2021, Vol. 48文章信息
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基金项目
- 广东省农业科学院青年科技骨干项目（R2019YJ-QG001）；广东省农业科学院优秀博士人才项目（R2018YJ-YB3002）
作者简介
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张文姬（1986—），女，博士，助理研究员，研究方向为烟草资源综合利用，E-mail：zhangwenji@gdaas.cn; 黄振瑞，博士，研究员，现任广东省农业科学院作物研究所副所长。中国科学技术协会“九大”代表，广东烟草商业系统科学技术委员会委员，广东甘蔗学会副理事长，广东省烟草学会理事，广东省国际生命科学基金会副秘书长，中国作物学会甘蔗专业委员会副秘书长，仲恺农业工程学院硕士研究生导师，广东海洋大学硕士研究生导师，福建农林大学客座教授
主要从事作物养分资源管理、绿色生产技术、农业资源利用研究。先后主持和参与完成国家和省部级项目26项，主持委托开发项目12项，鉴定和登记科技成果7项，发表文章90多篇（第一作者和通信作者23篇），通过审定作物品种2个，授权专利9项，主编专著2部，获广东省科学技术奖三等奖2项（排名第1、2）、中国轻工业联合会科技进步二等奖3项（排名第1、3、7）、全国农牧渔业丰收奖二等奖1项（排名第3）、中华农业科技奖1项（排名第4）、广东省农业技术推广奖二等奖5项（排名第1、3、4、7、9）、三等奖1项（排名第7）。2013、2015年连续两届被授予“广东省科协省级学会优秀秘书长”称号，2018年被评为广东省科学院首届优秀青年科技工作者，2018年荣获第六届广东省科学技术协会荣誉奖，2021年荣获广东省农业科学院2018、2019、2020年度“优秀党务工作者”称号.
通讯作者
- 黄振瑞（1980—），男，博士，研究员，研究方向为烟草资源综合利用，E-mail：huangzhenrui@gdaas.cn.
文章历史
- 收稿日期：2021-11-03
2. 中国烟草总公司广东省公司，广东 广州 510610
2. Guangzhou Branch, China National Tobacco Corporation, Guangzhou 510610, China
烟草在植物分类学上属双子叶植物纲管花目茄科烟属。烟草鲜叶化学成分组成复杂，主要包括叶绿素、蛋白质、淀粉、烟碱、有机酸、茄尼醇及香料等，均具有很高的应用价值[1]。不同地区烟叶化学成分差异较大，如云南地区鲜烟叶的高不饱和半乳糖、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱、大部分多酚类、氨基酸和多胺含量较高，而低不饱和半乳糖、三酰基甘油、带有三羟基长链碱的糖基神经酰胺、酰化甾醇苷和一些有机酸则在河南地区鲜烟叶中含量普遍较高[2]。不同类型烟叶化学成分差异更明显，以四川省调制后的上二棚烟叶包括烤烟、白肋烟、香料烟、马里兰烟、晒烟等为材料进行常规化学成分分析，各类型烟叶的糖碱比和氮碱比差异均很大，尤其是还原糖含量[3]。丰富的化学成分含量及多样化，为烟草植物多元化高值化开发利用提供了物质基础。
