煙草資源多元化開(kāi)發(fā)利用潛能

張文姬，陳楨祿，鄒明民，潘曉英，袁清華，黃振瑞

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省煙草育種與綜合利用工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510640；2.中國(guó)煙草總公司廣東省公司，廣東 廣州 510610）

煙草在植物分類學(xué)上屬雙子葉植物綱管花目茄科煙屬。煙草鮮葉化學(xué)成分組成復(fù)雜，主要包括葉綠素、蛋白質(zhì)、淀粉、煙堿、有機(jī)酸、茄尼醇及香料等，均具有很高的應(yīng)用價(jià)值［1］。不同地區(qū)煙葉化學(xué)成分差異較大，如云南地區(qū)鮮煙葉的高不飽和半乳糖、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰膽堿、大部分多酚類、氨基酸和多胺含量較高，而低不飽和半乳糖、三?；视?、帶有三羥基長(zhǎng)鏈堿的糖基神經(jīng)酰胺、?；薮架蘸鸵恍┯袡C(jī)酸則在河南地區(qū)鮮煙葉中含量普遍較高［2］。不同類型煙葉化學(xué)成分差異更明顯，以四川省調(diào)制后的上二棚煙葉包括烤煙、白肋煙、香料煙、馬里蘭煙、曬煙等為材料進(jìn)行常規(guī)化學(xué)成分分析，各類型煙葉的糖堿比和氮堿比差異均很大，尤其是還原糖含量［3］。豐富的化學(xué)成分含量及多樣化，為煙草植物多元化高值化開(kāi)發(fā)利用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

長(zhǎng)久以來(lái)，對(duì)煙草的利用多是將煙葉用于卷煙工業(yè)，而我國(guó)作為世界煙草種植大國(guó)，近5 年每年煙葉平均產(chǎn)量約230 萬(wàn)t（國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新數(shù)據(jù)），在卷煙生產(chǎn)過(guò)程中，其中約有1/4 的煙葉、煙末等下腳料得不到合理利用，常常掩埋或者焚燒處理，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。近年來(lái)，在健康中國(guó)時(shí)代大背景下，卷煙工業(yè)的市場(chǎng)需求逐漸降低，對(duì)煙草種植、加工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的沖擊。由于煙草的嚴(yán)格管控，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，近些年全國(guó)煙草的種植面積逐年下降，2016—2019 年煙葉種植面積依次為120.84 萬(wàn)、113.06 萬(wàn)、105.79 萬(wàn)、102.66 萬(wàn)hm2，不利于煙草行業(yè)整體的發(fā)展。因此，除了傳統(tǒng)卷煙工業(yè)外，煙草資源的多元化開(kāi)發(fā)利用勢(shì)在必行。

我國(guó)目前對(duì)于煙草多用途開(kāi)發(fā)利用方面的研究并不多，據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查，除了傳統(tǒng)上用于有機(jī)肥外，近年來(lái)主要集中在藥用煙草等特色資源的選育、畜-沼-煙的循環(huán)利用、煙草生物新能源的開(kāi)發(fā)、煙草植物藥用功能活性成分的提取利用及煙草轉(zhuǎn)基因工程的研究上。這可能與政策引領(lǐng)、資金、項(xiàng)目、人才等方面的支持力度不夠以及煙草廢棄資源的生產(chǎn)利用及處理環(huán)節(jié)管理審批嚴(yán)格有關(guān)。煙草多用途開(kāi)發(fā)利用涉及分析化學(xué)、材料學(xué)、生物醫(yī)藥、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。本文從農(nóng)、工、醫(yī)等較為全面的針對(duì)煙草多元化開(kāi)發(fā)利用和煙葉廢料的高值化加工等方面進(jìn)行調(diào)查及分析，以推動(dòng)煙草行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 特色煙草品種資源是多元化開(kāi)發(fā)利用的物質(zhì)基礎(chǔ)

我國(guó)是世界上煙草種質(zhì)資源保存數(shù)量最多、遺傳多樣性最為豐富的國(guó)家。截至2017 年底，我國(guó)保存煙草種質(zhì)資源數(shù)量達(dá)5 767 份，居世界首位。豐富的煙草種質(zhì)資源為多元化開(kāi)發(fā)提供了儲(chǔ)備與保障。我國(guó)煙草資源雖然數(shù)量豐富，但其區(qū)域分布十分不均衡，主要集中在廣東、貴州、河南、湖北、山東、山西、四川和云南等省，占全國(guó)資源收集總數(shù)的67.2%，而甘肅、廣西、河北、江蘇等省的資源數(shù)量稀少，不到全國(guó)的1%［4］。廣東是我國(guó)栽培煙草較早的省份之一，在省內(nèi)各地的生態(tài)環(huán)境下，經(jīng)過(guò)人工栽培篩選，物競(jìng)天擇，形成了一批獨(dú)特的廣東地方種質(zhì)資源。例如，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所煙草研究室目前收集了煙草種質(zhì)資源1 300 多份，其中特有煙草資源300 多份，在我國(guó)煙草資源的保護(hù)工作上具有重要的地位。該所是國(guó)家煙草專賣局重大專項(xiàng)“中國(guó)煙草種質(zhì)資源平臺(tái)建設(shè)”項(xiàng)目的成員單位之一［5］，為煙草資源的多元化開(kāi)發(fā)和高值化利用提供了可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)質(zhì)資源和平臺(tái)。

