羧甲基纖維素和瓜爾膠對(duì)造紙法再造煙葉片基的影響

朱紅琴，劉維涓，肖選虎，余磊，衛(wèi)青

（云南瑞升煙草技術(shù)集團(tuán)有限公司，云南昆明650106）

羧甲基纖維素和瓜爾膠對(duì)造紙法再造煙葉片基的影響

朱紅琴，劉維涓，肖選虎，余磊，衛(wèi)青

（云南瑞升煙草技術(shù)集團(tuán)有限公司，云南昆明650106）

研究了羧甲基纖維素（CMC）和瓜爾膠2種助劑對(duì)再造煙葉片基吸收性的影響。結(jié)果表明：隨著助劑用量的增加，再造煙葉片基的吸收性先增大、后減小：當(dāng)瓜爾膠用量為0.2%～0.3%（以絕干漿質(zhì)量為基數(shù)計(jì)，下同），CMC的用量為0.1%～0.2%時(shí)，造紙法再造煙葉片基各性能達(dá)到最佳。

再造煙葉；瓜爾膠；羧甲基纖維素；吸收性

造紙法再造煙葉以煙末、煙梗和煙碎片等煙草物質(zhì)為原料，用水作為溶劑進(jìn)行萃取，將煙草原料中的糖、煙堿等致香成分提取出來(lái)，分離不溶物和可溶的萃取液，不溶物通過磨（打）漿制得煙草漿，并添加木漿纖維和填料等抄造成再造煙葉片基；可溶物萃取液經(jīng)過濃縮之后調(diào)制成涂布液經(jīng)浸漬涂布在片基上而制得[1-3]。由于食品安全指標(biāo)的特殊要求，使得造紙法再造煙葉生產(chǎn)中所用助劑的選擇受到限制。所用助劑必須要天然、無(wú)毒，同時(shí)具有良好的助留助濾和增強(qiáng)等性能。常用的造紙法再造煙葉助劑主要有瓜爾膠（guar gum）、殼聚糖和羧甲基纖維素（CMC）等[4-8]。

瓜爾膠，是從瓜爾豆中提取的一種高純化天然的半乳甘露聚糖類植物膠[9]。瓜爾膠的分子結(jié)構(gòu)以聚甘露糖為分子主鏈，D-吡喃甘露糖單元之間以β（1-4）苷鍵連接，D-吡喃半乳糖則以α（1-6）鍵連接在聚甘露糖主鏈上，是一種非離子多糖。由此可見，瓜爾膠分子結(jié)構(gòu)與纖維素結(jié)構(gòu)非常相似，由于瓜爾膠分子結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，對(duì)纖維素有很強(qiáng)的親和性，再加上其天然性，是造紙法再造煙葉生產(chǎn)中最常用助留助濾劑。CMC，由羧甲基取代基的纖維素衍生物，用氫氧化鈉處理纖維素形成堿纖維素，是無(wú)毒無(wú)味的白色絮狀粉末，性能穩(wěn)定，易溶于水，屬陰離子纖維素醚類，可用作黏合劑、分散劑和上漿劑，是纖維素醚類中產(chǎn)量最大、用途最廣、使用最方便的產(chǎn)品。

傳統(tǒng)的造紙法再造煙葉生產(chǎn)多以瓜爾膠作為濕部助劑。陳冬海等研究了瓜爾膠及其衍生物對(duì)造紙法再造煙葉漿料的助留助濾性能影響，研究表明瓜爾膠及其衍生物能夠改善漿料的助留助濾性能。實(shí)驗(yàn)室自制的陽(yáng)離子羥丙基瓜爾膠的助留助濾性能較好，當(dāng)其用量為0.08%時(shí)，漿料中總細(xì)小組分首程留著率較未添加時(shí)提高了44.0%[10]；胡惠仁等研究了殼聚糖和瓜爾膠對(duì)再造煙葉漿料的助留助濾性能以及對(duì)再造煙葉片基物理性能的影響，研究結(jié)果表明，與瓜爾膠相比，殼聚糖能夠顯著提高再造煙葉漿料的濾水性能和留著率，還能改善再造煙葉片基的濕強(qiáng)度，而且對(duì)煙草基片的柔軟性影響很小[11]36。