长久以来，对烟草的利用多是将烟叶用于卷烟工业，而我国作为世界烟草种植大国，近5年每年烟叶平均产量约230万t（国家统计局最新数据），在卷烟生产过程中，其中约有1/4的烟叶、烟末等下脚料得不到合理利用，常常掩埋或者焚烧处理，造成资源浪费和环境污染。近年来，在健康中国时代大背景下，卷烟工业的市场需求逐渐降低，对烟草种植、加工等传统产业带来巨大的冲击。由于烟草的严格管控，据国家统计局数据显示，近些年全国烟草的种植面积逐年下降，2016—2019年烟叶种植面积依次为120.84万、113.06万、105.79万、102.66万hm2，不利于烟草行业整体的发展。因此，除了传统卷烟工业外，烟草资源的多元化开发利用势在必行。
我国目前对于烟草多用途开发利用方面的研究并不多，据文献调查，除了传统上用于有机肥外，近年来主要集中在药用烟草等特色资源的选育、畜- 沼- 烟的循环利用、烟草生物新能源的开发、烟草植物药用功能活性成分的提取利用及烟草转基因工程的研究上。这可能与政策引领、资金、项目、人才等方面的支持力度不够以及烟草废弃资源的生产利用及处理环节管理审批严格有关。烟草多用途开发利用涉及分析化学、材料学、生物医药、结构生物学等各个领域。本文从农、工、医等较为全面的针对烟草多元化开发利用和烟叶废料的高值化加工等方面进行调查及分析，以推动烟草行业的健康可持续发展。
1 特色烟草品种资源是多元化开发利用的物质基础我国是世界上烟草种质资源保存数量最多、遗传多样性最为丰富的国家。截至2017年底，我国保存烟草种质资源数量达5 767份，居世界首位。丰富的烟草种质资源为多元化开发提供了储备与保障。我国烟草资源虽然数量丰富，但其区域分布十分不均衡，主要集中在广东、贵州、河南、湖北、山东、山西、四川和云南等省，占全国资源收集总数的67.2%，而甘肃、广西、河北、江苏等省的资源数量稀少，不到全国的1%[4]。广东是我国栽培烟草较早的省份之一，在省内各地的生态环境下，经过人工栽培筛选，物竞天择，形成了一批独特的广东地方种质资源。例如，广东省农业科学院作物研究所烟草研究室目前收集了烟草种质资源1 300多份，其中特有烟草资源300多份，在我国烟草资源的保护工作上具有重要的地位。该所是国家烟草专卖局重大专项“中国烟草种质资源平台建设”项目的成员单位之一[5]，为烟草资源的多元化开发和高值化利用提供了可持续发展的优质资源和平台。
我国烟草在抗病、抗虫、抗逆等方面取得了大量的研究成果。采用转基因技术，将外源抗病基因hrpZPsg12、Bchi、TaPIM1及CaSn导入烟草，分别提高了烟草对烟草普通花叶病和马铃薯Y病毒、真菌性病害、青枯病及南方根结线虫的抗性；利用RNAi技术下调病毒基因，获得同时抗TMV和CMV的转基因烟草；将苏云金杆菌毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因及外源凝集素基因等抗虫基因导入烟草，获得抗棉铃虫、金龟子、斜纹夜蛾幼虫、蚜虫及甜菜夜蛾的烟草；通过导入果聚糖合成酶基因6-SFT、棉花锌指蛋白基因GhSAP1，提高了烟草对干旱和寒冷胁迫的抗性以及耐盐能力[4]。广东省农业科学院作物研究所选育的“塘蓬”是世界首个隐性基因控制的白粉病免疫晒红烟品种，以及通过聚合优良性状获得对TMV免疫兼抗PVY与黑胫病的烤烟品种。值得关注的是，抗烟草青枯病育种研究工作取得重大进展，在种质资源青枯病抗性评价过程中，发现地方晾晒烟资源中GDSY-1的抗病遗传与普通烟草品种T.I.448A（美国发现抗源品种）携带的抗源不同，经检测其为新抗源，且抗性优于美国抗源，具有较高的育种价值[6]。
