物質之外，煙葉中還富含萜類、酚類等活性物質（表3）。未來有望以廢棄煙葉作為生物質原料，經過預處理轉換后提取純化高附加值的活性物質，進一步拓展煙草在醫藥、香精香料等非傳統領域的應用價值；同時借助合成生物學、代謝組學等技術，進一步發揮廢棄煙葉的應用價值，實現煙草廢棄物綠色可持續及高值化應用協同發展[53]。

3煙花高值化應用與研究

煙草打頂是煙草農業種植過程中一項不可或缺的技術，通過摘除植株頂部的花序及頂芽的分生組織，可以調整煙株內部的養分分配、消除煙草頂端優勢，進而增加煙葉面積、提升煙葉產量[60]。目前生產中打頂后的煙花多被丟棄或掩埋。隨著卷煙工業對于綠色可持續發展要求的提高，對于廢棄煙花的利用已成為近期研究熱點。孫福山等[61]采用“鮮煙葉+鮮煙花蕾同烤”技術提升烤后煙葉的致香成分，即按常規裝煙時在葉尖下方掛裝煙花同烤（鮮煙葉與煙花質量比為10∶1），結果表明，葉花同烤后的煙葉中芳樟醇、β-大馬酮、香葉基丙酮、二氫獼猴桃內酯、巨豆三烯酮類等致香物質含量顯著提升，相較于常規烘烤煙葉，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-丁二醇為最優深共熔溶劑體系，并進一步指出，在最優提取條件下煙草花蕾中的西柏三烯二醇提取率達到8.95mg/g，實現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充脯氨酸和葡萄糖促進美拉德反應中間體Amadori重排產物（ARP）的合成，研究表明，煙草花蕾酶解物作為反應溶劑，在90℃、2500Pa條件下反應120min獲得的ARP產率較水溶液反應體系由39.91%提高至92.20%，實現了煙草花蕾脯氨酸-葡萄糖ARP的高效制備。

除上述應用之外，行業內對煙草花蕾精油和香膏提取技術的研究也較多。許春平等[64]利用CO2超臨界萃取法制備煙草花蕾揮發油，通過GC/MS分析不同添加比例的煙草花蕾揮發油對煙草薄片煙氣化學成分的影響；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。

綜上，有關煙花高值化應用的研究主要聚焦于煙花精油或功能性成分提取技術的開發，未來在多學科協同創新的驅動下，煙花高值化利用不僅可為煙草行業綠色可持續發展提供新的思路，也為香精香料、化妝品等行業帶來新的機遇。

4合成生物學與煙草廢棄物高值化產品的開發

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，在資源轉化效率、產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、創新的技術手段迫在眉睫，而合成生物學作為極具突破性與前瞻性的新興學科，憑借其對生物系統的精準設計及改造能力，為煙草廢棄物高值化利用帶來了全新契機。

合成生物學是對已有的生物系統進行優化，或是對新的生物體（酶、遺傳線路和細胞等）的設計與重構[66]。合成生物學體系中，構建生物系統通常采用工程學“自上而下”的方法，與基因工程、代謝工程、計算科學等多個基礎學科相結合，旨在解決復雜的生物問題。相較于傳統的基因工程，合成生物學更強調生命物質的標準化，即利用基因測序技術明確生物合成途徑中的關鍵基因簇，通過DNA合成和組裝技術對其進行改造和重構，實現不同種類物質的生物合成與開發。以青蒿素的生物合成為例，青蒿素作為一種倍半萜內酯物質，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，再經化學半合成制得，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法尼基焦磷酸（FPP）合成通路的功能基因，高表達青蒿二烯合成酶（ADS）等相關基因，實現了青蒿素前體物質青蒿酸的合成，所得到的青蒿酸濃度高達100mg/L。

隨著分子生物學和合成生物學的快速發展，通過模塊化表達異源基因、優化代謝途徑等方式提升目標產物得率，減少代謝中間產物的積累，為利用煙草廢棄物進行生物質精煉、煙堿降解以及生物產香等綠色創收途徑提供了新的契機。

4.1生物質精煉技術

利用煙草木質纖維素進行生物質精煉過程中，生物反應效率受到諸多制約因素影響，如木質纖維素天然的抗降解結構[69]、木質素對纖維素酶的非生產性吸附[70]、處理體系對微生物活性的抑制作用[71]等。可利用合成生物學進行下列調控：（1）提高微生物對抑制劑的抵抗能力。在酸性預處理體系下，部分單糖被催化轉換成糠醛、5-羥甲基糠醛等呋喃醛類物質，對微生物生物活性產生抑制作用。可通過生物學手段過表達氧化還原酶基因片段，提升糠醛向呋喃甲酸的轉化速率，縮短其在細胞內的停滯時間，減少糠醛類物質對于生物發酵的抑制作用[72]。（2）加強微生物對于戊糖和己糖的協同發酵能力。由于生物反應具有專一性，微生物在反應過程中傾向于選擇利用葡萄糖，而對于木糖的選擇利用性較差，應探究木糖異構酶及木糖氧化還原酶過程中的關鍵變量并進行生物學優化。（3）構建具備高酶活性的微生物群，賦予微生物對纖維素、半纖維素和木質素的高效降解及利用能力，提高其轉換效率。通過一系列合理的途徑設計、基因和代謝工程改造及條件優化等，煙草木質纖維精煉技術勢必會取得突破。

