蒸汽爆破茄科植物研究進展

桂超左雯陳玉保宋晨浩劉澤

(1.云南師范大學能源與環境科學學院，云南 昆明 650500；2.云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明 650231)

1 蒸汽爆破技術處理茄科植物

我國作為煙草生產大國，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生，約占煙葉質量的25%。煙草加工過程中會產生大量的副產物，如煙葉碎片、煙桿、茄科植物等，這些副產物不能有效利用，則造成資源的浪費和嚴重的環境污染。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、木質素、果膠等細胞壁物質含量較高，而總糖含量較低。在熱解時產生較多的低級醛類，在燃吸過程中產生木質氣、刺激性等不良吸味引起嗆咳，不僅影響卷煙內在品質和風味，更導致茄科植物在卷煙行業中利用率較低，因此，如何減輕茄科植物的木質氣、刺激性等不良吸味，改良茄科植物的吸食品質，提高茄科植物的綜合利用率，是煙草行業需要突破的重要難題。

目茄科植物制絲技術的工藝生產相對成熟，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、雜氣、余味等，進而影響卷煙的感官品質。蒸汽爆破技術最早于1928年由美國學者W H Mason發明，蒸汽爆破技術是利用木質纖維素生物質中最廣泛使用的，結合了物理、化學方式的預處理方法[1]。蒸汽爆破可以有效處理木質纖維素，同時對環境幾乎不造成污染，彌補化學試劑的不足，是一種非常有潛力的預處理方法。本文對蒸汽爆破技術的原理、優缺點等在茄科植物的應用進行了概況，并對茄科植物的研究與應用前景作出思考，期望蒸汽爆破技術在提高和改良應用于煙草生產加工中有一定參考。

2 蒸汽爆破技術的原理及參數

2.1 蒸汽爆破技術原理

蒸汽爆破技術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器內，蒸汽滲透到生物質原料內部，在高溫高壓的環境中物料發生化學變化，在物料內部空隙中充滿水蒸氣，使物料內部的黏度和組織強度下降，在維持一定時間的壓力后，實現蒸汽爆破過程的彈射式蒸汽爆破，使得物料內部細胞體積增大而細胞壁有破裂等結構改變，從而使物料纖維、木質素等組織分離和結構改變，產生小分子物質的物理和化學共同作用的過程[2，3]。

2.2 蒸汽爆破參數分析

根據Ovverend等描述的修正方程計算了蒸汽爆炸的嚴重程度，量化計算對應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為預處理的爆破強度因子；t為反應時間，min；T為反應溫度，℃；Ro通常表示為一個對數函數。

在爆破階段能量轉換過程，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。

2.3 蒸汽爆破技術的優缺點

蒸汽爆破是利用高溫高壓蒸汽彈射式爆破對生物質進行前處理的技術，優點是熱能轉化為機械能做功，使物料組織結構發生變化，同時可以產生小分子物質，更加有利于目標產物的產生和提取。而且對環境污染小，利用的是水蒸氣，來源廣泛且價格低廉，也避免了化學方法處理所產生的化學污染，使實驗更安全、更高效和更清潔。缺點是雖然產生小分子物質有利于目標產物的提取，但爆破過程復雜，使目標產物降解或者產生不利的副產物。

3 煙梗預處理方式

3.1 物理方法處理煙梗技術

彭金輝等[4]發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，活性炭塊冷卻后經粉碎至粒度200目，得到活性炭產品。該發明省去了酸洗和水洗2個工藝過程，微波輻射裝置可連續進出料，進料速度可調節，輻射功率可調節，僅用4～20min即可完成加熱和活化過程，縮短了反應時間，可獲得高質量的活性炭產品。

王鵬飛等[5]研究蒸汽微波協同膨脹、膨脹煙梗回潮、煙梗復切、氣流干燥等關鍵工序中工藝參數對梗絲加工質量的影響，得到優選的工藝參數，煙梗復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，梗絲結構更加均勻，梗絲綜合質量較好。

3.2 化學方法處理煙梗技術

孔浩輝等[6]發明提供的一種降低煙梗中木質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，過濾收集不溶物，將不溶物水洗至中性，風干后即得產品。通過本發明提供的技術方案制得的產品，可以有效降低煙梗中木質素含量。同時，具有成本低廉、處理工藝簡單以及適合大規模化生產的優點。而且進一步地，通過降低煙梗中木質素含量，減少了木質素燃燒產生的芳香胺類、稠環芳香類和酚類物質，減少了促癌活性物質的排放。

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

3.3 生物方法處理煙梗技術

趙夢醒等[8]以PFI磨為打漿設備，優化煙梗酶促打漿酶預處理條件，分析酶處理對漿料不同篩分纖維特征的影響。結果表明，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，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，經酶處理的R50纖維扭結指數減小，R100、R200、R350纖維扭結指數增加，生物酶處理煙梗可以改善煙梗漿性能。

李力群等[9]發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：將煙梗預處理、壓梗、切梗后，得到梗絲；向梗絲噴灑復合酶液；梗絲在發酵裝置中鋪料后發酵，發酵裝置內分布多層托料板，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境下，梗絲內部韌性相關的酶鈍化，在梗絲感官質量保持穩定的基礎上，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；將該梗絲應用到卷煙中，提高了卷煙的加工質量和感官質量。