药用烟草的培育是烟草种质资源创制的新亮点。将紫苏、罗勒、曼陀罗、薄荷、土人参、黄芪等药用植物通过嫁接和有性杂交相结合的方法与烟草进行远缘杂交，创制出含有药用成分的新型烟草；将普通烟草龙烟2号与曼陀罗进行属间远缘杂交，培育出含阿托品及莨菪烷的新型烟草；将烟草与罗勒进行科间远缘杂交，培育出具有药物香气的烟草新种质[4]。
长期以来，烟草种质资源评价与收集同时进行，包括对烟株株型、株高、叶片相关性状、节距、茎叶夹角、花相关性状，生育期以及抗病性等性状的鉴定评价。这些种质资源将成为今后开展新品种培育、遗传理论研究和分子生物学研究的重要基础。加大种质资源的收集和创新力度，拓展种质资源研究工作的广度和深度，挖掘种质资源潜在的利用价值，为打好烟草行业的“种业翻身仗”贡献力量。
2 现代烟草循环农业是烟草生态发展新模式现代烟草循环农业利用烟草生产中的有机废弃物，调整优化烟草产业结构，有利于提升烟叶品质、提高烟农收益和保护生态环境，是适宜的烟草农业发展范式及绿色、环保和可持续发展的体现。
畜- 沼- 烟循环模式是烟草绿色生产的基本循环链条。刘刈等[7]针对烟草废弃物含有烟碱和病原物以及木质素含量较高的特点，提出了烟草生产沼气的制约因素及优化模式，并认为废弃烟叶发酵前的预处理非常重要，需要降低烟碱的含量和软化原材料硬度。封卫平等[8]在此基础上，将废弃鲜烟叶切碎处理和沤堆发酵后，能够改善沼气发生环境，加快产气速度，提高产气量，避免了随意丢弃废烟叶造成的病虫害传播和资源的浪费，也为现代烟草循环农业的链条提供了合理的利用途径。Li等[9]首次对4个烟草品种（Yunyan85、Yunyan 99、Yunyan 114、Guiyan 2）秸秆的生物甲烷生产性能和特性进行研究，其中Yunyan114累积甲烷产量最高，为130.2 mL/g，木质素含量低于其他烟草品种，并提出了广泛适用于烟草秸秆的厌氧消化模式Gompertz模型。陈素云[10]依据农业生态系统“整体、协调、循环、再生”的原理，通过分析合理布局产业机构，把育苗工场、密集烤房、养殖场、沼气厂、有机肥等互相提供资源、消纳废物的农业生产规划集中到基地园区单元内，进一步提高利用效率和资源配置最优，并经过一些列评价指标包括农民素质、收入结构、政府组织、奖励机制、利润分配等方面，在贵州毕节秀水设计并示范了现代烟草循环农业园，采用有机烟叶- 有机牧草、有机玉米- 有机牧草两年轮作的种植制度，施用有机肥，采用生物方式杀虫；牧草和玉米秸秆作为畜牧业中的饲料，产生的牲畜粪便供应大型沼气厂，沼气厂的沼气用作密集烤房和育苗工场的能源；沼渣、废弃烟杆和烟叶等用作有机肥的原料，沼液直接还田，有机肥供应作物生长，最终形成种养加相结合的产业链条和物质循环利用的生产系统。尽管各地都在不断探索，但烟农烟企协调度不高，收益分配制度不完善，系统构建和运行机制上仍有待进一步完善。
3 烟草废弃秸秆是新能源生物材料的新来源植物类废弃物如稻草、藻类、秸秆、树叶等是碳基电极材料的碳来源之一，这些原料碳化后具有高度多孔性、比表面积大、导电性能良好以及孔径分布宽等特点，植物废弃物新能源碳基电极材料的开发也有助于缓解化石燃料枯竭带来的能源危机[11]。烟秆作为烟草生产过程中的一种废弃物，可用于制备多孔碳材料，作为制备锂离子电池负极材料，实现烟草在新能源生物材料方面的高值化利用。