本實(shí)驗(yàn)以瓜爾膠和CMC作為助劑，研究不同種類助劑和添加量對(duì)造紙法再造煙葉片基吸收性和留著率的影響，同時(shí)得出了合適的助劑添加量，為其在造紙法再造煙葉中的應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

初級(jí)煙草漿料，打漿度為20°SR，云南昆明某薄片廠提供；商品針葉木漿板，國(guó)內(nèi)某漿廠提供；碳酸鈣，食品級(jí)瓜爾膠，CMC。

1.2 設(shè)備和儀器

ZZ-100型紙張表面吸收重量測(cè)定儀，長(zhǎng)春市紙張?jiān)囼?yàn)機(jī)廠；J-DJY-100型紙漿打漿度測(cè)定儀，四川長(zhǎng)江造紙儀器有限責(zé)任公司；MS 204S型電子天平，瑞典；ZBJ-1型紙漿標(biāo)準(zhǔn)解離機(jī)，長(zhǎng)春市紙張?jiān)囼?yàn)機(jī)廠；“快速凱塞法”紙頁(yè)成形器（ERNST-HAAGE BBS-2），德國(guó)；PN-TT30型電腦抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)，杭州品亨科技有限公司；KXX-4-10型箱式電阻爐，上海東星建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司；DCP-HDY04型電腦測(cè)控厚度測(cè)試儀，四川長(zhǎng)江造紙儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 再造煙葉片基的制備

按88%∶12%質(zhì)量比稱取煙草漿和木漿纖維，并與填料（填料添加量為漿料質(zhì)量的20%）混合配制成1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液于紙漿標(biāo)準(zhǔn)解離機(jī)分散解離，并分別按絕干漿料質(zhì)量的0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%加入助劑（助劑先配制成一定濃度、再按添加量折算成體積加入到漿料溶液中）混勻，靜置2 min后在快速紙頁(yè)成形器上抄造成定量為60 g/m2的再造煙葉片基。1.3.2片基的物理性能測(cè)定

再造煙葉片基在紙頁(yè)成形器上抄造好之后，于溫度為（22±2）℃、相對(duì)濕度為（60±2）%的恒溫恒濕間放置48 h以上，測(cè)定其物理性能。

（1）定量、厚度、抗張強(qiáng)度、裂斷長(zhǎng)、灰分和可勃值分別參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 451.2—2002、GB/T 451.3—2002、GB/T 22898—2008、GB/T 24328.3—2009、GB/ T 742—2003和GB/T 1540—1989進(jìn)行測(cè)定[12]。

（2）緊度和松厚度的測(cè)定

緊度為單位體積再造煙葉片基的質(zhì)量，單位為g/cm3。松厚度為一定質(zhì)量再造煙葉片基的體積，即為緊度的倒數(shù)，單位為cm3/g。緊度和松厚度可由試樣的定量和厚度計(jì)算而得出，計(jì)算方法分別見公式（1）和（2）：

式（1）和式（2）中：V為試樣松厚度，cm3/g；ρ為試樣緊度，g/cm3；δ為試樣的厚度，mm；g為試樣定量，g/m2。

（3）吸液量的測(cè)定

吸液量為試樣吸收液體的質(zhì)量與未吸收液體前試樣的質(zhì)量之比，單位為g/g。吸液量按GB/T 1540—2002測(cè)定，計(jì)算方法見公式（3）：

式中：A為吸液量，g/g；m1為試樣吸收液體前的質(zhì)量，g；m2為試樣吸收液體后的質(zhì)量，g。

（4）填料留著率的測(cè)定

填料留著率指保留在再造煙葉片基中的填料質(zhì)量占加入漿料中填料質(zhì)量的百分率，計(jì)算方法見公式（4）：

式中：R為填料總留著率，%；Wa、Wb分別為紙及漿中灰分，%；Wc為漿料中纖維灰分，%；Wd為填料的灼燒損失，%；K為紙頁(yè)抄造過程纖維流失校正系數(shù)，可近似取0.94。