我國(guó)煙草在抗病、抗蟲、抗逆等方面取得了大量的研究成果。采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將外源抗病基因hrpZPsg12、Bchi、TaPIM1及CaSn導(dǎo)入煙草，分別提高了煙草對(duì)煙草普通花葉病和馬鈴薯Y 病毒、真菌性病害、青枯病及南方根結(jié)線蟲的抗性；利用RNAi 技術(shù)下調(diào)病毒基因，獲得同時(shí)抗TMV和CMV 的轉(zhuǎn)基因煙草；將蘇云金桿菌毒蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因及外源凝集素基因等抗蟲基因?qū)霟煵?，獲得抗棉鈴蟲、金龜子、斜紋夜蛾幼蟲、蚜蟲及甜菜夜蛾的煙草；通過(guò)導(dǎo)入果聚糖合成酶基因6-SFT、棉花鋅指蛋白基因GhSAP1，提高了煙草對(duì)干旱和寒冷脅迫的抗性以及耐鹽能力［4］。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所選育的“塘蓬”是世界首個(gè)隱性基因控制的白粉病免疫曬紅煙品種，以及通過(guò)聚合優(yōu)良性狀獲得對(duì)TMV 免疫兼抗PVY 與黑脛病的烤煙品種。值得關(guān)注的是，抗煙草青枯病育種研究工作取得重大進(jìn)展，在種質(zhì)資源青枯病抗性評(píng)價(jià)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)地方晾曬煙資源中GDSY-1 的抗病遺傳與普通煙草品種T.I.448A（美國(guó)發(fā)現(xiàn)抗源品種）攜帶的抗源不同，經(jīng)檢測(cè)其為新抗源，且抗性優(yōu)于美國(guó)抗源，具有較高的育種價(jià)值［6］。

藥用煙草的培育是煙草種質(zhì)資源創(chuàng)制的新亮點(diǎn)。將紫蘇、羅勒、曼陀羅、薄荷、土人參、黃芪等藥用植物通過(guò)嫁接和有性雜交相結(jié)合的方法與煙草進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交，創(chuàng)制出含有藥用成分的新型煙草；將普通煙草龍煙2 號(hào)與曼陀羅進(jìn)行屬間遠(yuǎn)緣雜交，培育出含阿托品及莨菪烷的新型煙草；將煙草與羅勒進(jìn)行科間遠(yuǎn)緣雜交，培育出具有藥物香氣的煙草新種質(zhì)［4］。

長(zhǎng)期以來(lái)，煙草種質(zhì)資源評(píng)價(jià)與收集同時(shí)進(jìn)行，包括對(duì)煙株株型、株高、葉片相關(guān)性狀、節(jié)距、莖葉夾角、花相關(guān)性狀，生育期以及抗病性等性狀的鑒定評(píng)價(jià)。這些種質(zhì)資源將成為今后開(kāi)展新品種培育、遺傳理論研究和分子生物學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。加大種質(zhì)資源的收集和創(chuàng)新力度，拓展種質(zhì)資源研究工作的廣度和深度，挖掘種質(zhì)資源潛在的利用價(jià)值，為打好煙草行業(yè)的“種業(yè)翻身仗”貢獻(xiàn)力量。

2 現(xiàn)代煙草循環(huán)農(nóng)業(yè)是煙草生態(tài)發(fā)展新模式

現(xiàn)代煙草循環(huán)農(nóng)業(yè)利用煙草生產(chǎn)中的有機(jī)廢棄物，調(diào)整優(yōu)化煙草產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，有利于提升煙葉品質(zhì)、提高煙農(nóng)收益和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，是適宜的煙草農(nóng)業(yè)發(fā)展范式及綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的體現(xiàn)。