目前，烟草基活性炭材料在电化学超级电容器方面有了初步研究。陈辉等[12]应用新疆产地烟草，通过一步水热法热解得到烟草基多孔碳，并通过碱化获得烟草基活性炭。该烟草基活性炭具有较高的比表面积（1 297.6 m2/g）和大孔容（0.52 cm3/g），在0.5 A/g电流下比电容可达148 F/g，两电极体系下具有120 F/g的比电容值，在1 A/g下经过9 000次循环后，容量没有损失，在超级电容器中具有高电容和良好的循环稳定性。在此基础上，广东省农业科学院作物研究所烟草研究室与暨南大学合作，首次利用自主育成品种81-26烟草秸秆为碳源，KOH为活化剂，硫脲为掺杂剂，制备了一种超高比表面积的N、S共掺杂活性炭材料，成功应用于超级电容器，其优势体现在：KOH在400~600 ℃与碳发生反应生成K2CO3、K和H2；当温度超过700 ℃，其他额外反应将会陆续发生，刻蚀碳表面而产生更多中孔结构（K2CO3 → K2O + CO2，CO2 + C → 2CO，K2CO3+2C → 2K + 3CO，C + K2O → 2K + CO）；当温度升至800 ℃，K蒸气会进入更深层的碳骨架，活性炭进一步被刻蚀而产生更多微中孔结构。因此得到的烟秆基多孔碳材料具有极大的比表面积（3 733 m2/g），并且掺杂N、S元素后在1 A/g电流密度下表现出优越的比电容值（422.5 F/g）。与其他活性炭相比，在相同活化剂作用下，该研究的烟秆基多孔碳材料具有更高的比表面积和较优异的电化学性能[13]。使用烟草废弃物生产的活性炭作为电极制造的对称超级电容器装置中，在300 W/kg的功率密度下提供高达10.4 Wh/kg的高能量密度，以及优异的长期循环稳定性（92.8%，5 000次循环后初始电容保持率的百分比）[14]。后续研究显示，不同的烟草品种通过同样的活化作用，生成的活性炭性能具有明显差异，这方面还需要开展系列研究。作为高性能超级电容器电极材料的候选材料，烟秆活性炭的优化是将烟草生物质废物转化为新能源材料高值化利用的重要方向之一。
4 烟草资源在农业绿色防控领域的新优势植物作为天然化合物的宝库，其产生的次生代谢产物超过40万种，其中的大多数化学物质如萜烯类、生物碱、类黄酮、甾体类、酚类、独特的氨基酸和多糖等均具有杀虫或抗菌活性，为植物源农药开发提供了充足的原料来源。植物源农药中杀虫活性成分因具有自然降解、无残留、低毒等优势，受到研究者广泛关注，烟草因含有独特的生物碱成分，自古就有杀虫灭菌的记载。在绿色防控领域，烟草的应用也较早。早期民间传统将烟叶或者烟梗用水煮开后，加上肥皂水或石灰水可用以消杀蔬菜、果树、茶叶、棉花等作物上的蚜虫、叶跳蝉、白粉虱、菜青虫、蓟马、卷叶虫等多种害虫。
前期研究显示，烟草在生物绿色农药生产中起主要作用的组分是烟碱，能够作用于昆虫神经系统中的烟碱型乙酰胆碱受体，表现出极强大的亲和力，因此烟碱具有广谱抗虫性，对同翅目、鳞翅目、等翅目、蛛型纲和水生蚤类等虫类均有杀灭或毒害作用[15]。近年来，科学家逐渐发现烟草中的其他生物碱和非生物碱物质如假木贼碱、丹宁酸、皂苷、还原糖、类黄酮和三萜化合物也具有很强的抗虫或驱虫效应[16-17]，烟草中新发现的西柏烷类化合物如西柏三烯二醇还具有很好的抗真菌[18-19]、抗细菌[20]和抗病毒[21-22]活性。烟草叶片中还含有一种应激反应下产生的凝集素的成分，对鳞翅目昆虫肠中存在的酶的蛋白水解降解具有很强的抵抗力，从而对鳞翅目幼虫具有明显的毒性作用，凝集素既可以帮助烟草植物自身抵御毛虫，并可开发利用作为杀虫剂的活性成分[23]。