2 結(jié)果與討論

2.1 瓜爾膠對(duì)再造煙葉片基吸收性的影響

本實(shí)驗(yàn)以瓜爾膠作為助劑，研究不同瓜爾膠用量分別在加填了填料和未加填填料時(shí)對(duì)造紙法再造煙葉片基吸收性和留著率的影響；同時(shí)給出了合適的助劑添加量，為其在造紙法再造煙葉中的應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)。

表1是瓜爾膠用量對(duì)加填了填料的再造煙葉片基物理性質(zhì)的影響。

表1 瓜爾膠用量對(duì)加填了填料的再造煙葉片基物理性質(zhì)的影響

從表1可以看出，隨著瓜爾膠用量增加，再造煙葉片基的定量逐漸增大，初步可以說(shuō)明，隨著助劑用量的增加，漿料的留著率增大。從表1還可以看出，隨著助劑用量的增加，片基的松厚度減小，緊度有增大趨勢(shì)。主要是因?yàn)橹鷦┯昧康脑黾?，使得漿料體系中的細(xì)小組分和填料的留著率增加，細(xì)小的填料填充于再造煙葉片基之中，增大了片基的緊度，使得松厚度下降。由于細(xì)小填料含量的增加，再造煙葉片基中的細(xì)小組分和填料阻礙纖維與纖維之間的氫鍵結(jié)合，從而降低了再造煙葉片基的結(jié)合強(qiáng)度，就會(huì)使再造煙葉片基的抗張強(qiáng)度和裂斷長(zhǎng)明顯下降。

表2為瓜爾膠用量對(duì)未加填填料的再造煙葉片基物理性質(zhì)的影響。

表2 瓜爾膠用量對(duì)未加填填料的再造煙葉片基物理性質(zhì)的影響

從表2可以看出，隨著瓜爾膠用量的增大，再造煙葉片基的定量、緊度有所上升，但是上升的幅度較加填了填料的再造煙葉片基要小。與加填了填料的再造煙葉片基相反，助劑用量的增加，未加填填料的再造煙葉片基的抗張強(qiáng)度和裂斷長(zhǎng)有上升的趨勢(shì)。這主要因?yàn)?，加填了填料的再造煙葉片基中填料的存在阻礙了纖維之間的結(jié)合，填料對(duì)再造煙葉片基的強(qiáng)度有很大的負(fù)面影響[13-14]。

從表1還可以看出，當(dāng)瓜爾膠用量從0.0%增加到0.5%時(shí)，加填了填料的再造煙葉片基的定量從55.05 g/m2增加到60.78 g/m2，增加了10.41%，而未加填填料的再造煙葉片基定量從64.23 g/m2增加到66.05 g/m2，僅增加了2.83%，比加填了填料的再造煙葉片基少7.58百分點(diǎn)。這說(shuō)明，瓜爾膠對(duì)填料的留著作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)細(xì)小纖維的留著。

圖1是瓜爾膠用量對(duì)再造煙葉片基灰分的影響。

圖1 瓜爾膠用量對(duì)再造煙葉片基灰分的影響

由圖1可以看出，隨著瓜爾膠用量的增大，加填了填料和未加填填料的再造煙葉片基的灰分均相應(yīng)提高。加填了填料的再造煙葉片基灰分從未添加瓜爾膠時(shí)的10.35%提高到15.16%（瓜爾膠用量為0.5%時(shí)），增加了將近5百分點(diǎn)；而未加填填料的再造煙葉片基的灰分從6.13%提高到6.94%，僅僅增加了不到1百分點(diǎn)。這說(shuō)明添加瓜爾膠助劑更有利于填料等細(xì)小物質(zhì)的留著。從圖1還可以看出，瓜爾膠0.3%的用量和0.4%、0.5%的用量時(shí)再造煙葉片基灰分的含量相差不是很大。

另外，相同瓜爾膠用量下，加填了填料的再造煙葉片基的灰分遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未加填填料的再造煙葉片基灰分。主要原因是，再造煙葉片基的灰分包含纖維的灰分和填料的灰分，實(shí)驗(yàn)中所加填的填料為碳酸鈣，碳酸鈣填料的灰分遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于纖維的灰分，在固形物不加填的情況下，加填了填料的片基的灰分大于未加填填料片基的灰分。

