煙草木質(zhì)素研究進(jìn)展

陳善義 孔蒙蒙 詹仁鋒 陳千思 葉潤 方璟

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

關(guān)鍵詞 煙葉；煙草薄片；木質(zhì)素；品質(zhì)；降解

中圖分類號 Q943.2? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）03-0144-04

木質(zhì)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(lián)脫氫形成的存在于植物支持組織中的有機(jī)聚合物，對植物細(xì)胞壁的形成至關(guān)重要，是地球上僅次于纖維素的第二大可再生碳源[1]。木質(zhì)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(tuán)，被認(rèn)為是可替代石油基聚合物生產(chǎn)商業(yè)產(chǎn)品的優(yōu)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(fù)合膜材料、碳纖維、聚氨酯泡沫、水凝膠等領(lǐng)域[2]。

在煙草生長過程中，木質(zhì)素對增強(qiáng)煙株抗倒伏能力及抵御病原微生物入侵發(fā)揮重要作用。煙草中的木質(zhì)素對于卷煙吸食品質(zhì)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(zhì)素降解產(chǎn)生的苯甲醛、苯乙醛等小分子致香物質(zhì)可以改善煙葉品質(zhì)；另一方面，在卷煙燃燒過程中，木質(zhì)素通過熱解產(chǎn)生酚類[3]、醛類、稠環(huán)芳烴等有害物質(zhì)，影響卷煙吸食的安全性。為進(jìn)一步了解煙草木質(zhì)素，本文對煙草木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)和組成、含量測定、木質(zhì)素含量的影響因素、木質(zhì)素對煙葉及煙草薄片質(zhì)量的影響、煙草木質(zhì)素的降解途徑等方面進(jìn)行綜述，并對未來的相關(guān)研究作了展望。

1 煙草木質(zhì)素的組成和結(jié)構(gòu)

木質(zhì)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(fā)現(xiàn)我國福建、貴州、云南、四川、山東、河南6省煙區(qū)的研煙葉木質(zhì)素的含量為3.5%～7.5%。木質(zhì)素由對羥基苯基（H）、愈創(chuàng)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(chuàng)木基是煙草木質(zhì)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(chuàng)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(zhì)素含量的測定方法

2.1 化學(xué)法

煙草木質(zhì)素含量化學(xué)法測定是將蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素、半纖維素以及脂類等用有機(jī)溶劑和酸或堿溶解，對剩余固體進(jìn)行干燥、灰化，此方法是依照現(xiàn)行的YC/T 347—2010行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]，即用72%濃硫酸溶液去除脫脂后試驗樣品的可溶性物質(zhì)，經(jīng)干燥、灰化、重量法得到酸洗木質(zhì)素的含量。但該方法存在忽略酸溶木質(zhì)素含量測定的缺陷[8]，造成測得的木質(zhì)素含量比實際結(jié)果偏小。為此，紀(jì)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(zhì)素微溶的原理，用氫氧化鈉-尿素測定法對酸溶木質(zhì)素含量進(jìn)行測定，該方法的實現(xiàn)過程大致如下：用氫氧化鈉-尿素溶液預(yù)處理研磨后的樣品，將水溶性糖類等雜質(zhì)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(zhì)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(jīng)過濾、水洗后濾渣干燥至恒重，稱量并計算得到酸不溶木質(zhì)素含量，而煙草木質(zhì)素總含量即為酸溶和酸不溶木質(zhì)素含量總和。但是，長鏈脂肪酸酯類物質(zhì)在氫氧化鈉-尿素中溶解性較差[11]，因而對于該類物質(zhì)的抗干擾能力不強(qiáng)，對此，臧福坤等[8]為進(jìn)一步消除干擾物（水溶性較差的脂質(zhì)）對木質(zhì)素測定的影響，優(yōu)化處理溶劑的選用，發(fā)現(xiàn)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(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為2.03%。

2.2 物理法

中紅外光譜分析法在有機(jī)高分子化合物結(jié)構(gòu)鑒定和化學(xué)組成的分析中有廣泛應(yīng)用，在煙草木質(zhì)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(zhì)素參比物進(jìn)行分析后，確定在1 480～1 560 cm-1范圍內(nèi)的吸收峰是煙草木質(zhì)素化合物的特征吸收峰，并對其進(jìn)行Savitsky-Golay法擬合分峰，將擬合峰面積與煙草木質(zhì)素參比物用量進(jìn)行線性回歸，其決定系數(shù)可達(dá)0.991 4，平均加標(biāo)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(zhì)素含量的影響因素