畜-沼-煙循環(huán)模式是煙草綠色生產(chǎn)的基本循環(huán)鏈條。劉刈等［7］針對(duì)煙草廢棄物含有煙堿和病原物以及木質(zhì)素含量較高的特點(diǎn)，提出了煙草生產(chǎn)沼氣的制約因素及優(yōu)化模式，并認(rèn)為廢棄煙葉發(fā)酵前的預(yù)處理非常重要，需要降低煙堿的含量和軟化原材料硬度。封衛(wèi)平等［8］在此基礎(chǔ)上，將廢棄鮮煙葉切碎處理和漚堆發(fā)酵后，能夠改善沼氣發(fā)生環(huán)境，加快產(chǎn)氣速度，提高產(chǎn)氣量，避免了隨意丟棄廢煙葉造成的病蟲害傳播和資源的浪費(fèi)，也為現(xiàn)代煙草循環(huán)農(nóng)業(yè)的鏈條提供了合理的利用途徑。Li 等［9］首次對(duì)4 個(gè)煙草品種（Yunyan85、Yunyan 99、Yunyan 114、Guiyan 2）秸稈的生物甲烷生產(chǎn)性能和特性進(jìn)行研究，其中Yunyan114 累積甲烷產(chǎn)量最高，為130.2 mL/g，木質(zhì)素含量低于其他煙草品種，并提出了廣泛適用于煙草秸稈的厭氧消化模式Gompertz 模型。陳素云［10］依據(jù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)“整體、協(xié)調(diào)、循環(huán)、再生”的原理，通過(guò)分析合理布局產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)，把育苗工場(chǎng)、密集烤房、養(yǎng)殖場(chǎng)、沼氣廠、有機(jī)肥等互相提供資源、消納廢物的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃集中到基地園區(qū)單元內(nèi)，進(jìn)一步提高利用效率和資源配置最優(yōu)，并經(jīng)過(guò)一些列評(píng)價(jià)指標(biāo)包括農(nóng)民素質(zhì)、收入結(jié)構(gòu)、政府組織、獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制、利潤(rùn)分配等方面，在貴州畢節(jié)秀水設(shè)計(jì)并示范了現(xiàn)代煙草循環(huán)農(nóng)業(yè)園，采用有機(jī)煙葉-有機(jī)牧草、有機(jī)玉米-有機(jī)牧草兩年輪作的種植制度，施用有機(jī)肥，采用生物方式殺蟲；牧草和玉米秸稈作為畜牧業(yè)中的飼料，產(chǎn)生的牲畜糞便供應(yīng)大型沼氣廠，沼氣廠的沼氣用作密集烤房和育苗工場(chǎng)的能源；沼渣、廢棄煙桿和煙葉等用作有機(jī)肥的原料，沼液直接還田，有機(jī)肥供應(yīng)作物生長(zhǎng)，最終形成種養(yǎng)加相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)鏈條和物質(zhì)循環(huán)利用的生產(chǎn)系統(tǒng)。盡管各地都在不斷探索，但煙農(nóng)煙企協(xié)調(diào)度不高，收益分配制度不完善，系統(tǒng)構(gòu)建和運(yùn)行機(jī)制上仍有待進(jìn)一步完善。

3 煙草廢棄秸稈是新能源生物材料的新來(lái)源

植物類廢棄物如稻草、藻類、秸稈、樹葉等是碳基電極材料的碳來(lái)源之一，這些原料碳化后具有高度多孔性、比表面積大、導(dǎo)電性能良好以及孔徑分布寬等特點(diǎn)，植物廢棄物新能源碳基電極材料的開(kāi)發(fā)也有助于緩解化石燃料枯竭帶來(lái)的能源危機(jī)［11］。煙稈作為煙草生產(chǎn)過(guò)程中的一種廢棄物，可用于制備多孔碳材料，作為制備鋰離子電池負(fù)極材料，實(shí)現(xiàn)煙草在新能源生物材料方面的高值化利用。

目前，煙草基活性炭材料在電化學(xué)超級(jí)電容器方面有了初步研究。陳輝等［12］應(yīng)用新疆產(chǎn)地?zé)煵?，通過(guò)一步水熱法熱解得到煙草基多孔碳，并通過(guò)堿化獲得煙草基活性炭。該煙草基活性炭具有較高的比表面積（1 297.6 m2/g）和大孔容（0.52 cm3/g），在0.5 A/g 電流下比電容可達(dá)148 F/g，兩電極體系下具有120 F/g 的比電容值，在1 A/g 下經(jīng)過(guò)9 000 次循環(huán)后，容量沒(méi)有損失，在超級(jí)電容器中具有高電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所煙草研究室與暨南大學(xué)合作，首次利用自主育成品種81-26 煙草秸稈為碳源，KOH 為活化劑，硫脲為摻雜劑，制備了一種超高比表面積的N、S 共摻雜活性炭材料，成功應(yīng)用于超級(jí)電容器，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：KOH 在400～600 ℃與碳發(fā)生反應(yīng)生成K2CO3、K和H2；當(dāng)溫度超過(guò)700 ℃，其他額外反應(yīng)將會(huì)陸續(xù)發(fā)生，刻蝕碳表面而產(chǎn)生更多中孔結(jié)構(gòu)（K2CO3→K2O+CO2，CO2+C→2CO，K2CO3+2C→2K+3CO，C+K2O→2K+CO）；當(dāng)溫度升至800 ℃，K 蒸氣會(huì)進(jìn)入更深層的碳骨架，活性炭進(jìn)一步被刻蝕而產(chǎn)生更多微中孔結(jié)構(gòu)。因此得到的煙稈基多孔碳材料具有極大的比表面積（3 733 m2/g），并且摻雜N、S 元素后在1 A/g 電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)越的比電容值（422.5 F/g）。與其他活性炭相比，在相同活化劑作用下，該研究的煙稈基多孔碳材料具有更高的比表面積和較優(yōu)異的電化學(xué)性能［13］。使用煙草廢棄物生產(chǎn)的活性炭作為電極制造的對(duì)稱超級(jí)電容器裝置中，在300 W/kg 的功率密度下提供高達(dá)10.4 Wh/kg 的高能量密度，以及優(yōu)異的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性（92.8%，5 000 次循環(huán)后初始電容保持率的百分比）［14］。后續(xù)研究顯示，不同的煙草品種通過(guò)同樣的活化作用，生成的活性炭性能具有明顯差異，這方面還需要開(kāi)展系列研究。作為高性能超級(jí)電容器電極材料的候選材料，煙稈活性炭的優(yōu)化是將煙草生物質(zhì)廢物轉(zhuǎn)化為新能源材料高值化利用的重要方向之一。