烟油也具有广泛的杀灭害虫作用，在高温真空设备中，当烟叶被加热到482 ℃时会产生生物油物质，该物质能够杀灭11种真菌、科罗拉多甲虫以及目前常见的对化学杀虫剂有耐药性的害虫，即便从中去除烟碱成分，生物油仍能有效地杀灭害虫[24-25]。研究认为，这种杀虫剂所具备的抑制一部分而非全部微生物的能力使其可以成为新型选择性杀虫剂。此外，田间实验也合理地通过烟草- 作物种植模式，发挥了烟草有效防控病、虫、草害的作用，例如，烟草- 葡萄间作模式可以有效控制葡萄根瘤蚜的危害[26]；烟- 稻轮作能改良土壤养分、减轻烟稻病、虫、草害和提高烟稻产质量，是实现烟稻双丰收、减少化学农药使用和解决烟粮争地矛盾的重要模式[27]。
5 烟草植物及其药用成分在疾病治疗上的新发现随着药理学的发展，许多天然植物成分的生物活性被鉴定出来，部分已在临床上运用在人类目前使用的临床药物中，大约有25% 来源于天然植物[28]，如获得诺贝尔奖的我国科学家屠呦呦研发的抗疟疾药物青蒿素[29]、用于治疗习惯性支气管哮喘和预防哮喘发作的拟肾上腺素药麻黄碱[30]、用于治疗多种癌症的抗癌化疗药物紫杉醇[31]、治疗心血管疾病的药物银杏内酯[32]等。烟草植物本身也是出色的特色药用资源，我国医书《中华本草》记录了烟草的医药作用，即烟草功效行气止痛、燥湿、消肿、解毒杀虫，主治食滞饱胀、气结疼痛、关节痹痛、痈疽、疔疮、疥癣、湿疹、毒蛇咬伤，扭挫伤。《全国中草药汇编》明确显示，烟草具有消肿、解毒、杀虫等功效，主要用于疔疮肿毒、头癣、白癣、秃疮、毒蛇咬伤等症，还可治疗项疽、背痈、风痰、鹤膝等病。吸烟确实给人类带来了很多危害，更多是因为香烟烟气中的致癌物质，如焦油、一氧化碳和亚硝胺等，但是烟草植物作为一种历史悠久的特色药用植物，其药用成分和医用价值不能因此而被忽略。
烟草植物药用成分主要包括生物碱类、酚类、有机酸类、萜烯类等。近年来关于烟草药用成分尤其是烟碱和茄尼醇的提取，发展较为迅速，其提取范围、提取方案以及产品纯度，均得到明显提升，主要是利用废弃烟草或者烟秆等，通过萃取、蒸馏、色谱等方式提取。传统的烟碱提取方法，主要有水蒸气蒸馏法、溶剂萃取法、离子交换法，而新兴的提取方法主要有超声辅助提取法、微波辅助提取法以及超临界CO2萃取法[33]；提取茄尼醇的传统方法主要有超临界萃取、超声波提取、微波萃取以及溶剂浸取等方法，而高纯度茄尼醇的提取则是极具潜力的分子印迹法，提取的纯度高，可用于生物活性和医药开发领域[34]。除此之外，烟草中鉴定到的其他有益药用组分的提取及纯化还不成熟，还没有得到普遍应用，但是其药用成分的巨大潜力，将首先促进烟草废弃物在医药领域的高值化利用。
生物碱类是一种含氮化合物，在抗肿瘤、抗微生物及抗炎镇痛等方面功效显著[35]。烟碱是烟草中含量最高也最受关注的生物碱类物质，也是吸烟者的主要成瘾物质，约占烟草重量的5%。烟草生物碱还包括少量的降烟碱、假木贼碱、新烟草碱等[36]。烟碱主要在保护神经退行性疾病如阿尔兹海默症和帕金森症以及缓解炎症性疾病如溃疡性结肠炎、败血症、类风湿关节炎等方面发挥重要作用[37]。