煙葉的產(chǎn)地、部位、醇化時間、品質(zhì)對木質(zhì)素含量有重要影響。楚文娟等[13]系統(tǒng)地研究了2007—2014年河南煙區(qū)98個煙葉樣品木質(zhì)素的含量，不同產(chǎn)地?zé)熑~的木質(zhì)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(zhì)素總含量呈現(xiàn)遞增趨勢，其中酸溶木質(zhì)素含量、總木質(zhì)素含量在部位間的差異達(dá)到極顯著水平；隨著醇化時間的延長，煙葉總木質(zhì)素含量呈緩慢增加趨勢，不同醇化時長的樣品酸不溶木質(zhì)素含量差異顯著。品質(zhì)因素方面，相同的煙葉部位，檸檬黃的煙葉木質(zhì)素含量高于桔黃的煙葉；木質(zhì)素含量隨煙葉厚度增加逐漸降低；煙葉油分由多到少，木質(zhì)素的含量略呈升高之勢[5]。不同品種之間木質(zhì)素含量差異不顯著[14]。

4 木質(zhì)素對煙葉及煙草薄片質(zhì)量的影響

劉曉冰等[14]通過對武陵山烤煙上部葉木質(zhì)素含量與煙葉質(zhì)量的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素的含量與外觀質(zhì)量的油分指標(biāo)、感官質(zhì)量的灰色指標(biāo)呈顯著的負(fù)相關(guān)，與物理指標(biāo)相關(guān)性較小。對煙草薄片而言，木質(zhì)素的熱解過程中會產(chǎn)生酚類化合物，影響卷煙吸食的安全性。劉剛等[3]研究發(fā)現(xiàn)再造煙葉中苯酚釋放量隨著木質(zhì)素含量的增加而升高，再造煙葉中添加木質(zhì)素后，苯酚及酚類物質(zhì)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(zhì)素的降解途徑

5.1 化學(xué)法

在熱的甘油中加入氫氧化鉀，可使溶液堿性更強(qiáng)，能脫除植物中的木質(zhì)素，氫氧化鉀可以脫除植物中的木質(zhì)素。余其昌等[15]考察了薄片生產(chǎn)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(yù)處理后煙梗木質(zhì)素含量的影響，發(fā)現(xiàn)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(yè)化水浸取工藝，木質(zhì)素脫除率高達(dá)43%。采用此方法制得的薄片，感官評吸結(jié)果表明：相較于傳統(tǒng)的水浸泡法，木質(zhì)氣息明顯降低、香氣品質(zhì)改善。

乙酸是一種能有效溶解硬木和軟木中木質(zhì)素的溶劑[16]。張素文[4]研究了乙酸法蒸煮煙梗脫除木質(zhì)素的工藝，發(fā)現(xiàn)煙梗經(jīng)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?jǐn)?shù)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(tǒng)的水浸提工藝，木質(zhì)素脫除率可達(dá)29.2%。

近年來，對環(huán)境友好的綠色溶劑離子液體對木質(zhì)素的去除作用也有研究。生物質(zhì)大分子之間或分子內(nèi)氫鍵可以被離子液體破壞，重新析出生物質(zhì)大分子后，形成可重復(fù)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(zhì)素脫除率可達(dá)22.60%，且離子液體處理后煙?；臒焿A、焦油、CO等有害成分含量降低，感官質(zhì)量綜合指標(biāo)更優(yōu)。

5.2 微生物降解法

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中碳水化合物聚合物的解聚受到木質(zhì)素的阻礙，復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和連桿異質(zhì)性難以被化學(xué)和生物降解。由于木質(zhì)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(rèn)為是有效的木質(zhì)素降解劑[18]。宋麗麗等[19]將經(jīng)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(fā)酵24 h，發(fā)現(xiàn)煙梗中木質(zhì)素含量降低了23.11%。Su等[20]發(fā)現(xiàn)在用黃孢原毛菌和雜色栓菌發(fā)酵10 d和多毛栓菌發(fā)酵15 d后，雜色栓菌、多毛栓菌和黃孢原毛菌發(fā)酵煙稈中木質(zhì)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(chǎn)生的主要木質(zhì)素分解酶是木質(zhì)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(fā)酵過程中纖維素酶活性較高且穩(wěn)定。此外，利用 GC-MS對金孢假單胞菌發(fā)酵煙草秸稈中的產(chǎn)物鑒定發(fā)現(xiàn)，除木質(zhì)素和尼古丁降解過程中產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)外，還檢測到了一些小分子有價值的化學(xué)物質(zhì)和脂肪酸。細(xì)菌對木質(zhì)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(zhì)素的枯草芽孢桿菌菌株SM，并發(fā)現(xiàn)該菌株能部分降解Kraft木質(zhì)素中高分子量成分，而對較低分子量的木質(zhì)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(fēng)險，在生產(chǎn)上難以推廣應(yīng)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(zhì)素過氧化物酶（LiP）3種木質(zhì)素降解酶。木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶對木質(zhì)素的降解過程都需要過氧化氫作為氧化劑，而漆酶對木質(zhì)素的降解作用則需要分子氧參與[4]。木質(zhì)素的降解酶主要來源于微生物發(fā)酵[22]。于少藤等[23]從煙葉表面分離出具有木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶活性的假單胞菌yc10，在最優(yōu)發(fā)酵條件（發(fā)酵時間36 h、pH7.0、發(fā)酵溫度37 ℃、接種量6%、裝液量80 mL、搖床轉(zhuǎn)速200 r/min）下，將粗酶液作用于煙葉，發(fā)現(xiàn)煙葉木質(zhì)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(zhì)素降解了55.05%，感官評吸結(jié)果表明，漆酶處理后的梗絲香氣質(zhì)、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(zhì)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(xiàn)木質(zhì)素分解[24]。仿酶是將天然酶中起主導(dǎo)作用的降解因素（如活性中心結(jié)構(gòu)）挑選出來，經(jīng)人工設(shè)計合成出既比酶簡單、穩(wěn)定又具有酶降解功能的分子或者非蛋白質(zhì)分子的集合體，兼具有天然酶的催化和化學(xué)催化的優(yōu)點[25]。而鐵系仿酶中Fe-羧酸復(fù)合物（Fe-CA）體系對植物木質(zhì)素的降解具有較好作用[26]。魏登輝[24]在工藝優(yōu)的基礎(chǔ)上采用羧酸和亞鐵離子進(jìn)行Fe-CA仿酶的人工合成，并用所得仿酶處理煙梗梗絲，發(fā)現(xiàn)在處理溫度38 ℃、處理時間31 min、仿酶用量為2.6%時，梗絲木質(zhì)素降解率可達(dá)53.03%，電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，該仿酶處理后，梗絲表面更加整齊光滑，感官評吸結(jié)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(zhì)變佳。