4 煙草資源在農(nóng)業(yè)綠色防控領(lǐng)域的新優(yōu)勢(shì)

植物作為天然化合物的寶庫(kù)，其產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物超過(guò)40 萬(wàn)種，其中的大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)如萜烯類、生物堿、類黃酮、甾體類、酚類、獨(dú)特的氨基酸和多糖等均具有殺蟲或抗菌活性，為植物源農(nóng)藥開(kāi)發(fā)提供了充足的原料來(lái)源。植物源農(nóng)藥中殺蟲活性成分因具有自然降解、無(wú)殘留、低毒等優(yōu)勢(shì)，受到研究者廣泛關(guān)注，煙草因含有獨(dú)特的生物堿成分，自古就有殺蟲滅菌的記載。在綠色防控領(lǐng)域，煙草的應(yīng)用也較早。早期民間傳統(tǒng)將煙葉或者煙梗用水煮開(kāi)后，加上肥皂水或石灰水可用以消殺蔬菜、果樹、茶葉、棉花等作物上的蚜蟲、葉跳蟬、白粉虱、菜青蟲、薊馬、卷葉蟲等多種害蟲。

前期研究顯示，煙草在生物綠色農(nóng)藥生產(chǎn)中起主要作用的組分是煙堿，能夠作用于昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)中的煙堿型乙酰膽堿受體，表現(xiàn)出極強(qiáng)大的親和力，因此煙堿具有廣譜抗蟲性，對(duì)同翅目、鱗翅目、等翅目、蛛型綱和水生蚤類等蟲類均有殺滅或毒害作用［15］。近年來(lái)，科學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)煙草中的其他生物堿和非生物堿物質(zhì)如假木賊堿、丹寧酸、皂苷、還原糖、類黃酮和三萜化合物也具有很強(qiáng)的抗蟲或驅(qū)蟲效應(yīng)［16-17］，煙草中新發(fā)現(xiàn)的西柏烷類化合物如西柏三烯二醇還具有很好的抗真菌［18-19］、抗細(xì)菌［20］和抗病毒［21-22］活性。煙草葉片中還含有一種應(yīng)激反應(yīng)下產(chǎn)生的凝集素的成分，對(duì)鱗翅目昆蟲腸中存在的酶的蛋白水解降解具有很強(qiáng)的抵抗力，從而對(duì)鱗翅目幼蟲具有明顯的毒性作用，凝集素既可以幫助煙草植物自身抵御毛蟲，并可開(kāi)發(fā)利用作為殺蟲劑的活性成分［23］。煙油也具有廣泛的殺滅害蟲作用，在高溫真空設(shè)備中，當(dāng)煙葉被加熱到482 ℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生生物油物質(zhì)，該物質(zhì)能夠殺滅11 種真菌、科羅拉多甲蟲以及目前常見(jiàn)的對(duì)化學(xué)殺蟲劑有耐藥性的害蟲，即便從中去除煙堿成分，生物油仍能有效地殺滅害蟲［24-25］。研究認(rèn)為，這種殺蟲劑所具備的抑制一部分而非全部微生物的能力使其可以成為新型選擇性殺蟲劑。此外，田間實(shí)驗(yàn)也合理地通過(guò)煙草-作物種植模式，發(fā)揮了煙草有效防控病、蟲、草害的作用，例如，煙草-葡萄間作模式可以有效控制葡萄根瘤蚜的危害［26］；煙-稻輪作能改良土壤養(yǎng)分、減輕煙稻病、蟲、草害和提高煙稻產(chǎn)質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)煙稻雙豐收、減少化學(xué)農(nóng)藥使用和解決煙糧爭(zhēng)地矛盾的重要模式［27］。

5 煙草植物及其藥用成分在疾病治療上的新發(fā)現(xiàn)