圖2是瓜爾膠用量對(duì)加填了碳酸鈣的再造煙葉片基填料留著率和灰分的影響。

圖2 瓜爾膠用量對(duì)加填了碳酸鈣的再造煙葉片基填料留著率和灰分的影響

由圖2可以看出，隨著瓜爾膠用量的增加，加填了碳酸鈣的再造煙葉片基的灰分含量和填料留著率有所提高。當(dāng)瓜爾膠用量從0.0%上升至0.2%時(shí)，片基填料留著率從21.53%，上升至45.27%，增加了23百分點(diǎn)以上；而當(dāng)瓜爾膠用量從0.2%增加至0.5%，填料留著率從45.27%提高到54.33%，只增加了9百分點(diǎn)。這說(shuō)明，當(dāng)瓜爾膠助劑用量從0.2%增加到0.5%時(shí)，片基的灰分和填料留著率變化量不大。

圖3是瓜爾膠用量對(duì)再造煙葉片基吸液量的影響。

圖3 瓜爾膠用量對(duì)再造煙葉片基吸液量的影響

由圖3可以看出，相同瓜爾膠用量下，加填了填料的再造煙葉片基的吸液量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未加填填料的吸液量。這主要是因?yàn)槲醇犹盍系脑僭鞜熑~片基對(duì)液體的吸收主要靠的是纖維的表面張力，而加填了填料的再造煙葉片基因?yàn)樘妓徕}粒子的大量存在，吸附面積增加，故加填料的再造煙葉片基的吸收性大于未加填料的再造煙葉片基的吸收性。由圖3還可以看出，隨著瓜爾膠用量的增加，再造煙葉片基的吸液量先增大、后減小。這主要是因?yàn)楣蠣柲z用量的增加，增加了填料的留著率，再造煙葉片基里的填料粒子數(shù)目增多，比表面積增大，但是填料粒子數(shù)目過多，填料在片基里的勻度會(huì)受到影響，大量填料粒子堆積在纖維之間，填料與纖維之間的結(jié)合力大大減弱，片基與涂布液接觸時(shí)，游離顆粒易轉(zhuǎn)移到涂布液中，導(dǎo)致片基的吸液量降低。

綜上所述，在保證造紙法再造煙葉片基較好的強(qiáng)度和吸收性的基礎(chǔ)上，瓜爾膠助劑的用量應(yīng)控制在0.2%左右。

2.2 CMC和瓜爾膠對(duì)再造煙葉片基吸收性影響的比較

本實(shí)驗(yàn)以現(xiàn)在廣泛使用的CMC作為濕部助劑，研究了其對(duì)再造煙葉片基吸收性能的影響，并與瓜爾膠做了比較。表3為不同CMC用量下再造煙葉片基的物理性質(zhì)。

表3 不同CMC用量下再造煙葉的物理性質(zhì)

從表3可以看出：隨著CMC用量的增大，再造煙葉片基的定量和厚度略有提高，但總體變化趨勢(shì)較緩慢；片基的松厚度略有減?。黄目箯垙?qiáng)度和裂斷長(zhǎng)先增大、后降低。