4 蒸汽爆破技術在茄科植物中的應用

4.1 蒸汽爆破對結構的影響

宋光富等[10]采用蒸汽爆破技術對煙梗進行處理，分析了在不同壓力條件下，蒸汽爆破對煙梗常規化學成分含量、香味成分含量以及顯微結構的影響。結果表明，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，煙梗中木質纖維素含量和微觀結構變化特征。試驗結果表明，在以水蒸氣為介質，爆破壓力為1.0MPa，保留時間20s的處理條件下，木質纖維結構出現明顯破壞現象，煙梗纖維素和半纖維素去除率分別達到16.86%和52.54%。說明蒸汽爆破可有效降解煙梗木質纖維素含量，明顯提高煙梗品質。

許永明等[12]探索蒸汽增壓回潮處理煙梗較優的工藝條件，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在化學成分、外觀色澤以及梗絲感官質量、填充性能和結構的影響，并運用綜合平衡法確定了煙梗蒸汽增壓回潮的較優工藝條件。

姚旭博等[13]探索蒸汽爆破條件對煙梗品質的影響，以提高煙梗在卷煙生產中的可用性。以制絲線上膨脹前煙梗為研究對象，設定維壓壓力為0.8MPa、1.0MPa和1.2MPa，保持時間為30s、60s和90s，采用2因素3水平完全試驗設計進行蒸汽爆破處理，測定蒸汽爆破處理(T1～T9)后煙梗的常規化學成分、總細胞壁物質、致香物質含量，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在品質的影響。試驗結果表明，蒸汽爆破維壓壓力為1.0MPa，維壓時間為60s時，煙梗膨脹度達到153.02%，汽爆后煙梗的色度和內在品質相對較好。

王許濤等[14]利用高溫高壓蒸汽對煙草生產的廢棄物煙稈進行爆破處理，破壞其細胞壁結果，降解部分纖維物質，過程中會有部分香味物質析出，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構特點、填充值和吸燃特性；蒸汽爆破可以有效祛除煙稈雜氣，煙桿絲內在質量有一定程度的改善。對比煙稈蒸汽爆破后的結構及其化學成分、感官質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 蒸汽爆破降解細胞壁物質

Hongsen Zhang等[15]采用稀硫酸預浸和瞬時彈射蒸汽爆破預處理相結合提高煙稈中尼古丁去除率，煙梗稀硫酸預浸用于提高煙梗預處理瞬時彈射蒸汽爆破(ICSE)的性能。預浸有利于打破煙梗頑固結構，降低煙堿含量，解除對纖維素酶活性和微生物代謝的抑制，促進酶解和乙醇發酵性能。優化的0.8%硫酸(w/w)預浸集成ICSE預處理使煙桿中的尼古丁去除率達到85.54%；同時，預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)。這些結果達到了有效利用廢棄煙梗的預期目的。

李力等[16]為了提高煙梗的利用率，在梗絲生產線的不同工序順序取樣進行蒸汽爆破試驗，研究了爆破前后各工序梗絲中的木質素、纖維素含量變化及添加爆破梗絲對卷煙的感官品質影響。結果表明，原梗絲生產線對煙梗中的纖維素、半纖維素和木質素含量無顯著影響，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%。纖維素和木質素的含量變化沒有半纖維素明顯，但其最大降幅也分別達到了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。

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領域。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的條件下進行蒸汽爆破；蒸汽爆破后的煙梗用重量百分數為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℃環境下自然沉降，過濾、減壓濃縮，即得到本發明制備的煙梗提取物。采用本發明方法制備的煙梗提取物在細膩煙氣、改善香氣質、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指標、煙氣指標及感官評吸質量的影響，對6個梯度添加爆破梗絲的卷煙樣品進行了對比試驗。結果表明，梗絲蒸汽爆破處理后，香氣量有所增加，木質氣、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纖維素和非揮發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。試驗結果表明，隨著汽爆壓力和時間的增加，木質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；木質素所占木質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。煙梗經過汽爆處理后，其非揮發性有機酸、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，煙梗中非揮發性有機酸、草酸、蘋果酸含量達到最多。

李剛等[20]使用蒸汽爆破煙梗制備高品質卷煙濾棒的工藝方法，篩選合格煙梗，進行表面除塵、潤梗處理；根據生產需要，通過篩網篩選滿足條件的合格煙梗，再將合格煙梗在篩網上均勻攤開，利用空氣壓縮機高壓氣流對合格煙梗表面進行吹掃，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行蒸汽爆破處理；工作介質采用飽和水蒸氣，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行脫水干慢處理，脫水采用熱風干燥，熱風溫度控制在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行初級粉碎，并再次進行潤濕、干燥處理。煙梗經蒸汽爆破、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的截留能力，同時其自身釋放的香味物質在減少煙氣刺激性的同時，也提高了口腔的舒適度，從而達到改善卷煙煙氣品質的目的。

Fang Xue等[21]使用蒸汽爆破處理煙梗的技術，然后將煙梗按適當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物質的影響，如焦油、尼古丁、CO、苯酚和苯并芘的影響。結果表明，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，經蒸汽爆破處理的煙梗的添加量最多可增加到25%。

5 小結

蒸汽爆破技術由于對環境友好且能耗低的特點廣泛運用于生物質領域中，在煙草領域的關注度也越來越高。在以前的蒸汽爆破技術運用中，需要維持壓力時間的較長，在這種高溫高壓的環境下生物質容易發生美拉德反應，如果處理不當會有嚴重的焦味。同時大多數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含量影響、基本化學物質的變化影響、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升級，多種手段聯合運用，努力實現大規模工業化運用。