烤烟烟叶废弃物高值化利用：提取制备纳米纤维素及其在卷烟滤嘴中的应用研究

引言

我国是烟草生产和消费大国，在烟叶复烤、卷烟生产等环节会产生约占烟叶总量25%-30%的废弃物，主要包括烟梗、烟末、碎叶及低等级烟叶等。传统上，这些废弃物大多被简单处理为低价值肥料、饲料或直接焚烧填埋，不仅造成了生物质资源的巨大浪费，其处理过程也可能带来一定的环境压力。因此，探索烤烟烟叶废弃物的高值化利用途径，对于推动烟草行业可持续发展、践行绿色发展理念具有重要的经济价值和环保意义。

纳米纤维素（Cellulose Nanofibrils, CNF）是一种从天然纤维素中提取出的直径在 1-100 纳米、长度可达微米级的一维纳米材料。它继承了纤维素的可再生、可生物降解、生物相容性好等优点，同时具备纳米材料特有的高比表面积、高反应活性、高力学强度及良好的胶体特性等。这些特性使其在复合材料、生物医学、食品包装、污水处理等诸多领域具有广阔的应用前景。

一、从烤烟烟叶废弃物中提取纳米纤维素

烤烟烟叶基体主要由纤维素、半纤维素、木质素、果胶、蛋白质以及特有的尼古丁、色素等物质构成。从中提取高纯度的纳米纤维素，需经历预处理、纯化分离和纳米化三个核心步骤。

预处理目的在于去除大部分非纤维素组分，初步分离出较纯的纤维素纤维。常用的方法包括：

碱处理（蒸煮）：使用氢氧化钠（NaOH）或氢氧化钾（KOH）溶液在加热条件下处理烟叶废弃物，可有效溶解和去除木质素、半纤维素、果胶、油脂及部分水溶性物质（如糖分、烟碱等）。此步骤是关键，直接影响后续纳米纤维素的得率和纯度。

漂白处理：通常采用氯系或氧系漂白剂（如NaClO、H₂O₂）进一步去除残留的木质素和色素，使纤维素纤维变白。近年来，环境友好的过氧化氢漂白技术应用更为广泛。

经过预处理得到纯化的纤维素浆粕后，需通过以下方法将其解纤成纳米尺度的纤维。

机械法：高压均质机是传统方法，通过巨大的剪切力和空穴效应使纤维细胞壁破裂，分离出纳米纤丝。但此法能耗极高。近年来，研磨法（超微研磨机）和微射流均质法因效率较高而被更多采用。

化学预处理结合机械法（主流工艺）：为了降低纯机械法的能耗，常先进行化学预处理引入电荷，产生静电排斥作用使纤维更易分离。最常用的是“TEMPO 氧化体系”（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基），它能选择性地将纤维素表面的C6 伯羟基氧化为羧基，引入负电荷，再经轻度机械处理即可得到分散性良好的纳米纤维素。该方法得到的CNF 直径更均一，性能更优。

酸水解法：在严格控制条件下（如浓硫酸，特定温度和时间），酸可以渗透到纤维素的无定形区并将其水解，留下抗酸性的结晶区，从而得到短棒状的纤维素纳米晶体（CNC）。CNC 的尺寸比CNF 短，结晶度更高。从烤烟废弃物中提取CNF，需要特别关注其中尼古丁等生物碱的去除，以确保最终产品的安全性和应用可靠性。

二、纳米纤维素在卷烟滤嘴中的应用优势上述制备的纳米纤维素应用于卷烟滤嘴，主要体现出以下几方面的显著优

卷烟烟气是包含数千种化学物质的复杂气溶胶体系，其中焦油、尼古丁、酚类、醛酮类、自由基等是重点关注的有害成分。纳米纤维素应用于滤嘴，其吸附机制主要包括：

物理吸附：CNF 具有巨大的比表面积（可达数百 m²/g) 和丰富的网状孔隙结构，能为烟气微粒提供大量的附着位点，物理截留和吸附作用显著增强[8]。

化学吸附：CNF 表面富含羟基（-OH），经改性（如氧化、硅烷化）后还可引入羧基（-COOH）、氨基（-NH₂）等官能团。这些基团可与烟气中的极性有害分子（如醛类、酚类）通过氢键、静电相互作用甚至共价键结合，实现选择性化学吸附。例如，表面富含羧基的TEMPO-CNF 对碱性有害物如尼古丁可能表现出更强的吸附能力。

通过改变 CNF 的添加量、形态（CNF 水凝胶、气凝胶、薄膜包覆）以及在滤嘴中的位置（如作为复合段的一部分），可以精细调控滤嘴的压降（吸阻）和过滤效率。研究发现，添加纳米纤维素的滤嘴在保持适宜吸阻的同时，能选择性降低某些有害成分，而对烟气的香气风格、饱满度等感官品质影响较小，甚至通过调节烟气组分起到一定的提升作用。

传统醋酸纤维滤嘴在自然环境中降解速度缓慢，是环境微塑料的重要来源之一。CNF 源于天然植物纤维，具有良好的生物可降解性。开发以CNF 部分或全部替代醋酸纤维的滤嘴，可以从源头上解决卷烟滤嘴的环境污染问题，符合“绿色烟草”的发展方向。

三、应用形式与挑战

复合滤嘴添加剂：将 CNF 分散液与醋酸纤维混合后成型，制备均质复合滤棒。

功能段添加剂：将CNF 制成凝胶或薄膜，包裹于滤嘴中形成特定功能段（如降害功能段滤嘴包覆材料：将CNF 制成涂布液，对成型滤嘴进行表面包覆，修饰表面过滤性能。

规模化生产与成本：目前CNF 的制备成本仍较高，尤其是低能耗、高效率、高品质的规模化生产技术仍需突破。

分散稳定性：CNF 在水相中易形成凝胶，在有机溶剂中分散困难，如何使其在滤嘴加工体系中均匀分散是一大挑战。

健康安全性评估：纳米材料的生物安全性备受关注。必须系统评估 CNF 在滤嘴使用过程中是否会脱落并被吸入人体，及其长期的毒理学效应，确保应用安全。

对卷烟感官品质的影响规律：CNF 的添加对烟气风味成分的吸附是双向的，需深入研究其作用规律，避免过度吸附致香成分，确保产品可接受性。

结论

利用烤烟烟叶废弃物提取制备纳米纤维素，并将其应用于卷烟滤嘴，是一条极具潜力的高值化利用路径。该策略不仅实现了废弃生物质资源的循环利用，符合循环经济原则，而且为开发新型高效、环保的卷烟滤嘴提供了创新性解决方案。纳米纤维素凭借其独特的结构性能，在增强滤嘴吸附效能、实现可生物降解方面展现出传统材料难以比拟的优势。

然而，该技术从实验室走向产业化仍面临成本、加工工艺和安全性评估等方面的挑战。

参考文献

[1] 王宏伟， 刘志华， 李振杰. 烟草废弃物资源化利用研究进展[J]. 中国烟草学报，2021, 27(4): 106-114.

[2] 李鑫， 朱卓越， 寇明焕. 利用烟草废弃物制备纳米纤维素晶体的工艺研究[J]. 纤维素科学与技术，2020, 28(2): 25-32.

[3] 郭帅， 陈克复， 徐峻. 机械法制备纳米纤维素的研究进展与挑战[J]. 中国造纸， 2019, 38(8): 65-73.

[4] 侯庆喜，张红杰. TEMPO 氧化体系制备纳米纤维素纤丝及其应用[J]. 天津科技大学学报，2020, 35(1):1-8.