隨著藥理學(xué)的發(fā)展，許多天然植物成分的生物活性被鑒定出來(lái)，部分已在臨床上運(yùn)用在人類目前使用的臨床藥物中，大約有25%來(lái)源于天然植物［28］，如獲得諾貝爾獎(jiǎng)的我國(guó)科學(xué)家屠呦呦研發(fā)的抗瘧疾藥物青蒿素［29］、用于治療習(xí)慣性支氣管哮喘和預(yù)防哮喘發(fā)作的擬腎上腺素藥麻黃堿［30］、用于治療多種癌癥的抗癌化療藥物紫杉醇［31］、治療心血管疾病的藥物銀杏內(nèi)酯［32］等。煙草植物本身也是出色的特色藥用資源，我國(guó)醫(yī)書《中華本草》記錄了煙草的醫(yī)藥作用，即煙草功效行氣止痛、燥濕、消腫、解毒殺蟲，主治食滯飽脹、氣結(jié)疼痛、關(guān)節(jié)痹痛、癰疽、疔瘡、疥癬、濕疹、毒蛇咬傷，扭挫傷。《全國(guó)中草藥匯編》明確顯示，煙草具有消腫、解毒、殺蟲等功效，主要用于疔瘡腫毒、頭癬、白癬、禿瘡、毒蛇咬傷等癥，還可治療項(xiàng)疽、背癰、風(fēng)痰、鶴膝等病。吸煙確實(shí)給人類帶來(lái)了很多危害，更多是因?yàn)橄銦煙煔庵械闹掳┪镔|(zhì)，如焦油、一氧化碳和亞硝胺等，但是煙草植物作為一種歷史悠久的特色藥用植物，其藥用成分和醫(yī)用價(jià)值不能因此而被忽略。

煙草植物藥用成分主要包括生物堿類、酚類、有機(jī)酸類、萜烯類等。近年來(lái)關(guān)于煙草藥用成分尤其是煙堿和茄尼醇的提取，發(fā)展較為迅速，其提取范圍、提取方案以及產(chǎn)品純度，均得到明顯提升，主要是利用廢棄煙草或者煙稈等，通過(guò)萃取、蒸餾、色譜等方式提取。傳統(tǒng)的煙堿提取方法，主要有水蒸氣蒸餾法、溶劑萃取法、離子交換法，而新興的提取方法主要有超聲輔助提取法、微波輔助提取法以及超臨界CO2萃取法［33］；提取茄尼醇的傳統(tǒng)方法主要有超臨界萃取、超聲波提取、微波萃取以及溶劑浸取等方法，而高純度茄尼醇的提取則是極具潛力的分子印跡法，提取的純度高，可用于生物活性和醫(yī)藥開(kāi)發(fā)領(lǐng)域［34］。除此之外，煙草中鑒定到的其他有益藥用組分的提取及純化還不成熟，還沒(méi)有得到普遍應(yīng)用，但是其藥用成分的巨大潛力，將首先促進(jìn)煙草廢棄物在醫(yī)藥領(lǐng)域的高值化利用。

生物堿類是一種含氮化合物，在抗腫瘤、抗微生物及抗炎鎮(zhèn)痛等方面功效顯著［35］。煙堿是煙草中含量最高也最受關(guān)注的生物堿類物質(zhì)，也是吸煙者的主要成癮物質(zhì)，約占煙草重量的5%。煙草生物堿還包括少量的降煙堿、假木賊堿、新煙草堿等［36］。煙堿主要在保護(hù)神經(jīng)退行性疾病如阿爾茲海默癥和帕金森癥以及緩解炎癥性疾病如潰瘍性結(jié)腸炎、敗血癥、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等方面發(fā)揮重要作用［37］。

煙草酚類物質(zhì)中，蘆丁、芹菜素和槲皮素等是煙草中突出的類黃酮醫(yī)藥成分，其中發(fā)酵前煙葉的蘆丁含量達(dá)1.5%～2%［38］，是重要的抗氧化劑、細(xì)胞保護(hù)劑、血管保護(hù)劑、抗癌劑、神經(jīng)保護(hù)劑和心臟保護(hù)劑［39］。其他多酚類如香豆素類（莨菪靈、莨菪亭、七葉亭等）、黃酮類（葡萄糖苷、鼠李糖苷、槲皮素-3-O-葡萄糖苷、山萘酚-3-O-蕓香糖苷等）、花色素類（花色素-3-蕓香糖苷、花葵素-3-蕓香糖苷等），也具有廣泛的藥用生物學(xué)活性。煙草中酚酸類物質(zhì)綠原酸、阿魏酸和咖啡酸等具有廣泛藥理活性的物質(zhì)也存在煙草植物中，其中綠原酸含量較高，占總酚含量的75%～95%，占煙草含量的0.2%～5.4%，與金銀花的綠原酸含量相當(dāng)，是一種具有多種生物活性的膳食多酚，具有抗氧化、抗菌、保肝、保護(hù)心臟、抗炎、退熱、保護(hù)神經(jīng)、抗肥胖、抗病毒、抗微生物、抗高血壓、自由基清除劑和中樞神經(jīng)系統(tǒng)刺激劑等保健作用［40］。

煙草中含量最多的抗氧化有機(jī)酸是檸檬酸和蘋果酸，含量約占煙葉干重的2%～5%，具有抑菌消炎、抗血小板聚集和保護(hù)心肌細(xì)胞及調(diào)節(jié)機(jī)體免疫等作用［41］。此外，煙草中還含有少量抗壞血酸等保健成分。