圖4 瓜爾膠和CMC用量對(duì)片基灰分的影響

圖4和圖5分別為瓜爾膠和CMC用量對(duì)再造煙葉片基的灰分和填料留著率的影響。圖6為添加了不同用量的瓜爾膠和CMC助劑的再造煙葉片基表面SEM照片。

圖5 瓜爾膠和CMC用量對(duì)填料留著率的影響

圖6 添加不同用量的瓜爾膠和CMC的片基表面SEM照片（×500倍）

從圖4～6可以看出，再造煙葉片基的灰分和填料留著率隨著助劑用量的增加而增大。助劑用量相同時(shí)，添加瓜爾膠的再造煙葉片基的灰分含量和填料留著率比添加CMC的片基要高。這說(shuō)明，瓜爾膠的助留效果明顯優(yōu)于CMC。有研究發(fā)現(xiàn)瓜爾膠具有最大的氫鍵結(jié)合面積，因?yàn)楣蠣柲z分子的直鏈上沒有非極性基團(tuán)，大部分羥基都處在直鏈的外側(cè)，活性較強(qiáng)的醇羥基也在半乳糖支鏈的外側(cè)[11]35。而通過改性的陽(yáng)離子瓜爾膠，分子鏈上被引入陽(yáng)離子基團(tuán)，獲得一定的正電性，可以與帶負(fù)電的纖維和填料粒子相互作用，提高了纖維和填料的留著率，使得添加瓜爾膠助劑的再造煙葉片基的灰分含量和填料留著率較高。從圖4和圖5還可以看出，CMC用量小于0.1%時(shí)，再造煙葉片基灰分和填料留著率上升速度較快，與對(duì)照樣相比，CMC用量為0.1%時(shí)，填料留著率增加了51.42%；用量超過0.1%后，填料的留著率緩慢上升，CMC用量每增加0.1%，填料留著率分別增加4.11%、4.18%、4.61%和6.08%，說(shuō)明當(dāng)CMC用量超過0.1%后，隨著CMC助劑用量的增加，其對(duì)纖維和填料的助留效果基本保持不變；而瓜爾膠的用量在0.3%內(nèi)，再造煙葉片基的灰分和填料留著率一直呈上升趨勢(shì)，當(dāng)瓜爾膠用量超過0.3%時(shí)，再造煙葉片基灰分和填料留著率上升趨勢(shì)趨于平緩。

圖7是瓜爾膠和CMC用量對(duì)再造煙葉片基吸液量的影響。

圖7 瓜爾膠和CMC用量對(duì)再造煙葉片基吸液量的影響

由圖7可以看出，隨著助劑用量的增大，再造煙葉片基吸液量先增大、后減小。CMC的用量從0.0%增至0.1%，再造煙葉片基的吸液量從2.2 g/g上升至2.29 g/g，增加了4%；用量從0.1%上升至0.2%時(shí)，片基的吸收性基本不變；當(dāng)CMC用量超過0.2%時(shí)，再造煙葉片基的吸液量呈下降趨勢(shì)。故對(duì)于CMC助劑來(lái)說(shuō)，合適的添加量為0.1%～0.2%。

3 結(jié)論

（1）隨著助劑用量的增加，再造煙葉片基的定量、緊度和抗張強(qiáng)度等有所上升，助劑用量相同時(shí)，添加瓜爾膠的再造煙葉片基的灰分含量和填料留著率比添加CMC的片基要高，即瓜爾膠助留助濾效果較CMC好。

（2）隨著助劑用量的增大，再造煙葉片基的吸收性先增大、后減小。瓜爾膠助劑的用量在0.2%～0.3%的范圍內(nèi)，CMC助劑的用量為0.1%～0.2%內(nèi)，造紙法再造煙葉片基各性能達(dá)到最佳。

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The Effects of the Guar Gum and CMC on the Papermaking Reconstituted Tobacco Substrate

ZHU Hong-qin，LIUWei-juan，XIAO Xuan-hu，YU Lei，WEIQing
（Yunnan Reascend Tobacco Technology（Group）Co.，Ltd.，Kunming 650106，China）

The guar gum and CMC were added to the reconstituted tobacco as retention agent，the experimental results showed that with the increase of the amount of retention agents，the absorbability of reconstituted tobacco substrate increased firstthen decreased.The amount of the guar gum and CMC should be respectively controlled within 0.2%～0.3%and 0.1%～0.2%.At the same addition dosage，the absorbability of reconstituted tobacco substrate which was added guar gum was better than the reconstituted tobacco substrate which was added CMC.

reconstituted tobacco；guar gum；CMC；absorbability

TS761.2

A

1007-2225（2017）02-0014-06

朱紅琴女士（1988-），助理工程師；工作研究方向：再造煙葉工藝技術(shù)；E-mail：zhuhongqin@reascend. com。

衛(wèi)青先生（1979-），高級(jí)工程師；主要研究方向：煙草化學(xué)、煙草加工；E-mail：weiqing@reascend.com。

2017-03-17（修回）

本文文獻(xiàn)格式：朱紅琴，劉維涓，肖選虎，等．羧甲基纖維素和瓜爾膠對(duì)造紙法再造煙葉片基的影響[J]．造紙化學(xué)品，2017，29（2）∶14-19．