4.2木質素解離

生物法解聚木質素具備反應條件溫和、專一性強等優勢，具有極佳的發展前景。生物法降解木質素主要依賴自然界中的微生物和酶，這些酶通過與木質素苯酚單元反應或是破壞木質素分子中β-O-4鍵，實現木質素向小分子化合物的解聚，解聚后的木質素成分復雜，通過生物漏斗將木質素單體物質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的開環等多種酶促反應），最后再借助代謝工程改造實現木質素類芳香族化合物向高附加值化學品（香蘭素[73-74]、脂質[75]、PHA[76]等）的轉化[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%（干質量），超過歐盟“有毒危險廢物”規定標準約36倍[78]。廢棄煙葉中煙堿資源化回收對于降低煙草廢棄物中煙堿的含量、緩解煙堿對環境及人體健康的影響，實現綠色可持續發展及煙草資源創收意義重大。

早期為提升煙堿的附加值，多利用化學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。煙堿吡啶環中的氮原子具有吸電子特性，在特定位置上易發生取代反應，這些取代反應在藥物合成中至關重要，在2，5位或2，3，5位取代的吡啶衍生物是多種商業化藥物的關鍵結構，如吡格列酮（治療糖尿病）、艾司唑侖（治療失眠）以及克里唑蒂尼（抗癌新藥）等。化學方法雖然能夠較為容易地獲得吡啶2，4號位的取代產物，但得到2，5位取代產物卻對反應底物和條件提出較高的要求，這通常需要在吡啶環上引入活化基團，才能促使5號位發生鹵素取代反應。與之相比，生物催化反應具有較高的化學選擇性、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勢，因而可實現低成本、高效率的吡啶類中間產物的定向生產。

生物降解煙堿被公認為是經濟且綠色的處理方式。目前發現降解煙堿的微生物大部分是細菌，還有部分真菌、放線菌等，其中代表性細菌是節稈菌（Arthrobacter）和假單胞菌（Pseudomonas）。通過分析煙堿微生物代謝的中間產物，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），其中間代謝產物如3-琥珀酰-吡啶、2，5-二羥基吡啶等可作為工業合成的前體物質。國內外利用微生物降解煙堿合成中間產物具有較好的應用前景，Wang等[79]開發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物3-琥珀酰吡啶階段，并采用分批和補料發酵的方式制備3-琥珀酰吡啶，所得3-琥珀酰吡啶的產物濃度最高達到9.8g/L。Wei等[80]從假單胞菌ZZ-5中克隆并表達出一種新型的6-羥基-3-琥珀酰吡啶羥化酶，用于生產煙堿吡咯降解途徑的中間產物2，5-二羥基吡啶，在最佳條件下，該酶在40min內的2，5-二羥基吡啶的轉化率為74.9%（w/w）。

5總結與展望

煙稈和煙梗中富含豐富的碳水化合物和木質素，可用于生物能源、功能材料、化學品等高附加值產品的開發；而廢棄煙葉中活性物質成分較多，在醫藥、食品、香精香料等領域擁有廣闊的應用前景。目前合成生物學的應用已拓展到多個領域，但在煙草廢棄物高值化應用方面仍處于起步階段，基于煙草廢棄物的利用現狀，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。以煙稈為原料，開發低成本、高性能的煙稈生物質基功能塑料，從細胞整體代謝網絡著手，優化微生物的代謝途徑，提高底物到產物的轉化率。

（2）煙稈基化學品及材料高值化開發。將合成生物學、植物纖維化學與生物質精煉技術相結合，設計煙稈基化學品一體化生產體系，研究對比發酵及發酵產品分離純化工藝，開發抗抑制劑、抗煙堿的功能菌株，實現煙稈基纖維素、半纖維素、木質素產物及衍生物的低成本、高得率開發。

（3）合成生物學在煙草工業生產的應用。生物產香、原料增香等生物技術的開發在豐富煙用香原料、提升原料適配性等方面意義重大，如何提升相關生物方法的產生效率、產出能力，都是未來合成生物學需要攻克的難題。

對于煙草木質纖維基生物質精煉的開發，更應該格外關注生產成本對于得率的影響，只有當生物質精煉比原油開采更加低廉、附加值產品價值更高，未來才有更加廣闊的開發利用空間。當前生物質精煉及合成生物學研究進展，可用煙草廢棄物全組分高值化利用流程圖（圖3）來表示，期望有助于推動煙草行業與合成生物學等多學科交叉發展，共同促進煙草廢棄物高值化利用發展。

盡管天然產物化學、生物煉制以及合成生物學的研究日趨成熟，通過不同的處理方式，可獲得具備不同性能的化學品或生物質基功能材料，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問題：

（1）生產成本。傳統的生物質精煉技術通常能耗較大，若能將合成生物學及代謝組學等方法與現有的煙草高值化方法交聯結合，可極大降低處理成本，同時避免生產過程中因燃料燃燒、化學品消耗產生的環境污染問題。

（2）攻克高值化利用階段的限制因素，提升目標產物得率。無論是利用煙稈制備生物燃料、化學品，或是從廢棄煙葉中提取高附加值活性物質，均存在因原料特性或是反應抑制因素導致的后續得率低下問題，這限制了煙草廢棄物高值化利用的產業化前景。因此，在保證產物質量、實現煙草廢棄物高值化利用的同時，提升相關目標產物得率將是未來的研究重點。

總體而言，煙草廢棄物的高值化利用有著廣闊的應用前景，依托合成生物學學科的發展，未來可以實現更加高效、環保、可持續的煙草廢棄資源利用，推動煙草行業的綠色發展。