萜類是煙草精油的主要成分之一，茄尼醇是煙草中萜烯類的代表性物質(zhì)，研究顯示在煙草種質(zhì)中含量最為豐富（干重約占1%～4%）。茄尼醇具有很強(qiáng)的自由基吸收能力和抗氧化活性，具有抗菌、抗腫瘤、抗炎和抗?jié)兊壬锘钚?，是合成輔酶Q10、維生素K2 和抗癌劑協(xié)同劑N-茄尼基-N 等泛醌類藥物的關(guān)鍵醫(yī)用中間體［42］。此外，煙草精油成分中的α-、β-紫羅蘭酮，除了具有紫羅蘭香氣使人感到愉悅之外，也能帶來(lái)健康效應(yīng)，如減輕高脂飲食引起的骨骼肌消耗，防止紫外照射引起的皮膚光老化，以及抵抗乳腺癌、肺癌和白血病等［43］。

近年來(lái)，隨著代謝組學(xué)的普及，煙草植物中其他具有藥理活性的代謝物如維生素E、維生素K1、東莨菪素、麥斯明、Feruloyltyramine 等逐漸得到鑒定［44］。值得一提的是，煙草中的煙酸和煙酰胺，雖然含量不高，其屬于維生素B 族，是人體不可缺少的組成成分，參與機(jī)體的氧化還原作用，促進(jìn)新陳代謝，在臨床上已有諸多應(yīng)用［45］。此外，植物多糖、植物多肽及甾醇類在醫(yī)藥領(lǐng)域也具有重要的生物學(xué)功能，如植物多糖能有效調(diào)節(jié)人體內(nèi)血脂和血糖的平衡、調(diào)節(jié)免疫活性、抗癌、激活細(xì)胞抗氧化活性［46］，植物多肽類小分子具有抗氧化、抗病毒、調(diào)節(jié)代謝綜合征尤其是降血壓的作用［47］，植物甾醇類具有降膽固醇的作用［48］。煙草中含有豐富的糖類（占干重的25%～50%）和蛋白質(zhì)（幼苗期干重26%～29%，成熟期干重12%～15%），以及植物甾醇類如β-谷甾醇、豆甾醇、菜子甾醇等。因此，煙草是未來(lái)藥物開(kāi)發(fā)優(yōu)選的植物資源之一。

6 煙草轉(zhuǎn)基因工程是植物生物反應(yīng)器的領(lǐng)跑者

將植物用于藥用的歷史可以追溯到數(shù)千年前，但植物基因工程生產(chǎn)所需的生物藥物還不足50 年。通過(guò)基因工程，植物可以用來(lái)生產(chǎn)藥理學(xué)上有活性的疫苗、激素、細(xì)胞因子、哺乳動(dòng)物抗體、血液產(chǎn)品替代品和各種其他治療制劑［49］。與微生物發(fā)酵、哺乳動(dòng)物細(xì)胞或轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)相比，植物源藥物制備不受人類疾病和哺乳動(dòng)物病毒載體的影響，還可以在田間大量生長(zhǎng)，儲(chǔ)存更為便利［28］，因此轉(zhuǎn)基因植物藥物生產(chǎn)具有安全、商業(yè)化大量生產(chǎn)及節(jié)約成本的前景優(yōu)勢(shì)，可能成為多種新型新藥的重要生產(chǎn)體系。煙草廠家也有較大的潛力以比傳統(tǒng)方法更低的成本大規(guī)模生產(chǎn)藥品。

迄今為止，除了擬南芥、番茄、馬鈴薯、大豆、苜蓿、玉米、水稻和小麥，煙草是主要的用于生產(chǎn)人類治療劑的作物［49］。通過(guò)利用轉(zhuǎn)基因植物病毒如煙草花葉病毒或者花椰菜花葉病毒等農(nóng)桿菌介導(dǎo)法或者基因槍法，外源蛋白不僅可以在核基因組中表達(dá)，而且在葉綠體基因組中也很容易表達(dá)。帶有外源基因的煙草可以通過(guò)大田或溫室栽培或體外懸浮細(xì)胞培養(yǎng)兩種方式用于生產(chǎn)，尤其重要的是可以在1 周內(nèi)快速制備疫苗和單克隆抗體等，用于臨床試驗(yàn)或進(jìn)行個(gè)性化治療［50］。