烟草酚类物质中，芦丁、芹菜素和槲皮素等是烟草中突出的类黄酮医药成分，其中发酵前烟叶的芦丁含量达1.5%~2%[38]，是重要的抗氧化剂、细胞保护剂、血管保护剂、抗癌剂、神经保护剂和心脏保护剂[39]。其他多酚类如香豆素类（莨菪灵、莨菪亭、七叶亭等）、黄酮类（葡萄糖苷、鼠李糖苷、槲皮素-3-O- 葡萄糖苷、山萘酚-3-O- 芸香糖苷等）、花色素类（花色素-3-芸香糖苷、花葵素-3- 芸香糖苷等），也具有广泛的药用生物学活性。烟草中酚酸类物质绿原酸、阿魏酸和咖啡酸等具有广泛药理活性的物质也存在烟草植物中，其中绿原酸含量较高，占总酚含量的75%~95%，占烟草含量的0.2%~5.4%，与金银花的绿原酸含量相当，是一种具有多种生物活性的膳食多酚，具有抗氧化、抗菌、保肝、保护心脏、抗炎、退热、保护神经、抗肥胖、抗病毒、抗微生物、抗高血压、自由基清除剂和中枢神经系统刺激剂等保健作用[40]。
烟草中含量最多的抗氧化有机酸是柠檬酸和苹果酸，含量约占烟叶干重的2%~5%，具有抑菌消炎、抗血小板聚集和保护心肌细胞及调节机体免疫等作用[41]。此外，烟草中还含有少量抗坏血酸等保健成分。
萜类是烟草精油的主要成分之一，茄尼醇是烟草中萜烯类的代表性物质，研究显示在烟草种质中含量最为丰富（干重约占1%~4%）。茄尼醇具有很强的自由基吸收能力和抗氧化活性，具有抗菌、抗肿瘤、抗炎和抗溃疡等生物活性，是合成辅酶Q10、维生素K2和抗癌剂协同剂N- 茄尼基-N等泛醌类药物的关键医用中间体[42]。此外，烟草精油成分中的α-、β- 紫罗兰酮，除了具有紫罗兰香气使人感到愉悦之外，也能带来健康效应，如减轻高脂饮食引起的骨骼肌消耗，防止紫外照射引起的皮肤光老化，以及抵抗乳腺癌、肺癌和白血病等[43]。
近年来，随着代谢组学的普及，烟草植物中其他具有药理活性的代谢物如维生素E、维生素K1、东莨菪素、麦斯明、Feruloyltyramine等逐渐得到鉴定[44]。值得一提的是，烟草中的烟酸和烟酰胺，虽然含量不高，其属于维生素B族，是人体不可缺少的组成成分，参与机体的氧化还原作用，促进新陈代谢，在临床上已有诸多应用[45]。此外，植物多糖、植物多肽及甾醇类在医药领域也具有重要的生物学功能，如植物多糖能有效调节人体内血脂和血糖的平衡、调节免疫活性、抗癌、激活细胞抗氧化活性[46]，植物多肽类小分子具有抗氧化、抗病毒、调节代谢综合征尤其是降血压的作用[47]，植物甾醇类具有降胆固醇的作用[48]。烟草中含有丰富的糖类（占干重的25%~50%）和蛋白质（幼苗期干重26%~29%，成熟期干重12%~15%），以及植物甾醇类如β-谷甾醇、豆甾醇、菜子甾醇等。因此，烟草是未来药物开发优选的植物资源之一。
6 烟草转基因工程是植物生物反应器的领跑者将植物用于药用的历史可以追溯到数千年前，但植物基因工程生产所需的生物药物还不足50年。通过基因工程，植物可以用来生产药理学上有活性的疫苗、激素、细胞因子、哺乳动物抗体、血液产品替代品和各种其他治疗制剂[49]。与微生物发酵、哺乳动物细胞或转基因动物生产系统相比，植物源药物制备不受人类疾病和哺乳动物病毒载体的影响，还可以在田间大量生长，储存更为便利[28]，因此转基因植物药物生产具有安全、商业化大量生产及节约成本的前景优势，可能成为多种新型新药的重要生产体系。烟草厂家也有较大的潜力以比传统方法更低的成本大规模生产药品。
迄今为止，除了拟南芥、番茄、马铃薯、大豆、苜蓿、玉米、水稻和小麦，烟草是主要的用于生产人类治疗剂的作物[49]。通过利用转基因植物病毒如烟草花叶病毒或者花椰菜花叶病毒等农杆菌介导法或者基因枪法，外源蛋白不仅可以在核基因组中表达，而且在叶绿体基因组中也很容易表达。带有外源基因的烟草可以通过大田或温室栽培或体外悬浮细胞培养两种方式用于生产，尤其重要的是可以在1周内快速制备疫苗和单克隆抗体等，用于临床试验或进行个性化治疗[50]。