6 小結(jié)與展望

煙葉中的木質(zhì)素一方面在烘烤和醇化過程中可轉(zhuǎn)化為苯甲醛等小分子物質(zhì)，對于改善煙葉吸食品質(zhì)有積極作用，但在另一方面，木質(zhì)素?zé)峤猱a(chǎn)生的酚類物質(zhì)對煙草吸食安全性帶來不利影響。因此，有必要在充分認(rèn)知煙草中木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)和組成、木質(zhì)素含量的測定、煙草中木質(zhì)素含量的影響因素等基礎(chǔ)上，尋找脫除或降解煙草中木質(zhì)素的有效途徑。從目前的研究進(jìn)展來看，化學(xué)法對木質(zhì)素的脫除較為有效，但處理過程需要用到強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等物質(zhì)，對人員有潛在的危險因素；離子液體處理法雖然對環(huán)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(zhì)素進(jìn)行降解，具有環(huán)境污染小、反應(yīng)條件相對溫和的特點，但目前生物酶對煙草木質(zhì)素的降解效率較低。因此，應(yīng)繼續(xù)尋找和挖掘自然界中可高效產(chǎn)木質(zhì)素降解酶的菌株，并通過基因工程、人工酶改造等手段創(chuàng)制催化效率更高的新品酶，為有效降低煙草中木質(zhì)素含量、提高煙草吸食安全性提供更多、更優(yōu)的解決方案。

7 參考文獻(xiàn)

[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(zhì)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(zhì)素降解工藝研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2016.

[5] 閆克玉，閆洪洋，李興波，等.烤煙煙葉細(xì)胞壁物質(zhì)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(zhì)素結(jié)構(gòu)的二維核磁共振波譜表征[J].中國煙草學(xué)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(zhì)素的測定 洗滌劑法[S].

[8] 臧福坤，李新生，嚴(yán)新龍.氫氧化鈉—尿素法測定煙草木質(zhì)素預(yù)處理方法的優(yōu)化[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（16）：91?93，96.

[9] 紀(jì)楷濱.煙梗木質(zhì)素的含量測定方法研究及結(jié)構(gòu)表征[D].廣州：華南理工大學(xué)，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(zhì)素含量的研究[J].中國煙草學(xué)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(zhì)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(zhì)素[J].煙草科技，2014（10）：67?70.

[13] 楚文娟，王紅霞，李文偉，等.產(chǎn)地·等級·部位·醇化時間對煙葉木質(zhì)素含量的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（15）：76?78.

[14] 劉曉冰，孟霖，梁盟，等.武陵山區(qū)烤煙上部葉片纖維素、木質(zhì)素含量與質(zhì)量指標(biāo)間相關(guān)性研究[J].中國農(nóng)學(xué)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(zhì)素[J].中國煙草學(xué)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(zhì)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(xué)，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(fā)酵降解煙梗木質(zhì)素的研究[J]. 輕工學(xué)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(zhì)素降解菌Bacillus subtilis SM降解特性[J].微生物學(xué)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(nóng)業(yè)科學(xué)院，2016.

[23] 于少藤，毛淑蕊，胡安妥，等.改善煙葉品質(zhì)微生物的篩選及其作用效果研究[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2021，44（4）：766?777.

[24] 魏登輝.梗絲木質(zhì)素降解及其在卷煙工業(yè)中的應(yīng)用[D]. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，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(yè)，2011，32（12）：46?50.

[26] 胡學(xué)建. 基于鐵基仿酶的本質(zhì)纖維素處理體系的研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2019.

（責(zé)編：張 蓓）

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

作者簡介 陳善義（1988—），男，碩士，農(nóng)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