第一株轉(zhuǎn)基因植物是煙草，而生產(chǎn)出第一個(gè)藥用蛋白的植物也是煙草，1986 年在煙草中首次表達(dá)成功人類第一個(gè)生長(zhǎng)因子，之后4 年內(nèi)又在煙草中證明了植物具有正確組裝多亞基糖蛋白即人類免疫球蛋白IgG 的能力，隨后轉(zhuǎn)基因煙草中合成表達(dá)了口蹄疫病毒疫苗、鏈球菌抗體、乙肝疫苗、人表皮生長(zhǎng)因子、人β 干擾素、人血清白蛋白等醫(yī)藥制劑［49］。首例將納入臨床試驗(yàn)的植物源抗體是在2015 年在轉(zhuǎn)基因煙草中表達(dá)的人類HIV 病毒的單克隆抗體（2G12），該抗體在德國(guó)用于臨床一期實(shí)驗(yàn)，暫未發(fā)現(xiàn)明顯的安全問(wèn)題［51］。美國(guó)Mapp 公司利用轉(zhuǎn)基因煙草表達(dá)的3種抗埃博拉病毒的人鼠嵌合單克隆抗體mAbs 進(jìn)行“雞尾酒”療法，2014 年利用該法ZMapp 治愈了全部18 只感染埃博拉病毒的恒河猴；在尚未開(kāi)展臨床試驗(yàn)的情況下，同年在利比里亞治愈了2 名感染病毒的美國(guó)醫(yī)療援助人員，為抗埃博拉藥物研發(fā)帶來(lái)了希望，也為煙草生產(chǎn)生物醫(yī)藥制劑帶來(lái)了廣闊前景［52-54］。近幾年我國(guó)學(xué)者在轉(zhuǎn)基因煙草上也獲得了新突破，F(xiàn)u 等［55］基于馬鈴薯病毒載體（pgR107），通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)方法，在本氏煙草（Nicotiana benthamiana）上轉(zhuǎn)化生產(chǎn)了在糖代謝和脂肪酸代謝中起關(guān)鍵作用的肝臟激素合成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21（FGF21），積累量高達(dá)450 μg/g 鮮重，且在脂肪細(xì)胞水平驗(yàn)證了其刺激葡萄糖攝取的活性。Feng 等［56］應(yīng)用類似的系統(tǒng)，在本氏煙草轉(zhuǎn)化表達(dá)了促進(jìn)表皮細(xì)胞增殖、遷移、分化和傷口修復(fù)的角質(zhì)形成細(xì)胞生長(zhǎng)因子1（KGF1），KGF1 在農(nóng)桿菌感染植物的葉子中積累量高達(dá)530 μg/g 鮮重。KGF1 具有生物活性，可以促進(jìn)NIH/3T3 細(xì)胞的增殖，并顯著促進(jìn)Ⅱ型糖尿病大鼠傷口的愈合。韋正乙等［57］構(gòu)建了人表皮生長(zhǎng)因子基因的煙草葉綠體轉(zhuǎn)化表達(dá)載體pWX-Nt02，其表達(dá)量達(dá)23.16～25.77 ng/g（鮮重），細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)也證明煙草表達(dá)的重組人表皮生長(zhǎng)因子具有很好的生物活性。雖然研發(fā)技術(shù)日漸成熟，植物來(lái)源的生物制藥應(yīng)符合與其他生產(chǎn)系統(tǒng)相同的安全和性能標(biāo)準(zhǔn)，純化技術(shù)占植物生物制藥生產(chǎn)成本的大部分，其純度、產(chǎn)量、有效性和安全性仍需要較多的數(shù)據(jù)評(píng)估。盡管如此，煙草作為生物反應(yīng)器，在未來(lái)的基因工程中將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

7 煙草植物在飼料和食品上體現(xiàn)新價(jià)值

煙草廢棄物可以制作飼料。煙莖中的蛋白質(zhì)（平均＞21.71%）和糖分（36.06%～41.15%）均較豐富，尤其是纖維質(zhì)量好，纖維素含量達(dá)38%～45%，加之礦物質(zhì)元素如鉀、鈣、鎂、鐵、硼、錳等含量豐富，易于加工成營(yíng)養(yǎng)較全面的良好飼料［58］。此外，煙草飼料還具有防蟲治病的作用，對(duì)牲畜飼料具有較高的價(jià)值。張春喜等［59］調(diào)查結(jié)果顯示，云南省建水縣將棄煙青貯加工（煙堿降低到0.019%以下）截短，加米糠、食鹽等喂豬后，在檢測(cè)無(wú)毒安全的前提下，豬肉品質(zhì)得到顯著提高，肉質(zhì)細(xì)嫩，且每頭豬比對(duì)照組增重顯著（約20%）。對(duì)患有蛔蟲病的雞群，在飼料中加入2%煙草粉，每天上下午各喂1 次，連續(xù)7 d，就可以消除雞蛔蟲［60］。2021 年意大利的一項(xiàng)最新研究顯示，為降低奶牛的飼養(yǎng)成本，應(yīng)用含有低煙堿的煙草品種Solaris，將其全株綠色成熟植物體切碎用植物乳桿菌發(fā)酵后，添加在基礎(chǔ)飼料中飼喂荷斯坦小母牛，飼喂45 d 后，小母牛的身體狀況、糞便稠度、運(yùn)動(dòng)能力或繁殖性狀等方面沒(méi)有檢測(cè)到差異［61］?？梢?jiàn)，煙草飼料化具有成本低、見(jiàn)效快、方便操作、易于推廣的特點(diǎn)，但是煙草飼喂動(dòng)物后肉質(zhì)或者蛋奶的安全性檢測(cè)方面還比較欠缺，需要全方位的質(zhì)量評(píng)估。