第一株转基因植物是烟草，而生产出第一个药用蛋白的植物也是烟草，1986年在烟草中首次表达成功人类第一个生长因子，之后4年内又在烟草中证明了植物具有正确组装多亚基糖蛋白即人类免疫球蛋白IgG的能力，随后转基因烟草中合成表达了口蹄疫病毒疫苗、链球菌抗体、乙肝疫苗、人表皮生长因子、人β干扰素、人血清白蛋白等医药制剂[49]。首例将纳入临床试验的植物源抗体是在2015年在转基因烟草中表达的人类HIV病毒的单克隆抗体（2G12），该抗体在德国用于临床一期实验，暂未发现明显的安全问题[51]。美国Mapp公司利用转基因烟草表达的3种抗埃博拉病毒的人鼠嵌合单克隆抗体mAbs进行“鸡尾酒”疗法，2014年利用该法ZMapp治愈了全部18只感染埃博拉病毒的恒河猴；在尚未开展临床试验的情况下，同年在利比里亚治愈了2名感染病毒的美国医疗援助人员，为抗埃博拉药物研发带来了希望，也为烟草生产生物医药制剂带来了广阔前景[52-54]。近几年我国学者在转基因烟草上也获得了新突破，Fu等[55]基于马铃薯病毒载体（pgR107），通过农杆菌介导方法，在本氏烟草（Nicotiana benthamiana）上转化生产了在糖代谢和脂肪酸代谢中起关键作用的肝脏激素合成纤维细胞生长因子21（FGF21），积累量高达450 μg/g鲜重，且在脂肪细胞水平验证了其刺激葡萄糖摄取的活性。Feng等[56]应用类似的系统，在本氏烟草转化表达了促进表皮细胞增殖、迁移、分化和伤口修复的角质形成细胞生长因子1（KGF1），KGF1在农杆菌感染植物的叶子中积累量高达530 μg/g鲜重。KGF1具有生物活性，可以促进NIH/3T3细胞的增殖，并显著促进Ⅱ型糖尿病大鼠伤口的愈合。韦正乙等[57]构建了人表皮生长因子基因的烟草叶绿体转化表达载体pWX-Nt02，其表达量达23.16~25.77 ng/g（鲜重），细胞增殖实验也证明烟草表达的重组人表皮生长因子具有很好的生物活性。虽然研发技术日渐成熟，植物来源的生物制药应符合与其他生产系统相同的安全和性能标准，纯化技术占植物生物制药生产成本的大部分，其纯度、产量、有效性和安全性仍需要较多的数据评估。尽管如此，烟草作为生物反应器，在未来的基因工程中将发挥关键作用。
7 烟草植物在饲料和食品上体现新价值烟草废弃物可以制作饲料。烟茎中的蛋白质（平均 > 21.71%）和糖分（36.06%~41.15%）均较丰富，尤其是纤维质量好，纤维素含量达38%~45%，加之矿物质元素如钾、钙、镁、铁、硼、锰等含量丰富，易于加工成营养较全面的良好饲料[58]。此外，烟草饲料还具有防虫治病的作用，对牲畜饲料具有较高的价值。张春喜等[59]调查结果显示，云南省建水县将弃烟青贮加工（烟碱降低到0.019% 以下）截短，加米糠、食盐等喂猪后，在检测无毒安全的前提下，猪肉品质得到显著提高，肉质细嫩，且每头猪比对照组增重显著（约20%）。对患有蛔虫病的鸡群，在饲料中加入2% 烟草粉，每天上下午各喂1次，连续7 d，就可以消除鸡蛔虫[60]。2021年意大利的一项最新研究显示，为降低奶牛的饲养成本，应用含有低烟碱的烟草品种Solaris，将其全株绿色成熟植物体切碎用植物乳杆菌发酵后，添加在基础饲料中饲喂荷斯坦小母牛，饲喂45 d后，小母牛的身体状况、粪便稠度、运动能力或繁殖性状等方面没有检测到差异[61]。可见，烟草饲料化具有成本低、见效快、方便操作、易于推广的特点，但是烟草饲喂动物后肉质或者蛋奶的安全性检测方面还比较欠缺，需要全方位的质量评估。
烟草蛋白质营养丰富，在植物界排序中，烟草居于榜首，烟草提取的蛋白成分可应用于制备无毒、天然的营养食品添加剂，制成各种营养食品。研究发现，烟草是唯一一种可以以纯结晶形式获得Fraction-1- 蛋白质的植物，该蛋白没有味道或气味，无色且无过敏性，并具有可降低胆固醇的最佳氨基酸组成比例；其功能特性（如溶解性、稳定性、发泡、胶凝和乳化能力）优于蛋清、酪蛋白和大豆蛋白，可能是营养和功能最好的食品蛋白；该蛋白还被推荐用于各种医疗用途（例如用于肾透析患者和作为婴儿的人工牛奶）。来自烟草的Fraction-2- 蛋白质也具有良好的特性，可添加到汤和饮料中提高营养质量，丰富人类食物[62]。这些研究曾经被Leaf Protein International（LPI）机构大量试点运营和开发，但最终因资金枯竭而终止。可见，烟草植物营养资源的挖掘与可持续发展，需要配套项目的强力支撑。
8 展望随着全球禁烟的呼声越来越强烈，烟草行业的发展面临着前所未有的机遇与挑战。加之传统卷烟工业带来的资源浪费和环境污染，烟草资源的多元化开发势在必行。烟草本身作为一种药用植物，更是为烟草资源的高值化利用提供了可持续发挥的空间。
为将废弃烟草、“有害烟草”转变为功能烟草、健康烟草，建议从以下几个方面，尤其在生物医药健康领域，发挥出烟草特色的举足轻重的作用。（1）开展烟草植物有效活性成分如萜烯类、酚酸类、有机酸类等物质的提取和分离纯化，及后期的生物活性的验证；开展烟草新的代谢物质成分的结构分析、结构鉴定和活性检测；开展烟草有益活性成分合成机制的研究，提高产量等。（2）积极推进烟草作为生物反应器生产生物制剂。烟草作为植物生物反应器合成表达了口蹄疫病毒疫苗、链球菌抗体、乙肝疫苗、人表皮生长因子、人β干扰素、人血清白蛋白等医药制剂，不过极少量在临床上进行分析，其纯度、产量、有效性和安全性仍需要较多的数据评估；开展利用基因编辑技术，利用烟草提高或者合成表达各行业所需的日化、保健、医疗等绿色材料，并进行系统性的效用评估。（3）积极开发烟草活性成分对医药健康领域的贡献，开展烟草活性成分如烟碱、茄尼醇、绿原酸、芦丁等不同提取物在代谢综合征、神经退行性疾病、心血管疾病、皮肤炎症等人类疾病方面的干预作用；开发利用烟草种籽油在高血脂、心血管疾病方面的有益作用并进行安全评价；开发医用烟草油抗病毒、抗真菌、麻醉和除臭等方面的功效等。
为加快推进烟草资源的多元化开发利用和烟草行业的转型升级，我们进一步建议制定烟草废弃资源标准管理规范或者政策法规，统一处理或者回收，进行资源的调配，发挥烟草废弃资源的多用途利用。卷烟工业、生物医药行业、材料行业、信息学等领域统筹协作，建立合作平台，开展交叉学科的融合与碰撞，从科技和人文两方面，从全局和多角度迅速推进烟草资源的综合利用。对于涉及到多行业多方向，着力解决紧缺人才和专业技术人才缺失难题，建议出台人才优惠政策，实现人才效益和经济效益双赢，以期在“健康中国、绿色中国、美丽中国”的新时代背景下，充分发挥烟草资源的有益作用，将其多元化开发利用的潜能变为现实。
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（责任编辑 邹移光）