煙草蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)豐富，在植物界排序中，煙草居于榜首，煙草提取的蛋白成分可應(yīng)用于制備無(wú)毒、天然的營(yíng)養(yǎng)食品添加劑，制成各種營(yíng)養(yǎng)食品。研究發(fā)現(xiàn)，煙草是唯一一種可以以純結(jié)晶形式獲得Fraction-1-蛋白質(zhì)的植物，該蛋白沒(méi)有味道或氣味，無(wú)色且無(wú)過(guò)敏性，并具有可降低膽固醇的最佳氨基酸組成比例；其功能特性（如溶解性、穩(wěn)定性、發(fā)泡、膠凝和乳化能力）優(yōu)于蛋清、酪蛋白和大豆蛋白，可能是營(yíng)養(yǎng)和功能最好的食品蛋白；該蛋白還被推薦用于各種醫(yī)療用途（例如用于腎透析患者和作為嬰兒的人工牛奶）。來(lái)自煙草的Fraction-2-蛋白質(zhì)也具有良好的特性，可添加到湯和飲料中提高營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量，豐富人類食物［62］。這些研究曾經(jīng)被Leaf Protein International（LPI）機(jī)構(gòu)大量試點(diǎn)運(yùn)營(yíng)和開(kāi)發(fā)，但最終因資金枯竭而終止?？梢?jiàn)，煙草植物營(yíng)養(yǎng)資源的挖掘與可持續(xù)發(fā)展，需要配套項(xiàng)目的強(qiáng)力支撐。

8 展望

隨著全球禁煙的呼聲越來(lái)越強(qiáng)烈，煙草行業(yè)的發(fā)展面臨著前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。加之傳統(tǒng)卷煙工業(yè)帶來(lái)的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，煙草資源的多元化開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。煙草本身作為一種藥用植物，更是為煙草資源的高值化利用提供了可持續(xù)發(fā)揮的空間。

為將廢棄煙草、“有害煙草”轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ軣煵?、健康煙草，建議從以下幾個(gè)方面，尤其在生物醫(yī)藥健康領(lǐng)域，發(fā)揮出煙草特色的舉足輕重的作用。（1）開(kāi)展煙草植物有效活性成分如萜烯類、酚酸類、有機(jī)酸類等物質(zhì)的提取和分離純化，及后期的生物活性的驗(yàn)證；開(kāi)展煙草新的代謝物質(zhì)成分的結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)鑒定和活性檢測(cè)；開(kāi)展煙草有益活性成分合成機(jī)制的研究，提高產(chǎn)量等。（2）積極推進(jìn)煙草作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)生物制劑。煙草作為植物生物反應(yīng)器合成表達(dá)了口蹄疫病毒疫苗、鏈球菌抗體、乙肝疫苗、人表皮生長(zhǎng)因子、人β 干擾素、人血清白蛋白等醫(yī)藥制劑，不過(guò)極少量在臨床上進(jìn)行分析，其純度、產(chǎn)量、有效性和安全性仍需要較多的數(shù)據(jù)評(píng)估；開(kāi)展利用基因編輯技術(shù)，利用煙草提高或者合成表達(dá)各行業(yè)所需的日化、保健、醫(yī)療等綠色材料，并進(jìn)行系統(tǒng)性的效用評(píng)估。（3）積極開(kāi)發(fā)煙草活性成分對(duì)醫(yī)藥健康領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，開(kāi)展煙草活性成分如煙堿、茄尼醇、綠原酸、蘆丁等不同提取物在代謝綜合征、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、皮膚炎癥等人類疾病方面的干預(yù)作用；開(kāi)發(fā)利用煙草種籽油在高血脂、心血管疾病方面的有益作用并進(jìn)行安全評(píng)價(jià)；開(kāi)發(fā)醫(yī)用煙草油抗病毒、抗真菌、麻醉和除臭等方面的功效等。

為加快推進(jìn)煙草資源的多元化開(kāi)發(fā)利用和煙草行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，我們進(jìn)一步建議制定煙草廢棄資源標(biāo)準(zhǔn)管理規(guī)范或者政策法規(guī)，統(tǒng)一處理或者回收，進(jìn)行資源的調(diào)配，發(fā)揮煙草廢棄資源的多用途利用。卷煙工業(yè)、生物醫(yī)藥行業(yè)、材料行業(yè)、信息學(xué)等領(lǐng)域統(tǒng)籌協(xié)作，建立合作平臺(tái)，開(kāi)展交叉學(xué)科的融合與碰撞，從科技和人文兩方面，從全局和多角度迅速推進(jìn)煙草資源的綜合利用。對(duì)于涉及到多行業(yè)多方向，著力解決緊缺人才和專業(yè)技術(shù)人才缺失難題，建議出臺(tái)人才優(yōu)惠政策，實(shí)現(xiàn)人才效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏，以期在“健康中國(guó)、綠色中國(guó)、美麗中國(guó)”的新時(shí)代背景下，充分發(fā)揮煙草資源的有益作用，將其多元化開(kāi)發(fā)利用的潛能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。